Мощность слоя грунта как определить
Определение истинной мощности слоя при наклонном залегании
Как правило, в поле может быть измерена видимая ширина выхода наклонного слоя по склону, ширина выхода слоя в горизонтальном срезе, проекция видимой ширины выхода слоя по склону на горизонтальную поверхность и, иногда, вертикальная мощность.
Видимая ширина выхода слоя, также как и проекция видимой ширины выхода слоя зависит от крутизны склона, истинной мощности и угла падения слоя. Чем круче склон при одинаковом наклоне пласта, тем меньше видимая мощность. Чем больше истинная мощность при одной крутизне склона, тем больше видимая мощность (рис. 1.36). Истинная мощность – кратчайшее расстояние (по перпендикуляру) между подошвой и кровлей пласта.
1. Для определения истинной мощности необходимо определять видимую мощность, угол падения слоя и угол наклона склона. И тогда истинная мощность слоя может быть определена по формулам приведённым на рис. 1.37.
2. Если истинная мощность слоя определяется в сечении, ориентированном косо по отношению к линии простирания, то вычисления производится по формуле П.М. Леонтовского:
M = m (sin α cos β sin γ ± cos α sin β),
где: M – истинная мощность; m – видимая мощность; α – угол падения пласта; β – угол наклона рельефа; γ – угол между азимутами линий простирания и измерения. Знак ± употребляется в зависимости от соотношения направления наклонов поверхностей рельефа (или обнажения) и слоя: при наклоне их в одну сторону принимается знак минус, при наклоне в разные стороны – знак плюс.
Приведённая выше формула верна при условии, что угол падения пласта больше уклона склона. При погружении в одном направлении пласта и склона, но при большем значении уклона склона, чем угол падения пласта, нужно использовать формулу В.С. Милеева: M = m (cos α sin β – sin α cos β sin γ).
3. На геологических картах с горизонталями можно определить истинную мощность пласта после определения угла наклона и вертикальной мощности и равна вертикалоной мощности, умноженной на значение косинуса угла падения: Mи = mв (cos α).
Вертикальная мощность пласта определяется на геологической карте с горизонталями следующим способом.
На карте проводят проекцию линии простирания кровли пласта, для чего соединяют прямой две точки пересечения проекции выхода кровли с одной и той же горизонталью карты. Проекцию линии простирания кровли продолжают до пересечения ею проекции выхода подошвы пласта. Путём интерполяции определяют отметку пересечения продолженной проекции выхода кровли с проекцией выхода подошвы пласта. Разность между этими отметками и будет равна вертикальной мощности изображенного на карте пласта.
4. На геологических разрезах, построенных вкрест простирания пород, мощность наклонного слоя измеряется по перпендикуляру между подошвой и кровлей слоя с учётом масштаба разреза. Если геологический разрез построен под косым углом к простиранию пород, то для пересчёта видимых мощностей в истинные можно использовать таблицу, либо геометрические методы.
Определение истинной мощности слоев
Мощностью слоя или пласта называется расстояние между его подошвой и кровлей вкрест простирания. Это расстояние (рис.8а) может быть различным в разных сечениях. Истинной или действительной мощностью (m) пласта называется расстояние между подошвой и кровлейпоперпендикуляру. Расстояние между подошвой и кровлей по горизонтали (m4) называется горизонтальноймощностью, по вертикали (m3)-вертикальноймощностью. Особый интерес для нас представляет видимая мощность (m1), которая обычно предстаёт перед наблюдателем вкрест простирания в открытых срезах дневной поверхности и измеряется в обнажениях. В частных случаях видимая мощность может совпадать с истинной, горизонтальной и
Рис. 47. Определение истинной мощности наклонно залегающего пласта.
а – виды мощности; б-е – различные случаи определения мощности: m – истинная мощность; m1 – видимая мощность;
Истинную мощность пласта можно замерить непосредственно в обнажениях. Однако чаще измеряется видимая мощность слоев. При этом возможны пять основных случаев расположения пласта (рис.47, б-е) и его соотношения с рельефом:
1. пласт горизонтален; поверхность Земли наклонна;
2. пласт наклонен; поверхность Земли горизонтальна,
3. пласт наклонен в сторону, противоположную наклону поверхности Земли;
4. пласт наклонен в сторону наклона поверхности Земли, но с большим углом падения, чем угол склона;
5. пласт наклонен в сторону наклона поверхности Земли, но с меньшим утлом падения, чем угол склона.
Как видно на рис. 47, истинная мощность пласта во всех случаях определяется по формуле:
m=m1 х sin γ, выводимой из прямоугольного треугольника, в котором истинная мощность (m) является катетом, противолежащим некоторому углу γ, а видимая мощность (m1) представляет гипотенузу
Рис. 48. Определение истинно Мощности наклонно залегающего пласта по формуле Леонтовского
Все рассмотренные примеры по определению истинной мощности пласта являются простейшими случаями, поскольку все замеры берутся в плоскости пласта. Практически же в полевых условиях чаще всего приходится вычислять истинную мощность по замерам, сделанным при описании стратиграфического разреза по наиболее обнажённому и удобному для прохождения направлению. В общем случае это направление не будет совпадать ни с направлением истинной мощности, ни с направлением вкрест простирания пластов. Тогда для каждого пласта или пачки пластов должны быть замерены следующие величины (рис.48):
1. расстояние от подошвы до кровли пластапо случайному направлению ВА = l;.
3. угол склона по направлению измерения (АВД = β); при этом необходимо указать направление движения исследователя по склону;
4. азимут падения пласта;
5. угол падения пласта (LДЕС = α).
Имея эти замеры, находят угол φ, как угол между линией простирания пластов и направлением измерения (разность между азимутом хода и азимутом простирания).
Вычисление истинной мощности пласта обычно ведётся по формуле, которая известна как «формула Леонтовского»:
m = l (sin α Ч cos β Ч sin φ + cos α Ч sin β)
В случае падения пластов по направлению склона между членами в скобках ставится знак минус. Формулу Леонтовского можно применить и для оценки мощности пластов по геологической карте. При этом измеряется не расстояние по склону (АВ), а его горизонтальная проекция (ДВ = n). Легко с карты снимается также и превышение точки А над точкой В, равное отрезку АД = ∆h. В этом случае формула примет вид:
m = n Ч sin α Ч sin φ +∆h Ч cos α
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ (ТОЛЩИНЫ) СЛОЯ
Опыт показывает, что в полевых условиях мощность слоев (для конкретных разрезов) лучше сразу оценивать с помощью рулетки, хотя часто используются молотки и прочие шанцевые принадлежности с разметкой, пикетажки и компас, но измерение рулеткой приносит более достоверные данные, сохраняющие свое значение на длительное время.
При рассмотрении вариантов определения значения мощности слоя по геологическим и пластовым картам считается, что изображенные геологические тела в пределах карты характеризуются постоянной мощностью и пространственным положением.
Следует учитывать, что на учебных картах, в частности бланковых, представлена идеализированная модель структурного плана условного участка местности. В этом случае в геологическом строении территории выделены геологические тела (слои), характеризующиеся постоянными параметрами (в пределах данной карты): одно и то же значение мощности слоя, то есть подошва и кровля слоя идеально параллельны, и выдержанные значения элементов залегания слоя. Условно можно рассматривать представленные на картах моноклинали или несколько моноклиналей как пакеты оконных стекол, но положенные в разных направлениях, под разным углом, и при этом толщина каждого стекла различна. В данном случае нам следует определить лишь мощность каждого слоя, слагающего моноклиналь.
В последующем при комплексном изучении перспективных или разрабатываемых нефтегазовых структур (площадей) помимо многочисленных структурных и палеоструктурных карт отстраиваются и карты равных мощностей (толщин). Если при построении данных карт используются величины истинной мощности, то линии истинных равных мощностей называются изопахитами (карта изопахит). Чаще при подобных построениях используются значения лишь вертикальной мощности того или иного слоя, в этом случае линии равных мощностей определяются как изохоры (карты изохор).
Используемые данные и материалы.Для выполнения задания подходят все бланковые карты (прит. № 2-4, 8-10), где представлен выход слоя (или слоев) на поверхность. Для графических построений будут необходимы: линейка, простой карандаш, транспортир и штангенциркуль, ластик.
Алгоритм.Рассмотрение сценария решения задачи зависит главным образом от пространственного положения слоя, изображенного на карте, и отчасти ширины выхода слоя на поверхности (рис. 1-4).
2-й вариант. При вертикальном залегании слоя или любого геологического тела необходимо с помощью измерительного инструментария точно определить ширину выхода этого тела и с учетом масштаба карты установить его мощность. Если ширина выделенного тела составляет 2 см, а масштаб карты 1: 5000, то это означает, что мощность этого тела 100 м.
3-й вариант. При наклонном залегании слоя изначально устанавливают значение вертикальной мощности слоя, а затем и значение истинной мощности, выполняя следующие построения.
 |
2.Для того чтобы найти истинную мощность слоя, которая, как следует из определения, всегда меньше вертикальной, предстоит выполнить дополнительные построения.
 |
2.1.Если возможно, по той же поверхности слоя отрисовываем дополнительную линию простирания (см. рис. 2, а) исключительно для удобства построения. Если вы уверены в правильности последующего направления построения перпендикулярной линии, то дополнительную линию простирания можно и не рисовать.
2.2.Определив азимут падения слоя, можно отобразить его графически, отстроив проекцию линии падения (с помощью транспортира или графических построений, см. раздел 2.2 первой части пособия), которая рисуется обычно от линии простирания с большим значением (см. рис. 2, а). Первые два действия можно и не выполнять, а дальнейшие графические построения привязывать к условной линии северного меридиана.
2.3.Зная или установив угол падения, получаем возможность отобразить графически значение вертикального угла (угла падения) на горизонтальной плоскости с помощью линии падения (линия ге). При этом значение угла падения откладывается от проекции линии падения, от точки ее пересечения с исходной линией простирания (см. рис. 2, а).
Известно несколько вариантов соотношения угла падения слоя и наклона элементов земной поверхности, при которых ширина выхода слоя сильно варьирует, в частности, характеризуется очень большой или очень узкой шириной выхода с учетом исходной мощности слоя. Вэтих случаях традиционные варианты графических построений не дают сразу желаемого результата. Чаще всего подобные трудности определяются тем, что не подбирается линия простирания, которая бы одновременно пересекла и кровлю, и подошву выбранного слоя.
При разрешении многих проблем подобного рода большое значение имеет использование свойств линий простирания. Следует помнить, что линий простирания может быть бесконечное количество и что они всегда параллельны, и выбраны по одной поверхности слоя, их сечение (заложение) часто определяется в соответствии с сечением горизонталей, но может быть и иным, более дробным и т.п.
 |
Вариант 1. При значительной ширине выхода слоя ни одна линия простирания при пересечении выхода слоя не достигает его нижележащей (вышележащей) поверхности (см. рис. 3, а). Вданном случае необходимо определить заложение линий простирания, другими словами, надо установить значение расстояния (в миллиметрах) между исходной и дополнительной линиями простирания (см. рис. 3, б). Зная эту величину, необходимо достроить дополнительные, условные (воздушные) линии простирания (см. рис. 3, в). Вэтом случае предполагаем и с помощью дополнительных линий простирания отстраиваем ранее существовавшее положение рассматриваемого слоя, те его участки, которые существовали до размыва. Следует достраивать линии простирания до тех пор, пока какая-либо из них не пересечет противоположную (ниже- или вышележащую) поверхность слоя (см. рис. 3, г). Определив значение линий простирания, рассчитываем разницу между значением линии кровли, которая достигла подошвы (150 м), и гипсометрическим значением подошвы в этой же точке (70 м). Разница значений (вертикальная мощность слоя) (см. рис. 3, г) составила 80 м. Если линии простирания не совпадают с горизонталями нижней (верхней) поверхности слоя, необходимо детализировать сечение линий простирания, что уже было продемонстрировано в предыдущем примере, когда выход слоя оказывался очень узким. При этом часто ошибки в построении и в расчетах обусловлены неверным определением направления падения (восстания) поверхности слоя.
 |
Вариант 2. При небольшой ширине выхода слоя и чаще всего небольшой его мощности (рис. 4) также возникает ситуация, когда одна линия простирания пересекает и кровлю, и подошву слоя, но определить достоверно гипсометрическое положение одной из поверхностей не получается. При первом подходе к разрешению этой проблемы можно пропорционально отрисовать дополнительные, с большей детальностью значения гипсометрических отметок, линии горизонталей с сечением до 10, 5 и даже 1 м. Более традиционен второй подход, когда отображаются дополнительные линии простирания с более детальным сечением, по сравнению с ранее построенными линиями простирания. В последнем случае необходимо между основными линиями простирания, выбранными в соответствии с сечением горизонталей, построить дополнительные с меньшим и кратным значением. Допустим, ранее в данной карте при определении мощности моноклинально залегающих слоев использовалось сечение линий простирания, кратное 100 м. Но для ширины выхода какого-то слоя подобное сечение не подходит или неудобно для вычислений. В этом случае отображаются пунктиром или штрихпунктиром дополнительные линии простирания с сечением 50, 25 или 10 м.
Тема 3. Определение мощности слоев.
Мощность слоя – это расстояние между его кровлей и подошвой. Различают истинную мощность (измеренную по кратчайшему расстоянию, рис.10.), вертикальную мощность (измеренную в вертикальной плоскости) и видимую мощность (обычно наблюдаемую в обнажениях).
 |
| Рис. 10. Соотношение истинной, вертикальной и видимой мощностей наклонно залегающего слоя (слой и склон падают в разные стороны). α – угол падения слоя, β – угол падения склона. М ист .= М вид.sin(α+ β) |
Вертикальная мощность связана с истиной соотношением:
Определение мощности слоев по геологической карте может быть произведено с помощью стратоизогипс. Для определения мощности слоя необходимо выбрать стратоизогипсу, пересекающую одновременно кровлю и подошву слоя (рис. 11А). Фактически такая линия соответствует двум линиям простирания, первая из которых находится в кровле слоя (на высоте 80м), а вторая – в подошве (на высоте 60 м; рис. 11Б). Разница между этими двумя значениями и составляет вертикальную мощность слоя.
Часто бывает, что найти стратоизогипсу, пересекающую кровлю и подошву пласта, затруднительно или невозможно. В этом случае производится интерполяция значений линий простирания (рис. 12) – установление высотных линий простирания (рис. 12) – установление высотных значений линий простирания. На рисунке 12 такая интерполяция проведена для линий простирания к подошве; при этом установлено, что линия простирания с высотной отметкой «40» (выделена жирным) совпадает с линией простирания для кровли, имеющей высотную отметку «60». Соответственно, вертикальная мощность слоя составляет 20 м.
Несущая способность грунта и способы ее увеличения
Строительство — это сложный процесс, требующий большой точности при расчетах несущей способности конструкции.
Масса крыши передает нагрузку на стены, потом на фундамент и в конечном итоге масса всего строения воздействует на основание — толщу породы, на которую опирается фундамент.
Перед началом строительства необходимо проверить надежность грунтов.
Несущая способность грунта — это нагрузка, действующая на единицу его объема и не приводящая к деформации основания.
От чего зависит несущая способность?
Для определения несущей способности грунта специалисты проводят геологические изыскания. На территории строительной площадки бурят несколько скважин, берут из них пробу через равные расстояния, проводят лабораторные исследования и оформляют отчет.
На несущую способность влияет несколько факторов:
При строительстве самый важный показатель — УГВ, от него зависит влажность грунтов.
В сухом и насыщенном влагой состоянии одни и те же породы имеют разные характеристики, отличающиеся в несколько раз.
Любые грунты, соприкасающиеся с водой, считаются насыщенными влагой.
Это увеличивает их текучесть и снижает несущую способность.
Исключением являются средние и крупные пески. Их свойства не изменяются из-за насыщения водой.
Плотность — это показатель пористости.
Грунт состоит из твердых частиц, между которыми находятся полые пространства, заполненные воздухом или водой. При превышении максимальной возможной нагрузки происходит деформация (усадка), способная полностью разрушить здание.
Плотные породы с минимальным количеством пустот считаются наиболее прочными. Усадка таких грунтов минимальна.
Залегание
При проектировании здания очень важно исследовать толщу грунтов ниже предполагаемой подошвы фундамента. Близко к поверхности залегают непрочные породы, способные воспринимать нагрузку лишь от небольшого здания. Чем глубже залегает порода, тем она старше, плотнее, толще и надежнее.
В зависимости от залегания и типа грунтов будет разрабатываться план установки фундамента в соответствии с правилами:
Несущая способность основания будет снижена в местах смены пород, вблизи УГВ, на склонах.
Рис. 1 Пример инженерно-геологического разреза
На чертеже разной штриховкой обозначены породы, указаны высоты устий скважин, начерчена линия УГВ.
Типы грунтов
Существует несколько типов пород, обладающих особыми характеристиками:
Скальные
Скальные породы образуются в результате извержения вулканов и последующего застывания магмы в толще земли.
Благодаря этому формируется порода с малой пористостью и жесткими связями между частицами.
Характеризуется большой прочностью, устойчивостью к отрицательным температурам, не впитывает воду, не пучинятся.
При отсутствии трещин в породе не вымывается и очень медленно разрушается с течением времени.
Скальные породы идеальны в качестве основания для любого объекта. Но они очень редко применяются для строительства, ведь встречаются преимущественно на большой глубине или в труднодоступных участках.
Крупнообломочные
Крупнообломочные грунты — это несвязанные породы, представляющие собой толщу камней (обломков скальных пород), большинство из которых крупнее 2 мм. Слежавшиеся валуны и обломки, не подверженные вымыванию — это хорошее основание.
Различают несколько видов крупнообломочных пород:
Песчаные
В ненасыщенном водой состоянии песок сыпучий, но слежавшийся песчаник — это надежное основание, не изменяющее своих свойств при насыщении влагой. Песчаные породы не пучинятся, хорошо пропускают воду, не задерживая ее вблизи конструкций.
Существует несколько видов песчаников:
Самые надежные основания — это слежавшиеся крупнообломочные породы и крупный песок.
Глинистые
Порода, состоящая из очень маленьких связанных частиц размером до 0,005 мм, называется глинистой. Выветренные мельчайшие частички пород чешуйчатой формы образуют массу грунта, способную быстро впитывать воду. В результате этого порода становится пластичной.
Глина с трудом теряет влагу, при наступлении холодов вода внутри нее замерзает, увеличивается в объеме и глина выпучивается. Этот процесс способен всего за одну зиму разрушать фундамент.
Другие
Существует несколько видов грунтов, практически непригодных для строительства:
При необходимости обустройства фундамента на вышеперечисленных грунтах необходимо учесть глубину промерзания почвы и УГВ в холодный период. Если уровень воды устанавливается ниже 2 м от глубины промерзания, то установить фундамент допускается близко к поверхности (минимум 0,5м).
Повышение несущей способности
На площадках с недостаточной несущей прочностью основания необходимо провести работы по повышению несущей способности грунта.
Есть два основных метода:
В первом случае для достижения большей плотности в грунт вбивают сваи небольшого размера, сокращая количество пустот в породе.
Во втором случае в толщу земли вводят различные химические добавки, сцепляющие между собой отдельные части грунтов.
Еще один способ улучшить характеристики основания — это устройство песчаной подушки под фундамент. После уплотнения она сможет воспринимать и равномерно передавать нагрузку от здания на залегающие ниже породы. Песок не задерживает влагу, не пучинится и является хорошим основанием для строительства дома.
Еще один способ улучшить характеристики основания — это понижение УГВ.
Таблица средних значений
Средняя несущая способность грунтов — это основной показатель расчетов. После выемки образцов породы из скважин проводится определение их вида для дальнейшей работы.
Классификация грунтов приведена в таблицах СНИП 1–3 ГОСТ 25100.2011. После определения типа грунта в каждом из залегающих слоев необходимо определить предельное сопротивление грунта сжатию.
Подробная информация содержится в ГОСТ 25100.2011 «Грунты. Классификация», таблица Б.1.
Рис. 2 Сопротивление сжатию
Основа расчета — расчетное сопротивление осевому сжатию. С подробным методом расчета с учетом всех нюансов можно ознакомиться в СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений». Здесь же можно найти значение всех коэффициентов, необходимых для максимально точного расчета.
Определение типа грунтов
Для выполнения расчетов и построения геологического разреза необходимо определить типы грунтов. Сначала проводятся полевые геологические работы, в ходе которых на участке бурят несколько скважин.
В процессе бурения через равнее промежутки геологи изымают из толщи земли образцы породы, укладывают их в специальные контейнеры и подписывают. Весь изъятый материал ведут в лабораторию для дальнейшего исследования.
Определить состав пород и их характеристики самостоятельно невозможно. Для этого потребуется специальное оборудование и знания. Без помощи профессионалов можно только примерно определить тип породы с помощью простого метода. Из насыщенного водой грунта пробуют скатать «колбаску».
От полученного результата зависит пластичность:
Рис. 3 Схема состава различных пород
Точно определить тип породы и его характеристики возможно только в лабораторных условиях.
Расчет
Расчет несущей способности — это основная цель геологических изысканий. Выполнять его можно только после определения типа пород внутри скважин и получения чертежей геологических разрезов на территории строительной площадки.
Чертеж поможет определить положение слоев пород в толще земли и даст представление о возможности строительства на площадке.
Несущая способность (R) определяется по формуле согласно алгоритму:
Данные для расчета:
После нахождения фактической несущей способности ее сравнивают с требуемой. Если вторая будет больше первой, то придется менять конструкцию будущего дома (увеличивать площадь опирания фундамента на основание или глубину заложения, менять вид фундамента, выбирать в качестве основания другой, более прочный слой).
Калькулятор для расчета фундаментов
Процесс расчета несущей способности основания — это кропотливый процесс, требующий обширных знаний в области строительства и геологии. На помощь инженерам приходит специальные калькуляторы.
При использовании калькулятора необходимо самостоятельно выбирать тип фундамента, вид почвы и глубину промерзания.
Для правильного определения всех параметров необходимы знания геологии. Доверять анализ основания необходимо специалистам, ведь в строительстве есть множество нюансов, которые не может учесть компьютерная программа.
Для самостоятельного использования отлично подойдут программы для расчета объема ленточного фундамента. Они не учитывают вид почвы и ее несущую способность. Для расчета необходимо ввести все параметры фундамента, и она посчитает объем бетона.
Действующие проектировщики создали простую программу, рассчитывающую базы колонн в зависимости от типа пород основания и веса здания. Она очень специфична и подойдет далеко не каждому, но профессионалам может помочь в расчетах.
Формула Терцаги
Формула Терцаги описывает закономерность уплотнения грунтов и их компрессионное сжатие. Для исследования грунтов редко выбирают метод трехосного сжатия ввиду его сложности, метод одноосного сжатия можно применять лишь к узкому кругу грунтов. Именно поэтому Терцаги рассматривает одноосное сжатие в жесткой таре, где стенки не дают образцу деформироваться.
По мере уплотнения, то есть сокращения объема полостей, давление возрастает. В результате становится понятно, то сумма деформаций образца составляется из пластической и остаточной деформации. (ξ1= ξp+ ξв)
Рис. 4 График нагружения грунта
При выполнении повторного нагружения основанию передаются только упругие деформации.
Расчет полов
Пол на лагах устанавливается в большинстве домов, но при неправильном конструировании подвального помещения (отсутствие продухов, их малый или большой размер) в нем начинает конденсироваться влага.
Вода деформирует или полностью разрушает деревянные лаги и конструкцию пола, способствует разрушению бетона.
Самый простой способ бороться с влагой в подвале — отказаться от цокольного помещения. Пол по грунту обеспечит долговечность конструкции и не даст лишней влаге проникнуть в дом.
Где можно класть пол на грунт
Класть пол допускается не на каждый грунт:
Существует 2 вида пола по грунту:
При расчете учитывается временное и постоянное давление на всю поверхность пола. В первом случае нагрузка составит 150 кг/м2 (вес людей и мебели), во втором нагрузка зависит от используемых материалов.
Полезное видео
Смотрите интересный видеоматериал, в котором рассказано о трех категориях грунтов и различиях между ними.
Заключение
Расчет несущей способности грунта — это длительный процесс, включающий в себя множество этапов. Для выполнения работ необходимо специальное оборудование, позволяющее правильно выполнить изъятие образцов из скважин и провести их исследование в лаборатории.
При выборе основания следует учесть множество факторов: типы грунтов, толщина их слоев, УГВ, схема залегания, глубина промерзания. Правильно выполнить анализ основания под фундамент могут только профессиональные геологи.