Механика грунтов — раздел физики грунтов и геомеханики, описывающий поведение грунтов. Он отличается от механики жидкости и механики твёрдого тела тем, что почвы состоят из гетерогенной смеси жидкостей (обычно воздуха и воды) и частиц (обычно глины, ила, песка и гравия), но почва может также содержать органические твёрдые вещества и другие веществаMitchell, J.K., and Soga, K. (2005) Fundamentals of soil behavior, Third edition, John Wiley and Sons, Inc., Powrie, W., Spon Press, 2004, Soil Mechanics — 2nd ed A Guide to Soil Mechanics, Bolton, Malcolm, Macmillan Press, 1979. .
История развития Механика грунтов как наука зародилась в середине XIX века, а сформировалась к началу XX века, когда возникла необходимость прогнозирования процессов в массивах грунтов, взаимодействующих с сооружениями. В основу формирования механики грунтов легли исследования в области механики деформируемого тела, а также в области геологии и гидрогеологии. Большое влияние на развитие дисциплины оказали работы иностранных учёных Ш.Кулона, А. Дарси, Е. Винклера, Ж. Буссинеска, М. Леви, Д. Друкера, В. Прагера, Л. Прандтля, К. Терцаги и российских учёных В. М. Карловича, В. И. Курдюмова, Н. М. Герсеванова, Н. А. Цытовича, З. Г. Тер-Мартиросяна Н. Н. Маслова, В. А. Флорина, Е. М. Сергеева, Н. Я. Денисова и других.
В 1934 году был издан учебник Н. А. Цытовича, переиздававшийся семь раз вплоть до 1983 года и переведённый на многие языки мира.
В Российской Федерации механика грунтов обладает развитой экспериментальной базой и мощным механико-математическим аппаратом. Ведущим научно-исследовательским институтом в области механики грунтов является НИИОСП им. Н. М. Герсеванова. Специализированные кафедры работают в МГСУ, МГУ, СПбГАСУ, ПГУПС, МАДИ и других высших учебных заведениях.
Объект и предмет изучения Объект изучения механики грунтов собственно грунты и слагаемые ими грунтовые толщи.
Механика грунтов является комплексной дисциплиной, изучающей как особенности поведения грунтов под нагрузкой, так и способы передачи нагрузок от сооружений на основание.
Наглядным примером объектов, подлежащих изучению с учётом положений научной дисциплины механики грунтов, являются так называемые падающие башни, наклон которых вызван изменениями в толще грунта и из-за своей исторической и художественной ценности подлежащие консервации в их наклонённом современном состоянии.
Генезис и компоненты грунта
Инженерная классификация грунтов
Минералы (первичные силикаты+глинистые минералы+простые соли+органические вещества) обуславливают свойств горных пород, а горные породы обуславливают свойство грунтов.
Свойства грунта зависят от совокупного воздействия нескольких взаимодействующих факторов. Эти факторы можно разделить на две группы: композиционные факторы и факторы влияния окружающей среды. Композиционные факторы включают: типы минералов, количество каждого минерала, типы абсорбированных катионов, формы и распределение частиц по размерам, пористость, тип и количество других компонентов, таких как органические вещества, диоксид кремния, оксид алюминия.
Грунты классифицируются как крупнозернистые, гранулированные и несвязные, если количество гравия и песка превышает 50 % по массе, или мелкозернистые и связные, если количество мелких частиц (ила и глинистого материала) превышает 50 %. Термины «несвязный» и «когезионный» следует использовать с осторожностью, поскольку даже несколько процентов глинистого минерала в крупнозернистой почве могут дать пластические характеристики. Пластичность связана с органикой, а органика с плотностью.
Дисперсность грунта. Пирофосфат натрия приводит грунт к предельной дисперсности грунта.
Проблема скальных грунтов заключается в наличии трещин, поскольку монолитных скальных грунтов несмотря на высокую прочность не бывает.
Анизотропность грунта влияет на коэффициент фильтрации только в намывных песчаных грунтах с примесью глинистых частиц. Поэтому следует различать фильтрационную способность таких грунтов в двух направлениях: в продольном и нормальном относительно напластования слоёв.
Свойства грунта Удельный вес сухого грунта (англ. Dry unit weight) , где , -удельный вес воды, — коэффициент пустотности, — степень водонасыщения (англ. Degree of Saturation) Для =1 полностью водонасыщенного грунта/отсутствием воздуха (zero air voids) . Удельный вес сухого грунта можно также выразить через:
влажность и удельный вес грунтов без учёта взвешивающего действия воды как ,
коэффициент пустотности и удельный вес твёрдых частиц грунта как .
Удельный вес (англ. specific weight) , где -удельный вес воды, — удельный вес частиц грунта. Удельный вес грунта в естественном сложении .
Сферичность, округлость и шероховатость поверхности частиц грунта Поверхность частиц грунта не гладкая, особенно при рассмотрении в более мелких масштабах. Появляется всё больше свидетельств значительной роли шероховатости поверхности в микромеханическом поведении образцов твёрдых частиц[Zheng, Junxing & Hryciw, Roman. (2015). Traditional soil particle sphericity, roundness and surface roughness by computational geometry. Géotechnique. 65. 494—506. 10.1680/geot.14.P.192. ].
В песках угол прочности на сдвиг также зависит от того, хорошее или плохое качество грунта, формы зёрен (угловатые, круглые). Угол прочности на сдвиг у хорошо отсортированного песка больше, чем у плохо отсортированного, и больше у угловатого песка, чем у круглозернистого.
Для изучения таких свойств грунта как сферичность частиц(), округлость() и шероховатость поверхности () применяется фрактальный анализ[Hongwei Yang, Béatrice A. Baudet, Characterisation of the Roughness of Sand Particles, Procedia Engineering, Volume 158, 2016, Pages 98-103, ISSN 1877-7058, https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.08.412. (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1877705816326200 )]. Шероховатость песка может быть адекватно охарактеризована спектром мощности и фрактальной размерностью, рассчитанной по шкале длины отсечки, полученной из оценки площади поверхности.
Электропроводность грунта
Высокоомные грунты характеризуются сравнительно большим значением удельного электрического сопротивления. К ним относятся скальный или каменистый грунт, вечномёрзлый или сухой песчаный грунт.
Электроосмос в грунте представляет собой движение воды в порах под влиянием внешнего электрического поля. В большинстве случаев глинистые частицы имеют отрицательный заряд. Поэтому в большинстве случаев в грунте электроосмотическое передвижение воды происходит от положительного электрода (анода) к отрицательному (катоду). Для того чтобы сформировать явление электроосмоса нужно внедрить в грунт анод и катод. При электрохимической защите есть разделение электродов на катод (отрицательно заряженное сооружение, которое мы предотвращаем от коррозии) и анод (положительно заряженный, нам его нужно куда-то девать, закапывать). Вода двигается потому что гидратирует обменные катионы (хим. связывать (связать) частицы растворимого в воде вещества с молекулами воды), вокруг катионов собираются оболочки связанной воды. Глины это водоупор и фильтрация в них прекращается почти полностью, однако скорость движения воды при электроосмосе значительно превосходит скорость движения при электроосмосе (быстрее всего сможем либо осушить либо увлажнить глину).
Электрофорез — движение твёрдых частиц к одному из электродов, в большинстве случаев глинистые частицы имеют отрицательный заряд, в связи с чем движение в основном происходит в сторону анода (+).
Влажность грунта Наиболее важным для исследований является содержание воды, или влажность. Этот показатель определяется в процентах, как соотношение веса содержащейся в пробе воды к весу сухого грунта. Его получают экспериментально после последовательного взвешивания мокрого и высушенного грунта. От влажности зависят более важные для строительства показатели — плотность и несущая способность. Исследования показывают, что при насыщении грунта влагой его плотность вначале возрастает, а затем снижается. Величина влажности, при которой грунт имеет наибольшую плотность, называется оптимальной влажностью грунтов. Это показатель для различных материалов может значительно отличаться. Для песка он составляет 8-14 %, для глины — 16-26 %.
Капиллярное давление
В грунтах есть повышенное поровое давление, когда давление в порах больше, чем гидростатическое. Из-за капиллярных сил возникает поровое давление, которое как бы отрицательное, оно выше уровня горизонта свободных вод. Капиллярная вода вроде бы она свободна гравитационная вода, прочносвязанная, рыхлосвязанная. Рыхлосвязанная вода то отрывается от частиц грунта, то прилипает. А вот капиллярная вода — это свободная гравитационная вода, но закон Архимеда (что интересно) в ней не работает. Теоретически если в расчёт будем брать какую-нибудь стеклянную трубку, в учебниках иногда пишут «вода в грунтах супесях поднимается до 5 м».
Капиллярное поднятие выше уровня свободной воды и в результате получается так называемое отрицательное давление. То есть как бы гидростатическая вода внизу пытается раздвинуть частицы, а сверху она, наоборот, пытается их сжать между собой (аналогично с мешком кофе), она обжимает их и получается возникает дополнительное давление на эти частицы.
Капиллярная влага в грунте переменна во времени. Атмосферное давление прыгает и влияет на капиллярное давление Отрицательное капиллярное давление всё время меняется. Однако никак не учитывается, даже при проектировании котлованов. Пример при разгрузке котлована пытались учесть капиллярное давление при устойчивости склона. Выкопали яму. Сначала за счёт кажущегося сцепления откосы стояли вертикально. Вопрос сколько может простоять пока вода не высохнет, пока действуют капиллярные силы сцепления. Однако склон высыхает неравномерно, поэтому в расчёте были значительные погрешности.
Взвешивающее действие воды Удельный вес грунтов, залегающих ниже уровня подземных вод, должен приниматься с учётом взвешивающего действия воды (https://www.notion.so/unsat-sat-928375a8f10a435a86bfab906f7d935f Как задать удельный вес грунта: γunsat и γsat) при коэффициент фильтрации слоя грунта больше м/сут и >0,25 (для глинистых грунтов). При расположении ниже уровня грунтовых вод слоя грунта с коэффициентом фильтрации менее м/сут и < 0,25 (для глинистых грунтов) его удельный вес принимается без учёта взвешивающего действия воды (), для определения в этом слое и ниже его следует учитывать давление столба воды, расположенного выше этого слоя.
Удельный вес грунтов с учётом взвешивающего действия воды всегда больше или равен удельному весу грунтов без учёта взвешивающего действия воды .
Структурная прочность грунта
Слабыми грунтами считаются грунты с E<5 MPa (к примеру, торф). При этом важно заметить, что модуль деформации зависит от приложенных эффективных напряжений, от истории напряжений, коэффициента пустотности и индекса пластичности. Для несвязных грунтов модуль изменяется приблизительно как квадратный корень из эффективного напряжения. Для связных грунтов модуль деформации равен 0,5…1,0 эффективного напряжения. Небольшой модуль упругости почвы при сдвиге зависит от контактной жёсткости и состояния ткани. Таким образом, изменение скорости поперечной волны с ограничивающим давлением даёт представление о зависимости жёсткости контакта от давления.
Для некоторых грунтов характерно, что коэффициент пустотности не меняется до некоторого значения давления — структурной прочности. При давлении, меньшем структурной прочности, когда оно воспринимается водно-коллоидными и кристаллизационными связями, процесс уплотнения практически не развивается. При повторных циклах «нагрузка-разгрузка» величина деформаций уменьшается с каждым циклом. Те грунты, которые на глубине они имеют и чтобы они начали сжиматься, нужно преодолеть эту прочность.