О сцеплении и трении в грунте. Научно-практическая дискуссия

В.Б.: Практически все методы расчета прочности оснований предполагают, что в грунте образуется поверхность разрушения (линия в плоской задаче). Это линия скольжения в откосе, зона предельного (на самом деле «запредельного») равновесия под краями фундамента, форма и глубина которой определяется по формуле Пузыревского и используется как критерий применимости решений линейно-деформируемой среды для расчета деформаций грунтового основания и др.

Все решения задач статики грунтовой среды Соколовского-Терцаги основаны на законе Кулона-Мора, т.е. на допущении, что сцепление и трение в грунте при разрушении действуют одновременно. Но ведь сцепление предполагает сплошность грунта, а трение возникает в грунте после того, как в нем происходит разрыв (потеря сцепления), и образуются два трущихся друг о друга края. А ведь эти края могут разойтись в стороны, образовав трещину, края которой вообще не взаимодействуют, т.к. не касаются друг друга.

Можно предположить, что сплошность и разрыв могут как-то сосуществовать в одной точке грунтовой среды, но не по длине линии. Тем более это невозможно в целой области. Если это так, то каков смысл решений задач предельного равновесия грунтовых массивов?

ГТ.: Все указанные решения действуют на основе механики сплошной среды, которая не предполагает разрывов сплошности.

В.Б.: Это неверно. Теория сыпучей среды Соколовского-Терцаги, а также все методы расчета устойчивости откосов предполагают только разрыв среды, т.е. нарушение прочности (от слова «прок», синоним «польза»). Имеется ввиду, что после разрушения объект становится бесполезным, и проку от него нет. Деформации в теории сыпучей среды не рассматриваются. Разрушение это статическое, когда все разрушается сразу. Оно отличается от кинематического, когда разрушение прогрессирует от точки к точке. Поэтому разрушающая нагрузка меньше, чем при статическом разрушении. Пример: веник можно сломать прутик за прутиком, но трудно весь сразу целиком.

ГТ.: Предел прочности в грунте зависит от двух параметров и действующего нормального напряжения, в отличии от конструктивных материалов, где только одна компонента.

В.Б.: Предел прочности грунта может зависеть и от большего числа параметров, и даже если напряжения еще неизвестны. Эти параметры и этот предел указаны в нормативных документах.

Грунт – это тоже строительный, т.е. конструктивный, материал (песок, щебень и др.). Из него возводят подпорные стены, подушки, подсыпки, грунтовые сваи, курганы, окопы, фортификации, грунт цементируют, армируют и т.д.

ГТ.: При этом никто не ограничивает ни одного из специалистов в применении механики дискретных сред и другой теории прочности.

В.Б.: Проектировщиков ограничивают действующие регламенты и госэкспертиза. А «специалистов» и правда никто не ограничивает, т.к. конструктивная критика давным-давно сменилась на безразличие и добрые отношения между «специалистами», поэтому число публикаций во всем мире доходит до 100 чуть не каждый день. Можно все, что угодно напечатать за деньги.

ГТ.: Следует понимать, что все это условные математические модели, призванные описать реальное поведение грунта.

В.Б.: Все до одной математические модели условны. Даже первый закон Ньютона условен, хотя в нем нет формул. Этот закон даже ошибочен, т.к. справедлив только в инерциальных системах координат, которых не существует в природе.

Нужно знать, насколько модели условны, чтобы быть (не быть) полезными.

«Призвать» можно только разумное живое существо. Математические модели назначают, принимают, разрабатывают и т.д.

ГТ.: Существующие методы относительно хорошо с этим справляются.
В.Б.: Да не очень-то хорошо, на мой взгляд. Просто система «основание-фундамент-сооружение» имеет малую чувствительность к внешним факторам. (См. нашу с проф. Болдыревым статью в журнале «Геотехника» №1/2016 г. Там же целый список других наших статей на эту тему).

ГТ.: Новые методы могут улучшить ситуацию.

В.Б.: Какие новые? Хотя бы намекните, куда двигаться!

ГТ.: Не стоит забывать, что грунт  - это многокомпонентная среда, обладающая большой вариативностью свойств, изотропностью и реологическими свойствами.

В.Б.: Не забуду никогда! Но и Вы не пугайте. Лучше почитайте статью проф. Вознесенского и проф. Брушкова (Инженерные изыскания, 2014/№7, С.10-15) и Вам самому станет страшно от того, что происходит во время изысканий.

ГТ.: Описание одних явлений всегда идёт в ущерб других.

В.Б.: Неужели всегда? Вот это новость! Я-то полагаю, что идет уточнение реальности, т.е. все к лучшему. Хотя, пожалуй, теория о шарообразной Земле, вращающейся вокруг Солнца, повредила убеждения, что все предметы падают вниз и что Солнце светит только днем.
 

ГТ.: Наука базируется на аксиоматике.

В.Б.: Наука РАЗВИВАЕТСЯ благодаря аксиоматике. По теореме Геделя, любая группа аксиом порождает новые парадоксы и противоречия неизбежны, поэтому наука развивается. Но не всегда новые теории нужны для конкретной дисциплины. Например, зачем нам нужно знать миллионы знаков после запятой в числе ПИ, которое есть непериодическая десятичная дробь? В геотехнике даже одного хватит. Зачем выполнять геодезическую съемку местности при заготовке дров. Есть принцип «чем дальше в лес, тем больше дров» и все (это не мой пример, а великого российского математика В.И.Арнольда).

Рис. 1. Зоны разрушения глины под моделью фундамента на просвет. Модельные опыты проф. Болдырева.

ГТ.: В ТПРГ заимствована аксиоматика МСС.

В.Б.: Не нужно придумывать новые сокращения. Не сразу догадаешься, что это не Танковый ПротивоРакетный Гранатомет, а Теория Предельного Равновесия Грунтов. А МСС – это Механика Сплошной Среды?

Если я правильно расшифровал эти сокращения, то Ваше утверждение неверно, ведь ТПРГ предполагает разрывы сплошности в каждой точке среды, а в МСС такие разрывы исключаются.

Рис. 2. Модельные опыты проф. Болдырева. Съемки с помощью компьютерной хромотографии

ГТ.: Аксиоматика МСС исключает саму постановку подобного вопроса.
Более подробно об этом написано в работах: Мейз Дж. «Теория и задачи механики сплошных сред»; Харр М.Е. «Основы теоретической механики грунтов».
В.Б.: Снимаю шляпу в знак уважения к Вашей эрудиции. Я читал только Харра и то давно. Да, МСС одним своим названием уже исключает нарушения сплошности среды, о чем я написал выше. А что Вы скажете по поводу нарушения сплошности глины под краями модели фундамента (рис.1.)? В этих зонах не действуют ни трение, ни сцепление, т.к. края трещин расходятся, образуется пустота. А на рисунке 3 видны разрывы сплошности под краями резервуара. Какой уж тут сплошной грунт.

Рис. 3. Натурные данные (см. Коновалов П.А., Мангушев Р.А., Сотников С.Н., Землянский А.А., Тарасенко А.А. Фундаменты стальных резервуаров и деформации их оснований. М.: АСН, 2000. 336 с.).

ГТ.: В Эстонии времён СССР в отчётах по изысканиям вместо значений сцепления и трения приводилось только значение сцепления с нулевым углом трения.

В.Б.: Как я их (эстонцев) понимаю, но не согласен. Если исключить трение, то получим статическое (одномоментное) разрушение основания под фундаментом. Благодаря трению разрушение получается кинематическим (последовательным).

ГТ.: Когда на полном серьёзе начинают обсуждать необходимость разделения трения и сцепления в породах/грунтах, когда вдруг вспоминают эстонских коллег, принимающих угол внутреннего трения равным нулю, создаётся стойкое ощущение полного или почти полного незнания механики горных пород и приложения к ним теории прочности...
Ведь есть грунты (текучие глины, торфы и т.д.), у которых действительно угол внутреннего трения близок к нулю... Интерпретация крыльчатки сидит на этом... Учим матчасть дальше!

В.Б.: Не все понял, т.к. комментарий написан в разговорном стиле. «Стойкое ощущение полного или почти полного незнания…», «Учим матчасть дальше!». Вы о чем?

Совету в конце комментария не могу последовать, т.к. у меня нет ни крыльчатки, ни какого-либо другого оборудования для испытаний грунтов. Только компьютер.

Я не получил ответа на мой очень понятный вопрос: могут ли сцепление и трение в грунте действовать одновременно? Написано много, но ответа нет. Я спрашивал про Фому, а мне отвечали про Ерему. А ведь для геотехники это принципиально важно.

Как всегда, рекомендую ознакомиться с графиком Даннинга-Кругера (Dunning-Kruger), за который они получили Шнобелевскую премию (Ignoble Prize) в Гарвардском университете за исследование психологии знания/незнания.

Этот график я подробно описал в одной из моих заметок в журнале «ГеоИнфо». Суть его в том, что большое знание и большое невежество дают равную уверенность в себе по принципу «чем больше…, тем больше». Но исследователь всегда не уверен, т.к. исследует и открывает новые области знания/незнания.