Сибирский государственный университет путей сообщения

Ю.И. Соловьев, К.В. Королев

Ю.П. Смолин, А.М. Караулов

МЕХАНИКА ГРУНТОВ

ЭЛЕКТРОННЫЙ УЧЕБНИК ПРЕДНАЗНАЧЕН ДЛЯ СТУДЕНТОВ

Строительных специальностей вузов

НОВОСИБИРСК 2009

УДК 624.131

   

Соловьев Ю.И., Королев К.В., Смолин Ю.П., А.М. Караулов Мехника грунтов.: Учебник. — Новосибирск: 2009

Стр. 231. Табл. 26. Ил. 87. Библиогр.: 14 назв

Освещены основные положения механики грунтов. Рассмотрены физические и механические свойства грунтов, задачи определения напряжений и деформаций, теория устойчивости и основы теории фильтрационной консолидации грунтов. Дается представление о численных методах расчета в механике грунтов.

Ответственный редактор канд. техн. наук, проф. А.М. Караулов

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 6

1. Предмет и задачи механики грунтов 10

   1. Грунты и горные породы. Общая классификация грунтов 10

   2. Основные задачи механики грунтов и связь с другими дисциплинами 12

2. Физические свойства грунтов 14

   1. Составные части грунтов и их свойства 14

      1. Грунт как многокомпонентная среда 14

      2. Твердая фаза. Определение вида несвязных грунтов 14

      3. Жидкая фаза 17

      4. Газообразная фаза 19

      5. Структурные связи в грунтах 20

   2. Фазовые характеристики грунтов 21

      1. Общие положения 21

      2. Основные фазовые характеристики и методы их определения 43

      3. Производные фазовые характеристики 23

      4. Нормативные и расчетные значения фазовых характеристик 26

   3. Пластичность и консистенция. Определение вида глинистых грунтов 27

   4. Оптимальная влажность и максимальная плотность 30

   5. Водопроницаемость грунтов. Закон Дарси 31

      1. Закон Дарси и пределы его применимости

      2. Гидродинамическое давление в грунтах. Суффозия и кольматаж

   6. Особенности физических свойств мерзлых грунтов

3. Механические свойства грунтов

   1. Общая характеристика поведения грунта под нагрузкой

   2. Основные расчетные модели грунта

      1. Модель линейно-деформируемого тела. Принцип линейной деформируемости грунта. Обобщенный закон Гука

      2. Модель жесткопластического тела. Прочность грунта. Закон Кулона и условие прочности КулонаМора

      3. Понятие об упругопластических и упруговязкопластических моделях грунта

      4. Понятие о консолидирующемся грунте. Двухфазная модель грунта. Принцип эффективных напряжений Терцаги

   3. Компрессионные испытания грунтов. Определение деформационных характеристик

   4. Сдвиговые испытания грунтов. Определение прочностных характеристик

   5. Ползучесть глинистых грунтов при сдвиге. Мгновенная и длительная прочность грунта

   6. Стабилометрические испытания грунтов. Определение механических характеристик грунта

   7. Особенности механических свойств структурно-неустойчивых грунтов

      1. Просадочность грунтов

      2. Особенности механических свойств мерзлых грунтов

   8. Полевые методы исследования механических свойств грунтов

      1. Общие сведения

      2. Определение модуля деформации грунта методом штамповых испытаний

      3. Прессиометрический метод определения модуля деформации

      4. Определение сопротивления сдвигу методом лопастного среза (метод крыльчатки)

      5. Статическое и динамическое зондирование

4. Теория линейно-деформируемой среды

   1. Три фазы деформирования грунта по Н.М. Герсеванову

   2. Постановка плоской и пространственной задач теории линейно-деформируемой среды

      1. Пространственная и плоская задачи

      2. Основные гипотезы

      3. Постановка плоской задачи

      4. Постановка пространственной задачи

   3. О решении задач теории линейно-деформируемой среды

      1. Цель решения задачи

      2. Определяющие уравнения. Уравнение совместности

      3. О методах решения задач теории линейно-деформируемой среды

      4. Понятие о бытовых и дополнительных напряжениях

   4. Задача о природном напряженном состоянии основания.

   5. Плоская задача определения напряжений от внешних нагрузок

      1. Задача о погонной нагрузке (задача Фламана, 1892 г.)

      2. Задача о произвольной полосовой нагрузке

      3. Задача о равномерной полосовой нагрузке (задача Мичелла, 1902 г.)

      4. Задача о треугольной полосовой нагрузке

      5. Задача о погонных нагрузках, приложенных на некоторой глубине внутри основания (задача Мелана, 1932)

   6. Пространственная задача определения напряжений от внешних нагрузок

      1. Задача о сосредоточенной силе (задача Буссинеска, 1885 г.)

      2. Задача о произвольном нормальном давлении

      3. Задача о равномерном давлении (задача Лява-Короткина 1929 г., 1938 г). Формула Шлейхера

      4. Метод угловых точек

      5. Задача о сосредоточенных силах, приложенных на некоторой глубине внутри основания (задача Миндлина, 1936 г.)

   7. Практические методы расчета осадок оснований

   8. Контактная задача

      1. Модель основания ФуссаВинклера

      2. Модель линейно-деформируемого основания

   9. Первая критическая нагрузка по проф. Н.П. Пузыревскому, 1923

5. Теория устойчивости грунтов

   1. Задачи и методы теории устойчивости

      1. Основные задачи теории устойчивости

      2. О методах решения задач теории устойчивости

   2. Теория предельного равновесия грунтов. Несущая способность оснований

      1. Основные гипотезы плоской задачи ТПРГ

      2. Постановка плоской задачи

      3. Каноническая система уравнений плоской задачи

      4. Области простейших предельных состояний грунта

      5. Несущая способность оснований (задача Прандтля, 1920 г.)

      6. О построении осесимметричных решений ТПРГ

   3. Устойчивость откосов и склонов

      1. Предельная высота вертикального откоса

      2. Предельное давление на невесомый откос

      3. Равноустойчивый контур откоса

      4. Расчет устойчивости откосов и склонов методами «отсеков»

   4. Предельное давление грунта на ограждения

      1. Активное давление грунта

      2. Пассивное давление грунта

      3. Определение активного и пассивного давления грунта методом плоских поверхностей скольжения (метод Кульмана)

      4. Пример использования активного и пассивного давления для расчета устойчивости подпорной стенки

6. Основы теории фильтрационной консолидации грунтов

   1. Общие положения теории

   2. Решение уравнения одномерной теории фильтрационной консолидации грунтов

   3. Уравнение двухмерной задачи теории фильтрационной консолидации

   4. Задачи о сосредоточенной силе и водопроницаемых полосовых нагрузках

   5. Расчет осадки в процессе фильтрационной консолидации с использо-ванием метода послойного суммирования

7. Применение численных методов в задачах механики грунтов

   1. Метод численного интегрирования канонической системы уравнений ТПРГ

   2. Решение задач теории фильтрационной консолидации методом конечных разностей

   3. Основы техники вычислений методом конечных элементов

Литература

Введение

Механики грунтов  это отрасль науки, в которой изучаются физикомеханические свойства грунтов и разрабатываются методы расчета устойчивости и деформируемости грунтовых массивов при действии на них как собственного веса, так и внешних нагрузок от инженерных сооружений. В механике грунтов рассматриваются преимущественно рыхлые горные породы коры выветривания литосферы. Формирование механики грунтов как самостоятельной дисциплины обусловлено особенностями внутреннего строения дисперсных пород, сложностью физикомеханических свойств грунтов, а также разнообразием природных условий их залегания.

Эмпирический этап развития механики грунтов, процесс накопления практического опыта использования рыхлых горных пород в качестве оснований сооружений, имеет многовековую историю, неразрывно связанную с общей историей развития строительного производства. Создание специальных методов расчета, начало теоретической механики грунтов было положено в XVIII веке в работах Ш. Кулона (1773 г.), посвященных расчету давления грунта на подпорные стенки и формулировке закона прочности грунта.

В XIX веке был получен ряд основополагающих решений механики грунтов и опубликованы фундаментальные труды по исследованиям грунтовых оснований. Могографии М.С. Волкова «Об основаниях каменных зданий» (1840 г.), В.М. Карловича «Основания и фундаменты» (1869 г.), В.И. Курдюмова «О сопротивлении естественных оснований» (1889 г.) явились значительным вкладом в развитие научных методов фундаментостроения. В этот же период появились решения Ж. Буссинеска (1885 г.) и А. Фламана (1892 г.), которые легли в основу теории напряженного состояния в грунтах.

Научное представление о грунтах и их изучение как многофазных систем было успешно продолжено в XX веке. Обычно становление механики грунтов как природных дисперсных образований связывают с именем К. Терцаги и выходом в свет его книги «Строительная механика грунтов» в 1925 г. В исследованиях отечественных ученых Н.М. Герсеванова, В.А. Флорина и Н.А. Цытовича в 1920…1940-е годы были детально разработаны основные разделы механики грунтов. Идеи Н.М. Герсеванова представлены в его монографии «Основы динамики грунтовой массы». Систематическое изложение классической механики грунтов были впервые дано Н.А. Цытовичем в учебнике «Основы механики грунтов», изданном в 1934 г., и В.А. Флориным в двухтомной работе «Основы механики грунтов», изданной в 1959 … 1961 г. Теория напряженного состояния грунтов и уплотнения водонасыщенных глинистых оснований, представленные в указанных работах, были дополнены созданной В.В. Соколовским теорией предельного равновесия грунтов, данной в его монографии «Статика сыпучей среды» (1942 г.).

Во второй половине XX века появилось множество монографий, журнальных статей, посвященных уточнению и развитию определяющих физических уравнений состояния грунтов (например, работы Н.Н. Маслова, В.Г. Березанцева, К.Е. Егорова, МИ. Горбунова-Посадова, М.Н. Гольдштейна, Д.Д. Баркана, С.С. Вялова, Б.И. Далматова, З.Г. Тер-Мартиросяна, Ю.К. Зарецкого, М.В. Малышева, Ю.И. Соловьева, П.Л. Иванова, А.К. Бугрова, А.Б. Фадеева, В.Г. Федоровского и др). Для решения задач механики грунтов все шире стали использоваться теории пластичности и ползучести, применяться численные методы решения задач  метод конечных конечных разностей и конечных элементов. Появилось множество программ, позволяющих рассчитывать поведение оснований и конструкций как по классическим схемам, так и в более сложных постановках.

В учебнике изложены основные положения механики грунтов в соответствии с существующими учебными программами для специальностей «Мосты и тоннели» и «Строительство железных дорог». Особое внимание уделялось формулировке исходных положений основных теорий, постановкам задач и, главное, — их соответствию конкретным этапам работы грунта. Формульный аппарат приводится в расширенном виде также с учетом того, что сегодня большинство студентов владеет основами вычислительной техники и может самостоятельно составлять алгоритмы некоторых расчетов.

Учебник построен по традиционной схеме. Глава первая и вторая посвящена основам грунтоведения, в ней приводится подробная классификация грунтов и их физические свойства.

В третьей главе подробно излагаются методики определения деформационных и прочностных характеристик грунтов. Здесь же даются общие сведения об основных моделях грунтов и приводится детальное изложение основной теории прочности, применяемой в механике грунтов,  теории Мора-Кулона.

Четвертая глава посвящена вопросам расчета напряженного состояния грунтовых массивов по теории линейно-деформируемой среды. Общая постановка задач сопровождается необходимыми сведениями из теории упругости. Даются адаптированные решения базовых задач А. Фламана и Ж. Буссинеска. Изложены основы расчета деформаций грунта в основании как линейно-деформируемом полупространстве.

В пятой главе даны основы теории предельного равновесия грунтов. Решения задач теории предельного равновесия приведены в рамках математического аппарата, дающегося студентам строительных специальностей вуза, которые не изучают уравнений математической физики. В основном в учебнике даны методы решения плоских задач теории предельного равновесия. Коротко приведены основные положения осесимметричной задачи.

В шестой главе приведены основные уравнения теории фильтрационной консолидации, являющейся простейшим вариантом теории консолидации грунтов. Приведены решения одномерной и двухмерной задач теории фильтрационной консолидации.

Седьмая глава посвящена численным методам решения задач механики грунтов. Изложены методы численного интегрирования канонической системы уравнений теории предельного равновесия грунтов и задач фильтрационной консолидации методом конечных разностей. Приводится в простейшем виде техника вычислений задач геотехники методом конечных элементов. Авторы старались, чтобы изложение этого важного в настоящее время вопроса было как можно более доступным.

Следует отметить, что механика грунтов находится на стыке целого ряда наук. Большую часть теоретической механики грунтов можно рассматривать как науку, теснейшим образом связанную с «Механикой сплошной среды» и ее основными разделами  «Теорией упругости», «Теорией пластичности», «Теорией ползучести», «Гидродинамикой». Вопросы исследования физико-механических свойств оснований связывают механику грунтов с некоторыми разделами «Физики» и «Химии».

Особо следует выделить взаимосвязь Механики грунтов с циклом дисциплин «Тоннели и метрополитены», в которых рассматриваются многие смежные вопросы, но заостряется внимание в основном на работе конструкций подземных сооружений.

И, наконец, как уже отмечалось, механике грунтов должен предшествовать курс «Инженерной геологии», а сама механика грунтов является теоретической базой для важной инженерной дисциплины «Основания и фундаменты», многие положения которой используются в циклах дисциплин, завершающих подготовку инженера-строителя  «Строительство железных дорог», «Мосты», «Тоннели», «Строительные конструкции» и др.

При подготовке учебника ряд ценных предложений были высказаны профессором кафедры «Геология, основания и фундаменты» СГУПС канд. геол.-мин. наук С.И. Черноусовым и доцентом кафедры «Строительная механика» СГУПС канд. техн. наук В.В. Шушуновым. Авторы выражают им свою признательность.