Jordmekanik

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 28. marts 2017; checks kræver 94 redigeringer .

Jordmekanik er en gren af jordbundsfysik og anvendt mekanik, der beskriver jordbundens adfærd. Det adskiller sig fra væskemekanik og faststofmekanik ved, at jord er sammensat af en heterogen blanding af væsker (typisk luft og vand) og partikler (typisk ler, silt, sand og grus), men jord kan også indeholde organiske faste stoffer og andre stoffer. [1] [2] [3] [4]

Udviklingshistorie

Jordmekanik som videnskab opstod i midten af det 19. århundrede og blev dannet i begyndelsen af det 20. århundrede , da det blev nødvendigt at forudsige processer i jordmasser, der interagerer med strukturer. Dannelsen af jordmekanik var baseret på forskning inden for mekanik af et deformerbart legeme, såvel som inden for geologi og hydrogeologi. De udenlandske videnskabsmænds værker Ch. Coulomb , A. Darcy , E. Winkler, J. Boussinesq , M. Levy, D. Drucker , V. Prager , L. Prandtl , K. Terzagi [5] og russiske videnskabsmænd havde stor indflydelse om udviklingen af disciplinen V. M. Karlovich , 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 og andre.

I 1934 blev en lærebog af N. A. Tsytovich udgivet , genoptrykt syv gange indtil 1983 og oversat til mange sprog i verden.

I øjeblikket har jordmekanik en udviklet eksperimentel base og et kraftfuldt mekanisk og matematisk apparat. Det førende forskningsinstitut inden for jordmekanik er NIIOSP im. N.M. Gersevanov . Specialiserede afdelinger arbejder i MGSU , Moscow State University , SPbGASU , PGUPS , MADI og andre højere uddannelsesinstitutioner.

Genstand og emne for undersøgelse

Genstanden for undersøgelse af jordmekanik er selve jorden og de jordlag, de udgør.

Jordmekanik er en kompleks disciplin, der både studerer jordens opførsel under belastning og metoderne til at overføre belastninger fra strukturer til fundamentet.

Et illustrativt eksempel på genstande, der skal studeres, under hensyntagen til bestemmelserne i den videnskabelige disciplin jordmekanik, er de såkaldte skæve tårne , hvis hældning er forårsaget af ændringer i jordens tykkelse og på grund af deres historiske og kunstnerisk værdi, er genstand for bevaring i deres skrånende moderne tilstand.

Genesis og jordbundskomponenter

Teknisk klassificering af jorde

Mineraler (primære silikater + lermineraler + simple salte + organiske stoffer) bestemmer klippernes egenskaber , og klipperne bestemmer jordbundens egenskaber.

Jordens egenskaber afhænger af den kombinerede effekt af flere interagerende faktorer. Disse faktorer kan opdeles i to grupper: sammensætningsfaktorer og miljøfaktorer. Sammensætningsfaktorer omfatter: typer af mineraler, mængden af hvert mineral, typer af adsorberede kationer, form og størrelsesfordeling af partikler, porøsitet, type og mængde af andre komponenter såsom organisk materiale, silica, aluminiumoxid.

Jord er klassificeret som grovkornet, granulært og ikke-sammenhængende, hvis mængden af grus og sand overstiger 50 vægtprocent, eller finkornet og sammenhængende, hvis mængden af fine partikler (silt og lermateriale) overstiger 50 procent. Begreberne ikke-sammenhængende og sammenhængende skal bruges med forsigtighed, da selv nogle få procent af lermineralet i grovkornet jord kan give plastiske egenskaber. Plasticitet er forbundet med organiske stoffer, og organiske stoffer med tæthed.

Jordspredning. Natriumpyrophosphat bringer jorden til den begrænsende spredning af jorden.

Problemet med stenet jord er tilstedeværelsen af revner, da der ikke er nogen monolitisk stenet jord på trods af deres høje styrke.

Jordegenskaber

Den specifikke massefylde af tør jord (eng. Dry unit weight ) , hvor , er den specifikke massefylde af vand, er tomhedskoefficienten , er graden af vandmætning (eng. Degree of saturation ) For = 1 fuldstændig vandmættet jord / mangel på luft ( nul lufthuller ) . Den specifikke vægt af tør jord kan også udtrykkes i form af: $\gamma _{tør}={\frac {\gamma _{s}}{1+e}}={\frac {G_{s}*\gamma _{w}}{1+{\frac {w*G_{s}}{S}}}}}$ $S*e=w*G_{s}$ ${\displaystyle \gamma _{w}=9,81{\frac {kN}{m^{2))))$ $e$ $S$ $S$ $\gamma _{zv}={\frac {G_{s}*\gamma _{w}}{1+w*G_{s}}}$

jordfugtighed og vægtfylde, uden at tage højde for vandets vejeeffekt som ,

{\displaystyle \gamma _{n}=\gamma _{unsat))

\gamma _{tør}={\frac {\gamma _{n}}{1+w}}

Tomhedskoefficienten og vægtfylden af faste jordpartikler som .

{\displaystyle \gamma _{n}=\gamma _{s))

\gamma _{tør}={\frac {\gamma _{s}}{1+e}}

Specifik vægtfylde (eng. specific weight ) , hvor er vands massefylde, er jordpartiklernes specifikke vægtfylde. $G_{s}={\frac {\gamma _{s}}{\gamma _{w}}}$ ${\displaystyle \gamma _{w}=9,81{\frac {kN}{m^{2))))$ ${\displaystyle \gamma _{s))$

Jordens vægtfylde i naturlig sammensætning . $\gamma _{n}={\frac {\gamma _{s}(1+w)}{(1+e)))$

Sfæricitet, rundhed og overfladeruhed af jordpartikler

Overfladen af jordpartikler er ikke glat, især når den ses i mindre skalaer. Der er stigende beviser for en væsentlig rolle af overfladeruhed i den mikromekaniske opførsel af faste partikelprøver. [6]

I sand afhænger forskydningsstyrkevinklen også af, om jordens kvalitet er god eller dårlig, formen på kornene (kantede, runde). Vinklen for forskydningsstyrke for velgraderet sand er større end for dårligt sorteret sand og større for kantet sand end for rundt sand.

Fraktalanalyse bruges til at studere jordegenskaber såsom partikelkugle , rundhed og overfladeruhed . [7] Sandruhed kan karakteriseres tilstrækkeligt af effektspektret og fraktaldimensionen beregnet ud fra cutoff-længdeskalaen udledt af overfladearealestimatet.

Jordens ledningsevne

Jord med høj resistivitet er karakteriseret ved en relativt stor værdi af elektrisk resistivitet. Disse omfatter stenet eller stenet jord, permafrost eller tør sandet jord.

Elektroosmose i jord er bevægelse af vand i porer under påvirkning af et eksternt elektrisk felt. I de fleste tilfælde, i jorden, sker den elektroosmotiske bevægelse af vand fra anoden (+) til katoden (negativ elektrode). For at danne fænomenet elektroosmose er det nødvendigt at indføre en anode og en katode i jorden. Med elektrokemisk beskyttelse er der en adskillelse af elektroder i en katode (en negativt ladet struktur, som vi forhindrer korrosion) og en anode (positivt ladet, vi skal placere den et sted, begrave den).

Jordfugtighed

Det vigtigste for forskningen er vandindholdet eller fugtigheden. Denne indikator er defineret som en procentdel, som forholdet mellem vægten af vand indeholdt i prøven og vægten af tør jord. Det opnås eksperimentelt efter successiv vejning af våd og tørret jord. Vigtigere indikatorer for byggeri afhænger af fugtighed - tæthed og bæreevne. Undersøgelser viser, at når jorden er mættet med fugt, stiger dens massefylde først og falder derefter. Det fugtindhold, hvor jorden har den højeste tæthed, kaldes optimal jordfugtighed . Denne indikator for forskellige materialer kan variere betydeligt. For sand er det 8-14%, for ler - 16-26%.

Kapillærtryk

Jord har øget poretryk, når trykket i porerne er større end det hydrostatiske tryk . På grund af kapillarkræfter opstår der poretryk, som sådan set er negativt, det er over niveauet for den frie vandhorisont. Kapillærvand synes at være frit gravitationsvand, stærkt bundet, løst bundet. Løst bundet vand bryder nogle gange væk fra jordpartikler, nogle gange klæber det. Men kapillærvand er frit gravitationsvand, men Arkimedes lov (som er interessant) virker ikke i det. Teoretisk, hvis vi tager hensyn til en slags glasrør, skriver de nogle gange i lærebøger "vand i sandet lerjord stiger til 5 m."

Kapillær stigning over niveauet for frit vand og resultatet er det såkaldte undertryk. Det vil sige, som om det hydrostatiske vand nedenunder forsøger at skubbe partiklerne fra hinanden, og ovenfra, tværtimod, forsøger det at komprimere dem sammen ( på samme måde med en pose kaffe ), det komprimerer dem, og det viser sig, at der er yderligere tryk på disse partikler.

Kapillær fugt i jorden varierer over tid . Atmosfærisk tryk springer og påvirker kapillartrykket Negativt kapillærtryk ændrer sig hele tiden. Der tages dog ikke hensyn til det på nogen måde, heller ikke ved udformning af gruber. Eksempel Ved aflæsning af en grube forsøgte man at tage højde for kapillartryk med skråningsstabilitet. De gravede et hul. Til at begynde med, på grund af den tilsyneladende vedhæftning, stod skråningerne lodret. Spørgsmålet er, hvor længe det kan stå, indtil vandet tørrer, mens kapillære kohæsionskræfter virker. Skråningen tørrer dog ujævnt, så der var væsentlige fejl i beregningen.

Vandets vejevirkning

Vægtfylden af jorde, der ligger under grundvandsspejlet, bør tages i betragtning med vandets vejeeffekt ( [8] ), når jordlagets filtreringskoefficient er mere end m/dag og >0,25 (for lerholdige jorde). Når et jordlag er placeret under grundvandsspejlet med en filtreringskoefficient på mindre end m/dag og < 0,25 (for lerjord), tages dets vægtfylde uden hensyntagen til vandets vejeeffekt ( ), for at bestemme i denne lag og under det, skal trykket af vandsøjlen tages i betragtning placeret over dette lag. [9] . ${\displaystyle \gamma _{sat))$ $1*10^{-5}$ $I_{L}$ $1*10^{-5}$ $I_{L}$ ${\displaystyle \gamma _{n}=\gamma _{unsat))$ ${\displaystyle \sigma _{gz))$

Jordens vægtfylde, under hensyntagen til vands vejeeffekt, er altid større end eller lig med jordbundens vægtfylde, uden at der tages hensyn til vands vejeeffekt . ${\displaystyle \gamma _{sat))$ ${\displaystyle \gamma _{n}=\gamma _{unsat))$

Jordens strukturelle styrke

Svag jord er jord med E<5 MPa (f.eks. tørv ). Det er vigtigt at bemærke, at deformationsmodulet afhænger af de påførte effektive spændinger, spændingshistorie, hulrumsforhold og plasticitetsindeks. For ikke-kohæsive jorde ændres modulet omtrent som kvadratroden af den effektive spænding. For sammenhængende jord er deformationsmodulet 0,5…1,0 effektiv stress. Jordens lille forskydningsmodul afhænger af kontaktstivheden og stoffets tilstand. Således giver ændringen i hastigheden af en tværgående bølge med begrænsende tryk en idé om afhængigheden af kontaktstivheden af tryk.

For nogle jorde er det typisk, at hulrumskoefficienten ikke ændres op til en vis trykværdi - strukturel styrke. Ved et tryk lavere end den strukturelle styrke, når det opfattes af vand-kolloide og krystallisationsbindinger, udvikles komprimeringsprocessen praktisk talt ikke [10] . Ved gentagne belastnings-aflæsningscyklusser falder mængden af deformation med hver cyklus. De jordarter, som de har i dybden , og for at de skal begynde at krympe, skal du overvinde denne styrke. $e$ $p_{str}$ $p_{str}$

Jorddeformationsmodul (areal af spændingsplot pr. relativ kompressibilitetsfaktor) afhænger af påførte effektive spændinger, det afhænger også af spændingshistorie, hulrumsforhold og plasticitetsindeks. For ikke-kohæsive jorde ændres modulet omtrent som kvadratroden af den effektive spænding. For sammenhængende jorde er deformationsmodulet lig med 0,5 ... 1,0 effektiv spænding .

Estimeret jordmodstand for basen

Fundamenternes foreløbige dimensioner er tildelt af konstruktionsmæssige årsager eller baseret på værdierne for den konstruktionsmæssige jordmodstand for basis Rq i overensstemmelse med tabellerne B.1-B.3 i bilag B til SP 22.13330.2016. Værdierne kan også bruges til den endelige tildeling af dimensionerne af fundamenterne til strukturer af geoteknisk kategori 1, hvis fundamentet er sammensat af vandrette (hældning ikke mere end 0,1), jordlag fastholdt i tykkelse. [elleve] $R_{0}$

Jordens opførsel under belastning i afsnit 1, jorden opfører sig som en lineær krop. Hvis vi fjerner belastningen, vil deformationerne vende tilbage. R-beregnet jordmodstand. Grænsen mellem zonen for lineær og plastisk deformation. R afhænger af bredden af fundamentets bund b, fundamentets dybde (giver sædvanligvis det største bidrag til underlagets bæreevne og jordens designmodstand), jordens vægtfylde over underlaget af fundamentet , jordens vægtfylde under fundamentets bund (uden streg), den indre friktionsvinkel, GWL (hvis jorden ligger over grundvandsspejlet, så vægtfylden, under hensyntagen til vandets vejeeffekt) , den specifikke sammenhæng i laget, der ligger ved fundamentets bund. ${\displaystyle \gamma ^{,))$ $\gamma$

Designmodstanden [12] kan betinget opdeles i tre termer, som hver er ansvarlig for sin egen faktor: den er ansvarlig for bredden af fundamentets base, for dybden af fundamentet og bidraget fra specifik adhæsion til arbejdet i vores fond. kun afhænge af den indre friktionsvinkel (intet andet). De resterende koefficienter afhænger af fundamentets geometri, for eksempel er der også en koefficient til at tage højde for de forskellige typer af vores fundament (tape, søjle osv.). De accepterede betegnelser i formlen er den beregnede værdi af den specifikke vægt af henholdsvis jord og vedhæftning, der ligger under bunden af fundamentet; den beregnede værdi af den specifikke vægt af jord, der ligger over sålen; b - bredden af fundamentets base. $R=M_{\gamma }b\gamma +M_{\gamma }d\gamma ^{,}+M_{C}c$ $M_{\gamma }b\gamma$ ${\displaystyle M_{\gamma }d\gamma ^{,))$ $M_{C}c$ ${\displaystyle M_{\gamma },M_{q},M_{C))$ ${\displaystyle \varepsilon _{\gamma ))$ $\gamma ,c$ ${\displaystyle \gamma ^{,))$

Afhængighed af styrke på stressniveau

Overvej en pose kaffebønner. Hvis vi pumper luft ud fra en pose kaffe, og alle kornene bliver komprimeret af atmosfærisk tryk, vil vi ikke kunne flytte posen på nogen måde. Posen kan ikke knuses. Kornene vil blive forbundet på grund af kompression mellem dem. Nå, så snart vi slipper luften ud, balancerer trykket, og kornene falder fra hinanden. Styrken af posen som materiale vil falde dramatisk. Det vil simpelthen være løst, det vil ikke være en enkelt monolit. Dette er kun med jord, styrke afhænger meget af niveauet af belastninger. Hvis vi siger, at jorden er stærk, skrøbelig, er dette koncept meget relativt. I nogle tilstande kan den betragtes som stærk (komprimeret af stress), i andre, skrøbelig.

Ud over at jorddeformationsmodulet (Eo) afhænger af de påførte effektive spændinger, afhænger det også af spændingshistorien, hulrumsforholdet og plasticitetsindekset. For ikke-sammenhængende jorde ændres modulet omtrent som kvadratroden af det effektive tryk. For sammenhængende jord er deformationsmodulet 0,5…1,0 effektiv stress. Jordens lille forskydningsmodul afhænger af kontaktstivheden og stoffets tilstand. Således giver ændringen i hastigheden af en tværgående bølge med begrænsende tryk en idé om afhængigheden af kontaktstivheden af tryk.

Jordpermeabilitet

Permeabilitetskoefficienten kan variere afhængigt af retningen af strømningsledningen i jordlaget. Ler har et større hulrum end grus, men vandmodstanden er høj på grund af kemiske bindinger.

Indflydelse af organisk stof på jordbundens geotekniske egenskaber

Med en stigning i indholdet af organisk stof falder permeabiliteten af bjergarter. For eksempel gør humusindholdet på mere end 3 % i sandet det vandtæt. I organisk stof er der også en strukturløs komponent (humus = kulstof + ilt). Det er hende, der holder vandet. Når humus komprimeres, presses vand ud. Som et resultat heraf er sammentrykkeligheden af organisk jord høj sammenlignet med jord uden organisk materiale. Sammenlignet med uorganisk ler, organisk ler:

øget hydrofilicitet (selvom det ser ud til, at der er hydrofobe som en undtagelse)
høj luftfugtighed (på grafen synes dette at være sporet)
øget hævelse
øget kompressibilitet (for organiske stoffer er densiteten 2 gange lavere)
reduceret forskydningsmodstand

Jordfrysning

Temperaturforskydningen opstår på grund af, at den varme, jorden taber om vinteren, er større end den varme, som jorden modtager om sommeren under optøning. For i frossen jord er varmeledningsevnen højere. Dette skal tages i betragtning ved beregning af frysning-optøning. Skiftet giver et fald i den gennemsnitlige jordtemperatur om året med 1-2 grader.

Når jorden fryser, frigives varme.

Varmekapacitet måles i Joule, termisk ledningsevne i Watt. I den forbindelse skal kJ omregnes til watt. I sovjetiske SNiP'er blev konverteringen af kJ til watt, afhængigt af jordens fugtindhold og termiske ledningsevne, udført let gennem tabeller. Moderne joint venture kræver beregning af varmekapacitet for en bestemt jord. Varmekapaciteten afhænger af jordens sammensætning, den termiske ledningsevne afhænger af tætheden og fugtigheden.

Filtrering: konstant strøm af vand

Hvis der opstår en temperaturgradient i et luftholdigt medium, begynder vanddamp at bevæge sig i retning af faldende temperatur. I den forbindelse forudsættes det, at jorden fryser til under grundvandsspejlet.

Jordkonsolidering

Ler gennemgår konsolidering , afvikling, ikke kun under påvirkning af "ydre" belastninger (yderligere belastninger), men også under påvirkning af deres egen vægt eller vægten af jord, der eksisterer over leret. Ler oplever også bundfældning/svind ved afvanding (udpumpning af grundvand), fordi den effektive belastning af leret øges. Grovkornet jord er ikke udsat for komprimering, sætning på grund af den relativt høje hydrauliske ledningsevne sammenlignet med ler. I stedet udsættes grovkornede jorder for øjeblikkelig sætning.

Kompressibilitetskoefficienten , MPa , ved hvert belastningstrin fra til beregnes med en nøjagtighed på 0,001 MPa : [13] , hvor er forskellen mellem porøsitetskoefficienterne. $m_{{0}}$ $^{-1}$ $p_{{i}}$ $p_{{i+1}}$ $^{-1}$ $m_{0}$ $={\frac {\delta e}{\delta p))$ $\delta e$

Fordeling og diagrammer af spændinger i jordmassen

Løsningen af problemet med virkningen af en lodret koncentreret kraft påført overfladen af et elastisk halvrum, opnået i 1885 af J. Boussinesq, gør det muligt at bestemme alle spændings- og tøjningskomponenterne på et hvilket som helst punkt af halvrummet. rum M fra virkningen af kraften N. [14]

Litteratur

Tsytovich N.A. Jordmekanik (kort kursus): Lærebog til bygning. universiteter. - 4. udg., revideret. og yderligere - M .: Højere. shk., 1983.—288 s., ill.
Ter-Martirosyan Z.G. Jordmekanik . — M.: Izd-vo ASV, 2005. — ISBN 5-93093-376-6 .
Ukhov S.B., Semenov V.V., Znamensky V.V. et al. Jordmekanik, baser og fundamenter. — M.: Izd-vo ASV, 2005. ISBN 5-87829-003-0 .
GOST 12248-2010 "Jord. Laboratoriemetoder til bestemmelse af karakteristika for styrke og deformerbarhed" [15]

Se også

Noter

↑ Mitchell, JK og Soga, K. (2005) Fundamentals of soil behavior, tredje udgave, John Wiley and Sons, Inc., ISBN 978-0-471-46302-3
↑ Santamarina, JC, Klein, KA, & Fam, MA Jordbund og bølger: Partikelmaterialeadfærd, karakterisering og procesovervågning. - Wiley, 2001. - ISBN 978-0-471-49058-6 . .
↑ Powrie, W., Spon Press, 2004, Soil Mechanics - 2. udgave ISBN 0-415-31156-X
↑ A Guide to Soil Mechanics, Bolton, Malcolm, Macmillan Press, 1979. ISBN 0-333-18931-0
↑ Guerriero, V; Mazzoli, S. (2021). "Teori om effektiv stress i jord og sten og implikationer for fraktureringsprocesser: en gennemgang." geovidenskab . 11 :119 . doi : 10.3390/geosciences11030119 .
↑ [Zheng, Junxing & Hryciw, Roman. (2015). Traditionel jordpartikelsfæricitet, rundhed og overfladeruhed ved beregningsgeometri. Geoteknisk. 65. 494 – 506. 10.1680/geot.14.P.192. ]
↑ [Hongwei Yang, Béatrice A. Baudet, Characterization of the Roughness of Sand Particles, Procedia Engineering, bind 158, 2016, side 98-103, ISSN 1877-7058, https://doi.org/10.1016/j.proeng. 2016.08.412 . ( https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1877705816326200 Arkiveret 21. maj 2022 på Wayback Machine )]
↑ https://www.notion.so/unsat-sat-928375a8f10a435a86bfab906f7d935f Sådan indstilles jordens specifikke vægtfylde: γunsat og γsat
↑ paragraf 5.6.40 i SP 22.13330.2011 Fundering af bygninger og konstruktioner . Hentet 23. april 2022. Arkiveret fra originalen 23. april 2022. (ubestemt)
↑ Jordens strukturelle styrke . Hentet 18. marts 2022. Arkiveret fra originalen 5. marts 2022. (ubestemt)
↑ SP 22.13330.2016 Baser og fundamenter. . Hentet 15. juni 2022. Arkiveret fra originalen 1. april 2022. (ubestemt)
↑ Estimeret jordmodstand . Hentet 23. juni 2022. Arkiveret fra originalen 19. april 2021. (ubestemt)
↑ klausul 5.4.6.3 GOST 12248-2010
↑ Spændinger i jordmassen s. 54
↑ Den 1. juni 2021 blev GOST 12248-2010 "Jord. Metoder til laboratoriebestemmelse af styrke- og deformerbarhedsegenskaber" afsluttet på Den Russiske Føderations territorium.