Цытович Н.А. Механика грунтов:
КРАТКИЙ курс. Изд. стер. (4, перераб. и доп.)

Оглавление

Предисловие

Настоящая книга является учебником по курсу "Механика грунтов" для студентов инженерно-строительных и гидротехнических высших учебных заведений и факультетов, а также студентов смежных специальностей, связанных со строительством инженерных сооружений: дорожников, мелиораторов, инженеров-геологов, грунтоведов, геологов.

Автор стремился построить краткий курс на широком синтезе естественных и точных наук, изложить теоретический материал возможно проще, доступнее, не умаляя, однако, общей научной стороны дела, и привести ряд инженерных решений задач теории механики грунтов (расчетов прочности, устойчивости и деформируемости) в целях широкого использования их в инженерном деле.

В основу краткого курса механики грунтов положены лекции, читаемые автором в Московском инженерно-строительном институте, и его ранее изданная книга ("Механика грунтов", 4-е изд., Стройиздат, 1963, объем около 40 печ. л.), а также новейшие исследовательские работы по механике грунтов (отечественные и зарубежные) и их приложения на практике.

В учебнике ряд вопросов изложен с новых позиций, учитывая важнейшие свойства грунтов: контактную сопротивляемость грунтов сдвигу, структурно-фазовую деформируемость грунтов (включая ползучесть скелета), сжимаемость газосодержащей поровой воды и влияние природной уплотненности грунтов.

В книге изложен и ряд новых методик определения расчетных характеристик грунтов, приведены некоторые новые решения теории консолидации и ползучести грунтов, используемые при прогнозе величины и протекания во времени осадок фундаментов сооружений; в специальной главе рассмотрены реологические процессы в грунтах и их значение.

Предисловие к третьему изданию

В третье издание внесены некоторые изменения и дополнения, в частности в соответствии с программой ТЭС несколько расширен раздел, рассматривающий теории давления грунтов на ограждения. Кроме того, последняя глава, в которой изложены основы динамики дисперсных грунтов, вновь переработана на основе некоторых новейших данных. Добавлен также §VII.4, где рассмотрен вопрос о действии взрыва в грунтах, приобретающий в настоящее время в ряде случаев весьма существенное значение при производстве земляных (грунтовых) и скальных работ, особенно при скоростном гидротехническом строительстве.

В третьем издании краткого курса принята сигнификация (обозначения), почти полностью соответствующая СНиП СССР II-15-74 и рекомендациям Международного общества механики грунтов и фундаментостроения (МоМГиФ, ISSMFE); лишь степень влажности (индекс водонасыщенности) обозначен I_w вместо G (по СНиПу) и S_r (по ISSMFE), так как буквой G принято обозначать модуль сдвига, a Sосадку грунтовых оснований и, кроме того, модуль общей деформации обозначен (во избежание путаницы) с подстрочным индексом "о" (E_o), тогда как в обозначениях модулей упругости его нет.

Введение

Механика грунтов в то же время является одним из разделов строительной механики, в основу которой положены как законы теоретической механики (механики твердых – абсолютно несжимаемых тел), так и закономерности деформируемых тел (законы упругости, пластичности, ползучести), которые, однако, для построения механики грунтов как науки будут лишь необходимыми, но недостаточными условиями. Если же к зависимостям теоретической механики и строительной механики сплошных деформируемых тел добавить закономерности, описывающие свойства, обусловленные раздробленностью грунтов (сжимаемость, водопроницаемость, контактную сопротивляемость сдвигу и структурно-фазовую деформируемость), то, рассматривая грунты как природные дисперсные тела в неразрывной связи с условиями их формирования и полном взаимодействии с окружающей физико-геологической средой, можно построить механику грунтов как науку. Грунтами мы будем называть все "рыхлые горные породы" (термин геологический) коры выветривания каменной оболочки Земли (литосферы) – несвязные (сыпучие) или связные, прочность связей которых во много раз меньше прочности самих минеральных частиц. Характернейшей особенностью грунтов как природных тел является их раздробленность, дисперсность, что коренным образом отличает грунты от скальных (массивно-кристаллических, метаморфических, осадочных и пр.), весьма прочных пород. Минеральные агрегаты и зерна скальных пород спаяны между собой и имеют жесткие (кристаллизационные, цементационные и т. п.) внутренние связи, прочность которых того же порядка, что и прочность самих минеральных зерен.

Существенное значение для оценки грунтов как оснований сооружений имеет мощность грунтовой толщи, залегающей на коренных скальных породах. Конечно, и трещиноватые скальные породы, если рассматривать их в больших объемах, будут состоять из отдельностей, менее прочно связанных между собой, чем эти отдельности, и к таким породам в известной мере можно применять зависимости механики грунтов, ко, конечно, с соответствующими добавочными условиями.

Верхний слой природных грунтов, измененный совместным действием климата, воды и газов, растительных и животных организмов и обогащенный гумусом, представляет собой особое структурное органо-минеральное образование – почву.

В механике грунтов мы будем изучать только минеральные грунтыприродные дисперсные материалы – и лишь в отдельных случаях будем обращать внимание на скальные породы и органо-минеральные образования.

Становление механики грунтов и роль отечественных ученых. Первой фундаментальной работой по механике грунтов следует считать исследование Ш. Кулона (Франция, 1773) по теории сыпучих тел, которое долгие годы являлось почти единственной инженерной теорией, с успехом применяемой на практике при расчете давления грунтов на подпорные стенки.

В 1885 г. был опубликован (также во Франции) труд проф. Ж. Буссинеска "О распределении напряжений в упругой почве от сосредоточенной силы", который впервые был использован в механике грунтов советскими учеными (Н. Н. Ивановым, 1929, и др.) и в дальнейшем положен в основу определения напряжений в грунтах при различном их загружении.

Следует констатировать, что уже в 1915 г. проф. П. А. Миняев применил теорию упругости к расчету напряжений в сыпучих грунтах, а в 1923 г. проф. Н. П. Пузыревский предложил "Общую теорию напряженности землистых грунтов", разработав применение теории упругости к расчету оснований. В том же году акад. Н. Н. Павловский в своей фундаментальной работе "Теория движения грунтовых вод" заложил основы современных фильтрационных расчетов.

Важным этапом в развитии механики грунтов явились исследования проф. К. Терцаги, изложенные в его книгах "Строительная механика грунта на основе его физических свойств" (1925 г., переведена с немецкого языка в 1933 г.) и особенно "Теоретическая механика грунтов" (1943 г., переведена с английского языка в 1961 г.).

Очень важным вкладом в современную механику грунтов явились работы проф. Н. М. Герсеванова ("Основы динамики грунтовой массы", 1931, 1933 и др.), в которых он уточнил уравнение одномерной консолидации грунтов, предложенное Терцаги, сформулировал дифференциальные уравнения плоской и пространственной задач теории консолидации грунтов и разработал некоторые частные их решения, а также рассмотрел большой круг других задач механики грунтов.

Особо важными в теории деформаций водонасыщенных грунтов являются труды (1936-1938) проф. В. А. Флорина, обобщенные в монографиях "Основы механики грунтов" (т. 1-й – 1959 г. и т. 2-й 1961 г.), в которых в удобной форме сформулированы дифференциальные уравнения плоской и пространственной задач фильтрационной теории консолидации и разработаны общие методы их решения в конечных разностях. В. А. Флориным значительно развита теория консолидации и даны решения задач с отдельным учетом сжимаемости поровой воды, ползучести скелета грунта, переменности характеристик и пр.

Следует отметить, что инженерная теория сыпучих тел Кулона, применявшаяся почти без изменения около 170 лет, лишь в работах советских ученых (впервые в работе В. В. Соколовского "Статика сыпучей среды", 1942 г., а затем С. С. Голушкевича и В. Г. Березанцева, 1948 г.) получила новое строгое развитие и разработку эффективных методов решения ее задач.

Много внимания уделено отечественными учеными исследованию совместной работы сооружений и сжимаемых грунтов оснований. Этому вопросу посвящены труды акад. А. Н. Крылова, профессоров Г. Э. Проктора, М. И. Горбунова-Посадова, Б. Н. Жемочкина, А. П. Синицына, С. С. Давыдова, И. А. Симвулиди и др.

Большую роль во внедрении механики грунтов в практику гидротехнического строительства сыграли работы Свирьстроя (профессоров Н. Н. Иванова, Н. Н. Маслова и др.), позволившие предусмотреть осадки и крены гидротехнических сооружений и обеспечить их устойчивость на мощных пластах глинистых грунтов.

Широкое развитие работ по теории консолидации грунтов и результаты проведенных в СССР уникальных опытов и наблюдений позволили советским ученым (Н. М. Герсеванову, Д. Е. Польшину, Н. Н. Маслову, М. И. Горбунову-Посадову, С. А. Роза, А. А. Ничипоровичу, К. Е. Егорову, Н. А. Цытовичу, Ю. К. Зарецкому и др.) разработать методы прогноза осадок сооружений, а на основе их и новый прогрессивный метод расчета фундаментов по предельным деформациям оснований.

Значителен также вклад советских ученых и в механику отдельных региональных видов грунтов: неводонасыщенных просадочных, лессовых (Н. Я. Денисов, Ю.М.Абелев, В. Г. Булычев, А. К. Ларионов и др.), мерзлых и вечномерзлых (Н.А. Цытович, М. Н. Гольдштейн, С. С. Вялов и др.) и неравномерно сжимаемых слабых глинистых грунтов (Б. Д. Васильев и Б. И. Далматов, Н. А. Цытович и М. Ю. Абелев и др.).

Наконец, следует указать, что в СССР впервые были сформулированы основы механики грунтов как новой отрасли науки и был издан первый курс лекций (см. Цытович Н. А. Основы механики грунтов, 1934).

Роль отечественных ученых и их успехи в области механики грунтов, конечно, не исчерпываются настоящим кратким введением и будут еще неоднократно отмечаться при дальнейшем изложении курса.

Значение предмета. Механика грунта есть теория естественных грунтовых оснований. Роль механики грунтов как инженерной науки огромна, и ее можно сравнить лишь с ролью дисциплины "Сопротивление материалов". Без знания основ механики грунтов не представляется возможным правильно запроектировать современные промышленные сооружения, жилые здания (особенно повышенной этажности), мелиоративные и дорожные, земляные и гидротехнические сооружения (насыпи, плотины, здания ГЭС и т. п.).

Применение механики грунтов позволяет более полно использовать несущую способность грунтов, достаточно точно учесть деформации грунтовых оснований под действием нагрузки от сооружений, что обусловливает принятие не только наиболее безопасных, но и наиболее экономичных решений.

В дальнейшем роль механики грунтов в инженерном деле будет возрастать, позволяя все больше и лучше использовать научные достижения теории механики грунтов в строительной практике.

Об авторе

Цытович Николай Александрович

Выдающийся отечественный ученый, организатор науки, педагог и общественный деятель, специалист в области механики грунтов, геомеханики, фундаментостроения и инженерной геологии. Доктор технических наук, профессор, член-корреспондент АН СССР. Окончил Ленинградский институт гражданских инженеров (ныне СПбГАСУ). Принимал участие в строительстве крупных промышленных и гидротехнических сооружений. Преподавал в ряде высших учебных заведений Ленинграда; работал в Институте мерзлотоведения АН СССР; заведовал кафедрой механики грунтов, оснований и фундаментов Московского инженерно-строительного института им. В. В. Куйбышева. Занимал пост председателя президиума Якутского филиала АН СССР. Президент Национальной ассоциации СССР Международного общества механики грунтов и фундаментостроения. Лауреат Сталинской премии. Заслуженный деятель науки и техники РСФСР, Герой Социалистического Труда, кавалер многих орденов и медалей.

В своих статьях и книгах Н. А. Цытович разрабатывал научные основы строительства зданий и сооружений на многолетнемерзлых грунтах. Он возглавлял отечественную школу механики грунтов, а также был основоположником новой отрасли знания — прикладной геомеханики в строительстве, объединившей достижения глобальной и региональной геомеханики, механики скальных пород, многофазных (многокомпонентных) грунтов, органо-минеральных и органических масс, динамики литификации рыхлых отложений. Имя Н. А. Цытовича и его многочисленные труды в течение многих десятилетий пользовались непререкаемым авторитетом в СССР и за рубежом. Многие его ученики стали крупными учеными, известными инженерами, организаторами производства.