vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

1

Курс лекций «Механика грунтов»

Лекция 1

Введение

Механика грунтов является одним из разделов строительной механики, в

основу которой положены как законы теоретической механики (механики твердых - абсолютно несжимаемых тел), так и закономерности деформируе-

мых тел (законы упругости, пластичности, ползучести).

Если же к зависимостям теоретической механики и строительной механики сплошных деформируемых тел добавить закономерности,

описывающие свойства, обусловленные раздробленностью грунтов

(сжимаемость, водопроницаемость, контактную сопротивляемость сдвигу и структурно-фазовую деформируемость), то рассматривая грунты как природные дисперсные тела в неразрывной связи с условиями их формирования и полном взаимодействии с окружающей физико-

геологической средой, можно построить механику грунтов как науку.

Грунтами называются все «рыхлые горные породы» (термин геологический) коры выветривания каменной оболочки Земли (литосферы) -

несвязные (сыпучие) или связные, прочность связей которых во много раз меньше прочности самих минеральных частиц.

Характерной особенностью грунтов как природных тел является их раз-

дробленность, дисперсность, что коренным образом отличает грунты от скальных (массивно-кристаллических, метаморфических, осадочных и пр.), весьма прочных пород. Минеральные агрегаты и зерна скальных пород спаяны между собой и имеют жесткие (кристаллизационные,

цементационные и т. п.) внутренние связи, прочность которых того же порядка, что и прочность самих минеральных зерен.

Существенное значение для оценки грунтов как оснований сооружений имеет мощность грунтовой толщи, залегающей на коренных скальных породах. Массив грунта, расположенный под подошвой фундамента сооружений, называется основанием.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

2

Верхний слой природных грунтов, измененный совместным действием климата, воды и газов, растительных и животных организмов и обогащенный гумусом, представляет собой особое структурное органо-минеральное образование - почву.

В механике грунтов рассматриваются в основном минеральные грунты -

природные дисперсные материалы - и лишь в отдельных случаях - скальные породы и органо-минеральные образования.

Первой фундаментальной работой по механике грунтов следует считать исследование К. Кулона (Франция, 1773 г.) по теории сыпучих тел, которое долгие годы являлось почти единственной инженерной теорией, с успехом применяемой на практике при расчете давления грунтов на подпорные стенки.

В 1885 г. был опубликован (также во Франции) труд проф. Ж. Буссинеска

«О распределении напряжений в упругой почве от сосредоточенной силы»,

который впервые был использован в механике грунтов советскими учеными

(Н. Н. Ивановым и др.) и в дальнейшем положен в основу определения напряжений в грунтах при различном их нагружении.

Важным этапом в развитии механики грунтов явились исследования проф.

К. Терцаги, изложенные в его книгах «Строительная механика грунта на ос-

нове его физических свойств» (1925 г., переведена с немецкого языка в 1933

г.) и особенно «Теоретическая механика грунтов» (1943 г., переведена с английского языка в 1961 г.).

Большим вкладом в современную механику грунтов явились работы проф.

Н. М. Герсеванова («Основы динамики грунтовой массы», 1931, 1933 гг. и

др.), в которых он уточнил уравнение одномерной консолидации грунтов,

предложенное Терцаги, сформулировал дифференциальные уравнения плоской и пространственной задач теории консолидации грунтов и разработал некоторые частные их решения, а также рассмотрел большой круг других задач механики грунтов.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

3

Фундаментальные исследования в теории деформаций водонасыщенных грунтов представлены в трудах (1936-1938 гг.) проф. В. А. Флорина,

обобщенные в монографиях «Основы механики грунтов» (т. 1-й - 1959 г.

и т. 2-й - 1961 г.), в которых в удобной форме сформулированы диф-

ференциальные уравнения плоской и пространственной задач фильтрационной теории консолидации и разработаны общие методы их решения в конечных разностях. В. А. Флориным значительно развита теория консолидации и даны решения задач с отдельным учетом сжимаемости поровой воды, ползучести скелета грунта, переменности характеристик и пр.

Наконец, следует указать, что в нашей стране впервые были сформулированы основы механики грунтов, как новой отрасли науки и был издан в 1934 г. первый курс лекций проф. Н. А. Цытовича «Основы механики грунтов». Этим же автором в 1973 г. было опубликовано в издательстве «Высшая школа» учебное пособие «Механика мёрзлых грунтов».

Роль механики грунтов как инженерной науки огромна, и ее можно сравнить лишь с ролью дисциплины «Сопротивление материалов». Без знания основ механики грунтов не представляется возможным правильно спроектировать и построить современные строительные конструкции,

предназначенные для транспорта и хранения нефти, нефтепродуктов и природного газа.

Применение механики грунтов позволяет инженеру-проектировщику более полно использовать несущую способность грунтов, достаточно точно учитывать осадки грунтовых оснований под действием нагрузок и воздействий, возникающих при эксплуатации технологических объектов транспорта и хранения нефти и газа, что обусловливает принятие не только наиболее безопасных, но и экономичных решений.

В дальнейшем по мере освоения богатейших месторождений нефти и при-

родного газа в районах Крайнего Севера нашей страны, где преобладают веч-

номёрзлые грунты с нестабильными физико-механическими свойствами,

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

4

роль механики грунтов в инженерном деле будет возрастать, позволяя все больше и лучше использовать основные научные положения этой дисциплины в строительной практике.

1. Происхождение, состав и структура грунтов

По своему происхождению и условиям формирования грунты разделяются: 1) на континентальные отложения: элювиальные (залегающие в месте первоначального их возникновения); делювиальные

(располагающиеся на склонах той же возвышенности, где они и возникли, и

перемещаемые только под действием силы тяжести и смыва атмосферными водами); аллювиальные (переносимые водными потоками на значительные расстояния, образующие мощные слоистые толщи); ледниковые (в ре-

зультате действия ледников) - валунные глины и суглинки (морены); водно-

ледниковые - пески и галечники; озерно-ледниковые - ленточные глины, суг-

линки и супеси; эоловые (продукты физического выветривания горных пород пустынных областей, переносимые воздушными течениями) - лёссовые и пески дюн и барханов;

2) на морские отложения: толщи дисперсных глин, органогенных грунтов-

ракушечников и др.; органоминеральные образования - илы, заторфованные грунты и т. п.; различные пески и галечники.

Из приведенного краткого перечня грунтовых отложений видно, насколько разнообразен состав природных грунтов и сложна их физическая природа.

В состав природных грунтов входят разнообразнейшие элементы, которые можно объединить в следующие три группы:

твердые минеральные частицы;

вода в различных видах и состояниях;

газообразные включения.

Кроме того, в состав некоторых грунтов входят и органические и органо-

минеральные соединения, также влияющие на физические свойства этих грунтов.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

5

Структура грунтов определяется взаимным расположением зёрен,

величиной пористости, количественным соотношением состава, формой зерен и пор. Сыпучие грунты имеют зернистую структуру двух видов:

плотную и рыхлую.

В связных грунтах наблюдаются четыре структуры:

ячеистая - свойственна пылеватым грунтам, илам, образовавшимся путем осаждения из воды;

хлопьевидная - у глинистых грунтов осадочного происхождения,

содержащих в значительном количестве чешуйчатые частицы;

комковатая - у верхних слоев связанных грунтов, подвергающихся процессам почвообразования;

сотообразная - наблюдаемая в лессах и лессовидных суглинках.

2. Физические свойства грунтов

Степень уплотненности грунта в условиях природного залегания оценива-

ется на основе целого ряда физических характеристик, выявляемых путем постановки опытов в полевых условиях или испытания в лабораториях образцов грунта с ненарушенной структурой.

Будем рассматривать единицу объема рыхлого грунта, представив его как на рис. 1, и введем следующие обозначения: V- полный объем образца (еди-

ница); V0 - объем твердых частиц (скелета) грунта; V1 - объем пор; V2 - объем воды в порах; Q0 - вес скелета грунта; Q2 - вес воды в порах; Q - полный вес образца.