Реологические свойства грунтов



При оценке свойств грунтов, следует помнить, что эти свойства могут изменяться во времени в силу воздействия процессов выветривания и многолетнего воздействия больших нагрузок. Это проводит к усталости грунтов их структура расслабляется. В грунтах возникают деформации в виде ползучести и даже текучести. Этот процесс называют реологическим. В результате грунт разрушается и деформируется. В последние десятилетия этот процесс наблюдается при строительстве сверх высоких зданий и крупных промышленных объектов.

Под реологическими свойствами грунтов понимают закономерности протекания деформаций и изменение прочности грунта во времени, В дисперсных грунтах эти свойства проявляются в виде релаксации, ползучести и длительной прочности.

Релаксация– процесс перехода упругой деформации в необратимую пластическую, причем процесс протекает длительно и сопровождается постепенным уменьшением напряжений.

Ползучестьюназывают способность грунтов длительно деформироваться при постоянной нагрузке, меньшей чем разрушающая.

Длительная прочность - это постепенно уменьшающаяся прочность грунта при длительном действии нагрузки.

Реологические свойства зависят от структуры грунта, неравномерности распределения напряжений на контактах частиц, неравнопрочности этих частиц и их агрегатов, а так же от величины прилагаемых нагрузок.

При сравнительно небольших нагрузках происходит уплотнение и упрочение грунта, деформации затухают через какой то промежуток времени. В случае значительных по величине нагрузок скорость деформации становится практически постоянной в течении длительного времени (пластическое течение). При больших, длительно действующих нагрузках прочность грунта постепенно уменьшается и будет меньше, чем его прочность при кратковременно действующих давлениях. Это падение прочности для различных грунтов может достигать 30-70 % по сравнению с мгновенной прочностью.        

 

 

Прочность

 

При действии нагрузок на грунт в нем возникают касательные напряжения, стремящиеся сместить одну часть грунта по отношению к другой, что приводит к нарушению прочности основания, либо к потере устойчивости откоса.

В обоих случаях условием прочности является сопротивление сдвигу, обусловленное силами трения в несвязных грунтах, которые действуют на контактах между частицами. Внутреннее трение зависит от размера, формы, характера поверхности и минерального состава песков, а так же степени их уплотненности. Чем крупнее частицы, тем более шероховата их поверхность и чем менее они окатаны, тем их сопротивление трению больше. Это сопротивление выражается коэффициентом внутреннего трения f.

Ш. Кулон установил следующую прочностную зависимость: предельное сопротивление сыпучих грунтов сдвигу есть сопротивление трению, прямо пропорциональное нормальному давлению. Геометрически эта зависимость выражается прямой с системе координат τ (сопротивление сдвигу) и Р (нормальное давление), проходящей через начало координат ( см. рис.13 ) и может быть записано в виде уравнений

τ =fP          и                      τ=P tgφ                        

 

   τ - предельно сдвигающее напряжение, МПА        

     f - коэффициент внутреннего трения песка

     P - нормальное давление, МПА

 

Как видно из графика, f в уравнение прямой представляет угловой коэффициент, равный тангенсу угла наклона прямой к оси давлений

f=tgφ

Угол φ получил название угла внутреннего трения, а уравнение представляет собой уравнение Кулона для несвязных грунтов.

 

Более сложными зависимостями выражается сопротивление сдвигу в связных грунтах, Здесь кроме сил внутреннего трения существуют еще так называемые силы сцепления между частицами, обусловленные наличием внутренних связей. Т. к. эти связи по своему характеру могут быть различны (структурные, цементационные, вводно-коллоидные, связи зацепления), то и сцепление у разных грунтов и даже одних и тех же грунтов, но находящихся в различном фазном состоянии, могут существенно отличаться.

Сцепление зависит от ряда факторов, в часности от степени влажности грунта: а) уменьшение прочности сухой глины при ее увлажнении б) размокание лессовых грунтов, которое сопровождается потерей сплошности в) снижение прочности набухших грунтов после прекращения набухания. Во всех случаях вода приводит к ослаблению внутренних связей: снижает внутреннее трение в грунтах, увеличивает составляющую нормального давления за счет увеличения объемной массы грунта.

Такие природные явления, как сели, оползни, обвалы связаны с изменением консистенции грунта за счет повышения его влажности, ослабления сил внутреннего трения и сцепления и ведут к резкому уменьшению сопротивления грунтов сдвигу.

Силы, обусловленные сопротивлением внутренних связей в связном грунте, как было показано не зависят от нормального давления. В этом случае уравнение Кулона будет иметь вид:

τ=P tgφ + С ,

С - сцепление, МПа                          

                        

Геометрически эта зависимость будет иметь вид прямой в координатах τ – P,

 

но не проходящей через начало координат.


 

На этом графике силы трения по-прежнему характеризуются углом внутреннего трения φ, а сцепление – отрезком, пересекаемым прямой на оси ординат.

Общее сопротивление сдвигу характеризуется коэффициентом сдвига, который определяется по формуле:

               tgψ = tgφ+                                                    

 

ψ-коэффициент сдвига

Для песчаных грунтов  tgψ равен  tgφ и приближенно соответствует углу естественного откоса песков. Для глинистых песков коэффициент сдвига - величина переменная: она уменьшается с увеличением нормального давления. В таких грунтах общее сопротивление сдвигу увеличивается с увеличением содержания глинистой фракции, хотя внутреннее трение при этом уменьшается

 

 

                                     

тема 1: « Инженерная геология»

                  Вопрос 1.27  Основы инженерной геодинамики.

                 Карстовые процессы.

                 Суффозия.

                     Ответ:

 Основы инженерной геодинамики

Геологические процессысмена состояния геологической среды во времени. Геологическое явлениевременное состояние геологической среды.

 

Под геологической средой следует понимать любые горные породы и почвы, слагающие верхнюю часть литосферы, которые рассматриваются как однокомпонентные системы, находящиеся под воздействием инженерно-хозяйственной деятельности человека (массив, территория, стр.площадка, регион, склон и др.) Все процессы приводят к увеличению устойчивости геологической среды.

В инженерной геодинамике изучаются:

 

все современные геологические процессы, имеющие значение при строительстве инженерных сооружений, а также древние геологические процессы, оказавшие определенное влияние на геологическое строение территории.

 Идеально, когда возводимые сооружения вписываются в природную обстановку, не нарушая сложившееся в ней равновесие. Чаще строительство порождает возникновение новых инженерно-геологических процессов.

 

    Совокупность геологических и инженерно-геологических процессов и порождаемых ими явлений характеризует геодинамическую обстановку региона, строительной площадки и т.д.

 

    Факторы, определяющие развитие геологических процессов:

 

- главные – горные породы (среда зарождения процесса)

- обязательный – двигающая сила процесса (вода, климат, напряженноесостояние породы и т.д.)

- обстановка возникновения процесса – природные условия (рельеф, геологическое строение, гидрогеологические условия и т.д.).

-

В зависимости от источников энергии все геологические и инженерно-геологические процессы делятся на:

 эндогенные (внутренние), обусловленные энергией, выделяемой Землей

экзогенные, изменяющие верхнюю часть земной коры, её рельеф (просадочность, карст, суффозия, плывунность и т.д.).

 

Основные группы геологических и инженерно-геологических процессов:

- процессы выветривания;

- геологическая деятельность ветра;

- геологическая деятельность атмосферных вод (образование наносов, образование оврагов, селевые потоки, снежные лавины и др.);

- геологическая деятельность рек;

-геологическая деятельность озер и водохранилищ (заболачивание);

- геологическая работа ледников;

- движение горных пород на склонах (осыпи, обвалы, оползни и др.);

- суффозионные процессы;

- карстовые процессы;

- плывуны;

- просадочные явления;

- сезонная ивечная мерзлота;

 

Карстовые процессы.

Карст – процесс растворения горных пород (известняков, доломитов, гипса, мела) поверхностными и подземными водами с образованием пустот и полостей в породах. Этот процесс нередко сопровождается провалами поверхности Земли.

 

    Основными причинами образования карста являются следующие:

 

1. Породы, относительно легко растворенные в воде.

2. Высокая водопроницаемость (трещиноватость) пород.

3.Наличие свободного водообмена.

К карстующимся или растворимым породам относятся карбонатные, сульфатные, меловые, соляныепороды. В зависимости от типа и состава пород выделяются литологические типы карста: карбонатный, соляный, меловой, гипсовый.

Растворимость карбонатных пород мала (в дистиллированной воде при 250 С растворяется 0,015г/л СаСО3).

Растворимость гипса выше – 2,6г/л.

Сульфатные породы слабо трещиноваты в виду высокой пластичности, а следовательно, слабо водопроницаемы.

Наибольшую опасность представляет сочетание карбонатного и сульфатногокарста, что наблюдается в г.Казани.

    Очень важным условием развития карста является степень водопроницаемости пород. Чем более водопроницаема порода, тем интенсивнее развивается процесс растворения.

 

Наилучшие условия в этом отношении создаются в трещиноватых породах, особенно при наличии трещин шириной не менее 1мм, так как это обеспечивает свободную циркуляцию воды. Вода постепенно разрабатывает трещины в каналы и пещеры. Этот процесс, получивший название коррозии, продолжается до водоупора или уровня подземных вод.

 

Нижеуровня подземных вод поток движется медленно, карстообразования не происходит. В этой части массива происходит цементация трещин за счет отложения из водного раствора кальцита и других веществ.

 

 

По условиям залегания пород по отношению к поверхности Земли выделяется два типа карста: открытый и закрытый.

 

Открытые – карстовые воронки, колодцы, шахты, котлованы.

 

Закрытые – полости, пустоты, пещеры.

 

Для правильного проектирования сооружений в карстовых районах проводятся детальные инженерно-геологические исследования, позволяющие обнаружить и нанести на карту районы карстующихся пород, выделить наиболее опасные участки, где капитальное строительство практически невозможно, определить наличие карстовых форм под землей.

        

По степени активности карстового процесса различают действующий карст

и пассивный, или древний карст, в котором отсутствует циркуляция воды.

При изменении базиса коррозии и другим причинам пассивный карст может перейти в активную форму.

    Возможности возведения сооружения в районе активного карста определяются сроком службы и особенностями его эксплуатации.

 

Одним из профилактических мероприятий при строительстве в карстовых районах является полное прекращение допуска поверхностных и подземных вод к карстующимся породам.

 

 При наличии карстовых пустот и полостей производится:

 

1. Искусственное обрушение кровли пород и заполнение пустот раствором глины, песка, щебня, после этого нагнетают цементный раствор.

 

2. Битумизация пород основания сооружения, в результате чего создается водонепроницаемый барьер и увеличивается прочность.

Суффозия.

Суффозия (от лат. подкапывание) – процесс вымывания мелких частиц из горных пород потоком фильтрующейся воды. Часто сопровождается оседанием вышележащих пород, образованием воронок, провалов.

 

Суффозия имеет двоякую природу,

 

 её характеризуют как химический процесс, основанный на растворении и выносе солей (цемента), содержащихся в породах (химическая суффозия),

и как процесс механический, в результате которого происходит размывание породы, и подземным потоком из породы выносятся мельчайшие её частицы (механическая суффозия).

 

При одновременном действии этих двух видов суффозии применяют термин – химико-механическая суффозия.

 

 

Возникновению суффозии благоприятствуют следующие условия:

 

1. D/d>20, где D иd – диаметры двух смежных фракций грунта;

 

2. Наличие турбулентного движения воды, которые в песках возникает при градиентах напора I>5, при этом критическая величина гидравлического градиента, определяющая возможность возникновения механической суффозии по формуле:

,

где  - удельный вес песка, n – его пористость в долях единицы

 

3. Если отношение коэффициента фильтрации двух контактирующих слоев будет равно 2;

 

4. Суффозия протекает в недоуплотненных до максимальных значений грунтах;

 

5. Возникновение значительных сил гидродинамического давления

,

где  - плотность воды.

 

    Основой всех мероприятий по борьбе с суффозией является прекращение фильтрации воды. Это достигается различными путями:

 

- регулированием поверхности стока атмосферных вод и гидроизоляцией поверхности земли;

--перекрытием места выхода подземных вод тампонированием или присыпкой песка;

-устройством дренажей для осушения пород или уменьшения скорости фильтрации воды;

- упрочнением ослабленных суффозией пород методами силикатизации, цементации, глинизации т. д.;

-применением особых видов фундаментов, например, свайных.

 

 

тема 1: « Инженерная геология»

                   Вопрос 1.28.Основы инженерной геодинамики.

                                         Просадочность.

                                         Оползни.

                                          Плывуны.

                                          Вечная мерзлота.

                       Ответ:

Просадочность. В пылевато-глинистых грунтах необходимо выделять просадочныегрунты, которые под действием внешней нагрузки или собственного веса, при замачивании водой дают дополнительную осадку, называемую просадкой.

Связано это с тем что цементирующие вещества этих горных пород представлены в виде различных солей, которые при относительно низкой влажности достаточно прочные.

Однако при дальнейшем увлажнении эти соли могут растворяться и породы теряют свою структурную прочность и уплотняются даже под действием собственного веса.

Грунты относятся к просадочным при коэффициенте относительной просадочности εsl  > 0,01.

Грунты по просадочности делятся на 2 типа:

1) Если деформации просадки при замачивании от собственного веса составляют Ssl < 5см – грунты относятся к I типу по просадочности;

 

2) Если деформации просадки при замачивании от собственного веса составляютSsl > 5см – то к II типу по просадочности.

Тип грунтовых условий устанавливают на основе лабораторных или полевых испытаний.

Ориентировочно просадочность грунтов можно оценить по коэффициенту водонасыщения (степени влажности) Sr. Если для суглинков и супесей Sr < 0,8, то они, вероятно, являются просадочными.

    Как правило, просадочными являются лессовидные супеси и суглинки, относящиеся к эоловым образованиям.

   Лёсс илессовидные суглинки формируются при определенных условиях в окраинных зонах пустынь и прилегающих к ним обширных по территории степях, а также на горных склонах.

   Лессом называют малосвязную, легко растирающуюся между пальцами неслоистую породу палевого, палево-желтого или светло-желтого цвета, пронизанную тонкими вертикальными круглыми ходами, оставленными отмершими стеблями и корнями растений.

 

В них отсутствуют обычно песчаные частицы крупнее 0,25 мм, но зато преобладает фракция крупной пыли (частицы 0,05–0,01 мм), содержание которого достигает 60-70% по весу.

При строительстве зданий и сооружений на просадочных грунтах необходимо предусмотреть мероприятия по предотвращению значительных деформаций основания. Все методы подразделяются на три группы:

 

1) водозащитные, 2) конструктивные, 3) устраняющие просадочные свойства грунтов.

Водозащитные мероприятия предусматривают планировку территории для отвода поверхностных вод, гидроизоляцию поверхности земли, предохранение зданий от утечек воды из коммуникаций и др.

Конструктивные мероприятия рассчитаны на приспособление зданий к возможным неравномерным осадкам: повышение жесткости стен и прочности стыков, армирование стен поясами, применение свайных (перерезывающих просадочные толщи) и уширенных фундаментов.

 

Устранение просадочности грунтов можно следующими методами:

поверхностное уплотнение, замачивание грунтов, глубинное уплотнение с помощью грунтовых свай и подушек, взрывом а также закреплением грунтом силикатизацией, цементацией, различными солями и др.

Оползни.

Оползни – это скользящее смещение горных пород на склонах под действием силы тяжести и при участии поверхностных или подземных вод.

Оползни явление частное и свойственно склонов, оврагов, искусственных выемок, откосов.

Внешний облик оползневых склонов имеет ряд признаков, по которым всегда можно установить, что склоны находятся в неустойчивом состоянии.

 Там, где происходит отрыв массы пород, образуется серия концентрических трещин, ориентированных вдоль склонов. За счет давления сползающих пород у подошвы склонов формируются валы выдавливания.

Между валами и буграми при определенных условиях скапливаются поверхностные и подземные воды. Это вызывает заболоченность склонов.

Очень часто внешним признаком оползней является так называемый «пьяный лес» и разорванные стволы деревьев. За счет сползания пород стволы деревьев теряют свою вертикальность. На оползневых склонах можно наблюдать разрушенные дома или здания со значительными деформациями в виде трещин.

Для возникновения и развития оползней необходимы некоторые определенные условия.

 Среди них наибольшее значение для склонов имеют: высота, крутизна иформа, геологическое строение, физико-механические свойства пород, гидрогеологические условия.

 Подавляющее большинство оползней приурочено к выходам подземных вод.

Механическая устойчивость склона или степень устойчивости склона определяется соотношением сил, стремящихся столкнуть массу пород вниз по склону и сил, которые сопротивляются этому.

Степень устойчивости склона определяют коэффициентом:

;

Числитель отражает сумму сил, которые сопротивляются возникновению сползания, в знаменателе – сталкивающие силы.

 

Сопротивлению оползню оказывают сцепление и внутреннее трение пород.

К сдвигающим силам относят вес массы породы, вес зданий и сооружений, давление подземных вод и др.

 

При Куст > 1, склон находится в устойчивом состоянии;

 

при Куст = 1, это состояние называют предельным равновесием;

 

при определенных условиях склон может стать оползневым; если Куст < 1, склон находится в неустойчивом состоянии, происходит сползание.

 

Основными причинами оползней следует считать три группы процессов:

 

1. Процессы, изменяющие внешнюю форму ивысоту склона: подрезка склона искусственными выемками, разрушительная работа вод и др.

 

2. Процессы, ведущие к изменению строения ифизико-механических свойств: выветривание, выщелачивание, увлажнение подземными и поверхностными водами и др.

 

 

3. Процессы, создающие дополнительное давление на породы, слагающие склон.

 

Основными мероприятиями являются:

-отвод поверхностных вод,

-устройство дренажей,

-устройство подпорных стенок, свай-шпонок – нижняя часть свай входит в устойчивую часть склона и удерживает оползневое тело, контрбанкетов в виде пригрузки грунтов в основании склона,

-закрепление грунтов силикатизацией, цементацией, электрохимическими и другими способами.

Плывуны

Плывуныводонасыщенные рыхлые породы, обычно пески, которые при вскрытии их различными выработками переходят в движение и ведут себя подобно тяжелой, вязкой жидкости.

Причины: изменение естественных гидродинамических условий, резкое изменение давления при вскрытии котлована, траншей и т.д.

Различают ложные и истинные:

ложные – это пески, гравий, галька, не обладающие прочными связями между отдельными частицами. Переходят в плывунное состояние при значительных гидродинамических давлениях. Характерная особенность - легко отдают воду, а при высыхании образуют рыхлую,слабоцементированную массу; вода светлая, слабо-мутная при откачке.

Истинные – глинистые пески, характерно – слабая отдача воды и вода мутная. При высыхании плывуны образуют сцементированную массу.Плывут в основном за счет физически связанной воды.

При возможности появления плывунов необходимо учитывать глубину и условия залегания, физико-механические свойства грунтов, гидрогеологические условия.

Меры борьбы:

а) искусственное осушение грунтов в период строительства;

б) крепление плывунов с помощью специальных ограждающих крепей;

в) закрепление этих грунтов путем изменения их свойств с помощью искусственного замораживания, цементации, силикатизации, электрохимических способов;

г) использование при проходке подземных выработок повышенного давления, уравновешивающего давление воды плывуна.


Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 388; ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ