Введение

Механика грунтов является одной из основных инженерных дисциплин для студентов всех строительных специальностей. Ее значение можно сравнить лишь со значением курса "Сопротивление материалов".

Механика грунтов является одним из составных разделов геомеханики, в основу которой положены, с одной стороны, законы теоретической механики – механики абсолютно твердых несжимаемых тел, а с другой - законы строительной механики – упругости, пластичности, ползучести. Однако следует отметить, что знание закономерностей теоретической механики и строительной механики для механики грунтов как науки необходимо, но недостаточно. К этим закономерностям нужно добавить зависимости, вытекающие из особенностей работы грунтов под нагрузкой: сжимаемость, водопроницаемость, контактную сопротивляемость сдвигу и структурно-фазовую деформируемость грунтов. Кроме перечисленных дисциплин, для усвоения курса необходимо знание основных разделов высшей математики и физики, инженерной геологии, инженерной гидрогеологии, гидравлики и гидротехники, теории надежности и других инженерных дисциплин.

В механике грунтов рассматриваются закономерности работы под нагрузкой рыхлых горных пород коры выветривания литосферы (крупнообломочные, песчаные, пылевато-глинистые, органогенные и техногенные грунты), прочность связей которых во много раз меньше прочности самих минеральных частиц. Грунты основания обычно обладают в сотни раз меньшей прочностью и иногда в тысячу раз большей деформируемостью, чем материалы, из которых возводятся здания и сооружения. Поэтому неправильная оценка физико-механических свойств грунтов и их напластования может привести к большим деформациям конструкций сооружения, а иногда и к их разрушению.

Задачами курса "Механика грунтов" являются:

- правильная оценка физико-механических свойств грунтов во всем их многообразии;

- определение напряженно-деформированного состояния грунтового массива от собственного веса, нагрузки, передаваемой от зданий и сооружений, и других факторов;

- оценка прочности грунтов, устойчивости грунтовых массивов против сползания, разрушения и давления грунта на ограждающие конструкции;

- прогноз полных осадок зданий и сооружений, разности осадок отдельных фундаментов, осадок во времени;

- расчет оснований фундаментов по предельным состояниям.

Первой фундаментальной теоретической работой по механике грунтов следует считать работу Ш.Кулона (1773) о давлении грунта на подпорные стенки. В 1798 г. академик Н.И.Фус установил зависимость между деформациями и местной нагрузкой. В 1885 г. был опубликован труд проф. Ж.Буссинеска "О распределении напряжений в упругой почве от сосредоточенной силы". В 1889 г. профессор В.И.Курдюмов провел интересные опыты по выявлению распределения деформаций в массиве грунта от нагрузки, приложенной к поверхности.

В 1915 г. проф. П.А.Миняев впервые применил теорию упругости к расчету напряжений в сыпучих грунтах. В 1923 г. проф. Н.П.Пузыревский предложил "Общую теорию напряженности землистых грунтов", а академик Н.Н.Павловский в этом же году в работе "Теория движения грунтовых вод" заложил основы современных расчетов по проблемам фильтрации.

Первой фундаментальной книгой по механике грунтов следует считать монографию заведующего кафедрой механики грунтов, оснований и фундаментов Венского технического университета профессора К.Терцаги "Строительная механика грунтов", изданную в 1925 г.

Большим вкладом в современную механику грунтов были работы проф. Н.М.Герсеванова "Основы динамики грунтовой массы" (1931, 1933) и труды профессора В.А.Флорина (1936-1938), обобщенные в монографии "Основы механики грунтов" (т. 1 и 2, 1959, 1961), в которой сформулированы дифференциальные уравнения плоской и пространственной задач фильтрационной консолидации с учетом сжимаемости поровой воды, ползучести скелета грунта, переменности характеристик грунта. Благодаря многочисленным теоретическим и экспериментальным исследованиям, выполненным Н.М.Герсевановым, Н.А.Цытовичем, Н.Н.Масловым, Д.Е.Польшиным, М.И.Горбуновым-Посадовым, А.А.Ничипоровичем, К.Е.Егоровым, М.Н.Гольдштейном, Б.И.Далматовым, А.А.Бартоломеем, Ю.К.Зарецким, З.Г.Тер-Мартиросяном и многими другими, разработаны методы прогноза осадок зданий и сооружений и метод расчета фундаментов по предельным деформациям оснований.

Работы Г.Е.Паукера, М.Леви, Л.Прандтля, В.В.Соколовского, С.С. Голушкевича, В.Г.Березанцева позволили создать основы современной теории предельного равновесия сыпучих сред.

Многочисленные исследования посвящены совместной работе сооружений со сжимаемым грунтовым основанием. Этими вопросами занимались академик А.Н.Крылов, профессора Г.Э.Проктор, М.И.Горбунов-Посадов, Б.Д.Васильев, Б.Н.Жемочкин, А.П.Синицын, В.И.Соломин, С.С.Давыдов, И.А.Символиди, С.Н.Клепиков, А.П.Пшеничкин, А.Б.Фадеев и др.

Исследованием свойств и деформируемости структурно неустойчивых грунтов занимались: лессовых грунтов – Ю.М.Абелев, Н.Я.Денисов, А.К.Ларионов и др.; вечномерзлых грунтов – Н.А.Цытович, С.С.Вялов, М.Н.Гольдштейн; торфянистых грунтов – Л.С.Аморян, Н.Н.Моррескули и другие.

Член-корреспондент АН СССР, профессор Н.А.Цытович издал в 1934 г. первый в мире учебник "Основы механики грунтов", который дополнялся и переиздавался в 1940, 1951 и 1963 годах, а в 1969, 1973, 1979 и 1983 гг. издавался его краткий курс "Механика грунтов", который по оценке многих наших и зарубежных специалистов считается одним из лучших в мире учебников по механике грунтов. В 1934 г. была издана также книга Н.Н.Иванова и В.В.Охотина "Дорожное почвоведение и механика грунтов".

В настоящее время заслуженное признание научно-педагогической общественности получили учебники Б.И.Далматова "Механика грунтов, основания и фундаменты" (1981, 1988), П.Л.Иванова "Грунты и основания гидротехнических сооружений. Механика грунтов" (1991), С.Б.Ухова и др. "Механика грунтов, основания и фундаменты" (1994), "Основания и фундаменты транспортных сооружений" под редакцией проф. Г.П.Соловьева (1996), учебник "Механика грунтов, основания и фундаменты" М.В.Малышева и Г.Г.Болдырева (1999). В этих учебниках подробно изложены основные разделы механики грунтов.

Настоящий конспект лекций является первой частью курса лекций по дисциплинам "Механика грунтов" и "Основания и фундаменты", прочитанного автором в разные годы студентам специальностей "Промышленное и гражданское строительство", "Строительство автомобильных дорог и аэродромов", "Мосты и транспортные тоннели".

При написании этой книги использованы материалы лекций таких замечательных педагогов, как Л.И.Корженко, П.Г.Кузьмина, Н.А.Цытовича, учебники Н.А.Цытовича, Б.И.Далматова, С.Б.Ухова и др., М.В.Малышева и Г.Г.Болдырева и другие источники.

В заключение хотелось бы пожелать студентам уяснить простую истину, что более 70% всех аварий зданий, сооружений, насыпей, дорог, мостов, плотин ГЭС произошли из-за ошибок, допущенных при инженерно-геологических изысканиях, оценке физико-механических свойств грунтов, производстве работ нулевого цикла и эксплуатации.

В связи с увеличением этажности жилищного строительства, нагрузки на фундаменты промышленных и транспортных сооружений, строительства этих объектов в сложных инженерно-геологических условиях роль механики грунтов в деятельности инженеров строителей будет с каждым годом возрастать.