Прочностные характеристики грунтов, необходимые для строительства

Прочностные и деформационные характеристики грунтов

Прочность грунта определяет его способность удерживать строение в вертикальном положении. От прочностных характеристик зависит, насколько глубоким должен быть фундамент, насколько высоким может быть строение. Прочность грунтового основания обеспечивает вертикальное положение стен, отсутствие наклонов, трещин, просаживаний и других капитальных разрушений. Как определяются прочностные характеристики для грунтов? Какие приборы и методы используются для исследования качества грунтов перед капитальным строительством?

Как определяют прочность?

Для определения прочности любого материала его подвергают воздействию нагрузки и отслеживают наличие и размер деформаций после нагружения. В зависимости от деформационных свойств, материал может выдерживать определённую нагрузку без изменений размеров и формы или деформироваться под воздействием внешних сил.

Виды грунтов

Почва или грунт – это материалы, у которых есть определённая прочность и стойкость к деформациям. Плотная почва (глина) хорошо держит нагрузку и не деформируется. Сыпучий грунт (песок) нагрузки не выдерживает, сдвигается и вызывает разрушение стен строения. Кроме того, способность не деформироваться под нагрузкой зависит от состояния грунта (насыщенности водой, промерзания). Какие нагрузки должен выдерживать грунт под фундаментом здания?

Какие нагрузки выдерживает здание

Здание испытывают воздействие вертикальных нагрузок (давление атмосферы, снега, дождя) и горизонтальных нагрузок (давление ветра). Поэтому испытание на лабораторных приборах определяет способность образцов грунта выдерживать вертикальные и горизонтальные нагрузки. В ходе испытаний также определяется критическое значение, при котором образец грунта разрушается (сдвигается, получает значительную деформацию или рассыпается).

Среди прочностных характеристик грунтов наиболее важна стойкость к касательным (сдвигающим) деформациям (горизонтальным нагрузкам).

Лабораторные испытания прочности грунта

Для определения прочностных характеристик грунтов проводят лабораторные испытания грунтовых проб на специальных приборах. Способы и методы исследований определяются ГОСТом 12248-96.

Чаще испытание проводят на приборе, который прилагает усилие сдвига в одной плоскости. Такое исследование называют «методом одноплоскостного среза». Сначала к образцам грунта (не меньше 3-х) прикладывают горизонтальную сдвигающую нагрузку и наращивают её до разрушения образца. После , к трём другим образцам грунта прикладывают вертикальную нагрузку и также наращивают её до разрушения образца.

Медленное наращивание нагрузки увеличивается с шагом 0,1а (где «а» – атмосферное давление). Нагрузку наращивают до тех пор, пока образец не разрушится или пока его деформация (сдвиг) не превысит 5 мм.

График лабораторных исследований

Данные исследований заносят в график, где вдоль осей обозначают размер нагрузки (сдвигающего усилия) и величину сдвига. По данному графику определяют внутреннее трение грунта, удельное сопротивление срезу и его удельное сцепление.

Полученные показатели сравнивают с обозначенными допустимыми характеристиками грунтов, указанными в ГОСТе. После выносят рекомендации о возможности строительства здания на данном грунте.

В лаборатории исследования грунтов

Когда проводят исследование

Исследование прочностных характеристик грунтов проводится в ходе геолого-разведывательных работ перед строительством здания. Особенно это важно для высотных многоэтажных построек, которые имеют значительный вес и должны выдерживать большие ветровые нагрузки.

Забор грунта для испытаний на приборах называют монолитом. Его берут из шурфов – скважин, глубина которых равна глубине фундамента будущего дома. Пробу грунтов берут через каждые 1-2 м вдоль всей глубины шурфа. В качестве образцов для исследований берут пробы с неразрушенной внутренней структурой грунта (без перекапывания, рыхления и др.).

Испытания на приборах проводят на образцах в сухом и водонасыщенном (намокшем) состоянии, а также на предварительно уплотнённых образцах или без их предварительного уплотнения.

Геодезическая разведка . Так выглядит проба грунта

Приборы для определения прочности

Для лабораторных исследований используются следующие приборы:

  • Устройство компрессионного сжатия ГТ1.1.4 – измеряет деформируемость, просадочность почвы.
  • Установки трёхосного сжатия ГТ0.3.10., ГТ0.3.13., ГТ0.3.14.
  • Установки для одноплоскостного среза ГТ0.2.1., ГТ1.2.9.
  • Установка предварительного уплотнения образцов ГТ1.2.5. и прибор для уплотнения ГТ1.4.1
  • Установки одноосного сжатия ГТ0.5.3., ГТ0.5.4
  • Установки сжатия и растяжения для исследования скальных грунтов ГТ0.6.3., ГТ0.6.4.
  • Установка одноплоскостного среза для мёрзлого грунта ГТ0.2.2.
  • Приспособления для подготовки образцов.

Установка одноплоскостного среза

С помощью лабораторных исследований определяют прочностные характеристики грунта.

Прочность грунтов: характеристики

Деформационные свойства почвы измеряются следующими показателями:

  • Прочность грунта – способность сопротивляться внешнему воздействию – оценивается пределом прочности на одноосное сжатие (максимальной нагрузкой, которую грунт выдерживает без разрушения). Измеряется в МПа.
  • Угол трения – зависит от вида грунта, для песчаников равен 25-45 единиц, для пылеватых глин – от 7 до 30 единиц. Также показателем прочностных характеристик грунта является коэффициент внутреннего трения.
  • Удельное сцепление – сопротивление удельных связей внутри грунта перемещению его частиц. Измеряется в кПа или кгс/см 2 .
  • Модуль деформации Е (характеристика жёсткости грунта) – коэффициент зависимости деформации от напряжения.

Характеристики прочности грунта могут изменяться в зависимости от времени года, водонасыщения, температуры.

Что влияет на прочность грунта?

Что влияет на деформационные характеристики грунтов:

  • Гранулометрический состав грунта (размер его частиц). Чем мельче частицы, тем выше плотность и ниже деформационные свойства.
  • Пористость почвы (чем плотнее почва, тем выше её прочностные характеристики и ниже способность деформироваться под нагрузкой).
  • Влажность грунта (намокание грунта снижает характеристики прочности).
  • Колебания подземных вод (подъём их уровня снижает прочностные свойства грунта).

Работа геодезистов – начало строительства

Определение деформационных свойств грунтов требует профессиональных знаний и геологических расчетов.

Подготовил
Самохин Олег Юрьевич

Прочностные свойства грунтов и определение их показателей

Прочностью грунтов называется их способность сопротивляться разрушению. В общем случае разрушение грунта может быть вызвано силами разной природы (механическими, термическими, электрическими и др.), поэтому выделяют соответствующие типы прочности грунтов по природе разрушающих воздействий. В инженерно-геологических целях в первую очередь важно знать механическую прочность грунтов, т. е. их способность сопротивляться разрушению под влиянием механических напряжений. Если деформационные характеристики грунтов определяются при напряжениях, не приводящих к разрушению (т. е. докритических), то параметры прочности грунтов соответствуют критическим разрушающим напряжениям и определяются при предельных нагрузках, вызывающих либо разделение тела на части (для упругих грунтов), либо необратимое изменение формы тела в результате деформации пластического течения (для пластичных грунтов).

Физическая природа прочности грунтов определяется силами взаимодействия между их структурными элементами – кристаллами, зернами, обломками, агрегатами, частицами, т. е. зависит от типа и особенностей структурных связей. Чем больше силы взаимодействия между структурными элементами грунта, тем выше его прочность в целом. Поэтому скальные грунты, среди которых преобладают прочные химические (кристаллизационные и цементационные) структурные связи, имеют большую прочность, чем дисперсные грунты со слабыми физическими и физико-химическими структурными связями.

Поскольку на испытываемый образец грунта могут действовать разные напряжения (нормальные, касательные, объемные или их совокупности), то в качестве меры его прочности могут быть выбраны разные виды критических напряжений или их соотношения, именно такие меры являются параметрами прочности.

К настоящему времени известно более двух десятков условий прочности, разработанных для описания поведения глинистых и песчаных грунтов. Согласно классификации, предложенной W.-F. Chen, все напряженные состояния грунтов можно подразделить на одно- и двупараметрические модели. К однопараметрическим моделям относятся условия прочности Треска, Мизеса, Lade, Duncan. К двупараметрическим моделям относятся условия, предложенные Мором-Кулоном, Drucker-Prager, Р. Lade, М.В. Малышевым и др. После публикации W.-F. Chen прошло много лет (1984 г.), и за это время были предложены условия прочности или модели грунта, которые можно назвать многопараметрическими. В наиболее сложные из них входят до 6 независимых параметров, определяемых из очень сложных и дорогостоящих опытов. Несмотря на многообразие условий прочности, на практике применяются лишь несколько из них. Это в первую очередь условие прочности Мора-Кулона, Кэп-модели и многоповерхностные модели (Prevost, 1977, 1985; Dafalias, 1985). Последние две фуппы моделей грунта более сложные и не позволяют получать решения в аналитическом виде, поэтому они используются в нелинейной механике и численном решении задач [5].

При оценке прочности грунтов чаще всего используют теорию предельного состояния, согласно которой определяют те или иные параметры критических (предельных) значений напряжений, которые может выдержать образец грунта без разрушения. Пределами прочности называются такие пределы, при превышении которых происходит разрушение грунта и он не воспринимает прикладываемых к нему усилий. Критические значения па- раметров соответствуют разным типам напряженного состояния грунта, в которых он может находиться и которые могут харакгеризоваться величинами главных напряжений σ1, σ2 и σ3, причем σ1, σ2 и σ3 в качестве таковых состояний чаще всего рассматриваются (рис. 8.27):

  • • плоскостной сдвиг (σ1> 0, г > 0, рис. 8.27, а);
  • • одноосное растяжение σ1 0, σ2 = σ3 = 0, рис. 8.27, в)
  • • трехосное сжатие (σ2 = σ3 ≠ σ1> 0, рис. 8.27 (г, д, е).

Рис. 8.27. Схемы опытов: па сдвиг (а): на одноосное растяжение (б); на одноосное сжатие (в): на трехостное сжатие: на определение недренированной прочности грунтов (г): дренированной прочности песчаных (д) и глинистых (е) грунтов [5]

Прочностные характеристики дисперсных грунтов (угол внутреннего трения 0,5, органоминеральных и органических грунтов, для которых подготовка целиков для полевых испытаний или отбор образцов для лабораторных испытаний затруднительны, прочностные характеристики (с„) для расчета оснований из этих грунтов в нестабилизированном состоянии могут быть определены полевым методом вращательного среза в скважинах или массиве.

Значения (рис песков и глинистых грунтов для сооружений II и III уровней ответственности могут быть определены полевыми методами поступательного и кольцевого среза в скважинах. При этом для сооружений 11 уровня ответственности полученные значения 300

Читайте также:  Проточный нагреватель воды на кран: принцип работы, цена, отзывы

Таким образом, если в расчетах устойчивости склонов или несущей способности оснований учитывается норовое давление, то параметры прочности принимают в эффективных напряжениях; если поровое давление не учитывается, то в полных.

Характер нагружения, также влияющий на параметры прочности грунтов, проявляется в разных способах передачи на грунт внешних напряжений. Они могут быть статическими (при действии постоянных или медленно меняющихся нагрузок) или динамическими (при действии переменных, циклических, периодических, импульсных нагрузок и др.). Особенности и закономерности разрушения одного и того же грунта в статических или динамических условиях различны, поэтому при динамических воздействиях прочность грунтов изучается специальными способами.

Реконструкция деревянного дома

Характеристики грунтов

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

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

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).

    При определении расчетного сопротивления грунта R оснований деревянных домов, относящихся к 3 пониженному классу ответственности, по табличным значениям R (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

    ГОСТ 25100-2011
    Автор НОИЗ и др.

    1. Коэффициент пористости e определяется по формуле (См. А.6 ГОСТ 25100-2011)

    где

      ρs-плотность частиц (скелета) грунта, масса единицы объема твердых (скелетных) частиц грунта г/см3;
      ρd – плотность сухого грунта, отношение массы грунта за вычетом массы воды и льда в его порах к его первоначальному объему, г/см3, определяемая по формуле
      Плотность сухого грунта (скелета) ρdопределяют по формуле (см. А.16 ГОСТ 25100.2011)

        где ρ – плотность грунта, г/см 3 (см. ГОСТ 5180);
        w – естественная влажность грунта, %
      Показатель текучести IL – 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 IL д.е., – показатель состояния (консистенции) глинистых грунтов; определяют по формуле

        где w – естественная влажность грунта, % (см. ГОСТ-5180-84);
        wp – влажность на границе раскатывания, % (см. ГОСТ 5180);
        Ip – число пластичности, %, (см. А.31 ГОСТ 25100-2011)
      Число пластичности Ip (См. А.31 ГОСТ 25100-2011), %; определяют по формуле

        где wL – влажность на границе текучести, % (см. 4 ГОСТ 5180);
        wp – влажность на границе раскатывания, % (см. 5 ГОСТ 5180)

    ГОСТ 12248-2010
    Автор НИИОСП им. Н.М.Герсеванова и др.

      ei и ei+1 – коэффициенты пористости, соответствующие давлениям pi и pi+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 сцеплениеc и угол внутреннего тренияφ грунта определяются как параметры линейной зависимости

      τ = σ tg( φ ) + c (5.5)

      где

        τ и φ определяются по формулам (5.3) и (5.4) = Q/A, (5.1) – касательные напряжения и
        = F/A, (5.2) – нормальные напряжения
        Q и F -соответственно касательная и нормальная сила к плоскости среза, кН
        A – пллощадь среза, см2

    Модуль деформации по данным компрессионных испытаний Ek — 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)

    Пособие к СНиП 2.02.01-83*
    Автор НИИОСП им. Герсеванова

    Гдава 2. п:

      Физические характеристики грунтов определяют по действующим ГОСТам. Формулы вычисляемых физических показателей приведены в табл. 8. sat“> Формулы вычисляемых физических показателей приведены в табл. 8.

      Таблица 8

      ХарактеристикаФормула
      Плотность сухого грунта ρd, г/см 3 , т/м 3ρd = ρ/(1 + w)
      Пористость nn = 1 – ρd / ρs
      Коэффициент пористости еe = n / (1-n) или
      (1 + wsats / (ρ – 1)
      Полная влагоемкость wsatwsat = eρw / (ρs)

      Следует различать:

        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 ρd – отношение массы сухого грунта (исключая массу воды в его порах) к занимаемому этим грунтом объему (г/см 3 т/м 3)
        плотность частиц грунта ρs – 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.

      где: n – пористость, д.е.,
      ρw – плотность воды, г/см3,
      ρd – плотность сухого грунта [2].

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

    Таблица 9

    Тип грунтаСреднее значение плотности частиц ρs, г/см 3
    Пески2,66
    Супеси2,7
    Суглинки2,71
    Глины2,74

    ГОСТ 5180
    Автор НИИОСП им. Н.М. Герсеванова

    В зависимости от характера грунта следует различать два типа процесса консолидации. Консолидация первого типа наблюдается в грунтах со слабыми водно-коллоидными связями (пылеватые и песчанистые глинистые грунты), обусловливается водопроницаемостью грунта и условиями оттока выжимаемой из грунта воды; это так называемая фильтрационная консолидация. Консолидация второго типа наблюдается в глинистых грунтах со значительными водно-коллоидными структурными связями, которые осложняют процесс уплотнения.
    Значения модуля деформации грунта E используется для вычисления осадки основания s по расчетной расчетной схеме в виде линейно деформируемого полупространства определяют методом послойного суммирования по формуле 5.14 (См. СП 50-101-2004)

    Интересные и нужные сведения о строительных материалах и технологиях

    Строительные свойства грунтов

    Грунт – сложная 3х фазная система, состоящая из твёрдых частиц горных пород, воды и газа (воздуха). Объем грунта зависит от объема составляющих его фаз.

    Различают два класса грунтов:

    – класс грунтов с жесткими структурными связями – класс скальных грунтов;

    – класс грунтов без жестких структурных связей – класс нескальных (рыхлых) грунтов.

    Скальные грунты по пределу прочности на одноосное сжатие в водонасыщенном состоянии Rc , МПа, подразделяются на:

    – очень прочные (Rc > 120);

    – прочные (120 > Rc > 50);

    – средней прочности (50 > Rc > 15);

    – малопрочные (15 > Rc >5);

    – пониженной прочности (5 > Rc > 3);

    – низкой прочности (3 > Rc > 1);

    – весьма низкой прочности (Rc 1МПа.

    Полускальные грунты обладают жесткими кристаллическими связями и пластичными коллоидными связями. Это раздробленные выветрелые скальные магматические и метаморфические породы, а также осадочные: глинистые сланцы, аргиллиты, алевролиты, песчаники, конгломераты на глинистом цементе, мелы, мергели, некоторые виды известняков и доломитов, туфы, гипсы и др. В монолите они характеризуются следующими значениями физико-механических характеристик: плотность грунта 2,20-2,65 т/м3; пористость до 0,15; сопротивление разрыву 0,1-1 МПа.

    Нескальные грунты в природных условиях залегают в виде несцементированных между собой частиц различной крупности. Одной из важных характеристик этих грунтов является гранулометрический состав – количественное сочетание в грунте частиц различной крупности в процентах (Рис.6.4). В зависимости от гранулометрического состава нескальные грунты подразделяются на крупнообломочные, песчаные и глинистые грунты.


    К крупнообломочным и песчаным грунтам относятся грунты с числом пластичности Ip 60-30% (тяжёлые, лёгкие, песчаные),

    • суглинистые 30-10% (тяжёлые, средние, лёгкие),

    • супесчаные 10-3% (тяжёлые, лёгкие, пылеватые).

    Пластические свойства глинистых грунтов оцениваются числом пластичности

    В зависимости от числа пластичности грунты подразделяются на виды согласно табл.6.2.

    Важными свойствами грунтов является их водонепроницаемость, характеризуемая коэффициентом фильтрации – скорости фильтрации в грунте при градиенте напора, равном единице (таблица 6.3.). Эта характеристика важна не только при конструировании земляных сооружений, но и при решении вопросов организации и технологии ряда работ, в частности, при возведении перемычек, организации водоотлива и др.

    Состояние и свойства грунтов и пород изменяются во времени как под воздействием природных факторов, так и под влиянием деятельности человека. Подробным изучением свойств грунтов занимаются специальные дисциплины: инженерная геология, грунтоведение и механика грунтов. Здесь же отметим только свойства, которые важны в строительстве и существенно влияют на трудность и условия разработки грунтов.

    Наиболее важными показателями физических свойств грунтов, помимо их гранулометрического состава являются: плотность, влажность, внутреннее трение и сцепление.

    Плотность – это масса грунта в единице объёма. Различают три категории плотности:

    Для оценки плотности сложения несвязных грунтов значений Рскел, n, e недостаточно, т.к. плотность сложения зависит еще и от формы частиц и даже одинаковые по зерновому составу грунты могут в одном и том же состоянии по плотности сложения иметь

    Существенное влияние на свойства грунтов и условия их разработки оказывает влажность. Влажность грунтов W – это соотношение массы воды Мв и массы твердых частиц (Мсух.гр.)

    Степень влажности определяется по формуле

    В процессе разработки частицы грунта отделяются друг от друга и вследствие менее плотного прилегания после разработки занимают больший объём, с соответствующим уменьшением средней плотности. Это свойство грунтов называется разрыхляемостью и характеризуется коэффициентомразрыхляемости kp.

    Наибольшее разрыхление имеют скальные грунты (1,4; 1,5), наименьшее – пески (1,08-1,17). (Таблица 6.6.) Разрыхление грунтов необходимо учитывать в течение всего технологического процесса при разработке, погрузке, транспортировке, укладке и уплотнении. Различают первичное и остаточное разрыхление.


    Трудность разработки и перемещения грунта сильно зависит от таких показателей как внутреннее трение и сцепление (табл.6.7). Показателем трудности разработки грунта землеройными машинами служит удельное сопротивление грунта резанью кр кгс/см2 и сопротивление грунта копанию кк кгс/см2.

    Сопротивление грунта резанию и копанию можно снизить предварительным рыхлением или увлажнением грунта. Увлажнение следует производить с таким расчётом, чтобы грунт не налипал на рабочие органы, и не затруднялось передвижение механизмов по поверхности забоя.

    Для выбора типа машины при разработке грунтов весьма важной их характеристикой является способность грунтов выдерживать нагрузки от передвигающихся и работающих машин – так называемая несущая способность грунтов (Рн). Несущая способность – это удельная нагрузка на грунт, при которой отсутствует выпор грунта.

    Прочность грунтов на сжатие, МПа.

    Грунты в состоянии обычной естественной влажности обладают довольно хорошей несущей способностью. Однако с увеличением влажности прочность грунтов резко снижается (табл.6.8.).

    Классификация грунтов по трудности разработки

    Едиными нормами и расценками (ЕНиР) предусматривается разделение грунтов по трудности разработки на отдельные группы.

    Группы грунтов зависят не только от типа грунта, но и от способа его разработки и типа применяемых машин.

    В таблице 6.9. приведены группы грунтов по трудности и разработки основными землеройными машинами.

    Несущая способность грунта и способы ее увеличения

    Строительство — это сложный процесс, требующий большой точности при расчетах несущей способности конструкции.

    Масса крыши передает нагрузку на стены, потом на фундамент и в конечном итоге масса всего строения воздействует на основание — толщу породы, на которую опирается фундамент.

    Перед началом строительства необходимо проверить надежность грунтов.

    Несущая способность грунта — это нагрузка, действующая на единицу его объема и не приводящая к деформации основания.

    От чего зависит несущая способность?

    Для определения несущей способности грунта специалисты проводят геологические изыскания. На территории строительной площадки бурят несколько скважин, берут из них пробу через равные расстояния, проводят лабораторные исследования и оформляют отчет.

    На несущую способность влияет несколько факторов:

    • Вид грунта;
    • Толщина слоя;
    • Глубина залегания;
    • Характеристики предыдущего слоя;
    • Уровень грунтовых вод (УГВ);
    • Глубина промерзания почвы;
    • Плотность.

    При строительстве самый важный показатель — УГВ, от него зависит влажность грунтов.

    В сухом и насыщенном влагой состоянии одни и те же породы имеют разные характеристики, отличающиеся в несколько раз.

    Любые грунты, соприкасающиеся с водой, считаются насыщенными влагой.

    Это увеличивает их текучесть и снижает несущую способность.

    Исключением являются средние и крупные пески. Их свойства не изменяются из-за насыщения водой.

    Плотность — это показатель пористости.

    Грунт состоит из твердых частиц, между которыми находятся полые пространства, заполненные воздухом или водой. При превышении максимальной возможной нагрузки происходит деформация (усадка), способная полностью разрушить здание.

    Плотные породы с минимальным количеством пустот считаются наиболее прочными. Усадка таких грунтов минимальна.

    Залегание

    При проектировании здания очень важно исследовать толщу грунтов ниже предполагаемой подошвы фундамента. Близко к поверхности залегают непрочные породы, способные воспринимать нагрузку лишь от небольшого здания. Чем глубже залегает порода, тем она старше, плотнее, толще и надежнее.

    В зависимости от залегания и типа грунтов будет разрабатываться план установки фундамента в соответствии с правилами:

    • Не допускается укладка фундамента вблизи границы разных пород;
    • Желательно установить фундамент выше УГВ, если это невозможно — принимаются меры по гидроизоляции конструкций;
    • Идеален для установки фундамента горизонтальный слой.

    Несущая способность основания будет снижена в местах смены пород, вблизи УГВ, на склонах.

    Рис. 1 Пример инженерно-геологического разреза

    На чертеже разной штриховкой обозначены породы, указаны высоты устий скважин, начерчена линия УГВ.

    Типы грунтов

    Существует несколько типов пород, обладающих особыми характеристиками:

    • Скальные, обладающие большой плотностью и несущей способностью;
    • Крупнообломочные. Состоят из отдельных крупных частиц;
    • Песчаные. Непластичные грунты, способные выдерживать большую нагрузку;
    • Глинистые. Связные грунты, легко впитывают влагу, при промерзании пучинятся.

    Скальные

    Скальные породы образуются в результате извержения вулканов и последующего застывания магмы в толще земли.

    Благодаря этому формируется порода с малой пористостью и жесткими связями между частицами.

    Характеризуется большой прочностью, устойчивостью к отрицательным температурам, не впитывает воду, не пучинятся.

    При отсутствии трещин в породе не вымывается и очень медленно разрушается с течением времени.

    Скальные породы идеальны в качестве основания для любого объекта. Но они очень редко применяются для строительства, ведь встречаются преимущественно на большой глубине или в труднодоступных участках.

    Крупнообломочные

    Крупнообломочные грунты — это несвязанные породы, представляющие собой толщу камней (обломков скальных пород), большинство из которых крупнее 2 мм. Слежавшиеся валуны и обломки, не подверженные вымыванию — это хорошее основание.

    Различают несколько видов крупнообломочных пород:

    • Гравий. Большая часть обломков имеет размер 2–40 мм. Различают гравий (обломки округлой формы) и дресву (обломки угловатой формы);
    • Галька (округлые части) и щебень (угловатые части). Не менее 50% массы грунта представлено обломками от 40 до 100 мм;
    • Валуны. Размер каждого обломка превышает 100 мм.

    Песчаные

    В ненасыщенном водой состоянии песок сыпучий, но слежавшийся песчаник — это надежное основание, не изменяющее своих свойств при насыщении влагой. Песчаные породы не пучинятся, хорошо пропускают воду, не задерживая ее вблизи конструкций.

    Существует несколько видов песчаников:

    • Пылеватый. Размер фракций 0,005–0,050 мм;
    • Мелкий. Размер песчинок варьируется от 0,050 до 1,0 мм;
    • Крупный. Зерна размером до 2 мм.

    Самые надежные основания — это слежавшиеся крупнообломочные породы и крупный песок.

    Глинистые

    Порода, состоящая из очень маленьких связанных частиц размером до 0,005 мм, называется глинистой. Выветренные мельчайшие частички пород чешуйчатой формы образуют массу грунта, способную быстро впитывать воду. В результате этого порода становится пластичной.

    Глина с трудом теряет влагу, при наступлении холодов вода внутри нее замерзает, увеличивается в объеме и глина выпучивается. Этот процесс способен всего за одну зиму разрушать фундамент.

    Другие

    Существует несколько видов грунтов, практически непригодных для строительства:

    • Плывуны. Мелкие частицы песка с примесью глины, очень подвижны, имеют малую несущую способность;
    • Суглинки. В составе присутствует 10–30% глинистых частиц;
    • Супеси. Глина составляет 3–10% от общей массы.

    При необходимости обустройства фундамента на вышеперечисленных грунтах необходимо учесть глубину промерзания почвы и УГВ в холодный период. Если уровень воды устанавливается ниже 2 м от глубины промерзания, то установить фундамент допускается близко к поверхности (минимум 0,5м).

    Повышение несущей способности

    На площадках с недостаточной несущей прочностью основания необходимо провести работы по повышению несущей способности грунта.

    Есть два основных метода:

    В первом случае для достижения большей плотности в грунт вбивают сваи небольшого размера, сокращая количество пустот в породе.

    Во втором случае в толщу земли вводят различные химические добавки, сцепляющие между собой отдельные части грунтов.

    Еще один способ улучшить характеристики основания — это устройство песчаной подушки под фундамент. После уплотнения она сможет воспринимать и равномерно передавать нагрузку от здания на залегающие ниже породы. Песок не задерживает влагу, не пучинится и является хорошим основанием для строительства дома.

    Еще один способ улучшить характеристики основания — это понижение УГВ.

    Таблица средних значений

    Средняя несущая способность грунтов — это основной показатель расчетов. После выемки образцов породы из скважин проводится определение их вида для дальнейшей работы.

    Классификация грунтов приведена в таблицах СНИП 1–3 ГОСТ 25100.2011. После определения типа грунта в каждом из залегающих слоев необходимо определить предельное сопротивление грунта сжатию.

    Подробная информация содержится в ГОСТ 25100.2011 «Грунты. Классификация», таблица Б.1.

    Рис. 2 Сопротивление сжатию

    Основа расчета — расчетное сопротивление осевому сжатию. С подробным методом расчета с учетом всех нюансов можно ознакомиться в СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений». Здесь же можно найти значение всех коэффициентов, необходимых для максимально точного расчета.

    Определение типа грунтов

    Для выполнения расчетов и построения геологического разреза необходимо определить типы грунтов. Сначала проводятся полевые геологические работы, в ходе которых на участке бурят несколько скважин.

    В процессе бурения через равнее промежутки геологи изымают из толщи земли образцы породы, укладывают их в специальные контейнеры и подписывают. Весь изъятый материал ведут в лабораторию для дальнейшего исследования.

    Определить состав пород и их характеристики самостоятельно невозможно. Для этого потребуется специальное оборудование и знания. Без помощи профессионалов можно только примерно определить тип породы с помощью простого метода. Из насыщенного водой грунта пробуют скатать «колбаску».

    От полученного результата зависит пластичность:

    • Длинный (до полуметра) жгут — высокая пластичность, грунт связный, частиц не видно. Это характерно для глинистых пород;
    • Жгут получается коротким, образуются трещины, он рвется — пластичность средняя, грунт связный, в составе в основном присутствуют глинистые частицы, содержание песка от 10 до 30%. Это характерно для суглинков.
    • В насыщенном водой состоянии жгут скатать невозможно — грунт несвязанный, состоят из заметных глазу частиц. Характерно для песка.

    Рис. 3 Схема состава различных пород

    Точно определить тип породы и его характеристики возможно только в лабораторных условиях.

    Расчет

    Расчет несущей способности — это основная цель геологических изысканий. Выполнять его можно только после определения типа пород внутри скважин и получения чертежей геологических разрезов на территории строительной площадки.

    Чертеж поможет определить положение слоев пород в толще земли и даст представление о возможности строительства на площадке.

    Несущая способность (R) определяется по формуле согласно алгоритму:

    1. Значение R0 (сопротивление осевому сжатию) определяется с помощью таблицы и напрямую зависит от типа грунта;
    2. Рассчитывается глубина промерзания. Это значение индивидуально для каждого региона. Будет зависеть от типа пород в верхних слоях;
    3. Выбирается оптимальная глубина заложения в толще одного из прочных слоев непучинистого грунта, ниже глубины промерзания;
    4. Выполняется расчет по формулам: R=R0*[1+k1*(b-100)/100]*(d+200)/2*200 — при принятой глубине заложения до 2 м и R=R0*[1+k1*(b-100)/100]+k2*g*(d-200) — когда глубина заложения превышает 2 м.

    Данные для расчета:

    • k1 — коэффициент берется из таблицы в зависимости от вида породы. 0,125 для устойчивых крупнообломочных или песчаных и 0,5 для глин, супеси и суглинков;
    • k2 — применяется для расчетов несущей способности устойчивых пород (слежавшиеся крупнообломочные или песчаные породы);
    • g — необходим для нахождения удельного веса грунта от подошвы слоя и до нижней части фундамента или следующего слоя;
    • b — ширина, опирающейся на основание части фундамента;
    • d — глубина заложения.

    После нахождения фактической несущей способности ее сравнивают с требуемой. Если вторая будет больше первой, то придется менять конструкцию будущего дома (увеличивать площадь опирания фундамента на основание или глубину заложения, менять вид фундамента, выбирать в качестве основания другой, более прочный слой).

    Калькулятор для расчета фундаментов

    Процесс расчета несущей способности основания — это кропотливый процесс, требующий обширных знаний в области строительства и геологии. На помощь инженерам приходит специальные калькуляторы.

    При использовании калькулятора необходимо самостоятельно выбирать тип фундамента, вид почвы и глубину промерзания.

    Для правильного определения всех параметров необходимы знания геологии. Доверять анализ основания необходимо специалистам, ведь в строительстве есть множество нюансов, которые не может учесть компьютерная программа.

    Для самостоятельного использования отлично подойдут программы для расчета объема ленточного фундамента. Они не учитывают вид почвы и ее несущую способность. Для расчета необходимо ввести все параметры фундамента, и она посчитает объем бетона.

    Действующие проектировщики создали простую программу, рассчитывающую базы колонн в зависимости от типа пород основания и веса здания. Она очень специфична и подойдет далеко не каждому, но профессионалам может помочь в расчетах.

    Формула Терцаги

    Формула Терцаги описывает закономерность уплотнения грунтов и их компрессионное сжатие. Для исследования грунтов редко выбирают метод трехосного сжатия ввиду его сложности, метод одноосного сжатия можно применять лишь к узкому кругу грунтов. Именно поэтому Терцаги рассматривает одноосное сжатие в жесткой таре, где стенки не дают образцу деформироваться.

    По мере уплотнения, то есть сокращения объема полостей, давление возрастает. В результате становится понятно, то сумма деформаций образца составляется из пластической и остаточной деформации. (ξ1= ξp+ ξв)

    Рис. 4 График нагружения грунта

    При выполнении повторного нагружения основанию передаются только упругие деформации.

    Расчет полов

    Пол на лагах устанавливается в большинстве домов, но при неправильном конструировании подвального помещения (отсутствие продухов, их малый или большой размер) в нем начинает конденсироваться влага.

    Вода деформирует или полностью разрушает деревянные лаги и конструкцию пола, способствует разрушению бетона.

    Самый простой способ бороться с влагой в подвале — отказаться от цокольного помещения. Пол по грунту обеспечит долговечность конструкции и не даст лишней влаге проникнуть в дом.

    Где можно класть пол на грунт

    Класть пол допускается не на каждый грунт:

    • Основание должно быть хорошо уплотнено и выровнено. В противном случае со временем грунт осядет, стяжка пола повиснет в воздухе и со временем начнет разрушаться;
    • Основанием служат грунты, не подверженные пучению;
    • Не стоит укладывать пол на подвижные грунты.

    Существует 2 вида пола по грунту:

    • Связанная плита стяжки. Жестко крепится к ленточному фундаменту, опирается на него. Пол не даст усадки, отделка не пострадает при незначительных изменениях грунтов;
    • Несвязанная. Стяжка не будет покрываться трещинами во время усадки, но при последующей эксплуатации отделка может повредиться из-за взаимного движения стен и пола.

    При расчете учитывается временное и постоянное давление на всю поверхность пола. В первом случае нагрузка составит 150 кг/м2 (вес людей и мебели), во втором нагрузка зависит от используемых материалов.

    Полезное видео

    Смотрите интересный видеоматериал, в котором рассказано о трех категориях грунтов и различиях между ними.

    Заключение

    Расчет несущей способности грунта — это длительный процесс, включающий в себя множество этапов. Для выполнения работ необходимо специальное оборудование, позволяющее правильно выполнить изъятие образцов из скважин и провести их исследование в лаборатории.

    При выборе основания следует учесть множество факторов: типы грунтов, толщина их слоев, УГВ, схема залегания, глубина промерзания. Правильно выполнить анализ основания под фундамент могут только профессиональные геологи.

    Классификация и строительные свойства грунтов

    Строительная классификация грунтов

    • скальный грунт (сцементированный или кристаллизационный);
    • нескальный грунт (несцементированный).

    К первой группе относятся магматические, метаморфические, осадочные, искусственныегрунты. Для них характерны водоустойчивость, прочность при сжатии. Породы нескальных грунтов отличаются раздробленностью и дисперсностью. Соответственно, скальные грунты – трудноподдающиеся дроблению, а нескальные с легкостью можно обрабатывать. В зависимости от содержания частиц песка, пыли, глины и др. несцементированный грунт может называться следующим образом: песок, супесь (супесок), суглинок, глина (см. табл. 1).

    Примечание. Прочерк означает, что параметр не нормируется.

    Строительные свойства грунтов

    Особенности грунтов обусловлены составом, взаимоотношением и взаимодействием составляющих породы. Характеризовать грунты можно по физико-механическим признакам, магнитным, электрическим, водным и др. Нас интересуют строительные свойства грунтов, а это в большей степени физико-механические особенности: полагаясь на них, специалисты производят все расчеты при строительно-монтажных работах, выбирают технологию разработки почвы. Эти характеристики грунта определяют физическое состояние почвы и состояния, которые возникают в результате каких-либо воздействий на грунт. Итак, строительные свойства грунтов:

    • плотность;
    • влажность;
    • сцепление;
    • разрыхляемость;
    • угол естественного откоса;
    • удельное сопротивление резанию;
    • водоудерживающая способность.

    Плотность – масса единицы объема грунта, выражается в кг/м 3 или т/м 3 . Плотность несцементированных пород может достигать 2,1 т/м 3 , скальных – 3,1 т/м 3 .

    Влажность характеризуется отношением массы воды в почве к массе сухой почвы. Если процент влажности не превышает 5%, такой грунт называют сухим, от 5 до 15% – маловлажным, от 15 до 30% -влажным, выше 30% – мокрым. Чем выше влажность грунта, тем труднее его разрабатывать. Исключение – глина, т.к. ее обрабатывать в сухом виде наоборот сложнее, но при большой влажности этот процесс затрудняется из-за липкости.

    Еще одно важное свойство грунтов – сцепление. Оно характеризует структурные связи и то, как грунт сопротивляется сдвигу. Сила сцепления песчаных пород составляет 0,03-0,05 МПа, глинистых – 0,05-0,3 МПа. Для мерзлых почв характерно значительно большее сцепление.

    Когда разрабатывают породу, она увеличивается в объеме, это строительное свойство грунта называется разрыхляемостью. Различают первоначальную разрыхляемость К p и остаточную К ор (показывает, насколько грунт уменьшается в объеме после уплотнения). Показатели разрыхления приведены в таблице 2. Следует помнить, что естественное уплотнение протекает неравномерно, из-за чего могут появиться просадки. Чтобы избежать таких изъянов, грунт нужно утрамбовывать спецмашинами.

    Согласно требованиям техники безопасности рыть котлованы и траншеи в большинстве случаев нужно с откосами и креплениями. Угол внутреннего трения, сила сцепления и давление почв, которые лежат сверху, влияют на величину углаестественного откоса. Если сила сцепления отсутствует, предельный угол совпадает с углом трения. Крутизна откоса обусловлена углом естественного откоса а (при условии, что грунт находится в предельном равновесии) (рис.1).

    H/A=l/т, где т – коэффициент заложения.

    Рис.1. Крутизна откоса

    В табл. 3 можно ознакомиться с величинами крутизны откосов для временных земляных сооружений. Когда глубина выемки достигает 5 и более метров, крутизну откосов устанавливают проектом.

    Классификация грунтов по удельному сопротивлению резаниюпредставлена в ЕНиР 2-1-1. Она основывается на свойствах грунтов и особенностях землеройной и землеройно-транспортной техники, которая участвует в разработке почвы. Выделяют 6 групп для экскаваторов с одним ковшом, 2 группы – для многоковшовых экскаваторов и скреперов, 3 группы – для грейдеров и бульдозеров, 7 групп – для разработки почвы без применения техники. Грунты первых четырех групп с легкостью обрабатываются как вручную, так и благодаря машинам, а грунты из последующих групп необходимо предварительно рыхлить иногда даже с применением взрывного способа.

    Немаловажное свойство грунта, которое влияет на процесс обработки почвы, – этоводоудерживающая способность (способность грунта удерживать в своем составе воду). Для глины характерна высокая сопротивляемость прониканию воды (недренирующий грунт), для песка – низкая (дренирующий грунт). Водоудерживающаяспособность характеризуется коэффициентом фильтрации К, это значение может колебаться от 1 до 150 м/сут .

    Наша группа в Telegram. Присоединяйтесь!

    Быстрая связь с редакцией: читайте Экскаватор Ру и пишите нам в WhatsApp!

    Читайте также:  Металлочерепица и ондулин: особенности, преимущества и недостатки, сравнение основных параметров, сфера применения
    Ссылка на основную публикацию