Механика грунтов. Курс лекций
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Основания и фундаменты. Механика грунтов
Издательство:
Инфра-Инженерия
Год издания: 2021
Кол-во страниц: 364
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-9729-0507-2
Артикул: 766704.01.99
Изложен курс лекций, приведены примеры решения задач, даны контрольные вопросы для проверки знаний с ответами. Учтены требования актуальных нормативных документов, учебных планов и рабочих программ для студентов. Для студентов всех форм обучения строительных направлений. Пособие также может быть полезно преподавателям.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 08.03.01: Строительство
- ВО - Специалитет
- 08.05.01: Строительство уникальных зданий и сооружений
- 08.05.02: Строительство железных дорог, мостов и транспортных тоннелей
- 08.05.03: Строительство, эксплуатация, восстановление и техническое прикрытие автомобильных дорог, мостов и тоннелей
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
А. Ю. Михайлов, Ж. Г. Концедаева МЕХАНИКА ГРУНТОВ. КУРС ЛЕКЦИЙ Учебное пособие Рекомендовано для студентов вузов, изучающих курсы дисциплин «Основы геотехнологии», «Основания и фундаменты» в рамках направления подготовки 08.03.01 «Строительство» Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021
УДК 624.131 ББК 38.58 М69 Рецензент: доктор физико-математических наук, профессор, заведующая кафедрой градостроительства, землеустройства и дизайна Института природопользования, территориального развития и градостроительства Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта Дмитриева М. А. Михайлов, А. Ю. М69 Механика грунтов. Курс лекций : учебное пособие / А. Ю. Михайлов, Ж. Г. Концедаева. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. – 364 с. : ил., табл. ISBN 978-5-9729-0507-2 Изложен курс лекций, приведены примеры решения задач, даны контрольные вопросы для проверки знаний с ответами. Учтены требования актуальных нормативных документов, учебных планов и рабочих программ для студентов. Для студентов всех форм обучения строительных направлений. Пособие также может быть полезно преподавателям. УДК 624.131 ББК 38.58 ISBN 978-5-9729-0507-2 Михайлов А. Ю., Концедаева Ж. Г., 2021 Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
Оглавление От авторов ………………………………………….……… 6 Основные условные обозначения ……………….……… 7 Глава 1. Курс лекций ………………...…………………… 8 Л.1 Основные свойства грунтов. Закон уплотнения Терцаги ……………………………...… 8 1.1 Содержание курса и краткий исторический обзор …….… 8 1.2 Классификация грунтов ………………………………….… 13 1.3 Основные характеристики и свойства грунтов …………... 19 1.4 Закон уплотнения Терцаги …………………………..…….. 27 Л.2 Фазы напряженно-деформированного состояния грунта. Законы механики грунтов ……………………….………… 32 2.1 Фазы напряженно-деформированного состояния грунта …………………………………………… 32 2.2 Закон прочности Кулона – Мора (сопротивление сдвигу) ………………………………….… 36 2.3 Закон ламинарной фильтрации Дарси ……………………. 46 Л.3 Распределение напряжений в грунтовом массиве от действия внешних нагрузок ……………………….…… 50 3.1 Распределение напряжений в грунтовом массиве ……….. 50 3.2 Напряжения в грунте от вертикальной сосредоточенной силы (задача Ж. Буссинеска) ……………………………… 51 3.3 Напряжения в грунтовом массиве от действия группы сосредоточенных сил (принцип Сен-Венана) ……………. 54 3.4 Напряжения в грунтовом массиве от действия нагрузки, распределенной по прямоугольнику …………………..….. 55 Л.4 Закономерности распределения напряжений в грунтах ……………………………………… 60 4.1 Напряжения в грунте от равномерно-распределенной нагрузки. Задача Фламана …………………………….…… 60 4.2 Изобары, распоры, сдвиги. Закономерности распределения нпряжений ………..……. 62 4.3 Контактные напряжения …………………………………... 64 4.4 Напряжения от собственного веса грунта ………………... 68 Л.5 Теория предельного напряженного состояния грунта. Подпорные стены ……………………………………...…… 70 5.1 Начальное критическое краевое давление. Задача Пузыревского ……………………………….……… 70
5.2 Предельное критическое давление. Огибающие зон предельного равновесия …..…………….. 73 5.3 Давление грунта на подпорные стены ……………………. 76 5.4 Устойчивость подпорных стен …………………….……… 83 5.5 Шпунтовые ограждения …………………………………… 84 Л.6 Устойчивость грунтовых откосов. Метод круглоцилиндрических поверхностей скольжения ……… 87 6.1 Устойчивость откоса из идеально сыпучего грунта ……... 87 6.2 Графо-аналитический метод расчета устойчивости откоса (метод круглоцилиндрических поверхностей скольжения) ………………………………………………… 93 6.3 Расчет устойчивости пристенного оползня ……………… 97 6.4 Оценка устойчивости основания насыпи ………………… 98 Л.7 Модели грунтового основания. Методы расчета осадок оснований фундаментов …...…… 105 7.1 Виды и причины вертикальных деформаций ……………. 105 7.2 Модели грунтового основания ……………………………. 112 7.3 Определение осадки основания фундаментов методом послойного суммирования ………………………………… 113 7.4 Проверка прочности подстилающего слоя ………….……. 116 7.5 Определение осадки основания фундаментов методом эквивалентного слоя (метод Н. А. Цытовича) ……………. 118 7.6 Определение конечной осадки поверхности слоя грунта при сплошной нагрузке ……………………………………. 120 7.7 Определение осадки основания фундаментов методом линейно-деформируемого слоя конечной толщины (метод К. Е. Егорова) ………………………………………. 121 7.8 Определение осадки основания фундаментов другими известными методами ………………………..…………….. 122 Л.8 Фильтрационная консолидация и ползучесть грунта. Нелинейные модели грунтового основания ……………… 125 8.1 Одномерная задача фильтрационной консолидации ……. 125 8.2 Влияние начального градиента на процесс уплотнения водонасыщенного грунта ………………………………….. 130 8.3 Ползучесть грунтов ………………………………………… 131 8.4 Нелинейные модели грунтового основания ……………… 134 Глава 2. Задачи с решениями …………………………… 136 П.1 Физико-механические характеристики грунтов …………. 136 П.2 Прочностные характеристики грунтов …………………… 159
П.3 Распределение напряжений в грунтовом массиве от действия внешней нагрузки ……………………………. 174 П.4 Контактные напряжения. Напряжения от собственного веса грунта ………………... 185 П.5 Теория предельного напряженного состояния грунта. Устойчивость подпорных стен ……………………………. 197 П.6 Устойчивость грунтовых откосов …………………….…... 212 П.7 Расчет осадок оснований фундаментов …………………... 220 П.8 Фильтрационная консолидация и ползучесть грунта ……. 247 Глава 3. Контрольные вопросы с ответами …………... 259 В.1 Грунты и их физико-механические свойства …………….. 259 В.2 Деформационные и фильтрационные свойства грунтов … 272 В.3 Напряженно-деформированное состояние грунтов ……... 287 В.4 Закономерности распределения напряжений в грунтах … 305 В.5 Теория предельного напряженного состояния грунта …... 311 В.6 Устойчивость грунтовых откосов и склонов …………….. 322 В.7 Подпорные стены …………………………………………... 338 В.8 Реологические свойства грунтов ………………………….. 344 В.9 Динамические свойства грунтов ………………………….. 347 Приложение. Справочные таблицы ……………………… 352 Список использованной литературы ………………….. 359
От авторов Механика грунтов, или как сейчас модно говорить «Геотехно логия», это все-таки, не одно и то же. В понятии геотехнологии по современным представлениям обобщаются направления добычи полезных ископаемых открытым и подземным способом, а также подземное строительство. Механика же грунтов является составной частью общей, клас сической механики, теоретической базой для дисциплины «Основания и фундаменты», и объектом ее изучения являются грунты, используемые в качестве естественных или искусственных оснований. Объем сведений, изложенных в настоящем учебном пособии, призван обеспечить минимально необходимый уровень подготовки студентов-бакалавров, и не заменяет общепризнанные учебники Н. А. Цытовича, Н. Н. Маслова, Б. И. Далматова, и других авторов. Знания о прочностных и деформационных свойствах грунтов, их устойчивости, а также о применяемых методах расчетов, позволит будущим специалистам в дальнейшем вполне успешно решать практические задачи по проектированию и возведению фундаментов зданий и сооружений. Очень важно при изучении механики грунтов не просто нау читься применять те или иные формулы, табличные значения, а понять физический смысл процессов и явлений, особенности распределения напряжений, причины развития деформаций, границы применимости расчетных моделей. К сожалению, приходится констатировать, что число часов, выделяемых на изучение механики грунтов учебными планами вузов, постоянно сокращаются, либо предпринимаются попытки объединить с другими дисциплинами, а то и вовсе исключить. В таких условиях добиться качественной подготовки можно только за счет активизации самостоятельной работы студентов. Настоящее пособие содержит курс лекций, практические зада ния с решениями и контрольные вопросы с ответами. Представленный материал может быть полезным как для студентов, слушателей курсов повышения квалификации, так и для преподавателей. Безусловно, настоящее учебное пособие в представленном формате далеко не идеально, поэтому авторы с благодарностью примут все замечания и пожелания. Авторы
Основные условные обозначения Символ Наименование Символ Наименование А площадь штампа, фундамента q равномерно-распределенная нагрузка а заложение откоса R расчетное сопротивление грунта основания b ширина фундамента s осадка грунта с удельное сцепление грунта V объем образца (тела) сс коэффициент компрессии Vа объем газа D диаметр штампа Vs объем частиц грунта d глубина заложения фундамента Vw объем воды Е модуль деформации z глубина е коэффициент пористости α угол естественного откоса е0 начальный коэффициент пористости ε относительная деформация f коэффициент трения γ удельный вес G вес γd удельный вес грунта в сухом состоянии g ускорение свободного падения γs удельный вес частиц грунта Нс мощность сжимаемого слоя γsb удельный вес грунта с учетом взвешивающего действия воды h мощность (толщина) слоя γw удельный вес воды hэ толщина эквивалентного слоя β коэффициент, учитывающий отсутствие поперечных деформаций в компрессионном приборе I градиент напора v коэффициент Пуассона I0 начальный градиент напора ρ плотность IL показатель текучести ρd плотность сухого грунта IР показатель пластичности ρs плотность частиц грунта kf коэффициент фильтрации ρw плотность воды М момент ξ коэффициент бокового давления в состоянии покоя m масса σ нормальное напряжение ms масса твердых частиц σz вертикальное нормальное напряжение mw масса воды σzр нормальное сжимающее напряжение от равномерно распределенной нагрузки mv коэффициент относительной сжимаемости σzg вертикальное нормальное сжимающее напряжение от собственного веса грунта р среднее давление под подошвой фундамента
Глава 1. Курс лекций Л.1. Основные свойства грунтов. Закон уплотнения Терцаги Время: 2 часа 1.1. Содержание курса и краткий исторический обзор Дисциплина «Механика грунтов» изучает вопросы прочности и устойчивости грунтовых массивов, определяет возможность их использования в качестве оснований, наблюдение за состоянием грунтов в процессе эксплуатации зданий и сооружений. Настоящий курс являются естественным продолжением таких дисциплин, как «Инженерная геология» и «Инженерные изыскания в строительстве». Основной целью курса является изучение основ теории расчета оснований по предельным состояниям I и II группы предельных состояний в соответствии с действующими строительными нормами. Основными задачами, решаемыми в процессе изучения курса, являются: установление основных закономерностей грунтов и обобщение их в виде законов; изучение распределения напряжений в грунтовом массиве; исследование прочности оснований и грунтовых массивов с использованием теории предельного равновесия; изучение методов расчета осадок оснований фундаментов, в том числе в условиях незавершенной консолидации грунтов. Первой фундаментальной работой по механике грунтов принято считать исследование Кулона (Франция, 1773) по теории прочности сыпучих тел, известное в современной механике как закон Кулона – Мора. Академик Н. И. Фусс (Россия, 1801) и инженер Э. Винклер (Франция, 1867) предложили механические модели грунтового основания для расчета конструкций, взаимодействующих с грунтовой средой. Фусс Н. И. исследовал процесс движения колеса конной повозки с образованием колеи, т. е. рассматривал образование и развитие локальных деформаций под нагруженной площадкой, которые были полностью необратимыми. По такой схеме ведут себя рыхлые и слабо уплотнённые насыпные грунты.
Николай Иванович Фусс (1755–1825), Базель – Санкт-Петербург) – русский математик швейцарского происхождения, академик СанктПетербургской Академии наук, почётный член и член-корреспондент множества научных обществ; действительный статский советник. Основные научные исследования относятся к областям алгебры, анализа, геометрии, механики. Винклер Э. предложил модель грунта в виде системы ничем не связанных между собой упругих пружин, которые под локальной нагрузкой будут сжиматься, а после снятия нагрузки – полностью распрямляться. Рис. 1.1. Модель Винклера Т. е., возникло предположение, что между осадкой и давлением грунта под подошвой существует некоторая прямая зависимость: , р Y k = ⋅ где р – давление под подошвой; Y – осадка; k – коэффициент пропорциональности («коэффициент постели»), зависящий только от физических свойств грунта, определяется экспериментально и имеет размерность силы отнесенной к объему. При такой модели упругая среда не обладает распределительной способностью. Её рассматривают как гидростатическое упругое основание. Т. е. под влиянием нагрузки балка прогибается и опускается в воду на величину прогиба y. При этом по закону Архимеда создаётся направленная вверх погонная сила , p by γ = −
где γ – удельный вес жидкости; b – ширина балки. Реакция со стороны жидкости пропорциональна прогибу. Эту схему используют для расчёта фундаментов. В место γ вводится коэффициент жёсткости с (Н/см3) или постели k. Окончательно . p kby = К основным недостаткам модели Винклера можно отнести: 1) деформация основания происходит только в области, приложенной к нему нагрузки. Данная модель достаточно хорошо отражает реальные свойства рыхлых и несвязных оснований, но совершенно не подходит для плотных и, тем более, скальных оснований из-за не учета деформаций основания, которые происходят за пределами области приложения нагрузки. Согласно наблюдениям грунт оседает а, следовательно, напряжен и за пределами фундамента; 2) на практике равномерно нагруженные балки и плиты проседают не равномерно, а, как правило, выпуклостью вниз; 3) значение коэффициента постели k зависит от размеров штампа, которым производится испытание для определения этой величины. Коэффициент постели k получается тем больше, чем меньше площадь штампа. Табличные значения не имеют определенных значений, а представлены диапазонами значений. Недостатки модели Винклера привели к разработке модели линейно деформируемого полупространства. В основу модели положен закон Гука – линейная зависимость между напряжениями и деформациями и, что весьма существенно, представления об идеальной упругости материала – полное восстановление деформаций при снятии нагрузки, т. е. в условиях одноосного простого сжатия или растяжения. Рис. 1.2. Модель линейно-деформируемого полупространства Эта модель была предложена и развита в трудах советских ученых и в отличие от предыдущей модели считается, что поверхность грунта оседает как в пределах площади загрузки, так и за ее
пределами. Грунт рассматривается как линейно-деформируемая среда, модуль упругости заменяется понятием «модуль общей деформации». Закономерности фильтрационных процессов в песчаных грунтах были впервые установлены А.Дарси (Франция, 1856) и обобщены в современной механике как закон ламинарной фильтрации Дарси. Анри Филибер Гаспар Дарси (1803–1858, Париж) – французский инженер-гидравлик, обосновавший закон (1856), связывающий скорость фильтрации жидкости в пористой среде с градиентом давления. Под руководством Дарси в г. Дижоне была создана первая в Европе система городских очистных сооружений с различными фильтрационными засыпками. Труд профессора Ж.В.Буссинеска (Франция, 1885) «О распределении напряжений в упругой почве от сосредоточенной силы» изучается до настоящего времени и является основополагающим в теории распределения напряжений в грунте. Буссинеск Жозеф Валантен (1842–1929) французский математик, физик, механик. Член Парижской Академии наук (1886), доктор (1867) и профессор (1886) Парижского университета. Автор ряда работ по гидродинамике, оптике, термодинамике, теории упругости. Развил теорию упругости С. Пуассона, предложил метод определения напряжений и деформаций в полубесконечной среде, находящейся под действием заданных сил, приложенных к ее граничной плоскости. Механика грунтов как самостоятельная дисциплина возникла с момента опубликования монографии профессора К. Терцаги (Германия, 1925) «Строительная механика грунтов». Именно ему принадлежит установление в теории расчета осадок зависимости, известной как закон уплотнения Карла Терцаги.
Карл Терцаги (1883–1963) – австрийский и американский геолог и инженер-строитель, один из основоположников механики грунтов. Его монография «Строительная механика грунтов» изданная в 1925 г. считается первым монументальным трудом посвященным данной тематике. Существенное развитие механика грунтов получила в работах ученых советской школы: Н. П. Пузыревский (1923), Н. М. Герсеванов (1931), В. А. Флорин (1936), Д. Л. Соколовский (1942), А. С. Егоров (1948), В. Г. Березанцев (1948). Первый курс лекций по механике грунтов в нашей стране был подготовлен профессором Н. А. Цытовичем (1934). Николай Александрович Цыто́вич (1900– 1984) советский учёный и педагог, доктор технических наук, профессор, член-коррес-пондент Академии Наук СССР. Герой Социалистического Труда. Заслуженный деятель науки и техники РСФСР. Основоположник мерзлотоведения, учёный с мировым именем, возглавлявший долгое время отечественную школу механики грунтов. Николай Николаевич Маслов (1898–1986) советский учёный и педагог, доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники РСФСР, лауреат Государственной премии СССР, автор неповторимого по своей оригинальности курса «Основы инженерной геологии и механики грунтов». Основоположник методов оценки сопро тивляемости сдвигу глинистых грунтов, степени устойчивости склонов и откосов, теории оценки ползучести, фильтрационной теории устойчивости водонасыщенных песков.
1.2. Классификация грунтов Поверхность Земли называется земной корой или литосферой (по греч. «литос» – камень), является твёрдой оболочкой, состоит из осадочного, гранитного и базальтового слоёв. По своему происхождению они подразделяются на: – магматические или изверженные, образовавшиеся в результате застывания магмы, имеют кристаллическую структуру и классифицируются как скальные грунты; – метаморфические, образовались в результате воздействия на осадочные породы высоких температур и больших давлений, классифицируются как скальные грунты. – осадочные, образовались в результате разрушения и выветривания горных пород под воздействием воды и воздуха, классифицируются как скальные и нескальные грунты. Гранитный слой располагается ниже слоя осадочных пород, сложен метаморфическими и магматическими горными породами. В тех случаях, когда гранитный слой выходит на поверхность Земли, его называют щитом, например: Балтийский, Канадский и т. д. Иногда гранитный слой полностью отсутствует. Базальтовый слой, подстилающим слоем является гранитный слой и присутствующий повсеместно, сложен породами, близкими по составу и физическим свойствам к базальтам. Осадочный слой слагает внешнюю часть земной коры, имеет небольшую мощность, от нескольких метров, до нескольких десятков метров в виде слоёв или пластов рыхлой или сцементированной структуры, в некоторых местах земной коры этот слой полностью отсутствует. Осадочные породы покрывают около 75 % поверхности континентов, и поэтому будут рассматриваться нами в первую очередь в качестве оснований зданий и сооружений. Осадочные слои могут быть сложены из механических (гравий, пески, глины), химических (руды железа, марганца, бокситы, ископаемые соли) и биохимических пород (нефть, газ, уголь). По способу образования континентальные осадочные породы имеют характерные признаки, приведенные в табл. 1.1.