Геотехническая инженерия , также известная как геотехника , является отраслью гражданского строительства, занимающейся инженерным поведением земных материалов . Она использует принципы механики грунтов и механики горных пород для решения своих инженерных задач. Она также опирается на знания геологии , гидрологии , геофизики и других смежных наук.
Геотехническая инженерия применяется в военной инженерии , горном деле , нефтяном деле , прибрежном деле 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, ирригационных целей, мест захоронения, фундаментов зданий и строительных материалов для зданий. Плотины, дамбы и каналы, датируемые как минимум 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 , свидетельствуют о ранней деятельности, связанной с ирригацией и борьбой с наводнениями . По мере расширения городов возводились сооружения и поддерживались формализованными фундаментами. Древние греки, в частности, строили блочные фундаменты и ленточные фундаменты с плотиной. Однако до 18 века не было разработано никакой теоретической основы для проектирования почвы, и эта дисциплина была скорее искусством, чем наукой, полагаясь на опыт. [1]
Несколько инженерных проблем, связанных с фундаментом, таких как Пизанская башня , побудили ученых начать применять более научный подход к изучению недр. Самые ранние достижения были достигнуты в разработке теорий давления грунта для строительства подпорных стенок . Анри Готье, французский королевский инженер, в 1717 году распознал «естественный уклон» различных почв, идея, позже известная как угол естественного откоса почвы . Примерно в то же время была также разработана элементарная система классификации почв, основанная на удельном весе материала, который больше не считается хорошим показателем типа почвы. [1] [2]
Применение принципов механики к грунтам было задокументировано еще в 1773 году, когда Чарльз Кулон , физик и инженер, разработал усовершенствованные методы определения давления грунта на военные валы. Кулон заметил, что при разрушении за скользящей подпорной стенкой образуется отчетливая плоскость скольжения, и предположил, что максимальное касательное напряжение на плоскости скольжения для целей проектирования было суммой сцепления грунта, и трения , где — нормальное напряжение на плоскости скольжения, а — угол трения грунта. Объединив теорию Кулона с двумерным напряженным состоянием Христиана Отто Мора , теория стала известна как теория Мора-Кулона . Хотя сейчас признано, что точное определение сцепления невозможно, поскольку оно не является фундаментальным свойством грунта, теория Мора-Кулона до сих пор используется на практике. [3]
В 19 веке Генри Дарси разработал то, что сейчас известно как закон Дарси , описывающий поток жидкостей в пористой среде . Джозеф 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 обнаружил, что сдвиг вызывает объемное расширение плотных материалов и сжатие рыхлых зернистых материалов .
Современная геотехническая инженерия, как говорят, началась в 1925 году с публикации Erdbaumechanik Карла фон Терцаги , инженера-механика и геолога. Многие считают его отцом современной механики грунтов и геотехнической инженерии, Терцаги разработал принцип эффективного напряжения и продемонстрировал, что прочность грунта на сдвиг контролируется эффективным напряжением. [4] Терцаги также разработал основу для теорий несущей способности фундаментов и теорию прогнозирования скорости осадки глинистых слоев из-за консолидации . [1] [3] [5] Впоследствии Морис Био полностью разработал трехмерную теорию консолидации грунта, расширив одномерную модель, ранее разработанную Терцаги, до более общих гипотез и введя набор основных уравнений пороупругости .
В своей книге 1948 года Дональд Тейлор признал, что взаимосвязь и расширение плотно упакованных частиц способствовали пиковой прочности почвы. Роско, Шофилд и Рот, опубликовав книгу « О податливости почв» в 1958 году, установили взаимосвязь между поведением изменения объема (расширение, сокращение и консолидация) и поведением сдвига с помощью теории пластичности , используя механику критического состояния почвы. Механика критического состояния почвы является основой для многих современных передовых конститутивных моделей, описывающих поведение почвы. [6]
В 1960 году Алек Скемптон провел обширный обзор имеющихся в литературе формулировок и экспериментальных данных об эффективности напряжений в грунте, бетоне и скальных породах с целью отвергнуть некоторые из этих выражений, а также выяснить, какие выражения были бы уместны в соответствии с несколькими рабочими гипотезами, такими как поведение напряженно-деформированного состояния или прочности, насыщенные или ненасыщенные среды, а также поведение скальных 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 конструкций , а также могут контролировать и оценивать объекты, что может дополнительно включать мониторинг объекта, а также оценку риска и смягчение последствий стихийных бедствий . [7] [8]
Инженеры-геотехники и инженеры-геологи выполняют геотехнические исследования для получения информации о физических свойствах почвы и горных пород, лежащих под землей и прилегающих к участку, для проектирования земляных работ и фундаментов для предлагаемых сооружений и для ремонта разрушений земляных работ и сооружений, вызванных подземными условиями. Геотехнические исследования включают поверхностное и подземное исследование участка, часто включающее отбор проб под землей и лабораторные испытания извлеченных образцов почвы. Иногда для получения данных также используются геофизические методы , которые включают измерение сейсмических волн (продольных, сдвиговых и волн Рэлея ), методы поверхностных волн и скважинные методы, а также электромагнитные исследования (магнитометр, резистивный и георадар ). Электрическая томография может использоваться для исследования свойств почвы и горных пород и существующей подземной инфраструктуры в строительных проектах. [9]
Поверхностное исследование может включать пешие обследования, геологическое картирование , геофизические методы и фотограмметрию . Геологическое картирование и интерпретация геоморфологии обычно выполняются в консультации с геологом или инженером-геологом . Подземное исследование обычно включает в себя тестирование на месте (например, стандартное испытание на проникновение и испытание на конусное проникновение ). Рытье шурфов и траншей (особенно для определения местоположения разломов и плоскостей скольжения ) также может использоваться для изучения состояния почвы на глубине. Скважины большого диаметра редко используются из-за проблем безопасности и расходов. Тем не менее, они иногда используются, чтобы позволить геологу или инженеру спуститься в скважину для прямого визуального и ручного обследования стратиграфии почвы и горных пород .
Существуют различные пробоотборники почвы для удовлетворения потребностей различных инженерных проектов. Стандартный тест на проникновение , в котором используется толстостенный раздельный ложечный пробоотборник, является наиболее распространенным способом сбора нарушенных образцов. Поршневые пробоотборники, использующие тонкостенную трубку, чаще всего используются для сбора менее нарушенных образцов. Более продвинутые методы, такие как блочный пробоотборник Шербрука, превосходны, но дороги. Бурение мерзлого грунта обеспечивает высококачественные ненарушенные образцы из грунтовых условий, таких как засыпка, песок, морена и зоны разломов горных пород. [10]
Геотехническое моделирование центрифугой — еще один метод тестирования моделей геотехнических проблем в физическом масштабе. Использование центрифуги повышает сходство испытаний масштабных моделей с участием грунта, поскольку прочность и жесткость грунта восприимчивы к ограничивающему давлению . Центробежное ускорение позволяет исследователю получать большие (прототипного масштаба) напряжения в небольших физических моделях.
Фундамент инфраструктуры сооружения передает нагрузки от сооружения к земле. Инженеры -геотехники проектируют фундаменты на основе характеристик нагрузки сооружения и свойств грунтов и коренных пород на участке. Как правило, инженеры-геотехники сначала оценивают величину и местоположение нагрузок, которые необходимо поддерживать, прежде чем разрабатывать план исследований для изучения недр и определения необходимых параметров грунта с помощью полевых и лабораторных испытаний. После этого они могут начать проектирование инженерного фундамента. Основными соображениями для инженера-геотехника 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 склонов.
Для улучшения грунта можно использовать различные методы геотехнической инженерии, включая армирующие геосинтетики , такие как геоячейки и георешетки, которые распределяют нагрузку по большей площади, увеличивая несущую способность почвы. С помощью этих методов инженеры-геотехники могут сократить прямые и долгосрочные затраты. [12]
Инженеры-геотехники могут анализировать и улучшать устойчивость склона, используя инженерные методы. Устойчивость склона определяется балансом касательного напряжения и прочности на сдвиг . Ранее устойчивый склон может изначально подвергаться влиянию различных факторов, что делает его неустойчивым. Тем не менее, инженеры-геотехники могут проектировать и реализовывать спроектированные склоны для повышения устойчивости.
Анализ устойчивости необходим для проектирования инженерных склонов и оценки риска обрушения склона на естественных или спроектированных склонах путем определения условий, при которых верхняя масса почвы будет скользить относительно основания почвы и приводить к обрушению склона. [13] Если интерфейс между массой и основанием склона имеет сложную геометрию, анализ устойчивости склона затруднен и требуются численные методы решения . Как правило, точная геометрия интерфейса неизвестна, и предполагается упрощенная геометрия интерфейса. Конечные склоны требуют анализа трехмерных моделей, поэтому большинство склонов анализируются, предполагая, что они бесконечно широкие и могут быть представлены двумерными моделями.
Геосинтетика — это тип пластиковых полимерных изделий, используемых в геотехнической инженерии, которые улучшают инженерные характеристики при одновременном снижении затрат. Сюда входят геотекстиль , георешетки , геомембраны , геоячейки и геокомпозиты . Синтетическая природа изделий делает их пригодными для использования в грунте, где требуется высокая прочность. Их основными функциями являются дренаж , фильтрация , армирование, разделение и сдерживание.
Геосинтетика доступна в широком диапазоне форм и материалов, каждая из которых подходит для немного различного конечного использования, хотя они часто используются вместе. Некоторые армирующие геосинтетики, такие как георешетки и, в последнее время, ячеистые системы ограничения , показали улучшение несущей способности, коэффициентов модуля, жесткости и прочности грунта. [14] Эти продукты имеют широкий спектр применения и в настоящее время используются во многих гражданских и геотехнических инженерных приложениях, включая дороги, аэродромы, железные дороги, насыпи , свайные насыпи, подпорные конструкции, водохранилища , каналы, плотины , свалки , берегоукрепление и прибрежное строительство. [15]
Оффшорная (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 наземной и морской геотехнической инженерией. [16] [17] В частности, исследование участка и улучшение грунта на морском дне обходятся дороже; морские конструкции подвергаются более широкому спектру геологических опасностей ; а экологические и финансовые последствия выше в случае отказа. Морские конструкции подвергаются различным нагрузкам окружающей среды, в частности, ветру , волнам и течениям . Эти явления могут повлиять на целостность или эксплуатационную пригодность конструкции и ее основания в течение срока ее эксплуатации и должны учитываться при проектировании морских конструкций.
В подводной геотехнической инженерии материалы морского дна считаются двухфазным материалом, состоящим из частиц горных пород или минералов и воды. [18] [19] Конструкции могут быть закреплены на месте на морском дне — как в случае с пирсами , причалами и ветряными турбинами с фиксированным дном — или могут включать плавающую конструкцию, которая остается приблизительно фиксированной относительно своей геотехнической точки крепления. Подводная швартовка плавучих конструкций, спроектированных человеком, включает большое количество морских нефтяных и газовых платформ и, с 2008 года, несколько плавучих ветряных турбин . Два распространенных типа инженерной конструкции для закрепления плавучих конструкций включают системы швартовки с натяжными опорами и цепные свободные швартовочные системы. [20]
Впервые предложенный Карлом Терзаги и позднее обсуждаемый в статье Ральфа Б. Пека , метод наблюдения представляет собой управляемый процесс контроля строительства, мониторинга и обзора, который позволяет вносить изменения во время и после строительства. Метод направлен на достижение большей общей экономии без ущерба для безопасности путем создания проектов, основанных на наиболее вероятных условиях, а не на самых неблагоприятных. [21] Используя метод наблюдения, пробелы в имеющейся информации заполняются измерениями и исследованиями, которые помогают оценить поведение конструкции во время строительства , которое, в свою очередь, может быть изменено в соответствии с выводами. Метод был описан Пеком как «учись по ходу дела». [22]
Метод наблюдения можно описать следующим образом: [22]
Метод наблюдения подходит для строительства, которое уже началось, когда происходит непредвиденное развитие или когда надвигается или уже произошла авария или несчастный случай . Он не подходит для проектов, дизайн которых не может быть изменен во время строительства. [22]
