Связь механики горных пород и грунтов с другими науками физико-математического и геологического цикла.

Механика грунтов развивается на рубеже двух смежных наук – механики и инженерной геологии. Обе они призваны решать определенные вопросы, связанные со строительством. Эти науки опираются в своих заключениях одна на другую, взаимно проверяя теоретические предпосылки и практические выводы.

Связь между инженерной геологией и механикой горных пород и грунтов.

При решении вопросов, связанных со строительством, мало знать особенности горных пород, изучаемые грунтоведением и механикой грунтов. До начала строительства, на стадии выбора наилучшего варианта участка и объективной оценки конкурирующих вариантов, необходим широкий круг сведений о геологическом строении территории, геологических процессах, которые уже протекают или могут возникать в результате строительства, о гидрогеологических условиях и т. д. Изучение этих вопросов взяла на себя инженерная геология.

Инженерная геология является научно-технической отраслью геологии, изучающей особенности и закономерности взаимодействия геологической среды с инженерными сооружениями. Объектом инженерной геологии являются верхние слои и горизонты земной коры, геологические условия их формирования и залегания, морфологические, прочностные и динамические характеристики в связи с инженерно-хозяйственной активностью человека.

1.5. Приведите примеры использования положений механики горных пород и грунтов в гидрогеологии и инженерной геологии.

Назовите основные модели, используемые механикой горных пород и грунтов.

В практике проектирования используют расчетные модели различной сложности, позволяющие раздельно проводить расчеты, например, несущей способности грунтов и деформаций грунтов основания. Это позволило распространить на расчеты оснований общие принципы расчетов по предельным состояниям:

I группа – по несущей способности (потеря устойчивости; хрупкое, вязкое или иного характера разрушение грунта; чрезмерные пластические деформации или деформации неустановившейся ползучести);

II группа– по деформациям (достижение состояния, затрудняющего нормальную эксплуатацию сооружения или снижающего его долговечность вследствие недопустимых перемещений – осадок, разностей осадок, кренов и т.д.).

Суть расчетов по I группе заключается в том, что предельная нагрузка на основание не должна превышать силу предельного сопротивления грунтов основания. По II группе - совместная деформация сооружения и основания не должна превышать предельной для конструктивной схемы данного сооружения. В большинстве случаев определяющими являются расчеты по II группе.

Основными расчетными моделями грунтов являются: теория линейного деформирования – для расчетов конечных напряжений и стабилизированных осадок; теория фильтрационной консолидации – для расчетов развития осадок во времени; теория предельного напряженного состояния грунта – для расчетов несущей способности, прочности, устойчивости и давления грунта на ограждения.

Внедрение в проектную практику быстродействующих компьютеров позволяет использовать и более сложные расчетные модели, в первую очередь модели теории нелинейного деформирования.

Основные понятия механики сплошной среды: внешние и внутренние силы, напряжения и деформации, главные напряжения, соотношение напряжений и деформаций.

В методах расчета распределения напряжений и вызываемых ими деформаций механика горных пород широко использует модели и схемы, применяемые в строительной механике. При этом среда строительной механики рассматривается как непрерывная по своей структуре, обладающая также непрерывностью свойств. Такая среда называется сплошной. Реальные породы с их сложным строением на макро и микроуровне заменяют некоторой моделью сплошной, однородной, изотропной, невесомой и упругой среды. Такая среда обладает рядом особенностей, главными из которых являются:

· После устранения внешней нагрузки размер и форма тела полностью восстанавливается

· Под действием нагрузки среда деформируется без нарушения сплошности

· Деформация протекает мгновенно, т.е. моменты приложения нагрузки и завершения деформаций совпадают

· Среда теории упругости невесома, поэтому начальные напряжения в ней отсутствуют

· Деформации среды в каждой точке пропорциональны напряжениям (Закон Гука)

σ=Е·е

σ-действующее напряжение

е-относительная деформация в направлении действия напряжения

Е-коэффициент пропорциональности, называемый модулем упругости

Если в сплошной однородной и изотопной среде наряду с упругими проявляются также неупругие (остаточные) деформации и связь между напряжением и деформацией можно считать линейной, то для расчетов используется модель линейно-деформируемой среды. Применение этой модели возможно только при однократном действии нагрузки (ветвь загружения), отсутствии или незначительном развитии пластических деформаций; при этом следует помнить, что деформации завершившиеся. Основным законом для линейно-деформируемой среды остается закон Гука, однако вместо модуля упругости используется параметр, называемый модулем общей деформации, при экспериментальном определении которого используется величина общей деформации, устанавливаемая по ветви загружения.

Приложение к решению задач механики грунтов теоретических положений общей механики, теории упругости, пластичности, реологии.

· Упругопластическая модель используется в случае, когда до определенного предела напряжений наблюдается линейная зависимость между напряжениями и деформациями, а выше этого предела начинается пластическое течение материала при действии постоянного напряжения Пластические деформации проявляются в изменении формы тела при постоянном объеме и без нарушения его сплошности.

· Пластические деформации рассматриваются как остаточные деформации сдвига с нарушением линейной зависимости между напряжением и деформациями. Для описания поведения таких тел используется теория пластичности, в которой рассматривают 2 модели:

Сен-Венана: Материал переходит в пластическое состояние, когда наибольшее касательное напряжение достигает предельного значения (предел текучести сдвига)

Мазизеса-Генки: появление пластических деформаций характеризуется некоторым вполне определенным значением касательных напряжений. (более отвечает результатам экспериментов)

· Реология рассматривает связь между напряжениями и деформациями или скоростью деформации, изменяющимися во времени. Реология изучает ползучесть- процесс развития деформаций во времени при постоянном напряжении. Деформации ползучести в зависимости от величины напряжения и свойств материала могут затухать либо развиваться с постоянной скоростью, либо переходить в стадию прогрессирующего течения до разрушения.

Простая релаксация- при постоянной величине деформации наблюдается уменьшение напряжений Прочность материала при длительном воздействии касательных напряжений может падать, длительная прочность- функция напряженного состояния с учетом фактора времени.

Механический перенос решений теории упругости, пластичности и реологии в механику горных пород недопустим, так как горные породы по особенностям внутреннего строения, свойствам и поведению часто несопоставимы со сплошными телами. Многообразие горных пород требует подхода для обоснования расчетных моделей. Скальные породы (высокая плотность, малая пористость, наличие жестких связей) могут рассматриваться как сплошные однородные среды.