Что такое удельное сцепление грунта и его роль под подошвой фундамента

Удельное сцепление грунта под подошвой фундамента — это характеристика, определяющая способность грунта удерживать нагрузку, приложенную к фундаменту, благодаря внутреннему трению и взаимодействию частиц грунта. Это значение важно для расчетов прочности и устойчивости фундамента, так как оно влияет на распределение нагрузки и осадку здания.

Удельное сцепление обычно определяется через лабораторные испытания и зависит от типа грунта, его влажности и других факторов. Чем выше удельное сцепление, тем лучше грунт способен противостоять сдвигу и тем большую нагрузку может выдерживать фундамент без риска возникновения разрушений.

Удельное сцепление грунта

Сцепление грунта (с) – это один из параметров, от которого зависит прочность грунта при сдвиге. Его вычисляют по формуле соотношением вертикального и касательного напряжений или определяют на графике. Измеряется сцепление в килопаскалях (кПа).

[Спрятать]

• Удельное сцепление грунта
• От чего зависит сцепление грунта и на что оно влияет
• Методы определения удельного сцепления
• Лабораторные методы испытания
• Одноплоскостный срез
• Трехосное сжатие
• Полевые методики испытаний
• Готовые показатели
• Практическое значение показателя

На показатель влияет тип химических связей в породе. Свойство характерно для глинистых и скальных грунтов. Устойчивость к сдвигу несвязных дисперсных грунтов обеспечивает трение между отдельными зернами , поэтому сцепление в этом случае играет минимальную роль.

От чего зависит сцепление грунта и на что оно влияет

Сцепление обеспечивают химические связи между молекулами минеральных компонентов грунтов.

Основные разновидности связей:

• Коллоидные – это электрохимические контакты между молекулами минералов и воды
• Цементационные – связи между частицами и минералами, которые играют роль цемента
• Кристаллизационные – связи между отдельными молекулами, образующими кристаллические решетки

Наименьшей силой обладают коллоидные или водно-коллоидные связи. Больше всего на них влияет влажность. Но это единственный тип структурных связей, способный восстанавливаться после разрушения. Встречаются они в глинистых грунтах.

Цементационные связи достаточно прочные. Они характерны для литифицированных (окаменевших) глин и некоторых скальных грунтов. После разрушения такие связи не восстанавливаются. Но они могут опять возникать в массивах через несколько десятилетий или столетий.

Кристаллизационные связи присутствуют в скальных грунтах и некоторых глинистых. Они прочные , но необратимо разрушаются при нагрузках. Кристаллические решетки в обычных условиях не восстанавливаются, так как для их образования нужны высокие температуры и давление.

Прочные контакты между элементами обеспечивают упругость грунта – способность после уменьшения нагрузки восстанавливать свой объем и форму. Коллоидные контакты даже после смещения частично возобновляются. Это увеличивает способность грунтов сопротивляться сдвигу.

На сцепление влияют и другие характеристики:

• Пористость и плотность Сцепление рыхлого грунта с большим количеством пор всегда слабее.
• Влажность При высокой влажности вокруг мелких глинистых частиц образуются пленки воды. Чем больше их толщина, тем слабее связи между зернами и агрегатами, а значит – и сцепление. Влажность влияет в основном на показатели глинистого грунта.
• Минеральный состав Минералы грунта определяют тип связей между его химическими элементами. Самые прочные они у магматических и метаморфических пород , образованных в недрах земли при высоких температурах и давлении. Несколько ниже сцепление у осадочных скальных и глинистых связных грунтов.

Сцепление бывает:

• Структурным – оно обеспечивается химическими контактами между отдельными элементами грунта; присутствует в нем изначально
• Удельным – оно определяется во время испытаний на сдвиг и напрямую зависит от вертикальных нагрузок

Сцепление обеспечивает устойчивость грунта при воздействии касательных сдвигающих сил, влияет на прочность и несущую способность. При высоком показателе грунтовый массив становится надежным основанием под фундаментом или дорожным полотном.

Методы определения удельного сцепления

Показатель определяют в ходе испытаний грунтов на устойчивость к сдвигу, в лаборатории или полевых условиях.

Лабораторные методы испытания

В лаборатории пользуются несколькими методами:

• Одноплоскостным срезом – быстрым неконсолидированным и медленным консолидировано-дренированным
• Трехосным сжатием – неконсолидировано-недренированным, консолидировано-недренированным, консолидировано-дренированым

При использовании консолидированных методик грунт дополнительно уплотняют. При дренированном испытании влагу отводят через систему дренажей , при недренированном берут водонасыщенный материал или с естественной влажностью.

Подробнее о лабораторных методиках вы можете прочитать в статье Прочность грунта на сдвиг. Здесь же мы расскажем, как вычисляется удельное сцепление.

Одноплоскостный срез

Этим методом определяют два типа напряжения – нормальное, или вертикальное (σ) и горизонтальное, или касательное (τ). Их максимальные значения соответствуют силе давления, при которой происходит сдвиг или смещение частиц относительно друг друга. Для определения сцепления нужно провести несколько опытов. Полученные данные отмечают на графике. Участок, который находится между нулевой точкой (местом пересечения осей) и местом начала кривой на оси ординат, соответствует силе сцепления.

Показатель вычисляют и по формуле:

Когда обрабатывают экспериментальные точки графика, проводят более сложные вычисления:

Трехосное сжатие

По этой методике вычисляют эффективное значение удельного сцепления (с’). Используется уравнение:

Полевые методики испытаний

Испытание грунтов в массиве дает более приближенные к естественным условиям результаты. Чаще всего это делают в карьерах, подземных выработках, строительных котлованах перед закладкой фундамента.

Сцепление в полевых условиях определяют методом среза образцов. Прямо в выработке с помощью кольца от массива отделяют определенный объем грунта. Затем с помощью установки с анкерным устройством делают срез. Деформации фиксируют измерительными приборами. Детальнее о способе проведения опыта вы можете прочитать в статье Угол внутреннего трения грунта.

Удельное сцепление определяется после построения графика. На нем отмечают данные касательных и вертикальных напряжений , полученные на одном и том же массиве не менее, чем в трех опытах. Величиной сцепления будет отрезок на оси ординат от нулевой точки до начала линии графика.

Готовые показатели

На практике часто пользуются уже готовыми данными для разных типов грунтов. Они прописаны в СП 22.13330.2016. Показатели сцепления представлены в таблицах.

Таблица удельного сцепления песков разной крупности

Таблица удельного сцепления глинистых грунтов

Как мы видим из приведенных таблиц, у песков сцепление очень слабое. В глинистых грунтах показатель намного выше, но он уменьшается с увеличением пористости и текучести.

Практическое значение показателя

Удельное и структурное сцепление больше всего влияет на прочность скальных и глинистых грунтов при сдвиге. У песков этот параметр больше зависит от угла внутреннего трения. Сцепление лишь незначительно влияет на прочность пылеватых и мелких песков.

Сцепление можно определить в ходе опытов или взять готовую цифру из нормативных документов. Показатель используется для расчета напряжений при испытаниях на сдвиг.

Информация о сцеплении грунтов необходима при:

• Закладке фундаментов и возведении домов любого типа
• Строительстве промышленных объектов
• Прокладке автомобильных трасс, железных дорог, взлетных полос аэродромов
• Прокладке грунтовых дорог , обустройстве пешеходных зон
• Строительстве дамб, плотин, трубопроводов, путепроводов
• Разработке карьеров и подземных шахт
• Укреплении речных берегов и горных склонов
• Прогнозировании горных обвалов, размыва берегов во время наводнений

Подробно о всех перечисленных пунктах, а также о расчете напряжений при испытаниях на сдвиг вы можете прочитать в статье Прочность грунта на сдвиг.

Определение удельного сцепления и других прочностных характеристик грунта требует опыта и специального оборудования. Поэтому услугу по определению этого показателя нужно заказывать у специалистов.

Удельное сцепление грунта: определение, показатели, пример расчета

Удельное сцепление грунта — важный показатель, который нужно учитывать при проектировании фундаментов зданий и сооружений. От его значения зависит надежность и долговечность конструкций.

Что такое удельное сцепление грунта

Удельное сцепление грунта — это сопротивление смещению частиц грунта относительно друг друга, обусловленное наличием между ними структурных связей. Обозначается буквой с с индексом n или просто с.

Данный показатель характеризует прочность несвязных грунтов (пески, супеси, суглинки) на сдвиг. Удельное сцепление играет более важную роль для глинистых и скальных пород с выраженной структурой. Единицей измерения удельного сцепления грунта является кПа (кгс/см2).

Значение удельного сцепления грунта для строительства

Знание удельного сцепления необходимо при расчете фундаментов, поскольку этот показатель влияет на несущую способность основания. Чем выше сцепление грунта, тем большие нагрузки он может выдержать без разрушения. При низком удельном сцеплении приходится увеличивать размеры и массивность фундамента, что приводит к удорожанию строительства.

Кроме того, данный параметр учитывается при оценке устойчивости откосов и склонов. Он позволяет рассчитать силы, препятствующие смещению грунта.

Методы определения удельного сцепления грунта

Существует несколько способов экспериментального определения удельного сцепления:

• Лабораторные: испытание на срез компрессионный метод метод нормального давления
• Полевые: срез целиков грунта в шурфах и траншеях испытания прессиометером и винтовыми сваями

Каждый из перечисленных методов имеет свои достоинства и недостатки. Например, лабораторные испытания позволяют получить наиболее точные значения сцепления, но при этом не учитывают влияние естественного залегания грунта. Полевые же методы дают результаты, максимально приближенные к реальным условиям, зато они более трудоемки.

Для инженерных расчетов чаще используют усредненные нормативные значения удельного сцепления разных видов грунтов, приведенные в справочниках и ГОСТах.

Факторы, влияющие на удельное сцепление грунта

На величину удельного сцепления грунта влияет множество факторов:

• влажность — чем она выше, тем меньше сцепление;
• плотность — с уплотнением сцепление увеличивается;
• температура — нагрев грунта как правило снижает силы сцепления;
• давление — рост давления может усиливать или ослаблять связи в зависимости от типа грунта
• состав и структура грунта
• время — со временем под влиянием гравитации, капиллярных и химических процессов сцепление изменяется.

Таким образом, удельное сцепление грунта является динамичной величиной, зависящей от многих переменных параметров. Это необходимо учитывать как при его экспериментальном определении, так и использовании в инженерных расчетах.

Как рассчитать удельное сцепление грунта

Существует несколько способов вычисления удельного сцепления:

1. Лабораторные испытания образцов грунта на срез или сдвиг
2. Расчет по результатам полевых испытаний грунтов в массиве методом среза целиков или винтовой сваей
3. Определение по справочным (нормативным) значениям в зависимости от вида грунта согласно ГОСТ 25100-2020 и др. нормативным документам

Рассмотрим числовой пример расчета удельного сцепления глинистого грунта по данным испытания на срез. Исходные данные:

• вид грунта — суглинок тугопластичный
• влажность грунта W=22%
• плотность грунта ρ=1,89 г/см3
• нормативное значение угла внутреннего трения φн=19° (для данного суглинка)

Согласно ГОСТ 25100-2020 нормативное значение удельного сцепления сн для суглинков в зависимости от числа пластичности составляет 16-30 кПа. Принимаем среднее значение сн=23 кПа.

Из графика видно, что прямая пересекает ось ординат на отметке 28 кПа. Следовательно, фактическое значение удельного сцепления исследуемого образца грунта с=28 кПа.

Таким образом, экспериментально полученное удельное сцепление превышает нормативное значение по ГОСТу, что говорит о более высокой фактической прочности данного грунта.

Как повысить удельное сцепление грунта

Существует несколько способов повышения удельного сцепления грунтов для улучшения их строительных свойств:

• Механическое уплотнение грунта при помощи катков, трамбовок и другой техники. Чем выше плотность грунта, тем больше его сцепление.
• Химическое закрепление — введение в грунт специальных веществ (известь, цемент и др.), которые упрочняют структурные связи между частицами.
• Термическая обработка — нагрев или замораживание грунта, приводящие к изменению его свойств.
• Электрохимическое и электроосмотическое закрепление на основе электрических процессов.
• Ряд других физико-химических и технологических методов.

Типичные ошибки при определении удельного сцепления грунтов

При определении удельного сцепления грунтов часто допускаются следующие типичные ошибки:

• Нарушение правил отбора, транспортировки и хранения образцов, приводящее к изменению их свойств.
• Неучет факторов, влияющих на сцепление (влажности, плотности, температуры и др.)
• Неправильный выбор лабораторных и расчетных методов определения сцепления.
• Некорректное построение графиков и интерпретация результатов испытаний.
• Другие ошибки (человеческий фактор, неточности измерений и т.п.).

Расчетное удельное сцепление грунтов

Помимо экспериментального определения, удельное сцепление грунтов можно рассчитать теоретически, исходя из физико-механических характеристик грунта и воздействующих на него нагрузок.

Для этого используют различные аналитические зависимости, устанавливающие связь между сцеплением, составом грунта, его плотностью, влажностью, степенью уплотнения и другими параметрами.

Расчетное значение удельного сцепления

Под "расчетным" значением удельного сцепления грунта понимают величину, принимаемую для инженерных расчетов оснований, фундаментов и других конструкций.

"Расчетное" сцепление может отличаться от фактического и определяться с учетом коэффициента надежности по грунту, коэффициентов условий работы и назначения сооружения. Цель введения понижающих коэффициентов — учесть возможные наиболее неблагоприятные условия работы конструкций на данном основании.

Что такое расчетное сопротивление грунта?

Аналитическое определение расчетного сопротивления грунта

Вывод формулы расчетного сопротивления

Зависимость, которая представлена на рисунке 1, была получена , и, как правило, называется его именем. Данная зависимость была преобразована в формулу в СП 22.13330 для определения расчетного сопротивления грунта по подошве фундамента, см. рисунок 2.

Рисунок 1. Начальная критическая нагрузка на грунт по формуле Н. П. Пузыревского

Рисунок 2. Формула расчетного сопротивления по СП 22.13330

Допущения для формулы расчетного сопротивления

Формула расчетного сопротивления имеет ряд допущений:

• При незначительном развитии зон пластических деформаций принимается линейная зависимость между деформациями и напряжениями;
• Формула выведена из решения плоской задачи, при которой напряжения будут зависеть только от координат x — y;
• В решении формулы заложен равный тензор напряжений от собственного веса грунта (гидростатическое давление), что не совпадает с действительностью.

Определение расчетного сопротивления грунта по СП 22.13330

По СП 22.13330.2016 расчет расчетного сопротивления относится к пункту 5.6. А пункт 5.6 — это расчет оснований по деформациям. Целью расчета оснований по деформациям является ограничение абсолютных или относительных перемещений пределами, при которых гарантируется нормальная эксплуатация сооружения и не снижается его долговечность. Важно понимать, что расчетное сопротивление — это проверка по II-ой группе предельных состояний, а не по I-ой.

Согласно пункту 5.6.6 — «расчет деформаций основания фундамента при среднем давлении под подошвой фундамента р, не превышающем расчетное сопротивление грунта R (см. 5.6.7), следует выполнять, применяя расчетную схему в виде линейно-деформируемого полупространства (см. 5.6.31) с условным ограничением глубины сжимаемой толщи Нс (см. 5.6.41)». Этот пункт означает, что величина расчетного сопротивления — это ограничение значения давления по подошве фундамента, при превышении которого нельзя считать осадку по пункту 5.6.31, то есть нельзя использовать метод послойного суммирования.

Было определено расчетное сопротивление ленточного фундамента без подвала с глубиной заложения 2 м, шириной подошвы 2 м, с опиранием в водонасыщенный грунт с углом внутреннего трения 18 градусов, с удельным сцеплением 10 кПа и с удельным весом 20.3 кН/м3 и 11.1 кН/м3 во взвешенном состоянии. По аналитическому расчету было получено значение расчетного сопротивления в 190 кПа.

Рисунок 3. Определение расчетного сопротивления аналитическим способом

Численное определение расчетного сопротивления грунта в midas GTS NX

Для численного расчета была реализована плоская задача. На рисунке 3 представлены стадии расчета в трехмерной постановке для наглядной визуализации (данную задачу нет смысла решать в трехмерной постановке): первая стадия — начальная, вторая стадия — откопка котлована, третья стадия — это активация ленточного фундамента с нагрузкой по обрезу и обратная засыпка пазух котлована, см. рисунок 4. При решении данной задачи использовалась модель грунта .

Рисунок 4. Стадийность в midas GTS NX

Расчетное сопротивление численным методом можно получить двумя способами:

1. измерить величину пластических зон под подошвой фундамента. Расчетное сопротивление — это такая нагрузка по подошве фундамента, при которой пластические зоны под подошвой фундамента распространяется на глубину, равную величине четверти ширины подошвы фундамента;
2. построить график давления от осадки для точки, расположенной по центру подошвы фундамента, и давление, при котором график начнет изменяться нелинейно, это и есть величина расчетного сопротивления.

Для того чтобы определить расчетное сопротивление, на обрез фундамента была приложена нагрузка в 190 кПа, и в настройках последней стадии данная нагрузка была разделена на 20 шагов нагружения. Для того чтобы в выводе результатов присутствовал каждый шаг нагружения, в настройках нужно выставить пункт «Every Increment» (см. рисунок 5). Параметры решателя для конкретной стадии приоритетнее настроек, заданных в расчетном случае. Поэтому необходимо изменить и другие параметры решателя для стадии с пригрузом, чтобы задача была рассчитана корректно: «Convergence Criteria», «Advanced Nonlinear Setting».

Рисунок 5. Разделение нагрузки на инкременты

Для каждой подстадии была измерена зона пластических деформаций под подошвой фундамента. За величину расчетного сопротивления было принято давление на последней стадии, на которой пластическая зона не превышает b/4 (0.5 м). На 12-ой подстадии размер пластических зон под подошвой фундамента составил 0.5 м (см. рисунок 6), это соответствует нагрузке 114 кПа (190*12/20=114 кПа), а на следующей ступени для нагрузки 123 кПа (190*13/20=123 кПа) размер пластических зон равен 0.75 м (см. рисунок 7). Это означает, что расчетное сопротивление по численному методу составляет 114 кПа, так как на 13-й ступени условие по пластическим деформациям уже не выполняется.

Рисунок 6. Пластические зоны (красные кружки) при нагрузке 114кПа

Рисунок 7. Пластические зоны (красные кружки) при нагрузке 123 кПа

Рисунок 8. Пластические зоны (красные кружки) при нагрузке 190 кПа

Далее значение расчетного сопротивления необходимо проверить графическим способом. Чтобы построить график, нужно извлечь результаты для точки по центру подошвы фундамента с помощью команды «Extract», см. рисунок 9. И далее эти данные необходимо скопировать в Excel и построить график нагрузки от перемещения.

Для визуальной оценки отклонений была построена линия тренда по первым точкам графика, и, если увеличить данный график, то видно, что после 114 кПа график имеет значительные отклонения от линии тренда, то есть график начинает изменяться нелинейно, и при каждой следующей итерации эти отклонения все больше и больше, см. рисунок 10. Данный график был продлен до уровня вертикального напряжения в 400 кПа для наглядности.

Рисунок 9. Извлечение результатов расчета

Рисунок 10. График вертикального давления по подошве фундамента от осадки P(S)