Введение

Механика почв – это раздел физики почв и прикладной механики, который описывает поведение грунтов. Она отличается от механики жидкостей и механики твердых тел тем, что грунты состоят из гетерогенной смеси жидкостей (обычно воздуха и воды) и частиц (обычно глины, ила, песка и гравия), но грунт также может содержать органические твердые вещества и другие вещества. Наряду с механикой горных пород, механика почв обеспечивает теоретическую основу для анализа в геотехнической инженерии, поддисциплине гражданской инженерии, и инженерной геологии, поддисциплине геологии. Механика почв используется для анализа деформаций и потока жидкостей в природных и искусственных сооружениях, которые опираются на грунт, сделаны из грунта или заглублены в грунт. Примерами применения являются фундаменты зданий и мостов, подпорные стены, плотины и подземные трубопроводные системы. Принципы механики почв также используются в смежных дисциплинах, таких как геофизическая инженерия, береговая инженерия, сельскохозяйственная инженерия, гидрология и физика почв. В этой статье описываются генезис и состав грунта, различие между давлением воды в порах и эффективным напряжением между зернами, капиллярное действие жидкостей в порах грунта, классификация грунтов, фильтрация и проницаемость, изменение объема во времени из-за выдавливания воды из мельчайших пор, также известное как консолидация, прочность и деформативность грунтов. Прочность грунтов на сдвиг в основном обусловлена трением между частицами и их зацеплением, которые очень чувствительны к эффективному напряжению. Для разделения частиц по размерам используется набор сит с точно определенными размерами ячеек. Известный объем высушенного грунта, с раздробленными комками до отдельных частиц, помещают на верхнее сито набора, расположенного от крупного к мелкому. Набор сит встряхивают в течение установленного времени, чтобы отсортировать частицы по размерам. Этот метод хорошо работает для частиц в диапазоне размеров песка и гравия. Мелкие частицы склонны слипаться, поэтому просеивание не является эффективным методом. Если в грунте много мелких частиц (ила и глины), может потребоваться промыть сита водой, чтобы удалить крупные частицы и комки. Доступны различные размеры сит. Граница между песком и илом условна. Согласно Унифицированной системе классификации грунтов, сито №4 (4 отверстия на дюйм) с размером ячейки 4,75 мм отделяет песок от гравия, а сито №200 с размером ячейки 0,075 мм отделяет песок от ила и глины. Согласно британскому стандарту, граница между песком и илом составляет 0,063 мм, а граница между песком и гравием – 2 мм. В качестве альтернативы для определения предела текучести можно использовать прибор для испытания конусом падения. Неотводная прочность на сдвиг реформированного грунта при пределе текучести составляет приблизительно 2 кПа. Предел пластичности – это влажность, ниже которой невозможно скатать из грунта цилиндры диаметром 3 мм руками. Грунт трескается или разрушается при скатывании до этого диаметра. Реформированный грунт при пределе пластичности достаточно жесткий, его неотводная прочность на сдвиг составляет около 200 кПа.

Силы просачивания и эрозия

Когда скорость фильтрации достаточно велика, может произойти эрозия из-за силы трения, действующей на частицы грунта. Вертикально направленное вверх фильтрационное течение представляет опасность на откосе, примыкающем к подпорной стенке, а также под основанием плотины или дамбы. Эрозия грунта, известная как "просачивание грунта" или "вымывание грунта", может привести к разрушению сооружения и образованию провалов. Фильтрующаяся вода выносит грунт, начиная с точки выхода фильтрата, и эрозия распространяется в направлении верхнего по течению. Термин "песчаный фонтан" используется для описания внешнего вида выходного отверстия активного канала просачивания.

Просачивающее давление

Просачивание в восходящем направлении уменьшает эффективное напряжение в грунте. Когда давление воды в точке грунта равно полному вертикальному напряжению в этой точке, эффективное напряжение становится равным нулю, и грунт не имеет сопротивления сдвигу деформации. Для поверхностного слоя вертикальное эффективное напряжение становится равным нулю внутри слоя, когда восходящий гидравлический градиент равен критическому градиенту.

Боковое земляное давление

Теория бокового давления грунта используется для оценки величины напряжения, которое грунт может оказывать перпендикулярно силе тяжести. Это напряжение, действующее на подпорные стены. Коэффициент бокового давления грунта, K, определяется как отношение горизонтального эффективного напряжения к вертикальному эффективному напряжению для несвязных грунтов (K = σ'h/σ'v). Существует три коэффициента: состояния покоя, активного и пассивного. Напряжение состояния покоя – это боковое напряжение в грунте до начала каких-либо воздействий. Активное состояние напряжения достигается, когда стена отходит от грунта под действием бокового давления, и является результатом сдвига из-за уменьшения бокового напряжения. Пассивное состояние напряжения достигается, когда стена вдавливается в грунт настолько, чтобы вызвать сдвиг в грунтовой массе из-за увеличения бокового напряжения. Существует множество теорий для оценки бокового давления грунта; некоторые основаны на эмпирических данных, а другие – на аналитических расчетах.

Носительность

Несущая способность грунта – это среднее напряжение по контакту между фундаментом и грунтом, вызывающее сдвиг грунта. Допустимое напряжение по основанию – это несущая способность, деленная на коэффициент запаса прочности. В некоторых случаях, на слабых грунтах, под нагруженными фундаментами могут возникать значительные осадки без фактического сдвига; в таких случаях допустимое напряжение по основанию определяется с учетом максимально допустимой осадки. Важно оценивать прочность основания в процессе проектирования и строительства. Испытание на определение коэффициента несущей способности по Калифорнийской шкале (CBR) обычно используется для определения пригодности грунта в качестве основания для проектирования и строительства. Пластинчатый опросный метод в поле используется для прогнозирования деформаций и характеристик разрушения грунта/основания, а также модуля деформации основания (ks). Модуль деформации основания (ks) используется при проектировании фундаментов, в исследованиях взаимодействия грунта и сооружения, а также при проектировании дорожных покрытий.

Устойчивость к наклону

Область устойчивости склонов включает в себя анализ статической и динамической устойчивости склонов земляных и каменно-набросных плотин, склонов других типов насыпей, выемок, а также естественных склонов в почвах и мягких горных породах. Как видно на рисунке справа, в земляных склонах может образоваться зона слабости в виде сферического выреза. Вероятность этого можно рассчитать заранее, используя простое программное обеспечение для кругового анализа в 2D. Основная сложность анализа заключается в определении наиболее вероятной плоскости сдвига для конкретной ситуации. Многие оползни анализируются только после их возникновения. Оползни и прочность горных пород – два фактора, которые необходимо учитывать.

Последние события

Недавнее открытие в механике грунтов заключается в том, что деформация грунта может быть описана как поведение динамической системы. Такой подход к механике грунтов называется механикой грунтов на основе динамических систем (DSSM). DSSM утверждает, что деформация грунта является пуассоновским процессом, в котором частицы перемещаются в свое конечное положение при случайных деформациях сдвига. В основе DSSM лежит то, что грунты (включая пески) могут подвергаться сдвигу до достижения стационарного состояния, при котором, в условиях постоянной скорости деформации, не происходит изменения напряжения сдвига, эффективного напряжения обжатия и коэффициента пористости. Стационарное состояние было формально определено Стивом Дж. Пулосом, доцентом кафедры механики грунтов Гарвардского университета, который развил гипотезу, которую Артур Касагранде формулировал к концу своей карьеры. Стационарное состояние не идентично "критическому состоянию". Оно отличается от критического состояния тем, что определяет статистически постоянную структуру в стационарном состоянии. Значения, соответствующие стационарному состоянию, также очень незначительно зависят от скорости деформации. Многие системы в природе достигают стационарных состояний, и теория динамических систем используется для их описания. Сдвиг грунта также можно описать как динамическую систему. Физической основой динамической системы сдвига грунта является пуассоновский процесс, в котором частицы перемещаются в стационарное состояние при случайных деформациях сдвига. Джозеф обобщил это: частицы перемещаются в свое конечное положение (а не только в стационарное состояние) при случайных деформациях сдвига. В силу своего происхождения из концепции стационарного состояния, DSSM иногда неофициально называют "гарвардской механикой грунтов". DSSM обеспечивает очень точное соответствие кривым напряжение-деформация, в том числе для песков. Поскольку она отслеживает условия на плоскости разрушения, она также обеспечивает точное соответствие для пост-разрушающей области чувствительных глин и илов, что не удается другим теориям. Кроме того, DSSM объясняет ключевые взаимосвязи в механике грунтов, которые до сих пор принимались как должное, например, почему нормализованные пиковые прочности сдвига при отсутствии дренажа изменяются в зависимости от логарифма коэффициента переуплотнения и почему кривые напряжение-деформация нормализуются относительно начального эффективного напряжения обжатия; и почему при одномерной консолидации коэффициент пористости должен изменяться в зависимости от логарифма эффективного вертикального напряжения, почему конец первичной кривой уникален для статических приращений нагрузки и почему отношение значения ползучести Cα к индексу сжатия Cc должно быть приблизительно постоянным для широкого спектра грунтов.