Главная » Литература » Основания, фундаменты, подземные сооружения » Гольдштейн - Механические свойства грунтов (1971)
Гольдштейн - Механические свойства грунтов (1971)
М. Н. ГОЛЬДШТЕИН
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ
Второе издание, переработанное
ИЗДАТЕЛЬСТВО ЛИТЕРАТУРЫ ПО СТРОИТЕЛЬСТВУ
Москва— 1971
Эта книга является первой частью труда, посвященного методико-теоретическим основам исследования механических свойств грунтов в строительных целях.
В ней рассматриваются: связь механики грунтов с теологией; основные положения теории сплошной среды, термодинамики и статистической механики в приложении к исследованию грунтов; условия, обеспечивающие правильную постановку и проведение испытаний. Книга рассчитана как на лиц, непосредственно занимающихся испытанием грунтов, так и на инженеров, работающих в области инженерной геологии и
фундаментостроения. Она может быть использована также как пособие для углубленного изучения физических основ современной строительной механики грунтов.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Эта книга выходит почти через 20 лет после первого издания — срок достаточно большой для истории любой науки, а в особенности столь быстро развивающейся, как механика грунтов. За эти годы состоялось пять международных конгрессов по механике нескальных и два по механике скальных грунтов, прошел ряд региональных конференций и симпозиумов по отдельным проблемам механики грунтов, опубликованы тысячи статей и десятки монографий. Значительная часть этих работ посвящена изучению физико-механических свойств грунтов, так как этот вопрос является ключевым для развития как строительной механики грунтов, так и инженерной геологии. Естественно, что обзор всех этих исследований — задача совершенно безнадежная.
Автор не ставил также перед собой задачу создать лабораторный справочник или руководство по испытанию грунтов, тем более что прекрасные методические пособия такого рода уже имеются. Цель этой работы совершенно иная, а именно: изложить теоретические основы постановки исследований физико-механических свойств таких разнородных и сложных по своим свойствам материалов, как грунты; помочь испытателю правильно оценивать получаемые результаты и делать из них выводы и рекомендации для практического использования; показать необходимость отхода в ряде случаев от традиционных испытательных методик, когда последние могут вести к явно неверным результатам; облегчить лицам, занимающимся испытаниями грунтов в производственных целях, проведение самостоятельных исследований тех механических свойств грунтов, которые еще недостаточно изучены и требуют разрешения чисто методических вопросов.
Соответственно книга предназначена, в первую очередь для тех, кто непосредственно занимается изучением свойств грунтов в связи с теми или иными теоретическими и практическими проблемами механики грунтов, фундаментостроения и геотехники. Кроме того, она может быть использована и как пособие для углубленного изучения физических основ современной строительной механики грунтов.
Принципы, на которых основана существующая практика лабораторных и полевых испытаний грунтов, соответствуют большей частью весьма упрощенным расчетным моделям, выдвинутым классической механикой грунтов. Между тем многие современные теории существенно отличаются от первых, довольно элементарных представлений. Широко развилось изучение реологических свойств, появились различные вероятностно-статистические (стохастические) модели грунтов, далеко вперед шагнуло изучение механических свойств различных специфических видов грунтов, таких как лёссы, вечномерзлые грунты, насыпные грунты и т. д. Если в
Естественно, что исследователи и экспериментаторы должны по своей подготовке отвечать уровню подобных требований, и автор попытался отразить в этой книге хотя бы частично те изменения в постановке исследований грунтов, которые вытекают из все более широкого использования методов реологии, термодинамики, теории вероятностей, математической статистики и физико-химической механики. В той мере, в какой это допускал объем книги, автор попытался все изложение построить «замкнутым» образом, изложив и те чисто теоретические вопросы, которые необходимы для понимания книги. При этом автор исходил из уровня той подготовки, которую получает по математике, строительной механике, механике грунтов и инженерной геологии подавляющее большинства инженеров.
Эта книга посвящена описанию физико-теоретических основ современной механике грунтов.
В главе 1 книги дается краткое изложение основных сведений о происхождении и условиях формирования свойств грунтов и грунтовых толщ. Главная задача этой главы — привлечь внимание инженеров-строителей к столь часто недооцениваемой ими геологической стороне проблемы использования грунтов в строительных целях. Вместе с тем автор стремился подчеркнуть всю сложность и многообразие природных условий, которые определяют механические свойства грунтов.
В главе 2 характеризуется современная дифференциация наук, изучающих грунты: приводятся некоторые существенные данные по истории развития механики грунтов и, в особенности, ее связей с инженерной геологией; рассматриваются основные положения, на которые должно опираться изучение механических свойств грунтов.
Глава 3 посвящена изложению основ термодинамики в том объеме, который понадобится для понимания второй части книги. Глава 4 представляет собой введение в теорию напряженно- деформированного состояния грунтов, рассматриваемых как сплошная среда. В этой главе описываются также различные реологические модели, используемые в современной механике грунтов.
В главе 5 изложены исходные понятия теории вероятностей и математической статистики и рассматриваются основы статистической теории внутреннего трения и вязкости в жидкостях и газах, особенности сыпучих тел, вопросы структуры дисперсных систем с точки зрения физико-химической механики грунтов П. А. Ребиндера и И. М. Горьковой и, наконец, приложение статистических методов к описанию свойств грунтов как дисперсных сред, успешно развитое Г. И. Покровским и И. И. Кандауровым. Основным понятиям теории прочности грунтов посвящена глава 6, в которой рассматриваются энергетические теории прочности, теория Кулона — Мора, теория Фщюненко-Бородича, динамическая теория прочности, длительная прочность, прочность структурированных систем. Вопросы прочности различных видов грунтов (теории Н. Н. Маслова, Скемптона и др.) анализируются во второй части книги.
Общие вопросы постановки и проведения испытаний грунтов, выполнения измерений и обработки их результатов излагаются в главе 7. В этой главе освещены также теория моделирования и размерностей, принципы классификации грунтов, основные положения методики испытаний механических свойств. Дальнейшее развитие вопросов, затронутых в первой части книги, читатель найдет во второй части, которая будет посвящена подробному рассмотрению механических свойств грунтов и принципов, на которых строится методика исследования этих свойств.
ГРУНТЫ, ГОРНЫЕ ПОРОДЫ И СООРУЖЕНИЯ
1. ДВА ОСНОВНЫХ КЛАССА ГРУНТОВ
Термин «грунт» в строительном деле. Нередко один и тот же предмет или явление в различных областях производства или в различных науках называют по-разному. К таким профессиональным синонимам относится термин «грунт», который обычно применяется в строительном деле вместо принятого в геологии названия «горная порода».
Термин «грунт» в инженерной геологии. В инженерной геологии грунтом обычно называют всякую горную породу, когда она становится объектом тех или иных строительных мероприятий. В курсе инженерной геологии Н. В. Коломенского [27] грунт определялся как горная порода или почва, изучаемая в естественных условиях залегания с целью определения физико-технических свойств с учетом непрерывного изменения их во времени. Однако в учебнике, изданном с участием того же автора позднее, термин «грунт» вообще исключен, и авторы пользуются только термином «горная порода» [28].
В работах по инженерной геологии имеются и иные определения грунта. Так, некоторые авторы называют грунтами горные породы, слагающие верхние слои земной коры, независимо от того, являются ли они объектами строительного производства или нет, поскольку они всегда могут стать такими объектами. Другие авторы называют грунтами только верхние слои осадочных пород. Е. М. Сергеев [71] понимает под термином «грунт» любые горные породы, которые залегают преимущественно в зоне выветривания и могут быть использованы в качестве оснований, материалов или среды для различных сооружений. Мы будем далее называть грунтами любые горные породы, когда они рассматриваются с точки зрения использования в строительно-технических целях.
В строительной технике все грунты обычно подразделяют на два класса, резко различающиеся по основным строительным свойствам: скальные и нескальные.
Скальные грунты. Скальными (скалистыми по Н. Н. Маслову), или просто скалой, называют такие грунты, которые представляют собой твердые тела, отличаются относительно высокой прочностью и не изменяют или очень мало изменяют свои свойства при длительном насыщении водой. Все изверженные и метаморфические горные породы являются скальными грунтами. Изверженные или магматические породы возникают при остывании расплавленной магмы, выжимаемой либо в земную кору (например, гранит, сиенит), либо на ее поверхность (например, базальт, трахит, диабаз). Эти породы обладают большой плотностью и прочностью в образцах, но в массиве разбиты обычно трещинами на отдельные крупные блоки, в ряде случаев содержащие местные сильно ослабленные зоны раздробленной породы. Метаморфические породы — продукт преобразования осадочных и магматических пород под влиянием высокой температуры, высоких давлений и действия химически активных веществ. К метаморфическим относятся такие распространенные породы, как гнейсы, сланцы, кварциты, или такой строительный материал, как мрамор. Метаморфизм, как правило, ухудшает механические свойства изверженных пород, увеличивает их анизотропность (неодинаковость свойств но различным направлениям), трещиноватость, водопроницаемость, понижает устойчивость против выветривания. Наоборот, свойства осадочных пород метаморфизм обычно улучшает — сильно уплотняет их, повышает прочность, но в некоторых случаях может придавать им также и такие свойства, как, например, сланцеватость, приводящую к резкой анизотропии по прочности и легкой выветриваемости. К скальным грунтам относятся также многие осадочные породы, прочная связь между частицами которых создается либо с помощью постепенно выпадающих из водных растворов цементирующих веществ, либо в результате непосредственного химического взаимодействия в точках контакта минеральных частиц.
В зависимости от прочности связей и характера их распределения по поверхности частиц прочность скальных грунтов осадочного происхождения может быть самой различной — от весьма высокой до очень низкой.
Нескальные грунты. Эти грунты в литературе иногда называют также рыхлыми, рушенными или землистыми (эти термины не привились). Они представляют собой легко распадающиеся в воде несцементированные или очень слабо сцементированные скопления частиц и обломков различных горных пород и имеют за немногими исключениями осадочное происхождение. Твердые минеральные частицы, слагающие нескальный грунт, называют его скелетом. Скелет состоит в большинстве случаев из частиц различного размера, а у многих грунтов имеет и разнородный минералогический состав. Соответственно частицы скелета могут обладать неодинаковыми физико-механическими свойствами. В зависимости от состава скелета и относительного расположения его частиц, а также характера связей между ними механические свойства нескальных грунтов колеблются в самых широких пределах. Если однородный по минералогическому составу грунт содержит незначительное количество частиц совершенно иного состава и происхождения (например, органические вещества), то их называют примесями. Промежутки между частицами скелета, называемые порами, могут содержать воду, лед, пар, воздух и другие Газы. Вещество, заполняющее поры, называется поровой средой или заполнителем.
Благодаря наличию интенсивного физико-химического взаимодействия между минеральными частицами скелета и поровой водой, а также примесями и содержащимися в воде ионами растворенных веществ изменение содержания воды в порах, состава и концентрации ионов в поровом растворе и количества примесей оказывает значительное влияние на механические свойства грунтов.
Грунт и скала. Иногда в работах по механике грунтов предлагают называть грунтами только нескальные породы, не применяя этот термин по отношению к скальным, иными словами, подразделяют все породы на грунты и скалу. Так, в работе Ионга и Уоркентина [95] грунт определяется как продукт выветривания скалы и разложения органического вещества, который может содержать как частицы микроскопических размеров, так и крупные обломки пород вплоть до валунов, диаметром во много десятков сантиметров.
В ряде работ авторы предлагают различать механику грунтов и механику скалы. В основе этих предложений лежит, во-первых, стремление к унификации международной терминологии, так как на других языках для обозначения скальных и нескальных грунтов пользуются различными терминами (по-английски грунт — «сойл», скала — «рок»; по-французски — «соль» и «рош»; по-немецки — «боден» и «фельс»; по-испански — «суэло» и «рока» и т. д.). Во-вторых, механические свойства и особенности этих двух типов пород и их поведение в сооружениях существенно отличаются друг от друга и соответственно совершенно различны методы их лабораторных и полевых испытаний, а также и теоретические основы расчета деформаций и прочности. В-третьих, требуются совершенно различные способы производства работ при разработке скальных и нескальных грунтов. Однако в соответствии с принятым в отечественной строительной практике и приведенным в начале параграфа широким определением термина «грунт», как инженерного понятия, мы будем в этой книге называть грунтами любые горные породы, подразделяя их на скальные и нескальные грунты. Е. М. Сергеев [71] предлагает подразделять все горные породы на два класса: породы с жесткими связями и без них. Первые являются с точки зрения строителя скальными грунтами, вторые — нескальными. Граница между скальными и нескальными грунтами. Границу между скальными и нескальными грунтами трудно провести абсолютно строго. Принято считать, что в отличие от скалы образец нескального грунта при встряхивании с водой легко распадается на отдельные мелкие частицы. Другой способ испытания заключается в том, что образец грунта сначала высушивают при 105°С, а затем погружают в воду на 24 ч. Если это скальный грунт, то образец не должен обнаружить никаких признаков распада или размягчения.
Строители обычно разграничивают эти два типа грунтов по чисто производственному признаку. Они называют скальными такие грунты, которые требуют при разработке применения взрывных работ, а те грунты, которые можно непосредственно разрабатывать с помощью механического оборудования (например, скреперов, бульдозеров), относят к нескальным. Трудность подобного подразделения пород объясняется тем, что некоторые грунты в одном состоянии практически не отличаются от скалы, а в другом являются нескальными. Соответственно следует различать скальное и нескальное состояние таких грунтов.
Почва. Необходимо упомянуть и другой специальный термин, но уже чисто агрономический,— «почва». Почвой называют непосредственно примыкающий к дневной поверхности слой земли, если он пригоден для произрастания растений. Почвы образовались из горных пород в результате их изменений под влиянием воды, воздуха и, что особенно важно и специфично именно для почв, различного рода организмов — растительных, животных и бактерий. Почвы всегда содержат примеси органических остатков или продукты их разложения.
В тех случаях, когда почвенные слои покрыты последующими отложениями осадочных пород и залегают на известной глубине от поверхности, эти слои называют погребенной почвой. Горная порода, из которой образовалась данная почва, называется по отношению к последней материнской породой. В почвоведении пользуются также термином «грунт», обозначая им породы, непосредственно подстилающие почвенный слой.
2. НЕСКАЛЬНЫЕ ГРУНТЫ КАК ОСАДОЧНЫЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ
Образование осадочных горных пород. Под действием физико-механических и химических процессов выветривания различные горные породы разрушаются и затем, при соответствующих условиях, могут переоткладываться, образуя слоистые толщи, мощность которых местами достигает сотен и даже тысяч метров. Эти отложения носят названия осадков. Несмотря на относительно низкие давления и температуры, господствующие в верхнем слое земной коры, осадки постепенно уплотняются и изменяют свой минералогический состав, переходя в горные породы, называемые осадочными. К ним относятся такие, очень сильно различающиеся по своим механическим свойствам породы, как глина, мергель, песок, известняк, доломит, мел, гипс, песчаник, толщи вулканического пепла, различные естественные химические продукты вроде каменной соли или такие полезные ископаемые, как торф и уголь. Все нескальные грунты представляют собой осадочные горные породы.
Состав пород. Физико-механические свойства тех осадочных пород, которые относят к категории нескальных грунтов, определяются, во-первых, относительным содержанием частиц различных минералов и крупностью этих частиц, а во-вторых, свойствами веществ, заполняющих поры грунта. Простое перечисление веществ, образующих грунт, характеризует его качественный состав, но обычно указывается также относительное содержание по весу или объему различных составляющих грунта, неодинаковых по своим свойствам. Основные типы осадочных пород. В литологии—учении об осадочных породах, эти породы по происхождению подразделяются на следующие четыре типа [74]:
1) пирокластические, образованные при вулканических извержениях (вулканические бомбы, пепел и т. д.);
2) обломочные или пластические — крупно- и мелкозернистые продукты выветривания горных пород, сложенные химически неизмененными зернами минералов или обломками материнских пород (валуны, галька, щебень, песок, пыль и т. п.);
3) глинистые — продукты химического разрушения и преобразования исходных минералов; частицы глинистых минералов имеют размеры, измеряемые микронами и долями микрона;
4) химические и биохимические, выпавшие из растворов химическим путем или при содействии организмов,— представлены обычно скальными грунтами.
Во многих случаях частицы и минералы пород этих четырех групп перемешаны в различных соотношениях и образуют обилие разновидностей смешанных осадочных пород. Горные породы не являются неизменными образованиями, постоянно сохраняющими приобретенные при возникновении свойства. Под влиянием как внутренних процессов, так и внешних воздействий они непрерывно преобразуются с той или иной интенсивностью, причем преобразования могут быть очень глубокими и приводить к коренному изменению минерального состава и структуры пород.
Генезис горных пород. Совокупность всех процессов, ведущих к образованию горных пород, называется генезисом пород, или петрогенезисом. Так как генезис породы в значительной мере предопределяет ее свойства, то в геологии это обстоятельство широко используется для того, чтобы по характерным особенностям породы выяснять условия, имевшие место в период ее возникновения или последующего преобразования, поскольку главной и основной целью геологии является изучение истории и эволюции Земли.
При инженерно-геологических изысканиях механические свойства естественных толщ горных пород обычно исследуются лишь в отдельных точках, а затем результаты экстраполируются на весь массив. Но, как известно, всякая экстраполяция таит в себе опасность серьезных ошибок, а тем более когда к ним прибегают для оценки строительных свойств пород на больших участках, да еще при сложном геологическом строении.
В этих условиях детальное знание геологических условий и генезиса пород в пределах данного района и участка существенно облегчает правильную оценку инженерно-механических свойств рассматриваемого массива.
...