Тема 7. Ступінь ущільнення ґрунту і загальна характеристика будівельних властивостей різних ґрунтів. 1 страница

Мета ущільнення ґрунту. Поняття про оптимальну вологість і максимальну щільність. Стандартне ущільнення. Коефіцієнт стандартного ущільнення. Будівельні властивості великоуламкових ґрунтів, пісків і глинистих ґрунтів. [1. с.24-26, 33-36, 221-223; 3. с. 78-82].

Ґрунт штучно ущільнюють (торуванням, трамбуванням, вібрацією, вибухом тощо) для підвищення його міцності, зменшення водопроникності і наступного осідання.

Поки вологість ґрунту мала, додавання до нього води діє як змазування (мастило), яке полегшує переміщення частинок відносно одна одної, що сприяє тіснішому укладанню частинок. Але при надмірному вмісті вода і повітря, що залишилось (у вигляді бульбашок), заважають зближенню частинок. Тому за постійного значення витраченої роботи найкраще ущільнення досягається при певній оптимальній вологості ґрунту W_opm якій відповідає максимальна щільність сухого ґрунту (скелету ґрунту) р_{d max}.

При збільшенні витраченої для ущільнення роботи W_opm зменшується, a р_{d max} зростає.

Ущільнення ґрунту визначають шляхом його випробування у приладі стандартного ущільнення. Витрачаючи однакову механічну роботу, ущільнюють у металевому стакані ґрунт різної вологості і встановлюють залежність р_d(W). На графіку залежності знаходять оптимальну вологість стандартного ущільнення W_opm і відповідну їй максимальну щільність сухого ґрунту при стандартному ущільненні р_{d max.}

Ступінь ущільнення ґрунту, з якого споруджується земляне полотно автомобільної дороги, оцінюється коефіцієнтом стандартного ущільнення який являє собою відношення

фактичної щільності сухого ґрунту (каркасу ґрунту) до максимальної його щільності при стандартному ущільненні

(12)

Для різних зон насипу і природних умов місцевості значення нормовано в межах 0,90...1,0. У деяких випадках вважається доцільним зміцнити верхній шар земляного полотна до 1,03... 1,07. Звичайно для верхньої частини земляного полотна (на глибину менше 1,5 м) повинно бути забезпечене значення

Застосування для оцінки необхідного ступеня ущільнення пояснюється прикладом розв'язання задачі 2 у підрозділі «Контрольні запитання і завдання».

При вивченні питання про будівельні властивості великоуламкових ґрунтів, пісків і глинистих ґрунтів (супіски, суглинки, глина) необхідно звернути увагу на їх зв'язаність, набухання і застосування у фундаментах споруд, в земляному полотні автомобільної дороги і в шарах дорожнього одягу (особливо великоуламкових і пісків: в неукріпленому вигляді і як компоненти асфальте- і цементобетонних сумішей).

Тема 8. Водно-тепловий режим ґрунтів і дорожньо-кліматичне районування території України та СНД.

Водний баланс поверхневого шару ґрунту в умовах природного залягання. Джерела зволоження ґрунту в земляному полотні автомобільної дороги. Періоди зміни вологості і температури ґрунту в річному циклі. Дорожньо-кліматичне районування території України і поділ місцевостей на типи за умовами зволоження земляного полотна. [L с. 39-41, 50-51, 57- 59, 78-79; 2. с. 75-84; 10. с.86-93].

При вивченні даної теми слід пам'ятати, що вологість і температура ґрунту з часом періодично змінюються, причому ці зміни взаємопов'язані, тому їх розглядають разом як водно- тепловий режим ґрунту. Необхідно мати уявлення про водно- тепловий режим як поверхневого шару ґрунту в природному заляганні, так і земляного полотна дороги. При зміні водно- теплового режиму ґрунту земляного полотна у річному циклі особливої уваги заслуговує питання про промерзання ґрунту і зимовий перерозподіл вологи шляхом переміщення знизу у верхню частину земляного полотна (за рахунок руху пароподібної і плівкової води до фронту промерзання), а також про зв'язки цього процесу з утворенням пучин. Інженер повинен мати чітке уявлення про три умови пучиноутворення, його суть і засоби попередження пучин на автомобільних дорогах.

Необхідно ознайомитись з принципами поділу території нашої країни на чотири дорожньо-кліматичних зон, їх загальною характеристикою. Слід знати, що в середині кожної зони дана ділянка дороги може бути віднесена до одного з трьох типів місцевості за умовами зволоження.

Інформація про водно-тепловий режим і дорожньо-кліматичне районування необхідна при проектуванні і будівництві земляного полотна і дорожнього покриття, зокрема для вибору геометричних параметрів поперечного профілю земляного полотна, призначення розрахункової вологості ґрунту і визначення його розрахункових міцнісних і деформаційних характеристик, від яких істотно залежить необхідна товщина дорожнього одягу - найдорожчої частини автомобільної дороги.

РОЗДІЛ 2. ОСНОВИ МЕХАНІКИ ГРУНТІВ

Тема 9. Деформаційні характеристики ґрунту Процеси, що відбуваються у ґрунті під дією навантаження. Зворотні й незворотні деформації. Деформаційні показники ґрунтів. Модуль пружності і коефіцієнт поперечної деформації. Модуль деформації. Коефіцієнт бокового тиску. Компресійний прилад. Компресійна залежність. Коефіцієнти стискальності та відносної стискальності Відносне просідання. [1. с.80-94; 2, с.135-151, 234-243, 341-346; 3. с,65-75, 85-90; 10. с.144-149].

Якщо у ґрунтознавстві вивчаються види ґрунтів, їх походження, фізичні властивості і вплив природнокліматичних факторів на умови роботи ґрунтів в основах і земляних спорудах, то механіка ґрунтів вивчає механічні властивості ґрунтів (деформаційні та міцнісні), розподіл в них напружень, деформації і переміщення під впливом навантажень, умови стисливості масивів ґрунту.

Деформаційні характеристики повинні дозволяти описувати та прогнозувати зміни розмірів шарів ґрунту або осадку поверхні ґрунтового масиву після прикладання навантаження. Деформація - це зміни відносного положення точок тіла, викликані їхнім переміщенням. Причиною деформації ґрунту є нормальні і дотичні напруження, викликані навантаженнями (від маси споруди і власної маси ґрунту, від транспортних засобів, що рухаються, тощо).

Деформація зумовлена різноманітними процесами, які відбуваються у ґрунті: руйнуванням окремих частинок і їх структурних агрегатів, перепакуванням частинок, вижиманням повітря і вільної води з пор, пружною стисливістю частинок, зміною товщини оболонок зв'язаної води при наближенні сусідніх частинок та ін. Деякі з цих процесів обумовлюють появу залишкової деформації. Інші - пружної, яка відновлюється після розвантаження. Тому повна відносна деформація зразка ґрунту складається з пружної і залишкової частин

(13)

Хоча фактично залежність між напруженнями і відносною деформацією ґрунту нелінійна, її приблизно замінюють лінійною в деякому інтервалі напружень. Тоді в умовах випробування зразка ґрунту на осьовий стиск для опису зв'язку між напруженнями і деформацією використовують закон Гука

(14)

де поздовжнє нормальне напруження; повна поздовжня відносна деформація, Е - модуль деформації ґрунту, який дорівнює відношенню подовжнього нормального напруження до викликаної
ним повної відносної-деформації в умовах одноосьового напруженого стану

(15)

Співвідношення відносної поперечної і подовжньої деформацій в умовах одноосьового напруженого стану (стискування чи розтягування), яке береться з від'ємним знаком, називають коефіцієнтом поперечної деформації

(16)

В умовах просторового напруженого стану залежність між нормальними напруженнями і відносними деформаціями відображається з допомогою відомих в теорії пружності і опору матеріалів виразами

(17)

Якщо у формулах (14)-(17) використовувати значення пружної деформації ґрунту під впливом виникаючих в ньому напружень, то модуль деформації Е треба замінити модулем пружності який дорівнює відношенню нормального напруження до пружної відносної деформації, що викликається цим напруженням.

Слід зважити, що визначення понять про модулі деформації і пружності ґрунту даються стосовно до простішого одноосьового напруженого стану, хоч числові значення модулів 24
експериментально встановлюють за інших видів напруженого стану (наприклад, випробуванням ґрунтового масиву штампом).

Порядок значень для ґрунтів: супісок і

суглинок Порядок

значень при коефіцієнті пористості і показнику

консистенції

Компресійною називають залежність коефіцієнта пористості ґрунту від нормального тиску р в умовах неможливості бокового розширення, яку одержують в компресійному приладі - одометрі. В результаті цих випробувань знаходять показники: - коефіцієнт стискальності; - коефіцієнт відносної стискальності; відносна просадочність при змочуванні. Ці показники використовуються для прогнозування кінцевої осадки насипу, будівлі, споруди на слабкій основі.

Тема 10, Реологічні властивості ґрунтів

Поняття про реологію. Реологічні явища: повзучість і релаксація. Роль реологічних явищ у несучій здатності і деформуванні основ споруд. Протікання процесу осадки ґрунтового масиву в часі Консолідація. //, сЛ 16-120,193-206; 2. с.287-303,207-218; 3. с.76-78; 7. с. 50-59].

В ідеально пружних матеріалах деформація відбувається з швидкістю поширення в них звуку, що має порядок 100 м/с. Тому, враховуючи звичайні розміри елементів конструкцій і споруд, вважають, що чисто пружна деформація відбувається миттєво.

Але в ґрунтах, як і в багатьох інших тілах (полімерах, асфальтобетонах та ін.), крім чисто пружних деформацій, обумовлених, наприклад, стискальністю мінеральних зерен, відбуваються уповільнені деформації, спричинені витисканням плівок зв'язаної води з контактів між частинками, деформуванням цементуючої речовини в цих контактах, витискуванням вільної води з пор по ходу її фільтрації із стисненої зони.

Закономірності зміни деформацій, напружень в матеріалах з часом вивчаються у „реології" (грец. „рео" - текти, „логос" вчення) - розділі механіки суцільних середовищ. Основними реологічними процесами є повзучість і релаксація.

Повзучістю називають явище збільшення відносної деформації в часі при постійному напруженні Розрізняють

затухаючу повзучість (швидкість розвитку деформацій спадає з часом), встановлену (швидкість розвитку деформацій ) і

прогресуючу (швидкість деформації зростає аж до руйнування). При проектуванні намагаються забезпечити роботу ґрунтових основ споруд в стадії затухаючої повзучості.

Релаксацією називають явище довільного зменшення напруження в часі при постійній відносній деформації . В

процесі

релаксації ґрунт ніби розслабляється. Якщо в момент навантаження для деформування на величину вимагалось навантаження, яке викликає напруження , то в подальшому для підтримання первинно досягнутої повної деформації потрібне напруження , яке зменшується з часом. Якщо у різні моменти часу розвантажувати зразок, то можна переконатись, що в ході релаксації із збільшенням пружна частина деформації в рівнянні (13) зменшується, а залишкова - зростає при постійній їх сумі, що дорівнює повній деформації створеній спочатку.

Супіски і суглинки здатні відрелаксовувати приблизно 20-50% початкового напруження, глини - 80% і більше.

Поступовий розвиток осадки споруд на водонасичених глинистих ґрунтах викликається спочатку ущільненням ґрунту, зумовленим витискуванням води з пор і її фільтрацією із зони стискування (етап фільтраційної консолідації), а потім - деформуванням тонких плівок води, оточуючих частинки, і каркасу ґрунту (етап вторинної чи в"язко-пластичної консолідації). Розроблені методи, які дозволяють прогнозувати хід осадки в часі.

Тема 11. Міцнісні характеристики ґрунту Міцність ґрунту як опір зсуву. Закон Кулона для тертя і граничного опору ґрунту зсуву. Поняття про кут внутрішнього тертя і питоме зчеплення. Експериментальне визначення характеристик опору зсуву. Опір зсуву незв^иязних і зв"язних ґрунтів. [1. с.96-111; 2. с.105-135; 3. с.90-99; 7. с.71-79; 10. с. 149-151].

При вивченні даної теми треба звернути увагу на різницю між уявленнями про міцність твердого тіла і ґрунту. Міцність

суцільного твердого тіла - це його здатність чинити опір руйнуванню, яким вважають поділ тіла на окремі частинки. Але осадові незцементовані ґрунти первинно складаються з окремих частинок, простір між якими заповнений водою і повітрям. У механіці ґрунтів руйнуванням вважається необоротний зсув однієї частини ґрунту відносно його другої частини по поверхні, яка їх відмежовує. Тому міцність ґрунту, характеризується його граничним опором зсуву який здійснюється одиницею площі поверхні ковзання, по якій проходить зсув однієї частини ґрунту відносно другої.

Граничний опір ґрунту зсуву (або граничне дотичне напруження, яке витримує ґрунт перед моментом зсуву) відповідно до закону Кулона лінійно залежить від напруження нормального відносно місця зсуву

(18)

де - кут внутрішнього тертя; - питоме зчеплення.

Чим більше стискуюче нормальне напруження , яке притискує зсунуті частини ґрунту одну до одної, тим більша між ними сила тертя на одиницю площі, яка розділяє їх. Чим

більше зчеплення , яке ніби склеює зсунуті частини ґрунту, тим більше дотичне напруження потрібно докласти, щоб викликати необоротний зсув.

З методикою експериментального визначення параметрів опору зсуву студенти ознайомляться під час виконання лабораторної роботи. Визначення значень цих величин пояснюється на прикладі розв"язання задачі 4 у підрозділі «Конірольні запитання і завдання».

Значення незв'язних ґрунтів залежать від мінералогічного складу частинок, збільшуються із зростанням розміру частинок, їх кутастості і щільності складу, а від вологості иеводонасиченого зернистого ґрунту залежать мало. Порядок значень для кварцових пісків Часто приймають для

великоуламкових ґрунтів і пісків

Параметр для зв"язних ґрунтів із сумою двох складових (за М.М.Масловим, ) один з яких обумовлений

водоколоїдними зв'язками ( оборотна частина зчеплення, що залежить від щільності й вологості і відновлюється після зсуву), а другий обумовлений твердими кристалічними і цементаційними зв'язками ( - структурне зчеплення, що не залежить від щільності й вологості ґрунту, але чутливе до порушення його структури). Порядок значень при щільності сухого ґрунту, максимальній

для стандартного ущільнення, і вологості, що становить 70% від межі текучості гранту, для супіску легкого для суглинку легкого

Тема 12. Умови міцності в точці ґрунтового масиву

Умова міцності ґрунту в точці масиву, виражена через головне напруження. Застосування цієї умови для визначення активного тиску на підпірну стінку і встановлення товщини дорожнього одягу. [1. с.113-116; 2. с.181-185; 7. а 71-84; 10. с.33-39].

Для упередження зсуву на деякій площині, яка проходить крізь дану точку ґрунтового масиву, виникаючі на цій площині дотичне і нормальне напруження повинні бути такими, щоб взяте за модулем дотичне напруження не перевищувало граничного тобто повинна забезпечуватись умова зсувостійкості урахуванням рівняння (8) цю умову міцності можна записати у вигляді

(19)

або переписати у формі

(20) '

(21)

де - так зване активне напруження зсуву, що є різницею між дотичним напруженням , яке прагне викликати зсув, і питомою силою тертя яка перешкоджає зсуву. Величина береться за

модулем, оскільки напрям дотичного напруження, викликаного навантаженням не впливає на факт початку необоротного зсуву (не має значення, в якому напрямі відбудеться зсув).

Щоб зсувостійкість у даній точці масиву була забезпечена, умова міцності (20) повинна виконуватись навіть для найбільш

небезпечної площі, яка проходить через цю точку, тобто для площі з максимальним активним напруженням зсуву. Використовуючи відомі з курсу «Опору матеріалів» відношення, що дозволяють зв'язати дотичне і нормальне напруження з ухилом поданої площини відносно головних площин, можна дослідити вираз (21) для на максимум.

Виявляється, що кут під яким нахилена найбільш небезпечна з точки зору зсувостійкості площина до тієї площини, за якою діє найбільше головне напруження о; дорівнює а

максимальне активне напруження зсуву для найбільш небезпечної площини

(22)

де - найменше з головних нормальних напружень

Тому при розрахунках товщини дорожнього одягу для забезпечення зсувостійкості ґрунту земляного полотна автомобільної дороги, з урахуванням (21) і (22) виходять з умови міцності ґрунту у вигляді

Пояснення цього у прикладі розв'язання задачі 5. При розрахунках стійкості укосів і підпірних стін традиційно використовують математично ідентичний (23) запис умови міцності у вигляді

(24)

Якщо підпірна стінка висотою Н, яка має гладку вертикальну задню грань (рис. 1), підтримує ґрунт щільністю , то при найменшому її зміщенні у ґрунті настане стан граничної рівноваги

Рис. 1. Схема навантаженої підпірної стінки

за зсувом, який впливатиме на вертикальну грань стінки горизонтальним тиском що змінюється з глибиною від

денної поверхні ґрунту. Вертикальне напруження у ґрунті від власної ваги лінійно зростає з глибиною:

Тому горизонтальний тиск ґрунту на стінку, згідно з (22), визначається за виразом

(25)

а для рівнодіючого горизонтального тиску ґрунту на одиницю

довжини стінки

Після інтегрування отримаємо

де - прискорення вільного падіння.

При згідно з (25), горизонтальний тиск ґрунту на

підпірну стінку лінійно зростає з глибиною, епюра тиску являє собою трикутник (рис.1), а тому рівнодіюча активного тиску на стінку прикладена на глибині Слід зважати, що при

виведенні формули (26) розглядали ділянку стінки одиничної довжини у напрямку, перпендикулярному до площини креслення.

Щоб уникнути перекидання, стінка розраховується на стійкість проти її перекидання відносно точки А. При цьому утримуючий момент створюється завдяки вазі стінки (рис. 1), а

перекидаючий момент - внаслідок тиску ґрунту на

стійку. Коефіцієнт запасу стійкості стінки проти перекидання повинен бути не меншим від нормованого

(27)

Крім того, значення рівнодіючої потрібне для розрахунку стійкості стінки проти зсуву по підошві і розрахунку на міцність самої стінки.

Прикладом розрахунку підпірної стінки на стійкість проти перекидання є розв'язання задачі 6 у підрозділі «Контрольні запитання і завдання».

Тема 13. Визначення напружень і переміщені» у масиві ґрунту під впливом зосередженого навантаження.

Напружений стан ґрунтової товщі Напружешш у пружному напівпросторі Формули Бусінеска. /1. а126-132; 2. сЛЗ-174; 7. &61-64].

Навантаження від мостових опор, фундаментів будівель, коліс автомобіля, які передаються на ґрунт, викликають у ньому нормальні та дотичні напруження. Щоб визначити допустимі навантаження на мостову опору і фундамент будівлі, знайти необхідну за умовою міцності ґрунту товщину дорожнього одягу, треба вміти визначати напруження у ґрунтовому масиві.

Оскільки фактичну залежність між напруженнями і повними відносними деформаціями ґрунту можна замінити лінійною (тема 9), наближено для визначення напруження у ґрунтах використовують рішення класичної теорії пружності, основаної на законі Гука (17) і рівняннях рівноваги.

Розглядається ґрунтовий масив, який являє собою однорідний напівпростір - частину простору, обмежену площиною яка нескінченно простягається у глибину і в сторони (рис. 2). Матеріал напівпростору характеризують модулем (пружності або деформації) і коефіцієнтом поперечної деформації .

Дата добавления: 2014-11-06