Геотехническая инженерия - Geotechnical engineering

Бостон с Big Dig представил геотехнические проблемы в городской среде.

Подпорная стена из сборного железобетона

Типичное поперечное сечение откоса, используемое в двумерном анализе.

Геотехническая инженерия, также известный как геотехника, это ветвь гражданское строительство озабочены инженерным поведением земляные материалы. Он использует принципы и методы механика грунта и механика горных пород для решения инженерное дело проблемы и проектирование инженерных работ. Он также полагается на знание геология, гидрология, геофизика, и другие смежные науки.

Геотехническая инженерия играет важную роль в гражданском строительстве, но также находит применение в военный, добыча полезных ископаемых, нефть, прибрежный, океан, и другие инженерные дисциплины которые связаны со строительством, происходящим на поверхности или под землей, как на суше, так и на море. Области инженерной геологии и инженерная геология тесно связаны и имеют большие области перекрытия. Однако, хотя геотехническая инженерия - это специальность гражданское строительство, инженерная геология - специальность геология: они разделяют одни и те же принципы механики грунта и механики горных пород, но могут различаться по объектам, масштабу применения и подходам.

В задачи инженера-геолога входит исследование подземных условий и материалов; определение соответствующих физических, механических и химических свойств этих материалов; дизайн земляные работы и подпорные конструкции (в том числе плотины, набережные, санитарные свалки, отложения опасные отходы ), туннели, и структура основы; мониторинг состояния площадки, земляных работ и строительства фундамента; оценка устойчивость естественных склонов и искусственные почвенные отложения; оценка рисков, связанных с условиями площадки; а также прогнозирование, предотвращение и уменьшение ущерба, причиненного стихийные бедствия (Такие как лавины, грязевые потоки, оползни, оползни, воронки, и извержения вулканов ).^[1][2]

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, плотин и каналов, датируемые по крайней мере 2000 г. до н.э., которые были обнаружены в древних временах. Египет, древний Месопотамия и Плодородный Полумесяц, а также вокруг ранних поселений Мохенджо-Даро и Хараппа в Долина Инда. По мере расширения городов возводились конструкции, опирающиеся на формализованные фундаменты; Древние греки особенно сконструированные колодки и ленточно-плотный фундамент. Однако до 18 века не было разработано теоретических основ для проектирования почвы, и эта дисциплина была больше искусством, чем наукой, основанной на прошлом опыте.^[3]

Некоторые инженерные проблемы, связанные с фундаментом, такие как Пизанская башня, побудило ученых начать использовать более научный подход к изучению недр. Самые ранние успехи произошли в развитии давление земли теории для построения поддерживающие стены. Анри Готье, французский королевский инженер, обнаружил «естественный склон» различных почв в 1717 году, идея, позже известная как почвенный склон. угол естественного откоса. Также была разработана элементарная система классификации почв, основанная на удельном весе материала, который больше не считается хорошим показателем типа почвы.^[3][4]

Применение принципов механики к почвам было задокументировано еще в 1773 году, когда Шарль Кулон (физик, инженер и капитан армии) разработал усовершенствованные методы определения давления земли на военные валы. Кулоновское отметил, что при выходе из строя отчетливой плоскость скольжений сформирует за скольжением подпорной стенки, и он предположил, что максимальное напряжение сдвига в плоскости скольжения, для целей проектирования, была суммой сцепления почвы, ${displaystyle c}$, и трение ${displaystyle sigma ,!}$ ${displaystyle an(phi ,!)}$, куда ${displaystyle sigma ,!}$ нормальное напряжение на плоскости скольжения и ${displaystyle phi ,!}$ - угол трения почвы. Объединив теорию Кулона с Кристиан Отто Мор с 2D напряженное состояние, теория стала известна как Теория Мора-Кулона. Хотя сейчас признано, что точное определение сплоченности невозможно, потому что ${displaystyle c}$ не является фундаментальным свойством почвы,^[5] Теория Мора-Кулона до сих пор используется на практике.

В 19 веке Генри Дарси разработал то, что сейчас известно как Закон Дарси описание течения жидкости в пористой среде. Жозеф 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 консистенция глины индексы, которые до сих пор используются для классификации почв.^[3][4] Осборн Рейнольдс в 1885 году было признано, что сдвиг вызывает объемное расширение плотных и сжатие рыхлых гранулированных материалов.

Считается, что современная геотехническая инженерия началась в 1925 году с публикации Erdbaumechanik к Карл Терзаги (инженер-механик и геолог). Многие считают, что он является отцом современной механики грунтов и геотехники, Терзаги разработал принцип эффективного напряжения и продемонстрировал, что прочность почвы на сдвиг контролируется эффективным напряжением. Терзаги также разработал основы теорий несущей способности фундаментов и теорию прогнозирования скорости оседания слоев глины из-за укрепление.^[3][5][6] В своей книге 1948 года Дональд Тейлор признал, что сцепление и расширение плотно упакованных частиц способствуют максимальной прочности почвы. Взаимосвязи между поведением изменения объема (расширение, сжатие и консолидация) и поведением сдвига были связаны через теорию пластичность с помощью критическое состояние механики грунтов Роско, Шофилд и Рот с публикацией «Об урожайности почв» в 1958 году. Механика критического состояния грунтов является основой многих современных передовых конститутивные модели описание поведения почвы.^[7]

Геотехническое моделирование центрифуг 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.

Практикующие инженеры

Инженеры-геотехники обычно являются выпускниками четырехлетней программы гражданского строительства, а некоторые имеют степень магистра. В США инженеры-геотехники обычно имеют лицензию и квалификацию профессиональных инженеров (PE) в большинстве штатов; только в настоящее время Калифорния и Орегон имеют лицензию на инженерно-геологические специальности. В Академия геопрофессионалов (AGP) начала выдавать сертификат Diplomate, Geotechnical Engineering (D.GE) в 2008 году. Правительства штатов обычно выдают лицензии инженерам, получившим диплом ABET аккредитованная школа, сдавшая Основы инженерии экзамен, прошел несколько лет опыта работы под руководством лицензированного профессионального инженера и сдал Профессиональная инженерия экспертиза.^[8]

Механика грунта

Фазовая диаграмма почвы с указанием веса и объема воздуха, почвы, воды и пустот.

Основные статьи: Механика грунта и Механика горных пород

В геотехнической инженерии грунты считаются трехфазным материалом, состоящим из: породы или минеральная частицы, вода и воздух. 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 относительные количества минералов, воды и воздуха, присутствующих в матрице почвы. Мелкие частицы (мелкие частицы) определяются как частицы диаметром менее 0,075 мм.

Свойства почвы

Основная статья: Механика грунта

Некоторые из важных свойств грунтов, которые используются инженерами-геотехниками для анализа условий площадки и проектирования земляных работ, подпорных конструкций и фундаментов:^[2]

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.^[9]

${displaystyle n={frac {e}{1+e}}}$

Вот е коэффициент пустотности и п пористость

Коэффициент пустоты

Отношение объема пустот к объему твердых частиц в грунтовой массе. Коэффициент пустотности математически связан с пористостью соотношением^[9]

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

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, когда применяется градиент давления 1 атм / см.^[10]

Сжимаемость

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

Прочность на сдвиг

Максимум напряжение сдвига которые можно применять в массиве почвы, не вызывая разрушения при сдвиге.^[11]

Пределы Аттерберга

Предел жидкости, Пластиковый лимит, и Предел усадки. Эти показатели используются для оценки других инженерных свойств и для классификация почв.

Геотехнические изыскания

Основная статья: Геотехнические изыскания

Инженеры-геологи и инженеры-геологи проводят инженерно-геологические изыскания для получения информации о физических свойствах почвы и горных пород, лежащих под (а иногда и прилегающих к) участку, для проектирования земляных работ и фундаментов для предлагаемых сооружений, а также для ремонта повреждений земляных работ и сооружений, вызванных недугом. условия. Геотехническое исследование будет включать в себя исследование поверхности и исследование недр участка. Иногда, геофизические методы используются для получения данных о сайтах. Разведка недр обычно включает испытания на месте (два распространенных примера испытаний на месте: стандартный тест на проникновение и тест на проникновение конуса ). Кроме того, обследование участка часто включает отбор подземных проб и лабораторные испытания отобранных проб почвы. Рытье испытательных котлованов и рытье траншей (особенно для определения местоположения недостатки и самолеты скольжения ) также можно использовать для изучения почвенных условий на глубине. Скважины большого диаметра редко используются из-за соображений безопасности и затрат, но иногда они используются, чтобы позволить геологу или инженеру опускаться в скважину для прямого визуального и ручного исследования стратиграфии почвы и горных пород.

Разнообразие пробоотборники почвы существует для удовлетворения потребностей различных инженерных проектов. В стандартный тест на проникновение (SPT), в котором используется пробоотборник с толстостенной раздельной ложкой, является наиболее распространенным способом сбора поврежденных 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. Анализ мерзлого грунта позволяет получить высококачественные ненарушенные образцы из любых грунтовых условий, таких как насыпь, песок, морена и зоны трещиноватости.^[12]

Пределы Аттерберга тесты, содержание воды измерения и анализ размера зерен, например, могут проводиться на образцах с нарушениями, полученных из толстостенных пробоотборники почвы. Такие свойства, как прочность на сдвиг, жесткость, гидравлическая проводимость и коэффициент укрепление может быть значительно изменен возмущением образца. Для измерения этих свойств в лаборатории требуется качественный отбор проб. Общие тесты для измерения прочности и жесткости включают: трехосный сдвиг и испытание на неограниченное сжатие.

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

Геофизические исследования также иногда используется. Геофизические методы, используемые для разведки недр, включают измерение сейсмические волны (давление, сдвиг и Волны Рэлея ), методы поверхностных волн и / или скважинные методы, а также электромагнитные исследования (магнитометр, удельное сопротивление и георадар ).

Структуры

Фонды

Основная статья: Фундамент (инженерия)

Фундамент здания передает на землю нагрузки от зданий и других сооружений. Инженеры-геотехники проектируют фундаменты на основе 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 расследования, чтобы исследовать недра.
3. Определите необходимые параметры почвы с помощью полевых и лабораторных испытаний (например, тест на консолидацию, испытание на трехосный сдвиг, испытание на сдвиг лопасти, стандартный тест на проникновение ).
4. Спроектируйте фундамент наиболее безопасным и экономичным способом.

Основные соображения по поводу опоры фундамента: несущая способность, осадки и подвижки грунта под фундаментом. Несущая способность - это способность грунта участка выдерживать нагрузки, создаваемые зданиями или сооружениями. Осадки происходят под всеми основаниями и при любых почвенных условиях, хотя легконагруженные конструкции или каменистые 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. Особое беспокойство 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.^{[нужна цитата ]} Все эти факторы необходимо учитывать при проектировании фундаментов.

Многие строительные нормы и правила определяют основные параметры проектирования фундамента для простых условий, часто различающихся в зависимости от юрисдикции, но такие методы проектирования обычно ограничиваются определенными типами строительства и определенными типами участков и часто очень консервативны.^{[нужна цитата ]}

На участках с мелкой коренной породой большинство фундаментов может опираться непосредственно на коренную породу; в других областях грунт может обеспечить достаточную прочность для поддержки конструкций. На участках с более глубокими коренными породами с 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

Основная статья: Неглубокий фундамент

Пример монолитного фундамента.

Фундаменты неглубокого заложения - это тип фундамента, который передает нагрузку здания 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 нагрузку от конструкции на землю путем прямого контакта по площади. Фундаменты могут быть изолированными опорами для точечных или колонных нагрузок или ленточными опорами для стен или других длинных (линейных) нагрузок. Опоры обычно строятся из железобетон заливаются непосредственно в почву и обычно заделываются в землю для проникновения через зону морозного движения и / или для получения дополнительной несущей способности.

Плита

Вариант с раздельными опорами заключается 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 неравномерную оседку фундамента. В некоторых случаях допускается прогиб, и вместо этого здание строится с учетом небольших перемещений 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 как фундамент плитный или закладные фундаменты, обычно в зданиях с подвалами. Фундаменты типа «плита на грунте» должны быть спроектированы с учетом возможных перемещений грунта из-за изменения грунтовых условий.

Глубокий

Забивка свай для моста в Напа, Калифорния.

Основная статья: Глубокие основы

Фундаменты глубокого заложения используются для конструкций или тяжелых нагрузок, когда фундаменты мелкого заложения 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 несущая способность В зависимости от грунта под ними фундамент глубокого заложения может зависеть от концевого несущего сопротивления, сопротивления трения по всей своей длине или от того и другого при достижении необходимой прочности. Инженеры-геотехники используют специализированные инструменты, такие как тест на проникновение конуса, чтобы оценить величину сопротивления обшивки и торца, доступного в геологической среде.

Есть много типов глубоких оснований, в том числе: геморрой, валы просверленные, кессоны, опоры и грунтовые колонны. Большие здания, такие как небоскребы обычно требуют глубокого фундамента. Например, Башня Цзинь Мао в Китай использует трубчатые стальные сваи примерно 1 м (3,3 фута), забитые на глубину 83,5 м (274 фута), чтобы выдержать его вес.

В зданиях, которые построены и подлежат урегулированию, подкрепление сваи могут использоваться для стабилизации существующего здания.

Установить сваи для глубокого фундамента можно тремя способами. Их можно приводить в движение, просверливать или устанавливать с помощью шнека. Забивные сваи удлиняются на необходимую глубину за счет приложения внешней энергии так же, как забивают гвоздь. Для забивания таких свай используются четыре типичных молота: ударные молоты, дизельные молоты, гидравлические молоты и пневмомолоты. Молоты просто сбрасывают тяжелый груз на сваю, чтобы забить ее, в то время как дизельные молоты используют одноцилиндровый дизельный двигатель, чтобы продавить сваи сквозь землю. Точно так же гидравлические и пневматические молоты снабжают сваи энергией за счет гидравлических и воздушных сил. Энергия, передаваемая от молота, зависит от типа выбранного 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.^[13]

Боковые земляные опорные конструкции

Основная статья: Подпорная стена

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 боковое давление грунта за стеной, что может привести к деформации или разрушению стены. Боковое давление грунта зависит от высоты стены, плотности грунта, прочности грунта. почва, и величина допустимого движения стены. Это давление наименьшее вверху и возрастает к низу аналогично гидравлическому давлению и стремится отодвинуть стену от засыпки. Грунтовые воды за стеной, который не рассеивается дренажной системой, вызывает 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 сухим (без раствора), или сегментных бетонных блоков (каменных блоков).

Ранее в 20 веке более высокие подпорные стены часто были гравитационными стенами, сделанными 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 детских кроваток (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 стальными и бетонными стержнями ).

За усиленные гравитационные стеныармирование грунта укладывается горизонтальными слоями по высоте стены. Обычно армирование грунта георешетка, высокопрочная полимерная сетка, 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 имеется 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 основу; 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 короткие стенки крыльев под прямым углом к ​​основному тренду 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 пассивное давление грунта, тенденция почвы сопротивляться боковому смещению.

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 опоры проходят ниже запланированного основания котлована. Распространенными методами крепления являются использование шпунтовые сваи или же солдатские лучи и отставание. Шпунтовые сваи представляют собой забивную сваю, в которой используются тонкие переплетенные 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. По мере продолжения выемки горизонтальные деревянные или стальные листы (утеплитель) вставляются позади Н-образных полок сваи.

Использование подземного пространства требует земляных работ, которые могут вызвать большое и опасное перемещение почва масса вокруг раскопа. Поскольку в городских районах пространство для выемки откосов ограничено, вырубка производится вертикально. Поддерживающие стены сделаны для предотвращения небезопасного смещения грунта вокруг раскопок. Стенки диафрагмы представляют собой тип подпорных стен, которые очень жесткие и обычно водонепроницаемы. 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.^[14]

В некоторых случаях боковой поддержки, которая может быть обеспечена только в стенке опалубки недостаточно, чтобы противостоять запланированные боковые нагрузки; В этом случае дополнительную поддержку обеспечивают ригели или стяжки. Walers представляют собой структурные элементы, которые соединяют через выемки таким образом, что грузы из почвы по обе стороны от выемки используются для противостоят друг другу, или которые передают горизонтальные нагрузки от стенки опалубки к основанию выемки. Подвязки представляют собой стальные стержни, просверленные в торце стены, которые выходят за пределы почвы, оказывающей давление на стену, для обеспечения дополнительного бокового сопротивления стене.

Земляные работы

А уплотнитель /ролик эксплуатируется ВМС США Seabees

Смотрите также: Земляные работы (инженерия)

• 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, при котором плотность почвы увеличивается, а проницаемость почвы уменьшается. Работы по укладке насыпи часто имеют спецификации, требующие определенной степени уплотнения или, альтернативно, определенных свойств уплотненного грунта. Грунты in-situ можно уплотнять прикатыванием, глубоким динамическое уплотнение, вибрация, струйная очистка, вращение, замешивание, уплотнение 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 структур. При правильном применении, то есть после должного учета характера улучшаемого грунта, типа и чувствительности возводимых конструкций, улучшение грунта часто снижает прямые затраты и экономит время.^[15]

Стабилизация склона

Простая наклонная секция скольжения.

Основная статья: Устойчивость склона

Устойчивость склонов - это способность покрытых почвой склонов выдерживать и выдерживать движение. Устойчивость определяется балансом напряжение сдвига и прочность на сдвиг. На ранее устойчивый уклон могут первоначально повлиять подготовительные факторы, что сделает уклон условно неустойчивым. Пусковые факторы обрыв склона Это могут быть климатические явления, которые 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 давление поровой воды, и органический материал.

Несколько режимов разрушения земных откосов включают падения, оползания, оползни и потоки. На склонах с крупнозернистой почвой или камнями падения обычно происходят при быстром спуске камней и другого рыхлого материала склонов. Склон опрокидывается, когда большой столб почвы наклоняется над своей вертикальной осью при разрушении. 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

Основная статья: Анализ устойчивости откоса

Анализ устойчивости необходим для проектирования инженерных склонов 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. Целью анализа устойчивости откоса является определение условий, при которых масса будет скользить относительно основания и приведет к разрушению откоса.^[16]

Если граница раздела между массой и основанием откоса имеет сложную геометрию, анализ устойчивости откоса затруднен, и требуются методы численного решения. Как правило, 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 по формуле Уравнение сопротивления сдвигу 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

Основная статья: Геосинтетика

Коллаж из геосинтетических материалов.

Геосинтетика - это тип пластмассовых полимерных изделий, используемых в геотехнической инженерии, которые улучшают инженерные характеристики при одновременном снижении затрат. Это включает в себя 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. Геосинтетика 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.^{[нужна цитата ]}

Офшор

Основная статья: Морское геотехническое проектирование

Платформы на шельфе Мексики.

Офшор (или же морской) геотехническая инженерия занимается проектированием фундаментов для искусственных сооружений в море, подальше от береговая линия (в отличие от береговой или же прибрежный).^[17] Нефтяные платформы, искусственные острова и подводные трубопроводы являются примерами таких структур. Между наземным и морским инженерно-геологическим проектированием существует ряд существенных различий.^[17][18] Примечательно, что улучшение грунта (на морском дне) и исследование площадки обходятся дороже, морские конструкции подвергаются большему количеству повреждений. геологические опасности, а экологические и финансовые последствия в случае отказа выше. Морские конструкции подвергаются различным воздействиям окружающей среды, в частности: ветер, волны и токи. Эти явления могут повлиять на целостность или работоспособность конструкции и ее фундамента в течение срока ее эксплуатации - их необходимо учитывать при проектировании морских сооружений.

В подводный геотехническая инженерия, материалы морского дна считаются двухфазным материалом, состоящим из 1) породы или минеральная частицы и 2) вода.^[19][20] Конструкции могут быть закреплены на морском дне, как в случае пирсы, причалы и ветряные турбины с фиксированным дном - или, может быть, плавучая конструкция, которая остается примерно неподвижной относительно своей геотехнической точки привязки. Подводная швартовка искусственно созданных плавучих сооружений включает в себя большое количество морские нефтегазовые платформы а с 2008 года несколько плавающие ветряные турбины. Два распространенных типа инженерной конструкции для крепления плавучих конструкций включают: натяжная нога и цепная связь свободный причал системы. «Системы швартовки натяжных опор имеют вертикальные тросы под натяжением, обеспечивающие большой подъем. моменты по тангажу и крену. Контактная сеть системы швартовки обеспечивают удержание на месте для морской конструкции, но при этом обеспечивают небольшую жесткость при низких напряжениях ".^[21]

Наблюдательный метод

В геотехнике при строительстве земляных сооружений (например, плотин и туннелей) метод наблюдения представляет собой непрерывный, управляемый и интегрированный процесс проектирования, управления строительством, мониторинга и анализа, позволяющий внести 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.^[22]

Метод наблюдений был предложен Карл Терзаги и обсуждается в статье Ральф Б. Пек (1969) в попытке снизить затраты во время строительства, связанные с проектированием земляных сооружений на основе самых неблагоприятных допущений (другими словами, геологических условий, свойств грунта 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, инклинометрами и пьезометрами) и инженерно-геологическими исследованиями площадки (например, бурение 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».^[23]

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 ожидаемого поведения 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 самых неблагоприятных условиях, совместимых с имеющимися данными о подземных условиях.
• Выбор (заблаговременно) плана действий или модификации проекта для каждого предсказуемого значительного отклонения результатов наблюдений от предсказанных 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.^[23] 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 предполагаемых в плане. 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.^[23]

Смотрите также

 Инженерный портал

• Гражданское строительство
• Институт глубоких фондов
• Строение Земли
• Эффективный стресс
• Инженерная геология
• Геопрофессии
• Геотехника
• Гидрогеология
• Международное общество механики грунтов и инженерной геологии
• Карл фон Терзаги
• Мелиорация земель
• Свалка
• Список публикаций по геотехнической инженерии
• Механически стабилизированная земля
• Морское геотехническое проектирование
• Q-наклон
• Классификация горных пород
• Контроль отложений
• Сейсмология
• Механика грунта
• Физика почвы
• Почвоведение

Примечания

1. Терзаги К., Пек Р. Б. и Месри Г. (1996), Механика грунтов в инженерной практике 3-е изд., John Wiley & Sons, Inc. ISBN  0-471-08658-4
2. Holtz, R. и Kovacs, W. (1981), Введение в геотехническую инженерию, Prentice-Hall, Inc. ISBN  0-13-484394-0
3. Дас, Браджа (2006). Принципы геотехнической инженерии. Томсон обучения.
4. Будху, Муни (2007). Механика и основы грунтов. John Wiley & Sons, Inc. ISBN  978-0-471-43117-6.
5. Свойства нарушенного грунта и геотехнический дизайн, Скофилд, Эндрю Н., Томас Телфорд, 2006. ISBN  0-7277-2982-9
6. Механика грунтов, Ламбе, Т. Уильям и Уитмен, Роберт В., Массачусетский технологический институт, John Wiley & Sons., 1969. ISBN  0-471-51192-7
7. Поведение почвы и критическое состояние механики почвы, Wood, Дэвид Мьюир, Cambridge University Press, 1990. ISBN  0-521-33782-8
8. «Инженерное лицензирование». Получено 2017-01-10.
9. «Коэффициент пустоты». НПТЕЛ. Получено 24 августа 2015.
10. «Проницаемость». AAPG. Получено 1 июля 2019.
11. «Прочность на сдвиг». НПТЕЛ. Получено 24 августа 2015.
12. "Геофрост керн". ГЕОФРОСТ. Получено 20 ноября 2020.
13. Кодуто, Дональд; и другие. (2011). Принципы и методы геотехнической инженерии. Нью-Джерси: Высшее образование Пирсона. ISBN  9780132368681.
14. Bahrami, M .; Khodakarami, M.I .; Хаддад, А. (июнь 2018 г.). «Трехмерное численное исследование влияния глубины проникновения стены на поведение котлована в песке». Компьютеры и геотехника. 98: 82–92. Дои:10.1016 / j.compgeo.2018.02.009.
15. RAJU, В. Р. (2010). Технологии улучшения грунта и истории успеха. Сингапур: Исследовательские издательские услуги. п. 809. ISBN  978-981-08-3124-0. Улучшение грунта - принципы и применение в Азии.
16. Паризо, Уильям Г. (2011). Расчетный анализ в механике горных пород. CRC Press.
17. Дин, E.T.R. (2010). Морское геотехническое строительство - принципы и практика. Томас Телфорд, Рестон, Вирджиния, 520 с.
18. Рэндольф, М. и Гурвенек, С., 2011. Морские геотехнические разработки. Spon Press, Нью-Йорк, 550 с.
19. Дас Б.М., 2010. Принципы геотехнической инженерии. Cengage Learning, Стэмфорд, 666 с.
20. Аткинсон, Дж., 2007. Механика грунтов и фундаментов. Тейлор и Фрэнсис, Нью-Йорк, 442 стр.
21. Плавучие морские ветряные турбины: реакция на состояние моря - оптимальные конструкции по Парето и экономическая оценка, P. Sclavounos et al., Октябрь 2007 г.
22. Николсон, Д., Цзе, С. и Пенни, К. (1999). Метод наблюдений в наземной инженерии - принципы и приложения. Отчет 185, CIRIA, Лондон.
23. Пек, Р. Б. (1969). Преимущества и недостатки метода наблюдений в прикладной механике грунтов, Геотехника, 19, № 1, с. 171-187.

Рекомендации

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

Holtz, R. и Kovacs, W. (1981), Введение в геотехническую инженерию, Prentice-Hall, Inc. ISBN  0-13-484394-0 Боулз, Дж. (1988), Анализ и дизайн фундамента, Издательство McGraw-Hill Publishing Company. ISBN  0-07-006776-7 Седергрен, Гарри Р. (1977), Водоотводящие, дренажные и проточные сети, Wiley. ISBN  0-471-14179-8 Крамер, Стивен Л. (1996), Геотехническое землетрясение, Prentice-Hall, Inc. ISBN  0-13-374943-6 Фриз, Р.А. И Черри, Дж. А., (1979), Грунтовые воды, Прентис-Холл. ISBN  0-13-365312-9 Лунн, Т. и Лонг, М., (2006), Обзор пробоотборников с длинным дном и критериев для новой конструкции пробоотборника, Морская геология, Том 226, стр. 145–165 Митчелл, Джеймс К. и Сога, К. (2005), Основы поведения почвы 3-е изд., John Wiley & Sons, Inc. ISBN  978-0-471-46302-3 Раджапаксе, Руван. (2005 г.), «Проектирование и строительство свай», 2005 г. ISBN  0-9728657-1-3

Фанг, Х.-Й. и Дэниэлс, Дж. (2005) Вводная геотехническая инженерия: экологическая перспектива, Тейлор и Фрэнсис. ISBN  0-415-30402-4 NAVFAC (Военно-морское инженерное командование) (1986) Руководство по проектированию 7.01, Механика грунтов, Типография правительства США NAVFAC (Военно-морское инженерное командование) (1986) Руководство по проектированию 7.02, Фундаменты и земляные конструкции, Типография правительства США NAVFAC (военно-морское инженерное командование) (1983) Руководство по проектированию 7.03, Динамика почвы, глубокая стабилизация и специальное геотехническое строительство, Типография правительства США Терзаги К., Пек Р. Б. и Месри Г. (1996), Механика грунтов в инженерной практике 3-е изд., John Wiley & Sons, Inc. ISBN  0-471-08658-4 Сантамарина, Дж. К., Кляйн, К. А., и Фам, М. А. (2001), "Почвы и волны: поведение твердых частиц, характеристика и мониторинг процессов", Wiley, ISBN  978-0-471-49058-6 Фирузиаан, М. и Эсторфф, О. (2002), "Моделирование динамического поведения основания-основания-грунта во временной области", Springer Verlag.

внешняя ссылка

• Всемирная база данных геотехнической литературы