Анализ инженерно-геологических условий строительной

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет»
Кафедра «Управление недвижимостью и кадастры»
АНАЛИЗ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ
СТРОИТЕЛЬНОЙ ПЛОЩАДКИ
Методические указания к курсовому проекту
по дисциплине «Основания и фундаменты»
для подготовки бакалавров по направлению «Строительство»
Комсомольск-на-Амуре 2013
4
УДК 624.15.04 (076.5)
Анализ инженерно-геологических условий строительной площадки :
методические указания к курсовому проекту по дисциплине «Основания и
фундаменты» для подготовки бакалавров по направлению «Строительство» /сост. О.Н. Борзова. – Комсомольск – на – Амуре : ФГБОУВПО
«КнАГТУ», 2013. – 12 с.
Методические указания предназначены для подготовки бакалавров
по направлению 270800 «Строительство» очной, заочной и очно-заочной
форм обучения.
Содержат рекомендации по определению основных физикомеханических характеристик грунтов и подбору естественных оснований
для основных типов фундаментов.
Печатается по постановлению редакционного – издательского совета
ФГБОУВПО «Комсомольский – на – Амуре государственный технический
университет.
Согласовано с отделом менеджмента качества.
5
ВВЕДЕНИЕ
Этап проектирования оснований и фундаментов «Анализ инженерногеологических и гидрогеологических условий строительной площадки»
Цели: 1) закрепление теоретических знаний по проведению анализа
инженерно-геологических условий строительной площадки;
2) приобретение умения классифицирования крупнообломочных,
песчаных и глинистых грунтов по основным физико-механическим характеристикам;
3) приобретение навыка определения степени пучинистости грунтов;
4) приобретение навыка выбора несущего слоя грунтового основания.
Проектирование оснований является неотъемлемой составной частью проектирования сооружения в целом. Статическая схема сооружения,
конструктивное и объемно-планировочное решение, плановая и высотная
привязки должны приниматься с учетом результатов инженерных изысканий на площадке строительства. Результаты инженерно-геологических и
гидрогеологических исследований, излагаемые в отчете об изысканиях содержат сведения о местоположении территории предполагаемого строительства, о ее климатических и сейсмических условиях; об инженерногеологическом строении и литологическом составе толщи грунтов; о гидрогеологических условиях, о грунтах строительной площадки, в том числе
описание в стратиграфической последовательности напластований грунтов
основания, о форме залегания грунтовых образований, их размерах в плане
и на глубине, возрасте, происхождении и классификационные наименования, состав и состояние грунтов. Для выделенных слоев грунта должны
быть приведены физико-механические характеристики.
1 ОЦЕНКА ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ
СТРОИТЕЛЬНОЙ ПЛОЩАДКИ И СВОЙСТВ ГРУНТОВ
1.1 Инженерно-геологические разрезы
Инженерно-геологические разрезы строительной площадки по
скважинам строят для выяснения характера напластования грунтов под сооружением. Расстояние между скважинами по горизонтали принимают
непосредственно из плана участка, а мощность пластов и уровень грунтовых вод принимают по данным бурения скважин. Абсолютные высотные
отметки указывают слева от разреза. Стратиграфические подразделения
выделены индексами, указывающими возраст и генезис, например fgQ1 флюогляциальные раннечетвертичные. Литологические разновидности
6
указаны штриховкой в соответствии с обозначениями, приведенными на
рисунке 1.1. Разрез дополняется данными об основных физикомеханических свойствах грунтов: удельном весе грунта  , модуле деформации грунта E , угле внутреннего трения  , удельном сцеплении c . Планировочная отметка назначается из условия минимальной разработки
грунтов при выемке и планировке. Почвенно-растительный слой срезается.
В дальнейшем на геологическом разрезе дается схема подземной части здания, указывается нулевая отметка пола и глубина заложения подошвы фундамента. Пример оформления инженерно-геологического разреза приведен на рисунке 1.2.
Рисунок 1.1 – Условные обозначения грунтов
1 – поверхность грунта; 2 – засыпка из любого материала;
3 – ленточные глины с прослойками песков; 4 – глины четвертичные;
5 – глины коренные; 6 – лессовидные грунты; 7 – суглинки;
8 - супеси; 9 – известняки; 10 – пески; 11 – песчаники;
12 – заторфованные грунты
1.2 Определение производных характеристик грунтов,
слагающих площадку строительства
В задании на проектирование всегда указаны основные физикомеханические характеристики грунтов, определенные опытным путем.
Зная основные характеристики грунтов, производные физические характеристики определяют по специальным формулам.
7
Плотность сухого грунта  d рассчитывается по формуле
d 

,
1 
где  - плотность грунта, т/м3;  - влажность грунта в природном залегании, д.е.
Удельный вес грунта, удельный вес частиц грунта и удельный вес
сухого грунта определяют по формулам:
  g ;
 s  s  g ;
 d  d  g ,
2
где g =9,81 м/с – ускорение свободного падения,  s - плотность частиц
грунта, т/м3.
Рисунок 1.2 – Пример выполнения инженерно-геологического разреза
Коэффициент пористости грунта e можно определить по формуле
e
s  d
.
d
Удельный вес грунта с учетом взвешивающего действия воды находят из выражения
 s 
 s 
1 e
.
Коэффициент водонасыщения грунта S r , д.е., определяется как степень заполнения пор водой по формуле
8
s
,
e  
где   - удельный вес воды, принимаемый    10,0 т/м3.
Sr   
Число пластичности J P , %, определяют по формуле
J P   L  P ,
где  L - влажность на границе текучести грунта, %;  p - влажность на
границе раскатывания грунта, %.
Показатель текучести характеризует консистенцию грунта в его
природном залегании и определяется по формуле
JL 
 p
L   p
.
При строительстве зданий на структурно-неустойчивых грунтах
необходимо вычислить дополнительные характеристики, определяющие
особенности этих грунтов.
Механические характеристики грунта: удельное сцепление c , угол
внутреннего трения  , модуль деформации E0 - определяются экспериментально и приводятся в отчетах об инженерно-геологических изысканиях. Для предварительных расчетов, а также для расчетов оснований зданий
и сооружений II и III классов допускается определять нормативные значения механических характеристик грунтов по их физическим характеристикам по таблицам СНиП /1/.
Все расчеты оснований должны выполняться с использованием расчетных значений физико-механических свойств грунтов. Расчетные характеристики определяются по формуле
n
xx
 ,
g
где x - нормативное значение характеристики;  g - коэффициент надежности по грунту; принимается  g  1,0 для всех характеристик, кроме  , , c .
Расчетные характеристики обозначаются:
 I , I , c1 - при расчетах по I группе предельных состояний;
 II , II , cII - при расчетах по II группе предельных состояний.
В тех случаях, когда в отчетах по инженерно-геологическим изысканиям отсутствуют данные статистической обработки, а также, когда значения принимаются по таблицам СНиП /1/, при расчете по II предельному
состоянию коэффициент надежности по грунту следует принимать равным
 g  1,0 . При расчетах по I предельному состоянию расчетные значения
следует определять с коэффициентами надежности: для удельного сцепления  g  1,5 ; для угла внутреннего трения пылевато-глинистых грунтов
 g  1,15 ; для угла внутреннего трения песчаных грунтов  g  1,1 .
n
i
9
В отчете по инженерно-геологическим изысканиям приводятся результаты химического анализа подземных вод, которые необходимы для
определения степени их агрессивности по отношению к бетону и арматуре.
Физико-механические характеристики грунтов обычно приводятся в
табличной форме (таблица 1.1).
1.3 Установление наименований дисперсных грунтов
К классу природных дисперсных грунтов относятся, в частности
крупнообломочные, песчаные и глинистые грунты. Наименование грунтов
устанавливается по ГОСТ /2/ по комплексу признаков.
1.3.1 Крупнообломочные грунты – это несвязные минеральные
грунты, в которых масса частиц размером крупнее 2 мм составляет более
50 %. Они выделяются по гранулометрическому составу, коэффициенту
водонасыщения, по составу заполнителя, по выветрелости, по истираемости.
По гранулометрическому составу крупнообломочные грунты подразделяются согласно таблице 1.2.
Таблица 1.2 - Классификация крупнообломочных и песчаных грунтов
по гранулометрическому составу
Грунт
Тип грунта
Крупнообломочный Валунный (при преобладании неокатанных частиц –
глыбовый)
Щебенистый (при преобладании окатанных частиц –
галечниковый)
Дресвяный (гравийный)
Песчаный
Гравелистый
Содержание частиц по массе
Крупнее 200 мм – более 50 %
Крупнее 10 мм – более 50 %
Крупнее 2 мм – более 50 %
Крупнее 2 мм – более 25 %
Крупный
Крупнее 0,5 мм – более 50 %
Средней крупности
Крупнее 0,25 мм – более 50%
Мелкий
Крупнее 0,1 мм – более 75 %
Пылеватый
Крупнее 0,1 мм – менее 75 %
П р и м е ч а н и е - Для установления типа грунта последовательно
суммируются проценты содержания в нем частиц: сначала – крупнее 200
мм, затем – крупнее 10 мм, далее – крупнее 2 мм и т.д. Тип грунта прини-
10
мается по первому удовлетворяющему показателю в приведенном в таблице 1.2 порядке их расположения по вертикали.
По коэффициенту водонасыщения крупнообломочные грунты подразделяют согласно таблице 1.3.
Таблица 1.3 – Классификация грунтов по коэффициенту водонасыщения
Разновидность грунтов
Малой степени водонасыщения
Средней степени водонасыщения
Насыщенные водой
Коэффициент водонасыщения, S r , д.е.
0 – 0,50
0,50 – 0,80
0,8 – 1,00
По составу заполнителя. Если песчаного заполнителя более 40%
или пылевато-глинистого более 30 % общей массы абсолютно сухого
грунта, то к названию грунта добавляется наименование заполнителя. Тип
заполнителя устанавливают по принятым для него показателям после удаления из образца крупнообломочных частиц крупнее 2 мм. Лучшими свойствами обладают грунты с песчаными заполнителями; примеси пылеватых
и глинистых частиц ухудшают свойства грунтов. Большое содержание
глинистых частиц придает крупнообломочным грунтам некоторые свойства глинистых грунтов.
По выветрелости. Для частиц крупнее 2 мм указывается петрографический состав, а при наличии их более 10% - коэффициент выветрелости. По этому коэффициенту они подразделяются согласно таблице 1.4.
Таблица 1.4 – Классификация крупнообломочных грунтов
по выветрелости
Разновидность крупнообломочных грунтов
Невыветрелый
Слабовыветрелый
Сильновыветрелый
Коэффициент выветрелости K r , д.е.
0 – 0,50
0,50 – 0,75
0,75 – 1,00
По коэффициенту истираемости k fr крупнообломочные грунты
подразделяют согласно таблице 1.5.
Таблица 1.5 – Классификация грунтов по истираемости
Разновидность крупнообломочных грунтов
Очень прочный
Коэффициент истираемости k fr , д.е.
< 0,10
11
Прочный
Средней прочности
Малопрочный
Пониженной прочности
0,10 – 0,20
0,20 – 0,30
0,30 – 0,40
>0,40
1.3.2 Песчаные грунты – это несвязные минеральные грунты, в которых масса частиц размером крупнее 2 мм составляет более 50 %. Они
выделяются по гранулометрическому составу, степени неоднородности,
коэффициенту водонасыщения, коэффициенту пористости, плотности, относительному содержанию органического вещества, степени засоленности.
По гранулометрическому составу пески подразделяются согласно
таблице 1.2.
Пример 1.1. Для песчаного грунта были получены результаты гранулометрического анализа, приведенные в таблице 1.6.
Таблица 1.6 – Исходные данные для примера 1.1
Размер
частиц, мм
Содержание
частиц, %
>10
10 - 5
5-2
2-1
1- 0,5
0,5 - 0,25
0,25 - 0,1
0
0
0
1,7
13,2
40,2
33,9
Продолжение таблицы 1.6
Размер
частиц, мм
Содержание
частиц, %
0,1 - 0,05
0,05 - 0,01
0,01 - 0,005
<0,005
5,9
1,5
0,7
2,9
Суммарный состав частиц крупнее 2 мм составляет 0 %, значит песок не гравелистый; суммарный состав частиц крупнее 0,5 мм составляет
14,9 %, значит песок не крупный; суммарный состав частиц крупнее 0,25
мм составляет 55,1 %, т.е. более 50 %, значит, грунт относится к песку
средней крупности.
По степени неоднородности гранулометрического состава cu песчаные грунты подразделяются на однородные и неоднородные:
- однородные грунты, если cu  3,0 ;
- неоднородные грунты, если cu  3,0 .
Степень неоднородности гранулометрического состава определяется по формуле
Cu 
d 60
,
d10
где d 60 ,d10 - диаметры частиц, мм, меньше которых в грунте содержится
соответственно 60 и 10 % (по массе) частиц. Содержание массы частиц d10
и d60 определяют аналитически или по кривой однородности. Для построе-
12
ния кривой однородности по горизонтальной оси откладывают логарифмы
диаметров частиц, а по вертикали – их процентное содержание. Пересечения полученной кривой с линиями, которые соответствуют содержанию
частиц d10 и d60 , дают искомые значения диаметров (рисунок 1.3).
По коэффициенту пористости e песчаные грунты классифицируются в соответствии с таблицей 1.7.
По коэффициенту водонасыщения S r пески оценивается так же, как
и крупнообломочные грунты (таблица 1.3).
По степени плотности I D пески подразделяются согласно таблице
1.8.
Рисунок 1.3 – Кривая однородности грунта
Таблица 1.7 - Классификация грунтов по коэффициенту пористости
Плотность
сложения грунтов по
коэффициенту пористости
Плотные
Средней плотности
Рыхлые
Коэффициент пористости для песков
гравелистых, крупных,
средней крупности
мелких
пылеватых
e < 0,55
0,55 ≤ e ≤ 0,7
e > 0,7
e < 0,6
0,6 ≤ e ≤ 0,75
e > 0,75
Таблица 1.8 – Классификация песков по степени плотности
e < 0,6
0,6 ≤ e ≤ 0,8
e > 0,8
13
Разновидность песков
Слабоуплотненный
Среднеуплотненный
Сильноуплотненный
Степень плотности I D , д.е.
0 – 0,33
0,33 – 0,66
0,66 – 1,00
14
7
9
10
11
12
8
Коэффициент
Водонасыщения, Sr,
д.е.
Модуль деформации, E, кПа
6
Показатель
Текучести, JL, д.е.
Влажность на пределе раскатывания,
P, д.е.
5
Число пластичности, JP, %
Влажность
на пределе
текучести, L, д.е.
4
Плотность скелета
грунта, d, т/м3
Природная
влажность, , д. е.
3
Вычисленные характеристики
Коэффициент
пористости, e
Плотность частиц
грунта, s, т/м3
2
Коэффициент фильтрации, kф, м/сут.
Плотность грунта, ,
т/м3
1
Мощность слоя, м
Наименование грунта
Таблица 1.1 – Характеристики физико-механических свойств грунтов
Заданные характеристики
13
14
Продолжение таблицы 1.1
Вычисленные характеристики
Для расчета основания
По несущей способности
Удельный вес,
 I , кН/м3
15
Угол
внутреннего
трения,  I , град
16
Удельное
сцепление, cI ,
кПа
17
По деформациям
Удельный вес,
 II , кН/м3
18
Угол
внутреннего
трения,  II , град
19
Удельное
сцепление, c II ,
кПа
20
15
Степень плотности песков I D определяется по формуле
I D
emax  e
,
emax  emin
где e - коэффициент пористости при естественном или искусственном сложении; emax - коэффициент пористости в предельно-плотном сложении; emin
- коэффициент пористости в предельно-рыхлом сложении.
По относительному содержанию органических веществ I om пески
бывают с «примесью органических веществ», если 0,03  I om  0,1 ; при
I om  0,1 пески относятся к типу биогенных грунтов.
1.3.3 Глинистые грунты – это связные минеральные грунты, обладающие числом пластичности J P  1. Они выделяются по числу пластичности и гранулометрическому составу, показателю текучести, относительной
деформации набухания без нагрузки, относительной деформации просадочности.
По числу пластичности J P глинистые грунты подразделяются согласно таблице 1.9.
om
Таблица 1.9 – Классификация глинистых грунтов по числу пластичности
Разновидность глинистых грунтов
Супесь
Суглинок
Глина
Число пластичности J P , %
1–7
7 – 17
> 17
По гранулометрическому составу и числу пластичности J P глини-
стые грунты подразделяют согласно таблице 1.10.
По наличию включений глинистые грунты подразделяют согласно
таблице 1.11.
По наличию органических веществ. При показателе 0,05  I om  0,1 к
названию глинистых грунтов добавляются слова – «с примесью органических веществ». При показателе I om  0,1 они, как и пески, относятся к типу
биогенных грунтов.
По показателю текучести J L глинистые грунты подразделяются согласно таблице 1.12.
Таблица 1.10 – Классификация глинистых грунтов
по гранулометрическому составу и числу пластичности
Разновидность
глинистых грунтов
Супесь:
песчанистая
Число
пластичности J P
Содержание песчаных частиц (2,0
– 0,5 мм), % по массе
1–7
≥ 50
16
пылеватая
Суглинок:
легкий песчанистый
легкий пылеватый
тяжелый песчанистый
тяжелый пылеватый
Глина:
легкая песчанистая
легкая пылеватая
тяжелая
1–7
 50
7 – 12
7 – 12
≥ 40
< 40
12 – 17
12 – 17
≥ 40
< 40
17 – 27
17 – 27
> 27
≥ 40
< 40
Не регламентируется
Таблица 1.11 – Классификация грунтов по наличию включений
Разновидность глинистых грунтов
Супесь, суглинок, глина с галькой (щебнем)
Супесь суглинок, глина галечниковые
(щебенистые) или гравелистые (дресвяные)
Содержание частиц крупнее 2 мм, % по
массе
15 – 25
25 - 50
Таблица 1.12 – Классификация глинистых грунтов
по показателю текучести
Разновидность глинистых грунтов
Супесь:
 Твердая
 Пластичная
 Текучая
Суглинки и глины:
 Твердые
 Полутвердые
 Тугопластичные
 Мягкопластичные
 Текучепластичные
 текучие
Показатель текучести J L
<0
0–1
>1
<0
0 - 0,25
0,25 – 0,50
0,50 – 0,75
0,75 – 1,00
> 1,00
В подгруппе пылевато-глинистых грунтов выделяются грунты, обладающие просадочными свойствами. Чаще всего к ним относят грунты, содержащие более 50 % пылеватых частиц с наличием солей, в основном
карбонатов кальция, и обладающие преимущественно макропористой
структурой. Под действием внешних нагрузок или собственного веса при
замачивании эти грунты дают просадку.
По относительной просадочности  Sl глинистые грунты подразделяются согласно таблице 1.13.
17
Таблица 1.13 – Классификация грунтов по просадочности
Разновидность грунтов
Относительная деформация
просадочности  sl , д.е.
<0,01
 0,01
Непросадочный
Просадочный
Для предварительной оценки к просадочным относят грунты с коэффициентом водонасыщения S r  0,8 при соблюдении критерия: величина
J ss должна быть меньше значений, приведенных в таблице 1.14.
J ss 
eL  e
,
1  e
где e - коэффициент пористости грунта в природном состоянии; e L - коэффициент пористости при влажности на границе текучести
eL 
L   s
,

где  s и   - плотности твердых частиц грунта и воды.
Таблица 1.14. – Значения показателя J ss
Число пластичности
Показатель J ss
1  J p  10
10  J p  14
14  J p  22
10
17
22
По относительной деформации набухания без нагрузки  Sw глинистые грунты подразделяются согласно таблице 1.15.
Таблица 1.15 – Классификация грунта по деформации набухания
Разновидность глинистых грунтов
Ненабухающий
Слабонабухающий
Средненабухающий
Сильнонабухающий
Относительная деформация
набухания  Sw , д.е.
<0.04
0.04 – 0,08
0,08 – 0,012
>0,012
Набухающие грунты выделяются в пылевато-глинистых грунтах как
обладающие свойствами увеличиваться в объеме. При предварительной
оценке к набухающим относят грунты с показателем J ss >0,3.
Кроме приведенных классификационных характеристик все дисперсные грунты классифицируются по степени засоленности на незасоленные, если в них процентное содержание легко- и среднерастворимых
солей менее 5 % массы абсолютно сухого грунта, и засоленные, если в них
содержится 5 % и более солей.
18
К пылевато-глинистым грунтам относятся также ил – современный
водонасыщенный осадок водоемов, образовавшийся при наличии микробиологических процессов. Илы имеют влажность, превышающую влажность на границе текучести L , и коэффициент пористости: для ила супесчаного e≥0,8, ила суглинистого e≥0,9 и ила глинистого e≥1,2.
В классификации грунтов должны быть приведены все их показатели согласно /2/.
Пример 1.2. Песок содержит частицы по массе: крупнее 0,5 мм – менее 50 %, крупнее 0,25 мм – более 50 %; имеет степень неоднородности
Cu  2 ; коэффициент водонасыщения S r  0,7 ; коэффициент пористости
e  0,65 ; относительное содержание органических включений I om  0,04 .
Сопоставляя приведенные показатели с классификационными показателями, делаем заключение, что исследуемый грунт - песок средней
крупности, однородный, влажный, средней плотности, с примесью органических включений.
Пример 1.3. Глинистый грунт с числом пластичности J P  10 содержит 16 % крупнообломочных частиц диаметром от 2 до10 мм, с относительным содержанием органических веществ I om  0,03 , имеет показатель
текучести J L =0,6. Делаем заключение, что грунт - суглинок с примесью
гальки, без органических включений, мягкопластичный.
1.4 Учет морозного пучения грунтов
Основания, подвергающиеся сезонному промерзанию-протаиванию,
должны проектироваться с учетом морозного пучения грунтов, заключающегося в том, что влажные тонкодисперсные грунты при промерзании способны деформироваться – увеличиваться в объеме вследствие перехода
воды в лед и образования ледяных линз, прослойков и т.п. При последующем оттаивании в этих грунтах происходит обратный процесс, сопровождающийся их разуплотнением, осадкой и снижением несущей способности. Морозное пучение выражается, как правило, в неравномерном поднятии промерзающего грунта, причем напряжения и деформации, возникающие в процессе пучения, оказывают существенные воздействия на фундаменты и наземные конструкции сооружений.
На степень пучинистости грунтов большое влияние оказывают такие
факторы, как зерновой состав и плотность грунта, его влажность и глубина
залегания подземных вод, температурный режим в период промерзания, а
также нагрузка, передаваемая на фундамент. В зависимости от указанных
факторов все грунты подразделяются на пучинистые и непучинистые.
Пучинистые грунты характеризуются величиной (деформацией) морозного пучения h f , представляющей высоту поднятия поверхности слоя
19
промерзающего грунта и относительным пучением f , определяемым по
формуле:
f 
hf
df
,
где d f – слой промерзающего грунта, подверженному морозному пучению.
По степени морозоопасности все пучинистые грунты подразделяются на пять групп, приведенных в таблице 1.16. Принадлежность глинистого
грунта к одной из групп оценивается параметром R f , определяемым по
формуле:
2
(1)
R f  0,012    0,1      cr  /  L   P  M 0  ,
где  ,  L , P – влажности в пределах слоя промерзающего грунта, соответствующие природной, на границах текучести и раскатывания, д.е; cr –
расчетная критическая влажность, ниже значения которой прекращается
перераспределение влаги в промерзающем грунте, д.е., определяется по
графику на рисунке 1.4; М0 – безразмерный коэффициент, численно равный при открытой поверхности промерзающего грунта абсолютному значению среднезимней температуры воздуха; определяется так же, как и коэффициент Mt /1/.
Пример 1.4. Определить степень морозоопасности суглинка в г. Загорске Московской области, имеющего следующие водно-физические характеристики:  = 0,246;  P = 0,18; L = 0,3;  d = 1,41 т/м3 и коэффициент
M0 = 5,7. По графику (рисунок 1.3) определим критическую влажность cr .
При L = 0,3 и I P = 0,12 cr = 0,192; по формуле (1) рассчитаем
R f  0,012  0,246  0,1 



 0,246  0,246  0,1 / 0,18  0,30  5,7  0,0073 .
С учетом  d = 1,41 т/м3, R f
2
0,0073 1,41
 0,0068 .
1,5
Согласно данным таблицы 1.15 исследуемый суглинок является
среднепучинистым грунтом.
20
Таблица 1.16- Классификация грунтов по пучинистости
Наименование
грунтов
и пределы
нормативных
значений числа
пластичности
Значение параметра Rf х 102 для грунта
Практи- СлабопучиЧрезмерно
чески
нистого
Среднепучи- Сильнопучи- пучинистого
непучинистогo
нистого
нистого 0,01<f`<0,035
f`> 0,12
f` <
0,035<f`<0,07
0,07< f`
0,01
<0,12
1.Супесь
< 0,14
0,14 – 0,49
0,49 – 0,98
0,98 – 1,69
>1,69
0,02<
< Ip ≤ 0,07
< 0,09
0,09 – 0,3
0,3 – 0,6
0,6 – 1,03
>1,03
2.Супесь
0,02<
< 0,1
0,1 – 0,35
0,35 – 0,71
0,71 – 1,22
>1,22
< Ip ≤ 0,07
3.Суглинок
< 0,08
0,08 – 0,27
0,27 – 0,54
0,54 – 0,93
>0,93
0,07<
< Ip ≤ 0,17
< 0,07
0,07 – 0,23
0,23 – 0,46
0,46 – 0,79
>0,79
4.Суглинок
0,07<
< 0,12
0,12 – 0,43
0,43 – 0,86
0,86 - 1,47
>1,47
< Ip ≤ 0,13
5.Суглинок
0,13<
< Ip ≤ 0,17
6.Глина Ip > 0,17
П р и м е ч а н и я: 1. Значение R f рассчитывается по формуле (1), в которой
плотность сухого грунта принята равной 1,5 т/м3; при иной плотности грунта расчетное
d
, где  d – плотность сухого исследуемого
1,5
грунта, т/м3. 2. В грунтах, перечисленных в позициях 2, 4 и 5, содержание пылеватых
частиц размером 0,05 - 0,005 мм составляет более 50 % по массе.
значение R f умножается на отношение
Сильнопучинистыми считаются пылевато-глинистые грунты (суглинки, супеси, глины) с коэффициентом водонасыщения Sr > 0,9, или уровень подземных вод которых расположен у границы сезонного промерзания грунта.
Крупнообломочные грунты с песчаным заполнителем, а также пески
гравелистые, крупные и средние, не содержащие пылевато-глинистых
фракций, относятся к непучинистым грунтам при любом положении уровня подземных вод; при водонасыщении в условиях замкнутого объема эти
грунты относятся к группе слабопучинистых.
Пучинистые свойства крупнообломочных грунтов и песков, содержащих пылевато-глинистые фракции, а также супесей при J P  0,02 определяются через показатель дисперсности D . Эти грунты относятся к непу-
21
чинистым при D  1 , к пучинистым - при D  1 . Для слабопучинистых
грунтов показатель D изменяется от 1 до 5 ( 1  D  5 ).
Рисунок 1.4 - Значение критической влажности  cr
в зависимости от числа пластичности J P
и влажности на границе текучести L грунта
Значение D определяется по формуле:
D
k
d e
2
,
(2)
где k – коэффициент, равный 1,85 х 10-4 см2; e – коэффициент пористости;
d – средний диаметр частиц грунта, см, определяемый по формуле:
1
P
d   P1  P2   i  ,
d2
di 
 d1
(3)
где P1, , P2 , Pi – процентное содержание отдельных фракций грунта, доли
единицы; d1, d 2 ,d i – средний диаметр частиц отдельных фракций, см.
Диаметры отдельных фракций определяются по их минимальным
размерам, умноженным на коэффициент 1,4. За расчетный диаметр последней тонкой фракции принимается ее максимальный размер, деленный
на коэффициент 1,4.
Пример 1.5. Определить степень морозоопасности природного кварцевого песка из города Надыма с коэффициентом пористости e  0,45  0,7 ,
гранулометрическим составом, приведенным в таблице 1.17.
В соответствии с рекомендациями определим средний размер частиц
отдельных фракций:
d1  0,1  0,11,4  0,14 мм;
d2  0,05  0,05 1,4  0,07 мм;
d3  0,05  0,05 / 1,4  0,035 мм.
По формуле (3) рассчитаем средний диаметр песка
22
d  1,0  0,1 / 0,014  0,1  0,03 / 0,007  0,03 / 0,0035  1,2 10 2 см.
1
Показатель дисперсности согласно формуле (2) составит:
2
при e  0,45 D  1,85 104 / 1,2 102   0,45  2,85 ;
при e  0,7 D  1,83 .
По расчету надымский песок относится к слабопучинистым грунтам
( f  0,035) , что подтверждает опытные данные  f  0,012  0,025 .


Таблица 1.17 – Исходные данные к примеру 1.5
Размер частиц отдельных фракций, мм
Количество частиц, %
< 0,1
10
< 0,05
3
< 0,005
0
2 СТРОИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ ОСНОВАНИЙ
2.1. Крупнообломочные грунты
Строительные свойства и устойчивость этих грунтов зависят от
условий образования, характера залегания пласта, минералогического состава, степени выветрелости и окатанности, плотности сложения и материала заполнения пор.
Чем выше коэффициент выветрелости, тем меньше прочность крупнообломочных грунтов; в них будут возникать деформации не только от
перемещения, но и от разрушения частиц. Грунты, образовавшиеся из
твердых кристаллических пород, обладают лучшими свойствами, чем
грунты из осадочных пород. С увеличением окатанности частиц снижаются их прочность и устойчивость.
Наилучшими свойствами обладают грунты с песчаными заполнителями. Примеси пылеватых и глинистых частиц ухудшают свойства заполнителей. Большое количество глинистых частиц в заполнителе придает
крупнообломочным грунтам некоторые свойства глинистых грунтов.
При общей оценке крупнообломочных грунтов следует учитывать
условия их залегания. Наклонное залегание пластов и встречающиеся в их
толще прослойки (особенно глинистые) снижают общую прочность и
устойчивость основания. При наклонном залегании по прослойкам могут
образовываться поверхности скольжения.
2.2 Песчаные грунты
Строительные свойства песков зависят от плотности сложения, водонасыщения, формы, однородности, размеров и минералогического состава частиц. С увеличением содержания крупных частиц и плотности
23
сложения их свойства ухудшаются. Деформации в песках после окончания
нагружения затухают тем быстрее, чем крупнее песок.
В общем случае гравелистые, крупные и средней крупности пески
плотной и средней плотности сложения малосжимаемы, хорошо сопротивляются сдвигу, фундаменты на них претерпевают незначительные деформации. При этом, чем однороднее пески, тем меньше они сжимаются и тем
выше их сопротивление сдвигу.
Сопротивление сдвигу горных песков с угловатыми частицами за
счет большего зацепления выше, чем у песков с окатанными частицами.
Кварцевые пески прочнее и менее сжимаемы, чем другие пески. Примесь к
пескам частиц слюды увеличивает их сжимаемость и уменьшает водопроницаемость. С увеличением содержания слюды сжимаемость песка приближается к сжимаемости глин.
Рыхлые пески при нагружении дают большую осадку и недостаточно
устойчивы, применение их в качестве основания должны быть специально
обосновано.
Насыщение водой гравелистых и крупных песков практически не
оказывает влияния на их прочность, прочность же мелких и пылеватых
песков снижается по мере заполнения пор водой, особенно при содержании в песках некоторого количества глинистых и органических коллоидных частиц, равномерно распределенных в их толще.
2.3 Пылевато-глинистые грунты
Строительные свойства пылевато-глинистых грунтов во многом зависят от особенностей их происхождения, условий формирования, влажности, гранулометрического и минералогического состава частиц. Эти
грунты кроме песчаных и глинистых частиц содержат в том или ином количестве частицы глинистых минералов каолинитовых, иллитовых (гидрослюдовых), монтмориллонитовых групп, которые по-разному взаимодействуют с водой.
Наиболее распространены пылевато-глинистые грунты с каолинитовой группой минералов. При увлажнении они практически не набухают, но
изменяется их консистенция. Повышение влажности этих грунтов происходит за счет увеличения толщины пленки связанной воды.
Глинистые грунты с преобладанием минералов монтмориллонитовых групп наиболее активно взаимодействуют с водой. Минералы этой
группы имеют подвижную решетку. Вода, проникая в частицы, расклинивает их, что приводит к набуханию грунта. Такие грунты называются
набухающими. На практике по цвету их часто называют «шоколадные
глины».
24
К набухающим при замачивании относятся только те глинистые
грунты, которые набухают под давлением. Набухающие грунты являются
надежным основанием только в естественном состоянии. При замачивании
они увеличиваются в объеме, в результате чего возникают деформации в
зданиях и сооружениях. Характерной особенностью набухающих грунтов
является большое число пластичности и естественная влажность, близкая к
границе раскатывания. При строительстве на них требуется проведение
специальных мероприятий.
Глинистые минералы иллитовой группы обладают незначительной
набухаемостью.
Прочность глинистых грунтов с вводно-коллоидными связями в
первую очередь зависит от их влажности и консистенции. С увеличением
влажности увеличивается их сжимаемость, уменьшается сопротивление
сдвигу, ухудшаются строительные свойства. При проектировании следует
принимать показатели с учетом возможного изменения влажности грунтов
основания. Плотность глинистых грунтов косвенно определяют по коэффициенту пористости e. Чем меньше коэффициент пористости, тем меньше
в грунте пор, поэтому грунт меньше сжимается под нагрузкой, его строительные свойства лучше.
В твердом состоянии глинистые грунты малосжимаемы и являются
надежным основанием. В пластичном состоянии они относятся к среднесжимаемым грунтам и могут быть использованы в качестве оснований, если осадка возведенных на них сооружений не превысит допустимую.
Глинистые грунты в текучем состоянии, а при давлениях более 0,15
МПа и в текучепластичном относятся к сильносжимаемым. Они могут выдавливаться из-под фундамента, и использование их в основании сооружений должно быть технически обосновано.
Деформации глинистых грунтов отстают во времени от приложения
нагрузки, протекают годами и даже десятилетиями.
Прочность и строительные свойства глинистых грунтов зависят от
прочности, условий происхождения и структурных связей между частицами. Если структурные связи разрушаются от внутренних или внешних воздействий и, как правило, не восстанавливаются, то такие грунты следует
приравнивать к грунтам с водно-коллоидными связями.
Вообще, чем древнее грунт и чем больше он уплотнен, тем больше
его структурные связи, плотность сложения и прочность. Структурнонеустойчивые грунты (набухающие, древние и современные илы, озерноледниковые ленточные глины, лессы и лессовидные грунты, а также все
виды заторфованных грунтов) дополнительно оцениваются по нормативным показателям. Особенностью структурно-неустойчивых грунтов является резкое уменьшение или полная потеря прочности при разрушении
структурных связей. Возможность использования таких грунтов в качестве
25
основания устанавливается специально поставленными исследованиями.
При строительстве на них необходимо предусматривать сохранение природной структурной прочности.
3 ОЦЕНКА ГРУНТОВОЙ ТОЛЩИ БУДУЩЕГО ОСНОВАНИЯ
Проектирование оснований и фундаментов начинается с изучения и
общей оценки всей толщи и отдельных входящих в нее пластов грунта.
По условиям напластования грунтов, основания обычно подразделяют на однородные, сжимаемая толща которых включает только один
грунт, и слоистые с различными по составу, свойствам и сжимаемости
грунтами, с согласным и несогласным их залеганием. К слоистым с согласным залеганием относят основания, у которых простирание отдельных
слоев близко к горизонтальному (уклон менее 1 – 2 %), а к слоистым с несогласным залеганием – основания, пласты которых залегают невыдержанно, имеют наклон, выклиниваются и пр. Большой уклон пластов
наблюдается при косогорном рельефе, особенно если они повторяют очертания рельефа. На таких площадках возможна потеря устойчивости грунтов вместе с сооружением.
На практике грунты основания условно разделяют на прочные и слабые.
К прочным относят грунты, которые могут служить естественным
основанием сооружений и обеспечивают их нормальную эксплуатацию:
крупнообломочные грунты, плотные и средней плотности пески, твердые и
пластичные пылевато-глинистые грунты. К слабым относят грунты, которые дают под нагрузкой большие деформации, неустойчивы и не могут
служить основаниями сооружений: рыхлые пески, текучие пылеватоглинистые грунты, некоторые структурно-неустойчивые грунты. Иногда к
слабым относят грунты, у которых модуль деформации Е≤5 МПа.
Наиболее надежными являются однородные основания и слоистые с
согласно залегающими малосжимаемыми грунтами. Из слоистых оснований предпочтительнее те, у которых сжимаемость грунтов с глубиной увеличивается. Основания, в которых сжимаемость с глубиной уменьшается,
менее благоприятны для возведения зданий, особенно зданий и сооружений на сплошных плитах и с различными по площади и глубине заложения
фундаментами.
Особо сложные условия проектирования и устройства фундаментов
возникают в тех случаях, когда в толще оснований залегают слабые грунты. Рекомендовать для них конкретные решения практически невозможно.
Необходимо индивидуальное проектирование с учетом особенностей
напластований грунтов основания, глубины, мощности, условий залегания
слабых грунтов, их прочностных, деформационных и других свойств. Следует также учитывать конструктивные и эксплутационные особенности
26
зданий и сооружений, их чувствительность к неравномерным осадкам.
Кроме того, нужен полный прогноз всех возможных изменений грунтовых
условий под влиянием природных и антропогенных воздействий. Если не
учесть все эти особенности и не принять надлежащих мер, в процессе возведения и эксплуатации зданий и сооружений могут возникнуть недопустимые деформации и даже аварии.
Предварительную оценку общей сжимаемости основания в пределах
площади здания или сооружения можно провести в результате анализа и
сопоставления модулей деформации Е или коэффициентов относительной
сжимаемости mυ всех слоев по глубине заложения и простиранию.
Следует отметить, что чем больше сжимаемость грунтов, тем больше
их абсолютные и, как правило, относительные осадки.
Пример 3.1. Оценить инженерно-геологические условия строительной площадки. Геологический профиль площадки представлен на рис. 3.1;
данные о грунтах приведены в таблице 3.1.
Решение. По классификационным признакам, приведенным в /2/,
дадим характеристику отдельных слоев грунтов, слагающих площадку.
Образец 1. Грунт отобран из скважины № 1 с глубины 1,3 м.
При числе пластичности J P  L  P  0  1% и при содержании частиц крупнее 2 мм менее 25 % (4,38 + 9,18 = 13,55 %) грунт относится к
пескам.
По гранулометрическому составу (таблица 1.2): содержание частиц
крупнее 0,5 мм менее 50 % (13,56 +25,96 = 39,52 %), крупнее 0,25 мм более
50 % (39,52 + 18,69 = 58,21%) – это песок средней крупности.
Для определения степени неоднородности гранулометрического состава последовательно суммируем содержание частиц, начиная с самых
мелких:
Крупность
частиц, мм
Содержание
частиц, %
0,005
0,01
0,05
0,1
0,25
0,5
2
10
10
1,22
4,64
9,76
17,44
41,79
60,48
86,44
95,62
100
По кривой однородности (рисунок 1.3) находим значения d60 = 0,49
мм и d10 = 0,055 мм, что соответствует коэффициенту неоднородности
Cu 
d 60

d10
 9  3 , т.е. песок неоднородный.
Для оценки грунтовых условий необходимо значительно большее число лабораторных исследований образцов, отобранных из каждого слоя, и проведение статистической обработки результатов испытаний. В рассматриваемом примере условно считаем, что один образец полностью характеризует весь пласт, как по высоте, так и по простиранию.
27
По
e
плотности
сложения:
при
коэффициенте
пористости
26,6  1  0,01 20
 1  0,67 (0,6 ≤ e ≤ 0,8) грунт - песок средней плотности.
19,1
По относительному содержанию органических веществ: Iom = 0 грунт без примесей органических веществ.
Рисунок 3.1. Инженерно-геологический разрез к примеру 3.1
1 – растительный слой; 2 – песок средней крупности;
3 – песок пылеватый; 4 – супесь; 5 – глина
(черными квадратами обозначены места отбора образцов)
По
Sr 
насыщению
водой
–
коэффициенту
водонасыщения
26,6 0,2

 0,79 ( 0,5  Sr  0,8 ) грунт – песок насыщенный водой.
10 0,67
Вывод: рассматриваемый грунт – песок средней крупности, неоднородный, средней плотности, насыщенный водой.
Образец 2. Грунт отобран из скважины № 1 с глубины 3,5 м.
При числе пластичности J P  0,01 и при отсутствии частиц крупнее 2
мм грунт является песком.
По гранулометрическому составу: частиц крупнее 0,5 мм содержится 1,8 % , что менее 50 %, крупнее 0,25 мм – 16,07 % , что менее 50%,
крупнее 0,1 мм – 50,36 % , что менее 75 %; таким образом, грунт следует
отнести к песку пылеватому.
По степени неоднородности гранулометрического состава:
Cu = d60 / d10 = 0,12 / 0,04 = 3 - песок неоднородный.
28
По
e
плотности
сложения:
при
коэффициенте
пористости
26,5  1  0,01 22
 1  0,68 (0,6 ≤ e ≤ 0,8) грунт – песок средней плотности.
19,2
По относительному содержанию органических веществ: Iom = 0,018
<0,03 грунт без примеси органических включений.
По насыщению песка водой – коэффициенту водонасыщения
Sr 
26,5 0,22

 0,86  0,8 грунт - песок, насыщенный водой.
10 0,68
Вывод: рассматриваемый грунт – песок пылеватый, неоднородный,
средней плотности, насыщенный водой.
Образец 3. Грунт отобран из скважины № 2 с глубины 6 м.
При числе пластичности J p  4,0 грунт является глинистым. При значении 1  J P  7 грунт относится к супеси.
По содержанию частиц: крупнее 2 мм частиц нет - супесь без крупных включений минеральных частиц.
По относительному содержанию органических веществ: отсутствуют.
Консистенцию грунта определяют по показателю текучести:
17  15
 0,5 (0 ≤ J L ≤ 1) – супесь пластичная. Коэффициент пористости
19  15
27,2  1  0,0117 
e
 1  0,62 .
19,6
JL 
Вывод: рассматриваемый грунт – супесь, без крупных включений
минеральных частиц, без органических веществ, пластичная.
Образец 4. Грунт отобран из скважины № 2 с глубины 8,7 м.
При числе пластичности J P = 54 – 22 = 32 > 17, грунт является глиной.
По содержанию частиц: крупнее 2 мм частиц нет - глина без крупных включений минеральных частиц.
По относительному содержанию органических веществ: отсутствуют.
Консистенцию глины выделяем по показателю текучести:
28  22
 0,21 (0 ≤ J L ≤ 0,25); грунт – глина полутвердая. Коэффициент
54  22
27,3  1  0,01 28
 1  0,78 .
пористости e 
19,6
JL 
Вывод: рассматриваемый грунт - глина, без крупных включений, без
примесей органических веществ, полутвердая.
Общая оценка строительной площадки № 1. Судя по геологическому профилю, площадка имеет спокойный рельеф с абсолютными отметками 110,50 – 110,60. Грунты имеют слоистое напластование с выдержанным залеганием пластов. Все они могут служить естественным осно-
29
ванием. Наличие на глубине 2,0 – 2,2 м пылеватых песков ухудшает условия устройства фундаментов, поэтому размеры фундаментов следует определять с учетом этого слабого слоя. Фундаменты зданий с небольшими
нагрузками можно заложить в пределах второго слоя, но с проверкой
прочности подстилающего слоя пылеватого песка. При больших нагрузках
на фундамент в качестве рабочего слоя лучше использовать супесь. Использовать песок средней крупности можно при условии, что пылеватые
пески будут упрочнены. Если в основании будут сохранены пылеватые
пески в естественном состоянии, могут возникнуть неравномерные осадки
фундаментов с различными размерами и формами подошв и однотипных
фундаментов с различными давлениями на грунт. Подземные воды залегают на абсолютной отметке 104,05 м, и не будут влиять на устройство оснований, возведение неглубоких фундаментов и эксплуатацию зданий.
Таблица 3.1 - Данные результатов лабораторных исследований грунтов
№ площадки
№ образца
№ скважины
Глубина отбора образца
Содержание ча> 10
стиц, %, разме2 - 10
ром, мм
0,5 - 2
1
1
1,3
4,38
9,18
2
1
3,5
-
25,96
1,8
5,25
0,7
0,25 – 0,5
18,69
14,27
12,42
0,2
0,1 – 0,25
24,35
34,29
18,74
1,28
0,05 – 0,1
7,68
27,8
17,84
15,42
0,01 – 0,05
5,12
15,75
18,85
18,72
0,005-0,01
3,42
4,1
14,63
21,68
<0,005
1,22
1,99
12,27
42
-
1,8
-
-
-
-
19
15
54
22
2,66
1,91
20
2,65
1,92
22
2,72
1,96
17
2,73
1,96
28
Количество растительных
остатков по массе, %
L , %
P , %
 S , т/м3
 , т/м3
, %
Площадка № 1
3
2
6
-
4
2
8,7
-
30
 II
C II , кПа
E , МПа
k , см/с
26 0 30
4
15
5  10 3
22 0 00
8
5
2  10 4
20 0 00
12
10
1  10 6
16 0 00
25
12
8  10 9
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 СНиП 2.02.01.-83*. Основания заданий и сооружений /Госстрой
СССР. – М.: Стройиздат, 1985. – 50 с.
2 ГОСТ 25100-95 Грунты. Классификация. Введен с 01.07.96. М.:
МНТКС, 1995 – 31 с.
3 Швецов, Г.И. Основания и фундаменты: Справочник проектировщика. – М.: Высшая школа, 1991 – 382 с.
4 Механика грунтов, основания и фундаменты: Учебник/ С.Б. Ухов и
др., 2000 – 527 с.