Механика грунтов
Меха́ника грунто́в, научная дисциплина, которая изучает условия прочности и устойчивости грунтов в основаниях сооружений и откосах земляных массивов, деформации грунтов, возникающие под воздействием приложенных к ним сил, а также занимается разработкой методов расчёта и количественной оценки напряжённо-деформированного состояния оснований сооружений. Механика грунтов опирается на результаты исследований в области ряда научных дисциплин механико-математического цикла (строительной механики, теории упругости, теории пластичности и др.), инженерной геологии, инженерной гидрогеологии, гидравлики и гидромеханики и др.
Грунты и горные породы имеют сложную физическую природу и часто многообразны по своему сложению, что делает невозможным точное описание математическими уравнениями их поведения под нагрузкой. Поэтому механика грунтов, используя и развивая методы других наук, при решении практических инженерных задач часто опирается на упрощённые расчётные схемы и использует достаточно идеализированные, модельные представления о грунтовых средах. Для этого, с одной стороны, изучают физические свойства грунтов, являющиеся следствием условий их геологического формирования, с другой – применяют математический аппарат механики сплошной среды, но, в отличие от этой дисциплины, в механике грунтов грунт рассматривается как пористая дисперсная водонасыщенная среда, способная уплотняться, т. е. изменять свой объём с течением времени. При этом в механике грунтов принимаются следующие допущения: зависимости между давлением и изменением объёма грунта, а также между напряжением сдвига и изменением формы являются прямо пропорциональными; уплотнение грунта во времени (консолидация) происходит вследствие отжатия воды из пор грунта, причём этот процесс подчиняется законам фильтрации; сопротивление грунта разрушению как дисперсной среды определяется прочностью сил внутреннего трения и межчастичного сцепления. На базе этих упрощённых представлений были разработаны теории линейного деформирования грунтов (Н. М. Герсеванов, В. А. Флорин), фильтрационной консолидации (К. фон Терцаги, Н. М. Герсеванов), предельного равновесия (В. В. Соколовский, С. С. Голушкевич, В. Г. Березанцев).
Действительное поведение грунтов существенно отличается от схематизированных представлений. Так, прочность грунтов, определяемая по закону Амонтона – Кулона как их сопротивляемость сдвигу (факторы трения и сцепления), оказывается сложнее и зависит также от разновидности грунта (песчаный, глинистый), его состояния по плотности – влажности (Н. Н. Маслов) и величины давления жидкости в порах (К. фон Терцаги). При этом сцепление в глинистых грунтах определяется суммарной прочностью межчастичных связей жёсткой цементационной и водно-коллоидной природы (Н. Я. Денисов, П. А. Ребиндер).
В наиболее общем случае зависимость от нагрузки объёмной и сдвиговой деформации является нелинейной. При деформировании глинистых грунтов большое влияние оказывают ползучесть, релаксация и снижение прочности при длительном воздействии нагрузок. Игнорирование этих особенностей грунта, использование в расчётах мгновенной, а не длительной прочности приводит к развитию недопустимых деформаций сооружений, обрушению откосов и подпорных стенок.
В механике грунтов значительное внимание уделяется вопросам разработки теоретических основ и практических методов обеспечения устойчивости объектов гражданского, гидротехнического и транспортного строительства, сооружение которых осуществляется в сложных инженерно-геологических условиях. Эти условия, как правило, характеризуются широким распространением мёрзлых и многолетнемёрзлых грунтов, высокой степенью заболоченности, наличием макропористых просадочных грунтов, повышенной сейсмической активностью, наличием природных склонов, поражённых оползневыми процессами, и др. В рамках развития механики грунтов были созданы: теоретические основы реологии мёрзлых грунтов (Н. А. Цытович, В. В. Вялов, Ю. К. Зарецкий); теории динамической устойчивости водонасыщенных песчаных оснований (В. А. Флорин, Н. Н. Маслов, П. Л. Иванов, М. Н. Гольдштейн и др.); основы механики лёссовидных макропористых грунтов (Ю. М. Абелев, Н. Я. Денисов, Г. М. Ломизе); решения плоской и пространственных задач, в том числе и с учётом ползучести, прогноза консолидации слабых оснований, представленных торфами, илами или переувлажнёнными глинами (З. Г. Тер-Мартиросян, М. Ю. Абелев, В. Д. Казарновский, Э. К. Кузахметова и др.); вероятностная теория формирования напряжённо-деформированного состояния зернистых сред (Г. И. Покровский, И. И. Кандауров); градиентная теория ползучести грунтовых массивов (Э. М. Добров) и др. Эти научные достижения позволяют реализовать различные проекты, обеспечивая надёжность работы инженерных сооружений в сложных природных условиях.