В каких приборах определяются прочностные характеристики грунтов

1.5. ПРОЧНОСТЬ ГРУНТОВ

Сопротивление грунта срезу характеризуется касательными напряжениями в предельном состоянии, когда наступает разрушение грунта [4]. Соотношение между предельными касательными τ и нормальными к площадкам сдвига σ напряжениями выражается условием прочности Кулона-Мора

где φ — угол внутреннего трения; с — удельное сцепление.

Характеристики прочности φ и с определяют в лабораторных и полевых условиях. Для предварительных, а также окончательных расчетов оснований зданий и сооружений II и III класса допускается принимать значения φ и с по табл. 1.17 и 1.18.

ТАБЛИЦА 1.17. НОРМАТИВНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ УДЕЛЬНЫХ СЦЕПЛЕНИИ c , кПа, И УГЛОВ ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ φ , град, ПЕСЧАНЫХ ГРУНТОВ

ПесокХарактеристикаЗначения с и φ при коэффициенте пористости e
0,450,550,650,75
Гравелистый и крупныйс
φ
2
43
1
40
38
Средней крупностис
φ
3
40
2
38
1
35

Мелкийс
φ
6
38
4
36
2
32
28
Пылеватыйс
φ
8
36
6
34
4
30
2
26

Примечание. Приведенные в таблице значения относятся к кварцевым пескам (см. табл. 1.12).

ТАБЛИЦА 1.18. НОРМАТИВНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ УДЕЛЬНЫХ СЦЕПЛЕНИЯ c , кПа, И УГЛОВ ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ φ , град, ПЫЛЕВАТО-ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ ЧЕТВЕРТИЧНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ

ГрунтПоказатель текучестиХарактеристикаЗначения с и φ при коэффициенте пористости е
0,450,550,650,750,850,951,05
Супесь0 IL ≤ 0,25с
φ
21
30
17
29
15
27
13
24



0,25 IL ≤ 0,75с
φ
19
28
15
26
13
24
11
21
9
18


Суглинок0 IL ≤ 0,25с
φ
47
26
37
25
31
24
25
23
22
22
19
20

0,25 IL ≤ 0,5с
φ
39
24
34
23
28
22
23
21
18
19
15
17

0,5 IL ≤ 0,75с
φ


25
19
20
18
16
16
14
14
12
12
Глина0 IL ≤ 0,25с
φ

81
21
68
20
54
19
47
18
41
16
36
14
0,25 IL ≤ 0,5с
φ


57
18
50
17
43
16
37
14
32
11
0,5 IL ≤ 0,75с
φ


45
15
41
14
36
12
33
10
29
7

Примечание. Значения с и φ не распространяются на лёссовые грунты.

1.5.1. Определение прочностных характеристик в лабораторных условиях

В практике исследований грунтов применяют метод среза грунта по фиксированной плоскости в приборах одноплоскостного среза. Для получения φ и с необходимо провести срез не менее трех образцов грунта при различных значениях вертикальной нагрузки. По полученным в опытах значениям сопротивления срезу τ строят график линейной зависимости τ = f(σ) и находят угол внутреннего трения φ и удельное сцепление с (рис. 1.5).

В каких приборах определяются прочностные характеристики грунтов

Различают две основные схемы опыта: медленный срез предварительно уплотненного до полной консолидации образца грунта (консолидировано-дренированное испытание) и быстрый срез без предварительного уплотнения (неконсолидировано-недренированное испытание).

Значения φ и с , полученные по методике медленного консолидированного среза, используются для определения расчетного сопротивления грунта, а также для оценки несущей способности основания, находящегося в стабилизированном состоянии (все напряжения от внешней нагрузки восприняты скелетом грунта). Значения φ и с , полученные по методике быстрого неконсолидированного среза, используются для определения несущей способности медленно уплотняющихся водонасыщенных суглинков и глин, илов, сапропелей, заторфованных грунтов и торфов. В таких грунтах возможно возникновение нестабилизированного состояния (наличие избыточного давления в поровой воде) вследствие их медленной консолидации или быстрой передачи нагрузки от сооружения (силосы, резервуары, склады сырья и т.п.).

Метод определения характеристик прочности φ и с в условиях трехосного сжатия в большей степени соответствует напряженному состоянию грунта в основании сооружения. Испытание проводится на приборе, в котором образец грунта подвергается всестороннему гидростатическому давлению и добавочному вертикальному (осевому). Для определения прочностных характеристик грунтов проводят серию испытаний при различных соотношениях давлений, доводя образец до разрушения, в результате каждого опыта получают значения наибольшего σ1 и наименьшего σ3 главных нормальных напряжений в момент разрушения. Графически зависимость между главными касательными и нормальными напряжениями представляют с помощью кругов Мора, каждый из которых строится на разности напряжений σ1 и σ3 (рис. 1.6).

В каких приборах определяются прочностные характеристики грунтов

Общая касательная к этим кругам удовлетворяет условию прочности (1.5) и позволяет определить характеристики φ и с .

В приборах трехосного сжатия проводят следующие испытания:

  • – недренированное — дренирование воды из образца грунта отсутствует в течение всего опыта;
  • – консолидировано-недренированное — дренирование обеспечивается в процессе приложения гидростатического давления и образец полностью уплотняется, в процессе приложения осевых нагрузок дренирование отсутствует;
  • – дренированное — дренирование обеспечивается в течение всего испытания.

Недренированные испытания водонасыщенных грунтов проводят для определения прочностных характеристик, выражаемых через общие (тотальные) напряжения. Дренированные испытания проводят для определения прочностных характеристик, выражаемых через эффективные напряжения. При этом в процессе опыта должно быть достигнуто полностью консолидированное состояние грунта. Прочностные характеристики грунтов, выражаемые через эффективные напряжения, могут быть определены также для образцов грунта, испытанных в неполностью консолидированном состоянии, при условии измерения в процессе опыта давления в поровой воде.

Количественной характеристикой прочности скальных грунтов является предел прочности на одноосное сжатие Rc , определяемый раздавливанием образца грунта и вычисляемый по формуле

где Р — нагрузка в момент разрушения образца грунта; F — площадь поперечного сечения образца грунта.

1.5.2. Определение прочностных характеристик в полевых условиях

Полевое испытание на срез в заданной плоскости целика грунта, заключенного в кольцевую обойму, аналогично лабораторному испытанию на срез в одноплоскостных срезных приборах. Испытания проводятся в шурфах, котлованах, штреках и т.д. Для получения характеристик φ и с определяют сопротивление срезу не менее чем трех целиков при различных вертикальных нагрузках. Схемы испытаний принимаются те же, что и в лабораторных условиях. Значения φ и с находят на основе построения зависимости (1.5), как это показано на рис. 1.5.

Полевое определение характеристик φ и с в стенах буровой скважины проводится методами кольцевого и поступательного среза. Схемы испытаний приведены на рис. 1.7. Эти методы применяются для испытаний грунтов на глубинах до 10 м (кольцевой срез) и до 20 м (поступательный срез). В методе кольцевого среза используется распорный штамп с продольными лопастями, в методе поступательного среза — с поперечными лопастями. С помощью распорного штампа лопасти вдавливаются в стенки скважины и создастся нормальное давление на стенки. В методе кольцевого среза грунт срезается вследствие приложения крутящего момента, а в методе поступательного среза — выдергивающей силы. Для получения φ и с необходимо провести не менее трех срезов при различных нормальных давлениях на стенки скважины и построить зависимость τ = f (σ) (см. рис. 1.5).

В каких приборах определяются прочностные характеристики грунтов

Метод вращательного среза с помощью крыльчатки, вдавливаемой в массив грунта или в забой буровой скважины (см. рис. 1.7), позволяет определить сопротивление срезу τ , поэтому его рекомендуется применять при слабых пылевато-глинистых грунтах, илах, сапропелях, заторфованных грунтах и торфах, так как для них угол внутреннего трения практически равен нулю и можно принять с = τ . Испытания крыльчаткой проводят на глубинах до 20 м.

Для определения характеристик прочности в полевых условиях применяют методы выпирания и обрушения грунта в горных выработках. Значения φ и с вычисляют из условий предельного равновесия выпираемого и обрушаемого массива грунта.

Угол внутреннего трения песчаных грунтов может быть определен с помощью статического и динамического зондирования. По данным статического зондирования угол φ имеет следующие значения:

qc , МПа1247122030
φ , град26283032343638

Значения φ по данным динамического зондирования приведены в табл. 1.19. Для сооружений I и II класса является обязательным сопоставление данных зондирования с результатами испытаний тех же грунтов на срез. Для сооружений III класса допускается определять φ только по результатам зондирования.

ТАБЛИЦА 1.19. ЗНАЧЕНИЯ УГЛОВ ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ φ ПЕСЧАНЫХ ГРУНТОВ ПО ДАННЫМ ДИНАМИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

ПесокЗначения φ , град, МПа при qd , МПа
23,57111417,5
Крупный и средней крупности303333384041
Мелкий283033353738
Пылеватый282830323435

Сорочан Е.А. Основания, фундаменты и подземные сооружения

1.Прочностные характеристики грунтов, способы их определения в лабораторных и полевых условиях. Основные закономерности.

Виды испытаний прочностных характеристик грунтов:

Испытания на сдвиговом приборе – при прямом плоскостном срезе цилиндрического образца грунта выполняется в лабораторных условиях.

Испытания в приборе трехосного сжатия (стабилометре). Методика проведения испытаний с наибольшей полнотой отражает работу грунта в основании. При загружении грунта в приборе создается трехосное напряженное состояние с измерением каждого компонента напряжения. Конструкция прибора позволяет определить: нейтральное или поровое давление по манометру, продольную и поперечную деформацию образца, изменение объема образца по валюмометру.

Помимо прочностных характеристик на этом приборе можно определить деформационные характеристики (коэффициент Пуассона, модуль деформации).

Испытания при одноосном сжатии. Проводятся для тугопластичных и твердых глин, которые хорошо сохраняют форму после обработки образцов. Образцы изготавливают в форме цилиндра с соотношением размеров h=(1,5 – 2,0) d. Разрушение образцов будет происходить как у хрупких материалов по плоскости, где касательные напряжения достигают предельного сопротивления сдвигу. Угол наклона этой плоскости стремится к 45 градусов.

Лопастные испытания – проводятся в полевых условиях для грунтов, из которых трудно отбирать образцы без нарушения природного строения (торф, илы, глинистые водонасыщенные грунты). Для испытания откапывается небольшой шурф, в грунт вдавливается крестовина прибора и фиксируется крутящий момент, при котором происходит срез грунта лопастью по цилиндрической поверхности. Результаты испытаний используются для расчета угла внутреннего трения и сцепления.

Метод шарикового штампа. Применяется для определения сцепления для связных грунтов (глинистых) и вязких (льдистых, вечномерзлых). Испытания состоят во вдавливании в исследуемый грунт сферического штампа постоянной нагрузкой Р и измерении во времени осадки S. Расчетное сопротивление вычисляется по формуле:

В каких приборах определяются прочностные характеристики грунтов

, где В – диаметр штампа.

Испытания на сдвиг в шурфах. Применяются в основном для крупнообломочных грунтов, из которых невозможно отобрать для лабораторных испытаний. Эти испытания аналогичны испытаниям в сдвиговом приборе.

2.Расчетное сопротивление грунта, его физический смысл и возможность превышения.

СНиПом допускается при проектирований оснований фундаментов для предварительных расчетов, а также для назначения характеристик грунта, входящих в расчеты оснований и фундаментов зданий и сооружений II-IY классов, принимать значения сцепления, углов внутреннего трения и модулей деформаций по таблицам. Пользуясь этими данными, по формулам вычисляют нормативное сопротивление грунта R Н . В таблицах СНиП значения характеристик грунта даются нормативные и расчетные. Нормативные значения используются при расчетах деформаций оснований, расчетные – в расчетах оснований по устойчивости.

В СНиП 2.02.01-83 расчетное сопротивление грунта вычисляется по формуле (7):

В каких приборах определяются прочностные характеристики грунтов

, где

В каких приборах определяются прочностные характеристики грунтов

— коэффициенты условий работы, принимаемые по табл. 3 СНиП 2.02.01-83;

В каких приборах определяются прочностные характеристики грунтов

— коэффициент, зависящий от вида грунта;

В каких приборах определяются прочностные характеристики грунтов

— коэффициент, зависящий от жесткости конструктивной схемы здания;

к – коэффициент, принимаемый равным: к = 1, если прочностные характеристики грунта ( и с) определены непосредственными испытаниями, и к = 1,1, если они приняты по табл. 1-3 рекомендуемого приложения 1;

В каких приборах определяются прочностные характеристики грунтов

— коэффициенты, принимаемые по табл. 4 в зависимости от ;

b – ширина подошвы фундамента, м.;

В каких приборах определяются прочностные характеристики грунтов

-коэффициент, принимаемый равным: при b 10 м —

В каких приборах определяются прочностные характеристики грунтов

=

В каких приборах определяются прочностные характеристики грунтов

(здесь

В каких приборах определяются прочностные характеристики грунтов

= 8 м);

В каких приборах определяются прочностные характеристики грунтов

— осредненное расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих ниже подошвы фундамента, а при наличии подземных вод определяется с учетом взвешивающего действия воды;

В каких приборах определяются прочностные характеристики грунтов

— то же, залегающих выше подошвы фундамента;

В каких приборах определяются прочностные характеристики грунтов

— глубина заложения фундаментов безподвальных сооружений от уровня планировки или приведенная глубина заложения наружных и внутренних фундаментов от пола подвала;

В каких приборах определяются прочностные характеристики грунтов

В каких приборах определяются прочностные характеристики грунтов

, где

В каких приборах определяются прочностные характеристики грунтов

— толщина слоя грунта выше подошвы фундамента со стороны подвала;

В каких приборах определяются прочностные характеристики грунтов

— толщина конструкции пола подвала, м;

В каких приборах определяются прочностные характеристики грунтов

— расчетное значение удельного веса материала пола подвала;

В каких приборах определяются прочностные характеристики грунтов

— глубина подвала – расстояние от уровня планировки до пола подвала, м. (для сооружений с подвалом шириной

В каких приборах определяются прочностные характеристики грунтов

м. и глубиной > 2 м. принимается

В каких приборах определяются прочностные характеристики грунтов

м., при ширине подвалаB>20 м.

В каких приборах определяются прочностные характеристики грунтов

.

Расчетное сопротивление грунта допускается определять по этой формуле при любой форме фундаментов в плане. Если подошва фундаментов имеют форму круга или правильного многоугольника площадью А, принимается

В каких приборах определяются прочностные характеристики грунтов

.

Источник