Механика грунтов

Раздел физики почв и прикладной механики, описывающий поведение почв.

Пизанская башня – пример проблемы из-за деформации грунта

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

Земляные работы в Германии

Ледник Фокса, Новая Зеландия: Почва образуется и переносится в результате интенсивного выветривания и эрозии.

Механика почв — раздел физики почв и прикладной механики , описывающий поведение почв . Она отличается от механики жидкости и механики твердого тела тем, что почвы состоят из неоднородной смеси жидкостей (обычно воздуха и воды) и частиц (обычно глины , ила , песка и гравия ), но почва также может содержать органические твердые вещества и другие вещества. ^{[1] [2] [3] [4]} Наряду с механикой горных пород , механика грунтов обеспечивает теоретическую основу для анализа в геотехнической инженерии , ^[5] субдисциплине гражданского строительства и инженерной геологии , субдисциплине геологии . Механика грунта используется для анализа деформаций и течения жидкостей в природных и искусственных конструкциях, которые опираются на почву или изготовлены из нее, или конструкциях, заглубленных в почву. ^[6] Примерами применения являются фундаменты зданий и мостов, подпорные стены, плотины и подземные трубопроводные системы. Принципы механики грунтов также используются в смежных дисциплинах, таких как геофизическая инженерия , береговая инженерия , сельскохозяйственная инженерия , гидрология и физика почв .

В этой статье описаны генезис и состав почвы, различие между поровым давлением воды и межзеренным эффективным напряжением , капиллярное действие жидкостей в поровом пространстве почвы, классификация почвы , просачивание и проницаемость , зависящее от времени изменение объема из-за выдавливания воды. крошечных поровых пространств, также известных как консолидация , прочность на сдвиг и жесткость грунтов. Прочность грунтов на сдвиг в первую очередь обусловлена ​​трением между частицами и сцеплением, которые очень чувствительны к эффективному напряжению. ^{[7] [6]} Статья завершается некоторыми примерами применения принципов механики грунтов, таких как устойчивость склонов, боковое давление грунта на подпорные стены и несущая способность фундаментов.

Генезис и состав почв

Бытие

Основным механизмом образования почвы является выветривание горных пород. Все типы горных пород ( магматические породы , метаморфические породы и осадочные породы ) могут быть разбиты на мелкие частицы для создания почвы. Механизмами выветривания являются физическое выветривание, химическое выветривание и биологическое выветривание. ^{[1] [2] [3]} Деятельность человека, такая как раскопки, взрывные работы и вывоз мусора, также может создавать почву. С течением геологического времени глубоко погребенные почвы могут быть изменены под воздействием давления и температуры и стать метаморфическими или осадочными породами, а если они снова расплавятся и затвердеют, они завершат геологический цикл, превратившись в магматическую породу. ^[3]

К физическому выветриванию относятся температурные воздействия, замерзание и оттаивание воды в трещинах, дождь, ветер, удары и другие механизмы. Химическое выветривание включает растворение вещества, составляющего породу, и осаждение в виде другого минерала. Глинистые минералы, например, могут образовываться в результате выветривания 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 чаще всего встречается 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, маленькие кусочки разбитых камней .

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

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

Транспорт

Пример горизонтов почвы. а) верхний слой почвы и коллювий б) зрелая остаточная почва в) молодая остаточная почва г) выветрелая порода

На почвенные отложения влияет механизм транспорта и отложения к месту их нахождения. Почвы, которые не транспортируются, называются остаточными почвами — они существуют в том же месте, что и порода, из которой они образовались. Разложившийся гранит является распространенным примером остаточной почвы. Обычными механизмами переноса являются действия силы тяжести, льда, воды и ветра. Переносимые ветром почвы включают пески дюн и лёссы . Вода переносит частицы разного размера в зависимости от скорости воды, поэтому почвы, переносимые водой, классифицируются в зависимости от их размера. Ил и глина могут оседать в озере, а гравий и песок собираются на дне русла реки. Отложения почвы, переносимые ветром ( эоловые почвы), также обычно сортируются по размеру зерен. Эрозия у подножия ледников достаточно мощная, чтобы поднять не только почву, но и большие камни и валуны; Почвы, выпавшие в результате таяния льда, могут представлять собой хорошо сортированную смесь частиц самых разных размеров. Сама по себе гравитация также может сносить частицы вниз с вершины горы, образуя у подножия кучу почвы и валунов; Отложения почвы, переносимые под действием силы тяжести, называются коллювием . ^{[1] [2]}

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

Состав почвы

Минералогия почвы

Илы, пески и гравий классифицируются по размеру и, следовательно, 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 — другие распространенные минералы, присутствующие в песках и иле. ^[1] Минеральные компоненты гравия могут быть более похожи на состав материнской породы.

Обычными глинистыми минералами являются монтмориллонит или смектит , иллит и каолинит или каолин. Эти минералы имеют тенденцию образовываться в виде пластинчатых или пластинчатых структур с длиной обычно от 10 ^-7  м до 4x10 ^-6  м и толщиной обычно от 10 ^-9  м до 2x10 ^-6  м, и они имеют относительно большую удельную площадь поверхности. . Удельная площадь поверхности (SSA) определяется как отношение площади поверхности частиц к массе частиц. Глинистые минералы обычно имеют удельную площадь поверхности от 10 до 1000 квадратных метров на грамм твердого вещества. ^[3] Из-за большой площади поверхности, доступной для химического, электростатического и ван-дер-ваальсовского 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 состоят преимущественно из атомов кислорода, кремния, водорода и алюминия, организованных в различные кристаллические формы. Эти элементы вместе с кальцием, натрием, калием, магнием и углеродом составляют более 99% твердой массы почв. ^[1]

Гранулометрический состав

Почвы состоят из смеси частиц разного размера, формы и минералогии. Поскольку размер частиц, очевидно, оказывает существенное влияние на поведение почвы, для классификации почв используются размер зерна и гранулометрический состав. Распределение зерен по размерам описывает относительные пропорции частиц разных размеров. Размер зерна часто визуализируется на графике совокупного распределения, который, например, отображает процент частиц мельче заданного размера в зависимости от размера. Средний размер зерна – это размер, при котором 50% массы частиц состоит из более мелких частиц. В поведении почвы, особенно в гидравлической проводимости , обычно преобладают более мелкие частицы, поэтому термин «эффективный размер», обозначаемый , определяется как размер, при котором 10% массы частиц состоит из более мелких частиц. ${\displaystyle D_{50}}$ ${\displaystyle D_{10}}$

Пески и гравий, обладающие широким диапазоном размеров частиц с плавным распределением частиц по размерам, называются хорошо сортированными почвами. Если частицы почвы в образце имеют преимущественно относительно узкий диапазон размеров, образец считается однородным . Если образец почвы имеет отчетливые пробелы в градационной кривой, например, смесь гравия и мелкого песка без крупного песка, образец может быть классифицирован по пробелам . Почвы с равномерным и неоднородным составом считаются плохо сортированными . Существует множество методов измерения гранулометрического состава . Двумя традиционными методами являются ситовой анализ и анализ ареометром.

Ситовой анализ

Сито

Распределение частиц гравия и песка по размерам обычно измеряется с помощью ситового анализа. Формальная процедура описана в ASTM D6913-04 (2009). ^[8] Для разделения частиц на контейнеры по размеру используется стопка сит с отверстиями точного размера между сеткой из проволоки. Известный объем высушенной почвы с комьями, разбитыми на отдельные частицы, помещается наверх стопки сит, расположенных от крупного к мелкому. Стопку сит встряхивают в течение стандартного периода времени, чтобы частицы рассортировались по бункерам по размеру. Этот метод достаточно хорошо работает для частиц размером в песок и гравий. Мелкие частицы имеют тенденцию прилипать друг к другу, поэтому процесс просеивания не является эффективным методом. Если в почве много мелких частиц (ил и глина), возможно, придется пропустить воду через сита, чтобы промыть крупные частицы и комья.

Доступны различные размеры сит. Граница между песком и илом условна. 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 отверстием 0,075 мм отделяет песок от ила и глины. По британскому стандарту граница между песком и илом — 0,063 мм, а между песком и гравием — 2 мм. ^[3]

Анализ ареометра

Классификация мелкозернистых почв, т. е. почв мельче песка, определяется в первую очередь их пределами по Аттербергу , а не размером зерен. Если важно определить гранулометрический состав мелкозернистых почв, можно провести испытание ареометром. В ходе испытаний ареометром частицы почвы смешиваются с водой и встряхиваются для получения разбавленной суспензии в стеклянном цилиндре, а затем цилиндр оставляют на место. Ареометр используется для измерения плотности суспензии в зависимости от времени. Частицам глины может потребоваться несколько часов, чтобы оседать за пределы глубины измерения ареометра. Частицам песка может потребоваться меньше секунды. Закон Стокса обеспечивает теоретическую основу для расчета взаимосвязи между скоростью седиментации и размером частиц. ASTM предоставляет подробные процедуры проведения испытаний ареометра.

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

Отношения массы и объема

Фазовая диаграмма почвы с указанием масс и объемов воздуха, твердого вещества, воды и пустот.

Существует множество параметров, используемых для описания относительных пропорций воздуха, воды и твердых веществ в почве. В этом разделе определяются эти параметры и некоторые их взаимосвязи. ^{[2] [6]} Основные обозначения следующие:

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

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

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

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

Обратите внимание, что веса 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 веществ , ${\displaystyle G_{s}={\frac {\rho _{s}}{\rho _{w}}}}$

Обратите внимание, что удельный вес , условно обозначаемый символом, можно получить путем умножения плотности ( ) материала на ускорение свободного падения . ${\displaystyle \gamma }$ ${\displaystyle \rho }$ ${\displaystyle g}$

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

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

Сухая плотность представляет собой массу твердых веществ, разделенную на общий объем воздуха, воды и твердых веществ: ${\displaystyle \rho _{d}}$

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

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 пустот , , – это отношение объема пустот к объему твердых веществ: ${\displaystyle e}$

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

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 , , – отношение объема воды к объему пустот: ${\displaystyle S}$

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

Из приведенных выше определений можно вывести некоторые полезные соотношения с помощью базовой алгебры.

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

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

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

Классификация почв

Инженеры-геотехники классифицируют типы частиц почвы, выполняя испытания нарушенных (высушенных, пропущенных через сита и переформованных) образцов почвы. Это дает информацию о характеристиках самих зерен почвы. Классификация типов зерен, присутствующих в почве, не учитывает важные эффекты структуры или структуры почвы , терминов, которые описывают компактность частиц и закономерности расположения частиц в несущем каркасе, а также размер пор. и распределение поровой жидкости. Инженерные геологи также классифицируют почвы на основе их происхождения и истории отложения.

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 песок (обозначенный символом S ) классифицируются в соответствии с гранулометрическим составом. По USCS гравию может быть присвоен классификационный символ GW (гравий хорошего качества), GP (гравий плохого качества), 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 . Песок и гравий с небольшим, но немаловажным количеством мелочи (5–12%) могут быть отнесены к двойной классификации, например, SW-SC .

Пределы Аттерберга

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

Предел жидкости — это содержание воды, при котором поведение почвы переходит от пластичного твердого состояния к жидкому. Предел пластичности — это содержание воды, при котором поведение почвы переходит от пластичного твердого тела к хрупкому. Предел усадки соответствует содержанию воды, ниже которого почва не будет сжиматься при высыхании. Консистенция мелкозернистой почвы изменяется пропорционально содержанию воды в почве.

Поскольку переходы из одного состояния в другое постепенные, в тестах были приняты произвольные определения для определения границ состояний. Предел жидкости определяется путем измерения содержания воды, при котором канавка закрывается после 25 ударов в стандартном тесте. ^[9] В качестве альтернативы для измерения предела жидкости можно использовать испытательное устройство с падающим конусом . Недренированная прочность на сдвиг переформованного грунта на пределе жидкости составляет примерно 2 кПа. ^{[4] [10]} Предел пластичности — это содержание воды, ниже которого невозможно вручную скатать почву в цилиндры диаметром 3 мм. Почва растрескивается или разрушается, когда ее скатывают до этого диаметра. Переформованный грунт на пределе пластичности довольно жесткий, его прочность на сдвиг в недренированном состоянии составляет около 200 кПа. ^{[4] [10]}

Индекс пластичности конкретного образца почвы определяется как разница между пределом жидкости и пределом пластичности образца; это показатель того, сколько воды могут поглотить частицы почвы в образце, и он коррелирует со многими инженерными свойствами, такими как проницаемость, сжимаемость, прочность на сдвиг и другие. Обычно глины, обладающие высокой пластичностью, имеют более низкую проницаемость, а также их трудно уплотнять.

Классификация илов и глин

Согласно Единой системе классификации почв (УСКС), илы и глины классифицируются путем нанесения значений их индекса пластичности и предела текучести на карту пластичности. Линия А на диаграмме отделяет глину (обозначенную символом USCS C ) от ила (обозначенной символом M ). LL=50% отделяет грунты с высокой пластичностью (с обозначением модификатора H ) от грунтов с низкой пластичностью (с обозначением модификатора L ). Почва, расположенная выше линии А и имеющая LL>50%, например, будет классифицирована как CH . Другими возможными классификациями алевритов и глин являются ML , CL и MH . Если пределы Аттерберга располагаются в «заштрихованной» области графика рядом с началом координат, почвам присваивается двойная классификация «CL-ML».

Показатели, связанные с прочностью грунта

Индекс ликвидности

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

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

Когда LI равен 1, переформованный грунт находится на пределе жидкости и имеет прочность на сдвиг в недренированном состоянии около 2 кПа. Когда почва находится на пределе пластичности , LI равен 0, а прочность на сдвиг в недренированном состоянии составляет около 200 кПа. ^{[4] [11]}

Относительная плотность

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

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

где: — «максимальная доля пустот», соответствующая очень рыхлому состоянию, — «минимальная доля пустот», соответствующая очень плотному состоянию, и — доля пустот in situ . Методы, используемые для расчета относительной плотности, определены в ASTM D4254-00 (2006). ^[12] ${\displaystyle e_{max}}$ ${\displaystyle e_{min}}$ ${\displaystyle e}$

Например, если песок или гравий очень плотные, а почва очень рыхлая и неустойчивая. ${\displaystyle D_{r}=100\%}$ ${\displaystyle D_{r}=0\%}$

Просачивание: установившийся поток воды.

Поперечное сечение, показывающее уровень грунтовых вод, меняющийся в зависимости от топографии поверхности, а также высокий уровень грунтовых вод.

Если давление жидкости в почвенном отложении равномерно увеличивается с глубиной, то будут преобладать гидростатические условия и жидкости не будут течь через почву. это глубина ниже уровня грунтовых вод. Однако, если уровень грунтовых вод наклонный или имеется приподнятый уровень грунтовых вод, как показано на прилагаемом рисунке, произойдет просачивание . При установившемся просачивании скорости просачивания не меняются со временем. Если уровень грунтовых вод со временем меняется или если почва находится в процессе консолидации, то условия устойчивого состояния не применяются. ${\displaystyle u=\rho _{w}gz_{w}}$ ${\displaystyle z_{w}}$

Закон Дарси

Схема, показывающая определения и направления 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 в себя вязкость жидкости и собственную проницаемость грунта. Для простого случая горизонтальной трубы, заполненной грунтом.

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

Общий расход (с единицами объема в единицу времени, например, фут ³ /с или м ³ /с) пропорционален собственной проницаемости , , площади поперечного сечения , и скорости изменения порового давления с расстоянием , и обратно пропорциональна динамической вязкости жидкости, . Отрицательный знак необходим, потому что жидкости текут от высокого давления к низкому давлению. 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 была наклонена так, что точка b находилась на другой высоте, чем точка а, уравнение не работало. Эффект подъема 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 точки отсчета ( datum ). Заменив на, получим более общее уравнение течения: ${\displaystyle z}$ ${\displaystyle u}$ ${\displaystyle u_{e}}$

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

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 приведенной скоростью ). Поровая или межтканевая скорость — это средняя скорость молекул жидкости в порах; это связано со скоростью Дарси и пористостью соотношением 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 преимущественно работают над проблемами, связанными с водой, и преимущественно над проблемами на Земле (в условиях земного притяжения). Для этого класса задач инженеры-строители часто записывают закон Дарси в гораздо более простой форме: ^{[4] [6] [15]}

${\displaystyle v=ki}$

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

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

и равно нулю, если точка отсчета для измерения головы 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 изменяться на многие порядки в зависимости от типа грунта. Глины могут иметь гидравлическую проводимость примерно до 1,5 гравия , а гравий может иметь гидравлическую проводимость примерно до 1,5% . Слоистость, неоднородность и нарушения в процессе отбора проб и испытаний делают точное измерение гидравлической проводимости почвы очень сложной задачей. ^[4] ${\displaystyle k}$ ${\displaystyle 10^{-12}{\frac {m}{s}}}$ ${\displaystyle 10^{-1}{\frac {m}{s}}}$

Сеточки

План стоковой сети для оценки расхода воды из ручья в выбрасывающую скважину.

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

Силы просачивания и эрозия

Когда скорость просачивания достаточно велика, может произойти эрозия из-за сопротивления трения, оказываемого на частицы почвы. Вертикальная утечка вверх является источником опасности на нижней стороне шпунтовых свай и под подошвой плотины или дамбы. Эрозия почвы, известная как «почвенные трубопроводы», может привести к разрушению конструкции и образованию провалов . Просачивающаяся вода удаляет почву, начиная с точки выхода просачивания, и эрозия продвигается вверх. ^[17] Термин «кипение песка» используется для описания внешнего вида выпускного конца активной грунтовой трубы. ^[18]

Давление просачивания

Просачивание в направлении вверх снижает эффективное напряжение в почве. Когда давление воды в какой-либо 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 внутри слоя становится равным нулю, когда восходящий гидравлический градиент равен критическому градиенту. ^[15] При нулевом эффективном напряжении почва имеет очень низкую прочность, и слои относительно непроницаемой почвы могут подниматься из-за давления подстилающей воды. Потеря прочности из-за просачивания вверх является частой причиной разрушения дамбы. Состояние нулевого эффективного напряжения, связанное с просачиванием вверх, также называют состоянием разжижения , зыбучего песка или состояния кипения. Зыбучие пески были названы так потому, что частицы почвы движутся и кажутся «живыми» (библейское значение слова «быстрый» – в отличие от «мертвого»). (Обратите внимание, что вас невозможно «засосать» в зыбучие пески. Напротив, вы будете плавать, вытащив из воды примерно половину своего тела.) ^[19]

Эффективное напряжение и капиллярность: гидростатические условия

Сферы, погруженные в воду, снижают эффективный стресс.

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

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

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

где σ — общее напряжение, а u — поровое давление. Непосредственное измерение σ' непрактично , поэтому на практике вертикальное эффективное напряжение рассчитывается на основе порового давления и общего вертикального напряжения. Также важно различать термины «давление» и «стресс». 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 принятого в механике твердого тела соглашения о знаках напряжений.

Тотальный стресс

Для условий ровного грунта общее вертикальное напряжение в точке в среднем равно весу всего, что находится над этой точкой, 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 свободного падения, – удельный вес вышележащего слоя. Если над интересующей точкой имеется несколько слоев почвы или воды, вертикальное напряжение можно рассчитать путем суммирования произведения удельного веса и толщины всех вышележащих слоев. Суммарное напряжение увеличивается с увеличением глубины пропорционально плотности перекрывающего грунта. ${\displaystyle g}$ ${\displaystyle \gamma }$

Таким способом невозможно рассчитать горизонтальное общее напряжение. Боковое давление грунта рассматривается в другом месте.

Поровое давление воды

Гидростатические условия

Вода втягивается в небольшую трубку за счет поверхностного натяжения. Давление воды u отрицательное выше и положительное ниже свободной поверхности воды.

Если в почве нет потока поровой воды, давление поровой воды будет гидростатическим . Зеркало грунтовых вод расположено на глубине, где давление воды равно атмосферному давлению. В гидростатических условиях давление воды увеличивается линейно с глубиной ниже уровня грунтовых вод:

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

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

Капиллярное действие

За счет поверхностного натяжения вода поднимется вверх по небольшому капилляру над свободной поверхностью воды. Аналогичным образом, вода будет подниматься над уровнем грунтовых вод в небольшие поры вокруг частиц почвы. Фактически, почва может быть полностью насыщена водой 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 учтите , что выше уровня грунтовых вод отрицательно. Следовательно, гидростатическое давление воды выше уровня грунтовых вод отрицательное. Толщина зоны капиллярного насыщения зависит от размера пор, но обычно высота варьируется от примерно сантиметра для крупного песка до десятков метров для ила или глины. ^[3] Фактически поровое пространство почвы представляет собой однородный фрактал, например, 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 замка из песка или влажного комка глины. Отрицательное давление воды заставляет воду прилипать к частицам и притягивать их друг к другу, а трение в местах контакта частиц делает замок из песка устойчивым. Но как только замок из мокрого песка 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 между частицами. Отрицательное поровое давление в глинистой почве может быть гораздо более сильным, чем в песке. Отрицательное поровое давление объясняет, почему глинистые почвы сжимаются при высыхании и набухают при увлажнении. Набухание и усадка могут вызвать серьезные повреждения, особенно легких конструкций и дорог. ^[15] ${\displaystyle \sigma '=\sigma -u,}$

В последующих разделах этой статьи рассматривается поровое давление воды при проблемах просачивания и консолидации.

• 
  Вода на контактах частиц
• 
  Межзеренная контактная сила из-за поверхностного натяжения
• 
  Усадка из-за высыхания

Консолидация: переходный поток воды

Аналогия консолидации. Поршень поддерживается водой под ним и пружиной. Когда к поршню прикладывается нагрузка, давление воды увеличивается, чтобы выдержать нагрузку. Поскольку вода медленно просачивается через маленькое отверстие, нагрузка передается от давления воды на силу пружины.

Консолидация – это процесс, при котором почвы уменьшаются в объеме. Это происходит, когда к почве прикладывается напряжение , в результате которого частицы почвы слипаются друг с другом более плотно, что приводит к уменьшению объема. 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. Из слоя песка воду можно выдавить за считанные секунды. Фундамент здания или строительство новой насыпи приведет к уплотнению почвы под ней, что приведет к оседанию, что, в свою очередь, может привести к разрушению здания или насыпи. Карл Терзаги разработал теорию одномерной консолидации, которая позволяет прогнозировать сумму расчетов и время, необходимое для их осуществления. ^[21] 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 . ^[7] Почвы проверяются с помощью одометра для определения индекса сжатия и коэффициента консолидации.

Когда напряжение с консолидированной почвы снимается, почва восстанавливается, втягивая воду обратно в поры и восстанавливая часть объема, потерянного в процессе консолидации. Если напряжение будет применено повторно, почва снова консолидируется по кривой рекомпрессии, определяемой индексом рекомпрессии. Почва, уплотненная под большим давлением и впоследствии разгруженная, считается переуплотненной . Максимальное прошлое вертикальное эффективное напряжение называется напряжением предварительного уплотнения . Почва, которая в настоящее время испытывает максимальное вертикальное эффективное напряжение в прошлом, считается обычно консолидированной . Коэффициент переуплотнения (OCR) представляет собой отношение максимального прошлого вертикального эффективного напряжения к текущему вертикальному эффективному напряжению. OCR важен по двум причинам: во-первых, потому что сжимаемость нормально консолидированного грунта значительно больше, чем у сверхконсолидированного грунта, и, во-вторых, сдвиговое поведение и дилатансия глинистого грунта связаны с OCR через механику критического состояния грунта ; сильно переуплотненные глинистые почвы расширяются, тогда как нормально уплотненные почвы имеют тенденцию к усадке. ^{[2] [3] [4]}

Поведение при сдвиге: жесткость и прочность

Типичная кривая напряжения-деформации для дренированного дилатантного грунта

Прочность на сдвиг и жесткость почвы определяют, будет ли почва стабильной или насколько она будет деформироваться. Знание прочности необходимо для определения того, будет ли склон устойчивым, не осядет ли здание или мост слишком глубоко в землю, а также для определения предельного давления на подпорную стену. Важно различать разрушение элемента грунта и разрушение геотехнической конструкции (например, фундамента здания, склона или подпорной стены); некоторые элементы грунта могут достичь максимальной прочности до разрушения конструкции. Для определения «прочности на сдвиг» и « предела текучести » элемента грунта по кривой растяжения-деформации можно использовать различные критерии . Пиковую прочность на сдвиг можно определить как пик кривой растяжения-деформации, а прочность на сдвиг в критическом состоянии можно определить как значение после больших деформаций, когда сопротивление сдвигу стабилизируется. Если кривая напряжение-деформация не стабилизируется до окончания испытания на прочность на сдвиг, «прочностью» иногда считают сопротивление сдвигу при деформации 15–20%. ^[15] Прочность грунта на сдвиг зависит от многих факторов, включая эффективное напряжение и коэффициент пустотности.

Сдвиговая жесткость важна, например, для оценки величины деформаций фундаментов и откосов перед разрушением, а также потому, что она связана со скоростью поперечной волны . Наклон начальной, почти линейной части графика напряжения сдвига как функции деформации сдвига называется модулем сдвига.

Трение, блокировка и расширение

Угол откоса

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

Но помимо трения почва получает значительное сопротивление сдвигу за счет сцепления зерен. Если зерна плотно упакованы, они имеют тенденцию раздвигаться друг от друга, поскольку подвергаются сдвиговой деформации. Расширение матрицы частиц вследствие сдвига Осборн Рейнольдс назвал дилатансией . ^[11] Если принять во внимание энергию, необходимую для сдвига совокупности частиц, то есть энергия, вносимая поперечной силой T, перемещаясь на расстояние x, а также энергия, вносимая нормальной силой N, когда образец расширяется на расстояние. , й. ^[11] Из-за дополнительной энергии, необходимой частицам для расширения под действием удерживающего давления, расширяющиеся грунты имеют большую пиковую прочность, чем сжимающие грунты. Более того, по мере расширения расширяющихся зерен почвы они становятся более рыхлыми (их коэффициент пустотности увеличивается), а скорость их расширения снижается до тех пор, пока они не достигнут критического коэффициента пустотности. Уплотняющиеся грунты становятся более плотными по мере сдвига, и скорость их сжатия снижается до тех пор, пока они не достигнут критического коэффициента пустотности.

Линия критического состояния разделяет дилатантное и сжимающее состояния почвы.

Тенденция грунта к расширению или сжатию зависит, прежде всего, от всестороннего давления и коэффициента пустотности грунта. Скорость расширения высока, если всестороннее давление невелико, а коэффициент пустотности мал. Скорость сжатия высока, если ограничивающее давление велико и коэффициент пустот 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 напряжение сдвига на плоскости разрушения определяется эффективным нормальным напряжением на плоскости разрушения и углом трения в критическом состоянии : ${\displaystyle \tau _{crit}}$ ${\displaystyle \sigma _{n}'}$ ${\displaystyle \phi _{crit}'\ }$

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

Однако пиковая прочность грунта может быть выше из-за вклада сцепления (дилатансии). Об этом можно сказать:

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

Где . Однако использование угла трения, превышающего значение критического состояния для проектирования, требует осторожности. Пиковая прочность не будет мобилизована повсюду одновременно в практических задачах, таких как фундамент, склон или подпорная стена. Угол трения критического состояния не так изменчив, как пиковый угол трения, и, следовательно, на него можно с уверенностью полагаться. ^{[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 почвы. ^{[3] [6] [11] [22]} В частности, и различаются в зависимости от величины действующего напряжения. ^{[6] [22]} Согласно Шофилду (2006), ^[11] многолетнее использование на практике привело многих инженеров к ошибочному мнению, что это фундаментальный параметр. Это предположение о том, что и постоянны, может привести к переоценке пиковых значений. ^{[3] [22]} ${\displaystyle c'}$ ${\displaystyle \phi '}$ ${\displaystyle c'}$ ${\displaystyle \phi '}$ ${\displaystyle c'}$ ${\displaystyle c'}$ ${\displaystyle c'}$ ${\displaystyle \phi '}$

Структура, ткань и химия

Помимо трения и зацепления (дилатансии) составляющих прочности, существенную роль в поведении грунта играют структура и ткань. Структура и структура включают такие факторы, как расстояние и расположение твердых частиц или количество и пространственное распределение поровой воды; в некоторых случаях в местах контактов между частицами скапливается вяжущий материал. На механическое поведение почвы влияет плотность частиц и их структура или расположение частиц, а также количество и пространственное распределение присутствующих жидкостей (например, водных и воздушных пустот). Другие факторы включают электрический заряд частиц, химический состав поровой воды, химические связи (т.е. цементация - частицы соединяются через твердое вещество, такое как рекристаллизованный карбонат кальция) ^{[1] [22]}

Дренированный и недренированный сдвиг

Влажный песок вдоль береговой линии изначально плотно утрамбован стекающей водой. Давление ног на песок приводит к его расширению (см.: Дилатансия Рейнольдса ) , втягивая воду с поверхности в поры.

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

Если поры насыщены водой, вода должна всасываться в расширяющиеся поры, чтобы заполнить расширяющиеся поры (это явление наблюдается на пляже, когда вокруг ног образуются явно сухие пятна, которые вдавливаются в мокрый песок).

Аналогичным образом, для усадочного грунта вода должна быть выдавлена ​​из порового пространства, чтобы произошло сжатие.

Расширение пустот вызывает отрицательное давление воды, которое втягивает жидкость в поры, а сжатие пустот вызывает положительное поровое давление, выталкивающее 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 незначительным. сдвиг называется дренированным сдвигом . Во время недренированного сдвига давление воды u изменяется в зависимости от тенденции изменения объема. Из уравнения эффективного напряжения изменение u напрямую влияет на эффективное напряжение по уравнению:

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

и сила очень чувствительна к эффективному напряжению. Отсюда следует, что недренированная прочность на сдвиг грунта может быть меньше или больше, чем дренированная прочность на сдвиг, в зависимости от того, является ли грунт сжимающимся или расширяющимся.

Испытания на сдвиг

Параметры прочности можно измерить в лаборатории с использованием испытания на прямой сдвиг , испытания на трехосный сдвиг , простого испытания на сдвиг, испытания на падающий конус и (ручного) испытания на сдвиговую лопатку ; Сегодня на практике используется множество других устройств и вариаций этих устройств. Испытания, проводимые для определения прочности и жесткости грунтов в земле, включают испытание на проникновение конуса и стандартное испытание на проникновение .

Другие факторы

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

1. состав почвы (основной почвенный материал): минералогия, крупность и гранулометрический состав, форма частиц, тип и содержание поровой жидкости, ионы на зерне и в поровой жидкости.
2. состояние (исходное): Определить по начальному коэффициенту пустот , эффективному нормальному напряжению и напряжению сдвига (история напряжений). Состояние можно описать такими терминами, как: рыхлый, плотный, сверхконсолидированный, нормально консолидированный, жесткий, мягкий, сжимающий, расширяющийся и т. д.
3. структура : относится к расположению частиц в почвенной массе; способ упаковки или распределения частиц. Такие элементы, как слои, стыки, трещины, поверхности скольжения, пустоты, карманы, цементация и т. д., являются частью конструкции. Структура грунтов описывается такими терминами, как: ненарушенный, нарушенный, переформованный, уплотненный, сцементированный; хлопьевидный, сотовый, однозернистый; флокулированные, дефлокулированные; слоистые, слоистые, ламинированные; изотропные и анизотропные.
4. Условия нагрузки : эффективный путь напряжения – дренированный, недренированный, тип нагрузки – величина, скорость (статическая, динамическая) и временная динамика (монотонная, циклическая).

Приложения

Боковое давление грунта

Теория бокового напряжения земли используется для оценки величины напряжения, которое почва может оказывать перпендикулярно силе тяжести. Это напряжение, оказываемое на подпорные стены . 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 покоя — это боковое напряжение в грунте до того, как произойдет какое-либо возмущение. Активное напряженное состояние достигается, когда стена отходит от грунта под действием бокового напряжения и возникает в результате разрушения при сдвиге из-за уменьшения бокового напряжения. Состояние пассивного напряжения достигается, когда стена вдавливается в почву достаточно глубоко, чтобы вызвать разрушение массы при сдвиге из-за увеличения бокового напряжения. Существует множество теорий оценки бокового напряжения грунта; некоторые из них основаны эмпирически , а некоторые получены аналитическим путем.

Несущая способность

Несущая способность грунта — это среднее контактное напряжение между фундаментом и грунтом, которое вызывает разрушение грунта при сдвиге. Допустимое напряжение подшипника — это несущая способность, деленная на коэффициент запаса прочности. Иногда на участках с мягким грунтом под нагруженным фундаментом могут возникать крупные осадки 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 земляного полотна. Калифорнийский тест на коэффициент несущей способности (CBR) обычно используется для определения пригодности грунта в качестве земляного полотна для проектирования и строительства. Испытание на нагрузку плиты в полевых условиях обычно используется для прогнозирования деформаций и характеристик разрушения грунта/земного полотна, а также модуля реакции земляного полотна (ks). Модуль реакции земляного полотна (ks) используется при проектировании фундаментов, исследованиях взаимодействия грунта и конструкции и проектировании дорожных покрытий. ^{[ нужна цитата ]}

Устойчивость склона

Простая секция уклона

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

Как видно справа, на земляных склонах может образовываться слаборазвитая зона сферической формы. Вероятность этого можно рассчитать заранее, используя простой пакет двумерного кругового анализа. ^[25] Основная трудность анализа заключается в определении наиболее вероятной плоскости скольжения для любой конкретной ситуации. ^[26] Многие оползни были проанализированы только постфактум. Оползни и прочность горных пород – это два фактора, которые следует учитывать.

Недавние улучшения

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 почвы - это процесс Пуассона , в котором частицы перемещаются в свое конечное положение при случайных деформациях сдвига.

В основе DSSM лежит то, что грунты (включая пески) можно сдвигать до тех пор, пока они не достигнут устойчивого состояния, при котором в условиях постоянной скорости деформации не происходит изменения напряжения сдвига, эффективного удерживающего напряжения и коэффициента пустотности. Стационарное состояние было формально определено ^[27] Стивом Дж. Пулосом. Архивировано 17 октября 2020 г. в Wayback Machine, доцентом кафедры механики грунтов Гарвардского университета, который построил гипотезу, которую Артур Касагранде сформулировал ближе к концу. своей карьеры. Стационарное состояние — это не то же самое, что состояние «критического состояния». Оно отличается от критического состояния тем, что определяет статистически постоянную структуру в установившемся состоянии. Стационарные значения также очень слабо зависят от скорости деформации.

Многие системы в природе достигают устойчивого состояния, и для описания таких систем используется теория динамических систем. Сдвиг почвы также можно описать как динамическую систему. ^{[28] [29]} Физической основой динамической системы сдвига грунта является процесс Пуассона, в котором частицы переходят в устойчивое состояние при случайных деформациях сдвига. ^[30] Джозеф ^[31] обобщил это: частицы движутся к своему конечному положению (а не только к стационарному состоянию) при случайных сдвиговых деформациях. Из-за своего происхождения от концепции устойчивого состояния DSSM иногда неофициально называют «Гарвардской механикой грунтов».

DSSM обеспечивает очень точное соответствие кривым растяжения-деформации, в том числе для песков. Поскольку он отслеживает условия на плоскости разрушения, он также обеспечивает точное соответствие области чувствительных глин и илов после разрушения, чего не могут сделать другие теории. Кроме того, DSSM объясняет ключевые взаимосвязи в механике грунтов, которые до сих пор считались само собой разумеющимися, например, почему нормализованные пиковые силы сдвига в недренированном состоянии изменяются в зависимости от логарифма коэффициента переуплотнения и почему кривые напряжение-деформация нормализуются с начальным эффективным удерживающим напряжением; и почему при одномерной консолидации коэффициент пустот должен меняться в зависимости от логарифма эффективного вертикального напряжения, почему конец первичной кривой уникален для приращений статической нагрузки и почему отношение значения ползучести Cα к индексу сжатия Cc должна быть примерно постоянной для широкого диапазона почв. ^[32]

Смотрите также

• Критическое состояние механики грунтов
• Сейсмостойкая инженерия
• Инженерная геология
• Геотехническое моделирование центрифуг
• Геотехническая инженерия
• Геотехническая инженерия (шельф)
• Геотехника
• Гидрогеология , характеристики водоносного горизонта тесно связаны с характеристиками почвы.
• Международное общество механики грунтов и геотехнической инженерии
• Рок-механика
• Анализ устойчивости склона

Рекомендации

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, Массачусетс (2001). Грунты и волны: поведение твердых частиц, характеристика и мониторинг процессов . Уайли. ISBN 978-0-471-49058-6.{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link).
3. Паури, В., 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. «Искусственная среда - Рутледж» . Routledge.com . Проверено 14 января 2017 г.
6. Ламбе, Т. Уильям и Роберт В. Уитмен. Механика грунтов . Уайли, 1991 г.; п. 29. ISBN 978-0-471-51192-2 . 
7. Геррьеро В., Маццоли С. (2021). «Теория эффективного напряжения в почве и горных породах и последствия для процессов разрушения: обзор». Геонауки . 11 (3): 119. Бибкод : 2021Geosc..11..119G. doi : 10.3390/geosciences11030119 .
8. Стандартные методы испытания ASTM распределения частиц (градации) почв по размерам с использованием ситового анализа. http://www.astm.org/Standards/D6913.htm. Архивировано 10 августа 2011 г. в Wayback Machine.
9. «Классификация почв для инженерных целей: Ежегодный сборник стандартов ASTM». Д 2487-83. 04 (8). Американское общество испытаний и материалов. 1985: 395–408. Архивировано из оригинала 14 сентября 2010 г. Проверено 31 августа 2010 г. {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
10. Вуд, Дэвид Мьюир, Поведение почвы и механика почвы в критическом состоянии, 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 минимальной индексной плотности и удельного веса почв, а также расчета относительной плотности. http://www.astm.org/Standards/D4254.htm. Архивировано 7 сентября 2011 г. в 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 подземных вод, Тейлор и Фрэнсис, ISBN 978-0-849-34316-2 
15. Holtz, RD, и Kovacs, WD, 1981. Введение в геотехническую инженерию. Prentice-Hall, Inc., стр. 448
16. Седергрен, Гарри Р. (1977), Просачивание, дренаж и проточные сети , Wiley. ISBN 0-471-14179-8 
17. Джонс, JAA (1976). «Грунтовые трубопроводы и инициирование русла ручьев». Исследования водных ресурсов . 7 (3): 602–610. Бибкод : 1971WRR.....7..602J. дои : 10.1029/WR007i003p00602.
18. Дули, Алан (июнь 2006 г.). «Песочники 101: Корпус имеет опыт борьбы с распространенной опасностью наводнения». Обновление инженера . Инженерный корпус армии США. Архивировано из оригинала 27 июля 2006 г. Проверено 29 августа 2006 г.
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, Мичиган; Дмитриев, ИП; Батюхнова, О.Г. (1993). «Фрактальная структура пор в глинистой почве». Атомная энергия . 74 (3): 241–243. дои : 10.1007/BF00739059. S2CID  95352427.
21. Терзаги, 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. Пулос, С. Дж. 1989. Передовое проектирование плотин для проектирования, строительства и восстановления: явления, связанные с сжижением. Эд. Янсен, РБ, Ван Ностранд Рейнхольд, страницы 292–297.
24. Устойчивость склона (PDF) . Руководство инженера. Том. ЭМ 1110-2-1902. Инженерный корпус армии США . 3 октября 2003 г. Архивировано (PDF) из оригинала 29 декабря 2016 г. Проверено 18 января 2017 г.
25. «Калькулятор устойчивости склона» . Проверено 14 декабря 2006 г.
26. Чух, АК (2002). «Метод определения критических поверхностей скольжения при анализе устойчивости склонов: обсуждение». Канадский геотехнический журнал . 39 (3): 765–770. дои : 10.1139/t02-042.
27. Пулос, Стив Дж. (1981). «Устойчивое состояние деформации». Журнал геотехнической инженерии . 107 (ГТ5): 553–562.
28. Джозеф, Пол Г. (2009). «Конституционная модель почвы 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 почвы, основанный на динамических системах». Геотехника . ЛХ (10): 807–812. Бибкод : 2010Getq...60..807J. doi :10.1680/geot.9.p.001.
30. Джозеф, Пол Г. (2012). «Физическая основа и проверка конститутивной модели сдвига почвы, полученной в результате микроструктурных изменений». Международный журнал геомеханики . 13 (4): 365–383. дои : 10.1061/(asce)gm.1943-5622.0000209.
31. Джозеф, Пол Г. (2014). «Обобщенная модель деформации грунта динамических систем». Геотехнические исследования . 1 (1): 32–42. Бибкод : 2014GeotR...1...32J. дои : 10.1680/geores.14.00004 .
32. Джозеф, Пол Г. (2017). Механика грунтов на основе динамических систем (первое изд.). CRC Press/Балкема. п. 138. ИСБН 9781138723221. Архивировано из оригинала 24 марта 2018 г. Проверено 14 мая 2017 г.

Внешние ссылки

• СМИ, связанные с механикой грунтов, на Викискладе?