Влияние грунтовых вод на устойчивость и прочность основания

Изменение уровня грунтовых вод после возведения сооружения может резко понизить прочность основания и вызвать серьезные деформации сооружения в следующих случаях:

· при наличии в грунте легкорастворимых в воде веществ грунт с течением времени может резко изменить свои свойства и разрушиться; этого можно опасаться, когда химическим анализом установлено присутствие в грунтовой воде большого количества минеральных веществ. Поэтому во всех таких случаях необходимо обстоятельно изучить состав грунта и определить мероприятия, устраняющие возможность его разрушения;

· при расположении сооружения на мелких и пылеватых рыхлых песках, которые под давлением текут вместе с водой. Такие грунты называются плывунами. Если грунтовые воды имеют выход на поверхность (например, в месте резкого изменения рельефа, при отрытии котлована или шурфа и т. д.), возникает опасность выноса частиц грунта из-под проектируемого сооружения или из-под зданий, расположенных рядом с котлованом.

Поэтому при проектировании сооружения на плывуне необходимо специальными исследованиями установить пределы распространения плывунов, возможность выноса их в местах резких переломов рельефа, характер и рельеф подстилающих грунтов, направление и скорость движения грунтовых вод. На основании этих данных в каждом конкретном случае особо решается вопрос о выборе допускаемого давления на плывун с учетом влияния, которое будет оказано этим давлением на уровень и движение грунтовых вод. Одновременно устанавливаются мероприятия, устраняющие возможность выноса грунта из-под сооружения;

· по всей стране довольно сильно распространены особые глинистые грунты, которые, находясь под нагрузкой в сухом состоянии, ничем не отличаются по характеру работы от других глинистых грунтов, но при прохождении сквозь их толщу воды сразу резко теряют устойчивость. Такие грунты называются лёссовидными, или просадочными. Как показала строительная практика, лёссовидные грунты могут служить основанием для сооружения, если устранена возможность замачивания их.

 

Агрессивность грунтовых вод

Грунтовые воды, способные разрушать цементные бетоны и растворы, называются агрессивными. Агрессивность их зависит от химического состава растворенных в них солей и кислот. Эти вещества попадают в воду из подземных естественных залежей или из отбросов некоторых производств. Поэтому агрессивные воды встречаются повсеместно. Вода даже с малым количеством вредных веществ может оказаться опасной для бетона, так как вследствие непрерывного движения воды на бетон действуют все новые и новые частицы вредных примесей. Поэтому всегда следует производить химический анализ воды. Во всякой воде имеется, хотя бы в ничтожном количестве, углекислота (СО₂). Она может быть связанной (неактивной, неспособной вступать в какие-либо новые соединения) и свободной (активной). Связанная углекислота для бетона безвредна. Свободная углекислота вступает в реакцию с известью бетона и образует растворимые в воде соли. В сильно загрязненной воде, при наличии в ней и свободной углекислоты (СО₂), и сульфатов (S0₄), и хлоридов (Сl), и окиси магния (MgO), путем взаимодействия с бетоном образуются растворимые соли, и потому агрессивность воды зависит от совокупности всех этих примесей. В сравнительно чистой воде при отсутствии хлора (Cl) и свободной углекислоты (СО₂), при наличии солей магния (MgO) и натрия (NaO) в количестве, меньшем 60 мг/л, вредны растворы гипса, так как они ведут к образованию сложных солей («цементная бацилла»), которые увеличиваются в объеме и потому разрушают бетон. Весьма вредны примеси азотной и азотистой кислот и аммиака. Наоборот, кремнекислота в любом количестве безвредна.

 

3.6. Влияние физических и механических характеристик
на строительные свойства грунтов

Характерные свойства грунтов длительное время воспринимать внешние нагрузки при деформациях оснований, не препятствующих нормальной эксплуатации зданий и сооружений, называют их строительными свойствами.

Под действием внешней нагрузки в грунте происходит уплотнение – уменьшение объема пор в результате переупаковки минеральных частиц, а также их взаимного перемещения. Процессы деформаций осложняются из-за наличия сил сцепления между отдельными минеральными частицами и содержания в порах грунта воды, находящейся во взаимодействии с этими частицами.

Крупнообломочные грунты под нагрузкой уплотняются мало. Их несущая способность велика, что объясняется высоким сопротивлением сдвигу. Кроме того, они обладают высокой водопроницаемостью и слаборазмываемы. Насыщение водой практически не оказывает влияния на их строительные свойства.

Несущая способность песков, состоящих из отдельных, не связанных между собой зерен, определяется сопротивлением их сдвигу. Она тем больше, чем шероховатее и крупнее зерна и чем более плотно они расположены. Увлажнение песков приводит к уменьшению их несущей способности, причем влияние этого фактора повышается с уменьшением крупности песков.

Под действием давления сооружения на водонасыщенные песчаные грунты происходит отжатие воды из пор и уменьшение их объема, а следовательно, осадка основания. Песчаные грунты обладают высокой водопроницаемостью, в связи с чем отжатие воды из пор и осадка основания происходят за короткий период. Это является ценным свойством песчаных оснований, так как осадка сооружений происходит преимущественно в процессе строительства, что улучшает условия эксплуатации сооружений.

Важной характеристикой строительных свойств песков является угол внутреннего трения φ. Он возрастает с увеличением их плотности, размеров, твердости и угловатости частиц и уменьшается с повышением влажности, а также при сотрясениях, возникающих при сильных землетрясениях, взрывах и воздействии вибрации. Угол внутреннего трения песка изменяется в зависимости от его плотности от 25 до 45° при средних значениях 30 – 35°.

Плотность сложения сыпучих грунтов имеет первостепенное значение для оценки их строительных свойств при выборе оснований сооружений. О плотности сложения можно судить по коэффициенту пористости грунта е. Чем больше изменение этого коэффициента в заданном диапазоне изменения давления, тем большей сжимаемостью обладает грунт.

В глинистых грунтах, кроме свободной воды, содержится связанная вода, покрывающая отдельные частицы. При увлажнении грунтов пленки связанной воды утолщаются, расстояния между частицами увеличиваются, грунт набухает и переходит из твердого состояния (твердой консистенции) в пластичное (тестообразное), а затем и в текучее, т. е. приобретает свойства вязкой жидкости. Такие переходы сопровождаются резким падением несущей способности грунтов. Это обстоятельство следует учитывать при проектировании и возведении фундаментов сооружений.

Значения характеристик сдвига глинистых грунтов изменяются в широких пределах. Они во многом зависят от их структуры, влажности, гранулометрического и минералогического составов и пр. Степень уплотнения глинистых грунтов характеризуется их консистенцией, т. е. способностью противостоять пластическому изменению формы.

Осадка глинистых грунтов под нагрузкой продолжается в течение длительного времени (годы и даже десятилетия), что объясняется малой водопроницаемостью таких грунтов (особенно глин), затрудняющей отжатие воды из их пор. С этим приходится считаться при использовании глин в качестве оснований сооружений.

На строительные свойства глинистых грунтов отрицательно влияет также низкая температура. При замерзании воды в грунте происходит его пучение (подъем поверхности), что может повлиять в неблагоприятном отношении на устойчивость фундаментов.

Модуль деформации грунтов может изменяться в больших пределах. Для грунтов, используемых в качестве естественных оснований, его значения в зависимости от крупности и плотности сложения песков и консистенции глинистых грунтов колеблются примерно от 5 до 50 МПа, а иногда и больше.

В общей деформации грунтов упругие деформации носят линейный характер, а остаточные – нелинейный. Для плотных или обладающих большой структурной прочностью грунтов первостепенное значение имеют упругие деформации. Для таких грунтов прогноз осадок методами теории упругости дает наибольшее совпадение с фактическим состоянием. Наоборот, чем меньше структурная прочность грунтов или чем меньше плотность сложения, тем большее значение приобретают остаточные деформации и тем больше будет отклонение прогнозируемых осадок от фактических.

 

Вопросы для самоконтроля:

1. Механические свойства грунтов (закон уплотнения).

2. Механические свойства грунтов (закон ламинарной фильтрации).

3. Механические свойства грунтов (закон сопротивления сдвигу).

4. Вопросы для самоконтроля к лабораторным работам №4–5.

 

Тест к разделу 3

 

1. Основными закономерностями, рассматриваемыми в механических свойствах грунтов, являются:

а) закон фильтрации, закон уплотнения, закон сжимаемости;

б) закон уплотнения, закон сопротивления сдвигу, закон фильтрации;

в) закон сопротивления сдвигу, закон сжимаемости, закон деформируемости;

г) закон фильтрации, закон механической устойчивости, закон компрессии.

2. Для оценки прочностных свойств грунтов используются:

а) φ – угол внутреннего трения, с – коэффициент сцепления;

б) φ – угол внутреннего трения, i – гидравлический градиент;

в) E – модуль деформации, с – коэффициент сцепления;

г) m _o–коэффициент сцепления; е – коэффициент пористости.

3. Для оценки деформативных свойств грунта используются:

а) φ – угол внутреннего трения, i – гидравлический градиент;

б) E – модуль деформации, с – коэффициент сцепления;

в) φ – угол внутреннего трения, с – коэффициент сцепления;

г) m _o– коэффициент сжимаемости; E _о–модуль деформации.

4. Закон уплотнения грунта описывается зависимостью:

а) de = – m _o ∙ dp;

б) m _o = tg α;

в) m_v = m _o/ (1+ e _o);

г) τ = σ · tg φ + c.

5. Модуль деформации грунта можно определить:

а) в лабораторных условиях по компрессионной кривой;

б) в полевых условиях с помощью штампов;

в) по таблицам СП 22.13330.2011;

г) все перечисленное верно.

6. Сдвиг грунта – это:

а) процесс изменения формы грунта под действием внешних сил;

б) процесс изменения расположения частиц грунта под действием внешних сил;

в) горизонтальное смещение грунтов в основании;

г) все определения неверны.

7. Универсальный закон сдвига определяется по формуле:

а) ;

б) ;

в) ;

г) .

8. Для сыпучих грунтов универсальный закон сдвига имеет вид:

а) ;

б) ;

в) ;

г) все перечисленное верно.

9. Для обычных глинистых грунтов универсальный закон сдвига имеет вид:

а) ;

б) ;

в) ;

г) все перечисленное верно.

10. При изучении водонепроницаемости фильтрацией называют:

а) очищение воды при прохождении плотных слоев грунта;

б) оседание частиц грунта в плотных слоях;

в) движение свободной воды в порах грунта;

г) процесс появления родниковых вод.

11. Закон ламинарной фильтрации Дарси описывается формулой:

а) ;

б) ;

в) ;

г) _.

12. Гидравлический градиент определяется по формуле:

а) H=m_V/(1+e);

б) ;

в) ;

г) .

13. Грунтовые воды – это:

а) свободные воды, содержащиеся в порах грунта;

б) воды первого от поверхности постоянного водоносного горизонта, залегающие на выдержанном водоупорном горизонте;

в) условная относительная величина, характеризующая водонасыщенность почвы предшествующими осадками;

г) количество влаги, прочно удерживающееся в грунте после полного свободного стекания гравитационной воды.

14. Лучшими строительными свойствами обладает грунт с характеристиками:

а) φ = 20° e = 0,8 E = 26 МПа;

б) φ = 28° e = 0,45 E = 25 МПа;

в) φ = 30° e = 1,1 E = 20 МПа;

г) φ = 32° e = 0,8 E = 25 МПа.

15. Для глины, насыщенной водой, универсальный закон сдвига имеет вид:

а) ;

б) ;

в) ;

г) все перечисленное верно.

16. Как определяется сцепление глинистого грунта?

а) По эмпирическим формулам;

б) по графику зависимости сдвиговых напряжений от уплотняющей нагрузки;

в) по изменению деформаций уплотнения во времени;

г) по сопротивлению грунта сдвигу.

17. Что выражает компрессионная кривая?

а) Зависимость напряжений в грунте от деформаций;

б) относительное изменение коэффициента пористости от приложенногодавления;

в) зависимость коэффициента пористости от нагрузки;

г) зависимость сцепления от нагрузки.

 

 

Перечень рекомендуемой литературы и Интернет-ресурсов

 

Основная литература

4. Далматов, Б. И. Механика грунтов, основания и фундаменты включая специальный курс инженерной геологии: учебное пособие для вузов / Б.И. Далматов. – М.: Лань, 2017.

5. Малышев, М. В. Механика грунтов. Основания и фундаменты (в вопросах и ответах): учебное пособие / М. В. Малышев, Г. Г. Болдырев. – М.: Издательство АСВ, 2015.

6. Цытович, Н. А. Механика грунтов / Н. А. Цытович. – М.: Ленанд, 2014.

 

Дополнительная литература

 

6. Швецов, Г. И. Инженерная геология, механика грунтов, основания и фундаменты / Г. И Швецов. – М.: Высшая школа, 1987.

7. Мангушев, Р.А. Механика грунтов/ Р.А. Мангушев, В.Д. Карлов, И.И. Сахаров – М.: Издательство АСВ, 2015

8. Ухов, С.Б. Механика грунтов, основания и фундаменты /
С.Б. Ухов, В.В. Семенов, В.В. Знаменский, З.Г. Тер-Мартиросян, С.Н. Чернышев. – М.: Высшая школа, 2010.

9. СП 22.13330.2011 «Основания зданий и сооружений». Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*. –М.: Минрегион России, 2011.

Интернет-ресурсы

 

7. http://www.geoteck.ru – ООО «Геотек» Геотехническая продукция, учебные курсы, проектирование, публикации.

8. http://www.know-house.ru – Информационная система по строительству.

9. http://www.gpntb.ru – Государственная публичная научно-техническая библиотека России.

10. http://www.docinfo.ru – «Медиа Сервис» информационное агентство, документация, электронные сборники.

11. https://www.ofmg.ru – Журнал «Основания, фундаменты и механика грунтов».

12. http://www.sciteclibrary.ru – Научно-техническая библиотека.