2 Практическое занятие №2 - Определение физико-механических характеристик нескальных грунтов по эмпирическим формулам и таблицам сНиП

2.1 Общие сведения

Район строительства сооружения (здания) при проектировании их фундаментов и расчете грунтов берут из таблицы 1.1.

Грунтом называют горные породы, а также твердые отходы производственной и хозяйственной деятельности человека, находящиеся в пределах зоны выветривания земли и являющиеся объектом инженерно-строительной деятельности человека.

В соответствии с ГОСТ 25 100 – 95 «Грунты. Классификация» все грунты классифицируются по характеру структурных связей (классы); по происхождению (группы); по условиям образования (подгруппы) по петрографическому и гранулометрическому составу, степени неоднородности и числу пластичности (тип); по структуре, текстуре, составу связующего вещества, плотности сложения, относительному содержанию и степени разложения органических веществ, по степени уплотнения от собственного веса (вид). ГОСТ 25 100 – 95 разделяет все грунты на два класса: грунты с жесткими структурными связями (класс скальных грунтов); грунты без жестких структурных связей (класс нескальных грунтов). В зависимости от предела прочности на одноосное сжатие в водонасыщенном состоянии (R_c) скальные грунты естественного или искусственного происхождения делят на скальные (R_c ≥ 5 МПа) и полускальные (R_c < 5 МПа).

Искусственные скальные породы могут быть получены закреплением грунта в природном залегании различными методами: силикатизацией, цементацией, смолизацией, термической обработкой и др.

Пески относят к группе обломочных несцементированных грунтов, подгруппе обломочных песчаных. Наиболее важные показатели, характеризующие несущую способность песчаных грунтов, приведены в таблице .5.

Таблица 2.1 – Основные характеристики песчаных грунтов

Тип (по гранулометри-ческому составу и массе частиц размером d )	Вид (по плотности сложения)	Разновидность (по степени влажности Sr)
Песок гравелистый (частиц размерами более 2 мм содержится более 25 %).	Плотные (е < 0,55) Средней плотности (0,55 < е ≤ 0,70). Рыхлые (е > 0,70).	Маловлажные (0 < Sr ≤ 0,5). Влажные (0,5 < Sr ≤ 0,8). Насыщенные водой (0,8 < Sr ≤ 1).
Песок крупный (частиц размерами более 0,5 мм содержится более 50 %).	Плотные (е < 0,55) Средней плотности (0,55 < е ≤ 0,70). Рыхлые (е > 0,70).	Маловлажные (0 < Sr ≤ 0,5). Влажные (0,5 < Sr ≤ 0,8). Насыщенные водой (0,8 < Sr ≤ 1).
Песок средней крупности (частиц размерами более 0,25 мм содержится более 50 %).	Плотные (е < 0,55) Средней плотности (0,55 < е ≤ 0,70). Рыхлые (е > 0,70).	Маловлажные (0 < Sr ≤ 0,5). Влажные (0,5 < Sr ≤ 0,8). Насыщенные водой (0,8 < Sr ≤ 1).
Песок мелкий (частиц размерами более 0,1 мм содержится более 75 %).	Плотные (е < 0,60) Средней плотности (0,60 < е ≤ 0,75). Рыхлые (е > 0,75).	____
Песок пылеватый (частиц размерами более 0,1 мм содержится менее 75 %).	Плотные (е < 0,60) Средней плотности (0,60 < е ≤ 0,80). Рыхлые е > 0,80).	____

Примечание.

е – коэффициент пористости грунта.

Основные характеристики глинистых грунтов (супесей, суглинков и глин) приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 – Основные характеристики глинистых грунтов

Тип (наименование по числу пластичности Jр )	Вид (наименование по наличию включений размером d, мм и по содержанию крупных частиц, % )	Разновидность (по консистенции, характеризующейся показателем текучести JL)
Супеси 1 ≤ Jр ≤ 7	С галькой (щебнем) или гравием (дресвой) (частиц размерами более 2 мм содержится 15 - 25 %)	Твердые (JL < 0), пластичные (0 ≤ JL ≤ 1), текучие (JL > 1).
Суглинки 7 < Jр ≤ 17 Глины Jр > 17.	Галечниковые (щебенистые) или гравелистые (дресвяные) (частиц размерами более 2 мм содержится 26 - 50 %)	Суглинки и глины твердые (JL < 0), полутвердые (0 ≤ JL ≤ 0,25), тугопластичные (0,25 ≤ JL ≤ 0,50), мягкопластичные (0,50 ≤ JL ≤ 0,75), текучепластичные (0,75 ≤ JL ≤ 1,0), текучие (JL > 1).

К классу нескальных относят грунты: валунные, галечниковые, гравийные, песчаные, пылеватые и глинистые (супеси, суглинки и глины), лессовые, илы, биогенные почвы (сапропель, торф), искусственные (уплотненные, насыпные, намывные).

Валунными считают грунты с содержанием частиц крупнее 200 мм более 50 %, галечниковые – с частицами крупнее 10 мм более 50 %; гравийные – масса частиц крупнее 2 мм более 50 %.

К глинистым грунтам относят лессы (макропористые грунты), у которых поры видны невооруженным глазом. Лессы – пылевато-глинистые грунты, содержащие более 50 % (по массе) пылеватых (размером 0,05 – 0,005 мм) частиц, легко- и среднерастворимые соли и карбонаты кальция. В сухом состоянии лессовые грунты содержат вертикальный откос и выдерживают нагрузку до 0,1 - 0,3 МПа. При замачивании водой лессовые грунты теряют свои прочностные характеристики, так как коренным образом меняется их структура.

В зависимости от структуры глинистые грунты могут быть просадочными и набухающими. Просадочные грунты под действием внешней нагрузки или собственного веса при замачивании дают просадку и характеризуются относительной просадочностью ε_Sl

(отношение уменьшения высоты замоченного образца грунта при давлении, ожидаемом после возведения сооружения, к высоте образца грунта с природными влажностью и давлением).

При ε_Sl < 0,01 грунты считают непросадочными, при ε_Sl > 0,01 – просадочными; при ε_Sl = 0,01 … 0,05 – малосжимаемыми, при ε_Sl > 0,05 – сильносжимаемыми.

Наибольшая просадочность наблюдается у макропористых (лессовых) грунтов, которые разделяются на два вида: низкопористые (е ≤ 0,80) и высокопористые (е > 0,80). В зависимости от возможности проявления просадки грунтов от собственного веса просадочные, в основном лессовые грунты, подразделяют на два типа:

1 - возможна просадка от внешней нагрузки, а просадка грунтов от собственного веса отсутствует или не превышает 5 см.

2 - помимо просадки грунтов от внешней нагрузки просадка их от собственного веса превышает 5 см.

К набухающим относят грунты, которые при замачивании увеличиваются в объеме и характеризуются относительным набуханием без возможности бокового расширения ε_Sω (отношение увеличения высоты замоченного образца к его начальной высоте при естественной влажности). В зависимости от значения ε_Sω грунты разделяют на набухающие (ε_Sω < 0,12) и сильно набухающие (ε_Sω > 0,12).

Набухающие делятся на слабо набухающие (0,04 ≤ ε_Sω ≤ 0,08) и средне набухающие (0,08 ≤ ε_Sω ≤ 0,08).

Все глинистые грунты могут быть набухаемыми. Но со строительной точки зрения к набухающим относят в основном глины, у которых при замачивании возникают большие силы набухания, стремящиеся выдавить опору вверх. Неравномерность набухания и усадки грунтов приводит к большим деформациям сооружений.

В группе осадочных несцементированных грунтов отдельными подгруппами классифицируют биогенные грунты (сапропели заторфованные, торфы) и почвы, которые как и илы, практически не используются в качестве оснований фундаментов.

Кроме выше перечисленных показателей песчаные и глинистые грунты характеризуются относительным содержанием органических веществ, степенью засоленности, температурой и льдинистостью (степенью цементации льдом).

Отдельной группой установлены искусственные грунты, подгруппы которых следующие: уплотненные в природном залегании, насыпные, намывные грунты.

Так как практически несжимаемыми могут быть только скальные грунты, а все основания деформируются под действием нагрузок и, следовательно, вызывают деформации надфундаментной части сооружения (осадки, крены, сдвиги), к основаниям любого фундамента предъявляют требования:

- достаточная прочность;

- сжимаемость грунтов в пределах, допустимых для нормальной эксплуатации сооружения;

- устойчивость против вымывания или выщелачивания.

В качестве оснований желательно использовать грунты скальных или крупнообломочных пород.

2.2 Оценка физико-механических характеристик грунтов,

слагающих строительную площадку

В задании указаны основные физико-механические характеристики грунтов, определенные опытным путем. На основе этих заданных

характеристик вычисляют производные характеристики, определяют вид и состояние грунтов по плотности, влажности, сжимаемости в соответствии с ГОСТ 25100-82 (ГОСТ 25100-95).

Плотность сухого грунта _d (плотность скелета грунта) определяется по формуле:

_{d =} / (1 + W) , (1)

где  - плотность грунта, т/м³;

W – природная влажность.

Тип глинистого грунта определяется по числу пластичности в соответствии с ГОСТ 25100-82 (ГОСТ 25100-95).

Число пластичности I_p вычисляется по формуле:

I_p = W_L - W_p (2)

где W_L – влажность на границе текучести;

W_p – влажность на границе раскатывания.

Показатель текучести грунта I_L вычисляется по формуле:

I_L = (W - W_p)/(W_L - W_p) (3)

Глинистые грунты различаются по показателю текучести согласно ГОСТ 25100-82 (ГОСТ 25100-95).

Пористость грунта (объем пор) определяют по формуле (4):

n = (1 - _d / ρ_s) = (1 - γ_d / γ_s ), (4)

где _d - плотность сухого грунта;

ρ_s – плотность твердых частиц грунта, т/м³;

γ_s – удельный вес твердых частиц грунта, кН/м³.

Коэффициент пористости е представляет собой отношение объема пор к объему твердых частиц:

е = (_s - _d)/_d , (5)

где _s – плотность твердых частиц грунта.

Коэффициент пористости используется для оценки плотности сложения песков.

Степень влажности S_r представляет собой отношение естественной влажности к влажности, соответствующей полному заполнению пор водой:

S_r = W _s / е _W , (6)

где _W – плотность воды.

По степени влажности крупнообломочные и песчаные грунты подразделяют в соответствии с ГОСТ 25100-82 (ГОСТ 25100-95).

Для предварительной оценки просадочности и набухания глинистого грунта при замачивании определяется показатель П:

П = (е_L – е)/(1 + e), (7)

где е_L - коэффициент пористости, соответствующий влажности на границе текучести W_L , определяемый по формуле:

е_L = W_L _s / _{W ,} (8)

Если П0,3, то при предварительной оценке грунты относятся к набухающим.

К просадочным относятся лессы и лессовидные грунты (а также некоторые виды покровных глинистых грунтов) со степенью влажности S_r  0,8 , для которых величина показателя П меньше значений, приведенных в таблице 2.4.

Таблица 2.4 – Показатель П

Число пластичности грунта Ip	0,01Ip0,1	0,1Ip0,14	0,14Ip0,22
Показатель П	0,1	0,17	0,24

Коэффициент относительной сжимаемости грунта:

m_v = m₀ /(1 + e) , (9)

где m₀ – коэффициент сжимаемости

Коэффициент относительной сжимаемости используется для предварительной оценки сжимаемости грунтов в соответствии с таблице 2.5.

Таблица 2.5 – Сжимаемость грунтов

Наименование грунта по сжимаемости	Коэффициент относительной сжимаемости, mv, МПа-1
Малосжимаемый	mv  0,05
Среднесжимаемый	0,05 mv  0,5
Сильносжимаемый	0,5 mv

Модуль деформации грунта Е, определяемый по результатам компрессионных испытаний в некотором интервале изменения напряжений, непосредственно связан с изменением коэффициента пористости грунта:

Е = β / m_ν = [(1 + е') / m_о] β , (10)

где m_о – коэффициент сжимаемости грунта;

m_ν - относительный коэффициент сжимаемости.

β - коэффициент. Для его определения необходимо знать величины ξ или ν в этом же интервале изменения напряжений.

При отсутствии этих данных коэффициент β допускается принимать равным: для пылеватых и мелких песков – 0,8; супесей – 0,7; суглинков – 0,5; глин – 0,4;

е' - начальный коэффициент пористости грунта (измеряется по графику компрессионной кривой).

Модуль общей деформации определяется по формуле:

Е₀ =  / m_{v ,} (11)

где  - безразмерный коэффициент, зависящий от коэффициента общей относительной поперечной деформации. Значения коэффициента  для различных видов грунтов приведены выше.

Условное расчетное сопротивление грунта R₀ принимается по табл. 1 – 6 приложения 3 СНиП 2.02.01-83.

Все расчеты оснований должны выполняться с использованием расчетных значений физико-механических характеристик грунтов.

Расчетные характеристики грунтов определяются по формуле:

x = x_n / _q , (12)

где x_n – нормативное значение данной характеристики

_q – коэффициент надежности по грунту; принимается =1 для всех

характеристик кроме , , с.

Нормативные значения угла внутреннего трения _n, удельного сцепления с_n и модуля деформации Е допускается принимать по табл. 1 – 3 рекомендуемого приложения 1 СНиП 2.02.01-83. Расчетные значения характеристик в этом случае принимаются при следующих значениях коэффициента надежности по грунту:

в расчете оснований по деформациям _q = 1

в расчете оснований по несущей способности:

для удельного сцепления _q(с) = 1,5

для угла внутреннего трения песчаных

грунтов _q() = 1,1

для угла внутреннего трения пылевато-глинистых

грунтов _q() = 1,15.

Расчетные значения характеристик грунтов с,  и  для расчетов по несущей способности обозначаются с_I, _I, _I , а по деформациям с_II, _II, _II.

Все заданные и вычисленные физико-механические характеристики грунтов, слагающих строительную площадку, сводятся в таблицу 2.4.

Часть этих характеристик берут из таблиц справочных материалов. Остальные вычисляют по приведенным выше формулам.

Условное расчетное сопротивление R (кПа) определяем по СНиП 2.02.01 – 83 «Основание зданий и сооружений».

В соответствии с геолого-литолическим разрезом строительной площадки №7, она имеет 5 типов грунтов.

Согласно заданию на фундамент приложены следующие

нагрузки на уровне обреза фундамента:

N = 1350 кПа;

Mx = 65 кН/м;

My = 65 кН/м.

Изучая данные скважин, получаем средние значения толщин слоев:

Суглинок светло бурый – (1,7+2,1+1,8)/3 = 1,87 м.

Суглинок желто бурый – (2,8+2,7++2,2)/3 = 2,57 м.

Супесь зелено бурая - (2,5+2,2+2,6)/3 = 2,43 м;

Песок зелено бурый, насыщенный водой - (2,5+2,6+2,4)/3 = 2,50 м;

Глина бурая – (5,2+5,0+5,4)/3 = 5,20 м.

Наименование грунта	Данные								Вычисленные
	Плотность, ρ, т/м3	Плотность твердых частиц, ρS, т/м3	Природная влажность, W	Влажность на пределе текучести, WL	Влажность на пределе раскатывания, WP	Коэффициент сжимаемости, m0, кПа-1	Угол внутреннего трения, φ, град.	Удельное сцепление, с, МПа	Удельный вес грунта, γ, кН/м3	Пористость, n	Коэффициент пористости, е	Степень влажности, Sn	Показатель текучести, IL	Коэффициент относительной сжимаемости, mV, кПа-1	Модуль деформации, Е, МПа	Условное расчетное сопротивление, R0, кПа
Суглинок светло бурый	1,82	2,71	0,22	0,32	0,18	0,0009	24	0,0031	14,62	0,45	0,82	0,727	0,29	0,00049	34,00	206,22
Суглинок желто бурый	1,87	2,70	0.22	0.32	0,19	0,0001	22	0,0028	15,01	0,43	0,76	0,782	0,23	0,00006	29,00	217,2
Супесь зелено бурая	2,10	2,67	0,195	0,215	0,15	0,0001	27	0,0080	17,27	0,34	0,48	1,085	0,69	0,00007	25,00	300
Песок зелено бурый	1,98	2,68	0,26	0	0	0,0001	32	0,0020	15,40	0,41	0,71	0,981	-	0,00006	43,00	245
Глина бурая	2,00	2,70	0,27	0,43	0,23	0,0005	15	0,0025	15,40	0,42	0,72	1,013	0,20	0,00291	23,00	352

Таблица 2.6 – Физико – механические характеристики грунтов

3 Практическое занятие № 3- Построение инженерно-геологического разреза. Построение геолого - литологического разреза. Определение глубины заложения фундамента в соответствии с климатическими условиями района и конструктивной схемы cооружения

3.1 Построение инженерно-геологического разреза

Для определения физико-механических грунтов и построения инженерно-геологического разреза принята строительная площадка, указанная в задании.

Для выяснения характера напластования грунтов под зданием строят инженерно-геологический разрез строительной площадки по скважинам. Расстояние между скважинами по горизонтали принимают согласно плану участка, а толщины пластов и уровень грунтовых вод принимают по данным бурения скважин. Абсолютные отметки забоя и границ слоев указывают справа от скважины. Разрез допол­няется данными об основных физико-механических свойствах грунтов: , Е, , с.

Для построения инженерно-геологического разреза необходимо при наличии плановой привязки уточнить привязку здания или сооружения на местности и расположение на плане участка шурфов и скважин.

Построение инженерно-геологического разреза завершается назначением планировочной отметки из условия минимальной разработки грунтов при выемке и планировке. Почвенно-растительный слой срезается.

Пример оформления инженерно-геологического разреза приведен на рисунке 3.1

Рисунок 3.1 - Инженерно-геологический разрез