книги / Сопротивление грунтов (некоторые лекции по курсу Механика грунтов )
..pdfМинистерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
В.В. Лушников, А.Б. Пономарев
СОПРОТИВЛЕНИЕ ГРУНТОВ (некоторые лекции по курсу «Механика грунтов»)
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2021
УДК 624.15 Л87
Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор В.П. Дыба (Южно-Российский государственный технический университет);
д-р техн. наук, профессор кафедры строительного производства и геотехники В.Г. Офрихтер (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)
Лушников, В.В.
Л87 Сопротивление грунтов (некоторые лекции по курсу «Механика грунтов») : учеб. пособие / В.В. Лушников, А.Б. Пономарев. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2021. – 356 с.
ISBN 978-5-398-02547-7
Изложены основные сведения о физической природе и механических свойствах грунтов. Рассмотрены закономерности механики грунтов, важнейшие схемы определения напряжений в грунтовом массиве от различных комбинаций нагрузок. Приведены задачи теории предельного напряженного состояния и даны основные методы расчета деформаций и осадок оснований фундаментов, в том числе с учетом реологии грунта и фильтрационной консолидации.
Предназначено для студентов и аспирантов, обучающихся по направлению «Строительство» очной и заочной формы обучения.
УДК 624.15
ISBN 978-5-398-02547-7 |
©ПНИПУ,2021 |
|
СОДЕРЖАНИЕ |
|
ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................... |
8 |
|
Лекция первая. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ГРУНТАХ |
|
|
И ФУНДАМЕНТАХ................................................................................................... |
16 |
|
Введение................................................................................................................. |
16 |
|
1 Что такое фундамент.......................................................................................... |
20 |
|
1.1 |
Столбчатый фундамент.............................................................................. |
21 |
1.2 |
Плитные фундаменты................................................................................. |
22 |
1.3 |
Свайные фундаменты ................................................................................. |
23 |
1.4 |
Теплоизолированный фундамент.............................................................. |
23 |
1.5 |
Корневая система дерева – идеальный фундамент.................................. |
24 |
2 Происхождение грунтов.................................................................................... |
29 |
|
2.1 |
Элювиальные грунты.................................................................................. |
30 |
2.2 |
Делювиальные грунты................................................................................ |
32 |
2.3 |
Аллювиальные грунты................................................................................ |
33 |
2.4 |
Другие разновидности грунтов.................................................................. |
34 |
3 Классификация грунтов..................................................................................... |
36 |
|
3.1 |
Скальные грунты......................................................................................... |
37 |
3.2 |
Нескальные грунты..................................................................................... |
38 |
4 Особенности грунтов в сравнении с другими материалами .......................... |
41 |
|
4.1 |
Несущая способность, или прочность грунтов........................................ |
42 |
4.2 |
Сжимаемость грунтов................................................................................. |
42 |
4.3 |
Содержание органики................................................................................. |
43 |
4.4 |
Промерзание грунтов.................................................................................. |
43 |
Список литературы ............................................................................................... |
45 |
|
Приложение А. Геохронологическая шкала....................................................... |
46 |
|
Приложение Б. Характеристика и генетические индексы наиболее |
|
|
распространенных грунтов................................................................................... |
49 |
|
Приложение В. Семь великих катастроф в истории Земли............................... |
50 |
|
Приложение Г. История Земли в виде одного земного года............................. |
52 |
|
Приложение Д. Шкалы интенсивности землетрясений..................................... |
54 |
|
Лекция вторая. НАПРЯЖЕНИЯ И ДЕФОРМАЦИИ В ГРУНТАХ............. |
55 |
|
Введение................................................................................................................. |
55 |
|
1 Что такое напряжение........................................................................................ |
56 |
|
2 Что такое деформация........................................................................................ |
61 |
|
3 Как напряжения связаны с деформациями...................................................... |
63 |
|
3
4 |
Распределение напряжений в массиве грунта................................................. |
67 |
|
|
4.1 |
Общие представления о распределении напряжений в грунтах............ |
67 |
|
4.2 |
Как решается задача о распределении напряжений методами |
|
|
теории упругости............................................................................................... |
70 |
|
|
4.3 |
Результаты решения задач Буссинеска и Фламана.................................. |
76 |
|
4.4 |
Метод угловых точек.................................................................................. |
80 |
|
4.5 |
Графическое представление распределения напряжений....................... |
83 |
5 |
Распределение напряжений по подошве фундаментов .................................. |
85 |
|
|
5.1 |
Формирование напряжений под жестким штампом................................ |
85 |
|
5.2 |
Практический метод определения напряжений....................................... |
87 |
6 |
Напряжения от собственного веса грунта........................................................ |
88 |
|
|
6.1 |
Слоистое основание.................................................................................... |
89 |
|
6.2 |
Напряжения и осадки в результате водопонижения................................ |
90 |
Список литературы ............................................................................................... |
92 |
||
Приложение А. Расчеты гибких фундаментов................................................... |
94 |
||
Лекция третья. ПРОЧНОСТЬ ГРУНТОВ........................................................ |
104 |
||
1 |
Что такое прочность......................................................................................... |
104 |
|
2 |
Теории прочности............................................................................................. |
105 |
|
3 |
Сопротивление грунтов сдвигу....................................................................... |
107 |
|
|
3.1 |
Испытания на срез..................................................................................... |
107 |
|
3.2 |
Трехосные испытания............................................................................... |
108 |
|
3.3 |
Формы записи условия прочности .......................................................... |
111 |
|
3.4 |
Обсуждение результатов испытаний на сдвиг....................................... |
112 |
Список литературы ............................................................................................. |
115 |
||
Приложение А. Другие теории прочности........................................................ |
117 |
||
Приложение Б. Дискуссии о прочности............................................................ |
122 |
||
Приложение В. Нелинейные модели грунта..................................................... |
124 |
||
Лекция четвертая. ЗАДАЧИ О НАГРУЖЕНИИ ФУНДАМЕНТОВ: |
|
||
КРИТИЧЕСКОЕ И ПРЕДЕЛЬНОЕ ДАВЛЕНИЯ, РАСЧЕТНОЕ |
|
||
СОПРОТИВЛЕНИЕ ГРУНТА.............................................................................. |
144 |
||
Введение............................................................................................................... |
144 |
||
1 |
Критическое давление...................................................................................... |
145 |
|
2 |
Предельное давление ....................................................................................... |
148 |
|
3 |
Расчетное сопротивление ................................................................................ |
150 |
|
4 Место расчетного сопротивления R между значениями ркр и рпр........... |
154 |
||
Список литературы ............................................................................................. |
156 |
||
Приложение А. Формирование начальных напряжений в грунтах................ |
157 |
||
4
Лекция пятая. РАСЧЕТ ОСАДОК ФУНДАМЕНТОВ.................................. |
168 |
||
Введение............................................................................................................... |
168 |
||
1 |
Решения теории упругости.............................................................................. |
168 |
|
2 |
Практические методы расчетов осадок.......................................................... |
170 |
|
|
2.1 |
Метод послойного суммирования........................................................... |
170 |
|
2.2 |
Метод линейно-деформируемого слоя.................................................... |
173 |
|
2.3 |
Модифицированный метод послойного суммирования........................ |
174 |
3 |
Характеристики сжимаемости грунтов для расчетов................................... |
175 |
|
|
3.1 |
Указания общестроительного норматива СП 22.................................... |
175 |
|
3.2 |
Указания гидротехнического норматива СП 23..................................... |
176 |
4 |
Допущения в методе послойного суммирования.......................................... |
177 |
|
5 Исходные данные для оценки влияния различных факторов............... |
178 |
||
6 |
Анализ результатов расчетов.......................................................................... |
179 |
|
|
6.1 |
Влияние условий на границе Нс и осадочного давления p.................... |
179 |
|
6.2 Влияние котлована и коэффициента разномодульности ........................ |
181 |
|
|
6.3 |
Влияние размеров котлована ................................................................... |
181 |
|
6.4 |
Влияние положения расчетной точки..................................................... |
182 |
|
6.5 |
О расчетах по методу ЛДС....................................................................... |
182 |
|
6.6 |
Влияние соотношения размеров сторон фундамента............................ |
183 |
|
6.7 О результатах расчетов по гидротехническому нормативу...................... |
184 |
|
|
6.8 |
О принципе суперпозиции в механике грунтов..................................... |
185 |
|
6.9 |
О взаимном влиянии фундаментов.......................................................... |
186 |
7 |
Определение крена фундаментов ................................................................... |
188 |
|
8 |
Расчеты осадок в нелинейной стадии работы грунта. |
|
|
Способы определения нелинейных деформаций............................................. |
190 |
||
9 |
Примеры анализа нелинейных осадок ........................................................... |
193 |
|
Список литературы ............................................................................................. |
197 |
||
Приложение А. Основные допущения, принятые в расчетах осадок |
|
||
методом послойного суммирования.................................................................. |
199 |
||
Приложение Б. Об учете влиянии коэффициента переуплотнения OCR |
|
||
на результаты расчетов осадок........................................................................... |
201 |
||
Лекция шестая. ДАВЛЕНИЕ ГРУНТОВ НА ОГРАЖДЕНИЯ..................... |
208 |
|
1 |
Начала решения проблемы.............................................................................. |
208 |
2 |
Как формируется давление на ограждение?.................................................. |
209 |
3 Гипотезы относительно начальных напряжений в грунтах............................. |
211 |
|
4 |
Определения...................................................................................................... |
212 |
5 |
Активное давление........................................................................................... |
213 |
|
5.1 Активное давление для однослойного основания.................................. |
213 |
|
5.2 Активное давление для двухслойного основания.................................. |
215 |
6 |
Пассивное давление ......................................................................................... |
217 |
7 |
Конструкции подпорных стенок..................................................................... |
219 |
Список литературы ............................................................................................. |
221 |
|
5
Лекция седьмая. УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ............................................. |
222 |
|
1 |
Краткая характеристика проблемы................................................................. |
222 |
2 |
Формирование откосов в сыпучих и связных грунтах ................................. |
222 |
3 |
Требования нормативов................................................................................... |
224 |
4 |
Расчеты устойчивости откосов ....................................................................... |
225 |
|
4.1 Аналитические методы............................................................................. |
226 |
|
4.2 Графоаналитические методы................................................................... |
228 |
5 |
Два примера образования катастрофических оползней ............................... |
239 |
6 |
Способы борьбы с оползнями......................................................................... |
241 |
Список литературы ............................................................................................. |
242 |
|
Лекция восьмая. ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ............. |
244 |
||
1 |
Представления о влиянии воды ...................................................................... |
244 |
|
2 |
Понятие об электроосмотической фильтрации............................................. |
247 |
|
3 |
Статическое давление воды............................................................................. |
248 |
|
4 |
Гидродинамическое давление......................................................................... |
250 |
|
5 |
Протекание деформаций во времени.............................................................. |
252 |
|
6 |
Первичная консолидация................................................................................. |
256 |
|
|
6.1 |
Первый способ........................................................................................... |
256 |
|
6.2 |
Второй способ............................................................................................ |
257 |
|
6.3 |
Примеры расчетов первичной консолидации......................................... |
258 |
|
6.4 |
Анализ результатов расчетов по первому способу................................ |
263 |
|
6.5 |
Анализ результатов расчетов по второму способу................................ |
264 |
|
6.6 |
Анализ деформаций основания гостиницы «Россия» |
|
|
в Санкт-Петербурге......................................................................................... |
266 |
|
7 |
Способы водопонижения при устройстве котлованов ................................. |
271 |
|
8 |
Способы защиты строений от обводнения .................................................... |
274 |
|
9 |
Последствия водопонижения.......................................................................... |
275 |
|
Список литературы ............................................................................................. |
277 |
||
Приложение А. Способ определения коэффициента |
|
||
первичной консолидации сv................................................................................ |
279 |
||
Приложение Б. Вторичная консолидация......................................................... |
281 |
||
Лекция девятая. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ |
|
||
ХАРАКТЕРИСТИК ГРУНТОВ............................................................................ |
282 |
||
Введение............................................................................................................... |
282 |
||
1 |
Сжимаемость грунтов...................................................................................... |
283 |
|
|
1.1 |
Полевые испытания на сжимаемость...................................................... |
283 |
|
1.2 |
Лабораторные испытания на сжимаемость ............................................ |
290 |
2 |
Прочность грунтов........................................................................................... |
291 |
|
|
2.1 |
Полевые испытания на прочность........................................................... |
291 |
|
2.2 |
Лабораторные испытания прочности...................................................... |
293 |
6
|
2.3 |
Дополнительные оценки........................................................................... |
294 |
3 |
Метод прессиометрии...................................................................................... |
295 |
|
|
3.1 |
Режимы испытаний................................................................................... |
298 |
|
3.2 |
Переходные коэффициенты..................................................................... |
300 |
|
3.3 |
Предложения по дальнейшему развитию метода.................................. |
303 |
|
3.4 |
Конструкции приборов............................................................................. |
304 |
|
3.5 |
Программа определения деформационных и прочностных |
|
|
характеристик.................................................................................................. |
308 |
|
|
3.6 |
Метод поступательного среза.................................................................. |
309 |
4 |
Зондирование.................................................................................................... |
311 |
|
|
4.1 |
Статическое зондирование....................................................................... |
311 |
|
4.2 |
Динамическое зондирование.................................................................... |
313 |
|
4.3 |
Дилатометрия как новый метод зондирования...................................... |
315 |
5 |
Табличный метод.............................................................................................. |
317 |
|
6 |
Визуальный метод............................................................................................ |
319 |
|
Заключение .......................................................................................................... |
322 |
||
Список литературы ............................................................................................. |
322 |
||
Приложение А. Характеристики физических свойств грунтов |
|
||
(ГОСТ 12248–2010)............................................................................................. |
325 |
||
Приложение Б. Характеристики механических свойств грунтов................... |
326 |
||
Лекция десятая. ПРОБЛЕМЫ ФУНДАМЕНТОСТРОЕНИЯ..................... |
327 |
||
1 |
Становление науки о фундаментостроении................................................... |
327 |
|
2 |
Современное состояние механики грунтов................................................... |
329 |
|
3 Основания и фундаменты, геотехника и инженерная геология .............. |
331 |
||
4 |
Пути дальнейшего развития фундаментостроения....................................... |
334 |
|
5 |
Адаптивное управление в строительстве....................................................... |
337 |
|
6 |
Способы реализации «отложенного решения» в ходе строительства |
|
|
и эксплуатации зданий и сооружений............................................................... |
349 |
||
Список литературы ............................................................................................. |
355 |
||
7
ВВЕДЕНИЕ
Наука должна быть веселая, увлекательная и простая. Таковыми же должны быть и ученые.
Академик П.Л. Капица
Аще где в книге сей грубостию моей пропись или небрежением писано, молю вас: не зазрите моему окаянству, не клените, но поправьте, писал бо не ангел Божий, но человек грешен и зело исполнен неведения.
Древние летописцы перед началом Писаний
Уважаемые читатели! Перед вами эмблемы трех последовательно научно подчиненных организаций. Первая – это Международное общество по механике грунтов и геотехнике (ISSMGE), вторая – его территориальный (национальный) орган – Российское общество по механике грунтов, геотехнике и фундаментостроению (РОМГГиФ) и, наконец, третья – Свердловское отделение РОМГГиФ.
Как видно по дизайну эмблем, деятельность этих организаций связана с Землей, с инженерным освоением ее поверхности – в основном со строительством на ней зданий и сооружений, устройством фундаментов в самых разнообразных природно-климатических условиях.
Несмотря на то, что читатель вряд ли догадывался о существовании таких организаций, тем не менее почти каждому, кто сталкивался со строительством, известно, что устройство фундаментов представляет собой серьезную проблему.
Авторы с некоторой претензией назвали книгу «Сопротивление грунтов» (похоже на науку «Сопротивление материалов», знаменитый
Сопромат). Ведь грунты иногда так же, как другие материалы, часто иначе, но тоже сопротивляются нагрузкам и другим воздействиям. Фак-
8
тически «Сопротивление грунтов» – то же, что и «Механика грунтов», но названное по-другому, более похожее на Сопромат. Тем более, что термин «Механика» используется там, где надо и не надо. Например, существуют «Механика газа», «Механика жидкости», а фактически здесь не механика, а физика…
Вкачестве вступления целесообразно показать место, которое занимает наука об основаниях и фундаментах и составной ее части – механике грунтов – в ряду других технических дисциплин строительного профиля, формирующих мировоззрение инженера-строителя.
О роли инженера в обществе очень хорошо написал крупный ученый – доктор технических наук, академик Российской академии архитектуры и строительных наук Николай Николаевич Никонов в своей книге «Введение в специальность (непрочитанные лекции по курсу МГСУ)» (М.: Изд-во АСВ, 2003), которую рекомендуется прочитать каждому специалисту – инженеру-строителю и архитектору. Автор этой книги составил выборку определений слова «инженер», начиная с фра-
зы-вопроса «Инженер – это кто? Творец или ремесленник?». Далее идет несколько цитат из этой книги.
«В старину на Руси это было забытое уже слово розмысл (от слова “размыслить” – творить в области машинного производства, освоения новых видов энергии, развития пароходства и железных дорог…»).
Ванглийском языке слово “инженер” происходит от слова “engine” – машина, орудие, инструмент – и глагола от него – сооружать, проектировать. Производное от слова – “engineering” и латинского
“ingenium” – инженерное искусство, изобретательность, выдумка,
знание. Но у английского “engineering” еще есть одно значение – махинация, но зато у латинского “machinato” – хитрость, уловка. Даже слово “махинация” не надо воспринимать как обидное для инженера – лучше его воспринимать именно как хитрость, уловка, изобретательность».
Вцелом же, по Н.Н Никонову, инженер – это:
«1) обладатель хитроумного мозга и обширных знаний, дающих возможность с выдумкой, изобретательно, создавать новое и использовать его на практике, содействуя научно-техническому прогрессу;
2)двигатель научно-технического прогресса;
3)изобретательный, башковитый специалист, желательно с высшим техническим образованием».
Далее по Н.Н. Никонову: «Инженер – сугубо техническая специальность. Человек может не читать художественных книг, не слушать музыку, не ходить в театры и быть сносным инженером. Но пороха такой технарь не выдумает. Быть всесторонне образованным – вот залог развития творческой личности. Философ и историк техники П.К. Энгельмейер (1855–1939) пишет: “Сколько не начиняй его, инженера, специ-
9
альными знаниями – это будет ученый ремесленник, пока не дадите ему широкого гуманитарного взгляда на социально-экономические стороны профессии. Настоящий инженер не имеет права быть лишь узким специалистом: его глаз должен быть открыт для общего блага, его сердце – для судьбы людей”».
Н.Н. Никонов дает такое определение такому интересному понятию, как «Т-специалист»: «Это человек с широким гуманитарным кругозором, который графически представляется в виде горизонтальной планки в букве Т, по которой легко может перемещать вертикальную планку специальных знаний в нужную точку. Такие люди способны решать разнообразные задачи, лежащие, подчас, далеко от основной профессии. Они в мозговой деятельности очень подвижны, это дает им возможность находить удивительно остроумные решения в повседневной инженерной практике. Фундаментальную планку Т-специалиста, кроме гуманитарных знаний, составляет математика, без которой невозможно никакое техническое действо, и физика, объясняющая окружающий мир. Следовательно, владение аппаратом этих дисциплин, приложение их к строительным наукам – предмет постоянного любопытства инженера».
Заслуживают внимания и слова выдающегося русского инженера и ученого Ф.С. Ясинского (1856–1899) – специалиста в области строительной механики и теории упругости, строительства мостов и железных дорог: «Современный инженер есть ученый техник, а не техникремесленник. Чтобы достойным образом удовлетворить этому высокому призванию, он обязан не только в совершенстве владеть чисто практи-
ческими приблизительными приемами расчетов, излагаемыми в эле-
ментарных курсах строительной механики, но должен также ознакомиться с точными методами истинной науки…».
Еще одно важное замечание Н.Г. Гарина-Михайловского (1852–1906), превосходного писателя (автора тетралогии «Детство Тёмы», «Гимназисты», «Студенты», «Инженеры») и блистательного инженера – одного из строителей Транссиба (его именем названа одна из станций Новосибирского метрополитена): «В нашем инженерном деле умножение (т.е. расчет) без проверки – преступление. Все так тесно связано в этом деле, одно с другим, что одна ошибка где-нибудь влечет за собой накоп-
ление ошибок, часто непоправимых».
Итак, возвращаясь к основаниям и фундаментам и механике грунтов, нужно отметить следующее. Эти дисциплины, находящиеся на стыке наук о земле и о строительстве, безусловно, заимствуют достижения этих наук, но претворяют в жизнь решения и действия, используя язык математики, строительной механики и сопротивления материалов, рассматривая грунт именно как строительный материал и важнейший эле-
10