Содержание статьи
В зависимости от поставленных задач классифицировать грунты можно по-разному. Встречаются общие, частные, отраслевые и региональные классификации грунтов. Нас интересует больше всего строительная классификация грунтов
Строительная классификация грунтов
- скальный грунт (сцементированный или кристаллизационный);
- нескальный грунт (несцементированный).
К первой группе относятся магматические, метаморфические, осадочные, искусственныегрунты. Для них характерны водоустойчивость, прочность при сжатии. Породы нескальных грунтов отличаются раздробленностью и дисперсностью. Соответственно, скальные грунты — трудноподдающиеся дроблению, а нескальные с легкостью можно обрабатывать. В зависимости от содержания частиц песка, пыли, глины и др. несцементированный грунт может называться следующим образом: песок, супесь (супесок), суглинок, глина (см. табл. 1).
Примечание. Прочерк означает, что параметр не нормируется.
Строительные свойства грунтов
Особенности грунтов обусловлены составом, взаимоотношением и взаимодействием составляющих породы. Характеризовать грунты можно по физико-механическим признакам, магнитным, электрическим, водным и др. Нас интересуют строительные свойства грунтов, а это в большей степени физико-механические особенности: полагаясь на них, специалисты производят все расчеты при строительно-монтажных работах, выбирают технологию разработки почвы. Эти характеристики грунта определяют физическое состояние почвы и состояния, которые возникают в результате каких-либо воздействий на грунт. Итак, строительные свойства грунтов:
- плотность;
- влажность;
- сцепление;
- разрыхляемость;
- угол естественного откоса;
- удельное сопротивление резанию;
- водоудерживающая способность.
Плотность — масса единицы объема грунта, выражается в кг/м 3 или т/м 3 . Плотность несцементированных пород может достигать 2,1 т/м 3 , скальных — 3,1 т/м 3 .
Влажность характеризуется отношением массы воды в почве к массе сухой почвы. Если процент влажности не превышает 5%, такой грунт называют сухим, от 5 до 15% — маловлажным, от 15 до 30% -влажным, выше 30% — мокрым. Чем выше влажность грунта, тем труднее его разрабатывать. Исключение — глина, т.к. ее обрабатывать в сухом виде наоборот сложнее, но при большой влажности этот процесс затрудняется из-за липкости.
Еще одно важное свойство грунтов — сцепление. Оно характеризует структурные связи и то, как грунт сопротивляется сдвигу. Сила сцепления песчаных пород составляет 0,03-0,05 МПа, глинистых — 0,05-0,3 МПа. Для мерзлых почв характерно значительно большее сцепление.
Когда разрабатывают породу, она увеличивается в объеме, это строительное свойство грунта называется разрыхляемостью. Различают первоначальную разрыхляемость К p и остаточную К ор (показывает, насколько грунт уменьшается в объеме после уплотнения). Показатели разрыхления приведены в таблице 2. Следует помнить, что естественное уплотнение протекает неравномерно, из-за чего могут появиться просадки. Чтобы избежать таких изъянов, грунт нужно утрамбовывать спецмашинами.
Согласно требованиям техники безопасности рыть котлованы и траншеи в большинстве случаев нужно с откосами и креплениями. Угол внутреннего трения, сила сцепления и давление почв, которые лежат сверху, влияют на величину углаестественного откоса. Если сила сцепления отсутствует, предельный угол совпадает с углом трения. Крутизна откоса обусловлена углом естественного откоса а
(при условии, что грунт находится в предельном равновесии) (рис.1).
H/A=l/т, где т — коэффициент заложения.
Рис.1. Крутизна откоса
В табл. 3 можно ознакомиться с величинами крутизны откосов для временных земляных сооружений. Когда глубина выемки достигает 5 и более метров, крутизну откосов устанавливают проектом.
Классификация грунтов по
удельному сопротивлению резаниюпредставлена в ЕНиР 2-1-1. Она основывается на свойствах грунтов и особенностях землеройной и землеройно-транспортной техники, которая участвует в разработке почвы. Выделяют 6 групп для экскаваторов с одним ковшом, 2 группы — для многоковшовых экскаваторов и скреперов, 3 группы — для грейдеров и бульдозеров, 7 групп — для разработки почвы без применения техники. Грунты первых четырех групп с легкостью обрабатываются как вручную, так и благодаря машинам, а грунты из последующих групп необходимо предварительно рыхлить иногда даже с применением взрывного способа.
Немаловажное свойство грунта, которое влияет на процесс обработки почвы, — этоводоудерживающая способность (способность грунта удерживать в своем составе воду). Для глины характерна высокая сопротивляемость прониканию воды (недренирующий грунт), для песка — низкая (дренирующий грунт). Водоудерживающаяспособность характеризуется коэффициентом фильтрации К, это значение может колебаться от 1 до 150 м/сут.
Скальные (сцементированные) грунты состоят из каменных горных пород, с трудом поддающихся разработке взрыванием или дроблением клиньями, отбойными молотками и другими механизмами. Скелет несцементированных грунтов обычно состоит из песчаных, пылеватых и глинистых частиц, в зависимости от содержания которых грунты называются: песок, супесь, суглинок, глина (табл. 1).
В зависимости от содержания глинистых частиц глину называют тощей или жирной, в зависимости от трудоемкости разработки — легкой или тяжелой. Особо трудоемкая для разработки глина называется ломовой.
Таблица 1: Параметры и классификация грунтов
* прочерк означает, что параметр не нормируется.
К основным свойствам грунтов, влияющим на технологию и трудоемкость их разработки, относятся плотность, влажность, сцепление, разрыхляемость, угол естественного откоса, удельное сопротивление резанию, водоудерживающая способность.
Плотностью называется масса 1 м 3 грунта в естественном состоянии (в плотном теле). Плотность несцементированных грунтов 1,2…2,1 m/м3 , скальных — до 3,3 m/м3 .
Влажность характеризуется степенью насыщения грунта водой и определяется отношением массы воды в грунте к массе твердых частиц грунта, выражается в процентах. При влажности более 30 % грунты считаются мокрыми, а при влажности до 5 % — сухими. Чем выше влажность грунта, тем выше трудоемкость его разработки. Исключение составляет глина — сухую глину разрабатывать труднее. Однако при значительной влажности у глинистых грунтов появляется липкость, которая усложняет их разработку.
Сцепление — сопротивление грунта сдвигу. Сила сцепления для песчаных грунтов составляет 3… 50 кПа, для глинистых — 5…200 кПа.
При разработке грунтов вручную их делят на семь групп. Как при механизированной, так и при ручной разработке в состав первой группы входят легко разрабатываемые грунты, а последней — самые трудно разрабатываемые.
Грунт при разработке разрыхляется и увеличивается в объеме. Это явление, называемое первоначальным разрыхлением грунта, характеризуется коэффициентом первоначального рыхления К p , который представляет собой отношение объема разрыхленного грунта к объему грунта в естественном состоянии. Уложенный в насыпь разрыхленный грунт уплотняется под влиянием массы вышележащих слоев грунта или механического уплотнения, движения транспорта, смачивания дождем и т.д.
Однако грунт длительное время не занимает того объема, который он занимал до разработки, сохраняя остаточное разрыхление, показателем которого является коэффициент остаточного разрыхления грунта К op .
Степень первоначального и остаточного разрыхления грунтов приведена в табл. 2. Для обеспечения устойчивости земляных сооружений их возводят с откосами, крутизна которых характеризуется отношением высоты к заложению (рис.1)
т — коэффициент заложения.
Крутизна откоса зависит от угла естественного откоса б, при котором грунт находится в состоянии предельного равновесия.
Рис.1. Крутизна откоса
Таблица 2: Показатели разрыхления грунтов
| Наименования грунтов |
Первоначальное увеличение объема грунта после разработки, % |
Остаточное разрыхление грунта, % |
| Глина ломовая | 28…32 | 6…9 |
| Гравийно-галечные | 16…20 | 5…8 |
| Растительный | 20…25 | 3…4 |
| Лесс мягкий | 18…24 | 3…6 |
| Лесс твердый | 24…30 | 4…7 |
| Песок | 10…15 | 2…5 |
| Скальные | 45…50 | 20…30 |
| Солончак и солонец |
||
| мягкий | 20…26 | 3…6 |
| твердый | 28…32 | 5…9 |
| Суглинок |
||
| легкий и лессовидный | 18…24 | 3…6 |
| тяжелый | 24…30 | 5…8 |
| Супесь | 12…17 | 3…5 |
| Торф | 24…30 | 8…10 |
| Чернозем и каштановый | 22…28 | 5…7 |
Нормативные значения крутизны откосов для временных земляных сооружений приведены в табл. 3. При глубине выемки более 5 м крутизна откосов устанавливается проектом. Откосы постоянных сооружений делаются более пологими, чем откосы временных сооружений, и бывают не менее, чем 1:1,5.
Водоудерживающая способность или сопротивляемость грунта прониканию воды очень высока у глинистых грунтов и низка у песчаных. По этой причине последние называются дренирующими, т.е. хорошо пропускающими воду, а первые — недренирующими.
Дренирующая способность грунтов характеризуется коэффициентом фильтрации К, равным 1…150 м/сут.
Таблица 3: Крутизна откосов в зависимости от вида грунта и глубины выемки
Иногда конструктору приходится чертить план котлована, на самом деле это самый простой чертеж – с минимумом линий и обозначений. Сейчас разберем на примере, как начертить котлован.
Откосы котлована
Начнем с откосов. Вертикальные откосы нормами допускаются очень редко (при глубине котлована менее 1,5 м для отдельных типов грунтов). Для разных типов грунта нормируется разный уклон, который напрямую связан с углом внутреннего трения. Вообще что представляет собой угол внутреннего трения? Если грубо, то кучка грунта, насыпанная конусом под углом внутреннего трения, не будет стремиться осыпаться – грунт держит сам себя. Если угол конуса попытаться сделать круче, то грунт «поедет», это чревато обрушением, а в случае котлована обрушение означает возможные человеческие жертвы.
Если вы не ограничены в плане габаритами участка, существующими сооружениями и коммуникациями, можете смело делать откосы котлована под углом 45 градусов – этот угол почти всегда допустим (кроме насыпных грунтов). Более пологие углы не рациональны – и места по площади много занимают, и работы для экскавации больше. Более крутые углы нужно проверять в литературе (допустимы ли они для данного типа грунта).
Ниже дана таблица из СНиП III-4-80 «Техника безопасности в строительстве» (в России он заменен на более новый).
Отношение 1:1 – это и есть 45 градусов (когда ширина откоса в плане равна глубине котлована). Отношение 1:05 – более крутой откос под 60 градусов (когда глубина котлована в два раза больше, чем ширина откоса в плане), отношение 1:1,25 – более пологий (для насыпных неуплотненных грунтов при глубине котлована 5 м и более).
Помните, если участок, на котором вы проектируете фундамент, стесненный какими-то обстоятельствами, всегда перед началом проектирования нужно продумать процесс производства земляных работ, чтобы потом не оказалось, что дом вообще не могут построить.
Пример 1
. Самый простой случай. Участок ровный, абсолютная отметка существующего грунта 51,30. За отметку 0,000 в проекте условно принята отметка 52,07. Отметка низа фундаментной плиты -3,000. Под плитой предусмотрена подготовка из бетона толщиной 100 мм. Площадка строительства ничем не стеснена, грунт – суглинок.
Кстати, обратите внимание, абсолютные отметки обычно указываются с двумя знаками после запятой, а относительные – с тремя.
Определим абсолютную отметку низа фундаментной плиты: 52,07 – 3,0 = 49,07 м.
Определим абсолютную отметку дна котлована (низа подготовки): 49,07 – 0,1 = 48,97 м.
Глубина котлована: 51,30 – 48,97 = 2,33 м.
Принимаем наиболее удобный угол откоса котлована – 45 градусов.
Пошаговая инструкция к выполнению чертежа котлована:
1. Наносим сетку из крайних осей и контур фундамента котлована.
2. Отступаем от контура фундамента наружу 100 мм, получаем тем самым контур подготовки.
3. Отступаем от контура подготовки наружу 500 мм – допустимый минимум до начала откоса, оговоренный нормами (раньше он был 300 мм). Это будет линия контура дна котлована.
4. Отступаем от контура дна котлована 2,33 м (глубину котлована) – т.к. откосы под углом 45 градусов, то размер откосов в плане равен глубине котлована. Это будет линия верха откоса. Наносим по ней условное обозначение для откосов в виде чередующихся коротких и длинных черточек, перпендикулярных контуру.
5. Удаляем все лишние линии (фундамент, контур подготовки), наносим отметку дна котлована и отметку существующей земли.
6. Наносим недостающие размеры – привязку углов котлована к осям.
7. Добавляем примечание о соответствии относительных отметок абсолютным.
8. По желанию делаем разрез (обозначаем на нем отметки и уклоны откосов).
Въезд в котлован разрабатывать не нужно, это забота ПОС (проект организации строительства), т.е. отдельные деньги.
Пример 2
. Тот же котлован, только грунт с уклоном в одном направлении (абсолютные отметки существующей земли показаны на рисунке ниже). За отметку 0,000 в проекте условно принята отметка 52,07. Отметка низа фундаментной плиты -3,000. Под плитой предусмотрена подготовка из бетона толщиной 100 мм. Грунт – суглинок, откосы требуется сделать максимально крутыми.
Итак, у нас перепад грунта в одном направлении – от 53,50 до 51,70 м, при этом на съемке отметки указаны в конкретных точках на плане.
В такой ситуации проще начать с разреза котлована.
Переведем имеющиеся у нас абсолютные отметки в относительные.
Абсолютная отметка 53,50 м соответствует относительной 53,50 – 52,07 = 1,430 м.
Абсолютная отметка 51,70 м соответствует относительной 51,70 – 52,07 = -0,370 м.
Отметка дна котлована равна -3,100 м.
Проще всего посмотреть алгоритм построения котлована будет на видео.
Как видите, все не так уж сложно. А чертеж в итоге будет выглядеть вот так.
В
результате выполнения земляных работ
создаются земляные сооружения, которые
классифицируются по ряду признаков.
По
назначению и длительности эксплуатации
земляные сооружения подразделяются на
постоянные и временные.
Постоянные
сооружения предназначены для длительного
использования. К ним относятся каналы,
плотины, дамбы, спланированные площадки
для жилых кварталов, комплексов
промышленных сооружений, стадионов,
аэродромов, выемки и насыпи земляного
полотна дорог, устройства водоемов и
др.
Временными
земляными сооружениями являются те,
которые возводятся лишь на период
строительства. Они предназначаются для
размещения технических средств и
выполнения строительно-монтажных работ
по возведению фундаментов и подземных
частей зданий, прокладки подземных
коммуникаций и др.
Временная
выемка, имеющая ширину до 3 м и длину,
значительно превышающую ширину называется
траншеей. Выемка, длина которой равна
ширине или не превышает десятикратной
ее величины, называется котлованом.
Котлованы и траншеи имеют дно и боковые
поверхности, наклонные откосы или
вертикальные стенки.
Разделение
земляных сооружений на постоянные и
временные необходимо, так как к ним
предъявляются различные требования в
отношении устойчивости откосов,
тщательности их уплотнения и отделки,
обеспечение водонепроницаемости тела
выемки.
По
расположению земляных сооружений
относительно поверхности земли
различаются: выемки – углубления,
образуемые разработкой грунта ниже
уровня поверхности; насыпи – возвышения
на поверхности, возводимые отсыпкой
ранее разработанного грунта; кавальеры
– насыпи, образуемые при отсыпке
ненужного грунта, а также для временного
хранения грунта, обратной засыпки
траншей и фундаментов.
Наиболее
характерные профили и элементы земляных
сооружений представлены на рис. 1.1.
Рис. 1.1. Виды земляных
сооружений:
I – поперечный профиль выемок: а – траншея прямоугольного профиля;
б
– котлован (траншея) трапецеидальной
формы;
в
– профиль постоянной выемки; 1
– бровка откоса; 2
– откос; 3 – берма;
4 – Основание откоса; 5 – дно выемки; 6 – банкет;
7 – Нагорная канава; II – сечение подземных выработок;
г
– круглой; д
– прямоугольной; III
— профили насыпи;
е
– временной насыпи; ж
– постоянной; IV
– обратная засыпка;
з
– пазух котлована; и
– траншеи
Временные
выемки, закрытые с поверхности и
устраиваемые для сооружения транспортных
и коммунальных тоннелей и других целей,
называются подземными выработками.
После
устройства подземных частей зданий
грунт из отвала (кавальера) укладывается
в так называемые «пазухи» – пространства
между боковой поверхностью сооружения
и откосов котлована (траншеи). Если
отсыпка грунта из отвала используется
для полного закрытия подземной части
здания или коммуникаций, называется
обратной засыпкой.
Соответствие
назначению и надежность в эксплуатации
земляных сооружений обеспечивается
соблюдением комплекса требований при
проектировании и строительстве. Все
земляные сооружения должны быть
устойчивыми, прочными, способными
воспринимать расчетные нагрузки,
противостоять климатическим воздействиям
(атмосферные осадки, отрицательные
температуры, выветривание и т. д.), иметь
конфигурацию и размеры в соответствии
с проектом и сохранять их в период
эксплуатации. Требования, предъявляемые
в конкретных условиях к земляным
сооружениям, устанавливаются проектом
в соответствии с нормами строительного
проектирования.
Определение
объёмов разрабатываемого грунта
Для основных
производственных процессов объёмы
разрабатываемого грунта определяют в
кубических метрах в плотном теле. Для
некоторых подготовительных и
вспомогательных процессов (пропашка
поверхности, планировка откосов и т.п.)
объемы определяют в квадратных метрах
поверхности.
Подсчет
объемов разрабатываемого грунта сводится
к определению объемов различных
геометрических фигур, определяющих
форму того или иного земляного сооружения.
При этом допускается, что объем грунта
ограничен плоскостями и отдельные
неровности не влияют на точность расчета.
В практике
промышленного и гражданского строительства
приходится главным образом рассчитывать
объемы котлованов, траншей (и
других протяженных сооружений) и объемы
выемок и насыпей при вертикальной
планировке площадок.
Определение
объемов при разработке котлованов и
траншей
Котлован
представляет собой с геометрической
точки зрения обелиск (рис.3.12),
объем которого V
подсчитывают
по формуле: V
=H / (2a+a1)b + (2a1+a)b1/6,
где H
–
глубина котлована, вычисленная как
разность между средней арифметической
отметкой верха котлована по углам
(отметки местности на участке планировочной
насыпи и проектной на участке планировочной
выемки) и отметкой дна котлована; а,
b
— длины
сторон котлована (принимают равными
размерам нижней части фундамента у
основания с рабочим зазором около 0,5 м
с каждой стороны), a
= а» + 0,5·2, b = b» + 0,5·2; а», b»
-размеры
нижней части фундамента; a1,
b1
— длины
сторон котлована поверху, а1
= а + 2H·m; b1 = 2H·m;
m
–
коэффициент откоса (нормативная величина
по СНиП).
Рис.3.12.
Определение объема котлована:
а
–
геометрическая схема определения объема
котлована; б
– разрез
котлована постоянного (откос 1:2) и
временного (откос 1:1); 1 – объем выемки;
2 – объем засыпки
Для определения
объема обратной засыпки пазух котлована,
когда объем его известен, нужно из объема
котлована вычесть объем подземной части
сооружения Vоб.з
= V -(а»·b»)·Н.
При расчете
объемов траншей и других линейно-протяженных
сооружений в составе их проектов должны
быть представлены продольные и поперечные
профили. Продольный профиль разделяют
на участки между точками перелома по
дну траншеи и дневной поверхности. Для
каждого такого участка объем траншеи
вычисляют отдельно, после чего их
суммируют. Траншея, протяженная выемка
и насыпь на участке между пунктами 1 и
2 представляют собой трапецеидальный
призматоид (рис.3.13), объем которого может
быть определен приближенно:
V1-2 =
(F1+F2) L1-2/2
(завышенный),
V1-2 = Fср
L1-2
(заниженный),
где F1,
F2
–
площади поперечного сечения в
соответствующих пунктах продольного
профиля, определяемые как F
= aH + H2m; Fср
–
площадь поперечного сечения на середине
расстояния между пунктами 1 и 2.
Рис.
3.13. Схема определения объема траншеи
Более точное
значение объема призматоида находят
по формулам:
V1-2 = Fср
+ L1-2,
V1-2 =
L1-2.
Подсчет
объемов планировочных работ
производят
или способом треугольных призм, или по
средней отметке квадратов.
При первом
способе планируемый участок разбивают
на квадраты со стороной (в зависимости
от рельефа местности) 25-100 м; квадраты
делят на треугольники, в вершинах которых
выписывают рабочие отметки планировки
(рис.3.14, а
).
Если отметки
(Н1, Н2, Н3) имеют одинаковый знак (выемка
или насыпь),
объем каждой
призмы (рис. 3.14, б) определяют по формуле:
V=
a²/6·(H1
+H2
+H3).
При разных
знаках рабочих отметок (рис. 3.14, в) подсчет
по этой формуле дает суммарный объем
насыпки и выемки; раздельные объемы
могут быть получены путем вычитания
объема пирамиды ABCD из общего объема
призмы ADHYGE.
Рис.
3.14. Схема подсчета объемов
земляных
работ способом
треугольных
призм:
а
—
разбивка участка (цифры в кружках –
номера призм; цифры на пере-
сечении
линий – рабочие отметки);
б
—
треугольная призма при рабочих
отметках
одного знака; в
—
тоже при разнозначных отметках
По методу
средней отметки
квадратов
подсчет планировочных объемов производят,
пользуясь планом с горизонталями через
0,25–0,5 м для равнинной и 0,5–1 м для горной
местности.
На план наносят
сетку квадратов со стороной 10–50 м и
линии границ насыпей и выемок. Объем
планировки каждого квадрата подсчитывается,
исходя из средних по квадрату рабочих
отметок планировки.
Объем
насыпей и выемок линейных сооружений
(дороги,
каналы) на прямолинйных участках
сооружения определяется обычно по
вспомогательным таблицам.
Для сооружений
с криволинейной
осью
(рис.
3.15) можно пользоваться формулой Гюльдена:
V
=
(F
⋅π⋅
r
⋅α)/180º;
где V
-объем
земляного сооружения, м3,
F
— площадь
сечения поперечника, м2,
r
—
радиус кривизны оси тела земляного
сооружения, м,
α-
центральный угол
поворота
крайних профилей, ограничивающих
криволинейный участок, град
.
Подсчет
объема земляных конусов
у
искусственных сооружений производится:
При одинаковой
крутизне откоса земляного полотна и
откоса конуса – по формуле:
V=
π
H/24;
где V1
– объем
обоих конусов, м3,
Н
— высота
насыпи в сечении по обрезу фундамента,
м,
b
–
ширина полотна, м,
b1
–
ширина устоя, м,
m
–
показатель откоса
земляного
полотна и конусов,
Рис.
3.15. Линейное земляное сооружение с
Рис.3.16. Откосы земляного полотна
Криволинейной
осью
у
мостовых конусов.
При разной
крутизне откоса земляного полотна и
откоса конуса (рис. 3.16)
– по формуле:
V
1
=
π
H/6
·
[
3(b-
b1)/2
·
(x-
α)
+1,5·(b-
b1)/2
·
nH
+1,5(x-
α)·mH+
mnH
²
;
где n
–
показатель откоса конуса, x
– полная
величина захода земляного полот-
на на устой
на уровне бровки, м,
α
— величина
захода прямолинейной части
земляного
полотна,
м
.
