Требования к грунтовым основаниям

Введение

Л Е К Ц И Я № 29

Полковник Д. Ершов

«» ____________2012г.

Учебная дисциплина: «Проектирование автомобильных дорог и ВАД»

Специальность: 271502 – Строительство, эксплуатация, восстановление и техническое прикрытие автомобильных дорог, мостов и тоннелей

Специализация «Строительство, эксплуатация, восстановление и техническое прикрытие военных мостов и переправ»

Тема: Общие положения по расчётам грунтовых оснований

Автор: к.т.н. И. Барышников

Время: 2 часа

Обсуждена на заседании ПМК № 2

Протокол № __

«__» ________ 2012 г.

г. Балашиха-2012г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.

Учебные вопросы

1. Требования к грунтовым основаниям,

2. Расчетные характеристики грунтовых оснований аэродромных одежд.

3. Способы повышения прочности грунтового основания.

Заключение

УЧЕБНО-МАТЕРИАЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ:

Проектор, слайды, плакаты по теме.

Литература.

А. ОСНОВНАЯ: 1. Глушков Г.И. и др. "Изыскания и проектирование аэродромов М, Транспорт, 1992, 463 с, стр. 337-340, 346-349.

2. СНиП 2.05.08-85. Аэродромы. Государственный комитет СССР
по делам строительства, М.,1985 г.

3. СНиП 32-03-96. Аэродромы. Минстрой России, 1996г.
Б. ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ:

1. Глушков Г.И. и др. Изыскания и проектирование аэродромов. М., Транспорт, 1981, 615 с.

Грунтовые основания, представляющие собою спланированные и уплотненные местные или привозные грунты, воспринимают нагрузки (давление) через вышележащие многослойные конструкции аэродромных одежд. Несущая способность, прочность и ровность покрытий аэродромов зависит от сопротивления нагрузкам и степени уплотнения подстилающих грунтов. Самые капитальные и прочные покрытия (цементобетонные, асфальтобетонные) теряют ровность и разрушаются в процессе эксплуатации, если они уложены на недостаточно уплотненное и неоднородное по своим деформационным свойствам грунтовые основания.

Сопротивление грунтового основания существенно зависит от его влажности, генезиса (происхождения) и вида грунтов. Правильное проектирование грунтового основания с учетом силового воздействия эксплуатационных нагрузок и факторов окружающей среды (увлажнение, высыхание, замораживание и оттаивание) должно обеспечивать долговечность, требуемую несущую способность и ровность аэродромных одежд, экономичность проектных решений.

Грунтовые основания проектируют исходя из условий обеспечения прочности, устойчивости (ровности) аэродромных одежд независимо от погодных условий и времени года с учетом:

- состава и свойств грунтов в пределах сжимающей толщи и зоны действия на грунты природных факторов;

- типов гидрогеологических условий участка постройки искусственных аэродромных покрытий;

- дорожно-климатической зоны, где расположен аэродром;

- категории (величины) нормативной нагрузки от воздушного судна;

- опыта проектирования, строительства и эксплуатации аэродромов, расположенных в аналогичных инженерно-геологических, гидрогеологических и климатических условиях.

Для возведения грунтовых оснований аэродромных одежд используются, как правило, местные или привозные нескальные грунты, различные по своему гранулометрическому составу, генезису (происхождению), состоянию в природном залегании, пучинистости, набуханию и просадочности. Номенклатура грунтов устанавливается в соответствии с ГОСТ 25100 - 95. Виды и разновидности нескальных грунтов по гранулометрическому составу приведены в табл. 1.

Таблица 1.

Нескальные грунты;
Крупнообломоч-ные	Песчаные (пески)	Пылевато-глинистые
валунный (глыбовый) галечниковый (щебенистый) гравийный (дресвяной)	гравелистый крупный средней крупности мелкий пылеватый |	супеси	песчанистая пылеватая
суглинки	легкий песчанистый легкий пылеватый тяжелый песчанистый тяжелый пылеватый
глины	лёгкая песчанистая лёгкая пылеватая тяжёлая

Особого внимания при проектировании оснований требуют грунты повышенной деформативности, к которым относятся:

- пучинистые,

- просадочные,

- набухающие,

- засолённые.

При наличии в основании таких грунтов производится расчёт величины их деформации и, в случае необходимости, предусматриваются мероприятия для обеспечения вертикальной деформации этих грунтов в нормативных пределах (замена грунтов, устройство специальных прослоек, интенсивное уплотнение с увлажнением и т. д.).

Находящаяся в порах грунта свободная вода замерзает при отрицательных температурах, вызывая неравномерное поднятие поверхности (пучение). Классификация грунтов по степени пучинистости при замерзании приведена в табл.2.

Таблица 2

Группа грунтов	Степень пучинистости	Относительное морозное пучение, %
I	непучинистый	1 и менее
II	слабопучинистый	1...4
III	пучинистый	4...7
IV	сильнопучинистый и чрезмерно пучинистый	более 7

К непучинистым и слабопучинистым относятся все виды песков, содержащие пылеватых и глинистых частиц (мельче 0,05 мм) до 13%. К сильно и чрезмерно пучинистым относятся грунты: супесь пылеватая, суглинок легкий пылеватый, суглинок тяжелый пылеватый. Относительное морозное пучение грунтов зависит также от их влажности перед промерзанием и степени уплотнения.

По степени засоления грунтов (содержания в них водорастворимых солей хлоридов, сульфатов – NaCl, CaCl, NaSO₄, MgSO₄ и др.) они подразделяются на слабозасолённые, среднезасолённые и сильнозасолённые.

С увеличением содержания солей в грунтах их несущая способность и устойчивость снижаются, а в ряде случаев, они становятся непригодными при возведения грунтовых оснований.

В связи с содержанием в грунтах глинистых частиц грунты при увлажнении способны набухать и при высушивании давать усадку. По степени относительной деформации набухающие грунты подразделяют на ненабухаюшие, слабонабухающие, средненабухающие и сильнонабухающие.

Некоторые разновидности пылевато-глинистых грунтов (лёссы, лёссовидные суглинки) имеют макропористое строение. При дополнительном увлажнении такие грунты уплотняются под действием собственного веса и внешних нагрузок, получая значительные необратимые деформации – просадки. По степени относительной просадки такие грунты классифицируют на непросадочные, слабопросадочные, просадочные, сильнопросадочные.

Наилучшие строительные свойства присущи крупнообломочным, песчаным (кроме пылеватых) грунтам, песчанистым супесям и легким песчанистым суглинкам. Деформационные и прочностные характеристики этих грунтов сравнительно стабильны при изменении влажности в течение года, они наименее подвержены морозному пучению, просадкам и их рекомендуется использовать в верхних слоях грунтовых оснований аэродромных одежд.

Пылевато-глинистые грунты (супеси, суглинки, глины) чувствительны к изменению влажности. При переувлажнении грунтовых оснований из этих грунтов аэродромные покрытия могут разрушаться при нагрузках много меньших, чем расчетные. В течение года содержание влаги в грунтовых основаниях аэродромных одежд изменяется под влиянием сезонных изменений температуры и количества выпадающих осадков. Закономерности изменения температур и влажности верхних слоев грунтовой толщи до уровня грунтовых вод называют водно-тепловым режимом грунтовых оснований. Водно-тепловой режим грунтовых оснований в течение года изменяется, и вместе с ним меняется их сопротивляемость внешним нагрузкам.

Вода может попадать в грунтовое основание покрытий несколькими путями: поднимаясь от уровня грунтовых вод по капиллярам, по водным пленкам, покрывающим грунтовые частицы, в виде водяных паров, а также просачиваясь через швы и трещины в покрытиях. Вода, попадающая на поверхность летного поля, просачивается вглубь грунта и уровень грунтовых вод поднимается, в том числе и под искусственными покрытиями. Над уровнем грунтовых вод расположена зона капиллярного водопоглощения. Высота капиллярного поднятия воды зависит от гранулометрического состава и степени уплотнения подстилающего грунта. Слой грунта выше уровня капиллярного поднятия содержит вода в виде тончайших пленок на грунтовых частицах (связную воду), а также водяные пары, которые при конденсации превращаются в воду. По этой причине верхние слои грунта, находящиеся непосредственно под покрытием, обычно имеют большую влажность, чем расположенные глубже.

Нормами проектирования аэродромов (СНиП 32-03-96 и СНиП 2.05.08-85) предусматривается возвышение поверхности аэродромного покрытия над уровнем подземных (грунтовых) вод, табл. 3.

Таблица 3.

Грунт основания (насыпи)	Минимальное возвышение покрытия над уровнем подземных вод в дорожно-климатических зонах, м
II	III	IV	V
песок средней крупности песок мелкий, супесь глина, суглинок; песок и супесь пылеватые	1,1 1,6   2.3	0.9 1.2   1.8	0.8 1.1   1.5	0,7 1.0   1.3

В случаях, когда выполнение настоящих требований технико- экономически нецелесообразно, в грунтовом основании, сооружаемом во II и III дорожно-климатических зонах, следует предусматривать устройство капилляропрерывающих, а в IV и V дорожно-климатических зонах – гидроизолирующих прослоек, верх которых должен располагаться на расстоянии от поверхности покрытия 0,9 м – для II и III зон и 0,75 м – для IV и V зон. Низ прослоек должен отстоять от горизонта подземных вод не менее чем на 0,2 м.

За расчетный уровень подземных вод надлежит принимать максимально возможный осенний (перед замерзанием) уровень, а в районах, где наблюдаются частые продолжительные оттепели – максимально возможный весенний уровень. При отсутствии необходимых данных за расчетный допускается принимать уровень, определяемый по верхней линии оглеения грунтов.

Сопротивляемость внешним нагрузкам, водопоглощение и пучиностойкость грунтового основания зависят от степени уплотнения грунтов насыпи, характеризуемой коэффициентом уплотнения, представляющим собой отношение плотности скелета грунта, уплотняемого принятыми средствами механизации к плотности, полученной в приборе стандартного уплотнения.

Требуемые значения коэффициентов уплотнения грунтов основания приведены в табл. 4.

Таблица 4.

Грунт	Коэффициент уплотнения грунтового основания при аэродромной одежде
капитального типа	облегченного типа
песок, супесь суглинок, глина	0,98/0,95 1,00/0,98	0,95/0,95 0,98/0,95

Примечание. Перед чертой приведены значения уплотнения грунта в зоне сезонного промерзания, после черты – ниже границы сезонного промерзания, а также дня насыпей, возводимых в IV и V дорожно-климатических зонах.

Если под аэродромной одеждой естественная плотность грунта ниже требуемой, следует предусматривать уплотнение грунта до норм, приведенных в табл. 4, на глубину 1.2 м для I – III дорожно-климатических зон и 0.8 м – для IV – V зон, считая от поверхности грунтового основания.

2. Расчетные характеристики грунтовых оснований аэродромных одежд

Надежность расчетов покрытий во многом определяется правильностью назначения расчетных характеристик деформативности грунтов в основаниях.

В настоящее время деформативность грунтовых оснований оценивается модулем упругости Е (размерность МПа) или коэффициентом постели К_S (размерность МПа/см). Применение двух показателей связано с тем, что при расчётах используются две модели деформации грунта.

1) Модель Винклера (Фусса-Винклера), в соответствии с которой грунт деформируется только непосредственно под штампом и реакция грунта в каждой точке контакта со штампом пропорциональна его деформации. Из данного постулата, в частности, следует, что распределительный эффект при деформации грунта штампом отсутствует, что в действительности не наблюдается. Деформативность грунта при использовании этой модели характеризуется коэффициентом постели К_S.

2) Модель линейно-деформируемого полупространства. При расчетах по этой модели деформативные свойства грунта характеризуются модулем упругости Е. Использование этой модели также даёт неточную оценку деформации грунта около штампа, только на этот раз оказывается, что деформация распространяется по грунтовой поверхности до бесконечности.

Замеры деформации грунта около штампа при испытаниях грунта дают результаты, промежуточные между данными, получаемыми при расчете по двум моделям. Затухание деформаций по мере удаления от штампа быстрее для грунтов, находящихся в мягкопластичном и текучем состоянии.

Модуль упругости Е и коэффициент постели К_S определяют по результатам штамповых испытаний, используя ветвь разгрузки, рис.1.

Рис. 1.График зависимости осадки поверхности грунта S от давления р:

S_у – упругая осадка, S_о – остаточная осадка, S_п – полная осадка;

1 – ветвь нагружения, 2 – ветвь разгрузки

Диаметр штампа D при испытаниях грунтового основания принимают равным 50...75 см; нагрузка прикладывается несколькими ступенями с последующей разгрузкой после каждой ступени. Модуль упругости грунта вычисляют по формуле

Е=0,25π(1 – μ²) р D/S_У, МПа (1),

а коэффициент постели (жесткости) грунта определяется по формуле

K_S = p /S_У, МПа/см (2),

где μ – коэффициент Пуассона гpунтa, μ = 0,2...0,4;

р – давление от штампа, МПа;

D – диаметр штампа, см;

S_у – упругая осадка штампа, см.

Значения Е и К_S принимаются по начальному участку зависимости р=f(S). Чем меньше этот участок, то-есть, чем меньше деформации и нагрузки, тем больше наклон спрямляющего участка и тем больше значения модуля деформации Е и коэффициента постели К_S. Это, в частности, даёт основания предлагать увеличить характеристики сопротивляемости грунта деформации для оснований жёстких покрытий, которые работают в диапазоне существенно более низких нагрузок (0,01…0,025 МПа), чем нежёсткие (0,05…0,1 МПа).

Особенностью характеристик деформируемости грунтов является также то, что при кратковременном действии нагрузок они выше, чем при длительном. Например, установлено, что модуль упругости грунта, определённый под нежёстким покрытием для стоящего и движущегося автомобиля, отличается в 2…4 раза. В применении к аэродромам это обстоятельство оправдывает снижение при расчётах несущей способности покрытий коэффициентов перегрузки для средней части ИВПП, где расчётные самолёты двигаются с большой скоростью.

В настоящее время коэффициент постели К_S используется при расчёте жёстких покрытий, а модуль упругости Е – при расчёте нежёстких покрытий.

Характеристики деформируемости грунта изменяются в течение года. В качестве их расчётных значений принимаются наиболее низкие в годовом цикле величины, имеющие место в период наибольшего увлажнения верхней толщи активно деформируемой зоны основания: весной (в I - III дорожно-климатических зонах) или зимой (в IV и V дорожно-климатических зонах). Непосредственное определение на объекте характеристик деформируемости в эти периоды затруднено, так как инженерно-геологические изыскания организуются летом, поэтому при проектировании приходится пользоваться табличными величинами коэффициента постели К_S и модуля упругости Е, значения которых приведены в табл. 5.

Таблица 5.

Дата добавления: 2014-01-04