книги / Механика грунтов

Флориным1, Н. Н. Масловым2 и М. Н. Гольдштейном3. В ра­ ботах проф. В. А. Флорина и его учеников4 за основу принята теория д и н а м и ч е с к о г о н а р у ш е н и я с т р у к т у р ы во­ донасыщенных песков, выдвинутая еще Н. М. Герсевановым (1948 г.).

Проф. Н. Н. Маслов и его сотрудники базируют свои иссле­ дования на так называемой « ф и л ь т р а ц и о н н о й т е о р ии д и н а м и ч е с к о й у с т о й ч и в о с т и » водонасыщенных песков, основанной на изучении напоров, возникающих в водонасыщенных песках при динамических воздействиях.

Исследования проф. М. Н. Гольдштейна и его сотрудников были посвящены изучению условий разжижения песков на ос­ нове уточнения понятия о их «критической пористости».

Весьма значителен вклад советских ученых в р а з р а б о т к у

ганоминеральные образования), лессы и лессовидные грунты (макропористые образования), мерзлые и вечномерзлые грунты (криогенные образования).

Вопросам механики илов посвящен ряд работ Института оснований в Москве и Гидроэнергопроекта в Ленинграде, в ко­ торых показано, что илы при малых давлениях, не превышаю­ щих их структурной прочности, обладают одними свойствами, а при давлениях, превышающих определенный предел, становят­ ся чрезмерно сжимаемыми и малоустойчивыми5.

Проблеме оснований на заторфованных грунтах и торфах большое внимание уделяется учеными Белоруссии6 и некоторы­ ми учеными Ленинграда7, в результате работ которых намече­ ны величины предельных деформаций оснований из заторфован­ ных грунтов для гражданских и промышленных сооружений и

просадочностью советские ученые столкнулись в тридцатых го­

лессовидных грунтах. Здесь следует отметить работы проф. Ю. М. Абелева \ которым разработаны основы механики лес­ совидных макропористых грунтов, работы проф. Н. Я. Денисо­ ва12, исследовавшего природу просадочности этого вида грун­ тов, и работы профессоров М. Н. Гольдштейна3 и Г. М. Ломизе4, которыми была дана зависимость просадочности от напря­ женного состояния грунтов и поперечного выжимания масс грунта.

Проблема исследования м е р з л ы х и в е ч н о м е р з л ы х грунтов и условий строительства на них имеет особую актуаль­ ность, так как около 47% территории СССР, весьма богатой при­ родными ресурсами, находится в области распространения веч­ номерзлых грунтов, возведение сооружений на которых без принятия соответствующих мер чрезвычайно осложняется.

Вопросами исследования вечномерзлых грунтов советские ученые начали заниматься уже давно. Следует отметить извест­ ную работу д-ра геол. наук М. И. Сумгина5; работы Н. А. Цытовича 6’7, которым сформулированы основные принципы меха­ ники мерзлых грунтов, положенные в основу разработки мето­ дов устойчивого строительства сооружений на вечномерзлых грунтах; работы по транспортному строительству на вечномерз­ лых грунтах8; работы по реологии мерзлых грунтов9; работы Ин­ ститута оснований АСиА и др.

Так, на основе получения ряда конкретных решений задач ме­ ханики грунтов, а также проверки результатов в натуре оказа­

значительную экономию средств метод проектирования фунда­ ментов по предельным состояниям грунтовых оснований1’2’3.

Развитие механики грунтов ,и, в частности, динамики осно­ ваний позволило советским ученым и инженерам разработать и с успехом применять виброметод забивки свай, шпунтов и буро­ вых труб в сыпучие и пластичные связные грунты4.

Как методы улучшения свойств слабых грунтов необходимо отметить: оригинальный метод искусственного обжатия глини­ стых грунтов понижением напора грунтовых вод в подстилаю­ щих песках (метод М. Е. Кнорре); методы химического и элек­ трохимического закрепления грунтов, разработанные проф. Б. А. Ржаницыным5; метод электроосмотического осушения и водопонижения грунтов, освещенный в трудах проф. Г. М. Ломизе6; метод термического закрепления просадочных лессовид­ ных грунтов И. М. Литвинова7 и др.

В заключение следует подчеркнуть, что роль отечественных ученых в развитии механики грунтов, конечно, не исчерпывает­ ся вышеприведенными данными, и при дальнейшем изложении отдельных разделов книги роль советских ученых и их успехи, которые особенно велики в последнее двадцатилетие, будут еще неоднократно отмечены.

Задачи механики грунтов

Основным направлением задач, стоящих перед механикой грунтов, является те оре тичес кий прогноз поведения грунтовых толщ (их деформируемости, прочности, устойчивости и пр.) под влиянием внешних и внутренних воздействий: разно­ образных нагрузок от сооружений, изменений (под действием природных факторов и деятельности человека) условий равно­ весия, например при размывах, колебаниях уровня грунтовых вод, разгрузке глубоких слоев грунта при копке строительных котлованов и др.

Общими задачами механики грунтов будут: 1) установле­ ние основных закономерностей механики грунтов как дисперс-

ных тел и величины характеризующих их коэффициентов; 2) ис­ следование напряженно-деформативного состояния грунтов в различных стадиях их деформирования; 3) разработка вопро­ сов прочности и устойчивости грунтов и давления их на ограж­ дения.

ние грунтов как дисперсных материалов под влиянием внешних воздействий (давлений, напоров, сдвигов и др.). Весьма суще­ ственным вопросом будет установление величины расчетных ха­ рактеристик грунтов, числовые значения которых определяют количественную сторону явлений.

Весьма важным свойством грунтов как дисперсных тел яв­ ляется их с ж и м а е м о с т ь . Ее характеризуют зависимость между давлением и изменением коэффициента пористости, или так называемая к о м п р е с с и о н н а я з а в и с и м о с т ь , и за- к о н у п л о т н е н и я .

Второй характерной особенностью грунтов как рыхлых гор­ ных пород является в о д о п р о н и ц а е м о с т ь грунтов, хорошо описываемая з а к о н о м л а м и н а р н о й фи л ь т р а ц и и .

Третьим, особенно важным свойством грунтов как рыхлых

как раздробленных дисперсных тел является наличие остаточ­ ных деформаций, возникающих в грунтах даже при действии не­ значительных нагрузок.

Разработка методики определения расчетных характеристик грунтов (главным образом, коэффициентов, входящих в законы пористости) является одной из важных проблем в механике грунтов, так как от достоверности характеристик будет зависеть

иточность всех расчетов даже при безупречности исходных рас­ четных схем. На эту сторону дела необходимо обратить особое внимание в связи с тем, что свойства грунтов, а следовательно,

иих расчетные характеристики в природных условиях меняются в весьма широких пределах, находясь в зависимости от предыду­ щей истории их существования и условий окружающей среды. Поэтому нельзя создать стандартов для числовых показателей

тех или иных свойств грунтов (как, например, для стали и дру­ гих материалов, имеющих в высокой степени устойчивый хими­ ческий состав и физические свойства), и в каждом отдельном случае расчетные характеристики требуется определять о п ыт ­ ным путем.

и собственного веса грунта является главнейшей в механике грунтов, и разрешение ее для различных случаев загружения имеет непосредственное приложение в практике строительства. Для практики строительства весьма важно знать, как распре­ деляются напряжения в грунте при загрузке части его поверх­ ности, как напряженное состояние меняется с течением време­ ни, при каких условиях наступает п р е д е л ь н о е н а п р я ж е н ­ но е с о с т о я ние , после чего возникают недопустимые дефор­ мации и нарушения сплошности грунтового массива и т. п. Осо­ бо существенное значение имеют вопросы определения дефор­ маций грунтов, а именно: общей величины деформаций и от­ дельных ее видов (упругих, остаточных), протекания деформа­ ций во времени и разности деформаций (осадок) под отдельны­ ми частями сооружений. Значение этих вопросов определяется также тем, что при расчете фундаментов различного рода соору­ жений необходимо исходить не из величины общего допускае­ мого давления на грунт, а из величины допустимых разностей осадок отдельных частей сооружения, так как равномерная осадка под всем сооружением не опасна и не вызывает допол­ нительных усилий в элементах конструкции сооружения. Но так как даже при одном и том же давлении на грунт под различ­ ными фундаментами сооружений будут возникать осадки раз­ личной величины, то всегда необходимо определять их величину, неравномерность и протекание во времени.

ного р а в н о в е с и я , имеет существенное практическое значе­ ние.

В сравнение с другими эти вопросы механики грунтов разра­ батывались по времени первыми (еще с конца XVIII в.); часть из них, например, теория давления грунтов на подпорные стен­ ки, уже давно имеет ряд решений, широко применяемых в прак­ тике строительства, но большинство вопросов получило общее решение лишь в СССР в работах В. В. Соколовского и др.

Для разрешения поставленных задач механики грунтов при­ меняются главным образом два метода: р а с ч е т н о - т е о р е т и ­ ч е с к и й метод на основе математического решения сформули­

рованных задач механики грунтов с обязательным опытным (ла­

сложность задачи не позволяет получить замкнутого решения или же решение получается весьма громоздким.

Основы т е о р и и м о д е л и р о в а н и я напряжений и дефор­ маций в грунтах также впервые были разработаны советскими учеными1. Так, проф. Г. И. Покровским проведены подробные исследования некоторых задач механики грунтов на специаль­ ной установке методом центробежного моделирования (устойчи­ вость откосов для канала им. Москвы, распределение давлений в трубах, заложенных в грунт, и др.). В настоящее время метод центробежного моделирования может уже считаться освоенным для практического решения ряда задач механики грунтов.

Однако основная проверка правильности теоретических ре­ шений и данных лабораторных исследований методом модели­ рования может быть произведена только путем сравнения с ре­ зультатами н а б л ю д е н и й в нат уре .

Для проверки полученных решений на практике и дальней­ шего развития механики грунтов огромное значение имеют пра­ вильно поставленные в природных условиях наблюдения за со­ оружениями и их основаниями. При этом большую роль будут иметь методика постановки наблюдений и четкое уяснение тех задач, которые стоят перед данными наблюдениями. Без теоре­ тического анализа, а также экспериментального определения расчетных характеристик грунтов всей напряженной зоны под сооружениями наблюдения не дадут ожидаемого эффекта. Толь­ ко результаты, освещенные теорией и проверенные на практике, являются полноценными и могут быть полностью использованы при строительстве.

Систематическое рассмотрение перечисленных задач меха­

ния горных пород получаются различные глины с большим содержанием слюды, с примесью кварца, окиси железа, хлорита- и других минералов.-

Большинство тонких фракций глин содержит много мономинеральных частиц, относящихся к трем группам минералов: монтмориллониты, иллиты и к а о л и н и т ы 1. Все эти минералы имеют пластинчатую кристаллическую структуру, но1 обладают разной поверхностной энергией. Наиболее активными являются монтмориллониты, наименее — каолиниты. Кристаллы группы монтмориллонита обладают замечательным свойством втягивать молекулы воды непосредственно в промежутки кри­ сталлической решетки (что может быть обнаружено рентгенов­ ским методом), что обусловливает чрезвычайно большую набухаемость монтмориллонитовых глин, особенно если они насы­ щены натрием Ыа. Самые мелкие фракции глин (менее 1 мк)

обладают свойствами коллоидов.

Свойства продуктов выветривания зависят от интенсивности факторов, обусловливающих выветривание, которые в свою очередь зависят от климата. Продукты химического выветривания образуются главным образом в достаточно влажном климате; они отличаются большой подвижностью во влажном состоянии и являются связно-неподвижными в сухом состоянии. Продук­ ты физического выветривания обладают наибольшей подвиж­ ностью в совершенно сухом или насыщенном водой состоянии.

Конечные продукты выветривания или остаются на месте своего первоначального образования, или переносятся водой и воздухом на большее или меньшее расстояние, образуя грун­ товые отложения.

Виды грунтовых отложений

В зависимости от участия в формировании грунтовой толщи тех или иных агентов выветривания можно различать следую­ щие основные виды отложений.

Элювиальные отложения, или отложения продуктов вы­ ветривания горных пород, залегающие на месте своего перво­ начального образования, отличаются угловатой неокатанной формой частиц, неотсортированностью их по размерам, разно­ образным минеральным составом и различной мощностью зале­ гания на материнской породе. По своему петрографическому составу элювиальные отложения весьма близки к исходной ма­ теринской породе. Элювий, представляя собой, выветрелый «разборный» слой скальных пород, иногда сильно измельчен­ ный, обладает неравномерной сжимаемостью.

Продукты выветривания не остаются на месте своего перво­ начального образования, а переносятся водными потоками, вет­ ром и ледниками как по склонам той же возвышенности, где они образовались, так и на значительные расстояния от нее. При переносе продуктов выветривания водными потоками про­ исходит сортировка материала по крупности и, кроме того, из­ меняется как химический состав перемываемых отложений, так и характер отдельных частиц, которые измельчаются и приобре­ тают окатанную форму.

Отложения водных потоков разделяются на д е л юв и а л ь - н ы е, перемещаемые вне постоянных русел под действием силы тяжести и дождевыми и снеговыми водами по склонам той же возвышенности, а л л ю в и а л ь н ы е , переносимые постоянными

Д е л ю в и а л ь н ы е отложения представляют собой рыхлые неустойчивые, часто подвергающиеся оползанию образования, неоднородные по своему составу и залегающие на склонах слоем разной мощности, увеличивающейся к подножью склона.

А л л ю в и а л ь н ы е отложения — это отложения древних и современных долин, образующие значительные толщи грунтов, измеряемые часто десятками и сотнями метров. Этим отложе­ ниям свойственны слоистость, чередование песчаных и глини­ стых слоев с частым их выклиниванием и наличием галечных отложений. Свойства аллювиальных отложений в высшей сте­ пени зависят от скорости осаждения, режима грунтовых вод, частоты спадов воды и других обстоятельств их формирования.

Д е л ь т о в ы е и л а г у н н ы е отложения характеризуются на­ личием большого количества тонких пылеватых частиц в мягких глинистых и илистых слоях, малоуплотненных, с большим со­ держанием воды, обусловленным набухаемостью их коллоидной части. Как правило, грунты дельтовых отложений, часто зале­ гающие очень мощными толщами, представляют сильно сжимае­ мые пластичные массы, требующие принятия особых искусствен­ ных мер для уплотнения при воздействии на них капитальных сооружений.

Особый комплекс своеобразных грунтовых образований пред­ ставляют л е д н и к о в ы е отложения, широко распространенные в Европейской части СССР и возникшие в результате действия ледникового покрова четвертичного оледенения. Мощный ледя­ ной покров, медленно перемещаясь в пониженные места релье­ фа, а также в процессе своего отступления, проделал огромную работу по разрушению массивных горных пород, по переносу

продуктов их выветривания, по их сортировке, уплотнению и территориальному размещению.

Основными видами грунтов ледникового происхождения, ши­ роко распространенных в местах бывшего оледенения, являются: м о р е н н ы е (валунные) глины и суглинки, скапливающиеся главным образом в придонной части ледника и уплотненные его весом; в о д н о-л е д н и к о в ы е (флювиогляциальные) отложе­ ния, приносимые ледником в окаймляющие его области и пере­ мываемые талыми водами, главным образом разнообразные пески, а также галечники; о з е р н о - л е д н и к о в ы е отложения (ленточные глины, суглинки и супеси), характеризуются ясно выраженной слоистостью, обусловленной сезонным выпадением переносимых талыми водами осадков, которые в зимнее время отстаиваются в обширных ледниковых озерах.

Э о л о в ы е отложения обязаны своим происхождением дей­ ствию ветра, переносящего часто на весьма значительное рас­ стояние мельчайшие продукты выветривания горных пород из пустынных областей (мест, наиболее благоприятных для их возникновения) в соседние области. Особенностью эоловых (преимущественно лессовых) отложений являются однород­ ность их состава, недоуплотненность и значительное содержа­

капливающиеся на дне морей за счет материала, приносимого водными потоками. На состав и свойства этих образований большое влияние оказывают растительные и животные орга­ низмы, населяющие моря, останки которых способствуют на­ коплению известковых, мергелистых и кремнистых образова­ ний. Морские отложения (главным образом глины и илы) рас­ пространены на огромных площадях и характеризуются весьма различными свойствами в зависимости от возраста и всей исто­ рии их формирования.

Из приведенного краткого описания основных видов грунто­ вых отложений становится ясным чрезвычайное разнообразие природных грунтов и сложность их физической природы. Про­ цесс образования грунтов, предыдущая их история, современная обстановка (подводное и наземное существование, наличие внешней нагрузки, разгрузка и т. п.) — все это приводит к фор­ мированию своеобразных свойств природных грунтов.

Значение физико-географической среды

Физико-географическая среда, как видно из всего вышеиз­ ложенного, оказывает огромное влияние на формирование грун­ тов, которые нельзя рассматривать в отрыве от естественно­