Механика грунта

Раздел физики грунтов и прикладной механики, описывающий поведение грунтов.

Пизанская башня – пример проблемы, вызванной деформацией почвы

Проблемы неустойчивости склона временной дамбы для защиты от наводнений в Северной Дакоте, 2009 г.

Земляные работы в Германии

Ледник Фокса, Новая Зеландия: почва, образовавшаяся и перемещенная в результате интенсивного выветривания и эрозии.

Механика грунтов — это раздел физики грунтов и прикладной механики , описывающий поведение грунтов . Она отличается от механики жидкости и механики твердого тела тем, что грунты состоят из гетерогенной смеси жидкостей (обычно воздуха и воды) и частиц (обычно глины , ила , песка и гравия ), но грунты могут также содержать органические твердые частицы и другие вещества. ^{[1] [2] [3] [4]} Наряду с механикой горных пород , механика грунтов обеспечивает теоретическую основу для анализа в геотехнической инженерии , ^[5] подразделе гражданского строительства , и инженерной геологии , подразделе геологии . Механика грунтов используется для анализа деформаций и потоков жидкостей внутри природных и искусственных сооружений, которые опираются на грунт или сделаны из него, или сооружений, которые заглублены в грунты. ^[6] Примерами применения являются фундаменты зданий и мостов, подпорные стенки, плотины и подземные трубопроводные системы. Принципы механики грунтов также используются в смежных дисциплинах, таких как геофизическая инженерия , прибрежная инженерия , сельскохозяйственная инженерия и гидрология .

В этой статье описывается генезис и состав почвы, различие между давлением поровой воды и межзерновым эффективным напряжением , капиллярное действие жидкостей в поровых пространствах почвы , классификация почвы , просачивание и проницаемость , изменение объема во времени из-за выдавливания воды из крошечных поровых пространств, также известное как консолидация , прочность на сдвиг и жесткость почв. Прочность на сдвиг почв в первую очередь вытекает из трения между частицами и взаимосвязью, которые очень чувствительны к эффективному напряжению. ^{[7] [6]} Статья завершается некоторыми примерами применения принципов механики почвы, таких как устойчивость склона, боковое давление грунта на подпорные стенки и несущая способность фундаментов.

Генезис и состав почв

Бытие

Основным механизмом создания почвы является выветривание горных пород. Все типы горных пород ( магматические , метаморфические и осадочные ) могут быть разбиты на мелкие частицы для создания почвы. Механизмы выветривания включают физическое выветривание, химическое выветривание и биологическое выветривание ^{[1] [2] [3]} Человеческая деятельность, такая как раскопки, взрывные работы и утилизация отходов, также может создавать почву. С течением геологического времени глубоко залегающие почвы могут изменяться под давлением и температурой, превращаясь в метаморфические или осадочные породы, и если они расплавятся и снова затвердеют, они завершат геологический цикл, став магматическими породами. ^[3]

Физическое выветривание включает температурные эффекты, замерзание и оттаивание воды в трещинах, дождь, ветер, удар и другие механизмы. Химическое выветривание включает растворение вещества, составляющего породу, и осаждение в виде другого минерала. Глинистые минералы, например, могут быть образованы выветриванием полевого шпата , который является наиболее распространенным минералом, присутствующим в магматических породах.

Наиболее распространенным минеральным компонентом ила и песка является кварц , также называемый кремнеземом , который имеет химическое название диоксид кремния. Причина, по которой полевой шпат наиболее распространен в горных породах, а кремнезем более распространен в почвах, заключается в том, что полевой шпат гораздо более растворим, чем кремнезем.

Ил , песок и гравий — это, по сути, небольшие кусочки битых камней .

Согласно Единой системе классификации почв , размеры частиц ила находятся в диапазоне от 0,002 мм до 0,075 мм, а размеры частиц песка — в диапазоне от 0,075 мм до 4,75 мм.

Частицы гравия представляют собой обломки горных пород размером от 4,75 мм до 100 мм. Частицы крупнее гравия называются булыжниками и валунами. ^{[1] [2]}

Транспорт

Примеры почвенных горизонтов. а) верхний слой почвы и коллювий б) зрелая остаточная почва в) молодая остаточная почва г) выветренная порода

На отложения почвы влияет механизм переноса и осаждения на их место. Почвы, которые не переносятся, называются остаточными почвами — они существуют в том же месте, что и порода, из которой они образовались. Разложившийся гранит — распространенный пример остаточного грунта. Распространенными механизмами переноса являются действия гравитации, льда, воды и ветра. Ветряные почвы включают дюнные пески и лесс . Вода переносит частицы разного размера в зависимости от скорости воды, поэтому почвы, переносимые водой, сортируются в соответствии с их размером. Ил и глина могут осаждаться в озере, а гравий и песок скапливаются на дне русла реки. Ветряные отложения почвы ( эоловые почвы) также имеют тенденцию сортироваться в соответствии с размером их зерен. Эрозия у основания ледников достаточно сильна, чтобы поднимать крупные камни и валуны, а также почву; почвы, сброшенные тающим льдом, могут представлять собой хорошо отсортированную смесь самых разных размеров частиц. Гравитация сама по себе может также переносить частицы вниз с вершины горы, образуя кучу почвы и валунов у основания; отложения почвы, перемещаемые под действием силы тяжести, называются коллювием . ^{[1] [2]}

Механизм переноса также оказывает большое влияние на форму частиц. Например, низкоскоростное измельчение в русле реки приведет к образованию округлых частиц. Свежераздробленные частицы коллювия часто имеют очень угловатую форму.

Состав почвы

Минералогия почвы

Ил, песок и гравий классифицируются по размеру, и, следовательно, они могут состоять из различных минералов. Благодаря стабильности кварца по сравнению с другими минералами горных пород, кварц является наиболее распространенным компонентом песка и ила. Слюда и полевой шпат являются другими распространенными минералами, присутствующими в песках и илах. ^[1] Минеральные компоненты гравия могут быть более похожи на компоненты материнской породы.

Распространенными глинистыми минералами являются монтмориллонит или смектит , иллит и каолинит или каолин. Эти минералы имеют тенденцию образовывать листовые или пластинчатые структуры, длина которых обычно составляет от 10−7 ^м  до 4x10−6 ^м  , а толщина — от 10−9 ^м  до 2x10−6 ^м  , и они имеют относительно большую удельную площадь поверхности. Удельная площадь поверхности (УПП) определяется как отношение площади поверхности частиц к массе частиц. Глинистые минералы обычно имеют удельную площадь поверхности в диапазоне от 10 до 1000 квадратных метров на грамм твердого вещества. ^[3] Из-за большой площади поверхности, доступной для химического, электростатического и ван-дер-ваальсового взаимодействия, механическое поведение глинистых минералов очень чувствительно к количеству доступной поровой жидкости, а также типу и количеству растворенных ионов в поровой жидкости. ^[1]

Минералы почв в основном образованы атомами кислорода, кремния, водорода и алюминия, организованными в различные кристаллические формы. Эти элементы вместе с кальцием, натрием, калием, магнием и углеродом составляют более 99 процентов твердой массы почв. ^[1]

Распределение размера зерна

Почвы состоят из смеси частиц разного размера, формы и минералогии. Поскольку размер частиц, очевидно, оказывает значительное влияние на поведение почвы, размер зерна и распределение размера зерна используются для классификации почв. Распределение размера зерна описывает относительные пропорции частиц различных размеров. Размер зерна часто визуализируется на графике кумулятивного распределения, который, например, отображает процент частиц мельче заданного размера в зависимости от размера. Медианный размер зерна, , — это размер, при котором 50% массы частицы состоит из более мелких частиц. Поведение почвы, особенно гидравлическая проводимость , имеет тенденцию доминировать за счет более мелких частиц, поэтому термин «эффективный размер», обозначаемый , определяется как размер, при котором 10% массы частицы состоит из более мелких частиц. ${\displaystyle D_{50}}$ ${\displaystyle D_{10}}$

Пески и гравий, которые обладают широким диапазоном размеров частиц с гладким распределением размеров частиц, называются хорошо градуированными почвами. Если частицы почвы в образце преимущественно находятся в относительно узком диапазоне размеров, образец является однородно градуированным . Если образец почвы имеет четкие пробелы на кривой градации, например, смесь гравия и мелкого песка без крупного песка, образец может быть градуированным с пробелами . Равномерно градуированные и градуированные почвы считаются плохо градуированными . Существует много методов измерения распределения размеров частиц . Двумя традиционными методами являются ситовой анализ и ареометрический анализ.

Ситовой анализ

Сито

Распределение размеров частиц гравия и песка обычно измеряется с помощью ситового анализа. Формальная процедура описана в ASTM D6913-04(2009). ^[8] Для разделения частиц по размерам используется стопка сит с точно рассчитанными отверстиями между сеткой из проволоки. Известный объем высушенной почвы с комьями, разбитыми на отдельные частицы, помещается в верхнюю часть стопки сит, расположенных от крупных до мелких. Стопку сит встряхивают в течение стандартного периода времени, чтобы частицы были отсортированы по размерам. Этот метод достаточно хорошо работает для частиц в диапазоне размеров песка и гравия. Мелкие частицы имеют тенденцию прилипать друг к другу, и, следовательно, процесс просеивания не является эффективным методом. Если в почве присутствует много мелких частиц (ила и глины), может потребоваться пропустить воду через сита, чтобы промыть крупные частицы и комки.

Доступны различные размеры сит. Граница между песком и илом является произвольной. Согласно Единой системе классификации почв , сито № 4 (4 отверстия на дюйм) с размером отверстий 4,75 мм отделяет песок от гравия, а сито № 200 с размером отверстий 0,075 мм отделяет песок от ила и глины. Согласно британскому стандарту, 0,063 мм является границей между песком и илом, а 2 мм — границей между песком и гравием. ^[3]

Анализ ареометра

Классификация мелкозернистых почв, т. е. почв, которые мельче песка, определяется в первую очередь их пределами Аттерберга , а не размером их зерен. Если важно определить распределение размеров зерен мелкозернистых почв, можно провести ареометрический тест. В ареометрических тестах частицы почвы смешиваются с водой и встряхиваются для получения разбавленной суспензии в стеклянном цилиндре, а затем цилиндр оставляют отстаиваться. Ареометр используется для измерения плотности суспензии как функции времени. Частицам глины может потребоваться несколько часов, чтобы осесть после глубины измерения ареометра. Частицам песка может потребоваться менее секунды. Закон Стокса обеспечивает теоретическую основу для расчета зависимости между скоростью седиментации и размером частиц. ASTM предоставляет подробные процедуры для проведения ареометрического теста.

Частицы глины могут быть настолько малы, что они никогда не оседают, поскольку они удерживаются во взвешенном состоянии за счет броуновского движения ; в этом случае их можно классифицировать как коллоиды .

Соотношения массы и объема

Фазовая диаграмма почвы, показывающая массы и объемы воздуха, твердого вещества, воды и пустот.

Существует множество параметров, используемых для описания относительных пропорций воздуха, воды и твердого вещества в почве. В этом разделе определяются эти параметры и некоторые из их взаимосвязей. ^{[2] [6]} Основная нотация выглядит следующим образом:

${\displaystyle V_{a}}$, , и представляют собой объемы воздуха, воды и твердых веществ в почвенной смеси; ${\displaystyle V_{w}}$ ${\displaystyle V_{s}}$

${\displaystyle W_{a}}$, , и представляют собой вес воздуха, воды и твердых частиц в почвенной смеси; ${\displaystyle W_{w}}$ ${\displaystyle W_{s}}$

${\displaystyle M_{a}}$, , и представляют собой массы воздуха, воды и твердых частиц в почвенной смеси; ${\displaystyle M_{w}}$ ${\displaystyle M_{s}}$

${\displaystyle \rho _{a}}$, , и представляют собой плотности компонентов (воздуха, воды и твердых веществ) в почвенной смеси; ${\displaystyle \rho _{w}}$ ${\displaystyle \rho _{s}}$

Обратите внимание, что вес W можно получить, умножив массу M на ускорение свободного падения g, например, ${\displaystyle W_{s}=M_{s}g}$

Удельный вес — это отношение плотности одного материала к плотности чистой воды ( ). ${\displaystyle \rho _{w}=1g/cm^{3}}$

Удельный вес твердых тел , ${\displaystyle G_{s}={\frac {\rho _{s}}{\rho _{w}}}}$

Обратите внимание, что удельный вес , традиционно обозначаемый символом , может быть получен путем умножения плотности ( ) материала на ускорение свободного падения, . ${\displaystyle \gamma }$ ${\displaystyle \rho }$ ${\displaystyle g}$

Плотность , насыпная плотность или влажная плотность —это разные названия плотности смеси, т. е. общей массы воздуха, воды и твердых частиц, деленной на общий объем воздуха, воды и твердых частиц (масса воздуха для практических целей предполагается равной нулю): ${\displaystyle \rho }$

${\displaystyle \rho ={\frac {M_{s}+M_{w}}{V_{s}+V_{w}+V_{a}}}={\frac {M_{t}}{V_{t}}}}$

Плотность в сухом состоянии , представляет собой массу твердых частиц, деленную на общий объем воздуха, воды и твердых частиц: ${\displaystyle \rho _{d}}$

${\displaystyle \rho _{d}={\frac {M_{s}}{V_{s}+V_{w}+V_{a}}}={\frac {M_{s}}{V_{t}}}}$

Плавучая плотность , определяемая как плотность смеси за вычетом плотности воды, полезна, если почва погружена под воду: ${\displaystyle \rho '}$

${\displaystyle \rho '=\rho \ -\rho _{w}}$

где плотность воды ${\displaystyle \rho _{w}}$

Содержание воды — это отношение массы воды к массе твердого вещества. Его легко измерить, взвесив образец почвы, высушив его в печи и повторно взвесив. Стандартные процедуры описаны ASTM. ${\displaystyle w}$

${\displaystyle w={\frac {M_{w}}{M_{s}}}={\frac {W_{w}}{W_{s}}}}$

Коэффициент пустотности , , представляет собой отношение объема пустот к объему твердых тел: ${\displaystyle e}$

${\displaystyle e={\frac {V_{v}}{V_{s}}}={\frac {V_{v}}{V_{T}-V_{V}}}={\frac {n}{1-n}}}$

Пористость ,, представляет собой отношение объема пустот к общему объему и связана с коэффициентом пустотности: ${\displaystyle n}$

${\displaystyle n={\frac {V_{v}}{V_{t}}}={\frac {V_{v}}{V_{s}+V_{v}}}={\frac {e}{1+e}}}$

Степень насыщения , , — это отношение объема воды к объему пустот: ${\displaystyle S}$

${\displaystyle S={\frac {V_{w}}{V_{v}}}}$

Из приведённых выше определений с помощью элементарной алгебры можно вывести некоторые полезные соотношения.

${\displaystyle \rho ={\frac {(G_{s}+Se)\rho _{w}}{1+e}}}$

${\displaystyle \rho ={\frac {(1+w)G_{s}\rho _{w}}{1+e}}}$

${\displaystyle w={\frac {Se}{G_{s}}}}$

Классификация почв

Инженеры-геотехники классифицируют типы частиц почвы, проводя испытания на нарушенных (высушенных, просеянных и повторно формованных) образцах почвы. Это дает информацию о характеристиках самих зерен почвы. Классификация типов зерен, присутствующих в почве, не учитывает важные эффекты структуры или структуры почвы , термины, которые описывают компактность частиц и закономерности в расположении частиц в несущем каркасе, а также размер пор и распределение поровой жидкости. Инженеры-геологи также классифицируют почвы на основе их генезиса и истории осадконакопления.

Классификация почвенных зерен

В США и других странах для классификации почв часто используется Единая система классификации почв (USCS). Другие системы классификации включают Британский стандарт BS 5930 и систему классификации почв AASHTO . ^[3]

Классификация песков и гравия

В USCS гравий (обозначенный символом G ) и пески (обозначенный символом S ) классифицируются в соответствии с распределением размеров зерен. В USCS гравию может быть присвоен классификационный символ GW (хорошо сортированный гравий), GP (плохо сортированный гравий), GM (гравий с большим количеством ила) или GC (гравий с большим количеством глины). Аналогичным образом пески могут быть классифицированы как SW , SP , SM или SC . Пескам и гравию с небольшим, но не пренебрежимо малым количеством мелких частиц (5–12%) может быть присвоена двойная классификация, например SW-SC .

Пределы Аттерберга

Глины и илы, часто называемые «мелкозернистыми грунтами», классифицируются в соответствии с их пределами Аттерберга ; наиболее часто используемыми пределами Аттерберга являются предел текучести (обозначается LL или ), предел пластичности (обозначается PL или ) и предел усадки (обозначается SL ). ${\displaystyle w_{l}}$ ${\displaystyle w_{p}}$

Предел текучести — это содержание воды, при котором поведение почвы переходит из пластичного состояния в жидкое. Предел пластичности — это содержание воды, при котором поведение почвы переходит из пластичного состояния в хрупкое. Предел усадки соответствует содержанию воды, ниже которого почва не будет давать усадку при высыхании. Консистенция мелкозернистой почвы изменяется пропорционально содержанию воды в почве.

Поскольку переходы из одного состояния в другое постепенны, испытания приняли произвольные определения для определения границ состояний. Предел текучести определяется путем измерения содержания воды, при котором канавка закрывается после 25 ударов в стандартном испытании. ^[9] В качестве альтернативы для измерения предела текучести может использоваться аппарат для испытания на падение конуса . Недренированная прочность на сдвиг переформованного грунта на пределе текучести составляет приблизительно 2 кПа. ^{[4] [10]} Предел пластичности - это содержание воды, ниже которого невозможно вручную раскатать грунт в цилиндры диаметром 3 мм. Грунт трескается или распадается, когда его раскатывают до этого диаметра. Переформованный грунт на пределе пластичности довольно жесткий, имеющий недренированную прочность на сдвиг порядка около 200 кПа. ^{[4] [10]}

Индекс пластичности конкретного образца грунта определяется как разница между пределом текучести и пределом пластичности образца; это показатель того, сколько воды могут поглотить частицы грунта в образце, и коррелирует со многими инженерными свойствами, такими как проницаемость, сжимаемость, прочность на сдвиг и другими. Как правило, глина, имеющая высокую пластичность, имеет более низкую проницаемость, а также ее трудно уплотнить.

Классификация илов и глин

Согласно Единой системе классификации почв (USCS), илы и глины классифицируются путем нанесения значений их индекса пластичности и предела текучести на график пластичности. Линия А на графике отделяет глины (обозначенные символом USCS C ) от илов (обозначенные символом M ). LL=50% отделяет высокопластичные почвы (обозначенные символом-модификатором H ) от низкопластичных почв (обозначенные символом-модификатором L ). Почва, которая располагается выше линии А и имеет LL>50%, будет, например, классифицироваться как CH . Другие возможные классификации илов и глин — ML , CL и MH . Если пределы Аттерберга отображаются в «заштрихованной» области на графике вблизи начала координат, почвам присваивается двойная классификация «CL-ML».

Индексы, связанные с прочностью грунта

Индекс ликвидности

Влияние содержания воды на прочность насыщенных переформованных грунтов можно количественно оценить с помощью индекса текучести LI :

${\displaystyle LI={\frac {w-PL}{LL-PL}}}$

Когда LI равен 1, переформованный грунт находится на пределе текучести и имеет недренированную прочность на сдвиг около 2 кПа. Когда грунт находится на пределе пластичности , LI равен 0 и недренированная прочность на сдвиг составляет около 200 кПа. ^{[4] [11]}

Относительная плотность

Плотность песков (несвязных грунтов) часто характеризуется относительной плотностью, ${\displaystyle D_{r}}$

${\displaystyle D_{r}={\frac {e_{max}-e}{e_{max}-e_{min}}}100\%}$

где: - "максимальный коэффициент пустотности", соответствующий очень рыхлому состоянию, - "минимальный коэффициент пустотности", соответствующий очень плотному состоянию, и - коэффициент пустотности in situ . Методы, используемые для расчета относительной плотности, определены в ASTM D4254-00(2006). ^[12] ${\displaystyle e_{max}}$ ${\displaystyle e_{min}}$ ${\displaystyle e}$

То есть, если песок или гравий очень плотные, а почва крайне рыхлая и нестабильная. ${\displaystyle D_{r}=100\%}$ ${\displaystyle D_{r}=0\%}$

Просачивание: устойчивый поток воды

Поперечный разрез, показывающий уровень грунтовых вод, изменяющийся в зависимости от рельефа поверхности, а также возвышенный уровень грунтовых вод

Если давление жидкости в почвенном месторождении равномерно увеличивается с глубиной в соответствии с тогда будут преобладать гидростатические условия и жидкости не будут течь через почву. это глубина ниже уровня грунтовых вод. Однако если уровень грунтовых вод наклонный или есть возвышенный уровень грунтовых вод, как показано на прилагаемом рисунке, то просачивание будет происходить. Для установившегося просачивания скорости просачивания не меняются со временем. Если уровень грунтовых вод меняется со временем или если почва находится в процессе консолидации, то условия установившегося состояния не применяются. ${\displaystyle u=\rho _{w}gz_{w}}$ ${\displaystyle z_{w}}$

Закон Дарси

Диаграмма, показывающая определения и указания для закона Дарси

Закон Дарси гласит, что объем потока поровой жидкости через пористую среду в единицу времени пропорционален скорости изменения избыточного давления жидкости с расстоянием. Константа пропорциональности включает вязкость жидкости и собственную проницаемость почвы. Для простого случая горизонтальной трубы, заполненной почвой

${\displaystyle Q={\frac {-KA}{\mu }}{\frac {(u_{b}-u_{a})}{L}}}$

Общий расход (имеющий единицы объема за единицу времени, например, фут3 ^/ с или м3 ^/ с), пропорционален собственной проницаемости , площади поперечного сечения, и скорости изменения порового давления с расстоянием, и обратно пропорционален динамической вязкости жидкости, . Отрицательный знак необходим, поскольку жидкости текут от высокого давления к низкому. Таким образом, если изменение давления отрицательное (в -направлении ), то поток будет положительным (в -направлении). Приведенное выше уравнение хорошо работает для горизонтальной трубы, но если труба наклонена так, что точка b находится на другой высоте, чем точка a, уравнение не будет работать. Эффект высоты учитывается путем замены порового давления на избыточное поровое давление , определяемое как: ${\displaystyle Q}$ ${\displaystyle K}$ ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle {\frac {u_{b}-u_{a}}{L}}}$ ${\displaystyle \mu }$ ${\displaystyle x}$ ${\displaystyle x}$ ${\displaystyle u_{e}}$

${\displaystyle u_{e}=u-\rho _{w}gz}$

где - глубина, измеренная от произвольной отметки высоты ( datum ). Заменив на , получаем более общее уравнение для потока: ${\displaystyle z}$ ${\displaystyle u}$ ${\displaystyle u_{e}}$

${\displaystyle Q={\frac {-KA}{\mu }}{\frac {(u_{e,b}-u_{e,a})}{L}}}$

Разделив обе части уравнения на и выразив скорость изменения избыточного порового давления как производную , получим более общее уравнение для кажущейся скорости в направлении x: ${\displaystyle A}$

${\displaystyle v_{x}={\frac {-K}{\mu }}{\frac {du_{e}}{dx}}}$

где имеет единицы скорости и называется скоростью Дарси (или удельным расходом , скоростью фильтрации или поверхностной скоростью ). Поровая или интерстициальная скорость — это средняя скорость молекул жидкости в порах; она связана со скоростью Дарси и пористостью через соотношение Дюпюи-Форхгеймера ${\displaystyle v_{x}=Q/A}$ ${\displaystyle v_{px}}$ ${\displaystyle n}$

${\displaystyle v_{px}={\frac {v_{x}}{n}}}$

(Некоторые авторы используют термин «скорость просачивания» для обозначения скорости Дарси ^[13], в то время как другие используют его для обозначения скорости пор ^[14] )

Инженеры-строители в основном работают над проблемами, связанными с водой, и в основном работают над проблемами на земле (в земной гравитации). Для этого класса проблем инженеры-строители часто записывают закон Дарси в гораздо более простой форме: ^{[4] [6] [15]}

${\displaystyle v=ki}$

где — гидравлическая проводимость , определяемая как , а — гидравлический градиент . Гидравлический градиент — это скорость изменения общего напора с расстоянием. Общий напор в точке определяется как высота (измеренная относительно точки отсчета), на которую поднимется вода в пьезометре в этой точке. Общий напор связан с избыточным давлением воды следующим образом: ${\displaystyle k}$ ${\displaystyle k={\frac {K\rho _{w}g}{\mu _{w}}}}$ ${\displaystyle i}$ ${\displaystyle h}$

${\displaystyle u_{e}=\rho _{w}gh+Constant}$

и равен нулю, если точка отсчета для измерения напора выбрана на той же высоте, что и начало отсчета глубины z, используемой для расчета . ${\displaystyle Constant}$ ${\displaystyle u_{e}}$

Типичные значения гидравлической проводимости

Значения гидравлической проводимости, , могут варьироваться на много порядков в зависимости от типа почвы. Гидравлическая проводимость глин может быть такой малой, как около , а гравий может иметь гидравлическую проводимость до около . Слоистость, неоднородность и нарушение в процессе отбора проб и испытаний делают точное измерение гидравлической проводимости почвы очень сложной проблемой. ^[4] ${\displaystyle k}$ ${\displaystyle 10^{-12}{\frac {m}{s}}}$ ${\displaystyle 10^{-1}{\frac {m}{s}}}$

Флоунетс

Плановая сетка потока для оценки потока воды из ручья в разгрузочный колодец

Закон Дарси применяется в одном, двух или трех измерениях. ^[3] В двух или трех измерениях стационарное просачивание описывается уравнением Лапласа . Существуют компьютерные программы для решения этого уравнения. Но традиционно двумерные задачи просачивания решались с помощью графической процедуры, известной как flownet . ^{[3] [15] [16]} Один набор линий в flownet находится в направлении потока воды (линии потока), а другой набор линий находится в направлении постоянного общего напора (эквипотенциальные линии). Flownets можно использовать для оценки количества просачивания под плотинами и шпунтовыми сваями .

Силы просачивания и эрозия

Когда скорость просачивания достаточно велика, может возникнуть эрозия из-за трения, оказываемого на частицы почвы. Вертикально восходящая просачивание является источником опасности на стороне нисходящего потока шпунтовых свай и под подошвой плотины или дамбы. Эрозия почвы, известная как «грунтовая труба», может привести к разрушению конструкции и образованию карстовой воронки . Просачивающаяся вода удаляет почву, начиная с точки выхода просачивания, и эрозия продвигается вверх по градиенту. ^[17] Термин «песчаное кипение» используется для описания внешнего вида разгрузочного конца активной грунтовой трубы. ^[18]

Давление просачивания

Просачивание в направлении вверх уменьшает эффективное напряжение в почве. Когда давление воды в точке почвы равно общему вертикальному напряжению в этой точке, эффективное напряжение равно нулю, и почва не имеет фрикционного сопротивления деформации. Для поверхностного слоя вертикальное эффективное напряжение становится равным нулю внутри слоя, когда восходящий гидравлический градиент равен критическому градиенту. ^[15] При нулевом эффективном напряжении почва имеет очень малую прочность, и слои относительно непроницаемой почвы могут вздыматься из-за давления подстилающей воды. Потеря прочности из-за просачивания вверх является распространенной причиной разрушения дамб. Состояние нулевого эффективного напряжения, связанное с просачиванием вверх, также называется разжижением , зыбучим песком или кипящим состоянием. Зыбучие пески были так названы, потому что частицы почвы перемещаются и кажутся «живыми» (библейское значение слова «быстрый» — в отличие от «мертвого»). (Обратите внимание, что вас невозможно «засосать» в зыбучие пески. Наоборот, вы будете плавать, высунув из воды примерно половину тела.) ^[19]

Эффективное напряжение и капиллярность: гидростатические условия

Сферы, погруженные в воду, снижают эффективное напряжение

Чтобы понять механику грунтов, необходимо понять, как нормальные напряжения и напряжения сдвига распределяются между различными фазами. Ни газ, ни жидкость не оказывают значительного сопротивления напряжению сдвига . Сопротивление сдвига почвы обеспечивается трением и сцеплением частиц. Трение зависит от межзерновых контактных напряжений между твердыми частицами. Нормальные напряжения, с другой стороны, распределяются между жидкостью и частицами. ^[7] Хотя поровый воздух относительно сжимаем и, следовательно, испытывает небольшое нормальное напряжение в большинстве геотехнических задач, жидкая вода относительно несжимаема, и если пустоты насыщены водой, поровую воду необходимо выдавить, чтобы упаковать частицы ближе друг к другу.

Принцип эффективного напряжения, введенный Карлом Терцаги , гласит, что эффективное напряжение σ' (т. е. среднее межзерновое напряжение между твердыми частицами) может быть рассчитано простым вычитанием порового давления из общего напряжения:

${\displaystyle \sigma '=\sigma -u\,}$^[7]

где σ — полное напряжение, а u — поровое давление. Нецелесообразно измерять σ' напрямую, поэтому на практике вертикальное эффективное напряжение рассчитывается из порового давления и вертикального полного напряжения. Различие между терминами давление и напряжение также важно. По определению, давление в точке одинаково во всех направлениях, но напряжения в точке могут быть разными в разных направлениях. В механике грунтов сжимающие напряжения и давления считаются положительными, а растягивающие напряжения считаются отрицательными, что отличается от соглашения о знаках для напряжения в механике твердого тела.

Общее напряжение

Для условий ровной поверхности общее вертикальное напряжение в точке, в среднем, равно весу всего, что находится выше этой точки на единицу площади. Вертикальное напряжение под однородным поверхностным слоем с плотностью и толщиной , например: ${\displaystyle \sigma _{v}}$ ${\displaystyle \rho }$ ${\displaystyle H}$

${\displaystyle \sigma _{v}=\rho gH=\gamma H}$

где — ускорение силы тяжести, а — удельный вес вышележащего слоя. Если над интересующей точкой находится несколько слоев почвы или воды, вертикальное напряжение можно рассчитать, суммируя произведение удельного веса и толщины всех вышележащих слоев. Общее напряжение увеличивается с увеличением глубины пропорционально плотности вышележащего слоя. ${\displaystyle g}$ ${\displaystyle \gamma }$

Таким образом невозможно рассчитать горизонтальное полное напряжение. Боковое давление грунта рассматривается в другом месте.

Давление поровой воды

Гидростатические условия

Вода втягивается в маленькую трубку поверхностным натяжением. Давление воды, u, отрицательно выше и положительно ниже свободной поверхности воды.

Если в почве нет потока поровой воды, то давление поровой воды будет гидростатическим . Уровень грунтовых вод находится на глубине, где давление воды равно атмосферному давлению. Для гидростатических условий давление воды линейно увеличивается с глубиной ниже уровня грунтовых вод:

${\displaystyle u=\rho _{w}gz_{w}}$

где - плотность воды, - глубина ниже уровня грунтовых вод. ${\displaystyle \rho _{w}}$ ${\displaystyle z_{w}}$

Капиллярное действие

Из-за поверхностного натяжения вода будет подниматься в небольшой капиллярной трубке над свободной поверхностью воды. Аналогично вода будет подниматься над уровнем грунтовых вод в небольшие поровые пространства вокруг частиц почвы. Фактически, почва может быть полностью насыщена на некотором расстоянии над уровнем грунтовых вод. Выше высоты капиллярного насыщения почва может быть влажной, но содержание воды будет уменьшаться с высотой. Если вода в капиллярной зоне не движется, давление воды подчиняется уравнению гидростатического равновесия, , но обратите внимание, что , отрицательно над уровнем грунтовых вод. Следовательно, гидростатическое давление воды отрицательно над уровнем грунтовых вод. Толщина зоны капиллярного насыщения зависит от размера пор, но обычно высоты варьируются от сантиметра или около того для крупного песка до десятков метров для ила или глины. ^[3] Фактически поровое пространство почвы представляет собой однородный фрактал, т.е. набор равномерно распределенных D-мерных фракталов среднего линейного размера L. Для глинистой почвы было обнаружено, что L=0,15 мм и D=2,7. ^[20] ${\displaystyle u=\rho _{w}gz_{w}}$ ${\displaystyle z_{w}}$

Поверхностное натяжение воды объясняет, почему вода не вытекает из мокрого песчаного замка или влажного глиняного шара. Отрицательное давление воды заставляет воду прилипать к частицам и притягивать частицы друг к другу, трение на контактах частиц делает песчаный замок устойчивым. Но как только мокрый песчаный замок погружается под свободную поверхность воды, отрицательное давление теряется, и замок рушится. Учитывая уравнение эффективного напряжения, если давление воды отрицательное, эффективное напряжение может быть положительным, даже на свободной поверхности (поверхности, где общее нормальное напряжение равно нулю). Отрицательное поровое давление стягивает частицы вместе и вызывает сжимающие силы контакта частиц. Отрицательное поровое давление в глинистой почве может быть намного сильнее, чем в песке. Отрицательное поровое давление объясняет, почему глинистые почвы сжимаются при высыхании и набухают при увлажнении. Набухание и усадка могут вызвать серьезные разрушения, особенно для легких конструкций и дорог. ^[15] ${\displaystyle \sigma '=\sigma -u,}$

В последующих разделах этой статьи рассматриваются проблемы порового давления воды при просачивании и консолидации.

• 
  Вода в контакте с частицами
• 
  Сила межзернового контакта, обусловленная поверхностным натяжением
• 
  Усадка, вызванная высыханием

Консолидация: временный поток воды

Аналогия консолидации. Поршень поддерживается водой снизу и пружиной. Когда к поршню прикладывается нагрузка, давление воды увеличивается, чтобы поддержать нагрузку. Поскольку вода медленно просачивается через маленькое отверстие, нагрузка передается от давления воды к силе пружины.

Консолидация — это процесс, при котором объем почвы уменьшается. Это происходит, когда к почве применяется напряжение , которое заставляет частицы почвы упаковываться более плотно, тем самым уменьшая объем. Когда это происходит в почве, насыщенной водой, вода будет выдавливаться из почвы. Время, необходимое для выдавливания воды из толстого слоя глинистой почвы, может составлять годы. Для слоя песка вода может быть выдавлена ​​за считанные секунды. Фундамент здания или строительство новой насыпи приведет к тому, что почва под ней уплотнится, и это вызовет осадку, которая, в свою очередь, может вызвать разрушение здания или набережной. Карл Терцаги разработал теорию одномерной консолидации, которая позволяет предсказать объем осадки и время, необходимое для возникновения осадки. ^[21] Впоследствии Морис Био полностью разработал теорию трехмерной консолидации почвы, расширив одномерную модель, ранее разработанную Терцаги, до более общих гипотез и введя набор основных уравнений пороупругости . ^[7] Грунты испытываются с помощью одометрического испытания для определения их индекса сжатия и коэффициента консолидации.

Когда напряжение снимается с консолидированной почвы, почва отскакивает, втягивая воду обратно в поры и восстанавливая часть объема, который она потеряла в процессе консолидации. Если напряжение применяется повторно, почва снова повторно уплотняется по кривой рекомпрессии, определяемой индексом рекомпрессии. Почва, которая была уплотнена до большого давления и впоследствии была разгружена, считается переуплотненной . Максимальное прошлое вертикальное эффективное напряжение называется напряжением предварительной консолидации . Почва, которая в настоящее время испытывает максимальное прошлое вертикальное эффективное напряжение, называется нормально уплотненной . Коэффициент переуплотнения (OCR) представляет собой отношение максимального прошлого вертикального эффективного напряжения к текущему вертикальному эффективному напряжению. OCR имеет значение по двум причинам: во-первых, потому что сжимаемость нормально уплотненной почвы значительно больше, чем у переуплотненной почвы, и, во-вторых, сдвиговое поведение и дилатансия глинистой почвы связаны с OCR через механику критического состояния почвы ; Сильно переуплотненные глинистые почвы обладают способностью к расширению, тогда как нормально уплотненные почвы имеют тенденцию к сжатию. ^{[2] [3] [4]}

Поведение при сдвиге: жесткость и прочность

Типичная кривая напряжения и деформации для осушенного расширяющегося грунта

Прочность на сдвиг и жесткость грунта определяют, будет ли грунт устойчивым или насколько он будет деформироваться. Знание прочности необходимо для определения того, будет ли склон устойчивым, может ли здание или мост слишком глубоко просесть в землю, и ограничивающих давлений на подпорную стенку. Важно различать разрушение элемента грунта и разрушение геотехнической конструкции (например, фундамента здания, склона или подпорной стенки); некоторые элементы грунта могут достигать своей пиковой прочности до разрушения конструкции. Для определения «прочности на сдвиг» и « предела текучести » для элемента грунта из кривой напряжения-деформации можно использовать различные критерии . Можно определить пиковую прочность на сдвиг как пик кривой напряжения-деформации или прочность на сдвиг в критическом состоянии как значение после больших деформаций, когда сопротивление сдвигу выравнивается. Если кривая напряжения-деформации не стабилизируется до окончания испытания на прочность на сдвиг, «прочность» иногда считается сопротивлением сдвигу при 15–20% деформации. ^[15] Прочность грунта на сдвиг зависит от многих факторов, включая эффективное напряжение и коэффициент пустотности.

Жесткость сдвига важна, например, для оценки величины деформаций фундаментов и склонов до разрушения, а также потому, что она связана со скоростью сдвиговой волны . Наклон начальной, почти линейной части графика касательного напряжения как функции сдвиговой деформации называется модулем сдвига

Трение, блокировка и расширение

Угол естественного откоса

Почва представляет собой совокупность частиц, которые практически не имеют цементации, в то время как горная порода (например, песчаник) может состоять из совокупности частиц, которые прочно сцементированы вместе химическими связями. Прочность почвы на сдвиг в первую очередь обусловлена ​​трением между частицами, и поэтому сопротивление сдвигу на плоскости приблизительно пропорционально эффективному нормальному напряжению на этой плоскости. ^[3] Таким образом, угол внутреннего трения тесно связан с максимальным устойчивым углом наклона, часто называемым углом естественного откоса .

Но в дополнение к трению почва получает значительное сопротивление сдвигу от переплетения зерен. Если зерна плотно упакованы, зерна имеют тенденцию расходиться друг от друга, поскольку они подвергаются сдвиговой деформации. Расширение матрицы частиц из-за сдвига было названо Осборном Рейнольдсом дилатансией . ^[11] Если рассмотреть энергию, необходимую для сдвига совокупности частиц, то есть энергия, потребляемая силой сдвига, T, перемещающейся на расстояние x, и также есть энергия, потребляемая нормальной силой, N, поскольку образец расширяется на расстояние y. ^[11] Из-за дополнительной энергии, необходимой для расширения частиц против ограничивающего давления, дилатантные грунты имеют большую пиковую прочность, чем сжимающиеся грунты. Кроме того, по мере того, как расширяющиеся зерна почвы расширяются, они становятся более рыхлыми (их коэффициент пустотности увеличивается), и их скорость расширения уменьшается, пока они не достигнут критического коэффициента пустотности. Сжимающиеся грунты становятся более плотными по мере сдвига, и их скорость сжатия уменьшается, пока они не достигнут критического коэффициента пустотности.

Линия критического состояния разделяет состояния расширения и сжатия почвы.

Тенденция почвы к расширению или сжатию зависит в первую очередь от всестороннего давления и коэффициента пустотности почвы. Скорость расширения высока, если всеобщее давление мало, а коэффициент пустотности мал. Скорость сжатия высока, если всеобщее давление велико, а коэффициент пустотности велик. В первом приближении области сжатия и расширения разделены линией критического состояния.

Критерии отказа

После того, как грунт достигает критического состояния, он больше не сжимается и не расширяется, а касательное напряжение на плоскости разрушения определяется эффективным нормальным напряжением на плоскости разрушения и углом трения критического состояния : ${\displaystyle \tau _{crit}}$ ${\displaystyle \sigma _{n}'}$ ${\displaystyle \phi _{crit}'\ }$

${\displaystyle \tau _{crit}=\sigma _{n}'\tan \phi _{crit}'\ }$

Однако пиковая прочность грунта может быть больше из-за вклада в зацепление (дилатансия). Это можно заявить:

${\displaystyle \tau _{peak}=\sigma _{n}'\tan \phi _{peak}'\ }$

Где . Однако использование угла трения, большего, чем значение критического состояния, для проектирования требует осторожности. Пиковая прочность не будет мобилизована везде одновременно в практической задаче, такой как фундамент, склон или подпорная стенка. Критический угол трения состояния не так изменчив, как пиковый угол трения, и поэтому на него можно положиться с уверенностью. ^{[3] [4] [11]} ${\displaystyle \phi _{peak}'>\phi _{crit}'}$

Не осознавая значения дилатансии, Кулон предположил, что прочность грунта на сдвиг может быть выражена как комбинация компонентов адгезии и трения: ^[11]

${\displaystyle \tau _{f}=c'+\sigma _{f}'\tan \phi '\,}$

Теперь известно, что параметры и в последнем уравнении не являются фундаментальными свойствами грунта. ^{[3] [6] [11] [22]} В частности, и различаются в зависимости от величины эффективного напряжения. ^{[6] [22]} Согласно Шофилду (2006), ^[11] длительное использование на практике привело многих инженеров к ошибочному мнению, что является фундаментальным параметром. Это предположение, что и являются постоянными, может привести к переоценке пиковых прочностей. ^{[3] [22]} ${\displaystyle c'}$ ${\displaystyle \phi '}$ ${\displaystyle c'}$ ${\displaystyle \phi '}$ ${\displaystyle c'}$ ${\displaystyle c'}$ ${\displaystyle c'}$ ${\displaystyle \phi '}$

Структура, ткань и химия

В дополнение к трению и взаимоблокирующим (дилатансионным) компонентам прочности, структура и структура также играют важную роль в поведении почвы. Структура и структура включают такие факторы, как расстояние и расположение твердых частиц или количество и пространственное распределение поровой воды; в некоторых случаях цементирующий материал накапливается на контактах частиц. Механическое поведение почвы зависит от плотности частиц и их структуры или расположения частиц, а также от количества и пространственного распределения присутствующих жидкостей (например, воды и воздушных пустот). Другие факторы включают электрический заряд частиц, химию поровой воды, химические связи (т. е. цементация - частицы связаны через твердое вещество, такое как перекристаллизованный карбонат кальция) ^{[1] [22]}

Дренированный и недренированный сдвиг

Влажный песок вдоль береговой линии изначально плотно упакован стекающей водой. Давление ног на песок заставляет его расширяться (см.: Дилатансия Рейнольдса ) , втягивая воду с поверхности в поры.

Присутствие в поровом пространстве практически несжимаемых жидкостей, таких как вода, влияет на способность пор расширяться или сужаться.

Если поры насыщены водой, вода должна всасываться в расширяющиеся поровые пространства, чтобы заполнить расширяющиеся поры (это явление можно наблюдать на пляже, когда вокруг ступней, вдавливающихся в мокрый песок, образуются кажущиеся сухими пятна).

Аналогично, в случае сжимающейся почвы необходимо выдавить воду из пор, чтобы произошла усадка.

Расширение пустот вызывает отрицательное давление воды, которое втягивает жидкость в поры, а сжатие пустот вызывает положительное давление пор, которое выталкивает воду из пор. Если скорость сдвига очень велика по сравнению со скоростью, с которой вода может всасываться или выдавливаться из расширяющихся или сжимающихся поровых пространств, то сдвиг называется недренированным сдвигом , если сдвиг достаточно медленный, чтобы давление воды было пренебрежимо малым, то сдвиг называется дренированным сдвигом . Во время недренированного сдвига давление воды u изменяется в зависимости от тенденций изменения объема. Из уравнения эффективного напряжения изменение u напрямую влияет на эффективное напряжение с помощью уравнения:

${\displaystyle \sigma '=\sigma -u\,}$

и прочность очень чувствительна к эффективному напряжению. Из этого следует, что прочность на сдвиг без дренажа почвы может быть меньше или больше прочности на сдвиг без дренажа в зависимости от того, является ли почва сжимающей или расширяющейся.

Испытания на сдвиг

Параметры прочности можно измерить в лаборатории с помощью прямого теста на сдвиг , трехосного теста на сдвиг , простого теста на сдвиг, теста на падение конуса и (ручного) теста на сдвиг крыльчаткой ; сегодня на практике используются многочисленные другие устройства и вариации этих устройств. Тесты, проводимые для характеристики прочности и жесткости грунтов в земле, включают тест на проникновение конуса и стандартный тест на проникновение .

Другие факторы

На соотношение напряжения и деформации грунтов, а следовательно, и на прочность на сдвиг влияют: ^[23]

1. Состав почвы (основной почвенный материал): минералогия, размер и распределение зерен по размерам, форма частиц, тип и содержание поровой жидкости, ионы на зерне и в поровой жидкости.
2. Состояние (начальное): Определяется начальным коэффициентом пустотности , эффективным нормальным напряжением и касательным напряжением (история напряжений). Состояние можно описать такими терминами, как: рыхлое, плотное, переуплотненное, нормально уплотненное, жесткое, мягкое, сжимающееся, расширяющееся и т. д.
3. структура : относится к расположению частиц в почвенной массе; способу, которым частицы упакованы или распределены. Такие особенности, как слои, соединения, трещины, поверхности скольжения, пустоты, карманы, цементация и т. д., являются частью структуры. Структура почв описывается такими терминами, как: ненарушенный, нарушенный, переформованный, уплотненный, сцементированный; хлопьевидный, сотовый, однозернистый; хлопьевидный, дефлокулированный; стратифицированный, слоистый, ламинированный; изотропный и анизотропный.
4. Условия нагрузки : эффективный путь напряжения — дренированный, недренированный, и тип нагрузки — величина, скорость (статическая, динамическая) и временная динамика (монотонная, циклическая).

Приложения

Боковое давление грунта

Теория бокового напряжения грунта используется для оценки величины напряжения, которое грунт может оказывать перпендикулярно силе тяжести. Это напряжение, оказываемое на подпорные стенки . Коэффициент бокового напряжения грунта, K, определяется как отношение бокового (горизонтального) эффективного напряжения к вертикальному эффективному напряжению для несвязных грунтов (K=σ' _h /σ' _v ). Существует три коэффициента: в состоянии покоя, активный и пассивный. Напряжение в состоянии покоя — это боковое напряжение в грунте до того, как произойдет какое-либо нарушение. Активное напряженное состояние достигается, когда стена отходит от грунта под воздействием бокового напряжения и является результатом разрушения при сдвиге из-за уменьшения бокового напряжения. Пассивное напряженное состояние достигается, когда стена вдавливается в грунт достаточно далеко, чтобы вызвать разрушение при сдвиге внутри массива из-за увеличения бокового напряжения. Существует много теорий для оценки бокового напряжения грунта; некоторые из них основаны на эмпирических данных , а некоторые выведены аналитически.

Несущая способность

Несущая способность грунта — это среднее контактное напряжение между фундаментом и грунтом, которое вызовет разрушение при сдвиге в грунте. Допустимое напряжение смятия — это несущая способность, деленная на коэффициент безопасности. Иногда на участках с мягким грунтом могут происходить большие осадки под нагруженными фундаментами без фактического разрушения при сдвиге; в таких случаях допустимое напряжение смятия определяется с учетом максимально допустимой осадки. На этапе строительства и проектирования проекта важно оценить прочность грунтового основания. Испытание на коэффициент несущей способности по Калифорнии (CBR) обычно используется для определения пригодности грунта в качестве грунтового основания для проектирования и строительства. Полевое испытание на нагрузку плитой обычно используется для прогнозирования деформаций и характеристик разрушения грунта/грунтового основания и модуля реакции грунтового основания (ks). Модуль реакции грунтового основания (ks) используется при проектировании фундамента, исследованиях взаимодействия грунта и конструкции и проектировании дорожных покрытий. ^{[ необходима ссылка ]}

Устойчивость склона

Простая секция наклонного скольжения

Область устойчивости склонов охватывает анализ статической и динамической устойчивости склонов земляных и каменно-набросных плотин, склонов других типов насыпей, вырытых склонов и естественных склонов в грунте и мягких породах. ^[24]

Как видно справа, земляные склоны могут образовывать зону ослабления в виде срезанной сферы. Вероятность этого события можно рассчитать заранее с помощью простого пакета 2-D кругового анализа. ^[25] Основная сложность анализа заключается в определении наиболее вероятной плоскости скольжения для любой заданной ситуации. ^[26] Многие оползни анализировались только постфактум. Оползни и прочность горных пород — два фактора для рассмотрения.

Последние события

Недавнее открытие в механике грунтов заключается в том, что деформацию грунта можно описать как поведение динамической системы . Этот подход к механике грунтов называется механикой грунтов на основе динамических систем (DSSM). DSSM просто утверждает, что деформация грунта представляет собой пуассоновский процесс , в котором частицы перемещаются в свое конечное положение при случайных сдвиговых деформациях.

Основой DSSM является то, что грунты (включая пески) могут сдвигаться до тех пор, пока они не достигнут устойчивого состояния, при котором в условиях постоянной скорости деформации не происходит никаких изменений в сдвиговом напряжении, эффективном ограничивающем напряжении и коэффициенте пустотности. Установившееся состояние было формально определено ^[27] Стивом Дж. Поулосом Архивировано 17 октября 2020 г. в Wayback Machine , доцентом кафедры механики грунтов Гарвардского университета, который построил гипотезу, которую Артур Касагранде формулировал ближе к концу своей карьеры. Условие устойчивого состояния не то же самое, что условие «критического состояния». Оно отличается от критического состояния тем, что определяет статистически постоянную структуру в устойчивом состоянии. Установившиеся значения также очень слабо зависят от скорости деформации.

Многие системы в природе достигают стационарных состояний, и для описания таких систем используется теория динамических систем. Сдвиг почвы также можно описать как динамическую систему. ^{[28] [29]} Физической основой динамической системы сдвига почвы является процесс Пуассона, в котором частицы перемещаются в стационарное состояние при случайных деформациях сдвига. ^[30] Джозеф ^[31] обобщил это — частицы перемещаются в свое конечное положение (не просто в стационарное состояние) при случайных деформациях сдвига. Из-за своего происхождения в концепции стационарного состояния DSSM иногда неформально называют «Гарвардской механикой грунтов».

DSSM обеспечивает очень близкое соответствие кривым напряжения-деформации, в том числе для песков. Поскольку она отслеживает условия на плоскости разрушения, она также обеспечивает близкое соответствие для области после разрушения чувствительных глин и илов, чего не могут сделать другие теории. Кроме того, DSSM объясняет ключевые соотношения в механике грунтов, которые до сих пор просто принимались как должное, например, почему нормализованные недренированные пиковые прочности на сдвиг изменяются в зависимости от логарифма коэффициента переуплотнения и почему кривые напряжения-деформации нормализуются с начальным эффективным ограничивающим напряжением; и почему при одномерной консолидации коэффициент пустотности должен меняться в зависимости от логарифма эффективного вертикального напряжения, почему конечная первичная кривая уникальна для приращений статической нагрузки и почему отношение значения ползучести Cα к индексу сжатия Cc должно быть приблизительно постоянным для широкого диапазона грунтов. ^[32]

Смотрите также

• Критическое состояние механики грунта
• Сейсмостойкое строительство
• Инженерная геология
• Геотехническое моделирование центрифуг
• Геотехническая инженерия
• Геотехническая инженерия (шельфовая)
• Геотехника
• Гидрогеология , характеристики водоносного слоя тесно связаны с характеристиками почвы
• Международное общество механики грунтов и геотехнической инженерии
• Механика горных пород
• Анализ устойчивости склона

Ссылки

1. Митчелл, Дж. К. и Сога, К. (2005) Основы поведения почвы, Третье издание, John Wiley and Sons, Inc., ISBN  978-0-471-46302-3
2. Сантамарина, Дж. К., Кляйн, К. А., и Фам, М. А. (2001). Почвы и волны: поведение твердых частиц, характеристика и мониторинг процесса . Wiley. ISBN 978-0-471-49058-6.{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link).
3. Powrie, W., Spon Press, 2004, Механика грунтов – 2-е изд. ISBN 0-415-31156-X 
4. Руководство по механике грунтов, Болтон, Малкольм, Macmillan Press, 1979. ISBN 0-333-18931-0 
5. "Built Environment – ​​Routledge". Routledge.com . Получено 2017-01-14 .
6. Лэмб, Т. Уильям и Роберт В. Уитмен. Механика грунтов . Wiley, 1991; стр. 29. ISBN 978-0-471-51192-2 
7. Guerriero V., Mazzoli S. (2021). "Теория эффективного напряжения в почве и скальных породах и ее последствия для процессов трещинообразования: обзор". Geosciences . 11 (3): 119. Bibcode :2021Geosc..11..119G. doi : 10.3390/geosciences11030119 .
8. Стандартные методы испытаний ASTM для определения гранулометрического состава (градации) почв с использованием ситового анализа. http://www.astm.org/Standards/D6913.htm Архивировано 10 августа 2011 г. на Wayback Machine
9. «Классификация грунтов для инженерных целей: Ежегодник стандартов ASTM». D 2487-83. 04 (8). Американское общество по испытаниям и материалам. 1985: 395–408. Архивировано из оригинала 2010-09-14 . Получено 2010-08-31 . {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
10. Wood, David Muir, Поведение грунта и критическое состояние механики грунта, Cambridge University Press, 1990, ISBN 0-521-33249-4 
11. Нарушенные свойства почвы и геотехническое проектирование, Шофилд, Эндрю Н., Томас Телфорд, 2006. ISBN 0-7277-2982-9 
12. Стандартные методы испытаний ASTM для определения минимального индекса плотности и удельного веса грунтов и расчета относительной плотности. http://www.astm.org/Standards/D4254.htm Архивировано 07.09.2011 на Wayback Machine
13. Смит, И. (2013) Элементы механики грунтов Смита | Элементы механики грунтов Смита, 8-е издание, John Wiley and Sons, Inc., ISBN 978-1-405-13370-8 
14. Деллер, Жак В. (2007) Справочник по инженерии грунтовых вод, Тейлор и Фрэнсис, ISBN 978-0-849-34316-2 
15. Хольц, RD, и Ковач, WD, 1981. Введение в геотехническую инженерию. Prentice-Hall, Inc. стр. 448
16. Седергрен, Гарри Р. (1977), Просачивание, дренаж и сети потоков , Wiley. ISBN 0-471-14179-8 
17. Джонс, Дж. А. А. (1976). «Почвенный трубопровод и инициирование русла реки». Water Resources Research . 7 (3): 602–610. Bibcode : 1971WRR.....7..602J. doi : 10.1029/WR007i003p00602.
18. Дули, Алан (июнь 2006 г.). «Песчаные бурлики 101: Корпус имеет опыт борьбы с распространенной опасностью наводнений». Инженерные новости . Инженерный корпус армии США. Архивировано из оригинала 27-07-2006 . Получено 29-08-2006 .
19. Терзаги, К., Пек, Р. Б. и Месри, Г. 1996. Механика грунтов в инженерной практике. Третье издание, John Wiley & Sons, Inc. Статья 18, стр. 135.
20. Ожован, МИ; Дмитриев, ИЭ; Батюхнова, ОГ (1993). «Фрактальная структура пор в глинистой почве». Атомная энергия . 74 (3): 241–243. doi :10.1007/BF00739059. S2CID  95352427.
21. Терцаги, К., 1943, Теоретическая механика грунтов , John Wiley and Sons, Нью-Йорк
22. Терзаги, К., Пек, Р.Б., Месри, Г. (1996) Механика грунтов в инженерной практике, третье издание, John Wiley & Sons, Inc., ISBN 0-471-08658-4 
23. Poulos, SJ 1989. Advance Dam Engineering for Design, Construction, and Rehabilitation: Liquefaction Related Phenomenes. Ред. Jansen, RB, Van Nostrand Reinhold, страницы 292–297.
24. Устойчивость склона (PDF) . Руководство инженера. Том EM 1110-2-1902. Инженерный корпус армии США . 3 октября 2003 г. Архивировано (PDF) из оригинала 29-12-2016 . Получено 18-01-2017 .
25. "Калькулятор устойчивости склона" . Получено 2006-12-14 .
26. Чу, АК (2002). «Метод определения критических поверхностей скольжения при анализе устойчивости склонов: обсуждение». Канадский геотехнический журнал . 39 (3): 765–770. doi :10.1139/t02-042.
27. Poulos, Steve J. (1981). «Устойчивое состояние деформации». Журнал геотехнической инженерии . 107 (GT5): 553–562.
28. Джозеф, Пол Г. (2009). «Конститутивная модель грунта на основе подхода динамических систем». Журнал геотехнической и геоэкологической инженерии . 135 (8): 1155–1158. doi :10.1061/(asce)gt.1943-5606.0000001.
29. Джозеф, Пол Г. (2010). «Подход к сдвигу грунта на основе динамических систем». Géotechnique . LX (10): 807–812. Bibcode : 2010Getq...60..807J. doi : 10.1680/geot.9.p.001.
30. Джозеф, Пол Г. (2012). «Физическая основа и проверка конститутивной модели сдвига грунта, полученной из микроструктурных изменений». Международный журнал геомеханики . 13 (4): 365–383. doi :10.1061/(asce)gm.1943-5622.0000209.
31. Джозеф, Пол Г. (2014). "Обобщенная модель деформации грунта динамических систем". Геотехнические исследования . 1 (1): 32–42. Bibcode :2014GeotR...1...32J. doi : 10.1680/geores.14.00004 .
32. Джозеф, Пол Г. (2017). Механика грунтов на основе динамических систем (первое издание). CRC Press/Balkema. стр. 138. ISBN 9781138723221. Архивировано из оригинала 2018-03-24 . Получено 2017-05-14 .

Внешние ссылки

• Медиа, связанные с механикой грунтов на Wikimedia Commons