Механіка ґрунтів: її зміст та місце, основні характеристики та які сили діють

У будівництві важливе значення мають властивості ґрунту, особливо те, як ґрунт різного типу веде себе під навантаженням і як самі споруди впливають на нього. Існує спеціальна дисципліна, яка вивчає міцність та стійкість ґрунтових мас та умови їх застосування як основ для будівництва споруд. Розглянемо, що входить у поняття механіки ґрунтів, як правильно розрахувати параметри ґрунту.

Щільність грунту

Щільністю називається властивість ґрунту, що визначається ставленням питомої ваги до обсягу. Залежить від мінералогічного складу ґрунту, а також ступеня дисперсності, через що глинисті ґрунти щільніші, ніж піщані, при тому, що мінеральний склад у них однаковий.

Серед фізико-механічних властивостей ґрунтів щільність вважається однією з основних. За характерною густиною можна судити про їх стан. Визначення щільності необхідне при будівництві доріг, фундаментів будівель (для розподілу напруг на основі), при прокладанні комунікацій, для розрахунку стійкості схилів до зсувів, опади збудованих будівель, для встановлення обсягу земляних робіт.

Щільність впливає на водопроникність ґрунту. Якщо вона волога або має хорошу здатність, що вбирає, то після спорудження будівлі може всести, взимку виникає інша проблема - морозне пучення. Знання про те, якою щільністю володіє грунт, допоможе запобігти руйнуванню або підтоплюваності будівлі, вибрати відповідні матеріали для будівництва.

Щільність частинок

Це фізична характеристика ґрунту, вона залежить від мінерального складу, органомінеральних та органічних речовин.Щільність частинок – це відношення маси твердих частинок повністю сухого (без вологи) ґрунту до його об'єму при непорушеній структурі. Залежить від мінерального складу, визначають щільність частинок структурні зв'язки та будову, пористість ґрунту. Чим більше міститься мінералів у ґрунті і чим менша пористість, тим вона щільніша.

За значенням щільності частинок визначають значення міцнісних та деформаційних характеристик, за якими оцінюють несучу здатність ґрунтів та можливість їх застосування під будівництво споруд.

Вологість грунту

Вологість - це співвідношення маси рідини, яка міститься в ґрунті, до її маси в сухому стані. Від цієї характеристики залежить несуча здатність ґрунту. Практично у всіх грунтів, крім великообмолочних порід і великого піску, здатність, що несе, знижується зі збільшенням вологості. Так, у водонасиченого вона буде меншою, ніж у сухого.

Визначають вологість у лабораторії методом ущільнення, тобто визначають, за якої вологості грунт набуде найбільшої щільності. Виражається характеристика у відсотках від 0 до 100 %. Оптимальна вологість для піску - 8-14%, для супіску - 9-15%, суглинка - 12-18% і глини - 16-26%.

Гранулометричний склад

Гранулометричний або механічний склад - процентний вміст у ґрунті або гірській породі частинок різного розміру незалежно від його хімічного та мінерального складу. Ґрунтові частинки є відокремлені залишки гірських порід, мінералів, аморфних сполук, інших складових компонентів грунту, що у хімічному зв'язку. Частинки, схожі за величиною, поєднують по фракціях. Розрізняють такі типи ґрунтових механічних елементів: органомінеральні, органічні та мінеральні.

Фракції частинок знаходяться в ґрунтах або породах у різних кількісних співвідношеннях і мають неоднакові властивості.Внаслідок цього ґрунти також мають неоднакові властивості. Все розмаїття грунтів і порід за механічним складом можна поєднати у групи, котрим будуть характерні схожі фізико-хімічні властивості. В основу класифікації покладено співвідношення піску та глини. Розміри фракцій піску та глини визначаються діаметром частинок, які більші або, відповідно, менші за 0,01 мм.

Від механічного складу залежать агровиробничі властивості землі, наприклад, здатність пропускати та утримувати вологу та повітря, процеси переміщення речовин, накопичення та перетворення, структурність, тепловий та повітряний режими. І, зрештою, залежить, наскільки земля буде родючою, як при постійній обробці, поливі, внесенні добрив, так і без них.

Щільність сухого ґрунту

Визначається як відношення маси абсолютно сухого ґрунту (без вологи в порах) до обсягу з урахуванням обсягу пор. Вимірюється характеристика г на куб. див. її можна визначити, якщо будуть відомі вологість та пористість. Розрахунки проводять у лабораторних умовах.

Коефіцієнт пористості

Коефіцієнт показує наявність у ґрунті дрібних порожнин. Розраховується як співвідношення у відсотках між обсягом порожнин та загальним обсягом. Для визначення значення різних грунтах використовують різні методи. На глинистих, через зв'язність, пористість визначають відповідно до об'ємної та питомої ваги взятого для зразка ґрунту.

Визначення коефіцієнта пористості необхідне під час підготовки до будівництва, оскільки є зв'язок між ним та іншими характеристиками. Від показника пористості залежить рівень несучої здатності, він зменшується у разі зниження пористості. Без інформації про пористість не можна дізнатися про ступінь опірності ґрунту, визначити можливу деформованість будівель.

Деформація будівель відбувається через переміщення та стисливість частинок ґрунту, наприклад, внаслідок дії опадів. Незначні та рівномірні не зменшують стійкість будівель, але великий обсяг вологи здатний викликати небажані деформації. Нерівномірні опади ще більш небезпечні, вони можуть викликати усунення та нахили, що призводять до перенапруги в несучих конструкціях. Якщо стисливість ґрунту під різними частинами фундаменту неоднакова або різне навантаження на неї, нерідко можна зіткнутися з деформацією споруди у вигляді тріщин та просідання.

Ступінь вологості

Це співвідношення природної вологості ґрунтів до вологості, яка відповідає вологості при порах, заповнених водою, в яких не залишається бульбашок повітря. Маловологим вважається ґрунт з показниками від 0 до 0,5, вологим – від 0,5 до 0,8 та водонасиченим – від 0,8 до 1. Часто більш вологими виявляються глинисті ґрунти, піщані, відповідно, сухими.

Калькулятор розрахунку параметрів ґрунту

У проектуванні будівель використовуються різні розрахункові моделі, що застосовуються для ґрунтів різної складності. Для загальних завдань основною оцінкою вважається несуча здатність, що виявляє міцнісні та деформаційні властивості основ. Однак основні розрахункові моделі можуть допомогти розрахувати їх і під конкретні завдання.

Для спрощення розрахунків при створенні проекту використовується формула Прандтля, яка допомагає вираховувати несучу здатність ґрунту. Щоб визначити ступінь стійкості та міцності основи та визначення можливої деформації, потрібно визначити ступінь напруги. Для цього можуть бути застосовані рівняння, що базуються на лінійній залежності напруги та деформованості, наприклад, закон Гука. Таким чином, навантаження на основу не повинно бути більшим за граничний опір грунту.

Розрахунок проводиться за несучою здатністю для визначення можливої втрати стійкості будівлі, характеру руйнування, ступеня деформації та її виду.Також вираховується стан, при якому нормальна експлуатація може бути утруднена, знижується довговічність споруди від можливості виникнення просадок, способів тощо.

Фізичні властивості ґрунтів - це визначальні характеристики, за якими можна встановити стан ґрунту, можливість зміни параметрів під дією всіляких фізико-хімічних факторів.

Для визначення типу ґрунту та його поведінки як основи для будівництва, властивостей, необхідних для проектних рішень, обов'язковою умовою є визначення фізичних та механічних характеристик лабораторними методами.

Рекомендуємо