книги / Механика грунтов

В В Е Д Е Н И Е

Объект изучения

Объе ктом из уче ния в механике грунтов я в л я ют с я рыхлые горные породы (минерально-дисперсные образования) коры выветривания литосферы, т. е. природные грунты.

Механика же грунтов есть часть общей механики гор­ ных пород, в которую как составные части входят: механика массивных пород, механика рыхлых горных пород, получившая название механики грунтов, и механика органических масс.

Главнейшей отличительной особенностью грунтов от массив­ ных горных пород, имеющей существенное значение при по­ строении механики грунтов, является их ра з д р о б л е н н о с т ь , т. е. грунты принадлежат не к сплошным телам, а к телам, со­ стоящим из отдельных твердых частиц, не связанных между собой или связанных так, что прочность с вяз е й между ними во много раз меньше прочнос ти ма т е р и а л а са­ мих частиц. Эта раздробленность создает пористость грунтов, изменяющуюся под влиянием внешних воздействий (особенно при увеличении и уменьшении давления, а также при изменении условий отложения, наличии электролитов, влажно­ сти и пр.), что обусловливает свойство сжимаемости грунтов. Раздробленность (дисперсность) грунтов также увеличивает, часто в сотни и тысячи раз, удельную поверхность минеральной их части, а следовательно, и ее поверхностную энергию, вызы­ вая целый ряд физических и физико-химических явлений, кото­ рые существенно сказываются на механических свойствах грун­ тов. Кроме того, рыхлые горные породы (природные грунты) обладают в о д о п р о н и ц а е м о с т ь ю (фильтрационной спо­ собностью), а прочность и устойчивость грунтов есть функция связности и внутре нне г о трения между твердыми ча­ стицами, присущего раздробленным телам и возникающего ме­ жду частицами в процессе деформирования. Зависимость между деформациями и напряжениями для рыхлых пород (природ­ ных грунтов) также имеет характерную особенность, которая заключается в том, что эти породы при нагрузке и разгрузке всегда имеют кроме восстанавливающихся и остаточные де­ формации.

Грунты как рыхлые горные породы необходимо рассматри­ вать в неразрывной связи с условиями их формирования, учи­ тывая взаимодействие их с окружающей средой, т. е. как про­ дукт коры выветривания каменной оболочки земли (лито­ сферы).

Особый класс рыхлых горных пород, «естественно изменен­ ных совместным влиянием воды, воздуха и различного рода организмов — живых и мертвых» (проф. В. В. Докучаев), пред­ ставляют почвы (обогащенные гумусом, отличающиеся особой структурой органо-минеральные образования). Органо-мине­ ральные образования, к которым кроме почв относятся илы, торфы и пр., также будут являться объектом изучения, но есте­ ственно более сложным, чем минеральные грунты, и при высо­ ком содержании органических веществ должны рассматриваться в особом разделе механики горных пород — в механике органи­ ческих масс.

Место механики грунтов среди других разделов механики

каких в природе нет. Однако теоретическая механика установи­

упругости, теория пластичности), то здесь также полностью бу­ дет использована и теоретическая механика. Однако строитель­ ная механика, рассматривая тела сплошные, которые обла­ дают определенными физическими свойствами (упругостью, пла­ стичностью и пр.), должна добавлять к закономерностям тео­ ретической механики законы упругости, пластичности, ползуче­ сти, т, е. зависимости, определяемые экспериментальным путем на основе изучения физико-механических свойств материалов. Закономерности, устанавливаемые только теоретической меха­ никой, для решения задач строительной механики будут необ­ ходимыми, но недостаточными.

Д ля решения же з а д а ч и механики г ру н т о в не­ достаточными оказываются и закономерности строительной ме­ ханики сплошных тел, так как грунты, как указывалось выше, являются дисперсными раздробленными материалами, а не сплошными телами. Поэтому в механике грунтов необходимо учесть и закономерности, характеризующие физическую приро­ ду грунтов как дисперсных материалов, в первую очередь их

раздробленность. Другими словами, нужно добавить закономерности, вытекающие из изучения порис тости грунтов: за­ кон уплотнения *, характеризующий сжимаемость грунтов в ре­ зультате уменьшения объема пор; законы фильтрации, опреде­ ляющие водопроницаемость грунтов; законы трения, позволяю­ щие установить предельное сопротивление раздробленных дис­ персных тел (грунтов) сдвигу, и характерную для раздроблен­ ных тел зависимость между деформациями и напряжениями.

Если мы прибавим к законам теоретической механики и строительной механики сплошных тел в определенных преде­ лах, применимых к грунтам, закономерности, которые вытекают из изучения грунтов как дисперсных тел, то этого будет доста­ точно, чтобы создать особый ра з д е л науки — ме х а ни ­ ку грунтов.

Необходимо отметить, что для органо-минеральных грунтов (в частности, почв, илов и торфов) надлежит изучить роль ор­ ганического вещества и процессов, происходящих в нем, осо­ бенно в связи с минерализацией, наблюдаемой при использова­ нии этих грунтов в строительстве. Для некоторых других ви­ дов грунтов, например частично сцементированных, придется учесть и свойства цементирующих материалов.

О развитии механики грунтов в СССР и роли отечественных ученых

На территории СССР отложения рыхлых горных пород (грунтов), иногда образующие сильно сжимаемые мощные тол­ щи, распространены почти повсеместно, и строителям очень часто приходится возводить различного рода сооружения, в том числе и капитальные (общественные, промышленные, гидротех­ нические и др.), на сжимаемых основаниях. Поэтому отече­ ственными учеными и инженерами всегда придавалось большое значение изучению свойств сжимаемых оснований и развитию науки о грунтах, и вклад их в механику грунтов как теорию естественных оснований сооружений особенно велик.

Знания по механике грунтов необходимы в современном строительстве при возведении сложных статически-неопредели- мых конструкций, когда прогноз деформаций оснований и их неравномерности особенно важен, а экономия требует макси­ мального использования несущей способности грунтов. Все это очень давно заставило русских ученых посвящать свои труды

1 Здесь и далее под «законами» механики грунтов так же, как и- в дру­ гих областях техники, понимаются лишь основные, постоянно наблюдаемые закономерности, устанавливающие соотношения между изучаемыми вели­

чинами (справедливые, конечно, только >в определенных, всегда оговариг ваемых пределах).

разработке вопросов теории естественных оснований и практи­ ческому ее применению в фундаментостроении. Следует ука­ зать, что именно русские ученые впервые, еще в сороковых го­ дах XIX в., поставили вопрос о необходимости изучения степени сжимаемости грунтов (профессора М. С. Волков 1 и В. М. Кар­ лович12) и глубокого изучения теории оснований сооружений (проф. В. И. Курдюмов3).

Первый курс в мировой технической литературе по основа­

механики грунтов (курс проф. Н. А. Цытовича) в 1934 г.4. Проф. В. И. Курдюмов в своих трудах описал оригинально .

поставленные им при помощи фотографического метода опыты по изучению линий скольжения в сыпучих грунтах под нагруз­ кой, в результате которых он впервые установил криволинейность поверхностей скольжения. Методика исследования линий скольжения, предложенная В. И. Курдюмовым, применялась в дальнейшем и другими исследователями, как русскими (И. В. Яропольский, В. Г. Березанцев и др.), так и зарубежными (Энгер в США, 1910—1915 гг., Биаре во Франции, 1961 г.

и др.).

Особую роль в построении современной механики грунтов играет физика глин. И в этом вопросе с полной определенно­ стью можно утверждать приоритет русских ученых. Так, задол­ го до того времени, когда зарубежные ученые стали говорить о необходимости физического подхода к изучению природных грунтов, русский профессор П. А. Земятченский5 в своих трудах еще в 1896 г. показал, что понятие о глинах следует рассмат­ ривать как физическое, поскольку глины представляют собой горные породы, сложившиеся в определенных естественно-исто­ рических условиях, и для них характерным будет не химический состав, а физические свойства, важнейшим из которых является пластичность. К таким же примерно взглядам пришел позднее и проф. К. Терцаги. Им в 1925 г. была издана на немецком языке книга «Строительная механика грунтов» (в переводе на русский язык книга вышла в 1933 г.). Книга проф. К. Терцаги вследствие механистических взглядов ее автора на некоторые яв­

нерных работников технического общества, № 6, 7, 1896. Е го ж е. Каолинито-

спорных положений, неясностей и условностей, необходимость расшифровки которых вызвала опубликование некоторых работ советских ученых1.

Широкие исследования физико-механических свойств грун­ тов были развернуты в СССР в первые годы пятилеток в связи с запросами практики гидротехнического и дорожного строи­ тельства (Н. Н. Иванов, М. М. Филатов и др.) 2.

Ниже рассматривается развитие в трудах русских и совет­ ских ученых теории механики грунтов и ее приложений в прак­ тике фундаментостроения, а также вклад советских ученых в разработку основ механики отдельных региональных видов грунтов.

Основными проблемами в области теории ме ханики грунтов, разработке которых посвящались труды советских ученых в последнее сорокалетие, следует считать: а) примене­ ние теории упругости к расчету оснований; б) исследование со­ вместной работы сооружений и сжимаемого основания; в) раз­ работка общих решений строгой теории предельного напряжен­ ного состояния; г) теория консолидации водонасыщенных грун­ тов; д) вопросы динамики грунтовых оснований.

При ис по льз о в а нии теории у п р у г о с т и для рас­ чета оснований первым был вопрос о том, применима ли эта теория к грунтам оснований. Как показано еще в 1916 г. проф. П. А. Миняевым3 и в 1930 г. проф. Н. М. Герсевановым4, при­ менение теории упругости к глинам и дисперсным пескам на­ столько же правомочно, как и применение ее к стали. Причем для неупругого состояния грунтов был предложен критерий л и н е й н о й д е ф о р м и р у е м о с т и 4. В 1936 г. проф. В. А. Фло­ риным5 установлено соотношение размеров областей пластиче­ ских зон в грунте с размерами сооружения, определяющее усло­ вия приме нимос ти решений теории упругости к расчету оснований.

тов, Ленгосстройиздат, 1932. М. М. Филатов. Почвы и грунты в дорожном

лению допускаемых нагрузок на грунт на основе экспериментальных работ. Труды МИИТ, вып. XV, 1930. Его же. Основы динамики грунтовой массы,

Вконце двадцатых и начале тридцатых годов текущего века

вСССР начали широко применять теорию упругости к расчету естественных оснований. Здесь следует указать на замечатель­ ные работы проф. Н. П. Пузыревского *, который предложил оригинальный метод использования теории упругости, позволив­ ший ему разработать общую теорию напряженности землистых грунтов. В частности, на основании использования теории упру­ гости было дано решение задачи о величине давления в осно­

вании сооружений, соответствующего началу возникновения под краем фундамента зон пластического состояния, а в 1929 г. для краевой критической нагрузки получена формула, тожде­ ственное выражение которой было опубликовано в ином виде О. К. Фрелихом позже в 1934 г. Проф. Н. П. Пузыревский также получил аналитическое выражение поверхностей сколь­ жения для откосов, впоследствии использованное при расчете их устойчивости, и дал формулы для определения давления грунтов на подпорные стенки при различных случаях их загружения и ряд других решений. Почти в то же время проф. Н. М. Герсеванов12 предложил рассматривать три основные фазы напряженного состояния грунтов под фундаментами: фазу уплотнения, фазу сдвигов (пластического течения) и фазу выпи­ рания (прогрессирующего течения, по Н. А. Цытовичу). Другим путем, отличным от решения Н. П. Пузыревского, Н. М. Герсе­ ванов получил для краевой нагрузки значение, соответствую­ щее началу возникновения фазы сдвигов в грунтах, практически

много внимания и затрачено немало труда в направлении раз­ работки главным образом общих теоретических решений. В пер­ вую очередь следует отметить работы проф. Н. П. Пузырев­ ского3 и акад. А. Н. Крылова4. Ими сложное дифференциаль­ ное уравнение четвертого порядка для расчета балок на мест­ ном (Винклеровском) основании путем разработки метода на­ чальных параметров было сведено к решению двух уравнений с двумя неизвестными, что позволило разработать весьма эф­ фективный метод определения всех расчетных величин. Как по­ казали дальнейшие исследования5, метод расчета балок и плит

в случае сильно сжимаемых грунтов или малой мощности грунтов, подстилаемых несжимаемыми породами (например, скальными).

В дальнейшем в работах советских ученых модель местного упругого основания совершенствовалась как в направлении бо­ лее точного учета упругости основания (метод проф. М. М. Фи- лоненко-Бородича2) , так и в направлении введения двух коэф­ фициентов, характеризующих сжимаемое основание (упругого сжатия и упругого сдвига, по проф. П. Л. Пастернаку3).

Однако модель местного упругого основания во многом не удовлетворяла советских ученых, так как не позволяла опреде­ лять деформации грунта вне места приложения нагрузки, а главное обладала непостоянством характеризующих ее коэф­ фициентов. Поэтому было предпринято непосредственное ис­ пользование теории упругости для расчета фундаментов на так

Г. Э. Проктора4, а затем работы Н. М. Герсеванова и Я. А. Мачерета5, В. А. Флорина6, М. И. Горбунова-Посадова7, а также Б. Н. Жемочкина, В. 3. Власова, С. С. Давыдова, П. И. Клубина и др. В обобщающей своей работе М. И. Горбунов-Посадов8 изложил полученные им ранее решения задач о расчете балок и плит на упругом полупространстве, значительно их развил и дополнил, а также обобщил исследования других отечествен­

Отметим также, что общий метод решения так называемой к о н т а к т н о й з а д а ч и распределения давлений по подошве был опубликован в 1936 г. В. А. Флориным1. Дальнейшее разви­ тие указанного класса задач теории механики грунтов идет как по линии усовершенствования расчетных моделей грунта, так и по разработке решений смешанной задачи теории упругости и теории пластичности.

Р а з р а б о т к а о б ще й т е о р и и п р е д е л ь н о г о н а п р я ­ ж е н н о г о с о с т о я н и я грунтов как в постановке самой зада­ чи, так и в разработке математически строгих решений принад­ лежит главным образом советским ученым. В 1939—1942 гг. были опубликованы замечательные работы проф. В. В. Соко­ ловского2, в которых дано общее аналитическое решение пло­ ской задачи теории предельного равновесия для сыпучей сре­ ды и, в частности, точное определение величины давления грун­ тов на подпорные стенки, устойчивости грунтов в основаниях сооружений, предельной высоты откосов, равноустойчивой их формы и пр. Графоаналитическое решение плоской задачи тео­ рии предельного равновесия сыпучей среды было рассмотрено проф. С. С. Голушкевичем3. Пространственная же задача тео­ рии предельного напряженного состояния грунтов получила ос­ вещение в работах проф. В. Г. Березанцева4.

Т е о р и я к о н с о л и д а ц и и в о д о н а с ы щ е н н ы х г р у н ­ тов получила широкое развитие после опубликования извест­ ных работ проф. К. Терцаги (ЕгйЪаи-шесЬашк, 1925 и др.). Ра­ боты советских ученых в этой области механики грунтов были направлены на получение более строгих решений линейной за­ дачи консолидации, формулировок плоской и пространственной задач консолидации и на разработку эффективных методов ре­ шений этих задач при различных граничных условиях и пере­ менности характеризующих консолидацию коэффициентов. Сле­ дует особо отметить в этой области работы проф. Н. М. Герсеванова, 1931—1948 гг.

Проф. Н. М. Герсеванов в основном своем труде «Основы динамики грунтовой массы» (изданном в 1931 г. и дополнен­ ном в изданиях 1933, 193>7 и 1948 гг.) детально исследовал за­ дачу уплотнения слоя водонасыщенного грунта при сплошной

1 См. сноску 6 на стр. 17.

2 В. В. С о к о л о в с к и й . Плоская задача теории давления земли. ДАН

СССР, т. XXII, № 4, 1939. Е г о ж е. Статика сыпучей среды, изд. 1942 и 1954 гг.

нагрузке, рассмотрел вопросы уплотнения однородной и изо­ тропной грунтовой массы в случае плоской и пространственной задач, впервые получил решение плоской задачи определения начальных напряжений при загружении грунтовой массы мгно­ венной полосообразной нагрузкой и дал основы теории газо­ образования в водонасыщенных грунтах. Особый интерес в на­ стоящее время представляет последняя работа Н. М. Герсеванова («Теоретические основы механики грунтов», 1948 г.), в которой автор подверг ревизии некоторые положения динамики грунтовой массы (в изложении 1931—1937 гг.), установил пре­ делы применимости отдельных ее задач и внес необходимую ясность в трактовку некоторых вопросов.

Работы проф. Н. М. Герсеванова послужили толчком для создания советскими учеными ряда новых работ по механике грунтов, уточняющих и развивающих положения динамики грун­ товой массы (В. А. Флорина, С. А. Роза, В. Г. Булычева, Д. Е. Полынина и др.)1.

Особо следует отметить работы проф. В. А. Флорина2, в ко­ торых дана общая постановка плоской и пространственной за­ дач двухфазной системы грунта в предположении как постоян­ ных, так и переменных характеристик уплотняемости грунтов, что является вместе с тем и обобщением теории фильтрации, разработанной советскими учеными (академиками Н. Н. Павлов­ ским3, Л. С. Лейбензоном4, П. Я. Полубариновой-Кочиной5) .

В настоящее время разработаны и практические приемы оп­ ределения деформаций уплотнения грунтов при действии мест­ ных нагрузок (В. А. Флорин, Н. А. Цытович6, С. А. Роза7, А. А. Ничипорович8), с успехом применяющиеся на практике.

Решение задачи разбухания слоя глинистого грунта было опубликовано в 1937 г., а учета начального градиента напора при расчете осадок уплотнения — в 1950 г.1.

В работах советских ученых (главным образом, в трудах В. А. Флорина) разработаны общие решения как линейной, так плоской и пространственной задач теории уплотнения.

Следует указать, что вопросы применения статистических за­ кономерностей в механике грунтов, главным образом при опре­ делении величины расчетных характеристик грунтов, поднятые в настоящее время рядом исследователей, впервые были рассмот­ рены и в известной мере разрешены также советскими учены­ ми (проф. Г. И. Покровским2, М. Н. Гольдштейном3 и др.).

Вопросы динамики грунтов разрабатывались со­ ветскими учеными в двух направлениях: 1) исследование виб­ рации фундаментов на естественных основаниях и 2) изучение условий разжижения водонасыщенных песков при динамических воздействиях. Основополагающей работой по вибрациям фунда­ ментов в СССР по справедливости следует считать работу проф. Н. П. Павлюка4 «О колебаниях твердого тела, опирающегося на упругое основание», опубликованную в 1933 г. Большой вклад в динамику оснований внесли проф. Д. Д. Баркан, опубликовав­ ший результаты своих многолетних исследований по вибрации фундаментов и динамическим свойствам грунтов5; д-р техн. наук О. А. Савинов6, разработавший методику определения упругих характеристик грунтов, необходимых для расчета виб­ раций фундаментов; д-р техн. наук С. С. Давыдов7, предложив­ ший теорию колебаний грунтов под воздействием кратковре­ менной нагрузки, и др.

Вторым направлением исследований в области динамики грунтовых оснований является изучение условий разжижения рыхлых водонасыщенных песков. Здесь следует отметить много­ летние теоретические и экспериментальные исследования трех групп научных работников, руководимых профессорами В. А.