Історичний огляд розвитку механіки грунтів

Загальні уявлення про грунт, як матеріал основ фундаментів.

Відомо, що ґрунт - це несуцільний (зернистий і дисперсний), пористий, трифазний матеріал, який: 1) при деформуванні в більшості випадків не є пружним, бо його залишкові деформації значно більші від пружних; 2) за певними межами втрачає властивість лінійної залежності між напруженнями та деформаціями; 3) деформується не миттєво, а у часі; 4) має специфічні особливості деформування, викликані зовнішнім впливом, як-от; видами, значеннями, сполученнями навантажень, температурно-вологісним режимом зовнішнього середовища тощо - і численними фізико-механічними властивос­тями кожного з видів ґрунтів; 5) практично не працює на розтягання й опирається лише стискаючим та зрушуючим зусиллям.

Як і в інших галузях будівельної техніки, виникненню теорії проектування основ, фундаментів та земляних споруд передував тривалий період накопичення практичного досвіду. В цей час значного поширення набув так званий метод спроб та помилок, і за результатами аналізу аварій споруд установлювались емпіричні значення допустимого тиску на ґрунт. Так, відомий архітектор стародавнього світу Вітрувій (І ст. до н. є.) писав: "Для закладання фундаментів храмових споруд слід рити до глибини твердих порід... і закладати фундамент на твердих пластах на глибині, відповідно до величини будівлі…”.

Першою теоретичною роботою з механіки ґрунтів прийнято вважати статтю Ш.-О. Кулона (1773) "Про застосування правил максимуму та мінімуму до деяких проблем статики, що відносяться до архітектури". У ній автор ставив за мету "визначити, наскільки дозволяє поєднання теорії й експерименту, вплив тертя і зчеплення в певних задачах статики". Зміст цієї роботи й досі актуальний для проблем міцності та стійкості ґрунтових масивів.

У 1801 p. M. І. Фусс запропонував гіпотезу про пропорційну залежність деформації ґрунту від навантаження. В 1885 р. Ж. Буссінеск отримав рішення задачі про розподіл напружень у напівпросторі від дії зосередженої сили, започаткувавши тим самим основи теорії розподілу напружень у ґрунті. У другій половині XIX і на початку XX ст. Г. Є. Паукер, М. Леві, У. Ренкін, Л. Прандтль та інші створили принципи сучасної теорії граничної рівноваги сипучих середовищ.

У 1919 p. K. Терцагі створив комплекс приладів для дослідження стисливості й міцності ґрунтів. Свої випробування він виконував, головним чином, з однорідними глинистими пастами та з ідеальними сипучими ґрунтами, які відбивають далеко не всі властивості реальних ґрунтів. Незважаючи на це, одержані результати дозволили йому в 1925 р. сформулювати ряд положень, які склали базу класичної механіки ґрунтів і сприяли її подальшому розвитку. До появи робіт К. Терцагі ґрунти розглядали як суцільні, однорідні, однофазні матеріали, вважалось, що щільність та вологість їх у процесі деформування практично не змінюються. К. Терцагі виявив, що основні явища, котрі спостері­гаються в поведінці ґрунту під навантаженням, залежать від зміни кількісного співвідношення фаз ґрунту в процесі деформування й від механічної взаємодії фаз.

Перевагою класичної механіки ґрунтів є простота її математичних моделей. К. Терцагі вважав, що через складність опису механічних властивостей реальних ґрунтів у переважній більшості практичних задач є сенс обмежуватися тільки приблизними рішеннями, а якщо їх не можна досягти простими засобами, які не потребують складного математичного апарату, то їх узагалі неможливо отримати. Він вважав, що в подібних задачах найважливішим є не одержання найбільш точного розв'язання, а визначення впливу різних можливих відхилень природних умов від прийнятих у розрахунку.

До недоліків класичної механіки ґрунтів слід віднести те, що вона не розв'язувала найголовнішу проблему визначення напруженого стану ґрунтів за межами лінійної пружної стадії деформування. З особливою гостротою недосконалість ряду методів класичної механіки ґрунтів виявилась, коли при зведенні сучасних будівель і споруд, чутливих до нерівномірних деформацій основи, виникла необхідність використання під забудову територій з несприятливими геологічними умовами. Через це назріла потреба розширення та уточнення теоретичної бази механіки ґрунтів, а також посилення її зв'язків з інженерною геологією, без чого не можуть удосконалюватися розрахункові моделі.

Кроком у цьому напрямі став принцип умовних розрахунків М. М. Герсеванова. За ним розрахунковим моделям дозволялось умовно надавати певні ідеальні властивості, як, наприклад, припущення про рівномірний розподіл напруги за горизонтальними перерізами основи, поверхня котрої місцево завантажена. При цьому моделі повинні відповідати двом обов'язковим умовам: 1) відображати найбільш істотні фактори, що визначають роботу споруди; 2) ставити споруду в менш сприятливі, ніж у дійсності, умови роботи.

Користуючись подібними моделями, можна порівнювати різні варіанти проектних рішень із точки зору їх надійності та встановлювати значення коефіцієнтів умов роботи й однорідності ґрунтів. Ці коефіцієнти мають регіональний та навіть локальний характер і далеко не завжди можуть бути використані за межами даного району з його специфічними інженерно-геологїчними умовами.

Недостатня в багатьох випадках надійність рішень класичної механіки грунтів була однією з причин того, що в 1948 р. групою інженерів на чолі з В. М. Келдишем був запропонований новий підхід до проектування - принцип граничних станів. Стосовно основ цей принцип уперше був сформульований у 1948 р. Д. Є. Польшиним. Зокрема, при визначенні навантажень на основи було запропоновано виходити з гранично допустимих для даної споруди осідань і повністю відмовитися від необгрунтованого методу стандартних "допустимих тисків" на ґрунти. Деформації основ не повинні перевищувати гранично допустимих для нормальної експлуатації, а їх несуча здатність має бути достатньою, щоб не виникла втрата стійкості чи руйнування основи.

Закордонні норми проектування основ, хоч і не базуються на принципах граничних станів, але, починаючи з формули К. Терцагі з уточненнями Мейєргофа, Како-Керізеля, Хансена та інших, містять вирази, до складу яких входять емпіричні коефіцієнти і, λ, d, N, що залежать від кута внутрішнього тертя φ.

У 70-ті роки з'явились пропозиції перейти до проектування основ, виходячи з положень сучасної теорії надійності (М. М. Єрмолаєв і В. В. Міхеєв -1976; А. П. Пшеничкін - 1980; В. Б. Швець й інші - 1980; О. В. Школа- 1980; О. І. Ігнатова - 1982; М. М. Кризський - 1987; Б. П. Макаров і Б. Ю. Кочетков -1987; Г.Б. Кульчицький - 1990 та інші), котра є подальшим розвитком принципу граничних станів. Надійність оцінюють імовірністю того, що протягом усього періоду експлуатації споруди не виникне стан основи, що загрожує її експлуатації.

Дата добавления: 2014-01-04