Геотехническая инженерия - Geotechnical engineering

Геотехническая инженерия , также известная как геотехника , - это отрасль гражданского строительства, связанная с инженерным поведением грунтовых материалов . Он использует принципы механики грунтов и механики горных пород для решения своих соответствующих инженерных задач. Он также опирается на знания геологии , гидрологии , геофизики и других смежных наук. Геотехническая (горная) инженерия - это раздел инженерной геологии .

Помимо гражданского строительства , геотехническая инженерия также применяется в военной , горнодобывающей , нефтяной , прибрежной и морской областях . Области инженерной геологии и инженерной геологии имеют области знаний, которые пересекаются, однако, в то время как инженерная геология - это специальность гражданского строительства , инженерная геология - это специальность геологии : они разделяют одни и те же принципы механики грунтов и механики горных пород, но различаются между собой. заявление.

История

Люди исторически использовали почву в качестве материала для борьбы с наводнениями, орошения, захоронений, фундаментов зданий и в качестве строительного материала для зданий. Первые мероприятия были связаны с ирригацией и борьбой с наводнениями, о чем свидетельствуют следы дамб, дамб и каналов, датируемые по крайней мере 2000 г. до н.э., которые были обнаружены в Древнем Египте , древней Месопотамии и Плодородном полумесяце , а также вокруг ранних поселений Мохенджо-Даро и Хараппа в долине Инда . По мере расширения городов возводились конструкции, опирающиеся на формализованные фундаменты; Древние греки особенно строили подушечные и ленточные фундаменты . Однако до 18 века не было разработано теоретических основ для проектирования почвы, и эта дисциплина была больше искусством, чем наукой, опирающейся на прошлый опыт.

Несколько инженерных проблем, связанных с фундаментом, таких как Пизанская башня , побудили ученых начать использовать более научный подход к исследованию недр. Самые ранние успехи произошли в развитии теорий давления грунта для строительства подпорных стен . Анри Готье, французский королевский инженер, определил «естественный уклон» различных почв в 1717 году, идея, позже известная как угол естественного откоса почвы . Также была разработана элементарная система классификации почв, основанная на удельном весе материала, который больше не считается хорошим показателем типа почвы.

Применение принципов механики к почвам было задокументировано еще в 1773 году, когда Чарльз Кулон (физик, инженер и капитан армии) разработал усовершенствованные методы определения давления земли на военные валы. Кулон заметил, что в случае разрушения за скользящей подпорной стенкой образуется отчетливая плоскость скольжения, и он предположил, что максимальное напряжение сдвига в плоскости скольжения для расчетных целей складывается из сцепления грунта и трения , где - нормальное напряжение на плоскости скольжения и - угол трения грунта. Объединив теорию Кулона с двухмерным напряженным состоянием Кристиана Отто Мора , эта теория стала известна как теория Мора-Кулона . Хотя сейчас признано, что точное определение сцепления невозможно, поскольку не является фундаментальным свойством почвы, теория Мора-Кулона все еще используется на практике сегодня. ${\ displaystyle c}$${\ Displaystyle \ sigma \, \!}$ ${\ Displaystyle \ загар (\ фи \, \!)}$${\ Displaystyle \ sigma \, \!}$${\ displaystyle \ phi \, \!}$${\ displaystyle c}$

В 19 веке Генри Дарси разработал то, что сейчас известно как закон Дарси, описывающий течение жидкости в пористой среде. Джозеф Буссинеск (математик и физик) разработал теории распределения напряжений в упругих твердых телах, которые оказались полезными для оценки напряжений на глубине в земле; Уильям Рэнкин , инженер и физик, разработал альтернативу теории земного давления Кулона. Альберт Аттерберг разработал индексы консистенции глины , которые до сих пор используются для классификации почв. Осборн Рейнольдс признал в 1885 году, что сдвиг вызывает объемное расширение плотных и сжатие рыхлых гранулированных материалов.

Считается, что современная геотехническая инженерия началась в 1925 году с публикации « Erdbaumechanik » Карла Терзаги (инженера-механика и геолога). Многие считают, что он является отцом современной механики грунтов и инженерной геологии, Терзаги разработал принцип эффективного напряжения и продемонстрировал, что прочность почвы на сдвиг контролируется эффективным напряжением. Терзаги также разработал основу для теорий несущей способности фундаментов и теории для прогнозирования скорости оседания слоев глины из-за уплотнения . Впоследствии Морис Био полностью разработал трехмерную теорию уплотнения грунта, расширив одномерную модель, ранее разработанную Терзаги, до более общих гипотез и ввел набор основных уравнений пороупругости . Алек Скемптон в своей работе 1960 года провел обширный обзор доступных формулировок и экспериментальных данных в литературе об эффективном напряжении, действующем в почве, бетоне и скале, чтобы отвергнуть некоторые из этих выражений, а также уточнить, какое выражение было подходящим. в соответствии с несколькими рабочими гипотезами, такими как поведение напряжения-деформации или прочности, насыщенные или ненасыщенные среды, поведение горных пород / бетона или грунта и т. д. В своей книге 1948 года Дональд Тейлор признал, что сцепление и расширение плотно упакованных частиц способствовали максимальной прочности почвы. Взаимосвязи между поведением изменения объема (растяжение, сжатие и уплотнение) и сдвигом были связаны через теорию пластичности с использованием механики критического состояния почвы Роско, Шофилдом и Ротом с публикацией «О текучести почв» в 1958 году. . Критическое состояние механика грунтов является основой для многих современных передовых учредительных моделей , описывающих поведение почвы.

Геотехническое моделирование центрифуг - это метод тестирования физических масштабных моделей геотехнических задач. Использование центрифуги увеличивает сходство испытаний на масштабной модели с участием грунта, поскольку прочность и жесткость грунта очень чувствительны к ограничивающему давлению. Центробежное ускорение позволяет исследователю получать большие (прототипные) напряжения в небольших физических моделях.

Механика грунта

В геотехнической инженерии почвы считаются трехфазным материалом, состоящим из горных пород или минеральных частиц, воды и воздуха. Пустоты в почве, промежутки между минеральными частицами содержат воду и воздух.

На инженерные свойства почв влияют четыре основных фактора: преобладающий размер минеральных частиц, тип минеральных частиц, гранулометрический состав и относительное количество минералов, воды и воздуха, присутствующих в матрице почвы. Мелкие частицы (мелкие частицы) определяются как частицы диаметром менее 0,075 мм.

Свойства почвы

Некоторые из важных свойств грунтов, которые используются инженерами-геотехниками для анализа условий площадки и проектирования земляных работ, подпорных конструкций и фундаментов:

Удельный вес или единичный вес

Суммарный вес твердых частиц, воды и воздуха в единице объема почвы. Обратите внимание, что воздушная фаза часто считается невесомой.

Пористость

Отношение объема пустот (содержащих воздух, воду или другие жидкости) в почве к общему объему почвы. Пористость математически связана с коэффициентом пустотности.

${\ Displaystyle п = {\ гидроразрыва {е} {1 + е}}}$

здесь e - коэффициент пустотности, n - пористость.

Коэффициент пустоты

Отношение объема пустот к объему твердых частиц в грунтовой массе. Коэффициент пустотности математически связан с пористостью соотношением

${\ displaystyle e = {\ frac {n} {1-n}}}$

Проницаемость

Мера способности воды течь через почву. Он выражается в единицах дарси (г). Проницаемость в 1 день позволяет пропускать 1 см3 в секунду жидкости с вязкостью 1 сП (сантипуаз) через площадь поперечного сечения 1 см2 при приложении градиента давления 1 атм / см.

Сжимаемость

Скорость изменения объема при эффективном напряжении. Если поры заполнены водой, то воду необходимо выжать из пор, чтобы обеспечить объемное сжатие почвы; этот процесс называется консолидацией.

Прочность на сдвиг

Максимальное напряжение сдвига, которое может быть приложено к массиву грунта, не вызывая разрушения при сдвиге.

Пределы Аттерберга

Жидкий предел , пластик предел , и предел усыхания . Эти показатели используются для оценки других инженерных свойств и классификации почв .

Геотехнические изыскания

В задачи инженера-геолога входит исследование подземных условий и материалов; определение соответствующих физических, механических и химических свойств этих материалов; проектирование земляных работ и подпорных сооружений (включая плотины , насыпи , свалки, захоронения опасных отходов ), туннелей и фундаментов сооружений ; мониторинг состояния площадки, земляных работ и строительства фундамента; оценка устойчивости естественных склонов и техногенных почвенных отложений; оценка рисков, связанных с условиями площадки; а также прогнозирование, предотвращение и смягчение ущерба, причиняемого стихийными бедствиями (такими как лавины , сели , оползни , оползни , провалы и извержения вулканов ).

Инженеры-геологи и инженеры-геологи проводят инженерно-геологические изыскания для получения информации о физических свойствах грунта и горных пород, лежащих в основе (а иногда и прилегающих к) площадке, для проектирования земляных работ и фундаментов для предлагаемых сооружений, а также для ремонта повреждений земляных работ и сооружений, вызванных недрами. условия. Геотехническое исследование будет включать в себя исследование поверхности и изучение недр участка. Иногда для получения данных о площадках используются геофизические методы . Разведочные работы по недропользованию обычно включает в месте испытания (два распространенных примеров на месте испытаний являются стандартным тестом на проникновение и статическое зондирование ). Кроме того, исследование участка часто включает отбор подземных проб и лабораторные испытания отобранных проб почвы. Рытье испытательных котлованов и рытье траншей (особенно для обнаружения разломов и плоскостей оползней ) также можно использовать для изучения почвенных условий на глубине. Скважины большого диаметра редко используются из-за соображений безопасности и затрат, но иногда используются, чтобы позволить геологу или инженеру спуститься в скважину для прямого визуального и ручного исследования стратиграфии почвы и горных пород.

Существует множество пробоотборников почвы для удовлетворения потребностей различных инженерных проектов. Тест стандарта проникновения (СПТ), которая использует толстостенное раздвоение ложки пробник, является наиболее распространенным способом сбора нарушенных образцов. Поршневые пробоотборники, в которых используется тонкостенная трубка, чаще всего используются для отбора менее поврежденных проб. Более продвинутые методы, такие как блочный сэмплер Sherbrooke, лучше, но даже дороже. Керлинг мерзлого грунта обеспечивает получение высококачественных ненарушенных образцов из любых грунтовых условий, таких как насыпь, песок, морена и зоны трещиноватости.

Например, тесты пределов Аттерберга , измерения содержания воды и анализ размера зерен могут проводиться на нарушенных образцах, полученных с помощью пробоотборников толстостенных грунтов . Такие свойства, как прочность на сдвиг, жесткость, гидравлическая проводимость и коэффициент уплотнения, могут быть значительно изменены из-за нарушения образца. Для измерения этих свойств в лаборатории требуется качественный отбор проб. Общие испытания для измерения прочности и жесткости включают испытание на трехосный сдвиг и неограниченное сжатие.

Исследование поверхности может включать геологическое картирование , геофизические методы и фотограмметрию ; или это может быть так же просто, как инженер, который ходит вокруг, чтобы понаблюдать за физическими условиями на площадке. Геологическое картирование и интерпретация геоморфологии обычно выполняются после консультации с геологом или инженером-геологом .

Иногда используются также геофизические исследования . Геофизические методы, используемые для разведки недр, включают измерение сейсмических волн (давления, сдвига и волны Рэлея ), методы поверхностных волн и / или скважинные методы, а также электромагнитные исследования (магнитометр, удельное сопротивление и георадар ).

Инфраструктура

1. Средние / тяжелые лебедки ударного бурения.
2. Сверхмощный роторный сверлильный станок с алмазным сердечником.
3. Легкая гео машина.
4. Лебедки ручные со штативом.
5. Испытательная машина на динамическое проникновение конуса.
6. Статическая машина для проникновения конуса.
7. Машина для испытания измерителей давления.
8. Машина для испытания на сдвиг полевой лопасти.
9. Полевая испытательная машина CBR (California Bearing Ratio).
10. Блок виброиспытания машины.
11. Аппарат быстрого влагомера.
12. Станок для резки кернов с плотностью на месте.
13. Стандартная машина для испытаний на проникновение.
14. Поле проницаемости одинарной и двойной упаковочной машины.

заявка

1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ МОСТОВ: Тип основания и рекомендация глубины
2. КОНСТРУКЦИЯ ТУННЕЛЯ: расчет RMR и Q значений
3. КОНСТРУКЦИЯ ЗДАНИЙ: Вывести безопасную несущую нагрузку
4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ УПОРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ: Рекомендации по технике улучшения грунта

Структуры

Фонды

Фундамент здания передает на землю нагрузки от зданий и других сооружений. Инженеры-геотехники проектируют фундаменты, исходя из нагрузочных характеристик конструкции и свойств грунтов и / или коренных пород на участке. В целом инженеры-геотехники:

1. Оцените величину и расположение поддерживаемых нагрузок.
2. Разработайте план исследования для изучения недр .
3. Определить необходимые параметры почвы через поля и лабораторные испытания (например, испытание консолидации , трехосный сдвиг тест , лопатка испытание на сдвиг, стандартный тест на проникновение ).
4. Спроектируйте фундамент самым безопасным и экономичным способом.

Основными соображениями при опоре фундамента являются несущая способность , осадки и движение грунта под фундаментом. Несущая способность - это способность грунта площадки выдерживать нагрузки, создаваемые зданиями или сооружениями. Осадки происходят под всеми основаниями и при любых почвенных условиях, хотя легконагруженные конструкции или каменные участки могут испытывать незначительные осадки. Для более тяжелых конструкций или более мягких участков могут возникнуть проблемы как в целом по отношению к незастроенным участкам или соседним зданиям, так и по дифференциальной осадке под одной структурой. Особую озабоченность вызывает оседание, которое происходит с течением времени, поскольку немедленное оседание обычно может быть компенсировано во время строительства. Движение грунта под фундаментом сооружения может происходить из-за усадки или набухания обширных грунтов из-за климатических изменений, морозного расширения грунта, таяния вечной мерзлоты, нестабильности склонов или по другим причинам. Все эти факторы необходимо учитывать при проектировании фундаментов.

На участках с мелкой коренной породой большинство фундаментов может опираться непосредственно на коренную породу; на других участках грунт может обеспечить достаточную прочность для поддержки конструкций. На участках с более глубокими коренными породами и мягкими вышележащими грунтами глубокие фундаменты используются для поддержки конструкций непосредственно на коренных породах; в областях, где коренная порода экономически недоступна, вместо этого используются жесткие «несущие слои» для поддержки глубоких фундаментов.

Мелкий

Фундаменты неглубокого заложения - это тип фундамента, который передает строительную нагрузку очень близко к поверхности, а не подповерхностному слою. Фундаменты мелкого заложения обычно имеют отношение глубины к ширине менее 1.

Опоры

Опоры (часто называемые «раздвижными опорами», потому что они распределяют нагрузку) - это структурные элементы, которые передают нагрузки конструкции на землю путем прямого контакта по площади. Опоры могут быть изолированными опорами для точечных или колонных нагрузок или ленточными опорами для стен или других длинных (линейных) нагрузок. Фундаменты обычно сооружаются из железобетона, залитого непосредственно на почву, и обычно закладываются в землю для проникновения через зону движения мороза и / или для получения дополнительной несущей способности.

Плита

Вариант с раздельными опорами состоит в том, что вся конструкция опирается на единую бетонную плиту, лежащую под всей площадью конструкции. Плиты должны быть достаточно толстыми, чтобы обеспечивать достаточную жесткость для равномерного распределения опорных нагрузок и минимизировать дифференциальную оседку фундамента. В некоторых случаях допускается прогиб, и вместо этого здание строится таким образом, чтобы выдерживать небольшие перемещения фундамента. Для небольших конструкций, например, односемейных домов, толщина плиты может быть менее 300 мм; для более крупных конструкций фундаментная плита может иметь толщину в несколько метров.

Фундаменты из плит могут быть фундаментными плитами или закладными, как правило, в зданиях с подвалами. Фундаменты типа «плита на грунте» должны быть спроектированы с учетом возможных перемещений грунта из-за изменения грунтовых условий.

Глубокий

Глубокие фундаменты используются для конструкций или тяжелых нагрузок, когда мелкие фундаменты не могут обеспечить адекватную пропускную способность из-за размеров и конструктивных ограничений. Они также могут использоваться для передачи строительных нагрузок на слабые или сжимаемые слои почвы. В то время как мелкие фундаменты полагаются исключительно на несущую способность почвы под ними, глубокие фундаменты могут полагаться на концевое несущее сопротивление, сопротивление трения по всей своей длине или и то, и другое для развития необходимой способности. Инженеры-геотехники используют специализированные инструменты, такие как испытание на проникновение конуса , для оценки количества поверхностного слоя и сопротивления торцевому подшипнику, доступного в геологической среде.

Существует много типов глубоких фундаментов, включая сваи , просверленные валы, кессоны , опоры и грунтовые колонны. Большие здания, такие как небоскребы, обычно требуют глубокого фундамента. Например, башня Цзинь Мао в Китае использует трубчатые стальные сваи примерно 1 м (3,3 фута), забитые на глубину 83,5 м (274 фута), чтобы выдержать ее вес.

В построенных зданиях, подверженных осадке, можно использовать опорные сваи для стабилизации существующего здания.

Уложить сваи для глубокого фундамента можно тремя способами. Их можно приводить в движение, просверливать или устанавливать с помощью шнека. Забивные сваи удлиняются на необходимую глубину с приложением внешней энергии так же, как забивают гвоздь. Для забивания таких свай используются четыре типичных молота: ударные, дизельные, гидравлические и пневматические. Молоты просто сбрасывают тяжелый груз на сваю, чтобы забить ее, в то время как дизельные молоты используют одноцилиндровый дизельный двигатель для проталкивания сваи через Землю. Точно так же гидравлические и пневматические молоты снабжают сваи энергией за счет гидравлических и воздушных сил. Энергия, передаваемая от молота, изменяется в зависимости от выбранного типа молота и может достигать миллиона футов фунтов для крупномасштабных дизельных молотов, очень распространенных на практике молотов. Сваи изготавливаются из различных материалов, включая сталь, дерево и бетон. Для создания буронабивных свай сначала просверливают отверстие соответствующей глубины и заливают его бетоном. Буронабивные сваи обычно могут нести большую нагрузку, чем забивные, просто из-за сваи большего диаметра. Шнековый метод установки свай аналогичен установке буронабивных свай, но бетон закачивается в скважину по мере снятия шнека.

Боковые земляные опорные конструкции

Подпорная стена - это конструкция, сдерживающая землю. Подпорные стены стабилизируют почву и скалу от движения вниз по склону или эрозии и обеспечивают поддержку при вертикальном или почти вертикальном изменении уклона. Коффердамы и переборки, конструкции для сдерживания воды, иногда также считаются подпорными стенами.

Основная геотехническая проблема при проектировании и установке подпорных стен заключается в том, что вес удерживаемого материала создает боковое давление грунта за стеной, что может привести к деформации стены или ее разрушению. Боковое давление грунта зависит от высоты стены, плотности почвы, прочности почвы и величины допустимого движения стены. Это давление наименьшее вверху и возрастает к низу аналогично гидравлическому давлению и имеет тенденцию отталкивать стену от засыпки. Грунтовые воды за стеной, не отводимые дренажной системой, создают дополнительное горизонтальное гидравлическое давление на стену.

Гравитационные стены

Гравитационные стены зависят от размера и веса стены, чтобы противостоять давлению сзади. Гравитационные стены часто будут иметь небольшой отступ или удар, чтобы улучшить устойчивость стены. Для коротких озелененных стен обычно используются гравитационные стены, сделанные из камня, уложенного без раствора (без раствора), или сегментных бетонных блоков (каменных блоков).

Ранее в 20-м веке более высокие подпорные стены часто представляли собой гравитационные стены, сделанные из больших массивов бетона или камня. Сегодня более высокие подпорные стены все чаще строятся как композитные гравитационные стены, такие как геосинтетический или армированный сталью грунт обратной засыпки с облицовкой из сборного железобетона; габионы (уложенные друг на друга корзины из стальной проволоки, заполненные камнями), стены для кроватей (ячейки, построенные в стиле бревенчатых домиков из сборного железобетона или дерева и заполненные почвой или гравием с естественным дренированием) или стены, забитые грунтом (грунт укреплен на месте стальными и бетонными стержнями ).

В случае гравитационных стен из армированного грунта арматура из грунта укладывается горизонтальными слоями по всей высоте стены. Обычно армирование почвы представляет собой георешетку , высокопрочную полимерную сетку, которая обеспечивает прочность на разрыв и удерживает почву вместе. Лицевая сторона стены часто состоит из сборных сегментных бетонных блоков, которые могут выдерживать некоторые дифференциальные движения. Укрепленная масса грунта вместе с облицовкой становится гравитационной стеной. Усиленная масса должна быть достаточно большой, чтобы выдерживать давление почвы позади нее. Гравитационные стены обычно должны иметь глубину (толщину) не менее 30-40 процентов от высоты стены и, возможно, должны быть больше, если на стене есть уклон или надбавка.

Консольные стены

До внедрения современных гравитационных стен из армированного грунта консольные стены были наиболее распространенным типом более высоких подпорных стен. Консольные стены состоят из относительно тонкого стержня из армированного сталью, монолитного бетона или кирпичной кладки (часто в форме перевернутой буквы Т). Эти стены консольно нагружают (как балка) на большую конструктивную опору; преобразование горизонтального давления из-за стены в вертикальное давление на земле внизу. Иногда консольные стены укрепляются спереди или включают противодействие сзади, чтобы улучшить их устойчивость при высоких нагрузках. Контрфорсы - это короткие перегородки, расположенные под прямым углом к ​​основному направлению стены. Эти стены требуют жестких бетонных оснований ниже глубины сезонных морозов. В этом типе стены используется гораздо меньше материала, чем в традиционной гравитационной стене.

Консольные стены противостоят боковому давлению за счет трения у основания стены и / или пассивного давления грунта , тенденции грунта сопротивляться боковому перемещению.

Подвалы представляют собой консольные стены, но силы на стены подвала больше, чем на обычные стены, потому что стена подвала не может свободно двигаться.

Опалубка земляных работ

Крепление временных котлованов часто требует такой конструкции стены, которая не выходит за пределы стены в боковом направлении, поэтому опора проходит ниже запланированного основания котлована. Распространенными методами крепления являются использование шпунтовых свай или солдатских балок и утеплителей . Шпунтовые сваи представляют собой забивную сваю, в которой используются тонкие соединяющиеся друг с другом стальные листы для создания непрерывного барьера в земле, которые забиваются перед выемкой грунта. Солдатские балки изготавливаются из стальных Н-образных профилей с широкими полками, расположенных на расстоянии около 2–3 м друг от друга и забиваемых перед выемкой грунта. По мере продолжения выемки горизонтальные деревянные или стальные листы (утеплитель) вставляются за Н-образные полки сваи.

Использование подземного пространства требует выемки грунта, что может вызвать большое и опасное смещение массы грунта вокруг выемки. Поскольку в городских районах пространство для выемки откосов ограничено, вырубка производится вертикально. Подпорные стены сделаны для предотвращения небезопасного смещения грунта вокруг котлована. Мембранные стены - это тип подпорных стен, которые очень жесткие и, как правило, водонепроницаемые. Горизонтальные перемещения стенок диафрагмы обычно предотвращаются боковыми опорами. Мембранные стены - дорогие стены, но они экономят время и пространство, а также безопасны, поэтому широко используются при городских глубоких раскопках.

В некоторых случаях боковая опора, которая может быть обеспечена одной только опорной стеной, недостаточна для противостояния запланированным боковым нагрузкам; в этом случае дополнительную поддержку обеспечивают ригели или стяжки. Ригели - это структурные элементы, которые соединяются поперек выемки, так что нагрузки от грунта по обе стороны выемки используются для противодействия друг другу, или которые передают горизонтальные нагрузки от опорной стены к основанию выемки. Подвязки представляют собой стальные стержни, просверленные в лицевой стороне стены, которые выходят за пределы почвы, оказывающей давление на стену, для обеспечения дополнительного бокового сопротивления стене.

Земляные работы

• Земляные работы - это процесс подготовки земли в соответствии с требованиями путем удаления почвы с участка.
• Заполнение - это процесс подготовки земли в соответствии с требованиями путем размещения почвы на участке.
• Уплотнение - это процесс увеличения плотности почвы и уменьшения ее проницаемости. Работы по укладке насыпи часто имеют спецификации, требующие определенной степени уплотнения или, альтернативно, определенных свойств уплотненного грунта. Грунты, находящиеся на месте, могут уплотняться прокаткой, глубоким динамическим уплотнением , вибрацией, взрыванием, вращением, замешиванием, уплотнением цементного раствора и т. Д.

Улучшение грунта

Улучшение грунта - это метод, улучшающий инженерные свойства обрабатываемого грунтового массива. Обычно измененными свойствами являются прочность на сдвиг, жесткость и проницаемость. Улучшение грунта превратилось в сложный инструмент для поддержки фундаментов самых разных конструкций. При правильном применении, т.е. после должного учета характера улучшаемого грунта, типа и чувствительности возводимых конструкций, улучшение грунта часто снижает прямые затраты и экономит время.

Стабилизация склона

Устойчивость склонов - это способность покрытых почвой склонов выдерживать и подвергаться движениям . Устойчивость определяется балансом напряжения сдвига и прочность на сдвиг . На ранее устойчивый уклон могут первоначально повлиять подготовительные факторы, что сделает уклон условно нестабильным. Факторами, провоцирующими обрушение склона, могут быть климатические явления, которые затем могут сделать склон активно нестабильным, что приведет к массовым перемещениям. Массовые движения могут быть вызваны увеличением напряжения сдвига, например нагрузкой, боковым давлением и переходными силами. В качестве альтернативы прочность на сдвиг может быть уменьшена из-за погодных условий, изменений давления поровой воды и органических материалов.

Несколько режимов разрушения земных откосов включают падения, оползания, оползни и потоки. На склонах с крупнозернистой почвой или скалами обвалы обычно происходят при быстром спуске камней и другого рыхлого склонового материала. Склон опрокидывается, когда при обрушении большой столб почвы наклоняется над своей вертикальной осью. Типичный анализ устойчивости откосов рассматривает разрушения из-за скольжения, которые в основном классифицируются как вращательные или поступательные скольжения. Как следует из названия, вращающиеся слайды терпят неудачу по обычно изогнутой поверхности, в то время как поступательные слайды терпят неудачу по более плоской поверхности. Склон, обрывающийся как поток, будет напоминать текучую среду, текущую вниз по склону.

Анализ устойчивости откоса

Анализ устойчивости необходим для проектирования инженерных откосов и для оценки риска обрушения откосов на естественных или спроектированных склонах. Распространено предположение, что склон состоит из слоя почвы, лежащего на жестком основании. Предполагается, что масса и основание взаимодействуют посредством трения. Граница между массой и основанием может быть плоской, изогнутой или иметь другую сложную геометрию. Цель анализа устойчивости откоса - определить условия, при которых масса будет скользить относительно основания и приведет к разрушению откоса.

Если граница раздела между массой и основанием откоса имеет сложную геометрию, анализ устойчивости откоса затруднен и требуются методы численного решения. Обычно точная геометрия интерфейса неизвестна, и предполагается упрощенная геометрия интерфейса. Конечные уклоны требуют анализа трехмерных моделей. Чтобы не усложнять задачу, большинство уклонов анализируется в предположении, что уклоны бесконечно широки и, следовательно, могут быть представлены двумерными моделями. Склон может быть осушенным или недренированным. Недренированное состояние используется в расчетах для получения консервативных оценок риска.

Популярный подход к анализу устойчивости основан на принципах, относящихся к концепции предельного равновесия. Этот метод анализирует конечный или бесконечный уклон, как если бы он вот-вот разрушится по своей скользящей поверхности разрушения. Равновесные напряжения рассчитываются вдоль плоскости разрушения и сравниваются с прочностью грунта на сдвиг, определяемой уравнением прочности на сдвиг Терзаги . В конечном итоге устойчивость определяется коэффициентом безопасности, равным отношению прочности на сдвиг к равновесным напряжениям вдоль поверхности разрушения. Коэффициент запаса прочности, превышающий единицу, обычно подразумевает устойчивый уклон, разрушение которого не должно происходить при условии, что уклон ненарушен. На практике обычно используется коэффициент запаса прочности 1,5 для статических условий.

Геосинтетика

Геосинтетические материалы - это тип пластмассовых полимерных изделий, используемых в геотехнической инженерии, которые улучшают инженерные характеристики при одновременном снижении затрат. Сюда входят геотекстиль , георешетки , геомембраны , геоячейки и геокомпозиты . Синтетический характер продуктов делает их пригодными для использования в земле, где требуется высокий уровень прочности; их основные функции включают дренаж, фильтрацию, усиление, разделение и локализацию. Геосинтетики доступны в широком диапазоне форм и материалов, каждый из которых подходит для немного разного конечного использования, хотя они часто используются вместе. Эти продукты имеют широкий спектр применения и в настоящее время используются во многих областях гражданского и инженерно-геологического строительства, включая дороги, аэродромы, железные дороги, насыпи, насыпные насыпи, подпорные конструкции, резервуары, каналы, плотины, свалки, берегоукрепление и прибрежное строительство.

Офшор

Морские (или морские ) геотехнические разработки связаны с проектированием фундаментов для искусственных сооружений в море , вдали от береговой линии (в отличие от береговых или прибрежных ). Нефтяные платформы , искусственные острова и подводные трубопроводы являются примерами таких сооружений. Между наземным и морским инженерно-геологическим проектированием существует ряд существенных различий. Примечательно, что улучшение грунта (на морском дне) и исследование площадки обходятся дороже, морские конструкции подвергаются более широкому спектру геологических опасностей , а экологические и финансовые последствия в случае аварии выше. Морские сооружения подвергаются различным воздействиям окружающей среды, в частности ветру , волнам и течениям . Эти явления могут повлиять на целостность или работоспособность конструкции и ее фундамента в течение срока эксплуатации - их необходимо учитывать при проектировании морских сооружений.

В подводной геотехнике материалы морского дна считаются двухфазным материалом, состоящим из 1) горных пород или минеральных частиц и 2) воды. Конструкции могут быть закреплены на морском дне - как в случае пирсов , причалов и ветряных турбин с фиксированным дном - или может быть плавучая конструкция, которая остается приблизительно неподвижной относительно ее геотехнической точки крепления. Подводная швартовка искусственно созданных плавучих конструкций включает большое количество морских нефтегазовых платформ и, с 2008 года, несколько плавучих ветряных турбин . Два распространенного типа сконструированной конструкции для крепления плавучих конструкций включают прижимную ножку и катенарные свободные швартовые системы. «Системы швартовки с натяжными опорами имеют вертикальные тросы, находящиеся под натяжением, обеспечивающие большие восстанавливающие моменты по тангажу и крену. Системы швартовки с цепной опорой обеспечивают удержание на месте для морской конструкции, но при этом обеспечивают небольшую жесткость при низком натяжении».

Наблюдательный метод

В геотехнической инженерии во время строительства земляных сооружений (например, плотин и туннелей) метод наблюдений представляет собой непрерывный, управляемый и интегрированный процесс проектирования, контроля строительства, мониторинга и анализа, позволяющий вносить соответствующие, ранее определенные модификации во время ( или после) строительства. Все эти аспекты должны быть очевидными. Цель состоит в том, чтобы добиться большей общей экономии без ущерба для безопасности.

Метод наблюдений был предложен Карлом Терзаги и обсужден в статье Ральфа Б. Пека (1969) с целью снизить затраты во время строительства, связанные с проектированием земляных сооружений на основе самых неблагоприятных предположений (другими словами, геологические условия, почвенно-инженерные свойства и т. д.). Вместо этого дизайн основан на наиболее вероятных условиях, а не на наиболее неблагоприятных. Пробелы в доступной информации заполняются наблюдениями: измерениями с использованием геотехнических приборов (например, инклинометры и пьезометры) и инженерно-геологическими исследованиями площадки (например, бурением скважин и CPT ). Эти наблюдения помогают оценить поведение конструкции во время строительства, которое затем может быть изменено в соответствии с результатами. Метод можно охарактеризовать как «обучение на ходу».

Метод наблюдения можно описать следующим образом:

• Разведка, достаточная для установления общей природы, структуры и свойств залежей (не обязательно в деталях)
• Оценка наиболее вероятных условий и наиболее неблагоприятных возможных отклонений от этих условий. Геология играет важную роль.
• Создание дизайна на основе рабочей гипотезы поведения, ожидаемого в наиболее вероятных условиях.
• Выбор величин, которые будут наблюдаться в ходе строительства, и расчет их ожидаемых значений на основе рабочей гипотезы
• Расчет значений тех же величин в наиболее неблагоприятных условиях, совместимых с имеющимися данными о подземных условиях.
• Выбор (заблаговременно) плана действий или модификации проекта для каждого прогнозируемого значительного отклонения результатов наблюдений от тех, которые были спрогнозированы на основе рабочей гипотезы.
• Измерение наблюдаемых величин и оценка фактических условий
• Доработка конструкции в соответствии с реальными условиями

Метод наблюдения подходит для строительства, которое уже началось, когда происходит неожиданное развитие событий, или когда возникает угроза отказа или аварии, или когда они уже произошли. Метод не подходит для проектов, дизайн которых нельзя изменить во время строительства.

Самая серьезная ошибка при применении метода наблюдений - это неспособность выбрать (заранее) соответствующий курс действий для всех прогнозируемых отклонений (выявленных путем наблюдения) от тех, которые предполагаются в проекте. Инженер должен найти решения для всех проблем, которые могут возникнуть при наименее благоприятных условиях. Если он или она не может решить эти гипотетические проблемы (даже если вероятность их возникновения очень мала), он или она должны вернуться к дизайну, основанному на наименее благоприятных условиях.

Смотрите также

 Инженерный портал

Примечания

использованная литература

• Бейтс и Джексон, 1980, Глоссарий геологии: Американский геологический институт.
• Кринин и Джадд, 1957, Принципы инженерной геологии и геотехники: Макгроу-Хилл, Нью-Йорк.

внешние ссылки

• Всемирная база данных геотехнической литературы