Бугров А. К., Голубев А. И. Анизотропные грунты и основания сооружений

Бугров А. К., Голубев А. И.

Анизотропные грунты и основания сооружений.— СПб.: Недра, 1993.— 245 с: ил.

Приведены свойства анизотропных грунтов и пород и основные закономерности их упругопластического поведения в условиях сложного напряженного состояния. Показано влияние анизотропии свойств на работу грунтовых оснований и породных массивов. Изложены методы расчета фундаментов зданий и сооружений в случаях анизотропных грунтов и горных пород.

Для инженеров-геологов, проектировщиков, строителей, занятых инженерно-геологическим обоснованием строительства зданий и сооружений.

Может быть использована в качестве учебного пособия студентами геологических и строительных специальностей вузов.

Выпущена совместно с Санкт-Петербургским техническим университетом.

© А. К. Бугров, А. И. Голубев, 1993

ПРЕДИСЛОВИЕ

В общем деле повышения эффективности строительства существенно важным является совершенствование методов проектирования оснований и фундаментов, стоимость устройства которых может доходить до 20—30% стоимости зданий и сооружений. Сложность инженерно-геологической обстановки площадок строительства, уникальность и масштабность современных сооружений (АЭС, ТЭС, установки на шельфе и др.), повышение технологических нагрузок и этажности зданий требуют возможно полного учета реальных свойств грунтов оснований, что можно обеспечить только при использовании новейших достижений в области механики грунтов, горных пород и численных методов расчета.

В последние 20—30 лет экспериментальными исследованиями неоспоримо доказано, что одной из существенных и общих особенностей скальных и нескальных пород и грунтов является анизотропия их свойств. Однако при значительном числе разрозненных опубликованных статей и докладов разных авторов отсутствует систематизированное изложение вопросов исследования свойств анизотропных грунтов с позиций современной механики грунтов и методик испытаний в условиях двух- и трехосного деформирования. Предлагаемая читателю книга призвана восполнить указанный пробел. В ней приводятся данные о приборах и установках, освещаются методики и другие аспекты практических испытаний анизотропных грунтов на этих приборах, последовательно излагаются результаты исследований различных разновидностей грунтов и пород и отражающие их расчетно-теоретические модели. В целях лучшего понимания материала в приложении приведены основные понятия, соотношения и зависимости механики сплошной анизотропной среды.

Развитые в настоящее время методы вычислительной математики, численного моделирования на мощных ЭВМ позволяют широко применять в расчетах оснований, в том числе анизотропных, принципы и методы нелинейной механики грунтов, основу которой составляет представление о грунте как упругопластическом материале. В рамках такого подхода в книге представлены собственные расчетно-теоретические исследования авторов, изложенные во взаимосвязи с работами других специалистов.

Реализация предложенных методов проиллюстрирована на целом ряде примеров расчета анизотропных оснований. Использование полученных результатов будет способствовать повышению эффективности проектирования оснований и фундаментов на них.

Основной материал книги написан авторами совместно, введение, глава 1, разделы 2.4, 2.5, 3.3 и заключение — А. К. Бугровым. Авторы приносят благодарность рецензенту Р. Э. Дашко за тщательный просмотр рукописи и ценные замечания, которые помогли улучшить содержание книги на этапе подготовки ее к печати.

Все замечания и пожелания по книге просим направлять по адресу: 193171, Санкт-Петербург, ул. Фарфоровская, 18, издательство «Недра>.

ВВЕДЕНИЕ

Сплошную среду называют изотропной, если все ее свойства в каждой точке инвариантны относительно полной ортогональной группы (С. М. Капустянский [43]). При переходе от одной системы координат к другой свойства такой среды остаются неизменными. Если же свойства среды инвариантны лишь относительно некоторой ортогональной подгруппы, то такая среда будет геометрически анизотропной. Так, инвариантность относительно подгруппы вращения вокруг фиксированной оси (например, оси z декартовой системы координат х, у, z) характеризует среду как трансверсально изотропную (транстропную), для которой ось z является осью изотропии, а плоскость хОу — плоскостью изотропии с одинаковыми свойствами среды в этой плоскости независимо от направления. Геометрическая анизотропия (обычно применяют термин — «анизбтропия», опуская прилагательное «геометрическая:») определяется как направленность свойств среды (материала) в пространстве.

Наряду с геометрической различают физическую анизотропию, под которой понимается изменение свойств среды (например, деформируемости) при изменении знака приращения напряжения или самого напряжения. В этом случае среда носит название физически анизотропной или разномодульной. Физическая анизотропия в одинаковой степени может быть присуща геометрически изотропной и анизотропной среде. Однако в механике грунтов оснований ее учет представляет интерес лишь для некоторых специфических задач, в частности к таковой относится так называемая прессиометрическая задача о расширении скважины при создании в ней радиального давления, превышающего соответствующие бытовые напряжения в грунтовых массивах.

Геометрическая анизотропия является одной из важнейших и общих структурно-механических особенностей многих грунтов, горных пород и их массивов, и это определило то внимание, которое уделяется этому виду анизотропии в данной книге. Она проявляется в неодинаковых по различным направлениям значениях прочности, деформируемости, скоростей распространения упругих волн, удельного электрического сопротивления, водо- и газопроницаемости, природных напряжений, трещиноватости скальных и полускальных пород, в изменчивости содержания минералов и др.

Анизотропные грунты и породы широко распространены в коре и в верхней мантий Земного шара. Многие исследователи не без оснований высказывают мнение, что все грунты (нескальные породы) обладают в той или иной степени анизотропией свойств с учетом того, что при формировании в прошлые геологические эпохи они в большей или меньшей мере испытали сложное нагружение, сформировавшее неоднородное и анизотропное напряженное состояние. Анизотропия в грунтах — скорее правило, чем исключение. К грунтам, у которых она ярко выражена, относятся ленточные глинистые отложения, лёссы и лёссовидные грунты, торфянистые, мерзлые, солонцеватые и некоторые другие разновидности.

Анизотропия присуща многим полускальным и скальным породам в силу преимущественной ориентации минералов и свойств текстуры породы (слойчатость, полосчатость и т. п.), трещиноватости, наличия дефектов структуры и др.