Механика грунтов

 

Московский  государственный  строительный  университет 
 
 
 
 
 
 
 

Факультет:  Гидротехническое  специальное  строительство. 
 
 
 
 
 

Р Е Ф Е Р А  Т 

По  дисциплине: Механика  грунтов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Москва  2009г. 
 
 

Содержание. 
 

1. Введение. 

2. Состав, строение и состояние грунтов. 

2.1  Грунтовые  основания. Происхождение грунтов. 

2.2  Состав  грунтов. 

2.3  Форма,  размеры и взаимное расположение  частиц в грунте. 

2.4  Структурные  связи между частицами грунта. 

3.  Физические  характеристики, классификация грунтов, строение оснований. 

3.1  Основные  физические характеристики грунтов. 

3.2  Классификация  грунтов. 

3.3  О связи  физических и механических характеристик  грунтов. 

3.4  Геологическое  строение оснований. 

4.   Заключение. 

5.   Литература. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Введение. 
 

    Механика  грунтов, основания и фундаменты вместе с инженерной геологией и  охраной природной среды составляют особый цикл строительных дисциплин. Предметом  его изучения являются материалы, как  правило, природного происхождения  – грунты и их взаимодействие с сооружениями. Если конструкционные материалы приготавливаются технологами так, чтобы они обладали заданными строительными свойствами, то грунты каждой строительной площадки имеют самостоятельную историю образования. Состав, строение и свойства грунтов разных строительных площадок определены природой и могут существенно различаться, требуя каждый раз специального изучения.

    Поведение грунтов под нагрузками сопровождается сложными процессами, во многом отличающимися от поведения конструкционных материалов. Это потребовало разработки специальных экспериментальных методов и теоретического аппарата механики грунтов для описания процессов их деформирования и разрушения.

    Нормальная  эксплуатация здания или сооружения во многом зависит от того, насколько правильно запроектировано и осуществлено его взаимодействие с основанием. Это же в значительной мере влияет на стоимость и сроки строительства.

    Поэтому цель настоящего курса – научить  будущих инженеров-строителей обоснованию  и принятию оптимальных решений по устройству оснований и фундаментов зданий и сооружений промышленного и гражданского назначения в различных инженерно-геологических условиях.

    Курс  состоит из двух частей.

    В первой части «М е х а н и  к а  г р у н т о в» изучаются физические и механические свойства грунтов, методы расчета напряженного состояния и деформаций оснований,  оценки устойчивости грунтовых массивов, давления грунта на сооружения. Основное внимание здесь уделено методам решения задач, наиболее часто встречающихся в практике промышленного и гражданского строительства.

    Механика  грунтов, основания и фундаменты неразрывно связаны с инженерной геологией, изучающей верхнюю часть  земной коры как среду инженерной деятельности человека. Для понимания  механики грунтов необходимо знать дисциплины механико-математического цикла: сопротивление материалов, теорию упругости, пластичности и ползучести, строительную механику, владеть методами математического анализа. Проектирование оснований и фундаментов требует также знания строительных конструкций, технологии строительного производства. Техники безопасности, экономики и организации строительства. Развитие автоматизированного проектирования фундаментов связано с умением специалистов работать с современными ЭВМ, прежде всего с персональными компьютерами. 
 

       
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    2. Состав, строение и состояние грунтов. 
 

    2.1 Грунтовые основания. Происхождение грунтов. 

    Всякое  сооружение покоится на грунтовом основании. В зависимости от геологического строения участка застройки строение основания даже расположенных вблизи сооружений может быть различным (рис. 1.1). Обычно основание состоит из нескольких типов грунтов, которые определенным образом сочетаются в пространстве (сооружения А, В, Г, Д на рис. 1.1). В частном случае основание может состоять из грунта одного типа (сооружение Б на рис. 1.1).  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Сооружение  и основание составляют единую систему. Свойства грунтов основания, их поведение под нагрузками от сооружения во многом определяют прочность, устойчивость и нормальную эксплуатацию сооружения. Поэтому инженер-строитель должен хорошо понимать, что представляют собой грунты, каковы их особенности по сравнению с другими конструкционными материалами (бетон, железобетон, металл, кирпич и т.п.), каким образом залегают грунты в основании сооружений, что определяет свойства грунтов и грунтовых оснований.

    Грунтом называют всякую горную породу, используемую при строительстве в качестве основания сооружения, среды, в которой  сооружение возводиться, или материала  для сооружения.

    Горной  породой называют закономерно построенную совокупность минералов, которая характеризуется составом, структурой и текстурой.

    Под с о с т а в о м  подразумевают перечень минералов, составляющих породу. С т р у к т у р а  -  это размер, форма и количественное соотношение слагающих породу частиц. Т е к с т у р а  -  пространственное расположение элементов грунта, определяющее его строение.

    Термин  «грунт» широко применяют в строительстве, заменяя более широкий термин «горная порода», которая используется в геологии, географии, горном и геолого-разведочном деле. В инженерной геологии термин «горная порода» применяется при описании геологической среды за пределами основания и на допроектных стадиях исследований.

    Горная  порода, а следовательно, и грунт  представляют собой не случайное скопление минералов, а закономерную определенным образом построенную совокупность. Это имеет исключительно большое значение для строительства. Действительно, совокупностей минералов может быть много. Закономерно построенных совокупностей горных пород в природе выделяется большое, но ограниченное количество. Инженерная геология изучает закономерности образования и свойства горных пород как грунтов. Наличие в природе однотипных грунтов, широко распространенных в разных частях Земли, служит основанием для разработки стандартных приемов строительства и применения типовых конструкций фундаментов. Так. Существование слабых водонасыщенных грунтов – илов – уже в древности привело к идее устройства фундаментов; особые свойства не менее широко распространенного лессового грунта потребовали разработки специальных способов строительства и т.п. В связи с этим, прежде чем рассматривать методы расчета и проектирования оснований и фундаментов, необходимо изучить основные типы грунтов, их физические свойства, особенности строения оснований.

    Закономерности  состава и строения грунтов теснейшим  образом связаны с условиями  их происхождения. В инженерной геологии происхождение грунтов детально изучено в разных условий. Происхождение  положено в основу классификации  грунтов (ГОСТ 25100-82).

    Все грунты разделяются на естественные – магматические, осадочные,

    метаморфические – и искусственные – уплотненные, закрепленные в естественном состоянии, насыпные и намывные.

    Магматические (изверженные) горные породы образуются при медленном остывании и отвердении огненно-жидких расплавов магмы в верхних слоях земной коры (интрузивные, или глубинные, породы-граниты, диориты, габбро и др.), а также при быстром остывании излившегося на поверхность земли расплава (эффузивные, или излившиеся, - бальзаты, порфиры и др.)

    Осадочные горные породы образуются в результате выветривания, перемещения, осаждения  и уплотнения продуктов разрушения исходных пород магматического, метаморфического или осадочного происхождения, образовавшихся ранее. В зависимости от степени упрочнения различают сцементированные (песчинки, доломиты, алевролиты и т.п.) и несцементированные осадочные породы (крупнообломочные, песчаные, пылевато-глинистые грунты, лессы, илы, торфы, почвы и т.п.).

    Метаморфические горные породы образуются в недрах из осадочных, магматических или метаморфических пород путем их перекристаллизации под воздействием высоких давлений и температур в присутствии горячих растворов. Наиболее типичные метаморфические горные породы – сланцы, мраморы, кварциты, гнейсы.

    Горные  породы метаморфического, магматического происхождения и сцементированные осадочные породы обладают жесткими связями между частицами и  агрегатами и относятся к классу с к а л ь н ы х  г  р у н т о в. Осадочные  несцементированные породы не имеют жестких связей и относятся к классу  н е с к а л ь н ы х  грунтов.

    В самых верхних слоях земной коры, называемых зоной современного выветривания. Под влиянием колебаний температуры, изменения состояния и химического  состава воды, газов, деятельности растительных и животных организмов и т.п. развиваются процессы выветривания – физического, химического. Органического разрушения минералов и горных пород. Продукты разрушения верхних зон коры выветривания могут перемещаться водой или воздухом, переносится на большие расстояния и вновь откладываться на новых территориях. Различие условий происхождения и дальнейшего изменения являются причиной разнообразия строения, состава, состояния и условий залегания грунтов в верхних слоях земной коры.

    К искусственным скальным грунтам относятся все природные грунты любого происхождения, специально закрепленные материалами, приводящими к возникновению жестких связей (цементные и глинисто-силикатные растворы, жидкое стекло и т.п.). К классу нескальных искусственных грунтов относятся несцементированные осадочные породы, подвергнутые специальному уплотнению в природном залегании, насыпные, намывные грунты, а также твердые промышленные отходы (шлаки, золы и т.п.). 
 
 

    2.2  Состав грунтов. 
 

    Состав  грунтов в значительной мере определяет их физические и механические свойства. В связи с этим он достаточно хорошо изучен в разделе инженерной геологии – грунтоведения.

    В общем случае, с физических позиций, грунт состоит из трех компонентов: твердой, жидкой, газообразной.

    Иногда  в грунте выделяют биоту – живое существо. Это оправдано с общенаучной точки зрения и полезно практически, так как жизнедеятельность организмов может оказывать существенное воздействие на свойства грунтов. Активизация жизнедеятельности бактерий, как правило, снижает прочность грунта, а их отмирание приводит к повышению его прочности. Однако пока свойства биоты не нашли отражения в моделях механики грунтов, и мы будем рассматривать грунт как трехкомпонентную систему.

    Твердая, жидкая и газообразная компоненты находятся  в постоянном взаимодействии, которое активизируется в результате строительства. В зоне влияния промышленных и гражданских сооружений, т.е. на относительно небольших глубинах, в грунтах обычно присутствуют все три компоненты одновременно. На больших глубинах и в некоторых особых условиях грунт может состоять из двух и даже одной компоненты. Например. В зоне вечной мерзлоты в составе грунта может встретится твердая и газообразная компоненты либо только твердая, если все пространство между частицами заполнено льдом. В зоне положительной температуры ниже уровня подземных вод грунт обычно состоит из твердой и жидкой компонент. В механике грунтов такой грунт часто называют «грунтовой массой». Газ в условиях высокого гидростатического давления полностью растворен в воде, но может выделиться из нее при понижении внешнего давления или повышении температуры. При внешних воздействиях, например, от строительства и эксплуатации зданий, однокомпонентная система грунта может переходить в двухкомпонентную, а двухкомпонентная – в трехкомпонентную. При этом, как правило, ухудшаются свойства грунта.