Цытович - Механика грунтов


В настоящем, четвертом, издании книга вновь  переработана и дополнена данными новейших  экспериментальных и теоретических исследований в соответствии с запросами практики.

Для облегчения расчетов книга иллюстрирована вспомогательными таблицами и численными примерами, что дает возможность широко применять излагаемые методы исследований в инженерной практике. Книга предназначена в качестве учебного пособия для студентов гидротехнических и инженерно-строительных вузов и факультетов.

 

ПРЕДИСЛОВИЕ

Со времени выхода в свет предыдущего, третьего издания настоящей книги прошло около 12 лет. Третье издание широко использовалось не только в учебных целях, но и в практике проектирования и строительства как отечественной, так и  зарубежной (книга была переведена и несколько раз издавалась на китайском, польском, румынском, чешском и венгерском языках, отдельные разделы издавались на немецком и английском  языках). Все это побудило автора отнестись к четвертому изданию книги с еще большим вниманием и не пожалеть сил, чтобы  улучшить содержание книги и дать в ней новейший, наиболее  актуальный материал, опубликованный как в отдельных  монографиях виднейших ученых и инженеров, работающих в области механики грунтов, так и в трудах последних международных конгрессов по механике грунтов 1953 г. в Женеве, 1957 г. в Лондоне и в 1961 г. в Париже, где автор принимал участие, а также в трудах региональных конференций [в Брюсселе  (Бельгия), Колорадо (США), Индии и СССР], посвященных  отдельным вопросам механики грунтов.

В книге освещены только важнейшие вопросы механики грунтов, представляющие практический и теоретический  интерес для отечественного строительства, причем механика  грунтов излагается как особая отрасль науки. Советская школа механики грунтов на базе  материалистической диалектики, позволившей более широко подойти к  изучению грунтов как природных тел и учесть ряд новых  обстоятельств, ранее ускользавших из поля зрения исследователей (например, природу сил сцепления грунтов; структурные связи грунтов, разрушающиеся и одновременно вновь возникающие, но в другом виде; переменность характеристик механических свойств грунтов; региональные особенности отдельных видов грунтов, зависящие от условий физико-географической среды, и т. п.), за последние десятилетия обогатилась рядом новых решений и разработок, которые уже в настоящее время  полностью используются на практике. Для советской школы механики грунтов характерно  следующее.

1. Грунты рассматриваются как естественно-исторические образования — рыхлые горные породы со всеми присущими им природными особенностями, свойства которых в большей или меньшей степени беспрерывно изменяются под влиянием  внешних воздействий.

2. Раскрытие общих закономерностей механики грунтов как механики природных дисперсных тел базируется на применении не только зависимостей собственно строительной механики, но и физико-химии, коллоидной химии, теории пластичности, теории ползучести и других смежных дисциплин.

3. Решения задач механики грунтов основываются на  разработке строгих методов, хотя и математически сложных, но позволяющих при помощи электронных счетно-вычислительных машин получать табулированные решения с одновременным  развитием инженерных методов расчета и в том числе метода расчетных эквивалентов.

4. На базе общих закономерностей грунтов как рыхлых  горных пород (дисперсных тел) изучаются региональные  особенности для переуплотненных глин, набухающих, илистых, вечномерзлых, торфянистых и других грунтов.

5. Постоянный контроль и установление пределов  применимости получаемых решений путем сравнения результатов  расчета с наблюдениями в натуре. Совершенствование решений на основе более строгого учета граничных условий и изучения все новых и новых особенностей грунтов, открываемых при  углубленном исследовании их природы.

В настоящем издании книга состоит из пяти больших глав. Глава I посвящена природе грунтов, где особое внимание  обращено на взаимодействие дисперсной части грунтов с водной средой и формирование структурных связей в грунтах. В главе II описываются основные закономерности механики грунтов, где по-новому изложен ряд разделов и, особенно, раздел о  сопротивлении грунтов сдвигу, как об основном их прочностном показателе. В главе III «Определение напряжений в грунтах» добавлено рассмотрение напряжений в массивах грунта при действии горизонтальных сил и выделена в особый параграф контактная задача теории линейно-деформируемых тел, как имеющая большое значение в расчетной практике. В главе IV излагаются вопросы прочности, устойчивости и давления грунтов на ограждения, как частные случаи общей строгой теории предельного напряженного состояния грунтов, разработанной советскими учеными. В главе V «Деформации грунтов»  изложены не только современные методы оценки упругих, общих и остаточных деформаций грунтов, но рассматриваются и  методы прогноза осадок сооружений, а также оценка их  достоверности.

В настоящем издании книги раздел «Указания по  исследованию грунтов» не выделен в отдельную главу, но вопросы  исследования грунтов попутно изложены в тех местах, где  описываются те или иные свойства грунтов и их показатели. Систематическое изложение механики грунтов базируется преимущественно на работах отечественных ученых (Н. М. Герсеванова, В. В. Соколовского, В. А. Флорина, П. А. Ребиндера, М. И. Горбунова-Посадова, В. Г. Березанцева и многих других, включая и работы автора); отражены и работы виднейших  зарубежных ученых (Терцаги, Како, Керизеля, Тейлора, Скемптона, Тан Тьонг-ки, Чеботарева, Хоу, Кезди и др.). Однако охватить в настоящем труде огромное количество технической литературы, изданной за последнее время, характеризующееся бурным развитием науки механики грунтов, конечно, не  представилось возможным. Поэтому автором и не ставилась цель исчерпать обширнейшие литературные и ведомственные  материалы по исследованию грунтов, а кратко осветить лишь то основное, что относится к механике грунтов и ее приложениям в практике изысканий и строительства.

Основное внимание при написании книги уделено  систематичности и четкости изложения отдельных вопросов механики грунтов, ясности трактовки тех или иных задач с тем, чтобы  сделать книгу доступной наиболее широкому кругу специалистов. В книге приняты (за малым исключением) обозначения Международного общества механики грунтов и фундаментостроения с индексами, в большинстве случаев  соответствующими русскому названию тех или иных понятий.

 

ВВЕДЕНИЕ

Объект изучения

Объектом изучения в механике грунтов являются рыхлые горные породы (минерально-дисперсные образования) коры выветривания литосферы, т. е. природные грунты. Механика же грунтов есть часть общей механики  горных пород, в которую как составные части входят: механика массивных пород, механика рыхлых горных пород, получившая название механики грунтов, и механика органических масс. Главнейшей отличительной особенностью грунтов от  массивных горных пород, имеющей существенное значение при  построении механики грунтов, является их раздробленность, т. е. грунты принадлежат не к сплошным телам, а к телам,  состоящим из отдельных твердых частиц, не связанных между собой или связанных так, что прочность связей между ними во много раз меньше прочности материала  самих частиц. Эта раздробленность создает пористость грунтов, изменяющуюся под влиянием внешних воздействий (особенно при увеличении и уменьшении давления, а также при изменении условий отложения, наличии электролитов,  влажности и пр.), что обусловливает свойство сжимаемости грунтов. Раздробленность (дисперсность) грунтов также увеличивает, часто в сотни и тысячи раз, удельную поверхность минеральной их части, а следовательно, и ее поверхностную энергию,  вызывая целый ряд физических и физико-химических явлений,  которые существенно сказываются на механических свойствах  грунтов. Кроме того, рыхлые горные породы (природные грунты) обладают водопроницаемостью (фильтрационной  способностью), а прочность и устойчивость грунтов есть функция связности и внутреннего трения между твердыми частицами, присущего раздробленным телам и возникающего  между частицами в процессе деформирования. Зависимость между деформациями и напряжениями для рыхлых пород  (природных грунтов) также имеет характерную особенность, которая заключается в том, что эти породы при нагрузке и разгрузке всегда имеют кроме восстанавливающихся и остаточные деформации.

Грунты как рыхлые горные породы необходимо рассматривать в неразрывной связи с условиями их формирования,  учитывая взаимодействие их с окружающей средой, т. е. как  продукт коры выветривания каменной оболочки земли  (литосферы).

Особый класс рыхлых горных пород, «естественно  измененных совместным влиянием воды, воздуха и различного рода организмов — живых и мертвых» (проф. В. В. Докучаев), представляют почвы (обогащенные гумусом, отличающиеся особой структурой органо-минеральные образования). Органо-минеральные образования, к которым кроме почв относятся илы, торфы и пр., также будут являться объектом изучения, но  естественно более сложным, чем минеральные грунты, и при  высоком содержании органических веществ должны рассматриваться в особом разделе механики горных пород — в механике  органических масс.

Место механики грунтов среди других разделов механики

В процессе исторического развития науки первыми были сформулированы законы механики абсолютно  твердого тела, или так называемой теоретической  механики, рассматривающей твердые недеформируемые тела, каких в природе нет. Однако теоретическая механика  установила законы движения и условия равновесия тела.

Если мы перейдем к реальным деформируемым телам, которыми занимается строительная механика (теория упругости, теория пластичности), то здесь также полностью  будет использована и теоретическая механика. Однако  строительная механика, рассматривая тела сплошные, которые  обладают определенными физическими свойствами (упругостью,  пластичностью и пр.), должна добавлять к закономерностям  теоретической механики законы упругости, пластичности,  ползучести, т. е. зависимости, определяемые экспериментальным путем на основе изучения физико-механических свойств материалов. Закономерности, устанавливаемые только теоретической  механикой, для решения задач строительной механики будут  необходимыми, но недостаточными.

Для решения же задачи механики грунтов  недостаточными оказываются и закономерности строительной  механики сплошных тел, так как грунты, как указывалось выше, являются дисперсными раздробленными материалами, а не сплошными телами. Поэтому в механике грунтов необходимо учесть и закономерности, характеризующие физическую  природу грунтов как дисперсных материалов, в первую очередь их раздробленность. Другими словами, нужно добавить  закономерности, вытекающие из изучения пористости грунтов:  закон уплотнения, характеризующий сжимаемость грунтов в  результате уменьшения объема пор; законы фильтрации,  определяющие водопроницаемость грунтов; законы трения,  позволяющие установить предельное сопротивление раздробленных  дисперсных тел (грунтов) сдвигу, и характерную для  раздробленных тел зависимость между деформациями и напряжениями.

Если мы прибавим к законам теоретической механики и строительной механики сплошных тел в определенных  пределах, применимых к грунтам, закономерности, которые вытекают из изучения грунтов как дисперсных тел, то этого будет  достаточно, чтобы создать особый раздел науки — механику грунтов.

Необходимо отметить, что для органо-минеральных грунтов (в частности, почв, илов и торфов) надлежит изучить роль органического вещества и процессов, происходящих в нем,  особенно в связи с минерализацией, наблюдаемой при использовании этих грунтов в строительстве. Для некоторых других видов грунтов, например частично сцементированных, придется учесть и свойства цементирующих материалов.

О развитии механики грунтов в СССР и роли отечественных ученых

На территории СССР отложения рыхлых горных пород (грунтов), иногда образующие сильно сжимаемые мощные толщи, распространены почти повсеместно, и строителям очень часто приходится возводить различного рода сооружения, в том числе и капитальные (общественные, промышленные,  гидротехнические и др.), на сжимаемых основаниях. Поэтому  отечественными учеными и инженерами всегда придавалось большое значение изучению свойств сжимаемых оснований и развитию науки о грунтах, и вклад их в механику грунтов как теорию естественных оснований сооружений особенно велик. Знания по механике грунтов необходимы в современном строительстве при возведении сложных  статически-неопределимых конструкций, когда прогноз деформаций оснований и их неравномерности особенно важен, а экономия требует  максимального использования несущей способности грунтов. Все это очень давно заставило русских ученых посвящать свои труды разработке вопросов теории естественных оснований и  практическому ее применению в фундаментостроении. Следует  указать, что именно русские ученые впервые, еще в сороковых  годах XIX в., поставили вопрос о необходимости изучения степени сжимаемости грунтов (профессора М. С. Волкова и В. М. Карлович) и глубокого изучения теории оснований сооружений (проф. В. И. Курдюмов). Первый курс в мировой технической литературе по  основаниям и фундаментам был издан на русском языке (курс проф. В. М. Карловича) в 1869 г. точно так же, как и первый курс механики грунтов (курс проф. Н. А. Цытовича) в 1934 г.4.

Проф. В. И. Курдюмов в своих трудах описал оригинально поставленные им при помощи фотографического метода опыты по изучению линий скольжения в сыпучих грунтах под  нагрузкой, в результате которых он впервые установил криволинейность поверхностей скольжения. Методика исследования линий скольжения, предложенная В. И. Курдюмовым, применялась в дальнейшем и другими исследователями, как русскими (И. В. Яропольский, В. Г. Березанцев и др.) так и зарубежными.

Особую роль в построении современной механики грунтов играет физика глин. И в этом вопросе с полной  определенностью можно утверждать приоритет русских ученых. Так,  задолго до того времени, когда зарубежные ученые стали говорить о необходимости физического подхода к изучению природных грунтов, русский профессор П. А. Земятченский в своих трудах еще в 1896 г. показал, что понятие о глинах следует  рассматривать как физическое, поскольку глины представляют собой горные породы, сложившиеся в определенных естественно-исторических условиях, и для них характерным будет не химический состав, а физические свойства, важнейшим из которых является пластичность. К таким же примерно взглядам пришел позднее и проф. К. Терцаги. Им в 1925 г. была издана на немецком языке книга «Строительная механика грунтов» (в переводе на русский язык книга вышла в 1933 г.). Книга проф. К. Терцаги вследствие механистических взглядов ее автора на некоторые явления в грунтах (капиллярность, связность и др.) внесла ряд спорных положений, неясностей и условностей, необходимость расшифровки которых вызвала опубликование некоторых работ советских ученых.

Широкие исследования физико-механических свойств  грунтов были развернуты в СССР в первые годы пятилеток в связи с запросами практики гидротехнического и дорожного  строительства (Н. Н. Иванов, М. М. Филатов и др.).

Ниже рассматривается развитие в трудах русских и советских ученых теории механики грунтов и ее приложений в  практике фундаментостроения, а также вклад советских ученых в разработку основ механики отдельных региональных видов грунтов.

Основными проблемами в области теории механики грунтов, разработке которых посвящались труды советских ученых в последнее сорокалетие, следует считать: а)  применение теории упругости к расчету оснований; б) исследование  совместной работы сооружений и сжимаемого основания; в) разработка общих решений строгой теории предельного напряженного состояния; г) теория консолидации водонасыщенных  грунтов; д) вопросы динамики грунтовых оснований. При использовании теории упругости для  расчета оснований первым был вопрос о том, применима ли эта теория к грунтам оснований. Как показано еще в 1916 г. проф. П. А. Миняевым и в 1930 г. проф. Н. М. Герсевановым, применение теории упругости к глинам и дисперсным пескам настолько же правомочно, как и применение ее к стали. Причем для неупругого состояния грунтов был предложен критерий линейной деформируемости4. В 1936 г. проф. В. А. Флориным установлено соотношение размеров областей пластических зон в грунте с размерами сооружения, определяющее  условия применимости решений теории упругости к расчету оснований.

В конце двадцатых и начале тридцатых годов текущего века в СССР начали широко применять теорию упругости к расчету естественных оснований. Здесь следует указать на  замечательные работы проф. Н. П. Пузыревского, который предложил оригинальный метод использования теории упругости, позволивший ему разработать общую теорию напряженности землистых грунтов. В частности, на основании использования теории  упругости было дано решение задачи о величине давления в  основании сооружений, соответствующего началу возникновения под краем фундамента зон пластического состояния, а в 1929 г. для краевой критической нагрузки получена формула,  тождественное выражение которой было опубликовано в ином виде О. К. Фрелихом позже в 1934 г. Проф. Н. П. Пузыревский также получил аналитическое выражение поверхностей  скольжения для откосов, впоследствии использованное при расчете их устойчивости, и дал формулы для определения давления грунтов на подпорные стенки при различных случаях их загружения и ряд других решений. Почти в то же время проф. Н. М. Герсеванов предложил рассматривать три основные фазы напряженного состояния грунтов под фундаментами: фазу уплотнения, фазу сдвигов (пластического течения) и фазу выпирания (прогрессирующего течения, по Н. А. Цытовичу). Другим путем, отличным от решения Н. П. Пузыревского, Н. М.  Герсеванов получил для краевой нагрузки значение,  соответствующее началу возникновения фазы сдвигов в грунтах, практически равное допускаемому давлению на грунт.

Исследованию совместной работы сооружений и сжимаемых оснований советскими учеными уделено много внимания и затрачено немало труда в направлении  разработки главным образом общих теоретических решений. В  первую очередь следует отметить работы проф. Н. П. Пузыревского и акад. А. Н. Крылова. Ими сложное дифференциальное уравнение четвертого порядка для расчета балок на местном (Винклеровском) основании путем разработки метода  начальных параметров было сведено к решению двух уравнений с двумя неизвестными, что позволило разработать весьма  эффективный метод определения всех расчетных величин. Как показали дальнейшие исследования5, метод расчета балок и плит на местном упругом основании (основанный на модели прямой пропорциональности давления упругой осадке только в месте приложения нагрузки1) может применяться с успехом лишь в случае сильно сжимаемых грунтов или малой мощности грунтов, подстилаемых несжимаемыми породами (например, скальными).

В дальнейшем в работах советских ученых модель местного упругого основания совершенствовалась как в направлении  более точного учета упругости основания (метод проф. М. М. Филоненко-Бородича), так и в направлении введения двух  коэффициентов, характеризующих сжимаемое основание (упругого сжатия и упругого сдвига, по проф. П. Л. Пастернаку).

Однако модель местного упругого основания во многом не удовлетворяла советских ученых, так как не позволяла  определять деформации грунта вне места приложения нагрузки, а главное обладала непостоянством характеризующих ее  коэффициентов. Поэтому было предпринято непосредственное  использование теории упругости для расчета фундаментов на так называемом упругом полупространстве. В обобщающей своей работе М. И. Горбунов-Посадов изложил полученные им ранее решения задач о расчете балок и плит на упругом полупространстве, значительно их развил и дополнил, а также обобщил исследования других  отечественных ученых и составил многочисленные таблицы для быстрого и точного расчета балок и плит на упругом и  линейно-деформируемом полупространстве. Отметим также, что общий метод решения так называемой контактной задачи распределения давлений по подошве был опубликован в 1936 г. В. А. Флориным. Дальнейшее  развитие указанного класса задач теории механики грунтов идет как по линии усовершенствования расчетных моделей грунта, так и по разработке решений смешанной задачи теории упругости и теории пластичности.

Разработка общей теории предельного  напряженного состояния грунтов как в постановке самой  задачи, так и в разработке математически строгих решений  принадлежит главным образом советским ученым. В 1939—1942 гг. были опубликованы замечательные работы проф. В. В. Соколовского, в которых дано общее аналитическое решение плоской задачи теории предельного равновесия для сыпучей  среды и, в частности, точное определение величины давления  грунтов на подпорные стенки, устойчивости грунтов в основаниях сооружений, предельной высоты откосов, равноустойчивой их формы и пр. Графоаналитическое решение плоской задачи теории предельного равновесия сыпучей среды было рассмотрено проф. С. С. Голушкевичем3. Пространственная же задача теории предельного напряженного состояния грунтов получила освещение в работах проф. В. Г. Березанцева.

Теория консолидации водонасыщенных грунтов получила широкое развитие после опубликования  известных работ проф. К. Терцаги. 

Работы советских ученых в этой области механики грунтов были направлены на получение более строгих решений линейной  задачи консолидации, формулировок плоской и пространственной задач консолидации и на разработку эффективных методов  решений этих задач при различных граничных условиях и  переменности характеризующих консолидацию коэффициентов. Следует особо отметить в этой области работы проф. Н. М. Герсеванова, 1931 — 1948 гг.

Проф. Н. М. Герсеванов в основном своем труде «Основы динамики грунтовой массы» (изданном в 1931 г. и  дополненном в изданиях 1933, 193*7 и 1948 гг.) детально исследовал  задачу уплотнения слоя водонасыщенного грунта при сплошной нагрузке, рассмотрел вопросы уплотнения однородной и  изотропной грунтовой массы в случае плоской и пространственной задач, впервые получил решение плоской задачи определения начальных напряжений при загружении грунтовой массы  мгновенной полосообразной нагрузкой и дал основы теории газообразования в водонасыщенных грунтах. Особый интерес в настоящее время представляет последняя работа Н. М. Герсеванова («Теоретические основы механики грунтов», 1948 г.), в которой автор подверг ревизии некоторые положения динамики грунтовой массы (в изложении 1931 —1937 гг.), установил пределы применимости отдельных ее задач и внес необходимую ясность в трактовку некоторых вопросов. Весьма значителен вклад советских ученых в разработку основ механики отдельных региональных видов грунтов, к которым мы относим: илы и заторфованные грунты (органоминеральные образования), лессы и лессовидные грунты (макропористые образования), мерзлые и вечномерзлые грунты (криогенные образования).

Вопросам механики илов посвящен ряд работ Института оснований в Москве и Гидроэнергопроекта в Ленинграде, в которых показано, что илы при малых давлениях, не превышающих их структурной прочности, обладают одними свойствами, а при давлениях, превышающих определенный предел,  становятся чрезмерно сжимаемыми и малоустойчивыми. Проблеме оснований на заторфованных грунтах и торфах большое внимание уделяется учеными Белоруссии и  некоторыми учеными Ленинграда7, в результате работ которых намечены величины предельных деформаций оснований из заторфованных грунтов для гражданских и промышленных сооружений и разработаны приемы их воздействия. С особенностями лессов и лессовидных грунтов, их просадочностью советские ученые столкнулись в тридцатых годах, когда пришлось ряд промышленных зданий возводить на лессовидных грунтах. Здесь следует отметить работы проф. Ю. М. Абелева, которым разработаны основы механики  лессовидных макропористых грунтов, работы проф. Н. Я. Денисова, исследовавшего природу просадочности этого вида  грунтов, и работы профессоров М. Н. Гольдштейна и Г. М. Ломизе, которыми была дана зависимость просадочности от напряженного состояния грунтов и поперечного выжимания масс грунта.

Проблема исследования мерзлых и вечномерзлых грунтов и условий строительства на них имеет особую  актуальность, так как около 47% территории СССР, весьма богатой  природными ресурсами, находится в области распространения  вечномерзлых грунтов, возведение сооружений на которых без принятия соответствующих мер чрезвычайно осложняется. Вопросами исследования вечномерзлых грунтов советские ученые начали заниматься уже давно.

Использование механики грунтов в инженерной практике с каждым годом становится все более широким. Так, на основе получения ряда конкретных решений задач  механики грунтов, а также проверки результатов в натуре  оказалось возможным разработать весьма прогрессивный, дающий значительную экономию средств метод проектирования фундаментов по предельным состояниям грунтовых оснований. Развитие механики грунтов ,и, в частности, динамики  оснований позволило советским ученым и инженерам разработать и с успехом применять виброметод забивки свай, шпунтов и буровых труб в сыпучие и пластичные связные грунты.

Как методы улучшения свойств слабых грунтов необходимо отметить: оригинальный метод искусственного обжатия глинистых грунтов понижением напора грунтовых вод в  подстилающих песках (метод М. Е. Кнорре); методы химического и  электрохимического закрепления грунтов, разработанные проф. Б. А. Ржаницыным; метод электроосмотического осушения и водопонижения грунтов, освещенный в трудах проф. Г. М. Ломизе; метод термического закрепления просадочных лессовидных грунтов И. М. Литвинова и др.

В заключение следует подчеркнуть, что роль отечественных ученых в развитии механики грунтов, конечно, не  исчерпывается вышеприведенными данными, и при дальнейшем изложении отдельных разделов книги роль советских ученых и их успехи, которые особенно велики в последнее двадцатилетие, будут еще неоднократно отмечены.

Задачи механики грунтов

Основным направлением задач, стоящих перед механикой грунтов, является теоретический прогноз поведения грунтовых толщ (их деформируемости, прочности, устойчивости и пр.) под влиянием внешних и внутренних воздействий:  разнообразных нагрузок от сооружений, изменений (под действием природных факторов и деятельности человека) условий  равновесия, например при размывах, колебаниях уровня грунтовых вод, разгрузке глубоких слоев грунта при копке строительных котлованов и др.

Общими задачами механики грунтов будут:

1) установление основных закономерностей механики грунтов как дисперсных тел и величины характеризующих их коэффициентов;

2) исследование напряженно-деформативного состояния грунтов в различных стадиях их деформирования;

3) разработка вопросов прочности и устойчивости грунтов и давления их на  ограждения.

1. Первая задача «Установление основных  закономерностей» посвящена исследованию так называемых законов пористости, т. е. установлению закономерностей,  отличающих грунты от сплошных тел и обусловливающих  поведение грунтов как дисперсных материалов под влиянием внешних воздействий (давлений, напоров, сдвигов и др.). Весьма существенным вопросом будет установление величины расчетных  характеристик грунтов, числовые значения которых определяют количественную сторону явлений.

Весьма важным свойством грунтов как дисперсных тел  является их сжимаемость. Ее характеризуют зависимость между давлением и изменением коэффициента пористости, или так называемая компрессионная зависимость, и закон уплотнения.

Второй характерной особенностью грунтов как рыхлых горных пород является водопроницаемость грунтов, хорошо описываемая законом ламинарной фильтрации.

Третьим, особенно важным свойством грунтов как рыхлых горных пород является внутреннее трение, проявляющееся в них при взаимных перемещениях частиц и по величине зависящее от нормального давления. Внутреннее трение  обусловливает, особенно для сыпучих грунтов, основную часть их  предельного сопротивления сдвигу, которое в свою очередь является определяющим фактором при расчетах прочности, устойчивости грунтов и давления их на ограждения.

Наконец, четвертой отличительной особенностью грунтов как раздробленных дисперсных тел является наличие  остаточных деформаций, возникающих в грунтах даже при действии  незначительных нагрузок.

Разработка методики определения расчетных характеристик грунтов (главным образом, коэффициентов, входящих в законы пористости) является одной из важных проблем в механике грунтов, так как от достоверности характеристик будет зависеть и точность всех расчетов даже при безупречности исходных  расчетных схем. На эту сторону дела необходимо обратить особое  внимание в связи с тем, что свойства грунтов, а следовательно, и их расчетные характеристики в природных условиях меняются в весьма широких пределах, находясь в зависимости от  предыдущей истории их существования и условий окружающей среды. Поэтому нельзя создать стандартов для числовых показателей тех или иных свойств грунтов (как, например, для стали и других материалов, имеющих в высокой степени устойчивый  химический состав и физические свойства), и в каждом отдельном случае расчетные характеристики требуется определять  опытным путем.

2. Задача исследования напряженно-деформативного состояния грунтов под действием внешних сил и собственного веса грунта является главнейшей в механике грунтов, и разрешение ее для различных случаев загружения имеет непосредственное приложение в практике строительства. Для практики строительства весьма важно знать, как  распределяются напряжения в грунте при загрузке части его  поверхности, как напряженное состояние меняется с течением  времени, при каких условиях наступает предельное  напряженное состояние, после чего возникают недопустимые  деформации и нарушения сплошности грунтового массива и т. п.

Особо существенное значение имеют вопросы определения  деформаций грунтов, а именно: общей величины деформаций и  отдельных ее видов (упругих, остаточных), протекания  деформаций во времени и разности деформаций (осадок) под  отдельными частями сооружений. Значение этих вопросов определяется также тем, что при расчете фундаментов различного рода  сооружений необходимо исходить не из величины общего  допускаемого давления на грунт, а из величины допустимых разностей осадок отдельных частей сооружения, так как равномерная осадка под всем сооружением не опасна и не вызывает  дополнительных усилий в элементах конструкции сооружения. Но так как даже при одном и том же давлении на грунт под  различными фундаментами сооружений будут возникать осадки  различной величины, то всегда необходимо определять их величину, неравномерность и протекание во времени.

3. Разработка вопросов прочности и  устойчивости массивов грунта и давления грунтов на  ограждения, являясь частной задачей общей теории  предельного равновесия, имеет существенное практическое  значение.

В сравнение с другими эти вопросы механики грунтов  разрабатывались по времени первыми (еще с конца XVIII в.); часть из них, например, теория давления грунтов на подпорные  стенки, уже давно имеет ряд решений, широко применяемых в  практике строительства, но большинство вопросов получило общее решение лишь в СССР в работах В. В. Соколовского и др. Для разрешения поставленных задач механики грунтов  применяются главным образом два метода: расчетно-теоретический метод на основе математического решения сформулированных задач механики грунтов с обязательным опытным  (лабораторным или полевым) определением величины расчетных характеристик грунтов и метод моделирования, когда сложность задачи не позволяет получить замкнутого решения или же решение получается весьма громоздким.

Основы теории моделирования напряжений и  деформаций в грунтах также впервые были разработаны советскими учеными1. Так, проф. Г. И. Покровским проведены подробные исследования некоторых задач механики грунтов на  специальной установке методом центробежного моделирования  (устойчивость откосов для канала им. Москвы, распределение давлений в трубах, заложенных в грунт, и др.)- В настоящее время метод центробежного моделирования может уже считаться освоенным для практического решения ряда задач механики грунтов. Однако основная проверка правильности теоретических решений и данных лабораторных исследований методом  моделирования может быть произведена только путем сравнения с результатами наблюдений в натуре.

Для проверки полученных решений на практике и дальнейшего развития механики грунтов огромное значение имеют  правильно поставленные в природных условиях наблюдения за  сооружениями и их основаниями. При этом большую роль будут иметь методика постановки наблюдений и четкое уяснение тех задач, которые стоят перед данными наблюдениями. Без теоретического анализа, а также экспериментального определения расчетных характеристик грунтов всей напряженной зоны под сооружениями наблюдения не дадут ожидаемого эффекта.

Только результаты, освещенные теорией и проверенные на практике, являются полноценными и могут быть полностью использованы при строительстве.

Систематическое рассмотрение перечисленных задач механики грунтов и является предметом дальнейшего изложения.

...


Архивариус Бизнес-планы Типовые серии Норм. документы Литература Технол. карты Программы Серии в DWG, XLS