Основные закономерности механики грунтов реферат

Обновлено: 03.07.2024

Главной особенностью природных грунтов является то, что это дисперсные тела в связи с чем твердые минеральные частицы занимают только часть Vгр, а остальную часть занимают поры. Поэтому при действии внешних сил в грунтах по мимо закономерностей присущих сплошным телам возникает ряд особенностей, которые определяются следующими законами:

- Сжимаемость грунтов – зависимость изменения коэффициента пористости грунта от изменения внешнего давления (компрессионная зависимость)характеризует уплотняемость грунтов, которая выражается в уменьшении расстояния между частицами грунта и понижении объема пор.

- Водопроницаемость – обусловленная пористостью грунта, фильтрация воды в порах под действием нешних сил и скорость фильтрации зависит как от величины внешних сил, так и от величины объема пор. Зависимость параметров фильтрации внешней нагрузки, устанавливается законом фильтрации. - Предельное сопротивление грунтов сдвигу – обусловлено трением частиц по поверхности, а так же силами сцепления, поэтому ПСГС это основная прочностная характеристика грунтов, которая определяется через угол внутреннего трения (фи) и сцепление ( с ). - Линейно-деформируемые тела – т.е. считаем что в некотором интервале давления существует линейная зависимость между деформациями и напряжениями в грунте.

6. Сжимаемость грунтов, закон уплотнения. Компрессионная кривая, коэффициент сжимаемости –m₀, коэффициент относительной сжимаемости m_v_. Сжимаемость грунтов-зависимость изменения коэффициента пористости грунта от изменения внешнего давления (компрессионная зависимость). Она характеризует уплотняемость грунтов, которая выражается в уменьшении расстояний между частицами грунта и уменьшение объема пор. Сжимаемость сопровождается переупаковкой частиц в более компактное положение, при этом из пор грунта выдавливается вода, что приводит также к изменению влажности. А за счет уменьшения пористости происходит увеличение плотности грунта. Уплотнение изучат под действием нагрузки в условиях их полного водонасыщения, когда все поры грунта заполнены водой. Основным прибором для лабораторного определения служит компрессионный прибор или одометр.

В реультате сжимаемости происходит изменение объема пор: е_i₌е₀-Δn/m (n-пористость, m-объем твердых частиц)

Изменение объема пор Δn=Si*F, m=const=F*H/(1+e₀), e₀-начальный коэффициент пористости.

(*)е_i₌е₀-Si*(1+e₀)/H – уравнение компрессионной кривой.

Из (*) и (**) можно записать: m_0*Pi= Si*(1+e₀)/H => m₀/(1+e₀)= Si/ H* Pi=m_v – коэффициент относительной сжимаемости.

Физический смысл m₀: изменение коэффициента пористости на единицу действующего давления. Физический смысл m_v: деформация Si, приходящаяся на единицу действующего давления.

7.Водопроницаемость грунтов, закон фильтрации для сыпучих и связующих грунтов. Коэффициент фильтрации. Начальный градиент напора.Напряжение воды в порах грунтах необходим некоторый ингредиент опоры, который может быть вызван различными физическими факторами и глобальным образом зависят от расположения точек, высотных отметок, так и от внешнего давления сооружения. Чем выше скорость давления воды(фильтрации) тем больше гидравлический градиент. H1, H2- действующие напораЗакон фильтрации -Расход воды в единицу времени через единицу площади поперечного сечения грунта или скорость фильтрации прямо пропорционально гидравлическому градиенту, где K_ф – коэффициент фильтрации

Коэф. фильтрации равняется скорости фильтрации при градиенте =1. Процессы фильтрации в сыпучих и связующих грунтах имеют свои особенности в сыпучих грунтах, в песках фильтрация начинается при при возникновении гидравлического градиента, которого можно представить графически:

V_ф V_ф

(для песков) (для глины)

В связных пылевато глинистых грунтах фильтрация начинается при некотором начальном градиенте напора.

Закономерности механики грунтов

В последние годы развитие механики грунтов приобретает особое значение для оценки экологической безопасности человеческой деятельности и для разработки эффективных методов защиты окружающей среды от загрязнения. Значительные осадки целых городов (Венеция, Мехико и др.) произошли в результате водопонижения и действия фильтрационных сил, подтопления территорий различными водами и т.д.

Таким образом, будущему инженеру необходимо знать закономерности механики грунтов , чтобы иметь возможность прогнозировать условия, при которых конструкция может разрушиться полностью или ее деформации окажутся чрезмерными.

Кроме общих закономерностей, которым подчиняются деформации сплошных тел, грунты обладают рядом особенностей и закономерностей. Эти закономерности считаются основными закономерностями механики грунтов и приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1. Основные закономерности механики грунтов

Свойства грунтов Закономерности Показатели Где применяется закономерность Сжимаемость Закон уплотнения (компрессии) Коэффициент сжимаемости (уплотнения) (т0) Расчет осадок фундаментов Прочность Закон сопротивления грунта сдвигу (закон Кулона) Коэффициент внутреннего трения ( грунты оснований через фундаменты сооружений приводит к образованию нормальных напряжений, вызывающих деформации скелета грунта, а также уменьшение объема его пор. При небольших давлениях деформации скелета грунта незначительны, и уплотнение происходит в основном из-за уменьшения пористости. Основные закономерности такого деформирования рассматривает закон уплотнения (компрессии) — изменение коэффициента пористости прямо пропорционально изменению давления.

Прочность и устойчивость грунтов оснований оцениваются сопротивлением грунтов сдвигу, которое зависит от угла внутреннего трения и удельного сцепления грунта. Эти характеристики определяются в соответствии с законом сопротивления грунтов сдвигу, который для сыпучих грунтов формулируется следующим образом: предельное сопротивление сыпучего грунта есть сопротивление трению, прямо пропорциональное нормальному давлению.

Деформируемость грунтов во времени и сопротивление сдвигу во многом зависят от распределения давления, воспринимаемого скелетом грунта и водой, находящейся в порах. Под действием внешней нагрузки вода, находящаяся в порах грунта, постепенно отжимается от грунта и передает часть своего давления на скелет. То есть процесс уплотнения зависит от скорости отжатия воды из пор грунта. Поэтому необходимо знать основные положения закона фильтрации и поровой воды — скорость фильтрации прямо пропорциональна градиенту напора.

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ МЕХАНИКИ ГРУНТОВ
Механические свойства грунтов
Под механическими свойствами подразумеваются прочностные и деформационные свойства грунта.
Прочностные свойства грунта – характеризуют силы сопротивления грунта сдвигу
при действии на него внешних силовых воздействий.
Деформационные свойства грунта характеризуют способность грунта изменять
объем и форму по мере передачина него давления.

Особенности механических свойств дисперсных тел
Фундаменты зданий и сооружений оказывают различное силовое воздействие на
грунтовое основание. Это вызывает напряжения в грунтовом массиве под действием которых грунт деформируется. Характер деформирования грунта и величина деформаций
зависит от направления и интенсивности внутренних усилий (напряжений) в грунте.

Основныезакономерности механики грунтов
Расчет оснований и фундаментов выполняется с использованием законов механики
грунтов, которые, как правило, формулируются на основании анализа результатов экспериментальных исследований. Законы механики грунтов устанавливают зависимость между различными параметрами механического состояния грунта. К примеру, между напряжениями и деформациями, между касательными инормальными напряжениями, между
скоростью фильтрации воды через грунт и градиентом напора.
Основные закономерности механики грунтов, свойства которые они описывают и характеризующие механические свойства показатели сведены в таблице 1
Таблица 1.
Основные закономерности механики грунтов
Свойство

1. Деформационные
свойства

mv - коэффициентотносительной сжимаемости,
Eo - модуль общих
деформаций

2. Прочностные
свойства

φ- угол внутреннего
трения,
с - удельное сцепление

kf - коэффициент
фильтрации,
cv - коэффициент консолидации

При расчёте оснований по второй группе предельных состояний или по деформациям
При расчёте устойчивости основания, 1-я
группа пред. состоянийРасчёт осадок основания во времени, другие
фильтрационные
расчеты

Сжимаемость грунтов
Сжимаемость грунтов – свойство грунтов изменять свой первоначальный объём за
счёт перекомпоновки частиц и уменьшения пористости.
Исследование сжимаемости грунта в лабораторных условиях производится в компрессионных приборах - называемых одометрами. Схема одометра приведена на рис.1
а)

Рис.1.Общий вид компрессионного прибора -а), принципиальная схема прибора -б)
Испытание грунта в компрессионном приборе характеризуется следующими условиями:
Кольцо, в которое помещается образец, имеет достаточную жесткость и
поэтому грунт деформируется при невозможности боковых перемещений.
Деформации частиц очень малы и ими можно пренебречь.
Избыточная вода в грунте свободно выдавливается из пор иудаляется через отверстия в штампах.
Объём твёрдых частиц в объеме образца не изменяется(вынос мелкодисперсных частиц вместе с избыточной поровой водой не учитывается).

Изменение пористости грунта при уплотнении
Рассмотрим, как изменяется пористость грунта при его уплотнении в компрессионном
приборе. Обозначим первоначальную высоту образца через h. При сжатии образца нагрузкой величиной Niповерхность образца смещается на величину Si, рис.2.

Рис. 2. Схема деформирование образца грунта в компрессионном приборе
Уменьшение объема образца происходит за счет уменьшения объема пор.
S × A Si
Dni = i
,
(1)
=
h× A
h
N
где pi = i -вертикальные сжимающие напряжения в образце грунта;
A
А- площадь поперечного сечения образца.
Тоже через коэффициент пористости:
Dn
ei = e0 - Dei= e0 - i ,
m¢
где ei - коэффициент пористости;
e0 - начальный коэффициент пористости грунта;
Dei - изменение коэффициента пористости;
m` - объем твердых частиц в единице объема.
ei = e0 -

Под действием передаваемых сооружением нагрузок, в массивных основаниях возникают нормальные и касательные напряжения, приводящие к деформации грунтов, кроме того грунты испытывают напряжение собственного веса.

Наиболее часто имеют место деформации уплотнения грунтов под действием нормативных напряжений, реже деформаций сдвигов, вызываемые касательными напряжениями.

Воздействие нормальных напряжений на сплошные тела, рассматривают в механике деформируемых тел.

Грунты относятся к дисперсным телам, поэтому, кроме закономерности деформативности сплошных тел приходится учитывать изменения объема пор прижатием, то есть рассматривать дополнительно, закон уплотнения (компрессии).

Кроме того в грунтах, как и в сплошных телах при действии нормальных напряжений наблюдается боковое расширение, но по более сложной закономерности.

В грунтах необходимо знать сопротивление их сдвигу при предельном напряженном состоянии. Это сопротивление зависит от угла внутреннего трения φ и удельного сцепления с, определяемые в соответствии с законом сопротивления грунтов сдвигу.

Деформируемость грунтов и их сопротивление сдвигу зависят от фильтрационных свойств грунтов.

Кроме того фильтрация воды в грунтах, представляет интерес для строителей в отношении определения притоков воды в котловане и расчета водопониж установок.

Все это обуславливает необходимость изучения закона фильтрации поровой воды.

Для структурно неустойчивых грунтов, структура которая разрушается при увлажнении, динамических воздействиях, напряженных состояний или оттаиваний. Приходится рассматривать закономерности, определяющие характер их деформируемости.

Закономерности разрушения структуры

Из этих законов определяются механические свойства грунтов:

- сопротивление грунтов сдвигу

Физические основы сжимаемости

Сжимаемость грунтов

Служит для расчета деформации грунтового основания, расчет по II группе предельного состояния.

Сжимаемость грунтов– способность уменьшать в объеме (давать осадку) под действием внешнего давления.

Сжимаемость зависит отуменьшения объема пор, под нагрузкой, сжимаемостью твердых частиц мы пренебрегаем.

Основными характеристиками сжимаемости грунтов является: Е, а, ν и ξ.

Е - модуль деформации

а - коэффициент относительной сжимаемости

ν - коэффициент поперечного бокового расширения (аналог к. Пуассона)

ξ - коэффициент бокового давления

Сжимаемость грунта определяется:

- в компрессионных приборах

- в приборе трехосного сжатия с независимым регулированием величин главных напряжений

- по таблице СНиП 2.02.01-83*

Сжимаемость грунтового основания определяется:

1. Компрессионный метод– сжатие грунта без бокового расширения

2. Стабилометр

w– коэффициент, принимаемый для круглых жестких штампов =0,8,

d – диаметр штампа,

∆p– приращение среднего давления по подошве штампа в пределах интересующих нас изменений давления на участке линейной зависимости между S и p,

∆S– приращение осадки штампа при изменении давления на ∆p.

По этой формуле получается завышенный модуль деформации.

Прессиометрический метод– сущность этого метода заключается в обжатии стенок буровой скважины на некотором участке её длины боковым равномерным давлением с замером деформации стенок скважины.

Прессиометр – резиновый цилиндрический баллон, заполненный жидкостью.

По мере увеличения давления в баллоне оно передается на стенки скважины и уплотняет окружающий грунт, зная давление деформации по соответствующим формулам находят модуль деформации.

Показатель деформативности – модель деформации Е в горизонтальном направлении, это является недостатком, так как чаще всего требуется в расчетах требуется Е 8.

ν – безразмерная величина

Лекция 5 – 25.10.11

Закон уплотнения (компрессии) грунта: изменение коэффициента пористости грунта прямо пропорционально изменению давления.

а - коэффициент уплотнения и относительной сжимаемости

р₁- давление от собственного веса грунта

р₂- давление под подошвой фундамента

е₁и е₂- коэффициенты пористости, соответствующие давлениям р₁и р₂.

tgα=a – коэффициент сжимаемости

Рис 5.2 – график компрессионной зависимости

Чем больше угол α, тем больше tgα => тем больше а.

е₀- начальный коэффициент пористости в природном состоянии, то есть без нагрузки.

V – объем грунта в кольце

m - не меняется при сжатии, поэтому без Δ.

С увеличением нагрузки сжимаемость и коэффициент сжимаемости грунта уменьшаются.

- уравнение, показывающее изменение коэффициента пористость лишь для спрямленного участка компрессионной кривой, поэтому является уравнение приближенным.

Если изменения давления будут бесконечно малыми, то изменение коэффициента пористости будет строго точно пропорционально изменению давления, это возможно при малой нагрузке и на малом участке.