Ющубе_КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ по МЕХАНИКИ ГРУНТОВ ТГАСУ
.pdfМинистерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Томский государственный архитектурно-строительный университет»
С.В. Ющубе, А.А. Тарасов
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО МЕХАНИКЕ ГРУНТОВ
Учебное пособие
Томск Издательство ТГАСУ
2023
УДК 624.131(075.8)
ББК 38.581.1я73 Ю997
Ющубе, С.В.
Ю997 Конспект лекций по механике грунтов : учебное пособие / С.В. Ющубе, А.А. Тарасов. – Томск : Изд-во Том. гос. архит.- строит. ун-та, 2023. – 156 с. – Текст : непосредственный.
ISBN 978-5-6050245-9-0
Настоящее пособие предназначено для студентов строительных вузов, изучающих дисциплины «Механика грунтов» и «Геотехника». В пособии приведены основные сведения о грунтах, их составе, строении, физико-механиче- ских характеристиках, особенностях распределения напряжений и деформирования под нагрузками. В представленном материале упор сделан на свойствах грунтов, важных со строительной точки зрения именно для инженерастроителя. Для лучшего понимания материала студентами и удобства его использования при подготовке к зачетам и экзаменам по указанным дисциплинам вся информация разделена на лекции, объем которых примерно равен объему классического лекционного занятия.
Учебное пособие соответствует государственному образовательному стандарту дисциплины «Основания и фундаменты» бакалавриата по направлению подготовки 08.03.01 «Строительство» всех форм обучения. Также может быть полезно для студентов специальности 08.05.01 «Строительство уникальных зданий и сооружений».
УДК 624.131(075.8)
ББК 38.581.1я73
Рецензенты:
А.А. Петухов, канд. техн. наук, директор ООО «Стройтехинновации ТДСК», г. Томск; В.А. Юдин, канд. техн. наук, доцент, директор ООО «ФОБУС-5», г. Томск.
ISBN 978-5-6050245-9-0 |
© Томский государственный |
|
архитектурно-строительный |
|
университет, 2023 |
|
© Ющубе С.В., Тарасов А.А., 2023 |
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Введение............................................................................................ |
7 |
Лекция 1. Состав, структура и основные свойства грунтов.... |
9 |
1.1. Общие сведения о курсе «Механика грунтов» ................... |
9 |
1.2. Состав и основные свойства грунтов................................. |
10 |
1.2.1. Твердые частицы ........................................................ |
11 |
1.2.2. Жидкая составляющая грунта................................... |
14 |
1.2.3. Газообразная составляющая грунта ......................... |
17 |
1.3. Структура и текстура. Структурные связи грунтов ......... |
18 |
Контрольные вопросы.................................................................... |
22 |
Лекция 2. Основные физические характеристики |
|
грунтов. Строительная классификация грунтов................... |
23 |
2.1. Основные физические характеристики грунтов ............... |
23 |
2.2. Классификационные показатели грунтов ......................... |
25 |
2.3. Строительная классификация грунтов .............................. |
28 |
Контрольные вопросы.................................................................... |
31 |
Лекция 3. Деформируемость грунтов....................................... |
32 |
3.1. Особенности деформирования грунтов............................. |
32 |
3.1.1. Линейная и нелинейная зависимость |
|
изменения деформаций от нагрузки................................... |
32 |
3.1.2. Упругие и пластические (остаточные) деформации .. |
33 |
3.1.3. Ползучесть грунтов .................................................... |
35 |
3.1.4. Фильтрационная консолидация грунтов.................. |
36 |
3.1.5. Объемные и сдвиговые деформации ........................ |
39 |
3.2. Сжимаемость грунтов при статических воздействиях ........ |
40 |
3.3. Определение модуля деформации грунта |
|
испытаниями его штампом ........................................................ |
44 |
3.4. Коэффициент бокового давления грунта .......................... |
47 |
3.5. Фильтрационные свойства грунтов ................................... |
47 |
Контрольные вопросы.................................................................... |
51 |
3
Лекция 4. Прочность грунтов .................................................... |
53 |
4.1. Сопротивление грунтов сдвигу .......................................... |
53 |
4.2. Условие предельного напряженного состояния грунта ...... |
58 |
4.3. Соотношение между главными напряжениями |
|
в предельном состоянии............................................................. |
62 |
Контрольные вопросы.................................................................... |
63 |
Лекция 5. Определение напряжений в массиве грунтов ...... |
64 |
5.1. Общие положения................................................................ |
64 |
5.2. Определение напряжений в массиве грунта |
|
от действия собственного веса .................................................. |
66 |
Контрольные вопросы.................................................................... |
73 |
Лекция 6. Определение напряжений в массивах грунтов |
|
от внешних нагрузок.................................................................... |
74 |
6.1. Действие сосредоточенной силы (основная |
|
пространственная задача) .......................................................... |
74 |
6.2. Действие равномерно распределенной полосовой |
|
нагрузки ....................................................................................... |
80 |
6.3. Случай загрузки прямоугольной площадки |
|
поверхности основания равномерно распределенной |
|
нагрузкой ..................................................................................... |
84 |
6.4. Влияние площади загрузки и неоднородности |
|
основания на распределение напряжений ................................ |
86 |
6.5. Распределение давлений по подошве сооружений, |
|
опирающихся на грунт (контактная задача) ............................ |
88 |
Контрольные вопросы.................................................................... |
91 |
Лекция 7. Основные расчетные модели грунта ..................... |
93 |
7.1. Модели дискретной среды .................................................. |
93 |
7.2. Модели сплошной среды .................................................... |
94 |
7.2.1. Зависимость между изменением коэффициента |
|
пористости и относительной деформацией |
|
при линейной постановке .................................................... |
99 |
4
7.2.2. Зависимость между коэффициентом бокового |
|
давления и коэффициентом Пуассона.............................. |
100 |
7.2.3. Зависимость между коэффициентом |
|
пористости и суммой главных напряжений .................... |
101 |
7.2.4. Модуль деформации ................................................ |
102 |
Контрольные вопросы.................................................................. |
104 |
Лекция 8. Предельные нагрузки на грунты.......................... |
106 |
8.1. Фазы напряженного состояния грунта ............................ |
106 |
8.2. Критические нагрузки на грунт........................................ |
108 |
8.3. Предельная нагрузка для грунтов .................................... |
111 |
Контрольные вопросы.................................................................. |
113 |
Лекция 9. Устойчивость массивов грунтов в откосах |
|
и склонах ...................................................................................... |
114 |
9.1. Устойчивость свободных откосов.................................... |
114 |
9.2. Определение активного давления грунта |
|
на подпорные стенки ................................................................ |
117 |
9.3. Графоаналитический метод расчета несущей |
|
способности основания (метод круглоцилиндрических |
|
поверхностей скольжения) ...................................................... |
119 |
Контрольные вопросы.................................................................. |
121 |
Лекция 10. Деформации грунтов и методы |
|
их определения ............................................................................ |
122 |
10.1. Определение осадки поверхности слоя грунта |
|
при сплошной равномерно распределенной нагрузке .............. |
122 |
10.2. Теория фильтрационной консолидации грунтов .......... |
124 |
Контрольные вопросы.................................................................. |
128 |
Лекция 11. Особые виды грунтов |
|
со структурно-неустойчивыми связями................................. |
130 |
11.1. Просадочные грунты ....................................................... |
130 |
11.2. Мерзлые и многолетнемерзлые грунты......................... |
134 |
11.3. Рыхлые пески ................................................................... |
138 |
5
11.4. Слабые водонасыщенные глинистые грунты ............... |
138 |
11.5. Набухающие грунты........................................................ |
140 |
11.6. Торфы и заторфованные грунты .................................... |
141 |
11.7. Насыпные грунты ............................................................ |
141 |
Контрольные вопросы.................................................................. |
142 |
Лекция 12. Динамические воздействия на грунты .............. |
143 |
12.1. Сжимаемость грунтов при динамических |
|
воздействиях.............................................................................. |
143 |
12.2. Прочность грунта при динамических воздействиях ...... |
146 |
12.3. Разжижение водонасыщенных несвязных грунтов ...... |
148 |
12.4. Уплотнение грунта при укатке и трамбовании............. |
150 |
Контрольные вопросы.................................................................. |
151 |
Заключение .................................................................................. |
153 |
Список литературы .................................................................... |
154 |
6
ВВЕДЕНИЕ
«Механика грунтов» является одной из базовых дисциплин, изучаемых студентами строительных вузов по направлению «Строительство». В данном курсе студенты знакомятся с основными видами и свойствами грунтов, особенностями их деформирования под действием различных видов нагрузок, методами определения физико-механических характеристик и многим другим, без чего осмысленное проектирование оснований фундаментов просто невозможно.
Значение «Механики грунтов» в настоящее время, когда использование различных программных комплексов позволяет решать достаточно сложные задачи по проектированию оснований фундаментов, требуя от проектировщика лишь ввода исходных данных, только возрастает. В этом случае именно грамотный анализ полученных результатов, которые обычно представляются в виде графиков и схем напряженно-деформированного состояния, позволяет оценить их достоверность, выявить ошибки и недочеты в принятых расчетных схемах, что невозможно без понимания физики процессов, происходящих в грунтах при различных воздействиях, оказываемых на них при строительстве и эксплуатации зданий и сооружений.
Понимание этого позволит избежать или, по крайней мере, дать ответ на часто мучающие студентов вопросы: «Зачем мы это изучаем и как мне это пригодится в профессиональной деятельности?», тем самым сподвигнув их к творческому и осмысленному изучению дисциплины.
Хорошим подспорьем к лекционному материалу должны стать лабораторные и практические занятия, на которых студенты смогут проверить на практике полученные теоретические знания. При этом лабораторные работы не должны сводиться лишь к банальному определению физико-механических характеристик грунтов, а наглядно демонстрировать такие процессы, как, например, давление грунтов на ограждающие конструкции, рас-
7
пределение напряжений в массиве грунта, влияние динамических воздействий и др. С осторожностью надо подходить к использованию автоматизированных комплексов для испытаний грунтов, т. к. они часто не позволяют студенту визуально оценить механику процесса (например, при компрессионном уплотнении или одноплоскостном сдвиге).
Настоящее учебное пособие структурировано в виде отдельных лекций для удобства его использования при самостоятельной подготовке студента к контрольным работам, зачетам и экзаменам по дисциплинам «Механика грунтов» и «Геотехника» либо в качестве основного курса лекций для студентов заочной или дистанционной форм обучения. При этом учебное пособие дает лишь общие представления о механике грунтов, и для углубленного изучения отдельных лекционных тем целесообразным будет дополнительное изучение учебников и узкоспециализированных монографий.
8
ЛЕКЦИЯ 1. СОСТАВ, СТРУКТУРА
ИОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ
1.1.Общие сведения о курсе «Механика грунтов»
Механика грунтов изучается в составе дисциплины «Геотехника» после того, как студент освоил в рамках своей образовательной программы ряд теоретических дисциплин, таких как математика, сопротивление материалов, инженерная геология и др.
Вкурсе «Механика грунтов» рассматриваются вопросы, касающиеся определения физико-механических свойства грунтов, распределения напряжений и деформаций в грунтовых массивах,
атакже условий их устойчивости под действием собственного веса и внешних нагрузок. Логическим продолжением курса «Механика грунтов» является курс «Основания и фундаменты», в котором на основании теоретических положений и установленных закономерностей решаются практические задачи проектирования и устройства фундаментов зданий и сооружений в различных грунтовых условиях.
Механика грунтов – это теория естественных грунтовых оснований. Без знания свойств грунтов и закономерностей их поведения под нагрузкой невозможно запроектировать строительный объект, отвечающий современным требованиям надежности, долговечности и экономичности.
Внастоящее время возводятся все более высокие здания, что приводит к увеличению нагрузок, передаваемых на фундаменты. В промышленных зданиях устанавливается уникальное оборудование, не допускающее значительных смещений. В связи с этим роль механики грунтов как теоретической основы современного фундаментостроения постоянно возрастает. Только на основе глубоких знаний будущий инженер сможет правильно оценить инже- нерно-геологические условия строительной площадки, определить размеры будущих фундаментов, выбрать соответствующий метод их устройства, а значит, обеспечить высокую надежность, долговечность и экономичность возводимых зданий и сооружений. Если
9
иметь в виду, что стоимость фундаментов в обычных грунтовых условиях составляет 5–20 % от общей стоимости здания, а в сложных может превысить 20 %, то наиболее полное использование несущей способности грунтов основания и применение рациональных конструкций фундаментов позволяют добиться существенного экономического эффекта.
1.2. Состав и основные свойства грунтов
Грунт представляет собой весьма сложную и неоднородную среду. Основной особенностью грунтов является их раздробленность. Твердые частицы образует так называемый скелет грунта или, другим словами, его каркас, между элементами которого имеются зазоры, называемые порами. В порах грунта содержится газ или жидкость. При взаимодействие отдельных частиц между ними возникают различные типы связей, причем прочность связей много меньше прочности самих частиц.
Таким образом, грунт в общем случае представляет собой трехкомпонентную среду (рис. 1.1), но в особых случаях может быть представлен в виде двухкомпонентной среды (полностью водонасыщенный или сухой грунт) или даже четырёхкомпонентной при наличии, например, в нем частичек льда или большого количества органических веществ (мерзлые и органоминеральные грунты), что придает грунту весьма специфические свойства.
а |
Жидкость (водные |
б |
Твердые частицы |
|
|
||
|
растворы солей) |
|
(минералы) |
|
Газ в порах грунта |
|
Газ в порах грунта |
|
Твердые частицы |
|
Жидкость (водные |
|
|
растворы солей) |
|
|
(минералы) |
|
|
|
|
|
Рис. 1.1. Состав грунтов1:
а – модель трехкомпонентного грунта; б – модель двухкомпонентного грунта
1 URL: https://slideplayer.com/user/12351594/
10