В строительстве важное значение имеют свойства грунта, особенно то, как почва разного типа ведет себя под нагрузкой и как сами постройки влияют на нее. Существует специальная дисциплина, которая изучает прочность и устойчивость грунтовых масс и условия их применения как оснований для строительства сооружений. Рассмотрим, что входит в понятие механики грунтов, как правильно рассчитать параметры грунта.
Плотность грунта
Плотностью называется свойство грунта, которое определяется отношением удельного веса к объему. Зависит от минералогического состава почвы, а также степени дисперсности, из-за чего глинистые почвы плотнее, чем песчаные, притом, что минеральный состав у них одинаковый.
Среди физико-механических свойств грунтов плотность считается одной из основных. По характерной плотности можно судить об их состоянии. Определение плотности необходимо при строительстве дорог, фундаментов построек (для распределения напряжений по основанию), при прокладке коммуникаций, для расчета устойчивости склонов к оползням, осадки построенных зданий, для установления объема земляных работ.
Плотность влияет на водопроницаемость почвы. Если она влажная или имеет хорошую впитывающую способность, то после постройки здания может усесть, зимой возникает другая проблема – морозное пучение. Знание о том, какой плотностью обладает грунт, поможет предупредить разрушение или подтопляемость здания, выбрать подходящие материалы для постройки.
Плотность частиц
Это физическая характеристика грунта, она зависит от минерального состава, органоминеральных и органических веществ. Плотность частиц – это отношение массы твердых частиц полностью сухой (без влаги) почвы к ее объему при ненарушенной структуре. Зависит от минерального состава, определяют плотность частиц структурные связи и строение, пористость грунта. Чем больше содержится минералов в почве и чем меньше пористость, тем она плотнее.
По значению плотности частиц определяют значения прочностных и деформационных характеристик, по которым оценивают несущую способность почв и возможность их применения под строительство сооружений.
Влажность грунта
Влажность – это соотношение массы жидкости, которая содержится в почве, к ее массе в сухом состоянии. От этой характеристики зависит несущая способность грунта. Практически у всех грунтов, кроме крупнообмолочных пород и крупного песка, несущая способность понижается с увеличением влажности. Так, у водонасыщенного она будет меньше, чем у сухого.
Определяют влажность в лаборатории методом уплотнения, то есть определяют, при какой влажности почва приобретет наибольшую плотность. Выражается характеристика в процентах, от 0 до 100 %. Оптимальная влажность для песка – 8-14 %, для супеси – 9-15 %, суглинка – 12-18 % и глины – 16-26 %.
Гранулометрический состав
Гранулометрический или механический состав – процентное содержание в почве или горной породе частиц разного размера вне зависимости от ее химического и минерального состава. Почвенные частицы представляют собой обособленные остатки горных пород, минералов, аморфных соединений, иных составляющих компонентов почвы, находящихся в химической связи. Частицы, схожие по величине, объединяют по фракциям. Различают такие типы почвенных механических элементов: органоминеральные, органические и минеральные.
От механического состава зависят агропроизводственные свойства земли, например, способность пропускать и удерживать влагу и воздух, процессы перемещения веществ, накопления и превращения, структурность, тепловой и воздушный режимы. И, в конечном итоге, зависит, насколько земля будет плодородна, как при постоянной обработке, поливе, внесении удобрений, так и без них.
Плотность сухого грунта
Определяется как отношение массы абсолютно сухой почвы (без влаги в порах) к объему с учетом объема пор. Измеряется характеристика в г на куб. см. ее можно определить, если будут известны влажность и пористость. Расчеты проводят в лабораторных условиях.
Коэффициент пористости
Коэффициент показывает наличие в грунте мелких пустот. Рассчитывается как соотношение в процентах между объемом пустот и общим объемом. Для определения значения на разных грунтах используют разные методы. На глинистых, из-за связности, пористость определяют в соответствии с объемным и удельным весом взятой для образца почвы.
Определение коэффициента пористости необходимо при подготовке к строительству, так как есть связь между ним и другими характеристиками. От показателя пористости зависит уровень несущей способности, он уменьшается при снижении пористости. Без информации о пористости нельзя узнать о степени сопротивляемости грунта, определить возможную деформируемость зданий.
Деформация построек происходит из-за перемещения и сжимаемости частиц грунта, например, вследствие воздействия осадков. Незначительные и равномерные не уменьшают устойчивость зданий, но большой объем влаги способен вызывать нежелательные деформации. Неравномерные осадки еще более опасны, они могут вызывать смещения и наклоны, приводящие к перенапряжению в несущих конструкциях. Если сжимаемость почвы под разными частями фундамента неодинакова или различна нагрузка на нее, нередко можно столкнуться с деформацией постройки в виде трещин и проседания.
Степень влажности
Это соотношение естественной влажности почв к влажности, которая соответствует влажности при порах, заполненных водой, в которых не остается пузырьков воздуха. Маловлажным считается грунт с показателями от 0 до 0,5, влажным – от 0,5 до 0,8 и водонасыщенным – от 0,8 до 1. Часто более влажными оказываются глинистые почвы, песчаные, соответственно, сухими.
Калькулятор расчета параметров грунта
В проектировании зданий используются разные расчетные модели, применяющиеся для грунтов разной сложности. Для общих задач основной оценкой считается несущая способность, выявляющая прочностные и деформационные свойства оснований. Однако основные расчетные модели могут помочь рассчитать их и под конкретные задачи.
Для упрощения расчетов при создании проекта используется формула Прандтля, которая помогает высчитывать несущую способность грунта. Чтобы определить степень устойчивости и прочности основания и определения возможной деформации, нужно определить степень напряжения. Для этого могут быть применены уравнения, которые базируются на линейной зависимости напряжения и деформированности, например, закон Гука. Таким образом, нагрузка на основание не должна быть больше предельного сопротивления грунта.
Расчет проводится по несущей способности для определения возможной потери устойчивости здания, характера разрушения, степени деформации и ее вида. Также высчитывается состояние, при котором нормальная эксплуатация может быть затруднена, снижается долговечность постройки от возможности возникновения просадок, наклонений и так далее.
Физические свойства грунтов – это определяющие характеристики, по которым можно установить состояние грунта, возможность изменения параметров под действием всевозможных физико-химических факторов.
Для определения типа почвы и ее поведения в качестве основания для строительства, свойств, необходимых для проектных решений, обязательным условием является определение физических и механических характеристик лабораторными методами.
