Характеристики. Інженерно-геологічні вишукування.
Укладачі: Маєвська Ірина Вікторівна, Блащук Наталя Вікторівна
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ
до самостійної роботи і контрольні завдання з дисципліни
“Механіка ґрунтів та фундаменти”
для студентів заочної форми навчання
напряму підготовки 6.060101 “Будівництво”
Ключові слова: основа, ґрунт, фундамент, стисливість, міцність, напруження, осідання.
Методичні вказівки
до самостійної роботи і контрольні завдання
З дисципліни
“Механіка ґрунтів та фундаменти”
Для студентів заочної форми навчання
напряму підготовки 6.060101 «Будівництво»
Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України
Вінницький національний технічний університет
Методичні вказівки
до самостійної роботи і контрольні завдання
З дисципліни
“Механіка ґрунтів та фундаменти”
Для студентів заочної форми навчання
напряму підготовки 6.060101 «Будівництво»
Вінниця
ВНТУ
Рекомендовано до друку Методичною радою Вінницького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України (протокол № від 20 р.)
Рецензенти:
І. Н. Дудар, доктор технічних наук, професор
О. В. Христич, кандидат технічних наук, доцент
Методичні вказівки до самостійної роботи і контрольні завдання з дисципліни “Механіка ґрунтів, підвалини та фундаменти” для студентів заочної форми навчання напряму підготовки 6.060101 «Будівництво» / Уклад. І. В. Маєвська, Н. В. Блащук. – Вінниця: ВНТУ, 2012. – 62ьс.
В методичних вказівках наведені рекомендації до самостійної проробки студентами-заочниками матеріалу по курсу “Механіка ґрунтів та фундаменти”. Приводяться контрольні завдання для виконання контрольної роботи, що містить теоретичну і розрахунково-графічну частину. Наведений порядок виконання контрольних завдань з посиланням на необхідні літературні джерела, правила оформлення роботи і приклади розрахунку.
ЗМІСТ
ВСТУП...............................................................................................................5
1 Методичні вказівки з вивчення теоретичних роздiлів дисципліни “Механіка ґрунтів, підвалини та фундаменти”…………………………………………………………..7
2 Вказівки з виконання контрольної роботи.........................13
3 ВКАЗІВКИ ДО АНАЛІЗУ ІНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГІЧНИХ УМОВ
БУДІВЕЛЬНОГО МАЙДАНЧИКУ …………………………………….16
4 ВКАЗІВКИ З ПЕРЕВІРКИ ТИСКУ ПІД ПІДОШВОЮ ФУНДА-
МЕНТУ…………………………………………………………………….46
5 Вказівки з розрахунку осідання фундаменту мето-
Дом пошарового підсумовування……………………………..48
6 ПРИКЛАДИ РОЗРАХУНКУ………………………………………………51
6.1Аналіз інженерно-геологічних умов будівельного майдан-
чика (підготовка даних для розрахунку)………………………………51
6.2 Перевірка тиску під підошвою і визначення осідання фунда-
менту під колону або стіну методом пошарового підсумовування….54
6.3 Перевірка тиску під підошвою і визначення осідання плит-
ного фундаменту методом пошарового підсумовування…………….56
В С Т У П
Будь-яке нове будівництво, а також реконструкція існуючої забудови потребує детального вивчення ґрунтів будівельного майданчику, а також прийняття економічного і технологічного рішення з улаштування або підсилення фундаментів.
Будівництво великих і важких споруд, що передають на основу значні навантаження, а також все більш часте використання під забудову територій з несприятливими гідро-геологічними умовами потребує від будівельників знань і навичок в галузі фундаментобудування.
Фундаменти складають значну долю як в загальній вартості будівельно монтажних робіт (від 5-10% до 20%), так і в загальних витратах залізобетону на будівлю або споруду (15-20% для промислових об’єктів), що свідчить про важливість економічного аспекту при їх проектуванні.
Проектування основ і фундаментів будь-якого об’єкту виконується з урахуванням особливостей будівельного майданчику, конструктивного рішення надфундаментної частини будівлі, експлуатаційних вимог до об’єкту. У результаті проектування і улаштування основ і фундаментів є комплексною і складною задачею, для рішення якої фахівець повинен володіти необхідними знаннями за такими дисциплінами:
- інженерна геологія – встановлення обсягу і складу інженерно-геологічних вишукувань, аналіз їх результатів з метою оцінки особливостей будівельного майданчику на момент будівництва і встановлення можливостей змінення геологічних умов під час зведення і експлуатації будівель і споруд;
- механіка ґрунтів – оцінка умов роботи ґрунтів в ґрунтовому масиві, знання особливостей і умов застосування існуючих розрахункових моделей і рішень для визначення деформівності і міцності основ, вибір методу розрахунку, що найбільш повно відповідає задачі, що стоїть перед проектувальником;
- основи і фундаменти – вибір найбільш економічно- і технічно обґрунтованого типу основ і конструкцій фундаментів і їх розрахунок.
В результаті вивчення курсу студент має знати:
- фізико-механічні властивості ґрунтів будівельних майданчиків:
- інженерно-геологічні процеси і природні геологічні процеси, які впливають на властивості ґрунтів і можуть погіршити умови експлуатації споруд:
- методи визначення фізичних і механічних властивостей ґрунтів;
- методи розрахунку основ за деформаціями і несучою здатністю;
Студент має вміти:
- оцінювати результати інженерно-геологічних вишукувань;
- визначати фізико-механічні характеристики ґрунтів;
- визначати напружений стан ґрунтової основи;
- виконувати розрахунки основ за двома групами граничних станів.
Студенти-заочники самостійно вивчають курс “Механіка ґрунтів, основи і фундаменти” у п’ятому і десятому навчальних семестрах. Програма курсу містить:
1. Теоретичний матеріал, що вивчається студентами самостійно у відповідності з методичними вказівками і лекціями, які читаються під час установчої сесії.
2. Лабораторні роботи і практичні заняття, що проводяться за період установчої сесії під керівництвом викладача.
3. Контрольну роботу, що виконується у 5 семестрі у відповідності з викладеними нижче вимогами, і заздалегідь надсилається до університету для рецензування.
4. Курсовий проект, що виконується у 10 семестрі, і також надсилається для рецензування.
Студенти, які виконали на відповідному рівні контрольну роботу і лабораторні роботи, у 5 семестрі здають залік з теоретичного матеріалу по дисципліні “Механіка ґрунтів, підвалини та фундаменти”, а в наступному, 10 семестрі, здають курсовий проект і іспит по курсу “Основи та фундаменти будівель і споруд”, який включає і питання механіки ґрунтів і інженерної геології, що вивчались у 5 семестрі.
ЛІТЕРАТУРА:
1. Інженерна геологія. Механіка ґрунтів, основи та фундаменти: [підручник]/ [М. Л. Зоценко, В. І. Коваленко, А. В. Яковлєв,
О.О. Петраков, В.Б. Швець, О.В. Школа, С.В. Біда, Ю.Л. Винников].- Полтава, 2003. - 446 с. Далматов Б. И. Механика ґрунтов, основания и фундаменты./ Б. И. Далматов - М., Стройиздат, 1981.- 319 с.
2. Цытович Н. А. Механика ґрунтов (краткий курс)./ Н. А. Цытович - М.: Высшая школа, 1983. - 288 с.
3. Швецов Г. И. Инженерная геология, механика ґрунтов, основания и фундаменты [учеб. для вузов]/ Г. И. Швецов - М.: Высш. шк., 1987. – 296 с.
4. Ваганов І. І. Інженерна геологія та охорона навколишнього середовища [Електронний ресурс]:[навчальний посібник] / [І. І. Ваганов, І. В. Маєвська, М. М. Попович]. – Вінниця: ВНТУ, 2010. - 262 с. – Режим доступу: http://posibnyky.vntu.edu.ua/geologiya/
5. Основи і фундаменти будівель та споруд: ДБН В.2.1-10-2009. - [Чинний від 2009-07-01]. – К.: Мінрегіонбуд України, 2009. – 105 с. – (Національні стандарти України).
6. Основания и фундаменты: Справочник/ [Г. И. Швецов, И. В. Носков, А. Д. Слободян, Г. С. Госькова]; под ред. Г. И. Швецова. - М.: Высш. шк., 1991. – 383 с. - ІSBN 5-06-001827-Х.
7. Пособие по проектированию оснований зданий и сооружений (к СНиП 2.02.01-83)/НИИОСП им. Герсеванова. – М.: Стройиздат, 1986. – 415 с.
8. Вишукування. Інженерні вишукування для будівництва: ДБН А.2.1-1-2008 [Чинний від 2008-01-01]. – К.: Мінрегіонбуд України, 2008. – 74 с. - (Національні стандарти України).
9. Ґрунти. Класифікація: ДСТУ Б.В.2.1-2-96. - [Чинний від 1997-01-01]. – К.: Мінбуд України, 1997. – 45 с. – (Національні стандарти України).
І Методичні вказівки з вивчення теоретичних роздiлів дисципліни “Механіка ґрунтів, основи і фундаменти”
Для самостійного вивчення теоретичного матеріалу за літературними джерелами нижче приведена програма курсу, короткі методичні вказівки і контрольні питання для самопідготовки, які є одночасно питаннями для заліку з дисципліни у 5 семестрі.
Тема І. Класифікація ґрунтів, їх фізико-механічні
характеристики. Інженерно-геологічні вишукування.
Гірські породи як ґрунти. Природа ґрунтів, їх склад. Відмінності між сипучими і зв’язними ґрунтами.
Фізичні характеристики ґрунтів, методи їх визначення. Будівельна класифікація ґрунтів. Особливо виділені типи ґрунтів: леси, мули, торфи і заторфовані ґрунти, їх властивості. Інженерно-геологічні вишукування, їх організація, склад і обсяг. Польові методи визначення механічних властивостей ґрунтів.
Перша тема включає питання окремого розділу Інженерної геології, який носить назву “ґрунтознавство”. Вона вивчає природний стан ґрунтів, властивості, притаманні їм в природі. Основні поняття ґрунтознавства закладають основу для подальшого вивчення курсу. Знання назв ґрунтів, кількостних показників їх властивостей є обов’язковим при проектуванні і будівництві фундаментів.
Література: [1 – 5, 7, 8-10].
Контрольні запитання:
1. Склад ґрунтів. Сипучі і зв’язні ґрунти, відмінності між ними. Природа зв’язності ґрунтів.
2. Види води у ґрунтах (хімічно- і фізично зв’язана вода, вільна вода, капілярна вода). Класифікація вільної води за розташуванням у масиві ґрунту (види підземних вод).
3. Показники щільності ґрунтів (питома вага, питома вага частинок ґрунту, питома вага сухого ґрунту). Способи їх визначення, межі змінюваності.
4. Показники вологості ґрунтів (природна вологість, ступінь вологості). Класифікація піщаних і великоуламкових ґрунтів за ступенем вологості.
5. Показники пористості ґрунтів (пористість, коефіцієнт пористості). Класифікація піщаних ґрунтів за щільністю складення (за коефіцієнтом пористості).
6. Показники пластичності ґрунтів (межі пластичності, число пластичності, показник текучості). Методи їх визначення. Класифікація глинистих ґрунтів за числом пластичності (ступенем глинистості) і показником текучості.
7. Класифікація твердих частинок ґрунту. Розділення ґрунтів за гранулометричним складом і вмістом глинистих частинок.
8. Будiвельна класифiкацiя ґрунтів.
9. Особливо виділені типи ґрунтів: леси, мули, торфи і заторфовані ґрунти, їх властивості.
10. Склад і обсяг інженерно-геологічних вишукувань.
11. Види гірських виробок. Глибина і частота проходження гірських виробок.
12. Вплив різних факторів на обсяг і зміст інженерно-геологічних вишукувань (особливості ґрунтових умов, тип фундаментів, ступінь відповідальності споруд, конструктивні особливості споруд).
13. Визначення модуля деформації ґрунтів в польових умовах (випробування штампом, пресіометром, статичне і динамічне зондування).
14. Визначення характеристик міцності ґрунтів в польових умовах (випробування на зріз в спеціальних обоймах, метод обертального зрізу (крильчатка), статичне і динамічне зондування).
Тема 2. Природні геологічні процеси.
Властивості гірських порід (ґрунтів) змінюються протягом часу під впливом енергії Землі або Сонця (природні геологічні процеси) або можуть відбуватись при участі людини (інженерно-геологічні процеси).
Екзогенні природні геологічні процеси (відбуваються під впливом енергії Сонця). Вивітрювання і геологічна діяльність вітру. Геологічна діяльність текучих вод. Геологічна діяльність морів, озер і боліт. Геологічна робота льодовиків. Природні екзогенні геологічні процеси необхідно розглядати за схемою: руйнування-перенесення-відклади. Особливу увагу слід приділити будівельним властивостям відкладів різного походження (наприклад: еолові піски значно відрізняються за властивостями від алювіальних).
Література: [1, 4, 5]
Контрольні запитання:
1. Поняття про природні геологічні процеси. Їх особливості.
2. Вивітрювання, його види, будівельні властивості елювія.
3. Геологічна діяльність вітру. Еолові відклади.
4. Геологічна діяльність текучих (делювіальних) вод. Боротьба з ерозією. Властивості делювія, пролювія.
5. Геологічна діяльність рік і струмків (алювіальних вод). Типи річкових долин, види алювія.
6. Геологічна діяльність морів, озер і боліт. Морська абразія, захист берегів, види морських відкладів. Відклади озер і боліт, їх властивості.
7. Геологічна робота льодовиків. Льодовикові (моренні) і водно-льодовикові (флювіо-гляціальні) відклади.
Тема 3. Інженерно-геологічні процеси.
Особливості інженерно-геологічних процесів. Просадкові явища в лесових ґрунтах. Усадка і набухання глинистих ґрунтів. Суфозія і карст. Зсувні явища.
Інженерно-геологічні процеси відбуваються в породах певного складу і походження на відміну від природних, що відбуваються в будь-яких породах. Тривалість прояву цих процесів можна порівняти з тривалістю служби споруд.
Характерною особливістю інженерно-геологічних процесів є їхній найтісніший зв'язок з інженерною діяльністю людини, але деякі з них можуть протікати і без цього зв'язку.
Інженерно-геологічні процеси бувають причиною деформацій будівель і споруд, а іноді і повного їх руйнування. Але, на відміну від такого геологічного явища, як землетрус, вони можуть бути відвернуті людиною.
Література: [1, 4, 5]
Контрольні запитання:
1. Інженерно-геологічні процеси, їх особливості і основні види.
2. Ущільнення порід при збільшенні тиску.
3. Просадкові явища в лесових ґрунтах. Склад і ознаки просадкових ґрунтів, причини просадковості.
4. Показники просадковості, способи їх визначення, призначення.
5. Види замочування ґрунтів.
6. Усадка і набухання глинистих ґрунтів, показники набухання i усадки.
7. Суфозія і карст. Заходи по боротьбі з суфозією.
8. Зсувні явища, їх причини. Можливі форми втрати стійкості укосів і схилів.
9. Морозне здимання, зрушення гірських порід.
Тема 4. Основні закономірності механіки ґрунтів.
Основні закономірності механіки ґрунтів і показники механічних
властивостей ґрунтів. Закон ущільнення, закон лінійної деформівності, їх використання в рішенні задач механіки ґрунтів.
Ця тема є основою всього подальшого курсу, тому необхідно добре засвоїти матеріал, що вивчається, звернувши увагу на специфіку властивостей ґрунтів як дисперсних тіл у порівнянні з твердими конструкційними матеріалами. Обов’язковим є знання механічних характеристик ґрунтів (характеристик міцності і деформівності), їх фізичної суті і області використання.
Література: [1 – 4, 7].
Контрольні запитання.
1. Основні закономірності механіки ґрунтів.
2. Стисливість ґрунтів, способи випробувань на стисливість, методика компресійних випробувань.
3. Компресійна крива, її види. Закон ущільнення.
4. Назвіть характиристики стисливості ґрунтів, їх геометричний і фізичний смисл, призначення.
5. Чим обумовлена водопроникність ґрунтів? Закон фільтрації для сипучих і зв’язних ґрунтів. Коефіцієнт фільтрації.
6. Як відбувається руйнування ґрунтів? Які фактори визначають опір зсуву піщаних і глинистих ґрунтів?
7. Опишіть методику випробувань ґрунтів на зсув у різних приладах.
8. Закон Кулона для піщаних і глинистих ґрунтів. Характеристики міцності ґрунтів.
9. Випробування ґрунтів на зсув при трьохосному стисненні, обробка результатів випробувань за теорією міцності Мора.
10. Умови граничної рівноваги для сипучих і зв’язних ґрунтів.
11. Структурно-фазова деформівність ґрунтів. У чому полягає принцип лінійної деформівностi і як він використовується в механіці ґрунтів.
12. Що таке модуль деформації ґрунтів? Як він визначається за результатами компресійних і штампових випробувань?
13. Поняття модуля пружності ґрунтів (модуль деформації при вторинному навантаженні). Відміна модуля деформації ґрунтів від модуля пружності.
14. Нормативні і розрахункові значення характеристик ґрунтів.
Тема 5. Розподіл напруг у ґрунтах.
Напруги у ґрунтах від дії зосередженої сили, прикладеної до поверхні лінійно-деформівного напівпростору. Розподіл напруг в випадку плоскої задачі. Дія рівномірно розподіленого навантаження. Метод кутових точок. Контактна задача (розподіл напруг по підошві фундаментів). Розподіл напруг від власної ваги ґрунту.
При вивченні даної теми слід звернути увагу на закономірності розподiлу напруг по глибині і в радіальному напрямку від зосередженої сили на поверхні і виконати їх аналіз. Не менш важливі лінії рівних вертикальних і горизонтальних нормальних напруг, а також дотичних напруг, одержаних на основі рішення плоскої задачі. При вивченні контактної задачі звернути увагу на різницю епюри контактних наапруг для жорсткого і гнучкого фундаментів. При вивченні епюри напруг від власної ваги ґрунту уявити вплив на її форму зміни шарів ґрунту, рівня підземних вод і розташування водоупорного шару.
Література: [1 – 4, 7].
Контрольні запитання:
1. Основні спрощення і передумови, які вводяться при визначенні напруг в ґрунтовому масиві. Які обмеження вводяться на навантаження при визначеннi напруг у ґрунтах.
2. Задача Бусінеска (напруги в ґрунті від зосередженої сили). Розподіл вертикальних нормальних напруг від зосередженої сили по глибині і в плані.
3. Визначення напруг в ґрунті від суми зосереджених сил, від дії будь-якого розподіленого навантаження.
4. Визначення нормальних вертикальних напруг під центром і під кутом прямокутної рівномірно завантаженої площі. Метод кутових точок, для чого він використовується?
5. Наведіть залежності для визначення напруг в випадку плоскої задачі. Виконайте їх короткий аналіз. Що таке головні напруги?
6. Лінії рівних напруг в ґрунті для плоскої задачі, їх аналіз з точки зору їх впливу на роботу фундаменту і його основи.
7. Як розподіляються контактні напруги (контактний тиск) по підошві жорстких і гнучких фундаментів. Які ще фактори впливають на форму епюри контактних напруг?
8. Як розподіляються напруги від власної ваги ґрунту з урахуванням різних факторів?
9. Вплив розмірів підошви і неоднорідності ґрунтів на розподіл напруг від зовнішнього навантаження.
Тема 6. Деформації ґрунтів і прогноз осідань
Фундаментів
Види деформацій ґрунтів і причини, що їх обумовлюють. Методи визначення пружніх деформацій ґрунтів. Осідання шару ґрунту при суцільному навантаженні. Визначення осідань фундаментів за методом пошарового підсумовування. Причини нерівномірних деформацій будівель і споруд.
Ця тема включає питання розрахунку основ за другою групою граничних станів (за деформаціями). Методи розрахунку осідань фундаментів з урахуванням гранично-допустимих переміщень були вперше розроблені і впроваджені у практику радянськими вченими. Застосування цього підходу дозволяє одержати економічні і надійні проектні рішення фундаментів. В зв’язку з цим для інженера важливо знати методи розрахунку осідань фундаментів, область їх раціонального застосування.
Література: [1 – 4, 6 – 8].
Контрольні запитання:
1. Опишіть види деформацій ґрунтів і параметри, якими характеризуються деформації згідно з діючими нормами.
2. Фактори, що впливають на величину осідань основи: величина навантаження; вид ґрунту основи; глибина закладення фундаменту; умови завантаження; розмір завантаженої площі. Опишіть характер впливу.
3. Методи визначення пружніх деформацій основи (метод загальних і метод місцевих пружніх деформацій).
4. Осідання шару ґрунту при суцільному навантаженні.
5. Розрахункові моделі при визначенні осідань основи. Область їх застосування.
6. Методика визначення осідань методом пошарового підсумовування. Поняття додаткового тиску і товщі, яка стискається.
7. Особливості розрахунку осідань плитних фундаментів, необхідність збільшення або зменшення глибини стисливої товщі Нс.
8. Передумови і обмеження методу пошарового підсумовування.
9. Причини нерівномірних деформацій будівель і споруд.
Тема 7. Теорія граничного напруженого стану ґрунтів і
Область її застосування
Особливості роботи ґрунтів основи за даними їх випробувань штампами. Графік залежності осадки штампа від навантаження. Фази напруженого стану ґрунтів при безперервному зростанні навантаження. Лінії ковзання. Умови граничної рівноваги в точці і в усьому масиві ґрунту. Критичні навантаження на ґрунт. Початкове критичне навантаження на ґрунт, його зв’язок з розрахунковим опором ґрунту основи за нормами. Граничне критичне навантаження на ґрунт, його визначення за ДБН В.2.1-10-2009 [ 6 ].
Як відомо, розрахунок більшості будівельних конструкцій, в тому числі фундаментів і основ, виконується за двома групами граничних станів. В зв’язку з цим для майбутньої професійної діяльності інженера-будівельника важливо знати і розуміти теоретичні основи розрахунку основ за першою групою граничних станів, за несучою спроможністю і стійкістю, а саме: процеси, що відбуваються у ґрунтах при зростанні навантаження до значення граничного критичного, основи теорії граничної рівноваги ґрунтів і її застосування до питань несучої спроможності основ, стійкості укосів і тиску ґрунтів на огородження.
Література: [ 1 – 4, 7, 8 ].
Контрольні запитання:
1. Опишіть процес зростання навантаження на фундамент за допомогою графіка “навантаження-осідання”. Взаємозв’язок графіку з початковим критичним і граничним критичним навантаженнями, розрахунковим опором ґрунту основи.
2. Лінії ковзання. Вивчення процесу руйнування ґрунту за допомогою метода фотофіксації. Можлива форма ліній ковзання.
3. Умови граничної рівноваги ґрунту в точці, кут між головними нормальними напруженнями і площадками ковзання.
4. Початкове критичне навантаження на ґрунт. Формула Пузиревського, її передумови.
5. Наведіть формулу для визначення розрахункового опору ґрунту основи. Які фактори впливають на його величину, зв’язок розрахункового опору і початкового критичного тиску на ґрунт.
6. Граничне критичне навантаження на ґрунт, визначення його інтегральними (наближеними) і диференціальними (строгими) методами.
7. Визначення граничного опору ґрунту за ДБН В.2.1-10-2009 [ 6 ].