2 V ь & Министерство образования Респубпикн Беларусь БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ Кафедра «Строительство и эксплуатация дорог» Ю Г.Ьабаскин СВОЙСТВА ГРУНТОВ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА УСТОЙЧИВОСТЬ ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИИ Методическое пособие к курсовой работе по дисциплине «Дорожное грунтоведение и механика земляного полотна дорог» для сгудентов специальности Т. 19.03 - «Строительство дорш и транспортных объектов» М и н с к 2 0 0 0 УДК 624.131.1 Е Л О - Бабаскин Ю.Г. Свойства грунтов и их влияние на устойчивость инженерных сооружений: Метод, пособие к курсовой работе по дисциплине «Дорожное грунтоведение и механика земляного по- лотна дорог» д м студ. спец Т. »9 03 - «Строительство дорог и транспортных объектов». - Мн : БГПА, 2000. - 74 с. Методическое пособие составлено с целью оказания помощи студентам при написании курсовой работы по дисциплине «Инже- нерная геология и механика грунтов». Предлагаемое издание включает четыре раздела, охватывающие вопросы минерального состава и физико-механических свойств грунтов, а также устойчивости откосов и давления грунтов на ин- женерные сооружения. Издание предназначено для студентов 2 курса специальности Т. 19.03 - «Строительство дорог и транспортных объектов». Рецензент В.А. Веренько © Бабаскин Ю.Г., 2000 В в е д е н и е Одним из основных разделов инженерной геологин является раздел «Грунтоведение», где изучаются различные по генезису, возрасту, петрографическому составу горные породы. Особенностью инженерно-геологического изучения состава и строения горных пород является влияние минерального состава на свойства грунтов. Поэтому первый раздел предлагаемого методи- ческого пособия посвящен минералам, характеристике их физиче- ских свойств, изучению их кристаллических решеток и типов свя- зей, возникающих в кристаллах на атомном й молекулярном уров- нях, ознакомлению с методами изучения минерального состава горных пород. Рассмотренные основные виды породообразующих минералов входят в состав грунтов и влияют на их свойства. Второй раздел посвящен глубокому изучению физических, вод- ных и механических свойств горных порбд. В нем представлены не только перечень характеристик с математическими формулами для их определения, но и лабораторные методы, с помощью, которых эти характеристики определяются, перечислены рекомендуемые приборы и оборудование. Важно, чтобы студенты представляли полный объем исследова- ний, которые могут быть проведены с грунтами, для качественной характеристики пород различного генетического и петрографиче- ского типа. С этой целью представлены схемы последовательности изучения состава, строения и свойств от скальных до глинистых пород. Определение вышеперечисленных свойств должно проводиться с соблюдением требований норм, правил и стандартов. Поэтому боль- шое внимание уделено классификации горных пород с учетом новых документов: СТБ 943-93, ГОСТ 5180-84, ГОСТ 12248-96, ГОСТ 22733-77, ГОСТ 24143-80, ГОСТ 25584-90, ГОСТ 30416-96 и др. Необходимо не только уметь определять свойства грунтов, но и уметь читать графическое изображение в виде диаграмм, цикло- грамм, кривых и номограмм. С этой целью студенты знакомится с основными навыками построения номограмм и выражения общих физических свойств через различные зависимости. Определение физических, водных и механических свойств грун- 3 тов неббходимо для использования их в расчетах и вычислениях Курсовая работе содерж ит раздел, в котором студенты проводят расчет устойчивости QJ XOCQB и склонов на основании определен- ных показателей грунтов. Расчетная часть работы включает два основных метода, применяемых при оценке устойчивости: метод круглоцнлиндрических поверхностей скольжения и метод плоских поверхностей скольжения, - которые используются для однород- ных и слоистых грунтов. Проведенный расчет может урезать на неустойчивость грунто- вого массива, что потребует от студента применения конкретных инженерных решений Одним из способов повышения устойчиво- сти откосов является Строительство подпорных стенок, конструк- ция которых зависит от активных давлений, возникающих в грун- товом массиве со стороны засыпки. Выполнив задания по каждому из перечисленных разделов, сту- дент приобретает знания; о свойствах и формах связей в кристаллических минералах, о современных методах исследования минерального состава пород; о полноте комплекса исследований горных пород, включающего физические, водные и механические свойства, о методах их опре- деления, приборах и оборудовании, применяемых при испытаниях; о применимости физико-механических свойств грунтов в инже- нерных расчетах; об оценке устойчивости откосов и склонов различными метода- ми в зависимости от их сложения; о применении инженерных сооружений, подтвержденные расче- тами и эпюрами. Курсовая работа состоит из пояснительной записки и одного листа графического материала. Пояснительная записка выполняется на листах белой писчей бумаги формата 210x297 мм, за исключением расчетных схем (разд. 3 и 4), которые выполняются на миллиметровой бумаге того же формата Каждый лист пояснительной записки имеет рамку с полями: вверху и внизу - 20 мм, слева - 35 мм, справа - 10 мм. Каждый раздел начинается с новой страницы. Изложение материа- ла в разделе производится в соответствии с заданием. Перечень необходимых листов в пояснительной записке: 4 титульный лист; введение; содержание; раздел 1; раздел 2; раздел 3; раздел 4; заключение; список используемой литературы. В пределах раздела могут быть подразделы, обозначенные в со- ответствии с заданием. v Схемы и графики выполняются только в карандаше, под линей- ку и лекала. Текст Пояснительной записки пишется ручкой одного цвета - черного или синего. Лист графического материала имеет формат AI (594x841 мм). На листе выполняется рамка, а в правом нижнем углу - штамп. Лист ориентируется вдоль большей стороны и делится горизон- тальной прямой пополам. Верхняя половина листа вертикальной прямой разбивается на две равные части. Нижняя часть листа дву- мя вертикальными прямыми - на три равные части. Таким образом, получается пять прямоугольников, в которых помещаются сле- дующие рисунки и чертежи; верхний левый - расчетная схема в масштабе одного из методов оценки устойчивости откоса (по указанию преподавателя); верхний правый - расчетная схема подпорной стенки с эпюра- ми, в масштабе; нижний левый - номограмма; нижний средний - схема прибора для определения механиче- ских свойств грунтов; нижний правый - решетка Браве. 1. ХАРАКТЕРИСТИКА МИНЕРАЛОВ И МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МИНЕРАЛЬНОГО СОСТАВА При строительстве различных инженерных сооружений, в том числе автомобильных дорог, аэродромов» тоннелей и мостов, гор- ные породы исйользуются как естественные основания этих со- 5 оружений и как материал для их строительства. Горные породы состоят из множества минералов. Минералы - это природные химические соединения или само- родные элементы, относительно однородные по химическому составу и физическим свойствам и образованные в результате разнообразных физико-химических процессов, происходящих в земной коре и на поверхности земли. Из трех тысяч известных в настоящее время минералов в образовании горных пород прини- мают участие не более двадцати пяти, называемых породообра- зующими. Среди породообразующих минералов различают глав- ные и второстепенные. Минеральный состав оказывает весьма значительное влияние на многие физические свойства и степень устойчивости горных пород в инженерных сооружениях. Он'резко меняется в зависимости от исходного состава, степени раздробленности, условий формирова- ния и залегания горной породы. . Большинство минералов представлено кристаллическим веще- ством. Атомы в кристаллах расположены закономерно — наподобие ух1 ов пространственных рещргок. н строго определенном порядке. 6 простых кристаллах структурная единица состоит из одного ато- ма (железо, медь, серебро), б кристаллах более сложных веществ структурная единица содержит несколько атомов или молекул од- ного или' нескольких химических элементов Французский кри- сталлограф Огюет Браве математическим путем доказал, что в ка- ждой кристаллической р е ш е т к ^ з бесконечного числа параллеле- пипедов повторяемости всегда можно выбрать такой, с помощью которого можно охарактеризовать всю решетку в целом. Паралле- лепипед повторяемости характеризуется шестью параметрами: трансляциями, являющимися его ребрами а, Ь, с,и углами между ними а , ß, у. Все кристаллические структуры описываются четыр- надцатью трансляционными группами. , Под координационным числом понимают число ближайших со- седних атомов или ионов одного вида, находящихся на одинаковом расстоянии от атома или иона, принятого за центральный. Коорди- национное число (к.ч.) в структурах кристаллов в значительной степени определяется природой сил, действующих между частица- ми. Металлические структуры стремятся к высокой координации - б 12 или 8, Структуры металлоидов обладают наименьшими коорди- национными числами - 3-4. Силы, связывающие между собой атомы в кристаллах, почти полностью электрические, роль магнитных взаимодействий весьма незначительна, гравитационных - ничтожна. Химическая связь возникает при сближении атомов и обуславливается взаимодейст- вием Внешних валентных электронов. В настоящее время различа- ются связи; гетерополярная, гомеополярная, металлическая, ван-дер-ваальсовая, водородная. Если минералы не имеют внешних признаков правильного строе- ни«, их называют некристаллическими или аморфными. Классифи- кация минералов основывается на их химическом составе. Задание к разделу 1 1. Дать определение минералам [I, 2]. 2. Перечислить классы минералов и Представить подробную ха- рактеристику тому классу, к которому принадлежит выбранный минерал [2]. 3. Представить подробную характеристику, включая и химиче- скую формулу, физическим свойствам минерала [2,3]. 4. Начертить и дать характеристику кристаллической решетке О. Браае [4]. 5. Привести характеристику типа химической связи с определе- нием координационного числа{4] 6. Представить аналйз метода определения минерального соста- ва песчаных, глинистых и карбонатных пород [5]. Изложение материала по разд. 1 осуществлять в соответствии с исходными данными, помещенными в табл. 1. 7 Т а б л и ц а 10 Исходные данные для выпотнени* задания (разд. J) 1 Показатели Номер« |apw m ! 1 2 3 4 5 f* i s 9 10" oi П ai (ti 12 W oi 13 P 04 14 ¥ D* 15 I? 06 16 $ -an 17 ?7 08 18 28 № 19 P i o 23 Jo 1 1 2 3 4 Л 6 i i 9 10 1 1 I I 1 ' Название минерала: 1.1. Пирит öl 26 1.2. Корувд 02 ii 1 1 Гематит 03 28 1.4. KB«P« 29 1.3. Халцедон 03 30 1.6. Опап^ 0Й 1.7. Магнетит | 1.8. Оливин 08 1 119; Mrwr 09 1 1.10. Рогом* обманка 10 I 1.11. Тальк Ii 1.12. Группа монгморилонша 12 I 1.13. Грушм каояиийта • 13 1.14. Мусковит 14 i . i i Биотит V is 1.16. Глауконит 16 1.17. Микроклин n 1.18. Ортоклаз 18 1.19. Альбит 19 1.20. Нефелин 20 1.21. Апатит 2i 1.22. Сидерит n 1.23. Магнезит p 1.24. Ангидрит 24 1 1.25. Гийс 23 8 Продолжение табл. I \ i 2 3 4 5 6 ТГ 8 9 10 11 2. Типы рещеток Брава: 2.1. Трюслинная примитивная 01 15 29 - 2,2. Моноклинная примитивная 02 16 • 30 2.3. Моноклинная базоцеитрированная 03 17 2.4. Ромбическая примитивная 04 18 2.5. Ромбическая базоцеитрированная 05 19 2.6. Ромбическая объем- ноцентрированная Об 20 2.7. Ромбическая граиецентрированная 21 07 2.8. Тригональная примитивная 22 08 2.9. Тетрагональная примитивная 23 09 2.10. Тетрагональная объ- ем ноцентрированная 24 10 2.11. Гексагональная примитивная И 25 2.12. Кубическая примитивная 12 26 2.13. Кубическая объемно- квитированная 13 27 2.14. Кубическая граиецентрированная 14 28 3. Тиль Связей; 3.1. Гетерополярная 01 24 15 06 29 20 3.2. Гомеопояяриая 11 02 25 16 07 30 3.3. Металлическая 21 12 03 26 17 08 3.4. Ван-дер-ваальсовая 22 13 04 27 18 09 3.5. Водородная 23 14 05 28 19 10 9 Окончание табл. К) 1 2 1"' 4 5 б Т 8 9 10 4 Методы изучения мине-рального состава: Ч 4.1. Иммерсионной 01 14 27 09 4.2 Окрашивания п 0? 13 15 26 08 10 4.3. Термический гг 03 16 0? 28 20 4.4. Электроююмшро- скопичссккй 12 23 04 25 Об 17 19 30 4.5. Рентгенографический и электрониогтФнческий 'И 24 05 18 29 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ФИЗИЧЕСКИХ, ВОДНЫХ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД Физические свойства г о р н ы х пород характеризуют их физиче- ское состояние, т.е. плотность, влажность, пористость, консистен- цию, трещи новатость и выветриваемость в условиях естественного залегания, а также в земляных сооружениях и отвали. Главнейшими физическими свойствами являются плотность, по- ристость, а для полускальных, песчаных и глннисшх пород, кроме того, влажность. По этим свойствам можно косвенно судить о проч- ности, деформируемости и устойчивости горных пород (табл. 2). Т а б л и ц а 2 . Физические свойства пород [ Название группы пород Свойства 1 2 Скальные Плотность высокая (2,65-3,1 г/см3), порис- тость незначительная - доли процента Полускальные Плотность средняя (2,20-2,65 г/см3), пористость 10 Окончание табл. К) 1 2 I Рыхлые несвязные Плотность (1,40-1,90 г/см3) и пористость (25- 40%) изменяются в широких пределах. Мягкие связные Плотность (от 1,10-1,20 до 1,90-2,10 г/см') и пористость (от 12-15 до 75-80%) изменяются в Основные характеристики физических свойств горных пород для оценки их физического состояния представлены в табл. 3. Т а б л и ц а 3 Характеристики физических свойств Харак- тер*1" СТШШ Метод определения Грунты (область применимости) Обозна- чение, размер- ность Формула для вычислений 1 2 3 4 , 5 1. Плот- ность грунта Режущим КОЛЬЦОМ Легко поддаю- щиеся вырезке или не сохраняющие свою форму без кольца р , г/см3 _ М| -mg -и»2 {/ где Ж) - масса кольца с грунтом и пластинками, г; то • масса кольца, г; т2 - масса пласти- нок, г; V - объем грунта, равный внутренне- Взвешива- ние в воде парафини- рованных образцов Пылрвато- глинистые ие- мерзлые, склон- ные к крошению или трудно под- дающиеся вырезке Взвешива- ние в ней- тральной жидкости Мерзлые му объему кольца, см3; 4 11 Продолжение табл. I i " > г 4 " " " 2. Плот- ность сухого грунта Расчетный Все грунты **>tf> г/См3 р Pd » ; 1 + O.ÖUF ш р * шютноеть грунта, г/см1; 3. Плот- ность частиц грунта Пикнометри- ческийс водой, пиро- метрический с нейтрвльмой жидкостью Все трумты, кроме засо- ленных н Засоленные и набухаюйшв Ar. г/см' щ а . " • —fliui щ+щ-щ - гд» «ij - масса сухого грунта, г; йц - мйссв пикнометра С водой и грунтом после кишмения при температуре йсиыта- ния, г, - масса «нанометра с водой. Г> pw - ЙЛЬТНОСТЬ воды, r/m1 Метод двух пикнометров Засоленные 4. Влаж- ность, в том числе Гигроско- пическая (Wg)* Высушиаяние до постоянной массы Йсетэунш №,% V ~ 4 i И"* 7 -100, 7 8 где % - масса влаж- ного грунта с бкж- сой и крышкой, г, iHi - масса высушенно- го грунта с бюксой и крышкой, г; щ - масса пустой бюксы с крышкой, г 5. Влаж- ность границы текучести Йенетрацм конусом Пылевато- глиннстые к % 12 Окончание табл. К) 1 .'• • 1 • 3 4 ' 3 • 6. Влажность Раскатыва- flbUWMTO- % % границы рас* катмаа^ия,. • ние а жгут глиаистые 7. Йодная влагоемкость Расчетный Все грунты W* % wn * - —) 100 = Pd р = — ^ -100 pi 1 - я ) 8. Пористость Расчетный Все грунты », Ра 1 я ж (1 - - Й - ) . ЮО J Метод Скальные и % насыщения пояускалыше Р 9. Коэффици- ент пористости Расчётный Все грунт % Pd - " 100 1 - й 10. Число пластичности Расчетный Пылевато- глинистые '>> % Ip»WL-Wp 11. Показатель Расчетный Пылевато- 4 текучести (консистенции) глин истые 1L . E- 12. Степень Расчетный - Все грунты Sr с • W влажности . sr «г •Гигроскопическая влажность - влажность грунта в воздушно- Сухом состоянии, то есть в состоянии равновесия с влажностью и температурой окружающего воздуха. Водные свойства roprikx пород проявляются в их способности изменять состояние, прочность и устойчивость при взаимодействии с водой, поглощать и удерживать воду или фильтровать ее. Основными свойствами, определяющими отношение горных пород к воде, являются их водоустойчивость, влагоемкость, капил- лярность и водопроницаемость (табл. 4). 13 Т а б л и ц а 10 Характеристики водных свойств Свой- ства Показатели Метод или приборы для определения Грунты (область примени- мости метода) Формула для вычислений 1 2 3 4 5 Водо- устой- чи- BOCTU Скорость и характер размокай ия 1. Прибор для определения - скорости размокаю» ПРГ-1 Глинистые hK ~hH bSW - > h » где - высота образца в кольце после набухания; А„ - высота образца до увлажнения и набухания Величина и влажность набухания (относи- тельное набухание) 2. Метод А.М. Василь- ева Глинистые Величина и влажность усадки (от- носитель-, иая лроса- дочность) 3. Высушива- ние образца в термостате Глинистые и некото- рые полу- скальные = 2- • 100 , V где V - объем режущего цилиндра; V • объем высушенного образца Содержа- ние водо- раствори- мых соеди- нений (степень засоленно- сти) 4. Анализ водных и солянокис- лых вытяжек Карбонат- ные, глинистые породы ß -"'SAL USAL - > тс.гр где msAL - масса солей в | образце; • тс гр - масса абсолютно сухого грунта 14 Продолжение табл. I г 2 3 4 5 Размягчае- МОСТЬ 5. Сопротив- ление породы при одноос- ном сжатии Скальные н лолу- скальиые _ Яежм' &СЖ.С где Я«*,* - предел проч- ности ири сжатии водо- насыщенного образца; Ясж.с - предел прочности при сжатии воздушно- с/хого образца Вла- гоем- КОСТЬ Полная влагоем- кость 6. Расчетный. Для песков - метод насы- щения Любые Wn = f-i Li. loo = \Pä P) = " .100 pQ-n) Макси- мальная . молекуляр- ная влаго- емкость 7. Метод влагоемких сред Глинистые WM.M. 8. Метод высоких колонн Песчаные 9. Метод центрифуги- рования Песчаные Водоотда- ча. Коэф- фициент водоотдачи 10. Метод высоких колонн Песчаные мелкозер- нистые, скальные, полу- скальные, галечники » B - »V .v ^B » где К, - объем воды, свободно вытекающей из породы, загруженной в трубку; V„ - объем породы, загруженной в трубку | 15 Продолжение табл. I 1 i 1 1 •V Г ' 1 •' Ка- Высота 11. Стеклян- Пески пнл- капилляр- ная трубка мелкие и |л*р- ного под- длиной 80» тонкозер- [ностъ нятия 100 см, ка- пилляриметр конструкции Г.Н. Камен- скбго нистые. Глинистые пароды Водо- Про- ни- цае- МОСТЪ Коэффици- ент фильт- рации 12. Прибор Союздорнии для опреде- ления коэф- фициента фильтрации Песчаные 864-h S = t-т - « H o h где 864 - переводной коэффициент из см/с в м/сут; 13. Прибор Г.Н. Камен- ского для определения коэффициен- та фильтра- ции Песчаные и глини- стые h - высота образца, см; t - время Падения уровня аоды, с; 7^(0,7+0,037^) - поправ- ка температуры; Тф - фактическая темпе- ратура воды, °С; 14. Прибор Г. Тиме * Рыхлые несвязные S р( ) -безразмерный Но коэффициент, опреде- ляемый По таблице (ГОСТ 25384-90) пару шей- ного слоцсения 15. Прибор Д. Квпецкого Песчаные и глини- сты.* 16. Трубка Г.Н. Камен- Песчаные ского 17. Трубка СПЕЦГЕО Песчаные и глини- стые 16 Окончание табл. К) 2 3 4 5 }8. Компрессионно- фильтрационный Прибор Глинистые 19. Прибор ПВ кон- струкции Д. И. Знаменского - В.И. Хаустова Глинистые 20. Прибор Ю.М. Абелева т- А.Н. Озерецковского Глинистые Механические свойства горных пород определяют их поведение под влиянием внешних усилий - нагрузок. Они проявляются и оце- ниваются прочностью и деформируемостью горных пород. Свойство горных пород воспринимать нагрузки нр разрушаясь называется прочностью, а изменять под нагрузкой форму сложения и объем - деформацией Основные зависимости, характеризующие закономерности изме- нений деформаций и прочности горных пород, приведены в табл. 5. Минеральный состав, структура, текстура, условия залегания, физическое состояние и физико-механические свойства являются основными генетическими признаками, определяющими петрогра- фический состав горных пород. Различные генетические и петро- графические типы пород объединяются в группы по физико- механическим свойствам, характеризующиеся определенными строительными качествами. По этим признакам выделяются пять групп горных пород (табл. 2); 1) твердые - скальные; 2) относительно Твердые - полускальные; 3) рыхлые несвязные; 4) мягкие связные; 5) особого состава, состояния и свойств. 17 Т а б л и ц а 10 Характеристики механических свойств Харак- тери- стики Метод определе- ния Названия применяет мых Приборов Грунты (область применимости метода) Формула для вычислений 1 2 3 4 5 1. Мо- дуль упру- гости Испытание на одноос- ное сжатие Рычажный пресс, испыта- тельная машина Мягкие связные глинистые и полускальные с Н^ж^.ЗМПа я P D0-M2) üv = • - » у 4 5у где — - коэффициент, 4 учитывающий жест- кость штампа; Р - нагрузка; D - диаметр штампа; ц - коэффициент Пуассона; 8 у - упругая деформация 2. Мо- дуль 1 дефор- мации Испытание на одноос- ное сжатие Рычажный пресс, испыта- тельная машина Скальные и полускальные о РЬЬ Ед ~ ~ > . S F h где и - напряжение; S -относительная деформация; Р - нагрузка; ДА - величина дефор- мации; F - площадь поперечно- го сечения; h - высота образца Компрес- сионные испытания Компресси- онный прибор КПр1 Песчаные и глинистые 3. Мо- дуль осад- ки Компрес- сионные испытания Компресси- онный прибор КПр1 Песчаные и глинистые ер = 10005 , ДА где Ö = — - относи- А тельная деформация 18 Продолжение табл. I \ 2 3 4 5 ••.Пре- дел проч- ности при сжатии Испыта- ние на одноос- ное сжатие Испы- татель- ная машина,, пресс Скальные, полускаль- ные, укреп- ленные R СЖ * где Р - разрушающая нагрузка, кН; F - первоначальная площадь основания образца 3. Ко- эффи- циент попе- речной дефор- мации (коэф- фици- ент Пуас- соня) Измере- ние про- дольных и попе- речных дефор- маций образца при его испыта- нии на одноос- ное сжатие Прибор дай измере- ния про- дольных и попе- речных дефор- маций образца Мягкие связные, глинистые и полу- скальные с FU<2,3MNA _ $ поп 8пр где 8 п о п - относительная поперечная деформация; бПр - относительная продоль- ная деформация. Для скальных и полускальных грунтов ц =0,1-0,4; для крупнообломочных И =0,27; для песков и супесей /и =0,30; для суглинков fi =0,35; для глин /I =0,42 6. Ко- эффи- циент Расчет- ный метод Песчаные, глинистые X V . • » = . ; 1 - f i боко- вого давле- ния Метод трехос- ного сжатия Стаби- лометр Полускаль- ные, рых- лые несвяз- ные, мягкие связные 2 где tp - угол внутреннего трения. Для скальных грунтов £ =0- 0,1; для полускальных £ =0,2-0,3; для песков £ =0,35-0,41; для суглинков н глин 4 =0,2-0,75 19 Продолжение табл. I 1 2 3 4 5 7. Коэф- фициент сжимае- мости Компрес- сионные испыта- ния Компрессион- но-фильтраци- ониый прибор конструкции H.H. Масдова, прибор конст- рукции Гвдро- проекга Породы естествен- ного сложения - песчаные и нарушен-. ного сложения - глинистые h-Pi где е\ - коэффициент пористост и при дав- лении Р\, ег - коэффициент пористости при дав- лении Рг 8. Коэф- фициент относи- тельной сжимае- мости Компрес- сионные испыта- ния Прибор конст- рукции Гидро- проекта Песчаные и глини- стые нарушен- ного и естествен- ного сложения ДА ап =100-— , 0 h где ДА - изменение высоты образца; А - первоначальная высота образца 9. Про- садоч- ность Компрес- сионные испыта- ния Компрессион- ный прибор Лессовые, глинистые А - hK h s d - d . V где h, t/,v- начальные значения высоты, диаметра и объема образца; А*, dK, гк - конечные значения высоты, диаметра и объема 20 Окончание табл. К) I 2 3 4 5 ' 10. Набу- хание Компрес- сионные испыта- ния Прибор для определения свободного набухания грунтов (ПНГ), компрессион- ный прибор Глини- стые Sn = — - свобод- 0 А ное набухание; Дйн S H = ~ - набу- хание под нагрузкой 11. Со- против- ление срезу грунта Метод консоли- дирован- ного среза Срезной прибор, прибор Гидро- проекта Песча- ные, глини- стые с I l<1 г = ptgfp + С , Р где р = — - нор- F мальное давление; Р - нормальная нагрузка; F - площадь среза; <р - угол внутренне- го трения; С - сцепление | Метод неконсо- лидиро- ванного, среза Срезной прибор Маслова-Лурье, компрессионная установка для предварительно- го уплотнения • . т . Суглини- стые глины с 1^0,5 Для каждой группы физические, водные и механические свой- ства имеют вполне определенные значения. Полный комплекс свойств горных пород и последовательность их изучения представлены для скальных и полускальных, а также для песчаных и глинистых пород на рис. 1 и 2. Исследование вещественного состава и строения горных пород заключается в проведении макроскопического анализа (прямым и косвенным методом). •При макроскопическом изучении пород дается описание всех основных признаков: цвета и оттенков, формы и размера зерен, особенностей текстуры. Изучение магматических, метаморфических, осадочных сцемен- тированных и глинистых горных пород под микроскопом является продолжением макроскопического изучения породы. При макро- скопическом изучении образцов в шлифах особое внимание уде- ляют породообразующим и вторичным минералам, присутствию органики. 21 Рис. 1. Последовательность изучения состава, строения и физико-механических свойств скальных и полускальных горных пород 22 Рис 2. Последовательность изучав« состава, строения и физюсо-мехЬническюс свойств песчаных и глинистых пород 23 Зерновой иди гранулометрический состав грунтов основывается на их классификации, приведенной в табд. 6 в соответствии с СТБ 943-93. Т а б л и ц а б Типы и виды грунтов без жестких структурных связей Под группа Название Особенности Размер и | содержание 1 2 3 4 J. Круп- нооб- ломоч- ные «грунты По грануломет- рическому со- ставу: валунный глыбованный При преобладании окатанных частиц При преобладании неокатаиных частиц Масса частиц крупнее 200 мм более 50% общей массы галечниковый щебенистый При преобладании окатанных частиц При преобладании иеокатанных частиц Масса частиц крупнее 10 мм более 50% общей массы гравийный дресвян ый При преобладании окатанных частиц При преобладании неокатаиных частиц Масса частиц крупнее 2 мм более 50% общей массы По составу и содержанию заполнителя: с песчаным заполнителем Размер частиц 2-0,05 мм При его со- держании более 40 % от | общей массы | с пылевато- глинистым за- полнителем Размер пыли 0,03- - 0,005 мм Размер глины <0,005 мм При его со- | держании 1 более 30 % от I общей массы | 24 Окончание табл. К) 1 2 3 4 2. Песча- ные грун- ты (песок - в грануло- метриче- ском 1составе По грануло- метрическо- му составу: гравелистый Масса частиц круп- нее 2 мм более 25 % общей массы крупный Масса частиц крупнее 0,5 мм более 50 % общей массы 1 частиц | крупнее 2 |мм менее средний Масса частиц круп- нее 0,25 мм более 50 % общей массы 150% общей массы) мелкий Масса частиц круп- нее 0,1 мм 75 % и более общей массы пылеватын Масса частиц крупнее 0,1 мм менее 75 % общай-шссы 3. Пыле- вато-гли- нистые 1грунты По содержа- нию вклю- чений по массе: с галькой (щебнем), с гравием (дресвой) При преоблада- нии окатанных или неокатанных частиц Содержание соответ- ствующих частиц крупнее 2 мм 15-25 % общей массы галечнйко- вый (щебе- нистый), гравелистый (дресвяный) При преоблада- нии окатанных или неокатанных частиц Содержание соответ- ствующих частиц крупнее 2 мм 26-50 % общей массы Выбор метода определения гранулометрического состава осу- ществляется с учетом данных, приведенных в табл. 7. 25 Т а б л и ц а 10 Методы определения гранулометрического состава грунта Методы определе- ния Название метода Применяемый прибор Размер частиц Прямые I. Ситояей без промывки водой Набор сит от 10 до 0,3 мм 2. Ситовой с про- мцакой водой от 10 до 0,1 мм 3. Пипеточный Пипетка конструк- ции М.И. Захярьева сиг 0,1 и более до 0,001 мм и менее 4. Метод А Н. Саба- нина (мета двойно- го отмучивания) Прибор А.Н. Саба- нина вт0,1 и более до 0,01 мм и менее Косвенные 5. Ареометрический Ареометр для изме- рения плотности суспензии от 0,08 до 0,001 мм и менее 6. С И. Рутковского Песчаные фракции- отиучиланием Глинистые - по вели- чине набухания Н. Г=*22,67Н. Пылеватые - как разность между 100% И суммой песчаной и глинистой фракции от 0,25 до 0,01 мм и менее 7. Визуальный от 2 мм и круп- нее до 0,25 мм Результаты гранулометрических анализов изображаются в виде различных графиков: 1) диаграммы глинистых пород; 2) треугольной диаграммы глинистых пород; 3) треугольной диаграммы песчаных пород; 4) треугольной диаграммы гравелистых пород; 5) интегральной кривой глинистой породы в простом масштабе; 26 6) интегральной кривой глинистой породы в полулогарифмиче- ском масштабе; 7) кривой по способу Свирьстроя; 8) циклограммы. В грунтоведении и механике грунтов часто применяются номо- граммы, представляющие собой комбинацию нескольких графиков, объединенных общими показателями и зависимостями. Применение номограмм в расчетах позволяет сохраштть время на вычисления. Наи- более широко распространенные номограммы приведены в табл. 8. Т а б л и ц а 8 Перечень используемых номограмм № п/п Наименование номограммы Ссылка на литературу 1 2 3 1 Номограмма В. А. Приклонено го для вычисления плотности сухого грунта по плотности частиц грунта и влажности [5], с. 107 2 Номограмма В. А. Приклонского для вычисления пористости и коэффициента пористости горных пород по плотности грунта и плотности сухого грунта [5], с. 116 3 Номограмма для вычисления коэффициента насыще- ния горных пород водой по их влажности, плотности грунта и пористости [5], с. 120 4 Номограмма для вычисления коэффициента относи- тельной плотности песка [5], с. 129 5 Номограмма H.H. Биндемана для определения коэф- фициента фильтрации в приборе Г.Н. Каменского {5], с 165 6 Номограмма дня определения модуля упругости по скорости распространения продольных волн 15), с. 214 7 Номограмма для определения вертикальных нормаль- ных напряжений в фунте при нагрузке от насыпи f 11, с.137 8 Номограмма для определения главных напряжений и углов видимости от величины нагрузки [6J, с. 168 График Ямбу для установления координат центра наиболее опасной поверхности скольжснин [6], с. 428 27 Окончание табл. К) 1 г 3 10 Номограммы для определения времени промерзания земляного полотна на критическую глубину (по И. А. Золотарю) т , с. S2 11 Номограмма для вычисления коэффициента тепло- проводности мерзлых песчаных грунтар [7], с. 54 12 Номограмма для вычисления высоты насыпи в зави- симости от удельного влагонакопления и глубины промерзания 17], с.95 13 Номограмма для вычисления вспомогательных координат П].с. 147 14 Номограмма для вычисления объема грунта призмы обрушения и ддины кривой скольжения при гп= 1,5 [7], с. 149 Номограмма для вычисления объема грунта призмы обрушения и длины кривой скольжения при т=1 [7], с. 150 Номограмма для вычисления объема грунта призмы обрушения и длины кривой скольжения при т-1,73 111 с. 151 17 Номограмма для вычисления скорости осадки осно- вания насыпи (7], с.194 1 Задание к разделу 2 1. Представить характеристики физических, водных и механи- ческих свойств одной из групп горных пород (на основании исход- ных данных, табл. 9, и инженерно-геологической классификации горных пород, с. 12-13 [5]). 2. Представить схему изучения свойств горной породы в зави- симости от исходных данных (рис. 1 или 2). 3. Представить подробную характеристику физического свойст- ва грунта (в соответствии с заданием), описать методы определе- ния, при необходимости начертить схему прибора (на основании исходных данных и табл. 3 [5]). 4. Представить подробную характеристику водных свойств грунта, описать методы определения, при необходимости начер- тить схему прибора (на ОснЪвании исходных данных и табл. 4 [5]). 28 5. Представить подробную характеристику механических свойств грунта, описать методы определения, начертить схему прибора (на основании исходных данных и табл. 5 [5]). 6. Представить характеристику одной подгруппы грунтов без жестких структурных связей (на основании исходных данных, табл. 6 и СТБ 943-93). 7. Выбрать метод определения гранулометрического состава, описать его, начертить при необходимости прибор и изобразить результат анализа одним из графических способов (на основании исходных данных и табл. 7 [5]). 8. Начертить и описать одну из номограмм (исходные данные, табл. 8). Задание необходимо выполнять в соответствии с исход- ными данными для выполнения задания (разд. 2). Т а б л и ц а 9 Исходные данные для врполгечня задания (разд. 2) Номер варианта 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Показатели 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 1 2 3 4 5 б 7 8 9 10 И 1. Наименование горных пород: Граниты 01 13 Базальты 02 14 Гнейсы 03 15 Глинистые сланцы 04 16 Известняки глини- стые 05 17 Доломиты глини- 1 стые 06 18 Пески 07 19 30 Гравий 08 29 20 Галечники 21 28 09 Глины 22 27 10 Суглинки 11 23 26 Супеси ,, 1 24 25 1 29 Продолжение табл. I 1 т 4 r " F ' " Г " и г D n r l i 2. Схема изучения свойств горных пород: скальных и полускаль- ных (рис. 1) 01 02 03 i i 04 14 05 15 06 i6 17 18 песчаных и глинистых (рис. а> 11 21 12 22 23 24 25 26 07 2? 08 28 09 19 29 10 20 30 3. Физиче- ские свойст- ва грунте (табп. 3) Ö1-2 11-5 21-9 02-4 12-6 22-Ю oi-7 13-2 23-11 Ы-8 14-4 24-12 05-9 15-7 25-1 06-12 16-8 26-2 17-9 07-1 27-3 18-12 08-2 28-4 09-3 19-7 29-5 10-4 20-8 30-6 4. Йодные свойства грунта (табл.4) 01-3 11-7 21-10 02-5 12-6 22-11 13-10 р-п 04-10 14-3 24-13 05-3 15-5 25-14 06-4 16-10 26-15 17-3 07-1 27-16 18-10 08-2 28-17 09-3 19-7 29-18 10^ 20-8 30-19 5. Механиче- ские свойст- ва грунта (табп. 5) 01-1 11-11 21-10 02-2 12-1 22-11 03-3 13-2 23-1 04-4 14-3 24-2 05-5 15-4 25-3 06-6 16-5 26-4 07-7 17-6 27-5 08-8 18-7 28-6 09-9 19-8 29-7 10-10 20-9 30-8 6 Типы И виды грунтов без жестких структурных связей: 1)(табл. 6) 01 02 03 13 04 14 05 15 06 16 17 18 2) 11 ii 24 1б 01 28 09 29 20 30 3) 2i 12 23 25 27 08 19 10 7. Методы определения грануломет- рического состава 01-1 11-3 21-6 02-2 12-4 22-5 Oi-i 13-1 23-4 Ö4-1 14-2 24-3 Ö5-2 15-3 25-6 06-7 16-1 26-5 17-2 07-5 27-4 18-7 08-6 28-3 09-3 19-5 29-6 10-4 20-6 30-5 (табл. 7) 30 Окончание табл. К) 1 И Г Т " 4 5 6 8 9 10 И 8. Графиче- 01-4 02-8 03-4 (Й-8 05-4 06-8 ское изо- 13-8 14-4 15-8 16-4 17-8 18-4 бражение 07-1 08-2 09-3 10-5 грануломет- 11-6 12-7 19-1 20-2 рического 21-3 22-5 23-6 24-7 25-1 26-2 27-3 28-5 29-6 30-7 состава 9. Номо- Ö1-1 02-2 03-3 04-4 05-5 06-6 07-7 08-9 09-9 10-10 граммы 11-11 12-12 13-11 14-14 15-15 16-16 17-17 18,16 19-15 20-14 (табл. 8} 21-13 22-11 23-12 24-10 25-9 26-8 27-7 28-6 29-5 30-4 3. РАСЧЕТ УСТОЙЧИВОСТИ ОТКОСОВ И СКЛОНОВ Крутые откосы земляного полотна и естественных склонов оползают под влиянием собственного веса, когда сдвигающие ка- сательные напряжения преобладают над силами сопротивления грунта сдвигу, причем последние обусловлены силами внутреннего трения и сцепления. При проверке устойчивости откосов и склонов различают следующие задачи: устойчивость откосов в насыпях и выемках из однородных грунтов; устойчивость откосов в слоистых грунтах. Каждая из этих задач может быть решена методами, приведен- ными в табл. 10. 31 Т а б л и ц а 10 Методы оценки устойчивости откосов и склонов Вид строения откоса Метод оценки Математическое выра-жение Наименьшее требуемое значение показателя 1 2 3 4 Одно- родный 1. Метод кругдоци- линдрических поверх- ностей скольжения (КЦПС): без учета дополнительных силовых воздействий „ T.Pi'g('l + Sinp) 1,3 Троицкой С К = У SNyH 1,3 3.1. Расчет устойчивости откоса по методу КЦПС без учета дополнительных силовых воздействий 3.1.1. Вычисляем параметр КР по формуле 1 y w • Я - l g p w А с р > где yw • расчетное значение удельного веса грунта, кН/м3 (исходные данные); Н - высота откоса, м (исходные данные); 4>w - угол внутреннего трения, град, (исходные данные); Cw - сцепление, кН/м2 (исходные данные). 33 3". 1.2. Вычисляем угол наклона поверхности откоса Н tgfi - V H m где т - заложение откоса (1 :ш). 3.1.3. Зная Xct и крутизну откоса Д по графику Ямбу ([6], с. 428) определяем относительные координаты центра опасной дуги скольжения х0 и уа 3.1.4. Умножая х„ и ур на высоту откоса Я, получаем абсолют- ные координаты центра вращения х( иу(. 3.1.5. Не миллиметровой бумаге форм«!« A4 (210x29?) по ис- ходным данным » масштабе 1:100 вычерчиваем контуры откоса (рис. 3). В зависимости от категории дорогй (табл. 11) по верху откоса откладываем половину ширины земляного полотна и прово- дим осевую линию. Т а б л и ц а 11 Характеристика земляного полотна 1 Показатель Категория дороги 1 1-а 1-6 И Iii IV V | Ширина земляного полотна» м 28,5 36 43,5 27,5 35 12 ю 8 8 Из точки подошвы откоса восстанавливаем перпендикуляр и от- кладываем координату у,. Из полученной точки откладываем гори- зонтальный отрезок Если значение х,- положительное, то отрезок откладываем вправо, если отрицательное - влево. 34 Из найденного центра радиусом R проводим дугу кривой скольжения и опускаем перпендикуляр. Овьем грунта, находящий- ся справа от перпендикуляра и ограниченный дугой скольжения, будет способствовать возникновению вращающих моментов М.р, а объем, находящийся слева, - возникновению удерживающих мо- ментов Мус,. 3.1.6. Полученный отеек обрушения делим на расчетные блоки вертикальными сечениями. Ширину блока принимаем не более 2 м и примерно одинаковой. Разделение на блоки начинаем от оси "у" вправо и влево. Вертикальное сечение в обязательном порядке должно пройти через верхнюю точку откоса. В каждом блоке про- водим среднюю линию, разделяющую блок пополам и обозначен- ную пунктирной линией. Исключение составляют первый и по- следний блоки, представляющие собой не трапеции, а треугольни- ки. В таких геометрических фигурах центр тяжести лежит на ли- нии, находящейся на удалении, равном 2/3 основания треугольника от его вершины. Поэтому средние линии этих двух блоков будут находиться не посередине блока, а на расстоянии, равном 2/3 осно- вания от вершины треугольника. Длину средней линии в каждом блоке вычисляем по схеме, изображенной на миллиметровой бума- г е ^ проставляем на схеме возле пунктирной линии. 3.1.7. Производим расчет моментов поблочно. Результаты вы- числений заносим в табл. 12. Т а б л и ц а 12 Результаты определения моментов № бло- ха Средняя высота блока, м Ширина блока, м Объем блока, м3 Удельный вес грунта, кН/м3 Вес . блока Рь кН Длина плеча, хи м Момент кН-м 1 1 3 4 5 6 7 8 1 i и || ZPj = ZPjXj =, 36 Среднюю высоту и ширину блока вычисляем из расчетной схе- мы, выполненной в масштабе 1:100. Объем блока определяем путем умножения средней высоты на ширину блока. Удельный вес грунта берем в исходных данных. Все блока Р, вычисляем путем умножения объема блока на удельный вес фунта. Длину плеча определяем из расчетной схемы. Плечо равняется отрезку, равному расстоянию от оси "у" до средней линии соответствующего блока. Плечо, откладываемое вправо, записываем со знаком плюс, влево - со знаком минус. Момент вычисляем путем умножения веса блока на длину пле- ча. Момент имеет тот же знак, что и плечо. После расчета всех блоков вычисляем общий вес всех блоков Р, и сумму моментов Л х,. 3.1.8. Определяем длину дуги скольжения L, для чего вначале находим показатель х-а агса = , 180 где а - угол, взятый из расчетной схемы и составленный двумя радиусами, соединяющими центр кривой вращения и концы кривой скольжения. Длину дуги скольжения определяем из выражения L = arc a-R, где R - радиус кривой скольжения, взятый из расчетной схемы. 3.1.9. Рассчитываем коэффициент устойчивости из выражения К - Z P > +Cw L R 37 где 1Р, - общий вес всех блоков (табл. 12);. tg <р* - коэффициент внутреннего трения (р* - угол внутреннего трения, берем из исходных данных); Cw - сцепление, кН/м* (исходные данные); L - длина дуги скольжения, м; ZPt х, - сумма моментов, кН м (табл. 12); R - радиус кривой скольжения, м. Если вычисленный коэффициент устойчивости больше значе- ния, указанного в табл. 10, то откос считается устойчивым, если меньше - неустойчивым. Для неустойчивых откосов должно быть либо изменено заложение откоса в сторону более пологого склона, либо предусмотрено устройство подпорных стенок. 3.2. Расчет устойчивости откоса по методу КЦПС с учетом гидростатического давлении 3.2.1. Вычисляем удельный вес грунта, взвешенного в воде. С - У » ,кН/м3, где Ум/ - удельный вес грунта, кН/м3 (исходные данные); Ув - удельный вес воды, кН/м3. 3.2.2. Вычисляем средневзвешенное значение удельного веса грунта yw К + ь! Л , Уср = Г > кН/м3, н где hc - высота сухой части грунта, определяемая из выражения hc = Н -И3, 38 где Н - высота откоса (исходные данные), м; Ь, - высота зоны затопления, равная горизонту верхних вод ГВВ (исходные данные), м. 3.2.3. Вычисляем параметр А^ по формуле Ycp Н ig v вз Yw Р. Р; 6 h, h2 v ' V2 Ум» Я . Р. Р2 7 10 h, hj Vt v2 Yw YS. Р. Pj h, h2 V| Vj Ун- YV. Р. Р2 11 7v Средняя высота блоков, разделенных линией ГВВ на части, за- писывается двумя цифрами: верхняя - длина сродней линии выше ГВВ; нижняя - длина средней линии ниже ГВВ. Ширина и объем блока определяются аналогично 3.1.7. Удельный вес влажного грунта берем из исходных данных, а удельный вес взвешенного грунта - иа 3.2.1. Вес блока вычисляем также по частям. Объём сухой части блока умножается на удельный вес влажного грунта, а объём затопленной части блока - на удельный вес взвешенного в воде грунта. Величину плеча определяем по 3.1.7. Момент вычисляем по частям блоков. После заполнения таблицы вычисляем суммы 1\ и Л*« 41 3.2.9. Длину дуги скольжения определяем так же, как в 3.1.8. 3.2.10. Коэффициент устойчивости Ку определяем так же, как в 3.1.9. 3.3. Расчет устойчивости откоса по методу КЦПС с учётом фильтрационного давления 3.3.1. Вычисляем удельный вес грунта, взвешенного в воде (см. 3.2.1). 3.3.2. Вычисляем средневзвешенное значение удельного веса грунта (см. 3.2.2). 3.3 3. Вычисляем параметр Лс, (см. 3.2.3). 3.3.4. Определяем угол наклона поверхности откоса (см. 3.1.2). 3.3.5. Определяем относительные координаты центра опасной дуги скольжения (см. 3,1 3). 3.3.6. Определяем абсолютные координаты (см. 3.1.4). 3.3.7. Вычерчиваем расчетную схему (см. 3.1.5) (рис. 5). 3.3.8. Отсек обрушения делим на блоки и рассчитываем средние линии (см. 3.1.6). 3.3.9. На откосе насыпи наносим две горизонтальные линии: линию горизонта верхних вод ГВВ, линию спада воды до уровня горизонта вод ГВ. Оба значения имеются в исходных данных. 3.3.10. Вычисляем среднюю точку кривой депрессии где В - ширина земляного полотна (табл. 11); 42 3 - гидравлический градиент или средний уклон линии депрес- сии, равный: для песков 3 = 0 , для пылеватых грунтов 3 * 0,05-0,06, для суглинистых грунтов 3 = 0,06-0,08. 3.3.11. Проводим кривую депрессии, через которую осуществ- ляется фильтрация воды. Кривую проводим по трйм точкам: первая точка (М) - точка пересечения плоскости откоса с уров- нем ГВ; вторая точка (N) - точка пересечения осевой линии земляного полотна дороги с уровнем ГВВ; третья точка находится на вертикальной прямой, опущенной че- рез бровку земляного полотна путём отложения отрезка А от уров- ня ГВВ. Три точки плавно, с помощью лекала соединяем между собой. 3.3.12. Вычисляем фиктивный угол внутреннего трения по фор- муле ig щ = В tg , где Ig <Рф - коэффициент внутреннего трения - угол внутренне- го трения, берём из исходных данных); В - коэффициент, учитывающий соотношение между у * и у определяем из выражения Ь с d а + - + - + - 2 2 2 В а + о + - + — 2 2 где а - средняя высота блока в зоне сухого фунта, м; b -средняя высота блока в зоне фильтрации давления* м; с - то же, в зоне затопления, м; d - то же, в зоне застоя, м (рис. 5). 43 Результаты расчётов сводим в табл. 14. Т а б л и ц а 14 Расчет составляющих для определения коэффициента устойчивости • № бло- ка Сред- няя высо- та бло- ка, м Ши- рин» бло- ка, и Объ- ем бло- ка, м' Удель- ный лес грунте, кН/м3 Вес бло- ка Л. Kll Пле- чо Мо- мент Р,-х,. кН/м В Кооф •иутр. трения 'К*. Фмкта». ни А угол (Hyip. тренмя lg »V Е/V-r , - t f f • црф « Среднюю высоту находим по расчётной схеме независимо от пересечения блока кривой депрессии. Ширину и объём блока находим так же, как в табл. 12. Удельный вес грунта принимаем на основании исходных дан- ных, независимо от зон, возникающих в откосе при фильтрацион- ном давлении: Вес блока, плечо и моменты определяем по табл. 12. Показатель В вычисляем для каждого блока. При отсутствии в блоке соответствующей зоны показатель, характеризующий зону, равняется нулю Коэффициент внутреннего трения определяем исходя из вели- чины угла внутреннего трения (исходные данные) Фиктивный угол внутреннего трения рассчитываем для каждого блока. После заполнения таблицы вычисляются суммарные значения Ptx, и Pt Ig !рф. 3.3.13. Определяем длину дуги скольжения (см 3.1 8) 3.3.14. Рассчитываем коэффициент устойчивости из выражения 45 IP, ' X! где C w - сцепление, кН/м2 (исходные данные); R - радиус кривой скольжения, м (расчетная схема). 3.4. Расчет устойчивости откоса по методу ППС без учёта дополнительных силовых воздействий 3.4.1. На основании исходных данных (Н, т, категория дороги) на миллиметровой бумаге формата A4 строим очертание откоса в масштабе 1:100. 3.4.2. Разбиваем откос на блоки в соответствии с заданием, 3.4.3. В пределах каждого блока произвольно проводим поверх- ность скольжения, получаем ломаную линию, отражающую слои- стый характер строения откоса из грунтов различных физико- механических характеристик. Транспортиром измеряем угол на- клона поверхности скольжения в пределах блока (а,) и подписы- ваем каждый угол. 3.4.4. Для каждого блока проводим среднюю линию, измеряем ее и подписываем (рис. 6). 3.4.5. Объем блока определяем путем умножения средней высо- ты на ширину блока. 3.4.6. Вес блока рассчитываем путем умножения объема блока на удельный вес грунта, который берем из исходных данных и кор- ректируем с учетом 3.4.9. 3.4.7. Длину участка поверхности скольжения измеряем линей- кой с учетом выбранного масштаба (М 1:100). 3.4.8. Угол сдвига вычисляем по формуле 46 Wpi = arctg ( С t tg„ - угол внутреннего трения; С„ - сцепление, кН/мг; р0 - удельное давление, кН/м2. 3.5.11. Поскольку метод ППС применяется для откосов, сло- женных из грунтов с различными физико-механическими характе- ристиками, угол внутреннего трения, сцепление и удельный вес грунта должны быть различными. Варьирование проводим анало- гично 3.4.9. 3.5.12. При наличии в склоне фильтрационного давления его рассчитываем для каждого выделенного блока по зависимости W =у . З Т , ф в где ув - удельный вес воды, равный 10 кН/м3; 3 - гидравлический градиент, равный 0,06; V - объем блока, м3. 3.5.13. Результаты расчетов сводим в табл. 16. 3.5.14. Коэффициент устойчивости откоса с учетом фильтраци- онного давления определяем из выражения к ^ P i l t g a i ~,g(ai ~¥Pi)] у ~ т tgo-j + w e e o p ) • где числитель представлен 22-й колонкой табл. 16, знаменатель - суммой 23-й и 26-й колонок табл. 16. Крутизну откоса 0определяем из выражения 3.1.2, Полученный показатель сравниваем со значениями табл. 10 и делаем вывод об устойчивости откоса. 52 Т а б л и ц а 10 Сводная ведомость результатов расистов Удельный Всс № бло- ка Ширина блока, м Средняя высота блока, м Объем блока, Удельный вес фунта, кН/м5 вес грунта во взве- шенном состоянии, кН/м3 отдель- ных частей блока, кН 1 2 3 4 5 6 1 Расч.схема Расч. схема 2x3 Исх данное См. 3 2 1 4x5, 4x6 Продолжение табл 16 Общий вес блока Рн кН Угол наклона ПС а,, град lg а, Длина поверхно- сти сколь- жения 11, м Среднее удельное давление ft Ра - ' h Сцепление С., кН/мг i k Ро кНАГ 8 9 10 11 12 13 14 1 7 Р.сх. Расчет Расч.схема 8:11 Исх длимые 13 12 Продолжение табл 16 Угол внутрен- него трения <р», град lg <Р* Тан- генс угла сдвига <8 Vpi Угол сдви- га Vpt <4 -¥р( l'KOy - j - «к(а, - v p l ) 15 16 17 18 19 20 21 I Исх.дан- 1 ные 3.5.11 Рас- чет 16+14 Рас-чет 9-1» Расчет I0-2U 53 Окончание табл. К) PJtga, - ~lg(at -VpiJ Pi m Градиент 3 -Wfcosß 22 23 24 25 26 8x21 8-10 0,06 Расчет Расчет ZPtf'gat - EPitga, -Igfal pi)l Задание к разделу 3 1. Ознакомиться с методами оценки устойчивости откосов и склонов (табл. 10 данного пособия, [7]). 2. Произвести расчет устойчивости откоса для однородного грунта по методу круглоцилиидрических поверхностей скольжения для одного из трех случаев [8]: без учета дополнительных силовых воздействий; с учетом гидростатического давления; с учетом фильтрационного давления. 3. Произвести расчет устойчивости откоса для слоистого грунта по методу плоских поверхностей скольжения для одного из двух вариантов [8]: без учета дополнительных силовых воздействий; с учетом фильтрационного давления. Исходные данные для выполнения задания 3 приведены в табл. 17. 54 Я) а я ч VO Л н я» н и я м Ск. я • а м Я а Ж 2 2 8 8 S > ä Ш 10 -9 ,0 20 -1 0, 5 30 -8 .5 10 -1 ,7 5 20 -1 ,5 30 -2 ,0 10 -1 9, 20 20 -1 9. 9 30 -2 1. 0 tm IN 10 -2 1 20 -3 1 30 -1 9 <Э\ $ 2 R f s ä s 09 -1 ,5 19 -1 ,0 29 -1 ,7 5 £ ч ч Я 09 -2 0 19 -3 0 29 -1 8 00 8 2 8 > IN 06 -1 7 16 -2 7 26 -1 5 «о •Л in Vi © —« ГЧ f •A in © 12 ! 0 5- 10 ,0 ! 15 -8 ,0 i 25 -9 ,5 05 -1 ,5 15 -2 ,0 25 -1 .7 5 05 -1 8. 95 15 -1 9. 45 25 -2 0, 4 чг IN 05 -1 6 15 -2 6 25 -1 4 ! 3 2 a- 04 -V 14 .-Ш 24 -U 04 -9 .5 ] 14 -1 1, 0 24 -9 .0 04 -2 ,0 14 -1 ,7 5 24 -1 .5 04 -1 8, 9 14 -1 9. 4 24 -2 0. 3 f»l fS •r» jq tn 4 4 4 © — ri m m m О — fN 03 -I V 13 -1 1 23 -I II ! 03 -9 .0 13 1 0. 5 | 23 -8 .5 03 -1 ,7 5 13 -1 ,5 23 -1 ,0 03 -1 8. 85 13 -1 9. 35 23 -2 0^ PI 03 -1 4 13 -2 4 23 -1 2 гч g a s я « 2 M © ГЧ ! 02 -8 .5 12 -1 0, 0 i 22 -8 .0 02 -1 ,5 12 -1 .0 22 -2 .0 02 -1 8. 8 12 -1 93 22 -2 0. 1 IN 02 -1 3 12 -2 3 22 -3 3 И-« © * * m Г4 О О о 90 00 О гч гч ГЧ ГЦ О гч 4. ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА НА ПОДПОРНЫЕ СТЕНКИ Подпорные стенки устраивают для удержания склонов и отко- сов, если их крутизна превышает предельно допустимую. Подпор- ные стенки могут выполнять функции набережной или ограждения подвального помещения здания. Давление грунта, которое передается со стороны грунтовой тол- щи на подпорную стенку, называется активным Давление, воспри- нимаемое грунтом от боковой части фундамента подпорной сгонки, называется пассивным. Расчет подпорной стенки сводится к определению ее устойчиво- сти против сдвига по основанию и опрокидывания при повороте вокруг внешнего ребра подошвы. В строительной практике возникают следующие случаи, влияющие на выбор расчетных характеристик: засыпка произведена сыпучим грунтом; помимо засыпки сыпучим грунтом стснка имеет дополнитель- ную равномерно распределенную нагрузку; засыпка произведена связным грунтом; часть подпорной стенки затоплена водой 4.1. Расчет подпорной стенки при песчаной засыпке 4.1.1 На миллиметровом бумаге формата A4 (210х2У7 мм) в масштабе вычерчиваем профиль подпорной стенкн с учетом исход- ных данных Размер подпорной стенкн по верху равен половике размера этой же стенки по ншу. Ширину горизонтальной площад- ки принимаем произвольно (рис. К) 57 Рис. в. Эпюра давлений при песчаной засылке Рис. 9. Эгаора давлений при песчаной засыпке и дополнительной равномерно распределенной нагрузке 4.1.2. Определяем активное давление от песчаной засыпки на уровне подошвы фундамента: Pa=YwH-tg2(45-^ Л к Н У м ^ где yw - удельный вес грунта, кН/м3 (исходные данные); Н - высота подпорной стенки, м (исходные данные), ЦК, - угол внутреннего трения, град (исходные данные) 4.1.3. Определяем пассивное давление от подпорной стенкн на песчаный грунт: Pn=Vw hjae;, tg2(M + - f ), кН/м2, ГДе сил " глубина заглубления фундамента, м (исходные данные) 4.1.4. Строим э[1юру распределения активного и пассивного давления на подпорну ю стенку Эти эпюры носят прямолинейный характер В верхней точке подпорной стенки давления равны нулю, а в нижней - соответственно Р„ или Р„ Для построения эпюры активного давления берем две точки Первую - в верхней точке подпорной стенкн со стороны засыпки, вторую - на уровне подошвы фу ндамента, на расстоянии от верти- кальной плоскости подпорной стенки, равном /'., в масштабе Со- единяем эти точки прямой и заштриховываем Аналогично строим эпюру распределения пассивного давления, только откладывается она со стороны фундамента влево Нижняя точка эпюры равняется расстоянию /'„ в масштабе 4.1:5. Определяем полное активное давление несвязного грунта на I м длины подпорной стенки высотой И 59 2 с Н Л 2лш '„=2Cw-tg(45+?f ), мм2. С» Ун кН/м 64 В» ^ / \ \ 1 II « Л ; г р - ж » - А н л I Pj • 2В ш Pi» „ II W Рис. >0. Эпюра давлений при засыпке глинистым грунтом Рис. 1), Эшор» давлений при песчшюймсыпке и частичном »тонленим 4 3 11. Определяем точку приложения полного активного давления еп — — 77 ' м, 3 п+о где Л,«» - величина заглубления фундамента, м; a n d - нижнее и верхнее основание трапеции (рис. 10), равное а = Р„", d = Р„'. 4.3.12. Эпюру пассивнрго давления строим в определенной по- следовательности: 1) от верхней точки фундамента откладываем в масштабе вели- чмну/У; 2) от нижней точки подошвы подпорной стенки откладываем в масштабе величину Р , 3) соединяем точки и получаем трапецию, 4) от подошвы подпорной стенки откладываем е„ и проводим горизонтальную стрелку, обозначающу ю Е„. 4.4. Расчет подпорной стенки при песчаной засыпке и ее частичном затоплении 4.4.1. На миллиметровой бумаге формата A4 в масштабе и с учетом исходных данных рисуем профиль подпорной стенки (рис. 11). На схему наносим уровень грунтовых вод (УГВ). Линию УГВ продолжаем по другую сторону подпорной стенки. . 4.4.2. Определяем активное давление грунта, лежащего выше уровня воды: P a = y w Z - i g 2 ( * S - ? f - А кН/м\ где Z - высота подпорной стенки выше уровня грунтовых вод, равная 66 Z = H-(hMм + УГВ), м , где И - высота подпорной стенки, м (исходные данные); А*** - величина заглубления фундамента, м (исходные данные); УГВ - уровень грунтовых вод, м (исходные данные). 4.4.3. Определяем удельный вес грунта во взвешенном состоя» НИИ fw ^ - У в ' кН/м3; где Yw * удельный вес грунта (исходные данные); Yg ' удельный вес воды, равный 10 кН/м1. 4.4.4. Определяем высоту пласта приведенного столба водонасы- щенного грунта по отношению к высоте пласта столба сухого грунта. 4 4.5. Вычисляем общую приведенную высоту слоя груша за- сыпки, находящегося в водонасыщенном состоянии: Н, - h + h^ t УГВ, м. 4.4.6. Определяем активное давление грунта, приведенного к во- донасы щенному состоянию где <р* - угол внутреннего.трения грунта, град. 4.4.7. Строим эпюру активного давления в следующем порядке: на уровне УГВ откладываем в масштабе значение величины 1"а, соединяем полученную точку с верхней точкой вертикальной плоскости подпорной стенки; 67 от УГВ откладываем По вертикальной плоскости подпорной стенки значение Л; на уровне подошвы фундамента откладываем величину Р „, соединяем точки И,Р ' а кР" 0 н получаем эпюру активных давлений. 4.4.8. Определяем полное активное давление несвязного грунта на 1 м длины подпорной стенки, находящейся выше УГВ: Z 2 2 ' Pw Е а = T w - ' - y t t ( 4 5 " - у , кН/м. 4.4.9. Определяем точку Приложения полного активного давле- ния 4.4.10. Откладываем величину «а от верхней точки вертикаль- ной плоскости подпорной стенки вниз. Проводим горизонтальную стрелку, обозначающую Е 'я. 4.4.11. Определяем полное активное давление несвязного грунта на 1 м длины подпорной стенки, находящейся ниже УГВ: I • it Ч Ь э а г н ^ У Г В ) , кН/м. 4.4.12. Определяем точку приложения полного активного давле- ния е", с"Лаг*+У™ Рд+гРд а ~ 1 " , м. 68 4.4.13. Откладываем величину е"а от подошвы подпорной стен- ки вверх и проводим горизонтальную стрелку, обозначающую Е"а. 4.4.14. Определяем полное активное давление несвязного грунта на 1 м длины подпорной стенки: Еа - Е'а + Е\, кН/м. 4.4.13. Для определения точки приложения полного активного давления Е, находим расстояние между точками приложения £"„ и Е"а> равное X = Н - (е'а + e"j ,м. 4.4.16. Определяем точку приложения полного активного давле- ния Еа. Для этого составляем пропорцию Е"а*а - E'afx -ej , Еах отсюда еа ~ " Т » м. ьа+ьа 4.4.17. Откладываем на эпюре активных давлений (рис. 11) от точки «•"в вверх величину отрезка, равного е. Проводим в этой точ- ке горизонтальную стрелку, обозначающую Еа. Задание к разделу 4 1. Ознакомиться с теорией давления фунтов на ограждения (6,9| 2. Произвести расчет активных и пассивных давлений различ- ных грунтов, находящихся в сухом и волотсыщенном состояниях. Исходные данные для выполнения задания 4 приведены в табл 18. 69 Т а б л и ц а 10 Исходные данные для выполнения задания (разд. 4) Показатели Н о м е р в а р и а н т а 1 2 3 4 8 6 7 8 9 10 01 и 21 02 12 22 03 13 23 04 N 24 05 15 25 06 16 26 07 17 27 08 18 28 09 19 29 10 20 30 1 2 "3 4 5' 6 7 8 9 10 11 1. Высота подпор- ной стенки Н, м: 7 01 13 25 07 19 8 02 14 26 08 20 9 21 03 15 27 09 ю 22 04 16 28 10 11 11 23 05 7 29 12 12 24 06 18 30 2. Величина за- глубления фунда- мента hjaa, м: 2,0 01 22 13 14 25 26 07 08 19 20 2.5 2 Г 02 23 04 15 16 27 28 09 10 3,0 11 12 03 24 05 06 17 18 29 30 3. Ширина под- порной стенкн по низу 2В, м. 2 01 02 13 14 25 26 07 08 19 20 3 21 22 03 04 15 16 27 28 09 10 4 11 12 23 24 05 06 17 18 29 30 70 Окончание табл. К) 1 1 2 3 4 5 6 7 8 . 9 10 П (4. Удельный вес грунта кН/м3 (см. табл. 17) 5. Угол внутреннего трения грунта <р*, град, (см. табл. 1.7) 6. Сцепление грунта Cw, кНУм2 (см. табл. 17) 11 22 03 15 26 07 28 19 30 7. Равномерно распре- деленная нагрузка Р0, кН/м2: 160 02 10 17Q 23 180 14 190 25 200 06 210 18 8. Уровень грунтовых вод УГВ, м: 1 21 16 2 12 27 29 3 04 08 20 9. Произвести расчет: 4.1 01 13 24 05 17 09 4.2 02 23 14 25 06 18 10 4 3 11 22 03 15 26 07 1 1 08 J 9 29 30 20 A 4 21 12 04 16 27 71 Л и т е р а т у р а 1. Б а б к о в "В. Ф., Б е з р у к В. М. Основы грунтоведения и механики грунтов. - М.: Высш. школа, 1986. 2. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Инженерная геология, дорожное грун+оведение и механика грун- тов» для студентов специальностей «Автомобильные дороги» и «Мосты и тоннели» ' Составители: Р.И Петрашевский, Т.к.Богда- нович, Ю.ГЛабаскин, А.А.Куприянчик. - Мн.: БПИ, 1987. 3. Г о д о в и к о в А. А.' Минералогия. - М Недра, 1973. 4. В е т м а н Е.Ф:, Р у ф а н о в Ю. Г., Ф в д о р ч в н к о И.Н Кристаллография, минералогия, петрография и рентгенография. - М.: Металлургия, 10(Ю. 5 . Л о м т а д з с В. Д. Методы лабора~>рных исследований фи- зико-механических свойств горных пород. - Л.: Недра, 1972. 6. М а с л о в Н. Н. Основы инженерной геологии и механики грунтов. - М.: Высш. школа, 1982. 7. Л с о н о в и ч Й. И., В ы р к о Н. П. Механика земляного полотна.-Мн : Наука и техника, 1975. 8. Методические указания для выполнения курсовой работы по дисциплине ((Инженерная геология, дорожное грунтоведение и механика грунтов» студентами заочного обучения специальностей «Строительство и эксплуатация дорог и аэродромов» и «Мосты и тоннели» / Составители: Т.К.Богданович, Р.И.Петрашевский. Ю.Г.Бабаскин, А.А.Куприянчик. - Мн : БПИ, 1996. 9. Ц ы т о в и ч Н. А. Механика грунтов. ~М : Высш. школа, 1973. 72 С о д е р ж а н и е В в е д е н и е 3 1. ХАРАКТЕРИСТИКА МИНЕРАЛОВ И МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МИНЕРАЛЬНОГО СОСТАВА 5 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ФИЗИЧЕСКИХ, ВОДНЫХ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД 10 3. РАСЧЕТ УСТОЙЧИВОСТИ ОТКОСОВ И СКЛОНОВ 31 3.1. Расчет устойчивости откоса по методу К ЦП С без учета дополнительных силовых воздействий 33 3.2. Расчет устойчивости откоса по методу КЦПС с учетом гидростатического давления 38 3.3. Расчет устойчивости откоса по методу КЦПС с учетом фильтрационного давления 42 3.4. Расчет устойчивости откоса по методу ППС без учета дополнительных силовых воздействий . . . . . . 46 3.5. Расчет устойчивости откоса по методу ППС с учетом фильтрационного давления 49 4. ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА НА ПОДПОРНЫЕ СТЕНКИ . . 5? 4.1. Расчет подпорной стенки при песчаной засолке . 57 4.2. Насчет подпорной стенки при песчаной засыпке и наличии дополнительной равномерно распределенной нагрузки 61 4.3. Расчет подпорной стенкн при глннистой засыпке . . . 62 4.4. Расчет подпорной стенкн при песчаной засыпке и ее частичном затоплении 66 Л и т е р а т у р а 72