Свойства и состав глинистых и песчаных грунтов

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерно-строительный институт

Кафедра инженерных зданий и сооружений

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине «механика грунтов»

Студент Гресс Ю.Н.

Красноярск 2013

Оглавление

Задача 1. Определение классификационных характеристик глинистых и песчаных грунтов

Задача 2. Определение гранулометрического (зернового) состава сыпучего грунта

Задача 3

Задача 4. Построение эпюры нормальных напряжений от собственного веса грунта

Задача 5. Построение эпюры контактного давления

Задача 6. Определение средней осадки основания методом послойного суммирования

Список литературы

Задача 1. Определение классификационных характеристик глинистых и песчаных грунтов

В таблице № 1 (методические указания) вариант 0 указаны физические свойства глинистых грунтов. Требуется найти недостающие характеристики и дать полное наименование грунтов согласно ГОСТ 25100 - 95.

Таблица 1

Коэффициент пористости грунта является одной из важнейших характеристик. Для песчаных грунтов он с достаточной точностью характеризует их сложение (плотность взаимной упаковки частиц) и используется как классификационный показатель. Коэффициент пористости грунта - это отношение объема пор грунта к объему его скелета.

Понятия «пористость» и «влажность» грунта определенным образом связаны между собой. Влажность - полное водонасыщение грунта, т.е. когда все поры заполнены водой. Степень влажности (степень водонасыщения) - отношение объема воды в порах грунта к объему пор и соответствует отношению влажности грунта к его полной влагоемкости. Степень влажности может изменяться от 0 в случае абсолютно сухого грунта, до 1 при полном заполнении пор водой.

Решение задачи:

Находим что песок с размерами частиц d>0,5 мм, которых в грунте больше 50%, является песком крупным.

Определим коэффициент пористости:

е = ,

где - плотность сухого грунта.

Коэффициент водонасыщения песка составляет:

,

где -плотность воды, равная 1 т/м³.

В соответствии с данными табл. 2 и табл. 3 приложение 2 (методические указания) устанавливаем разновидность грунта по коэффициенту пористости и коэффициенту водонасыщения: песок средней плотности насыщенный водой. Итак, полное наименование грунта - песок мелкой крупности, средний , средней степени водонасыщения.

Переходим к расчету характеристик глинистого грунта.

Свойства глинистых грунтов существенно изменяются в зависимости от их влажности. Сильно увлажненный грунт обладает способностью растекаться, при подсушивании - переходит в пластичное состояние, при дальнейшем уменьшении влажности - в твердое.

Число пластичности грунта - разность между границей текучести и границей растекания. Чем больше в грунте относительное содержание глинистых частиц, тем больше оказывается величина пластичности грунта.

По числу пластичности I_p определяем вид грунта:

%

по данным табл. определяем, что грунт с I_p =6 является супесью. Для того, чтобы определить разновидность супеси по показателю текучести I_L, который определяется по формуле:

,

необходимо найти влажность грунта W.

Определим влажность грунта по формуле:

В уравнение неизвестен коэффициент пористости e. Его определяем из выражения:

е = ,

где - плотность сухого грунта

где -плотность воды, равная 1 т/м³.

,

Задача 2. Определение гранулометрического (зернового) состава сыпучего грунта

глинистый грунт сыпучий песчаный

По приведенным в табл.2 результатам зернового анализа сыпучего грунта постройте кривую зернового состава, определите степень неоднородности и дайте наименование грунта по этим показателям.

Решение задачи:

Для построения кривой зернового состава составим таблицу № 2:

Таблица № 2.

По данным таблицы 2 результатам зернового анализа сыпучести грунта построим кривую зернового состава.

Гранулометрический (зерновой) состав грунта является одной из важнейших характеристик. Он выражается кривой гранулометрического состава - интегральной кривой распределения зерен грунта по размеру. Чем более неоднородным является грунт, тем более пологой будет кривая его состава.

По данным таблицы 1 приложения 2 (методические указания стр.28) определим наименование грунта: песок крупный (масса частиц с d< 0.5 мм 25%, а частиц с d< 10 мм составляет 80%).

Строим кривую гранулометрического состава в полулогарифмическом масштабе.

Рис.1. Кривая гранулометрического состава грунта (С_v = 15).

Степень неоднородности гранулометрического состава рассчитывается по формуле

Данный вид грунта: песок крупный является неоднородным, т.к. С_v>3.

Чем ближе степень неоднородности к единице, тем более однородным по гранулометрическому составу является грунт.

Задача 3. Письменный ответ

.        Какие вопросы рассматриваются в курсе механики грунтов, его задачи?

Механика грунтов - научная дисциплина, в которой изучаются напряженно-деформированное состояние грунтов и грунтовых массивов, условия прочности грунтов, давление на ограждения, устойчивость грунтовых массивов против сползания и разрушения, взаимодействие грунтовых массивов с сооружениями и ряд других вопросов. Механика грунтов является составной частью геомеханики.

Задачи прогноза механического поведения грунтов и грунтовых массивов. Для этого производятся:

установление физических и механических свойств грунтов и возможности их использования в нужных целях, а, в случае необходимости, и улучшение строительных свойств грунтов;

определение напряженно-деформированного состояния грунтовых массивов, возможного его изменения в последующем;

определение общей устойчивости этих массивов, взаимодействующих с инженерными сооружениями или непосредственно устойчивости их самих, если они являются сооружениями. Таким образом, основная задача - это оценка состояния в настоящий момент и прогноз дальнейшего поведения грунтов и массивов из них, прогноз происходящих в них процессов.

.        Какие основные характеристики грунта являются основными?

Основными физическими характеристиками грунта (являются:

плотность грунта - ρ [г/см³]; (удельный вес - γ - [кН/м³]);

плотность частиц грунта- ρ_s [г/см³]; (удельный вес частиц грунта - γ_s-[кН/м³];); природная влажность -w; [в долях единицы];

Остальные физические характеристики могут быть вычислены с их использованием.

(Справка- ρ г/см³·9,8=γ кН/м³)

.        Что называется коэффициентом бокового давления грунта, от чего он зависит и как связан с коэффициентом Пуассона?

Коэффициентом бокового давления грунта ξ называется отношение приращения бокового давления Δσ_x(илиΔσ_y) к приращению вертикального давления Δσ_z, при обязательном отсутствии боковых деформаций (ε_x= ε_y =0), то есть

; ε_x= ε_y =0.

Боковое давление в этом случае является реактивным. Примером может служить грунт, обжимаемый в одометре (компрессионном приборе). Коэффициент бокового давления зависит от вида грунта, его плотности и влажности. С коэффициентом Пуассона он связан следующей зависимостью:

Он изменяется в пределах от 0 до 1.

Коэффициентом Пуассона называется отношение относительных деформаций поперечной ε_x к продольной ε_y взятое с обратным знаком, в случае, если действуют только вертикальные напряжения σ_z(напряжения σ_х и σ_у в этом случае отсутствуют).

Задача 4. Построение эпюры нормальных напряжений от собственного веса грунта

Даны физические характеристики грунтового массива глубиной 15-17 м. Требуется построить эпюру природного давления грунта.

Решение задачи. Характер эпюры природного давления зависит от грунтовых условий массива. Если грунт однородный, эпюра имеет вид треугольника. При слоистом залегании эпюра изображается ломанной линией. Причем у более легкого грунта график круче, а у более тяжелого - положи. Для нахождения вертикальных напряжений от действия веса грунта на глубине Z мысленно вырежем столб грунта до этой глубины с единичной площадью основания и найдем ее суммарное напряжение σ_zg от веса столба

σ_zg=,

где n - число слоев в пределах слоев глубины Z; γ_i - удельный вес грунта i-го слоя; h_i - толщина i-го слоя. Удельный вес водопроницаемых грунтов, залегающих ниже уровня грунтовых вод, принимается с учетом взвешивающего действия воды. Необходимо найти напряжение σ_zg во всех слоях массива грунта до глубины 15,0 м. Исследуемый массив состоит из шести слоев грунта:

1.      песок крупный до уровня подземных вод;

.        песок крупный под водой;

.        песок мелкий;

.        ил;

.        песок средней крупности

Для того, чтобы определить σ_zg в массиве грунта, требуется установить удельный вес каждого слоя по формуле:

,

где ρ- плотность грунта;

g10 м/с² ускорения силы тяжести.

. Удельный вес песка крупного (первый слой)

γ′ = r·g = 1,88 ·10=18,8 Кн/м³

Удельный вес песка с учетом взвешивающего действия воды

γ′′=r(1+W) = 18,8 (1+0,08)=20,3 Кн/м³

Напряжение на глубине 6,0 м.

g_zg=γ′· h₁ + γ′′·h₂ =20,3·3,5+20,3 ·2,5= 65,8 + 50,75 = 116,55 кПа

. Удельный вес песка мелкого (второй слой) - водонасыщенный. Так как грунт водопроницаем, его удельный вес определяем с учетом взвешивающего действия воды:

,

где  - удельный вес частиц грунта;

γ_w = 10 кН/м³ - удельный вес воды.

Удельный вес частиц грунта определяется по формуле:

,

отсюда отдельный вес с учетом взвешивающего действия воды:

,

Вычисляем напряжение σ_zg на глубине 8,5 м:

σ_zg=.

. Четвертый слой - ил. Этот грунт является водоупором, поэтому на границе 3-го и 4-го слоев возникает скачок напряжения, равный давлению столба воды над ним

γ_w · (8,5-3,5) = 10·5,0 = 50 кПа

Удельный вес ила

γ₄ = 1,8· 10 = 18,0 кН/м³

Напряжение на глубине 10,8 м

g_zg = 141,55 + 50+ Υ₄ · 2,3 = 141,55+50+18,0·2,3 = 232,95 кПа

. Удельный вес песка средней крупности

γ₍₅₎ = γ_s / 1+ е = 26,6 /1+0,5 = 17,73 кН/м³

Напряжение на глубине 15 м

g_zg = 232,95 + 17,73 · 4,2 = 307,42 кПа

Определили значения вертикальных напряжений σ_zg в каждом слое массива грунта. Вычерчиваем инженерно-геологическую колонку массива грунта. Рядом с колонкой строим эпюру вертикальных напряжений от действия собственного веса σ_zg.

Рис. 2. Эпюра напряжений σ_z.g от собственного веса грунта

Задача 5. Построение эпюры контактного давления

По приведенным в таблице № 3 данным о нагрузках и размерах фундаментов построить эпюру контактного давления.

Таблица № 3

При проектировании оснований и фундаментов с достаточной для практических расчетов точностью принимают, что контактное давление распределяется по подошве жестких фундаментов по линейному закону. По данным определяем, что фундамент загружен внецентренно. Для построения эпюры найдем значение Р_max и P_min по формуле:

Р_max=,

где N_n - сумма действующих вертикальных нагрузок, кН;- площадь фундаментов м²;- длина фундамента, м;

е - эксцентриситет равнодействующей относительно центра тяжести подошвы фундамента, м, который определяется по формуле:

,

где M_n - сумма действующих моментов, приведенных к подошве фундамента, кНм;- момент, действующий на обрезе фундамента, кН;₁ - нагрузка от стены, кН;₂ - нагрузка, передаваемая через колонку здания, кН;- вес фундамента, кН;- расстояния от оси колонны до оси стены, м.

Вычислим эксцентриситет:

,

Затем определяем Р_max и P_min:

Р_max=,

P_min:=,

Р_ср=467,4 кПа.

Построенная эпюра имеет вид трапеции.

Рис. 3. Эпюра контактного давления

Задача 6. Определение средней осадки основания методом послойного суммирования

Используя данные грунтовых условий задачи 2.1 определить среднюю осадку оснований методом послойного суммирования.

.        Геологическую колонку совмещаем с контуром фундамента, находящимся на планировочной отметке.

.        Основание разбиваем на элементарные слои толщиной не более 0,4b = 0,4·2,1 = 8,4 м до глубины 4b так, чтобы в пределах каждого слоя грунт был однородным.

.        Во второй колонке записываем расстояние от подошвы фундамента до низа слоя.

.        В третьей колонке записываем число найденное по формуле

,

где z - расстояние от подошвы фундамента до подошвы слоя, b - ширина фундамента.

5.      α находим методом интерполяции по таблице 7 (методички) в зависимости от соотношения сторон фундамента l/b = 2,7/2,1=1,2 и значения .

.        Напряжение в грунте от собственного веса σ_zq находим по формуле

γ·h,

где γ - удельный вес грунта, кН/м³; h - расстояние от отм. 0,000 до низа слоя.

.        Дополнительное давление

Определяем среднее давление Р_н на подошву фундамента:

,

где N₁ - нагрузка от стены, кН;₂ - нагрузка, передаваемая через колонку здания, кН;- вес фундамента, кН;- площадь фундамента, м².

В связи с тем, что глубина заложения подошвы фундамента принята на отметке - 2,85 м, определим природное давление σ_zg на глубине 2,10 м:

σ_zg,о =.

8.      Напряжение в грунте находим по формуле

σ_zp = Р₀ · α

σ_zp ^ср=

10.    Модуль общей деформации E₁ для песчаных грунтов по таблицам. 1слой - песок Е = 2800кПа

слой - песок е = 0,66 , Е = 28000кПа

слой - песок е = 0,66 , Е = 28000кПа

слой - ил Е = 5000кПа

слой - песок , е = 0,5 , Е = 37000кПа

. Осадка слоя

β=0,8.

Таблица

Список используемой литературы

1.      Механика грунтов: Контрольные работы и методические указания к их выполнению для студентов специальностей 290300, 290700, 290800 заочной формы обучения. - Красноярск: КрасГАСА, 2005. - 45 с.

.        . ГОСТ 25100-95. Грунты. Классификация. - М.: Изд-во стандартов, 1995. - 31с.

.        ГОСТ 30416-96. Грунты. Лабораторные испытания. Общие положения. - М.: Изд-во стандартов, 1996. - 22с.

.        СНиП 2.02.01.-83. Основания зданий и сооружений/Госстрой СССР.-М., 1985. - 41с.

.        Пособие по проектированию оснований зданий и сооружений (к СНиП 2.02.01.-83)/Госстрой СССР. - М.: Стройиздат, 1986. - 415с.

.        СН 528-80. Перечень единиц физических величин, подлежащих применению в строительстве/Госстрой СССР. - М., 1981. - 33с.

.        Гриб С.И. Физические и механические характеристики грунтов. Методы определения: лабораторный практикум/ С.И. Гриб. - Красноярск: КрасГАСА, 2004. - 87с.

.        Далматов, Б.И. Механика грунтов, основания и фундаменты/ Б.И. Далматов. - Л.: Стройиздат, 1988. - 416с.

.        Иванов, П.Л. Грунты и основания гидротехнических сооружений/ П.Л. Иванов. - М.: Высшая школа, 1985. - 352с.

.        Котов, М.Ф. Механика грунтов в примерах/ М.Ф. Котов. - М.: Высшая школа, 1968. - 272с.

.        Маслов, Н.Н. Основы инженерной геологии и механики грунтов/Н.Н. Маслов. - М.: Высшая школа, 1982 -512с.

.        Цытович Н.А. Механика грунтов/ Н.А. Цытович. - М.: Высшая школа, 1983. - 288с.