Основы механики грунтов


М. С. Ким, В. X. Ким





        ОСНОВЫ МЕХАНИКИ ГРУНТОВ

Учебное пособие

Второе издание, исправленное и дополненное















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 624.131
ББК 38.58
     К40




Рецензенты: кафедра конструкций зданий и сооружений Тамбовского государственного технического университета; начальник 32 кафедры инженерно-аэродромного обеспечения ВУНЦ ВВС «ВВА» (г. Воронеж) канд. техн. наук, доцент А. Н. Попов







     Ким, М. С.
К40      Основы механики грунтов : учебное пособие / М. С. Ким, В. X. Ким. -
     2-е изд., испр. и доп. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. -200 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-0773-1

     Рассмотрены физико-механические свойства грунтов, исследовано напряженное состояние оснований, показаны методы определения деформаций грунтовых массивов и оценки их устойчивости. Приведены примеры решения задач по курсу и контрольные вопросы к каждой главе.
     Для студентов строительных специальностей. Может быть полезно сотрудникам изыскательских и проектных организаций.

УДК 624.131
                                                           ББК 38.58









ISBN 978-5-9729-0773-1

     © Ким М. С., Ким В. X., 2022
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

ОГЛАВЛЕНИЕ


Введение.......................................................6
Основные положения.............................................7
Глава 1. ГРУНТЫ КАК ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ...................................11
1.1. Природа грунтов, их состав и строение ...................11
1.2. Структурные связи в грунтах..............................14
1.3. Показатели физического состояния грунтов.................15
1.4. Классификация грунтов....................................23
1.5. Нормативные и расчетные показатели физического состояния грунтов.............................................25
Глава 2. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ МЕХАНИКИ ГРУНТОВ. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ.................................28
2.1. Сжимаемость грунтов. Закон уплотнения грунта.............28
    2.1.1. Компрессионная зависимость.........................28
    2.1.2. Закон уплотнения грунта............................34
    2.1.3. Основные деформационные характеристики грунтов.....35
2.2. Водопроницаемость грунтов. Закон ламинарной фильтрации...36
    2.2.1. Фильтрационные свойства глинистых грунтов..........39
    2.2.2. Эффективные и нейтральные давления в грунте........40
2.3. Сопротивление грунтов сдвигу. Закон Кулона................43
    2.3.1. Сопротивление сдвигу идеально сыпучих грунтов......43
    2.3.2. Сопротивление сдвигу связных грунтов...............46
    2.3.3. Испытание грунтов при трехосном сжатии.............48
2.4. Полевые методы испытания грунтов.........................52
2.5. Нормативные и расчетные значения характеристик деформируемости и прочности грунтов............................................58
Глава 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ В ГРУНТАХ......................60
3.1. Напряженное состояние в точке грунтового массива.........60
3.2. Напряжения в грунте в случае пространственной задачи.....64
    3.2.1. Определение напряжений от действия вертикальной сосредоточенной силы, приложенной к поверхности линейно-
    деформируемого полупространства...........................64
    3.2.2. Определение напряжений от действия местной равномерно распределенной нагрузки...................................71
    3.2.3. Определение напряжений методом угловых точек.......73
3.3. Определение напряжений в грунте в случае плоской задачи..76

3

    3.3.1. Понятие плоской деформации и плоского напряженного состояния........................................................76
    3.3.2. Определение напряжений от действия равномерно распределенной полосовой нагрузки................................77
3.4. Влияние неоднородности напластований грунтов на распределение напряжений.....................................................85
3.5. Влияние формы и площади фундамента в плане на распределение напряжений.....................................................85
3.6. Напряжения от действия собственного веса грунта...........86
3.7. Распределение напряжений на подошве фундамента. Контактная задача..............................................88
    3.7.1. Модель местных упругих деформаций...................90
    3.7.2. Модель общих упругих деформаций ....................91
    3.7.3. Зависимость осадки грунтов от площади загрузки......92
    3.7.4. Эпюры контактных напряжений.........................93
Глава 4. ДЕФОРМАЦИИ ГРУНТОВ И РАСЧЕТ ОСАДОК ОСНОВАНИЙ СООРУЖЕНИЙ.....................................................97
4.1. Виды и природа деформаций грунтов ........................97
4.2. Определение осадки поверхности слоя грунта от сплошной нагрузки.98
4.3. Методы расчета осадок фундаментов........................100
    4.3.1. Метод послойного суммирования деформаций...........100
    4.3.2. Метод линейно-деформируемого слоя..................105
    4.3.3. Метод эквивалентного слоя..........................108
    4.3.4. Расчет осадок оснований с учетом веса грунта, вынутого из котлована..............................................112
    4.3.5. Расчет осадок оснований во времени.................117
    4.3.6. Понятие о реологических свойствах грунтов..........124
Глава 5. ПРЕДЕЛЬНОЕ НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ГРУНТОВЫХ ОСНОВАНИЙ.....................................................129
5.1. Фазы напряженного состояния грунтов при возрастании нагрузки....129
5.2. Основные положения теории предельного равновесия ........133
5.3. Критические нагрузки на грунты основания.................136
    5.3.1. Начальная критическая нагрузка. Расчетное сопротивление грунта....................................................136
    5.3.2. Предельная нагрузка на грунт.......................140
Глава 6. УСТОЙЧИВОСТЬ ГРУНТОВ В ОТКОСАХ.......................145
6.1. Причины нарушения устойчивости откосов и склонов.........145
6.2. Устойчивость откоса идеально сыпучего грунта.............146
6.3. Устойчивость вертикального откоса в идеально связных грунтах....147

4

6.4. Методы расчета устойчивости откосов.......................148
    6.4.1. Расчет устойчивости откоса при плоских поверхностях скольжения..................................................149
    6.4.2. Расчет устойчивости откосов методом круглоцилиндрических поверхностей скольжения.....................................149
    6.4.3. Расчет устойчивости откосов методами теории предельного равновесия.................................................156
6.5. Меры по увеличению устойчивости откосов...................159
Глава 7. ДАВЛЕНИЕ ГРУНТОВ НА ОГРАЖДАЮЩИЕ КОНСТРУКЦИИ....................................................160
7.1. Классификация подпорных стен..............................160
7.2. Понятие об активном и пассивном давлении грунта...........161
7.3. Определение давления идеально сыпучего грунта на вертикальную гладкую подпорную стенку при горизонтальной поверхности засыпки.164
7.4. Учет сцепления при определении активного давления связного грунта на вертикальную гладкую подпорную стенку при горизонтальной поверхности засыпки............................................166
7.5. Учет нагрузки на поверхности засыпки при определении активного давления на подпорную стенку...................................168
7.6. Учет негоризонтальной поверхности грунта и наклона и шероховатости задней грани подпорной стенки..................172
7.7. Учет неоднородности грунта засыпки при определении активного давления на подпорную стенку...................................173
7.8. Расчет устойчивости подпорных стенок......................174
7.9. Определение давления грунтов на подпорные стенки методом теории предельного равновесия..................................179
7.10. Графический метод определения давления грунтов на подпорные стенки............................................181
Заключение.....................................................184
Библиографический список.......................................185
Приложение 1. Глоссарий........................................186
Приложение 2. Основные показатели состава и свойств грунтов....194
Приложение 3. График Н. Янбу...................................196

5

ВВЕДЕНИЕ


      Все возводимые надземные сооружения передают нагрузки, включая и собственный вес, на основания, состоящие из грунтов. В большинстве случаев грунты представляют собой дисперсные тела, которые существенно отличаются от конструктивных строительных материалов, обладающих, в основном, упругими свойствами. Поэтому для расчета грунтовых оснований недостаточно методов классической строительной механики. Для этого требуется знание механики грунтов, которая изучает деформации, прочность и устойчивость дисперсных тел. Важность роли механики грунтов в деятельности инженеров строительных специальностей объясняется уже тем, что более 70 % всех аварий зданий и инженерных сооружений происходят из-за ошибок, допущенных при оценке физико-механических свойств грунтов, проектировании, возведении и эксплуатации оснований и фундаментов.
      Механика грунтов является одной из основных инженерных дисциплин для студентов всех строительных специальностей. Она тесно связана с другими инженерными дисциплинами. Для освоения курса механики грунтов необходимо знание математики, физики, инженерной геологии, сопротивления материалов, строительной механики, теории упругости.
      Настоящее учебное пособие содержит курс лекций по дисциплине «Механика грунтов» для студентов, обучающихся по специальности 08.05.01 «Строительство уникальных зданий и сооружений». Оно предназначено для студентов всех форм обучения.
      В пособии нашли отражение вопросы, рассматриваемые на лекциях, практических занятиях и при курсовом проектирования, а также при самостоятельной работе студентов. В данном пособии найдут материал для изучения дисциплины «Механика грунтов» и других связанных с ней дисциплин студенты бакалавриата и магистратуры. Пособие также может быть полезно сотрудникам изыскательских и проектных организаций.
      При написании пособия использованы материалы лекций авторов, а также другие учебные [1, 2, 6, 7, 11, 12] и нормативные [3, 4, 5, 8, 9, 10] источники.


6

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ


Предмет механики грунтов.
Вопросы курса механики грунтов
     Механика грунтов - часть общей механики горных пород, включающей: механику массивных пород (сплошных сред), механику грунтов (рыхлых горных пород) и механику органических масс.
     Механика грунтов в то же время является одним из важных разделов геомеханики, в основу которого положены как законы теоретической механики (механики твердых абсолютно несжимаемых тел), так и закономерности строительной механики деформируемых тел (теория упругости, пластичности, ползучести). Кроме этих закономерностей механика грунтов рассматривает зависимости, вытекающие из особенностей работы грунтов под нагрузкой: сжимаемость, водопроницаемость, контактную сопротивляемость сдвигу и структурно-фазовую деформируемость грунтов.
     Данный курс «Механики грунтов» рассматривает следующие вопросы:
        1. Физические свойства грунтов.
        2.      Основные законы и закономерности механики грунтов. Механические свойства грунтов.
        3. Напряженное состояние грунтовых массивов.
        4. Методы расчета деформаций грунтов и осадок сооружений.
        5. Предельные состояния грунтовых массивов.
        6. Устойчивость откосов.
        7. Давление грунтов на ограждающие конструкции.
     Все эти вопросы неразрывно связаны между собой и образуют четкую структуру, позволяющую в итоге решать конкретные задачи проектирования оснований и фундаментов. Связь основных разделов курса «Механики грунтов» между собой и их использование для решения практических задач проектирования и расчета грунтовых сооружений, оснований и фундаментов отражена на блок-схеме (рис. 1), предложенной профессором ВГАСУ В. М. Алексеевым.

Значение предмета «Механика грунтов»
     Механика грунтов является одной из основных инженерных дисциплин для студентов всех строительных специальностей. Она представляет собой теоретическую базу для проектирования оснований и фундаментов так же, как сопротивление материалов и строительная механика - для проектирования строительных конструкций. Без знания основ механики грунтов невозможно правильно запроектировать современные промышленные и гражданские здания и инженерные сооружения.

7

Рис. 1. Блок-схема курса механики грунтов

     Знание механики грунтов позволяет наиболее полно использовать несущую способность грунтов, достаточно точно учитывать деформации грунтовых оснований под действием нагрузки и принимать наиболее безопасные и экономичные решения.

8

Развитие науки механики грунтов
     Первой капитальной теоретической работой по механике грунтов является работа Ш. Кулона (1773 г.) о давлении грунта на подпорные стенки. Он же сформулировал закон сопротивления грунта сдвигу. Бурный рост промышленности в XIX веке вызвал наращивание строительства, что потребовало развития инженерной геологии и механики грунтов. В это время появились работы Г. Дарси (1856 г.) о движении воды в грунтах, Е. Винклера (1867 г.) о связи осадки фундамента с внешней нагрузкой, Ж. Буссинеска (1885 г.) о распределении напряжений в грунте от действия сосредоточенной силы. Профессор В. И. Курдюмов (1889 г.) провел классические опыты по выявлению распределения напряжений и деформаций в массиве грунта от нагрузок на его поверхности. В 1915 г. проф. П. А. Миняев впервые показал применимость теории упругости к расчету напряжений в сыпучих грунтах, а в 1923 г. проф. Н. П. Пузыревский предложил теорию напряженного состояния грунтов, разработав особый метод теории упругости для расчета оснований. В том же году акад. Н. И. Павловский в работе «Теория движения грунтовых вод» заложил основы современных фильтрационных расчетов. К. Терцаги в 1925 г. опубликовал книгу «Строительная механика грунта на основе его физических свойств», которую можно считать первым фундаментальным трудом в этой области. Большим вкладом в современную механику грунтов были работы проф. Н. М. Герсеванова (1931, 1933 г.) «Основы динамики грунтовой массы» и проф. В. А. Флорина (1936-1938 г.) по решению плоской и пространственной задач теории фильтрационной консолидации. В это же время (1934 г.) появился первый учебник Н. А. Цытовича «Основы механики грунтов», который затем многократно переиздавался с дополнениями, и до настоящего времени является одним из лучших учебников по механике грунтов.
     В последующие годы XX века наука механика грунтов бурно развивалась трудами таких ученых, как Г. Е. Паукер, Л. Прандль, В. В. Соколовский, В. Г. Березанцев, Н. Н. Маслов, Д. Е. Польшин, М. И. Горбунов-Посадов, Б. И. Далматов, А. А. Бартоломей, П. Л. Иванов, Ю. К. Зарецкий, 3. Г. Тер-Мартиросян, С. С. Вялов, К. Е. Егоров и др.
     В последнее время развитие новых технологий в строительстве предъявляет новые требования к точности расчетов оснований сооружений. В связи с этим большое внимание уделяется развитию нелинейной механики грунтов, в которой рассматриваются вопросы пластических деформаций и ползучести.
     Другой важной особенностью развития механики грунтов на современном этапе является использование численных методов расчетов и применение разработанных на их основе программных комплексов для решения геотехнических задач.

9

Основные понятия и определения
     Грунт - любая горная порода, почва, осадок и техногенные минеральные образования, рассматриваемые как многокомпонентные динамичные системы и часть геологической среды, изучаемые в связи с инженерно-хозяйственной деятельностью (ГОСТ 25100-2020 [4]).
     Грунтами называются все рыхлые горные породы коры выветривания литосферы (каменной оболочки Земли) - несвязные (сыпучие) или связные, прочность связей которых во много раз меньше прочности самих минеральных частиц (Н. А. Цытович [12]).
     Основание - массив грунта, на котором возводится сооружение, воспринимающий нагрузку от него и испытывающий в результате этого напряжения и деформации.
     Фундамент - подземная или заглубленная часть сооружения, предназначенная для передачи нагрузки от сооружения на основание.


Рис. 2. Основные понятия и определения

10

ГЛАВА 1


ГРУНТЫ КАК ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ


1.1. Природа грунтов, их состав и строение


      Грунты являются преимущественно осадочными обломочными горными породами, т. е. представляют собой продукты выветривания различных горных пород, прошедшие стадии изменения в процессе их переноса, отложения и диагенеза. Механика грунтов рассматривает грунты, которые по определению ГОСТ 25100-2020 [4] относятся к классу дисперсных, то есть грунты, состоящие из совокупности твердых частиц, зерен, обломков и других элементов, между которыми есть физические, физико-химические или механические структурные связи.
      Грунты имеют весьма сложный состав и этим существенно отличаются от любых других материалов, применяемых в строительстве.
      Грунты являются многофазными системами. В их состав входят следующие компоненты: твердый (минеральные частицы грунта), жидкий (вода) и газообразный (воздух). Соотношение этих компонентов обусловливает многие свойства грунтов. Пространство между минеральными частицами, заполненное водой, газом или паром, называют порами. Систему минеральных частиц, составляющих грунт, называют его скелетом. Между минеральными частицами грунта могут существовать структурные связи, прочность которых определяет степень связности грунта (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Компоненты грунта как многофазной системы:
1 - минеральные частицы (твердая фаза); 2 - структурные связи между минеральными частицами; 3 - поры, заполненные газом; 4 - поры, заполненные водой и растворенным в воде газом; 5 - защемленные в воде пузырьки газа

11

     В состав некоторых грунтов входят органические вещества, которые существенно влияют на их физические свойства.
     Твердые частицы. Свойства грунтов в значительной степени определяются размерами и минералогическим составом слагающих их твердых частиц. Минеральные частицы могут иметь размеры от десятков миллиметров до долей микрона. Это порождает большое разнообразие видов грунта, существенно отличающихся своими свойствами. Согласно ГОСТ 25100-2020 [4] разновидности дисперсных грунтов выделяются по размерам слагающих элементов и их фракций (табл. 1.1).
Таблица 1.1 Разновидности дисперсных грунтов по размерам слагающих элементов и их фракций

 Элементы грунта  Фракции Размер фракций, мм
                  Крупные      d > 800      
 Валуны (глыбы)   Средние   400 < d < 800   
                  Мелкие    200 < d < 400   
                  Крупные   100 < d < 200   
 Галька (щебень)  Средние    60 < d < 100   
                  Мелкие     10 < d < 60    
                  Крупные     5 < d < 10    
 Гравий (дресва)  Мелкие      2 < d < 5     
                  Грубые      1 < d < 2     
                  Крупные    0,5 < d < 1    
Песчаные частицы  Средние   0,25 < d < 0,5  
                  Мелкие   0,10 < d < 0,25  
                  Тонкие   0,05 < d < 0,10  
Пылеватые частицы Крупные  0,01 < d < 0,05  
                  Мелкие   0,002 < d < 0,01 
Глинистые частицы             d < 0,002     

     Грунты, в которых более 50 % массы составляют частицы размером от 2 до 0,05 мм, относятся к песчаным, а грунты, состоящие, в основном, из пылеватых и глинистых (не менее 3 %) частиц, - к глинистым.
     Минералогический состав твердых частиц грунта оказывает существенное влияние на его физические свойства. Часть минералов (кварц, полевой шпат, слюда и др.) инертна по отношению к воде, окружающей минеральные частицы. Эти минералы не меняют своих свойств при изменении содержания воды. Грунты, сложенные такими минералами, обладают наиболее благоприятными строительными свойствами. К таким грунтам относятся, в основном, пески и

12

крупнообломочные грунты. Другие минералы (монтмориллонит, каолинит, иллит и другие глинистые минералы) активно взаимодействуют с водой за счет своей большой удельной поверхности. Поэтому даже малое содержание таких частиц резко изменяет свойства грунтов.
     Вода в грунте, ее виды и свойства. Содержание воды в грунтах в значительной степени предопределяет их свойства. Это объясняется взаимодействием молекул воды с твердыми частицами грунта вследствие наличия электромолеку-лярных сил. Твердые частицы грунта имеют на поверхности отрицательный электрический заряд, а молекулы воды представляют собой диполи. Попадая в поле заряда частицы грунта, молекулы воды ориентируются определенным образом и притягиваются к поверхности частицы. В результате поверхность твердой частицы покрывается слоем молекул воды. Электромолекулярные силы взаимодействия между поверхностью твердой частицы и молекулами воды у самой поверхности очень велики, но по мере удаления от нее быстро убывают и на некотором расстоянии уменьшаются до нуля. Самые близкие к твердой частице слои 1-3 ряда молекул воды называются прочносвязанной адсорбированной водой. Такую воду невозможно удалить из грунта ни огромным внешним давлением, ни действием напора воды.
     Следующие слои молекул воды, окружающей твердые частицы, образуют слои рыхлосвязанной воды, которые поддаются выдавливанию из пор грунта только высоким внешним давлением. Такую воду называют пленочной водой. Количество пленочной воды в глинистых грунтах определяет их пластичность, прочность, ползучесть и другие свойства.
     Чем меньше размер частиц, тем больше их удельная поверхность и больше связанной воды в грунтах.
     Молекулы воды, находящиеся вне сферы действия электромолекулярных сил, образуют свободную воду. Свободной является гравитационная вода, движение которой происходит под действием силы тяжести, и капиллярная, движущаяся силами капиллярного натяжения воды. Так как эта вода заполняет поры грунта, ее также называют поровой водой. Минеральные частицы специфических грунтов, а также связи между ними могут состоять из растворимых солей. Миграция поровой воды может приводить к растворению солей и появлению в поровой воде растворов солей, кислот и щелочей, что делает ее агрессивной по отношению к конструкциям фундаментов.
     На рис. 1.2 показана схема расположения молекул воды около поверхности частицы грунта.

13