Иванов - Грунты и основания гидротехнических сооружений (1985)

П.Л.ИВАНОВ
профессор, доктор технических наук, заслуженный деятель науки и техники РСФСР
ГРУНТЫ И ОСНОВАНИЯ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ
Допущено Министерством высшего к среднего специального образования СССР л качестве учебника для студентов гидротехнических специальностей высших; учебных заведений
МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА» 1985

В учебнике изложены основы механики грунтов, включая вcе ее основные разделы, связанные с физико-механическими свойствами грунтов, оценкой напряженного состояния, деформируемости и прочности грунтовых массивов.

Особое внимание уделено действию на грунты оснований и  земляных сооружений фильтрационных сил, особенностям деформируемости и прочности грунтов при динамических воздействиях. Рассмотрены разделы механики грунтов, связанные с оценкой устойчивости сооружений, процессами консолидации грунтов, условиями моделирования грунтовых массивов и др.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Предлагаемый учебник в значительной мере основан на курсе механики грунтов, методика которого была разработана чл.-корр. АН СССР, проф. В. А. Флориным в Ленинградском политехническом институте им. М. И. Калинина. Учебник рассчитан на подготовку инженеров всех гидротехнических специальностей, но наиболее приближен к программам специальностей 1203 «Речные гидротехнические сооружения» со  специализацией «Прочность и устойчивость гидротехнических сооружений и их оснований» и 1204 «Водные пути, морские и речные порты». Кроме того, учебник написан с учетом отличия программ ЛПИ им. М. И. Калинина от ряда других вузов. Более подробно некоторые методические особенности курса приводятся в конце книги в разделе  «Заключение».

При составлении учебника большая помощь оказывалась сотрудниками кафедры «Подземные сооружения, основания и фундаменты» гидротехнического факультета ЛПИ им. М. И. Калинина. Глава 10 «Нелинейная деформируемость и прочность грунтов при сложном напряженном состоянии» написана проф., д-ром техн. наук А. К. Бугровым.

ВВЕДЕНИЕ

Развитие гидротехнического строительства в нашей стране осуществляется в соответствии с «Основными направлениями экономического и социального развития СССР на 1980—1985 годы и на период до 1990 года», которое связано с ростом  топливно-энергетической базы, освоением шельфовой зоны морей, расширением  существующих и созданием новых портов, использованием стока рек районов севера европейской и западно-сибирской частей СССР, развитием Нечерноземья и др. Во всех этих случаях приходится решать сложные задачи, связанные с работой грунтов в качестве оснований гидротехнических сооружений или в качестве материала для их  возведения.

На развитие механики грунтов очень большое, а в ряде ее  разделов определяющее влияние оказывало гидротехническое  строительство в Советском Союзе. Так, проектирование и возведение впервые в мире плотины и здания станции Нижне-Свирской ГЭС A924—1935) на глинистых грунтах потребовало решения ряда новых и сложных задач механики грунтов, создания методов их лабораторных и  полевых испытаний. В 50-е годы интенсивное строительство Волжских и Днепровских плотин преимущественно на песчаных основаниях вызвало необходимость детального изучения так называемых явлений разжижения водонасыщенных несвязных грунтов. За рубежом к этой проблеме обратились только после катастрофического землетрясения в Ниагате (Япония, 1964 г.). Возведение впервые в мировой практике грунтовых плотин высотой более 300 м, таких, как Нурекская и Рогунская, в последние два десятилетия привело к решению совершенно новых задач сложного напряженно-деформированного состояния грунтов с учетом их консолидации, реологических свойств и пространственных условий работы сооружений в узких каньонах.

Очень кратко рассмотрим период становления механики грунтов и отметим роль отечественных ученых. Во всех разделах книги  читатель найдет несколько более подробную оценку значения их работ. Первым шагом в области механики грунтов следует считать  работу Ш. Кулона (Франция, 1773 г.), в которой он дал решение  задачи о давлении грунта на подпорные стенки, применяемое в настоящее время. В 1885 г. Ж. Буссинеском (Франция) было получено решение задачи о напряжениях в упругом полупространстве при действии сосредоточенной силы.

В России вопросам сжимаемости и прочности грунтовых оснований были посвящены работы Н. И. Фусса A798), М. С. Волкова A840), В. М. Карловича A869), В. И. Курдюмова A902), П. А. Миняева A916) и Н. П. Пузыревского A924).

Определяющим этапом в формировании механики грунтов как научной дисциплины послужило опубликование К. Терцаги в 1925 г. в Вене книги «Строительная механика грунтов». В этой книге и последующих монографиях [28, 29] К. Терцаги дал систематическое изложение основ классической механики грунтов.

В Советском Союзе формирование механики грунтов как науки в значительной мере связано с работами чл.-корр. АН СССР Н. М. Герсеванова. Его монография «Основы динамики грунтовой массы» A931) и последующие работы определили интенсивное  развитие ряда направлений механики грунтов, в частности теории  консолидации грунтов. Именем Н. М. Герсеванова назван головной институт Советского Союза в области фундаментостроения (НИИОСП), который он создал в 1931 г. Современная советская школа механики грунтов в значительной мере создана и развивается благодаря фундаментальным работам чл.-корр. АН СССР В. А. Флорина. В 1936—1938 гг. им были  заложены основы расчета балок на упругом основании методом теории упругости и создана теория консолидации грунтов. Основные  результаты последующих многоплановых работ В. А. Флорин обобщил в двухтомной монографии «Основы механики грунтов» A959, 1961). Мировую известность]получило]имя чл.-корр. АН СССР В. В. Соколовского, создателя теории предельного равновесия грунтов, работы которого обобщены в монографии «Статика сыпучих сред» A960). Заслуга создания первого в нашей стране учебного курса по  механике грунтов A934) принадлежит чл.-корр. АН СССР Н. А. Цытовичу, который возглавил Национальный Комитет по механике грунтов и фундаментостроению СССР. В 1980 г. ему было присвоено высокое звание Героя Социалистического Труда. Значителен вклад в развитие механики грунтов Н. Н. Маслова.

Существенной особенностью его многочисленных работ [19] является глубокое изучение физики грунтов, широкое использование возможностей инженерной геологии и практическая инженерная направленность разработанных решений. Развитие современных основ теории напряженно-деформированного состояния оснований в значительной мере определилось крупными работами М. И. Горбунова-Посадова [7], В. Г. Березанцева [1], М.В.Малышева [18] и В. С. Христофорова. Реологические основы современной механики грунтов созданы С. С. Вяловым [4].  Интенсивное развитие динамика грунтов получила благодаря  исследованиям Д. Д. Баркана, О. А. Савинова и А. П. Синицина. В последние годы значительным событием явился выход трехтомной  монографии М. Н. Гольдштейна [6], в которой обобщены его работы и развивается ряд новых направлений в механике грунтов. Первыми в области исследований поведения грунтов в условиях сложного напряженного состояния были работы Г. М. Ломизе. Многие решения практически важных задач напряженного состояния грунтов и  расчета осадок сооружений получены К. Е. Егоровым и Б. И. Далматовым. В последние десятилетия в Советском Союзе сформировалась плеяда талантливых ученых, не только активно развивающих  существующие, но и создающих новые направления механики грунтов. 

Руководимые ими коллективы в НИИОСПе, ВНИИГе, НИСе  Гидропроекта, Московском, Ленинградском и Азербайджанском инженерно- строительных институтах, Ленинградском, Челябинском, Пермском, Новочеркасском и Белорусском политехнических институтах, Московском университете являются в настоящее время определяющими современное и будущее развитие советской школы механики  грунтов.

1 ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ И ПРОЦЕССЫ, ВОЗНИКАЮЩИЕ В НИХ

1.1 ГРУНТ — ТРЕХКОМПОНЕНТНАЯ СРЕДА

Основной особенностью грунтов является их  раздробленность, т. е. грунт состоит из отдельных частиц различной крупности, либо несвязанных между собой, либо связанных, но с прочностью связей, много меньшей прочности самих частиц грунта.

Между частицами имеются поры, которые могут быть заполнены  полностью или частично газом или жидкостью. Таким образом, грунт в общем случае представляет собой трехкомпонентную (трехфазную) среду, состоящую из твердых частиц, жидкости и газа. Все эти компоненты грунта находятся в сложном взаимодействии. Основные представления о твердой составляющей грунта.  Природные грунты — это в основном продукты физического и химического выветривания скальных горных пород литосферы, поэтому твердые частицы представлены отдельными минералами или обломками  скальных горных пород. В песчаных и более крупнозернистых грунтах  встречаются в основном породообразующие минералы, такие, как кварц, полевой шпат, слюда и др. В глинистых грунтах в результате  существенного химического выветривания содержится значительное  количество очень мелких глинистых (вторичных) минералов —  монтмориллонита, каолинита, гидрослюды и др.

Диапазон изменения крупности частиц грунтов значительный. Частицы, близкие по крупности, объединяют в определенные группы, называемые гранулометрическими фракциями (или просто фракциями), которым присвоены соответствующие наименования

Грунты состоят из фракций разной крупности. Процентное со- классификация частиц (фракций) держание в грунте по массе фракции определяет зерновой (гранулометрический) состав грунта.

Зерновой состав для фракций, больших 0,1 мм (или > 0,25 мм), определяют просеиванием пробы грунта через комплект сит. Для более мелких фракций (< 0,10) применяют методы, основанные на определении размеров частиц  грунта по скорости их выпадения из суспензии (метод седиментации), используя зависимость Стокса для скорости падения шара в вязкой жидкости. Суспензию из пробы грунта и воды помещают в высокий стеклянный сосуд (цилиндр) и тщательно взмучивают. Чем мельче частицы, тем медленнее они оседают в спокойной жидкости. Скорость падения частиц грунта  оценивают по уменьшению плотности суспензии различными способами: ареометрическим, пипеточным и отмучиванием. Следует отметить, что вследствие использования формулы Стокса этими способами определяют не действительные размеры частиц, а диаметр шара, который падал бы в жидкости (воде) с такой же скоростью, как и сложная по форме частица. Зная процентное содержание каждой фракции, для удобного  графического представления зернового состава грунта строят кривые однородности (рис. 1.1). По оси абсцисс откладывают логарифмы диаметра частиц, а по оси ординат — процент содержания частиц, меньших данного диаметра. Разность ординат двух точек кривой однородности показывает, чему равно процентное содержание в грунте частиц, диаметры которых находятся в пределах промежутка, соответствующего разности абсцисс этих двух точек (рис. 1.1). Чем более крутыми получаются кривые однородности, тем более однороден грунт. Для характеристики неоднородности крупнообломочного или песчаного грунта введен коэффициент неоднородности (степень неоднородности)

Кристаллическая решетка твердых частиц грунта образована химическими элементами — ионами, несущими тот или иной электрический заряд. Внутри кристаллической решетки заряды ионов  различных знаков уравновешиваются, тогда как на поверхности  твердой частицы ионы уравновешиваются лишь частично с внутренней  стороны по отношению к поверхности. Поэтому в целом такая частица грунта не является нейтральной и ведет себя как заряженное тело. Это подтверждается  простым опытом с  пропусканием постоянного тока через глинистую водную суспензию. Глинистые частицы перемещаются в воде от отрицательного к положительному электроду.

Это показывает, что глинистые частицы в целом несут отрицательные  заряды или что их поверхность заряжена отрицательно. Благодаря наличию заряда твердые частицы взаимодействуют с окружающей их средой, т. е. с жидкостью и газами. Так как заряды образуются на поверхности частиц, то их взаимодействие тем больше, чем больше поверхность частиц грунта. Для характеристики поверхностной активности грунта применяют понятие удельная поверхность грунта — отношение суммарной площади поверхности всех частиц к занимаемому ими объему.

Частицы глинистых минералов, например, монтмориллонита в 1 г имеют общую поверхность около 800 м2. В результате все  поверхностные явления в грунтах, состоящих из глинистых частиц (< 0,005 мм), имеют во много раз большее значение, чем в грунтах, содержащих только песчаные и даже пылеватые частицы. Как следствие, свойства таких грунтов резко различаются. Больше того, небольшая добавка к мелким песчаным частицам всего 1...3% глинистых частиц может изменить суммарную поверхность всех частиц грунта в сотни и тысячи раз и вызвать резкие качественные изменения. Поэтому за основу классификации видов грунтов по их гранулометрическому составу принимается содержание

Форма твердых частиц грунта также существенно влияет на его свойства. Глинистые частицы имеют в основном пластинчатую и даже игольчатую форму, что увеличивает удельную поверхность частиц и способствует сжимаемости глинистых грунтов. Форма песчаных и более крупных частиц в зависимости от истории образования (генезиса) грунта может меняться в широких пределах: от очень окатанных, гладких частиц, близких по форме к шару, до неокатанных, угловатых и пластинчатых.

Общепринятого метода оценки формы частиц не существует. В большинстве случаев оценивают форму зерен «на глаз» по  предложенным различными авторами таблицам конфигурации частиц. Жидкая составляющая грунта. Поры грунта частично или  полностью заполнены жидкостью. В строительных условиях такой  жидкостью в основном является вода. Вода в грунтах может быть в  парообразном, жидком и твердом состояниях. Водяной пар в смеси с  газами рассматривается в составе газообразной составляющей. В твердом состоянии вода находится в грунтах в виде льда, а также в виде кристаллизационной воды, входящей в строение кристаллических решеток различных минералов, т. е. в составе твердой фазы. В основу современных представлений о видах воды и характере их взаимодействия с твердыми частицами положены исследования А. Ф. Лебедева, Б. В. Дерягина, П. А. Ребиндера и др. В жидком, состоянии вода может быть в связанном и свободном виде. Связанная вода. Твердые частицы с поверхности несут отрицательный заряд (рис. 1.3) и образуют вокруг себя  электрическое поле. Молекулы воды в целом нейтральны, но поскольку атомы водорода и кислорода расположены в ней несимметрично, они являются диполями, один конец которых соответствует положительному, а другой отрицательному полюсу. Вследствие этого молекулы воды, расположенные на достаточном расстоянии от поверхности твердых частиц хаотически, вблизи твердых частиц ориентируются положительным концом по отношению к их поверхности. Электромолекулярное притяжение непосредственно около поверхности частиц достигает нескольких сот МПа. Поэтому первые слои молекулы воды притягиваются к поверхности частицы особенно сильно и образуют слой прочно связанной воды в зависимости от химического состава твердых частиц и воды, содержащей до нескольких десятков рядов молекул. Наиболее прочно связанную часть воды иногда называют гигроскопической, а слой наиболее ориентированных молекул воды — гидратным. Электромолекулярные силы с расстоянием от частицы резко убывают, и поэтому более удаленную часть слоя связанной воды иногда называют рыхло связанной (см. рис. 1.3).

Отрицательно заряженные твердые частицы притягивают к себе и удерживают положительно заряженные катионы водорода, натрия, калия, кальция, алюминия и др., содержащиеся в поровой воде. Катионы, в свою очередь, имеют по нескольку ориентированных по отношению к ним молекул воды и в результате образуется диффузный слой (см. рис. 1.3), плотность которого возрастает с приближением к поверхности частицы. Иногда эту часть слоя связанной воды называют пленочной.* Что же касается отрицательно заряженных ионов, т. е. анионов, то вследствие их отталкивания отрицательно  заряженной поверхностью частиц концентрация их по мере приближения к частице уменьшается (см. рис. 1.3), а по мере удаления  увеличивается. Расположенные в пределах диффузного слоя катионы составляют совместно с отрицательно заряженной поверхностью твердой  частицы так называемый двойной электрический слой.

Связанная вода, особенно вблизи от поверхности частиц, обладает повышенной плотностью, имеет большую вязкость, а температуру  замерзания ниже 0°С. Таким образом, по своим свойствам связанная вода значительно отличается от свободной. Существенно то, что в ней мала роль сил собственного веса воды по сравнению с силами молекулярного взаимодействия с твердыми частицами. Поэтому  количество связанной воды в грунте и в особенности ее соотношение с количеством свободной воды в грунте в значительной мере определяет свойства грунтов. В песчаных и тем более крупнообломочных грунтах благодаря относительно малой удельной поверхности частиц объем связанной воды, распределенной по поверхности частиц, очень мал. В глинистых грунтах, наоборот, в результате колоссальной удельной поверхности частиц объем связанной воды велик и в  плотных глинах или суглинках почти все поры могут быть заполнены  связанной водой. Этим и определяется роль удельной поверхности и поверхностной активности частиц в формировании свойств грунтов и резком качественном отличии песчаных грунтов от глинистых. Для удаления и перемещения связанной воды, особенно находящейся ближе к поверхности твердых частиц, требуются  значительные силовые воздействия. Однако если две одинаковые соседние частицы грунта имеют разные по толщине пленки связанной воды, то вода из толстой пленки перемещается в тонкую, пока толщина пленок не станет одинаковой. Поэтому в случае высыхания верхних слоев грунта и, как следствие, местного уменьшения толщины  пленок вокруг частиц в природе наблюдается движение — миграция влаги из нижних слоев глинистого грунта, содержащих больше воды, к верхним.

Молекулы внешних зон слоя связанной воды могут отрываться потоком фильтрующей свободной воды, а также выжиматься из контактов между твердыми частицами при приложении нагрузки. В результате две частицы, прижатые одна к другой внешней нагрузкой (рис. 1.4, а), имеют в зоне контакта уменьшенную толщину пленок связанной воды. Если убрать прижимающую силу, т. е. «разгрузить» грунт, что, например, возникает при открытии котлованов, то электромолекулярные силы, стремясь восстановить пленку связанной воды, вызовут увеличение ее толщины в зоне контакта (рис. 1.4, б), что возможно только при некоторой раздвижке частиц грунта. Получается, что связанная вода раздвигает, как бы «расклинивает» частицы грунта. Поэтому такое явление было названо Б. В. Дерягиным расклинивающим эффектом.

Свободная вода. В грунтах свободную воду в основном подразделяют на гравитационную и капиллярную. Гравитационная вода обладает обычными, общеизвестными  свойствами, перемещается в порах грунта под воздействием разности  напоров. Следует особо подчеркнуть, что необходимым условием  движения свободной воды на каком-либо участке является только наличие разности напоров на этом участке, а наличие или отсутствие разности давлений в воде не обязательно служит признаком движения или покоя поровой воды.

Поры в грунте образуют сложную по конфигурации систему  капиллярных каналов и поэтому в них наблюдается капиллярное  поднятие воды. Капиллярное поднятие, как известно, определяется явлениями смачивания водой поверхности минеральных частиц и так называемыми «силами поверхностного натяжения воды». В  результате явлений смачивания вода,  расположенная у стенок капиллярной трубки, опущенной в бассейн с водой (рис. 1.5, а), поднимается тем больше, чем она ближе к поверхности стенок капилляра. Вследствие этого происходит искривление поверхности жидкости внутри трубки, причем выпуклость поверхности жидкости (мениск) оказывается  направленной в сторону жидкости (вогнутый мениск). В этом случае давление в жидкости под вогнутой частью поверхности будет меньше, чем под плоской поверхностью воды в бассейне. Если считать, что на плоской поверхности жидкости действует атмосферное давление, то под вогнутым мениском давление в воде будет меньше атмосферного. Тогда состояние равновесия жидкости внутри капиллярной трубки возможно только в том случае, если на уровне, соответствующем поверхности окружающей трубку гравитационной воды (в грунте горизонту грунтовых вод— ГГВ), давление в воде также будет равно атмосферному (или условному нулю, как на рис. 1.5, б). Вследствие этого вода в трубке или грунте должна подняться над уровнем воды в бассейне (или ГГВ) на высоту hK, называемую высотой  капиллярного поднятия, при которой в трубке или грунте над уровнем  питающего бассейна (или ГГВ) давление будет равно атмосферному или условному нулю.

Таким образом, мениски как бы опираются на стенки  капиллярной трубки или на поверхность твердых частиц и вследствие  натяжения поверхностной пленки воды поддерживают или «тянут» за собой воду на высоту капиллярного поднятия. Естественно, что в пределах этой высоты возникают отрицательные (меньшие атмосферного) давления в воде. В результате мениски, поддерживающие столб воды, передают нагрузку, равную весу этого столба, на стенки капиллярной трубки или твердые частицы. Эта нагрузка, приложенная к твердым частицам или стенкам трубки на уровне  менисков (рис. 1.5, а, б), называется капиллярным давлением и  соответствующие ему сжимающие напряжения.

Кривизна менисков, а следовательно, и высота капиллярного поднятия тем больше, чем меньше диаметр капиллярной трубки, или применительно к грунтам, чем меньше размер пор — каналов, что чаще всего определяется зерновым  составом грунта. В крупных песках высота мала и не превышает нескольких сантиметров, но в пылеватых песках и тем более  супесях достигает 1.5...3 м.. Явления капиллярного поднятия присущи только свободной воде и поэтому в более мелкозернистых грунтах например глинах, содержащих в основном связанную воду, капиллярный подъем не проявляется и перемещение воды определяется описанными выше молекулярными силами взаимодействия твердых частиц и связанной воды.

В случае если вода заполняет поры грунта только частично, то она сосредоточивается в контактах между частицами или в наиболее узких порах в виде отдельных несвязанных один с другим объемов (рис. 1.6, а). В этом случае на каждой границе газа с водой также образуются мениски (рис. 1.6, б), которые вызывают растягивающие напряжения (отрицательные давления) в воде и сжимающие напряжения в твердой фазе грунта, интенсивность которых зависит, как и раньше от кривизны менисков, т. е. в значительной мере от размеров пор или частиц грунта. Такая вода иногда называется капиллярно-стыковой и создает внутреннее капиллярное давление (напряжения всестороннего сжатия) по всему объему влажного грунта. В результате сухой сыпучий песок при его небольшом увлажнении приобретает связанность и может держать хотя и сравнительно небольшие, но вертикальные откосы. При высыхании или значительном  увлажнении мениски и силы внутреннего капиллярного давления исчезают и песок снова становится сыпучим.