Методы определения свойств грунтов. Прочностные и деформационные характеристики грунтов Прочностные характеристики грунтов и методы их определения

Основными характеристиками сжимаемости грунтов являются модуль общей деформации Е или коэффициент относительной сжимаемости , коэффициент поперечного расширения (коэффициент Пуассона) и коэффициент бокового давления .

1. Коэффициент относительной сжимаемости . При расчете осадок часто используется коэффициент относительной сжимаемости , который определяется по формуле:

Выразим выражение из формул и . Приравниваем правые части этих выражений, решаем их относительно m v , получим:

Или m v *p i =s i /h

Т.о. коэффициент относительной сжимаемости равен относительной осадкеs i /h , приходящейся на единицу действующего давления.

2. Модуль общей деформации Е является коэффициентом пропорциональности между напряжениями и относительными деформациями. Определяется он в полевых и лабораторных условиях. Наиболее распространенный способ – проведение компрессионных испытаний с последующей их обработкой. В этом случае модуль общей деформации будет равен:

;

где β – коэффициент, учитывающий невозможность бокового расширения грунта (для песков и супесей β = 0,76, суглинков β = 0,63, глин β = 0,42.

При испытании грунта диаметром d штампом по результатам лабораторных испытаний, Е определяется расчетом по формуле

Е=(1-ν 2)*w*d*∆p/∆S

3. Коэффициент бокового давления ξ рассматривается как отношение приращения бокового давления (или ) к приращению действующего вертикального давления при обязательном отсутствии боковых деформаций :

По экспериментальным данным значения коэффициентов бокового давления изменяются в следующих пределах: для песчаных грунтов ξ = 0,25-0,37, глинистых ξ = 0,11-0,82. Величина ξ определяется в приборах трехосного сжатия.

4. Коэффициент поперечного расширения ν грунта (коэффициент Пуассона) равен отношению относительных горизонтальных деформаций образца ε х к относительным вертикальным ε z , т.е..

СП 22.13330.2011
Актуализированная редакция СНиП 2.02.04-88
Автор НИИОСП им.Н.М.Герсеванова

Глава 5.3. п.:

Основными параметрами механических свойств грунтов, определяющими несущую способность оснований и их деформации, являются прочностные и деформационные характеристики грунтов (угол внутреннего трения φ, удельное сцепление c , предел прочности на одноосное сжатие скальных грунтов R c , модуль деформации E и коэффициент поперечной деформации υ грунтов). Допускается применять другие параметры, характеризующие взаимодействие фундаментов с грунтом основания и установленные опытным путем (удельные силы пучения при промерзании, коэффициенты жесткости основания и пр.).
Примечание - Далее, за исключением специально оговоренных случаев, под термином "характеристики грунтов" понимают не только механические, но и физические характеристики грунтов, а также упомянутые в настоящем пункте параметры.

СП 50-101-2004 "Проектирование и устройство оснований
и фундаментов зданий и сооружений"
Автор НИИОСП им. Н.М.Герсеванова, ГУП Мосгипронисельстрой

п.5.1.8
В состав физико-механических характеристик грунтов входят:

- плотность грунта и его частиц и влажность (ГОСТ 5180 и ГОСТ 30416);
- коэффициент пористости;
- гранулометрический состав для крупнообломочных грунтов и песков (ГОСТ 12536);
- влажность на границах пластичности и текучести, число пластичности и показатель текучести для глинистых грунтов (ГОСТ 5180);
- угол внутреннего трения, удельное сцепление и модуль деформации грунтов (ГОСТ 12248, ГОСТ 20276, ГОСТ 30416 и ГОСТ 30672);
См. Нормативные значения этих характеристик - Приложение А СП 22.13330.2016
- временное сопротивление при одноосном сжатии, показатели размягчаемости и растворимости для скальных грунтов (ГОСТ 12248).

Для специфических грунтов, особенности проектирования оснований которых изложены в разделе 6, и при проектировании подземных сооружений (раздел 9) дополнительно должны быть определены характеристики, указанные в этих разделах. По специальному заданию дополнительно могут быть определены и другие необходимые для расчетов характеристики грунтов (например, реологические).
К физические характеристики грунтов относятся:
Для специфических грунтов, особенности проектирования оснований которых изложены в разделе 6 СП 22.13330.2011, и при проектировании оснований подземных частей сооружений (см. раздел 9) дополнительно должны быть определены характеристики, указанные в этих разделах.
К грунтам со специфическими неблагоприятными свойствами относятся:

Определение свойств пучинистых грунтов см. на станице сайта "Пучинистые грунты Особенности проектирования "

При определении расчетного сопротивления грунта R оснований деревянных домов, относящихся к 3 пониженному классу ответственности , по табличным значениям R 0 (В.1-В.10 приложения В) не требуется определения таких физико-механических характеристик, как:

Угол внутреннего трения, удельное сцепление, модуль деформации и коэффициент поперечной деформации грунтов (ГОСТ 12248 , ГОСТ 20276 , ГОСТ 30416 и ГОСТ 30672);

См. пример определения свойств грунтов для замены фундамента на странице сайте: "Пример расчета основания деревянного дома "

Определения

Приложение А. п.:

Коэффициент пористости e определяется по формуле (См. А.6 ГОСТ 25100-2011)
e = (ρ s - ρ d)/ρ d , (А.5)

Плотность сухого грунта (скелета) ρ d определяют по формуле (см. А.16 ГОСТ 25100.2011)
ρ d = ρ/(1+w ), (А.8)

Показатель текучести I L - отношение разности влажностей, соответствующих двум состояниям грунта: естественному W и на границе раскатывания Wp, к числу пластичности Ip
А.18 ГОСТ 25100-2011 , Показатель текучести I L д.е., - показатель состояния (консистенции) глинистых грунтов; определяют по формуле
I L = (w - w p)/I p , (A.9)

Число пластичности I p (См. А.31 ГОСТ 25100-2011), %; определяют по формуле
I p = w L - w p , (A.17)

Сжимаемость - способность грунта уменьшаться в объеме под действием внешней силы, характеризуется коэффициентом сжимаемости m 0 (тангенсом угла наклона компрессионной кривой), определяемого по формуле (См. 5.4 ГОСТ 12248-2010)

m 0 = (e i - e i+1)/ (p i+1 - p i) 5.32

e i и e i+1 - коэффициенты пористости, соответствующие давлениям p i и p i+1 . Глава 5.1.6. п.:

По измеренным в процессе испытания значениям горизонтальной срезающей и нормальной нагрузок вычисляют касательные и нормальные напряжения τ и σ, МПа, по формулам:
τ = 10Q / A; (5.3)
σ = 10F / A; (5.4)

Удельное сцепление c и угол внутреннего трения φ грунта определяются как параметры линейной зависимости
τ = σ tg(φ) + c (5.5)

Модуль деформации по данным компрессионных испытаний E k - коэф. пропорциональности между давлением и относительной линейное общей деформацией грунта, возникающей под этим давлением, характеризующий остаточные и упругие деформации песков мелких и пылеватых, глинистых грунтов, органо-минеральных и органических грунтов, (См. 5.4 ГОСТ 12248-2010)

Источник: ГОСТ 12248-2010 плотность грунта ρ - отношение массы грунта включая массу воды в его порах к занимаемому этим грунтом объему (г/см 3 т/м 3)
плотность сухого грунта ρ d - отношение массы сухого грунта (исключая массу воды в его порах) к занимаемому этим грунтом объему (г/см 3 т/м 3)
плотность частиц грунта ρ s - отношение массы сухого грунта (исключая массу воды в его порах) к объему твердой части этого грунта (г/см 3 т/м 3). Полная влагоёмкость Wo – максимально возможное содержание в грунте всех возможных видов воды при полном заполнении его пор.

w sat = n.ρ w / ρ d

В табл. 9 приведены ориентировочные значения плотностей частиц грунтов ρ s не содержащих водорастворимых солей и органических веществ

Механические свойства грунтов – это их способность сопротивляться изменению объема и формы в результате силовых и физических воздействий.

деформационные - способность грунта прочностные – способность грунта

сопротивляться развитию деформаций; сопротивляться разрушению;

На механические свойства оказывают влияние характер структурных связей частиц, гранулометрический и минеральный состав и влажность грунтов. Основными механическими свойствами грунтов считают: сжимаемость; сопротивление сдвигу; водопроницаемость.

Сжимаемость.

Способность грунта уменьшаться в объеме под воздействием уплотняющих нагрузок называют сжимаемостью, осадкой или деформацией. По физическому строению грунт состоит из отдельных частиц различной крупности и минерального состава (скелет грунта) и пор, заполненных жидкостью (вода) и газом (воздух). При возникновении напряжений сжатия изменение объемов происходит за счет уменьшения объемов, располагающихся внутри грунта пор, заполненных водой. Таким образом, сжимаемость зависит от многих факторов, основными из которых являются физический состав, вид структурных связей частиц и величина нагрузки.

По характеру усадки разделяют упругие и пластические деформации. Упругие деформации возникают в результате нагрузок, не превышающих структурную прочность грунтов, т.е. не разрушающих структурные связи между частицами и характеризуются способностью грунта возвращаться в исходное состояние после снятия нагрузок. Пластические деформации разрушают скелет грунта, нарушая связи и перемещая частицы относительно друг друга. При этом объемные пластические деформации уплотняют грунт за счет изменения объема внутренних пор, а сдвиговые пластические деформации – за счет изменения его первоначальной формы и вплоть до разрушения. При расчетах сжимаемости грунта основные деформационные характеристики определяют в лабораторных условиях согласно коэффициенту относительной сжимаемости, коэффициенту бокового давления и коэффициенту поперечного расширения.

Сопротивление сдвигу

Предельным сопротивлением сдвигу называется способность грунта противостоять перемещению частей грунта относительно друг друга под воздействием касательных и прямых напряжений. Этот показатель характеризуется прочностными свойствами грунтов и используется в расчетах оснований зданий и сооружений. Способность грунта воспринимать нагрузки не разрушаясь, называют прочностью. В песчаных и крупнообломочных несвязных грунтах сопротивление достигается в основном за счет силы трения отдельных частиц, такие грунты называют сыпучими. Глинистые грунты обладают более высоким сопротивлением к сдвигу, т.к. наряду с силой трения сдвигу противостоят силы сцепления. В строительстве этот показатель важен при расчете оснований фундаментов и изготовлении земляных сооружений с откосами.

Сопротивление глинистых грунтов сдвигу t определяется уравнением Кулона:

Для песчаных грунтов, из-за отсутствия сил сцепления, сопротивление сдвигу приобретает вид:

Водопроницаемость

Водопроницаемость характеризуется способностью грунта пропускать через себя воду под действием разности напоров и обуславливается физическим строением и составом грунта. При прочих равных условиях при физическом строении с меньшим содержанием пор, и при преобладании в составе частиц глины водопроницаемость будет меньшей, нежели у пористых и песчаных грунтов соответственно. Нельзя недооценивать данный показатель, т.к. в строительстве он влияет на устойчивость земляных сооружений и обуславливает скорость уплотнения грунтов оснований.

В области линейного сжатия деформирование грунтов, как и любых других материалов, характеризуется модулем деформации Е и коэффициентом бокового расширения ν, называемым коэффициентом Пуассона. Под фундаментами боковое расширение грунта стеснено окружающим массивом и мало влияет на деформации основания. Основным показателем деформирования следует считать модуль деформации, который является эмпирическим коэффициентом в известной из сопротивления материалов формуле Гука. Для однородных материалов опытные величины Е имеют небольшой разброс и рассматриваются как константа. Сжимаемость грунтов в пределах слоя (ИГЭ) меняется в широком интервале. Поэтому их модули деформации определяют на каждой строительной площадке по результатам разных видов полевых , лабораторных испытаний, или по показателям физического состояния . Способ испытаний выбирается в зависимости от уровня ответственности проектируемого здания.

Полевые испытания грунтов принято проводить инвентарным штампом, являющимся моделью фундамента. Используемое в полевых условиях оборудование, измерительные приборы, порядок проведения испытаний и обработки результатов измерений описаны в ГОСТ 20276-99. Штамп 1 (рис. 3.1) устанавливается в котловане или горной выработке, плотно притирается к поверхности грунтового массива и загружается отдельными ступенями нагрузки гидравлическим домкратом 3, упирающимся в анкерную балку 5, соединенную с блоками 4, или штучными грузами. Ступени нагрузки принимаются в зависимости от вида и состояния грунта и выдерживаются до стабилизации осадки основания. Измерение осадки производится прогибомерами или, что удобнее, индикаторами 7, закрепленными на неподвижной основе 8. Конструкции установок для нагружения штампа и схемы измерения осадок могут быть и иными. По результатам испытаний строится график (рис.3.2), на горизонтальной оси которого указываются давления, а по вертикальной оси откладываются измеренные осадки штампа. Построенный по экспериментальным точкам эмпирическая кривая чаще представляет ломаную линию, которую в некотором интервале давлений ∆р, допуская небольшую погрешность, заменяют осредненной прямой, построенной методом наименьших квадратов или графическим методом. За начальные значения р g и s 0 (первая точка, включаемая в осреднение) принимают давление от собственного веса грунта на глубине установки штампа, и соответствующую ему осадку; а за конечные значения р к и s к - значения давления и осадки, соответствующие точке на прямолинейном участке графика. Количество включаемых в осреднение точек должно быть не менее трех. Модуль деформации грунта Е вычисляют для линейного участка графика по формуле

(3.1)

где v - коэффициент Пуассона, принимаемый равным 0,27 для крупнообломочных грунтов; 0,30 - для песков и супесей; 0,35 - для суглинков; 0,42 - для глин;

К 1 - коэффициент, принимаемый равным 0,79 для жесткого круглого штампа;

D – диаметр штампа.

Остальные обозначения указаны на рис. 3.2.

Согласно нормам проектирования СНиП 2.02.01-83* количество опытов для каждого выделенного инженерно-геологического элемента должно быть не менее 3. Модули деформации грунтов, вычисленные по формуле (3.1), являются наиболее достоверными. Недостаток метода в том, что затраты на испытания штампов относительно высоки.

Лабораторные испытания . В лабораторных условиях проводят испытания образцов грунта в приборах, обычно исключающих боковое расширение. Такой метод испытаний принято называть компрессионными сжатием , а конструкции приборов для испытаний компрессионными приборами или одометрами. Устройство одометра показано на рис 3.3, порядок испытаний изложен в ГОСТ 12248-96. Образец испытываемого грунта 11, заключенный в рабочее кольцо 3, устанавливается в приборе на перфорированный вкладыш 6. Сверху на него укладывается перфорированный металлический штамп 5, предназначенный для равномерного распределения силы N , передаваемой на образец с помощью специального нагрузочного устройства. Под действием давления, увеличивающегося ступенями по 0.0125 МПа и более, штамп вследствие сжатия образца оседает. Его перемещение, продолжающееся довольно продолжительное время, измеряется двумя индикаторами 8 с точностью до 0.01 мм. При сжатии образца объёма пор грунта уменьшается и из них выдавливается вода, которая отводится через отверстия в штампе и вкладыше.

Уплотнение грунта принято характеризовать уменьшением коэффициента пористости. Первоначальное значение коэффициента пористости е о определяется по формуле, приведенной в табл. 1.3. На каждой ступени нагрузки коэффициент пористости вычисляется по формуле

е i = е 0 - (1+ е 0 ) (3.2)

где s i – величина измеренного перемещения (осадки) штампа при давлении р i ;

h – высота образца грунта.

Изменения коэффициента в зависимости от давления показано на рис. 3.4. Экспериментальные точки на графике соединяются прямыми отрезками. Построенная эмпирическая зависимость в общем случае представляет ломаную линию, которую принято называть компрессионная кривая . Для интервала давлений от р н до р к , принимаемых из таких же соображений, как и для штамповых испытаний, участок компрессионной кривой заменяется прямой. Такая замена позволяет вычислить параметр деформативности, называемый коэффициент сжимаемости т 0:

т 0 = (3.3)

По смыслу коэффициент сжимаемости есть тангенс угла наклона осредненной прямой к горизонтальной оси.

Модуль деформации определяется по коэффициенту сжимаемости из выражения:

Е к = (3.4)

где β – коэффициент, зависящий от коэффициента бокового расширения ν, вычисляется по формуле

где v - коэффициент поперечной деформации, принимаемый равным: 0,30-0,35 - для песков и супесей; 0,35-0,37 - для суглинков; 0,2¾0,3 при I L < 0; 0,3¾0,38 при 0 £ I L £ 0,25; 0,38¾0,45 при 0,25 < I L £ 1,0 - для глин (меньшие значения v принимают при большей плотности грунта).

Поскольку грунты неоднородны, то модули деформации грунтовых слоев находят как среднее из результатов не менее 6 опытов.

По ряду причин величины Е к оказываются значительно заниженными. Для зданий I и II уровней ответственности значения модуля деформации, устанавливаемые по результатам компрессионных испытаний, определяют по формуле

Е= т к Е к (3.6)

Эмпирический коэффициент т к находят путем сопоставления полевых испытаний штампов с лабораторными испытаниями.

т к = (3.7)

Значения т к для грунтов разного вида и состояния варьируют в широком интервале. Их ориентировочные значения на практике принимают из табл. 5.1 свода правил по проектированию и устройству фундаментов СП 50-101-1004, или по таблицам, составленным для грунтовых условий отдельных регионов.

Образцы грунта можно испытывать в лабораторных условиях по более сложной схеме трехосного сжатия. Порядок испытания изложен в ГОСТ 12248-96. Такие испытания позволяют устанавливать не только модуль деформации, но и прочностные характеристики, описанные в гл. 5. В практике трехосные испытания не находят широкого применения. Трудности при их проведении возрастают, а получаемые величины модуля деформации нужно корректировать, как и при компрессионных испытаниях.

Много данных о грунтах природного залегания позволяет получать испытания статическим зондированием по ГОСТ 19912-2001. Современные зонды состоят из муфты трения и наконечника (конуса). Зондирование ведут вдавливанием в грунтовый массив зонда с одновременным измерением непрерывно или через 0,2 м сопротивлений f s и q c (рис. 3.5), которые могут записываться на магнитный диск и обрабатываться на компьютере.Вместе с бурением и другими видами испытаний статическое зондирование позволяет более достоверно решать многие задачи. В их число входят следующие вопросы:

выделение инженерно-геологических элементов (ИГЭ) и установление их границ;

оценка пространственной изменчивости состава и свойств грунтов;

количественная оценка характеристик физико-механических свойств грунтов.

Количественная оценка модуля деформации и других показателей физико-механических свойств грунтов производится на основе обоснованных статистических зависимостей между ними и показателями сопротивления грунта внедрению зонда. Обычно используется зависимость вида Е=f (q c ). Параметры такой зависимости целесообразно устанавливать для региональных видов грунтов. При их наличии статическое зондирование позволяет значительно снижать затраты на испытания грунтов.

Для нахождения модуля деформации продолжает использоваться проём, основанный на его связи с показателями физического состояния. Связь носит вероятностный характер. Однако на её основе составлены таблицы, из которых модуль деформации принимается для глинистых грунтов различного происхождения по показателю текучести I L и коэффициенту пористости е . Для сыпучих грунтов модуль деформации берется по гранулометрическому составу и коэффициенту пористости е . Таблицы приведены в нормах проектирования, сводах правил, в справочниках, и носят рекомендательный характер. Пользоваться ими допускается только для предварительных расчетов.

Вопросы для самопроверки.

1 Какими показателями характеризуется деформирование грунтов в области линейного сжатия?

2. Что означает по смыслу модуль деформации грунта?

3. Какие испытания проводят для определения модуля деформации?

4. Сколько испытаний штампов необходимо провести для определения модуля деформации однородного слоя (ИГЭ)?

5. Сколько следует провести компрессионных испытаний для определения модуля деформации ИГЭ?

6. Как корректируют результаты компрессионных испытаний грунтов?

7. Сущность статического зондирования грунтов.

8. Можно ли принимать модуль деформации грунтов по показателям физического состояния?

ТЕМА 4

Расчет осадки основания .

Расчет осадки фундамента в инженерной практике производится на основе решения Гука для определения укорочения или растяжения упругого стержня, нагруженного осевой силой.

При приложении силы N укорочение стержня (рис. 4.1 а ), как следует из теории Гука, вычисляется из выражения

s = N L / А Е .

Если принять, что σ=N / А (А – площадь поперечного сечения стержня), то

s = σ L / Е . (4.1)

Произведение σL в этой формуле имеет простой геометрический смысл, означая, по сути, площадь прямоугольной эпюры напряжений.

По аналогии со стержнем осадка фундамента s (рис. 4.1 б ) понимается как укорочение некоторого условно выделяемого под подошвой столба грунта высотой Н ос . Вычисление его величины s по формуле (4.1) осложняется следующими обстоятельствами: напряжения σ z по горизонтальным сечениям и по высоте столба распределяются неравномерно (эпюры напряжений по ним криволинейны); высоту столба Н ос , поскольку её не измерить, нужно отыскивать каким-либо способом; в пределах Н ос могут находиться слои различной сжимаемости. Перечисленные проблемы приближенно решены в инженерном расчете осадки методом послойного суммирования.

Суть метода заключается в том, что осадку основания s вычисляют на основе формулы (4.1) как сумму деформаций однородных по сжимаемости участков, на которые разделяют грунтовый массив от подошвы до нижней границы сжимаемой толщи. Такой прием аналогичен известному способу приближенного определения площадей криволинейных фигур.

Расчет производится в следующей последовательности.

· Определяют давление на уровне подошвы фундаментов от собственного веса грунта:

σ zg = g 1 d 1 (4.2)

· Определяют дополнительное давление от нагрузки на фундамент, возникшее под подошвой сверх давления от собственного веса грунта:

р о = р н – σ zg (4.3)

· Грунтовый массив под подошвой условно разделяют на однородные по сжимаемости участки (рис. 4.2) толщиной h i £ 0.4b . Если в пределах элементарного участка оказывается граница между грунтовыми слоями, то участок делят по ней на две части (на рисунке точка 2 взята на границе между ИГЭ 1 и ИГЭ 2).

·В точках на границах участков вычисляют дополнительные напряжения

σ zi = a р о , (4.4)

где a - коэффициент, принимаемый по табл. 2.3 в зависимости от соотношения сторон подошвы h =l/b и относительной глубины нахождения точки ξ =2z i /b (z i –расстояние от подошвы фундамента до рассматриваемой точки, i – номер точки), и напряжения от собственного веса грунта

σ zqi = σ zg +∑h i g i . (4.5)

· Отыскивают положение границы уплотняемой толщи, проверяя эмпирическое условие

σ zi ≈ k σ zqi , (4.6)

где k =0.2 при модуле деформации Е ≥5 МПа, и k =0.1 при Е< 5 МПа.

Расхождение между правой и левой частями условия допускается не более 5 кПа.

· По вычисленным в точках значениям напряжений строят эпюру напряжений (рис. 4.3) и подсчитывают средние давления σ z с i для всех участков в пределах сжимаемой толщи

σ z с i = (σ z (i -1) + σ zi )/2, (4.7)

где σ z (i -1) и σ zi – давления на верхней и нижней границе i -го участка.

· Вычисляют осадку фундамента как сумму деформаций элементарных участков в пределах от подошвы до границы сжимаемой толщи

s = 0.8åσ z с i h i / Е i . (4.8)

В этой формуле сумма произведений åσ z с i h i означает приближенную площадь криволинейной эпюры напряжений.

Исходные данные о глубине заложения и размерах подошвы фундаментов, необходимые для выполнения расчетов, указаны в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Данные о фундаментах	Номер варианта

Глубина заложения d 1 , м	1.5	2.8	2.1	2.4	1.8		2.5	3.3		2.9	2.3	3.1	2.2
Давление, кПа

ширина b м	1.6	2.4	2.1	2.7	1.8	1.5	2.3	1.6	1.9	2.2	2.9		3.2
длина l , м	2.4		2.7	3.3	2.4	2.1	3.4		3.2	2.8	4.1	4.5	4.2

Ширина b м	1.6	2.4	2.1	2.7	1.8	1.5	2.3	1.6	1.9	2.2	2.9		3.2
Данные о фундаментах	Номер варианта

Глубина заложения d 1 , м	3.1	2.2	2.5	3.3		2.9	2.3	3.1	2.2	1.5	2.8	2.1	2.4
Давление, кПа
Размеры подошвы отдельного фундамента, м
ширина b м	2.5	3.3		2.9	1.5	2.8	2.1	2.3	3.1	2.2	2.7	1.8	1.5
длина l , м	3.3	4.2	2.4	3,6	2.7	3.3	2.4		4.5	4.5	4.1	1.8	2.1
Размеры ленточного фундамента
Ширина b м	2.5	3.3		2.9	1.5	2.8	2.1	2.3	3.1	2.2	2.7	1.8	1.5

Залегание, номера грунтовых слоев (ИГЭ), значения показателей ИГЭ принимаются для заданного варианта по рис. 1, табл. 1 и табл.2.

Указанные в таблице 4.1 давления на грунт относятся к отдельным и ленточным фундаментам.

При самостоятельном изучении темы следует выполнить расчеты осадки отдельного и ленточного фундаментов .

Пример 4.1 .

b = 1,8 м, l = 2,5 м, d 1 = 1,8 м, р н = 240 кПа. Сведения о грунтах приведены на рис.4.3.

Бытовое давление на отметке заложения фундамента

σ zg = g 1 d 1 = 19*1,8 = 34,2 кПа .

Дополнительное давление под подошвой фундамента

р о = р н – σ zg = 240 – 34,2 = 205,8 кПа .

Толщина элементарного слоя

h=0.4b =0,4 *1,8 = 0,72 м .

Отношение сторон подошвы фундамента

h = l/b =2,5 / 1,8 = 1,39 ≈1,4.

1-я точка (i = 1) , z 1 = 0,72 м ;

x =2z 1 /b = 2 *0,72 /1,8 = 0,8, a= 0,848 ;

σ z 1 =a р о = 0.848 *205.8 = 174.5 кПа.

σ z с1 = (205,8 + 174.5) / 2 = 190,15 кПа;

Напряжения от собственного веса грунта

σ zq 1 = σ zg +h 1 g 1 .= 34,2 + 0,72 *19 = 47,88 кПа.

2-я точка (i = 2). Если эту точку взять на 0,72 м ниже, она окажется во 2-м слое. Поскольку участок должен быть однородным по сжимаемости, то точку следует расположить на границе между слоями. Следовательно, расстояние от подошвы до точки будет z 2 =1,05 м, а толщина второго участка составит

h 2 = 1.05 – 072 = 0,33 м:

x = 2 *1,05 / 1,8 = 1,17 , a=0,694 ,

σ z 2 = 0,694 *205,8 = 142,8 кПа ,

σ z с2 = (174.5 + 142,8)/2=158,6 кПа ,

σ zq 2 = 47,88 + 0,33 *19 = 54,15 кПа .

3-я точка (i = 3). В целях удобства пользования таблицей, чтобы избежать интерполирования при нахождении из неё значений a, примем z 3 =1,44 м. Толщина третьего участка составит h 3 = 1.44 – 1.05 = 0,39 м.

x = 2*1,44/ 1,8 =1,6; a=0,532 ;

σ z 3 = 0,532 *205,8 = 109,5 кПа;

σ z с3 =(142,8+109,5)/2 = 126,1 кПа;

σ zq 3 =54,15+0,39 *20,3 = 62,1 кПа.

4-я точка (i = 4). Толщина участка 0,72 м , z = 2,16 м.

x = 2 *2,16 / 1,8 = 2,4 ; a=0,325;

σ z 4= 0,325 *205,8 = 66,9 кПа;

σ z с4 =(109,5 + 66,9)/2 = 88,2;

σ zq 4 = 62,1+ 0,72 *20,3 = 76,7 кПа .

Для точек, расположенных ниже, напряжения подсчитываются аналогичным образом. Результаты всех проделанных вычислений приведены в табл. 4.2.

В 7-ой точке левая и правая части условия σ zi ≈0,2σ zqi (в таблице выделены серым цветом) отличаются на 2,39 кПа, менее чем на 5 кПа. Следовательно, границу уплотняемой зоны можно принять в этой точке на глубине 4,32 м от подошвы фундамента. Грунты в пределах этой глубины и являются основанием.

Таблица 4.2

Номер точки	Номер слоя	Z в м	h i в м	x=2z/b	a	σ zi в кПа	σ zс i в кПа	σ zq в кПа	0,2σ zq в кПа
					1,000	205,8		34,2	-
	0,72	0,72	0,8	0,848	174,5	190,1	47,88	9,6
	1,05	0,33	1,17	0,694	142,8	158,6	54,15	10,83
		1,44	0,39	1,6	0,532	109,5	126,1	62,1	12,42
	2,16	0,72	2,4	0,325	66,9	88,2	76,7	15,34
	2,88	0,72	3,2	0,21	43,22	55,06	91,3	18,26
	3,6	0,72	4,0	0,145	29,8	36,51	105,9	21,18
		4,32	0,72	4,8	0,105	21,61	25,7	120,0	24,0

Осадка равна

ѕ=0,8[(190,1 *0,72+158,6 *0,33)/7200+(126,1 *0,39+88,2 *0,72+55,06 *0,72+36,51 *0,72)/12000 ++25,7 *0,72/16000] = 0,034 м .=3,4 см .

Осадка ленточного фундамента рассчитывается в такой же последовательности. При одинаковом давлении на грунт и одинаковой ширине подошвы вычисленные осадки оказываются разными. Для выяснения причины этого сравнить эпюры напряжений.

Заключение .

Не следует упускать из виду, что выделяемый под фундаментами грунтовый столб представляет собой модель основания, деформации которой устанавливаются на основе гипотез о распределении напряжений в грунтовом массиве, расположении границы деформируемой зоны, сжимаемости грунтов. Из-за принятых упрощений параметры модели, используемые в расчетах, отличаются от параметров реального грунта. В итоге вычисленные осадки на практике обычно не совпадают с фактическими осадками фундаментов. Расчеты осадки по методу послойного суммирования, поэтому, являются приближенными.

Метод послойного суммирования, используя метод угловых точек определения напряжений, можно применять при определении осадки соседних фундаментов.

Нужно отметить, что осадки фундаментов возникают не сразу после приложения нагрузки, а медленно увеличиваются во времени. Продолжительность деформирования грунтов можно приближенно рассчитывать или принимать из наблюдений.

Вопросы для самопроверки.

1. Какое решение взято в основу расчета осадки?

2. Какие сложности возникают при расчетах осадки фундаментов?

3. В какой последовательности ведется расчет осадки?

4. Как определяется положение границы уплотняемой зоны?

5. Как учитывается различная сжимаемость грунтов основания?

6. Какова достоверность метода послойного суммирования?

СТАНДАРТ ОРГАНИЗАЦИИ

Деформационные
и прочностные характеристики
юрских глинистых грунтов Москвы

СТО 36554501-020-2010

Москва

Предисловие

Сведения о стандарте:

1 РАЗРАБОТАН И ВНЕСЕН лабораторией электротехнических технологий (зав. лабораторией - канд. техн. наук Х.А. Джантимиров) НИИ-ОСП им. Н.М. Герсеванова - института ОАО «НИЦ «Строительство» вед. науч. сотр., канд. техн. наук О.И. Игнатовой

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ приказом генерального директора ОАО «НИЦ «Строительство» от 10 февраля 2010 г. № 27

4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Введение

В связи с интенсивным развитием в последние годы строительства в Москве зданий повышенной этажности и высотных с глубокой подземной частью и подземных сооружений возникла необходимость в оценке строительных свойств грунтов, залегающих на больших глубинах. К этим грунтам относятся грунты юрского, мелового и каменноугольного периодов.

Оценка характеристик этих грунтов на основе статистического обобщения накопленных архивных данных инженерно-геологических изысканий является актуальной задачей.

Для выполнения работы был проведен сбор архивных материалов лабораторных и полевых испытаний дочетвертичных грунтов Москвы из отчетов по инженерно-геологическим изысканиям 40 организаций, проводящих изыскательские работы на территории города, поступивших в институт по конкретным объектам проектирования.

В настоящем стандарте приводятся результаты исследований для юрских J 3 глинистых грунтов.

Результаты исследований связи модуля деформации по данным штамповых испытаний с удельным сопротивлением грунта под конусом зонда для юрских глин Москвы приведены в работе , но они основывались на небольшом статистическом материале.

На основе проведенных исследований для юрских глинистых грунтов составлены таблицы нормативных и расчетных значений прочностных и деформационных характеристик и установлены коэффициенты перехода от компрессионных модулей деформации к штамповым. Для этих грунтов получено также уравнение для оценки модуля деформации по результатам статического зондирования. Результаты проведенных исследований опубликованы в работе .

Эти результаты рекомендуется использовать в практике инженерно-геологических изысканий, проектирования и устройства оснований и фундаментов, что позволит повысить достоверность деформационных и прочностных характеристик, используемых в расчетах оснований.

СТАНДАРТ ОРГАНИЗАЦИИ

ДЕФОРМАЦИОННЫЕ И ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ЮРСКИХ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ МОСКВЫ

Deformation and strength characteristics
of Jurassic clay soils in Moscow

Дата введения 2010-02-25

1 Область применения

1.1 Настоящий стандарт распространяется на определение деформационных и прочностных характеристик юрских J 3 глинистых грунтов Москвы. Эти грунты были представлены следующими отложениями: J 3 ν - волжский ярус; J 3 ox - оксфордский ярус и J 3 cl - келловейский ярус. В табл. приведены диапазоны изменения и средние значения основных физических характеристик грунтов указанных отложений.

1.2 Стандарт предназначен для определения нормативных и расчетных значений деформационных и прочностных характеристик грунтов по таблицам и уравнениям в зависимости от их физических характеристик и данных статического зондирования.

1.3 Таблицы и уравнения для определения нормативных и расчетных значений деформационных и прочностных характеристик грунтов рекомендуется применять для предварительных расчетов оснований и фундаментов зданий и сооружений I уровня ответственности и окончательных расчетов оснований и фундаментов зданий и сооружений II и III уровней ответственности.

Индекс	Характерные значения	ρ , т/м 3	e	w L , %	I p , %	I L	h , м
J 3 ν		1,72	0,48			0,25
		2,14	1,14			0,90
	Среднее	1,92	0,77			0,29
J 3 ox		1,62	0,82			0,26
		1,93	1,52			0,40
	Среднее	1,75	1,20			0,04
J 3 cl		1,74	0,60			0,36
		2,04	1,22			0,35
	Среднее	1,84	0,98			0,06

2 Нормативные ссылки

Статическое зондирование грунтов выполнялось зондом II типа в соответствии с ГОСТ 19912 .

Компрессионные испытания грунтов выполнялись в соответствии с ГОСТ 12248 для грунтов природной влажности. Для исследований были использованы результаты испытаний с конечной вертикальной нагрузкой р ≥ 0,5 МПа. Значения компрессионных модулей деформации вычислялись в диапазоне нагрузок 0,2 - 0,5 МПа.

Значения φ и с определялись по данным консолидированно-дренированных испытаний на срез грунтов природной влажности в соответствии с ГОСТ 12248 .

Физические характеристики грунтов определялись в соответствии с ГОСТ 5180 .

3.3 Для составления таблиц нормативных и расчетных значений деформационных и прочностных характеристик грунтов при статистической обработке материалов использован аппарат корреляционно-регрессионного анализа, позволяющий установить корреляционные связи и уравнения регрессии между механическими характеристиками Е , φ и с с одной стороны и физическими характеристиками и данными статического зондирования q с другой. Теснота связи характеризуется коэффициентом корреляции R и средним квадратическим (стандартным) отклонением S (приложение ).

При корреляционном анализе использованы следующие физические характеристики: число пластичности I р как показатель вида или глинистости грунта; коэффициент пористости е как показатель плотности грунта в природном залегании и показатель текучести I L как показатель состояния грунта по консистенции.

3.4 Исследования корреляционных связей выполнены между нормативными значениями механических и физических характеристик и сопротивления зондированию q , определенными как среднее арифметическое значение частных значений для выделенных при изысканиях инженерно-геологических элементов (ИГЭ) (ГОСТ 20522).

Для определения нормативных и расчетных значений Е , φ и с по таблицам и уравнениям необходимо использовать нормативные значения физических характеристик и сопротивления зондированию q для ИГЭ.

4 Определение модуля деформации по физическим характеристикам

4.1 Нормативные значения полевого модуля деформации Е следует принимать по уравнению () или табл. , составленных на основе статистической обработки результатов испытаний грунтов штампом и прессиометром (рис. ).

Показатель текучести I L	Нормативные значения модуля деформации Е , МПа, при коэффициенте пористости е , равном
Показатель текучести I L	0,6 - 0,7	0,8 - 0,9	1,0 - 1,1	1,2 - 1,3	1,4 - 1,5
0,25 ≤ I L ≤ 0
0 < I L ≤ 0,25
0,25 < I L ≤ 0,5
0,5 < I L ≤ 0,75

Рисунок 1 - Зависимость модуля деформации по данным штамповых (Е m ) и
прессиометрических (E n ) испытаний (n ИГЭ = 75; n i = 280) от коэффициента
пористости е и показателя текучести I L для юрских глинистых грунтов:
I L :1 - (-0,25); 2 - 0,0; 3 - 0,25; 4 - 0,5; 5 - 0,75

5 Определение модуля деформации по данным статического зондирования

5.1 Нормативные значения полевого модуля деформации Е следует принимать в зависимости от удельного сопротивления грунта под конусом зонда q по уравнению (), полученному на основе статистической обработки результатов испытаний грунтов штампом, прессиометром и статическим зондированием (рис. ).

Рисунок 2 - Зависимость модуля деформации Е по данным штамповых
и прессиометрических испытаний от удельного сопротивления грунта
под конусом зонда q :
экспериментальные точки: 1 - для J 3 ox ; 2 - для J 3 ν ; 3 - зависимость Е = f (q )

6 Коэффициенты перехода от компрессионного модуля деформации к штамповому

6.1 Коэффициенты перехода m k от компрессионного модуля деформации к штамповому следует принимать или в зависимости от коэффициента пористости е и показателя текучести I L (табл. ), или в зависимости от числа пластичности I р и показателя текучести I L (табл. ).

Показатель текучести I L	Значения коэффициента m k при коэффициенте пористости е , равном
Показатель текучести I L	0,6 - 0,8	0,9 - 1,1	1,2 - 1,5
0,25

0,25

0,75

Показатель текучести I L	Значения коэффициента m k при числе пластичности I p равном
Показатель текучести I L	≤ 7	8 - 17	18 - 30	31 - 50
0,25

0,25

0,75

Рисунок 3 - Зависимость коэффициента m k от коэффициента пористости е
и показателя текучести I L для юрских глинистых грунтов
(n = 32; m k = 2,47 + 0,53е - 1,60I L ; R = 0,79; S = 0,42):
I L :

Рисунок 4 - Зависимость коэффициента m k от числа пластичности I р
и показателя текучести I L для юрских глинистых грунтов
(n = 32; m k = 2,51 + 0,02I р - 1,24I L ; R = 0,83; S = 0,38):
I L :1 - (-0,25); 2 - 0,0; 3 - 0,25; 4 - 0,5; 5 - 0,75

При использовании коэффициентов m k по табл. и для корректировки компрессионных модулей деформации последние должны вычисляться в диапазоне вертикальных давлений 0,2 - 0,5 МПа, а значения коэффициента β , учитывающего невозможность бокового расширения грунта в компрессионном приборе, составлять 0,4 - для глин, 0,62 - для суглинков и 0,72 - для супесей.

7 Определение прочностных характеристик по физическим характеристикам

7.1 Нормативные значения прочностных характеристик юрских глинистых грунтов - угла внутреннего трения φ и удельного сцепления с , полученных по результатам консолидированно-дренированных (КД) испытаний грунтов на срез, следует определять в зависимости от числа пластичности I р и показателя текучести I L по уравнениям () и () или табл. (рис. и ):

Показатель текучести I L	Обозначение характеристики	Нормативные значения φ ° и с , кПа, при числе пластичности I р , %, равном
Показатель текучести I L	Обозначение характеристики	≤ 1	8 - 17	18 - 30	31 - 40	41 - 50
0,25 ≤ I L ≤ 0	φ °
0,25 ≤ I L ≤ 0	с , кПа
0 < I L ≤ 0,25	φ °
0 < I L ≤ 0,25	с , кПа
0,25 < I L ≤ 0,5	φ °
0,25 < I L ≤ 0,5	с , кПа
0,5 < I L ≤ 0,75	φ °
0,5 < I L ≤ 0,75	с , кПа

7.2 Расчетные значения φ и с следует вычислять исходя из нормативных значений (табл. ), уменьшая их на величину доверительного интервала Δ, вычисленного по методике прил. 2 СТО при доверительной вероятности α = 0,85 и α = 0,95 (СП 50-101).

Доверительный интервал Δ для φ и с составляет:

Δφ = 1° Δс = 7 кПа (при α = 0,85);

Δφ = 2° Δс = 11 кПа (при α = 0,95).

Рисунок 5 - Зависимость угла внутреннего трения φ ° от числа пластичности
I р и показателя текучести I L Приложение А

J 3 v - верхнеюрские отложения волжского яруса

J 3 ox - верхнеюрские отложения оксфордского яруса

J 3 cl - верхнеюрские отложения келловейского яруса

ρ - плотность грунта

е - коэффициент пористости грунта

I р - число пластичности грунта

I L - показатель текучести грунта

h - глубина отбора образца грунта или испытания штампом (прессиометром)

Е ш - модуль деформации по результатам штамповых испытаний

Е п - модуль деформации по результатам прессиометрических испытаний

q - удельное сопротивление грунта под конусом зонда при статическом зондировании

КД - консолидированно-дренированный срез грунта

R - коэффициент корреляции

S - среднее квадратичное отклонение (стандартное отклонение)

Приложение Б

Для исследования взаимосвязей между механическими у и физическими х i характеристиками использовался аппарат корреляционно-регрессионного анализа. Вычисления производились на компьютере по стандартной программе, которая предусматривает построение методом наименьших квадратов линейной зависимости вида

Для аппроксимации нелинейной зависимости чаще всего используются полином 2-й или 3-й степени или уравнение (). Однако в связи с тем, что статистические оценки в теории корреляции разработаны только для линейных зависимостей, нелинейные зависимости должны быть преобразованы в линейные путем замены переменных.

m - среднее число определений φ и с в ИГЭ;

n - общее число нормативных значений φ и с (общее число ИГЭ);

d 2 - функционал, характеризующий изменение ширины доверительного интервала вдоль зависимости.

Следует отметить, что значение d 2 /n при тех значениях n , которые имели место в исследуемой выборке опытных данных, получалось пренебрежимо малым.

Расчетные значения φ и с вычислены при доверительных вероятностях α = 0,85 и α = 0,95, регламентированных