В настоящем, четвертом, издании книга вновьпереработана и дополнена данными новейшихэкспериментальных и теоретических исследований в соответствии с запросами практики.
Для облегчения расчетов книга иллюстрирована вспомогательными таблицами и численными примерами, что дает возможность широко применять излагаемые методы исследований в инженерной практике. Книга предназначена в качестве учебного пособия для студентов гидротехнических и инженерно-строительных вузов и факультетов.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Со времени выхода в свет предыдущего, третьего издания настоящей книги прошло около 12 лет. Третье издание широко использовалось не только в учебных целях, но и в практике проектирования и строительства как отечественной, так изарубежной (книга была переведена и несколько раз издавалась на китайском, польском, румынском, чешском и венгерском языках, отдельные разделы издавались на немецком и английскомязыках). Все это побудило автора отнестись к четвертому изданию книги с еще большим вниманием и не пожалеть сил, чтобыулучшить содержание книги и дать в ней новейший, наиболееактуальный материал, опубликованный как в отдельныхмонографиях виднейших ученых и инженеров, работающих в области механики грунтов, так и в трудах последних международных конгрессов по механике грунтов 1953 г. в Женеве, 1957 г. в Лондоне и в 1961 г. в Париже, где автор принимал участие, а также в трудах региональных конференций [в Брюсселе(Бельгия), Колорадо (США), Индии и СССР], посвященныхотдельным вопросам механики грунтов.
В книге освещены только важнейшие вопросы механики грунтов, представляющие практический и теоретическийинтерес для отечественного строительства, причем механикагрунтов излагается как особая отрасль науки. Советская школа механики грунтов на базематериалистической диалектики, позволившей более широко подойти кизучению грунтов как природных тел и учесть ряд новыхобстоятельств, ранее ускользавших из поля зрения исследователей (например, природу сил сцепления грунтов; структурные связи грунтов, разрушающиеся и одновременно вновь возникающие, но в другом виде; переменность характеристик механических свойств грунтов; региональные особенности отдельных видов грунтов, зависящие от условий физико-географической среды, и т. п.), за последние десятилетия обогатилась рядом новых решений и разработок, которые уже в настоящее времяполностью используются на практике. Для советской школы механики грунтов характерноследующее.
1. Грунты рассматриваются как естественно-исторические образования — рыхлые горные породы со всеми присущими им природными особенностями, свойства которых в большей или меньшей степени беспрерывно изменяются под влияниемвнешних воздействий.
2. Раскрытие общих закономерностей механики грунтов как механики природных дисперсных тел базируется на применении не только зависимостей собственно строительной механики, но и физико-химии, коллоидной химии, теории пластичности, теории ползучести и других смежных дисциплин.
3. Решения задач механики грунтов основываются наразработке строгих методов, хотя и математически сложных, но позволяющих при помощи электронных счетно-вычислительных машин получать табулированные решения с одновременнымразвитием инженерных методов расчета и в том числе метода расчетных эквивалентов.
4. На базе общих закономерностей грунтов как рыхлыхгорных пород (дисперсных тел) изучаются региональныеособенности для переуплотненных глин, набухающих, илистых, вечномерзлых, торфянистых и других грунтов.
5. Постоянный контроль и установление пределовприменимости получаемых решений путем сравнения результатоврасчета с наблюдениями в натуре. Совершенствование решений на основе более строгого учета граничных условий и изучения все новых и новых особенностей грунтов, открываемых приуглубленном исследовании их природы.
В настоящем издании книга состоит из пяти больших глав. Глава I посвящена природе грунтов, где особое вниманиеобращено на взаимодействие дисперсной части грунтов с водной средой и формирование структурных связей в грунтах. В главе II описываются основные закономерности механики грунтов, где по-новому изложен ряд разделов и, особенно, раздел осопротивлении грунтов сдвигу, как об основном их прочностном показателе. В главе III «Определение напряжений в грунтах» добавлено рассмотрение напряжений в массивах грунта при действии горизонтальных сил и выделена в особый параграф контактная задача теории линейно-деформируемых тел, как имеющая большое значение в расчетной практике. В главе IV излагаются вопросы прочности, устойчивости и давления грунтов на ограждения, как частные случаи общей строгой теории предельного напряженного состояния грунтов, разработанной советскими учеными. В главе V «Деформации грунтов»изложены не только современные методы оценки упругих, общих и остаточных деформаций грунтов, но рассматриваются иметоды прогноза осадок сооружений, а также оценка ихдостоверности.
В настоящем издании книги раздел «Указания поисследованию грунтов» не выделен в отдельную главу, но вопросыисследования грунтов попутно изложены в тех местах, гдеописываются те или иные свойства грунтов и их показатели. Систематическое изложение механики грунтов базируется преимущественно на работах отечественных ученых (Н. М. Герсеванова, В. В. Соколовского, В. А. Флорина, П. А. Ребиндера, М. И. Горбунова-Посадова, В. Г. Березанцева и многих других, включая и работы автора); отражены и работы виднейшихзарубежных ученых (Терцаги, Како, Керизеля, Тейлора, Скемптона, Тан Тьонг-ки, Чеботарева, Хоу, Кезди и др.). Однако охватить в настоящем труде огромное количество технической литературы, изданной за последнее время, характеризующееся бурным развитием науки механики грунтов, конечно, непредставилось возможным. Поэтому автором и не ставилась цель исчерпать обширнейшие литературные и ведомственныематериалы по исследованию грунтов, а кратко осветить лишь то основное, что относится к механике грунтов и ее приложениям в практике изысканий и строительства.
Основное внимание при написании книги уделеносистематичности и четкости изложения отдельных вопросов механики грунтов, ясности трактовки тех или иных задач с тем, чтобысделать книгу доступной наиболее широкому кругу специалистов. В книге приняты (за малым исключением) обозначения Международного общества механики грунтов и фундаментостроения с индексами, в большинстве случаевсоответствующими русскому названию тех или иных понятий.
ВВЕДЕНИЕ
Объект изучения
Объектом изучения в механике грунтов являются рыхлые горные породы (минерально-дисперсные образования) коры выветривания литосферы, т. е. природные грунты. Механика же грунтов есть часть общей механикигорных пород, в которую как составные части входят: механика массивных пород, механика рыхлых горных пород, получившая название механики грунтов, и механика органических масс. Главнейшей отличительной особенностью грунтов отмассивных горных пород, имеющей существенное значение припостроении механики грунтов, является их раздробленность, т. е. грунты принадлежат не к сплошным телам, а к телам,состоящим из отдельных твердых частиц, не связанных между собой или связанных так, что прочность связей между ними во много раз меньше прочности материаласамих частиц. Эта раздробленность создает пористость грунтов, изменяющуюся под влиянием внешних воздействий (особенно при увеличении и уменьшении давления, а также при изменении условий отложения, наличии электролитов,влажности и пр.), что обусловливает свойство сжимаемости грунтов. Раздробленность (дисперсность) грунтов также увеличивает, часто в сотни и тысячи раз, удельную поверхность минеральной их части, а следовательно, и ее поверхностную энергию,вызывая целый ряд физических и физико-химических явлений,которые существенно сказываются на механических свойствахгрунтов. Кроме того, рыхлые горные породы (природные грунты) обладают водопроницаемостью (фильтрационнойспособностью), а прочность и устойчивость грунтов есть функция связности и внутреннего трения между твердыми частицами, присущего раздробленным телам и возникающегомежду частицами в процессе деформирования. Зависимость между деформациями и напряжениями для рыхлых пород (природных грунтов) также имеет характерную особенность, которая заключается в том, что эти породы при нагрузке и разгрузке всегда имеют кроме восстанавливающихся и остаточные деформации.
Грунты как рыхлые горные породы необходимо рассматривать в неразрывной связи с условиями их формирования,учитывая взаимодействие их с окружающей средой, т. е. какпродукт коры выветривания каменной оболочки земли(литосферы).
Особый класс рыхлых горных пород, «естественноизмененных совместным влиянием воды, воздуха и различного рода организмов — живых и мертвых» (проф. В. В. Докучаев), представляют почвы (обогащенные гумусом, отличающиеся особой структурой органо-минеральные образования). Органо-минеральные образования, к которым кроме почв относятся илы, торфы и пр., также будут являться объектом изучения, ноестественно более сложным, чем минеральные грунты, и привысоком содержании органических веществ должны рассматриваться в особом разделе механики горных пород — в механикеорганических масс.
Место механики грунтов среди других разделов механики
В процессе исторического развития науки первыми были сформулированы законы механики абсолютнотвердого тела, или так называемой теоретическоймеханики, рассматривающей твердые недеформируемые тела, каких в природе нет. Однако теоретическая механикаустановила законы движения и условия равновесия тела.
Если мы перейдем к реальным деформируемым телам, которыми занимается строительная механика (теория упругости, теория пластичности), то здесь также полностьюбудет использована и теоретическая механика. Однакостроительная механика, рассматривая тела сплошные, которыеобладают определенными физическими свойствами (упругостью,пластичностью и пр.), должна добавлять к закономерностямтеоретической механики законы упругости, пластичности,ползучести, т. е. зависимости, определяемые экспериментальным путем на основе изучения физико-механических свойств материалов. Закономерности, устанавливаемые только теоретическоймеханикой, для решения задач строительной механики будутнеобходимыми, но недостаточными.
Для решения же задачи механики грунтовнедостаточными оказываются и закономерности строительноймеханики сплошных тел, так как грунты, как указывалось выше, являются дисперсными раздробленными материалами, а не сплошными телами. Поэтому в механике грунтов необходимо учесть и закономерности, характеризующие физическуюприроду грунтов как дисперсных материалов, в первую очередь их раздробленность. Другими словами, нужно добавитьзакономерности, вытекающие из изучения пористости грунтов:закон уплотнения, характеризующий сжимаемость грунтов врезультате уменьшения объема пор; законы фильтрации,определяющие водопроницаемость грунтов; законы трения,позволяющие установить предельное сопротивление раздробленныхдисперсных тел (грунтов) сдвигу, и характерную дляраздробленных тел зависимость между деформациями и напряжениями.
Если мы прибавим к законам теоретической механики и строительной механики сплошных тел в определенныхпределах, применимых к грунтам, закономерности, которые вытекают из изучения грунтов как дисперсных тел, то этого будетдостаточно, чтобы создать особый раздел науки — механику грунтов.
Необходимо отметить, что для органо-минеральных грунтов (в частности, почв, илов и торфов) надлежит изучить роль органического вещества и процессов, происходящих в нем,особенно в связи с минерализацией, наблюдаемой при использовании этих грунтов в строительстве. Для некоторых других видов грунтов, например частично сцементированных, придется учесть и свойства цементирующих материалов.
О развитии механики грунтов в СССР и роли отечественных ученых
На территории СССР отложения рыхлых горных пород (грунтов), иногда образующие сильно сжимаемые мощные толщи, распространены почти повсеместно, и строителям очень часто приходится возводить различного рода сооружения, в том числе и капитальные (общественные, промышленные,гидротехнические и др.), на сжимаемых основаниях. Поэтомуотечественными учеными и инженерами всегда придавалось большое значение изучению свойств сжимаемых оснований и развитию науки о грунтах, и вклад их в механику грунтов как теорию естественных оснований сооружений особенно велик. Знания по механике грунтов необходимы в современном строительстве при возведении сложныхстатически-неопределимых конструкций, когда прогноз деформаций оснований и их неравномерности особенно важен, а экономия требуетмаксимального использования несущей способности грунтов. Все это очень давно заставило русских ученых посвящать свои труды разработке вопросов теории естественных оснований ипрактическому ее применению в фундаментостроении. Следуетуказать, что именно русские ученые впервые, еще в сороковыхгодах XIX в., поставили вопрос о необходимости изучения степени сжимаемости грунтов (профессора М. С. Волкова и В. М. Карлович) и глубокого изучения теории оснований сооружений (проф. В. И. Курдюмов). Первый курс в мировой технической литературе пооснованиям и фундаментам был издан на русском языке (курс проф. В. М. Карловича) в 1869 г. точно так же, как и первый курс механики грунтов (курс проф. Н. А. Цытовича) в 1934 г.4.
Проф. В. И. Курдюмов в своих трудах описал оригинально поставленные им при помощи фотографического метода опыты по изучению линий скольжения в сыпучих грунтах поднагрузкой, в результате которых он впервые установил криволинейность поверхностей скольжения. Методика исследования линий скольжения, предложенная В. И. Курдюмовым, применялась в дальнейшем и другими исследователями, как русскими (И. В. Яропольский, В. Г. Березанцев и др.) так и зарубежными.
Особую роль в построении современной механики грунтов играет физика глин. И в этом вопросе с полнойопределенностью можно утверждать приоритет русских ученых. Так,задолго до того времени, когда зарубежные ученые стали говорить о необходимости физического подхода к изучению природных грунтов, русский профессор П. А. Земятченский в своих трудах еще в 1896 г. показал, что понятие о глинах следуетрассматривать как физическое, поскольку глины представляют собой горные породы, сложившиеся в определенных естественно-исторических условиях, и для них характерным будет не химический состав, а физические свойства, важнейшим из которых является пластичность. К таким же примерно взглядам пришел позднее и проф. К. Терцаги. Им в 1925 г. была издана на немецком языке книга «Строительная механика грунтов» (в переводе на русский язык книга вышла в 1933 г.). Книга проф. К. Терцаги вследствие механистических взглядов ее автора на некоторые явления в грунтах (капиллярность, связность и др.) внесла ряд спорных положений, неясностей и условностей, необходимость расшифровки которых вызвала опубликование некоторых работ советских ученых.
Широкие исследования физико-механических свойствгрунтов были развернуты в СССР в первые годы пятилеток в связи с запросами практики гидротехнического и дорожногостроительства (Н. Н. Иванов, М. М. Филатов и др.).
Ниже рассматривается развитие в трудах русских и советских ученых теории механики грунтов и ее приложений впрактике фундаментостроения, а также вклад советских ученых в разработку основ механики отдельных региональных видов грунтов.
Основными проблемами в области теории механики грунтов, разработке которых посвящались труды советских ученых в последнее сорокалетие, следует считать: а)применение теории упругости к расчету оснований; б) исследованиесовместной работы сооружений и сжимаемого основания; в) разработка общих решений строгой теории предельного напряженного состояния; г) теория консолидации водонасыщенныхгрунтов; д) вопросы динамики грунтовых оснований. При использовании теории упругости длярасчета оснований первым был вопрос о том, применима ли эта теория к грунтам оснований. Как показано еще в 1916 г. проф. П. А. Миняевым и в 1930 г. проф. Н. М. Герсевановым, применение теории упругости к глинам и дисперсным пескам настолько же правомочно, как и применение ее к стали. Причем для неупругого состояния грунтов был предложен критерий линейной деформируемости4. В 1936 г. проф. В. А. Флориным установлено соотношение размеров областей пластических зон в грунте с размерами сооружения, определяющееусловия применимости решений теории упругости к расчету оснований.
В конце двадцатых и начале тридцатых годов текущего века в СССР начали широко применять теорию упругости к расчету естественных оснований. Здесь следует указать назамечательные работы проф. Н. П. Пузыревского, который предложил оригинальный метод использования теории упругости, позволивший ему разработать общую теорию напряженности землистых грунтов. В частности, на основании использования теорииупругости было дано решение задачи о величине давления восновании сооружений, соответствующего началу возникновения под краем фундамента зон пластического состояния, а в 1929 г. для краевой критической нагрузки получена формула,тождественное выражение которой было опубликовано в ином виде О. К. Фрелихом позже в 1934 г. Проф. Н. П. Пузыревский также получил аналитическое выражение поверхностейскольжения для откосов, впоследствии использованное при расчете их устойчивости, и дал формулы для определения давления грунтов на подпорные стенки при различных случаях их загружения и ряд других решений. Почти в то же время проф. Н. М. Герсеванов предложил рассматривать три основные фазы напряженного состояния грунтов под фундаментами: фазу уплотнения, фазу сдвигов (пластического течения) и фазу выпирания (прогрессирующего течения, по Н. А. Цытовичу). Другим путем, отличным от решения Н. П. Пузыревского, Н. М.Герсеванов получил для краевой нагрузки значение,соответствующее началу возникновения фазы сдвигов в грунтах, практически равное допускаемому давлению на грунт.
Исследованию совместной работы сооружений и сжимаемых оснований советскими учеными уделено много внимания и затрачено немало труда в направленииразработки главным образом общих теоретических решений. Впервую очередь следует отметить работы проф. Н. П. Пузыревского и акад. А. Н. Крылова. Ими сложное дифференциальное уравнение четвертого порядка для расчета балок на местном (Винклеровском) основании путем разработки методаначальных параметров было сведено к решению двух уравнений с двумя неизвестными, что позволило разработать весьмаэффективный метод определения всех расчетных величин. Как показали дальнейшие исследования5, метод расчета балок и плит на местном упругом основании (основанный на модели прямой пропорциональности давления упругой осадке только в месте приложения нагрузки1) может применяться с успехом лишь в случае сильно сжимаемых грунтов или малой мощности грунтов, подстилаемых несжимаемыми породами (например, скальными).
В дальнейшем в работах советских ученых модель местного упругого основания совершенствовалась как в направленииболее точного учета упругости основания (метод проф. М. М. Филоненко-Бородича), так и в направлении введения двухкоэффициентов, характеризующих сжимаемое основание (упругого сжатия и упругого сдвига, по проф. П. Л. Пастернаку).
Однако модель местного упругого основания во многом не удовлетворяла советских ученых, так как не позволялаопределять деформации грунта вне места приложения нагрузки, а главное обладала непостоянством характеризующих еекоэффициентов. Поэтому было предпринято непосредственноеиспользование теории упругости для расчета фундаментов на так называемом упругом полупространстве. В обобщающей своей работе М. И. Горбунов-Посадов изложил полученные им ранее решения задач о расчете балок и плит на упругом полупространстве, значительно их развил и дополнил, а также обобщил исследования другихотечественных ученых и составил многочисленные таблицы для быстрого и точного расчета балок и плит на упругом илинейно-деформируемом полупространстве. Отметим также, что общий метод решения так называемой контактной задачи распределения давлений по подошве был опубликован в 1936 г. В. А. Флориным. Дальнейшееразвитие указанного класса задач теории механики грунтов идет как по линии усовершенствования расчетных моделей грунта, так и по разработке решений смешанной задачи теории упругости и теории пластичности.
Разработка общей теории предельногонапряженного состояния грунтов как в постановке самойзадачи, так и в разработке математически строгих решенийпринадлежит главным образом советским ученым. В 1939—1942 гг. были опубликованы замечательные работы проф. В. В. Соколовского, в которых дано общее аналитическое решение плоской задачи теории предельного равновесия для сыпучейсреды и, в частности, точное определение величины давлениягрунтов на подпорные стенки, устойчивости грунтов в основаниях сооружений, предельной высоты откосов, равноустойчивой их формы и пр. Графоаналитическое решение плоской задачи теории предельного равновесия сыпучей среды было рассмотрено проф. С. С. Голушкевичем3. Пространственная же задача теории предельного напряженного состояния грунтов получила освещение в работах проф. В. Г. Березанцева.
Теория консолидации водонасыщенных грунтов получила широкое развитие после опубликованияизвестных работ проф. К. Терцаги.
Работы советских ученых в этой области механики грунтов были направлены на получение более строгих решений линейнойзадачи консолидации, формулировок плоской и пространственной задач консолидации и на разработку эффективных методоврешений этих задач при различных граничных условиях ипеременности характеризующих консолидацию коэффициентов. Следует особо отметить в этой области работы проф. Н. М. Герсеванова, 1931 — 1948 гг.
Проф. Н. М. Герсеванов в основном своем труде «Основы динамики грунтовой массы» (изданном в 1931 г. идополненном в изданиях 1933, 193*7 и 1948 гг.) детально исследовалзадачу уплотнения слоя водонасыщенного грунта при сплошной нагрузке, рассмотрел вопросы уплотнения однородной иизотропной грунтовой массы в случае плоской и пространственной задач, впервые получил решение плоской задачи определения начальных напряжений при загружении грунтовой массымгновенной полосообразной нагрузкой и дал основы теории газообразования в водонасыщенных грунтах. Особый интерес в настоящее время представляет последняя работа Н. М. Герсеванова («Теоретические основы механики грунтов», 1948 г.), в которой автор подверг ревизии некоторые положения динамики грунтовой массы (в изложении 1931 —1937 гг.), установил пределы применимости отдельных ее задач и внес необходимую ясность в трактовку некоторых вопросов. Весьма значителен вклад советских ученых в разработку основ механики отдельных региональных видов грунтов, к которым мы относим: илы и заторфованные грунты (органоминеральные образования), лессы и лессовидные грунты (макропористые образования), мерзлые и вечномерзлые грунты (криогенные образования).
Вопросам механики илов посвящен ряд работ Института оснований в Москве и Гидроэнергопроекта в Ленинграде, в которых показано, что илы при малых давлениях, не превышающих их структурной прочности, обладают одними свойствами, а при давлениях, превышающих определенный предел,становятся чрезмерно сжимаемыми и малоустойчивыми. Проблеме оснований на заторфованных грунтах и торфах большое внимание уделяется учеными Белоруссии инекоторыми учеными Ленинграда7, в результате работ которых намечены величины предельных деформаций оснований из заторфованных грунтов для гражданских и промышленных сооружений и разработаны приемы их воздействия. С особенностями лессов и лессовидных грунтов, их просадочностью советские ученые столкнулись в тридцатых годах, когда пришлось ряд промышленных зданий возводить на лессовидных грунтах. Здесь следует отметить работы проф. Ю. М. Абелева, которым разработаны основы механикилессовидных макропористых грунтов, работы проф. Н. Я. Денисова, исследовавшего природу просадочности этого видагрунтов, и работы профессоров М. Н. Гольдштейна и Г. М. Ломизе, которыми была дана зависимость просадочности от напряженного состояния грунтов и поперечного выжимания масс грунта.
Проблема исследования мерзлых и вечномерзлых грунтов и условий строительства на них имеет особуюактуальность, так как около 47% территории СССР, весьма богатойприродными ресурсами, находится в области распространениявечномерзлых грунтов, возведение сооружений на которых без принятия соответствующих мер чрезвычайно осложняется. Вопросами исследования вечномерзлых грунтов советские ученые начали заниматься уже давно.
Использование механики грунтов в инженерной практике с каждым годом становится все более широким. Так, на основе получения ряда конкретных решений задачмеханики грунтов, а также проверки результатов в натуреоказалось возможным разработать весьма прогрессивный, дающий значительную экономию средств метод проектирования фундаментов по предельным состояниям грунтовых оснований. Развитие механики грунтов,и, в частности, динамикиоснований позволило советским ученым и инженерам разработать и с успехом применять виброметод забивки свай, шпунтов и буровых труб в сыпучие и пластичные связные грунты.
Как методы улучшения свойств слабых грунтов необходимо отметить: оригинальный метод искусственного обжатия глинистых грунтов понижением напора грунтовых вод вподстилающих песках (метод М. Е. Кнорре); методы химического иэлектрохимического закрепления грунтов, разработанные проф. Б. А. Ржаницыным; метод электроосмотического осушения и водопонижения грунтов, освещенный в трудах проф. Г. М. Ломизе; метод термического закрепления просадочных лессовидных грунтов И. М. Литвинова и др.
В заключение следует подчеркнуть, что роль отечественных ученых в развитии механики грунтов, конечно, неисчерпывается вышеприведенными данными, и при дальнейшем изложении отдельных разделов книги роль советских ученых и их успехи, которые особенно велики в последнее двадцатилетие, будут еще неоднократно отмечены.
Задачи механики грунтов
Основным направлением задач, стоящих перед механикой грунтов, является теоретический прогноз поведения грунтовых толщ (их деформируемости, прочности, устойчивости и пр.) под влиянием внешних и внутренних воздействий:разнообразных нагрузок от сооружений, изменений (под действием природных факторов и деятельности человека) условийравновесия, например при размывах, колебаниях уровня грунтовых вод, разгрузке глубоких слоев грунта при копке строительных котлованов и др.
Общими задачами механики грунтов будут:
1) установление основных закономерностей механики грунтов как дисперсных тел и величины характеризующих их коэффициентов;
2) исследование напряженно-деформативного состояния грунтов в различных стадиях их деформирования;
3) разработка вопросов прочности и устойчивости грунтов и давления их наограждения.
1. Первая задача «Установление основныхзакономерностей» посвящена исследованию так называемых законов пористости, т. е. установлению закономерностей,отличающих грунты от сплошных тел и обусловливающихповедение грунтов как дисперсных материалов под влиянием внешних воздействий (давлений, напоров, сдвигов и др.). Весьма существенным вопросом будет установление величины расчетныххарактеристик грунтов, числовые значения которых определяют количественную сторону явлений.
Весьма важным свойством грунтов как дисперсных телявляется их сжимаемость. Ее характеризуют зависимость между давлением и изменением коэффициента пористости, или так называемая компрессионная зависимость, и закон уплотнения.
Второй характерной особенностью грунтов как рыхлых горных пород является водопроницаемость грунтов, хорошо описываемая законом ламинарной фильтрации.
Третьим, особенно важным свойством грунтов как рыхлых горных пород является внутреннее трение, проявляющееся в них при взаимных перемещениях частиц и по величине зависящее от нормального давления. Внутреннее трениеобусловливает, особенно для сыпучих грунтов, основную часть ихпредельного сопротивления сдвигу, которое в свою очередь является определяющим фактором при расчетах прочности, устойчивости грунтов и давления их на ограждения.
Наконец, четвертой отличительной особенностью грунтов как раздробленных дисперсных тел является наличиеостаточных деформаций, возникающих в грунтах даже при действиинезначительных нагрузок.
Разработка методики определения расчетных характеристик грунтов (главным образом, коэффициентов, входящих в законы пористости) является одной из важных проблем в механике грунтов, так как от достоверности характеристик будет зависеть и точность всех расчетов даже при безупречности исходныхрасчетных схем. На эту сторону дела необходимо обратить особое внимание в связи с тем, что свойства грунтов, а следовательно, и их расчетные характеристики в природных условиях меняются в весьма широких пределах, находясь в зависимости отпредыдущей истории их существования и условий окружающей среды. Поэтому нельзя создать стандартов для числовых показателей тех или иных свойств грунтов (как, например, для стали и других материалов, имеющих в высокой степени устойчивыйхимический состав и физические свойства), и в каждом отдельном случае расчетные характеристики требуется определятьопытным путем.
2. Задача исследования напряженно-деформативного состояния грунтов под действием внешних сил и собственного веса грунта является главнейшей в механике грунтов, и разрешение ее для различных случаев загружения имеет непосредственное приложение в практике строительства. Для практики строительства весьма важно знать, какраспределяются напряжения в грунте при загрузке части егоповерхности, как напряженное состояние меняется с течениемвремени, при каких условиях наступает предельноенапряженное состояние, после чего возникают недопустимыедеформации и нарушения сплошности грунтового массива и т. п.
Особо существенное значение имеют вопросы определениядеформаций грунтов, а именно: общей величины деформаций иотдельных ее видов (упругих, остаточных), протеканиядеформаций во времени и разности деформаций (осадок) подотдельными частями сооружений. Значение этих вопросов определяется также тем, что при расчете фундаментов различного родасооружений необходимо исходить не из величины общегодопускаемого давления на грунт, а из величины допустимых разностей осадок отдельных частей сооружения, так как равномерная осадка под всем сооружением не опасна и не вызываетдополнительных усилий в элементах конструкции сооружения. Но так как даже при одном и том же давлении на грунт подразличными фундаментами сооружений будут возникать осадкиразличной величины, то всегда необходимо определять их величину, неравномерность и протекание во времени.
3. Разработка вопросов прочности иустойчивости массивов грунта и давления грунтов наограждения, являясь частной задачей общей теориипредельного равновесия, имеет существенное практическоезначение.
В сравнение с другими эти вопросы механики грунтовразрабатывались по времени первыми (еще с конца XVIII в.); часть из них, например, теория давления грунтов на подпорныестенки, уже давно имеет ряд решений, широко применяемых впрактике строительства, но большинство вопросов получило общее решение лишь в СССР в работах В. В. Соколовского и др. Для разрешения поставленных задач механики грунтовприменяются главным образом два метода: расчетно-теоретический метод на основе математического решения сформулированных задач механики грунтов с обязательным опытным(лабораторным или полевым) определением величины расчетных характеристик грунтов и метод моделирования, когда сложность задачи не позволяет получить замкнутого решения или же решение получается весьма громоздким.
Основы теории моделирования напряжений идеформаций в грунтах также впервые были разработаны советскими учеными1. Так, проф. Г. И. Покровским проведены подробные исследования некоторых задач механики грунтов наспециальной установке методом центробежного моделирования(устойчивость откосов для канала им. Москвы, распределение давлений в трубах, заложенных в грунт, и др.)- В настоящее время метод центробежного моделирования может уже считаться освоенным для практического решения ряда задач механики грунтов. Однако основная проверка правильности теоретических решений и данных лабораторных исследований методоммоделирования может быть произведена только путем сравнения с результатами наблюдений в натуре.
Для проверки полученных решений на практике и дальнейшего развития механики грунтов огромное значение имеютправильно поставленные в природных условиях наблюдения засооружениями и их основаниями. При этом большую роль будут иметь методика постановки наблюдений и четкое уяснение тех задач, которые стоят перед данными наблюдениями. Без теоретического анализа, а также экспериментального определения расчетных характеристик грунтов всей напряженной зоны под сооружениями наблюдения не дадут ожидаемого эффекта.
Только результаты, освещенные теорией и проверенные на практике, являются полноценными и могут быть полностью использованы при строительстве.
Систематическое рассмотрение перечисленных задач механики грунтов и является предметом дальнейшего изложения.
...В настоящем, четвертом, издании книга вновь переработана и дополнена данными новейших экспериментальных и теоретических исследований в соответствии с запросами практики. Для облегчения расчетов книга иллюстрирована вспомогательными таблицами и численными примерами, что дает возможность широко применять излагаемые методы исследований в инженерной практике. Книга предназначена в качестве учебного пособия для студентов гидротехнических и инженерно-строительных вузов и факультетов.
Предисловие
Введение
Глава I. Природа грунтов
§ 1. Процесс образования грунтов
Физическое и химическое выветривание
Виды грунтовых отложений
Значение физико-географической среды
§ 2. Составные элементы грунтов
Некоторые замечания
Твердые минеральные частицы
Вода в грунтах, ее виды и свойства
Газообразная фаза в грунтах
§ 3. Взаимодействия в дисперсной части грунтов
Электромолекулярные силы в грунтах
Гидратные оболочки частиц (лиосфера)
Значение ионного обмена в грунтах
Влияние электролитов
§ 4. Формирование структуры природных грунтов
Основные понятия
Виды структуры и текстуры грунтов
Структурные связи в грунтах
§ 5. Физические свойства и классификационные показатели грунтов
Некоторые общие определения
Коэффициент пористости
Коэффициент водонасыщенности
Классификационные показатели грунтов
Упрощенная гранулометрическая классификация грунтов
Плотность сыпучих грунтов
Консистенция связных глинистых грунтов
§ 6. Особенности физических свойств структурно-неустойчивых грунтов
Об устойчивости структуры грунтов
Свойства илистых грунтов
Лессовые просадочные грунты
Физические свойства мерзлых грунтов
Глава II. Основные закономерности механики грунтов
§ 1. Понятие о законах пористости
Общие замечания
Законы пористости
§ 2. Сжимаемость грунтов. Закон уплотнения
Физические представления
Зависимость между влажностью и давлением в грунтовой массе
Зависимость между давлением и коэффициентам пористости
Компрессионные кривые и их анализ
Закон уплотнения
Коэффициент бокового давления
Общий случай компрессионной зависимости. Гидроемкость грунтовой массы
Определение капиллярного давления
Понятие «давление связности»
§ 3. Водопроницаемость грунтов. Закон фильтрации
Условие водопроницаемости грунтов
Закон фильтрации
О начальном градиенте в глинистых грунтах
Влияние водопроницаемости на скорость сжатия
Эффективные и нейтральные давления в водонасыщенных грунтах
§ 4. Трение в грунтах. Предельное сопротивление сдвигу. Закон Кулона
Значение вопроса
Понятие о трении и скольжении в грунтах
Испытание грунтов на сдвиг при прямом срезе
Предельное сопротивление сдвигу сыпучих и связных грунтов. Закон Кулона
Различные случаи диаграмм предельных напряжений при сдвиге
Испытание грунтов на сдвиг при простом и трехосном сжатии
Октаэдрическая теория прочности
Иные методы определения сопротивления связных грунтов сдвигу
О выборе расчетных характеристик сопротивления грунтов сдвигу
§ 5. Деформируемость грунтов как дискретных тел. Принцип линейной деформируемости
Некоторые замечания
Общий случай зависимости между деформациями и напряжениями
Принцип линейной деформируемости грунтов
Глава III. Определение напряжений в грунтах
§ 1. Основные положения
§ 2. Распределение напряжений в случае пространственной задачи
Основная задача - действие сосредоточенной силы
Действие равномерно распределенной нагрузки
Определение сжимающих напряжений по методу угловых точек
Способ элементарного суммирования
§ 3. Распределение напряжений в случае плоской задачи
Общий случай
Равномерно распределенная нагрузка
Другие виды нагрузок
§ 4. Контактная задача теории линейно-деформируемого полупространства
Распределение контактных давлений под жестким фундаментом
в случае пространственной задачи
Распределение контактных давлений под жесткими ленточными
фундаментами (плоская задача)
Распределение контактных давлений по подошве сооружений конечной жесткости
§ 5. Влияние неоднородности и анизотропии на распределение напряжений в грунтах
Некоторые общие замечания
Распределение напряжений в слое лрунта ограниченной толщины на несжимаемом основании
Определение реактивных давлений по подошве круглых и ленточных фундаментов на слое грунта ограниченной толщины
Распределение давлений в двухслойном основании
Влияние анизотропии грунтов на распределение в них напряжений. Распределение напряжений от собственного веса грунта
§ 6. Экспериментальные данные о распределении напряжений в грунтах
Вопросы методики исследований
Приложения оптического метода
Результаты непосредственного определения распределения давлений в грунтах
Опытные данные о распределении контактных давлений. Некоторые выводы
Глава IV. Вопросы прочности, устойчивости и давления грунтов на ограждения
§ 1. Некоторые общие зависимости
Вводные замечания
Фазы напряженного состояния грунтов
Угол наибольшего отклонения и его значение
Условие предельного равновесия для сыпучих и связных грунтов. Дифференциальные уравнения предельного равновесия грунтов в общем случае напряженного состояния
§ 2. Условия прочности и несущая способность грунтов
Начальная критическая нагрузка на грунт
Предельная нагрузка для сыпучих и связных грунтов
§ 3. Об устойчивости массивов грунта
Общая характеристика условий устойчивости
Элементарные задачи
Строгие решения теории предельного равновесия грунтов. Приближенные графические методы определения устойчивости массивов грунтов
О мерах борьбы с оползнями
§ 4. Теория давления грунтов на ограждения
Основные понятия
Определение давления грунтов на подпорные стенки при допущении плоских поверхностей скольжения
Определение давления грунтов на подпорные, стенки по строгим методам теории предельного равновесия
Графические методы определения давления грунтов на подпорные стенки
Давление грунтов на другие виды ограждений
Давление грунтов в горных выработках
§ 5. Сравнение теоретических данных с результатами непосредственных измерений
Глава V. Деформации грунтов
Значение вопроса
§ 1. Виды деформаций грунтов и причины, их обуславливающие
Виды деформаций грунтов
Влияние способа загружения и граничных условий
§ 2. Упругие деформации грунтов
Общая характеристика расчетных методов определения упругих деформаций грунтов
Метод общих упругих деформаций
Метод местных упругих деформаций
Методы, учитывающие общие и местные деформации
Модули деформируемости грунтов
О распределении и затухании упругих колебаний в грунтах
Изменение свойств грунтов при вибрациях
§ 3. Одномерная задача теории уплотнения грунтов
Физические предпосылки и принятые допущения
Основная задача - осадка слоя грунта при сплошной нагрузке
Дифференциальное уравнение фильтрационной теории уплотнения грунтов
Различные случаи уплотняющих давлений
Деформации грунтов при набухании
Уплотнение и набухание грунтов при переменной нагрузке
Влияние вторичной консолидации на процесс протекания осадок водонасыщенных грунтов
§ 4. Плоская и пространственная задачи фильтрационной теории уплотнения грунтов
Дифференциальные уравнения плоской и пространственной задач
теории уплотнения грунтов
Начальные и граничные условия
Некоторые решения плоской и пространственной задач теории уплотнения грунтов
Осесимметричная задача теории уплотнения водонасыщенных грунтов
Влияние предыстории загружения и начального избыточного порового давления воды на величину осадок уплотнения грунтов
Об учете начального градиента напора при расчете уплотнения твердых глинистых грунтов
§ 5. Расчет осадок фундаментов
Общие указания
Непосредственное применение одномерной задачи
Метод послойного элементарного суммирования
Применение результатов замкнутых ми табулированных решений
теории линейно-деформируемых тел
Расчет осадок фундаментов по методу эквивалентного слоя грунта
§ 6. Сравнение расчетных осадок фундаментов с действительными
Постановка наблюдений за осадками сооружений
Результаты наблюдений и их анализ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»
С. И. Алексеев
МЕХАНИКА ГРУНТОВ
Краткий конспект лекций
(учебное пособие для студентов строительных специальностей)
Санкт-Петербург 2007
УДК 624.131 ББК Н581.1 А11
Рецензенты:
доктор технических наук, профессор, директор института транспортного строительства Дальневосточного государственного университета путей сообщения
С. А. Кудрявцев;
завкафедрой «Основания и фундаменты» Петербургского государственного университета путей сообщения, доктор технических наук, профессор
В. М. Улицкий;
кандидат технических наук, доцент кафедры «Основания и фундаменты» Петербургского государственного университета путей сообщения
С. Г. Колмогоров
Алексеев С. И.
А11 Механика грунтов: учебное пособие для студентов вузов / С. И. Алексеев. – СПб.: Петербургский государственный университет путей сообщения, 2007. – 111 с.
Учебное пособие – краткий конспект лекций по дисциплине «Механика грунтов» (14 лекций) предназначен для студентов специальностей ПГС, СЖД, ВиВ, как дневной формы обучения, так и вечернезаочной.
Краткий конспект лекций представлен также компьютерным файлом в интернете – в виде отдельных документов Adobe Reader на сайте (http://www.buildcalc.ru ). Эти документы позволяют получить основную информацию для изучения описанного курса лекций.
При работе в компьютерной сети ПГУПС пользователи, получив предварительно «логин» и пароль у преподавателя, могут изучать материалы лекций и проводить самостоятельное тестирование, используя сайт (http://learn.pgups.edu.mps ).
Обращаем ваше внимание: основная и дополнительная информация (практические примеры, фотографии, графики) при чтении лекций в электронном виде излагается на экране в виде презентаций Microsoft Power Point.
Для контроля знаний студентов при изучении основных разделов механики грунтов используется обучающая программа ASCME.
Лекция 1. Введение
Что изучает дисциплина механика грунтов ?
– теоретическая механика;
– строительная механика.
Состав грунта:
поры
(воздух + вода)
Структура грунта – обусловливает выделение его в отдельную группу. Свойства грунтов могут резко изменяться в зависимости от состояния.
Например:
Глина: – в текучем состоянии Р = 0,5 кг/см2 = 0,05 МПа;
– в твердом состоянии Р = 500 кг/см2 = 50 МПа.
Проектирование зданий в проектных институтах обычно осуществляется по типовым проектам, а фундаменты всегда проектируются, исходя из индивидуальных условий –
это обусловливается природным залеганием грунтов.
Литература
1. Далматов Б. И. и др. Механика грунтов. Часть 1. Основы геотехники.
2. Далматов Б. И. и др. Основания и фундаменты. Часть 2. Основы геотех-
ники. 2002 г.
3. Цытович Н. А. Краткий курс механики грунтов. – М., 1979 г., 1983 г.
4. Далматов Б. И. Механика грунтов, основания и фундаменты. – М., 1981 г.
5. СНиП 2.02.01–83* – Основания зданий и сооружений.
6. СНиП 2.02.03–85 – Свайные фундаменты.
Связь рассматриваемого курса с другими дисциплинами
Теория упругости | ||||
Механика | Основания |
|||
Строительная механика | ||||
фундаменты |
||||
Теоретиче- | Прикладная |
|||
Инженерная геология | ская дисци- | |||
дисциплина |
||||
«Гражданское строительство должно гармонично вписываться в окружающую среду не только в эстетическом, но и в физическом плане;
при этом окружающая среда в большей мере определяется геологическими факторами .»
Пизанская башня (построенная более 800 лет назад)
Р ср = 5 кг/см2 = 50 т/м2 = 500 кН/м2 = 0,5 МПа
S 1 = 1,2 м | |
Р 1 = 1 кг/см2 | |
Р = 9 кг/см2 |
|
скважина | |
В 1932 г. под основание башни
произведено нагнетание |
||
351 скважину | ||
1000 т цементного рас- |
||
твора . Приращение наклона за последнее время 3,3 мм в год (1 мм в год). Только в 2002 г. отклонение башни было стабилизировано за счет выемки грунта из основания.
Трансконский элеватор (г. Виннипег, Канада 1913 г.)
После катастрофы незначительно деформируемое сооружение осталось стоять под углом около 63° к горизонту.
Впоследствии элеватор вернули в прежнее положение с помощью домкратов.
Перегрузка основания
известн яки
Погружение Венеции:
1900–1935 гг. – 1 мм в год; 1935–1952 гг. – 4 мм в год;
с 1952 г. – до 6 мм в год; Регулярная откачка воды приводит к понижению поверхности всего города.
Межпластовые
Национальный театр в Мехико – осадка за 11 лет достигла 1,8м.
Вопросам механики грунтов уделяется сейчас все больше и больше внимания !
Краткая историческая справка развития механики грунтов, оснований и фундаментов
Фундаменты – одна из древнейших конструкций первых жилищ человека.
До ХVI века «теории» строительства не существовало – строили, полагаясь на опыт. Размеры фундамента выбирали в зависимости от прочности грунтов оснований. В конце XVIII века появилась первая теория, рассматривающая сопротивление грунта сдвигу.
В 1773 г. француз Ш. Кулон – разработал способ расчета давления сползающего грунта на подпорную стенку (строительство фортификационных сооружений на юге Франции).
На базе этих и последующих исследований в 30 гг. ХХ века была создана наука механика грунтов. Одновременно стала развиваться и вторая часть (прикладная) –основания и фундаменты . К становлению российской школы фундаментостроения относятся труды:
Герсеванова Н. М. – (его именем назван институт НИИОСП);
Пузыревского Н. П. – (труды ПГУПС);
Маслова Н. Н. – развитие инженерной геологии; механика грунтов в приложении к строительству гидротехнических сооружений;
Сумгина М. И. – инженерное мерзлотоведение;Цытовича Н. А. (Герой социалистического труда, член-корреспон-
дент АН СССР) – развитие механики грунтов, оснований и фундаментов на вечной мерзлоте;
Далматова Б. И. – строительство фундаментов на больших толщах слабых грунтов;
В 30 гг. XX века в СССР был организован единственный тогда в мире институтНИИОСП , который затем получил имя его создателяГерсе-
ванова Н. М.
Связь инженерной геологии с механикой грунтов, основаниями и фундаментами
СССР, 1920 год
Электростанция на р. Свирь – на консультации приглашали шведов. Один из корифеев механики грунтов – чех Терцаги.
«Это сооружение, как роза – красиво, но прежде чем сорвешь, наколешь руки» . Плотина строилась на слабых грунтах и по всем подсчетам должна быладать крен. Инженеры установили турбину наклонно в другую сторону, с тем условием, чтобы затем она пришла в проектное положение (с этим справились отечественные инженеры).
1. Основные понятия (терминология)
Подземная часть сооружения, предназначенная для передачи нагрузки от сооружения грунту, называется ФУНДАМЕНТОМ.
Область грунта, воспринимающая давление от сооружения, называется ОСНОВАНИЕМ.
Слой грунта под подошвой называется НЕСУЩИЙ слой грунта; остальные слои – ПОДСТИЛАЮЩИЕ.
ГРУНТ – это рыхлые горные породы верхних слоев литосферы.
Подошва фундамента
Механика грунтов изучает , преимущественно, рыхлые породы, состоящие из отдельных минеральных частиц, связанных тем или иным способом друг с другом.
– делювиальные (перемещенные атмосферными водами и силами тяжести, напластования неоднородны);
– аллювиальные (перенесенные водными потоками на значительные расстояния – окатанные частицы);
– ледниковые (образовавшиеся в результате действия ледников, неоднородные грунты);
– эоловые (продукты выветривания, пески дюн, барханов, характер-
но наличие пылеватых и илистых фракций).
Морские отложения: илы, заторфованные грунты, пески, галечники – низкая несущая способность.
3. Состав грунтов
Грунт это трехфазная система.
Грунт = твердые частицы + вода + газ
От соотношения этих фаз и зависят характеристики грунтов.
4. Свойства твердых частиц
Свойства твердых (минеральных) частиц зависят от размеров.
Классификация твердых частиц
Наименование | Поперечный | Примечания | ||||
размер (мм) | ||||||
Галечные (щебень) | Классификация | |||||
Гравелистые | по шкале Саба- | |||||
Песчаные | нина (по скоро- | |||||
Пылеватые | сти падения | |||||
Глинистые | частиц в воде) | |||||
Глинистые частицы по химическому анализу существенно отличаются от остальных (их форма чешуйчатая и игольчатая).
Удельная поверхность
В 1 г. грунта (глина – монтмориланит) = 800 м2;
В 1 г. грунта (песок) = 0,8 м 2 .
Если грунт состоит из одной категории, то он легко получает название, но в природе это встречается редко .
Фактически грунт состоит из различных частиц. Как его назвать?
Классификация грунтов (простейшая)
Наименование | Содержит частиц | Число пластичности | |||||
Суглинок | |||||||
Не пластич. | |||||||
| t ° –70°; | |||||||
Свободные газы | Растворенные в воде |
– связанные с атмосферой;
– защемленные газы (глинистые грунты).
Следует различать структуру грунта , т. е. взаимное расположение частиц грунта и характер связи между ними, итекстуру грунта , т. е. сложение грунта в массиве.
