Определение физико-механических характеристик грунта

УДК 624.04.014.6

И62

Р е ц е н з е н т – доц., канд. техн. наук А.М. Борисов

Инженерная геология и геомеханика: метод. указания к выпол. курс. работы для студ., обуч-ся по направ. подгот. 08.03.01 «Строительство» / сост. – М.В. Горохова, А.В. Иванов – Н.Новгород: Изд-во ФГБОУ ВО «ВГУВТ», 2016. – 44 с.

Цель методических указаний к курсовой работе – научить студента проектировать один из видов гидротехнических сооружений, а именно подпорную стенке. Приведенные сведения об особенностях расчетов подпорных стенок на естественном основании и при использовании свайного фундамента помогут обучаемым освоить дисциплину «Инженерная геология и геомеханика», необходимую для выполнения проектирования.

Для студентов очного и заочного обучения.

Работа рекомендована к изданию кафедрой теории конструирования инженерных сооружений (протокол № 5 от 27.05.2015 г.).

ФГБОУ ВО «ВГУВТ», 2016

Исходные данные для проектирования

Необходимые числовые значения и тип подпорной стенки (рис.1, 2) выбираются в приложении 1 по таблицам П.1, П.2 и П.3 – по двум последним цифрам шифра из зачетки.

Отчетным документом курсовой работы является пояснительная записка.

Рекомендуемые линейные масштабы 1: 50 и 1: 100.

В пояснительной записке необходимо привести все расчеты по схеме формула – подстановка – результат – единицы измерений, с пояснениями формул и выполненных действий.

Рис. 1 Схема подпорной стенки типа «а»

Пример исходных данных к курсовой работе

Тип стенки………………………………………………………… «а»

Ширина верхней грани b_г………………………………………. 0, 4м

Удельный вес материала стенки γ _ст………………………...23 кН/м³

Глубина воды у стенки h_w…………………………………… 8, 0 м

Возвышение стенки над уровнем акватории h_н…………..…. 2, 2 м

Полезная нагрузка на кордоне q……………………………. 40 кПа

Глубина заложения подпорной стенки d…………………….. 0, 6 м

Грунт основания…15………………………………………… супесь

Удельный вес твердых частиц γ _s………………………26, 7 кН/м³

Удельный вес природного грунта γ _o……….…………19, 9 кН/м³

Природная влажность грунта W………………..…………….0, 22

Влажность на границе текучести W_L…………..………….......0, 26

Влажность на границе раскатывания W_P…………………..….0, 19

Грунт засыпки…3……………………………………. песок крупный

Удельный вес твердых частиц γ _s …………………….. 26, 5 кН/м³

Удельный вес природного грунта γ _o …………….…… 19, 5кН/м³

Природная влажность грунта W …………..………………. 0, 16

Рис. 2. Схема подпорной стенки типа «б»

Определение физико-механических характеристик грунта

По имеющимся исходным данным вычислить физические характеристики грунтов основания и засыпки в зависимости от типа грунта.

Для песчаных грунтов необходимо использовать формулы (2.1) – 2.5, для глинистых грунтов формулы (2.1) – (2.3) и
(2.5) – (2.7).

Удельный вес сухого грунта (скелета)

(2.1)

где W – природная влажность грунта;

удельный вес природного грунта.

Коэффициент пористости

(2.2)

где удельный вес твердых частиц.

Пористость

(2.3)

Степень влажности

(2.4)

где =9, 81 кН/м³ удельный вес воды.

Удельный вес грунта во взвешенном состоянии

(2.5)

Число пластичности

(2.6)

Показатель текучести

(2.7)

По вычисленным характеристикам требуется определить окончательное название грунта, используя таблицы П.4 – П.7 приложения 2.

Пример окончательного названия грунта: грунт засыпки слагает песок крупный, средней плотности (0, 55< e = 0, 64< 0, 7), влажный (0, 5< S_r = 0, 66< 0, 8).

Проектирование подпорной стенки и проведение проверок по различным условиям требует знания расчетных механических характеристик грунта. Зная физические характеристики можно определить нормативные значения: угла внутреннего трения, удельного сцепления и модуля деформации. Определение ведется линейной интерполяцией с помощью таблиц П.8 и П.9 приложения 2.

Расчетные значения механических характеристик грунтов:

;	(2.8)
;	(2.9)
,	(2.10)

где нормативный угол внутреннего трения;

нормативное удельное сцепление;

нормативный модуль деформации грунта;

коэффициент надежности.

Коэффициенты надежности принимают следующие значения:

– по удельному сцеплению для песчаных и глинистых грунтов =1, 50;

– по углу внутреннего трения: песчаные грунты =1, 10, глинистые =1, 15;

– по модулю деформации для всех типов грунта =1, 05.

Построение эпюры давления грунта засыпки

На подпорную стенку

Активное (максимальное) давление на подпорную стенку со стороны грунта возникает в момент потери устойчивости стенки. Потеря устойчивости сопровождается возникновением за стенкой призмы обрушения.

Для определения активного давления грунта используется теория прочности Кулона-Мора. По значениям давления грунта строится эпюра на вертикальной плоскости. Вертикальная плоскость проходит по касательной к задней грани консоли подпорной стенки. Рассматривая равновесие элементарной грунтовой призмы, получим величину давления через главные напряжения:

(3.1)

где коэффициент активного давления грунта засыпки;

;

(3.2)

– вертикальное давление в любой точке i -го слоя;

– удельный вес грунта засыпки i -го слоя;

– ордината точки, отсчитываемая от поверхности засыпки.

Эпюра бокового давления (рис. 3) строится по значению давления в трех точках, в предположении линейной зависимости от высоты давления грунта на стенку:

1) на уровне поверхности засыпки

;

(3.3)

2) на уровне грунтовых вод

;

(3.4)

3) на уровне подошвы стенки

(3.5)

Точка приложения равнодействующей бокового давления грунта относительно подошвы стенки определяется как частное от деления статического момента площади эпюры на площадь эпюры.

Рис. 3 Эпюра активного давления грунта засыпки на подпорную стенку

Площадь эпюры необходимо разбить на элементарные фигуры: прямоугольники и треугольники. Отсюда равнодействующая активного давления определяется условием:

(3.6)

где ;

;

Ординаты элементарных фигур находится по зависимостям относительно подошвы стенки:

;

Точка приложения равнодействующей активного давления относительно подошвы стенки определяется по формуле:

(3.7)

Полученный результат необходимо проверить по неравенству:

Вариант ростверка с вертикальными сваями

Необходимое количество свай для свайного фундамента определяется расчетом на вертикальную и горизонтальную нагрузку, при этом принимается наибольшее из полученных значений. В расчет берется условная ширина подпорной стенки длиной 10 пог.м. Для нее количество вертикальных свай в строительном и эксплуатационном случае определяется из условия:

(11.1)

где N – равнодействующая всех сил в строительном (N_стр) и эксплуатационном (N_экс) случае, кН;

несущая способность сваи на вертикальную нагрузку, кН.

Полученное число свай округляется в большую сторону до целого числа.

Несущая способность одиночных свай висячего типа принимается как наибольшая из двух вариантов несущей способности по грунту основания и по прочности материала свай.

Геометрические характеристики сваи определяются по формулам:

; ; ,

где А – площадь поперечного сечения сваи, м² ,

I_c_в – момент инерции площади поперечного сечения сваи, м⁴,

U – наружный периметр поперечного сечения сваи, м.

Несущая способность сваи по грунту основания определяется по формуле:

(11.2)

где γ _с – коэффициент условия работы сваи в грунте, принимается 0, 85,
если размер сечения сваи a ≤ 0, 30 м и γ _с =1, 0 в остальных
случаях;

γ _с_R, γ _cf – коэффициенты условий работы под нижним концом сваи и на боковой поверхности. Определяется интерполированием по табл. П.12 прил. 2;

R – расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа. Определяется интерполированием по табл. П.10 прил. 2;

;

f – расчетное сопротивление слоя грунта по боковой поверхности сваи, кПа. Определяется интерполированием по табл. П.11
прил. 2;

; ;

h_св– толщина слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м;

h_ср – средняя глубина забивки сваи, м.

По прочности материала несущая способность сваи определяется зависимостью:

(11.3)

где R_б = 15–22 МПа – расчетное сопротивление сжатию торца железобетонной сваи.

При расчете свай на горизонтальную нагрузку на 10 пог.м стенки количество вертикальных свай определяется из условия:

(11.4)

где несущая способность свай на горизонтальную нагрузку, кН,

здесь β – коэффициент пропорциональности, β = 2 для глинистых и β = 3 для песчаных грунтов в основании;

Δ _г – расчетное перемещение головы сваи, обычно Δ _г = 0.01 м,

Е_б – модуль деформации бетона сваи, Е_б = 2, 6· 10⁷ кПа,

l_o – глубина заделки свай в грунт, принимается по табл. П13 прил. 2.

Глубина заделки сваи показывает на сколько метров от поверхности в глубь основания изгибается свая по действием горизонтальной нагрузки.

Необходимое количество свай в фундаменте принимаем как наибольшее из двух значений на вертикальную и горизонтальную нагрузку.

Список литературы

1. СП 22.13330.2011. Основание зданий и сооружений – М.: 2011. – 111 с.

2. СП 23.13330.2011. Основания гидротехнических сооружений.-М.: 2011. – 111 с.

3. СП 63.13330.2012. Бетонные и железобетонные конструкции.-М.: 2012.

4. Далматов, Б. И. Механика грунтов, основания и фундаменты.-М.: АСВ, 2002. – 392 с.

ПРИЛОЖЕНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Задание на курсовую работу

Т а б л и ц а П.1

Характерис- тики	Последняя цифра шифра

Тип стенки	а	б	а	б	а	б	а	б	а	б
γ _ст, кН/м³
h_w, м	5, 0	6, 0	7, 0	8, 0	5, 5	6, 5	7, 5	7, 7	8, 2	7, 3
Грунт основания

Т а б л и ц а П.2

Характерис- тики	Предпоследняя цифра шифра

h_н, м	1, 6	1, 7	1, 8	2, 0	2, 1	2, 2	1, 4	1, 5	2, 0	1, 9
q, кПа
Грунт засыпки

По номеру грунта основания и засыпки принимают их физические характеристики из таблицы П.3

Т а б л и ц а П.3

№	Нименование грунта	γ _s, кН/м³	γ ₀, кН/м³	W	W_L	W_P
	Песок крупный	26, 5	17, 5	0, 08	-	-
	Песок крупный	26, 5	17, 6	0, 06	-	-
	Песок крупный	26, 5	17, 7	0, 05	-	-
	Песок крупный	26, 5	17, 8	0, 07	-	-
	Песок крупный	26, 5	17, 9	0, 09	-	-
	Песок средний	26, 5	18, 0	0, 04	-	-
	Песок средний	26, 5	18, 2	0, 10	-	-
	Песок средний	26, 5	18, 4	0, 11	-	-
	Песок средний	26, 5	18, 6	0, 095	-	-
	Песок средний	26, 5	18, 8	0, 12	-	-
	Песок пылеватый	26, 5	19, 0	0, 18	-	-
	Песок пылеватый	26, 5	19, 3	0, 20	-	-
	Песок пылеватый	26, 5	19, 5	0, 19	-	-
	Супесь	27, 0	19, 4	0, 22	0, 24	0, 18
	Супесь	27, 0	20, 1	0, 24	0, 25	0, 19

Окончание табл. П.3

№	Нименование грунта	γ _s, кН/м³	γ ₀, кН/м³	W	W_L	W_P
	Супесь	27, 0	20, 0	0, 25	0, 265	0, 20
	Суглинок	27, 0	19, 9	0, 28	0, 35	0, 20
	Суглинок	27, 0	19, 8	0, 25	0, 31	0, 16
	Суглинок	27, 0	19, 7	0, 25	0, 29	0, 15
	Суглинок	27, 0	19, 6	0, 26	0, 30	0, 17

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Оглавление

1. Исходные данные для проектирования..................... ……………….
2.Определение физико-механических характеристик грунта ………...
3.Построение эпюры давление грунта засыпки на подпорную стенку
4.Определение ширины подошвы стенки………………………………
5. Определение величины равнодействующей всех сил и точки ее приложения……………………………………...……………….........
6. Определение нагрузки на основание ………………………………...
7. Проверка возможности возведения подпорной стенки на естественном основании……………..............………………….........
8. Проверка устойчивости подпорной стенки на плоский сдвиг...........
9. Расчет устойчивости стенки на глубинный сдвиг.… ……….............
10.Определение осадки и крена подпорной стенки……………………
11. Проектирование свайного фундамента на забивных железо-бетонных сваях………………………….................………..…………
11.1. Вариант ростверка с вертикальными сваями………………..
11.2. Расчет ростверка с наклонными сваями……………………..
11.3.Размещение свай в поперечном ряду и в плане……………...
11.4 Проверка прочности основания условного массивного фундамента на уровне острия свай……………………………
Список литературы……..………………………………….……………
Приложения ………………………………………………..……………..

Марина Венедиктовна Горохова

Андрей Владимирович Иванов