Предмет механики грунтов. Вопросы курса механики грунтов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего образования

«Воронежский государственный технический университет»

________________________________________________________________________________________

 

М. С. КИМ, В.Х. КИМ

 

ОСНОВЫ

МЕХАНИКИ ГРУНТОВ

 

 

Учебное пособие

для студентов, обучающихся по специальности 08.05.01

«Строительство уникальных зданий и сооружений»

и 08.03.01 «Строительство »

 

Под редакцией профессора П.И. Калугина

 

Воронеж - 2017

УДК 624.131 (07)

ББК 38.58 я 7

К 40

К 40	Ким, М.С. Основы механики грунтов: учеб. пособие для студ., обуч. по спец. 08.05.01 «Строительство уникальных зданий и сооружений» и 08.03.01   « Строительство » / М.С. Ким, В.Х. Ким; под ред. П.И. Калугина; ВГТУ. – Воронеж, 2017. – 142 с.

 

Учебное пособие подготовлено в соответствиисфедеральным государственным образовательным стандартом высшего образования по специальности 08.05.01 Строительство уникальных зданий и сооружений (уровень специалитета) и предназначено для студентов, обучающихся по специализациям "Строительство высотных и большепролетных зданий и сооружений" и "Строительство подземных сооружений" и получающих квалификацию инженер-строитель. Будет полезно также студентам специальности 08.03.01 « Строительство », обучающимся по программе бакалавриата

Рассмотрены физико-механические свойства грунтов, напряженное состояние оснований, методы определения деформаций грунтовых массивов и оценки их устойчивости.

Предназначено для студентов всех форм обучения.

    

Ил. 62. Табл. 20. Библиогр.: 11 назв.

 

Печатается по решению учебно-методического совета

ВГТУ

 

 

Рецензенты:

кафедра «Конструкции зданий и сооружений» Тамбовского государственного технического университета;

А.Н. Попов, начальник 32 кафедры инженерно-аэродромного обеспечения ВУНЦ ВВС «ВВА» (г. Воронеж), канд. техн. наук, доцент

 

 

  

ISBN 978-5-7731-0501-5                                   ã Ким М.С., Ким В.Х. 2017

                                                                             ã ВГТУ, 2017

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………...			6
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ…………………………………………………..			6
Глава 1. Грунты как ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ        физические свойства ГРУНТОВ...............................................			10
1.1.	Природа грунтов, их состав и строение ……………………………….		10
1.2.	Структурные связи в грунтах…………………………………………...		14
1.3	Показатели физического состояния грунтов…………………….........		14
1.4	Классификация грунтов…………………........................……………..		20
1.5	Нормативные и расчетные показатели физического состояния грунтов...		22
Глава 2. основные закономерности механики            грунтов. Механические свойства грунтов................			23
2.1	Сжимаемость грунтов. Закон уплотнения грунта……………….........		24
2.1.1	Компрессионная зависимость……………………………………..........		24
2.1.2	Закон уплотнения грунта………………………………………….........		28
2.1.3	Основные деформационные характеристики грунтов.........................		29
2.2	Водопроницаемость грунтов. Закон ламинарной фильтрации.............		30
2.2.1	Фильтрационные свойства глинистых грунтов. …...............................		32
2.2.2	Эффективные и нейтральные давления в грунте………………….......		32
2.3	Сопротивление грунтов сдвигу. Закон Кулона…………………..........		34
2.3.1	Сопротивление сдвигу идеально сыпучих грунтов……………...........		34
2.3.2	Сопротивление сдвигу связных грунтов………………………............		35
2.3.3	Испытание грунтов при трехосном сжатии...........................................		37
2.4	Полевые методы испытания грунтов.....................................................		40
2.5	Нормативные и расчетные значения характеристик деформируе-мости и прочности грунтов...................................................................		45
Глава 3. определение напряжений в грунтах…………..............			46
3.1	Напряженное состояние в точке грунтового массива…………...........		47
3.2	Напряжения в грунте в случае пространственной задачи……………		49
3.2.1	Определение напряжений от действия вертикальной сосредоточенной силы, приложенной к поверхности линейно деформируемого полупространства…..…..........................................................................		49
3.2.3	Определение напряжений методом угловых точек ……………..........		56
3.3		Определение напряжений в грунте в случае плоской задачи…...........	59
3.3.1		Определение напряжений отдействия равномерно распределенной полосовой нагрузки…….........................................................................	59

 

 

3.4	Влияние неоднородности напластований грунтов на распределение напряжений…………………………………..........................................	64
3.5	Напряжения от действия собственного веса грунта…………….........	64
3.6	Распределение напряжений на подошве фундамента. Контактная задача..........................................................................................................	65
3.6.1	Модель местных упругих деформаций..................................................	66
3.6.2	Модель общих упругих деформаций....................................................	67
3.6.3	Зависимость осадки грунтов от площади загрузки...............................	68
3.6.4	Эпюры контактных напряжений............................................................	69
Глава 4. Деформации Грунтов и расчет осадок          оснований сооружений……………………………..............		71
4.1.	Виды и природа деформаций грунтов...…………………………........	71
4.2.	Определение осадки поверхности слоя грунта от сплошной нагрузки ………………………………………………………………....	73
4.3	Методы расчета осадок фундаментов…………………………….........	74
4.3.1	Метод послойного суммирования……………………………...............	74
4.3.2	Метод линейно-деформируемого слоя..................................................	78
4.3.3	Метод эквивалентного слоя....................................................................	81
4.3.4	Расчет осадок оснований с учетом веса грунта, вынутого из котлована...................................................................................................	84
4.3.5	Расчет осадок оснований во времени.....................................................	90
Глава 5. Предельное напряженное состояние           грунтовых оснований………………………………….........		94
5.1	Фазы напряженного состояния грунтов при возрастании нагрузки...	94
5.2	Основные положения теории предельного равновесия ………….......	98
5.3	Критические нагрузки на грунты основания……………………..	99
5.3.1	Начальная критическая нагрузка. Расчетное сопротивление грунта	99
5.3.2	Предельная нагрузка на грунт................................................................	102
Глава 6. Устойчивость Грунтов в откосах……………………....		106
6.1	Причины нарушения устойчивости откосов и склонов………............	106
6.2	Устойчивость откоса идеально сыпучего грунта……………..............	107
6.3	Устойчивость вертикального откоса в идеально связных грунтах......	107
6.4	Общий случай расчета устойчивости откоса…………………............	109
6.5	Расчет устойчивости откосов методом круглоцилиндрических  поверхностей скольжения……...…………………………………........	109
6.6	Расчет устойчивости откосов методами теории предельного равновесия.................................................................................................	112
6.7	Меры по увеличению устойчивости откосов.........................................	115
Глава 7. Давление ГрунтОВ на ограждающие            конструкции……………………………………………….........		116
7.1	Классификация подпорных стен ……………………………………....	116

 

7.2	Понятие об активном и пассивном давлении грунта……………........	117
7.3	Определение давления идеально сыпучего грунта на вертикальную гладкую подпорную стенку при горизонтальной поверхности засыпки…………………………………………………………...............	120
7.4	Учет сцепления при определении активного давления связного грунта на вертикальную гладкую подпорную стенку при горизонтальной поверхности засыпки……………………....................	121
7.5	Учет нагрузки на поверхности засыпки при определении активного давления на подпорную стенку.......................................	123
7.6	Учет наклона и шероховатости задней грани подпорной стенки при определении активного давления............................................	124
7.7	Расчет устойчивости подпорных стенок.........................................	125
7.8	Определение давления грунтов на подпорные стенки методом теории предельного равновесия.....................................................	129
7.9	Графический метод определения давления грунтов на подпорные стенки..................................................................................................	130
ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………		133
Библиографический список…………………………………		133
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Глоссарий………....................................................		134
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Основные буквенные обозначения                                      характеристик грунтов........................................		141

 

ВВЕДЕНИЕ

Все возводимые надземные сооружения передают нагрузки, включая и собственный вес, на основания, состоящие из грунтов. В большинстве случаев грунты представляют собой дисперсные тела, которые существенно отличаются от конструктивных строительных материалов, являющихся, в основном, упругими телами. Поэтому расчет грунтовых оснований невозможен методами классической строительной механики. Для этого требуется знание механики грунтов, которая изучает деформации, прочность и устойчивость дисперсных тел. Важность роли механики грунтов в деятельности инженеров строительных специальностей объясняется уже тем, что более 70% всех аварий зданий и инженерных сооружений происходят из-за ошибок, допущенных при оценке физико-механических свойств грунтов, проектировании, возведении и эксплуатации оснований и фундаментов.

Механика грунтов является одной из основных инженерных дисциплин для студентов всех строительных специальностей. Она тесно связана с другими инженерными дисциплинами. Для освоения курса механики грунтов необходимо знание математики, физики, инженерной геологии, сопротивления материалов, строительной механики, теории упругости.

Настоящее учебное пособие составлено в соответствии с федеральным государственным образовательным стандартом высшего образования по специальности 08.05.01 «Строительство уникальных зданий и сооружений» (Приказ Минобрнауки России от 11.08.2016 № 1030).

Предназначено для студентов всех форм обучения. Объем изложенного в пособии материала соответствует учебному плану ВГТУ для соответствующих специальностей, предусматривающему трудоемкость изучения дисциплины «Механика грунтов» в объеме 180 часов (5 зачетных единиц). В пособии нашли отражение вопросы, рассматриваемые на лекциях, практических занятиях и при курсовом проектирования, а также для самостоятельной работы. Студенты специальности 08.03.01 « Строительство », обучающиеся по программе бакалавриата, также найдут в данном пособии материал для подготовки по дисциплине «Механика грунтов».

  При написании пособия использованы материалы лекций авторов, а также другие источники [1...11].

 

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Предмет механики грунтов. Вопросы курса механики грунтов

Механика грунтов – часть общей механики горных пород, включающей: механику массивных пород (сплошных сред), механику грунтов (рыхлых горных пород) и механику органических масс.

Механика грунтов в то же время является одним из важных разделов геомеханики, в основу которого положены как законы теоретической механики (механики твердых абсолютно несжимаемых тел), так и закономерности строительной механики деформируемых тел (теория упругости, пластичности, ползучести). Кроме этих закономерностей механика грунтов рассматривает зависимости, вытекающие из особенностей работы грунтов под нагрузкой: сжимаемость, водопроницаемость, контактную сопротивляемость сдвигу и структурно-фазовую деформируемость грунтов.

Данный курс «Механики грунтов» рассматривает следующие вопросы:

1. Физические свойства грунтов.

2. Основные законы и закономерности механики грунтов. Механические свойства грунтов.

3. Напряженное состояние грунтовых массивов.

4. Методы расчета деформаций грунтов и осадок сооружений.

5. Предельные состояния грунтов.

6. Устойчивость откосов.

7. Давление грунтов на ограждения.

   Все эти вопросы неразрывно связаны между собой и образуют четкую структуру, позволяющую в итоге решать конкретные задачи проектирования оснований и фундаментов. Связь основных разделов курса «Механики грунтов» между собой и их использование для решения практических задач проектирования и расчета грунтовых сооружений, оснований и фундаментов отражена на блок-схеме (рис. 1), предложенной профессором ВГАСУ В.М. Алексеевым.