Геотехника фундаментостроения и грунтоустойчивости
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Основания и фундаменты. Механика грунтов
Издательство:
Инфра-Инженерия
Автор:
Борозенец Леонид Михайлович
Год издания: 2021
Кол-во страниц: 596
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-9729-0499-0
Артикул: 761579.02.99
Представлены научные основы современной физики трения твердых тел, грунтоведения и механики грунтов, геотехники преобразования оснований набивных свай, фундаментов мелкого заложения и устойчивости грунтовых массивов. Рассмотрены вопросы взрыво-фугасной технологии грунтовытеснения скважин набивных свай и камуфлетных уширений; теории нелинейного упругопластическивязкого деформационного взаимодействия двух сдвигаемых твердых тел; физико-механического взаимодействия вытесняемых грунтов оснований набивных свай и фундаментов мелкого заложения в технологических процессах их строительства и эксплуатации. Представлена теория нелинейного упругопластическивязкого деформирования предельно-напряженных грунтов, аналитическая нелинейная механика грунтов; методология расчетных исследований и инженерных методов расчета. Даны подходы и приемы проектирования оснований и фундаментов рациональных конструкций, грунто-устойчивости оснований фундаментов, предельно-равновесных откосов земляных сооружений и склонов естественных горных массивов. Для специалистов научных, проектных и строительных организаций, студентов, аспирантов и преподавателей строительных направлений подготовки.
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Л. М. Борозенец ГЕОТЕХНИКА ФУНДАМЕНТОСТРОЕНИЯ И ГРУНТОУСТОЙЧИВОСТИ Монография Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021 1
УДК 624.152.5+624.131 ББК 38.623+38.58 Б83 Н а у ч н ы й р е д а к т о р: заслуженный деятель науки и техники РФ, д-р техн. наук, проф. В. И. Столбов Р е ц е н з е н т ы: заслуженный строитель РФ, почетный член РААСН, зав. лабораторией свайных фундаментов НИИОСП им. Н. М. Герсеванова, доктор техн. наук, профессор Б. В. Бахолдин; заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор техн. наук, профессор В. И. Фёклин Борозенец, Л. М. Б83 Геотехника фундаментостроения и грунтоустойчивости : монография / Л. М. Борозенец. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. – 596 с. ISBN 978-5-9729-0499-0 Представлены научные основы современной физики трения твердых тел, грунтоведения и механики грунтов, геотехники преобразования оснований набивных свай, фундаментов мелкого заложения и устойчивости грунтовых массивов. Рассмотрены вопросы взрывофугасной технологии грунтовытеснения скважин набивных свай и камуфлетных уширений; теории нелинейного упругопластическивязкого деформационного взаимодействия двух сдвигаемых твердых тел; физико-механического взаимодействия вытесняемых грунтов оснований набивных свай и фундаментов мелкого заложения в технологических процессах их строительства и эксплуатации. Представлена теория нелинейного упругопластическивязкого деформирования предельно-напряженных грунтов, аналитическая нелинейная механика грунтов; методология расчетных исследований и инженерных методов расчета. Даны подходы и приемы проектирования оснований и фундаментов рациональных конструкций, грунтоустойчивости оснований фундаментов, предельно-равновесных откосов земляных сооружений и склонов естественных горных массивов. Для специалистов научных, проектных и строительных организаций, студентов, аспирантов и преподавателей строительных направлений подготовки. УДК 624.152.5+624.131 ББК 38.623+38.58 ISBN 978-5-9729-0499-0 © Борозенец Л. М., 2021 © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 2
ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие ............................................................................................................ 15 Основные условные обозначения ........................................................................ 19 Введение ................................................................................................................... 21 РАЗДЕЛ 1. КЛАССИЧЕСКИЕ НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ФИЗИКИ И МЕХАНИКИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ, ЖИДКОСТЕЙ И ГРУНТОВ Глава 1. Научные основы физики трения твердых тел, вязких жидкостей, наклонно-плоскостных и клиновых механизмов .................................. 25 1.1. Внешнее трение ............................................................................................... 26 1.2. Внутреннее трение .......................................................................................... 30 1.3. Наклонно-плоскостные и клиновые механизмы ......................................... 30 1.4. Обобщение результатов анализа моделей трения твердых тел, вязких жидкостей, наклонно-плоскостных и клиновых механизмов ........ 33 1.5. Интерпретация физических факторов сопротивления относительному движению двух сдвигаемых твердых тел ........................ 34 Выводы по главе 1 .................................................................................................. 35 Глава 2. Краткая характеристика состава, строения, основных физических и физико-механических свойств нескальных грунтов .......................... 36 2.1. Состав грунтов ................................................................................................ 36 2.2. Структура и текстура грунтов ....................................................................... 38 2.3. Контактные взаимодействия между минеральными частицами грунтов .............................................................................................................. 40 2.4. Структурные связи в грунтах ........................................................................ 43 2.5. Деформационные свойства грунтов .............................................................. 47 2.6. Прочность грунтов .......................................................................................... 51 2.6.1. Сопротивление грунтов сдвигу ........................................................... 51 2.6.2. Сопротивление грунтов одноосному сжатию .................................... 57 2.7. Реологические свойства грунтов ................................................................... 59 2.8. Обобщение результатов анализа моделей свойств нескальных грунтов .............................................................................................................. 63 Выводы по главе 2 .................................................................................................. 67 Глава 3. Сущность содержания основных научных положений классических моделей расчета современной механики грунтов ................................. 69 3.1. Грунты и модели их механики в основаниях сооружений ......................... 69 3.1.1. Особенности грунтов и физических процессов их деформирования .............................................................................................. 69 3.1.2. Механическая и математическая модели поведения грунтов под нагрузкой .................................................................................................. 70 3
3.2. Виды и особенности деформации грунтов под нагрузкой ......................... 73 3.2.1. Линейные и нелинейные деформации ................................................ 73 3.2.2. Упругие и пластические деформации ................................................. 74 3.2.3. Объемные и сдвиговые деформации .................................................. 74 3.2.4. Ползучесть грунта ................................................................................. 75 3.2.5. Фильтрационная консолидация грунта .............................................. 76 3.3. Основные расчетные модели механики грунтов ......................................... 77 3.3.1. Теория линейного деформирования грунта ....................................... 77 3.3.2. Теория фильтрационной консолидации грунта ................................. 78 3.3.3. Теория предельного напряженного состояния грунта ...................... 79 3.3.4. Теории нелинейного деформирования грунтов ................................. 80 3.4. Линейная и нелинейная механика грунтов .................................................. 81 3.5. Аннотирование основных положений механики грунтов .......................... 81 Выводы по главе 3 .................................................................................................. 84 Глава 4. Представление предельного физико-механического состояния и раскрытия физической сущности сдвиговых прочностных характеристик грунтов.............................................................................. 86 4.1. Существующие представления предельного физико-механического состояния грунтов ........................................................................................... 86 4.2. Современное состояние проблемы раскрытия физической сущности сдвиговых прочностных характеристик грунтов ............................................... 90 Выводы по главе 4 .................................................................................................. 95 Глава 5. Аннотация классических научных основ и концепция исследования геотехники фундаментостроения и грунтоустойчивости ............................................................................... 96 5.1. Аннотирование классических научных основ ............................................. 96 5.1.1. Физика трения твердых тел и вязких жидкостей .............................. 96 5.1.2. Грунтоведение ....................................................................................... 98 5.1.3. Механика грунтов ............................................................................... 104 5.2. Концепция исследования геотехники фундаментостроения и грунтоустойчивости ................................................................................... 110 Выводы по главе 5 ................................................................................................ 110 Выводы по первому разделу ................................................................................ 111 РАЗДЕЛ 2. МЕХАНИКА В ТЕХНОЛОГИИ ВЗРЫВОФУГАСНОГО ГРУНТОВЫТЕСНЕНИЯ СКВАЖИН НАБИВНЫХ СВАЙ И ИХ КАМУФЛЕТНЫХ УШИРЕНИЙ Глава 6. Краткий обзор результатов вытеснения грунтов воздействием свай и действием энергии взырва .................................................................. 115 6.1. Влияние механического воздействия свай на грунты .............................. 115 6.2. Подходы к изучению действия энергии взрыва в грунтах ....................... 118 4
6.3. Состояние измененных действием энергии взрыва грунтов .................... 121 6.3.1. Зоны состояния грунтов вокруг взрывоэнергетически грунтовытесненных полостей ............................................................ 121 6.3.2. Напряжения и деформации в области влияния взрыва в грунтах ............................................................................................... 123 6.3.3. Изменение физико-механических свойств грунтов ........................ 124 6.4. Традиционные взрывоэнергетические способы изготовления свай ....... 128 6.5. Предлагаемый конструктивно-технологический принцип взрывофугасного вытеснения грунтов ........................................................ 130 Выводы по главе 6 ................................................................................................ 131 Глава 7. Конструктивно-технологическое решение установки взрывофугасного и камуфлетного грунтовытеснения скважин и уширений ............................................................................................. 132 7.1. Взрывофугасный метод вытеснения грунтов ............................................ 132 7.2. Модель полевой макетной взрывофугасной грунтовытесняющей установки........................................................................................................ 134 7.2.1. Проектная проработка установки ...................................................... 135 7.2.2. Устройство и порядок работы установки ......................................... 137 7.3. Взрывофугасно-камуфлетные способы грунтовытеснения уширений в забоях скважин ........................................................................................... 144 7.4. Макет полевого натурного скважиноуширителя камуфлетного грунтовытеснения в забое скважины .......................................................... 149 Выводы по главе 7 ................................................................................................ 149 Глава 8. Физико-математическое развитие модели расчета давления продуктов взрыва и прочности стальных камер взрывания цилиндрической формы ......................................................................... 150 8.1. Краткий обзор теоретических и экспериментальных исследований к развитию модели расчета оболочек взрывных камер ............................ 150 8.2. Разработка модели теоретического определения давления продуктов взрыва в цилиндрических камерах с изменяющимся объемом ............................................................................ 152 8.3. Развитие модели расчета прочности стальных толстостенных цилиндров при внутреннем осевом взрывании зарядов ........................... 156 8.3.1. Разработка методологии расчета взрывной прочности стенки цилиндра .............................................................................................. 156 8.3.2. Методология определения характера взрывной прочности стальных цилиндров камер взрывания ............................................. 161 8.3.3. Разработка методики расчета малоцикловой прочности стального цилиндра в условиях внутреннего взрывного нагружения ........................................................................ 163 5
8.4. Экспериментальное исследование поведения толстостенных оболочек цилиндрической формы при внутреннем взрывном нагружении ................................................................................... 164 8.4.1. Методика проведения испытания на прочность стальных цилиндров в условиях внутрикамерного взрывания зарядов взрывчатых веществ ................................................................................................. 164 8.4.2. Опытная проверка достоверности модели расчета прочности стальных толстотенных цилиндров при внутрикамерном осесимметричном взрывном нагружении .................................................. 165 8.5. Динамические и статические воздействия на стенках цилиндрических камер при подрыве осевого заряда взрывчатого вещества ....................... 174 8.6. Открытие кондесатно-вакуумного взрыва в камерах и при камуфлетах .......................................................................................... 182 Выводы по главе 8 ................................................................................................ 184 Глава 9. Механическое взаимодействие системы машины и грунта в процессах взрывофугасного грунтовытеснения скважин и камуфлетных уширений ...................................................................... 186 9.1. Взаимодействия энергии взрыва с скважинообразователем и грунтом ........................................................................................................ 186 9.1.1. Статика корпуса, фугасника и грунта ............................................... 186 9.1.2. Динамика системы скважинообразователя и грунта ...................... 188 9.1.3. Кинематика фугасника и корпуса в грунте ...................................... 190 9.2. Взаимодействие энергии продуктов взрыва и грунта в процессе вытеснения камуфлетных уширений .......................................................... 194 9.3. Методология расчетного исследования взаимодействия энергии продуктов взрыва и грунта при грунтовытеснении камуфлетных сферических уширений ................................................................................ 196 Выводы по главе 9 ................................................................................................ 200 Выводы по второму разделу ............................................................................... 200 РАЗДЕЛ 3. ТЕХНОЛОГИЯ УСТРОЙСТВА И ИССЛЕДОВАНИЯ ОПЫТНЫХ СВАЙ В БУРОВЫХ И ВЗРЫВОФУГАСНЫХ СКВАЖИНАХ Глава 10. Изготовление отпытных буровых и взрывофугасных набивных свай ........................................................................................ 203 10.1. Устройство буровых свай .......................................................................... 203 10.2. Изготовление набивных свай во взрывофугасных скважинах .............. 204 10.3. Выполнение набивных свай в камуфлетных взрывофугасных скважинах ..................................................................................................... 207 Выводы по главе 10 .............................................................................................. 210 Глава 11. Натурные и лабораторные исследования грунтов оснований буровых и взрывофугасных набивных свай ...................... 211 6
11.1. Методика проведения натурных испытаний несущей способности свай по грунту ...................................................................................................... 211 11.2. Несущая способность оснований свай в буровых и взрывофугасных скважинах .................................................................... 212 11.3. Обследование измененного состояния грунтов околосвайных зон ...... 214 11.3.1. Статическое зондирование грунтов ................................................ 214 11.3.2. Инструментальная съемка депланации дисперсных грунтов в основаниях свай ............................................................................. 216 11.3.3. Горизонтальная пенетрация грунтов околосвайного пространства ...................................................................................... 220 11.4. Лабораторные исследования физико-механических свойств грунтов ............................................................................................................ 222 Выводы по главе 11 .............................................................................................. 223 Выводы по третьему разделу ........................................................................... 224 РАЗДЕЛ 4. МЕХАНИКА ЛИНЕЙНО-НЕЛИНЕЙНОГО УПРУГОПЛАСТИЧЕСКИВЯЗКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ ДИСПЕРСНЫХ ГРУНТОВ В ГЕОТЕХНОЛОГИИ ВЫТЕСНЕНИЯ ОСНОВАНИЙ ВЗРЫВОФУГАСНЫХ НАБИВНЫХ СВАЙ Глава 12. Модель взаимодействия боковой поверхности ствола набивной сваи с грунтом основания ........................................ 225 12.1. О тождественности особенностей угла внутреннего трения грунта с углом отклонения равнодействующей составляющих напряжений от нормали .................................................................................................... 226 12.2. Положения о физико-механических взаимодействиях боковой поверхности ствола нагружаемой набивной сваи с окружающим грунтом основания ........................................................... 228 12.3. Последовательность физических процессов взаимодействия боковой поверхности ствола нагружаемой набивной сваи с окружающим грунтом основания ........................................................... 238 12.4. Теоретическое и экспериментальное исследование научной достоверности модели взаимодействия боковой поверхности ствола набивной сваи с грунтом основания ......................................................... 243 Выводы по главе 12 .............................................................................................. 247 Глава 13. Физико-механическое обоснование внутреннего сопротивления силовому вдавливающему и взрывофугасному вытеснению дисперсных грунтов ................................................................................ 249 13.1. Разработка вопросов внутреннего давления и сопротивления грунтов при сдвиге в основаниях свай .................................................................... 249 13.1.1. Стадии принудительного изменения состояния при нагружении грунтов в основаниях свай .................................... 249 7
13.1.2. Внутреннее давление и сопротивление грунтов при сдвиге в основаниях свай ............................................................................... 250 13.2. Предельное сопротивление взрывофугасному вытеснению грунтов ................................................................................... 257 Выводы по главе 13 .............................................................................................. 258 Глава 14. Физическая сущность ретроспективных и введение новых прочностных характеристик дисперсных грунтов .............................. 259 14.1. Раскрытие физической сущности углов внутреннего давления и сопротивления при сдвиге грунтов ........................................................ 259 14.2. Выявление закономерности изменения сдвиговых прочностных характеристик дисперсных грунтов в зависимости от физического состояния ...................................................................................................... 265 14.3. Разработка модели неэкспериментального определения сдвиговых прочностных характеристик грунтов и раскрытия физической сущности удельного сцепления ................................................................................... 266 14.4. Установление зависимости значений угла внутреннего трения от изменения главных напряжений и перемещений при сдвиге грунта ........................................................................................ 272 14.5. Открытие и введение новых прочностных характеристик дисперсных грунтов четвертичных отложений ............................................................. 276 Выводы по главе 14 .............................................................................................. 277 Глава 15. Модель грунта как пористодисперснофазового тела при сдвиге в основаниях фундаментов .................................................................... 278 15.1. Канонические модели сплошной среды ................................................... 278 15.2. О некоторых подходах к моделированию грунтов ................................. 279 15.3. Механическая модель грунта как пористодисперснофазового тела ................................................................. 280 15.3.1. Положения физико-мехаических процессов в грунте при возрастающей нагрузке ............................................................. 280 15.3.2. Символическая схема функционирования механической модели грунта .................................................................................... 284 Выводы по главе 15 .............................................................................................. 288 Глава 16. Стадии предельных физико-механических состояний грунта ......... 289 16.1. Анализ проявления и действия физико-механических факторов состояния грунта ......................................................................................... 289 16.1.1. Лайнупругость ................................................................................... 289 16.1.2. Квазиупругость ................................................................................. 291 16.1.3. Упругость ........................................................................................... 292 16.1.4. Упругопластичность ......................................................................... 294 16.1.5. Упругопластичновязкость ................................................................ 296 8
16.2. Нормальные напряжения по главным направлениям как критерии пределов подстадий предельного физико-механического состояния грунтов ......................................................................................................... 300 16.3. Стадии предельного физико-механического состояния грунтов как комплекс функционирования их подстадий ...................................... 302 Выводы по главе 16 .............................................................................................. 305 Глава 17. Математическая модель грунта упругопластическивязкого физико-механического состояния ......................................................... 306 17.1. Графический метод определения пределов физико-механических состояний грунтов ....................................................................................... 306 17.2. Аналитический метод определения пределов физико-механических состояний грунтов ....................................................................................... 308 17.2.1. Прочностные характеристики грунта ............................................. 308 17.2.2. Коэффициенты внутреннего напряжения грунта .......................... 311 17.2.3. Напряжения сдвига грунта ............................................................... 314 17.2.4. Пределы физико-механических состояний грунта ........................ 316 17.3. Математический аппарат модели грунта ................................................. 317 17.4. Метод расчета предельных физико-механических состояний грунтов ......................................................................................................... 322 17.5. Метод расчета корреляции осадки от нагрузки по математической модели грунта упругопластическивязкого состояния ............................... 336 Выводы по главе 17 .............................................................................................. 341 Глава 18. Методология расчетного исследования состояний предельных равновесий грунтовытеснения оснований буровых и набивных свай ...................................................................................... 342 18.1. Теория методик расчетов несущей способности и деформирования оснований свай ............................................................................................ 342 18.1.1. Методика расчета оснований буровых свай .................................. 342 18.1.2. Методика расчета оснований свай во взрывофугасных скважинах ....................................................................................................... 345 18.2. Теория методик определения зон изменения состояния грунтов .......... 350 18.2.1. Методика расчета зон напряженно-деформированного состояния оснований буровых свай .................................................................... 350 18.2.2. Методика расчета зон принудительного изменения состояния оснований вокруг взрывофугасно грунтовытесненных скважин ................................................................................................ 354 18.2.3. Методика расчета зон напряженно-деформированного состояния оснований свай во взрывофугасных скважинах .............................. 359 Выводы по главе 18 .............................................................................................. 361 Выводы по четвертому разделу ........................................................................ 362 9
РАЗДЕЛ 5. НЕЛИНЕЙНОЕ УПРУГОПЛАСТИЧЕСКИВЯЗКОЕ ДЕФОРМАЦИОННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ В ГЕОТЕХНОЛОГИИ ДВУХ СДВИГАЕМЫХ ТРУЩИХСЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ Глава 19. Физико-механическое взаимодействие в процессуальном развитии первого состояния предельного равновесия сил связности покоя и трения скольжения сдвигаемых твердых тел .................................... 365 19.1. Исходные вводные положения физико-механического взаимодействия сил трения покоя и скольжения двух трущихся твердых тел ................ 366 19.2. Физические факторы, механизмы, силы распора, сопротивление сил упругости и пластического материала в контактах неровностей зацепления твердых тел в состоянии связности покоя от действия постоянной сжимающей нормальной силы ................................................ 367 19.3. Физические факторы, механизмы, силы сопротивления упругости и пластического материала в контактах неровностей зацепления твердых тел в состоянии предельного равновесия связности покоя и фрикционности сдвига от действия постоянной нормальной силы и сдвигающей силы тяги .............................................................................. 370 Выводы по главе 19 ............................................................................................. 373 Глава 20. Физико-механическое взаимодействие в процессуальном развитии последующих состояний предельных равновесий связности покоя и фрикционности сдвига двух трущихся твердых тел ........................ 374 20.1. Второго состояния предельного равновесия сил взаимодействия двух трущихся твердых тел ........................................................................ 374 20.2. Третьего состояния предельного равновесия сил взаимодействия двух трущихся твердых тел ........................................................................ 375 20.3.Четвертого состояния предельного равновесия сил взаимодействия двух трущихся твердых тел ........................................................................ 376 20.4. Пятого состояния предельного равновесия сил взаимодействия двух трущихся тел ....................................................................................... 376 20.5. Обощение положений о физико-механических и физико-химических взаимодействиях внутренних сил трения покоя и скольжения при достижении пяти состояний предельных равновесий сдвигаемых твердых тел ............................................................................. 378 Выводы по главе 20 .............................................................................................. 379 Глава 21. Экспериментально-теоретические исследования предельных состояний сдвигаемых скальных горных пород .................................. 380 21.1. Экспериментальное исследование предельных состояний сдвигаемых скальных горных пород .............................................................................. 380 21.2. Теоретическое исследование предельных состояний сдвигаемых скальных горных пород .............................................................................. 381 10