книги / Механика грунтов
..pdfПроф. н. Л. цытович
член-корр. Академии наук СССР, заслуженный деятель науки и техники
ИЗДАНИЕ ЧЕТВЕРТОЕ, ВНОВЬ ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ
Допущено
Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебного пособия для студентов гидротехнических
и строительных специальностей высших учебных заведений
Г О С У Д А Р С Т В Е Н Н О Е И З Д А Т Е Л Ь С Т В О Л И Т Е Р А Т У Р Ы ПО С Т Р О И Т Е Л Ь С Т В У , . А Р Х И Т Е К Т У Р Е
И С Т Р О И Т Е Л Ь Н Ы М М А Т Е Р И А Л А М
Москва — 1963
В настоящем, четвертом, издании книга вновь пере
работана и дополнена данными новейших эксперимен
тальных |
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.
|
|
|
|
Стр. |
П р е днелови е ...................................................................................... |
|
11 |
в |
|
Введение............................................................................................ |
|
|
||
Глава |
I. Природа грунтов................................................................ |
|
|
27 |
§ 1 . Процесс образования грунтов............................................................ |
|
— |
||
Физическое и химическое выветривание............................................. |
— |
|||
Виды |
грунтовых отложений............................................................. |
|
28 |
|
Значение физико-географической среды............................................. |
30 |
|||
§ 2. Составные элементы грунтов............................................................. |
|
32 |
||
Некоторые замечания........................................................................ |
|
|
— |
|
Твердые минеральные частицы............................................................ |
|
33 |
||
Вода в грунтах, ее виды и свойства.................................................. |
33 |
|||
Газообразная фаза в грунтах............................................................ |
|
42 |
||
§ 3. Взаимодействия в дисперсной части грунтов...................................... |
44 |
|||
Электромолекулярные силы |
в грунтах............................................ |
— |
||
Гидратные оболочки частиц |
(лиосфера)............................................ |
45 |
||
Значение ионного обмена в грунтах.................................................. |
4» |
|||
Влияние электролитов....................................................................... |
|
|
50 |
|
§ 4. Формирование структуры природных грунтов...................... |
51 |
|||
Основные понятия............................................................................. |
|
|
— |
|
Виды структуры и текстуры грунтов...................................... |
52 |
|||
Структурные связи в грунтах............................................................ |
|
56 |
||
§ 5. Физические свойства и классификационные показатели грунтов . |
58 |
|||
Некоторые общие определения............................................. |
62 |
|||
Коэффициент пористости....................................................... |
|
|
||
Коэффициент водонасыщенности............................................ |
63 |
|||
Классификационные показатели |
грунтов................................. |
68 |
||
Упрощенная гранулометрическая |
классификация грунтов |
70 |
||
Плотность сыпучих грунтов.................................................. |
|
|||
Консистенция связных глинистых грунтов................................ |
73 |
|||
§ 6. Особенности физических свойств структурно-неустойчивых грунто* |
76 |
|||
Об |
устойчивости структуры грунтов..................................... |
“ |
||
Свойства илистых грунтов...................................................... |
|
|
79 |
|
Лессовые просадочные грунты................................................ |
грунтов |
90 |
||
Физические свойства мерзлых |
||||
Глава II. Основные закономерности механики грунтов |
|
Стр. |
|
|
105 |
|
|
§ 1. Понятие о законах пористости................................................. |
|
— |
|
Общие замечания........................................................................ |
|
— |
|
Законы пористости...................................................................... |
|
106 |
|
§ 2 . Сжимаемость грунтов. Закон уплотнения...................................... |
|
1 1 0 |
|
’ Физические представления............................................................ |
|
— |
ИЗ |
Зависимость между влажностью и давлением в грунтовой |
массе . |
||
Зависимость между давлением и коэффициентом пористости . . |
118 |
||
Компрессионные кривые и их анализ............................................ |
|
122 |
|
Закон уплотнения....................................................................... |
|
133 |
135 |
Коэффициент бокового давления............................................ |
|
..... |
|
Общий случай компрессионной зависимости. Гидроемкость грунто |
137 |
||
вой массы ....................................................................... |
|
• . |
|
Определение капиллярного давления............................................ |
- |
139 |
144 |
Понятие «давление связности»....................................... |
- |
||
§ 3. Водопроницаемость грунтов. Закон фильтрации........................... |
|
145 |
|
Условие водопроницаемости грунтов............................................ |
|
— |
|
Закон фильтрации....................................................................... |
|
146 |
|
О начальном градиенте в глинистых грунтах......................... |
,. |
149 |
|
Влияние водопроницаемости на скоростьсжатия . |
. |
152 |
|
Эффективные и нейтральные давления в водонасыщенных грунтах |
156 |
||
§ 4. Трение в грунтах. Предельное сопротивление сдвигу. Закон Кулона |
158 |
||
Значение |
вопроса .................................................. |
. . . . |
— |
Понятие о трении и скольжении в грунтах....................................... |
|
160 |
|
Испытание грунтов на сдвиг при прямом срезе................................. |
|
162 |
|
Предельное сопротивление сдвигу сыпучих и связных грунтов. За |
168 |
||
кон Кулона................................................................................... |
|
||
Различные случаи диаграмм предельных напряжений при сдвиге . |
1 7 4 |
||
Испытание грунтов на сдвиг при простом и трехосном сжатии . . |
1 7 7 |
||
Октаэдрическая теория прочности...................................................... |
|
1 8 5 |
|
Иные методы определения сопротивления связных грунтов сдвигу |
1 8 7 |
||
О выборе расчетных характеристик сопротивления |
грунтов сдвигу |
1 9 3 |
|
§ 5. Деформируемость грунтов как дискретных тел. Принцип линейной |
1 9 9 |
||
деформируемости.............................................................................. |
|
||
Некоторые замечания......................................................................... |
|
— |
|
Общий случай зависимости между деформациями и напряжениями |
200 |
||
Принцип |
линейной деформируемости грунтов............................ |
|
203 |
Глава III. Определение напряжений вгрунтах........................................ |
|
206 |
|
§ |
1. Основные положения.................................................... |
|
— |
§ 2. Распределение напряжений в случае пространственной задачи . . |
208 |
||
Основная задача — действие сосредоточенной силы............................. |
— |
||
Действие равномерно распределенной нагрузки................................. |
|
221 |
|
Определение сжимающих напряжений по методу угловых точек . |
2 2 2 |
||
Способ элементарного суммирования................................................ |
|
236 |
|
§ 3. Распределение напряжений в случае плоской задачи . . . . |
238 |
||
Общий случай.................................................................................... |
|
— |
|
Равномерно распределенная нагрузка................................................ |
|
242 |
|
Другие виды нагрузок................................................ |
|
247 |
|
§ 4. |
Контактная задача теории |
линейно-деформируемого полупростран |
253 |
|||||||||||||
|
|
ства . |
........................................................................................................ |
|
||||||||||||
|
|
Распределение |
контактных |
давлений |
под |
жестким фундаментом |
|
|||||||||
|
|
|
в |
случае пространственной |
за д а ч и ............................................................ |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
Распределение контактных давлений под жесткими ленточными |
260 |
|||||||||||||
|
|
|
фундаментами |
(плоская |
з а д а ч а ) ............................................................ |
|
|
|
|
|||||||
|
|
Распределение контактных давлений по подошве сооружений ко |
263 |
|||||||||||||
|
|
|
нечной жесткости................................................................................................ |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
§ |
5. |
Влияние |
неоднородности |
и |
анизотропии |
на |
распределение |
на |
272 |
|||||||
|
|
пряжений в грунтах ........................................................................................ |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
Некоторые общие |
зам ечания........................................................................... |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
Распределение напряжений в слое грунта ограниченной толщины на |
273 |
|||||||||||||
|
|
|
несжимаемом |
основании.................................................................................. |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
Определение реактивных давлений по подошве круглых и ленточ |
278 |
|||||||||||||
|
|
|
ных фундаментов на слое грунта ограниченной толщины- . |
|
||||||||||||
|
|
Распределение давлений в двухслойном основании . |
|
385 |
||||||||||||
|
|
Влияние анизотропии грунтов на распределение в них напряжений |
287 |
|||||||||||||
|
|
Распределение напряжений от собственного |
веса грунта . . . . |
295 |
||||||||||||
§ 6. Экспериментальные данные о распределении напряжений в грунтах |
297 |
|||||||||||||||
|
|
|
Вопросы |
1методики исследований................................................................... |
|
|
|
|
|
298 |
||||||
|
|
|
Приложения |
оптического |
м е т о д а ............................................. |
|
|
|
....... |
|
303 |
|||||
|
|
|
Результаты непосредственного определения распределения давлений |
306 |
||||||||||||
|
|
|
в грунтах |
................................................................................................................ |
|
|
|
|
|
|
|
давлений . |
|
|||
|
|
|
Опытные данные о распределении контактных |
|
309 |
|||||||||||
|
|
|
Некоторые выводы ................................................................................................. |
|
|
|
|
|
|
|
316 |
|||||
Г л а в а |
IV. |
Вопросы |
прочности, |
устойчивости |
и давления грунтов на |
317 |
||||||||||
|
|
ограж дения |
......................................................................................................... |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
§ |
1. Некоторые общие зав и си м ости ................................ |
|
|
|
..................................... |
|
|
|||||||||
|
|
|
Вводные замечания................................................................................................ |
|
|
|
|
|
|
|
318 |
|||||
|
|
|
Фазы напряженного состояния г р у н т о в .................................................... |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
Угол наибольшего отклонения и его значение............................................. |
|
|
327 |
||||||||||
|
|
|
Условие предельного равновесия для сыпучих и связных грунтов . |
330 |
||||||||||||
|
|
|
Дифференциальные уравнения предельного равновесия грунтов в |
333 |
||||||||||||
|
|
|
общем случае напряженного состояния.................................................... |
|
|
|
||||||||||
§ 2. |
Условия прочности и несущая способность грунтов . |
|
338 |
|||||||||||||
|
|
|
Начальная |
критическая нагрузка |
на |
грунт . . . . |
. |
339 |
||||||||
|
|
|
Предельная |
нагрузка для |
сыпучих |
и |
связных |
грунтов . . . . |
|
343 |
||||||
§ |
3. |
Об устойчивости массивов грунта............................................ |
|
|
|
....... \ |
|
359 |
||||||||
|
|
|
Общая характеристика условий устойчивости............................................ |
|
|
365 |
||||||||||
|
|
|
Элементарные |
за д а ч и .......................................................................................... |
предельного |
равновесия грунтов .• |
|
|||||||||
|
|
|
Строгие |
решения |
теории |
|
370 |
|||||||||
-Приближенные графические методы определения устойчивости мас
сивов грунтов ................................................................................................ |
. |
375 |
О мерах борьбы с оползнями..................................... ....... |
. |
386 |
§ 4. Теория давления грунтов на ограждения............................. |
|
388 |
Основные понятия............................................................. |
. . . . |
|
Определение давления грунтов на подпорные стенки при допущении |
395 |
|
плоских поверхностей скольжения . . .. . |
_ ., . |
|
Определение давления грунтов на подпорные, стенки по стро'щад0ме* |
|
|
тодам теории предельного равновесия . . . ... |
|
|
Графические методы определения |
давления |
грунтов на подпорные |
413 |
||||||
с т ен к и ................................................................................................................................ |
|
|
|
|
о гр а ж д ен и й |
|
|||
Давление грунтов на другие виды |
|
422 |
|||||||
Давление грунтов в горных выработках............................................. |
|
|
427 |
||||||
§ 5. Сравнение теоретических данных с результатами непосредственных |
|
||||||||
и зм ерен и й ................................................................................................................ |
|
|
|
|
|
|
435 |
||
Г л а в а V. Деформации грунтов .................................................................................. |
|
|
|
449 |
|||||
Значение |
вопроса |
................................................................................................... |
|
|
|
|
— |
||
§ 1. Виды деформаций |
грунтов |
и причины, их обусловливающие . . |
452 |
||||||
Виды деформаций грунтов........................................................................................... |
|
|
|
|
— |
||||
Влияние способа загружения и граничныхусловий ....................................... |
|
454 |
|||||||
§ 2. Упругие деформации грунтов................................................................................. |
|
|
|
460 |
|||||
Общая характеристика расчетных методов определения упругих |
|
||||||||
деформаций |
г р у н т о в ...................................................................................... |
|
|
|
|
— |
|||
Метод |
общих |
упругих деф орм аций................................................................... |
|
|
463 |
||||
Метод |
местных |
упругих деформаций.................................................................. |
|
|
471 |
||||
Методы, |
учитывающие общие и местные деформации . . . . |
473 |
|||||||
Модули |
деформируемости |
гр у н то в .................................................................... |
|
. |
476 |
||||
О распределении и затухании упругих колебанийв грунтах . |
483 |
||||||||
Изменение свойств |
грунтов |
при вибрациях................................................... |
|
492 |
|||||
§ 3. Одномерная задача теории уплотнения грунтов............................................ |
|
498 |
|||||||
Физические предпосылки и принятые д о п у щ е н и я ....................................... |
|
— |
|||||||
Основная задача — осадка |
слоя грунта при сплошной нагрузке . |
50 Э |
|||||||
Дифференциальное |
уравнение фильтрационной теории уплотнения |
503 |
|||||||
г р у н т о в ...................................................................................................................... |
|
|
|
|
|
|
|||
Различные случаи |
уплотняющих д а в л е н и й |
.................................................... |
|
513 |
|||||
Деформации грунтов при набухании.................................................................. |
|
|
518 |
||||||
Уплотнение и набухание грунтов при переменнойнагрузке . |
. . |
523 |
|||||||
Влияние вторичной консолидации на процесс протекания осадок во |
527 |
||||||||
донасыщенных гр ун тов ......................................................................................... |
|
|
|
|
|||||
§ 4. Плоская и пространственная задачи фильтрационной теории уплот |
|
||||||||
нения |
грунтов ................................................................................................................ |
|
|
|
|
|
532 |
||
Дифференциальные уравнения плоской и пространственной задач |
|
||||||||
теории |
уплотнения грунтов |
............................................................................ |
|
|
—. |
||||
Начальные и граничные условия |
.......................................................................... |
|
|
533 |
|||||
Некоторые решения плоской и пространственной задач теории уп |
|
||||||||
лотнения г р у н т о в ................................................................................................. |
|
|
|
|
336 |
||||
Осесимметричная задача теории уплотнения водонасыщенных грун |
544 |
||||||||
тов |
............................................................................................................................... |
|
|
|
|
|
|
|
|
Влияние предыстории загружения и начального избыточного поро- |
|
||||||||
вого давления воды на величину осадок уплотнения грунтов . . |
549 |
||||||||
Об учете начального градиента напора при расчете уплотнения |
|
||||||||
твердых глинистых грунтов................................................................................. |
|
|
|
552 |
|||||
§ 5. Расчет |
осадок |
фундаментов.................................................................................. |
|
|
|
557 |
|||
Общие |
у к а з а н и я .......................................................................................................... |
|
|
з а д а ч и |
|
— |
|||
Непосредственное |
применение одномерной |
|
560 |
||||||
Метод |
послойного |
элементарного |
суммирования............................................ |
|
561 |
||||
Применение результатов замкнутых или табулированных решений |
|
||
теории линейно-деформируемых т е л |
............................................................ |
569 |
|
Расчет осадок фундаментов по методу |
эквивалентного слоя грунта |
571 |
|
§ 6. Сравнение расчетных осадок |
фундаментов с действительными . . |
609 |
|
Постановка наблюдений за |
осадками |
сооруж ений ..................................... |
— |
Результаты наблюдений и их анализ.................................................................. |
|
611 |
|
Л и т е р а т у р а ................................................................................................................. |
|
|
633 |
П Р Е Д И С Л О В И Е
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 и зару бежной (книга была переведена и несколько раз издавалась на китайском, польском, румынском, чешском и венгерском языках, отдельные разделы издавались на немецком и английском язы ках). Все это побудило автора отнестись к четвертому изданию книги с еще большим вниманием и не пожалеть сил, чтобы улуч шить содержание книги и дать в ней новейший, наиболее акту альный материал, опубликованный как в отдельных моногра фиях 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 (Бель гия), Колорадо (США), Индии и СССР], посвященных отдель ным вопросам механики грунтов.
В книге освещены только важнейшие вопросы механики грунтов, представляющие практический и теоретический инте рес для отечественного строительства, причем механика грун тов излагается как особая отрасль науки.
Советская школа механики грунтов на базе материалисти ческой диалектики, позволившей более широко подойти к изу чению грунтов как природных тел и учесть ряд новых обстоя тельств, 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 время полно стью используются на практике.
Для советской школы механики грунтов характерно следую щее.
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 влиянием внеш них 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, тео рии ползучести и других смежных дисциплин.
3. Решения задач механики грунтов основываются на раз работке строгих методов, хотя и математически сложных, но позволяющих при помощи электронных счетно-вычислительных машин получать табулированные решения с одновременным раз витием инженерных методов расчета и в том числе метода расчетных эквивалентов.
4.На базе общих закономерностей грунтов как рыхлых гор ных пород (дисперсных тел) изучаются региональные особен ности для переуплотненных глин, набухающих, илистых, вечно мерзлых, торфянистых и других грунтов.
5.Постоянный контроль и установление пределов примени мости получаемых решений путем сравнения результатов рас чета с наблюдениями в натуре. Совершенствование решений на основе более строгого учета граничных условий и изучения все новых и новых особенностей грунтов, открываемых при углуб ленном исследовании их природы.
Внастоящем издании книга состоит из пяти больших глав. Глава I посвящена природе грунтов, где особое внимание обра щено 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 о со противлении 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 линейнс-деформируемых тел, как имеющая большое значение в расчетной практике. В главе IV излагаются вопросы прочности, устойчивости и давления грун тов на ограждения, как частные случаи общей строгой теории предельного напряженного состояния грунтов, разработанной советскими учеными. В главе V «Деформации грунтов» изло жены не только современные методы оценки упругих, общих и остаточных деформаций грунтов, но рассматриваются и мето ды прогноза осадок сооружений, а также оценка их достовер ности.
2 Н. А. Цытович
В настоящем издании книги раздел «Указания по исследо ванию грунтов» не выделен в отдельную главу, но вопросы ис следования грунтов попутно изложены в тех местах, где описы ваются 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 виднейших за рубежных 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, не пред ставилось возможным. Поэтому автором и не ставилась цель исчерпать обширнейшие литературные и ведомственные мате риалы 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 уделено система тичности и четкости изложения отдельных вопросов механики грунтов, ясности трактовки тех или иных задач с тем, чтобы сде лать книгу доступной наиболее широкому кругу специалистов.
В книге приняты (за малым исключением) обозначения Международного общества механики грунтов и фундаментостроения с индексами, в большинстве случаев соответствующи ми русскому названию тех или иных понятий.
Автор выражает глубокую признательность специалистам, опубликовавшим подробные рецензии на предыдущее издание книги (их замечания учтены при подготовке настоящего изда ния), и всем лицам, любезно указавшим на желательность тех или иных усовершенствований, добавлений или более глубокого освещения некоторых вопросов и устранения отдельных недо статков, а также сотрудникам кафедры механики грунтов, осно ваний и фундаментов Московского инженерно-строительного института им. В. В. Куйбышева, обсуждавшим в процессе пе дагогической работы методику изложения того или иного раз дела механики грунтов, и преподавателю кафедры канд. техн. наук В. И. Ферронскому, помогавшему автору в оформлении части чертежей к настоящему изданию книги.