5  Сооружение в грунтовой среде (тоннель).

Основание  часть грунтового массива, испытывающая воздействие от сооружения (рис. 1.1, а). Заметим, что основание не имеет четких границ, которые возможно определить лишь в конкретной задаче и в конкретном расчете.

По отношению к инженерным сооружениям грунты могут служить:

• основанием зданий и сооружений (рис. 1.1, а);

• материалом для возведения сооружений (рис. 1.1, б);

• средой, в которой возводятся сооружения (рис. 1.1, в).

Исторически сложилось так, что механика грунтов преимущественно рассматривает задачи, описывающие работу грунта по первым двум схемам. Третья схема, помимо механики грунтов, подробно исследуется в курсе «Тоннелей и метрополитенов».

1.2 Основные задачи механики грунтов и связь с другими дисциплинами

Задачи механики грунтов. Все многообразие проблем, рассматриваемых в механике грунтов, можно свести к следующим основным задачам:

1. Исследование физико-механических свойств грунтов, в том числе грунтов структурно-неустойчивых.

2. Определение напряжений и деформаций грунтовых массивов от действия собственного веса и в процессе нагружения внешними силами.

3. Определение прочности грунтов и устойчивости оснований сооружений.

4. Исследование реологических свойств грунтов и изменения напряженно-деформированного состояния во времени.

5. Исследование работы грунтовых массивов при динамических воздействиях.

Таким образом, механика грунтов занимается исследованием физико-механических свойств грунтов и разработкой математических методов описания поведения грунтов и связанных с ними явлений.

Связь механики грунтов с другими дисциплинами. Механика грунтов находится на стыке целого ряда наук.

Большую часть механики грунтов можно рассматривать как науку, теснейшим образом связанную с механикой сплошной среды и ее основными разделами  теорией упругости, теорией пластичности, теорией ползучести, гидродинамикой. Возникнув как строительная наука, механика грунтов использует аппарат и методы других инженерных дисциплин  Сопротивления материалов, Теоретической и Строительной механики. 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 и ментрополитены», «Строительные конструкции» и др.

2. Физические свойства грунтов

2.1 Составные части грунтов и их свойства

2.1.1. Грунт как многокомпонентная среда

Грунты состоят из отдельных минеральных частиц различной крупности и состава. Однако минеральные зерна не занимают всего объема грунта, между частицами остаются пустоты, которые в совокупности образуют поровое пространство. В общем случае часть порового пространства занята поровой жидкостью, а другая часть  поровым газом.

Таким образом, грунт представляет собой трехкомпонентную или трехфазную среду, состоящую из

твердой фазы  минеральная часть или скелет грунта;

жидкой фазы  поровая жидкость, чаще всего вода;

газообразной фазы  газ в поровом пространстве, незаполненном водой.

В мерзлом грунте, кроме того, содержится лед. Он придает грунту специфические свойства, которые приходится учитывать, особенно при строительстве в районах распространения вечномерзлых грунтов. Поскольку лед выделяют как самостоятельную составляющую (фазу), то мерзлый грунт является четырехкомпонентной или четырехфазной системой.

Физико-механические свойства грунта в целом зависят не только от свойств каждой фазы в отдельности, но и от количественного соотношения между ними, а также от их физико-химического взаимодействия. Соотношение между фазами во времени как при действии внешних нагрузок, так и при иных физических воздействиях не остается постоянным. В этой связи грунты рассматриваются как многокомпонентные динамические системы, а взаимодействие между компонентами и их агрегатами во многом определяет поведение грунтов.