36

В.Е. Шутов

Курс лекций

МЕХАНИКА

ГРУНТОВ

Недра

2005

Введение

Механика грунтов является одним из разделов строительной механики, в основу которой положены как законы те­оретической механики (механики твер­дых - абсолютно несжимае­мых тел), так и закономерности деформируе­мых тел (законы упру­гости, пластичности, ползучести).

Если же к зависимостям теоретической ме­ханики и строительной механики сплошных деформируемых тел добавить закономерности, описывающие свой­ства, обусловленные раздробленностью грунтов (сжимаемость, водопроницае­мость, кон­тактную сопротивляемость сдвигу и структурно-фазовую деформи­руемость), то рассматривая грунты как природные дисперсные тела в нераз­рывной связи с условиями их формирования и полном взаи­модействии с окру­жающей физико-геологической средой, можно построить механику грунтов как науку.

Грунтами называются все «рыхлые горные породы» (термин геологический) коры выветривания каменной оболочки Земли (литосферы) - несвязные (сыпу­чие) или связные, прочность связей которых во много раз меньше прочности самих минераль­ных частиц.

Характернейшей особенностью грунтов как природных тел является их раз­дробленность, дисперсность, что коренным об­разом отличает грунты от скаль­ных (массивно-кристаллических, метаморфических, осадочных и пр.), весьма прочных пород. Мине­ральные агрегаты и зерна скальных пород спаяны между собой и имеют жесткие (кристаллизационные, цементационные и т. п.) вну­т­ренние связи, прочность которых того же порядка, что и прочность самих ми­неральных зерен.

Существенное значение для оценки грунтов как оснований со­оружений имеет мощность грунтовой толщи, залегающей на корен­ных скальных породах. Мас­сив грунта, расположенный под подошвой фундамента сооружений, называ­ется основанием.

Верхний слой природных грунтов, измененный совместным дей­ствием кли­мата, воды и газов, растительных и животных организ­мов и обогащенный гу­мусом, представляет собой особое структур­ное органо-минеральное образова­ние - почву.

В механике грунтов рассматриваются в основном минеральные грун­ты - природные дисперсные материалы - и лишь в отдельных слу­чаях - скальные породы и органо-минеральные образования.

Первой фундаментальной работой по механике грунтов следует счи­тать ис­следование К. Кулона (Франция, 1773 г.) по теории сыпу­чих тел, которое дол­гие годы являлось почти единственной инже­нерной теорией, с успехом приме­няемой на практике при расчете давления грунтов на подпорные стенки.

В 1885 г. был опубликован (также во Франции) труд проф. Ж. Буссинеска «О распределении напряжений в упругой почве от сосредоточенной силы», ко­то­рый впервые был использован в меха­нике грунтов советскими учеными (Н. Н. Ивановым и др.) и в даль­нейшем положен в основу определения напряже­ний в грунтах при различном их нагружении.

Следует констатировать, что уже в 1915 г. проф. П. А. Миняев применил теорию упругости к расчету напряжений в сыпучих грун­тах, а в 1923 г. проф. Н. П. Пузыревский предложил «Общую тео­рию напряженности землистых грунтов», разработав применение теории упругости к расчету оснований, и в том же году акад. Н. Н. Павловский в своей фундаментальной работе «Теория движе­ния грунтовых вод» заложил основы современных фильтрационных рас­четов.

Важным этапом в развитии механики грунтов явились исследо­вания проф. К. Терцаги, изложенные в его книгах «Строительная механика грунта на ос­нове его физических свойств» (1925 г., пере­ведена с немецкого языка в 1933 г.) и особенно «Теоретическая ме­ханика грунтов» (1943 г., переведена с англий­ского языка в 1961 г.).

Большим вкладом в современную механику грунтов яви­лись работы проф. Н. М. Герсеванова («Основы динамики грунто­вой массы», 1931, 1933 гг. и др.), в которых он уточнил уравнение одномерной консолидации грунтов, предло­жен­ное Терцаги, сформу­лировал дифференциальные уравнения плоской и про­странственной задач теории консолидации грунтов и разработал некоторые ча­ст­ные их решения, а также рассмотрел большой круг других задач механики грунтов.

Фундаментальные исследования в теории деформаций водонасыщенных грунтов представлены в трудах (1936-1938 гг.) проф. В. А. Флорина, обобщен­ные в монографиях «Основы механики грунтов» (т. 1-й - 1959 г. и т. 2-й - 1961 г.), в которых в удобной форме сформулированы диф­ференциальные уравне­ния плоской и пространственной задач фильтрационной теории консолидации и разработаны общие мето­ды их решения в конечных разностях. В. А. Флори­ным значительно развита теория консолидации и даны решения задач с от­дельным учетом сжимаемости поровой воды, ползучести скелета грунта, пе­ре­менности характеристик и пр.

Исследованию совместной работы сооружений и сжимаемых грунтов осно­ваний посвящены труды акад. А. Н. Крылова, профессоров Г. Э. Проктора, М. И. Горбунова-Посадова, Б. Н. Жемочкина, А. П. Синицына, С. С. Давыдова, И. А. Симвулиди и др.

Наконец, следует указать, что в нашей стране впервые были сформули­ро­ваны основы механики грунтов, как новой отрасли науки и был издан в 1934 г. первый курс лекций проф. Н. А. Цытовича «Основы механики грун­тов». Этим же автором в 1973 г. было опубликовано в издательстве «Высшая школа» учеб-ное пособие «Механика мёрзлых грунтов».

Роль механики грунтов как инженерной нау­ки огромна, и ее можно сравнить лишь с ролью дисциплины «Со­противление материалов». Без знания основ ме­ханики грунтов не представляется возможным правильно спроектировать и по­строить со­времен­ные строительные конструкции, предназначенные для транс­порта и хранения нефти, нефтепродуктов и природного газа.

Применение механики грунтов позволяет инженеру-проектировщику более полно использо­вать несу­щую способность грунтов, достаточно точно учиты­вать осадки грунтовых ос­нова­ний под действием нагрузок и воздействий, воз­никающих при эксплуатации технологических объектов транспорта и хране­ния нефти и газа, что обусловливает принятие не только наиболее безо­пасных, но и экономичных решений.

В дальнейшем по мере освоения богатейших месторождений нефти и при­родного газа в районах Крайнего Севера нашей страны, где преобладают веч­номёрзлые грунты с нестабильными физико-механическими свойствами, роль механики грунтов в инженерном деле будет возрастать, позволяя все больше и лучше использовать основные научные положения этой дисциплины в строи­тельной практике.