Конспект лекций по механике грунтов

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Томский государственный архитектурно-строительный университет»

С.В. Ющубе, А.А. Тарасов

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ 

ПО МЕХАНИКЕ ГРУНТОВ

Учебное пособие

Томск

Издательство ТГАСУ

2023

УДК 624.131(075.8)
ББК 38.581.1я73

Ю997

Ющубе, С.В.

Конспект лекций по механике грунтов : учебное пособие / 

С.В. Ющубе, А.А. Тарасов. – Томск : Изд-во Том. гос. архит.строит. ун-та, 2023. – 156 с. – Текст : непосредственный.

ISBN 978-5-6050245-9-0

Настоящее пособие предназначено для студентов строительных вузов, 

изучающих дисциплины «Механика грунтов» и «Геотехника». В пособии приведены основные сведения о грунтах, их составе, строении, физико-механических характеристиках, особенностях распределения напряжений и деформирования под нагрузками. В представленном материале упор сделан на свойствах грунтов, важных со строительной точки зрения именно для инженерастроителя. Для лучшего понимания материала студентами и удобства его использования при подготовке к зачетам и экзаменам по указанным дисциплинам вся информация разделена на лекции, объем которых примерно равен объему классического лекционного занятия.

Учебное пособие соответствует государственному образовательному 

стандарту дисциплины «Основания и фундаменты» бакалавриата по направлению подготовки 08.03.01 «Строительство» всех форм обучения. Также может быть полезно для студентов специальности 08.05.01 «Строительство уникальных зданий и сооружений».

УДК 624.131(075.8)
ББК 38.581.1я73

Рецензенты:
А.А. Петухов, канд. техн. наук, директор ООО «Стройтехинновации ТДСК», г. Томск;
В.А. Юдин, канд. техн. наук, доцент, директор ООО «ФОБУС-5», 
г. Томск.

ISBN 978-5-6050245-9-0
© Томский государственный

архитектурно-строительный
университет, 2023

© Ющубе С.В., Тарасов А.А., 2023

Ю997

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение............................................................................................ 7

Лекция 1. Состав, структура и основные свойства грунтов.... 9

1.1. Общие сведения о курсе «Механика грунтов»................... 9
1.2. Состав и основные свойства грунтов................................. 10

1.2.1. Твердые частицы........................................................11
1.2.2. Жидкая составляющая грунта...................................14
1.2.3. Газообразная составляющая грунта .........................17

1.3. Структура и текстура. Структурные связи грунтов ......... 18

Контрольные вопросы.................................................................... 22

Лекция 2. Основные физические характеристики 
грунтов. Строительная классификация грунтов................... 23

2.1. Основные физические характеристики грунтов............... 23
2.2. Классификационные показатели грунтов ......................... 25
2.3. Строительная классификация грунтов .............................. 28

Контрольные вопросы.................................................................... 31

Лекция 3. Деформируемость грунтов....................................... 32

3.1. Особенности деформирования грунтов............................. 32

3.1.1. Линейная и нелинейная зависимость 
изменения деформаций от нагрузки...................................32
3.1.2. Упругие и пластические (остаточные) деформации ..33
3.1.3. Ползучесть грунтов....................................................35
3.1.4. Фильтрационная консолидация грунтов..................36
3.1.5. Объемные и сдвиговые деформации........................39

3.2. Сжимаемость грунтов при статических воздействиях........ 40
3.3. Определение модуля деформации грунта 
испытаниями его штампом........................................................ 44
3.4. Коэффициент бокового давления грунта .......................... 47
3.5. Фильтрационные свойства грунтов ................................... 47

Контрольные вопросы.................................................................... 51

Лекция 4. Прочность грунтов .................................................... 53

4.1. Сопротивление грунтов сдвигу.......................................... 53
4.2. Условие предельного напряженного состояния грунта ...... 58
4.3. Соотношение между главными напряжениями 
в предельном состоянии............................................................. 62

Контрольные вопросы.................................................................... 63

Лекция 5. Определение напряжений в массиве грунтов ...... 64

5.1. Общие положения................................................................ 64
5.2. Определение напряжений в массиве грунта 
от действия собственного веса .................................................. 66

Контрольные вопросы.................................................................... 73

Лекция 6. Определение напряжений в массивах грунтов 
от внешних нагрузок.................................................................... 74

6.1. Действие сосредоточенной силы (основная 
пространственная задача) .......................................................... 74
6.2. Действие равномерно распределенной полосовой 
нагрузки ....................................................................................... 80
6.3. Случай загрузки прямоугольной площадки 
поверхности основания равномерно распределенной 
нагрузкой ..................................................................................... 84
6.4. Влияние площади загрузки и неоднородности 
основания на распределение напряжений................................ 86
6.5. Распределение давлений по подошве сооружений, 
опирающихся на грунт (контактная задача) ............................ 88

Контрольные вопросы.................................................................... 91

Лекция 7. Основные расчетные модели грунта ..................... 93

7.1. Модели дискретной среды.................................................. 93
7.2. Модели сплошной среды .................................................... 94

7.2.1. Зависимость между изменением коэффициента 
пористости и относительной деформацией 
при линейной постановке....................................................99

7.2.2. Зависимость между коэффициентом бокового 
давления и коэффициентом Пуассона..............................100
7.2.3. Зависимость между коэффициентом 
пористости и суммой главных напряжений ....................101
7.2.4. Модуль деформации ................................................102

Контрольные вопросы.................................................................. 104

Лекция 8. Предельные нагрузки на грунты.......................... 106

8.1. Фазы напряженного состояния грунта ............................ 106
8.2. Критические нагрузки на грунт........................................ 108
8.3. Предельная нагрузка для грунтов .................................... 111

Контрольные вопросы.................................................................. 113

Лекция 9. Устойчивость массивов грунтов в откосах 
и склонах ...................................................................................... 114

9.1. Устойчивость свободных откосов.................................... 114
9.2. Определение активного давления грунта 
на подпорные стенки................................................................ 117
9.3. Графоаналитический метод расчета несущей 
способности основания (метод круглоцилиндрических 
поверхностей скольжения) ...................................................... 119

Контрольные вопросы.................................................................. 121

Лекция 10. Деформации грунтов и методы
их определения............................................................................ 122

10.1. Определение осадки поверхности слоя грунта 
при сплошной равномерно распределенной нагрузке .............. 122
10.2. Теория фильтрационной консолидации грунтов.......... 124

Контрольные вопросы.................................................................. 128

Лекция 11. Особые виды грунтов 
со структурно-неустойчивыми связями................................. 130

11.1. Просадочные грунты....................................................... 130
11.2. Мерзлые и многолетнемерзлые грунты......................... 134
11.3. Рыхлые пески ................................................................... 138

11.4. Слабые водонасыщенные глинистые грунты ............... 138
11.5. Набухающие грунты........................................................ 140
11.6. Торфы и заторфованные грунты .................................... 141
11.7. Насыпные грунты ............................................................ 141

Контрольные вопросы.................................................................. 142

Лекция 12. Динамические воздействия на грунты.............. 143

12.1. Сжимаемость грунтов при динамических 
воздействиях.............................................................................. 143
12.2. Прочность грунта при динамических воздействиях...... 146
12.3. Разжижение водонасыщенных несвязных грунтов...... 148
12.4. Уплотнение грунта при укатке и трамбовании............. 150

Контрольные вопросы.................................................................. 151

Заключение .................................................................................. 153

Список литературы.................................................................... 154

ВВЕДЕНИЕ

«Механика грунтов» является одной из базовых дисциплин, 

изучаемых студентами строительных вузов по направлению 
«Строительство». В данном курсе студенты знакомятся с основными видами и свойствами грунтов, особенностями их деформирования под действием различных видов нагрузок, методами 
определения физико-механических характеристик и многим другим, без чего осмысленное проектирование оснований фундаментов просто невозможно.

Значение «Механики грунтов» в настоящее время, когда 

использование различных программных комплексов позволяет 
решать достаточно сложные задачи по проектированию оснований фундаментов, требуя от проектировщика лишь ввода исходных данных, только возрастает. В этом случае именно грамотный анализ полученных результатов, которые обычно представляются в виде графиков и схем напряженно-деформированного 
состояния, позволяет оценить их достоверность, выявить 
ошибки и недочеты в принятых расчетных схемах, что невозможно без понимания физики процессов, происходящих в грунтах при различных воздействиях, оказываемых на них при строительстве и эксплуатации зданий и сооружений.

Понимание этого позволит избежать или, по крайней мере, 

дать ответ на часто мучающие студентов вопросы: «Зачем мы это 
изучаем и как мне это пригодится в профессиональной деятельности?», тем самым сподвигнув их к творческому и осмысленному изучению дисциплины.

Хорошим подспорьем к лекционному материалу должны 

стать лабораторные и практические занятия, на которых студенты смогут проверить на практике полученные теоретические 
знания. При этом лабораторные работы не должны сводиться 
лишь к банальному определению физико-механических характеристик грунтов, а наглядно демонстрировать такие процессы, как, 
например, давление грунтов на ограждающие конструкции, рас

пределение напряжений в массиве грунта, влияние динамических 
воздействий и др. С осторожностью надо подходить к использованию автоматизированных комплексов для испытаний грунтов, 
т. к. они часто не позволяют студенту визуально оценить механику процесса (например, при компрессионном уплотнении или 
одноплоскостном сдвиге).

Настоящее учебное пособие структурировано в виде от
дельных лекций для удобства его использования при самостоятельной подготовке студента к контрольным работам, зачетам 
и экзаменам по дисциплинам «Механика грунтов» и «Геотехника» либо в качестве основного курса лекций для студентов заочной или дистанционной форм обучения. При этом учебное пособие дает лишь общие представления о механике грунтов, и для 
углубленного изучения отдельных лекционных тем целесообразным будет дополнительное изучение учебников и узкоспециализированных монографий.

ЛЕКЦИЯ 1. СОСТАВ, СТРУКТУРА 

И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ

1.1. Общие сведения о курсе «Механика грунтов»

Механика грунтов изучается в составе дисциплины «Геотех
ника» после того, как студент освоил в рамках своей образовательной программы ряд теоретических дисциплин, таких как математика, сопротивление материалов, инженерная геология и др.

В курсе «Механика грунтов» рассматриваются вопросы, ка
сающиеся определения физико-механических свойства грунтов, 
распределения напряжений и деформаций в грунтовых массивах, 
а также условий их устойчивости под действием собственного 
веса и внешних нагрузок. Логическим продолжением курса «Механика грунтов» является курс «Основания и фундаменты», в котором на основании теоретических положений и установленных 
закономерностей решаются практические задачи проектирования 
и устройства фундаментов зданий и сооружений в различных 
грунтовых условиях.

Механика грунтов – это теория естественных грунтовых ос
нований. Без знания свойств грунтов и закономерностей их поведения под нагрузкой невозможно запроектировать строительный 
объект, отвечающий современным требованиям надежности, 
долговечности и экономичности.

В настоящее время возводятся все более высокие здания, что 

приводит к увеличению нагрузок, передаваемых на фундаменты. 
В промышленных зданиях устанавливается уникальное оборудование, не допускающее значительных смещений. В связи с этим 
роль механики грунтов как теоретической основы современного 
фундаментостроения постоянно возрастает. Только на основе глубоких знаний будущий инженер сможет правильно оценить инженерно-геологические условия строительной площадки, определить 
размеры будущих фундаментов, выбрать соответствующий метод 
их устройства, а значит, обеспечить высокую надежность, долговечность и экономичность возводимых зданий и сооружений. Если 

иметь в виду, что стоимость фундаментов в обычных грунтовых 
условиях составляет 5–20 % от общей стоимости здания, а в сложных может превысить 20 %, то наиболее полное использование несущей способности грунтов основания и применение рациональных конструкций фундаментов позволяют добиться существенного экономического эффекта.

1.2. Состав и основные свойства грунтов

Грунт представляет собой весьма сложную и неоднородную 

среду. Основной особенностью грунтов является их раздробленность. Твердые частицы образует так называемый скелет грунта 
или, другим словами, его каркас, между элементами которого 
имеются зазоры, называемые порами. В порах грунта содержится 
газ или жидкость. При взаимодействие отдельных частиц между 
ними возникают различные типы связей, причем прочность связей много меньше прочности самих частиц.

Таким образом, грунт в общем случае представляет собой 

трехкомпонентную среду (рис. 1.1), но в особых случаях может 
быть представлен в виде двухкомпонентной среды (полностью 
водонасыщенный или сухой грунт) или даже четырёхкомпонентной при наличии, например, в нем частичек льда или большого 
количества органических веществ (мерзлые и органоминеральные грунты), что придает грунту весьма специфические свойства.

Рис. 1.1. Состав грунтов1:

а – модель трехкомпонентного грунта; б – модель двухкомпонентного грунта

1 URL: https://slideplayer.com/user/12351594/

Твердые частицы

(минералы)

Жидкость (водные
растворы солей)

Газ в порах грунта

Жидкость (водные
растворы солей)
Твердые частицы

(минералы)

Газ в порах грунта

а
б

1.2.1. Твердые частицы

Природные грунты являются продуктом физического и хи
мического выветривания скальных горных пород, поэтому твердые частицы грунтов представлены отдельными минералами или 
обломками этих пород. Песчаные и крупнозернистые грунты состоят в основном из таких минералов, как кварц, полевой шпат, 
слюда. Глинистые грунты, как продукт в основном химического 
выветривания, содержат большое количество мелких вторичных 
минералов – монтмориллонита, каолинита, гидрослюды и др.

В зависимости от крупности твердые частицы делятся на 

шесть групп (табл. 1.1), называемых фракциями (рис. 1.2).

Таблица 1.1

Деление частиц грунта по фракциям

Наименование фракции
Диаметр частиц грунта, мм

Галька (щебень)
> 20

Гравий (дресва)
20–2

Песчаные
2–0,05

Пылеватые
0,05–0,005

Глинистые
< 0,005

Примечание. В скобках даны наименования неокатанных частиц.

Рис. 1.2. Сопоставление размеров различных фракций грунтов (слева 

направо): гравий – песок – глина2

2 URL: https://doi.org/10.2136/sssabookser

Природные грунты состоят из фракций разной крупности. 

Процентное содержание в грунте по массе различных фракций 
определяет его гранулометрический состав.

Содержание в грунте частиц крупнее 0,1 мм определяют 

просеиванием через комплект сит с калиброванными отверстиями. Для более мелких фракций применяют методы, основанные 
на определении размеров частиц по скорости их выпадения в осадок из суспензии, используя зависимость Стокса для скорости падения шара в вязкой жидкости.

Зная процентное содержание в грунте каждой фракции, 

можно построить кривые однородности грунта в полулогарифмическом масштабе, откладывая по оси абсцисс логарифмы диаметра частиц, а по оси ординат – проценты содержания частиц 
(рис. 1.3).

Рис. 1.3. Кривые однородности грунтов:

1 – грунт однородный; 2 – грунт менее однородный; 3 – грунт, не имеющий 
в своем составе ряда промежуточных фракций

В дорожном и гидротехническом строительстве степень не
однородности крупнообломочных и песчаных грунтов оценивается по коэффициенту неоднородности:

K60/10 = d60/d10,

где d60 и d10 – диаметры частиц, меньше которых в данном грунте 
содержатся по массе соответственно 60 и 10 % частиц.

Чем больше K60/10, тем неоднородней грунт. При K60/10, близ
ком к 1, грунт идеально однородный.

Каждая твердая частица грунта несет на своей поверхности 

заряд. Благодаря этому заряду частица взаимодействует с окружающей средой, т. е. с жидкостью и газом. Это взаимодействие 
тем больше, чем больше поверхность частиц в грунте. Для уяснения этого положения рассмотрим поверхность кубических элементов, заполняющих объем 1 см3. Допустим, элементарный кубик имеет ребро 1 мм, тогда площадь его поверхности будет 
равна 6 мм2, а таких кубиков в объеме 1 см3 может разместиться 
1000 шт. с общей площадью поверхности 60 см2. При размере ребра элементарного кубика 110–2 мм площадь достигнет 6 м2, 
а при размере 10–5 мм (коллоидные частицы) – 600 м2. Таким образом, в грунтах, состоящих из глинистых частиц, поверхностные 
явления имеют во много раз большее значение, чем в грунтах, содержащих только песчаные и пылеватые частицы. Даже незначительная добавка (1–3 %) к мелким песчаным частицам глинистых 
может в сотни и тысячи раз увеличить их суммарную поверхность и вызвать резкие качественные изменения свойств грунта. 
Поэтому за основу классификации видов грунта по их гранулометрическому составу принимается содержание глинистых частиц в процентах по массе (табл. 1.2).

Таблица 1.2

Деление грунтов по содержанию глинистой фракции

Наименование грунта
Содержанию глинистой фракции, %

Пески
< 3

Супеси
3–10

Суглинки
10–30

Глины
> 30

1.2.2. Жидкая составляющая грунта

Как уже отмечалось, поры грунта частично или полностью 

заполнены жидкостью (см. рис. 1.1). В пределах верхней толщи 
грунтов, являющихся основаниями фундаментов, такой жидкостью в основном является вода. Вода в грунтах может быть представлена в виде пара, жидкости и льда. Водяной пар рассматривается в составе газообразной составляющей. В жидком состоянии вода может быть в связанном и свободном виде.

Связанная вода. Твердые частицы несут на поверхности 

отрицательный заряд и образуют вокруг себя электрическое поле. 
Молекулы воды являются нейтральными, однако атомы водорода 
и кислорода расположены в них несимметрично, образуя диполи,
один конец которых соответствует положительному, а другой отрицательному полюсу. На достаточном расстоянии от поверхности твердых частиц молекулы воды расположены хаотично,
вблизи твердой частицы ориентируются положительным концом 
к ее поверхности (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Схема строения слоя связанной воды (по [2]):

I – твердая частица; II – связанная вода; III – свободная вода; 1 – прочносвязанная вода (гидратный слой); 2 – рыхлосвязанная вода (диффузионный слой)