Современные проблемы науки и образования. Состояния пылевато-глинистых грунтов Конструирование малозаглубленных фундаментов

Число пластичности и показатель текучести пылевато-глинистого грунта.

Для пылевато-глинистых грунтов первостепенное значение имеет не общий зерновой (гранулометрический) состав, а содержание мелких и мельчайших частиц (плоскочешуйчатых или тонкоигольчатых мономинеральных частиц размером не менее 0,005 мм ) и, главное, диапазон влажности, в котором грунт будет пластичным.

Этот диапазон влажности характеризуется так называемым числом пластичности J Р и равен разности между двумя влажностями, соответствующими двум состояниям грунта: на границе текучести W L и на границе раскатывания (пластичности) W P:

J Р = W L – W P .

Граница текучести W L соответствует влажности, при которой грунт переходит в текучее состояние, а граница раскатывания W P – влажности, при которой грунт теряет свою пластичность.

В зависимости от числа пластичности выделяются три типа пылевато-глинистых грунтов: супесь , суглинок и глина (таблица 2 ГОСТ 25100-82).

Характерные влажности достаточно хорошо определяют физическое состояние пылевато-глинистых грунтов, которое в зависимости от содержания воды меняется в значительных пределах и может быть твердым, пластичным и текучим. Характеристикой состояния является консистенция, под которой понимается густота и в известной мере вязкость глинистых грунтов, обуславливающие их способность сопротивляться пластическому изменению формы. Числовой характеристикой консистенции является показатель текучести – J L , определяющий выражением

где W – влажность грунта в естественном состоянии.

Разновидность пылевато-глинистых грунтов по показателю текучести определяется по таблице 2 ГОСТ 25100-82.

Показателем текучести пользуются при выборе глубины заложения фундаментов, определении условного расчетного давления на грунты оснований по таблицам СНиП и в других случаях.

Необходимое оборудование и материалы:

o грунт (сухой и влажный);

o эксикатор, шпатель (нож);

o колба с водой, бюксы – 2 шт;

o балансирный конус;

o стандартный металлический стаканчик с подставкой;

o технический вазелин, чашка;

o весы с разновесами.

Подготовительные работы

Проба грунта была высушена до воздушно-сухого состояния, размельчена в фарфоровой ступке пестиком с резиновым наконечником и просеяна через сито с отверстиями 1 мм . Часть грунта была увлажена водой до состояния густого теста при перемешивании шпателем и выдержана в эксикаторе не менее 2 часов для равномерного распределения влаги.

Определение границы текучести

Граница текучести характеризуется влажностью (в долях единицы) грунтового теста, при которой стандартный конус погружается в него под собственным весом на глубину 10 мм за 5 секунд . Определение границы текучести и состоит в подборе такой влажности грунта.

Балансирный конус (рис. 3) с углом при вершине 30 °С имеет на расстоянии 10 мм от острия круговую риску. К основанию конуса прикреплено балансирное устройство в виде двух металлических грузов на концах стального прута. Общий вес прибора составляет 76 г .

Рисунок 3 - Приборы для определения границы текучести

Ход работы:

1. Грунтовое тесто тщательно перемешивают шпателем и укладывают небольшими порциями (без образования пустот) в металлический стаканчик; поверхность грунта выравнивают шпателем в уровень с краями стаканчика, который затем устанавливают на подставку.

2. К поверхности грунта подносят острие конуса, смазанное тонким слоем вазелина, и опускают, позволяя ему погрузиться в грунт в течение 5 с под собственным весом.

3. Погружение конуса за 5 сек на глубину менее 10 мм показывает, что влажность грунта еще не достигла границы текучести. В этом случае грунтовое тесто перекладывают в чашку и после добавления воды и тщательного перемешивания повторяют опыт. Если конус погрузился в глубину более 10 мм , следует добавить сухого грунта, перемешать его и повторить опыт.

Классификация песчаного и глинистого грунта

Для оценки строительных свойств грунтов производиться их классификация согласно СТБ 943-2007, включающая следующие таксономические единицы, выделяемые по группам признаков:

Класс - по характеру структурных связей;

Группа - по происхождению;

Подгруппа - по условию образования;

Тип - по петрографическому и гранулометрическому составу, числу пластичности;

Вид - по структуре, текстуре, составу цемента и примесей, содержанию заполнителя и включений, гранулометрическому составу и степени его неоднородности, пористости, относительному содержанию органического вещества, степени зольности, по способу преобразования, степени уплотнения от собственного веса, давности намыва;

Разновидность - по физическим, механическим, химическим свойствам и состоянию.

Песчаные - несвязанные грунты, сложенные угловатыми и окатанными обломками минералов размером от 2 до 0,05 мм. Основная масса состоит из кварца и полевых шпатов. Песчаные грунты подразделяются:

По гранулометрическому составу (гравелистый, крупный, средний, мелкий, пылеватый);

По показателю максимальной неоднородности U max (однородный (U max ? 4), среднеоднородный (4 < U max ? 20), неоднородный (20 < U max ?40), повышенной неоднородности (U max > 40));

Степени влажности (маловлажные (0 < S r ?0,5); влажные (0,5 < S r ?0,8); водонасыщенные (0,8 < S r ?1));

Прочности (сопротивлению грунта при зондировании) (прочный, средней прочности, малопрочный).

Для определения классификации песчаного грунта рассчитаем степень влажности S r по формуле

где w - природная влажность в долях единиц;

Плотность частиц грунта;

е - коэффициент пористости;

Плотность воды.

Так же определим коэффициент пористости е по формуле

р - плотность грунта;

w - влажность.

Подставив значения в формулы (1.2)

при: =2,67 г/см 3

2,14 г/см 3

Так же подставим значения в формулу (1.1)

при: e = 0,46

2,67 г/см 3

Рассчитав степень влажности песчаного грунта, определим классификацию песчаного грунта по водонасыщению при помощи таблицы 1.1

Таблица 1.1 - Классификация песчаного грунта по водонасыщению

По данным таблицы 1.1 можно сделать вывод, что данный песок относится к классу водонасыщенные.

Определим плотность сложения песка при помощи коэффициента пористости по таблице 1.2

Таблица 1.2 - Подразделение песчаных грунтов по коэффициенту пористости

Так как коэффициент пористости равен 0,46 и песок мелкий, то данный песок является плотным. Исходя из всех расчетов, определим условное расчетное сопротивление R 0 песчаных грунтов при помощи таблицы 1.3

Таблица 1.3 - Условное расчетное сопротивление R 0 песчаных грунтов

Так как песок мелкий и водонасыщенный, а коэффициент пористости е равен 0,46, то расчетное сопротивление будет равно 300 кПа.

1 Построение геологической колонки

Средне-, крупномасштабные и детальные геологические карты обычно сопровождаются геологическими разрезами и стратиграфической колонкой.

Осадочные, вулканические и метаморфические горные породы обычно залегают слоями, или пластами. Слоем называется более или менее однородный, первично обособленный осадок (или горная порода), ограниченный поверхностью наслоения. Помимо термина "слой", в практике часто употребляется термин "пласт", который обычно применяется по отношению к полезным ископаемым, например к углю, известняку и т.д. Пласт может заключать в себе несколько слоев. Однородность слоев может быть выражена в составе, окраске, текстурных признаках, присутствии одинаковых включений или окаменелостей. Когда говорят о слоистых толщах, подразумевают чередование слоев. Переход от одного слоя к другому может быть резким или постепенным. Поверхности, разграничивающие слои или пласты, обычно бывают неровными. Они носят название поверхностей наслоения. Верхняя из них называется кровлей слоя, нижняя - подошвой. Расстояние между кровлей и подошвой слоя (или пласта) характеризует его мощность.

Различают три вида мощностей: истинную, видимую и неполную

Рисунок 1.1 - Схема определения мощности пласта

А - различные виды мощности слоя (пласта): аа - истинная, бб, вв - видимая, гг, дд - неполная; Б - определение мощности горизонтально залегающего слоя: h- истинная мощность; а - видимая мощность; б - ширина выхода слоя; б - угол наклона поверхности; цифры - абсолютные отметки кровли и подошвы слоя.

Пример: истинная мощность h = 187м - 163м = 14м или h= sin б

Истинной мощностью называется кратчайшее расстояние между кровлей и подошвой. Любое другое расстояние между кровлей и подошвой представляет собой видимую мощность. Если измеряют расстояние от кровли или от подошвы слоя (или пласта) до любой поверхности, находящейся внутри слоя (или пласта), говорят о неполной его мощности. При горизонтальном залегании и выровненном рельефе земной поверхности для определения мощности пород проводятся выработки или бурятся скважины. Если рельеф неровный, то истинную мощность горизонтального слоя можно получить путем вычисления: установив тем или иным способом абсолютные высотные отметки кровли и подошвы пласта, вычисляют разность между ними, которая и будет составлять истинную мощность (187м-163м=14м). Можно определить также истинную мощность, измерив предварительно видимую мощность (расстояние по склону между кровлей и подошвой) и угол наклона склона. Истинная мощность будет равна видимой мощности, умноженной на синус угла наклона склона (h = a sinб). Кратчайшее расстояние между кровлей и подошвой слоя на геологической карте называется шириной выхода слоя.

До начала проектирования любого здания или сооружения необходимо:

Изучить местный опыт строительства;

По отчету инженерно-геологических изысканий ознакомиться с напластованием грунтов и положением уровня подземных (грунтовых) вод на строительной площадке и ожидаемым во время строительства и эксплуатации сооружения;

Установить нормативные и расчетные характеристики грунтов каждого слоя для расчета по предельным состояниям;

С учетом напластования грунтов наметить наиболее рациональное размещение (если оно не задано) сооружения на участке строительства.

По данным изысканий оцениваются инженерно-геологические условия, приводимые в отчете или заключении. Напластование грунтов оценивается по разрезам и колонкам скважин.

Характерными напластованиями грунтов являются:

Однородный слой грунта в пределах большой глубины;

Слоистое напластование, когда слои грунта относительно горизонтальны и каждый подстилающий слой менее сжимаем, чем несущий;

Сложное, когда слои грунта выклиниваются, залегают линзообразно или имеются сильно сжимаемые грунты.

Особое внимание должно уделяться оценке уровня грунтовых вод, его сезонным колебаниям, возможным изменениям вследствие возведения сооружения, их агрессивности по отношению к материалу фундаментов. Масштаб геологической колонки принимаем 1:100. Абсолютная отметка устья скважины (точка пересечения ствола скважины с поверхностью земли) равна +135,6 м. Мощность первого слоя равна глубине залегания его подошвы. Абсолютные отметки подошвы слоев определяют как разность абсолютной отметки устья скважины и глубины залегания подошвы соответствующего слоя. В середине графы двумя линиями обозначают ствол скважины и с обеих сторон от ствола показывают условными обозначениями литологический состав пород каждого слоя. Ствол скважин в интервалах развития водоносных слоев затемняют. Исходные данные (таблицы 1-2).

Tаблица1.1- Физические характеристики песчаного грунта(слой№1)

Таблица1.2- Физические характеристики глинистого грунта(слой№2)

Классификация глинистого грунта

Пылевато-глинистые грунты - группа осадочных пород с преобладанием тонких фракций(<0,01 мм). Состоят из глинистых минералов, а также минералов обломочного(слюда, кварц, полевые шпаты) и химического(карбонаты, сульфаты) происхождения. Занимают около 60% объёма осадочных пород. Происхождение- обломочно-химическое.

Пылевато-глинистые грунты подразделяются:

По числу пластичности I p:

супесь- 1? I p ?7; суглинок- 7< I p ?17; глина- I p >17;

По показателю текучести I l:

супеси бывают:

ь твердые, I l < 0;

ь пластичные, 0 ? I l ? 1;

ь текучие, I l ? 1;

суглинки и глины бывают:

ь твердые, I l < 0;

ь полутвердые, 0 < I l ? 0,25;

ь тугопластичные, 0,25 < I l ?0,5;

ь мягкопластичные, 0,5 < I l ?0,75;

ь текучепластичные, 0,75 < I l ? 0,1

ь текучие, I l ? 1;

По прочности (очень прочные, прочные, средней прочности и слабые)

Для определения характеристик глиняного грунта определим число пластичности и показатель текучести.

Определим число пластичности по формуле

I p = w l - w p (3.1)

Подставим значения в формулу (3.1)

при w p = 18%

получим I p = 35 - 18 = 17

Зная процентное число пластичности можно определить к какой классификации грунтов относится наш глинястый грунт. Т.к. I p = 17 то грунт состоит из суглинка.

Определим показатель текучести по формуле

где w l - влажность на границе текучести, %;

w p - влажность на границе раскатывания, %;

w - природная влажность, %.

при w p = 18%

получим что

Зная показатель текучести определим классификацию глинистого грунта по консистенции, т.к. I l = 0,29, то суглинок относится к тугопластичным.

Для определения расчетного сопротивления R 0 необходимо знать также коэффициент пористости е:

грунт песчаный глинистый пористость

где - плотность частиц грунта;

р - плотность грунта;

w - влажность.

Подставим значения:

2,71 г/см 3

р = 1,95 г/см 3

Расчетное сопротивление R 0 находится для значения е = 0,71 путем интерполяции сначала по коэффициенту пористости е между е = 0,7 и е = 1 при I l = 2,5, затем интерполяция по показателю текучести I l между I l = 0 и I l = 1 для значения I l = 0,29. Данные для определения расчетного давления глинистого грунта приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Условные расчетные сопротивления глинистых грунтов (только для суглинка).

Интерполяция по е при I l = 0:

изменение?е = 1 - 0,7 = 0,3 соответствует изменению

R 0 = 25 - 20 = 5;

изменение?е = 0,71 - 0,7 = 0,01 соответствует изменению

R 0 = 25 - 0,17 = 24,83 МПа.

Интерполяция по е при I l = 1: изменение?е = 1 - 0,7 = 0,3 соответствует изменению? R 0 = 18 - 10 = 8; изменение?е = 0,71 - 0,7 = 0,01 соответствует изменению

R 0 = 18 - 0,27 = 17,73 МПа.

Интерполяция по Il = 1 при е = 0,71 ? Il = 1 - 0 соответствует 24,83 - 17,73 = 7,1.

R 0 = R 0 = 24,83 - 2,059 ? 22,771 МПа.

Составим таблицу (3.2).

Таблица 3.2 - Результаты интерполяции R 0

Определим прочностные и деформационные характеристики суглинка тугоплатичного. По исходным данным I l = 2,9 и е = 0,71 из таблицы (3.3) находим нормативное значение угла внутреннего трения ц n = 21 град, удельного сцепления грунта С n = 23 кПа и нормативное значение модуля деформации Е n = 14МПа.

Таблица 3.3 - Нормативные значения удельных сцеплений, углов внутреннего трения, значений модулей деформации (только для суглинка).

Постройка дома на пылевато-глинистом грунте имеет свои особенности и требования. В этой статье вы узнаете о видах пылевато-глинистого грунта, их особенностях и типах фундаментов, которые можно закладывать на таком типе грунта.

Пылевато-глинистые грунты относятся к пучинистым грунтам и могут накапливать влагу. При низкой температуре влага замерзает (кристаллизируется) и превращается в лед, увеличиваясь в объеме. Этот процесс называется силой пучения, которая приподнимает дома, дает напряжение на нижние и боковые стены строения, разрушает некачественные кладки кирпича и блоков основания. В знойный период пучинистая почва оседает.

Виды пылевато-глинистых грунтов:

• грубопесчаные и мелкопесчаные супеси (рыхлые горные породы).
• суглинок (почва с преимущественным содержанием глины и значительным количеством песка).

Примечание: Jр (число пластичности) определяется в лаборатории.

Глинистые частицы – активные компоненты, обладающие чешуйчатой формой. Они придают грунту связность, пластичность, набухаемость, липкость, водонепроницаемость.

Основные отличия связных и несвязных грунтов

Возведение конструкций на пылевато-глинистом грунте

Пылевато-глинистый грунт является влагосодержащим, подвергается влиянию низкой температуры, увеличивается в объеме и поднимает фундаментные конструкции. Неравномерность подъема накапливается. Затем, конструкции подвергаются деформациям и разрушаются. Легкие малоэтажные помещения на таком грунте страдают больше всего.

Затратные фундаменты (глубокие монолитные конструкции) не рентабельны для постройки малоэтажных домов. Решить вопрос о возведении фундамента на пучинистом грунте можно с помощью мелкозаглубленных оснований (погруженность в грунт составляет 0,2-0,5 м) или незаглубленных фундаментов (на поверхности).

В отличие от заглубленного фундамента, заложенного в пучинистый грунт, мелкозаглубленные основания меньше подвержены касанию грунта. Незаглубленные фундаменты полностью защищены от вспучивания.

Конструирование малозаглубленных фундаментов

• Ленточные фундаменты несущих стен и перегородок объединяются в сплошную горизонтальную раму, распределяющую нагрузки.

• Столбчатые конструкции подразумевают формирование рамы из бетонных балок, жестко соединяющихся между собой на опорах.

Если пылевато-глинистый грунт не предполагает высокой степени вспучивания, то фундаментные детали устанавливаются свободно, не соединяясь между собой.

Имея дешевые стройматериалы (песок, гравий, щебенка, балласт) или скалистые грунты вблизи возведения фундамента, под основанием целесообразно сделать уплотняющий слой толщиной на 2/3 нормативной высоты замерзания.

На почве с глубиной замерзания до 1,7 на легковозводимых фундаментах можно строить небольшие здания из следующих стройматериалов:

• дерева;
• кирпича и камня;
• монолитных панелей;
• железобетонных блоков.

Использование мелкозаглубленных конструкций сокращает расход бетона на 50-80%, трудовые затраты — на 40-70%.

1. Материковый грунт

2. Бетонная отмостка

3. Слой гидроизоляции (рубероид)

4. Капиллярная гидроизоляция (ПЭ пленка)

5. Гумусный слой

6. Обратная засыпка

7. Забутовка из ПГС (пескогравийная смесь)

8. Ж/б лента фундамента

9. Арматура

Дренажная конструкция

• Точечный или линейный водоотвод, направленный в канализацию. В период дождей или оттепели с поверхности, окружающей здание вода не будет накапливаться на участке.
• Глубинный водоотвод. Установка подземной глубинной конструкции включает в себя водоприемник, дренажный колодец. Затем выкапывают траншею под закрытый коллектор, передающий воду из труб в водоприемник.
• По периметру объекта устанавливают бетонные или асфальтные отмостки, толиной 1 м и наклоном 0,03.

В процессе гидроизоляции фундамента не следует проводить монтаж ввода системы водоподачи с нагорной стороны помещения. При эксплуатации конструкций не менять условия, проектирования быстровозводимых фундаментов.

Наружное вертикальное и горизонтальное утепление мелкозаглубленного фундамента

• Касательное (боковое) утепление

Отмостка (полоса по периметру конструкции, обладающая прочной водонепроницаемой поверхностью) с утеплителем улучшают температурный режим в зоне фундамента, защищая здание от перепада температуры.

Тепловую изоляцию обеспечивают листы экструдированного пенополистирола (ЭПП) либо напыление пенополиуретаном.

• Горизонтальное утепление

Под фундаментами организовываются уплотняющие почву подушки толщиной 20-30 см из крупного гравельного песка, щебенки или шлака. Они заменяют собой глинистый грунт на непучистый. Последний вариант влияет на снижение неравномерных деформаций здания. Глубина и высота слоя вычисляется по формулам, известным опытным технологам.

Пылевато-глинистые грунты относятся к пучинистым грунтам. Поэтому во время сезонных изменений они влияют на основание здания — поднимают фундамент или оседают, разрушая строение. Для строения на этом виде почвы применяют малозагубленные ленточные и столбчатые фундаменты.

К вычисляемым характеристикам глинистого грунта кроме плотности сухого грунта ρ d , пористости n , коэффициента пористости е и степени влажности S r , которые определяются аналогично песчаным грунтам, относятся число пластичности I Р и показатель текучести I L . Данные характеристики также считаются классификационными, т.к. по I Р и I L производят классификацию грунтов. Число пластичности определяется по формуле: I P = W L - W Р . Эта характеристика косвенно отражает количество глинистых частиц в грунте и используется для определения наименования глинистого грунта по табл. 5.3.

Таблица 5.3

Типы глинистых грунтов

Показатель текучести I L определяется по формуле: I L =( W - W Р )/ I P , где w - природная влажность грунта в долях единицы.

Показатель текучести используется для определения состояния (консистенции) глинистого грунта по табл. 5.4.

Таблица 5.4

Разновидности глинистых грунтов

По окончании лабораторной работы определяют наименование и состояние глинистого грунта, а также его расчетное сопротивление по табл. 5.5 при проектировании оснований зданий и сооружений.

Таблица 5.5

Расчетные сопротивления r0 глинистых (непросадочных) грунтов

Значения всех вычисляемых характеристик грунта записывают в журнал.

По окончании лабораторной работы определяют наименование и состояние глинистого грунта, а также его расчетное сопротивление по табл. 2.3 при проектировании оснований зданий и сооружений или условное сопротивление по табл. 5.6 при проектировании оснований мостов и труб.

Таблица 5.6

Условное сопротивление глинистых грунтов

Примечания:

1. Для промежуточных значений JP и е, R0 определяется по интерполяции.

2. При значениях числа пластичности J P в пределах 5 - 10 и 15 - 20 следует принимать значения R 0 , приведенные в таблице, соответственно для супесей, суглинков и глин.

Вопросы для самоконтроля

Что такое плотность частиц грунта?

Как определяется плотность глинистого грунта?

Что такое влажность грунта и как она определяется?

Как определяется влажность на границе текучести?

Что такое граница раскатывания и как она определяется?

Что такое число пластичности и для чего оно определяется?

Для чего определяется показатель текучести?

Как определяется наименование и состояние (консистенция) глинистого грунта?

Как влияет влажность глинистого грунта на его расчетное (условное) сопротивление?

Что необходимо знать для определения расчетного (условного) сопротивления глинистого грунта?