Основы грунтоведения

 

Примерный вид компрессионной кривой приведен на (рис.3).

 

Анализ характера изменения коэффициента пористости грунта при изменении уплотняющего давления позволяет сделать два важных вывода:

3. С увеличением уплотняющего давления (рi)коэффициент пористости (ei) уменьшается. При этом зависимость ei-pi имеет криволинейное очертание. 2. Остаточные деформации уплотнения значительно больше упругих.

 

Рис.3. Общий вид компрессионной кривой

 

Компрессионная кривая может быть так же построена в логарифмических координатах, (рис.4).

Рис.4. Компрессионная кривая в логарифмических координатах

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В  этом  случае  она  представляет  собой  практически  прямую  линию  и  уравнение:

ei  = e0 - ak  × ln( pi ),

где ak  - коэффициент компрессии.

Однако применение в расчетах логарифмической зависимости процесса уплотнения грунта от нагрузки приводит к значительному усложнению расчетных моделей и по этому данное представление компрессионной кривой не нашло широкого практического применения.

 

Закон уплотнения

Уплотнение грунта при увеличении нагрузки происходит по нелинейному закону. Однако в диапазоне уплотняющего давления 100-500 кПа криволинейный характер зависимости ei-pi можно аппроксимировать прямой линией (рис.5). При этом погрешность с учётом данного допущения не окажет существенного практического влияния на результаты расчета грунтовых оснований.

 

Рис. 5. Аппроксимирование компрессионной кривой

 

Математическое представление прямой будет иметь вид:

ei = e0 – Pi × tg α

обозначим m0 = tg α, тогда

ei = e0 – Pi × m0

где m0 – коэффициент сжимаемости, определяемый экспериментально по графику.

M0 = (e1 – e2)/(P2 – P1)

mv – коэффициент относительной сжимаемости

mv = m0/1+e0

 

Модуль общих деформаций и методы его определения

Физический смысл

При изучении напряженно-деформируемого состояния грунта в сложных условиях (в каких и находится грунт оснований реальных зданий и сооружений) в качестве деформационной характеристики грунта применяют модуль общих деформаций Ео и коэффициент бокового расширения ν (коэффициент Пуассона).

Ν = ε┴/ ε║, где

ε┴ = ∆L/L0 , ε║ = ∆d/d0 - продольная и поперечная деформация

 

Определение Ео по данным компрессионных испытаний

Как уже известно, при испытании грунта в компрессионном приборе определяется. Используя обобщенный закон Гука и учитывая условия испытания грунта в компрессионном прибор, можно вывести зависимость между модулем общих деформаций Ео и коэффициентом коэффициент относительной сжимаемости mv.

Закон Гука:

σ = Е (модуль Юнга)× ε║

 

mv = ∆ ε║/∆Р

 

Понятие прочности грунта

Понятие прочности грунта связано  обеспечением:

- устойчивость грунтового основания фундамента (рис 6).

- устойчивости откосов (рис 7).

При потере устойчивости откосов оснований и обрушение откосов в грунтовом массиве происходит сдвиг одной части относительно другой, поэтому прочностные свойства грунта напрямую связаны с сопротивлением грунта сдвигу.

Сопротивление грунта сдвигу обусловливается возникновением в дисперсной грунтовой среде:

 

 

трения между частицами грунта;

 

- структурных связей между частицами грунта.

- трения между частицами грунта.

 

Трение между частицами грунта зависит от ряда факторов:

- минерального состава;

 

- грансостава;

- влажности грунта;

- величины нормальной силы прижимающей частицы друг к другу;

- окатаности зёрен.

В целом  сопротивление грунта сдвигу можно охарактеризовать:

 

силами трения;

- силами трения

- силами сцепления

 

Рис.6. Схема устойчивость грунтового основания фундамента

Рис. 7. Схема потери устойчивости откосов

 

 

 

 

 

 

 

Исследование прочностных свойств грунтов в лабораторных условиях выполняют при помощи сдвигового прибора. Принципиальная схема которого приведена на рис.8

 

Рис.8. Принципиальная схема сдвигового прибора

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Испытание грунта производят при постоянной нагрузке N до тех пор, пока одна часть грунта не сдвинется относительно другой на расстояние более 5мм. При этом измеряют максимальное усилие max G , которое было достигнуто в ходе испытаний.

Нормальные и касательные напряжения в момент сдвига определяются следующим образом:

σ = N/A

τu = Gmax/A

τu – максимальное касательное напряжение в грунте в момент среза.

Испытания повторяют при других значениях обжимающего давления N.

 Параметры с и φ отражают прочностные свойства грунта и носят название прочностных характеристик.

Уравнение прямой линии с учетом прочностных характеристик можно записать в следующем виде:

τu = σ×tg φ + c

 

Значение величин с и  φ зависят от многих факторов. Наибольшее влияние на формирование прочностных свойств оказывают гранулометрический состав грунта, характер структурных связей, влажность грунта, окатанность частиц и т.д. Каждый тип, вид, разновидность грунта характеризуется своими прочностными свойствами.

Инженерно-геологический элемент

Рассмотрим иерархическую систему инженерно-геологических тел, начиная с низшей категории — инженерно-геологического элемента (ИГЭ). Инженерно-геологическим элементом следует считать инженерно-геологическое тело, представленное одной горной породой, статистически однородное по некоторому показателю свойств, выбираемому в каждом конкретном случае исходя из требований расчета того или иного инженерно-геологического процесса, который выполняют при проектировании сооружения.

Объем и конфигурацию ИГЭ устанавливают, учитывая геологические данные и данные о типе, конструкции и технической характеристике сооружения. Это определение уточняет понятие ИГЭ, предложенное Н. В. Коломенским. При расчете осадки сооружения (величины уплотнения геологической среды в его основании) активную зону СВ следует расчленить на инженерно-геологические элементы, т. Е. на инженерно-геологические тела, статистически однородные по модулю общей деформации — коэффициенту сжимаемости (рис. 9). При расчете фильтрации зона фильтрации должна быть разделена на ИГЭ, статистически однородные по величине коэффициента фильтрации.

Рис. 9 Структура зоны уплотнения (активной) сферы взаимодействия сооружения. 
1 — глины; 2 — суглинки; 3 — супеси; 4 — пески; границы: 5 — геологические, 6 — инженерно-геологических элементов, 7 — расчетных элементов (РЭ), 8 — зоны сферы взаимодействия

Внутри СВ обычно развиваются разные инженерно-геологические процессы, поэтому одни и те же области геологической среды могут быть разделены на различное число ИГЭ в разных зонах СВ в зависимости от инженерно-геологических процессов, расчет которых ведут при проектировании ПТС. ИГЭ, относящиеся к разным зонам, могут пересекаться в одной области геологического пространства, так как различные зоны СВ, выделяемые по инженерно-геологическим процессам, как правило, не граничат друг с другом, а пересекаются. Пересечение ИГЭ означает, что один и тот же объем геологической среды одновременно принадлежит к двум ИГЭ, выделенным по разным показателям свойств.

Таким образом, объем литосферы, включенный в ИГЭ, и требования к ее свойствам изменяются в зависимости от того, какое положение занимает ИГЭ внутри СВ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Раздел 2. Инженерно-геологические процессы

 

1. Классификация процессов

 

Геодинамическая обстановка – совокупность природных геологических и антропогенных инженерно-геологических процессов и созданных ими явлений.

Особенности геодинамической обстановки могут существенно влиять на:

- на устойчивость сооружений;

- выбор места для строительства;

- условия жизни людей и т.п.

Инженерно-геологическими процессами и явлениями называются современные геодинамические процессы и явления в горных породах, вызванные инженерной деятельностью человека.

Процесс в горных породах – это то, что приводит горные породы в движение, меняет их состояние, строение, состав и свойства и предопределяет формирование новых генетических типов отложений, новых форм рельефа на поверхности и внутри массива. 

Явление – это результат процесса (тип пород, форма рельефа).

Процесс и явления неразделимы.

При оценке геодинамической обстановки необходимо знать причины того или иного процесса.

Причина процесса – геологическая деятельность природных факторов и человека. Основными причинами могут быть: действие агентов выветривания, деятельность поверхностных, деятельность подземных вод, совместное воздействие подземных и поверхностных вод, действие гравитационных сил, деятельность ветра, промерзание и оттаивание грунтов, действие внутренних сил в породах, действие внутренних сил Земли, инженерная деятельность человека.

Условия и факторы –это то, что предопределяет и способствует проявлению процессов, либо сдерживает их проявление. Факторами являются основные компоненты ИГУ: геологические условия (горные породы), гидрогеологические, геоморфологические условия, геологические и инженерно-геологические процессы, а также тектоника и неотектоника. Условиями следует считать важнейшие из факторов.

Современные геологические и инженерно-геологические процессы и явления: выветривание, карст, сели, оползни, обвалы, просадочные явления в лессовых породах, овраги, болота и заболоченные земли, суффозия, эоловые процессы, плывуны, землетрясения, речная эрозия, осыпи и др.

 

 

Выветривание.

 

Выветривание – это совокупность процессов физического, химического, биологического разрушения, разложения магматических, метаморфических, древних осадочных пород на поверхности земной коры или вблизи нее, формирующих исходный материал для образования осадков, осадочных пород и остаточные образования, слагающие коры выветривания.

Выветривания бывают: физическое, химическое и органическое (биологическое).

Физическое выветривание – механическое дробление пород почти без изменения их минералогического состава. Это происходит в результате колебания температур, замерзания воды, ударов переносимых ветром песчинок, кристаллизации солей в капиллярах, давления от роста корневой системы растений и т.д.

Весьма интенсивно выветриваются наружные части зданий и сооружений, особенно в местностях с сухим резко континентальным или холодным климатом.

Химическое выветривание изменяет состав пород. Активные реагенты – вода, кислород, углекислота и органические кислоты.  
Примерами химического выветривания служат растворение в воде каменной соли и гипса, переход ангидрита в гипс (CaSO4 +2H20 = CaSO4 .2H2O) с резким увеличением объема (до 50-60%), что вызывает разрушительное давление на окружающие породы.

Биологическое (органическое) выветривание проявляется в процессе жизнедеятельности живых организмов и растений и играет ведущую роль в образовании почв. Породы дробятся и разрушаются органическими кислотами при отмирании растений. Корни деревьев расщепляют даже скальные грунты, а бактерии поглощают одни вещества и выделяют другие.  
При выветривании пород изменяются их физико-механические свойства, снижается устойчивость оснований сооружений, возникают откосы, подземные выработки и т.д.

Элювий (элювиальные отложения) (лат. Eluo — «вымываю») — рыхлые геологические отложения и почвы, формируемые в результате выветривания поверхностных горных пород на месте первоначального залегания или в результате выветривания и последующей аккумуляции его продуктов под действием силы тяжести.(рис .9.)

Элювиальные отложения формируются на горизонтальных или слабонаклонных поверхностях.

 

 

 

 

 

 

Рис. 9. Элювий – Э

 

 

Карст (процесс, горные породы, формы рельефа

Карст – совокупность специфических форм рельефа и особенностей наземной и подземной гидрографии, свойственной областям, сложенным растворимыми горными породами (каменная соль, гипс, известняк, доломит и др.). Сущность карстовых процессов заключается в растворении породы атмосферными, талыми, подземными, а в отдельных случаях и морскими водами.