Содержание курса лекций по дисциплине Механика грунтов

Содержание курса лекций по дисциплине «Механика грунтов» • 1. Введение. Основные понятия и определения курса. Состав , строение и классификация грунтов. • 2. Физические свойства грунтов. • 3. Основные закономерности механики грунтов. Механические свойства грунтов. • 4. Определение напряжений в массивах грунтов. • 5. Прочность и устойчивость грунтовых массивов. • 6. Устойчивость откосов и склонов. • 7. Давление грунтов на ограждающие конструкции. • 8. Деформации грунтов и расчет осадок оснований сооружений.

ЛИТЕРАТУРА Основная • ГОСТ 5180 -84 Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик • ГОСТ 12536 -79 Грунты. Методы лабораторного определения зернового (гранулометрического) состава • ГОСТ 25100 -2011 Грунты. Классификация • ГОСТ 30416 -96: Грунты. Лабораторные испытания. Общие положения. • ГОСТ 1224 В-2010 "Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости « • Ухов С. Б. и др. Механика грунтов, основания и фундаменты: Учебник. - М. : Изд. АСВ, 1994 - 527 с. • Далматов Б. И. Механика грунтов, основания и фундаменты. Изд. 2 -е - Л. : Стройиздат, 1988 - 415 с. Дополнительная • Цытович Н. А. Механика грунтов (краткий курс)-М. : Высш. шк. , 1983. -288 с.

Критерии оценивания знаний: 1. Лабораторные работы( отработка ЛР – 3 балла, защита ЛР – 2 балла, количество ЛР - 8); (3+2)*8=40 баллов 2. Работа на лекции с оформлением конспекта - 2 балла, количество лекций – 8; 2*8=16 баллов 3. Модульный контроль (кол. МК – 2); 22*2=44 баллов

Лекция 1 Введение. Основные понятия и определения курса. Состав , строение и классификация грунтов

Механика грунтов – научная дисциплина, изучающая изменение физических и механических свойств грунтов под влиянием внешних воздействий, методы расчета напряженного состояния и деформаций оснований, оценки к устойчивости грунтовых массивов, давление грунта на сооружения. Связь рассматриваемого курса с другими дисциплинами Теория упругости Строительная механика Инженерная геология Механика грунтов Основания и фундаменты Теоретическая дисциплина Прикладная дисциплина

• Геотехника (англ. geotechnics) — научные методы и инженерные принципы строительной деятельности с использованием материалов земной коры, совокупность взаимосвязанных технических решений, приемов и способов возведения подземных частей зданий и сооружений, включая способы освоения подземного пространства для строительства заглубленных сооружений. • Геотехника базируется на законах механики грунтов (уплотнения, сопротивления сдвигу, фильтрация) и закономерностях, определяющих характер деформируемости грунта (при увлажнении, динамических, температурных и иных воздействиях, напряженном состоянии), а также на теории и практике фундаментостроения и подземного строительства с учетом региональных особенностей инженерной геологии и опасных геологических процессов.

Краткая историческая справка развития механики грунтов Фундаменты – одна из древнейших конструкций первых жилищ человека Со времен древнего Египта известно имя выдающегося строителя пирамид и архитектора Имхотепа.

В древней грандиозные сооружения. Месопотамии возводились грунтовые ирригационные Выдающийся архитектор античности Витрувий (Марк Витрувий Поллион (I в. до н. э. ) писал: “Для закладки фундаментов храмовых зданий следует рыть до глубины твердых пород. . . ”

Трансконский элеватор (г. Виннипег, Канада 1913 г. ) После катастрофы незначительно деформируемое сооружение осталось стоять под углом около 63° к горизонту. Впоследствии элеватор вернули в прежнее положение с помощью домкратов.

Пизанская башня Рср = 5 кг/см 2 = 50 т/м 2 = 500 к. Н/м 2 = 0, 5 МПа С целью стабилизации отклонения башни от вертикали еще в 1932 г. под основание башни было произведено нагнетание через 351 скважину Ø 50 мм около 1000 т цементного раствора. Приращение наклона за последнее десятилетие прошлого века составляло ≈ 1 мм в год. Только в 2002 г. отклонение башни было стабилизировано за счет выемки грунта из основания и проведение дополнительных мероприятий по усилению основания.

История становления науки СОПРОМАТ - Галилео Галилей (1564 -1642), итальянский физик. «Две новые науки» , 1638 г. изд. Первые попытки определения напряжений в строительных конструкциях аналитическим путем. В "Двух новых науках « он ясно указывает, что «растягиваемый стержень имеет прочность, которая при постоянстве остальных условий пропорциональна площади его поперечного сечения» . ТЕОРИЯ УПРУГОСТИ - Роберт Гук (Hooke) (1635 -1703). «О восстановительной способности или об упругости» , 1678 г. изд. Статья «Сила сопротивления, или упругость» , 1679 г. Именно в ней впервые прозвучало знаменитое утверждение "каково растяжение, такова и сила". Вот уже триста лет этот принцип известен как закон Гука.

Огюстен Луи Коши- (1789 -1857), французский математик, член Парижской АН (1816) В 1822 г. ввел понятия деформация и напряжение ПУАССОН Симеон Дени (1781 -1840), французский математик, механик и физик, иностранный почетный член Петербургской АН (1826). В работах 1829 и 1831 гг. Приводит три уравнения равновесия и краевые условия

В ХVIII веке появляются классические работы о закономерностях поведения грунтов под нагрузкой: • о давлении грунта на подпорные стенки (Ш. Кулон, 1773); • о движении воды в грунтах (Г. Дарси, 1856); • о связи между давлением и осадкой (Е. Винклер, 1867); «Beam on elastic foundation» (рус. балка на упругом основании) • о распределении напряжений в полупространстве от действия приложенной к его верхней границе сосредоточенной вертикальной силы (Е. Буссинеск, 1885). Шарль Огюсте н де Куло н (1736 -1806) — французский военный инженер и учёныйфизик, исследователь электромагнитных и механических явлений; член Парижской Академии наук. Установил законы сухого трения, разработал теорию прочности сыпучих тел, проводил исследование подпорных стен для предупреждения оползания грунтов ( 1773 г. изд. ). Анри Филибер Гаспар Дарси (1803 -1858) — французский инженер-гидравлик, обосновавший закон Дарси (1856), связывающий скорость фильтрации жидкости в пористой среде с градиентом давления: «Повидимому, для песка одного качества, пропускаемый им расход прямо пропорционален напору и обратно пропорционален толщине фильтрующего слоя (грунта)» . Именем Дарси названа единица измерения проницаемости пористой среды. Эмиль Винклер (1835— 1888). Книга Винклера - самое полное руководство по сопротивлению материалов из числа написанных на немецком языке, сохраняющее и до сих пор свое значение для инженеров. Буссинеск (Буссинек) Жозеф Валентен (1842– 1929). Французский механик, член Парижской АН с 1886). Основные исследования посвящены механике и теории упругости. В строительной механике решил задачу о воздействии ударной нагрузки на балку. Развил теорию упругости Пуассона. Предложил метод определения напряжений и деформаций в полубесконечной среде, находящейся под действием заданных сил, приложенных к ее граничной плоскости.

• Считают, что научные основы современной механики грунтов начали формироваться в 1925 г. , когда на немецком языке выходит фундаментальный труд американского ученого проф. Карла Терцаги “Строительная механика грунтов”. К. Терцаги были созданы основы новой науки - инженерной геологии. Терцаги (Terzaghi) Карл (1883— 1963), американский инженер и учёный в области механики грунтов и фундаментостроения. Сочинения в русском переводе: Строительная механика грунта на основе его физических свойств, М. , 1933; Механика грунтов в инженерной практике, М. , 1958 (совм. с Р. Пеком); Теория механики грунтов, М. , 1961. • Огромное влияние на развитие теоретических основ механики грунтов оказали работы украинского ученого Пузыревского Н. П. • Дальнейшее развитие эти идеи получили в работах русского ученого проф. Н. М. Герсеванова (1925 - 1933 гг. ) и серия фундаментальных работ В. А. Флорина (1934 - 1936 гг. ). Пузыревский Нестор Платонович, (1861 — 1934) Научные труды Пузыревского посвящены вопросам гидротехники, гидравлики, теории упругости, теории грунтов, оснований и фундаментов, а также экономики водных сообщений. П. положил начало (1923) разработке широко применяемого в строительной механике метода начальных параметров. • Большое влияние на формирование современной механики грунтов оказали выдающиеся ученые Цытович Н. А. , М. Н. Гольдштейн и В. Б. Швец , Ю. К. Зарецкий. Герсеванов Николай Михайлович (1879 — 1950) Флорин Виктор Анатольевич (18991960) Цытович Николай Александрович (1900— 1984)

Выдающиеся ученые современности в области механики грунтов и фундаментостроения Ухов Сергей Борисович, член корр. МИА, заслуженный деятель науки и техники РФ, Профессор, доктор технических наук Далматов Борис Иванович (1910 -2000) Улицкий Владимир Михайлович , д. т. н. , профессор, зав. Кафедрой Оснований и фундаментов ПГУПС , член Президиума Российского Национального Комитета по механике грунтов и фундаментостроению , нучный руководитель НПО «Геореконструкция. Фундаментпроект» Тер-Мартиросян Завен Григорьевич, Академик АВН РФ и Нью. Йоркской АН, Заслуженный деятель науки РФ, Почетный строитель РФ и г. Москвы. Доктор технических наук, профессор, Заведующий кафедрой механики грунтов, оснований и фундаментов Московского Государственного Строительного Университета (МГСУ-МИСИ).

Основные понятия курса • Горной породой называют закономерно построенную совокупность минералов, которая характеризуется составом, структурой и текстурой. • Грунтами называют любые горные породы верхних слоев Грунтами литосферы, которые как объект инженерной деятельности человека используют в строительстве в качестве оснований, среды для размещения различных сооружений и материалов для их возведения, и рассматривают как многокомпонентные системы, изменяющиеся во времени. • Под составом подразумевают перечень минералов, составляющих составом породу. • Структура – это размер, форма и количественное соотношение Структура слагающих породу частиц. • Текстура – пространственное расположение элементов грунта, Текстура определяющее его строение. • Все грунты разделяются на естественные – магматические, естественные осадочные, метаморфические - и искусственные – уплотненные, искусственные закрепленные в естественном состоянии, насыпные и намывные.

Образование грунтов (генезис) Континентальные отложения: • элювиальные (продукты выветривания г. п. , оставшиеся на месте своего образования - форма зерен угловатая ); • делювиальные (перемещенные атмосферными водами и силами тяжести, напластования не однородны); • аллювиальные (перенесенными водными потоками на значительные расстояния – окатанные частицы); • ледниковые (результат действия ледников, неоднородные грунты); • эоловые (продукты выветривания, пески дюн, барханов, наличие пылеватых и илистых фракций). Морские отложения: илы, заторфованные грунты, пески, галечники.

Состав грунтов Грунт это 3 х фазная система Грунт = твердые частицы + вода + газ От соотношения этих фаз и зависят характеристики грунтов 1 – твердые частицы грунта (твердая фаза); 2 – поровая жидкость (жидкая фаза); 3 – поровый газ (газообразная фаза); 4 – поры; 5 – межчастичные связи; 6 – реакции на контакте между частицами.

Свойства твердых частиц Твердые частицы грунтов состоят из породообразующих минералов По отношению к воде твердые частицы делят на три основные группы: 1. Инертные (кварц, полевые шпаты, слюда, авгит, кремень, роговая обманка и др. ). Грунты, сложенные инертными минералами обычно обладают хорошими строительными свойствами. 2. Растворимые (галит Na. Cl, гипс Ca. SO 4 2 Н 2 О, известняк Са. СО 3 и другие). Растворимые минералы оказывают существенное влияние на свойства грунта. Это объясняется их растворением при увлажнении и далее - химической суффозией. 3. Глинистые минералы (каолинит, монтмориллонит, иллит и др. ). Эти минералы не растворимы в воде, однако, ввиду специфической формы частиц (пластинчатая и игольчатая) и малых размеров (1… 2 мкм) они при взаимодействии с водой образуют коллоидные системы. Иными словами, глинистые частицы обладают свойством гидрофильности.

Суффозионные процессы при растворении солей в грунте

Свойства твердых (минеральных) частиц зависят от размеров Классификация твердых частиц: № п/п Наименование частиц Поперечный размер (мм) 1 Галечные (щебень) 10 (20) 2 Гравелистые 2 10 (20) 3 Песчаные 0, 05 2 4 Пылеватые 0, 005 0, 05 5 Глинистые 0, 005 Примечания Классификация по шкале Сабанина (по скорости падения частиц в воде)

Свойства жидкой составляющей грунтов Различают три основных вида состояния воды в грунте: 2 - кристаллизационная, или прочносвязанная – электромолекулярные силы притяжения несколько сотен и даже тысяч мегапаскалей, удалить эту воду практически невозможно, замерзает при tº -70º. 3 – связная – электромолекулярная сила притяжения несколько десятков мегапаскалей, удаляется только при tº = 105º, замерзает при tº -1º …- 3º C. 4 – свободная, гравитационная (капиллярная вода).

Свойства газообразной составляющей грунта Свободный газ: Растворенный в воде Газообразная составляющая в самых верхних слоях грунта представлена - Незащемленный атмосферным воздухом, ниже – азотом, (сообщающийся с - Защемленный метаном, сероводородом и другими газами. атмосферой), (находящийся в Газообразная компонента грунта в зависимости от внешних условий может замкнутых растворяться в жидкости, выделяться из порах и нее, вытесняться из пор грунта жидкостью пузырьках). и т. д. Поровый газ существенно влияет на свойства грунта. Например, уменьшение давления при извлечении грунтового образца на поверхность с большой глубины сопровождается выделением пузырьков растворенного в воде газа и далее - разрушением природной структуры грунта. Это, в свою очередь, искажает фактические значения физических, прочностных и деформационных свойств грунта.

Классификация грунтов класс – по общему характеру структурных связей; группа – по характеру структурных связей (с учетом их прочности); подгруппа – по происхождению и условиям образования; тип – по вещественному составу; вид – по наименованию грунтов (с учетом размеров частиц и показателей свойств); разновидности – по количественным показателям вещественного состава, свойств и структуры грунтов. Классификация определяет четыре класса грунтов: I - природные скальные (с жесткими связями между частицами); II - природные дисперсные(без жестких связей между частицами); III - природные мерзлые; IV - техногенные. пески и крупнообломочные грунты силикатного, карбонатного, железистого и полиминерального типов Класс природных дисперсных грунтов (с механическими и водно-коллоидными структурными связями) представлен группой несвязных и группой связных грунтов. Обе группы относятся к осадочным грунтам. глинистые грунты силикатного, железистого и полиминерального типов

Типы грунтов Тип грунта Характерный размер частиц, Содержание частиц крупнее характерного размера, % по массе КРУПНООБЛОМОЧНЫЕ Глыбовый (валунный) Щебенистый (галечниковый) Дресвяный (гравийный) 200 >50 10 >50 2 >50 ПЕСЧАНЫЕ Гравелистый Крупный Средний Мелкий Пылеватый 2 0, 5 0, 25 0, 1 >25 >50 75 и более <75 ГЛИНИСТЫЕ Супеси Суглинки Глины 0, 005 3… 10 10… 30 >30