Механика грунтов

МЕХАНИКА ГРУНТОВ

А. З. АБУХАНОВ

Москва
ИНФРА-М
2018

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Допущено
Министерством сельского хозяйства Российской Федерации
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных
заведений, обучающихся по направлению подготовки
20.03.02 «Природообустройство и водопользование»
(квалификация (степень) «бакалавр»)

2-е издание, исправленное и дополненное

УДК 624.131(075.8)
ББК 38.58я73
 
А17

Абуханов А. З.
Механика грунтов : учеб. пособие / А. З. Абуханов. — 2-е изд., испр. 
и доп. — М. : ИНФРА-М, 2018. — 336 c. — (Высшее образование: Бакалавриат).

ISBN 978-5-16-011616-7 (print)
ISBN 978-5-16-103970-0 (online)

В учебном пособии изложены основные сведения о природе грунтов, 
рассмотрены физические, химические и механические свойства, классификационные и расчетные показатели грунтов. Дан анализ основных закономерностей механики грунтов и распределения напряжений и деформаций в грунтах и их изменений во времени. Особое внимание уделено 
основным положениям расчетного аппарата и расчетным схемам.
Описаны методы расчета устойчивости сооружений, откосов и грунтовых массивов за подпорными стенами. Приведены примеры расчетов, 
нормативные и справочные материалы.
Соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования последнего поколения.
Предназначено для бакалавров, обучающихся по направлениям подготовки 20.03.02 «Природообустройство и водопользование» (профили «Мелиорация, рекультивация и охрана земель», «Комплексное использование 
и охрана водных ресурсов», «Природоохранное обустройство территорий», 
«Инженерные сети сельскохозяйственного водоснабжения, обводнения 
и водоотведения») и 08.03.01 «Строительство».

УДК 624.131(075.8)
ББК 38.58я73

А17

Р е ц е н з е н т ы:
В. Н. Шкура — профессор кафедры гидротехнических сооружений 
(Новочеркасская государственная мелиоративная академия);
Ю. Н. Мурзенко — д-р техн. наук, профессор кафедры САПР объектов строительства и фундаментостроения (Южно-Российский государственный технический университет)

ISBN 978-5-16-011616-7 (print)
ISBN 978-5-16-103970-0 (online)

© Абуханов А. З., 2006
© Абуханов А. З., 2016, 
      с изменениями

Предисловие

При проектировании и строительстве сооружений особенно 

важно правильное использование законов механики грунтов.

Достоверная оценка свойств грунтов является трудной и сложной 

задачей, решение которой дает возможность экономно и правильно 
выбрать тип и конструкцию фундаментов, обеспечить необходимую 
инженерную подготовку строительной площадки, определить методы производства работ, снизить стоимость и сократить сроки 
строительства.

Для решения этой трудной задачи будущему специалисту необ
ходимо знать:
• инженерно-геологические и гидрогеологические условия строи
тельной площадки;

• физические, физико-химические и физико-механические 

свойства грунтов в пределах зоны влияния сооружения;

• закономерности изменения свойств грунтов, прогноз инженерно
геологических процессов в результате нарушения зданием или 
сооружением природного равновесия и гидрогеологической обстановки;

• методы расчета оснований по предельным состояниям, методы 

расчета устойчивости откосов и грунтовых массивов за подпорными стенами.
Целью пособия является систематизация основных сведений 

о свойствах грунтов и методах их установления в полевых и лабораторных условиях, напряженном и предельном состояниях грунтов, 
расчетах оснований по деформациям, прочности и устойчивости.

При подготовке пособия в какой-то мере выдерживается принцип: 

лучше меньше формул и зависимостей, но подробнее. В необходимых 
случаях в тексте даются ссылки на соответствующую литературу, в которых можно найти эти материалы. Другими словами, ставилась задача обучить основам и принципам механики грунтов в большинстве 
случаев на примерах простейших задач, дать минимум необходимых 
знаний, показать пути и, что самое главное, — оценить область применения решений, показать основные подходы к ним и приучить будущего специалиста к новой для него терминологии.

Особенность данного пособия также заключается в том, что 

в каждой главе наряду с кратким изложением теоретической части 
приводятся примеры расчета и контрольные вопросы, которые позволят закрепить изучение конкретного раздела.

Данное пособие предназначено для студентов вузов по подготовке 

бакалавров по направлениям 08.03.01 «Строительство» и 20.03.02 

«Природообустройство и водопользование» и специалистов по специальности 08.05.01 «Строительство уникальных зданий и сооружений»

В результате изучения дисциплины «Механика грунтов» студент 

должен освоить некоторые компетенции и демонстрировать следующие результаты:
• знать:

— основные закономерности и постулаты механики грунтов;
— свойства грунтов и их характеристики;
— основные расчетные модели грунтов, позволяющие произво
дить расчет по предельным состояниям;
• уметь:

— правильно оценивать строительные свойства грунтов во всем 

их многообразии;

— определять напряженно-деформированное состояние грунто
вого массива от собственного веса, нагрузки, передаваемой от зданий 
и сооружений, и других факторов;

— оценивать прочность грунтов, рассчитывать устойчивость 

грунтовых массивов против сползания, определять давление грунтов 
на подпорные стенки;

— прогнозировать полные осадки зданий и сооружений, раз
ности осадок отдельных фундаментов, определять изменение осадки 
во времени;

— производить расчет оснований и фундаментов по предельным 

состояниям;
• владеть:

— методами и способами определения физических, физико-ме
ханических и физико-химических свойств грунтов;

— методами определения напряженного состояния, прочности 

и устойчивости основания сооружений, откосов и подпорных 
стенок, конечных осадок сооружения и протекания их во времени.

Во втором издании учебного пособия учтены новые ГОСТы и ак
туализированные своды правил.

Автор выражает благодарность рецензентам: проф. В. Н. Шкура 

и д-ру техн. наук, проф. Ю. Н. Мурзенко за ценные замечания, которые были учтены при доработке рукописи пособия.

Глава 1. ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА ГРУНТОВ

1.1. ПРИРОДА ОБРАЗОВАНИЯ ГРУНТОВ И ВИДЫ ГРУНТОВЫХ 

ОТЛОЖЕНИЙ

Верхний слой земной коры (литосфера), мощность которого 

часто достигает нескольких сотен метров, представляет собой кору 
выветривания (рис. 1.1).

1

2

Рис. 1.1. Выветривание горных пород (по В. П. Ананьеву, 1980):

1 — кора выветривания; 2 — коренная порода

Выветривание — это процессы разрушения и изменения горных 

пород под воздействием различных факторов, например замерзания 
воды в порах, колебания температуры и т.д. Основной особенностью 
выветривания горных пород является постепенное разрушение 
верхних слоев литосферы, в результате чего минералы и горные породы изменяют свой химико-минералогический состав, подвергаясь 
дроблению, рыхлению, переносу водой и воздушными потоками, 
и как следствие, ухудшаются их строительные свойства.

В процессе выветривания горные породы подвергаются физиче
скому (механическому), термическому (температурному) и химическому разрушениям.

Физическое выветривание связано с механическим воздействием 

на породы, которое возникает вследствие температурного воздействия, давления на породы утолщающихся корней деревьев, роста 
кустарников и др.

Температурное выветривание обусловливает неравномерное осты
вание пород, отсюда неравномерное уменьшение их объема и, как 
следствие, разрушение. Колебания температуры летом и зимой, днем 
и ночью обусловливают попеременное расширение и сжатие горных 
пород, что приводит к ослаблению сцепления между минеральными 
зернами и их растрескиванию. Наибольшие величины разрушения 
достигаются в районах пустынь, где разница температуры днем 
и ночью достигает 40—50 °С. В холодных областях и высокогорных 
районах можно наблюдать морозное выветривание, вызываемое замерзанием воды в трещинах и порах пород. Вода обладает большой 
разрушительной силой, при замерзании она увеличивается в объеме 

примерно на 9% и создает давление на стенки пород до 200 MПа. 
Явление морозного выветривания можно наблюдать в виде крупноглыбовых и щебеночных развалов и россыпей.

Химическое выветривание происходит под воздействием воды, ко
торая содержит кислород и углекислый газ, а также под воздействием 
воздуха. Химическое воздействие воды с растворенными в ней веществами приводит к изменению состава пород и появлению вторичных минералов.

Химическое выветривание приводит к появлению в составе 

грунта этими глинистых частиц. Особенно богаты этими частицами 
верхние почвенные слои грунтовой толщи, где наряду с минеральными частицами в коллоидном состоянии накапливается также органическое вещество почвы — перегной (гумус).

Процессы образования земной коры продолжались в течение 

многих миллионов лет. В табл. 1.1 приведена геохронология последовательного накопления осадочных пород земли и смена геологических эр и периодов.

Таблица 1.1

Геохронологическая таблица  (по Н. М. Дорошкевичу, 1972)

Эра
Периоды
Индекс

Длительность, 

млн лет

Кайнозойская КZ
(новая) 

Четвертичный
Q
1

Третичный

Неогены (новый) 
N
25—30

Палеогены (древний) 
Pq
30—35

Мезозойская MZ
(средняя) 

Меловой
К
55—60

Юрский
J
25—35

Триасовый
T
30—35

Палеозойская 
(древняя) 

Пермский
P
25—30

Каменноугольный
C
50—55

Девонский
D
45—50

Силурийский
S
40—45

Ордовикский
Or
70—80

Кембрийский
Cm
70—90

Протерозойская 
PR (ранняя) 

—
Pt
600—800

Архейская AR
(первоначальная) 

—
A
Более 900

Примечание. По некоторым данным, длительность четвертичного периода 
исчисляется сейчас 2—3 млн лет. 

В качестве оснований зданий и сооружений, а также строитель
ного материала часто используются четвертичные осадочные грунты, 
которые подразделяются на генетические типы (табл. 1.2).

Таблица 1.2

Генетические типы грунтов четвертичного возраста

Типы грунтов
Индекс
Типы грунтов
Индекс

Аллювиальные (речные 
отложения) 

а
Флювиогляциальные (отложения ледниковых потоков) 

F

Озерные
l
Озерно-ледниковые
Lg

Озерно-аллювиальные
la
Элювиальные (отложения 
на месте образования) 

El

Делювиальные (отложения на склонах) 

d
Элювиально-делювиальные
Eld

Аллювиально-делювиальные

ad
Пролювий (отложения бурных дождевых потоков в горных областях) 

P

Эоловые (осаждения 
из воздуха) 

z

Гляциальные (ледниковые 
отложения) 

g
Аллювиально-пролювиальные
Ap

Морские
M

Так как свойства грунтов во многом зависят от их происхождения 

(генезиса), то все горные породы разделяются на три группы (рис. 1.2).

Породы осадочного происхождения занимают всего 5% объема 

земной коры, однако по занимаемой площади (75%) они самые распространенные, вследствие чего являются основанием для строительства большинства зданий и сооружений.

Если проследить историю формирования понятия о материалах, 

составляющих основание сооружений, а также используемых для насыпей, то можно заметить, что отсутствует единое мнение различных 
специалистов об их названии. Приведем некоторые из названий, 
взятых из опубликованных в разное время работ ряда авторов.

Н. М. Герсеванов употребляет термины «упругая почва», «грунтовая 

масса»; Н. П. Пузыревский — «землистые грунты»; Ф. П. Саваренский — «грунт — любая горная порода, как рыхлая, так и твердая, находящаяся в сфере природного или искусственного воздействия на нее».

В работах Н. А. Цытовича «грунт — все рыхлые породы коры ат
мосферы»; в работах В. А. Флорина встречаются понятия «земляная 
среда», «земляная масса»; В. В. Соколовский и В. Г. Березанцев 
употребляют термин «сыпучая среда»; М. Н. Гольдштейн — «лёссовидные группы»; в то же время В. А. Приклонский называет аналогичные группы «лёссовыми породами».

Наименование

Липориты, андезиты,
диабазы, базальты,
пемза и др.

Сланцы, гнейсы,
мраморы, кварциты,
известняки и др.

Эффузивные
(поверхностные)

Гравий, галька,
щебень, глинистые
грунты и др.

Обломочные

Гипс, ангидрит,
мирабилит, калийная
соль и др.

Химические

Доломиты, мергели,
диатолиты, мел
и др.

Органогенные

Осадочные

Магматические

Метаморфические
Осадочные

Граниты, сиениты
диариты, габбро
и др.

Ингрузивные
(глубинные)

Магматические

Группы

Горные породы

Рис. 1.2. Классификация горных пород

Интересно отметить, что Ю. К. Зарецкий в работе, выполненной 

под редакцией Н. А. Цытовича, относит к грунтам «все горные породы, как скальные, так и дисперсные», что несколько противоречит 
приведенному определению Н. А. Цытовича.

Кроме того, в работах всех перечисленных авторов широко ис
пользуется и термин «грунт», хотя вкладываемые в него понятия 
иногда отличаются друг от друга.

Так, В. А. Флорин поддерживает трактовку о грунте, данную 

Н. А. Цытовичем, в которой из понятия «грунт» исключается почвенный слой (по В. В. Докучаеву, почва — поверхностно лежащее, минерально-органическое образование). Некоторые из авторов, в частности Е. М. Смирнов, включают в понятие «грунт» и почвенный слой.

Более подробно и развернуто определения «грунта» различных 

авторов приведены в работе А. З. Абуханова (2009).

В актуализированном стандарте ГОСТ 25100—2011 «Грунты. 

Классификация» понятие «грунт» трактуется следующим образом:
«Антропогенный грунт (синоним — антропогенно-образованный) — 
образовавшийся естественно-историческим образом (культурные 
слои) или созданный человеком разными способами грунт, пред

ставленный отходами или продуктами его производственной и / или 
хозяйственной деятельности, являющимися компонентами геологической среды».

На наш взгляд, наиболее емкое и удачное определение понятия 

«грунт» приведено в ГОСТ 25100—95, которое трактуется следующим 
образом: «Грунт — любая горная порода или почва (а также твердые 
отходы производственной и хозяйственной деятельности человека), представляющие собой многокомпонентную систему, изменяющуюся во времени, и используемые как основание, среда или 
материал для возведения зданий и инженерных сооружений».

По своему генетическому происхождению и условиям формиро
вания грунты подразделяются на три основных класса: континентальные, ледниковые и морские.

На рис. 1.3 приведена схема генетических типов грунтов. Из них 

наиболее распространены континентальные (материковые), поэтому 
более подробно остановимся на этих грунтах (рис. 1.4).

Грунты

Континентальные

Аллювиальные

Делювиальные

Элювиальные

Эоловые

Ледниковые

Морены
Водноледниковые

Озерноледниковые

Морские

Песчаники
и галечники

Органоминеральные

Органогенные

Дисперсные
глины

Рис. 1.3. Генетические типы грунтов

Элювиальные

Эоловые

Делювиальные

Аллювиальные

Рис. 1.4. Материковые грунты

Элювий. Название «элювий» происходит от латинского «вы
мываю». Образование элювиальных отложений связано с действием 
всех форм выветривания: физического, химического и биологиче

ского. В результате этого материнская порода исчезает и на ее месте 
появляется новая (вторичная). Так, например, из гранита формируются глинистые грунты (рис. 1.4, 1.5, а).

1
2
3
4
5
7
8

6

а
б

Рис. 1.5. Отложения водоразделов и склонов (по М. А. Ситникову, 1978):

а — элювиальные; б — делювиальные; 1 — почва; 2 — глина; 3 — песок; 

4 — крупные обломки; 5 — материнская порода; 6 — зона смыва; 7 — делювий; 

8 — материнская порода (морена)

Элювий отличается отсутствием слоистости и сортировки мате
риала. Накапливается он на горизонтальных и близких к ним поверхностях, имеет различный состав: от глыб до глин.

Делювий. Делювиальные отложения (от латинского «смываю») 

образуются в результате смыва, переноса и осаждения частиц 
первичных пород дождевыми водами и периодически действующими водными потоками под воздействием силы тяжести 
(рис. 1.5, б).

Основные строительные свойства делювия зависят от условий его 

образования. Состав и структура грунта формируются из смываемых 
пород; в делювии имеется косая слоистость прослоев; частицы отсортированы по крупности в зависимости от интенсивности смыва; 
в сухом климате делювиальные осадки недоуплотнены, имеют высокую пористость и склонны к появлению просадки при загружении 
и дополнительном увлажнении.

Как естественные основания делювиальные грунты можно ис
пользовать после проведения тщательных инженерно-геологических 
исследований.

В делювиальных косослойных отложениях, расположенных у по
дошвы крутых склонов и состоящих из глинистых грунтов, могут 
развиваться оползневые явления. Для таких территорий необходимо 
разрабатывать противооползневые мероприятия, которые рассматриваются ниже.

Аллювий. Аллювий представляет собой наносы, образующиеся 

в пределах речной долины в результате геологической деятельности 
текущих вод, разрушения первичных пород, переноса и отложения 
грунтовых частиц и формирования вторичного осадка.