Становление механики грунтов и роль отечественных ученых.

ЛЕКЦИЯ ВВЕДЕНИЕ

Механика грунтов есть механика природных дисперсных (мелкораздробленных) тел и составляет часть общей геомеханики, в кото­рую как составные части входят глобальная и региональная геоди­намика, механика массивных горных пород (скальных), механика рыхлых горных пород (природных грунтов) и механика органиче­ских и органо-минеральных масс (илов, торфов и пр.).

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 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, но, 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 грун­ты - природные дисперсные материалы - и лишь в отдельных слу­чаях будем обращать наше внимание на скальные породы и орга-но-минеральные образования.

Становление механики грунтов и роль отечественных ученых.

Первой фундаментальной работой по механике грунтов следует счи­тать исследование К. Кулона (Франция, 1773 г.) 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 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, и 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 гг. 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 гг.) 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 сыпучих тел», 1942 г., а затем С. С. -Голушкевича и В. Г. Березан-цева, 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 (проф. Н. Н. Иванова, проф. 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. Ничи-поровичу, 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, лёссовых (Н. Я. Денисов, Ю. М. Абелев, В. Г. Булычев, А. К. Лари­онов и др.), мерзлых и вечномерзлых (Н. А. Цытович, М. Н. Гольд-штейн, 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 (Н. А. Цытович. «Основы механики грун­тов», 1934 г.).

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 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.

Г л а в а I