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.

Наши рекомендации