М.1.3. Какие задачи ставятся в механике грунтов?

Часть I

МЕХАНИКА ГРУНТОВ

Главы М.1- М.16

М.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

М.1.1. Какие вопросы рассматриваются в механике грунтов?

Механика грунтов научная дисциплина, в которой изучаются напряженно-деформированное состояние грунтов и грунтовых массивов, условия прочности грунтов, давление на ограждения, устойчивость грунтовых массивов против сползания и разрушения, взаимодействие грунтовых массивов с сооружениями и ряд других вопросов. Механика грунтов является составной частью геомеханики.

М.1.2. На результаты исследований каких дисциплин опирается механика грунтов?

Механика грунтов опирается на результаты научных исследований в области механики сплошных сред (сопротивления материалов, теории упругости, теории пластичности), инженерной геологии, инженерной гидрогеологии, гидравлики и гидромеханики, а также на результаты других инженерных дисциплин.

М.1.3. Какие задачи ставятся в механике грунтов?

Задачи прогноза механического поведения грунтов и грунтовых массивов. Для этого производятся:

- установление физических и механических свойств грунтов и возможности их использования в нужных целях, а в случае необходимости, и улучшение строительных свойств грунтов;

- определение напряженнодеформированного состояния грунтовых массивов, возможного его изменения в последующем;

- определение общей устойчивости этих массивов, взаимодействующих с инженерными сооружениями, или непосредственно устойчивости их самих, если они являются сооружениями.

Таким образом, основная задача - это оценка состояния в настоящий момент и прогноз дальнейшего поведения грунтов и массивов из них, прогноз происходящих в них процессов.

М.1.4. Какие основные задачи стоят перед фундаментостроением?

Фундаменты зданий и сооружений должны быть:

- технически выполнимыми в данных конкретных условиях;

- наиболее подходящими для данного объекта;

- удовлетворяющими эксплуатационным требованиям;

- экономически оптимальными;

- удовлетворяющими требованиям безопасности;

- удовлетворяющими экологическим требованиям.

Должны учитываться естественные и технологические процессы, связанные со строительством и существованием фундаментов в пределах сроков, установленных для нормальной эксплуатации зданий или сооружений.

М.1.5. Что называется основанием?

Основанием называется массив грунта, находящийся непосредственно под сооружением и рядом с ним, который деформируется от усилий, передаваемых ему с помощью фундаментов. Если строительные свойства грунтов основания мы специально не улучшаем и не изменяем, то такое основание называется естественным в отличие от искусственного основания, в котором строительные свойства грунтов преднамеренно нами улучшены для того, чтобы уменьшить сжимаемость грунтов, увеличить их прочность, изменить водопроницаемость и др.

Основания, созданные искусственно уложенными грунтами в результате отсыпки с уплотнением или намыва, также называются искусственными.

М.1.6. Что называется фундаментом?

Фундаментом называется подземная или подводная часть здания или сооружения, служащая для передачи усилий от него на грунты основания и, по возможности, более равномерного их распределения, а также уменьшения величины давлений до требуемых значений.

М.1.7. В каких областях строительства используются результаты механики грунтов?

В основном результаты механики грунтов используются в строительстве:

- в промышленном и гражданском;

- в гидротехническом;

- транспортном (автодорог и железных дорог);

- мостов;

- аэродромов;

- подземном;

- военных объектов и объектов специального назначения;

- сельскохозяйственном;

- линейных объектов (линий электропередач, трубопроводов);

- объектов энергетического хозяйства.

М.1.8. С какими дисциплинами строительного профиля в основном связано фундаментостроение?

Фундаментостроение в основном связано со следующими дисциплинами: строительная механика; сопротивление материалов; технология строительного производства; экономика строительства; механизация; экология строительства; строительные материалы; инженерная геология; инженерная гидрогеология; механика грунтов; математическая статистика; теория надежности; техника безопасности строительства и др.

М.1.9. Когда и где в нашей стране вышел первый курс "Основания и фундаменты"?

Первый курс "Основания и фундаменты" был издан в России в Петербурге в 1869 г. Автором был профессор, военный инженер Николаевской инженерной академии В.М.Карлович (18341892). Им также был издан в 1891 г. "Курс строительной механики". Широко был известен "Краткий курс оснований и фундаментов" профессора В.И.Курдюмова (18531904), выдержавший три издания в 1891, 1902 и 1916 годах

М.1.10. Когда вышла в России первая книга по механике грунтов и кто ее автор?

Первой фундаментальной книгой по механике грунтов следует считать монографию профессора К.Терцаги (18831963), вышедшую в 1925 г. и переведенную под названием "Строительная механика грунтов". Она издана в 1933 году под редакцией и с примечаниями Н.М.Герсеванова.

М.1.11. Когда в нашей стране впервые вышел учебник по курсу "Механика грунтов"?

Первый учебник "Основы механики грунтов" был издан в 1934 г. Его автор профессор Н.А.Цытович (19001984). Этот учебник автором далее неоднократно дополнялся и переиздавался в 1940, 1951 и 1963 годах. В последующем четыре раза издавался его краткий курс "Механика грунтов" в 1969, 1973, 1979 и 1983 годах.

М.1.12. В каких наших учебниках по дисциплине "Основания и фундаменты", изданных в последнее время, имеются обстоятельные разделы, посвященные механике грунтов?

Разделы по механике грунтов с подробным изложением ее основ имеются в учебниках: Ухов С.Б. и др. "Механика грунтов, основания и фундаменты", изд. АСВ, Москва, 1994 г., а также Б.И.Далматов "Механика грунтов, основания и фундаменты", Стройиздат, Ленинград, 1988 г.

М.2. ГРУНТЫ

М.2.1. Как подразделяются по своему происхождению горные породы?

По своему происхождению они подразделяются на:

- магматические, изверженные, образовавшиеся в результате застывания магмы; они имеют кристаллическую структуру и классифицируются как скальные грунты;

- осадочные; они образовались в результате разрушения и выветривания горных пород с помощью воды и воздуха и образуют скальные и нескальные грунты;

- метаморфические, которые образовались в результате действия на метаморфические и осадочные породы высоких температур и больших давлений; они классифицируются как скальные грунты.

М.2.2. В результате каких процессов образовались нескальные грунты?

Нескальные грунты образовались в результате длительного физического и химического выветриваний прочных осадочных скальных пород, вызвавших их разрушение.

М.2.3. Как по своему происхождению можно подразделить осадочные отложения?

Осадочные отложения подразделяются на континентальные и морские. К морским относятся отложения как современных, так и древних морей. Морские отложения - это глины, илы, ракушечники. Для них характерно засоление.

М.2.4. К каким геологическим системам относятся грунты?

Грунты чаще всего являются наиболее "молодыми" осадочными отложениями и относятся к четвертичной геологической системе.

М.2.5. Какие основные группы грунтовых образований вы можете назвать?

Грунты образуются из:

- первичных минералов (кварц, полевые шпаты, слюда и др.);

- вторичных глинистых минералов (монтмориллонит, каолинит), образовавшихся в процессе выветривания горных пород;

- солей (сульфатов, карбонатов);

- органических веществ.

М.2.6. Какие вы можете назвать генетические типы континентальных отложений?

В континентальных отложениях выделяют: аллювий (перенесен речными водными потоками); делювий(откладывается у склонов вблизи места возникновения); элювий (залегает в месте возникновения); эоловые отложения (перенос частиц осуществляется ветром); ледниковые и водноледниковые отложения.

М.3. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И КЛАССИФИКАЦИОННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ НЕСКАЛЬНЫХ ГРУНТОВ

М.6.3. Чему равны боковые напряжения от собственного веса грунта? Что называется коэффициентом бокового давления грунта в условиях естественного залегания? Может ли коэффициент бокового давления грунта в условиях естественного залегания быть более единицы?

Боковые напряжения s х составляют обычно долю от вертикальных, то есть s _х =x ₀s _z. Коэффициент бокового давления грунта в условиях его естественного залегания x ₀ равен отношению бокового давления s _x к вертикальному s _z. (а не отношению приращений этих давлений), то есть не следует путать x ₀ и x. Коэффициент x ₀ может быть как больше, так и меньше единицы.

М.6.4. Как связаны между собой коэффициент бокового давления грунта x и коэффициент бокового давления в условиях естественного залегания x ₀? От чего зависит величина x ₀?

Значение x может лишь совпадать с величиной x ₀. Для сыпучего грунта, у которого удельное сцепление c отсутствует, можно назвать следующие пределы для x ₀:

x £ x ₀£ 1/x.

Для связного грунта эти пределы еще больше и поэтому можно считать, что

то есть практически коэффициент x ₀ может быть любым. Величина x ₀ зависит от условий образования массива и тех геологических процессов, которые протекали в течение длительного времени. Опытное определение величины x ₀ затруднительно. Часто считается, что x ₀=1, так как все тела "текут" с определенным, часто весьма малым коэффициентом вязкости.

М.6.5. Начертите эпюру распределения вертикальных напряжений в массиве грунта от собственного веса:

- если сверху более легкий грунт;

- если сверху более тяжелый грунт;

- при наличии в слое уровня грунтовой воды;

- при наличии водоупора;

см.также ответы на вопрос М.6.1.

1. Если сверху более легкий грунт, то график сверху более крутой, в нижней - более пологий.

2. При более тяжелом грунте сверху в верхней части график более пологий, в нижней - более крутой.

3. При наличии грунтовой воды, так как g _sb <g, эпюра имеет вид такой же, как и в случае 2.

4. На водоупоре имеет место скачок в эпюре напряжений s _z (см. рис.М.6.1.).

М.11. ПРОЧНОСТЬ ГРУНТОВ И МЕТОДЫ ЕЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

SМ.12.1. Какой вид имеет кривая зависимости осадки штампа, находящегося на поверхности грунта, от среднего давления? Какой вид имеет та же кривая, полученная при испытании грунта в одометре? Чем они отличаются?

Кривая зависимости осадки штампа имеет выпусклость кверху. Более быстрое нарастание осадки с увеличением нагрузки объясняется процессом выдавливания грунта в стороны от штампа вследствие того, что в этих областях развиваются деформации сдвига. Если наложить на этот график кривую, получаемую в одометре (при соответствующем выборе высоты образца, иначе наклоны будут различными), то она будет характеризоваться нарастающей вогнутостью вверх с увеличением давления, поскольку при этом грунт только уплотняется (сдвигов нет) в вертикальном направлении, а с ростом плотности сжимаемость уменьшается.

М.13.1. Каким образом записывается условие предельного равновесия в главных напряжениях? Каким образом это условие преобразуется в зависимость, в которую входят все три компонента напряжений (в декартовых координатах)?

Условие предельного равновесия в главных напряжениях имеет вид

С помощью круга Мора и теоремы Пифагора, согласно которой

а также учитывая, что получим следующее условие:

М.13.2*. Сколько неизвестных компонентов напряжений мы имеем в случае плоской задачи, осесимметричной задачи, пространственной задачи в общем случае?

В случае плоской задачи мы имеем три неизвестных компонента напряжений, в случае осесимметричной задачи четыре, а для пространственной задачи в общем случае шесть компонентов напряжений.

М.13.3*. Какие дополнительные зависимости привлекаются к уравнениям равновесия в теории предельного равновесия сыпучей среды в плоской, осесимметричной и пространственной задачах и сколько этих дополнительных зависимостей?

К двум уравнениям равновесия в случае плоской задачи привлекается одно условие, связывающее компоненты напряжений, - условие предельного равновесия. В случае осесимметричной задачи к двум уравнениям равновесия (проекции на оси координат) привлекается также одно условие предельного равновесия, а дополнительным, поскольку компонентов в уравнениях четыре, является условие равенства между собой двух главных напряжений (промежуточное равно минимальному или максимальному). В случае пространственной задачи мы имеем три уравнения равновесия и одно уравнение предельного равновесия - таким образом, не хватает двух уравнений.

М.13.4*. В каких случаях общая система уравнений теории предельного равновесия является замкнутой? В каких случаях и сколько уравнений не хватает для получения замкнутости системы? Что называется условием "полной" и "неполной" сыпучести?

В случае плоской задачи система оказывается полностью замкнутой. В случае осесимметричной задачи не хватает одного уравнения и привлекается условие "полной сыпучести" путем приравнивания промежуточного главного напряжения минимальному или максимальному, после чего система становится замкнутой. Если не привлечь этого условия, то система будет незамкнутой (неполной). В случае пространственной задачи не хватает двух уравнений и система оказывается незамкнутой.

М.13.5*. Чему равен порядок системы дифференциальных уравнений в частных производных? Какой порядок имеет система дифференциальных уравнений теории упругости (плоская задача) и теории предельного равновесия сыпучей среды?

Порядок системы дифференциальных уравнений в частных производных равен сумме порядков входящих в нее уравнений. Система дифференциальных уравнений теории упругости имеет четвертый порядок, а система уравнений теории предельного равновесия - второй порядок, так как уравнение предельного равновесия включает только компоненты напряжений, но не их производные. Это уравнение второй степени, но нулевого порядка.

М.13.6. Что дают нам произвольные постоянные интегрирования и произвольные функции интегрирования, получаемые в результате решения основной системы уравнений теории упругости и теории предельного равновесия сыпучей среды?

Произвольные постоянные интегрирования позволяют из общего решения системы обыкновенных дифференциальных уравнений получить частное решение, удовлетворяющее краевым условиям. Произвольные функции, получающиеся в результате интегрирования системы дифференциальных уравнений в частных производных, позволяют получить частное решение, удовлетворяющее граничным условиям рассматриваемой задачи. В теории упругости и в теории предельного равновесия это - напряжения на границе области. Вдоль участка границы возможно задать два граничных условия - в теории предельного равновесия это нормальное и тангенциальное напряжения на границе. В теории упругости граничные условия могут быть заданы в напряжениях или перемещениях, могут быть и смешанного типа.

М.13.7*. Чем отличаются дифференциальные уравнения гиперболического, параболического и эллиптического типов? Что называется характеристикой дифференциального уравнения и как ее найти? Сколько существует характеристик?

Характеристикой дифференциального уравнения называется линия на плоскости, вдоль которой частные производные не могут быть однозначно определены (детерминант оказывается равным нулю). Характеристики системы дифференциальных уравнений могут быть найдены путем приравнивания всех детерминантов системы нулю. Система гиперболического типа (теория предельного равновесия сыпучей среды) имеет два семейства действительных характеристик, система параболического типа (теория фильтрационной консолидации) - одно и система эллиптического типа (теория упругости) - два семейства мнимых характеристик.

М.13.8*. С чем совпадают характеристики системы дифференциальных уравнений теории предельного равновесия сыпучей среды? Сколько систем характеристик мы имеем в плоской задаче теории предельного равновесия?

Характеристики системы дифференциальных уравнений теории предельного равновесия сыпучей среды совпадают с линиями скольжения. В плоской задаче мы имеем два семейства характеристик, следовательно, два семейства линий скольжения, вдоль которых выполняется условие .

М.14.14. Какой вид имеет эпюра реактивных давлений под подошвой стены и с помощью какого приема ее можно сделать более равномерной? Для какой цели нужно иметь более равномерную эпюру реактивных давлений?

Эпюра реактивных давлений принимается линейной (трапеция). Более равномерной ее можно сделать, увеличив выступ консоли у лицевой стороны стены. Чем равномернее эпюра давлений, тем меньше вероятность перекоса стены вследствие осадки грунта основания.

М.14.15*. Что представляет собой явление "навала" подпорной стены на грунт и от чего он возникает? Всегда ли следует его учитывать?

Явление "навала" подпорной стены на грунт связано с ее неравномерной осадкой и наклоном задней грани вследствие этой осадки в сторону засыпки (рис.М.14.15). В результате давление становится больше активного и это обстоятельство следует учитывать при расчете самой стены на прочность. Навал стены целесообразно учитывать только при высоких подпорных стенках.

Рис.М.14.15. Влияние навала высокой стены на грунт на давление на нее: а - схема перемещения стены; б - эпюра давления:1 - активное давление; 2 - пассивное давление; 3 - расчетное с учетом навала

М.14.16. Какой вид приобретает эпюра активного давления грунта с учетом явления "навала" и после трамбования засыпки? Использование какого грунта для засыпки уменьшает активное давление на стенку?

С учетом навала эпюра давления увеличивается и занимает промежуточное положение между эпюрой активного и пассивного давления (см. рис.М.14.15,б). Практически давление увеличивается до 10-15 % (на высокую стену). Такое же изменение в эпюре вызывает уплотнение засыпки трамбованием (этот эффект учитывается на глубину уплотнения). Чем больше угол внутреннего трения в грунте засыпки, тем меньше активное давление. Поэтому использование крупнообломочного грунта или крупного песка приводит к уменьшению активного давления грунта.

М.14.17*. Почему нужен дренаж за стеной и каким образом влияет наличие воды в засыпке на общее активное давление грунта на стену?

Дренаж за стеной нужен потому, что он снимает давление воды на стену и уменьшает фильтрационное противодавление на подошву грунта. При наличии дренажа увеличивается устойчивость стены. Несмотря на то, что в случае обводнения грунт "становится легче" за счет взвешивания скелета в воде, давление воды больше, чем это "облегчение", и суммарное давление обводненного грунта на стену больше, чем необводненного.

Ординаты эпюры давления s _x при гладкой стене и горизонтальной засыпке равны

Здесь второе слагаемое зависит от давления воды.

М.14.18*. Каким образом отличается давление грунта на стену "по Кулону" от давления по теории предельного равновесия (активное и пассивное)?

Активное давление может быть равно давлению "по Кулону" или быть больше его (на несколько процентов). Пассивное давление может быть равно давлению "по Кулону" или резко превышать его (в отдельных случаях даже в три раза).

М.14.19*. Какие предположения делаются при расчете гибких подпорных стен? Что такое "коэффициент постели"?

При расчете гибких подпорных стен предполагается, что ордината эпюры бокового давления грунта на стену связана с прогибом стены в этом месте - чем больше прогиб, тем меньше давление. Коэффициент постели - это коэффициент пропорциональности между перемещением и давлением, имеющий размерность, совпадающую с размерностью удельного веса.

М.14.20*. Как рассчитывается подпорная стена с ломаной задней гранью?

Cтена продолжается до верха и рассчитывается как будто наклон задней грани всюду одинаков, а затем из этой эпюры используется только та часть, которая приходится на фактически существующий участок стены. В целом эпюра получается ломаной.

М.15. ОТКОСЫ

Часть I. Механика грунтов

• М.1. Общие сведения
• М.2. Грунты
• М.3. Физические свойства и классификационные показатели нескальных грунтов
• М.4. Деформационные свойства грунтов
• М.5. Фильтрационные свойства грунтов
• М.6. Распределение напряжений в грунтовых массивах
• М.7. Распределение напряжений в случае действия сосредоточенных сил
• М.8. Распределение напряжений при действии местной равномерно-распределенной нагрузки
• М.9. Расчет деформаций оснований сооружений
• М.10. Деформации грунтовых оснований во времени
• М.11. Прочность грунтов и методы ее определения
• М.12. Оценка прочности оснований сооружений
• М.13. Теория предельного равновесия грунтов
• М.14. Расчет давления грунтов на ограждения
• М.15. Откосы
• М.16. Динамические свойства грунтов

 

Часть I

МЕХАНИКА ГРУНТОВ

Главы М.1- М.16

М.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

М.1.1. Какие вопросы рассматриваются в механике грунтов?

Механика грунтов научная дисциплина, в которой изучаются напряженно-деформированное состояние грунтов и грунтовых массивов, условия прочности грунтов, давление на ограждения, устойчивость грунтовых массивов против сползания и разрушения, взаимодействие грунтовых массивов с сооружениями и ряд других вопросов. Механика грунтов является составной частью геомеханики.

М.1.2. На результаты исследований каких дисциплин опирается механика грунтов?

Механика грунтов опирается на результаты научных исследований в области механики сплошных сред (сопротивления материалов, теории упругости, теории пластичности), инженерной геологии, инженерной гидрогеологии, гидравлики и гидромеханики, а также на результаты других инженерных дисциплин.

М.1.3. Какие задачи ставятся в механике грунтов?

Задачи прогноза механического поведения грунтов и грунтовых массивов. Для этого производятся:

- установление физических и механических свойств грунтов и возможности их использования в нужных целях, а в случае необходимости, и улучшение строительных свойств грунтов;

- определение напряженнодеформированного состояния грунтовых массивов, возможного его изменения в последующем;

- определение общей устойчивости этих массивов, взаимодействующих с инженерными сооружениями, или непосредственно устойчивости их самих, если они являются сооружениями.

Таким образом, основная задача - это оценка состояния в настоящий момент и прогноз дальнейшего поведения грунтов и массивов из них, прогноз происходящих в них процессов.