Вялов С. С. - Реологические основы механики грунтов

Вялов С. С.

Реологические основы механики грунтов: Учеб. пособие для строительных вузов.— М.: Высш. школа, 1978.— 447 с, ил.

В книге рассмотрены основные закономерности напряженно-деформированного состояния грунтов с учетом их реологических свойств (ползучести, длительной прочности), нелинейной зависимости между напряжениями и деформациями, различия в сопротивлении деформированию при сжатии и растяжении и другими особенностями поведения грунтов под нагрузками.

На основе изучения физической сущности процесса рассмотрены также особенности деформирования грунтов при сложном напряженном состоянии в условиях ползучести и сформулировано обобщенное уравнение деформирования, учитывающее эти особенности.

В книге приведено большое количество экспериментальных данных, иллюстрирующих рассматриваемые закономерности. Помещены примеры обработки этих данных и решения инженерных задач.

© Издательство «Высшая школа», 1978.

ВВЕДЕНИЕ

Реология грунтов — раздел механики грунтов, в котором рассматривается образование и изменение во времени напряженно-деформированного состояния грунта. Включая слова «реологические основы» в название книги, автор, однако, вкладывает в них более широкий смысл, рассматривая термин «реология» как науку, изучающую, с одной стороны, образование и изменение напряженно-деформированного состояния тела, а с другой — особенности поведения этого тела, выходящие за рамки традиционных представлений теорий упругости и пластичности. Следуя акад Л. И. Седову («Механика сплошной среды», 1970), можно сказать, что задачей реологии является построение новых моделей, описывающих поведение среды, отличающейся от идеализированных тел.

Грунты и являются именно такой средой. Механика грунтов, как известно, занимается изучением и прогнозированием поведения грунтов под воздействием внешних или массовых сил. Для решения этих задач, с одной стороны, изучают физические особенности грунтов, являющиеся следствием условий их геологического формирования, а с другой — применяют математический аппарат механики сплошной среды. Однако в отличие от этой дисциплины, допускающей, что тела являются сплошными, механика грунтов рассматривает грунт как пористую дисперсную среду, способную необратимо изменять свой объем, т. е. уплотняться.

Современная механика грунтов базируется на следующих основных положениях:

1) зависимость между давлением и изменением объема грунта, т. е. изменением его пористости, а также между напряжением сдвига и изменением формы принимается прямо пропорциональной;

2) уплотнение грунта во времени (консолидация) происходит вследствие движения воды по порам грунта, причем это движение подчиняется законам фильтрации;

3) грунт, являясь дисперсной средой, обладает не только межчастичным сцеплением, но и внутренним трением; эти свойства и определяют сопротивление грунта разрушению.

Указанные выше исходные положения сыграли исключительно важную роль в развитии механики грунтов, дав возможность разработать теорию линейного деформирования грунтов, теорию фильтрационной консолидации, теорию предельного равновесия и на основе богатого математического аппарата этих теорий решать широкий круг инженерных задач.

Вместе с тем принятые положения в определенной степени схематизируют свойства грунтов; в действительности, поведение их под нагрузкой значительно сложнее. Так, при деформировании пучинистых грунтов весьма ощутимы временные эффекты — ползучесть, релаксация и снижение прочности при длительном воздействии нагрузок. Иными словами, глинистые грунты способны менять свое напряженно-деформированное состояние во времени.

Другая особенность реальных грунтов — нелинейный характер зависимости между напряжением и деформацией, особенно деформацией, развивающейся во времени. Кроме того, следует учитывать, что такое кардинальное свойство грунта, как его внутреннее строение, проявляется не только в предельном состоянии, но и в допредельной стадии, влияя на характер развития деформации. Как будет показано в последующем, эта особенность деформирования грунта является следствием различий в его сопротивлении деформированию при сжатии и растяжении, что приводит к таким аномальным явлениям, как зависимость объемной деформации от напряжения сдвига (дилатансия) и сдвиговой деформации от всестороннего давления и т. д.

Таким образом, действительное поведение грунта под нагрузкой существенно отличается от схематизированных представлений.

Хотя во многих случаях такая схематизация дает приемлемые для практики расчетов результаты, имеется целый ряд примеров, когда игнорирование указанных особенностей грунта в расчетах приводило к существенным расхождениям с натурой. К таким примерам относятся деформации сооружений в результате длительной ползучести, обрушение откосов и подпорных стенок из-за того, что в расчеты вводилась мгновенная, а не длительная прочность, существенное расхождение в значениях расчетной и фактической осадки вследствие неучета ее нелинейности.

Учет особенностей деформирования грунтов даст возможность более точно изучить реальные свойства грунтов, чтобы приблизить теоретические прогнозы к реальному поведению грунтов.

Вследствие сказанного возникает необходимость рассмотреть систематизировать указанные особенности поведения грунтов под нагрузкой. Это тем более необходимо, что изданные в 1972 г. строительные нормы и правила (СНиП II-А. 10—71 «Строительные конструкции и основания. Основные положения проектирования требуют, чтобы «расчетные схемы и основные предпосылки расчета конструкций и оснований учитывали в необходимых случаях физическую нелинейность, пластические и реологические свойства материалов и грунтов». Указанным вопросам и посвящена настоящая книга.

В целях лучшего усвоения материала книги студентами в ней изложены кроме упомянутых сведений общие вопросы механики сплошной среды, включая некоторые известные положения механики грунтов. При этом автор стремился добиться оптимального сочетания этих положений и результатов новейших, исследований в области реологии и механики грунтов (включая вопросы теории нелинейного деформирования), которые могут представить интерес также для читателя с высокой подготовкой в данной отрасли науки.

Соответственно материал, излагаемый в книге, распределен по главам по возрастающей степени сложности и новизны. Включая в название книги слова «реологические основы», автор хотел лишь подчеркнуть то обстоятельство, что проблемы реологии оказывают большое влияние на общие положения механики грунтов.

При изложении основных представлений классической механики грунтов автор следовал работам Н. А. Цытовича «Механика грунтов» (1963, 1973) *, являющимся общепризнанным учебным курсом, а при рассмотрении вопросов физики грунтов — известной работе Е. М. Сергеева и его соавторов «Грунтоведение» (1971).

Содержание книги можно подразделить на три раздела. В первом из них, включающем гл. 1—4, рассмотрены исходные понятия и определения реологии, вопросы физики грунтов, положения теории напряжений и деформаций, а также такие кардинальные реологические свойства, как упругость, пластичность и вязкость.

Второй раздел, включающий гл. 5—10, посвящен рассмотрению собственно реологических процессов, протекающих в грунтах,— ползучести и длительной прочности с учетом нелинейного характера деформирования. При этом наряду с существующими феноменологическими теориями излагается новая кинетическая (физическая) теория деформирования и длительного разрушения.

В третьем разделе, включающем гл. 11—12, изложена обобщенная теория деформирования грунтов. Здесь рассмотрено различие в сопротивлении грунта растяжению и сжатию и формулируется обобщенное реологическое уравнение состояния, учитывающее взаимное влияние всех трех инвариантов тензора напряжения на деформацию формы и объема.

В гл. 13 приведены примеры решения некоторых задач механики грунтов на основе рассмотренной выше теории. Автор с чувством глубокого удовлетворения отмечает плодотворность совместной работы по рассматриваемой проблеме коллегами и сотрудниками руководимой им лаборатории механики мерзлых грунтов НИИ оснований Ю. К- Зарецким, С. Э. Городецким, Н. К. Пекарской, Р. В. Максимяк и др. Автор считает своим долгом выразить признательность рецензентам книги: докт. техн. наук, проф. Г. А. Гениеву и докт. геол.-мин. наук, проф. Р. С. Зиангирову, а также зав. кафедрой грунтоведения и инженерной геологии МГУ чл.-корр. АН СССР проф. Е. М. Сергееву за ценные советы и замечания по рукописи и принести благодарность Т. П. Вялоёой и М. Э. Слепаку за помощь в подготовке рукописи к изданию.