Maaperän mekaniikka on maaperän fysiikan ja sovelletun mekaniikan haara , joka kuvaa maaperän käyttäytymistä. Se eroaa nestemekaniikasta ja kiintoainemekaniikasta siinä, että maaperä koostuu heterogeenisestä sekoituksesta nesteitä (tyypillisesti ilma ja vesi) ja hiukkasia (tyypillisesti savea, lietettä, hiekkaa ja soraa), mutta maaperä voi sisältää myös orgaanisia kiintoaineita ja muita aineita. [1] [2] [3] [4]
Maaperän mekaniikka tieteenä syntyi 1800-luvun puolivälissä ja muodostui 1900-luvun alkuun mennessä , jolloin tuli tarpeelliseksi ennustaa rakenteiden kanssa vuorovaikutuksessa olevia maamassojen prosesseja. Maaperän mekaniikan muodostuminen perustui tutkimukseen deformoituvan kappaleen mekaniikan alalla sekä geologian ja hydrogeologian alalla. Ulkomaisten tutkijoiden Ch. Coulombin , A. Darcyn , E. Winklerin, J. Boussinesqin , M. Levyn, D. Druckerin , V. Pragerin , L. Prandtlin , K. Terzagin [5] ja venäläisten tiedemiesten teoksilla oli suuri vaikutus. tieteenalan kehittämisestä V. M. Karlovitš , V. I. Kurdyumov, N. M. Gersevanov, N. A. Tsytovich , Z. G. Ter-Martirosyan N. N. Maslova, V. A. Florin , E. M. Sergeeva , N. Y. Denisov ja muut.
Vuonna 1934 julkaistiin N. A. Tsytovitšin oppikirja , joka painettiin uudelleen seitsemän kertaa vuoteen 1983 asti ja käännettiin monille maailman kielille.
Tällä hetkellä maaperän mekaniikassa on kehittynyt kokeellinen perusta ja tehokas mekaaninen ja matemaattinen laitteisto. Maaperän mekaniikan alan johtava tutkimuslaitos on NIIOSP im. N.M. Gersevanov . Erikoisosastot työskentelevät MGSU :ssa , Moskovan valtionyliopistossa , SPbGASUssa , PGUPS :ssä , MADI :ssa ja muissa korkeakouluissa.
Maaperän mekaniikan tutkimuskohteena on itse maaperä ja sen muodostamat maaperäkerrokset.
Maaperän mekaniikka on monimutkainen tieteenala, joka tutkii sekä maaperän käyttäytymistä kuormitettuna että menetelmiä kuormien siirtämiseen rakenteista perustuksille.
Havainnollistavana esimerkkinä maaperämekaniikan tieteenalan määräykset huomioiden tutkittavista kohteista ovat ns. kaltevat tornit , joiden kaltevuus johtuu maaperän paksuuden muutoksista ja niiden historiallisista syistä. ja taiteellista arvoa, ovat konservoitavia nykyaikaisessa tilassaan.
Mineraalit (primäärisilikaatit + savimineraalit + yksinkertaiset suolat + orgaaniset aineet) määräävät kivien ominaisuudet ja kivet maaperän ominaisuudet.
Maaperän ominaisuudet riippuvat useiden vuorovaikutteisten tekijöiden yhteisvaikutuksesta. Nämä tekijät voidaan jakaa kahteen ryhmään: koostumustekijät ja ympäristötekijät. Koostumustekijöitä ovat: mineraalityypit, kunkin mineraalin määrä, adsorboituneiden kationien tyypit, hiukkasten muoto- ja kokojakauma, huokoisuus, muiden komponenttien, kuten orgaanisen aineen, piidioksidin, alumiinioksidin tyyppi ja määrä.
Maaperä luokitellaan karkearakeiseksi, rakeiseksi ja tarttumattomaksi, jos soran ja hiekan määrä ylittää 50 massaprosenttia, tai hienorakeiseksi ja koossapysyväksi, jos hienojakoisten hiukkasten (lietteen ja savimateriaalin) määrä ylittää 50 prosenttia. Käsitteitä ei-kohesiivinen ja kohesiivinen tulee käyttää varoen, sillä jo muutama prosentti karkearakeisessa maaperässä olevasta saven mineraalista voi antaa plastisia ominaisuuksia. Plastisuus liittyy orgaanisiin aineisiin ja orgaaniset aineet tiheyteen.
Maaperän leviäminen. Natriumpyrofosfaatti tuo maaperän maaperän rajoittavaan levinneisyyteen.
Kiviperäisen maaperän ongelmana on halkeamien esiintyminen, koska monoliittisia kivimaita ei ole niiden lujuudesta huolimatta.
Maahiukkasten pinta ei ole sileä, varsinkaan pienemmissä mittakaavaissa. On yhä enemmän todisteita pinnan karheuden merkittävästä roolista kiinteiden hiukkasten näytteiden mikromekaanisessa käyttäytymisessä. [6]
Hiekoissa leikkauslujuuskulma riippuu myös siitä, onko maaperän laatu hyvä vai huono, jyvien muodosta (kulmikas, pyöreä). Hyvin lajitellun hiekan leikkauslujuuskulma on suurempi kuin huonosti lajitellun hiekan ja suurempi kulmikkaalla hiekalla kuin pyöreällä hiekalla.
Fraktaalianalyysillä tutkitaan maaperän ominaisuuksia , kuten hiukkasten pallomaisuutta , pyöreyttä ja pinnan karheutta . [7] Hiekan karheus voidaan kuvata riittävästi tehospektrillä ja fraktaalimittauksella, joka on laskettu pinta-alaestimaatin perusteella saadusta rajapituusasteikosta.
Korkearesistiivisille maa-aineille on ominaista suhteellisen suuri sähkövastus. Näitä ovat kivinen tai kivinen maaperä, ikirouta tai kuiva hiekkamaa.
Elektroosmoosi maaperässä on veden liikkumista huokosissa ulkoisen sähkökentän vaikutuksesta. Useimmissa tapauksissa maaperässä veden sähköosmoottinen liike tapahtuu anodista (+) katodille (negatiivinen elektrodi). Sähköosmoosi-ilmiön muodostamiseksi on tarpeen viedä maaperään anodi ja katodi. Sähkökemiallisella suojauksella elektrodit erotetaan katodiksi (negatiivisesti varautuneeksi rakenteeksi, jonka estämme korroosiolta) ja anodiksi (positiivisesti varautunut, meidän on asetettava se jonnekin, haudattava) .
Tutkimuksen kannalta tärkeintä on vesipitoisuus eli kosteus. Tämä indikaattori määritellään prosentteina näytteen sisältämän veden painon suhteeksi kuivan maaperän painoon. Se saadaan kokeellisesti märän ja kuivatun maaperän peräkkäisen punnituksen jälkeen. Tärkeämmät rakentamisen indikaattorit riippuvat kosteudesta - tiheydestä ja kantavuudesta. Tutkimukset osoittavat, että kun maaperä on kyllästetty kosteudella, sen tiheys ensin kasvaa ja sitten laskee. Kosteuspitoisuutta, jossa maaperän tiheys on suurin, kutsutaan optimaaliseksi maaperän kosteudeksi . Tämä indikaattori eri materiaaleille voi vaihdella merkittävästi. Hiekalle se on 8-14%, savelle - 16-26%.
Maaperän huokospaine on kasvanut, kun paine huokosissa on suurempi kuin hydrostaattinen paine . Kapillaarivoimista johtuen syntyy huokospainetta, joka on ikään kuin negatiivinen, se on vapaan vesihorisontin tason yläpuolella. Kapillaarivesi näyttää olevan vapaata gravitaatiovettä, vahvasti sidottu, löyhästi sidottu. Löysästi sidottu vesi irtoaa joskus maapartikkeleista, joskus tarttuu. Mutta kapillaarivesi on vapaata gravitaatiovettä, mutta Archimedesin laki (joka on mielenkiintoinen) ei toimi siinä. Teoriassa, jos otamme huomioon jonkinlaisen lasiputken, oppikirjoissa joskus kirjoitetaan "vesi hiekkaisessa savimaassa nousee 5 metriin".
Kapillaari nousee vapaan veden tason yläpuolelle ja seurauksena on ns. alipaine. Eli ikään kuin alla oleva hydrostaattinen vesi yrittäisi työntää hiukkasia erilleen, ja ylhäältä, päinvastoin, se yrittää puristaa ne yhteen ( samalla tavalla kahvipussin kanssa ), se puristaa ne ja käy ilmi, että siellä on lisäpainetta näihin hiukkasiin.
Maaperän kapillaarikosteus vaihtelee ajan myötä . Ilmanpaine hyppää ja vaikuttaa kapillaaripaineeseen Negatiivinen kapillaaripaine muuttuu koko ajan. Sitä ei kuitenkaan oteta huomioon millään tavalla, edes kaivoksia suunniteltaessa. Esimerkki Kuoppaa purettaessa yritettiin ottaa huomioon kapillaaripaine rinteen stabiiliudella. He kaivoivat kuopan. Aluksi näennäisen tarttuvuuden vuoksi rinteet olivat pystysuorassa. Kysymys on siitä, kuinka kauan se kestää, kunnes vesi kuivuu, samalla kun kapillaarin koheesiovoimat vaikuttavat. Kaltevuus kuivuu kuitenkin epätasaisesti, joten laskennassa oli merkittäviä virheitä.
Pohjaveden tason alapuolella olevien maiden ominaispaino tulee huomioida veden punnitusvaikutuksen kanssa ( [8] ), kun maakerroksen suodatuskerroin on yli m/vrk ja >0,25 (savimaissa). Kun pohjaveden tason alapuolella sijaitsee maakerros, jonka suodatuskerroin on alle m/vrk ja < 0,25 (savimaille), sen ominaispaino otetaan huomioon ottamatta huomioon veden punnitusvaikutusta ( ), määritetään tässä. kerros ja sen alapuolella, tämän kerroksen yläpuolella sijaitsevan vesipatsaan paine tulee ottaa huomioon. [9] .
Maaperän ominaispaino, kun otetaan huomioon veden punnitusvaikutus, on aina suurempi tai yhtä suuri kuin maaperän ominaispaino, ottamatta huomioon veden painotusvaikutusta .
Heikot maaperät ovat maata, jonka E<5 MPa (esim. turve ). On tärkeää huomata, että muodonmuutosmoduuli riippuu käytetyistä tehollisista jännityksistä, jännityshistoriasta, tyhjätilasuhteesta ja plastisuusindeksistä. Ei-kohesiivisilla mailla moduuli muuttuu suunnilleen tehollisen jännityksen neliöjuurena. Kohesiomailla muodonmuutoskerroin on 0,5…1,0 tehollinen jännitys. Lian pieni leikkauskerroin riippuu kosketusjäykkyydestä ja kankaan kunnosta. Siten poikittaisaallon nopeuden muutos rajoittavalla paineella antaa käsityksen kosketuksen jäykkyyden riippuvuudesta paineesta.
Joillekin maa-aineille on tyypillistä, että huokoskerroin ei muutu tiettyyn painearvoon - rakenteelliseen lujuuteen asti. Rakennelujuutta pienemmässä paineessa, kun se havaitaan vesikolloidisilla ja kiteytyssidoksilla, tiivistysprosessi ei käytännössä kehity [10] . Toistuvissa kuormitus-tyhjennysjaksoissa muodonmuutoksen määrä vähenee jokaisella jaksolla. Ne maaperät, joita heillä on syvyydessä ja jotta ne alkaisivat kutistua, sinun on voitettava tämä vahvuus.
Maaperän muodonmuutosmoduuli (jännityskäyrän pinta-ala suhteellista puristuvuuskerrointa kohden) riippuu käytetyistä tehollisista jännityksistä, se riippuu myös jännityshistoriasta, huokossuhteesta ja plastisuusindeksistä. Ei-kohesiivisilla mailla moduuli muuttuu suunnilleen tehollisen jännityksen neliöjuurena. Kohesiivisilla mailla muodonmuutosmoduuli on yhtä suuri kuin 0,5 ... 1,0 tehollinen jännitys .
Perustusten alustavat mitat on annettu suunnittelusyistä tai pohjan mitoitusmaakestävyyden Rq arvojen perusteella SP 22.13330.2016 liitteen B taulukoiden B.1-B.3 mukaisesti. Arvoja voidaan käyttää myös geoteknisen luokan 1 rakenteiden perustusten mittojen lopullisessa määrittämisessä, jos perustus koostuu vaakasuuntaisista (kaltevuus enintään 0,1), paksuudeltaan tasaisista maakerroksista. [yksitoista]
Maaperän käyttäytyminen kuormitettuna kohdassa 1, maaperä käyttäytyy kuin lineaarinen kappale. Jos poistamme kuorman, muodonmuutokset palaavat takaisin. R-laskettu maaperän kestävyys. Lineaarisen ja plastisen muodonmuutoksen vyöhykkeen välinen raja. R riippuu perustuksen pohjan leveydestä b, perustuksen syvyydestä (yleensä antaa suurimman panoksen pohjan kantavuuteen ja maaperän mitoituskestävyyteen), maaperän ominaispainosta pohjan yläpuolella. perustus , pohjan pohjan alapuolella olevan maaperän ominaispaino (ilman viivaa), sisäkitkakulma, GWL (jos maaperät ovat pohjaveden tason yläpuolella, niin ominaispaino, kun otetaan huomioon veden punnitusvaikutus) , säätiön pohjassa olevan kerroksen erityinen koheesio.
Suunnitteluvastus [12] voidaan jakaa ehdollisesti kolmeen termiin, joista jokainen on vastuussa omasta tekijästään: se vastaa perustuksen pohjan leveydestä, perustuksen syvyydestä ja ominaiskiinnityksen vaikutuksesta. säätiömme työhön. riippuvat vain sisäisen kitkan kulmasta (ei mistään muusta). Loput kertoimet riippuvat perustuksen geometriasta, esimerkiksi olemassa on myös kerroin , joka ottaa huomioon erilaiset perustuksemme (teippi, pylväs jne.). Kaavassa hyväksytyt merkinnät ovat maaperän ominaispainon ja tartunnan laskettu arvo, joka sijaitsee perustan pohjan alapuolella; pohjan yläpuolella olevien maiden ominaispainon laskettu arvo; b - perustan pohjan leveys.
Harkitse pussillista kahvipapuja. Jos pumppaamme ilmaa kahvipussista ja kaikki jyvät puristuvat ilmanpaineella, emme voi liikuttaa pussia millään tavalla. Laukkua ei voi murskata. Jyvät liittyvät toisiinsa niiden välisen puristuksen vuoksi. No, heti kun vapautamme ilman, paineet tasapainottavat ja jyvät hajoavat. Pussin lujuus materiaalina heikkenee dramaattisesti. Se on yksinkertaisesti löysä, se ei ole yksittäinen monoliitti. Tämä koskee vain maaperää, lujuus riippuu suuresti jännitysasteesta. Jos sanomme, että maa on vahva, hauras, tämä käsite on hyvin suhteellinen. Joissakin olosuhteissa sitä voidaan pitää vahvana (stressin puristamana), toisissa hauraana.
Sen lisäksi, että maan muodonmuutoskerroin (Eo) riippuu käytetyistä tehollisista jännityksistä, se riippuu myös jännityshistoriasta, huokossuhteesta ja plastisuusindeksistä. Ei-kohesiivisilla mailla moduuli muuttuu suunnilleen tehollisen paineen neliöjuurena. Kohesiomailla muodonmuutoskerroin on 0,5…1,0 tehollinen jännitys. Lian pieni leikkauskerroin riippuu kosketusjäykkyydestä ja kankaan kunnosta. Siten poikittaisaallon nopeuden muutos rajoittavalla paineella antaa käsityksen kosketuksen jäykkyyden riippuvuudesta paineesta.
Läpäisevyyskerroin voi vaihdella maakerroksen virtauslinjan suunnan mukaan. Savella on suurempi tyhjiötila kuin soralla, mutta vedenkestävyys on korkea kemiallisten sidosten vuoksi.
Orgaanisen aineen pitoisuuden kasvaessa kivien läpäisevyys heikkenee. Esimerkiksi hiekan yli 3 % humuspitoisuus tekee siitä vedenpitävän. Orgaanisessa aineessa on myös rakenteeton komponentti (humus = hiili + happi). Hän on se, joka pitää vettä. Kun humusta puristetaan, vesi puristuu ulos. Tämän seurauksena orgaanisen maan kokoonpuristuvuus on korkea verrattuna maihin, joissa ei ole orgaanista ainesta. Epäorgaanisiin saveihin verrattuna orgaaniset savet:
Lämpötilan muutos johtuu siitä, että maaperän talvella menetetty lämpö on suurempi kuin maaperän vastaanottama lämpö kesällä sulatuksen aikana. Koska jäätyneessä maaperässä lämmönjohtavuus on korkeampi. Tämä on otettava huomioon laskettaessa jäätymistä-sulatusta. Siirtymä laskee maaperän keskilämpötilaa vuodessa 1-2 astetta.
Kun maa jäätyy, lämpöä vapautuu.
Lämpökapasiteetti mitataan jouleina, lämmönjohtavuus watteina. Tässä suhteessa kJ on muutettava watteiksi. Neuvostoliiton SNiP:issä kJ:n muuntaminen watteiksi maaperän kosteuspitoisuudesta ja lämmönjohtavuudesta riippuen suoritettiin helposti taulukoiden kautta. Nykyaikainen yhteisyritys edellyttää lämpökapasiteetin laskemista tietylle maaperälle. Lämpökapasiteetti riippuu maaperän koostumuksesta, lämmönjohtavuus riippuu tiheydestä ja kosteudesta.
Jos lämpötilagradientti tapahtuu missä tahansa ilmaa sisältävässä väliaineessa, vesihöyry alkaa liikkua lämpötilan laskun suuntaan. Tässä suhteessa oletetaan, että maaperä jäätyy pohjaveden tason alapuolelle.
Savet tiivistyvät , laskeutuvat, ei vain "ulkoisten" kuormien (lisäkuormien) vaikutuksesta, vaan myös oman painonsa tai saven yläpuolella olevien maiden painon vaikutuksesta. Savet kokevat myös laskeutumista/kutistumista vedenpoistossa (pohjaveden pumppaus), koska saven tehokas jännitys kasvaa. Karkearakeinen maaperä ei ole alttiina tiivistymiselle, vajoamiselle johtuen suhteellisen korkeasta vedenjohtavuudesta saviin verrattuna. Sen sijaan karkearakeinen maaperä laskeutuu välittömästi.
Kokoonpuristuvuuskerroin , MPa , jokaisella kuormitusaskeleella alkaen to lasketaan tarkkuudella 0,001 MPa : [13] , missä on huokoisuuskertoimien välinen ero.
J. Boussinesqin vuonna 1885 kehittämä joustavan puoliavaruuden pintaan kohdistetun pystysuuntaisen keskittyneen voiman vaikutuksen ongelman ratkaisu mahdollistaa kaikkien jännitys- ja jännityskomponenttien määrittämisen puolikkaan missä tahansa kohdassa. tila M voiman N vaikutuksesta. [14]