Геотехническая инженерия , также известная как геотехника , является отраслью гражданского строительства , занимающейся инженерным поведением земных материалов . Для решения инженерных задач он использует принципы механики грунтов и механики горных пород . Он также опирается на знания геологии , гидрологии , геофизики и других смежных наук.
Геотехническая инженерия находит применение в военном , горном , нефтяном , береговом и морском строительстве . Области геотехнической инженерии и инженерной геологии имеют пересекающиеся области знаний. Однако, в то время как геотехническая инженерия является специальностью гражданского строительства , инженерная геология является специальностью геологии .
Люди исторически использовали почву в качестве материала для борьбы с наводнениями, орошения, создания мест захоронений, фундаментов зданий и строительных материалов для зданий. Дамбы, плотины и каналы , датируемые по крайней мере 2000 годом до н.э., обнаруженные в некоторых частях Древнего Египта , древней Месопотамии , Плодородного полумесяца и ранних поселений Мохенджо-Даро и Хараппы в долине Инда , служат свидетельством ранней деятельности, связанной с ирригацией. и борьба с наводнениями . По мере расширения городов возводились постройки, поддерживаемые формализованными фундаментами. Древние греки, в частности, строили ступенчатые фундаменты и ленточно-плотные фундаменты. Однако до 18 века не было разработано теоретической основы дизайна почвы, и эта дисциплина была скорее искусством, чем наукой, опиравшейся на опыт. [1]
Несколько инженерных проблем, связанных с фундаментом, таких как Пизанская башня , побудили ученых начать использовать более научный подход к изучению недр. Самые ранние успехи произошли в развитии теории давления грунта для строительства подпорных стенок . Анри Готье, французский королевский инженер, в 1717 году признал «естественный наклон» различных почв — идея, позже известная как угол естественного откоса почвы . Примерно в то же время была разработана элементарная система классификации почв, основанная на удельном весе материала, который больше не считается хорошим показателем типа почвы. [1] [2]
Применение принципов механики к почвам было задокументировано еще в 1773 году, когда Чарльз Кулон , физик и инженер, разработал улучшенные методы определения давления земли на военные валы. Кулон заметил, что при разрушении за скользящей подпорной стенкой образуется отчетливая плоскость скольжения, и предположил, что максимальное напряжение сдвига на плоскости скольжения для целей проектирования представляет собой сумму сцепления грунта , и трения , где напряжение на плоскости скольжения и – угол трения грунта. Объединив теорию Кулона с двумерным стрессовым состоянием Кристиана Отто Мора , теория стала известна как теория Мора-Кулона . Хотя в настоящее время признано, что точное определение сцепления невозможно, поскольку оно не является фундаментальным свойством почвы, теория Мора-Кулона до сих пор используется на практике. [3]
В 19 веке Генри Дарси разработал то, что сейчас известно как закон Дарси , описывающий течение жидкостей в пористой среде . Жозеф Буссинеск , математик и физик, разработал теории распределения напряжений в упругих твердых телах, которые оказались полезными для оценки напряжений на глубине в земле. Уильям Рэнкин , инженер и физик, разработал альтернативу теории давления Земли Кулона. Альберт Аттерберг разработал индексы консистенции глины , которые до сих пор используются для классификации почв. [1] [2] В 1885 году Осборн Рейнольдс признал, что сдвиг вызывает объемное расширение плотных материалов и сжатие рыхлых зернистых материалов .
Считается, что современная геотехническая инженерия началась в 1925 году с публикации книги «Эрдбаумеханик» Карла фон Терцаги , инженера-механика и геолога. Терзаги, которого многие считают отцом современной механики грунтов и геотехнической инженерии, разработал принцип эффективного напряжения и продемонстрировал, что прочность грунта на сдвиг контролируется эффективным напряжением. [4] Терзаги также разработал основу для теорий несущей способности фундаментов и теорию прогнозирования скорости оседания слоев глины из-за консолидации . [1] [3] [5] Впоследствии Морис Био полностью разработал трехмерную теорию консолидации почвы, расширив одномерную модель, ранее разработанную Терзаги, до более общих гипотез и введя набор основных уравнений пороупругости .
В своей книге 1948 года Дональд Тейлор признал, что переплетение и расширение плотно упакованных частиц способствует максимальной прочности почвы. Роско, Шофилд и Рот, опубликовав в 1958 году книгу « О текучести почв» , установили взаимосвязь между поведением изменения объема (расширение, сжатие и консолидация) и поведением сдвига с теорией пластичности , используя механику почвы критического состояния. Механика критического состояния почвы лежит в основе многих современных передовых конститутивных моделей, описывающих поведение почвы. [6]
В 1960 году Алек Скемптон провел обширный обзор имеющихся в литературе формулировок и экспериментальных данных о достоверности эффективных напряжений в почве, бетоне и горных породах, чтобы отвергнуть некоторые из этих выражений, а также выяснить, какие выражения подходят согласно к нескольким рабочим гипотезам, таким как поведение напряжения-деформации или прочности, насыщенные или ненасыщенные среды, а также поведение горных пород, бетона или грунта.
Инженеры-геотехники исследуют и определяют свойства подземных условий и материалов. Они также проектируют соответствующие земляные работы и подпорные конструкции , туннели и фундаменты сооружений , а также могут контролировать и оценивать объекты, что может в дальнейшем включать мониторинг объектов, а также оценку рисков и смягчение последствий стихийных бедствий . [7] [8]
Инженеры-геотехники и инженерные геологи проводят геотехнические исследования для получения информации о физических свойствах почвы и горных пород, лежащих под участком и прилегающих к нему, для проектирования земляных работ и фундаментов предлагаемых сооружений, а также для устранения повреждений земляных сооружений и сооружений, вызванных подземными условиями. Геотехнические исследования включают как наземное, так и подземное исследование участка, часто включая отбор проб из недр и лабораторные испытания извлеченных образцов почвы. Иногда для получения данных применяют также геофизические методы , к которым относятся измерения сейсмических волн (давления, поперечных волн и волн Рэлея ), методы поверхностных волн и скважинные методы, а также электромагнитные исследования (магнитометрические, резистивные и георадиолокационные ). Электрическую томографию можно использовать для исследования свойств почвы и горных пород, а также существующей подземной инфраструктуры в строительных проектах. [9]
Исследование поверхности может включать пешие исследования, геологическое картирование , геофизические методы и фотограмметрию . Геологическое картирование и интерпретация геоморфологии обычно выполняются после консультации с геологом или инженерным геологом . Разведка недр обычно включает испытания на месте (например, стандартное испытание на проникновение и испытание на конусное проникновение ). Рытье испытательных ям и траншей (особенно для обнаружения разломов и плоскостей скольжения ) также можно использовать для изучения состояния почвы на глубине. Буры большого диаметра используются редко из соображений безопасности и затрат, но иногда используются для того, чтобы позволить геологу или инженеру спуститься в скважину для прямого визуального и ручного исследования стратиграфии почвы и горных пород .
Существует множество пробоотборников почвы для удовлетворения потребностей различных инженерных проектов. Стандартный тест на проникновение , в котором используется пробоотборник с толстостенной ложкой, является наиболее распространенным способом сбора потревоженных образцов. Поршневые пробоотборники, в которых используется тонкостенная трубка, чаще всего используются для сбора менее нарушенных проб. Более продвинутые методы, такие как блочный пробоотборник Шербрука, более совершенны, но дороги. При отборе керна из мерзлого грунта можно получить высококачественные ненарушенные образцы из любых грунтовых условий, таких как насыпь, песок, морена и зоны трещин в горных породах. [10]
Геотехническое центрифужное моделирование - еще один метод тестирования моделей геотехнических задач в физическом масштабе. Использование центрифуги повышает сходство испытаний на масштабной модели грунта, поскольку прочность и жесткость грунта очень чувствительны к давлению . Центробежное ускорение позволяет исследователю получать большие напряжения (масштаба прототипа) в небольших физических моделях.
Фундамент инфраструктуры сооружения передает нагрузки от сооружения на землю. Инженеры- геотехники проектируют фундаменты с учетом нагрузочных характеристик конструкции и свойств грунтов и коренных пород на площадке. Как правило, инженеры-геотехники сначала оценивают величину и расположение поддерживаемых нагрузок, прежде чем разрабатывать план исследования недр, а также определять необходимые параметры грунта посредством полевых и лабораторных испытаний. После этого можно приступать к проектированию инженерного фундамента. Основными факторами, которые должен учитывать инженер-геотехник при проектировании фундамента, являются несущая способность , осадка и движение грунта под фундаментом. [11]
Инженеры-геотехники также участвуют в планировании и выполнении земляных работ , которые включают улучшение грунта, [11] стабилизацию склонов и анализ устойчивости очистных забоев.
Для улучшения грунта можно использовать различные геотехнические методы, в том числе армирующие геосинтетики , такие как геоячейки и георешетки, которые распределяют нагрузки на большую площадь, увеличивая несущую способность грунта. С помощью этих методов инженеры-геотехники могут сократить прямые и долгосрочные затраты. [12]
Инженеры-геотехники могут анализировать и улучшать устойчивость склонов, используя инженерные методы. Устойчивость склона определяется балансом напряжения сдвига и прочности на сдвиг . Ранее устойчивый склон может изначально подвергаться воздействию различных факторов, что делает его нестабильным. Тем не менее, инженеры-геотехники могут спроектировать и построить уклоны для повышения устойчивости.
Анализ устойчивости необходим для проектирования инженерных откосов и для оценки риска обрушения склонов на естественных или спроектированных склонах путем определения условий, при которых самая верхняя масса грунта будет смещаться относительно основания грунта и приведет к обрушению откоса. [13] Если граница между массой и основанием склона имеет сложную геометрию, анализ устойчивости склона затруднен и требуются методы численного решения . Обычно точная геометрия интерфейса неизвестна и предполагается упрощенная геометрия интерфейса. Конечные уклоны требуют анализа трехмерных моделей, поэтому большинство уклонов анализируются в предположении, что они имеют бесконечную ширину и могут быть представлены двумерными моделями.
Геосинтетики — это тип пластиковых полимерных изделий, используемых в геотехнической инженерии, которые улучшают инженерные характеристики при одновременном снижении затрат. Сюда входят геотекстиль , геосетки , геомембраны , геоячейки и геокомпозиты . Синтетическая природа продуктов делает их пригодными для использования в грунте, где требуется высокий уровень прочности. Их основные функции включают дренаж , фильтрацию , армирование, разделение и сдерживание.
Геосинтетические материалы доступны в широком диапазоне форм и материалов, каждый из которых подходит для разных целей конечного использования, хотя они часто используются вместе. Некоторые армирующие геосинтетики, такие как георешетки, а в последнее время и ячеистые удерживающие системы, показали улучшение несущей способности, коэффициента модуляции, а также жесткости и прочности грунта. [14] Эти продукты имеют широкий спектр применения и в настоящее время используются во многих сферах гражданского и геотехнического строительства, включая дороги, аэродромы, железные дороги, насыпи , свайные насыпи, подпорные конструкции, водохранилища , каналы, плотины, свалки , берегоукрепительные сооружения и прибрежное строительство. . [15]
Морская (или морская ) геотехническая инженерия занимается проектированием фундаментов для искусственных сооружений в море , вдали от береговой линии (в отличие от береговой или прибрежной инженерии). Нефтяные платформы , искусственные острова и подводные трубопроводы являются примерами таких сооружений. [16]
Существует ряд существенных различий между наземными и морскими геотехническими разработками. [16] [17] Примечательно, что исследование местности и благоустройство морского дна обходятся дороже; морские сооружения подвергаются более широкому спектру геологических опасностей ; а экологические и финансовые последствия в случае неудачи будут выше. Морские сооружения подвергаются различным нагрузкам окружающей среды, в частности, ветру , волнам и течениям . Эти явления могут повлиять на целостность или работоспособность конструкции и ее фундамента в течение срока ее эксплуатации, и их необходимо учитывать при проектировании морских объектов.
В подводной геотехнической инженерии материалы морского дна считаются двухфазным материалом, состоящим из горных пород или минеральных частиц и воды. [18] [19] Конструкции могут быть закреплены на морском дне — как в случае с пирсами , причалами и ветряными турбинами с фиксированным дном — или могут представлять собой плавучую конструкцию, которая остается примерно зафиксированной относительно своей геотехнической точки крепления. Подводные стоянки искусственных плавучих сооружений включают большое количество морских нефтегазовых платформ , а с 2008 года — несколько плавучих ветряных турбин . Два распространенных типа инженерных конструкций для крепления плавучих конструкций включают в себя натяжные опоры и подвесные системы свободного швартования . [20]
Метод наблюдения , впервые предложенный Карлом Терцаги и позже обсужденный в статье Ральфа Б. Пека , представляет собой управляемый процесс строительного контроля, мониторинга и анализа, который позволяет вносить изменения во время и после строительства. Целью метода является достижение большей общей экономии без ущерба для безопасности за счет создания конструкций, основанных на наиболее вероятных условиях, а не на наиболее неблагоприятных. [21] Используя метод наблюдения, пробелы в доступной информации заполняются измерениями и исследованиями, которые помогают оценить поведение конструкции во время строительства , которое, в свою очередь, может быть изменено в соответствии с результатами. Этот метод был описан Пек как «обучение на ходу». [22]
Метод наблюдения можно описать следующим образом: [22]
Метод наблюдения подходит для уже начатого строительства, когда происходит неожиданное развитие событий или когда надвигается или уже произошла авария или авария . Он непригоден для проектов, дизайн которых не может быть изменен во время строительства. [22]
