Содержание курса лекций по дисциплине Основы механики грунтов

задачи курса. Основные понятия и определения. Состав и строение 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.

Состав и строение грунтов

Класифифікація.
ДСТУ Б В.2.1-5-96. Грунти. Методи лабораторного визначення характеристик міцності і

деформованості.
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
Гольдштейн М.Н. Механические свойства грунтов. Напряженно-деформативные и прочностные характеристики. - М.: Стройиздат, 1973. -304 с.
Флорин В.А. Основы механики грунтов, т.1. - Л. -М.: Госстройиздат, 1959. - 357 с.
Флорин В.А. Основы механики грунтов, т. 2. - Л.-М.: Гостройиздат, 1961. - 543 с.
Цытович Н.А. Механика грунтов (краткий курс)-М.:Высш. шк., 1983.-288с.

ЛР – 3 балла, количество ЛР - 8);

(3+3)*8=48 баллов
2.Работа на лекции с оформлением конспекта - 2 балла, количество лекций – 8; 2*8=16 баллов
3.Модульный контроль (кол. МК – 2, в каждом 13 вопросов по 1 баллу); (1*13)*2=26 баллов
4.Научно-исследовательская работа – 10 баллов.

свойств грунтов под влиянием внешних воздействий, методы расчета напряженного состояния

и деформаций оснований, оценки к устойчивости грунтовых массивов, давление грунта на сооружения.
Цель курса механики грунтов : научить будущих специалистов обоснованию и принятию оптимальных решений по устройству оснований и фундаментов зданий и сооружений промышленного и гражданского назначения в различных инженерно-геологических условиях.
Задачи курса :
1) изучить:
основные законы и принципиальные положения механики грунтов;
свойства грунтов и их характеристики - физические, деформационные, прочностные;
методы расчета напряженного состояния грунтового массива;
методы расчета прочности грунтов и осадок.
2) научиться прогнозировать механическое поведение грунтов и грунтовых массивов, принимать обоснованные практические проектные решения.
Связь курса с другими дисциплинами:
Дисциплина “Механика грунтов” тесно связана такими предметами как “Инженерная геология”, “Сопротивление материалов”, “Теория упругости”, “Строительная механика”, «Основания и фундаменты».

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 помещений.

сооружение осталось стоять под углом около 63° к горизонту.
Впоследствии элеватор

вернули в прежнее положение с помощью домкратов.

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.

Рср = 5 кг/см2 = 50 т/м2 = 500 кН/м2 = 0,5 МПа

одна из древнейших конструкций первых жилищ человека
Со времен древнего Египта

известно имя выдающегося строителя пирамид и архитектора Имхотепа.

античности Витрувий (Марк Витрувий Поллион (I в. до н.э.) писал:

“Для закладки фундаментов храмовых зданий следует рыть до глубины твердых пород...”

науки», 1638г. 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», 1678г. изд.
Статья «Сила сопротивления, или упругость», 1679г.
Именно в ней впервые прозвучало знаменитое утверждение - "каково растяжение, такова и сила". Вот уже триста лет этот принцип известен как закон Гука.

В 1822г. 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 1831гг. Приводит три уравнения равновесия и краевые условия

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);



о распределении напряжений в полупространстве от действия приложенной к его верхней границе сосредоточенной вертикальной силы
(Е. Буссинеск, 1885).

Шарль Огюсте́н де Куло́н (1736-1806) — французский военный инженер и учёный-физик, 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 ( 1773г. изд.).

Анри Филибер Гаспар Дарси (1803-1858) —французский инженер-гидравлик, обосновавший закон Дарси (1856), связывающий скорость фильтрации жидкости в пористой среде с градиентом давления: «По-видимому, 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.

«Beam on elastic foundation» (рус. балка на упругом основании)

балок с помощью уравнения трех моментов. Создал теорию прочности (теория

Мора), разработал графический метод определения напряжений при сложном напряженном состоянии (круг Мора). Впервые применил расчет конструкций на невыгодное загружение с помощью линий влияния, создал теорию расчета статически неопределимых систем методом сил. Дал обобщение формулы Максвелла (формула Мора-Максвелла).

1925г., когда на немецком языке выходит фундаментальный труд американского ученого

проф. Карла Терцаги “Строительная механика грунтов”. К. Терцаги были созданы основы новой науки - инженерной геологии.

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.).

Большое влияние на формирование современной механики грунтов оказали выдающиеся ученые Цытович Н.А., М. Н. Гольдштейн и В.Б. Швец , Ю. К. Зарецкий.

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.

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.

Герсеванов Николай Михайлович (1879 —1950)

Цытович Николай
Александрович
(1900—1984)

Флорин Виктор Анатольевич (1899- 1960)

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).

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

структурой и текстурой.
ГРУНТ –

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

предназначенная для передачи нагрузки от сооружения грунту, называется ФУНДАМЕНТОМ.
Слой грунта

под подошвой фундамента, непосредственно воспринимающий нагрузки от сооружения, называется НЕСУЩИМ слоем грунта (HC); остальные слои – ПОДСТИЛАЮЩИЕ (ПC).

NL -    отметка поверхности природного рельефа;
DL -     отметка планировки;
ВС -    нижняя граница сжимаемой зоны;
WL -    уровень подземных вод.

b -   ширина подошвы фундамента;

af -  ширина уступа фундамента;

ky -  высота уступа фундамента;

d -    глубина заложения фундамента от уровня планировки;

dn -  глубина заложения фундамента от поверхности природного рельефа;

Нс -  глубина сжимаемой толщи;

НДЗ -  напряженно-деформируемая зона;

S -  осадка основания;

Основные понятия курса

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.

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.

минералами в магматических горных породах являются первичные* минералы:
кварц, полевые шпаты,

авгит, слюда, роговая обманка, оливин.
В состав метаморфических горных пород входят как первичные, так и вторичные** минералы:
кварц, полевые шпаты, слюда, тальк, хлорит и др.
В составе осадочных горных пород могут присутствовать все наиболее распространенные породообразующие минералы:
первичные (кварц, полевые шпаты, слюда и др.) и вторичные (кальцит, гипс, ангидрит, доломит и глинистые минералы).
Глинистые минералы среди породообразующих занимают особое место из-за особых свойств, которые проявляются при взаимодействии   минералов   с   водой.  
Наиболее   распространенные глинистые минералы — гидрослюда (иллит), монтмориллонит и каолинит.
*К первичным относятся минералы, образовавшиеся впервые в земной коре или на ее поверхности в процессе кристаллизации магмы.
** Вторичные минералы образовались при обычных условиях из продуктов разрушения первичных минералов вследствие выветривания, при осаждении и кристаллизации солей из водных растворов или в результате жизнедеятельности живых организмов.

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 NaCl, гипс CaSO4 2Н2О, известняк СаСО3 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.

Классификация твердых частиц:

Свойства твердых (минеральных) частиц зависят от размеров

1 - пленки прочносвязанной воды (адсорбированной) – электромолекулярные силы притяжения несколько сотен и даже тысяч мегапаскалей, удалить эту воду практически невозможно,
Замерзает при tº  -70º .
2 – слои рыхлосвязанной воды (дифузной) – электромолекулярная сила притяжения несколько десятков мегапаскалей, удаляется только при tº = 105º, замерзает при tº
-1º …- 3º C.
3 - свободная, гравитационная (капиллярная вода)

Жидкая компонента грунта (вода) при изменении температуры и давления может переходить в твердое (лед) и газообразное (пар) состояние

Различают три основных вида состояния воды в грунте:
2 - кристаллизационная, или химически связанная;
3 - связная;
4 - свободная.

Растворенный в воде
Газообразная составляющая

в самых верхних слоях грунта представлена атмосферным воздухом, ниже – азотом, метаном, сероводородом и другими газами.
Газообразная компонента грунта в зависимости от внешних условий может растворяться в жидкости, выделяться из нее, вытесняться из пор грунта жидкостью 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.

Защемленный
(находящийся в замкнутых
порах и пузырьках).

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.

Класс природных дисперсных грунтов (с механическими и водно-коллоидными структурными связями) представлен группой связных и группой несвязных грунтов.
Обе группы относятся к
осадочным грунтам.

пески и крупнообломочные грунты силикатного, карбонатного, железистого и полиминерального типов

глинистые грунты силикатного, железистого и полиминерального типов

Типы грунтов