Механика грунтов в системе инженерных наук

Московский государственный открытый университет

 

 

А.С. Буслов

ОСНОВЫ МЕХАНИКИ ГРУНТОВ

 

Москва – 2011 г.

ВВЕДЕНИЕ

 

«Механика грунтов» является одной из основных дисциплин естественнонаучного и общетехнического цикла учебного плана подготовки бакалавров по направлению 270800 - «Строительство», с присвоением квалификации (степени) бакалавр строительства. «Механика грунтов» является теоретической дисциплиной, на базе которой проводится изучение курса «Основания и фундаменты».

Целью дисциплины является ознакомление студента с формированием напряженно-деформированного состояния грунтового массива в зависимости от вида и величины действующих нагрузок.

В задачи дисциплины входит ознакомление студента с полевыми и лабораторными методами определения физико-механических свойств грунтов; освоение ими основных методов расчета деформаций, прочности и устойчивости грунтов, а также давления грунтов на ограждающие конструкции.

Дисциплина «Механика грунтов» входит в базовую часть математического, естественнонаучного и общетехнического цикла, является составляющей модуля «Механика».

Программа курса базируется на знании студентами курсов высшей математики, физики, технической механики, геологии.

После изучения предшествующих дисциплин студент должен знать раздел высшей математики - основы математического анализа; раздел физики – механика; раздел технической механики – основы теории упругости; все разделы геологии.

Студент должен уметь применять дифференциальное исчисление, основные закономерности механики и теории упругости при изучении закономерностей механики грунтов; а также владеть терминологией изученных ранее технических дисциплин и методами проведения лабораторных измерений и статистической обработкой результатов.

В основе современного профессионального образования после вступления России в Болонский процесс лежит компетентностный подход.

Компетенция– это способность и готовность применить знания и умения при решении профессиональных задач в различных областях.

Компетентность– это владение определенными компетенциями.

Процесс изучения дисциплины «Механика грунтов» направлен на формирование следующих компетенций:

- владение культурой мышления, способностью к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей её достижения (ОК-1);

- умение использовать нормативные правовые документы в своей деятельности (ОК-5);

- использование основных законов естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применяет методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ПК-1);

- способность выявить естественнонаучную сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, привлечь их для решения соответствующий физико - математический аппарат (ПК-2);

- знание нормативной базы в области инженерных изысканий, принципов проектирования зданий, сооружений, инженерных систем и оборудования, планировки и застройки населенных мест (ПК-9);

- владение методами проведения инженерных изысканий, технологией проектирования деталей и конструкций в соответствии с техническим заданием с использованием стандартных прикладных расчетных и графических программных пакетов (ПК-10);

- способность проводить предварительное технико-экономическое обоснование проектных расчетов, разрабатывать проектную и рабочую техническую документацию, оформлять законченные проектно-конструкторские работы, контролировать соответствие разрабатываемых проектов и технической документации зданию, стандартам, техническим условиям и другим нормативным документам (ПК-11);

- знание научно-технической информации, отечественного и зарубежного опыта по профилю деятельности (ПК-17);

- владение математическим моделированием на базе стандартных пакетов автоматизации проектирования и исследований, методами постановки и проведения экспериментов по заданным методикам (ПК-18);

- способность составлять отчеты по выполненным работам, участвовать во внедрении результатов исследований и практических разработок (ПК-19).

В результате изучения дисциплины студент должензнать основные законы и принципиальные положения механики грунтов; свойства грунтов и их характеристики; нормативную базу в области инженерных изысканий; основные методы расчета напряженного состояния грунтового массива; основные методы расчета прочности грунтов и осадок.

Он должен уметьправильно оценивать строительные свойства грунтов, в том числе структурно неустойчивых; определять напряжения в массиве грунта и деформации основания под действием внешних нагрузок; оценивать устойчивость грунтов в основании сооружений и откосах, а также давление на ограждающие конструкции.

В целом студент должен владеть навыками экспериментальной оценки механических свойств грунтов, а также методами количественного прогнозирования напряженно-деформированного состояния и устойчивости сооружений.

В формировании научной и образовательной базы в области «Механики грунтов» наряду с известными зарубежными учеными такими, как К.Терцаги, Ш.Кулон, А.Дарси, Е.Винклер, Ж.Буссинеска, Л.Прандтль и др., большую роль сыграли отечественные ученые – исследователи и педагоги. Среди них необходимо отметить таких выдающихся ученых, как Н. М. Герсеванов, В.А.Флорин, Н.Н.Маслов, Н.Н. Цытович, Н.Я.Денисов, Е.М.Сергеев, Н.П.Пузыревский, В.В.Соколовский, С.Б. Ухов, З.Г.Тер-Мартиросян М.Ю.Абелев, Ю.К.Зарецкий и другие.

На основе фундаментальных теоретических и экспериментальных исследований отечественных ученых изданы многочисленные монографии, учебники и учебные пособия, по которым учились и продолжают учиться многие поколения студентов и аспирантов строительного профиля.

Например, изданный в 1934г. фундаментальный учебник Н. А. Цытовича переиздавался семь раз вплоть до 1983 года и был переведен на многие языки мира. Этот учебник до сих пор является настольной книгой студентов, аспирантов и специалистов в области механики грунтов и фундаментостроения.

Полный курс «Механики грунтов» является достаточно сложным в усвоении для студентов первой профессиональной ступени высшего образования, коей является квалификационная степень бакалавра в строительстве. В нем наряду с основными положениями дается значительный дополнительный, хотя и необходимый материал из смежных дисциплин, экспериментальных и теоретических исследований и т.п.

В целях облегчения усвоения дисциплины представляется целесообразным с методической точки зрения разделить основной и дополнительный материалы курса. Одним из примеров такого разделения является краткий курс «Механика грунтов», изданный Н.А.Цытовичем в 1979 г.

Предлагаемое учебное пособие «Основы механики грунтов» путем выделения из полного курса его базовых основополагающих положений позволит студенту вначале сформировать общее представление о дисциплине и законах механики грунтов и затем дополнить полученные базовые знания материалом из широкого класса рекомендуемых учебной программой учебников, нормативов и специальной литературы.

Рекомендуется для студентов направления 270800 «Строительство». Профиль подготовки 1- промышленное и гражданское строительство; 5 – теплогазоснабжение и вентиляция. Квалификация (степень) выпускника – бакалавр.

 

МЕХАНИКА ГРУНТОВ В СИСТЕМЕ ИНЖЕНЕРНЫХ НАУК

Механика – это наука о взаимодействии материальных тел и перемещении их в пространстве. Различные разделы ее охватывают отдельные вопросы такого взаимодействия. Так, в теоретической механике анализируются силовое взаимодействие и движение в пространстве абсолютно твердых тел; механика деформируемого твердого тела посвящена изучению напряженно-деформируемого состояния твердых тел при внешнем силовом воздействии на них; в строительной механике рассматриваются стержневые системы и т. д.

Грунты по своей природе являются дисперсными, то есть раздробленными телами, поэтому механика грунтов является механикой дисперсных тел и является частью общей геомеханики, в которую также входят глобальная и региональная геодинамики, механика массивных горных пород, а также механика рыхлых горных пород и механика органических и неорганических минеральных масс (рис.1.1).

Основной задачей механики грунтов является прогноз поведения грунтов при различных естественных или искусственных силовых воздействиях и включает в себя изучение напряженно-деформированного состояния, изменения свойств грунтов и др. под их влиянием.

Решения механики грунтов базируются на теоретических положениях механики твердых тел, теории упругости, гидродинамики и других науках, но с обязательным использованием закономерностей, описывающих природные свойства грунтов, обусловленных их дисперсностью. Только в сочетании теоретических методов решения задач напряженно-деформированного состояния (механика сплошных сред) с природными данными физико-механических свойств грунтов (грунтоведение) оказалось возможным сформулировать такую науку, как механика грунтов.

На схеме (рис.1.1) показано место механики грунтов в системе инженерных наук, а также ее экспериментально-теоретическая база.

Расчету любой инженерной конструкции или материала предшествует выбор той или иной расчетной модели. От того, насколько близко выбранная модель будет соответствовать реальным условиям, зависит в конечном итоге точность расчетов.

Строение и свойства грунтов как природных материалов весьма разнообразны и их нельзя представить какой-либо одной универсальной моделью. Поэтому расчетные методы механики грунтов разрабатываются применительно к некоторым идеализированным моделям или схемам, в которых отражаются только наиболее важные свойства некоторых больших групп грунтов; при этом к одному и тому же типу грунтов может быть применена не одна, а несколько различных механических моделей.

 

ОБЩАЯ ГЕОМЕХАНИКА       Глобальная геомеханика   Региональная геомеханика   Механика массивных горных пород   Механика рыхлых горных пород   Механика органических и неорганических ми-неральных масс                       Лабораторные и полевые исследования физико-механических свойств грунтов Механика грунтов в фундаментостроении       Экспериментально-теоретическая база механики грунтов         Строительная механика     Теоретическая механика     Механика твердого деформируемого тела   Гидродинамика         Математическая физика и теория вероятности   Опыт строительства и эксплуатации сооружений

Рис. 1.1. Место механики грунтов в системе инженерных наук,

а также ее экспериментально-теоретическая база

 

Основными моделями в механике грунтов, применяемыми инженерной практикой, являются: сплошная среда (упругое или линейно-деформируемое полупространство); сыпучее тело; двух- и трехкомпонентная система (грунтовая масса); модель местных деформаций (основание Фусса-Винклера).

Модели упругого и линейно-деформируемого полупространства характеризуются линейной зависимостью между напряжениями и деформациями (рис.1.2 а). В этих моделях деформации полупространства проявляются не только в месте приложения нагрузки, но и за пределами загружаемой площади (рис.1.2 в).

Рис. 1.2. Однородное упругое полупространство: а - график вдавливания штампа; б - исходное положение штампа и поверхности модели; в - деформация поверхности при нагружении штампа; г - положение поверхности модели после разгрузки штампа; S_В - восстанавливающаяся осадка штампа.

Для решения задач с применением этих моделей применяются методы математической теории упругости. Отличие модели линейно-деформируемого полупространства от упругой модели заключается в том, что в ней используется не модуль упругости среды (модуль Юнга), а модуль общей деформации, учитывающий как упругие, так и остаточные деформации нагружаемого основания (рис.1.3 а, в и г).

 

Рис. 1.3. Однородное линейно-деформируемое полупространство: а - график вдавливания штампа; б - исходное положение штампа и поверхности модели; в - деформация поверхности модели при нагружении штампа; г - положение поверхности модели после разгрузки штампа (р - среднее удельное давление; S_П - полная осадка штампа; S₀ - остаточная осадка штампа; S_B - восстанавливающаяся осадка штампа.

 

Модель сыпучего тела используется в основном при расчетах давления на ограждения, устойчивости откосов и др. В основе ее лежит закон Кулона для сыпучих сред, заключающийся в том, что предельное сопротивление сыпучих грунтов сдвигу есть сопротивление трению, прямо пропорциональное нормальному давлению.

Модель двух- и трехкомпонентной систем рассматривает полностью водонасыщенные грунты («грунтовая масса») с наличием в порах свободной гидравлически непрерывной воды, либо смеси ее с пузырьками воздуха и растворенного газа. Эта модель применяется главным образом при расчетах осадки во времени на основе использования теории фильтрационной консолидации.

Модель местных деформаций предполагает проявление деформаций основания только в месте приложения нагрузки (рис.1.4). Деформации могут быть упругими (модель Винклера; S_п = S_в), либо пластическими (модель Фусса; S_п = S_о). Эта модель находит широкое применение, например, при расчете балок на упругом основании.

Рис.1.4. Модель основания Винклера: а - график вдавливания штампа; б - исходное положение штампа и поверхности модели; в - деформация поверхности модели при нагружении штампа; г - положение поверхности модели по­сле разгрузки, штампа; S_В - восстанавливающаяся осадка штампа.

 

Исходя из определения механики грунтов как синтеза грунтоведения и механики идеализированных систем, освоение ее как учебной дисциплины начинается с изучения физико-механических свойств грунтов.

На рис. 1.5 показана структура курса, из которой видно, что грунтоведение и теоретические закономерности механики грунтов являются базой для последующих инженерных методов расчета оснований и фундаментов.

 

Механика грунтов в фундаментостроен и   Физико-механические свойства грунтов как горных пород (натура) Основные закономерности механики грунтов (теория) Методы расчета оснований фундаментов (практика)

Рис. 1. 5. Структура курса механики грунтов в фундаментостроении