Основные закономерности механики грунтов. Водопроницаемость грунтов.

Введение
Механика грунтов, основания и фундаменты вместе с инженерной геологией и охраной природной среды составляют особый цикл строительных дисциплин. Предметом его изучения являются материалы, как правило, природного происхождения - грунты и их взаимодействие с сооружениями. Если конструкционные материалы приготавливаются технологами так, чтобы они обладали заданными строительными свойствами, то грунты каждой строительной площадки имеют самостоятельную историю образования. Состав, строение и свойства грунтов разных строительных площадок определены природой и могут существенно различаться, требуя каждый раз специального изучения.Поведение грунтов под нагрузками сопровождается сложными процессами, во многом отличающимися от поведения конструкционных материалов. Это потребовало разработки специальных экспериментальных методов и теоретического аппарата механики грунтов для описания процессов их деформирования и разрушения.Нормальная эксплуатация здания или сооружения во многом зависит от того, насколько правильно запроектировано и осуществлено его взаимодействие с основанием. Это же в значительной мере влияет на стоимость и сроки строительства.Механика грунтов изучает физические и механические свойства грунтов, методы расчета напряженного состояния и деформаций оснований, оценки устойчивости грунтовых массивов, давления грунта на сооружения. Основное внимание здесь уделено методам решения задач, наиболее часто встречающихся в практике промышленного и гражданского строительства.Механика грунтов, основания и фундаменты неразрывно связаны с инженерной геологией, изучающей верхнюю часть земной коры как среду инженерной деятельности человека. Для понимания механики грунтов необходимо знать дисциплины механико-математического цикла: сопротивление материалов, теорию упругости, пластичности и ползучести, строительную механику, владеть методами математического анализа. Проектирование оснований и фундаментов требует также знания строительных конструкций, технологии строительного производства. Техники безопасности, экономики и организации строительства. Развитие автоматизированного проектирования фундаментов связано с умением специалистов работать с современными ЭВМ, прежде всего с персональными компьютерами. 1. Основные физические характеристики грунтовЗначение характеристик. Оценка каждой конкретной разновидности грунта как физического тела производится с помощью ряда физических характеристик. Разнообразие состава, строения и состояния грунтов делает неизбежным введение значительного числа таких характеристик. Некоторые из них непосредственно применяются в расчетах оснований и грунтовых сооружений, совокупность ряда характеристик используется для классификации грунтов.Количественные показатели одних характеристик всегда определяются опытами, чаще всего с образцами грунта, других - расчетом по значениям определенных опытом показателей. Соответствие полученных таким образом характеристик состоянию грунта, залегающего в основании или составляющего тело сооружения, является одним из важнейших условий точности инженерных прогнозов. Поэтому отбор образцов для определения характеристик исследуемого грунта, упаковка и транспортировка образцов производится так, чтобы полностью сохранить состояние грунта в естественных условиях залегания или в теле грунтового сооружения.Характеристики плотности, влажности и пористости грунта[1]:Плотность грунта - отношение массы грунта к его объему:с= M/VВлажность грунта - отношение массы воды к массе твердых частиц, выражаемое в долях единицы, иногда в процентах:w = m2/m1 = (M - m1) /m1Плотность частиц грунта определяется как отношение массы твердых частиц грунта к их объему: с = m1/V1.2. Классификация грунтовВсе грунты по характеру структурных связей подразделяются на два класса: скальные и нескальные грунты. В пределах каждого класса грунты разделяются на группы по происхождению (магматические, метаморфические. Осадочные сцементированные, искусственные - для скальных грунтов; осадочные несцементированные и искусственные - для нескальных грунтов). Каждая группа подразделяется по условиям образования на подгруппы[2]. Например, магматические грунты разделяются на глубинные и илившиеся; осадочные сцементированные - на обломочные, биохимические и химические. Среди несцементированных грунтов выделяются крупнообломочные, песчаные, пылеватые и глинистые, биогенные, почвы и т.п. Дальнейшее подразделение производится по преобладающему минеральному составу и размеру частиц грунта, по степени его неоднородности, числу пластичности - на типы грунтов: (например, песок гравелистый, песок крупный и т.п. - для песчаных грунтов; супесь, суглинок, глина - для глинистых грунтов и т.п.). В пределах каждого типа по структуре и текстуре, а иногда по составу примесей грунты разделяются на виды (например, для песка крупного - плотный, средней плотности, рыхлый; для супеси, суглинка и глины - щебенистые, дресвяные, без примеси органики, с примесью органики и т.д.). И наконец. В пределах каждого вида по физическим, физико-механическим, химическим свойствам и состоянию выделяются разновидности грунтов (например, песок крупный, влажный или насыщенный водой, засоленный и т.п.; суглинок щебенистый, тугопластичный и т.п.).Отнесение грунта к тому или иному классу, группе, подгруппе, типу, виду и разновидности производится с помощью рассмотренных характеристик грунтов. Во многих случаях обоснованное отнесение конкретного грунта к определенному виду или разновидности позволяет установить ориентировочные показатели его строительных свойств, используемые в предварительных расчетах. В хорошо изученных районах найденные путем классификации показатели часто оказываются достаточными для окончательных расчетов и проектирования простых сооружений.Полная классификация грунтов приведена в ГОСТ 25100-82. Классификация первых двух групп грунтов приведена в табл.1[3].Таблица 1 Типы крупнообломочных и песчаных грунтовСодержание глинистых частиц в крупнообломочных и песчаных грунтах обычно не превышает 3%. Пылевато-глинистые грунты в зависимости от содержания в них глинистых частиц подразделяются на супеси - 3…10%, суглинки - 10…30%, глины - более 30%. 3. Основные закономерности механики грунтовВ механике сплошных тел, в том числе в механике массивных горных пород, рассматриваются тела сплошные, которые нередко состоят из ясно выраженных отдельных кристаллов и зёрен различных минералов, но настолько взаимно связанных и спаянных между собой, что прочность связей между ними не отличается от прочности отдельных минеральных зёрен. Деформация таких тел описывается в строительной механике и общей механике сплошных тел[4].Основной особенностью грунтов как рыхлых горных пород является то, что в них твёрдые минеральные частицы занимают не весь объём, а только его часть, т. е. грунты не являются сплошными телами и всегда обладают той или иной пористостью, причём прочность связей между минеральными частицами во много раз меньше прочности самих частиц.В грунтах (природных дискретных минерально-дисперсных образованиях) при действии внешних сил возникают как общие деформации, присущие всем сплошным телам, так и деформации, обусловленные взаимным перемещением отдельных зёрен грунтов и их твёрдых минеральных частиц. Если при действии внешних сил прочность структурных связей между минеральными частицами грунтов не нарушается, то грунты будут деформироваться как сплошные тела. В случае же их нарушения деформации будут определяться, главным образом, перемещениями отдельных зёрен грунтов. Поэтому кроме общих закономерностей, которым подчиняются деформации сплошных тел, здесь будет ещё ряд особенностей и закономерностей, обусловленных природой грунтов.К таким закономерностям относят:1. Сжимаемость грунтов, обусловленную изменением их пористости, а, следовательно, и общего объёма под действием внешних сил вследствие переупаковки частиц. Одним из отличительных свойств грунтов является их значительная сжимаемость, т.е. способность уменьшать свой объём под влиянием внешних воздействий[5].Сжимаемость грунтов обусловлена:- уплотнением грунтов т.е. уменьшением их пористости при более компактной упаковки твёрдых частиц.- изменение физического состояния, сопровождающееся уменьшением объёма грунта.- упругость кристаллической решетки частиц грунтаНеобходимо отметить, что уплотнение грунтов возможно выполнить следующими путями:- механическое при кратковременных динамических нагрузках- общее уплотнение (компрессию сжатия) при длительном действии постоянных нагрузок.Динамические нагрузки значительно уплотняют песчаные грунты; глинистые грунты рекомендуется уплотнять статическим воздействием.2. Водопроницаемость, которая, представляя общее свойство всех пористых тел, имеет для грунтов особенность, так как является для них переменной величиной, изменяющейся в процессе уплотнения их под нагрузкой. Как деформируемость грунтов во времени, так и их сопротивление сдвигу зависят от долей напряжений, передаваемых на скелет грунта и на воду, находящуюся в порах грунта. Поровая вода под действием возникающего в ней давления постоянно отжимается, передавая давление на скелет грунта, поэтому деформируемость грунтов и их сопротивление сдвигу зависят от фильтрационных способностей грунта. Кроме того, фильтрация воды в грунтах интересует строителей в отношении определения притока воды в котлованы и расчёте водопонижающих установок.3. Контактную сопротивляемость сдвигу, обусловленную лишь внутренним трением в сыпучих грунтах и трением со сцеплением в грунтах связных.4. Деформируемость грунтов как дисперсных тел и частный случай – принцип линейной деформируемости. Деформируемость грунтов зависит как от сопротивляемости и податливости их структурных связей (будут ли связи сплошные или только в точках контакта минеральных частиц; являются ли они пластичными – водно-коллоидными, или хрупкими – кристаллизационными и т. д.), так и от деформируемости отдельных компонентов, образующих грунты. При этом при однократном загружении и давлении, большем прочности жёстких структурных связей, грунты всегда будут иметь кроме восстанавливающихся и остаточные деформации, во много раз превосходящие по величине деформации восстанавливающиеся.Таблица 2Логическая схема взаимосвязи основных закономерностей механики грунтов4. Водопроницаемость грунтов В грунтах часть объема занимают твердые минеральные частицы, а другую часть — поры, которые обусловливают водопроницаемость. Различные виды грунтов обладают разной водопроницаемостью. При прочих равных условиях лучшей водопроницаемостью обладают песчаные грунты и меньшей — глинистые.Водопроницаемостью грунта называют его способность пропускать через себя свободно-гравитационную воду под действием разности напоров[6]. От водопроницаемости грунтов зависит ряд процессов, влияющих на устойчивость сооружений, в том числе:• скорость уплотнения основания (грунтов);• суффозия грунта — перемещение или вынос мелких частиц по порам, образованным более крупными частицами под воздействием фильтрационного потока;• оползневые явления — перемещение грунтовых масс под действием силы тяжести или внешней нагрузки.Движение свободно-гравитационной воды в грунтах оснований называется фильтрацией[7]. Фильтрация может происходить по различным направлениям:• горизонтально (рис. 1, а);• вертикально вниз (рис .1,6);• вертикально вверх (рис.1, в).Рис. 1 Схемы движения воды в грунтах:где - / — длина или высота образца грунта; АН — разность отметок воды перед входом в образец и выходом из негоТаким образом, движение воды в грунте происходит под действием возникающего в нем градиента напора.Движение воды в песчаных и глинистых грунтах рассматривается как параллельно-струйное, т.е. имеет ламинарный характер, так как скорость фильтрации в таких грунтах невелика.Первые эксперименты по изучению фильтрации воды были поставлены французским инженером А. Дарси в 1854 г. Дарси установил, что объем воды V, профильтровавшийся через заполненную песком трубу, пропорционален площади ее поперечного сечения, потерям напора и продолжительности фильтрации:V= Kf*J*A*tгде kf— коэффициент фильтрации, м/с (м/сут); J — гидравлический градиент (уклон), равный потере напора на пути фильтрации:J=(H1-H2)L=ΔHLA — площадь поперечного сечения трубки, м2; t — продолжительность фильтрации, с.Коэффициент фильтрации — скорость фильтрации при гидравлическом градиенте, равном единице. Он широко используется в практике гидрогеологических расчетов, характеризует водопроницаемость грунтов, зависит от гранулометрического состава, плотности и пористости грунта. Коэффициент фильтрации определяется в лабораторных и полевых условиях.

Заключение

В зависимости от типа, назначения, конструктивных и технологических особенностей сооружения - с одной стороны, от особенностей геологического строения основания, физико-механических свойств грунтов и возможных их изменений в результате строительства и эксплуатации сооружения - с другой, сложность устройства оснований и фундаментов может быть различна. Этому соответствует широкая номенклатура типов фундаментов и способов улучшения строительных свойств грунтов оснований, обеспечивающая возможность строительства и нормальной эксплуатации любых сооружений в самых сложных инженерно-геологических условиях.Однако стоимость, трудоемкость и длительность работ, связанных с устройством оснований и возведением фундаментов в сложных инженерно-геологических условиях, может составлять весьма значительную часть общих расходов на строительство сооружения. Поэтому всегда важно оценить технико-экономическую целесообразность размещения тех или иных сооружений в определенных инженерно-геологических условиях. Очень важной составляющей всего комплекса являются инженерно-геологические и геотехнические изыскания на площадке предполагаемого строительства. Необходимо всегда помнить, что изыскания проводятся для проектирования и строительства определенного сооружения или комплекса сооружений. Поэтому программа изысканий должна учитывать специфические особенности проектируемых зданий и сооружений. А рекомендации изыскателей содержать конкретную информацию, необходимую для проектирования и строительства именно этих зданий и сооружений. Целесообразна, особенно в сложных инженерно-геологических условиях, тесная взаимосвязь между проектировщиками и изыскателями, что позволит своевременно вносить необходимые коррективы в программу изысканий, а в случае необходимости - и в проект сооружения. Это обеспечит повышение качества и сокращение продолжительности проектно-изыскательных работ.

Список используемой литературы

Абуханов, А.З. Механика грунтов: Учебное пособие / А.З. Абуханов. - М.: Инфра-М, 2018. - 240 c.Механические свойства грунтов.: Чернышев С.Н./ Учебник для ВУЗов: - М.: 2004 г.Заручевных, И.Ю. Механика грунтов в схемах и таблицах / И.Ю. Заручевных. - М.: АСВ, 2011. - 136 c.Механика грунтов, основания и фундаменты.: С.Б. Ухов, В.В. Семенов, В.В. Знаменский, Учебное пособие: - М.: Издательство Ассоциации строительных ВУЗов, 2005 г. - 528с.Догадайло, А.И. Механика грунтов: Основания и фундаменты: Учебное пособие / А.И. Догадайло, В.А. Догадайло. - М.: Юриспруденция, 2010. - 192 c.Физико - механические свойства грунтов.: Баблолюбов С.С., М.: 2006г. - 312с.Цытович, Н.А. Механика мерзлых грунтов: Общая и прикладная / Н.А. Цытович. - М.: КД Либроком, 2019. - 446 c.