Механика грунтов

Определение "Механика грунтов" в Большой Советской Энциклопедии

Механика грунтов, научная дисциплина, изучающая напряженно-деформированное состояние грунтов, условия их прочности, давление на ограждения, устойчивость грунтовых массивов и др. В Механика грунтов рассматривается зависимость механических свойств грунтов от их строения и физического состояния, исследуются общая сжимаемость грунтов, их структурно-фазовая деформируемость, контактная сопротивляемость сдвигу. Результаты, полученные в Механика грунтов, используются при проектировании оснований и фундаментов зданий, промышленных и гидротехнических сооружений, в дорожном и аэродромном строительстве, устройстве подземных коммуникаций, прокладке трубопроводов, а также для прогнозирования деформаций и устойчивости откосов, подпорных стен и др. Методы Механика грунтов применяются при рассмотрении задач об использовании взрывов и вибраций в производственных процессах, связанных с разработкой грунтов.

Основной вид деформации грунтов — уплотнение их при сжатии. Оно вызывается действием нормальных усилий, приложенных к элементу грунта, и происходит главным образом за счёт взаимного перемещения (сдвигов и поворотов) твёрдых минеральных частиц, вызывающего уменьшение пористости грунта. Характеристиками деформируемости грунтов служат коэффициент относительной сжимаемости или обратно пропорциональный ему модуль общей деформации и коэффициент относительной поперечной деформации, аналогичные модулю упругости и коэффициент Пуассона (см. Пуассона коэффициент) упругих тел, с той разницей, что нагружение грунта предполагается однократным (без последующей разгрузки) и грунт далёк от разрушения. Для грунтов характерна деформируемость их во времени как вследствие выжимания воды из пор грунта и вызываемого этим перераспределения давлений между поровой водой и грунтовым скелетом (процесс фильтрационной консолидации), так и в результате вязкого взаимного перемещения грунтовых частиц (процесс ползучести грунта).

Основной вид нарушения прочности грунта — смещение одной его части по отношению к другой вследствие незатухающего сдвига, переходящего в срез. Сопротивление срезу несвязных (сыпучих) грунтов обусловливается силами внутреннего трения, развивающегося в точках контакта частиц грунта при взаимном их смещении. В глинистых грунтах взаимному смещению препятствуют цементационные и водно-коллоидные связи, обусловливающие сопротивление срезу. Показатели прочности грунта — угол внутреннего трения и удельное сцепление (зависящие от физического состояния грунта) — являются лишь параметрами диаграммы среза, необходимыми в Механика грунтов для расчёта прочности. Для глинистых грунтов величина сил внутреннего трения зависит от той доли внешней нагрузки, которая воспринимается их минеральным скелетом. Если часть нагрузки передаётся на поровую воду, то в грунте проявляется уменьшенное сопротивление срезу за счёт трения. В Механика грунтов скорость движения воды в порах грунта описывается законом Дарси, скорость деформирования вязкопластичных межчастичных связей — интегральным уравнением теории наследственной ползучести Больцмана — Вольтерры, ядро которой устанавливается по результатам экспериментов. При вибрациях механические свойства грунтов (особенно несвязных) меняются в зависимости от интенсивности колебаний. Малосвязные грунты под действием вибраций в определённых условиях приобретают свойства вязких жидкостей.

В Механика грунтов при построении прогнозов пользуются данными инженерной геологии, инженерной гидрогеологии, а также исходными зависимостями механики сплошной среды и, в частности, — теорий упругости, пластичности, ползучести, статики сыпучей среды.

Задачи исследования напряжений и деформаций грунтовых массивов под действием внешних сил и собственного веса, разработка вопросов их прочности, устойчивости, давления грунтов на ограждения, а также на неглубоко расположенные подземные сооружения являются важнейшими в Механика грунтов; решение их для различных случаев загружения имеет непосредственное приложение в практике строительства.

При рассмотрении поставленных проблем в Механика грунтов в основном применяются 2 метода: расчётно-теоретический, основывающийся на математическом решении четко сформулированных задач Механика грунтов с обязательным опытным (лабораторным или полевым) определением значений исходных параметров, и метод моделирования, используемый в тех случаях, когда сложность задачи не позволяет получить «замкнутого» решения или когда результат получается весьма громоздким. Первый метод интенсивно развивается благодаря применению ЭВМ. Второй метод (впервые предложенный в СССР Г. И. Покровским и Н. Н. Давиденковым) получает развитие в Механика грунтов в двух направлениях: физического моделирования для задач, в которых не учитываются массовые силы, и центробежного моделирования, отвечающего требованиям теории подобия (см. Подобия теория) с учётом массовых сил.

Использование решений, основанных на уравнениях сплошной линейно-деформируемой среды и применяемых к грунтам лишь при определённых условиях, позволяет рассматривать многие задачи Механика грунтов, где напряжённое состояние не является предельным. В ряде случаев по теории линейно-деформируемой среды устанавливается лишь напряжённое состояние, а переход к деформациям осуществляется при помощи экспериментально определяемых зависимостей.

При рассмотрении задач о деформировании грунтов во времени (по теории фильтрационной консолидации или ползучести) применяется распределение напряжений, полученное на основе решения задачи для сплошной линейно-деформируемой среды.

Теория предельного равновесия сыпучих сред используется в Механика грунтов для рассмотрения задач, связанных с определением критических нагрузок на основания, предельного равновесия грунтового откоса заданного профиля, очертания максимально устойчивых откосов без пригрузки или с заданной пригрузкой сверху, активного и пассивного давлений грунтов на наклонные подпорные стенки, устойчивости грунтовых сводов и др.

Некоторые виды грунтов, являясь структурно неустойчивыми (оттаивающие вечномёрзлые, лёссовые просадочные при замачивании, слабые структурные), обладают особенностями деформирования, связанными с резкими изменениями их физического состояния и структуры. В современных Механика грунтов разработаны специальные методы расчёта осадок вечномёрзлых грунтов при их оттаивании, просадок лёссов при замачивании, устанавливаются предельные скорости загружения слабых глинистых и заторфованных грунтов из условия сохранения их структурной прочности и т. д. На основе научных достижений в области Механика грунтов в СССР создан наиболее прогрессивный метод проектирования оснований и фундаментов по предельным деформациям. Важной задачей современной Механика грунтов является дальнейшее совершенствование методов определения физико-механических свойств грунтов в лабораторных и полевых условиях, комплексного исследования совместной работы фундаментов сооружений и грунтов оснований, расчёта свайных фундаментов.

Первой фундаментальной работой по Механика грунтов является исследование французского учёного Ш. Кулона (1773) по теории сыпучих тел, ряд результатов которого успешно применяется и в настоящее время при расчёте давления грунтов на подпорные стенки. Французским учёным Ж. Буссинеском было получено решение задачи (1885) о распределении напряжений в упругом полупространстве под сосредоточенной силой, послужившее основой для определения напряжений в линейно-деформируемых основаниях. Важным этапом в развитии Механика грунтов явились исследования американского учёного К. Терцаги. Большой вклад в Механика грунтов сделан русскими (В. И. Курдюмов, П. А. Миняев) и особенно советскими учёными. Последними разработана новейшая теория предельного равновесия грунтов (В. В. Соколовский, В. Г. Березанцев, С. С. Голушкевич, М. В. Малышев и др.), сформулированы и решены задачи теории консолидации двух- и трёхфазных грунтов (Н. М. Герсеванов и Д. Е. Польшин, В. А. Флорин, Н. А. Цытович, Н. Н. Маслов, Ю. К. Зарецкий и др.)., на базе теории балок на упругом основании исследованы вопросы совместной работы сооружений и их оснований (А. Н. Крылов, М. И. Горбунов-Посадов, В. А. Флорин, Б. Н. Жемочкин, А. П. Синицын, И. А. Симвулиди и др.). Важная роль принадлежит советским учёным в разработке ряда вопросов механики отдельных региональных видов грунтов — структурно-неустойчивых просадочных (Ю. М. Абелев, Н. Я. Денисов, Р. А. Токарь), многолетнемёрзлых (Н. А. Цытович, С. С. Вялов, М. Н. Гольдштейн и др.). Среди исследований по вопросам устойчивости откосов наиболее известны работы В. В. Соколовского, Н. Н. Маслова, М. Н. Гольдштейна, подпорных стенок — И. П. Прокофьева, Г. К. Клейна. Из зарубежных учёных в области Механика грунтов наиболее известны своими работами: Ж. Керизель (Франция), И. Бринч-Хансен (Дания), Р. Гибсон, А. Бишоп (Великобритания), М. Био, У. Лэмб (США).

Научно-исследовательские работы по Механика грунтов ведутся в ряде научных учреждений и вузов СССР, преимущественно в Научно-исследовательском институте оснований и подземных сооружений им. Н. М. Герсеванова, Московском инженерно-строительном институте им. В. В. Куйбышева и др. строительных вузах.

В 1936 по инициативе К. Терцаги было создано Международное общество по механике грунтов и фундаментостроению (ISSMFE), членом которого (с 1957) является СССР. 8-й конгресс этого общества состоялся в Москве в 1973. Орган общества — журнал «Géotechnique» (L., c 1948). В СССР с 1959 издаётся журнал «Основания, фундаменты и механика грунтов». Периодические издания выпускаются также в США, Франции, Италии и др. странах.

Лит.: Прокофьев И. П., Давление сыпучего тела и расчёт подпорных стенок, 5 изд., М., 1947; Герсеванов Н. М., Польшин Д. Е., Теоретические основы механики грунтов и их практические применения, М., 1948; Флорин В. А., Основы механики грунтов, т. 1—2, Л. — М., 1959—1961; Соколовский В. В., Статика сыпучей среды, 3 изд., М., 1960; Терцаги К., Теория механики грунтов, пер. с нем., М., 1961; Цытович Н. А., Механика грунтов, 4 изд., М., 1963; его же, Механика грунтов. Краткий курс, 2 изд., М., 1973; Клейн Г. К., Расчёт подпорных стен, М., 1964; Гольдштейн М. Н., Механические свойства грунтов, 2 изд., [т. 1—2], М., 1971—73.
  Н. А. Цытович, М. В. Малышев.