г / I МЕХАНИКА ГРУНТОВ В ИНЖЕНЕРНОЙ ПРАКТИКЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕ ЛЬСТВО ЛИТЕРАТУРЫ ПО С Т Р О И Т Е Л Ь С Т В У , АРХИТЕКТУРЕ и СТРОИТЕЛЬНЫМ МАТЕРИАЛАМ К. ТЕРЦАГИ и Р. ПЕК МЕХАНИКА ГРУНТОВ В ИНЖЕНЕРНОЙ ПРАКТИКЕ Перевод с английского А. В. СУЛИМА-САМУЙЛО Под редакцией проф. М. Н. ГОЛЬДШТЕЙНА ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО Л И Т Е Р А Т У Р Ы ПО С Т Р О И Т Е Л Ь С Т В У , А Р Х И Т Е К Т У Р Е И СТРОИТЕЛЬНЫМ МАТЕРИАЛАМ М о с к в а — 1958 Научный редактор канд. техн. наук М. П. БЕЛИКОВ Книга содержит основы грунтоведения и механики грунтов и подробное изложение практики их применения к проектированию оснований и земляных сооружений. Книга рассчитана на широкие круги инженеров-строителей и проектировщиков, а также на специалистов в области геотехники. ОГЛАВЛЕНИЕ От редактора 7 Предисловие 12 Обозначения 14 Введение 19 ЧАСТЬ А ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ Гл а в а I. Индексационные свойства грунтов § 1. Практическое значение индексационных свойств 22' § 2. Основные типы грунтов 23- § 3. Размеры и форма грунтовых частиц 29 § 4. Свойства очень мелких фракций грунта 30 § 5. Механический анализ грунтов 38. § 6. Гранулометрическая классификация грунтов 40 § 7. Грунтовый агрегат „ 45 § 8. Консистенция и чувствительность глин 52 § 9. Минимальные требования, которым должно удовлетворять пра- вильное описание грунтов 59 Г л а в а II. Гидравлические и механические свойства грунтов § 10. Значение гидравлических и механических свойств грунтов , 64 § 11. Водопроницаемость грунтов — § 12. Эффективное и нейтральное давление. Критический градиент 76 § 13. Сжимаемость ограниченных пластов грунта 81 § 14. Консолидация слоев глины 101 § 15. Сопротивление грунтов сдвигу . . . . . . 105 § 16. Испытание на трехосное сжатие 122 § 17. Сдвиговые характеристики плывуна и мягкой глины . . . . 129 § 18. Напряжения и деформации в грунтах . . . : 134 § 19. Влияние вибрации на грунты 140 Г л а в а III. Дреиаж грунтов § 20. Зеркало воды, влажность грунта и капиллярные явления . . 144 § 21. Методы дренирования 150 ЧАСТЬ Б ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА ГРУНТОВ Г л а в а IV. Пластическое равновесие в грунтах § 22. Основные положения 167 § 23. Состояния пластического равновесия . . . 168 § 24. Давление грунта по теории Ренкина 175 § 25. Влияние трения по стене на форму поверхности скольжения 183 § 26. Активное давление грунта на подпорные стенки по теории Кулоиа 184 6 ОГЛАВЛЕНИЕ § 27. Точка приложения давления земли § 28. Пассивное давление грунта на шероховатые верхности § 29. Несущая способность фундаментов мелкого § 30. Несущая способность свай и опор . . . . § 31. Устойчивость откосов § 32. Давление грунта ка креплекие коглозакоз § 33. Арочный эффект в грунтах контактные заложения 190 по- ,193 . . 199 209 215 228 235 Г л а в а V. Осадки и контактное давление § 34. Введение 237 § 35. Вертикальные напряжения в грунте под загруженными участ- ками 239 § 36. Осадка фундаментов 244 § 37. Контактное давление и теории упругой постели 249 Г-л а в а VI. Гидравлика грунт;,в § 38. Область гидравлических проблем . . . . 255 § 39. Фильтрационные расчеты 257 § 40. Механизм подмыва 268 § 41. Теория консолидации 271 § 42. Устойчивость земляных плотин 281 часть В ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И СТРОИТЕЛЬСТВА Г л а в а VII. Разведка грунтов § 43. Задачи и возможности разведки грунтов 294 § 44. Методы разведки грунта 297 § 45. Программа разведки грунта 327 Г л а в а VIII. Давление грунта и устойчивость откосов § 46. Подпорные стенки . 355 § 47. Дренирование перед разработкой котлованов 374 § 48. Горизонтальное крепление открытых котлованов 388 § 49. Устойчивость естественных склонов и откосов выемок . . . 401 § 50. Уплотнение грунтов 421 § 51. Проектирование насыпей, дамб и земляных плотин 431 § 52. Устойчивость основания насыпей 445 Г л а в а IX. Фундаменты § 53. Фундаменты сооружений § 54. Раздельные фундаменты . § 55. Сплошные фундаментные плиты § 56. Свайиые фундаменты § 57. Опоры § 58. Основания плотин § 59. Мероприятия по предотвращению подмыва 461 468 502 516 , , 548 558 . . . . . . . 568 Г л а в а X. Осадки, вызванные особыми причинами § 60. Осадки, вызванные производством строительных работ . . . 582 § 61. Осадки, вызванные понижением уровня грунтовых вод . . . 592 § 62. Осадки, вызванные вибрациями 569 § 63. Осадки, вызванные коррозией бетона 599 П р и л о ж е н и е . Различные вопросы расчета и проектирования 604 ОТ РЕДАКТОРА К.Терцаги принадлежит целый ряд исследований в области механики грунтов, сыгравших важную роль в развитии этой науки. Характеризуя развитие механики грунтов, он писал в предисловии к «Теоретической механике грунтов», изданной им в 1943 г., что «вслед за установлением первых теоретических принципов последовал период, характеризующийся ошибочными обобщениями и тенденцией к необоснованному применению теории. Чтобы быть полезным, знание теории должно быть связано с правильными представлениями как о физических свойствах реальных грунтов, так и о разнице между поведением грунтов в лаборатории и в поле. В противном случае инженер не сможет оценить степень погрешности в его расчетах. Свойства реальных грунтов и их поведение в естественных условиях будут рассмотрены в отдельном томе». Настоящая книга и представляет собой перевод этой работы, написанной К- Терцаги совместно с Р. Б. Пеком в 1948 г. Хотя со времени написания этой книги по многим вопросам получены новые материалы, основная часть ее содержания не устарела и представляет большой интерес для строителей. Книга состоит из трех неодинаковых по объему частей. Первые две, посвященные физическим свойствам грунтов и методам расчета, имеют чисто справочный характер, хотя и содержат ряд новых данных и предложений. Так, в первой части приведены новые методы визуальной оценки физикомеханических свойств грунтов и полевая классификация последних на основе таких исследований, составленная применительно к геологическим условиям США. Много интересного найдет читатель в главах, посвященных гидравлическим и механическим испытаниям грунтов. Большое значение имеет новое представление о так называемой плывунной структуре глин и о причинах изменения их механических свойств при нарушении структуры. Авторы полемизируют с А. Казагранде по вопросу об условиях разжижения водонасыщенных песков. Необходимо, однако, указать, что в этом вопросе советские исследователи ушли далеко вперед. 8 ОТ РЕДАКТОРА В конце первой части книги приведена таблица рекомендуемого перечня исследований для оценки физико-механических свойств основных видов грунтов по предлагаемой авторами классификации последних. Во второй части книги, излагающей основы собственно механики грунтов, много внимания уделено критическому анализу различных современных теорий и методов расчета оснований и земляных сооружений. Однако авторы не ограничиваются только критическими замечаниями и приводят многочисленные указания и рекомендации по этим вопросам. Так, например, критикуя недостатки современных методов расчета подпорных стен, исходящих из теории предельного равновесия сыпучей среды, они предлагают для практического применения полуэмпирические формулы, учитывающие особенности реального поведения засыпки за подпорными стенками. Излагая методы расчета устойчивости откосов, они дают ряд упрощенных приемов и, в частности, очень простой способ учета гидродинамического давления. Ряд новых и интересных соображений высказан по вопросу об арочном эффекте в грунтах, о распределении напряжений по подошве фундаментов, о фильтрационных расчетах и о механизме подмыва плотин. Однако эта часть книги сильно проигрывает в глазах нашего читателя из-за отсутствия в ней разработанных выдающимися советскими исследователями Методов расчета осадок, теории предельного равновесия, теории балок на упругом основании, теорий консолидации и ползучести. Основное содержание книги сконцентрировано в третьей, наибольшей по объему, части. Эта часть открывается большой главой, посвященной методам инженерно-геологической разведки. Авторы уделяют здесь много внимания приемам и методам испытания механических свойств грунтов в условиях естественного залегания, в особенности методу зондирования путем забивки в грунт пенетрометров различной конструкции. В литературе по механике грунтов распространено утверждение, что предельную несущую способность сыпучих грунтов следует определять, исходя из сопротивления последних выпиранию из-под фундамента, а связных — по максимальной допускаемой для сооружения осадке. Читатель с интересом отнесется к развиваемому в книге совершенно противоположному взгляду, а именно, что допускаемое давление на сыпучие грунты нужно определять, исходя из допускаемой осадки сооружений, а несущая способность глинистых грунтов зависит от их сопротивления выпиранию. Большой интерес представляет также попытка составить таблицу допускаемых напряжений на грунты непосредственно в зависимо- 9 ОТ РЕДАКТОРА сти от результатов стандартных испытаний на пенетрацию и от прочности грунта на одноосное сжатие. Много полезных данных приведено в главах, посвященных давлению грунтов на крепление котлованов, вопросам устойчивости откосов и проектированию оснований земляных сооружений. Ряд новых положений развивается и по вопросу о работе свайных фундаментов. Особое внимание читателя обращается на освоение накопленного в геотехнике практического опыта. Книга насыщена описанием многочисленных примеров из практики строительства. Вместе с тем отмечается, что инженер, опираясь на этот опыт, должен одновременно иметь в виду, что почти каждая новая практическая задача обладает такими характерными особенностями, которые не встречались ранее. Авторы приходят к выводу, что более или менее точные решения могут быть получены лишь для очень ограниченного круга практических задач и что в сколько-нибудь сложных геологических условиях необходимо прибегать к эмпирическим или полуэмпирическим формулам и правилам. Эта точка зрения авторов во многом является спорной. Только единство теории и практики, их синтез могут обеспечить успешное развитие науки. Недаром Тердаги, противореча самому себе, вынужден в этой же книге неоднократно подчеркивать важность изучения теории и выдвигает целый ряд задач перед механикой грунтов. Авторы считают также, что применение современных высокоспециализированных методов отбора и испытания образцов грунта может быть оправдано лишь в исключительных случаях. Все эти методы либо не дают надежных, а иногда и просто правильных результатов, либо слишком дороги, длительны и громоздки. Предлагая резко уменьшить объем испытаний грунтов и упростить расчетную процедуру, авторы считают необходимым в случае ответственных сооружений и сложных геологических условий вести тщательные наблюдения в процессе строительства с тем, чтобы на основе получаемых данных вносить затем на ходу соответствующие коррективы в проект. Только наблюдения и испытания, ведущиеся с момента вскрытия котлована и приложения к грунту первых нагрузок, могут помочь правильно оценить несущую способность и устойчивость основания и своевременно наметить те меры, которые должны быть предприняты для обеспечения надежности и экономичности сооружения. Следует подчеркнуть, что очень многие из вопросов, рассматриваемых в книге, тесно соприкасаются с такими науками, как инженерная геология и грунтоведение. Таким образом, эта книга является не только своеобразным мостом между механикой грунтов и этими науками, но известным их 10 ОТ РЕДАКТОРА синтезом. Вместе с тем она охватывает и такие вопросы, которые связаны с производством строительных работ, как например, давление грунта на временное крепление котлованов, сопротивление грунта забивке свай, методы искусственного уплотнения грунтов, водопонижение, химическое закрепление и т. п., для которых К- Терцаги позднее предложил общее название «геотехнология». Большим и серьезным недостатком книги является то, что в ней не нашли отражения многие важные исследования, выполненные в СССР. Правда, авторы довольно подробно описывают замечательный опыт геотехнических исследований на строительстве Свирьской гидроэлектростанции. Однако советские исследователи имеют крупнейшие достижения почти по всем вопросам, рассматриваемым в книге. Так, например, по вопросам строительства сооружений на лессовидных грунтах наши ученые уже давно и далеко опередили зарубежных. То же относится и к влиянию вибраций на грунты. В книге даже не упоминается о несомненно лучшей из всех предложенных динамической формуле Н. М. Герсеванова для расчета свай. Нет никаких ссылок на выдающиеся работы советских ученых в области физики и химии грунтов и инженерной геологии. В книге не нашли также отражения замечательные успехи советских строителей в области возведения крупнейших в мире плотин на сжимаемых основаниях, гидромеханизации, применения свай-оболочек, вибрационного метода забивки свай, вибробурения, водопонижения и т. п., подробные сведения о которых читатель может найти в отечественной литературе. Следует заметить, что рекомендуемый авторами во многих случаях кессонный метод в СССР почти не применяется. Необходимо также отметить, что, описывая опыт проектирования и строительства Свирьской ГЭС, авторы не подчеркнули, что именно на этом строительстве впервые в мире были организованы геотехнические наблюдения в процессе самого строительства, позволившие внести важные коррективы в проект. С тех пор организация подобных геотехнических станций и лабораторий на строительстве крупных гидротехнических сооружений в СССР стала обычной практикой, и в этой области у нас накоплен большой опыт. Несмотря на указанные выше недостатки книги и на дискуссионность ряда положений, она представляет значительный интерес и выход ее в русском переводе принесет, несомненно, пользу как практикам-строителям и изыскателям, так и лицам, ведущим исследовательскую работу в области геотехники. При переводе этой книги возникли значительные затруднения из-за множества новых терминов, введенных Терцаги 11 ОТ РЕДАКТОРА и Пеком. Переводя соответствующие термины на русский язык, мы стремились придерживаться как можно ближе смысла оригинала. В ряде случаев новые термины не совпадают с предлагавшимися самим К. Терцаги в его прежних работах. Это, например, относится к формам консистенции. Вместо привычных для нас терминов: полутвердая, тугопластичная, пластичная, текучепластичная и т. д., авторы предлагают для ненарушенных грунтов термины: жесткая (в СССР обычно этот термин применяется для оценки консистенции бетонной смеси), средняя, мягкая консистенция. Даже для самого слова «консистенция» авторы дают определение, несколько отличающееся от общепринятого. К р о м е того, он и пользуются различными т е р м и н а м и при полевой и лабораторной характеристике консистенции. Пределы консистенции определяются для ненарушенных грунтов по прочности на одноосное сжатие, а для нарушенных — по Аттербергу. Подобных случаев много, и это создавало значительные трудности при редактировании перевода. Чтобы дать читателю возможность наведения необходимых справок, в переводе сохранен список основной зарубежной литературы, цитированной авторами. Проф. М. Н. ГОЛЬДШТЕНН ПРЕДИСЛОВИЕ Возникновение механики грунтов несколько десятилетий тому назад было вызвано необходимостью. По мере расширения круга практических задач, связанных с грунтами, становилась все более и более очевидной недостаточность научной базы для их разрешения. Попытки выправить создавшееся положение были начаты почти одновременно в США и в Европе, и в течение короткого времени были достигнуты внушительные результаты. Первые успехи в этой области были настолько ободряющими, что, казалось, уже возникает новая ветвь теории сооружений. Размах и глубина теоретических изысканий быстро возрастали. До высокой степени совершенства развились экспериментальные методы. И хотя без результатов этих интенсивных исследований был бы невозможен рациональный подход к проблемам геотехники, однако быстрое развитие механики грунтов, к сожалению, сопровождалось одним нежелательным психологическим эффектом. От внимания ряда исследователей и ученых стали ускользать многочисленные ограничения, налагаемые природой на приложение математики к проблемам геотехники- Соответственно, все большее и большее внимание сосредоточивалось на совершенствовании методов отбора и испытания образцов грунта и на тех, собственно, не очень многочисленных задачах, которые могут быть решены точно. Однако такие решения получаются лишь тогда, когда пласты грунта практически однородны и непрерывны в горизонтальном направлении. Но в этом случае для получения результатов, соответствующих действительности, необходимо применять столь высоко специализированные методы отбора и испытания образцов грунта, что это может быть оправдано лишь в исключительных случаях. Для подавляющего большинства практических задач достаточно иметь лишь приближенное решение, и если оно не достигается простыми способами, то его вообще нельзя получить. В тех случаях, когда не представляется возможным найти приближенное решение, следует наблюдать за поведением грунта во время строительства, корректируя проект в соответствии с получаемыми данными. Всеми этими фактами нельзя пренебрегать, если мы не хотим вступить в противоречие с основными целями механики грунтов, и именно это обстоятельство предопределило характер данной книги. Часть А посвящена физическим свойствам грунтов, а ПРЕДИСЛОВИЕ 13 часть Б — теоретической механике грунтов. Обе эти части очень коротки, но они содержат все, что необходимо в настоящее время знать студентам-строителям и рядовым инженерам. Однако душой книги является часть В. В ней рассматриваются способы, позволяющие избежать нерациональных расходов при производстве земляных работ и сооружении фундаментов, несмотря «а сложность структуры естественных грунтов и на неизбежную недостаточность наших представлений о действительных грунтовых условиях. Для достижения этой цели инженер должен использовать все возможности, которые ему предоставляют накопленный опыт, теория и результаты испытания грунтов. Однако все это окажется бесполезным, если не проявить достаточной вдумчивости, так как почти каждая практическая задача в области геотехники содержит по меньшей мере несколько характерных особенностей, не имевших ранее прецедента. Каждая практическая задача, рассмотренная в части В, начинается с критического обзора традиционных методов с последующим постепенным переходом к тем достижениям, которые были получены в результате развития механики грунтов. Поэтому мы советуем опытному инженеру начать чтение книги именно с этой части. Части А и Б могут быть использованы лишь для справок по тем вопросам, с которыми читатель недостаточно знаком. Это освободит от необходимости освоить значительный по объему материал до того, как будет понято его значение для интересующих читателя вопросов. Отдельные приемы решения практических задач, рассматриваемые в части В, могут изменяться по мере накопления опыта, и некоторые из них, возможно, устареют через несколько лет, если они являются лишь временным выходом из положения. Однако мы полагаем, что полуэмпирический подход, рекомендуемый в части В, и в будущем не утратит своей ценности. В конце каждого параграфа части В приведен краткий список литературы. При выборе ее предпочитались те работы, которые развивают способность и умение проведения тщательных и осмысленных наблюдений в полевых условиях. Следует отметить, что дискуссия, опубликованная в конце некоторых из перечисленных в списке работ, содержит иногда более ценные сведения, чем непосредственно сами эти работы. Так как область геотехники слишком широка, чтобы ее можно было охватить в одной книге, ряд важных вопросов, как, например, строительство автомобильных дорог, аэропортов и тоннелей, пришлось исключить. Однако мы привели в приложении краткий список литературы, относящейся к этим областям. Карл Терца ги Ральф Б. Пек. ОБОЗНАЧЕНИЯ Обозначения, используемые в тексте, в основном совпадают с предложенными в 1941 г. Американским обществом инженеров-строителей, хотя, во избежание путаницы, в ряде случаев допущены некоторые отклонения. Если рядом с обозначением не указывается размерность, то оно от- носится к отвлеченной величине. А см2) •—площадь Ar a v (см21г) В (см) — характеристика грунтоноса. —коэффициент сжимаемости. —ширина. С (любая размерность) — константа. C(Z) — равнодействующая сила сцепления. Са(г) Cc — равнодействующая внешнего сцепления (адгезии). — коэффициент компрессии грунта в условиях естествен- ного залегания; показатель подземного контура. Cc —коэффициент компрессии нарушенного грунта. С, Cr Cw с (г/см2) с (см) Cv (см21сек) D (см) D1 о (см) Df (см) Dr d (см) E (zjcM2) E (в) е е (кулон\см2) е0 ет[п ew ес F (г) Ss (г/см2) — коэффициент набухания. — относительная консистенция. —приведенный показатель подземного контура. —сцепление. — постоянная в формуле Велингтона. —коэффициент консолидации. —диаметр зерна; глубина; диаметр; расстояние между центрами свай. —эффективный диаметр зерен грунта. — глубина заложения фундамента. — относительная плотность сыпучего грунта. —диаметр сваи; расстояние. —модуль упругости (если E относится к определенному напряженному состоянию или диапазону напряжении, то употребляются индексы). — разность электрических потенциалов. — коэффициент пористости; основание натуральных логарифмов. — электрический заряд на единицу площади. — коэффициент пористости в максимально рыхлом состоянии. —коэффициент пористости в максимально плотном состоянии. — объем воды на единицу объема твердого вещества (длянасыщенного грунта е w = е). — критический коэффициент пористости. —реакция; равнодействующая. —сумма сил трения и внешнего сцепления между грунтом и сваей или опорой. — коэффициент трения между грунтом и подошвой сооружения. ОБОЗНАЧЕНИЯ 15 fo ( I / с е к ) Л (1/сек) Ga Gs H (см) H {см) Hc {см) h {см) hi {см) ДЯ {см) ft® {см) Д h (см) hc {см) Itcc (см) hcr (см) hT hra /да i Ic Ip (г/см3) К K0 KA KP К (см2) Ks (г/см*) k (см/сек) k\ (см/сек) kn (см/сек) kr (см/сек) kh.kv (г/см3) L (см) Li® I (еле) Mc (г/см) mv (смг/г) N N9 Na Щ — собственная частота при вибрации. — вынужденная частота при вибрации. — коэффициент воздухосодержания. — коэффициент запаса. — толщина пласта (за исключением случая консолида- ции; в этом случае — толщина полузакрытого слоя или половина толщины открытого слоя). — высота падения молота (забивка свай). — критическая высота откоса. — разность напоров. — полная разность напоров. — разность положений (гидравлика). — пьезометрическая высота. — падение потенциала (гидравлика). — высота капиллярного поднятия; критический напор при разрушении от подмыва. — высота слоя полного насыщения у дренированногогрунта. — критический напор при разрушении от подмыва согласно расчету по методу подземного контура. — относительное давление пара. — относительная влажность. — число пластичности. — гидравлический градиент. — критический гидравлический градиент. — градиент давления. — соотношение между горизонтальным и вертикальным давлением в данной точке массы грунта. — коэффициент давления грунта в состоянии покоя (значение К для начального состояния упругого равновесия). — коэффициент активного давления грунта. — коэффициент пассивного давления грунта. — коэффициент проницаемости. — коэффициент постели. — коэффициент фильтрации. — коэффициент фильтрации в направлении, параллель- ном плоскостям напластования. — коэффициент фильтрации в направлении, перпендику- лярном плоскостям напластования. — коэффициент фильтрации нарушенной глины. — коэффициент при расчете давления засыпки на подпор- ную стенку. —длина подземного контура (линии просачивания); длина — предел текучести. — длина. — момент сил сцепления. — коэффициент объемной компрессии. — безразмерный коэффициент (NC, NF и NQ — к о э ф ф и циенты несущей способности; Ns — коэффициент устойчивости в теории устойчивости откосов); число ударов по грунтоносу при проведении стандартного испытания на пенетрацшо. — показатель течения; равен tg2 V (45+ ~ — количество равных падении потенциала (гидравлика^ — число полос течения (гидравлика). — пористость; число свай в кусте. 16 ОБОЗНАЧЕНИЯ па aS P (г или г/см) PA (гIсм) Pa (г/см) Pp (г/см) -отношение расстояния от дна котлована до точки приложения давления грунта к полной высоте крепления. -фактор глубины (в теории устойчивости откосов). - интенсивность землетрясения. - процент зерен, меньших данного диаметра. - равнодействующая давления. - активное давление грунта при отсутствии арочного эф- фекта (в теории подпорных стенок; активное ренкиновакое состояние). - активное давление грунта при наличии арочного эффекта (в теории крепления котлованов}. - пассивное давление грунта. Может быть подразделено на P p , которое зависит от объемного веса грунта, и Pp , Которое зависит от сцепления и дополнительной пригрузки. P p может быть соответственно подразде- Д PA (Г/см) PW (Г!СМ) P W P (г!см2) P i , 2 . 3 (г/см2) Ph (г/см2) Pv (г/см2) Рс1(г/см2) PA (г/см?) P (г/см*) Poi (г/см2) РО(г/см2) Д P0 (г/см2) Д р (г/см1) р' (г/см2) Pg (г ICM2) Pg (г/см) Pa (с/см2) Pcr (г/см2) Pk (г/см2) ps (г/см3) Pu (г/см2) Q (см3 или Cms) Q (г) Qa (г) Qc (г) Qd (г) лено s a Pc к Pq. - активное давление грунта, вызванное линейной нагруз- кой. -равнодействующая давления воды. - предел пластичности. -давление или нормальное напряжение; реакция осно- вания. - наибольшее, среднее и наименьшее главные напряже- ния. - горизонтальное давление на вертикальную плоскость. - вертикальное давление на горизонтальную плоскость. - боковое давление при ограничении бокового расшире- ния; всестороннее давление. - интенсивность активного давления грунта. - эффективное давление (черточка может быть опущена!. - начальное давление; бытовое давление. - максимальное уплотняющее давление на грунт в ус- ловиях естественного залегания. - временное избыточное давление вышележащего грунта. - приращение давления; консолидационное (уплотняю- щее) напряжение. - максимальное уплотняющее давление на образцы при испытании на сдвиг. - увеличение давления на подпорную стенку, вызванное сплошной нагрузкой на засыпке интенсивностью д. - увеличение давления иа подпорную стенку, вызванное линейной нагрузкой д' на засыпке вдоль линии, парал- лельной гребню. - начальное уплотняющее давление на образцы, испы- тываемые на сдвиг; атмосферное давление. -давление, соответствующее равному сопротивлению сдвигу данного грунта при испытаниях иа медленный и консолидированно-быстрый сдвиг. -капиллярное давление. - фильтрационное давление. - давление, соответствующее точке Ь на рис. 22,а. - полный расход в единицу времени. -сосредоточенная нагрузка. -допускаемая нагрузка на сваю. -предельная несущая способность куста свай. - предельное статическое сопротивление сваи. ОБОЗНАЧЕНИЯ 17 Qd (г или г/см)—критическая нагрузка на башмак или опору на плот- ном илн жестком грунте; может быть подразделена на Q', зависящую от веса грунта, и Q", зависящую от сцеплення н прнгрузкн. Несущая способность опоры круглого сечения обозначается через Qdr, а квадратно- го через Qds- Qd (г или г/см) —критическая нагрузка на башмак нлн опору на рыхлом Qdy ( г ) нлн мягком грунте. —динамическое сопротивление сваи (прн забнвке). Qf (г) —суммарное сопротивление трения (ствола сваи). Qp (г) — сопротивление острия сваи. Qpr (г) — критическая нагрузка на подошву опоры. Qt (г) — избыточная нагрузка на башмак нли плнту, состоящая из постоянной нагрузки Qdn н временной — Q ; ; на- грузка на сваю, состоящая из Q — нагрузки от соору- жения, и Q' + Q" — нагрузки от отрицательного тре- q (г'смг) ния по стволу. —интенсивность равномерно распределенной нагрузки; интенсивность пригрузки на поверхности засыпки; до- полнительное осевое давление (при трехосном испытании)1. q' (г/см) —равномерно распределенная линейная (погонная)) на- qa (г/см2) q c (Z11CM2) qa (г!см2) грузка. —допускаемое давление на грунт. —прочность при трехосном сжатии. —предельная несущая способность плотного нлн жестко- го грунта. Эта же величина для рыхлого или мягкого qu (г/см2) г (см) грунта обозначается q d . Несущая способность для круглого фундамента обозначается qar, для квадратно-го фундамента qds и для удлиненного фундамента q do —.прочность на одноосное сжатие. —радиус. тЛсм) —радиус круга трения (в теории устойчивости откосов). S (г/см) — полное сопротивление сдвигу по подошве плотины. 5 (см) — осадка; отказ сваи. Se (см) Sr Sf — временное упругое сжатие сваи при ударе молота. — степень насыщения. — степень чувствительности. Sw s (г/см2) — предел усадкн. —сопротивление сдвигу. T (в градусах С) — температура Ts (г/см) Tv Tw t (сек) t (г]см2) —поверхностное натяжение жидкости. •— фактор времени (в теории консолидации)1. — предел липкости. — время. — напряжение сдвига. U (г!см) — полное нейтральное давление по подошве плотины. U — степень консолидации; коэффициент однородности = и (г/см2) uw (ejcM2) V (см3) Vv (см3) V (см/сек) = DmfDl0. —избыточное гидростатическое давление. — нейтральное напряжение; давление в поровой воде (пе- ровое давление). — полный объем. — полный объем пор. —скорость фильтрации. Os (см/сек) — истинная скорость фнльтрацнн. W (г или г/сле) — вес. WH (г) — вес молота для забивкн свай. 18 ОБОЗНАЧЕНИЯ Wp (г) Ws (г) w г (см) гс (см) а P (градусы) 7 (г\см3) 7' (г!см3) Yd (г/см3) 7dr (г/см3) yw (г/см3) Xs (г/см3) Д 6 е •г) (г сек,см2) 0 (градусы) (л Ф <р (градусы) о у н о вс к и м . К а ж д а я частица проходит зигзагообразный путь, не сталкиваясь с другими. Если несколько капель подходящего электролита, например соляной кислоты, добавить к суспензии, то катионы электролита адсорбируются частицами и отрицательные заряды нейтрализуются. Частицы продолжают двигаться, но теперь они сталкиваются и при этом их адсорбированные слои сливаются и прилипают друг к другу. В результате ча- § 4. СВОЙСТВА ОЧЕНЬ МЕЛКИХ ФРАКЦИЙ ГРУНТА 35 стицы агрегируются в хлопья, которые опускаются на дно и образуют осадок с ф л о к к у л я ц и о н н о й с т р у к т у р о й (рис. 2,а). Если такой осадок из одинаковых по размеру частиц постепенно нагружается откладывающимся выше материалом, его структура превращается сначала в с о т о о б р а з н у ю или я ч е и с т у ю (рис. 2,6), а затем, наконец, в о т д е л ь н о - а) 5) в) Рис. 2. Схема структур а — флокуляционной; б — ячеистой; в — отдельно-зернистой' з е р н и с т у ю (рис. 2, в). В природе, однако, самые тонкие фракции всегда встречаются вместе с крупными. Благодаря тому, что большая часть вышележащей нагрузки на разнозернистый осадок, по-видимому, воспринимается скелетом, состоящим из более крупных частиц (см. § 17), самые тонкие фракции могут постоянно сохранять сотообразную структуру. Если влажность образца грунта уменьшается при приложении нагрузки, то говорят, что грунт к о н с о л и д и р у е т с я . Если давление прекращается, причем грунт остается в соприкосновении со свободной водой, его влажность и объем возрастают. Это явление известно, как н а б у х а н и е . Любая из фракций грунта обладает способностью набухать, но в различной степени. Причины набухания для разных фракций различны. Крупнозернистая смесь песок — слюда при снятии с нее нагрузки набухает в большой степени, но исключительно вследствие упругой деформации зерен. Если давление снимается с самых тонких фракций глины, то набухание вызвано также частично упругими деформациями, а частично увеличением толщины адсорбированных слоев, которые разделяют зерна. В глине с большим содержанием монтмориллонита третья, хотя и очень небольшая, доля падает на набухание самих монтмориллонитовых частиц. Набухание как таковое не является исключительно коллоидальным свойством, но его причины могут быть отчасти коллоидального происхождения. С практической точки зрения различие это несуществен- 3fi ГЛАВА I. ИНДЕК.САЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ но, так как оба вида набухания подчиняются одинаковым законам. Физические свойства грунта с большим содержанием самых тонких частиц зависят от давления, под которым грунт уплотнялся. Если уплотняющее давление не превосходило примерно 10 кг/см2, грунт будет, по-видимому, пластичным. Грунт (или его фракция) называется пластичным, если при определенном содержании воды он может быть раскатан в тонкий шнур (§ 8). Пластичность является коллоидальным свойством, так как ни один минерал не обладает пластичностью, пока он не превращен в порошок с частицами коллоидального размера. Способность испытывать броуновское движение и коагулировать в присутствии электролита также являются коллоидальными свойствами. Однако этими последними свойствами обладают все вещества в коллоидальном состоянии, тогда как пластичностью обладает только очень ограниченное количество коллоидов. Кварцевый порошок не пластичен при любой влажности и при любой степени тонкости. Все глинистые минералы пластичны. Но так как практически все тонкозернистые грунты содержат глинистые минералы, все они являются пластичными. Если уплотняющее давление, которое предшествовало удалению нагрузки, было очень большим, грунт становится твердым и хрупким. Тогда говорят, что грунт находится в т в е р д о м с о с т о я нии. Как в пластичном, так и в твердом состоянии очень мелкие фракции грунта обладают сцеплением, т. е. способностью сопротивления сдвигающим напряжениям. Представляется наиболее вероятным, что сцепление вызвано не непосредственно молекулярным взаимодействием частиц в точках контакта, но сопротивлением сдвигу адсорбированных слоев, разделяющих зерна в этих точках. Эта гипотеза подтверждается тем фактом, что сцепление данной мелкой фракции грунта при данной влажности зависит в большой степени от природы адсорбционного комплекса. Если влажность очень тонкозернистого водонасыщенного грунта уменьшается путем уплотнения или поверхностного испарения, объем пор, занимаемых жидкой водой, уменьшается, тогда как объем, занимаемый адсорбированными веществами, остается неизменным. Поэтому сцепление возрастает с уменьшением влажности. Если образец очень мелкой фракции грунта тщательно перемять и затем оставить в покое, его сцепление будет возрастать сначала с весьма большой скоростью, а затем все более и более медленно. Если образец снова перемять при той же влажности, его сцепление заметно уменьшается, но затем полностью восстанавливается, если его снова оставить в покое. Это явление известно под названием т и к с о т р о п и и. § 4. СВОЙСТВА ОЧЕНЬ МЕЛКИХ ФРАКЦИЙ ГРУНТА 3 T Уменьшение и последующее восстановление прочности, по-видимому, связаны с нарушением и последующим возобновлением молекулярной структуры адсорбированных слоев. Практическое значение коллоидальных свойств грунта Коллоидальный характер самых тонких фракций делает взаимодействие между твердой и жидкой составляющими грунта исключительно сложным. Однако с практической точки зрения этой сложностью можно пренебречь. Мы остановились на этом вопросе только для того, чтобы показать читателю, что физические свойства очень мелкозернистых грунтов и д а ж е грунтов с более крупными зернами, но содержащими малые количества очень мелкого материала, зависят от большого количества факторов, а не только от размера зерен. Влияние некоторых из этих факторов, в частности времени при постоянном напряженном состоянии, все еще недостаточно изучено. Однако большинство практических задач требует рассмотрения только суммарного эффекта всех этих. факторов. Подобное положение имеет место и в технологии бетона. Процессы, в результате которых портланд-цемент приобретает прочность, также сложны и все еще недостаточно изучены. Несмотря на это, подбор состава бетона является довольно старой и хорошо освоенной отраслью инженерного дела. Предположения, на которых она основана, были получены из чисто механических лабораторных испытаний образцов бетона; некоторыми свойствами цемента, такими, например, как рост его прочности со временем, пренебрегают. Однако теории, основанные на этих упрощающих предположениях, достаточно точны для большинства практических целей. Вследствие коллоидального характера очень мелкозернистых грунтов можно изменять их физические свойства с помощью химической обработки. Этот метод довольно широко применяется, если грунт используется как строительный материал. Он является также одним из нескольких способов стабилизации грунта при строительстве дорог и аэродромов, а иногда и при возведении земляных плотин. Большинство этих методов возникло в результате более или менее случайных наблюдений в поле. Однако дальнейшее их развитие целиком зависит от прогресса наших знаний в области коллоидной химии самых тонких фракций грунта. ЛИТЕРАТУРА 4.1. Е. A. H a u s e r 1 Colloid chemistry of clavs, ,Chem. Rev"., vol. 37 (1945), стр. 287-321. Сжатый обзор коллоидных свойств глин и примеры практического приложения результатов их исследований. 38 ГЛАВА I. ИНДЕК.САЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ § 5. М Е Х А Н И Ч Е С К И Й А Н А Л И З ГРУНТОВ Целью механического анализа является определение размера зерен грунта и процентного содержания по весу различных фракций. Самый прямой метод разделения грунта на фракции различного размера заключается в просеивании. Однако так как размеры ячеек самых тонких и сравнительно доступных сит составляют 0,07 мм, использование ситового метода ограничивается анализом чистых песков. Если грунт содержит зерна меньшие чем 0,07 мм, он может быть разделен на две части промыванием водой. Когда вода становится мутной, ее сливают. Более крупные частицы остаются в сосуде и могут быть подвергнуты ситовому анализу. Взвешенные частицы грунта, которые слишком тонки, чтобы их можно было собрать с помощью сит, могут быть определены отмучиванием или ареометрическим методом, основанным на законе Стокса. Последний определяет скорость падения сферических частиц данного диаметра в жидкости, находящейся в покое. По обычно применяемой для инженерных целей методике от 20 до 40 г глинистого грунта или от 50 до 100 г песчанистого грунта смешивают с 1 л воды, встряхивают и выливают в сосуд. Плотность суспензии измеряется через различные промежутки времени при помощи специального ареометра-гидрометра. Размеры самых крупных частиц, остающихся в суспензии на уровне луковицы гидрометра, могут быть для любого промежутка времени рассчитаны с помощью закона Стокса, тогда как вес более мелких частиц можно вычислить, исходя из плотности суспензии на том же уровне. Проведение испытания требует нескольких дней. С помощью ареометрического метода можно выделить грунтовые фракции до размера около 0,5 v- • Еще более тонкие фракции могут быть получены с помощью центрифугирования. Но подобные усовершенствованные методы представляют интерес только при исследовательских работах. Встряхивание с водой превращает многие глины в суспензию, в которой взвешены не индивидуальные частицы, а отдельные хлопья. Д л я того чтобы разрушить эти хлопья, т. е. диспергировать грунт, необходимо добавлять к воде диспергирующие вещества. Наиболее частые ошибки в результатах гранулометрического анализа вызываются недостаточной диспергацией грунта. Результаты описанного метода механического анализа не вполне сравнимы с данными, которые можно было бы получить с помощью сит, так как частицы грунта никогда не бывают точно сферическими, а самые мелкие имеют форму чешуек. При ситовом анализе определяется ширина частиц, тогда как с помощью методов отмучивания получают диаметр сферы, которая оседала бы с той же скоростью, что § 5 МЕХАНИЧЕСКИИ АНАЛИЗ ГРУНТОВ 39 и данная чешуйка. Этот диаметр может быть гораздо меньше, чем ширина действительной частицы. Наиболее удобно представлять результаты механического анализа в полулогарифмической сетке координат, показанной на рис. 3. Абсциссы этой кривой представляют' собой логарифм размера зерен, а ординаты ~ весовое содержание в процентах P зерен, размер которых меньше, чем р а з м е р . Значений О в мм /IoeapuqjM D в мм Рис. 3. График результатов механического анализа в иолулогарлфмичсс кой сетке координат соответствующий данной абсциссе. Чем более однороден грунт, тем круче наклон кривой. Вертикальная линия представляет совершенно однородный порошок. Самое важное преимущество полулогарифмической сетки координат заключается в том, что гранулометрические кривьге грунтов с одинаковой степенью однородности имеют идентичную форму, независимо от среднего размера зерен. Кроме того, горизонтальное расстояние между двумя кривыми.одинаковой формы равно логарифму отношения средних диаметров зерен соответствующих грунтов. На рис. 4 приведены некоторые типичные гранулометрические кривые. К р и в а я на рис. 4, а обычного типа, близка к кривой нормального распределения, выражающей один из основных законов статистики. Так как распределение размеров зерен относится к области статистики, была предпринята попытка использовать термины и методы этой науки для описания результатов механического анализа. Однако подобная обработка не требуется в механике грунтов для инженерных целей. Если образец имеет распределение зерен, представленное на рис. 4, а, однородность фракции, содержащей зерна размерами больше чем D50 (диаметр, отвечающий Р ~ 5 0 % ) , приблизительно такая же, как фракции, содержащей зерна размерами меньше чем £ W Если распределение напоминает показанное на рис. 4,6, то более крупная половина образца относительно однородна, 40 ГЛАВА I. ИНДЕК.САЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ тогда как размеры частиц в более мелкой половине изменя- ются в широких пределах. При распределении, представлен- ном на рис. 4,в, имеет место обратное. О кривых, показанных на рис. 4, г и д, можно сказать, что они являются комбиниро- ванными. Гранулометрическая кривая молодых элювиальных грунтов обычно подобна кривой на рис. 4,б. С ростом воз- раста грунта средний диаметр зерен уменьша- ется из-за выветривания, и кривая становится бо- лее близкой к прямой, как показано на рис. А,а. Гранулометрическая кри- вая зрелых грунтов напо- минает приведенную на рис. 4,в. Распределение, пред- ставленное на рис. 4,6 и в, является обычным так- же и для грунтов гляци- ального и флювиогляци- ального происхождения. Отсутствие зерен средне- -J -Z Логарифм В Рис. 4. Типичные гранулометрические кривые го размера в осадочных грунтах, как, например, на кривой на рис. 4,г, повидимому, является обычным для песчано-граве- а — кривая нормальной частости; б и в — кривые для грунтов с неодинаковой степенью однородности крупных и мелких фракций; г и д — комбинированные кривые листых смесей, отлагавшихся быстротекущими реками, несущими боль- шое количество осадков. Гравий этого типа обычно называют п л о х о п о д о б р а н - н ы м . Нарушение плавности гранулометрической кривой мо- жет также указывать на одновременное осаждение грунта под действием двух различных агентов. Например, одна фракция может быть принесена в ледниковые озера реками, а другая—льдом. Таким образом, знание формы грануло- метрической кривой может помочь в определении геологиче- ского происхождения грунта и таким образом уменьшить риск ошибки в интерпретации данных, полученных путем бу- рения. § 6. ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ГРУНТОВ С тех пор, как стали интересоваться физическими свойствами грунтов, предпринимались многократные попытки установить зависимость между размером частиц грунта и другими его характеристиками, необходимыми для решения практиче- § 6. ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ГРУНТОВ 41 ских задач. Результаты, однако, постоянно приносят разочарование. Так, попытки вычислять коэффициент водопроницаемости грунтов по их гранулометрическому составу терпели неудачу, поскольку проницаемость в широкой степени зависит от формы зерен, а последняя может быть совершенно различной у грунтов с одинаковым гранулометрическим составом. Кроме того, обычно проще непосредственно определить водопроницаемость, чем провести механический анализ, а результаты являются более достоверными. >00 ZO ГО Zl 0,2 OJ 0,02 opt Размера/ частиц в минронох (логарифмическая шпала) Рис 5. Гранулометрический и минералогический состав ледниковой морской глины (по Гриму) Точно так же полагали, что внутреннее трение у плотных, хорошо подобранных по гранулометрическому составу разнозернистых песков является большим, чем у плотных однородных песков. Строительный опыт показывает, что это действительно может иметь место. Однако, поскольку угол внутреннего трения песка (§ 15) зависит не только от гранулометрического состава, но также и от формы зерен и шероховатости их поверхности, внутреннее трение двух плотных песков с одинаковым составом может быть совершенно различным. Само собой разумеется поэтому, что до сих пор нельзя было установить определенного соотношения между гранулометрическим составом и углом внутреннего трения. Попытка установить соответствие между внутренним трением и гранулометрическими характеристиками мелкозернистых грунтов, как например ила или глины, была еще более безуспешной. Причина этого иллюстрируется рис. 5. На этом рисунке верхняя кривая представляет собой так называемую ч а с т о т н у ю г р а н у л о м е т р и ч е с к у ю к р и в у ю для ледниковых глин из юго-восточной Канады. На горизонтальной оси нанесены логарифмы диаметров зерен. Площадь полосы, расположенной над любым интервалом величин зерен, например от 2 ja и до 1 JA , представляет собой содержание частиц этого размера в процентах к общему весу сухой глины. В соответствии с приведенным графиком макроскопические фракции (более 0,06 мм), как у большинства других 42 ГЛАВА I. ИНДЕК.САЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ глин, состоят исключительно из кварца. Микроскопические фракции (от 0,06 до 0,002 мм) состоят частью из к в а р ц а и кальцита и частью из чешуек слюды. Содержание слюды в этой фракции весьма различно у различных глин и имеет решающее влияние на сжимаемость и другие их свойства. Коллоидальные фракции (менее 0,002 мм) этой глины состоят почти исключительно из монтмориллонита, тогда как у других глин они могут состоять в основном из минералов каолинитовой или иллитовой группы. Физические свойства глины зависят в большой степени от вида глинистого минерала, преобладающего в коллоидальной фракции. Ьуроме того, они сильно зависят от веществ, находящихся в адсорбированных слоях (§ 4). Следовательно, две глины с одинаковым гранулометрическим составом могут весьма сильно отличаться друг от друга во всех других отношениях. По указанным причинам достоверные статистические соотношения между гранулометрическими характеристиками и такими существенными свойствами грунта, как угол внутреннего трения, могли быть установлены только в пределах относительно небольших районов, где грунты одного и того же вида (например, все глины или пески) имеют одинаковое геологическое происхождение. В таких районах гранулометрические характеристики могут быть использованы в качестве основы для оценки существенных свойств грунтов. Это обычно и делается, причем весьма успешно. Однако ни одно подобное соотношение не может быть с уверенностью использовано за пределами того района, где оно установлено. Сокращенные гранулометрические характеристики Чтобы сжато представить наиболее важные результаты механического анализа большого числа грунтов, бывает удобно выразить гранулометрические характеристики каждого из них либо числами, указывающими на характерные размеры зерен и степень однородности, либо с помощью терминов или символов, указывающих на преобладающие фракции. Наиболее широко применяют метод, основанный на цифровых значениях и принадлежащий Аллену Хазену. В результате большого числа опытов с фильтровыми песками Хазен нашел, что проницаемость этих песков в рыхлом состоянии зависит от двух величин, которые могут быть названы эффективным диаметром и коэффициентом однородности. Э ф ф е к т и в н ы м д и а м е т р о м (Di0) называется диаметр, соответствующий 10%-ному содержанию фракций по гранулометрической кривой. Иными словами, 10% всех частиц оказываются мельче, а 90% — крупнее, чем эффективный диаметр. К о э ф ф и ц и е н т о д н о р о д н о с т и U представляет собой отношение Dso/Dio, где D60 представляет собой диаметр § 6. ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ГРУНТОВ 43 :^ерен, отвечающий 60% весового содержания фракций по гранулометрической кривой. Открытие Хазена привело других исследователей к более или менее произвольному допущению, что величины Di0 и U являются подходящими для гранулометрической характеристики также и обычных разнозернистых естественных грунтов. С ростом знаний, относящихся к этим грунтам, стало очевидно, что их свойства зависят исключительно от самых тонких частиц, содержание которых не превышает примерно 20%, и что предпочтительнее было бы выбрать Dao и D70 в качестве характерных размеров. Однако получаемое преимущество не является столь большим, чтобы оправдать отказ от привычного метода. Использование символов для обозначения гранулометрических характеристик грунта описано в конце параграфа. Методы классификации В связи с классификацией по гранулометрическим характеристикам принято пользоваться наименованиями грунтов, как например, пыль или глина, также и для обозначения различных фракций. Наиболее широко распространенные наименования такого типа приведены на рис. 6. С инженерной Pojyppb' UQCfTiuu я D 1 s^ - ^S У§ 5 --- 001 0001 /77 ]Л Почвенное Srapo Гривии J Песок Пыль / 05 0,005 MM /!mmepSeps '905 | Гравии KpynHbiМu елкий песок песок Пыль Г пина MTM 1931 { рекомендуемое) ZP 0,2 0,02 OflOZ мм Гравии Песок Пьшь Г пина zp 0,06 0,002 KiM Ma кроскопи weeкое Микроскопическое \ OniJCMHUP Очень крцпнъ/е : '-.HpynHbte^sz. Мелкие . IgD(MM) j! - Ч Tl cVl tP I I5 -I LaI 13 I S X tj' I I I ч а tQй I Рис. 6. Гранулометрические классификации грунтов Верхний предел размеров г л и н и с т ы х ч а с т е й был изменен в 1935 г. М и н и с т е р с т в о м с е л ь с к о г о х о з я й с т в а с 0 , 0 0 5 на 0,002 мм. О д н а к о н е к о т о р ы е и н ж е н е р н ы е о р г а н и з а ц и и в с е е ш е п р и д е р ж и в а ю т с я п е р в о н а ч а л ь н о г о з н а ч е н и я 0 , 0 0 5 мм точки зрения классификация Массачузетского технологического института (МТИ) является наиболее предпочтительной [6. 1]. Во многих случаях характеристика грунта дается лишь в виде результатов механического анализа крупнозернистой фрак- 44 ГЛАВА I. ИНДЕК.САЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ ции и суммарного процентного содержания частиц, прошед- ших через сито 0,1 мм (в США 0,074 мм). Этот размер зерен незначительно превышает диаметр 0,06 мм, который по клас- сификации МТИ является границей между мелким песком и крупной пылью. Однако любая система классификации грунтов, основанная на одном лишь гранулометрическом составе, приводит к ошибкам, так как физические свойства самых мелких фрак- ций зависят от многих других факторов (§ 4). Так, например, соглас- но рис. 6 грунт, состо- ящий из кварцевых зерен коллоидального размера, должен был бы по любой из классифика- ций называться глиной, тогда как в действитель- ности он не обладает да- же отдаленным сходст- вом с ней. Следователь- но, если наименования «пыль» или «глина» при- Рис. 7. Классификационный график для грунтов, разработанный Админи- меняются для обозначения размеров частиц, они страцией общественных дорог США должны сочетаться со 1 — глина; 2 — песчаная глина; — пылеватая глина; 4 — песчаный глинистый суглинок; 5 — глинистый суI линок; 6 — пыдеватый гли- нистый суглинок: 7 — песок; H — песчяный суглинок;9 — суглинок; 10 — п ы л с в а т ь ш с у г л и н о к словом «размер», как на-пример, в выражении «частицы глинистого размера». Так как грануло- метрические классифика- ции пока еще не стандартизованы, описательное прилагатель- ное должно дополняться численными значениями, которые указывают область размеров частиц, описываемых данным прилагательным. Естественные грунты за небольшим исключением пред- ставляют собой смесь из двух и более различных фракций. Следовательно, по гранулометрическому составу естественный грунт может быть назван по имени главной составляющей, как например «пылеватая глина» или «песчанистая пыль». Но можно также приписать ему определенный символ, ко- торый идентифицировал бы его с одной из нескольких стан- дартных смесей различных фракций. Обозначение грунтов по названиям их основных составляющих облегчается с помощью диаграммы, наподобие предложенной Администрацией общественных дорог США (рис.7). На этой диаграмме каждая из трех координатных осей относится к одной гранулометрической фракции, обозначенной как § 7. ГРУНТОВЫЙ АГРЕГАТ 45 песок, пыль или глина. Полученный треугольник подразделен на области, которым приписаны определенные наименования типа грунта. Три координаты любой точки дают процентное содержание указанных трех фракций в соответствующем грунте и позволяют определить его тип. Например, разнозернистый грунт, состоящий из 20% песка, 30(% пыли и 50% глины, представленный точкой 5 , классифицируют как глину [6.2]. Определение данного грунта путем сравнения со стандартными смесями может быть быстро выполнено с помощью транспаранта на прозрачной бумаге. На этом транспаранте различные стандартные смеси гранулометрических фракций представлены кривыми, помеченными особыми идентификационными символами. Чтобы классифицировать данный грунт, транспарант накладывается на его гранулометрический график. Грунту приписывается символ той стандартной кривой, которая ближе всего подходит к фактической [6.2]. ЛИТЕРАТУРА 6.1. R. Glossop and A. W. Skempton, Particle—size in silts and sands, „J. Inst. Civil Engrs." (London), № 5 4 9 2 , Dec. "1945, стр. 81—105. Анализ различных гранулометрических классификаций с инженерной точки зрения. 6.2. A. Casagrande, Classification and identification of soils, „Ргос. A S C E ' , June 1947, стр. 7 8 3 - 8 1 0 . Анализ гранулометрических классификаций и методов изображения результатов механического анализа. § 7. ГРУНТОВЫЙ АГРЕГАТ Введение Термин а г р е г а т относится к грунту как таковому, в отличие от его составных частей. В качественном отношении грунтовые агрегаты могут различаться по текстуре, структуре и консистенции. Количественно они могут различаться по пористости, относительной плотности, содержанию воды и газа, и опять-таки по консистенции. Качественная оценка производится в поле визуально. Она является основной для составления разрезов скважин или других документов, которые описывают последовательность напластования грунтов. Количественные данные получаются с помощью лабораторных и полевых испытаний. Без этих данных описание любого грунта будет неточным. Текстура, структура и консистенция Термин т е к с т у р а обозначает степень тонкости и однородности грунта. Она описывается такими выражениями, как м у ч н и с т а я , г л а д к а я , п е с ч а н и с т а я или о с т р о - 46 ГЛАВА I. ИНДЕК.САЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ у г о л ь н а я в зависимости от ощущения, испытываемого при растирании грунта между пальцами. Термин с т р у к т у р а характеризует относительное распо. ложеняе частиц в агрегате. Если частицы в устойчивом агрегате не прилипают друг к другу, то они образуют о т д е л ь н о з е р н и с т у ю структуру, в которой каждое зерно касается нескольких соседних (рис. 2,в). В зависимости от расположения зерен отдельнозернистая структура может быть р ы х л о й или п л о т н о й . Мелкозернистые грунты могут быть устойчивыми, даже если зерна соприкасаются друг с другом в очень немногих точках, если только сцепление между зернами того же порядка, что и вес зерен. Соответствующая структура называется с о т о о б р а з н о й (рис. 2, б). Ф л о к к у л я ц и о н н а я структура (рис. 2,а), рассмотренная в § 4, редко встречается в природных грунтах, так как очень мелкозернистые природные грунты почти неизменно содержат более крупные частицы. Эти более крупные зерна; по-видимому, образуют скелет, пустоты в котором заполнены относительно рыхлыми агрегатами тончайших составляющих. Такое расположение частиц носит название с к е л е т н о й с т р у к т у р ы . Возможно, что она является причиной поразительной неустойчивости многих слабосвязных грунтов с размером зерен между 0,05 и 0,005 мм (§ 17). Свойственная мягким глинам неустойчивость скелетной структуры замаскирована сцеплением. Некоторые редко встречающиеся грунты, в том числе отдельные виды мергелей, состоят из относительно больших комплексных частиц. Последние образуют агрегаты с отдельнозернистой либо сотообразной структурой. Однако, сами зерна представляют собой плотные комочки из пылеватых или глинистых частиц. Структура грунтов из таких комочков называется к о м к о в а т о й . Комковатая структура отличается от флоккуляционной (рис 2, а) тем, что отдельные комочки имеют не сотообразную, а плотную отдельнозернистую структуру. Любое осадочное образование содержит хотя бы небольшой процент чешуеобразных или пластинчатых частиц. Во время оседания таких частиц в суспензии их плоская сторона стремится сохранять горизонтальное положение. Поэтому в осадке большинство таких частиц ориентировано более или менее параллельно горизонтальной плоскости. Последующий рост давления от вышележащего осадка лишь усиливает эту ориентировку. Об осадке, содержащем ориентированные частицы, говорят, что он обладает п о п е р е ч н о й а н и з о т р о п и е й . Так как визуальная оценка структуры мелко- и очень мелкозернистых грунтов практически неосуществима, то о ней можно судить по пористости и различным другим свойствам грунтов. § 7. ГРУНТОВЫЙ АГРЕГАТ 47 Плотная глина может содержать трубчатые корневые канальцы, доходящие до глубины в несколько десятков сантиметров ниже поверхности, либо она может разделяться волосными трещинами на призматические или неправильные глыбы, на которые распадается, как только будет устранено поддерживающее их внешнее давление. Подобные волосные трещины называются ш в а м и или т р е щ и н а м и о т д е л ь н о с т и . Если по этим швам или трещинам имел место сдвиг, то они принимают характерный вид и в этом случае носят название з е р к а л с к о л ь ж е н и я . Борозды, вызываемые относительным сдвигом на стенках швов или трещин, называют ш т р и х а м и с к о л ь ж е н и я . Происхождение, характер и практическое значение подобных дефектов пластов грунта рассматриваются в части В, § 43. В части А рассматриваются только ненарушенные грунты и грунтовые пласты. Термин к о н с и с т е н ц и я означает степень сцепления между грунтовыми частицами и характеризует сопротивление силам, которые стремятся деформировать или разрушить грунтовый агрегат. Консистенция характеризуется такими терминами, как т в е р д а я , ж е с т к а я , х р у п к а я , к р о ш а щ а я с я , л и п к а я , п л а с т и ч н а я и м я г к а я . Чем грунт ближе по своим свойствам к глине, тем больше разнообразие состояний консистенции, в которых он может находиться. Степень пластичности глинистого грунта иногда выражается терминами ж и р н ы й и т о щ и й . Тощие глины слабо пластичны, так как содержат большое количество пыли или песка. Дальнейшие данные, относящиеся к консистенции глин, приведены в § 8. Пористость, влажность и удельный вес П о р и с т о с т ь ю п называется отношение объема пор к общему объему агрегата грунта. Термин о б ъ е м п о р относится к той части объема грунта, которая не занята минеральными зернами. Если пористость выражается в процентах, ее можно называть п р о ц е н т н о й п о р и с т о с т ь ю . К о э ф ф и ц и е н т п о р и с т о с т и е представляет собой отношение объема пор к объему твердого вещества. Если V — общий объем грунта, a Vv — общий объем пор, то: п= ^ V (7.1а) е = . V-Vv (7.16) Соотношение между коэффициентом пористости и пористостью выражается уравнениями: 48 ГЛАВА I. ИНДЕК.САЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ е = 1— п (7.2а) п = 1+е (7.26) Пористость устойчивой массы из одинаковых зерен, не обладающих способностью сцепления друг с другом, зависит от их расположения. При самом плотном расположении п— = 26%, а в самом рыхлом состоянии п=47%. Естественные пески встречаются с пористостью от 25 до 50%- Пористость естественных песчаных отложений зависит от формы зерен, единообразия их размеров и от условий оседания. Влияние формы зерен на пористость агрегата может быть проиллюстрирована смешиванием различных количеств слюды с однородным песком. Если содержание слюды по весу равно последовательно 0; 5; 10; 20 и 40%, то пористость полученной смеси при рыхлой отсыпке в сосуд будет соответственно около 47; 60; 70; 77 и 84%. Пористость мягкой естественной глины, которая содержит значительный процент плоских частиц, обычно находится в пределах между 30 и 60%, но может достигать даже 90%. Вследствие значительного влияния формы зерен и степени однородности на пористость, последняя сама по себе еще не позволяет судить, является ли грунт рыхлым или плотным. Это можно узнать только сравнением пористости данного грунта с его же пористостью в самом плотном и рыхлом из всех состояний. О т н о с и т е л ь н а я п л о т н о с т ь песчаного грунта может быть численно выражена величиной D r , определяемой уравнением Dr = - ^ - , (7.3) где е0 — коэффициент пористости грунта в самом рыхлом состоянии; еш]п — коэффициент пористости грунта в самом плотном состоянии, какое только может быть получено в лаборатории; е — коэффициент пористости естественного грунта. Чтобы получить самое рыхлое состояние среднего или крупного песка, его сначала высушивают, а затем ссыпают с небольшой высоты в сосуд. Очень мелкие пески и каменную муку приводят в самое рыхлое состояние, смешивая образец с достаточным количеством воды, чтобы получить густую суспензию, которой д а ю т осесть. Значение е0 равно конечному коэффициенту пористости осадка. Относительная плотность песка имеет четко определенное значение, так как ее величина практически не зависит от статического давления, которому § 7. ГРУНТОВЫЙ АГРЕГАТ 49 подвергнут песок. Она зависит прежде всего от способа отсыпки и уплотнения песка. С другой стороны, степень плотности глины и других связных грунтов зависит, главным образом, от нагрузки, которую они несут, и в некоторых случаях от скорости, с которой нагрузка прикладывается. Степень плотности этих грунтов лучше всего выражать с помощью о т н о с и т е л ь н о й к о н с и с т е н ц и и (§ 8), которая аналогична относительной плотности Dr грунтов с небольшим или отсутствующим сцеплением. В л а ж н о с т ь w грунта представляет собой отношение веса воды к весу сухого агрегата грунта. Она обычно выражается в процентах. В песках, расположенных близко к горизонту грунтовых вод, часть пор может быть з а н я т а воздухом. Если ew представляет собой объем, занятый водой и приходящийся на единицу объема твердого вещества, тогда отношение Sr = °/0 (7.4) представляет собой с т е п е н ь н а с ы щ е н и я . Степень насыщения песков обычно определяется такими словами, как с у х о й или в л а ж н ы й . Табл. 1 содержит перечень таких описательных терминов и соответствующие им степени насыщения. Номенклатура, приведенная в табл. 1, приложима только к пескам или очень песчанистым глинам. Глина в высушенном состоянии со степенью насыщения 90% может быть такой твердой, что она могла бы быть названа сухой, а не влажной. Таблица 1 Степень насыщения песка в различных состояниях Состояние песка Степень насыщ е н и я В <'/„ Сухой Мокрый 0 1-25 25—50 50—75 75—99 100 Крупные пески, расположенные выше грунтовых вод, являются обычно влажными. Мелкие или пылеватые пески являются влажными, мокрыми или насыщенными. Глина почти всегда полностью или почти полностью насыщена, за исклю- 50 ГЛАВА I. ИНДЕК.САЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ чением поверхностных слоев, которые подвержены сезонным колебаниям температуры и влажности. Если глина содержит газы, то они представлены пузырьками, рассеянными по всему объему. В пузырьках может находиться воздух, который попал в грунт в процессе осаждения, или газ, образовавшийся позже в результате таких химических процессов, как например, разложение органического вещества. Газы могут находиться под давлением достаточно большим, чтобы вызвать энергичное набухание глины при постоянной влажности, если уменьшить внешнее давление. Определение содержания газов в грунте является исключительно трудным. Оно выходит за пределы обычных испытаний и если вообще может быть выполнено, то для этого требуется специальное оборудование. О б ъ е м н ы м в е с о м грунтового агрегата называется вес агрегата (скелет плюс вода) на единицу объема. Он зависит от удельного веса грунта, пористости агрегата и степени насыщения. Он может быть рассчитан следующим образом. Пусть —средний удельный вес грунта; Iw — удельный вес воды; п — пористость (выраженная как отношение). Объемный вес сухого грунта ( S r = O ) будет а для насыщенного грунта (Sr = 1.00%) T = (1 ~ « ) Ti + n I w = • Ti — п (L — TJ - (7.6) Удельный вес основных составляющих скелета приведен в табл. 2. Таблица 2 Удельный вес наиболее важных составных частей скелета в г/см3 Гипс Монтмориллонит1 . . Ортоклаз Каолинит . . . . . Иллит ". Хлорит Кварц Тальк Кальцит Мусковит . • . . . . 2,32 2,4 2,56 2,6 2,6 2,6-3 2,66 2,7 2,72 Доломит. . Арагонит . Биотит . . Авгит . . Амфибол Лимонит Гидрогематит Магнетит Гематит . . 2,87 2,94 3—3,1 3,2—3,4 3,2—3,5 3,8 4,3 + 5,17 5,2 (по Ларсену и Берману) 1 Теоретическая величина, рассчитанная по атомным весам составляющих кристаллической решетки, no Р. Е. Гриму. § 7. ГРУНТОВЫЙ АГРЕГАТ 51 Средний удельный вес песчаных зерен составляет обычно около 2,65 г/см3. Удельный вес глинистых частиц колеблется от 2,5 до 2,9 г/см3, в среднем 2,7. В табл. 3 приведены пористость и объемный вес типичных грунтов. Для песчаных грунтов приведен также объемный вес скелета. Веса рассчитаны в предположении, что удельный вес равен 2,65 г/см3 для песчаных грунтов и 2,7 г/см3—для глин. Приведенные в табл. 3 значения должны рассматриваться лишь как приближенные. Перед тем как производить окончательные расчеты, в каждом отдельном случае всегда должен быть определен действительный объемный вес грунта. Таблица 3 Пористость, коэффициент пористости и объемный вес типичных грунтов в естественном состоянии Наименование грунта Пористость п "„ Коэффициент е п о р и с т о с т и Влажность w '7,, г CMi Об ьемный вес в U 1 Песок: однородный рыхлый 46 однородный плотный 34 разнозернистый рых- лый .... 40 разнозернистый плот- ный 30 Тилль глинистый очень разнозернистый . . . 20 Глина: мягкая ледниковая . 55 жесткая ледниковая 37 мягкая слабооргани- ческая 66 мягкая сильноорга- иическая . ... 75 Бентонит мягкий . . . 84 0,85 32 0,51 19 0,67 25 0,43 16 0,25 9 1,2 45 0,6 22 1,9 70 3,0 110 5,2 194 1,43 1,75 1,59 1,86 2,12 — — — — 1,89 2,09 1,99 2,16 2,32 1,77 2,07 1,58 1,43 1,27 Задачи. 1. Образец насыщенной глнны весит 1 526 г в естественном состоянии и 1 053 г после высушивания. Найти естественную влажность. Если удельный вес скелета равен 2,7 г/см3, то чему равны коэффициент пористости, пористость и объемный вес? О т в е т , w = 45%; е = 1,22; п = 0,55; 7 = 1,76 г/см3. 2. Образец ортштейна в естественном состоянии имеет объем 56,4 см3 и весит 129,1 г. В сухом состоянии он весит 121,5 г. Удельный вес скелета равен 2,7 г/см3. Вычислить влажность, коэффициент пористости и степень насыщения. О т в е т , w = 6,3%; е = 0,25; Sr = 0,67. 3. Объемный вес песчаной засыпки был найден равным в естественных условиях !,75 т/м3. Влажность во время испытания составляла 8,6%, 52 ГЛАВА I. ИНДЕК.САЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ удельный вес скелета равен 2,6 г/смг. Коэффициент пористости в самом рыхлом и самом плотном состояниях был найден в лаборатории равным 0,642 и 0,462 соответственно. Чему равны коэффициент пористости и степень плотности засыпки? О т в е т , е = 0,616; Dr= 0,14. 4. Сухой кварцевый песок имеет объемный вес 1,54 т/мъ. Чему равен его объемный вес в насыщенном состоянии? О т в е т . -( — 1,95 т/м3. 5. Объем образца пылеватой глины, найденный методом погружения в ртуть, равен 14,88 CMi, его вес при естественной влажности равен 28,81 г, а после высушивания — 24,83 г. Удельный вес скелета равен 2,7 г/еж3. Вычислять коэффициент пористости и степень насыщения образца. О т в е т , е = 0,618; S r = 7 4 % . 6. Д л я значений пористости грунтов, приведенных в табл. 3, определить влажность w и объемный вес ч песка (для грунтов 1—5 ^s =2,65 г/сл!3; для грунтов 6—10 is = 2,7 г/см3). § 8. КОНСИСТЕНЦИЯ И ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ГЛИН Консистенция и чувствительность ненарушенных глин Консистенция глин и других связных грунтов обычно описывается как м я г к а я , с р е д н я я , ж е с т к а я или твердая. Наиболее прямой количественной мерой консистенции является нагрузка на единицу площади сечения, при которой призматический или цилиндрический образец разрушается при испытании на простое сжатие. Эта величина известна как п р о ч н о с т ь г р у н т а на о д н о о с н о е с ж а т и е . Значения прочности, соответствующие различным видам консистенции, даны в табл. 4. Таблица 4 Консистенция глин, выраженная через прочность на одноосное сжатие Консистенция Очень мягкая Среднежесткая Жесткая Очень жесткая Чрезвычайно жесткая1 . . . Прочность <7„в кг/см2 <0,25 0,25—0,5 0,5—1 1-2 2—4 >4 1 Если чрезвычайно жесткая глина является также и хрупкой, то она называется т в е р д о й . Глина обладает тем общим со многими другими коллоидными веществами свойством, что переминание при постоянной влажности вызывает ее размягчение. Глина, испытавшая переминание или переработку, обычно называется н а р у ш е н н о й . Эффект размягчения вызывается, по-видимому, двумя различными причинами: нарушением порядка в расположении молекул в адсорбированных слоях и раз- § 8. КОНСИСТЕНЦИЯ И ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ глин 53 рушением структуры, которую глина приобрела 1B процессе седиментации. Та часть потери прочности, которая вызвана нарушением адсорбированных слоев, 'постепенно снова восстанавливается при неизменной влажности, «осле того как обработка глины прекратилась. Та часть потери прочности, которая обусловлена, по-видимому, необратимыми нарушениями структуры, не может быть восстановлена, если только влажность глины не уменьшается. Отношение между этими двумя составляющими прочности весьма различно у различных глин. Термином ч у в с т в и т е л ь н о с т ь обозначают ,влияние нарушения структуры на консистенцию глины независимо от физической природы причин нарушения. Степень чувствительности неодинакова не только у различных глин, но может быть даже различной у одной и той же глины в зависимости от ее влажности. Если глина очень чувствительна, оползень может превратить ее в массу, способную течь по слабо наклонной поверхttOCTtt, тогда как. подобный ж г ожулашь в гмше. с, ккашй. чувствительностью вызывает лишь заметную местную деформацию. Изменение 'консистенции, вызванное нарушением чувствительной глины, всегда связано с изменением ее проницаемости. Степень чувствительности St глины в ы р а ж а е т с я как отношение прочности на одноосное сжатие в ненарушенном состоянии к прочности того же образца при той же влажности, но в перемятом состоянии. Таким образом: й0 = прочность в ненарушенном состоянии . прочность в нарушенном состоянии ( « л. .) Значение St для большинства глин находится в пределах между 2 и 4. Д л я чувствительных глин эти пределы составляют от 4 до 8. Однако известны сверхчувствительные глины с значением St^>8. Высокие степени чувствительности могут быть обусловлены либо хорошо развитой скелетной структурой, либо высокой тиксотропностью самых тонких фракций (§ 4 и 17), либо обеими этими причинами. Такие глины встречаются главным ,образом среди мягких ледниковых глин, которые откладывались .в солоноватой или морской воде, и среди мягких глин, образовавшихся в результате разложения вулканического пепла. Представление о характере структуры ГЛЙНЫ можно получить, сравнивая объемный вес высушенного образца ненарушенного грунта -Jdi с объемным весом Iar высушенного образца грунта, тщательно перемятого до высушивания при его естественной влажности. Чем больше разница .между 54 ГЛАВА I. ИНДЕК.САЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ этими величинами, тем сильнее структура ненарушенного грунта отличается от беспорядочной структуры нарушенного грунта. Консистенция нарушенных грунтов После нарушения структуры связного грунта его конси- стенция может быть произвольно изменена увеличением или уменьшением влажности. Так, например, если влажность глинистого раствора постепен- но уменьшать путем медлен- ного высушивания, глина пе- реходит из жидкого состояния в пластичное и, наконец, в твердое. Влажности, при кото- рых различные глины перехо- дят из одного состояния в дру- Рис. 8. Сечение лепешки грун- гое, весьма различны. Поэтому та для определения предела текучести (по А. Казагранде) влажность при этих переходах может быть использована для определения и сравнения меж- ду собой различных глин. Однако переход из одного состоя- ния в другое не совершается скачкообразно по достижении некоторой критической влажности. Он происходит постепен- но в достаточно широких пределах значений влажности. По этой причине всякая попытка ,установить границу между видами консистенции содержит элемент некоторого произ- вола. Наиболее удобным для инженерных целей оказался метод, заимствованный из агрономии. Он известен как метод Аггерберга, а влажности, соответствующие границам между видами коноистенции, называются п р е д е л а м и А т т е р берга. П р е д е л т е к у ч е с т и !^представляет собой влажность в процентах, при которой две части лепешки грунта, имеющие размеры, показанные на рис. 8, едва касаются друг друга, но не сливаются, если подвергнуть чашку резким ударам снизу. Результаты такого 'испытания существенно зависят от лица, которое его производит. Для того чтобы исключить субъективный фактор, !применяют !стандартный механический прибор. П р е д е л п л а с т и ч н о с т и Pw, или нижний предел пластичного состояния, представляет собой влажность, при которой грунт начинает крошиться при раскатывании в тонкий шнурок. Описание результатов определения пределов пластичности должно содержать также данные о том, был ли шнурок непосредственно перед растрескиванием очень тугим и прочным, как это бывает у гумбо, умерен/но тугим, § 8. КОНСИСТЕНЦИЯ И ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ глин 55 как у средних ледниковых глин, или слабым и ноздреватым, как это имеет место в случае органических или слюдистых неорганических грунтов. П р е д е л л и п к о с т и Tw представляет собой наименьшую влажность, при которой грунт еще прилипает к металлическим инструментам. Он определяется путем постепенного уменьшения влажности глинистой лепешки, пока не будет (получаться чистая поверхность никелированного шпателя после того, как его проведут плоской стороной по поверхности лепешки. П р е д е л у с а д к и Sw, или нижний предел изменения объема грунта, представляет собой влажность, начиная с которой дальнейшее высушивание не приводит к уменьшению объема. Как только грунт ,переходят через предел усадки, цвет его становится несколько светлее. Область влажности, в пределах которой грунт обладает пластичностью, называется о б л а с т ь ю п л а с т и ч н о с т и , а численная величина разницы между пределом текучести и пределом пластичности .называется ч и с л о м п л а с т и ч н о с т и Iw. По мере того как влажность w связного грунта приближается к нижнему пределу P w области пластичности, плотность грунта возрастает. Отношение: C = Lw~w ^ (8.2) называется о т н о с и т е л ь н о й к о н с и с т е н ц и е й грунта. Она аналогична относительной плотности сыпучих грунтов [см. уравнение (7.3)1. Если влажность естественных пластов грунта выше предела текучести (относительная консистенция отрицательна), процесс .нарушения превращает грунт в густую вязкую жидкость. Если естественная влажность меньше предела пластичности (относительная консистенция больше единицы), грунт .не может ,быть нарушен1. Прочность на одноосное сжатие ненарушенных глин с относительной консистенцией, близкой к нулю, обычно находится в пределах между 0,3 и 1 кг/см2. Если относительная консистенция близка к единице, прочность на сжатие, как правило, лежит между 1 и 5 кг/см2. Для определения и сопоставления связных грунтов полезно знать, кроме пределов Аттерберга, т а к ж е и -прочность q„ грунта в сухом состоянии, которую мы будем называть сух о й п р о ч н о с т ь ю . Прочность воздушно-сухого образца глины колеблется от 2 до более чем 200 кг/см2, и опытный 1 Это следует понимать таким образом, что переминание грунта не снижает его прочности. (Ред.) 56 ГЛАВА I. ИНДЕК.САЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ исследователь может различать такие степени прочности, как о ч е н ь н и з к у ю , н и з к у ю , с р е д н ю ю , в ы с о к у ю и о ч е н ь в ы с о к у ю , просто сдавливая угловатый комок грунта между пальцами. Прочность 'называется средней, если комок превращается в пыль только при большом усилии. Комки с очень высокой прочностью вообще нельзя разрушить давлением пальцев, тогда как грунт очень низкой прочности полностью рассыпается при слабом давлении. Образцы для такого опробования должны готовиться в форме цилиндров высотой и диаметром «о 2,5 см, сформованных из пасты с влажностью около предела пластичности. После высушивания цилиндра при комнатной температуре его разбивают на мелкие кусочки и обломки для испытания выбирают из средней части образца. Классификация грунтов с помощью диаграммы пластичности В соответствии с их общим характером и по наиболее существенным физическим свойствам связные грунты могут быть подразделены на следующие восемь больших групщ: неорганические глины высокой, средней или низкой пластичности; неорганические пылеватые грунты (неорганический ил) высокой, средней или низкой сжимаемости; органические глины, органические пылеватые грунты (органический ил). Эта классификация практически идентична с применяемой буровыми мастерами при построении разреза буровой скважины (см. § 2). Если не было сделано ошибок, такой разрез позволяет проектировщику получить !представление об общем характере грунта. Однако даже опытный мастер или техник не всепда может установить разницу между некоторыми связными грунтами только по их внешнему виду, а новичок, по-видимому, всегда допустит серьезную ошибку. Поэтому были ,предприняты различные попытки исключить риск таких ошибок. В результате этих попыток было найдено, что различие между отдельными группами может быть надежно установлено с помощью д и а г р а м м ы п л а с т и ч н о с т и , приведенной на рис. 9 [8.11. На диаграмме пластичности ординаты представляют собой число пластичности Iw, а а б с ц и с с ы — п р е д е л ы текучести Lw. Д и а г р а м м а разбита на шесть областей — три выше линии А и три — ниже. Группа, к которой принадлежит данный грунт, определяется по названию области, в которую п о п а д а е т точка, соответствующая значениям Iw и Lw грунта. Все точки, изображающие неорганические глины, лежат выше линии А, а все точки для неорганических илов— ниже нее. Поэтому если о грунте известно, что он является неорганическим, то его принадлежность к той или иной группе может быть определена только по одним значениям I w и § 8. КОНСИСТЕНЦИЯ И ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ г л и н 57 Lw. Однако точки, и з о б р а ж а ю щ и е органические глины, обычно расположены в пределах той же области, что и точки,, изображающие неорганические илы (пылеватые грунты) высокой сжимаемости, а точки, соответствующие органическому илу, — в области неорганического пылеватого грунта средней сжимаемости. Обычно органические грунты можно отличить от неорганических по характерному запаху и темно-серому или черно- Предел текучести Llu О !О ZO 30 4<0 SO 60 70 вО 90 IOO 60 LLU' k * SO ECгj w IСз 30 охto 20 LU,-ЗО Неорганичес нив глины средней плас тичности Неорганические глины низкой пластичности SO Неорганические глины , r^ высонкоойстпипастич„- \ ^ " пеорганичесрии ил (пылеватьт .' ггррцу-нтJ высокой сжимаемо- сти и органические г л UHtt * W Несдяэные грунты о Mana CmurnaeMbiu / 'Неорганичрснии ип неорганический ип (пьтедатыи грунт) среонри стимаемости и органичесние илы Рис. 9. Диаграмма пластичности му цвету. В сомнительных случаях 'следует определить предел текучести для естественного образца и образца, высушенного в термостате. Если высушивание уменьшает предел текучести на 30% или более, грунт является органическим. Наконец, если неорганический и органический грунты представлены на рис. 9 примерно одними и теми же точками, прочность в сухом состоянии значительно больше у органического грунта, чем у ,неорганического. Опыт показывает, что точки, представляющие различные образцы из одного и того же пласта, обычно ложатся на прямую, которая приблизительно параллельна линии А. С возрастанием предела текучести грунтов, изображаемых подобными линиями, пластичность и сжимаемость их также возрастают. Сухая прочность неорганических грунтов, представленных точками на линиях, расположенных выше линии А, возрастает от средней для образцов с пределом текучести ниже 30 до очень высокой для образцов с пределом текучести выше 100. 58 ГЛАВА I. ИНДЕК.САЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ С другой стороны, если линия, соответствующая образдам органического грунта из данного пласта, расположена на значительном расстоянии ниже линии А, прочность в сухом состоянии образцов с пределом текучести менее 50 очень низка, а образцов с пределом текучести, близким к 100, /о Рис. 10. Соотношение между пределом текучести и числом пластичности для типичных грунтов (по А. Казагранде) J — бентонит (Вайоминг): 2 — вулканическая глина (Мексико-Сити); Л — различные виды торфа; 4 — органический ил и глина (Флашииг-Медоу); .:>—диатомовая земля (Калифорния и Миссисипи); 6 — г л и н а (Венецуэла); 7 — ледниковые глины (Бостон, Детройт, Чикаго, Каиада); 8 — глнна гумбо (Миссисипи, Арканзас, Техас); 9 - глины типа каолииа (Вашингтон, С е в . К а р о л и н а ) ; 10 — о р г а н и ч е с к и й и л и г л и на ( Ф л а ш и н г - М е д о у ) ; 11 — о р г а н и ч е с к а я г л и н а (Нов. Л о н д о н , К о н н е к т и к у т ) в естес т в е н н о м с о с т о я н и и ; 12 — о р г а н и ч е с к а я г л и н а в ы с у ш е н н а я ; 13 •— п о р о ш о к и з с л ю д ы ; 14 — о р г а н и ч е с к и й и л и г л и н а ( П а н а м а ) ; 15 — с л ю д и с т ы й п е с ч а н ы й и л ( К а р т е р - с в и л л ) ; 16 — к а о л и н ( В а ш и н г т о н ) имеет лишь среднее значение. В соответствии с этими соотношениями сухая прочность органических грунтов из различных районов, но с одинаковыми пределами текучести, вообще возрастает с увеличением числа пластичности. На рис. 10 приведена характеристика пластичности д л я нескольких хорошо изученных типов глин [8.11. Образцы, требующиеся для определения пределов Аттерберга, не должны быть ненарушенными, а техника проведения испытания очень проста. Д а ж е при современной началь- §9. МИНИМАЛЬНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ПРАВИЛЬНОМУ ОПИСАНИЮ ГРУНТОВ 59 ной стадии наших знаний результаты этих испытаний могут быть весьма полезны. Поэтому изучение статистических соотношений между лределами Аттерберга и другими физическими свойствами связных грунтов составляет одну из наиболее многообещающих областей исследования IB физике грунтов. Каждая надежно установленная статистическая связь (подобного типа расширяет объем выводов, которые могут быть сделаны по результатам определения пределов консистенции. Два полезных соотношения этого типа приведены на рис. 23 и 29. § 9. МИНИМАЛЬНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, КОТОРЫМ ДОЛЖНО УДОВЛЕТВОРЯТЬ ПРАВИЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ГРУНТОВ В § 6 были описаны методы, позволяющие подразделить крупнозернистые грунты на несколько больших групп по их гранулометрическим характеристикам, а в § 8 — подразделение тонкозернистых грунтов на восемь больших групп по их пластичности. Если инженеру известна группа, к которой принадлежит данный грунт, то он, в общем, знает также и наиболее характерные физические свойства грунта. Однако каждая группа включает грунты с большим разнообразием свойств и, кроме того, каждый грунт может встречаться в поле в самых различных состояниях. Чтобы различить отдельных представителей каждой группы и различные состояния каждого из них, можно 'пользоваться двумя методами: либо можно ввести дальнейшее подразделение основных групп, либо групповое наименование дополнять численными значениями, характеризующими индексационные свойства грунта. Первый из этих двух методов удобен для классификации грунтов в географически ограниченных районах, так как в пределах таких районов количество различных типов и состоящий грунта, по-видимому, будет довольно узким. Поэтому такой метод применяется широко и с большим успехом местными строительными организациями, как например, дорожными департаментами отдельных штатов США. Однако использование !подобного метода для разработки универсальной системы классификации грунта имеет мало перспектив на успех, так как требуемая терминология будет неизбежно столь сложна, что приведет к невероятной путанице. С другой стороны, второй метод может быть с успехом использован при любых обстоятельствах, если только для индексации выбраны такие характеристики, которые соответствуют существенным физическим свойствам грунта. Характеристики, необходимые для надежного описания различных типов грунтов, сведены в табл. 5. Грунты, перечисленные в этой таблице, были описаны в § 2, который содержит все 60 ГЛАВА I. И Н Д Е К С А Ц И О Н Н Ы Е СВОЙСТВА ГРУНТОВ § 9. М И Н И М А Л Ь Н Ы Е Т Р Е Б О В А Н И Я К П Р А В И Л Ь Н О М У О П И С А Н И Ю ГРУНТОВ 6 1 Общие сведения Данные, необходимые Для идентификации грунтов Результаты классификационных испытаний Ненарушенные образцы I Таблица 5 Нарушенные образцы I объемный вес скелета механический состав1'1 содержание карбонатов11 предел теку- максимальный коэффициент пористости'' минимальный коэффициент пористости1'1 прочность на одноосное сжатие чувствительность8 обьемный вес скелета естественный | объемный вес естественный коэффициент пористости7 естественная влажность j днлатенция1 свойства частиц'' Вид грунта цвет о>>, X H сев ев HZH iL 3" с. оG . R«К1 ЛHU >U,!>E чести" ™ 5 ^ о очЧO—яSJ- X DG- HCJ Ортштейн15 . . . . X — X X — — Песок, гравий . . . X — — - X — X — Ил неорганический . X - X X — X — X „ органический . . X X X X — X — X Глина X — X — — X — X „ органическая X X X — X — X Торф X X X - X — — — Глина валунная (тилль) X — — — X — X X Туф мелкозернистый X - X — ~ X — — Лесс16 X — X X _ X X X " преобразован- ный X — X X — X X X X — X • X — X X X Мергель X — X X — X — X , озерный . . X — X X — X — X X — X — — X — X X — — — — — — — — — — — — — — X X — — — X — X X X X — — X X X X X X X X X — — X X X X X X X X X — — X X X — X X X X X — — X X X — X X — — — — — — — — — — X — — X X — — — X — X X X X — — X X X X — X X X — X X X X у X X X X X — X X X X X X X X X X — X X X X X X X X X X X — — X X X X X X X X X — — X X X X X X X X X — — X X X X X 1 Если ненарушенные образцы отсутствуют, используются образцы, отобранные 2 ЕСЛИ з а п а х с л а б ы й , о б р а з е ц н у ж н о с л е г к а п о д о г р е т ь . Э т о у с и л и в а е т з а п а х . 3 Описать, как выглядит ненарушенный образец в свежем изломе (зернистый, iuiepo пальцами и описать ощущение (мучнистая, гладкая, песчанистая, остроугольная текстура), стенки трещии (гладкие, со штрихами скольжения); указать среднее расстояние между * Провести и с п ы т а н и е на в с т р я х и в а н и е , как у к а з а н о на с т р . 25: о п и с а т ь р е з у л ь т а т ы еутствует). 5 Описать форму (угловатые; слабо угловатые; округлые; плохо окатанные; хорошо тиц. Минералогическая характеристика включает тип пород и минералов, встречающихся ломков пород (сохранившиеся; выветрившиеся; сильно разложенные; твердые; хрупкие), очень слюдистый). В случае торфа термин „свойства частиц" означает степень разложе е Раздавить сухой кусочек между пальцами и описать твердость (очень низкая; низ 7 Если нет ненарушенных образцов, указать результаты испытания на стандартную R Производится только для глины и тонкозернистого ила при влажности, превышают. 9 Образец готовится, как описано на стр. 48. 10 О п р е д е л я е т с я п о м е т о д у П р о к т о р а ( с т р . 425). 11 Е с л и г р у н т о р г в н и ч е с к и й , о п р е д е л и т ь L w с н а ч а л а в с в е ж е м с о с т о я н и и , а'$ з а т е м 12 К р о м е ч и с л е н н о г о з н а ч е н и я Pw у к а з а т ь , б ы л л и шнур очень тугим, тугим, с р е д н и м 13 Р е з у л ь т а т ы лремстввляются либо в вше графика в л ол улогаряфм и ч е с к о й с е т к е к о о р д и бранности гранулометрического состава (см. рис. 4). п Содержание карбоната кальция может быть определено смачиванием сухого матери ния. 1=1 К д а и н ы м о т е к с т у р е д о б а в и т ь о п и с а н и е о б щ е г о в и д а , с т р у к т у р ы и с т е п е н и с в я з 1в Д о б а в и т ь к д а н н ы м о т е к с т у р е описание м а к р о с к о п и ч е с к и х х а р а к т е р и с т и к л е с с а . л о ж к а м и (§ 44). ховатый, гладкий, глянцевитый). Затем растереть небольшое количество грунта между Если крупные образцы легко разламываются на мелкие куски, описать, как выглядят трещинами. в зависимости от интенсивности наблюдающегося выделения воды (заметное; слабое; от- окатанные частицы) и минералогическую характеристику только макроскопических чассреди зерен и могущих быть определенными с помощью ручной лупы. Описать вид обЕсли песок содержит чешуйки слюды, указать ее содержание (незначительное; умеренное иия и тип преобладающих видимых остатков растений. кая; средняя; высокая; очень высокая). пенетрацню или эквивалентного ему (§ 44). ей предел пластичности. после высушивания при 105°. или слабым. п а т , л и б о в в и д е ч и с л е н н ы х з н а ч е н и й D 1 0 и л и U = DqJDiq ( § 6) с у к а з а н и е м с т е п е н и подо- ала соляной кислотой. Указать результаты опыта: сильное, слабое вскипание, н е т вскипа- ности обломков в свежем состоянии и после размачивания в воде. как например, диаметр и расстояние между корневыми канальцами и т. д. 62 ГЛАВА I. ИНДЕК.САЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ данные, необходимые по крайней мере для первой попытки классификации грунтов. После того как тип грунта установлен, следует обратиться к табл. 5 и провести все испытания, предписанные для соответствующего типа. Результаты испытаний будут служить критерием для подразделения различных грунтов одного и того же типа. За исключением валунной глины (тилля), ортштейна и торфа, все грунты, перечисленные в табл. 5, состоят либо исключительно из таких крупных частиц, как песчаные и гравелистые, либо лишь из мелких частиц, имеющих размеры пылеватой или глинистой фракции. Грунты, которые состоят из смеем этих составляющих, рассматриваются как смешанные. Чтобы описать смешанный грунт, прежде всего необходимо определить коэффициент пористости в естественном состоянии е, естественную в л а ж ность w и !гранулометрический состав. Затем грунт подразделяется на две части, одна из которых содержит все зерна размером больше 0,1 мм, а д р у г а я — о с т а т о к . Крупные фракции подвергаются классификационным испытаниям, предписанным для песка и гравия, а остаток — испытаниям для ныли (ила) и глины. Если грунты, встретившиеся на данном строительстве, были подвергнуты иным испытаниям, чем •перечисленные в табл. 5, важнейшие результаты этих испытаний должны быть включены в отчет. Д а ж е кажущийся однородным грунт не может считаться удовлетворительно описанным, если не были определены индексационные свойства по крайней мере нескольких образцов из одного и того же пласта. Отчет должен содержать также краткие материалы, относящиеся к геологической историй отложения. В настоящее время наиболее крупные строительные организации имеют свои грунтовые лаборатории, IB которых классификационные испытания проводятся в массовом масштабе. Результаты подобных испытаний имеют такое большое практическое значение, что они должны производиться во всех случаях, когда инженер имеет дело с грунтами. Выполнение этих испытаний способствует ознакомлению инженеров с различными свойствами грунтов, с которыми они встретились, а результаты испытаний значительно увеличивают ценность полевых наблюдений. После того как инженер лично испытал несколько десятков образцов грунта из одного и того ж е района, он почувствует, что> в состоянии определять индексационные свойства большинства грунтов данного района без каких-либо испытаний. Он получит возможность также различать отдельные грунты или отдельные состояния одного и того же грунта, которые раньше он считал одинаковыми. Каждый инженер должен уметь оценивать пластичность и гранулометрический состав грунтов по численным харак- § 9. МИНИМАЛЬНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ПРАВИЛЬНОМУ ОПИСАНИЮ ГРУНТОВ 63 тсристикам, а не только с помощью прилагательных. Распределение зерен песка должно оцениваться коэффициентом однородности U = D60/D)0 (§ 6), а не словами «хорошо подобранный» или «плохо подобранный». Степень пластичиости должна оцениваться с помощью числа пластичности (§ 8), а не словами «следы пластичности» или «высокая пластичность». Подобный метод оценки настолько важен, что преподаватель должен прививать его аудитории с самого начала. Использование системы числовых характеристик предупреждает недоразумения и побуждает к проверке время от времени степени правильности визуальных определений. Без периодических контрольных испытаний утрата способности к правильной визуальной оценке свойств грунта может-пройти незамеченной. Г Л А В А II ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ § 10. ЗНАЧЕНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ В предыдущей главе мы рассматривали индексационные свойства грунтов. Так как эти свойства отражают общий характер данного грунта, они позволяют судить о степени сходства или различия между грунтами из разных районов. Кроме того, они используются при описании строительного опыта для возможности учета его на последующих стройках. Выше подчеркивалось, что техника возведения фундаментов и земляных сооружений основана главным образом на опыте. Однако точно так же следует отметить, что строительная техника вообще не могла бы выйти из состояния относительного застоя, если бы накопленный опыт не подкреплялся научными исследованиями. Функция науки состоит и гом, чтобы раскрывать зависимость между явлениями и их причинами. Д л я установления подобной зависимости в геотехнике необходимо было изучить физические свойства различных типов грунтов точно так же, как и для исследования строительных конструкций надлежит знать свойства стали и бетона. Тот или иной сорт стали или бетона будет вполне достаточно охарактеризован для практических целей, если известна его прочность и модуль упругости. С другой стороны, практические задачи, относящиеся к грунтам, могут требовать рассмотрения разнообразных свойств грунтов. Среди них первое место занимают водопроницаемость, компрессия, сопротивление сдвигу и соотношения между напряжениями и деформациями. Ниже эти свойства рассмотрены детально. § 11. ВОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ ГРУНТОВ Введение Материал является проницаемым, если он содержит сообщающуюся систему пор. Так как подобные поры имеются во всех грунтах, включая самые плотные глины, и во всех § 11. ВОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ ГРУНТОВ 65 неметаллических строительных материалах, включая прочный гранит и цементный камень, то все эти материалы являются проницаемыми. Более того, фильтрация воды через все эти материалы подчиняется приблизительно одним и тем же законам. Следовательно, фильтрация воды сквозь чистый песок или твердый гранит различается лишь по интенсивности. Проницаемость грунтов оказывает решающее влияние на стоимость и сложность многих строительных работ, как например, разработку котлованов в водонасыщенных песках. Она определяет также скорость уплотнения пласта мягкой глины под влиянием приложенной нагрузки. Даже водопроницаемость плотного бетона или скалы может вызвать на практике серьезные осложнения, так как вода развивает давление на пористые материалы, сквозь которые она просачинается. Это давление, известное под названием фильтрационного, может быть очень высоким. Ошибочное, но широко распространенное представление о том, будто плотная глина или бетон являются непроницаемыми, объясняется тем фактом, что все количество воды, которое просачивается через эти материалы к наружной поверхности, успевает испариться даже в очень влажной атмосфере. Вследствие этого поверхность кажется сухой. Однако механический эффект фильтрации совершенно не зависит от ее скорости и отсутствие видимого расхода воды еще не означает отсутствия фильтрационного давления. Поразительное проявление этого факта можно наблюдать при рытье выемок в очень м е ж о й горной муке. Проницаемость атого материала очень низкая. Однако даже небольшого изменения давления воды в порах может оказаться достаточным, чтобы превратить большие массы этого грунта в полужидкое состояние. Определения. Закон Дарси Когда вода просачивается через проницаемый материал, отдельные ее частицы двигаются вдоль путей, которые испытывают разнообразные, но незначительные отклонения от гладких кривых, называемых л и н и я м и т о к а . Если соседние линии тока являются параллельными прямыми, то течение называют л и н е й н ы м . Принципы гидравлики, относящиеся к линейному течению, иллюстрируются рис. 11. Н а этом рисунке точки а и b представляют концы линии тока. На этих концах установлены вертикальные трубки, которые называются п ь е з о м е т р и ч е с к и м и , для наблюдения за уровнем поднятия воды в этих точках. Уровень воды в трубке b называется п ь е з о м е т р и ч е с к и м у р о в н е м в точке Ь, а в е р т и к а л ь н о е рас- 6 6 ГЛАВА II. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ стояние от этого уровня до точки b называется п ь е з о м е т - р и ч е с к о й в ы с о т о й в этой точке. Расстояние по вертикали между а и b представляет со- бой р а з н о с т ь п о л о ж е н и й . ! Я. Если вода в гидравли- ческой системе имеет оди- наковые уровни в пьезомет- рических т р у б к а х а и Ь, то система находится в состоя- нии покоя независимо от разности положений. Тече- ние может иметь место только в том случае, если пьезометрические уровни в точках а и Ь отличаются на величину h, н а з ы в а е м у ю разностью напоров, или разностью п ь е з о м е т - рических уровней в точках а и Ь. Следует отметить, что Рис. 11. Схема изменения гидравлического напора и пьезометрической высоты при линейном те- разность пьезометрических уровней равна разности пьезометрических высот в точ- чении воды сквозь образец грунта ках а и b только в том слу- чае, если разность положе- ний ^ H равна нулю. Н а рис. I l й\ и bi представляют собой две точки, располо- женные на одинаковых уровнях соответственно в пьезометри- ческих т р у б к а х а и Ь. Т а к к а к удельный вес в о д ы равен Jwt то гидростатическое давление в точке щ превосходит давле- ние в точке b{ на величину jw h. Р а з н о с т ь jw h гидростати- ческого д а в л е н и я ;в двух точках, р а с п о л о ж е н н ы х на одном и том же уровне, называется и з б ы т о ч н ы м г и д р о с т а - т и ч е с к и м д а в л е н и е м . Это то давление, которое застав- л я е т воду д в и г а т ь с я с к в о з ь грунт м е ж д у точками а и Ь. Отношение 1P = I (11.1) в котором и обозначает избыточное гидростатическое давле- ние, представляет собой градиент давления между точками а и Ь. Он и з м е р я е т с я в г!смг. Отношение IE- _1_ = Jw Jw (11.2) называется г и д р а в л и ч е с к и м г р а д и е н т о м и представляет собой отвлеченное число. § 11. ВОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ ГРУНТОВ 67 С к о р о с т ь ф и л ь т р а ц и и V представляет собой ко- личество воды, которое просачивается в единицу времени че- рез единицу площади сечения нормальной к линиям тока. В статистически изотропном !пористом материале пористость плоского сечения равна объемной пористости п. Следова- тельно, средняя скорость Vs, с которой вода движется сквозь поры материала, равна скорости фильтрации, де- ленной на пористость. Значение Vs представляет собой и с т и н н у ю с к о - рость фильтрации. Если термин «скорость» употребляется в связи с фильтрацией, он всегда означает скорость фильт- рации, а не истинную ско- рость последней, если противное не оговорено. Если вода фильтрует сквозь мелкий водонасыщенный песок или другой мелкозернистый полностью насыщенный грунт, W ZO Температура О гродусал Рис. 12. Соотношение между температурой и вязкостью воды не вызывая изменений в структуре последнего, скорость фильтрации почти точно опре- деляется уравнением « = rI (ИЗ) в котором Tj (г сек/см2) представляет собой вязкость воды, а К является эмпирической постоянной, называемой к о э ф ф и ц и е н т о м п р о н и ц а е м о с т и . Вязкость воды уменьшается с увеличением температуры, как показано на рис. 12. Величина К (измеряется в см2) является постоянной д л я любого проницаемого материала с данной пористостью и не зависит от физических свойств фильтрующей жидкости. Из уравнений (11.2) и (11.3) мы получаем для фильтрации формулу v= — 1I lwi. (11.4) Задачи теории фильтрации, встречающиеся в строительной технике, относятся почти исключительно либо к движению грунтовой воды на умеренных глубинах ниже поверхности, либо к явлению фильтрации из водоемов. Температура фильтрующейся воды меняется так мало, что удельный вес 6 8 ГЛАВА II. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ воды yw является практически постоянным, а вязкость TJ изменяется в весьма узких пределах. Поэтому принято подставлять в уравнение (11.4) откуда rI o = fet. (11.5) (11.6) В строительном деле коэффициент k обычно называют к о э ф ф и ц и е н т о м ф и л ь т р а ц и и . В некоторых других областях он известен под названием п о с т о я н н о й п е р е н о с а , хотя этот термин едва ли является подходящим, так как в соответствии с уравнением (11.5) k не является постоянной величиной. Уравнение (11.6) известно как закон Да рои. Следует .отметить, что характеристикой проницаемости пористого материала является К (см2), а не к (см!сек). Коэффициент К не зависит от свойств жидкости, тогда как k зависит не только от свойств пористой среды, но и от свойств жидкости. Использование k как здесь, так и вообще в строительной технике, оправдывается только соображениями удобства. Поры в грунте, сквозь которые движется вода, имеют переменное и неправильное поперечное сечение. Вследствие этого истинная скорость течения чрезвычайно изменчива. Однако, средняя скорость течения через поры подчиняется тем же законам, что и скорость течения сквозь прямолинейную капиллярную трубу с постоянным поперечным сечением. Если поперечное сечение трубки круговое, скорость течения возрастает, в соответствии с законом Пуазейля, пропорционально квадрату диаметра трубки. Так как средний диаметр пор грунта растет практически пропорционально диаметру зерен D, м о ж н о выразить k на основе закона Пуазейля следующим образом: k = const D2. Из опытов с рыхлыми фильтровыми песками высокой однородности (коэффициент однородности не более 2), Аллен Хазен получил эмпирическую формулу k = ClDl0CMlCeK, (11.7) в которой £>ю является эффективным диаметром в см (§ 6), a C1 (11см сек) изменяется примерно от 100 до 150. Следует заметить, что уравнение (11.7) применимо только к совершенно однородным пескам в рыхло'м состоянии. § 11. ВОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ ГРУНТОВ 69 Соотношение между коэффициентом пористости и водопроницаемостью Когда грунт обжимается нагрузкой или подвергается вибрации, объем, занимаемый его скелетом, остается прак- тически неизменным, но объем пор уменьшается. Соответст- венно уменьшается также и его водопроницаемость. 'S Влияние коэффициента пористости на водопро- / ницаемость показано на ',о рис. 13, на котором абс- циссами служат коэффи- У W У циенты пористости. Ординаты представляют собой ; 05 у// У отношение k/k0t85 коэффи- Ci циента фильтрации У грунта k при данном коэффициенте пористости е 0,Z 0,f Ofi ОД 1,0 Iiasipipunuenm пористости е к коэффициенту фильтрации того же грунта при коэффициенте пористости 0,85. Сплошная кривая Рис. 13. Соотношение между коэффициентами пористости и фильтрации дляразнозернистого песка(сплошная кривая) и для грунта, содер- дает соотношение между е и kjk0>85 для мелкого и жащего плоские частицы (пунктирная кривая) среднего чистого песка с округлыми зернами. Это соотношение может быть почти точ- но выражено различными простыми формулами, как, напри- мер, неопубликованной формулой А. Казагранде *= M V 5 A (11-8) В гидротехнике с чистыми песками встречаются редко. Если песок содержит высокий процент плоских частиц, например, слюду, соотношение между е и k/k0,85 имеет вид изображенной на рис. 13 пунктирной кривой. Мелкозернистые грунты всегда содержат плоские частицы. Но так как их количество различно у разных грунтов, то соответствующие кривые е — k/k0t8s также различны. В грунте, который содержит пузырьки воздуха, размер последних уменьшается с увеличением давления в воде. В результате коэффициент фильтрации такого грунта увеличивается с увеличением разности напоров. В глинах с корневыми канальцами или открытыми трещинами фильтрация почти неизбежно ^сопровождается внутренним размывом. Оторвавшиеся частицы постепенно закупоривают наиболее узкие части пор, вследствие чего коэффициент фильтрации уменьшается до незначительной доли первоначальной вели- 7 0 ГЛАВА II. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ чины. Следовательно, закон Дар-си не применим, если объем и форма пор зависят от давления и времени. Испытания на водопроницаемость Основные виды приборов для определения коэффициента фильтрации образцов грунта—'.пермеаметры показаны на рис. 14. Пермеаметры с постоянным напором (рис. 14,а и б) удобны для очень проницаемых грунтов, а пермеаметры с падающим напором (рис. 14,б) для менее проницаемых. Рис. 14. Пермеаметры an б — с п о с т о я н н ы м н а п о р о м ; в —с п а д а ю щ и м н а п о р о к Чтобы провести испытание на любом из этих приборов, в образце создают гидравлический градиент, и вода движется сквозь грунт. В пермеаметре с постоянным напором (рис. 14,а) поддерживается постоянная разность напоров Ь и измеряется расход. В пермеаметре с падающим напором (рис. 14,б) вода течет ив узкой трубки P с поперечным сечением A1 !сквозь образец с поперечным сечением Лэ в сосуд с постоянным уровнем V. Коэффициент фильтрации определяется по скорости, с которой опускается уровень воды в трубке Р, тогда как уровень воды в сосуде V остается неизменным. Наиболее важные причины экспериментальных ошибок в определении водопроницаемости заключаются в образовании пленки из тонких частиц на поверхности образца и в выделении воздуха в форме пузырьков внутри грунта. Оба эти явления понижают среднюю водопроницаемость образца. Ошибка, вызванная образованием поверхностной пленки, может быть исключена измерением потери напора § 11. ВОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ ГРУНТОВ 71 между двумя точками, расположенными внутри образца, как -показано на р,ис. 14,6. Величина коэффициента фильтрации, найденная опытом, зависит от температуры, при которой проводился последний, так как k [уравнение (11.5)] является функцией удельного веса воды -Jw и вязкости у . Обе эти величины изменяются с температурой. Однако, так как изменения Jw ничтожны по сравнению с изменениями T1, мы можем определить значение k при любой температуре с помощью соотношения Z f e = -^ rI f c 1 . (11.9) В этом выражении, полученном из уравнен,ия (П-5), Ai1 есть коэффициент фильтрации при температуре опыта, a T11 — с о о т в е т с т в у ю щ а я вязкость. Обычно значение С д а е т с я для стандартной температуры 20°. Н а рис. 12 ординаты представляют собой отношение значения Tj при темиературе, указанной на абсциссе, к значению т1зопри температуре, равной 20°. Уравнение (11.9) было выведено при допущении, что коэффициент вязкости воды не зависит от пористости и что он изменяется с температурой по кривой, приведенной на рис. 1й. По-видимому, в глинах температура сильнее влияет на вязкость воды, чем в более крупнозернистых грунтах. Кроме того, средняя вязкость поровой воды в глинах должна возрастать с уменьшением объема пор. При данной пористости средняя вязкость, по-видимому, временно возрастает после переминания глины, даже если температура поддерживается 'постоянной. Эти факты исключают возможность применения уравнения (11.9) к глинам и другим очень тонкозернистым грунтам. Однако закон Дарси остается действительным. Если структура глины нарушается при неизменной влажности, ее коэффициент фильтрации, вероятно, уменьшается от начального значения k до меньшего значения kr. Д л я большинства неорганических глин отношение ktkr не превышает 2. Однако для органических глин и мергелей с комковатой структурой оно может достигать 30. Для крупнозернистых грунтов с зернами, размеры которых приблизительно одинаковы по всем направлениям, как, например, кварцевый шесок, соотношение между коэффициентом пористости е и коэффициентом фильтрации k может быть выражено с удовлетворительной точностью единственным уравнением, подобным (П.8), либо единственной кривой, наподобие оплошной кривой на рис. 13. Следовательно, достаточно определить величину k, соответствующую какомунибудь одному значению е. Величины k д л я остальных значений е могут быть затем получены с помощью уравнения 7 2 ГЛАВА II. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ Таблица Характеристики проницаемости и дренажных свойств грунтов Коэффициент фильтрации в см/сек (логарифмическая шкала) IO2 IOi I1O Ю - 1 10-2 Ю - з Ю - 4 ю - 5 Ю - 6 Ю - 7 Ю - 8 ю - 9 I I I I I I I I I I II Дренажные свойства Хорошие Плохие Практически непроницаемые грунты Тип грунта Чистый гравий Чистые пески, смеси чистого песка и гравия Очень мелкие пески, органический и неорганический ил, смеси песчаного ила и глины, валунная глина, слоистая глина и т. д. „Непроницаемые" грунты, видоизмененные в результате влияния рас- тительности и выветривания „Непроницаемые" грунты, например, однородные глины ниже зоны выветривания Прямое определение к Непосредственное испытание грунта в его естествен- ном залегании, пробная откачка. Надежно, если проводится надлежащим образом- Требуется значительный опыт Пермеаметр с постоянным напором. Требуется небольшой опыт Косвенное определение к Пермеаметры с падающим напором. Надежно. Требуется небольшой опыт Вычисление по гранулометрическому составу. Применимо только к чистым пескам без сцепления и к гравию Пермеаметр с падающим напором. Ненадежно. Требуется большой опыт Пермеаметр с падающим напором. Сравнительно надежно. Необходим значительный опыт Вычисление по результатам испытания на консолидацию. Надежно. Требуется значи- тельный опыт По А. КазагранОе и Р. Фейдуму § 11. ВОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ ГРУНТОВ 73 (11.8) или рис. 13. С другой стороны, значение k д л я слюдистых песков и практически, для всех тонкозернистых грунтов, встречающихся в поле, зависит в большой степени от содержания плоских частиц и от различных других факторов, не зависящих от коэффициента пористости. По этой причине, как уже указывалось выше, пунктирная кривая на рис. 13 служит только для иллюстрации общего характера зависимости у таких грунтов и не может быть использована в качестве основы для расчета. Следовательно, если грунт является слюдистым, либо если он содержит мелкие или очень мелкие частицы, зависимость между коэффициентом пористости и коэффициентом фильтрации может быть установлена ,испытанием на фильтрацию по меньшей мере трех образцов с сильно различающейся пористостью. Табл. 6 содержит данные, характеризующие область изменения коэффициента фильтрации для различных грунтов и наиболее подходящие методы проведения фильтрационных испытаний этих грунтов. Водопроницаемость слоистых грунтов Отложенные естественным путем грунты обычно состоят из слоев, обладающих различной проницаемостью. Чтобы определить средний коэффициент проницаемости таких отло- жений, испытываются образцы из каждого слоя. По полу- ченным данным рассчитываются средние значения для отло- жения в целом. Пусть ku k2,...kn — к о э ф ф и ц и е н т ы фильтрации ных слоев; отдель- Н\, #2,...#„ — мощности соответствующих слоев; H = Hi-1I-H2 + -.. + Я п — о б щ а я мощность; k\—средний коэффициент фильтрации в направлении, параллельном плос- костям напластования (обычно, в горизонтальном); k\\ — средний коэффициент фильтрации в направлении, нормальном к плос- костям напластования (обычно в вертикальном). Если течение параллельно плоскостям напластования, средняя скорость фильтрации v равна V = ki H (V1H1 + V2H2 H 1- vnHn) •= = - i ( V i + k2iH2 + • • • + kJHn), 74 ГЛАВА II. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ откуда К'= ~ я (Ii1H1 + k2H2 + • • • + KHп). (11.10) В случае фильтрации в направлении, нормальном к плоскостям напластования, гидравлические градиенты попер е к отдельных слоев р а в н ы i\, 'h,..., i„. Гидравлический градиент для серии пластов будет равен /г/Я, где h — общая потеря напора. Пр.инцип неразрывности потока требует, чтобы скорости были одинаковы в каждом слое. Поэтому а = ~ ku = Iz1I1 = k2i2 = • • • = KKп С другой стороны h = H1I1 + H2I2 + • • • + HJn. Из этих уравнений мы получаем L1 = - " 1 +, HJ ^Г . Jу "п (11.11) Можно показать теоретически, что для любой слоистой •массы ku всегда должно быть меньше, чем kl . Размыв и его предупреждение Инженеру часто приходится отводить фильтрующую воду из грунта скважинами или кюветами, либо !перехватывать ее водоотводами, расположенными ниже фундаментов. Эта операция называется д р е н а ж е м ( § 2 1 ) . Скважины обычно оборудуют перфорированными трубами, а водоотводы — либо перфорированной трубой, либо трубой, уложенной с зазорами в стыках между звеньями. Промежуток между естественным грунтом и трубой засыпается крупнозернистым материалом, который носит название з а п о л н и т е л я . Если поры заполнителя гораздо больше, чем мельчайшие частицы примыкающего естественного грунта, эти частицы могут вы^ носиться водой в поры заполнителя, где они ,постепенно аккумулируются и препятствуют движению воды. С другой стороны, если поры заполнителя почти так же малы, как и у естественного грунта, то зерна самого заполнителя могут вымываться в водоводы и уноситься. Оба случая одинаково нежелательны. Чтобы их предотвратить, заполнитель должен состоять из материала, размеры зерен которого отвечают определенным требованиям. Такай мате- § 11. ВОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ ГРУНТОВ 75 риал называют о б р а т н ы м ф и л ь т р о м . Опыты показали, что материал обратного фильтра должен удовлетворять условию, чтобы его частицы диаметром ^is( соответствующие 15% содержания по гранулометрической кривой) по меньшей мере в 4 раза превосходили зерна размером Di5 wo S t о<ъ 5 Кмриа•вт^ытеериислааьлстатрВоа Hзpагuщрвиуыщнетасаеомсотзводо Io Ss S S e 15 "10 5 Z I С/,5 О, Z 0,1 OPS Диаметр частиц в мм (лагсграсрмичесхоя шка/гя} Рис. 15. Диаграмма, иллюстрирующая подбор гранулометрического состава фильтрового материала. Заштрихованная площадь с правой стороны охватывает гранулометрические кривые для грунтов, которые должны быть защищены; площадь с левой стороны охватывает область гра- нулометрических кривых для материала фильтра самого крупнозернистого слоя грунта, соприкасающегося с фильтром. Вместе с тем зерна D15 фильтра должны быть не больше, чем в 4 раза крупнее диаметра D85 частиц самого тонкозернистого из примыкающих слоев грунта, т. е. диаметра, соответствующего 85% с о д е р ж а н и я по гранулометрической кривой. Эти требования графически представлены на рис. 15. З а ш т р и х о в а н н а я п л о щ а д ь в правой части этой фигуры охватывает гранулометрические кривые всех грунтов, находящихся в -контакте с фильтром. В соответствии с приведенным выше требованием любой материал пригоден для фильтра, если его гранулометрическая кривая пересекает горизонталь, соответствующую 15%-ному содержанию частиц, между точками а и Ъ. Если обратный фильтр располагается между крупнозернистыми и мелкозернистыми грунтами, то с каждой стороны должны использоваться различные материалы. Так как потерю напора при фильтрации сквозь фильтр желательно уменьшить до минимума, совместимого с гранулометрическими требованиями, большие обратные фильтры обычно устраивают из нескольких слоев. Каждый из этих слоев по отношению к предыдущему долж е н удовлетворять условию, иллюстрируемому рис. 15. Подобные сложные фильтры называют м н о г о с л о й н ы м и . Выход воды на поверхность по контакту между мелкозернистым и крупнозернистым слоями может вызвать размыв 7 6 ГЛАВА II. Г И Д Р А В Л И Ч Е С К И Е И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ более мелкого материала, если только скорость движения воды окажется достаточно большой. Сначала образуются небольшие ключи в различных точках вдоль линии раздела. От этих точек начинается размыв грунта, распространяющийся в обратном направлении, т. е. в сторону той поверхности, откуда вода входит в грунт. Этот процесс известен под названием п я т я щ е й с я э р о з и и . Это — одна из самых опасных угроз для плотин, вызвавшая несколько наиболее катастрофических аварий (§ 59). Так как эрозия может происходить только в случае, если из основания постепенно вымываются большие количества грунта, то ее можно с успехом предотвратить устройствам обратного фильтра на той поверхности, где могут появиться ключи. Задачи. 1. В пермеаметре с постоянным напором испытывался слой крупного песка высотой 15 см и диаметром 5,5 см. Вода фильтровала сквозь грунт при разности напоров 40 см в течение 6 сек. Профильтровавшаяся вода была собрана и вес ее оказался равным 400 г. Чему равен коэффициент фильтрации, соответствующий коэффициенту пористости данного образца и температуре во время опыта? О т в е т , ft = 1,06 CMjсек. 2. Песчаное основание состоит из трех горизонтальных слоев равной мощности. Значение k для верхнего и нижнего слоев 1 • 10~~4см/сек, а для среднего слоя 1 • I O - 2 см/сек. Чему равно отношение средней водопроницаемости основания в горизонтальном направлении к средней водопроницаемости в вертикальном направлении? О т в е т . 23 : 1. 3. Образец разнозернистого песка с округлыми частицами имеет коэффициент пористости 0,62 и коэффициент фильтрации 2,5- 10 ~2 см/сек. Определите величину k для этого же грунта при коэффициенте пористости 0,73. § 12. ЭФФЕКТИВНОЕ И НЕЙТРАЛЬНОЕ ДАВЛЕНИЕ. КРИТИЧЕСКИЙ ГРАДИЕНТ Эффективное и нейтральное давление На рис. 16,а показан разрез тонкого слоя грунта, покрывающего дно сосуда. Если к поверхности грунта приложить нагрузку интенсивностью р в виде, например, свинцовой крышки, коэффициент пористости образца уменьшится от е0 до е\. Давление р вызовет также изменение и всех других механических свойств грунта, как, например, его сопротивления сдвигу. По этой причине его называют э ф ф е к т и в н ы м д а в л е н и е м . Оно обозначается символом р. Если вместо этой нагрузки налить в сосуд воду до высоты hw равной piTe,, то нормальные напряжения в горизонтальных сечениях образца возрастут, как и в предыдущем случае, на р. Однако это возрастание давления, вызванное весом воды, не окажет измеримого влияния на коэффициент пористости или любые другие механические свойства грун- § 12. ЭФФЕКТИВНОЕ И Н Е Й Т Р А Л Ь Н О Е ДАВЛЕНИЕ. 77 та, как, например, на сопротивление его сдвигу. Поэтому давление, вызванное нагрузкой от воды, называют н е й т р а л ь н ы м д а в л е н и е м . Eiro называют нулевым, если оно равно атмосферному. Следовательно, нейтральное давление равно пьезометрической высоте, умноженной на удельный вес воды Jw: и, (12.1) а) Нейтральное давление передается на основание H пласта грунта через перо- вую воду, тогда как эффек- тивное давление передается через точки контакта меж- ду частицами скелета. Со- Образец ответственно, полное нор- -^h- мальное напряжение р в любой точке сечения, прове- Рис. 16. Прибор для демонстра- денного в водонасыщенном грунте, может быть разло- ции различия между эффективным и нейтральным напряженйями жено на две части: нейт- ральное напряжение Uw = т® hw и эффективное напряжение р. Следовательно P=P +Uv (12.2) Это одно из наиболее важных соотношений механики грунтов. Нижняя часть контейнера, показанного на рис. 16,6, заполнена водонасыщенным грунтом с объемным весом у. Вода стоит на уровне H1 над поверхностью грунта. После того как достигнуто равновесие, пьезометрическая высота Aw на глубине г равна H{+z, а нейтральное давление равно = (tfi + z)-U- (12.3) Полное нормальное напряжение равно P = Hilw + ZT- (12.4) Следовательно, эффективное напряжение на г составляет P= p — uw • = Hllw + zT — (H1 +z) Jw - = z C r - T J = Z T ' , / 7 = T Tw глубине (12.5) (12.6) Величина т' называется в з в е ш е н н ы м объемным в е с о м грунта. Она равна разности объемного веса т водо- насыщенного грунта и удельного веса воды Tttl- 78 ГЛАВА II. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ Критический гидравлический градиент При выводе уравнения (12.5) предполагалось, что вода в порах грунта находится в состоянии покоя. Если же вода движется сквозь поры, уравнение (12.5) должно быть заменено -выражением, в которое входил бы гидравлический градиент I. Это можно п о к а з а т ь с помощью прибора, изображенного на рис. 17,а. Цилиндрический сосуд А содержит Рис. 17. а — п р и б о р для иллюстрации гидравлических условий, связанных с бурлением песка; б — соотношение между гидравлическим гра- диентом и расходом в песке в приборе (рис. 17, а) слой тлотного песка, опирающегося на сежу. Толщина слоя Н, а край сосуда расположен на высоте Hi н а д верхом песка. Пространство ниже сетки сообщается с помощью трубки с сосудом В. Вода поддерживается на уровне верхних краев обоих сосудов. Следовательно, каково бы ни было положение уровня воды в сосуде В, общее нормальное напряжение р в горизонтальном сечении на глубине z от поверхности песка всегда равно р по уравнению (J2.4). Соответствующее эффективное нормальное напряжение р равно _ P = P-Uw. Следовательно, если нейтральное напряжение в воде у м е н ь ш а е т с я или у в е л и ч и в а е т с я на A UWR э ф ф е к т и в н о е напряжение увеличивается или уменьшается на ту же величину, т. е. Ap--Auw. (12.7) Пока вода в обоих сосудах находится на одном и том же уровне, эффективное давление на глубине z равно P = Z f ' [по уравнению (12.5)]. § 12. ЭФФЕКТИВНОЕ И Н Е Й Т Р А Л Ь Н О Е ДАВЛЕНИЕ. 79' Если опустить сосуд В на расстояние h, вода будет филь- тровать сквозь песок вниз при гидравлическом градиенте i = /г/Я. Нейтральное напряжение на глубине H уменьшается на hjw=iHjw, а на любой другой глубине z оно пропорцио- н а л ь н о у м е н ь ш а е т с я на величину A uw = iz jw. Э ф ф е к т и в н о е напряжение увеличивается на ту же самую величину. С другой стороны, если сосуд В поднять на высоту /г, нейтральное напряжение на глубине z возрастет на A U w = I Z j w а эффективное напряжение уменьшится до p = z j ' — IZJa,. (12.8) Увеличение A Uw нейтрального напряжения вызвано исключительно переходом поровой воды из состояния покоя в состояние течения. Соответственное изменение A Uw эффективного давления в песке обозначают как ф и л ь т р а н и о н н о е д а в л е н и е 1 . Оно вызывается трением между филь- трующей водой и стенками пор и может рассматриваться как «торможение». Если вода фильтрует сверху вниз, поток увл,екает частицы книзу и поэтому увеличивает эффектив- ное давление в песке. С другой стороны, если вода протекает снизу вверх, тре- ние между водой и стенками пор стремится приподнять зер- на грунта. Как только гидравлический градиент i в уравне- нии (12.8) становится равным с (12.9) эффективное напряжение в слое песка становится равным нулю на любой глубине. Другими словами, среднее фильтрационное давление становится равным взвешенному объемному весу песка. Величину ic называют к р и т и ч е с к и м гидравлическим градиентом. Рис. 17,6 иллюстрирует механическое влияние фильтрации воды снизу вверх на свойства песка. На этом графике абсциссы изображают гидравлические градиенты, а ординаты— соответствующие расходы Q в единицу времени. Кривая Oabc представляет зависимость м е ж д у расходом и гидравлическим градиентом по мере непрерывного роста последнего. П о к а i меньше, чем iс, расход возрастает в соответствии с законом Д а р си (11.6) пропорционально i, и значение k остается постоянным. Этот факт свидетельствует о том, что взаимное расположение зерен песка сохраняется практически неизменным. Однако в тот момент, когда i становится 1 В отечественной литературе по механике грунтов распространен термин «гидродинамическое давление». (Прим. ред.) 8 0 ГЛАВА II. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ равным ic, расход внезапно возрастает, что сопровождается соответственным ростом коэффициента проницаемости. Если на поверхности песка покоился груз, он опускается вниз, как если бы песок. представлял собой жидкость. При дальнейшем возрастании i расход снова увеличивается пропорционально градиенту, и коэф- фициент проницаемости сохраняет значение, которое он приобрел непосредственно после того, как гидравлический градиент превысил критическое значение. Уменьшение рас- хода, вызванное понижением гидравлического градиента, от значения, большего чем ic, изображено- кривой cbdO. К а к только i становится близким к ic, проницаемость уменьшается и затем остается постоянной при дальнейшем уменьше- нии i. Так к а к линия bdO расположена над линией Oab, соответствующий коэффициент фильтрации больше, чем первоначальный. Этот факт означает, что явление, представ- ленное участком ab линии Oab, является причиной остаточ- ного уменьшения плотности песка. Процесс, представленный участком ab, сопровождается бурным видимым движением частиц песка. Поэтому его обычно называют «бурлением» или «кипением» песка. Песок начинает бурлить в любой выемке, если грунтовая вода под- нимается ко дну выемки при гидравлическом градиенте, боль- шем чем критическое значение ic. Часто утверждают, что бурление происходит только в некоторых типах песков, из- вестных как плывуны. Поэтому уместно подчеркнуть, что оно имеет место в любом песке и даже в гравии, как только гид- равлический градиент становится равным ic. Термин «пльгвун» должен быть сохранен для небольшой группы очень мелких и очень рыхлых песков, способных ста- новиться подвижными даже если гидравлический градиент фильтрующей воды меньше критического и нет заметных внешных причин, вызывающих подвижность. То немногое, что известно относительно характеристики истинных плывунов, рассмотрено в § 17. Бурление обычного песка практически может быть прекра- щено устройством пригружающего фильтра на поверхности, сквозь которую проходит вода. Правильно спроектированный фильтр не оказывает почти никакого влияния на нейтраль- ные напряжения в грунте. Следовательно, его собственный вес служит лишь для увеличения эффективного давления и сохранения частиц песка в их первоначальном положении. ЛИТЕРАТУРА 12.1 G. Е. Bertram, An experimental investigation of protective filters, Harvard University, G r a d u a t e scool of engineering, Soil mechanics Series 7., Jan.. 1940. § 13. СЖИМАЕМОСТЬ ОГРАНИЧЕННЫХ ПЛАСТОВ ГРУНТА 81 Задачи 1. Удельный вес песка равен 2,6 г/см3, коэффициент пористости—0,572. Рассчитать объемный вес песка в сухом и насыщенном водой состояниях и сравнить со взвешенным объемным весом. О т в е т . Jd — 1.65: T = 2,02; 7 ' = 1 , 0 2 т/м3. 2. Горизонт грунтовых вод в мощном отложении очень мелкого песка находится на глубине 1,2 м ниже поверхности грунта. Выше горизонта йоды песок насыщен капиллярной водой. Объемный вес водонасыщенного песка равен 2,04 г/см3. Чему равно эффективное вертикальное давление в горизонтальной плоскости на глубине 3,6 м ниже поверхности грунта? О т в е т . 0,5 кг/см2. 3. Покрытый водой пласт глины имеет мощность 15 м. Средняя влажность образцов, отобранных из пласта, равна 54%, а удельный вес грунта 2,78 г/см3. Чему равно эффективное вертикальное давление, вызванное весом глины в основании пласта? О т в е т , f ' = 0 , 7 1 , P = 1 , 0 7 кг/см2. 4-. Удельный вес песка равен 2,66 г/см3, пористость в рыхлом состоянии •15%, а в плотном 37%. Чему равен критический гидравлический градиент лля обоих этих состояний? О т в е т . 0,91; 1,05. 5. В пласте плотной глины, насыщенной водой и имеющей объемный пес 1,76 т/м3, устроена большая выемка. Когда глубина выемки достигла 7,6 м, дно начало вспучиваться, постепенно растрескиваться и было затоплено снизу смесью песка и воды. Последующее бурение показало, что глина подстилается песком, поверхность которого находится на глубине 11,2 ж. Определите уровень, до которого поднялась бы вода из песка в скважине, если бы последняя была пробурена до устройства выемки? О т в е т . 6,42 м над кровлей песка. § 13. СЖИМАЕМОСТЬ ОГРАНИЧЕННЫХ ПЛАСТОВ ГРУНТА Введение Если пласт мягкой глины расположен непосредственно под фундаментами здания, они могут испытывать интенсивную осадку или даже резкую просадку. Однако с тех пор, как подобные неблагоприятные грунтовые условия легко распознаются, проектировщик обычно предвидит возможную опасность. Он предотвращает осложнения, проектируя глубокие опоры или свайные фундаменты, которые проходят сквозь слабые пласты до залегающего под ними плотного грунта. С другой стороны, если тонкий слой мягкой глины расположен под толстым слоем песка, последствия не столь очевидны. Многие инженеры считают, что осадка фундамента зависит только от свойств грунта, расположенного непосредственно под ним. Поэтому, если слабая глина расположена на глубине, большей чем 3—5 м от подошвы фундамента, они обычно не принимают ее во внимание. Тем не менее в результате постепенного уплотнения глины от веса здания, последнее может испытать значительную и неравномерную осадку (§ 54). Вследствие относительно частых случаев таких непредвиденных осадок сжимаемость подобных ограниченных слоев глины в течение последних 20 лет привлекала все возрастаю- 82 ГЛАВА II. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ щее внимание, и :в результате были р а з р а б о т а н ы методы расчета либо прикидки величины и распределения осадок. Если оказывается, что расчетные осадки превосходят допускаемые, то фундаменты проектируются заново. Сцепление и трение по верхней и нижней поверхностям ограниченного пласта глины не позволяют ему выжиматься в горизонтальном направлении. Следовательно, данные, необходимые для расчета осадок, вызванных сжатием ограниченного пласта глины, могут быть получены путем испытания образцов грунта на сжатие без возможности бокового расширения. Такое испытание называется к о м п р е с с и о н н ы м . Методика испытаний При испытании на сжатие без возможности бокового рас- ширения образец помещается в кольцо, как это показано на рис. 18. Нагрузка прикладывается сверху с помощью жестко- го поршня. Сжатие измеряется с помощью мессуры. Если грунт насыщен водой, образец помещается между двумя по- ристыми дисками, позволяю- щими воде выжиматься в про- ..' '[.{• д^разец ' '::'.• цессе сжатия. Результаты испытаний Рис. 18. Прибор для компрессионного испытания образцов грунта представляются в виде графика. Коэффициент пористости наносится в обычном масштабе по вертикальной оси. Если ин- тенсивность давления р нано- сится в обычном масштабе по горизонтальной оси, получаю- щийся график называют кривой е—р. Если давление нане- сено в логарифмическом масштабе, то получающийся график называют кривой е—Ig р. Поскольку к а ж д ы й метод изобра- жения результатов имеет свои преимущества, в дальнейшем будут использованы и рассмотрены графики обоих типов. Следует различать грунты в их естественном состоянии и грунты, у которых первоначальная структура была нарушена переминанием (§ 8). При /переминании частицы нарушенного грунта занимают окончательное положение в результате скольжения вдоль поверхностей контакта, в то время как у осадочных отложений эти частицы только оседают одна за другой. Эти два процесса могутпривести к весьма различным структурным формам (§ 17). Более того, частицы большинст- ва грунтов в естественном состоянии не изменяют своего от- носительного положения в течение сотен или даже тысяч лет, тогда как у перемятого грунта или у минерального порошка, полученного в результате раздробления и растирания, они за- § 13. СЖИМАЕМОСТЬ ОГРАНИЧЕННЫХ ПЛАСТОВ ГРУНТА 83 иимают окончательное положение только за несколько часов или дней перед испытанием. В точках длительного соприкосновения могут развиться молекулярные межчастичные связи, которые полностью отсутствуют в перемятых грунтах. Поэтому соотношение между коэффициентом пористости и давлением для перемятых и ненарушенных грунтов является, очевидно, различным. Эти грунты рассматриваются далее раздельно. Сжимаемость раздробленных минералов и перемятых грунтов Типичная кривая е — р для различных раздробленных минералов и перемятых грунтов показана на рис. 19,а, а соответствующая кривой е — I g р — на рис. 19,6. Влияние формы частиц на сжимаемость агрегата иллюстрируется кривыми а, b и d на рис. 19,а. Кривой а соответствует смесь из 80% песка и 20% слюды; кривой b — 90% песка и 10% слюды,; кривой d — 100% песка. Каждая проба предварительно уплотнялась штыкованием и вибрацией. Эти кривые показывают, что сжимаемость сильно возрастает с увеличением содержания плоских частиц. Более того, средний наклон кривой d для плотного песка гораздо положе, чем у кривой с для того же песка в рыхлом состоянии, и коэффициент пористости рыхлого песка д а ж е под очень большими нагрузками больше, чем у того же песка в плотном состоянии без нагрузки (рис. 19, а). а) 51 Рис. 19. а — типичные кривые е — р\ 6—соответствующие кривые е — Ig р, выражающие результаты компрессионных испытаний лабораторных образцов: а — 80% песка+20% слюды; 6 — 90% песка+10% слюды; с— рыхлый песок; d—плотный песок; е — мягкая глина из Детройта 8 4 ГЛАВА II. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ Рис. 19,а показывает также, что кривая, соответствующая перемятым образцам мягкой глины, очень похожа на кривую для смеси 90% песка с 10% слюды, но коэффициент пористости глины при любом заданном давлении гораздо меньше, чем соответствующий коэффициент пористости смеси песок— слюда. Все кривые е—Ig р, показанные на рис. 19,6, обладают некоторыми общими характеристиками. Начало каждой кри- д/ Рис. 20. Соотношение между е й р при компрессионных испытаниях песков вой имеет горизонтальную касательную и заканчивается касательной, также близкой к горизонтальной. Средняя наклонная часть каждой кривой почти прямолинейна. Для песков средняя часть является прямой от давлений около 10 кг/см2 до примерно 100 кг/см2. При этом давлении 3(*рна начинают дробиться и наклон возрастает. Затем наклон остается совершенно постоянным до примерно 1 000 кг/см2, после чего он начинает уменьшаться. Наклон средней части кривой для мягкой перемятой глины так медленно уменьшается в пределах интервала от 1 до 2 000 кг/см2, что кривая может рассматриваться как прямая в пределах всей этой области. Средние части кривых для смесей песка со слюдой являются практически прямыми в пределах от 1 до 10 /сг/сжг, затем наклон уменьшается и кривая приближается к ,почти горизонтальной касательной. § 13. СЖИМАЕМОСТЬ ОГРАНИЧЕННЫХ ПЛАСТОВ ГРУНТА 85 Два других явления ,представляют особый интерес в связи с сжимаемостью грунтов вообще. Это — скорость компрессии и изменение объема при временном удалении нагрузки. Влияние времени на компрессию показано на рис. 20. Кривая Ki показывает уменьшение коэффициента пористости рыхлого песка, вызванное давлением, возрастающим с постоянной и достаточно большой скоростью. Если процесс /£, Г— 'pO г ч Лав/трнир р В кг/с**1 ь от Oj 1,0 >о юо Давление р в кг/смг (логарисрпичесная шнила) Рис. 21. Соотношение между е и р при компрессионном испытании уплотненной смеси из 90% песка и 10% слюды загружения прервать, то при постоянной нагрузке коэффициент пористости уменьшается, как это показывают вертикальный участок кривой е — р и соответствующая кривая е — время. Если ,продолжить после перерыва процесс загружения с первоначальной скоростью, кривая Ki переходит постепенно в кривую, которая была бы получена при загружении песка с постоянной скоростью без перерывов. Уменьшение коэффициента пористости при постоянной нагрузке объясняется отставанием перемещения зерен по сравнению со скоростью увеличения давления. Подобный же эффект, вызванный той же причиной, наблюдается и при испытании образцов водонасыщенной глины с перемятой структурой. Однако он комбинируется с гораздо более важным эффектом запаздывания, вызванным низкой водопроницаемостью глины. В результате явления запаздывания кривая е — р не будет иметь определенного физическокого смысла, если при испытании не достигается стабилизация коэффициента пористости под каждой нагрузкой. 86 ГЛАВА II. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ На рис. 20 показано также изменение коэффициента пористости при временном удалении нагрузки. Удаление нагрузки изображено к р и в о й д е к о м п р е с с и и be, а последующее повторное з а г р у ж е н и е — к р и в о й р е к о м п р е с с и и cd. Д л я глин be можно рассматривать как кривую набухания. Площадь между кривыми декомпрессии и рекомпрессии называется п е т л е й г и с т е р е з и с а . Петли гистерезиса для различных грунтов отличаются друг от друга только наклоном и шириной. В арифметическом масштабе они обращены выпуклостью 'вниз, тогда как в полулогарифмической сетке координат они обращены выпуклостью вверх. Н а рис. 21 показана петля гистерезиса для плотной смеси из 90% песка и 10% слюды. П е т л и гистерезиса д л я ненарушенной глины очень на нее похожи. Ненарушенный песок В природе все пески более или менее слоисты. Сжимаемость слоистых отложений в направлении плоскостей напластования несколько меньше, чем в перпендикулярных. Кроме того, большинство природных песков содержит по меньшей мере следы цементирующих материалов, а выше уровня грунтовых вод они обладают также некоторой влажностью. Оба эти фактора создают сцепление. Некоторые пески в природном состоянии имеют относительную плотность большую, чем та, которая может быть получена любым искусственным методом, за исключением вибрации. Другие пески в природном состоянии имеют гораздо более неустойчивую структуру, чем самъда рыхлый песок, который только может быть приготовлен в лаборатории. Эти факты показывают, что структура песков в их природном состоянии может несколько отличаться от структуры образцов из тех же лесков, приготовленных в лаборатории. Однако, если коэффициенты пористости песков одинаковы в природе и в лаборатории, сжимаемость их также, по-видимому, будет почти одинаковой. В практических задачах сжимаемостью ограниченных пластав песка обычно можно пренебрегать. Соответственно, сжимаемость песков не подвергалась подробным исследованиям. Ненарушенные нормально обжатые глины Рассмотрим глины, которые никогда не подвергались нагрузкам большим, чем та, которая действует в настоящее время. Подобные глины называются н о р м а л ь н о о б ж а т ы м и . Опыт показывает, что естественная влажность w нормально обжатых глин обычно близка к пределу текучести Lw. Если ж е ® значительно н и ж е , чем Lw, чувствительность § 13. СЖИМАЕМОСТЬ ОГРАНИЧЕННЫХ ПЛАСТОВ ГРУНТА 87 (§ 8) глины будет, по-видимому, исключительно низкой. С другой стороны, если w значительно превышает Lje, глина, повидимому, обладает высокой чувствительностью. Во всяком случае нормально обжатые глины всегда являются мягкими до значительной глубины ниже поверхности. Чтобы получить данные о сжимаемости ограниченных пластов нормально обжатой глины, расположенной на глу- ") 5) Рис. 22. Соотношения между е и р № — .1.1 я г л и н ы с о б ы ч н о й ч у в с т в и т е л ь н о с т ь ю в п е р е м я т о м с о с т о я н и и (Kr), и е н а р у - шенном (K ) б с о с т о я н и и в л а б о р а т о р и и u и в естественном залегании (Я); j — для сверхчувствительной глины бине D от поверхности, мы должны испытать ненарушенные образцы, полученные с этой глубины из шурфа или скважины. На рис. 22, а координаты точки а представляют собой коэффициент естественной пористости е0 образца и эффективное давление от пригрузки /?0 на грунт на глубине D. Давление ро равно сумме взвешенного объемного веса скелета грунта, расположенного между глубиной D и горизонтом грунтовых вод, и полного веса грунта, включая вес влаги в его порах, расположенного выше горизонта грунтовых вод. Оно выражается весом, приходящимся на единицу площади. 8 8 ГЛАВА II. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ Bo время процесса отбора образцов давление на последние уменьшается до очень небольшой величины, хотя влажность остается почти неизменной. На рис. 22, а этот процесс представлен пунктирной линией ае0. Если давление на образец снова увеличивать при компрессионном испытании, коэффициент пористости обычной глины со средней или низкой чувствительностью будет уменьшаться с ростом нагрузки, как показывает линия Ka- Криволинейная часть Ka представляет собой кривую рекомпрессии, подобную кривой c2d на рис. 21. Она переходит в прямолинейный участок, который, если его продолжить книзу, пересечет горизонтальную ось е = 0 в точке /. Продолжению этого прямолинейного участка Ka вверх соответствует к а с а т е л ь н а я db к кривой c2d на рис. 21. Он пересечет горизонтальную линию, проведенную через точку а на рис. 22,а, в точке Ь. Опыт показывает, что для нормально обжатой глины точка b всегда расположена влево от точки а. Если превратить образец глины в густую пасту, смешав ее с водой, а затем постепенно уплотнять эту пасту под все возрастающими нагрузками, то мы получим линию Kr на графике е — Ig р (рис. 22,а). Ниже точки с эта линия почти прямая. Хотя ее наклон несколько меньше, чем у прямолинейной части Ka, ее продолжение книзу пересечет горизонтальную ось вблизи точки /. График компрессии К, который представляет собой соотношение между е и Ig р в условиях естественного залегания, должен пройти через точку а. Однако ни одна из двух лабораторных кривых Ku и Kr не проходит через эту точку. Следовательно, график К может быть построен только с помощью экстраполяции результатов лабораторных опытов. Если две линии Ka и Kr являются п р я м ы м и и пересекают горизонтальную ось вблизи одной и той же точки f , можно с достаточным основанием считать, что зависимость е — I g р для грунта в условиях естественного залегания также изображается прямой, проходящей через а, а при продолжении ее вниз она пересекает горизонтальную ось в той же точке /. Полученная таким образом линия называется к р и в о й пол е в о й к о м п р е с с и и . Если нельзя получить ненарушенный образец, точка f может быть определена с достаточной точностью по кривой е — Ig р для перемятого о б р а з ц а Kr (рис. 22,а), если только нагрузка на образец доведена по меньшей мере до 20 кг/см2. Отношение p j p o давлении, соответствующих точкам b и а (рис. 22, а), указывает степень нарушения структуры грунта. Оно колеблется примерно от 0,3 до 0,7, составляя в среднем 0,5. Д а ж е для образцов, полученных одним и тем же грунтоносом и из одной и той же скважины, характерны значительные отклонения от средних величин. Следовательно, § 13. СЖИМАЕМОСТЬ ОГРАНИЧЕННЫХ ПЛАСТОВ ГРУНТА 89 величина pjpo зависит в большой степени от случайных факторов, как, например, от колебаний чувствительности глины или от того, был ли взят образец для испытания из верхней, средней или нижней части керна. Д л я ненарушенных образцов обычных глин кривую Ku на графике е—-Ig р (рис. 22, а) можно приближенно считать параболической. Однако соответствующая зависимость для сверхчувствительных глин имеет форму кривой Ku на рис. 22, б. Она остается приблизительно горизонтальной, пока давление на образец не станет почти равным бытовому давлению р0, после чего кривая резко поворачивает книзу. По мере того как интенсивность давления возрастает, наклон кривой заметно уменьшается, пока, наконец, кривая не переходит в наклонную прямую Kt. Форма этой кривой е — Ig р показывает, что структура соответствующей глины является необычайно чувствительной к относительно быстрому росту нагрузки. Если давление на такую глину увеличивать чрезвычайно медленно, соответствующее уменьшение коэффициента пористости будет, вероятно, гораздо меньшим, как показано пунктирной кривой Ks. В противном случае влажность мощных нормально обжатых пластов глины этого типа должна была бы быстро уменьшаться с ростом глубины, но такого явления никогда не наблюдалось. Однако относительно быстрое увеличение нагрузки на такую глину при возведении здания или насыпи !может вызвать большую компрессию. Предельный случай показан круто падающей пунктирной кривой К• Т а к к а к истинная фор.ма кривой полевой компрессии пока еще неизвестна, рекомендуется принимать, что она имеет в начале круто наклонную касательную, наподобие кривой К. Приближенная форма кривой К для сверхчувствительной глины может быть найдена следующим способом. Точка b на линии ае0 получается продолжением вверх касательной к кривой K11 в точке перегиба с. Точка f н а горизонтальной оси е = 0 находится продолжением вниз прямолинейного участка Ka . Наконец, через точку f проводится вертикальная линия, которая пересекает горизонтальную линию ае0 в точке А. Кривая К строится так, чтобы для любого значения е отношение горизонтального расстояния от К до fA к расстоянию от Ku Д° fA было равно Z2 _ аА T x ~ ЪА ' К р и в а я Ka может быть получена только испытанием образца с ненарушенной структурой. Если образец сильно нарушен или перемят и смешан с количеством воды, достаточным, чтобы превратить глину в густую пасту, то кривая Kr на графике е — Ig р для нарушенного материала во всех отношениях напоминает кривую Kr на графике е — Ig р для g o ГЛАВА II. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ обычных глин (рис. 22, а). Она является !практически прямой в широком диапазоне давлений и ее наклон лишь слегка положе, чем у касательной Kt к нижней части кривой Ka на рис. 22, б. Другими словами, нарушение структуры глины уничтожает свойства, которые обусловливают резкий !перегиб кривой Ku ниже точки b на рис. 22, б. Поэтому данные, необходимые для построения кривой полевой компрессии сверхчувствительной глины, могут быть получены только в результате компрессионных испытаний ненарушенных образцов. Кривые полевой компрессии К на рис. 22, а и б являются основой для расчета осадок сооружений, расположенных над ограниченными пластами нормально обжатой глины. Вес насыпи или сооружения увеличивает давление на глину от бытового ро до величины р0-\-&р. Соответственно коэффициент пористости уменьшается от е0 до е. Следовательно, д л я области изменения давления от Po до р о + Д р мы можем написать: е0— е = Ae = av\p. Величина аь=е-^см?\г Др ( 1 3 1) представляет собой к о э ф ф и ц и е н т с ж и м а е м о с т и для интервала нагрузки от р0 до р0 + Ар. Д л я данной разности давлений значение коэффициента сжимаемости уменьшается с ростом нагрузки. Уменьшение пористости л п (на единицу первоначального объема грунта), соответствующее уменьшению коэффициента пористости на А е, может быть получено с помощью уравнения (7.2). Окончательная формула имеет вид в которой е0 — начальный коэффициент пористости. Поэтому Arc = \р = тг,\р, где (13.2) Tn0 =-?£—см*1г l+^o (13.3) называется к о э ф ф и ц и е н т о м о б ъ е м н о й с ж и м а е м о с т и . Он представляет собой компрессию глины, отнесенную к единице первоначальной толщины и вызванную приращением величины давления на единицу. § 13. СЖИМАЕМОСТЬ ОГРАНИЧЕННЫХ ПЛАСТОВ ГРУНТА 91 Бели H — ,мощность пласта глины при давлении р, то увеличение давления от р до р + Ар уменьшит толщину п л а с т а на S = HApmv. (13.4) Кривая полевой компрессии К для обычной глины в полулогарифмической сетке координат является прямой линией, к а к показано на рис. 22, а. Уравнение этой линии e = e0-Celgp-*±^, Po (13.5) где Cc — к о э ф ф и ц и е н т к о м п р е с с и и ( б е з р а з м е р н а я величина). Он равен тангенсу угла наклона прямолинейного участка кривой К- В отличие от av и mv, которые быстро уменьшаются с ростом давления р0, величина Cc является постоянной, и уравнение (13.5), которое содержит эту постоянную, действительно в широких пределах изменения «нагрузок. В полулогарифмической сетке координат кривая декомпрессии (bci на рис. 21, б) также является почти прямой в широком интервале нагрузок. Если давление уменьшается от р до P—^p, соответствующая кривая декомпрессии может быть выражена уравнением е ^e1+ CsI(13.5а) Po в котором С s называется к о э ф ф и ц и е н т о м н а б у х а н и я (безразмерная величина). Он является мерой увеличения объема при разгрузке. И з уравнения (13.,5) совместно с уравнением (13.1) или (13.3) мы получаем либо a. = ^ l g Ьр Po (13.6) - - Г ^ Г Т Ig ^ p - Др(1+е0) р0 (13.7) Подставляя значение mv в уравнение (13.4), мы находим, что компрессия S ограниченного пласта нормально обжатой обычной глины равна S= H Igp-^. !+eD Po (13.8) Если глина нарушена, ее кривая е — I g ^ вместо К (рис. 22) будет Kr Т а к как линия Kr является прямой в ши- 9 2 ГЛАВА II. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ рокочи диапазоне давлений, она может быть представлена уравнением e = > Po (13.9) которое аналогично уравнению (13.5). Коэффициент компрессии Cc для глин в нарушенном со- стоянии является тангенсом угла наклона прямолинейного участка Kr Значения Cc для различных глин возрастают с увеличением предела текучести, как показано на рис. 23, Рис. 23. Соотношение между пределом текучести и коэффициентом компрессии для перемятых глин (по Скемптону) Абсциссы точек на графике представляют собой пределы текучести Lw, а ординаты — соответствующие значения Cc для различных глин. Образцы были отобраны произвольно. Они поступали из различных частей света и включали как нормальные, так и сверхчувствительные глины. Все точки расположены близко к прямой, имеющей уравнение Cc = 0,007 (Lw —10о/о), (13.10) где Lw — предел текучести в процентах к весу сухой глины. Отклонения истинных значений С'с от определяемых урав- нением (13.10) могут доходить примерно до ± 3 0 % . Для обычных глин со средней или низкой чувствитель- ностью линии Kr и К на графике е—Ig р являются прямыми в широком диапазоне нагрузок и значение Cc, отвечающее кривой полевой компрессии, приближенно равно 1,3 С'с по уравнению (13.10). Следовательно: C c ^ 1 , з с ; = 0,009 (Lw- Ю °/0). (13.11) Если значение Cc для данного пласта глины известно, компрессия пласта от действия дополнительной нагрузки Ap может быть рассчитана с помощью формулы (13.8). Для нормально обжатой глины с низкой или умеренной чуветвитель- § 13. СЖИМАЕМОСТЬ ОГРАНИЧЕННЫХ ПЛАСТОВ ГРУНТА 93 ностью значение CC можно грубо определить при помощи уравнения (13.11). Следовательно, порядок величины осадки сооружения, расположенного на пласте такой глины, может быть найден без проведения каких-либо испытаний, кроме определения предела текучести. С другой стороны, если глина является сверхчувствительной, ее кривая полевой компрессии К (рис. 22,6) не будет прямой и наклон верхней части линии может в несколько раз превосходить наклон Kr • Д л я таких глин приближенный метод расчета, основанный на уравнении (13.11), дает лишь нижний предел величины компрессии глины. Действительная компрессия может быть в несколько раз больше. К счастью, глины этого типа довольно редки. К ним относятся глины ,вулканического происхождения из Мексико-Сити, некоторые виды морских глин из юго-восточной Канады и из Скандинавских стран, а также различные высокоорганические глины. Если глина имеет предел текучести больше 100%, если ее естественная влажность на глубине более 6—9 м от поверхности превосходит предел текучести или если она содержит высокий процент органического материала, она будет, по-видимому, обладать компрессионными характеристиками, изображенными на рис. 22,6. Чувствительность [уравнение (8.1)] этих глин больше 4, тогда как у обычных глин она меньше. Если чувствительность глины больше 8, можно быть уверенным, что ее компрессионная характеристика будет иметь вид, показанный на рис. 22,6. Ненарушенные переуплотненные глины Глины называются п е р е у п л о т н е н н ы м и , если они когда-либо подвергались давлению, превосходящему то, которое действует в настоящее время (бытовое). Это временное избыточное давление могло быть создано весом пластов грунта, впоследствии смытых, весом льда, позднее растаявшего, либо высыханием пласта грунта, который временно оказался выше воды. Если избыточное давление ^p0 было меньше ~ 4 кг/см2, глина может быть е щ е мягкой. Если ^po было гораздо большим, глина будет плотной. Два из тех процессов, которые приводят к переуплотнению глины, показаны на рис. 24. Все пласты, расположенные над скальным грунтом, были отложены в озере в тот период, когда уровень воды в нем был выше самой высокой отметки поверхности грунта в настоящее ,время. Когда часть пластов была удалена в результате эрозии, влажность глины в правой части пласта В слегка возросла, тогда как в левой части значительно уменьшилась вследствие понижения уровня грунтовых вод. Несмотря на это, по отношению к бытовому давлению глина с правой стороны представляет собой переуплот- 94 ГЛАВА II. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ ненную мягкую глину, в то время как с левой стороны она представляет собой нормально обжатую мягкую глину. Когда уровень грунтовых вод опустился ниже основания размытой долины, песчаные пласты, расположенные выше и ниже верхнего слоя глины А, оказались дренированными. В результате / a S o f f T K v v v w t ; X Я.ДЛ'УУ.У 5 -JOz^ * .9 Рис. 24. Схема, иллюстрирующая два геологических процесса, приводящих к переуплотнению глин 1 — сооружение; 2 — начальный уровень воды; 3 — современный уровень воды; 4 — прежняя поверхность грунта; 5 — современная поверхность грунта; 6 — глина, переуплотненная вследствие высыхания; 7 — нормально обжатая мягкая глина; 8 — переуплотненная мягкая глина; 9 — скала пласт А постепенно высох. В § 21 показано, что такой процесс высыхания в механическом отношении эквивалентен консолидации под нагрузкой. Поэтому пласт А п е р е у п л о т н е н за счет высыхания. Если глинистые отложения возникли в результате оседания частиц в воде, уровень которой был подвержен сезонным или циклическим колебаниям, то самая верхняя часть осадка могла время от времени выступать из воды. В этих местах образовывалась в результате высыхания сухая корка. После того как поверхность снова оказывалась под водой, корка покрывалась свежим осадком, но ее влажность оставалась ненормально низкой. Таким путем могут возникать слои или линзы !переуплотненной глины, расположенной между слоями нормально обжатых глин. Если пласт плотной глины расположен над слоем мягкой глины того же вида, то верхний пласт был безусловно переуплотнен за счет высыхания. Более того, если верхний пласт выступал из-под воды на длительное время, он может оказаться также иного цвета в результате процессов окисления. В районе Чикаго, например, мощный пласт мягкой нормально обжатой глины сероватого цвета покрыт слоем плотной переуплотненной желтой и серой глины толщиной от 0,6 до 1,8 м. Переуплотненные слои ледниковых глин, расположенных между нормально обжатыми слоями глин того же вида, встречаются в Южной Швеции. § 13. С Ж И М А Е М О С Т Ь О Г Р А Н И Ч Е Н Н Ы Х П Л А С Т О В Г Р У Н Т А 95 Влияние л ер еуллотн ен ия на соотношение м е ж д у коэффициентом 'пористости и давлением показано на рис. 25. Оба графика построены в обычном масштабе. На рис. 25, а приведена зависимость между е й р для нормально обжатой части глинистого пласта В на рис. 24, а на рис. 25, б показано соответствующее соотношение для переуплотненной части того же пласта. На обоих графиках а' изображает состояние глины перед началом эрозии. В это время уровень воды был расположен выше пласта А и эффективное бытовое давление для всего пласта В было равно /V на единицу площади. Так как эрозия ЭсрсректиVвcное даPвлrе, нPиеu* Ap О Do P0+йр pi Эсрфективное давление Рис. 25. Соотношения между е й р • для нормально обжатой глины в естественном залегании; 6 — для аналогичной глины в переуплотненном состоянии была связана с понижением уровня воды при почти постоянном полном бытовом давлении, эффективное бытовое давление в левой части пласта В возросло от ро' до ро, а точка на рис. 25, а, и з о б р а ж а ю щ а я состояние глины, сместилась от а' к а. В правой части пласта В понижение уровня воды имело место одновременно с удалением большей части пригрузки. Следовательно, эффективное давление с правой стороны пласта уменьшилось от ро' до р0, и глина, перешла из состояния а' (рис. 2 5 , 6 ) в состояние Ь. Этот переход был связан с небольшим уменьшением коэффициента пористости. Увеличение на Ар эффективного давления в нормальнообжатой части пласта В, вызванное, например, строительст- 9 6 ГЛАВА II. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ вом большого тяжелого здания на верхнем слое грунта, уменьшает коэффициент пористости глины, расположенной ниже здания, на Aen (рис. 25, а), и глина переходит из состояния а в состояние d. Увеличение эффективного давления в переуплотненной правой части пласта В на ту ж е величину Ap уменьшает .коэффициент пористости глины на Aep (рис. 2 5 , 6 ) , и глина переходит из состояния b в состояние d. Если бы из обеих частей пласта В были отобраны нарушенные образцы, они создавали бы, вероятно, впечатление, что переуплотненные глины мягче нормально обжатых, так как влажность переуплотненной части пласта в момент отбора пробы была бы существенно больше, чем в нормально обжатой части. Несмотря на это, если Ap меньше, чем примерно половина ро — р о , компрессия Aep переуплотненного п л а с т а будет гораздо меньше, чем компрессия Aen нормально обжатого пласта. Это обусловливается тем, что точка, отвечающая состоянию нормально обжатой глины в основании, перемещается от а к с? (рис. 25, а) по кривой, представляющей уменьшение коэффициента пористости вследствие постепенного увеличения давления, тогда как соответствующая точка для переуплотненной глины перемещается от b к d по кривой рекомпрессии (рис. 2 5 , 6 ) . Как показано на рис. 20 и 21, наклон кривой рекомпрессии гораздо меньше, чем наклон кривой первичной компрессии. Некоторое представление о величине сжатия, которое испытывает переуплотненная часть пласта В под весом здания, может быть получено по результатам компрессионных испытаний образцов из этой части пласта. Однако кривая е — р в естественных условиях будет, по-видимому, сильно отличаться от кривой, полученной при лабораторных испытаниях. Степень расхождения определяется нарушенностью образцов. Если образец сильно нарушен, лабораторная крив а я е—р будет близка к круто падающей кривой Kr на рис. 25, 6. Д о б а в л я я расстояние bg к ординатам этой кривой, мы получим кривую Krt которая проходит через точку Ь, изображающую состояние глины в основании. Однако опыт показывает, что кривая Kr совершенно непохожа на кривую естественного уплотнения bd. Если компрессионный опыт проводится с ненарушенным образцом, тщательно вырезанным в шурфе, получают кривую Ka. П р и б а в и в расстояние cb к ординатам этой кривой, мы получим кривую K u , которая проходит через Ъ. Хотя наклон Ku гораздо меньше, чем Kr, было найдено, что при Ap меньшем, чем примерно половина p'Q—p0, компрессия глины, рассчитанная по кривой K u , все еще от 2 до 5 раз превосходит действительную компрессию в условиях естественного залегания. Следовательно, экстраполяция результатов лаборатор- § 13. СЖИМАЕМОСТЬ ОГРАНИЧЕННЫХ ПЛАСТОВ ГРУНТА 97 ных испытаний на полевые условия очень ненадежна независимо от степени тщательности, с которой проводился отбор образцов. Расчет соотношения между е и р для глины с данным пределом текучести на основе уравнения (13.11) приводит к кривой, проходящей через Ь, и более крутой, чем Kr. Ординаты этой кривой по отношению к горизонтальной линии, проходящей через Ь, равны по крайней мере удвоенным ординатам К'и, которые в свою очередь от 2 до 5 раз больше, чем ординаты полевой кривой компрессии К С л е д о в а т е л ь н о , применение уравнения (13.11) для определения сжимаемости переуплотненных глин приводит к соотношениям, от 4 до 10 раз и более превосходящим действительные. Т а к к а к то же уравнение дает относительно правильные значения в случае нормально обжатой глины, очевидно, что история загружения глины имеет исключительно важное практическое значение. При условиях, показанных на рис. 24, максимальное уплотняющее давление pQ может быть определено довольно точно на основе геологических данных. Геология и физическая география района не оставляют никаких сомнений в том, что первоначальная поверхность грунта находилась вблизи или над уровнем современной верхней террасы и что зеркало грунтовой воды было очень близко к первоначальной поверхности грунта. Но когда геологические данные сомнительны, или когда переуплотнение было вызвано весом ледника, который растаял и нет никаких данных о его мощности, геологическое определение максимального уплотняющего давления очень ненадежно. В таких случаях остается существенная возможность получить хотя бы общее представление о значении р'о — использовать результаты лабораторных испытаний. Были предложены различные методы для определения значения максимального уплотняющего давления по результатам лабораторных опытов. Наиболее обычный прием показан на рис. 26. На нем изображена кривая е — I g p для ненарушенного образца глины. Через точку с, в которой радиус кривизны минимален, проводится горизонтальная линия. Биссектриса угла а м е ж д у этой линией и касательной к Ku в точке с пересекает продолжение нижнего прямолинейного участка Ku в точке d. Абсцисса d принимается равной p'Q . Метод, показанный на рис. 26, основан на наблюдениях за влиянием циклического загружения на коэффициент пористости ненарушенных образцов грунта. Однако в естественных условиях давление p'Q прикладывается в течение нескольких столетий, а не немногих часов или дней. Влияние скорости 9 8 ГЛАВА II. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ загружения на сжимаемость может быть очень существен- ным. Неудивительно поэтому, что результаты, полученные с помощью графического построения по рис. 26, как правило, недостаточно удовлетворительны. Если испытывается обра- зец нормально обжатой глины, значение р'0, полученное графическим методом, должно быть равно существующему бы- товому давлению. Однако оно обычно гораздо меньше, и разница между действительным и расчетным значениями для образ- цов из любой буровой скважины, как правило, возрастает с увеличе- нием глубины. Для сильно переуп- лотненных глин оба эти значения согласуются лучше. Однако, окон- чательное заключение пока не мо- жет быть сделано. Во всяком слу- чае, результаты испытаний, как Давление р (погарифмичесная ш на па j Рис. 26. Обычное построение для определения максимального уплотняющего дав- ления (По Казагранде) правило, могут быть истолкованы самым различным образом. Тем не менее вполне возможно прийти к определенному решению, не пользуясь графическим методом, приведенным на рис. 26, и независимо от того, является ли глина сильно переуплотненной. Соответ- ствующие выводы, как правило, оказываются вполне доста- точными для практических целей. Если глина нормально об- жата, точки b (рис. 22,а) неизменно расположены слева от точек а. Следовательно, если испытывается несколько нена- рушенных образцов глины и если все точки Ь, полученные при этих испытаниях, расположены так, как указано выше, значение р' не намного больше, тем существующее бытовое давление, и влиянием переуплотнения на осадку можно пре- небречь. С другой стороны, если давление переуплотнения было значительно больше, чем существующее бытовое давление, то по крайней мере некоторые из точек b будут расположены вправо от а. Тогда осадка сооружения, возведенного на гли- не, будет м а л а по сравнению с рассчитанной на основе ис- пытаний образцов, так как соотношение между лабораторной и полевой кривыми компрессии для такой глины аналогич- но соотношению м е ж д у кривыми Ku и К' на рис. 25, б. Если часть нормально обжатого глинистого пласта была пере- уплотнена за счет высыхания, влажность переуплотненных слоев оказывается относительно низкой. Следовательно, по- ложение и мощность таких слоев можно установить, поль- зуясь графиком влажности грунта по глубине. При расчете § 13. СЖИМАЕМОСТЬ ОГРАНИЧЕННЫХ ПЛАСТОВ ГРУНТА 99 осадок переуплотненный слой может рассматриваться как несжимаемый. Сводка методов определения сжимаемости естественных пластов грунта Если грунт под сооружением содержит слои песка или плотной глины, перемежающиеся со слоями мягкой глины, сжимаемостью песка и плотной глины можно пренебречь. Сжимаемость слоев глины определяется в первую очередь двумя факторами: пределом текучести глины и величиной наибольшего давления, испытанного грунтом с момента его отложения. Если это давление никогда не превосходило существующего бытового, грунт называется нормально обжатым. В противном случае говорят, что он переуплотнен. Сжимаемость нормально обжатого слоя глины с известным пределом текучести может быть грубо определена с помощью эмпирического уравнения (13.11), если только глина не о б л а д а е т какими-либо необычными свойствами. Однако, если глина имеет предел текучести выше 100 или если ее естественная влажность на глубине 6—9 м больше, чем предел текучести, или если она обладает высоким содержанием органического материала, ее сжимаемость может быть в несколько раз больше, чем найденная по уравнению (13.11). Следовательно, если сооружение возводится на пласте такой особенной глины, рекомендуется определять ее сжимаемость с помощью компрессионных испытаний ненарушенных образцов. Сжимаемость переуплотненной глины зависит не только от предела текучести глины, но также от отношения Ар/ (р'{)—Po), в котором Ар — добавочное давление от сооружения ро отношению к существующему бытовому давлению Po, a p i , — м а к с и м а л ь н о е давление, которое когда-либо действовало на глину. Если это отношение меньше 50%, сжимаемость глины будет, по-видимому, составлять от 10 до 25% от сжимаемости такой же глины в нормально обжатом состоянии. С ростом указанного отношения влияние переуплотнения на сжимаемость глины уменьшается. Для значений, превышающих 100%, влиянием переуплотнения на осадку сооружения можно пренебрегать. Переуплотнение глины может быть обусловлено весом пластов грунта, удаленных в результате эрозии, весом ледников, впоследствии растаявших, либо высыханием. Если переуплотнение вызвано нагрузками, которые были впоследствии удалены, избыточное давление, которое действовало на грунт, было одним и тем же для любой точки по вертикали ниже поверхности грунта. Однако, если переуплотнение объясняется высыханием, избыточное давление, вероятно, понижалось по направлению сверху вниз от первоначальной 100 ГЛАВА II. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ поверхности испарения, и общая мощность переуплотненного слоя не может превосходить нескольких десятков сантиметров. Сжимаемость сильно переуплотненных глинистых пластов обычно не имеет практического значения, если только перед инженером не ставится задача возведения на мощном пласте плотной глины весьма большого и тяжелого сооружения, которое может быть повреждено даже при умеренной неравномерности осадок. Если требуется выполнить расчет осадок, то должны быть проведены компрессионные испытания ненарушенных образцов, предпочтительно полученных из шурфов. Причины и величина ошибок, встречающихся при расчете осадок, основанном на результатах испытаний подобных образцов, были рассмотрены на стр. 96. ЛИТЕРАТУРА 13.1 Р. С. Rutledge, Relation of undisturbed sampling to laboratory testing. Trans. ASCE, vol. 109, 1944, стр. 1155. Обзор существующих методов интерпретации результатов компрессионных испытаний. С дискуссией. 13.2 A. W, Skempton, Notes o n ' t h e compressibility of clays. „Quart. J. Geol. Sec"., London, vol. C, 1944, стр. 119—135. Рассматриваются статистические соотношения между пределами Аттерберга и компрессионными характеристиками глин. Задачи 1. Пласт глины со средним пределом текучести 45% имеет мощность 7,5 м. Его поверхность расположена на глубине 10,5 ж от дневной поверхности. Естественная влажность глины равна 40%, а удельный вес 2,78 г/см3. Н а д глиной до дневной поверхности залегает пласт мелкого песка. Уровень грунтовых вод находится на глубине 4,5 м от дневной поверхности. Средний объемный вес песка с учетом взвешивания равен 1,04 т/ж3, а объемный вес влажного песка, расположенного над грунтовой водой, равен 1,76 т/м3. На основании геологических данных глину можно считать нормально обжатой. Вес сооружения, которое должно быть возведено на песке над глиной, увеличивает существующее бытовое давление на глину на 1,2 кг/см.2. Определить среднюю осадку сооружения. О т в е т . 25 см, 2. Пласт глины В, показанный на рис. 24, имеет мощность 7,5 ж. Его поверхность находится на глубине 9 ж ниже уровня воды в реке и на 10,5 м ниже поверхности грунта в долине. Поверхность верхней террасы, примыкающей к долине, на 45 м выше отметки грунта в долине и перевокачальный уровень воды был на 1,5 ж выше этой поверхности. Глина покрыта песком с тем же объемным весом, что и в предыдущей задаче. Определите максимальное уплотняющее давление для правой части пласта. О т в е т . 4,8 кг/см2 сверх существующего бытового давления. 3. Здание, построенное в долине, показанной на рис. 24, увеличило давление на пласт глины на 1,2 кг/см2. Средний предел текучести глины составляет 45%. Остальные данные те же, что и в задаче 2. Средняя естественная влажность глины 35%, а удельный вес 2,78 г/см3. Определите верхний и нижний пределы возможной осадки сооружения. О т в е т . Не более 25% от 29,4 см или 7,35 см и, вероятно, не менее, чем 10% от 29,4 см, т. е. 3 см. § 14. КОНСОЛИДАЦИЯ СЛОЕВ ГЛИНЫ 101 § «4. КОНСОЛИДАЦИЯ СЛОЕВ ГЛИНЫ В предыдущем параграфе указывалось, что сжатие глины, вызванное увеличением нагрузки, протекает очень медленно. Лишь частично это запаздывание вызвано постепенностью изменения расположения частиц в соответствии с возросшим давлением. Это относится как к пескам, так и к глинам. Однако для глин причиной запаздывания является главным об- Рис. 27. Прибор, демонстрирующий механизм процесса консолидации ся значительное время для удаления избыточной воды. Это постепенное уменьшение влажности при постоянной нагрузке известно как к о н с о л и д а ц и я . Механизм тормозящего влияния низкой водопроницаемости на сжатие упругого слоя под постоянной нагрузкой может быть показан с помощью модели, приведенной на рис. 27. Она состоит из цилиндрического сосуда с рядом перфорированных поршней, разделенных пружинами- Промежутки между поршнями заполнены водой. Когда к верхнему поршню прикладывается давление р, высота пружины в первое мгновение остается неизменной, так как этого времени недостаточно для удаления какого бы то ни было количества воды из промежутка между поршнями. Так как пружины не могут нести нагрузку, пока их высота не начнет уменьшаться, давление р должно быть воспринято сначала водой, в которой развивается избыточное гидростатическое давление h\ I w = р. В этот момент вода в каждой пьезометрической трубке будет находиться на уровне hx. После того как пройдет некоторое незначительное время 11, часть воды будет удалена из верхней камеры, но самая нижняя камера все еще будет практически заполнена водой. 102 ГЛАВА II. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ Уменьшение объема верхней камеры сопровождается сжатием верхних пружин. Соответственно эти пружины начнут воспринимать часть давления р, когда давление в воде, заполняющей верхнюю камеру, станет уменьшаться. В нижних камерах условия остаются пока неизменными. В этой стадии уровень воды в пьезометрических трубках располагается по кривой t1, которая переходит в горизонтальную линию на уровне hi. Соответствующее сжатие (уменьшение высоты пружин) равно S1. Л ю б а я кривая, подобная t\, которая пока- Время t ЮО S) —\ In t > \V - - X Рис. 28. Кривые время—консолидация. Сплошные линии в ы р а ж а ю т с о о т н о ш е н и е для механического прибора по рис. 27. Пунктирные линии выражают соотношения для образцов глины с аналогичными консолидационными характеристиками зывает уровни воды в пьезометрических трубках в данный момент, называется и з о х р о н о й . В какой-то более поздний момент уровень воды в трубках будет располагаться по кривой t2. Наконец, через очень большой промужеток времени избыточное гидростатическое давление станет очень малым и соответствующее конечное сжатие будет равно Sco . Для глины это конечное с ж а т и е определяется, если известна начальная мощность пласта, с помощью уравнения (13.4)- Отношение представляет собой с т е п е н ь к о н с о л и д а ц и и за время t. Скорость консолидации системы из поршней и пружин можно рассчитать, пользуясь принципами гидравлики. Соотношение между степенью консолидации такой системы и требуемым временем показано сплошными кривыми на рис. 28, а и 28, б. Скорость консолидации образца глины может наблюдаться в лаборатории с помощью испытания в компрессионном приборе без возможности бокового расширения грунта (§ 13). Вплоть до степени консолидации порядка 80% форма экспериментальной кривой консолидации очень близка к кривой для системы поршней с пружинами. Однако, вместо приближения к горизонтальной асимптоте, кривые для глины про- § 14. КОНСОЛИДАЦИЯ СЛОЕВ ГЛИНЫ 103 должаются с умеренным наклоном, как показано на рис. 28 пунктирной линией. Продолжающаяся консолидация, представленная вертикальным расстоянием между сплошной и пунктирной кривыми, называется в т о р и ч н о й к о н с о л и д а ц и е й . Она вызвана, по-видимому, постепенностью приспособления к нагрузке структуры грунта в сочетании с сопротивлением относительному смещению зерен, вызванному вязкостью адсорбированных слоев воды. В системе поршней и пружин, которой соответствует сплошная кривая компрессии, замедление определяется исключительно сопротивлением быстрому удалению избыточной воды. Результаты испытаний на консолидацию глинистых образцов позволили установить несколько простых соотношений. Для данной глины время, требуемое для достижения данной степени консолидации, растет пропорционально квадрату мощности пласта. Для пластов различных глин одинаковой мощности время, необходимое для достижения данной степени консолидации, возрастает прямо пропорционально mjk, где mv•—коэффициент объемной сжимаемости [уравнение (13,3)], a k — коэффициент фильтрации. Отношение с0 = — rnv • ~ Iw см21сек (14.2) называется к о э ф ф и ц и е н т о м к о н с о л и д а ц и и . G уменьшением коэффициента пористости значения k и mv быстро уменьшаются, но отношение k к mv д л я значительного интервала давлений почти постоянно. Значения Cv для различных глин возрастают с ростом предела текучести, к а к показано на рис. 29. Н а этом рисунке абсциссами служат пределы текучести, а по оси ординат отложены значения коэффициента консолидации для ненарушенных образцов глин при нормальных давлениях между 1 и 4 кг!см2. График показывает, что коэффициент консолидации для глин с данным пределом текучести изменяется в широких пределах. Последние экспериментальные исследования показали, что значение коэффициента консолидации по уравнению (14.2) растет (при данном начальном коэффициенте пористости ^0) с увеличением ступеней загружения, вызывающего консолидацию. Следовательно, если испытание на консолидацию д о л ж н о служить основой д л я определения скорости консолидации глинистого пласта под весом возведенного сооружения, ступень приложенной к образцу нагрузки, после того как давление доведено до бытового, должна быть того же порядка, что и нагрузка на единицу площади основания сооружения. Так как этот прием практически общепринят, то до сих пор не отмечалось заметных расхождений между расчетными и фактическими скоростями осадок- Значения, при- 104 ГЛАВА II. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ веденные на рис. 29, были получены с помощью стандартных испытаний. Если давление на естественный пласт глины уменьшается, например, при проходке выемки или тоннеля, соответствующее увеличение объема глины обычно начинается не ранее, I W-S — Побразцод из CHдагнины ВНовом Oпpеане j л OО i O-U обрацзо из ядр7 памыбнIUс ппогпинь> с?9 образцоВ из тсннепей ЧJnas сн оас метро v-Ofpasnш из других мест \ XVJ V? to- § § й rn' I за&оаВ. « I • • дла % " X • • • • • О ZD W BD ВО IDb Предел текучести в °/0 Рис. 29. Соотношение между пределом текучести и коэффициентом консолидации для ненарушен- ных образцов глины чем через неделю или более после разработки грунта. В немногих случаях наблюдалось даже, что консолидация таких пластов под влиянием приложенной нагрузки не начиналась в течение нескольких недель после приложения нагрузки. Эта задержка в реагировании глины на изменение напряжений, подобно вторичной консолидации или влиянию величины ступени з а г р у ж е н и я на с v, не м о ж е т быть о б ъ я с н е н а с помощью простой механической модели, на которой основана теория консолидации. Характеристика и условия проявления такой задержки могут быть установлены только путем наблюдений. Несмотря на существенно упрощающие предположения, теория консолидации приносит определенную пользу, так как позволяет хотя бы грубо определить скорость осадки, обу- § 15. СОПРОТИВЛЕНИЕ ГРУНТОВ СДВИГУ 105 словленную консолидацией, пользуясь результатами лабораторных испытаний. Поэтому эта теория кратко излагается в части Б, § 41. Задачи 1. Результаты испытаний на консолидацию образца глины, имеющего толщину 2 см, показывают, что половина полной консолидации происходит за первые 5 мин. Сколько потребуется времени при таких же условиях дренирования, чтобы сооружение, опирающееся на пласт этой же глины мощностью 4 м, получило бы половину полной осадки (пренебречь вторичной консолидацией). О т в е т . 139 дней. 2. Коэффициент пористости глины А уменьшается от 0,572 до 0,505 при изменении давления от 1,2 до 1,8 кг/см2. Коэффициент пористости глины В уменьшается от 0,612 до 0,597 при тех же условиях загружения. Толщина образца Л в 1,5 раза больше, чем образца В. Несмотря на это, время, требуемое для 50% консолидации, з 3 раза больше для образца В, чем для образца А. Найти отношение коэффициентов фильтрации этих глии. О т в е т. 31 : 1. 3. Основание сооружения состоит из мощного пласта песка. Вблизи от его середины залегает слон мягкой глины толщиной 3 м. Лабораторный образец глины при дренировании сверху и снизу достигает 80% консолидации за 1 час. Толщина образца 2,5 см. Сколько времени пройдет прежде чем степень консолидации глинистого пласта станет равной 80%? О т в е т . 600 дней. § 15. СОПРОТИВЛЕНИЕ ГРУНТОВ СДВИГУ Введение Если сдвигающее напряжение в массе грунта превосходит некоторое критическое значение, грунт разрушается. В зависимости от вида сооружения и условий загружения, разрушение грунта может привести к оползню, обрушению подпорной стенки или к резкой осадке фундаментов. Необходимость избежать подобных катастроф привела к тому, что факторы, определяющие сопротивление грунтов сдвигу, привлекли к себе значительное внимание еще более столетия тому назад. Методы исследования Самый простой, наиболее старый и общеупотребительный метод определения сопротивления грунтов сдвигу заключается в испытании их н а с р е з . Это испытание производится с помощью срезного или сдвигового прибора, показанного на рис. 30. Прибор состоит из двух рам — нижней неподвижной и верхней, которая может передвигаться в горизонтальном направлении. Образец расположен между двумя пористыми камнями, служащими для его дренирования при консолидации. Поверхность пористых камней в местах их контакта с об- 106 ГЛАВА II. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ разцом зазубрена, чтобы предотвратить скольжение во время сдвига. Прежде чем подвергнуть образец срезу, к верхнему кам- ню прикладывается вертикальная нагрузка интенсивностью р. Как эта нагрузка, так и последующее приложение сдвигаю- щей силы вызывают изме- нение коэффициента пори- стости образца. Если поры образца заполнены возду- хом, эти изменения происхо- дят почти мгновенно. С другой стороны, если обра- Рис. 30. Срезной прибор для испытания иа сдвиг 1 — подвижная верхняя рама; 2 — неподвижная нижняя рама; 3 — мессура; 4 — проба; 5 — вертикальное нормальное напряжение; 6 — сдвигающая сила; 7 — угловое смещение зец водонасыщен, сопротив- ление течению воды сквозь поры грунта задерживает указанные изменения. Влажность грунта в момент разрушения зависит от сте- пени консолидации образна под вертикальной нагрузкой к моменту приложения сдвигаю- щей силы, от водопроницаемости грунта, от скорости роста сдвигающего усилия и от условий дренирова- ки я. Известны следующие виды испытаний для исследования влияния этих факторов на соотношение между вертикальной нагрузкой и сопротивлением сдвигу: медленное испытание, быстрое испытание после консолидации (коротко это испыта- ние можно назвать консолидированно-быстрым сдвигом) и быстрое испытание. В м е д л е н н о м и с п ы т а н и и и вер- тикальная и сдвигающая силы прикладываются так медлен- но, чго влажность д а ж е водонасыщенного грунта с низкой проницаемостью будет изменяться почти в полном соответ- ствии с изменением напряжений. В к о н с о л и д и р о в а н н о - б ы с т р о м и с п ы т а н и и за полной консолидацией под вертикальными нагрузками следует сдвиг при неизменной влажности. В б ы с т р о м и с п ы т а н и и влажность образца остается практически неизменной при действии как верти- кальной, так и сдвигающей силы. В срезном приборе, показанном на рис. 30, быстрое и кон- солидированно-быстрые испытания могут быть выполнены только с образцами глины, так как другие грунты настолько проницаемы, что даже очень быстрое увеличение напряже- ний в образце вызовет заметное изменение влажности. Мед- ленное испытание может быть проведено с любым грунтом. Консолидация образца под вертикальными нагрузками опре- деляется с помощью мессуры, регистрирующей вертикальное перемещение верхнего пористого камня, как показано на рис. 30. Во время сдвига эта же мессура показывает, вызы- § 15. СОПРОТИВЛЕНИЕ ГРУНТОВ СДВИГУ 107 вает ли сдвигающая сила увеличение или уменьшение объема образца. Сдвигающее усилие передается через верхнюю раму срезного прибора и при этом измеряется соответствующее относительное смещение верхней и нижней рам. При испытаниях в срезных приборах обычных типов сдвигающая сила прикладывается ступенями. Если прибор обладает приспособлением для постепенного увеличения силы с надлежащей скоростью, то такой прибор называют п р и б о р о м с у п р а в л я е м ы м у с и л и е м . С другой стороны, если можно изменять заданным образом перемещение, измеряя при этом соответствующее усилие, прибор называется п р и б о р о м с управляемой деформацией. По мере роста смещения верхней рамы сила, необходимая для увеличения деформации, растет и приближается к максимуму, который называется п и к о в ы м з н а ч е н и е м . Затем она обычно уменьшается и приближается к у с т а н о в и в ш е м у с я з н а ч е н и ю , как показано на верхней кривой рис. 31,6. Надежные данные о соотношении между сдвигающим усилием и деформацией сдвига за пределами, соответствующими пиковому значению, могут быть получены только с помощью срезных приборов с управляемой деформацией. Применяемые на практике срезные приборы обладают рядом недостатков. Наиболее существенными из них являются изменение в процессе опыта площади среза, неравномерное распределение касательных напряжений по поверхности среза и быстрота, с которой изменяется влажность многих водонасыщенных грунтов в результате изменения напряженного состояния образца в приборе. По мере роста горизонтального перемещения верхней рамы поверхность контакта между верхней и нижней половинами образца уменьшается. Поэтому даже в приборах с управляемой деформацией надежные данные об установившемся сопротивлении сдвигу грунта не могут быть получены. Далее, разрушение происходит не одновременно во всех точках потенциальной поверхности среза. Оно начинается по обоим краям и распространяется к середине. Поэтому пиковое значение сопротивления сдвигу, полученное при испытаниях, меньше действительного. Эти два недостатка срезного прибора были устранены созданием к о л ь ц е в ы х с р е з н ы х п р и б о р о в , в которых образец имеет форму кольца [15.1]. Однако ни срезные, ни кольцевые приборы не позволяют получить достоверный результат при быстрых и консолидированно-быстрых испытаниях грунтов, не являющихся типичными глинами. Чтобы провести такие испытания без риска серьезных ошибок, должны применяться приборы т р е х о с н о г о 108 ГЛАВА II. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ с ж а т и я (§16). Приведенные ниже данные о соотношении между давлением и сопротивлением сдвигу грунтов основано главным образом на результатах испытаний в кольцевых и трехосных приборах. Однако ради простоты результаты представлены так, как если бы они были получены с помощью идеальных срезных приборов, обладающих всеми достоинствами наиболее удовлетворительных их типов и без присущих им недостатков. Следовательно, когда описываются консолидированно-быстрые испытания водойасыщенных песков, читатель должен помнить, что на практике эти данные могут быть получены только с помощью испытаний в трехосных приборах. Сопротивление сдвигу сухого песка Н а рис. 31,6 ординаты пред- ставляют касательные напряже- ния по потенциальной поверх- ности сдвига в срезываемом об- разце, а абсциссы — перемеще- ние верхней рамы прибора (рис. 30) по отношению к нижней. При испытании рыхлого песка каса- Смещение тельные напряжения растут с увеличением перемещения, пока Рис. 31. не наступит разрушение (кривая а — результаты испытания иа K i ) . Опыт повторяется при раз- срез; б—кривые напряжение— деформация, полученные при испытании песка на срез личных давлениях р. Н а н о с я касательные н а п р я ж е н и я s, соответствующие моменту разрушения в различных опытах, и соответст- вующие давления р, получают прямую линию C1 (рис. 31,а). Эта линия может быть представлена уравнением S = Ptgc?. (15.1) Угол ср называется у г л о м в н у т р е н н е г о т р е н и я , a tg, не производя испытания на сдвиг. Более точные значения практически редко бывают нужны. Угол внутреннего трения f s полностью затопленного песка на 1 или 2° меньше значения <р для того ж е песка, при той же его относительной плотности, но в совершенно сухом состоянии. Однако, если затопленный песок является очень рыхлым, он может д а ж е при слабом воздействии переходить в полужидкое состояние (§ 17). Испытание песка на сдвиг не вскрывает существования подобной опасности, но опыт показывает, что она является весьма реальной. Следовательно, песчаные насыпи, подверженные временному насыщению, либо мощные пласты рыхлого леска, расположенные ниже проектируемых фундаментов, должны быть соответствующими способами уплотнены. Сдвиговые характеристики пылеватого песка и ила, с одной стороны, и очень мелкого песка, с другой — подобны. Вследствие относительно низкой проницаемости этих грунтов разрушение водонасыщенных пластов такого грунта происходит в условиях, похожих на те, при которых осуществляется консолидированно-быстрый сдвиг в лаборатории. Величина соответствующих углов сопротивления сдвигу ycq обычно находится между 20 и 22°. В виде исключения их значение может падать до 17°. § 15. СОПРОТИВЛЕНИЕ ГРУНТОВ СДВИГУ 121 Быстрое испытание на сдвиг можно применять для определения сопротивления сдвигу глин, укладываемых в насыпь. Для данного материала насыпи результаты испытаний зависят прежде всего от начальной консистенции и от содержания воздуха. Однако влияние прогрессирующего разрушения на среднее сопротивление сдвигу готовой глинистой насыпи еще не известно. Разница между физическим состоянием лабораторных образцов и глины в теле насыпи после постройки также является причиной неопределенности и результаты испытаний оставляют широкую возможность для различной интерпретации. Следовательно, этой методикой нужно пользоваться с осторожностью. Для расчета коэффициента устойчивости откосов в естественных глинистых пластах рекомендуется метод теории пластичности. Он основан на данных наблюдений, показывающих, что среднее сопротивление сдвигу вдоль поверхности скольжения в мягких естественных пластах глины приближенно равно половине средней прочности на одноосное сжатие совершенно ненарушенных образцов глины, отобранных вблизи этой поверхности. Испытание на сжатие может быть проведено быстро, а техника его проста. Применение среза и трехосных испытаний Как видно из резюме, правильное применение испытаний на срез в настоящее время ограничено случаями определения сопротивления сдвигу пылеватых грунтов, занимающими по своим свойствам промежуточное положение между песком и глинами. Испытание песков на срез редко может быть оправдано, т а к к а к нижний предел угла внутреннего трения <р равен углу естественного откоса, который может быть найден и без этого испытания, а влияние относительной плотности на величину <р можно установить априори. Испытание на срез глин не будет иметь практического значения до тех пор, пока будущие исследования ие покажут, что метод теории упругости при расчете устойчивости мягких естественных глинистых пластов является более практичным и значительно более надежным, чем метод теории пластичности. Пока решающие доказательства в пользу метода теории упругости не получены, определение устойчивости против сдвига естественных пластов должно основываться на результатах испытаний на одноосное сжатие. Практические задачи, в которых приходится иметь дело с сопротивлением сдвигу пылеватых грунтов, встречаются сравнительно редко. Лабораторное определение консолидированно-быстрого сопротивления сдвигу таких грунтов должно проводиться с помощью приборов трехосного сжатия, так как такие испытания в срезных приборах любых грунтов, кроме мягких глин, по меньшей 122 ГЛАВА II. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ мере ненадежны Проведение испытаний на трехосное сжатие требует специальной подготовки и опыта. Следовательно, если сооружение достаточно ответственно, чтобы оправдать подобные испытания, образцы должны доставляться в лабораторию, оснащенную для таких испытаний. Если сооружение слишком мало, чтобы оправдать расходы на испытание грунтов, проект должен основываться либо на наинизших значениях, указанных в настоящем параграфе, либо на данных местного опыта. ЛИТЕРАТУРА 15.1. М. J. H v o r s l e v , Torsion shear tests and their place in the determination of the shearing resistance of soils, „Proc. ASTM", vol. 39 стр. 999. § 16. ИСПЫТАНИЕ НА ТРЕХОСНОЕ СЖАТИЕ Цель испытаний В предыдущем параграфе было показано, что нельзя полагаться на результаты быстрых и консолидированно-быстрых испытаний на сдвиг любых грунтов, кроме мягкой глины. Это объясняется тем, что во всех остальных грунтах при испытании на срезных приборах нельзя сохранить достаточно постоянную влажность при изменении напряженного состояния образцов. Величина вызываемой этим ошибки возрастает с увеличением проницаемости грунта. Консолидированно-быстрые испытания на сдвиг водонасыщенных песков практически вообще не могут быть выполнены. Надежные данные о сопротивлении сдвигу грунтов со средней и высокой прони-' цаемостью при постоянной влажности могут быть в настоящее время получены только с помощью испытаний на трехосное сжатие. Основная область законного применения для практических целей испытаний на трехосное сжатие заключается в исследовании прочности водонасыщенного ила и пылеватых грунтов. Обоснование было приведено в предыдущем параграфе. Существенные черты испытания на трехосное сжатие Сущность этого испытания иллюстрируется рис. 35. Цилиндрический образец, заключенный в водонепроницаемую оболочку, помещается в камеру, наполненную жидкостью под давлением рс . Дополнительное осевое сжатие интенсивностью q может быть приложено к верхней поверхности образца через жесткий наголовник. Вода может входить в образец или удаляться из него через пористый камень в его основании при открытом кране V. Поровое давление в образце мо- § 16. ИСПЫТАНИЕ НА ТРЕХОСНОЕ СЖАТИЕ 123 жет быть измерено с помощью манометра, связанного с отво- дящей трубкой над краном V. Д е ф о р м а ц и я о б р а з ц а в верти- кальном направлении измеряется мессурой. При проведении медленных или консолидированно-быстрых испытаний преж- де всего необходимо обеспечить полную консолидацию образ- ца под всесторонним давлением рс. Во время консолидации кран V должен быть открыт. Так как давление жидкости является всесторонним, на этой стадии испытания в образце не Осевое давление <р возникает касательных напряже- ний. Затем образец подвергается добавочному осевому сжатию интенсивностью q. Это давление увеличивается до тех пор, пока образец не будет разрушен. При этом кран V может быть либо закрыт, либо открыт. Если он закрыт, касательные напряжения увеличиваются при постоянной влажности грунта. Результаты испытания при закрытом кране эквивалентны консолидированнобыстрому сдвигу в срезном приборе, но они гораздо более до- Рис. 35. Принципиальная схема прибора для испытания на трехосное сжатие 1 — металлический диск,- 2 — водонепроницаемая оболочка; 3 — пористый камень стоверны, та^ как постановка опыта исключает какое-либо изменение влажности при уве- личении напряжения сдвига от нуля до разрушающего. Поэ- тому данные, полученные при таких испытаниях, рассматри- ваются как соответствующие консолидированно-быстрому сдвигу независимо от скорости роста осевой нагрузки. Если кран V^ остается открытым, а осевое давление прикла- дывается очень медленно, так что содержание воды в образ- це все время соответствует изменению напряжений, то полу- чаемые результаты рассматриваются как данные испытаний на медленный сдвиг. При быстрых испытаниях кран V закрыт с самого начала и до конца. Соответственно, разрушение происходит при на- чальной влажности независимо от скорости загружения. В любом случае образец скалывается по наклонным пло- щадкам. Однако нормальные и касательные напряжения по поверхности сдвига не могут быть измерены непосредственно. Показания прибора дают только значения полных главных напряжений в образце в момент сдвига. Большее главное на- пряжение р 1 равно всестороннему давлению рс плюс добавочное вертикальное давление q, вызвавшее разрушение. Другие два главных напряжения р2=рз равны всестороннему давле- нию р с . Напряжения по поверхности сдвига могут быть опре- 124 ГЛАВА II. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ делены расчетом или, что более удобно, эквивалентным графическим построением, известным под названием диаграммы Мора. Диаграмма Мора На рис. 36, а показан разрез по образцу в одной из промежуточных стадий испытания на трехосное сжатие. Вертикальное напряжение Pi= Pc+ q является большим главным напря- Рис. 36. Напряжения, действующие на образец грунта при трехосном испытании жением, а горизонтальное сечение А—А, по которому оно действует, является одной из главных площадок. Направление произвольного наклонного сечения а—а определяется углом а между ним и главной площадкой. Нормальное напряжение в сечении а—а обозначено через р, а сдвигающее напряжение — через t. Заштрихованная площадь на рис. 36, а представляет собой сечение призматического элемента, ограниченного плоскостями, параллельными главным площадкам, и наклонной плоскостью а—а. Увеличенное изображение этого элемента приведено на рис. 36,6. Условие равновесия этого элемента требует, чтобы pzds sin а — pds sin а -f tds cos а = О § 16. ИСПЫТАНИЕ НА ТРЕХОСНОЕ СЖАТИЕ 125 откуда и P1Cls cos а — pds сOS а — tds Sin а = О, 1 P = - у (Pi + Рз) + Y (Pi — Рз) COS 2а t = —1 ( P 1 - Рз) Sin 2а. (16.1) (16.2) Касательные напряжения даваемые уравнением (16.2), считаются положительными, если равнодействующая напряжений по наклонной площадке отклоняется от нормали к ней по часовой стрелке. Когда касательные напряжения положительны, то и угол наклона 8 равнодействующего напряжения также считается положительным. Следовательно, если а меньше 90°, то 8 положительно. Графическое решение уравнений (16.1) и (16.2) показано на рис. 36, в. В прямоугольной координатной системе горизонтальные расстояния от начала координат изображают нормальные напряжения в данном плоском сечении, а вертикальные расстояния — касательные напряжения. Так как касательные напряжения по главной площадке равны нулю, точки горизонтальной оси соответствуют главным нормальным напряжениям. Главное напряжение рг представлено расстоянием OA по горизонтальной оси, а г л а в н о е н а п р я ж е н и е р 3 — расстоянием OB. На отрезке BA, как на диаметре, построен круг с центром в О'. Если р а д и у с О'а проведен так, что угол АО'а равен 2а, то горизонтальная и вертикальная координаты точки а равны соответственно нормальному напряжению р и касательному напряжению t в уравнениях (16.1) и (16.2). Это с л е д у е т из того, что расстояние OO' на рис. 36, в равно (pi + ps) и что радиус круга равен — (pi—р3). Круг, являющийся геометрическим местом точек, определяемых уравнениями (16.1) и (16.2), называется к р у г о м н а п р я ж е н и й Мора. Уравнения (16.1) и (16.2) и графическое построение, показанное на рис. 36, строго справедливы для любого сечения в любом материале. Однако для того чтобы использовать их при определении положения площадки Сдвига и напряжений по этой площадке, необходимо принять некоторые допущения о соотношении между нормальными напряжениями и сопротивлением сдвигу по площадкам скола. Соответственно, приведенные ниже результаты действительны только в том случае, если механические свойства материала удовлетворяют принятым допущениям. 126 ГЛАВА II. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ Принимается, что сопротивление сдвигу s грунта при испытании на трехосное сжатие определяется уравнением s = с+ p t g ср, (1б.з; где р — нормальное напряжение по поверхности сдвига; с — постоянная, называемая сцеплением; <р — угол внутреннего трения. Рис. 37. Диаграмма разрушения Уравнение (16.3) известно как у р а в н ен и е К у л о н а . Д а л е е допускается, что значения с и <р совершенно не зависят от ,напряженного состояния, предшествующего разрушению. Согласно § 15 это условие приближенно удовлетворяется в случае сцементированного песка и гравия, влажного песка и, в меньшей степени, глины с высоким содержанием воздуха или газа. С другой стороны, оно совершенно не удовлетворяется для полностью водонасыщенных глинистых грунтов. Следовательно, ошибки, возникающие при интерпретации по уравнению (16.3) результатов испытаний на трехосное сжатие для различных грунтов весьма неодинаковы. В дальнейшем предполагается, что условия, при которых уравнение (16.3) справедливо, строго удовлетворяются. Природа и величина ошибки при таком допущении рассматриваются в конце параграфа. На рис. 37 уравнение (16.3) представлено прямой линией NM, называемой л и н и е й р а з р у ш е н и я . Если круг напряжений, например С, не касается линии NM, то это означает, что в образце нет сечений, д л я которых удовлетворялось бы условие (16.3). Если круг пересекает линию NM, он и з о б р а ж а е т неосуществимое напряженное § 16. ИСПЫТАНИЕ НА ТРЕХОСНОЕ СЖАТИЕ 127 состояние, так как в каждой площадке, определяемой точками круга, расположенными выше NM, касательные напряжения больше, чем s по уравнению (16.3). Следовательно, нц один круг не может изображать напряженное состояние в момент разрушения, если он не касается линии NM. Любой круг, который удовлетворяет этому условию, называется к р у г о м р а з р у ш е н и я , а диаграмма Мора, на которую нанесен круг разрушения, называется д и а г р а м м о й р а з рушения Мора. Геометрические соотношения, представленные на рис. 36, показывают, что угол АО'а на рис. 37 равен двойному углу а между плоскостью сдвига и главной площадкой А—А на рис. 36, а. Следовательно, в соответствии с рис. 37 а = 45°+ -2-. (16.4) Из рис. 37 мы получаем также геометрическое соотношение Pcbqe= РЫ+2сУЩ в котором выражение (16'5) W9= tg^45o+JLj (16.6) называется п о к а з а т е л е м т е ч е н и я . Величина qc = P c i ^ f - l) + 2 c l / y v 7 (16.7) называется п р о ч н о с т ь ю п р и т р е х о с н о м с ж а т и и . Она является функцией б о к о в о г о д а в л е н и я рс. Для песка и нормально обжатой глины с = 0 и qe = P e W 9 - X ) . (16.8) П о д с т а в л я я в это уравнение численные значения которое действует на нижнюю часть оЬ стенки. Н а рис. 61, б давление воды представлено треугольником def. Если засыпка поддерживает равномерно распределенную нагрузку q, т о эффективное вертикальное н а п р я ж е н и е pv возрастает на любой глубине на q, и соответствующее горизонтальное активное ренкиновское давление возрастает на <24-4) Н а рис. 61,6 давление, вызванное нагрузкой q, в ы р а ж а е т с я площадью aefihg. Активное давление связных грунтов на гладкие вертикальные поверхности На рис. 62, а линия ab обозначает гладкую вертикальную грань стенки, к которой примыкает связный грунт с объемным весом "с . Сопротивление грунта сдвигу определяется уравнением 5 = ^ + p ig ср, (15.2) которое согласно § 22 действительно для сухого или влажного связного грунта, расположенного над уровнем воды. Соотношение между экстремальными значениями главных напряжений в таких грунтах определяется выражением Pc + Qc = PcK+ 2с VrJvT, (16.5) где рс + qс и qc—соответственно наибольшее и наименьшее главные напряжения; N9 = I g 2 ( 4 5 ° + (16.6) является показателем течения. В § 16 было показано, что поверхности скольжения пере- секают направление наименьшего главного напряжения под § 24. Д А В Л Е Н И Е ГРУНТА ПО Т Е О Р И И РЕНКИНА 178 углом 45°+ независимо от значения с [уравнение (15.2)]. Поскольку задняя грань стенки гладкая, то вертикальное главное напряжение на глубине z от горизонтальной поверхности засыпки будет pv = Д о того к а к стенка ab переместится, на нее действует давление грунта в состоянии покоя. В этом состоянии горизонтальное напряжение ph является наименьшим главным напряжением. Перемещение стенки во внешнюю сторону в положение а\Ь и з а его пределы уменьшает Ph до значения, соответствующего активному ренкиновскому давлению. В результате подстановки pv = рс +qc =Tz и Pfl = Pc в уравнение (16.5) мы получаем 1 Ph = iz 2ос 1 (24.5) Это напряжение на любой глубине z обозначается горизон- тальным расстоянием между линиями ab и cd на рис. 6 2 , 5 . На глубине а) б) Z0= ^ - Y n 9 T (24.6) Пригруот интенсивностью о 2с_ напряжение а}а\ И 1 I I = 0. На глубине, меньшей чем Z0, давление на стенку будет отрицательным, если только не возникнет тре- щина между стеной и верхней частью грунта. Полное давление грунта на стену будет н pA = ( phdz = Рис. 62. Разрушение глины позади глад- кой вертикальной стенки, когда дефор- о мативные условия для активного давле- 2 Л = Т т Я N9 H 2 сVnv ния грунта удовлетворяются а — сечение по стенке и засыпке; б — давление иа заднюю г р а н ь с т е и к и (24.7) ЕСЛИ стена имеет высоту H = He = - V N l 2 Z1о> (24.8) то полное давление грунта Pa будет равно нулю. Следовательно, если высота вертикального откоса будет меньше чем H c , то он должен быть устойчивым и без подпорной стенки. Однако давление на стену увеличивается от — 2 C f V ^ У 180 ГЛАВА IV. ПЛАСТИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ В ГРУНТАХ гребня до -jT 2сlVN9 на глубине Hc, тогда к а к на вертикальной поверхности свободного откоса нормальные напряжения в каждой точке равны нулю. Вследствие этого различия мак- симальная глубина, которой может достигать выемка без крепления ее вертикальных стенок, будет несколько меньшей, чем Hc (см. § 31). Д л я мягкой глины ср = 0 и N = t g 2 (45 +- = 1. Поэтому Pa = -L 7Я2 — 2сН (24.9) 4 с Hc = ^ (24.10) Поскольку возникновение сцепления между грунтом и стенкой не всегда может иметь место, обычно принимают, что активное давление связных грунтов на подпорные стенки равно площади треугольной эпюры bde, равной площади cdd2 минус площадь cebd2 (рис. 62,6). Поэтому Pa 2 N* Для мягкой глины ср=0° и УЩ 1 (24.11) Pa Т Я * 2сН + — . 7 (24.12) Пассивное давление связных грунтов на гладкие вертикальные поверхности Если поверхность ab стены или сооружения, которое поддерживает грунт с равномерно распределенной нагрузкой q, смещается в направлении засыпки, как это указано на a^ Приерузко 5) интенсивностью ® I Ili I6' ZcVhhfUqH9- YHNtp Рис. 63. Разрушение глины позади гладкой вертикальной стены, когда деформативные условия для пассивного давления грунта удовлетворяются a — сечение по стенке и засыпке; б — давление на заднюю грань стенки § 24. ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА ПО ТЕОРИИ РЕНКИНА 181 рис. 63, а, то горизонтальное главное напряжение рн возрастает и становится большим, чем pv. К а к только ab принимает положение а{Ъ, которое соответствует деформативному условию для пассивного ренкиновского состояния, условия напряженности будут соответствовать разрушению [уравнение (16.5)]. Поскольку ph обозначает наибольшее главное напряжение, мы можем подставить Pv=Pc = jz-+ q в уравнение (16.5). Получаем: ph = r2iV? + 2с /AV+ qN9. (24.13) Н а п р я ж е н и е ph м о ж е т быть р а з л о ж е н о на две части. Одна из них ph = ^zN4 возрастает аналогично гидростатическому давлению, т. е. пропорционально глубине. На рис. 63,6 напряжения p'h выр а ж е н ы треугольной эпюрой C\C2d2 с площадью P p = - ^ 1 H W9. (24.14) Точка приложения Pp находится н а уровне Я / 3 н а д Ь. Величина Pp представляет собой полное пассивное давление сыпучего грунта с углом внутреннего трения ср и с объемным весом f. В т о р а я часть ph будет Ph = 2с У"МГ+ qN9. Эта часть не зависит от глубины. Она обозначается прямоугольной эпюрой ObClCl2 (рис. 63,6). Полное давление равно площади прямоугольника. Следовательно: Pp=-- H (2с 1 / Л Т + qN,t) • (24.15) Точка приложения Pp находится посредине ab. Поскольку в уравнение (24.15) не входит объемный вес у, значение Р"р может быть вычислено при допущении, что засыпка невесома. Из уравнений (24.14) и (24.15) мы находим, что полное пассивное давление грунта составляет Pp =Pp + Р"Р = у -f + H (2с\ГЩ+ qN9), (24.16) 182 ГЛАВА IV. ПЛАСТИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ В ГРУНТАХ Согласно приведенным выше рассуждениям Pp может быть вычислено с помощью двух независимых друг от друга операций. Вонпервых, Pp вычисляется на основании допущения, что сцепление и дополнительная нагрузка равны нулю (с = 0, i7 = 0). Точка приложения Pp находится на одной трети H снизу. Во-вторых, Р'р вычисляется при допущении, что объемный вес засыпки равен нулю ( т = 0 ) . Точка приложе- ния Р'р находится посредине Н. В последующих п а р а г р а ф а х эта простая процедура неоднократно используется для опре- деления точки приложения пассивного давления связных грунтов. Подразделение Pp на две части ( P p и Pp ), строго говоря, правильно только в том случае, если задняя грань стены вертикальная и совершенно гладкая. Для всех других условий этот прием является приближенным. Задачи 1. Стена с гладкой вертикальной задней гранью высотой 3 м поддер- живает массу сухого несвязного песка с горизонтальной поверхностью. Песок имеет объемный вес 1,81 т/ж3 и угол внутреннего трения 36°. Чему приближенно равно полное давление на стену, если исключена возможность ее смещения, а также если стена может сдвинуться достаточно далеко, чтобы удовлетворить деформативным условиям для активного ренкиновского состояния? О т в е т . От 3,25 т/м до 4,07 т/Л; 2,12 т/м. 2. Зеркало воды позади стены, описанной в задаче 1, поднимается до уровня на 1,2 м ниже гребня. Взвешенный объемный вес песка составляет 1,06 т/м3. Если деформатнвные условия для активного ренкиновского состояния удовлетворяются, то чему равно полное давление земли и воды на стену? На какой высоте над основанием действует результирующая давлений земли и воды? О т в е т . 3,41 т/ж; 0,86 м. 3. Чему равно полное боковое давление на смещающуюся стену в задаче 1, если масса песка поддерживает равномерно распределенную нагрузку 2 т/м2} На какой высоте над подошвой стены находится центр дав.ления? О т в е т . 3,68 т/ж; 1,22 м. 4. Пространство между двумя подпорными стенками с гладкими задними гранями заполнено песком, имеющим объемный вес 1,81 т/м3. Фундаменты стен связаны между собой железобетонным полом, а гребни стен — тяжелыми стальными поперечными связями. Стены имеют высоту 4,5 м и расположены на расстоянии 15 м друг от друга. Поверхность песка используется как склад для чугунных болванок, нагрузка от которых равна 1,5 т/м2. Если коэффициент давления земли в состоянии покоя составляет Ко = 0,5, то чему равняется полное давление на стены до и после приложения дополнительной нагрузки? О т в е т . 9,1 т/м; 12,5 т/м. 5. Такая же стена, что и в задаче 1, поддерживает грунт, обладающий сцеплением, равным 0,1 кг/см2, и объемным весом 1,76 т/м3. Значение <р равно нулю. Чему равно полное активное ренкиновское давление на стену? На каком расстоянии над подошвой расположен центр давления? На какой глубине интенсивность давления равна нулю? О т в е т . 1,92 т/м; —0,34 м; 1,14 м. 6. В процессе экскавации пластической глины образовался вертикальный откос. Объемный вес глины 1,92 т/м3. Когда глубина выемки дости- § 25. ВЛИЯНИЕ ТРЕНИЯ ПО СТЕНЕ 183 гла 5,4 м, откос рухнул. Принимая а, о с A/ if \ 5 i 2 f у 6 Рис. 64. Сетка линий скольжения в случае разрушения песка позади шероховатой вертикальной стенки 184 ГЛАВА IV. ПЛАСТИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ В ГРУНТАХ и прямой верхней части. В пределах площади adc сетка скольжения идентична сетке активного ренкиновского состояния (рис. 5 7 , а ) . В пределах площади adb сетка с к о л ь ж е н и я состоит из двух систем кривых. Если стена опускается вниз по отношению к засыпке, например, под действием тяжелой нагрузки на ее гребне, то значение S становится отрицательным, и кривизна нижней части поверхности скольжения будет обратной, как это показано на рис. 64, б. Если стенку прижимать к грунту, то ее движению препятствует пассивное давление. Если вес стены больше, чем трение между песком и стеной, то песок поднимается относительно стены, и результирующее пассивное давление грунта действует под углом S с нормалью к задней грани стены. Касательная компонента этой силы стремится помешать поднятию песка. В данном случае угол S (рис. 64,в) будет положительным. Плоская часть поверхности скольжения поднимается tP под углом 45°—~тр к горизонтали. В пределах равнобедрен- ного треугольника adc сетка скольжения идентична сетке, показанной на рис. 57,6, а материал находится в пассивном ренкиновском состоянии. В пределах площади adb обе систе- мы линий скольжения являются кривыми. Если вес стены меньше, чем трение между песком и сте- ной, то угол между нормалью к задней грани и равнодействующей пассивного давления будет меньше, чем 8 . Наконец, если на стену действует сверху вниз сила, равная сумме веса стены и силы трения между песком и стеной, то равнодействующая пассивного давления направлена, как показано на рис. 64, г, а угол трения по стене считается отрицательным. Кривизна нижней части поверхности скольжения является обратной. Деформативные условия для пластических состояний, представленных сетками скольжения на рис. 64, а и б, требуют определенного минимального удлинения каждого горизонтального элемента клина. Деформативные условия для пластических состояний, представленных на рис. 64, в и г, требуют определенного минимального сжатия каждого горизонтального элемента. Эти условия эквивалентны условиям образования активного и пассивного ренкиновских состояний в засыпке за совершенно гладкой стенкой, как это было показано на рис. 57, а и б. § 26. АКТИВНОЕ Д А В Л Е Н И Е ГРУНТА HA П О Д П О Р Н Ы Е СТЕНКИ ПО ТЕОРИИ КУЛОНА Введение Поскольку задняя грань каждой подпорной стенки является более или менее шероховатой, то граничные условия, при § 26. АКТИВНОЕ ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА 185 которых применима теория Ренкина, редко удовлетворяются. Поэтому расчеты давления грунта, основывающиеся на этой теории, обычно, содержат ощутительные ошибки. Большинстваиз этих ошибок можно избежать, используя теорию Кулона. Метод Кулона может быть приспособлен к любым граничным условиям, но зато он основан на упрощающем допущении, касающемся формы -поверхности скольжения. Однако ошибка, обусловленная этим допущением, обычно незначительна по сравнению с ошибкой, связанной с использованием теории Ренкина. Когда граничные условия, требуемые теорией Ренкина, удовлетворяются, обе теории приводят к тождественным результатам. Как теория Кулона, так и теория Ренкина основываются на предположениях, что стена может свободно перемещаться в положение аф или за его п р е д е л ы (рис. 64, а) и что вода, содержащаяся в порах грунта, не оказывает сколько-нибудь заметного фильтрационного давления. Точно так же, очевидно, должно быть принято, что характеристики грунта, которые входят в уравнения, имеют определенные значения, которые могут быть найдены тем или иным путем. Теория Кулона Поверхность скольжения в засыпке реальной подпорной стенки незначительно искривлена, как это !показано на рис. 64, а и б. Чтобы упростить вычисления, Кулон принял, что она плоская. Ошибка, обусловленная пренебрежением кривизной, однако, очень незначительна. Силы, которые действуют на клин скольжения, показаны на рис. 65,а. Предположим, что п р я м а я Ьсу представляет собой след поверхности скольжения. Клин abc\ находится в равновесии под действием силы веса Wi, реакции стенки P1 и реакции грунта Fi- Сила F i действует под углом указанное построение повторяется для нескольких плоскостей (Ьс2 и т. д.) Точки ей е2 и т. д. соединяются кривой С, называемой л и н и е й К у л ь м а н а . П а р а л л е л ь н о bS проводится касательная к С. Отрезок ed дает РА, И искомая поверхность скольжения проходит через точку е. Давление грунта, вызванное линейной нагрузкой На рис. 66 показана стенка, поддерживающая песчаную засыпку с наклонной поверхностью. Н а расстоянии ас' от гребня стены на засыпке находится нагрузка интенсивностью. q' на единицу длины линии, параллельной гребню. Способ определения активного давления грунта на стену в этом случае является в сущности тем же самым, что и способ, показанный на рис. 65, е. Однако, если правая грань клина пересекает поверхность грунта справа от с', то расстояние, которое должно быть отложено на откосной линии bS, пропорционально весу клина скольжения вместе с линейной нагрузкой q' (рис. 66). Если бы не было дополнительной нагрузки, то линия Кульмана С (пунктирная кривая) на рис. 66 соответствовала бы линии С на рис. 65, в. Если поверхность несет линейную нагрузку q' в некоторой точке с', то линия К у л ь м а н а состоит из двух частей. Часть слева от плоскости be' тождественна С, потому что клинья, ограниченные плоскостями слева от be', не несут никакой нагрузки. С п р а в о й стороны от be' линия Кульмана для нагруженной засыпки расположена выше С, к а к это у к а з а н о сплошной кривой С' на рис. 66, так как каждый клин, ограниченный плоскостью справа от b e п о д в е р г а е т с я действию нагрузки q'. Поэтому полная линия К у л ь м а н а состоит из кривой С слева от be' и кривой С' справа. Она имеет разрыв на (плоскости be', которая проходит через точку приложения линейной нагрузки. Если последняя расположена слева от Ы, то величина 188 ГЛАВА IV. ПЛАСТИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ В ГРУНТАХ активного давления, производимого нагруженной засыпкой, 'соответствует максимальному расстоянию между линией Кульмана С' и откосной линией bS, измеренно;му по направлению, параллельному основной линии bL. Если линейная нагрузка действует в любом месте поверхности засыпки между точками а и с", то максимальное расстояние будет активного давления песчаиой засыпки, несущей линейную нагрузку d"e". Поэтому скольжение происходит вдоль плоскости be", которая проходит через е". Расстояние е"\ обозначает ту часть A Pa активного давления грунта, которая обусловлена линейной нагрузкой q'. Ординаты кривой К (рис. 66) по отношению к поверхности засыпки дают значения ^ P a , соответствующие различным положениям с', в которых может находиться q'. М е ж д у а и с" линия К является прямой, параллельной поверхности засыпки, т а к как Д Pa не зависит от положения q' между этими двумя точками. Если q' перемещается от с" к с, то линия Кульмана состоит из пунктирной кривой С слева от be и из сплошной кривой С' справа. Максимальное значение P давления земли представлено линией ezdz. Плоскость скольжения проходит через точку е3 и пересекает поверхность засыпки по линии приложения q'. Если линия приложения qr перемещается вправо, то значение Д Pa непрерывно уменьшается, как на это указывают ординаты кривой К (рис. 66), пока у C2 оно не станет равным нулю. Наконец, если линия действия qr находится в C2', то давление грунта e2d2, определенное с помощью кривой С", § 26. АКТИВНОЕ ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА 189 равно значению активного давления грунта ed, когда не имеется дополнительной нагрузки. Если q' перемещается вправо от с2, то давление, определенное с помощью С', становится меньше, чем ей. Следовательно, если линейная нагрузка действует с правой стороны с2, то она не оказывает больше никакого влияния на активное давление грунта, и поверхность скольжения имеет то же положение be, какое она имеет при засыпке, не несущей никакой дополнительной нагрузки. Чем больше линейная нагрузка q', тем д а л ь ш е с{ сдвигается вправо. Поэтому расстояние, в пределах которого q' оказывает влияние н а давление грунта, зависит от величины q'. Метод Кульмана применяют главным образом в тех случаях, когда стена имеет наклонную или ломаную заднюю грань, или когда засыпка имеет неправильную поверхность 190 ГЛАВА IV. ПЛАСТИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ В ГРУНТАХ либо несет дополнительную нагрузку. Если вертикальная стена поддерживает несвязную засыпку с горизонтальной поверхностью, то более целесообразно получать значение PA ИЗ графиков, построенных для этой цели. Н а рис. 67 приведено два различных графика этого типа. Задачи 1. Вертикальная подпорная стенка высотой 6 м поддерживает сыпу- чую засыпку с объемным весом 1,84 т/м3. Поверхность засыпки поднимается от гребня стены под углом в 20° к горизонтали. Угол внутреннего трения составляет 28°, а угол внешнего трения по стенке равен 20°. Найти по методу Кульмана полное активное давление земли на стену. О т в е т . 15,5 т/м. 2. Консольная подпорная стенка имеет высоту 10 м. Она поддерживает насыпь из железной руды. Стена имеет поперечное сечение, симметричное относительно вертикальной осевой линии. У вершины ее ширина составляет 1,8 м, а у основания—>3,6 м. От точки, расположенной на на 1,2 м ниже гребня стенки, поверхность засыпки поднимается под углом 35° к горизонтали до максимальной высоты 19,5 At иад подошвой стенки. Далее поверхность засыпкн горизонтальна. Если с = 0 и ? = S = 36°, а 1 составляет 2,56 т/м3, чему равняется полное боковое давление руды на стенку? Если полная боковая сила, действующая на стенку, воспринимается стальными тяжами, имеющими сеченне 7,5X7,5 см и испытывающими растягивающее напряжение 1 890 кг/см2, то какое прн этом требуется расстояние между тяжами? О т в е т . 72,7 т/м\ 1,5 м. 3. Вертикальная стена высотой 5,4 м поддерживает несвязную засыпку с объемным весом 1,68 т/м3. Поверхность засыпки горизонтальная. Значения <р и 5 составляют соответственно 31 и 20°. Засыпка несет две линейные нагрузки по 3 т/м, параллельные гребню стены, на расстояниях соответственно 2,4 и 3,9 м. Требуется вычислить значение полного активного давления грунта на стену. Определить горизонтальное расстояние от задней грани стены до точки, в которой поверхность скольжения пересекает поверхность засыпки. О т в е т . 9,4 т/м\ 3,9 м. 4. Подпорная стена высотой 4,5 м с вертикальной задней гранью поддерживает горизонтальную песчаную насыпь, имеющую объемный вес 1,84 т/м3 и угол внутреннего трения <р , равный 32°. Значение & составляет 20°. Вертикальная нагрузка 7,44 т на 1 м должна быть приложена вдоль линии, параллельной гребню стены. Чему равняется минимальное горизонтальное расстояние, на котором должна находиться нагрузка от задней грани стены без увеличения давления грунта на стену? О т в е т . 4,9 м. 5. Если засыпка в задаче 3 не несет никакой дополнительной нагрузки, то чему равняется величина активного давления грунта. Сопоставить графический расчет по Кульману с результатом расчета по графикам (рис. 67). О т в е т . 7,2 т/м. § 27. ТОЧКА ПРИЛОЖЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ГРУНТА Способ, описанный в § 26, позволяет определить величину полного давления грунта при условии, если его направление известно. Однако этот способ не позволяет установить точку приложения давления. Чтобы ответить на этот вопррс, Кулон принял, что каждая точка на задней грани стены является основанием возможной поверхности скольжения. На- § 27. ТОЧКА ПРИЛОЖЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ГРУНТА 191 пример, точка d на кривой ab иа рис. 68, а обозначает нижний конец возможной поверхности скольжения de. Давление грунта Pa на ad м о ж е т быть вычислено по способу Кульмана, как это описано в § 26. Если глубина основания а) с Рис. 68. Схемы упрощенного определения точки приложения равнодействующей активного давления грунта поверхности скольжения увеличивается от z до z+dz, то давление земли возрастает на dpA = PAdz > где р А является средней интенсивностью давления на участке dz. Поэтому PA dz • (27.1) С помощью этого уравнения может быть найдено распределение давления грунта по задней грани стены. Когда распределение известно, точка приложения равнодействующей может быть найдена с помощью соответствующего аналитического или графического метода. В любой точке линия действия дасления рА составляет угол 8 с н о р м а л ь ю к задней грани стены. 192 ГЛАВА IV. ПЛАСТИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ В ГРУНТАХ Практически этот метод является довольно громоздким. Поэтому употребляются упрощенные приемы, которые дают приблизительно те же результаты. Например, на рис. 68, а точка приложения Oi находится приблизительно у точки пе- ресечения задней грани стены и линии OOu которая /парал- лельна поверхности скольжения be и которая проходит через центр тяжести О клина скольжения abc. Рис. 68,6 и s иллюстрируют упрощенный метод опреде- ления (положения точки приложения дополнительного давле- ния APa ,вызванного линейной нагрузкой q'. Линии be, be" и т. д. соответствуют линиям be, be" и т. д. на рис. 66. Если q' действует между а и с" (ряс. 68, б), то Ь'с' проводится параллельно !плоскости скольжения be" и а'с' проводится параллельно bS, т. е. откосной линии (рис. 6 6 ) . С и л а действует в основании верхней трети участка а ' Ь \ Если q' действует м е ж д у с" и то а'с' проводится п а р а л л е л ь н о bS, а Д Pa действует в основании верхней трети участка а'Ь, к а к это показано на рис. 68,е. Все эти приемы основываются ;на допущении Кулона, что через каждую точку на задней грани стены может ,проходить поверхность скольжения. Это допущение оправдывается по отношению к (подпорным стенам, потому что ни одна стена не может разрушиться, не испытав такой подвижки, при которой удовлетворяются деформативные условия пластического состояния. Однако Кулон не указал этих деформативных условий. Вследствие этого его теория обычно использовалась для вычисления активного давления грунта на боковые ограждения и в тех случаях, когда не удовлетворялись деформативные условия, как например, при креплении котлованов (см. § 32). Поскольку было установлено, что в таких случаях результаты расчетов не совпадают с действительностью, многие опытные инженеры приходили к выводу, что теория, как таковая, является ненадежной. Поэтому следует особо подчеркнуть, что теория Кулона не менее удовлетворительна, чем любая другая теория в строительной механике, если только удовлетворяются требуемые деформативные условия. Задачи 1. На каком расстоянии от ииза подпорной стеиы в задаче 2, § 26, действует равнодействующая давления грунта? О т в е т . 3,28 At. 2. Требуется определить точку приложения добавочного давления грунта, обусловленного каждой из двух линейных нагрузок в задаче 3, § 26, при допущении, что влияние каждой из двух нагрузок может рассматриваться отдельно. О т в е т. 3 м; 2,05 м от подошвы стеиы. § 28. ПАССИВНОЕ ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА 193 § 28. ПАССИВНОЕ ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА НА ШЕРОХОВАТЫЕ КОНТАКТНЫЕ ПОВЕРХНОСТИ Определение В гамом широком смысле термин «пассивное давление грунта» означает сопротивление массы грунта перемещению при действии бокового давления. Боковое давление на грунт В) Рис. 69 а и б — схемы, иллюстрирующие основные допущения теории пассивного давления грунта по Кулону; в — график для определения коэффициентов при расчете пассивного давления грунта может создаваться фундаментом подпорной стены, внешней стороной нижней части шпунтового ограждения, массивом из кладки (например, устоем арки), либо также массивом грунта, который развивает горизонтальное давление, когда он несет вертикальную нагрузку. Грунт под загруженным фундаментом ведет себя именно таким образом. Поскольку устойчивость почти любого бокового ограждения и несущая способность всякого мелко заложенного фундамента зависят в известной степени от пассивного давления грунта, то расчет этого давления имеет первостепенное практическое значение. 194 ГЛАВА IV. ПЛАСТИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ В ГРУНТАХ Поверхность соприкосновения между грунтом и конструкцией, которая оказывает горизонтальное давление, называется , к о н т а к т н о й ! п о в е р х н о с т ь ю . Кулон рассчитал пассивное давление грунта на шероховатую контактную поверхность на основании упрощающего допущения, что поверхность скольжения является плоской (рис. 6 9 , а и б). Однако ошибка, обусловленная этим допущением, не идет в запас устойчивости. Если угол внешнего трения небольшой, то поверхность скольжения в действительности будет почти плоской, и ошибка в этом случае является терпимой. Однако если 8 велико, то ошибка будет чрезмерной, и в этом случае методом Кулона пользоваться не следует. Пассивное давление песка по теории Кулона Значение пассивного давления грунта по Кулону может быть определено графически способом Кульмана. Проведение этого определения тождественно с описанным в § 26, за исключением того, что откосная линия bS (рис. 65, в) должна быть проведена под углом книзу, а не кверху, от горизонтали. Рис. 69, в иллюстрирует влияние угла внешнего трения 8 на величину пассивного давления грунта по Кулону. Согласно графику, давление быстро увеличивается с увеличением угла внешнего трения. Однако, если 8 больше, чем примерно ср/3, то поверхность скольжения сильно искривляется (рис. 64, в). Вследствие этого ошибка, вызванная допущением Кулона о плоской поверхности, быстро возрастает. Д л я § = <р она может доходить до 30%. Следовательно, для значений 8 больших, чем ср/3, д о л ж н а приниматься во внимание кривийна поверхности скольжения. Пассивное давление связных грунтов Чтобы продемонстрировать методы определения пассивного давления грунта без допущения о плоской поверхности скольжения, рассмотрим задачу, приведенную на рис. 70. На этом рисунке ab является контактной поверхностью, которая смещается в сторону массива идеального связного грунта. Сопротивление сдвигу этого грунта определяется уравнением s=c+ptgcp. (15.2) Поверхность грунта горизонтальна. Угол внешнего трения обозначается о, а суммарное сцепление между грунтом и контактной поверхностью — через C a . Действительной поверхностью скольжения является bde. Она состоит из кри- § 28. ПАССИВНОЕ ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА 195 волинейной части bd и прямого участка de. Согласно § 25 грунт в пределах равнобедренного треугольника ade находится в пассивном ренкиновском состоянии. Поэтому напряжения сдвига в вертикальном сечении df равны нулю, а давление Pd на это сечение будет горизонтальным. Оно может о a, f е Рис. 70. Исходная схема для расчета пассивного давления грунта на шероховатые контактные поверхности быть рассчитано по уравнению (24.16). На массу грунта abdf действуют следующие силы: собственный вес W; давление Pd', равнодействующая сцепления С вдоль bd; адгезия (внешнее сцепление) C 0 вдоль ab; равнодействующая F нормальных напряжений и сил трения по bd; равнодействующая Pp нормальных и касательных составляющих пассивного давления грунта. Поскольку точка приложения Pp неизвестна, мы прибегаем к (приближениям, рассмотренным в конце § 24, и заменяем Pp д в у м я силами: Pp и Pp. К а ж д а я из этих сил действует под углом § с нормалью к контактной поверхности. Сила Pp находится в равновесии с весом массы abdf и трением, вызванным этим весом. Сила Р"р находится в равновесии со сцеплением по поверхности скольжения и трением, вызванным всеми остальными силами, кроме веса. С и л а Pp действует на границе нижней трети стены ab, в то время как P p приложено в средней точке. Поскольку точки приложения и направления этих сил известны, мы можем определить каждую из них в отдельности. Равнодействующая этих двух сил представляет собой пассивное давление грунта Ppt Методы определения действительной формы поверхности скольжения настолько сложны, что для практических целей они непригодны. Однако достаточно точные результаты могут быть получены в результате упрощающего допущения, что криволинейная часть bd действительной поверхности сколь- 196 ГЛАВА IV. ПЛАСТИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ В ГРУНТАХ жения является либо дугой круга, либо логарифмической спиралью, которая имеет уравнение г = (28.1) где е—основание натуральных логарифмов. В дальнейшем .принято, что криволинейная часть поверх- ности скольжения является логарифмической спиралью. Поскольку эта спираль является касательной в точке d к п р я м о м у участку de ,поверхности скольжения, центр О спира- ли д о л ж е н быть р а с п о л о ж е н на линии aD (рис. 70), к о т о р а я наклонена под углом 45°—ср/2 к горизонтали. Согласно урав- нению (28.1) к а ж д ы й р а д и у с спирали составляет угол <р с нормалью к спирали в точке, где он пересекается с кривой. П о с к о л ь к у <р я в л я е т с я углом внутреннего трения, равнодей- с т в у ю щ а я dF н о р м а л ь н ы х н а п р я ж е н и й и сил трения по любо- му элементу поверхности с к о л ь ж е н и я т а к ж е о б р а з у е т угол <р с нормалью к этому элементу. Следовательно, ее направле- ние совпадает с направлением радиуса спирали в данной точке. Так как каждый радиус спирали проходит через точ- ку О, то р а в н о д е й с т в у ю щ а я F н о р м а л ь н ы х сил и сил т р е н и я Tio bd т а к ж е проходит через центр О. Ч т о б ы определить Р'р (значение Pp при с = 0), мы про- извольно выбираем поверхность скольжения bdxex (рис. 71, а), состоящую из л о г а р и ф м и ч е с к о й опирали bd\ с центром в О и и п р я м о й линии d хех, к о т о р а я о б р а з у е т угол 45°—• ®/2 с горизонталью. Боковое давление, которое тре- буется, чтобы вызвать скольжение по этой поверхности, о б о з н а ч и м через Pi'. З а т е м мы о п р е д е л я е м силу P'dV к о т о р а я действует в нижней трети fxd\, с помощью у р а в н е н и я = -IhI1^- Н а к о н е ц , мы находим моменты с и л Px' P'dX,WX сительно Ox. Т а к к а к момент Fx относительно нулю, то откуда Р[ I1 = W1I2 + Pdx Ii, и Fx отноO1 равен pI=XW* +pM- (28-2) Величина Px о т к л а д ы в а е т с я в некотором м а с ш т а б е н а д f 1- О н а о б о з н а ч а е т с я точкой C1'. Аналогичные вычисления выполняются и для других произвольно выбранных поверхностей с к о л ь ж е н и я . З а т е м через точки Cx' и т. д. проводится кривая P'. Если груш не имеет сцепления (с=0), то вторая компонента Р"р пассивного д а в л е н и я грунта Pp р а в н а нулю, и значение Pp равно м и н и м а л ь н о й ординате кривой P' в § 28. ПАССИВНОЕ ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА 197 точке С'. Поверхность скольжения проходит через точку d, которая расположена н а пересечении CtD с вертикалью С'. Если грунт обладает сцеплением, мы должны определить т а к ж е и Pp (значение Pp при -f = 0 ) . Чтобы рассчитать значение Pi", которое соответствует произвольной поверхности Рис. 71. Метод логарифмической спирали для определения пассивного давления грунта а — силы, которые входят в расчет давления, обусловленного весом грунта при. с=0; 6 — силы, которые входят в расчет давления, обусловленного трением и сцеплением при 7 — 0; в — построение, и л л ю с т р и р у ю щ е е определение момента, обуслов- ленного сцеплением скольжения bdYeY, мы д о л ж н ы рассмотреть силы, включаемые в расчет (рис. 71,6). Значение Pdl определяется в результате подстановки т = 0 ; <7=0 и H=Hdl в уравнение (24.15). Следовательно: Pdi = 2cHdlV~N^ 198 ГЛАВА IV. ПЛАСТИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ В ГРУНТАХ Точка приложения этой силы расположена посредине высоты Gfif1. Влияние сцепления вдоль кривой bds может быть определено в результате рассмотрения элемента, имеющего длину ds (рис. 71, в ) . Сцепление вдоль длины ds равно с • ds. Момент с • ds относительно Oi будет аIMc = reds cos tp =rc cos f = cr2dd C OStf и момент всей силы сцепления по bd\ будет Ma= j dMc= JL-(r\-rl). о (28.3) Сила Fi" проходит через O1. Находя моменты относительно этой точки, мы получаем Р\ h = M 1 - ^ 1 Z 3 , откуда Pl = ± { M a + P'dll3). (28.4) Н а рис. 71, а значение Р\" нанесено в масштабе н а д точкой Ci'. Поскольку Я / и P i " представляют собой силы, которые требуются, чтобы преодолеть обе части сопротивления сдвигу вдоль одной и той же поверхности bdieu ордината точки Ci изображает полную величину силы, которая требуется, чтобы вызвать скольжение вдоль этой поверхности. Аналогично получаются значения Р" для других произвольных поверхностей скольжения, и через точки Ci и т. д. проводится к р и в а я Р. Пассивное давление грунта Pp обозначается минимальной ординатой кривой Р, и поверхность скольжения проходит через точку на прямой aD непосредственно под точкой С, в которой кривая P находится ближе всего к Ctei. Полное давление на контактную поверхность равно равнодействующей Pp и силы внешнего сцепления (адгезии) Ca. Форма криволинейной части действительной поверхности скольжения является промежуточной между дугой окружности и спиралью. Так как разница между этими двумя кривыми небольшая, то ошибкой, вызванной заменой действительной кривой окружностью либо логарифмической спиралью, можно пренебрегать. Действительно, сравнение приближенного и точного методов показало, что значение пассивного давления грунта, найденное с помощью приближенных методов, является по крайней мере таким же точным, как и § 29. НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ФУНДАМЕНТОВ МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ 199 значение активного давления грунта, определенное по методу Кулона, в котором принимается, что действительная слабо искривленная поверхность скольжения является плоскостью. Приведенные выше исследования основываются на допущении, что масса грунта, примыкающая к контактной поверхности, отжимается в положение, находящееся за пределами aibi (рис. 70). Если верхняя часть поверхности контакта не доходит до ct\bu то поверхность скольжения будет криволинейной по всей своей длине, и только самая нижняя часть сдвигающейся массы переходит в пассивное ренкиновское состояние. Если нижняя часть контактной поверхности останавливается в непосредственной близости к а\Ь\, то грунт, примыкающий к этой части, вообще не переходит в состояние пластического равновесия. В этих случаях полное пассивное давление грунта и его распределение по контактной поверхности зависит от характера ограничений, наложенных па смещение этой поверхности. Задачи 1. Построить логарифмическую спираль п р и ? = 3 6 ° . Значение г0 следует принять равным 2,5 см; значения в находятся в пределах от —30 до 270°. 2. Требуется вычислить с помощью метода логарифмической спирали полное пассивное давление грунта иа вертикальную поверхность контакта с песчаной засыпкой, имеющей горизонтальную поверхность. Поверхность контакта имеет высоту 6 м. Угол внешнего трения составляет +20°. Насыпка имеет объемный вес 1,79 т/м3 И угол внутреннего трения, равный 36°. Чтобы облегчить использование спирали, построенной в задаче 1, графическое построение следует выполнить на кальке. Воспользуйтесь масштабом 1 см — 1 м. О т в е т . 260 т/м. 3. Найти значение пассивного давления грунта в задаче 2, принимая, что поверхность скольжении плоская. О т в е т . 290 т/м. 4. Определить пассивное давление грунта на контактную поверхность в задаче 2, если кроме внутреннего трения грунт обладает сцеплением, равным 0,25 кг/см2. Внешнее сцепление между грунтом и контактной поиерхностыо также равно 0,25 кг/см2. Найти точку приложения давления грунта Pp. О т в е т . 380 т/м; 2,4 м. § 29. НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ФУНДАМЕНТОВ МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ Основные допущения Когда нагрузка прикладывается к ограниченной части поверхности грунта, последняя садится. Зависимость между осадкой и средним давлением на единицу площади может быть выражена к р и в о й о с а д к и (рис. 72). Если грунт достаточно плотный или жесткий, то кривая осадки будет похожа на кривую C1. Абсцисса qd вертикальной касательной к 199 ГЛАВА IV. ПЛАСТИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ В ГРУНТАХ кривой выражает н е с у щ у ю с п о с о б н о с т ь грунта. Если грунт рыхлый или весьма мягкий, то кривая осадки может оказаться аналогичной C2, и несущая способность не всегда будет четко выражена. Обычно принимается, что несущая способность таких грунтов р а в н а абсциссе q'd точки, в которой кривая осадки становится круто падающей и прямолинейной. Интенсивность нагрузки Id 4d 0,2 B- Q OMB rQg 'оев о,ев В-ширима опоры Рис. 72. Соотношение между интенсивностью нагрузки и осадкой фундамента T щшт Htfin Рис. 73. Сечение ленточного фундамента мелкого заложейия Практически нагрузка передается на грунт с помощью фундаментов, как это показано на рис. 73. Фундаменты могут быть л е н т о ч н ы м и , имеющими форму вытянутых прямоугольников, или б а ш м а к а м и , обычно квадратной или круглой формы. К р и т и ч е с к о й н а г р у з к о й называется нагрузка на единицу длины ленточного фундамента или общая нагрузка на башмак, при которой грунтовое основание разрушается. Расстояние от поверхности грунта до подошвы фундамента называется г л у б и н о й з а л о ж е н и я фундамента Df. Фундамент, который имеет ширину В. равную или большую чем Df, считается м е л к о з а л о ж е н н ы м . При расчетах, относящихся к фундаментам мелкого заложения, вес грунта выше подошвы фундамента может быть заменен равномерной дополнительной нагрузкой, называемой притру з кой: q = T-D/- (29.1) Эта замена упрощает расчеты. Ошибка, возникающая при этом, невелика и идет в запас прочности. § 29. НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ФУНДАМЕНТОВ МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ 2 0 1 Состояние пластического равновесия под ленточными фундаментами мелкого заложения Математические исследования состояния пластического равновесия под ленточными фундаментами привели к следующим общим выводам. Если подошва фундамента совершенно гладкая, то нагруженный грунт разрушается, как это Рис. 74. Границы зоны пластического равновесия после разрушения грунта под ленточным фундаментом показано на рис. 74, а, в результате пластического течения в пределах области, расположенной над составной кривой IedeJl. Эта область может быть разделена на 5 зон, одна из которых обозначена /, а две пары других зон — II и III. Сетки линий скольжения в этих зонах показаны на левой стороне рисунка. Зона I обозначает а к т и в н у ю р е н к и н о в с к у ю з о н у , а зоны III являются п а с с и в н ы м и р е н к и н о в с к и м и з о н а м и . Сетки сдвига в зонах I и III тождественны сеткам сдвига при активных и пассивных ренкиновских состояниях (§ 23). Границы активной ренкиновской зоны проходят под углом 45° + ср/2, а границы пассивной — под углом 45°—ср/2 к горизонтали. Зоны II, расположенные между зонами / и III, называются з о н а м и р а д и а л ь н о г о с д в и г а , потому что линии, которые образуют одно из направлений сдвига в этих зонах, проходят радиально от внешних краев подошвы фундамента. Эти линии почти прямые. Линии другого направления похожи на логарифми- 202 ГЛАВА IV. ПЛАСТИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ В ГРУНТАХ ческие спирали с центрами, расположенными у внешних краев подошвы фундамента. Если пренебречь весом грунта, находящегося в пределах зоны пластического равновесия (4 = 0 ) , го радиальные линии будут совершенно прямыми, а концентрические линии будут являться настоящими логарифмическими с п и р а л я м и , к а к это п о к а з а н о на рис. 74, а. Н а к о н е ц , если учитывается объемный вес грунта (т > 0 ) , но ср = 0°, то рад и а л ь н ы е линии будут п р я м ы м и , концентрические л и н и и — дугами окружности, и соответствующая несущая способность фундамента будет определяться уравнением ^ = (2 + ^ = 5 , 1 ^ = 2 , 5 7 ^ , (29.2) где с — сцепление; qu—сопротивление одноосному сжатию- На правой стороне рис. 74, а показана деформация грунта, расположенного в зоне пластического течения. Грунт, расположенный в зоне /, расширяется в горизонтальном нап р а в л е н и и . Г р у н т в з о н а х III с ж и м а е т с я в горизонтальном направлении. Его поверхность поднимается и заканчивается с боковой стороны фундамента острым краем, как если бы в грунте продавливалось отверстие штампом. Этот эффект кажущейся штамповки иногда называют к р а е в ы м эффектом. Если подошва фундамента шероховата, то трение и сцепление между грунтом и подошвой предотвращает горизонт а л ь н о е р а с ш и р е н и е . П о э т о м у грунт в о б л а с т и adb на рис. 74, б остается в упругом состоянии. Он является как бы частью фундамента и проникает в почву как клин. Поскольку клин двигается вертикально вниз, то каждая криволинейная поверхность скольжения в зоне радиального сдвига должна иметь вертикальную касательную в точке пересечения с наклонной поверхностью клина. Сами наклонные поверхности являются плоскостями радиального сдвига, образующими угол ср с горизонталью. П о э т о м у , если п о д о ш в а ф у н д а м е н т а является шероховатой, то внутренние границы зон радиального сдвига проходят не под углом 45° + ср/2 с г о р и з о н т а л ь ю , как это показано на рис. 74, а, а под угломер, как показано на рис. 74, б. Однако сетка сдвига в этих зонах и в пассивных ренкиновских зонах III идентична сетке в соответс т в у ю щ и х з о н а х на рис. 74, а. Е с л и <р = 0°, то кривые линии скольжения в зонах радиального сдвига будут дугами окружности и соответствующая несущая способность определяется, уравнением qd = 5,7с = 2,85<7„. (29.3) Деформации грунта, связанные с погружением фундамента, показаны на правой стороне рис. 74, б. § 29. НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ФУНДАМЕНТОВ МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ 2 0 3 Приближенные методы расчета несущей способности ленточных фундаментов Подошвы реальных фундаментов являются шероховатыми. Поэтому грунт под фундаментами разрушается, как это указано на рис. 74,6. Точные способы расчета несущей способности шероховатых фундаментов пока еще не разработаны, однако, для практических целей достаточно пользоваться приближенными методами. Приближенные методы основываются на том факте, что клин adb на рис. 74, б не может проникать в грунт, если давление на его наклонные грани ad и bd меньше пассивного давления примыкающего грунта. Вследствие этого несущая способность может быть определена методом, описанным в § 28. Этот метод иллюстрируется рис. 74, в, на котором дано сечение мелко заложенного ленточного фундамента шириной В. Поскольку подошва любого фундамента является шероховатой, грунт, расположенный м е ж д у ней и двумя поверхностями скольжения ad и bd, остается в состоянии упругого равновесия и является к а к бы частью фундамента. Поверхности ad и bd проходят под углом 9 к горизонтали- Объемный вес грунта равен и грунт, расположенный выше подошвы фундамента, заменяется соответствующей равномерно распределенной пригрузкой интенсивностью j D f . В момент разрушения на каждую из граней ad и bd действует равнодействующая пассивного давления Pp и сила сцепления Ca. Поскольку скольжение происходит вдоль этих граней, равнодействующая давления земли направлена под углом <р к нормали и, следовательно, вертикально. Если весом грунта adb пренебречь, то равновесие фундамента требует, чтобы Qd = 2 P p - f 2Са sin ср = 2 P p Bctg ср. (29.4) Следовательно, задача сводится к определению пассивного давления грунта Pp. Пассивное давление грунта, которое требуется, чтобы вызвать скольжение по def, может быть р а з л о ж е н о на две части: Pp и Pp (см. § 28). Сила Р'р обозначает сопротивление, оказываемое весом массы adef. Точка приложения Pp находится в нижней трети прямой ad. С о с т а в л я ю щ а я пассивного давления Pp может быть в свою очередь разложена на две части. Одна часть Pc вызвана сцеплением. Она соответствует прямоугольнику abed на рис. 63, б. В т о р а я часть Pq вызвана пригрузкой <7= "{Df. Она соответствует прямоугольнику cc]d2d на рис. 63,6. Поскольку оба давления Pc и Pq распределены равномерно, точка их приложения находится посредине поверхности ad на рис. 74, е. Следовательно, значе- 204 ГЛАВА IV. ПЛАСТИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ В ГРУНТАХ ние несущей способности может быть найдено путем подстановки вместо Pp в уравнение (29-4) Р'р + Pc+ Pq. Таким образом; Qd = 2 ( > ; + Pc + P4 + ± Bctgf ). 60 SO 40 30 20 Ю Значения Nr и Nq О ZO ¢0 SO SD Значения Ny Рис. 75. График зависимости между <р и коэффициентами несущей способности Нагруженная полоса шириной В; разрушение с общим выпорои: Qd = В (cNc + IDfNq + Vg -IBN1)-, разрушение при внутреннем сдвиге: Qd = B^f3CNc + -IDfNq + Квадратная опора шириной В; полная критическая нагрузка: Qds = B\\,3cNc + -JDfN4 + 0,4-;BNJ Введя в это уравнение обозначения: A ^ f f + tg,; IDfB ' 4 Pp мы получим Qa = В (cNc + -',DfNll + - L . (29.5) Величины Ncy Nq и N^ называются к о э ф ф и ц и е н т а м и н е с у щ е й с п о с о б н о с т и . Это безразмерные величины, § 29. НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ФУНДАМЕНТОВ МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ 204 которые зависят только от T- Поэтому они могут быть вычислены раз и навсегда с помощью методов, приведенных в § 28, и нанесены на график. Сплошные кривые на рис. 75 выражают зависимость между коэффициентами несущей способности и величиной ср. Использование графика на рис. 75 значительно облегчает вычисление несущей способности Qd. Р е з у л ь т а т ы являются только приближенными, потому что поверхности скольжения, которые соответствуют каждой в отдельности составляющей Pp , Pc и Pq, не совпадают с поверхностью, которая соответствует равнодействующей пассивного давления Pp. Однако ошибка является незначительной и к тому же идет в запас устойчивости. Грунт разрушается, к а к показано на рис- 74, в, только в тех случаях, когда он очень плотный или жесткий, и его кривая осадки похожа на кривую C1 (рис. 72). Иначе фундамент погружается в грунт, прежде чем состояние пластического равновесия распространится за пределы е и ех (рис. 74) и соответствующая кривая осадки не имеет четкого перегиба (кривая C2 на рис. 72). Приближенное значение несущей способности Qd ленточных фундаментов на таких грунтах может быть получено в результате допущения, что сцепление и трение грунта равны двум третям соответствующих значений в уравнении Кулона: с' = с; О (29.6а) tg?'= -f-tg?. (29.66) Если угол внутреннего трения будет <р' вместо <р, то коэффициенты несущей способности принимают значения N'ct N' и N^, которые даются пунктирными кривыми на рис. 75. Несущая способность в этом случае определяется по формуле % = в ( - f - cN'c + т D f N q + - i - т B N ) . (29.7) Опыт показал, что даже равномерно нагруженные фундаменты при разрушении наклоняются. Однако этот факт не противоречит предыдущим рассуждениям- Он только показывает, что не существует совершенно однородных грунтов. С увеличением нагрузки осадки над самой слабой частью основания растут быстрее, чем осадки над остальной его частью. Вследствие наклона центр тяжести сооружения перемещается в сторону слабой части, что увеличивает давление на нее, в то время как давление на более прочную часть уменьшается. Эти обстоятельства почти исключают возможность разрушения без наклона. 206 ГЛАВА IV. ПЛАСТИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ В ГРУНТАХ Несущая способность круглых и квадратных фундаментов Все приведенные выше рассуждения относятся к ленточным фундаментам. Для расчета несущей способности башмаков с квадратной или круглой подошвой до сих пор не разработана даже приближенная теория. На основании экспериментов было предложено следующее полуэмпирическое уравнение д л я несущей способности Qar круглого ф у н д а м е н т а с радиусом г, находящегося на достаточно плотном или жестком грунте: ¢^ = ^ ( 1 , 3 ^ + 7 ^ + 0 , 6 ^ ) или qdr = l,3c/V, + -DfN4 + 0,6тг.Vt . Соответствующее значение для квадратных (BxB) на плотном или жестком грунте будет qds = l,3cNc + тDfNq + 0 , 4 T £ W t . (29.8) (29.9) фундаментов (29.10) Значения N даются ординатами сплошных кривых на рис. 75. Если с > 0, ср = 0 и £ > / = 0 , то мы получим д л я несущей способности значение cIdr — Qds — 7,4с = 3,79ц, (29.11) которое будет значительно большим, чем значение qd — 5,7 с по уравнению (29.3)- С другой стороны, если с = 0 и Df = 0, то несущая способность qdr на единицу площади будет значительно меньше, чем qd для ленточного фундамента с шириной, равной диаметру круглого фундамента. Если грунт основания является сравнительно рыхлым или мягким, то значения N должны быть заменены значениями N', определенными по пунктирным кривым на рис. 75, а значение с д о л ж н о быть заменено значением с' [уравнение (29.6а)]. Практическое использование уравнений и графиков Несущая способность фундаментов на мягкой глине определяется уравнением (29.3) для ленточных фундаментов или уравнением (29.11) для квадратных фундаментов- Значение qu в этих уравнениях в ы р а ж а е т среднее сопротивление одноосному сжатию глины, расположенной в пределах зоны возможного пластического течения. Несущая способность фундаментов на песке без сцепления или со сцеплением определяется с помощью уравнения (29.5) для ленточных фундаментов или уравнения (29.10) для квадратных фундаментов. З н а ч е н и я Nc, Nq и N в этих уравнениях з а в и с я т от угла внутреннего трения ср песка. З н а ч е н и е <р может быть принято § 29. НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ФУНДАМЕНТОВ МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ 2 0 7 на основе цифровых данных, имеющихся в § 15. После того как значение <р выбрано, соответствующие значения Nct N9 и N^ могут быть найдены без вычислений с помощью графика (рис. 75). Предельная несущая способность фундаментов на сухом несвязном песке определяется уравнениями: для ленточных фундаментов qd=l(DfN4 + 0,bBN,y, для квадратных фундаментов qd, = T [OfNll -+ 0,4В/Vt ). В этих уравнениях ? — объемный вес сухого песка- Если уровень воды поднимается до глубины меньшей В, считая от подошвы фундамента вниз, то объемный вес песка у уменьшается с учетом взвешивания до 7'. В соответствии с § 12 взвешенный объемный вес приблизительно равен половине Следовательно, подъем уровня грунтовых вод к поверхности грунта уменьшает несущую способность фундаментов примерно на 50%. Распределение давления грунта по подошве фундамента Распределение критической нагрузки Qd по подошве фундамента зависит от характера влияния нормального напряжения на сопротивление сдвигу грунта и от глубины заложения фундамента DF. Оно м о ж е т быть определено приближенно с помощью метода, аналогичного методу, используемому для определения точки приложения равнодействующей пассивного давления грунта (см. § 24). Этот метод иллюстрируется рис. 76, относящимся к ленточному фундаменту на грунте, д л я которого <р больше нуля- С н а ч а л а находят распределение Q" той части нагрузки Qd , которая обусловливается только сцеплением с и пригрузкой Df. Принимается, что объемный вес грунта, расположенного ниже подошвы фундамента, равен нулю. Соответствующая часть Р"р пассивного давления грунта на наклонную грань db (рис. 76, а) действует посредине db. Аналогично, реакция Р"Е, действующая на вертикальное сечение Od, прил о ж е н а вблизи от середины Od. Поэтому силы Р"р, Р"Е и Ca практически пересекаются в точке е. Д л я равновесия направление Q" д о л ж н о проходить через точку е. Поскольку внешнее сцепление по Ob обусловливает наклон Q", вертикальная компонента Q" д о л ж н а действовать справа от середины Ob, и вследствие этого эпюра распределения давления по подошве ф у н д а м е н т а д о л ж н а иметь вид Obsr. В соответствии с уравнением (29.5) полная величина Q " р а в н а BeNc + B^ Df N9. 208 ГЛАВА IV. ПЛАСТИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ В ГРУНТАХ Д а л ь ш е следует определить распределение Q' той части нагрузки Q1d, которая в ы з ы в а е т с я только весом грунта, расположенного ниже подошвы фундамента. Поскольку при этом предполагается, что с = 0 и q =^Df= 0, соответствующая часть Pp пассивного давления грунта приложена в нижней У'0п W с-О.П/'О В) о- Рис. 76. Распределение контактного давления в момент разрушения основания под ленточным фунда- ментом а — н а связном невесомом грунте; б — на несвязном весомом грунте; в — на связном весомом грунте трети прямой db (рис. 76, б) и распределение контактного давления аналогично эпюре Obr. П о л н а я величина Q' равна Распределение полной критической нагрузки Qd получается в результате соединения двух эпюр давлений, представленных на рис. 76, а и б. Оно показано на рис. 76, в. Рассуждение, которое приводит к этому построению, основывается на допущении, что сопротивление сдвигу грунта § 30. НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ СВАЯ И ОПОР 209 полностью исчерпано. Поэтому выводы не имеют силы, если нагрузка меньше критической. Распределение давления по подошве умеренно нагруженных фундаментов рассматривается в § 37. Задачи 1. Требуется рассчитать несущую способность на единицу площади ленточного фундамента шириной 2,4 м, опирающегося на грунт, для которого с = 0,2 кг/см2, <р = 17° и Y = 1,92 т/м3. Кривая осадки аналогична Ci на рис. 72, а соотношение между нормальным напряжением и сопротивлением сдвигу s = c-J-p tg 53°; б — соотношение между углом откоса ,3 и коэффициентом глубины nd для различ- ных значений параметра пх (по Феллениусу) жен быть определен методом попыток. Ясно, что наибольшая часть действительной поверхности скольжения будет проходить в пределах самого мягкого слоя. Поэтому пробная окружность должна также удовлетворять этому условию. Если один из верхних слоев является относительно мягким, то наличие материка на значительной глубине можно не § 31. УСТОЙЧИВОСТЬ откосов 223 принимать во внимание, потому что' самая глубокая часть поверхности скольжения будет расположена, очевидно, полностью в пределах наиболее мягкого слоя. Например, если сцепление Ci второго слоя на рис. 82 значительно меньше, чем сцепление C3 третьего слоя, то критический круг будет касательным к верхней поверхности третьего слоя, а не к материку. Рис. 82. Сдвиг основания в слоистом связном грунте Для каждого пробного круга мы рассчитываем среднее касательное напряжение t, которое д о л ж н о действовать вдоль поверхности скольжения, чтобы уравновесить разность моментов Wili сдвигающей силы и сил сопротивления W2kЗначение t будет t_ WyI1-WA т ab Затем, з н а я величины сь Сг и т. д., мы высчитываем среднее значение сцепления с грунта вдоль поверхности скольжения. Коэффициент устойчивости откоса против скольжения вдоль круговой пробной поверхности будет Gs = Y ' (31,4) Значение Gs надписывается у центра круга. После того как определены значения Gs для различных пробных кругов, на чертеже строятся кривые равных значений Gs (рис. 82). Эти кривые можно рассматривать как своеобразные горизон- тали. Центр критического круга расположен в самой нижней точке депрессии. Соответствующее значение G^min и является коэффициентом устойчивости откоса против скольжения. 224 ГЛАВА IV. ПЛАСТИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ В ГРУНТАХ Откосы в грунтах со сцеплением и внутренним трением Сопротивление сдвигу сухих или влажных грунтов со сцеплением, расположенных выше уровня воды, может быть выражено приближенно уравнением s = с + ptg®. а) Круг —So, трения V/ Угол откосо /3 Рис. 83. Сдвиг откосов в связном материале с трением а —схема, иллюстрирующая метод круга трения; б — соотношение между углом откоса P и фактором устойчивости N для раз- личных значений у (по Тэйдору) Значения с и в и m v для к а ж д о г о слоя отдельно. С другой стороны, мы можем заменить уравнение (36-1) более общим уравнением 2 н S = j rnvPvdz, о в котором mv и pv представляют собой, соответственно, коэффициент объемной сжимаемости и дополнительное вертикальное давление на любой глубине 2 ниже точки, в которой должна быть рассчитана осадка. Интегрирование производится графически, как это показано на рис. 93. Дополнительное вертикальное давление pv на любой глубине под заданной точкой обозначается шириной заштрихованной площади на рис. 93, а. Чтобы определить правую границу заштрихованной площади, значение p v должно быть вычислено для нескольких значений 2 ниже точки, в которой определяется осадка. В результате нанесения значений mv в качестве § 36. ОСАДКА ФУНДАМЕНТОВ 247 абсцисс и глубин в качестве ординат получается кривая на рис. 93,6. Ширина заштрихованной площади на рис. 93, в на глубине 2 делается равной произведению mv pv. Поэтому вся заштрихованная площадь численно равна осадке S. Сжатие слоя глины сопровождается уменьшением ее влажности. Вследствие низкой проницаемости глины избыток воды исчезает очень медленно, что замедляет сжатие (см. § 14). Методы вычисления скорости осадки приведены в § 41. Однако в любой момент времени осадка равномерно нагруженной площади имеет форму желоба или чаши, так как вертикальное давление в сжимаемых слоях является максимальным у центра и уменьшается по направлению к краям площади (см. рис. 92,6). Фундаменты на неслоистом грунте Если основание является относительно однородным, то вес здания вызывает не только компрессию подстилающего грунта, но т а к ж е выжимание его в горизонтальном направлении. Поэтому одна часть осадки может рассматриваться как вертикальное сжатие нагруженного слоя, вызванное уменьшением объема, а другая — как дополнительное сжатие, вызванное горизонтальным выжиманием грунта. Если бы основание было идеально упругим и однородным до очень большой глубины, осадка, обусловленная выжиманием, была бы значительно большей, чем осадка за счет уменьшения объема. При заданной интенсивности нагрузки осадка нагруженных поверхностей, имеющих одну и ту же форму, как правило, увеличивается пропорционально ширине площадей. Рассматривая осадку нагруженных площадей на различных грунтах, необходимо иметь в виду, что в случае глины осадка за счет горизонтального выжимания является обычно небольшой по сравнению с общей осадкой. По этой причине осадка фундаментов даже на мощных пластах глины может быть определена, по крайней мере приближенно, методом, описанным в начале главы. С другой стороны, если фундамент покоится на пластах неорганического ила или песка, то вторая часть осадки будет, по-видимому, значительно больше, чем первая. Чтобы определить влияние размеров нагруженной площади и положения уровня воды на осадку фундамента на песке без сцепления, мы должны рассмотреть факторы, которые предопределяют деформативные свойства песка (§ 18). Теоретические исследования соотношений между напряжениями и деформациями, так же как и лабораторные испытания и наблюдения в естественных условиях, привели к следующим выводам. 248 ГЛАВА V. ОСАДКИ И КОНТАКТНОЕ ДАВЛЕНИЕ Осадка фундамента шириной В уменьшается с увеличе- нием среднего значения н а ч а л ь н о г о касательного м о д у л я E1 слоя песка толщиной около В, р а с п о л о ж е н н о г о под подошвой фундамента. Согласно рис. 42, касательный модуль песка воз- растает с увеличением эффективного бокового давления. На любой заданной глубине ниже поверхности песка эффектив- ное боковое давление примерно пропорционально эффектив- ному давлению вышележа- Интенсивность ^ щей нагрузки. Если уровень нагрузки воды поднимается кповерх- /'^Мягная HОСТИ песка С ГЛубнПЫ бОЛЬ- I X глина шей, чем В, с ч и т а я от по- 'есо" дошвы фундамента, то эффективное давление умень- шается примерно на 50% (§ 12). Поэтому осадка уве- личивается приблизитель- - НО на 100%. Wuuunu в кваОичптоаи ц1Чмоа1емпш ПрИ ЗаДЗННОЙ НЭГруЗКе Рис. 94. Соотношение между шИ- на единицу площади основания толща песка, подвер- драимн оенит а с т и о р оо нсаыд кковйа д рпартин о гоод н офйу н- и Жж Ре „н „нПо Гг По иинн тт ее нн сс ии вв нн оо мм уу се жж яа - той же интенсивности нагрузки т и ю и деформациям, увели- чивается с увеличением ши- рины фундамента. С другой стороны, предельная несущая способность фундамента и средний начальный касательный модуль песка тоже уве- личиваются. Вследствие сочетания этих различных факто- ров нагрузка на единицу площади, которая требуется, чтобы вызвать данную осадку, изменяется с шириной фундамента приблизительно так, как это показано сплошной кривой на рис. 94. Н а практике величина осадки фундамента на песке не мо- жет быть установлена на основе результатов лабораторных испытаний образцов грунта. Однако она может быть грубо оценена с помощью полуэмпирических правил, основанных отчасти на упомянутых выше общих соотношениях, а отчасти на данных наблюдений за осадками и на результатах простых полевых испытаний, как например испытания на пенетрацию (§ 54 и 55). Задачи 1. Слой мягкой глины, описанный в задаче 3 (§ 35), имеет влажность 45%. Удельный вес глины составляет 2,7 г/см3, а объемный вес плотного песка равен 2,08 т/м3. Уровень воды находится на поверхности грунта. Из результатов испытаний на компрессию было найдено, что CC равно 0,5. Рассчитать осадку края и центра сооружения. О т в е т . 22; 31 см. 2. Равномерно распределенная нагрузка, равная 14,6 т/м2, действует по очень большой площади поверхности грунта. Основание состоит из пласта плотного песка, содержащего два слоя глины по 3 м толщиной § 37. КОНТАКТНОЕ ДАВЛЕНИЕ И ТЕОРИИ УПРУГОЙ ПОСТЕЛИ 249 каждый. Кровля верхнего слоя расположена на глубине 6 л», а нижнего слоя — на глубине 21 м. Значение CC составляет 0,35 для обоих слоев. Естественная влажность и удельный вес составляют 34% и 2,75 Zjcmi соответственно. Песок имеет объемный вес 2 т/м3 и полностью взвешен. Чему равна осадка поверхности грунта, вызванная равномерной нагрузкой? О т в е т . 38 см. § 37. КОНТАКТНОЕ ДАВЛЕНИЕ И ТЕОРИИ УПРУГОЙ ПОСТЕЛИ Контактное давление по подошве жесткого фундамента Поскольку осадка совершенно жесткого фундамента обя- зательно равномерна, то распределение давления по подошве такого фундамента тождественно с распределением нагруз- ки, которое требуется, чтобы вызвать равномерную осадку нагруженной площади. Если грунт состоит из идеально уп- ругого материала, из глины или из песка, содержащего толстые слои мягкой глины, то равномерно нагруженная пло- щадь принимает форму мел- кой чаши или ковша. Чтобы получить равномерную осадку, необходимо было бы сместить часть нагрузки от центра на- груженной площади к краям. Следовательно, контактное давление по подошве жестко- го фундамента, который лежит на таком грунте, увеличивается от центра основания по направлению к краям. С другой стороны, если равномерно нагруженная площадка подстилается песком, осадка больше по краям, чем Рис. 95. Распределение контактного давления по подошве равномерно нагруженного жесткого фундамента очень большой длины на идеально упругом, однородном и изотропном грунте в центре. Равномерная осадка может быть получена только при таком распределении на- грузки, при котором ее интенсивность максимальна в центре и уменьшается до минимума по краям. Следовательно, рас- пределение контактного давления по подошве жесткого фун- дамента на песке имеет такой же характер. На рис. 95 пока- зан р а з р е з жесткого ленточного фундамента шириной В, ко- торый лежит на идеально упругом однородном грунте очень большой глубины. Н а г р у з к а на фундамент составляет qaB на единицу его длины. Расчет по методу теории упругости пока- зывает, что контактное давление возрастает от величины меньшей, чем OJqa в центре до бесконечно большого значе- 250 глава v. осадки и контактное давление ния у краев (рис. 95). Если фундамент лежит на реальном упругом материале, то давление у краев не может превышать н е к о т о р о г о конечного з н а ч е н и я qc, при котором м а т е р и а л переходит из упругого в полупластическое или пластическое состояние. Соответствующее распределение контактного давления показано на рис. 96, а кривой Cj. Рис. 96. Распределение контактного давления по подошве гладкого жесткого фундамента на основании из а — реального упругого материала; б — песка баз сцепления; в — грунта, имеющего промежуточный характер. Кривые Cu изображают распределение контактного давле- ния, когда нагрузка на фундамент достигла предельного значения Если н а г р у з к а на ф у н д а м е н т (рис. 96, а) увеличивается, то состояние пластического равновесия распространяется от краев, и распределение контактного давления изменяется. Если подошва фундамента гладкая, то распределение становится совершенно равномерным в тот момент, когда грунт разруш а е т с я в р е з у л ь т а т е пластического течения. К р и в а я Ca выражает р а с п р е д е л е н и е на этой стадии, а к р и в а я C 2 — на промежуточной стадии. Если подошва слипается с основанием, то конечное распределение аналогично распределению, показанному на рис. 76,а. Если жесткий или гибкий фундамент лежит на поверхности массы сухого несвязного песка, то согласно теории интенсивность контактного давления при любой нагрузке уменьшается от максимума в центре до нуля у краев, как это показано на рис. 96, б. Экспериментальные исследования привели к т а к о м у нее з а к л ю ч е н и ю . Рис. 96, в дает распределение давления по подошве фундамента, поддерживаемого грунтом, промежуточным по своему характеру, между чисто связными грунтами и чисто сыпучими. При небольших нагрузках контактное давление увеличивается от центра по направлению к краям фундамента (кривая Ci). По мере того как нагрузка увеличивается, давление § 37. контактное давление и теории упругой постели 251 в центре тоже увеличивается, в то время как давление у краев остается без изменения. В момент разрушения давление уменьшается от центра по направлению к краям, как это показывает кривая Cu. Понятие'о реакции упругой постели Рис. 96 показывает, что соотношение между деформативными характеристиками основания и контактным давлением по подошве идеально жесткого фундамента является далеко не простым. Если фундамент не жесткий, то это соотношение становится еще более сложным. Поэтому даже грубое определение эпюры действительного контактного давления является чрезвычайно громоздким. Однако, не зная, хотя бы приближенно, контактного давления, нельзя проектировать и фундаментные плиты. Поэтому общепринято, да и необходимо, определять контактное давление на основе упрощающих допущений и компенсировать ошибку, вызванную этими допущениями, путем введения соответствующего коэффициента запаса. Упрощенные приемы основываются на произвольном и неточном допущении, что осадка 5 любого элемента загруженной площади абсолютно не зависит от нагрузки на примыкающие элементы. Далее принимается, в отличие от действительности, что соотношение Xs= f (37.1) между интенсивностью р давления на элемент и соответс т в у ю щ е й осадкой S будет постоянным и р а в н ы м Ks г!смъ. В отличие от действительного контактного давления, которое действует по п о д о ш в е ф у н д а м е н т а , в о о б р а ж а е м о е д а в л е н и е р, которое удовлетворяет уравнению (37.1), называется р е а к ц и е й у п р у г о й п о с т е л и . Дальше в этом параграфе символ р употребляется лишь для обозначения этой реакции. Он не будет использоваться для обозначения действительного контактного давления. Коэффициент Ks называется к о э ф ф и ц и е н т о м п о с т е л и . Теории, которые основываются на указанных выше допущениях, называются теориями у п р у гой постели. Жесткие фундаменты на упругой постели В случае жесткого фундамента уравнение (37.1) приводит к заключению, что эпюра реакции р по подошве фундамента должна быть плоской, потому что жесткий фундамент остается при осадке плоским. Следовательно, чтобы рассчитать жесткий фундамент в соответствии с уравнением (37.1), мы 252 глава v. осадки и контактное давление п р и н и м а е м только, что р е а к ц и я постели имеет линейное рас- пределение. Кроме того, мы должны удовлетворить требова- ниям статики, согласно которым: 1) с у м м а р н а я р е а к ц и я р а в н а с у м м е вертикальных нагрузок, которые дей- ствуют на основание; 2) момент равнодействующей вер- тикальной нагрузки относительно про- извольной точки равен моменту сум- марной реакции основания относи- тельно этой же точки. В качестве примера рассмотрим жесткую гравитационную подпорную стенку, показанную на рис. 97. Шири- на подошвы равна В и равнодействую- щая Q вертикальных нагрузок на ос- нование действует на расстоянии а от Рис. 97. Реакция ос- внешнего ребра. Р е а к ц и я основания у нования в случае жесткой гравитационной подпорной стенки внешнего р е б р а подошвы р а в н а ра, а у внутреннего ребра подошвы — pb. В соответствии со сказанным выше при- нимаем, что распределение реакций я в л я е т с я линейным м е ж д у э т и м и д в у м я точками. С о с т а в л я е м два уравнения статики: Q= YB{Pa+Pb) (37'2) и Qa=-I о & р а + \ & о р ь . (37.3) Эти у р а в н е н и я могут быть решены относительно ра и рь. Необходимо указать, что уравнения (37.2) и (37.3) не со- д е р ж а т к о э ф ф и ц и е н т а постели Ks. Д р у г и м и с л о в а м и , распределение реакции р по подошве жесткого фундамента не зависит от степени сжимаемости основания. Этот' факт дает возможность отчетливо представить себе разницу между реакцией упругой постели и действительным контактным давлением. Е с л и р а в н о д е й с т в у ю щ а я Q н а г р у з о к на фундамент проходит через центр тяжести нагруженной площади Л, то реакция упругой постели распределяется равномерно по подошве фунд а м е н т а и повсюду р а в н а Q/A. С другой стороны, распределение действительного контактного давления по подошве того же фундамента может быть далеким от равномерного, как это показано на рис. 96. Оно зависит от деформативных характеристик грунта и от интенсивности нагрузки. Несмотря на эти явные расхождения между теорией и действительностью, теория упругой постели может быть с доста- § 37. контактное давление и теории упругой постели 253 точной степенью уверенности использована в установившихся на практике приемах проектирования фундаментов, так как ошибки не выходят за обычные пределы запаса прочности и, как правило, увеличивают его. Гибкие фундаменты на упругой постели Если фундамент или плита не являются абсолютно жест- кими, то распределение реакции зависит к а к от численного з н а ч е н и я Ks, т а к и от жесткости ф у н д а м е н т а на изгиб. Влияние этой последней иллюст- рируется рис. 98, на кото- ром показано поперечное сечение через длинную пря- моугольную упругую пла- стину. По продольной оси этой пластины приложена линейная нагрузка интен- сивностью Q. П л а с т и н а ле- жит на упругой постели. Вследствие гибкости пластины осадка уменьшается от оси к краям. Соответст- Рис. 98. Упругая плита большой длины на упругом основании под действием линейной нагрузки венно, реакция постели так- же уменьшается от максимального значения по оси до мини- мального у краев. Если пластина очень гибкая, то края могут подняться, и реакция постели под внешними полосами пла- стины может сделаться равной нулю. Во всяком случае при данной линейной нагрузке Q и заданной ширине В пластины максимальный изгибающий момент в гибкой пластине по сравнению с жесткой будет очень сильно снижен. Реакция постели в случае относительно гибких фундамен- тов может быть вычислена с помощью т е о р и и б а л о к н а с п л о ш н о й у п р у г о й п о с т е л и 1 . Эта теория основы- вается на том очевидном факте, что вертикальное пере- мещение точек фундамента, вызванное осадкой и изгибом, должно быть равным осадке поверхности грунта в тех же самых точках. Вычисление осадки поверхности грунта осно- вывается на уравнении (37.1). В противоположность уравне- ниям (37.2) и (37.3), которые относятся к жесткому фунда- менту, уравнение для расчета реакции постели в случае гиб- кого ф у н д а м е н т а всегда с о д е р ж и т к о э ф ф и ц и е н т Ks [уравнение (37.1)]. Поскольку теория балок на сплошной упругой постели основывается на уравнении (37.1), она не может быть более точной, чем теория реакции постели в случае жестких фунда- 1 В нашей литературе упругую постель часто называют Винклеровским основанием. (Ред.) 254 глава v. осадки и контактное давление ментов. Она может быть даже менее точной, так как содерж и т погрешность, с в я з а н н у ю с определением Ks. Т а к к а к эти расчеты всегда громоздки они оправдываются только в случаях, когда приводят к значительному снижению стоимости сооружения. Во всех теориях упругой постели принимается, что коэффициент Ks, который в ы р а ж а е т соотношение м е ж д у интенсивностью нагрузки на упругую постель и соответствующим вертикальным перемещением, имеет постоянное значение, зависящее только от физических свойств грунта. Однако соотношение между средней интенсивностью давления на поверхность данного тела и соответствующей осадкой не является постоянным. Для круглых фундаментов на упругом изотропном основании это соотношение уменьшается, по мере того как увеличивается радиус фундамента. Для фундамента данного размера, который покоится на грунте, оно также уменьшается с увеличением интенсивности нагрузки. Кроме того, оно является различным для различных точек основания одного и того ж е ф у н д а м е н т а . П о э т о м у определение Ks сопряжено с многочисленными погрешностями, и обычная методика этого определения путем испытания пробной нагрузкой в малом масштабе встречает те же ограничения, что и метод пробной нагрузки вообще, описанный в § 54. Задачи 1. Гравитационная подпорная стенка имеет ширину подошвы 2,4 ж. Направление равнодействующей вертикальных и горизонтальных сил пересекает подошву на расстоянии 0,9 м от внешнего ребра. Вертикальная компонента равнодействующей составляет 17,9 т/м. Чему равиа реакция постели у внешнего и внутреннего ребра подошвы? О т в е т . 1,3 кг/сж2; 0,18 кг/см2. 2. Фундамент с трапецеидальной подошвой имеет длину 3,6 м, ширину 0,9 м в одном конце и 1,8 м в другом коице. Он иесет по оси две колонны, одну на расстоянии 0,6 м от узкого коица и другую — на расстоянии 0,9 м от широкого конца. Нагрузка на первую колонну составляет 18 т, иа вторую колонну — 36 т. Если принять, что фундамент жесткий, чему равна реакция постели на каждом коице? О т в е т . 1 KZjcMi. Г Л А В А VI ГИДРАВЛИКА ГРУНТОВ § 38. ОБЛАСТЬ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ В предыдущих главах части Б рассматривались грунты, которые являются сухими, влажными или покрытыми неподвижной водой. Взаимодействие между грунтами и фильтрующейся водой не рассматривалось. Однако существует три группы задач геотехники, которые не могут быть решены без знания законов, определяющих это взаимодействие. Одна группа задач относится к определению количества воды, которая поступает в котлованы во время строительства, или количества воды, которая теряется из водохранилищ в результате просачивания через дамбы или их основания (§ 39). Во второй группе задач рассматривается влияние фильтрационного давления на устойчивость откосов и фундаментов (§ 40 и 42). В третьей группе рассматривается влияние проницаемости на скорость, с которой избыточная вода удаляется из загруженных пластов глины (§ 41). Теоретическое решение каждой из этих задач основывается на допущении, что масса грунта, сквозь которую движется вода, является однородной или что она состоит из немногих однородных слоев с хорошо очерченными границами. Аналогичные допущения принимались при выводе всех теорий, изложенных в первых двух главах части Б. Однако в гидравлических задачах практические последствия этих допущений являются принципиально иными. Давление земли, устойчивость и осадка зависят исключительно от средних значений соответствующих характеристик грунта. Поэтому даже значительный разброс давлений по сравнению со средней величиной не имеет существенного практического значения. С другой стороны, в гидравлических задачах незначительные, на первый взгляд, геологические детали могут оказать решающее влияние как на величину фильтрационного расхода, так и на распределение фильтрационного давления в грунте. Следующий пример иллюстрирует это положение. 256 ГЛАВА VI. ГИДРАВЛИКА ГРУНТОВ Если толстый пласт песка содержит несколько тонких слоев плотного мелкого ила или жесткой глины, то наличие этих слоев практически не оказывает никакого влияния па боковое давление, производимое песком на крепление открытого котлована выше уровня воды, на предельную несущую способность песка или на осадку сооружения, расположенного на песке. Следовательно, в задачах, рассмотренных в предыдущих главах части Б, наличием таких слоев можно без риска пренебрегать, и не имеет значения, замечены они при бурении или нет. С другой стороны, для любой практической задачи, в которой рассматривается течение воды сквозь песок, например, из водоема с верховой стороны шпунтового ряда в нижний бьеф, наличие или отсутствие тонких слоев относительно непроницаемого грунта имеет решающее значение. Если один из слоев является непрерывным и расположен выше нижнего конца шпунтового ряда, то он почти полностью преграждает фильтрацию. Если слои не сплошные, то невозможно определить их влияние на величину и направление фильтрации без знания степени их прерывности. Однако эта степень практически не может быть определена. Действительно, бурение может вообще даже не обнаружить наличия этих слоев. Каждый естественный пласт грунта и каждая искусственная насыпь содержит либо необнаруженные, либо такие, которые и невозможно обнаружить, включения материала с исключительно высокой или низкой проницаемостью. О границах этих включений можно лишь строить предположения. Вследствие этого разница между действительностью и результатами любых исследований, относящихся к движению воды сквозь грунт, может быть очень большой, независимо от тщательности и внимания, с которыми иопытывался грунт. Однако, если не вести никаких исследований вообще, то инженер окажется полностью во власти случая. Поэтому благоразумие требует следующей методики решения гидравлических задач. Проект должен основываться на результатах тщательных гидравлических исследований. Однако в течение всего периода строительства и, если это необходимо, еще несколько лет после его окончания должны проводиться полевые наблюдения, которые необходимы, чтобы установить, отличаются ли и в какой степени действительные гидравлические условия от предположенных при проектировании. Если наблюдения покажут, что действительные условия являются менее благоприятными, чем принятые в проекте, то последний должен быть видоизменен в соответствии с установленными данными. Благодаря этой методике, которая иллюстрируется рядом примеров в части В, удалось предотвратить большое число аварий плотин. § 39. Ф И Л Ь Т Р А Ц И О Н Н Ы Е Р А С Ч Е Т Ы 257 § 39. ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ РАСЧЕТЫ Основные соотношения В приведенном ниже анализе принято, что поток воды через грунт подчиняется закону Дарси [уравнение (11.6)] и что грунт состоит из такого относительно несжимаемого материала, как песок, пылеватый песок или горная мука. 6) "О -СМГм 1 fV W d2 L -dx 'A/fS hIenpOHuuaPMhiu слой Рис. 99 а — течение воды вокруг нижнего края единичного шпунтового ряда в однородном песке; б — гидростатическое давление по четырем гра- ням элементарного объема песка, заштрихованного на рис. 99,а Чтобы вычислить скорость течения воды сквозь такой грунт, необходимо определить интенсивность и распределение нейтральных напряжений, называемых обычно п е р о в ы м д а в л е н и е м . Эти напряжения могут быть определены путем построения графика, называемого с е т к о й т е ч е н и я , которая характеризует течение воды через несжимаемый грунт. Чтобы проиллюстрировать этот метод, вычислим количество воды, которое уходит из водоема в результате фильтрации через основание одиночной шпунтовой перемычки, показанной на рис. 99, а. Принимается, что шпунтовый ряд является непроницаемым. Сваи забиваются до глубины D в однородный слой песка, имеющий мощность D{. Песок лежит на горизонтальном непроницаемом основании. Гидравлический напор (см. § 11) поддерживается постоянным. Вода, поступающая в песок со стороны верхнего бьефа, перемещается вдоль кривых, называемых л и н и я м и т о к а . Кривая AB, помеченная стрелками, является одной из таких линий тока. 258 ГЛАВА VI. ГИДРАВЛИКА ГРУНТОВ На рис. 99,6 показан призматический элемент проницае- мого слоя, вычерченный в крупном масштабе. Длины сторон этого элемента в плоскости ч е р т е ж а равны dx и dz. Д л и н а в направлении, перпендикулярном чертежу, обозначена dy. Пусть Vx—-компонента скорости расхода в горизонтальном направлении; ix = dh/dx •— гидравлический градиент в горизонтальном направлении; vzniz=dhjdz—соответствующие направления; значения для вертикального h — гидравлический напор в месте, занятом эле- ментом. Общее количество воды, которая поступает в элемент в единицу времени, будет vjlz dy + v,dx dy. Количество воды которая выходит из него, составляет vxdzdy -J- —-dxdz dy+vAxdy dx + — dz dzdxdv. -7 Если жидкость совершенно несжимаема, а объем пустот, занятый жидкостью, является постоянным, то количество воды, которая поступает в элемент, равно количеству воды, которая уходит из него. Поэтому (vrdzdy + — dxdz dy+v,dx dy -f V ' dx dzdxdyj —(oxdzdy+vzdxdy)=0> или = dx дг (39.1) K Уравнение (39.1) известно как у р а в н е н и е н е р а з р ы в н о с т и потока, п а р а л л е л ь н о г о плоскости XZ. Поскольку как вода, так и грунт являются по меньшей мере слабо сжимаемыми, то течение воды сквозь грунт не удовлетворяет строго уравнению неразрывности. Однако в практических фильтрационных задачах этот факт обычно, хотя и не всегда, можно не принимать во внимание. Из уравнения (П.6) получим dh § 39. ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ РАСЧЕТЫ 259 и Vzz — иR•lz7 = иk M дг . И з этих уравнений можно видеть, что скорости Vx и Vz можно рассматривать как частные производные по х и по г величины Ф = M, называемой п о т е н ц и а л о м с к о р о с т и . Подставив значения <ЭФ <5Ф Vхjc = — дх и v.z = —дг в уравнение (39.1), получим + дх2 дг2 (39.2) Этому выражению, известному как у р а в н е н и е Л а п - л а с а , подчиняется течение любой несжимаемой жидкости через несжимаемый пористый материал, когда течение может рассматриваться как двухмерное. Это уравнение может быть представлено графически с помощью двух систем кри- вых, которые пересекаются под прямыми углами. Кривые одной системы называются л и н и я м и т о к а , а кривые дру- гой системы — э к в и п о т е н ц и а л ь н ы м и линиями. Во всех точках вдоль какой-либо эквипотенциальной линии вода поднимается в пьезометрической трубке до одного и того же уровня, называемого п ь е з о м е т р и ч е с к и м у р о в н е м (§ И) и соответствующего данной эквипотен- циальной линии. Частицы воды перемещаются вдоль линии тока под прямыми углами к эквипотенциальным линиям. В задаче, приведенной на рис. 99, а, поверхность песка с верховой стороны является одной из эквипотенциальных линий, а низовая поверхность — другой. Поверхность непро- ницаемого основания песка является линией тока. Все это образует г и д р а в л и ч е с к и е г р а н и ч н ы е у с л о в и я за- дачи. Решая уравнение (39.2) в соответствии с этими гра- ничными условиями, мы получаем данные, необходимые для построения сетки течения, показанной на рис. 99, а. Каждая полоса, расположенная между двумя примыкающими линия- ми тока, как это показано на рисунке, называется п о л о с о й или т р у б о й т е ч е н и я , а каждый участок полосы течения, расположенный между двумя эквипотенциальными линиями, называется п о л е м или э л е м е н т о м сетки течения. Удоб- но строить эквипотенциальные линии таким образом, чтобы разность пьезометрических уровней для любых двух примы- кающих эквипотенциальных линий была одинаковой. Эта разность называется п а д е н и е м п о т е н ц и а л а Д / г . Если 260 ГЛАВА VI. ГИДРАВЛИКА ГРУНТОВ h 1 выражает полиую разность напоров и N d — количество падений потенциала (Nd = 18 на рис. 99, а ) , то падение потенциала будет равно ДА = . Nd V(39.3) Раз сетка течения построена, поровое давление в любой точке, расположенной в ее пределах, как например точка С на рис. 99, а, может быть легко определено на основе сле- дующего рассуждения. Если бы не было течения, т. е. если бы поверхность низового грунта была совершенно непрони- цаемой, нейтральное давление в точке С было бы равно сумме гидравлического напора hi и величины h2+hc. Однако в результате течения, которое на самом деле имеет место, возникает падение напора между поверхностью верхового грунта и точкой С. Поскольку С расположена на правой границе 16-го падения потенциала и Nd = 18, это падение напора равно 16 hj\8. Поэтому давление в воде в точке С будет Та часть =*(*! + A 8 + hc — A3 j (Ai — К j Iw = hfw, которая обусловлена лишь течением воды, называется избыточным гидростатическим давлением. Расчет фильтрации и фильтрационного давления Чтобы вывести уравнения, необходимые для расчета фильтрационного расхода, мы рассмотрим ,поле, заштрихованное на рис. 99, а. Длина его стороны в направлении линии тока составляет а. Гидравлический градиент поперек поля равен i— — а и скорость фильтрации будет v ^ Дh k_ Jt^ a a Nd Если ширина поля, измеренная под прямыми углами к линиям тока, принимается равной произвольному значению Ь, то количество воды, протекающее через поле на единицу ширины шпунтового ряда, будет равно Ъ H1 § 39. фильтрационные расчеты 261 Чтобы упростить расчет, сетки течения строятся таким образом, чтобы Ъ = а или, другими словами, таким образом, чтобы каждое поле было квадратным. При этом допущении мы получаем AQ = k =k . aNd Nd (39.4) Е с л и Ny о б о з н а ч а е т полное число полос течения (Ny = 9 на рис. 99, а), то расход Q на единицу ширины шпунтового ряда в единицу времени будет Q = N^Q=MI1Zf-. Nd (39.5) С помощью этого уравнения расход может быть легко вычислен после того, как построена сетка течения. Полное избыточное гидростатическое давление с верховой стороны кубического элемента со стороной а будет а 2 - 15А /iTa, и с низовой стороны а 2 - 14Д Разница между этими двумя давлениями ps = a2Ak~(w = аъ —а тю передается водой на зерна грунта. Так как Дhja равно гидравлическому градиенту i и а3 является объемом элемента, то вода действует на грунт с силой, равной Ps = »7® (39-6) на единицу объема. Эта сила называется ф и л ь т р а ц и о н н ы м д а в л е н и е м . Она имеет размерность объемного веса, и в любой точке ее направление касательно к линии тока. Построение сетки течения Данные, которые требуются для графического построения сетки течения, могут быть получены с помощью решения уравнения (39.2); однако математическое решение непрактично, если только граничные условия не очень просты. Граничные условия, соответствующие большинству гидравлических сооружений, не удовлетворяют этому требованию. Хотя сетки течения для таких сооружений могут быть найдены с помощью различных экспериментальных методов, все же наиболее удобная и самая простая методика заключается в графическом построении сетки течения способом последовательных попыток. Последовательность выполнения графического 262 ГЛАВА VI. ГИДРАВЛИКА ГРУНТОВ построения показана на рис. 100. На рис. 100, а приведено вертикальное сечение через водосливную плотину с металлическим шпунтом. До построения сетки течения мы должны ознакомиться с гидравлическими граничными условиями задачи и установить их влияние на форму линий тока. Верховая и низовая поверхности грунта на рис. 100, а являются эквипотенциальными линиями. Основание плотины и боковые стороны шпунта Рис. 100. Последовательность в построении сетки течения а — сечение через проницаемый пласт; б первая попытка построения сетки т е ч е н и я ; а — и с п р а в л е н и е с е т к и т е ч е н и я (рис. 100,(5); г — о к о н ч а т е л ь н а я сетка течения являются самой верхней линией тока, а подошва проницаемого слоя — самой нижней линией тока. Другие линии тока расположены между этими двумя линиями, и их формы должны выражать постепенный переход от одной к другой. Кроме того, все линии тока должны быть вертикальными там, где они подходят к верховой и низовой поверхностям грунта. Первый этап при построении сетки течения заключается в проведении нескольких плавных кривых, обозначающих линии тока (сплошные кривые на рис. 100,6), которые удовлетворяют этому требованию. Затем проводится несколько эквипотенциальных линий, которые должны пересекать линии тока под прямыми углами так, чтобы поля были более или менее близки к квадратам. Таким образом достигается первое грубое приближение к сетке течения. Следующий этап состоит в том, чтобы тщательно обследовать пробную сетку течения с целью вскрыть самые крупные дефекты. В пробной сетке, показанной на рис. 100,6, линии тока и эквипотенциальные линии пересекаются приблизительно под прямыми углами, но некоторые из полей сильно отличаются от квадратов. Поэтому вычерчивается новая сетка, в которой поля ближе к квадратам. Процесс корректирова- § 39. фильтрационные расчеты 263 ния продолжается до тех пор, пока все поля не станут приблизительно квадратными. Получающаяся при этом сетка течения показана на рис. 100, е. Наконец, поля на рис. 100, в делятся на более мелкие, и сетка выправляется до тех пор, пока каждое маленькое поле не станет квадратным. Результаты приведены на рис. 100, г. Каждое поле на рис. 100, в подразделено на четыре небольших поля, причем исправлены более мелкие отклонения. Сет- Рис. 101. Фильтрация через однородный песок в основании бетонной плиты (по А. Казагранде) 234 ГЛАВА VI. ГИДРАВЛИКА ГРУНТОВ ка течения считается удовлетворительной для любых практических целей, как только все поля становятся приблизительно квадратными. Д а ж е при видимой на глаз неточности сетки течения она дает замечательные по надежности результаты. Рис. 101 и 102 могут служить пособием для построения сеток течения, которые удовлетворяют различным гидравлическим граничным условиям. Сетка на рис. 102, а содержит линию, а) Высокий горизонт ^^ ^^ /Ч^/ N. / —/I L-J —j—Дренптная /приэмп / / I—I—I—+—I^--¾¾*^¾¾*^ Непроницаемый слой f ) Длительные ливни BJ Состояние сроботни Рис. 102. Фильтрация через идеальную однородную плиту, состоящую из очень мелкого чистого песка которая обозначает свободную поверхность воды, расположенную полностью в границах проницаемой среды. Вдоль этой поверхности вертикальное расстояние между каждой смежной парой эквипотенциальных линий является постоянным и равно Ah. Каждая сетка строится при допущении, что грунт в пределах данного слоя, через который просачивается вода, равномерно проницаем. В естественном грунте проницаемость меняется от точки к точке, в особенности вдоль линий, проходящих под прямыми углами к границам слоев. Поэтому разница между даже очень грубым наброском и точной сеткой течения является обычно небольшой по сравнению с разни- § 39. ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ РАСЧЕТЫ 265 цей между последней и сеткой течения в действительном грунте. Так как это положение не имеет исключений, усовершенствование приемов построения сеток течения или тщательные исследования на моделях совершенно не оправдывают себя. Правда, использование моделей, основывающихся на аналогии между течением воды в проницаемой среде и электрическим током в проводнике, представляет собой удобное средство для построения сеток течений, подобных рис. 102,а, которые содержат свободную границу воды внутри грунта. Однако приобретение необходимого оборудования оправдывается только тогда, когда требуется строить много сеток течения этого типа. Фильтрация сквозь грунты с поперечной изотропией Сетки течения, показанные на рис. 99—102, построены при допущении, что грунт является гидравлически изотропным. В естественных условиях любой массив грунта более или менее слоист. Поэтому, как это у к а з а н о в § 11, средний коэффициент фильтрации в направлении, параллельном плоскостям напластования, всегда больше, чем средний коэффициент фильтрации kn под прямым углом к этим плоскостям. Чтобы построить сетку течения для такой слоистой массы грунта, мы заменяем действительный грунт однородным материалом, имеющим коэффициенты фильтрации в горизонтальном и вертикальном направлениях, равные соответственно k и k[{. Говорят, что среда с такими свойствами имеет п о п е р е ч н у ю и з о т р о п и ю (см. § 7). Чтобы получить сетку течения для однородной среды с поперечной изотропией, мы поступаем следующим образом: делаем чертеж вертикального сечения через проницаемый слой параллельно направлению тока. Горизонтальный масштаб1 чертежа уменьшаем путем умножения всех горизонтальных размеров на V ^ t n . Для этого преобразованного сечения строим сетку течения таким образом, как будто бы среда была изотропной. Горизонтальные размеры этой сетки увеличиваем затем путем умножения на Y k J k . Фильтрационный расход получается путем подстановки в уравнение (39.5) величины . k = У ^ k u Формула фильтрационного расхода на единицу ширины будет 266 ГЛАВА VI. ГИДРАВЛИКА ГРУНТОВ II • (39.7) Этот прием иллюстрируется рис. 103. Предыдущий метод разработан на чисто математической основе без каких-либо упрощающих допущений. Соответственно, результаты будут достоверны настолько, насколько Гориз.масштаб=8ерт. масштабу х х \/HnIBepm.) \ кг(гориЗ.) , Гориз масштаб=Bepm масштабу * ф- Рис. 103. Построение сетки течения в случае, когда коэффициенты фильтрации песчаного пласта различны в горизонтальном и верти- кальном направлениях а — преобразованное сечение; б — истинное сечение справедлив закон Дарси и верны значения k и & , которые входят в расчет. Среднее значение для естественных слоев грунта поч- ти всегда значительно больше, чем & . Однако соотношение k j k колеблется в пределах от 2 или 3 до нескольких сотен, и нет способа точно определить это значение для данного пласта. Поэтому рекомендуется набросать две сетки течения: одну на основании н а и б о л ь ш е г о вероятного з н а ч е н и я kjku и другую — для наименьшего вероятного значения этого отношения. При выборе этих значений необходимо учитывать тот ф а к т , что k Jk не м о ж е т быть меньше единицы, а т а к ж е не может быть больше, чем отношение между коэффициентами фильтрации максимально и минимально проницаемых слоев. Для целей проектирования должна быть принята та сетка течения, которая дает наиболее неблагоприятные результаты или же, ради осторожности, необходимо проверить в процессе строительства, будет ли разница между действительными к расчетными условиями фильтрации идти в запас. Задачи 1. ,Песок под плотинами, показанными на рис. 101, имеет коэффициент фильтрации в любом направлении 4 , 2 Л 0 ~ 3 см/сек. Напор H1 равен 7,5 м. § 39. Ф И Л Ь Т Р А Ц И О Н Н Ы Е РАСЧЕТЫ 267 Требуется высчитать потери в результате фильтрации в см3/свк на 1 ж вдоль оси каждой дамбы. О т в е т , a) 10,7-10"2; б) 10,7-10"2; в) 17,8-10"2; г) 8-10~2м3/сек на 1 ж. 2. Требуется определить гидростатическое взвешивающее давление, превышающее давление воды нижнего бьефа, в средней точке между верховой и низовой гранями бетонного тела плотин в задаче 1. О т в е т , а) 4,5 ж; б) 2,7 ж; в) 1,8 ж; г) 0,76 ж. 3. Грунт плотины, показанной на рис. 101, б, содержит тонкий горизонтальный слой толщиной 2,5 см, который пересекает шпунтовый ряд на небольшом расстоянии над концами свай. Определить наличие указанного слоя каким-либо из существующих на практике методов исследования грунта невозможно. Коэффициент фильтрации песка составляет 4,2 • 1 0 с м / с е к , в то время как коэффициент фильтрации ила составляет 2,1 • 10~~6 сж/сек. Общая толщина слоя песка с верховой стороны плотины составляет 16,5 м. Нижние концы шпунтовых свай расположены на 7,5 ж выше подошвы песка, а) Как определить влияние слоя ила на фильтрационные потери, если этот слой является непрерывным на большой площади? б) Как повлияют на фильтрационные потери разрывы в слое ила? в) Как можио заранее определить степень непрерывности слоя ила? О т в е т , а) Слой ила имеет такое же влияние, как и увеличение толщины слоя песка с 16,5 до 66,3 ж и увеличение глубины шпунтового ряда с 10 до 58,8 м. Поэтому фильтрационные потери могут быть определены путем построения сетки течения для этих воображаемых условий. Поскольку промежуток между шпунтовым рядом и непроницаемым основанием в воображаемом профиле невелик по сравнению с глубиной шпунтозых свай, то потеря воды, рассчитанная по этой сетке течения, явится лишь небольшой долей расхода, протекающего через песок без слоя ила. б) В зависимости от размеров и местоположения разрывов, слой ила может оказывать любое влияние, начиная от ничтожного и кончая таким же, как и у непрерывного слоя, в) Заранее определить нельзя. 4. Требуется вычислить фильтрационные потери на 1 ж длины плотины, показанной на рис. 208, б, принимая k = 1 • 1 0 " 3 см/сек. Определить взвешивающее давление на подошву плотины с задней стороны высокого каменного участка плотины. О т в е т . 10,2 • Ю - 2 м3/сек на 1 ж; 19,5 ж вод. ст. 5. Средний коэффициент фильтрации песка под плотиной, показанной на рис. 103, составляет 3 6 - Ю - 4 см/сек в горизонтальном направлении и 4 . Ю - 4 см/сек в вертикальном направлении. Чему равны потери от фильтрации на 1 ж плотины, если напор составляет 10 м? О т в е т . 1 , 8 6 - 1 0 - 2 м?/сек на 1 ж. 6. Требуется построить сетку течения для плотины, показанной на рис. 103,6, если значение k равно 36- I O - 4 см/сек в горизонтальном направлении и 4'10~4 см/сек в вертикальном направлении. Ширина осно- вания плотины составляет 25,2 м, толщина проницаемого слоя 11,4 ж и длина шпунтовых свай 8,7 ж. Напор равен 10 ж. Чему будут равны потери от фильтрации на I ж плотины? Сравните это значение с потерями при той ж е самой плотине, если k= 1 2 - Ю - 4 см/сек во всех направлениях. О т в е т . 3 , 6 - 1 0 - 2 ; 2 , 3 - 1 0 " 2 м3/сек на 1 ж. 7. Чему равна приблизительная интенсивность горизонтального гидростатического избыточного давления на левую сторону шпунтового ряда на рис. 208,а у самой низкой точки стены? Ответ. 12,8 т/м2. 268 ГЛАВА VI. ГИДРАВЛИКА ГРУНТОВ § 40. МЕХАНИЗМ ПОДМЫВА Определение подмыва Многие плотины на нескальных основаниях разрушились в результате казавшегося внезапным образования под фундаментом промоины, имевшей форму трубы или тоннеля. Вода, стремительно вытекающая из водохранилища сквозь эту промоину, быстро увеличивает ее ширину и глубину, пока сооружение, лишенное основания, не разрушится и не распадется на обломки, которые уносятся потоком. Явление этого типа называется р а з р у ш е н и е м о т п о д м ы в а . Разрушение от подмыва может быть вызвано двумя различными причинами. Одна из них заключается в подземной эрозии, которая начинается у ключа, бьющего вблизи подош-вы в нижнем бьефе, и постепенно распространяется назад по направлению к верхнему бьефу, вдоль подошвы сооружения или вдоль некоторой плоскости напластования. Разрушение происходит, как только растущий в результате размыва тоннель приблизится к дну водохранилища. Механизм этого типа подмыва не поддается теоретической трактовке. Второй причиной разрушения от подмыва является внезапный вынос большой массы грунта, примыкающей к низовому краю подошвы сооружения. Разрушение этого типа происходит только в том случае, если фильтрационное давление воды, которая движется кверху сквозь грунт у края низового откоса, становится больше, чем эффективный вес грунта. Разрушения первой категории будут в дальнейшем именоваться р а з р у ш е н и я м и от г л у б и н н о й э р о з и и , а второй категории — р а з р у ш е н и я м и от ф и л ь т р а ц и о н н о г о выпора. Изложенное ниже относится исключительно к разрушению от фильтрационного выпора. Величина и распределение избыточного гидростатического давления определяются с помощью сетки течения. В § 39 подчеркивалось, что теоретическая сетка течения никогда не бывает тождественной с действительной сеткой течения. Фактически обе эти сетки, вероятно, не имеют между собой вообще никакого сходства. Поэтому результаты теоретических исследований механического действия фильтрационного потока могут рассматриваться лишь как ориентировочные и использоваться в качестве материала при решении вопроса о размещении соответствующих установок для наблюдений во время и после строительства. Механизм фильтрационного выпора Механизм разрушения при фильтрационном выпоре иллюстрируется рис. 104, а, на котором показано вертикальное се- § 40. механизм подмыва 269 чение однорядной замкнутой шпунтовой перемычки. До глубины hi от уровня воды грунт с внешней стороны ряда состоит из крупного гравия. Гравий, находившийся внутри перемычки, был удален. Гравий лежит на слое однородного песка. Потеря напора в гравии настолько незначительна, что ею м о ж н о пренебречь. Р а с с ч и т а е м к о э ф ф и ц и е н т з а п а с а Gs а) 61 Рис. 104. Использование сетки течения для определения коэффициента устойчивости шпунтового ряда в песке против подмыва а — сетка течения; б — силы, действующие на песок в пределах зоны потенциального выпора в отношении р а з р у ш е н и я от подмыва после откачки воды с внутренней стороны до поверхности песка. Прежде всего рассмотрим гидростатические условия в момент разрушения. Как только уровень воды внутри перемычки понизится в результате откачки, вода начинает двигаться вниз сквозь песок с левой стороны шпунтового ряда и вверх— с правой стороны. Избыточное гидростатическое давление в некотором горизонтальном сечении Ox (рис. 104,6) у м е н ь ш а ет эффективное давление в этом сечении. Как только среднее эффективное д а в л е н и е на у ч а с т к е Ox в непосредственной близости к шпунтовому ряду становится равным нулю, вода, которая течет через песок, выпрямляет и расширяет проходы в грунте, не встречая никакого сопротивления. Этот процесс значительно увеличивает проницаемость песка, примыкающего к шпунтовым сваям, к а к это у к а з ы в а л о с ь в § 12, и в результате привлекает к этому участку добавочную часть фильтрационного потока. Поверхность песка при этом приподнимается (рис. 104, а ) . Наконец, песок начинает бурлить, и смесь воды и песка устремляется с верховой стороны шпунта через промежуток под нижним его краем к зоне, где началось бурление. 270 глава vi. гидравлика грунтов При испытаниях на моделях было установлено, что вспу- чивание песка происходит в пределах расстояния, равного примерно D/2 от шпунтовых свай. Р а з р у ш е н и е н а ч и н а е т с я поэтому в пределах призмы песка, имеющей глубину D и ши- рину D/2. В м о м е н т р а з р у ш е н и я э ф ф е к т и в н о е в е р т и к а л ь н о е давление в любом горизонтальном сечении этой призмы близ- ко к нулю. Активное горизонтальное давление на боковые стороны призмы в этот момент тоже приблизительно равно нулю. Поэтому подмыв происходит, как только избыточное гидростатическое давление на основание призмы становится равным эффективному весу залегающего сверху песка. Чтобы высчитать избыточное гидростатическое давление, должна быть построена сетка течения. После того как это сделано (рис. 104,а), интенсивность давления может быть легко определена в каждой точке основания призмы на глу- бине D с помощью методики, описанной в § 39. На рис. 104,6 эти значения представлены ординатами кривой С от горизон- тальной оси, проходящей через О. В пределах расстояния Dl2 от шпунтовых свай среднее избыточное гидростатическое давление на основание призмы имеет значение уwha, и полное избыточное гидростатическое давление на основание состав- л я е т V — - у D jw ha.Разрушение в результате подмыва про- исходит. как только U становится равным эффективному весу песка, который в свою очередь равен с учетом взвешивания W = - D 2 7 ' . Поэтому коэффициент запаса в отношении раз- рушения от подмыва составляет Of = Z = - ^ l . (40.1) и JwIia Аналогичным образом мы можем определить коэффициент запаса для плотин с противофильтрационным зубом из шпун- товых свай. Компенсация взвешивания с помощью пригружающих фильтров Если коэффициент запаса против разрушения от подмыва является слишком недостаточным, то он может быть увеличен устройством поверху п р и з м ы Oafe (рис. 104,6) о б р а т н о г о фильтра, который имеет вес W. Наличие этого фильтра не изменяет избыточного гидростатического давления U, но увеличивает э ф ф е к т и в н ы й вес п р и з м ы W до W'+W. С л е д о в а тельно, он увеличивает коэффициент запаса от Gs по уравнению (40.1) до G'. = (40.2) § 41. теория консолидации 271 Стабилизирующее действие иригружающих обратных фильтров было неоднократно подтверждено экспериментально, а т а к ж е практикой строительства. Д л я большей эффективности фильтры должны быть достаточно крупнозернистыми, так как это обеспечивает свободный сток просачивающейся воды, но в то же время достаточно мелкими, чтобы предотвратить вынос сквозь их поры частиц грунта. Проектирование фильтров, которые должны удовлетворять обоим требованиям, рассматривается в § 11. Задачи 1. На рис. 104 напор Ai составляет 7,5 м. Глубина шпунтовых свай в песке составляет 5,7 м. Если объемный вес насыщенного песка составляет 7 = 1,81 т / л 3 , то чему равен вес обратного фильтра, который необходим, чтобы увеличить коэффициент запаса против фильтрационного выпора до 2,5? О т в е т . 1,66 т/м2. 2. В опыте, показанном на рис. 204,а, песок имел объемный вес, равный 1,84 т/м3. При каком напоре должен произойти вынос? О т в е т . 13,5 м. 3. Слой песка, упомянутый в задаче 1, содержит прослойку глины, которая слишком тонка, чтобы ее могли обнаружить бурением, но достаточно толста, чтобы создать относительно непроницаемый экран. Величины напора и глубины шпунтовых свай приведены в задаче 1. Прослойка глины расположена на несколько десятков сантиметров выше нижнего края шпунтовых свай. Ее левая граница расположена на расстоянии нескольких метров от шпуита в сторону верхнего бьефа, а в сторону нижнего она является непрерывной. Со стороны нижнего бьефа песок иесет пригружающий обратный фильтр весом 1,66 т/м2, который обеспечивает коэффициент ianaca, равный 2,5, если принять, что песок не содержит никаких помех для потока, а) Насколько прослойка глииы уменьшает коэффициент запаса? б) Каким методом можно воспользоваться, чтобы обнаружить опасность? О т в е т , а) 0,83. Песок с низовой стороны шпунтовых свай начнет бурлить, как только напор достигнет 6,3 м. б) Следует устроить одну наблюдательную скважину с низовой стороны шпунта глубиной на несколько десятков сантиметров ниже концов шпунтовых свай. § 41. ТЕОРИЯ КОНСОЛИДАЦИИ Процесс консолидации Если увеличить нагрузку на пласт сильно сжимаемого пористого насыщенного грунта, например глины, то он уплотняется и из него выделяется избыточная вода. В этом заключается процесс консолидации (§ 14). Во время этого процесса количество воды, которое поступает в мысленно выделенную' на некоторой глубине горизонтальную полоску грунта, меньше чем количество воды, которое выходит из нее. Поэтому условие неразрывности, выраженное уравнением (39.1), на котором основывается теория сеток течения и фильтрации, уже неприменимо. Дополнительное давление, которое вызывает консолидацию, называется к о н с о л и д а ц и о н н ы м д а в л е н и е м 272 глава vi. гидравлика грунтов или н а п р я ж е н и е м . В момент приложения консолидащшнное давление воспринимается почти исключительно водой в порах грунта (см. § 14). Поэтому в начале процесса консолидации в воде действует первоначальное избыточное давление, почти точно равное консолидационному напряжению. С течением времени избыточное давление в воде уменьшается, и соответствующее среднее эффективное давление в пласте увеличивается. В любой точке консолидирующегося слоя значение и избыточного гидростатического давления в данный момент времени может быть определено с помощью уравнения (12.1), написанного в форме U=IJit (41.1) где h является гидравлическим напором по отношению к уровню грунтовой воды над консолидирующимся слоем. По истечении очень продолжительного времени избыточное гидро- статическое давление и становится равным нулю, и все кон- солидационное давление становится эффективным напряже- нием, передаваемым на частицы скелета. Если давление кон- солидации в любой точке обозначить через Ар, то условие равновесия требует, чтобы Ap = A p + иу (41.2 где Ap обозначает ту часть консолидационного напряжения, которая в данный момент времени передается на скелет, а и •является соответствующим избыточным гидростатическим давлением. Графическое представление процесса консолидации Поскольку Ap в уравнении (41.2) является константой, ход консолидации в данной точке можно отчетливо представить себе, рассматривая изменение и в этой точке или, в соответствии с уравнением (41.1), изменение h в воображаемой пьезометрической трубке, установленной в этой точке. Рис. 105 иллюстрирует консолидацию сжимаемого слоя, п о к а з а н н о г о на рис. 92, а, в ы з в а н н у ю весом з д а н и я , которое находится на поверхности грунта. Принимается, что слой может свободно отдавать воду как через верхнюю, так и через нижнюю поверхности и что в самом слое вода движется только в вертикальном направлении. Далее принимается, что консолидационное напряжение Ap не изменяется по высоте слоя. Процесс консолидации в пределах слоя можно исследовать, наблюдая положение уровня воды в ряде пьезометрических трубок. Нижние концы трубок располагаются по вертикальному сечению слоя, как это показано на рис. 105. Поскольку избыточное гидростатическое давление не зависит от положения уровня воды, принимается, что этот уровень сов- § 41. теория консолидации 273 падает с верхней поверхностью консолидирующегося слоя. Если пьезометры располагаются таким образом, что горизонтальные расстояния 1—2', 1—3' и т. д. равны соответствующим вертикальным расстояниям 1—2, 1—3 и т. д., как это показано на рисунке, то кривая, которая соединяет уровни воды в трубках в данный момент времени, является и з ох р о н о й (см. § 14). Гидравлический градиент i на любой Дренат Дренат Рис. 105. Схема, иллюстрирующая консолидацию сжимаемого слоя глины глубине ниже а равен тангенсу угла наклона изохроны на равном г о р и з о н т а л ь н о м расстоянии и от а. Е с л и в какойлибо точке изохрона поднимается вверх направо, то в соответствующей точке слоя течение тоже происходит вверх. Распределение начального избыточного гидравлического напора по вертикальным сечениям в глине представлено горизонтальной линией de, р а с п о л о ж е н н о й н а у р о в н е А р / J w от поверхности свободной воды. Эта линия представляет собой начальную изохрону. В соответствии с § 14 консолидация слоя глины продвигается от поверхностей дренирования к внутренней части. Следовательно, на ранней стадии консолидации пьезометрические уровни в центральной части слоя все еще остаются без изменения, в то время как пьезометрические уровни для внешних частей уже значительно упали, как это показано изохроной С]. В последующей стадии, характеризуемой изохроной C2, п о н и ж е н ы все уровни, причем они уменьшаются от максимума в центре до нуля у дренируемых поверхностей. Наконец, по истечении длительного времени все 274 ГЛАВА VI. ГИДРАВЛИКА ГРУНТОВ избыточное гидростатическое давление исчезает, и конечная изохрона представлена горизонтальной линией ас. Рис. 106 показывает изохроны для различных случаев консолидации. Если консолидирующийся слой может дренироваться как через верхнюю, так и через нижнюю поверхности, 5) . ' г л л ; ^ / / / . ^л'я-^j-L 'Ni Песон г) d - !: • • Л Л- —X * i_ N i t -1 j — 1«ГЗДШИЯЯЧ^ЧЖ Непроницаемое основание Намыднап насыпь Песок Непроницаемое основание Рис. 106. Изохроны при консолидации слоя идеальной глины в зависимости от типа дренирования и распределения уплотняющего давления в вертикальном на- правлении то этот слой называется о т к р ы т ы м , и его толщина обозначается через 2Я. Если вода может удаляться только через одну поверхность, то такой слой называется п о л у з а к р ы т ы м . Толщина полузакрытых слоев обозначается через Я. На рис. !06, а, б, в и д слои являются открытыми, в то время как слои на рис. 106,г и е являются полузакрытыми. Рис. 106, а является упрощенным повторением рис. 105. Пьезометрические трубки не показаны. На графике приведен § 41. теория консолидации 275 случай консолидации открытого слоя глины под влиянием постоянного по высоте консолидационного напряжения. Если консолидирующийся слой относительно толст по сравнению с шириной нагруженной площади, то консолидационное давление, обусловленное весом сооружения или насыпи, уменьшается с глубиной аналогично тому, как это пок а з а н о кривой Ca на рис. 91. П р и у п р о щ а ю щ е м допущении, что уменьшение давления с глубиной является линейным, первоначальная изохрона м о ж е т быть в ы р а ж е н а линией de на рис. 106,6, и консолидационное давление в кровле и подошве слоя будет соответственно ^ p t и А pb . Е с л и к о н с о л и д и р у ю щ и й с я слой очень толст по с р а в н е н и ю с шириной нагруженной поверхности, то давление ^ p b будет, очевидно, очень маленьким по сравнению с Дpt. Тогда с до,статочной точностью м о ж н о принять, что Apft = 0 . Соответствующие изохроны показаны на рис. 106, в для открытого слоя и на рис. 106, z д л я п о л у з а к р ы т о г о слоя. Следует отметить, что к о н с о л и д а ц и я п о л у з а к р ы т о г о слоя на рис. 106, г сопровождается временным разбуханием глины в нижней части слоя. Рис. 106,(3 и е относятся к консолидации намытых слоев, на которые не действуют никакие силы, кроме их собственного веса. Принимается, что уровень воды расположен у верхней поверхности слоев, и консолидацией, которая происходит за время строительства, можно пренебречь. Насыпь, показанная на рис. 106,(5, залегает на слое песка (открытый слой), в то время как насыпь на рис. 106, е залегает на непроницаемом слое (полузакрытый слой). В момент времени £ = 0 весь вес грунта с учетом взвешивания в каждом слое (т'на единицу объема) воспринимается водой, и давление консолидации увеличивается от нуля на поверхности до H у подошвы. Поэтому конечный результат консолидации будет одним и тем ж е для обоих слоев. Однако разница в форме изохрон для промежуточных стадий консолидации указывает на то, что скорость, с которой достигается конечная стадия, для этих двух слоев весьма различна. Расчет скорости консолидации Чтобы рассчитать скорость консолидации и степень консол и д а ц и и 0% [уравнение (24.1)J д л я случаев, приведенных на рис, 106, прибегаем к следующим упрощающим допущениям. а) Коэффициент фильтрации k [уравнение (11.6)] является одним и тем ж е в каждой точке консолидирующегося слоя и на каждой стадии консолидации. б) Коэффициент объемного сжатия mv [уравнение (13.3)] остается одним и тем же в каждой точке слоя и на каждой стадии консолидации. 276 ГЛАВА VI. ГИДРАВЛИКА ГРУНТОВ в) Избыточная вода движется только вдоль вертикальных линий. г) Продолжительность компрессии обусловливается исключительно низкой водопроницаемостью материала. Таким образом, вторичная консолидация, рассмотренная в § 14, не принимается во внимание. а J * и dz .mv f f d z i вытцмоние 1 воды I 6 dz • Нагрузка на единицу площади 1П1И1ИПП 1 ' • • Песок • .' • 6 Yw-•• ••••• ••••.•; .. i. Уровень воды. ; /J// г / r^l. / ; / /X ; / / / / i/ > / >> / >/ // и 1 > ' чN 1 Jt Гпина '\! » Рис. 107 а — гидравлическое давление на границах тонкой горизонтальной полоски, выделенной в консолидирующемся пласте; б — гидравлические граничные ус- ловия для консолидирующегося пласта На рис. 107,а представлено вертикальное сечение через элементарную горизонтальную полосу в консолидирующемся слое. Толщина полосы составляет dz. Вода протекает через слой со скоростью v. Неуравновешенное гидростатическое давление равно ( d u j d z ) d z . Закон Д а реи (§ 11) требует, чтобы v _ ^dh _ ^ _1 ди dz ~(w dz (41.3) Если бы слой был несжимаемым, то количество воды, вытекающей из слоя, было бы равно количеству воды, втекающей в него, и мы могли бы написать -f=0. дг (41.4) Это условие тождественно условию неразрывности по уравнению (39.1). Однако в консолидирующемся сжимаемом слое толщиной, равной единице, количество воды, которая вы- § 41. теория консолидации 277 текает из слоя в единицу времени, превышает количество воды, которая поступает в слой, на величину, равную соответствующему уменьшению объема слоя. Следовательно, воспользовавшись уравнением (33.2), мы можем написать dz v dt Поскольку Др является постоянной, из уравнения (41.2) получаем и, следовательно-. d(bp) _ _ ^a. dt dt dv __ ~dz~ du v dt ' Из этого уравнения и уравнения (41.3) получаем dv _ т ди _ k дги dz v dt iw dz2 или du _ k d2u dt jwmv dz* (41.5) Уравнение (41.5) является дифференциальным уравнением для любого случая консолидации, в котором имеет место линейное дренирование. Вводя коэффициент консолидации [уравнение (14.2)] получим C0 = см2/сек, Iw^v (41.6) Решение этого уравнения должно удовлетворять гидравлическим граничным условиям, которые зависят от нагрузки и от условий дренирования, как это показано на рис. 106. Примером могут служить граничные условия, которые определяют консолидацию полузакрытого слоя при равномерно распределенном давлении. В соответствии с рис. 107,6 эти условия являются следующими: 1) при t=0 и на любом расстоянии z от непроницаемой поверхности избыточное гидростатическое д а в л е н и е р а в н о Д р; 2) в любой момент времени t у поверхности дренирования z = H избыточное гидростатическое давление равно нулю; 3) в любой момент времени t у непроницаемого слоя z = 0 г и д р а в л и ч е с к и й градиент равен нулю, т. е. dujdz=0; 278 ГЛАВА VI. ГИДРАВЛИКА ГРУНТОВ 4) по истечении очень продолжительного времени при любом значении 2 избыточное гидростатическое давление равно нулю. Уравнение (41.7) совместно с граничными условиями определяет степень консолидации U% для заданного момента времени t. Уравнение.для U% будет (41.8) где (41.9) является отвлеченным числом, которое называется ф а к т о р о м в р е м е н и . Поскольку характеристики грунта и толщина сжимаемого слоя входят в уравнение (41.8) только в комбинации, представленной безразмерным фактором времени T v , значение U% = f ( T v ) будет одним и тем ж е д л я любого пласта, который консолидируется в одинаковых условиях нагрузки и дренирования. Оно было определено для всех условий, имеющих практическое значение, с помощью дифференциального уравнения (41.7). Результаты представлены в виде графиков и таблиц, с помощью которых все задачи, которые могут встретиться на практике, решаются Иутем вычислений только по формуле (41.9). Рис. 108 дает решение задач, приведенных на рис. 106. При работе с графиками надлежит руководствоваться следующими указаниями. Для каждого открытого слоя (толщиной 2Я) соотношение между и% и Tv определяется кривой C1 независимо от нак л о н а нулевой изохроны de. Поэтому кривая Сi дает решение для всех задач консолидации, приведенных на рис. 106,а, б, в и д. Если нулевая изохрона горизонтальна, что свидетельствует о равномерном распределении давления консолидации по всему консолидирующемуся слою, то кривая Ci будет выражать также процесс консолидации полузакрытого слоя с толщиной Я. Следующий пример иллюстрирует применение графика на рис. 108, а. Коэффициент консолидации открытого слоя толщиной 2Я (рис. 92) равен cv. Мы хотим определить момент времени, в который степень консолидации, вызванной весом здания, расположенного сверху слоя, становится равной 60%. Из уравнения (41.9) получаем В соответствии с кривой Ci на рис. 108, а степени консолидации 60% соответствует фактор времени 0,28, откуда t = 0,28 — (41.10) § 41. теория к о н с о л и д а ц и и 279 а) \ № SS го »е> \ \ Cl I V I VO v\ \ к 5J I * во Ъ ? % аSj во IСг Фактор Времени ' O1OI 0,OZ 0,030,04 OOS0,080JD O1Z 0,3 0,4 OfiOfilft Z 3 4 В SW Фактор времени Tll (погарисрмичесная шкалаJ Рис. 108. Соотношение между фактором времени и степенью консолидации а — фактор времени нанесен в арифметическом масштабе; б — то же, в логарифмическом масштабе. Кривые C1, C1 и C3 соответствуют различным условиям загруже- н и я и д р е н и р о в а н и я , п о к а з а н н ы м на р и с . 106, а, г и е 280 ГЛАВА VI. ГИДРАВЛИКА ГРУНТОВ независимо от наклона нулевой изохроны. Если нулевая изохрона для полузакрытого слоя глины толщиной Я горизонтальна, то степень консолидации этого слоя по истечении времени t [уравнение (41.10)] будет также равна 60%. Если давление консолидации для полузакрытого слоя уменьшается от некоторого значения A pt у верха до нуля у подошвы, как это показано на рис. 106, г, то соотношение между U K T v дается- кривой C2. Если оно увеличивается от нуля у верха до А рь у подошвы, как это показано на рис. 106 с, то соответствующую зависимость дает к р и в а я C3. Для промежуточных типов вертикального распределения давления консолидации достаточно точные результаты могут быть получены с помощью интерполяции. Рис. 108,6 дает кривые C b C2 и C3, построенные в полулогарифмическом масштабе. Малые значения могут быть получены несколько более точно по полулогарифмическим графикам. Полулогарифмический график Ci соответствует сплошной кривой на рис. 28, б. В результате упрощающих допущений, перечисленных в начале приведенного выше анализа, расчет скорости осадки носит характер грубого приближения. Наиболее важное расхождение между теорией и действительностью определяется вторичной консолидацией (§ 14). В соответствии с теорией консолидации кривая «время—осадка» должна приближаться к горизонтальной асимптоте, в то время как в действительности она сливается с наклонной касательной, как это показано на рис. 28, а. В настоящее время вторичная осадка не может быть предсказана на основании результатов испытаний. Опыт показывает, что скорость вторичной осадки сооружений, находящихся на нормально обжатой глине, колеблется в течение первых десятилетий после строительства м е ж д у 3 и 12 мм в год. Н а б л ю д а л и с ь т а к ж е исключительные случаи, когда скорость достигала 25 мм в год. Ясно, что результаты расчета осадки не будут даже приблизительно правильными, если принятые гидравлические граничные условия не соответствуют естественным условиям дренирования. Каждая сплошная прослойка песка или ила, расположенная внутри слоя глины, действует аналогично дренирующему слою и ускоряет консолидацию глины, в то время как замкнутые линзы песка и ила не оказывают никакого влияния. Если данные бурения свидетельствуют о том, что слой глины содержит прослойки песка или ила, то инженер обычно не в состоянии определить, являются ли эти прослойки сплошными или нет. В этих случаях теорией консолидации можно пользоваться только для определения верхнего и нижнего пределов скорости осадки. Действительная скорость остается неизвестной, пока она не будет установлена наблюдениями. § 42. устойчивость земляных плотин 281 Задачи 1. Образцы глииы были отобраны из слоя толщиной 6 ж, расположен- ного между двумя слоями песка. С помощью испытания на консолидацию было установлено, что среднее значение Cv для этих образцов составляло 4,92. Ю - 4 см21сек. В результате постройки здания над этим слоем среднее вертикальное давление в нем увеличилось, и здание начало оседать. За сколько дней произошла половина всей осадки? О т в е т . 425 дней. 2. Если бы слой глины, о котором идет речь в задаче 1, содержал тонкий дренирующий слой, расположенный на 1,6 м ниже верхней поверхности, сколько дней потребовалось бы, чтобы достичь половины всей осадки? О т в е т . 125 дней. 3. Слой глины толщиной 9 м залегает на непроницаемом скальном основании. Принимается, что напряжение консолидации вдоль данной вертикальной линии изменяется равномерно от максимума у верха слоя до нуля у скальной поверхности. Значение Cv для глины составляет 9,5 X X 10~5 см2/сек. Сколько лет пройдет после строительства здания, пока осадка станет равной 30% от конечной величины? Решить эту же задачу при допущении, что глина залегает на проницаемом песке вместо скальной породы. О т в е т . 6,5 лет; 4,9 года. § 42. УСТОЙЧИВОСТЬ ЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИН Состояния высокого горизонта и сработки Если верховой откос земляной плотины частично или полностью подтоплен, то грунт в плотине подвергается действию не только собственного веса, но и фильтрационного давления воды, которая просачивается сквозь плотину. Фильтрационное давление ps [уравнение (39.6)] вызывается трением между просачивающейся водой и стенками пор, и следовательно, действует по направлению потока. Это направление обозначается линиями тока в сетке течения (рис. 102, а ) . Поскольку вода фильтрует от верхнего откоса в сторону низового, то фильтрационное давление увеличивает устойчивость верхового откоса. В то же время оно уменьшает коэффициент устойчивости низового откоса до минимального из значений, которые могут иметь место при нормальных рабочих условиях. Следовательно, для низового откоса гидравлическое состояние, соответствующее заполненному водохранилищу, является критическим и называется с о с т о я н и е м в ы с о к о г о г о р и зонта. Теоретически коэффициент устойчивости низового откоса может понизиться до величины, меньшей чем соответствующая состоянию высокого горизонта, если в дополнение к просачиванию из целиком заполненного водохранилища вода поступает в плотину через гребень и верхнюю часть низового откоса. Сетка течения, соответствующая этим условиям, показана на рис. 102,6. Такое состояние могло бы иметь место только в период сильных ливней большой продолжительности или в 282 ГЛАВА VI. ГИДРАВЛИКА ГРУНТОВ период таяния толстого снежного покрова; однако, опыт эксплуатации железнодорожных и автодорожных насыпей говорит о том, что такое состояние является исключительным. Присутствие воздуха в грунте насыпи, расположенном между нормальной кривой депрессии и поверхностью насыпи, очевидно препятствует полному насыщению. Поэтому в дальнейших рассуждениях влияние ливней или талой воды на устойчивость низового откоса не принимается во внимание. Во время состояния высокого горизонта кривая депрессии в плотине, построенной надлежащим образом, расположена полностью внутри низового откоса (см. рис. 102, а ) . Верховой откос представляет собой эквипотенциальную линию, в то время как кривая депрессии является линией тока. Если уровень воды в верхнем бьефе мгновенно понижается до отметки подошвы плотины, то сетка течения принимает вид, указанный на рис. 102,в. В момент внезапной сработки кривая депрессии еще сохраняет свое первоначальное положение, однако, верховой откос является уже не эквипотенциальной линией, а свободной поверхностью. Гидравлические условия, соответствующие этой сетке течения, называются с о с т о я н и е м с р а б о т к и . При переходе от состояния высокого горизонта к состоянию сработки низовой откос становится более устойчивым, чем раньше, но зато значительно возрастает опасность оползания верхового откоса. С течением времени свободная вода, накопившаяся в порах насыпи, постепенно вытекает и устойчивость обоих откосов соответственно возрастает. Следовательно, для верхового откоса состояние сработки является критическим. Чтобы определить коэффициент устойчивости откосов проектируемой насыпи или земляной плотины, на которую будет действовать фильтрационное давление, необходимо прежде всего по х а р а к т е р н ы м о б р а з ц а м грунта карьера определить еще до строительства средний объемный вес, относительную плотность, проницаемость и влажность материала насыпи в том состоянии, в каком он будет находиться после уплотнения в соответствующем месте тела насыпи. В соответствии с естественными условиями принимаются основные предпосылки для расчета устойчивости. Для этих предварительных исследований, точно так же как и для разработки программы испытаний грунтов, требуются опыт и здравый смысл. Дальше в этом параграфе рассматривается только теоретическая часть этой задачи, а именно — расчет устойчивости. Расчет устойчивости жесткой насыпи при внезапной сработке Н а рис. 109, а показано поперечное сечение насыпи. Д о сработки оба откоса насыпи находились ,полностью под водой, а в момент сработки уровень свободной воды понизился от от- § 42. УСТОЙЧИВОСТЬ ЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИН 283 метки гребня до подошвы. Далее принимается, что материал насыпи является практически несжимаемым, подобно хорошо уплотненному песку, и что высота капиллярного поднятия пренебрежимо мала по сравнению с высотой плотины. Рис. 109. Расчет устойчивости иасыпи с учетом фильтрационного давления при внезапной сработке Сетка течения для такой насыпи в состоянии сработки показана на рис. 109,а. Она удовлетворяет следующим гидравлическим граничным условиям: сетка течения симметрична относительно оси плотины; ось и подошва плотины являются линиями тока; гребень плотины является эквипотенциальной линией, а откосы свободными поверхностями. В соответствии с § 39 вода будет подниматься в пьезометрической трубке от любой точки N до точки, в которой эквипотенциальная линия, проведенная через-N, пересекает откос, т. е. до высоты /гщ,над N. Поровое давление в N составляет поэтому (12.1) 284 ГЛАВА VI. ГИДРАВЛИКА ГРУНТОВ Д у г а окружности efb с центром в O1 является первым приближением к поверхности скольжения, а окружность C1 — соответствующим кругом трения. Если г — радиус дуги скольж е н и я и <р— угол внутреннего трения материала насыпи, то радиус /7 круга трения равен г simp. Сила Wb которая стремится вызвать скольжение вдоль кривой efb, равна весу грунта (скелета и воды вместе в з я т ы х ) , расположенного н а д efb. Сдвигу препятствует трение вдоль efb, которое равно коэффициенту внутреннего трения tg30 >4 Другие общепринятые испытания монолитов, перечисленные в табл. 5, также являются обязательными, так как их результаты необходимы для сопоставления данной глины с другими ее видами, которые встречались раньше при аналогичных работах. Значения qtt, полученные с помощью испытаний на сжатие, очевидно, являются слишком заниженными, потому что монолиты, отобранные ложечным грунтоносом, за- § 15. ПРОГРАММА РАЗВЕДКИ ГРУНТА 343 метно нарушаются. Дополнительные исследования, которые требуются при проведении ответственных работ, зависят от характера грунтового профиля. Если грунтовый профиль простой и правильный, то, как правило, можно определить среднее сопротивление сдвигу пласта глины по данным лабораторных испытаний. Монолиты получаются с помощью скважин трубчатого отбора (§ 44), которые обеспечивают непрерывный 5-см керн. Чтобы получить достаточно надежные средние значения, расстояние между скважинами не должно превышать 30 м. Если заранее известно, что грунтовый профиль является относительно правильным и что понадобится бурение для трубчатого отбора монолитов, сплошные керны берутся на всех тех участках разведочных скважин, которые расположены в пределах пластов глины. На участках, расположенных между слоями глины, пробы отбираются ложкой и производятся стандартные испытания на пенетрацию. Этот способ нашел широкое применение, потому что отбор проб трубчатыми грунтоносами требует такой же обсадки, как и та, с помощью которой крепятся стенки разведочных буровых скважин. Пробы сдаются в лабораторию в запечатанных трубках. Рекомендуется, чтобы все пробы глины из одной и той же скважины исследовались в той последовательности, в какой они шли одна за другой в буровой скважине сверху вниз. Трубки для взятия пробы обычно имеют длину в 75 или 90 см. Они разрезаются на 15-см отрезки с помощью ножовки, ленточной пилы или абразивного круга, приводимого в действие мотором. Сам грунт разрезается с помощью проволочной пилы. Затем проба выталкивается из контейнера с помощью хорошо подогнанного поршня. Если оказывается, что верхняя часть монолита глины относительно не нарушена, то она подвергается испытанию на одноосное сжатие сначала в своем естественном состоянии, а затем в полностью нарушенном состоянии при той же влажности. Отношение этих двух значений прочности на сжатие является мерой чувствительности глины (§ 8). После этого испытания монолит разрезается вдоль на две части. Одна половина идет на определение влажности, а другая сохраняется в герметически закрытом контейнере. Такой же комплекс испытаний проводится в последующем, как только встречается проба, заметно отличающаяся от предыдущей по консистенции, цвету и общему виду. Изменение консистенции обнаруживается в результате заметного изменения сопротивления глины деформации при сдавливании пальцами. Самые верхние образцы в каждой трубке могут быть нарушенными значительно больше, чем остальные. Если это имеет место, то для испытания на сжатие должны браться менее нарушенные пробы. 344 ГЛАВА VII. РАЗВЕДКА ГРУНТОВ Монолиты, которые следуют за первым, разрезаются про- дольно. Одна половина целиком используется для определе- ния влажности. Другая половина должна быть помещена з достаточно влажную атмосферу и положена плоской поверх- ностью вверх, после чего ей дают медленно высыхать. В про- межуточной стадии обезвоживания де- влажность 8 °/с „О ZO НО БО • (1 ! V к'\ ГIf ! W j 4 тали строения становятся ясно видимыми. В этом состоянии следует описать строение, указав цвет и приблизительную толщину отдельных слоев, степень правильности напластования и другие видимые на глаз особенности. Это описание используется позже при составлении общей характеристи- 15 а I га\ * е I зо 35 I V ! i I, fI .1 /) X -) ;Т ч <1 I Ji ки напластования глины. Отдельные характерные образцы фотографируются. С л е д у ю щ и е \Ъ-см отрезки т а к ж е используются только для определения влажности и визуальной характеристики. Если исследователь испытывает таким образом 5 или б проб, не обнаружив заметных изменений, то испытанию на одноосное сжатие и опреде- Предел гтластмносгпс л е н и ю в л а ж н о с т и п о д в е р г а е т с я сле- Естественная длатнасть дующий отрезок в его естественном состоянии. Эта процедура продолжается Предел тени чести д о тех пор, пока не встретится п р о б а , Рис. 130. Колебания индексациомных свойств в пределах ЗО-глслоя мягкой лед- никовой глины которая существенно отличается от предшествующей. Тогда она подвергается таким же исследованиям, как и самая первая проба, после чего возобновляется установленная выше после- довательность испытаний. После того как проведены все испытания проб из одной буровой скважины, определяются пределы Аттерберга для тех характерных проб, которые подвергались испытаниям на сжа- тие в естественном и в нарушенном состояниях. Результаты испытаний изображаются- графически, как показано на рис. 127. Графики должны сопровождаться коротким описани- ем особенностей строения глины (на рисунке ие приведено). Если исследование проводится с целью определения коэф- фициента устойчивости откосов против сдвига или коэффи- циента устойчивости насыпей против расползания, то знание деталей напластования является по меньшей мере таким ж е важным, как и знание прочности глины, потому что основная часть потенциальной поверхности скольжения расположится в одной или нескольких замкнутых прослойках мелкого песка § 45. ПРОГРАММА РАЗВЕДКИ ГРУНТА •345 или крупной пыли, но не в глине. В таких случаях должно быть подготовлено детальное и хорошо иллюстрированное описание особенностей напластования. Небольшое число типичных проб из слоистых участков необходимо отложить для Скдотина О 7-D Отметка и!U1ZBM — IM Xпризона / Воды Z-. U1U 510 Яй 511 щ 6,6 Юд WSQii 9 О 20 'to Число идаров дпяпогритенилнаЗОсм 'ЬО-О 20 UO &0 0 0,4 0,8 I,Z Естественная Прочность на впатмость &%' одноосное сюрти» в кг/см * а-предел пластичности; х - предел те-нуиести * * »-илмрпенные значения. о-предположенные значения Рис. 131. Данные пенетрации и результаты исследования образцов грунта из буровой скважины, пройденной через сложное береговое отложение 1 — рыхлый мелкий серый песок, следы пыли; 2 — крупный плотный темный песок, примесь мелкого гравия; 3—средняя желтоватая глина; 4 —мягкая голубовато-серая глина; 5 — жесткая голубая глина; 6 — мягкая голубовато-серая глина; 7 — рыхлый средний серый песок; S — очень уплотненный крупный тем- ный песок; 9 — скала или валуны дальнейших исследований. Эти исследования состоят в определении влажности и пределов Аттерберга для каждого слоя, встреченного в образце. Рис. 130 показывает результаты подобного исследования. Во всех случаях следует использовать представляющуюся возможность определить степень нарушения проб трубчатого отбора, как это описано в § 44. Все предыдущие рассуждения относились к исследованию сравнительно однородных пластов глины. Если пласты глины, встречающиеся в основании, имеют переменную толщину и консистенцию, то метод исследования должен быть видоизменен. Вместо того, чтобы концентрировать усилия на испыта- 346 ГЛАВА VII. РАЗВЕДКА ГРУНТОВ нии образцов грунта, инженер должен попытаться исследовать топографию верхних и нижних границ слоев глины и определить положение самых мягких и самых твердых участков в слоях. Наиболее целесообразный метод получения этих сведений заключается в том, чтобы провести многочисленные 140*00 •К? лрква- за з VnuHb' 150+00 150+00 !70+00 180+00 Поверхность улицы 130+00 ZOO +00 D- S «о Cta- ' - i -К -15 -WA Прочность на статие в кг/смг — «итеО.г EZZZ2 0,8да !,6 ШЖЛ0,2доOM I 1выше IB (SE3 OMSoOS Рис. 132. Колебания прочности на одноосное сжатие в сравнительно эрратическом отложении ледниковой глины в Чикаго глубинные зондирования, дополненные разведочными скаажинами. После того как результаты этих исследований обобщены, бурят 2 или 3 скважины трубчатого отбора. Эти скважины должны быть расположены в самых лучших и в самых худших точках площадки. В пределах грунтов, расположенных между слоями глины, берут ложечные пробы и производят стандартные испытания на пенетрацию, в то время как в глинистых слоях отбирают сплошные керны трубчатыми грунтоносами. Рис. 131 иллюстрирует бурение этого типа. Оно проводилось в неоднородном прибрежном отложении, расположенном на одном из склонов затопленной долины. С левой стороны приведена геологическая колонка. Первый график представляет собой результаты глубинного зондирования, проведенного на расстоянии в несколько десятков сантиметров от буровой скважины. Остальные два графика содержат результаты исследований грунта в лаборатории. Рис. 132 показывает результаты исследования прочности на одноосное сжатие отложения гляциальной (ледниковой) глины, имеющего строение, промежуточное между правильным и.эрратическим. Отдельные слои глины были недостаточно однородны, чтобы характеризовать их определенными показателями физических свойств. Однако проект требовал общей характеристики прочности на сжатие глины и ее § 45. ПРОГРАММА РАЗВЕДКИ ГРУНТА •347 разновидностей как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. Чтобы удовлетворить этому требованию, было произведено бурение скважин трубчатого отбора в точках, расположенных на расстоянии 60 м друг от друга, и керны, полученные в результате этого бурения, подвергались тем же самым испытаниям, что и непрерывные керны из однородных слоев. Последующие работы по проходке тоннеля показали, что полученный профиль действительно раскрывал общий характер глинистых пластов, встреченных на различных участках тоннеля. Как и следовало ожидать, в промежутках между скважинами встречались значительные отклонения свойств глины от средних значений, и это требовало непрерывной бдительности во время строительства. Однако более детальные исследования грунтов были бы непрактичны и неэкономичны. Сжимаемость слоев глины Сжимаемость слоев глины представляет интерес как с точки зрения последующих осадок, так и в отношении запаздывания в увеличении сопротивления сдвигу при действии приложенной сверху нагрузки. Каково бы ни было практическое значение сжимаемости, надежное предсказание ее влияния может быть сделано лишь в том случае, если пласты глины являются непрерывными и достаточно однородными. Если грунт содержит непрерывный и достаточно однородный слой глины, то осадка поверхности, вызванная приложенной сверху нагрузкой, в каждой точке примерно пропорциональна среднему давлению, которое нагрузка вызывает в глине под этой точкой. Интенсивность и распределение давления в глине могут быть вычислены с помощью методов, описанных в § 35. На основании результатов этих вычислений и результатов испытаний грунта может быть рассчитана осадка, вызванная нагрузкой, и построены кривые равных осадок. При небольших сооружениях, опирающихся на однородные слои глины, никакие исследования грунта не требуются, кроме обычных испытаний ложечных проб. Для глин эти исследования включают также определения предела текучести. Статистическое соотношение между пределом текучести и коэффициентом компрессии Cc д а е т с я у р а в н е н и е м (13.11). Д л я нормально обжатых глин с обычной чувствительностью значение, полученное с помощью этого уравнения, является достаточно точным для большинства практических целей. Однако, если глина сверхчувствительна, то действительное значение Cc очевидно будет выше, чем вычисленное, а если она переуплотнена, то действительное значение гораздо ниже. Степень чувствительности характеризуется влиянием переминания на сопротивление сжатию ложечных проб. О наличии переуплот- 348 ГЛАВА VII. РАЗВЕДКА ГРУНТОВ нения можно обычно судить по геологическому характеру местности. При ответственных сооружениях, когда необходимы точные прогнозы осадок, требуются дополнительные исследования. Эти последние состоят прежде всего в бурении скважин трубчатого отбора, расположенных не ближе, чем на 30 м друг от друга. Непрерывные керны, получаемые нз этих скважин, подвергаются тем же испытаниям, что и рекомендованные для исследования сопротивления сдвигу однородных слоев глины. Однако испытание на одноосное сжатие достаточно провести на характерных пробах только из одной скважины, чтобы получить надежные данные относительно чувствительности глины. После того как построены профили влажности по всем буровым скважинам трубчатого отбора, аналогично рис. 127,а. выбирают одну характерную буровую скважину. Вблизи этой скважины проходят скважину для отбора ненарушенных монолитов диаметром по меньшей мере в 10 см для испытания грунта на консолидацию. Вследствие большой затраты времени и труда, требующихся для испытаний на консолидацию, последние во избежание чрезмерной задержки могут быть проведены не более чем на 10 или 15 образцах. Однако д а ж е в относительно однородных слоях глины физические свойства, очевидно, в значительной степени изменяются от одной точки к другой. В результате сжимаемость глины может быть определена при умеренных затратах только на основании статистического соотношения между сжимаемостью и ее индексационнымк свойствами. Из всех испытаний, которые перечислены в табл. 5 как обычные в практике, наиболее дешевым и подходящим для указанной цели является определение влажности. Влажность более тесно связана с сжимаемостью различных частей пласта глины, чем любая другая индексационная характеристика. Следовательно, определение средней сжимаемости пласта глины наиболее удобно основывать на статистическом соотношении между влажностью и сжимаемостью элементов пласта. Осадка, вызванная консолидацией нормально обжатого слоя глины со средним коэффициентом пористости е0 зависит при прочих равных условиях от коэффициента компрессии глины Cc. Опыт показал, что соотношение между естественной влажностью и к о э ф ф и ц и е н т о м о б ъ е м н о й к о м п р е с с и и Сс/(1 + е0) для таких глин может быть приближенно представлено линейным уравнением. Чтобы воспользоваться преимуществами этого соотношения, проводят испытание на консолидацию и значения CJ(\+e0) наносят на график в функции естественной влажности. На рис. 133 приведен такой график. Все точки, изображающие результаты от- § 45. ПРОГРАММА РАЗВЕДКИ ГРУНТА •349 дельных испытаний, расположены близко к прямой линии. Вертикальное расстояние между пунктирными линиями ха- р а к т е р и з у е т р а з б р о с значений Сс/( 1 + е 0 ) относительно среднего значения, соответствующего данной естественной влаж- ности. Следующий шаг состоит в использовании этого соотноше- ния для определения значений коэффициента объемной ком- прессии, соответствующих естественной в л а ж н о с т и всех Ъ-см трубчатых проб, которые были испытаны. Наконец, подходя- щим арифметическим илй графическим методом определяется среднее значение Сс/(1+е0). Это значение можно непосредственно подставлять в уравне- ние (33.8) при расчете осадки. Если глина переуплотнена, то уравнением (13.8) нельзя пользоваться, и метод расчета осадок должен быть приспособлен к консолидационной характеристике глины. Но какой бы метод ни применялся, предсказать точно величину осадки практически обычно 0225 / о / / / / rtOJнечие 13 V 13Z M * яя £ «е> ьь * УЗ Ku -О Kv А f Г-Ь ов W о е-" и о,г о,1 0,6 0,8 1,0 0 о,г о,и о,б о,в i,c Отношение Н,/Н Рис. 136. Графики для определения давления на подпорные стенки засыпки с ломаной поверхностью Д л я г р у н т о в т и п а 5 в ы ч и с л е н и я д о л ж н ы б ы т ь о с н о в а н ы н а з н а ч е н и я х H н а 1,2 м м е н е е действительного § 46. ПОДПОРНЫЕ СТЕНКИ 360 быть определены по кривым на рис. 136. Как и выше, на гра- фике приведены значения давления на вертикальное сече- ние ab через пяту подошвы стены. Если засыпка принадлежит к типам от 1 до 4, то точка приложения равнодействующей давления принимается на границе нижней трети Н. Для ма- териалов типа 5 значение H уменьшается на 1,2 м при вы- числении общего давления и принимается, что равнодействую- щая приложена над основанием на высоте, равной — —1,2) м. Если поверхность засыпки является горизонтальной и несет равномерно распределенную дополнительную нагрузку интен- сивностью q (случай «в»), то давление на единицу площади вертикального сечения ab на любой глубине увеличивается вследствие действия дополнительной нагрузки на величину P4 = Cq, (46.1) Т а б л и ц а 13 где С является коэф- Значения С в уравнении (46.1) фициентом, зависящим Тип грунта с от типа грунта. Значе- ния С даются з 1 0,27 табл. 13. 2 0,30 Если поверхность 3 0,39 засыпки несет линейную нагрузку интен- 4 5 1 1 сивностью q', парал- лельную гребню стенки (случай «г»), то считается, что эта на- грузка создает в вертикальном сечении горизонтальную силу Pq = Cq (46.2) на единицу длины стены. Точка приложения d силы Pq, (рис. 137, а) может быть определена путем проведения прямой линии от точки с приложения силы q' под углом 40° к горизонтали до пересечения с задней гранью стенки в точке dx.. Если точка d\ расположена ниже подошвы стенки, то влиянием линейной нагрузки можно пренебречь. Если точка с расположена по левую сторону от вертикальной плоскости ab, т о поступают по этому же правилу. Линейная нагрузка q' вызывает т а к ж е дополнительное вертикальное давление в горизонтальной плоскости, проходящей в уровне верха фундамента стенки. Можно принять, что давление р" на этом уровне является равномерно распределенным по основанию ef равностороннего треугольника с вершиной в точке с. Следовательно, интенсивность д а в л е н и я будет P - - =е/- (46.3) 362 ГЛАВА V i i i . ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА И УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ Только та часть р", которая действует непосредственно на уступ фундамента, должна приниматься во внимание при расчете устойчивости. Описанный способ относится к стенкам на относительно несжимаемом основании. Следовательно, трение по стенке и сцепление стремятся сместить' стенку вниз и уменьшают давление грунта. Однако, если стенка покоится на очень Ъ Рис. 137. Определение величины и направления давления на подпорную стенку, вызванного линейной нагрузкой, параллель- ной гребню стены и имеющей интенсивность Cjf 1 — верхний слой (низкой проницаемости); 2 — гравий; 3 — дреиажиые отверстия; 4 — канава сжимаемом основании, то большая осадка стенки по сравнению с осадкой засыпки, по-видимому, сделает направление этих сил обратным. Это очень сильно увеличивает давление грунта (см. § 26 и рис. 64). Поэтому, если стенка покоится на таком сжимаемом грунте, как мягкая глина, то величина давления засыпки, вычисленная для материалов типа 1; 2; 3 и 5, должна быть увеличена на 50%. Давление засыпки, рассчитанное с помощью только что описанного полуэмпирического метода, включает действие фильтрационного давления и влияние различных обусловленных временем изменений в засыпке. Однако, несмотря на это, должны приниматься меры, чтобы воспрепятствовать скоплению воды позади стенки и уменьшить влияние мороза. Для удаления воды, которая просачивается в засыпку во время ливней, устраиваются выпускные отверстия, называемые дренажными. Д р е н а ж н ы е о т в е р с т и я обычно устраиваются путем заделки в стенку трубок диаметром 10 см, к а к это показано на рис. 137, а. Вертикальное расстояние между горизонтальными рядами дренажных отверстий не должно превышать 1,5 м. Горизонтальное расстояние в данном ряду зависит от способа, с помощью которого направляют к дренажным отверстиям просачивающуюся сквозь засыпку воду. Самый дешевый, но зато наименее эффективный метод состоит в отсыпке около 0,03 Ms щебня или гравия § 46. П О Д П О Р Н Ы Е СТЕНКИ 363 .у входа в к а ж д о е д р е н а ж н о е отверстие. В этом случае горизонтальное расстояние между дренажными отверстиями не должно превышать примерно 1,5 м. Вода, которая вытекает из дренажных отверстий, может просачиваться в грунт основания вблизи переднего края подошвы подпорной стены, где грунт как раз должен поддерживаться по возможности сухим. Этот нежелательный эффект можно предотвратить, заменив каждый горизонтальный ряд дренажных отверстий продольным з а с т е н н ы м д р е н а ж е м , который простирается вдоль всей задней грани стенки. Выходы из застенного дренажа располагают вне концов стенки. Наиболее совершенная система дренирования, которая широко применяется, носит название с п л о ш н о г о з а с т е н н о г о д р е н а ж а . Он представляет собой вертикальный слой гравия, покрывающий всю заднюю поверхность стенки. Выпуски делаются у обоих концов стенки. Дренирование предотвращает скопление воды за стенкой. Однако при любом способе дренирования вода будет течь из засыпки по направлению к дренам и при этом, как показывают теоретические исследования, фильтрационное давление может значительно увеличить горизонтальное давление, развиваемое засыпкой с низкой проницаемостью. В графиках (рис. 135 и 136) учтено это временное увеличение давления грунта, так как они построены по данным опыта эксплуатации подпорных стенок с обычными несовершенными приспособлениями для дренирования. Чтобы предотвратить насыщение засыпок типов 2 и 3 (табл. 12) во влажные периоды, поверхность засыпок должна быть покрыта слоем грунта с гораздо меньшей проницаемостью, чем засыпка. Эта поверхность должна иметь наклон к удобно расположенной канаве, как показано на рис. 137, а. Если в засыпке должны находиться водопровод или канализационные трубы, то их следует окружать дренажем из гравия с выходом, расположенным в таком месте, чтобы разрыв труб не мог пройти незамеченным. Поскольку приведенный выше полуэмпирический метод учитывает, кроме давления, создаваемого грунтом, также и влияние воды, фильтрующейся к задним дренам, и различные другие временные факторы, нам остается еще рассмотреть л и ш ь действие мороза. Если засыпка типа 2 или 3 по табл. 12 насыщена водой, то к зоне замерзания вблизи грани стенки притягивается добавочная вода, в результате чего могут образоваться слои льда, параллельные задней грани стенки (см. § 21). Если засыпка постоянно отделена от грунтовой воды очень проницаемым или, наоборот, почти непроницаемым слоем грунта, то она образует замкнутую систему. В такой засыпке образование слоев льда вызывает лишь перемещение воды из центральной части засыпки к зоне за- 363 ГЛАВА Viii. ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА И УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ моражквания, но объем и форма засыпки остаются практически неизменными, и соответствующее смещение подпорной стенки, очевидно, будет незаметным. Однако, если грунтовая вода проходит в засыпку, то система будет открытой, и образование льда вызовет энергичное смещение стенки во внешнюю сторону, потому что никакая подпорная стенка не в состоянии противостоять давлению кристаллизации льда. Д л я устранения этой опасности предлагалось создание непрерыв- Рис. 138 а—действие мороза на засыпку подпорной стенки, снабженную только застенным дренажем; б—способ дренирования засыпки, предупреждающий образование ледяных прослоек; 1 — ледяные слои; 2 — зеркало воды; 3 — дренаж; 4 — непроницаемая засыпка ного дренажа из гравия в месте пересечения Ь задней грани стены с первоначальной поверхностью грунта (рис. 138, а). Такое дренирование, как правило, понижает зеркало воды до положения bd, но это не мешает, однако, подтягиванию воды капиллярными силами к зоне замерзания, как это показано на рчс. 138, с. Чтобы преобразовать засыпку в замкнутую систему, следует покрыть всю площадь контакта между засыпкой и основанием вплоть до наивысшего уровня воды слоем из гравия или какого-либо другого очень проницаемого материала (рис. 138,6). Коллекторная дрена d должна бытьуложена за пределами нижней границы зоны промерзания и выходы из нее должны быть защищены от намораживания льда. Никакого серьезного действия мороза не следует опасаться, если засыпка представляет собой замкнутую систему или если она состоит из грунтов типа 1; 4 или 5. Определение давления грунта с помощью теории. Величина давления грунта, рассчитанная с помощью теории, меньше чем давление засыпки, определенное с помощью полуэмпирического способа, описанного выше. Однако, как указывалось ранее, проектирование подпорной стенки на основе теории может быть оправдано только в том случае, если физические константы материала насыпи достоверны и если приняты меры для того, чтобы давлением поровой воды можно было всегда пренебрегать. Расходы, связанные с удовлетворением этим требованиям, превосходят выгоду от использования теоретического д а в л е н и я грунта при проектировании, если § 46. подпорные стенки 365 только подпорная стенка не является необычно высокой или длинной. В последнем случае может оказаться более экономичным исследовать свойства насыпи, провести надлежащие мероприятия для обеспечения постоянства этих свойств и исключения возможности появления избыточного порового давления воды. Тогда проектирование стены можно вести по теоретическому значению давления грунта. Физические свойства грунта, которые входят в теоретический расчет его давления, это — объемный вес, угол внутреннего трения и сцепление. Д а ж е самые совершенные теоретические методы будут бесполезны, если значение этих постоянных не будет найдено в лаборатории путем испытания характерных образцов материала засыпки, уплотненных до той же плотности, что и в полевых условиях. Следующие три абзаца подытоживают методику получения требующихся данных. О б ъ е м н ы й вес грунтов типов 1; 2 и 3 по т а б л . 12 д о л ж е н быть определен с помощью взвешивания проб, которые вначале насыщают водой, а затем дают последней стечь под действием силы тяжести примерно в течение 30 мин. через отверстия в дне контейнеров. Пробы должны иметь высоту около 10 см. Глина в з в е ш и в а е т с я при той в л а ж н о с т и , при которой она укладывается в насыпь. Угол внутреннего трения хорошо проницаемых грунтов, т а к и х к а к типы 1; 2 и 3 по т а б л . 12, м о ж е т быть определен с помощью испытаний на медленный сдвиг, потому что коэффициент пористости этих материалов в полевых условиях будет за время строительства изменяться в соответствии с изменением напряжений. Сцеплением следует пренебрегать. Коэффициент внешнего трения по стенке tgo может быть п р и н я т р а в н ы м — Ig <р. Е с л и з а с ы п к а будет п о д в е р г а т ь с я О вибрациям в результате движения транспорта или если она будет нести тяжелые дополнительные нагрузки переменной интенсивности, как, например, нагрузки на складские платф о р м ы , то з н а ч е н и я tg

во и D75 (§ 5). Расстояние м е ж д у трубчатыми колодцами составляет от 12 м для очень проницаемых грунтов до 6 м для наименее проницаемых, которые еще могут эффективно дренироваться. Метод иглофильтров Термин и г л о ф и л ь т р относится к нижнему перфорированному концу трубы диаметром 50 или 63 мм, имеющему обычно длину 1 м. Труба служит одновременно обсадной и всасывающей трубой. Отверстия в ней покрыты проволочной сеткой. Иглофильтры располагаются в грунте на расстоянии от 0,9 до 1,8 м. Если ряд иглофильтров располагается под непрерывным пластом с относительно низкой проницаемостью, то грунт над этим слоем останется, очевидно, недренированным. Чтобы избежать этого и повысить эффективность иглофильтров в грунте с низкой проницаемостью, обычно пользуются следующим приемом. После того как иглофильтр введен в грунт, 3 380 ГЛАВА VIII. ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА И УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ давление подмывной воды увеличивается, вследствие чего грунт, окружающий трубу, размывается и уносится. Вокруг грубы образуется цилиндрический колодец. Во время этого процесса все мелкие частицы грунта, которые первоначально занимали размытый объем, выносятся, но более крупные остаются и скапливаются в нижней части колодца, образуя фильтровую обсыпку. Если вода оказывается не в состоянии произвести размыв, то колодец устраивается механическими средствами и фильтр получают, засыпая колодец песком. Дренирование узких траншей обычно достигается с помощью откачки воды из одиночного ряда иглофильтров, расположенного с одной стороны траншеи, при условии, если ее глубина значительно меньше, чем глубина, до которой может быть понижен этим методом уровень воды. В противном случае требуется два ряда иглофильтров, по одному с каждой стороны траншеи. Стоимость откачки обычно мала по сравнению со стоимостью транспортировки и монтажа иглофильтров, если только грунт не содержит очень проницаемых слоев. Если разведочное бурение указывает на наличие исключительно проницаемых слоев, то должна быть проведена пробная откачка с целью определения требуемой мощности насосов. Во всех других случаях можно подобрать насосы на основе эмпирических правил. Обычно устанавливается один 6-дюймовый самозаполняющийся насос на к а ж д ы е 150 или 180 м длины ряда иглофильтров. Если высота, до которой должна быть поднята вода над уровнем коллекторной трубы, не я в л я е т с я ч р е з м е р н о большой, то мотор в 20 л. с. будет достаточным. Осушение требует от 2 до 6 дней [47.4]. Многоярусные установки и дренирование с помощью трубчатых колодцев Н а рис. 142 показан котлован глубиной 15 м от начального уровня воды. С помощью самого верхнего ряда иглофильтров уровень воды м о ж е т быть п о н и ж е н только до отметки Ь, нах о д я щ е й с я менее чем на 6 м г л у б ж е точки а. Ч т о б ы произвести выемку грунта до более низкого уровня, должен быть установлен на несколько десятков сантиметров выше уровня точки b второй ряд иглофильтров, соединенных между собой с помощью коллекторной трубы. Такое расположение называется м н о г о я р у с н ы м . Один ряд иглофильтров требуется примерно на каждые 4,5 м глубины. Может потребоваться также дополнительный ряд вдоль нижней бровки откоса ( р я д е). Независимо от числа ступеней, средняя мощность наклонного слоя грунта, который осушается, не мо>кет быть увеличена до более, чем примерно 4,5 м (рис. 142,а). Под этим слоем грунт подвергается действию гидродинамического давле- § 47. Д Р Е Н И Р О В А Н И Е П Е Р Е Д Р А З Р А Б О Т К О Й К О Т Л О В А Н О В 381 ния фильтрующейся воды. Если глубина траншеи во много раз больше чем 4,5 м, то осушенный слой представляет собой лишь поверхностную пленку по сравнению с мощностью массы грунта, примыкающего к откосу. Гидродинамическое давление, действующее на эту массу, может нарушить устойчивость откоса. Чтобы избежать этого, фильтрационный поток а) Рис. 142. Дренирование глубокой выемки а — с помощью многоярусного расположения иглофильтров; б — с помощью глубинных насосов; 1 — начальный уровень воды; 2 — средняя толщина дренированного слоя; 3 — трещиноватая скала; 4 — отводящая труба; 5 — начальный уровень воды; 6 — пониженный уровень воды; 7 — коллекторная труба к насосу; 8 — глубинный насос должен быть перехвачен, прежде чем он проникнет в грунт откоса. Это может быть достигнуто с помощью ряда глубоких колодцев / (рис. 142,6), расположенных вблизи от верхнего края откоса. Диаметр этих колодцев должен быть достаточно большим, чтобы позволить установить глубинные насосы внутри обсадки. Максимальная эффективность может быть достигнута при использовании многоступенчатых центробежных насосов с электрическим приводом, смонтированных на вертикальных валах. Чтобы предупредить разжижение грунта у подошвы откосов, следует удалить с помощью 3 382 ГЛАВА VIII. ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА И УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ иглофильтров небольшое количество воды, которое проникает через промежутки между колодцами. Если грунтовый профиль довольно однородный, то расстояние между глубокими колодцами должно определяться на основе теоретического исследования притока воды к выемке. Такое исследование экономически оправдано, так как насосы для глубоких колодцев очень дороги. Успех дренирования с помошью откачки из глубоких колодцев зависит прежде всего от эффективности мер, предотвращающих засорение фильтра мелкими частицами грунта. Разгрузочные скважины Поскольку откачка из трубчатых колодцев или иглофильтров опускает уровень воды в глубь откоса или ниже основания, риск оползания исключается. Это является важным преимуществом перед методом открытого водоотлива из зумпфов. Однако, как указывалось выше, если нижние концы трубчатых колодцев или иглофильтров расположены над относительно непроницаемым слоем (ab на рис. 141), то может произойти выпор или дутье, несмотря на дренирование, достигнутое в результате откачки из верхнего слоя. Чтобы предотвратить такие аварии, должны быть устроены выпуски для воды, находящейся под преграждающим слоем. Эти выпуски называются р а з г р у з о ч н ы м и с к в а ж и н а м и . Самый простой способ их устройства заключается в том, чтобы опустить подмывом иглофильтры, промыть вокруг них цилиндрическое пространство в грунте и заполнить это пространство крупным песком. Объемный вес T большинства водонасыщенных грунтов примерно в 2 р а з а больше удельного веса Тю воды. Следовательно, как правило, условие выпора или дутья TAi < TwA не удовлетворяется, если h (рис. 141) не будет больше 2h\. В некоторых грунтовых отложениях вода из глубоких водоносных слоев поднимается в пьезометрических трубках до более высокого уровня, чем из слоев, близких к поверхности земли. Такая вода называется а р т е з и а н с к о й . В подобных случаях может произойти выпор дна или дутье, даже если h значительно меньше 2h\. Чтобы вскрыть существование артезианской воды, разведочные скважины должны буриться до глубины минимум на h, а еще лучше на 1,5h ниже уровня основания. Всякий р а з после отбора ложечной пробы должна быть обеспечена возможность поднятия воды в обсадной трубе до тех пор, пока ее уровень не стабилизируется, после чего последний должен быть измерен. § 47. Д Р Е Н И Р О В А Н И Е П Е Р Е Д Р А З Р А Б О Т К О Й К О Т Л О В А Н О В 383 Вакуумный метод Если средний эффективный диаметр Dio зерен грунта меньше ~ 0,05 мм, то гравитационные методы дренирования, описанные выше, не в состоянии обеспечить желательных ре- зультатов, так как вода удерживается в порах грунта капил- лярными силами. Однако стабилизация очень мелкозернистых грунтов может быть достигнута, хотя и не Атмосферное давление ра L-L-L сразу, путем поддержания вакуума в фильтровых об- сыпках, которые окружают иглофильтры (рис. 143). До создания вакуума как верх- няя поверхность мелкозер- нистого слоя, так и грунт, окружающий фильтр, под- вергаются действию давле- ния р а атмосферы, равного приблизительно 1 кг/см2. После того как вакуум об- разовался, давление на грунт у фильтра становится почти равным нулю, в то время как давление на по- верхность слоя остается Рис. 143. С х е м а в а к у у м н о г о м е т о д а равным ра. Вследствие это- дренирования го вода постепенно выжимается из грунта в область разрежения у фильтров, пока эффективное давление в 1 — коллекторная труба; 2 — зона капиллярного н а с ы щ е н и я ; ,3 — г л и н я н а я п р о б к а ; 4 — песчаный фильтр, поры под вакуумом; 5 — н а чальный пьезометрический уровень; 6 — уро- вень воды в фильтре грунте, примыкающем к ря- дам иглофильтров, не станет равным атмосферному давлению. В то' же время сопротивление грунта сдвигу повышается на величину, равную ра tgcp, где ? — угол внутреннего трения грунта. Этот процесс очень похож на уплотнение глины, выз- ванное высыханием (§ 21). Для устройства фильтра, из которого может быть откачан воздух, применяется следующий метод. После того как иглофильтр путем подмыва введен в грунт, давление струи воды увеличивается, пока не размоется скважина диаметром от 25 до 30 см. П о к а вода продолжает течь, в скважину з а б р а с ы в а ют песок до уровня на несколько десятков сантиметров ниже поверхности мелкозернистого слоя. Затем воду выключают и остальную часть скважины заполняют глиной или илом, которые действуют как воздухонепроницаемая пробка (рис.143). Результаты, которые могут быть получены благодаря этому 3 384 ГЛАВА VIII. ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА И УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ методу, иллюстрируются рис. 144, на котором показана открытая выемка в органичегком иле со средним эффективным диаметром частиц менее 0,01 мм. 95% грунта прошло через сито с отверстиями 0,07 мм. Д н о выемки находилось примерно на 4,8 м ниже начального уровня воды. Перед откачкой ил •был настолько мягким, что кран, который виден на заднем Рис. 144 Котлован в Кэ.мдене, штат Нью-Джерси, в мягком органическом иле после консолидации с помощью вакуума плане, мог двигаться только по настилу из тяжелых досок. Пссле двух недель откачки грунт стал таким плотным, что борта котлована уже не нуждались в креплении. Отчетливые следы, оставшиеся на откосах от рытья, свидетельствуют о большой величине сцепления, которое грунт приобрел во время откачки. На рис. 145 показан котлован в иле на постройке Бонневильской плотины (в штате Орегон) после консолидации вакуумным методом. Эффективный диаметр частиц ила составл я л примерно 0,015 мм, коэффициент однородности — примерно 3; 95% этого грунта прошло через сито с отверстиями 0,07 мм. При вакуумном методе иглофильтры обычно распол а г а ю т на расстоянии 90 см друг от друга. Оборудование д л я откачки то же, что и при дренировании грунтов средней проницаемости. На каждые 150 м длины ряда иглофильтров ставится один 6-дюймовый насос. В дополнение к этому к линиям коллекторных труб присоединяют один или два вакуумных насоса. Одного мотора в 20 л. с. достаточно д л я работы всего насосного агрегата. Вследствие низкой проницаемости грунта § 47. ДРЕНИРОВАНИЕ ПЕРЕД РАЗРАБОТКОЙ КОТЛОВАНОВ 385 водяной насос действу ет лишь в течение коротких периодов. Вакуумные насосы действуют непрерывно. Успех этого метода зависит в значительной степени от качества вакуумных насосов и от квалификации и опыта мастера. После дренирования грунта вакуумным методом частицы грунта прижимаются друг к другу эффективным давлением, равным неуравновешенному атмосферному давлению, но пу- Рис. 145 Котлован в мягкой глине на строительстве Бопневильской плотины, штат Орегон, после консолидации с помощью вакуума стоты целиком заполнены водой. Следовательно, если структура грунта очень рыхлая, аналогично структуре настоящего плывуна, то возможно, что внезапный удар, произведенный случайно, например, при забивке сваи или взрыве, мог'ет вызвать разрушение всего сооружения в связи с внезапным разжижением грунта (§ 17). Однако пока о таких авариях сведений не имеется. Дренирование с помощью электроосмоса Сущность этого Meiода объяснена в § 21. В немногочисленных случаях практического применения, которые имели место до сих пор, иглофильтры-катоды располагали на расстоянии примерно 9 м друг от друга, а аноды забивали посредине между ними. Как аноды, так и катоды имели длину около 6 м. Опыт применения электроосмотического метода пока еще недостаточен, чтобы сделать вывод относительно его приемлемости и экономичмости. Он, по-видимому, лучше всего подхо- 3 386 ГЛАВА VIII. ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА И УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ дит для осушения различного рода илов и пылеватых глин. Если иглофильтры устанавливаются как раз у границ котлована в таком грунте, то фильтрующаяся вода перехватывается ими вместо того, чтобы просачиваться сквозь откосы и дно выемки. Одного этого может в некоторых случаях оказаться достаточным, чтобы предотвратить оползание и выпор. Количество электрической энергии, которое требуется для дренирования грунта, зависит в значительной степени от типа и размеров выемки, от химического состава грунтовой воды и от продолжительности времени, в течение которого необходимо защищать выемку. На немногих больших котлованах, которые до сих пор дренировались этим методом, было найдено, что на 1 мъ вынутого материала расходуется от 0,5 до 1,3 квг-ч. С другой стороны, в одном случае, когда р а з р а б а тывалась небольшая выемка, расход электроэнергии достиг 13 квт-ч на 1 м3. Влияние на расход энергии с о д е р ж а щ и х с я в грунтовой воде растворенных солей точно учесть пока нельзя. Однако их наличие может значительно увеличить этот расход. Надежные методы определения потребности в энергии на основе результатов лабораторных испытаний соответствующих образцов грунта до сих пор еще не разработаны. Для дренирования илистых грунтов вакуумный метод представляется более целесообразным, так как он экономичен, и расходы на дренирование могут быть с уверенностью определены заранее. Следовательно, областью рационального применения электроосмотического метода является, по-видимому, дренирование грунтов, которые слишком мелкозернисты, чтобы их можно было стабилизировать с помощью вакуумного методаОднако окончательные выводы об относительных достоинствах обоих этих методов не могут быть сделаны, пока элекгроосмотический метод не выйдет из стадии экспериментирования [47.5]. Сводка методов дренирования Количество воды, которое притекает к выемке данных размеров, и методы, которые могут быть с наибольшей выгодой использованы для ее осушения, зависят прежде всего от средней проницаемости окружающего грунта. На небольших работах достаточно определить проницаемость на основе результатов обычных испытаний образцов, отобранных ложками из разведочных скважин. При крупных работах можно применять пробную откачку. Чтобы определить, требуются ли разгрузочные скважины, разведочное бурение должно проводиться до глубины ниже основания, равной минимум вертикальному расстоянию между начальным уровнем воды и отметкой дна выемки. Каждый раз, когда отбираются ложечные пробы, воде нужно дать воз- § 47. ДРЕНИРОВАНИЕ ПЕРЕД РАЗРАБОТКОЙ КОТЛОВАНОВ 387 можность подняться в скважине и соответствующий уровень должен быть занесен в буровой журнал. Выемки в грунтах с высокой проницаемостью (k больше чем 0,1 см/сек) или в очень плотных раэнозернистых грунтах средней проницаемости (k м е ж д у Ю - 1 и Ю - 3 см1сек) можно, как правило, осушать без большого риска путем откачки из открытых зумпфов. При благоприятных условиях однородные грунты со средней проницаемостью также можно безопасно дренировать путем откачки из зумпфов. Однако этот метод может вызывать образование грифонов на дне выемки, ведущих к пятящейся эрозии и к просадке поверхности грунта, окружающего выемку. Чтобы избежать этого риска, следует отдавать предпочтение дренированию грунтов средней проницаемости с помощью трубчатых колодцев или иглофильтров. Осушение грунта перед экскавацией требует от 2 до 6 дней. Наибольшая глубина, до которой может быть понижен уровень воды в результате дренирования с помощью одного ряда колодцев или иглофильтров, составляет примерно 5,5 м. Если дно проектируемого котлована расположено на большей глубине, то требуется многоярусная система. Две или более коллекторные трубы должны быть уложены на вертикальном расстоянии друг от друга, равном 4,5 м. Если глубина выемки превышает 15 или 18 м, то следует отдать предпочтение дренированию примыкающего грунта с помощью глубинных насосов, работающих внутри обсадки скважин большого диаметра. Однородные грунты с низкой проницаемостью (k между Ю - 3 и 10 ~ъ см!сек) не могут быть осушены откачкой ни из зумпфов, ни из скважин. Такие грунты можно наиболее успешно стабилизировать с помощью метода вакуумирования. Количество воды, которое может быть удалено, является очень небольшим, но если откачка производится в течение нескольких недель, то грунт может стать настолько плотным, что борта выемок глубиной до 4,5 м могут держаться под углом от 60 до 70° без риска обрушения. Тонкозернистые илы и однородные илистые грунты с коэффициентом фильтрации примерно между 10~5 и Ю - 7 см/сек могут быть настолько слабыми, что выемка будет заплывать даже при умеренной глубине. Их нельзя дренировать ни одним из существующих методов при доступной стоимости. Следовательно, разработка таких грунтов должна производиться с помощью землечерпания или в кессонах. К счастью, грунты этой категории встречаются редко. Грунты с коэффициентом фильтрации меньшим, чем примерно I O - см/сек, обладают, за немногими исключениями, большим сцеплением. Они не поддаются дренированию ни- 3 388 ГЛАВА VIII. ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА И УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ какими известными на практике средствами, но оно почти никогда и не требуется, потому что сопротивление сдвигу таких грунтов обычно является достаточно большим для сохранения устойчивости дна открытой выемки умеренной глубины. Глубина, до которой может быть произведена экскавация в таком грунте без риска выпора дна, может быть увеличена только при более пологих откосах или, если борта выемки являются вертикальными, путем увеличения глубины забивки шпунтовых свай, которые входят в конструкцию крепления котлована (§ 48). ЛИТЕРАТУРА 47.1. R. L. H а г г i s, A. new process for dealing with quicksand, „Eng. News", vol. 27,1892, стр. 420—421. Детальное олнсание грифонов, образовавшихся при разработке котлованов в Провиденсе, штат Род-Айленд. Метод, применявшийся для предупреждения заплывания выемки, вытеснен вакуумным методом. 47.2. W. K y r i e l e i s and W. S i c h a r d t, Groundwater lowering for foundation operations, Berlin, 1930. Детальное описание теории и практики применения метода Сименса. 47.3. Working in the dry with the moretrench wellpoint system, commereial publication, Moretrench Co., Rockaway, N. J. 47.4. E. A. P r e n t i s and L. W h i t e . Underpinning. New. York. 1931. Описание проницаемой обшивки стенок выемки (стр. 60 и 61); примеры дренажа выемок (стр. 80—90). 47.5. L. C a s a g r a n d e , The application of e l e c t r o o s m o s i s to practical problems in foundations and earthworks, Report on the present position. London, 1947. § 48. ГОРИЗОНТАЛЬНОЕ КРЕПЛЕНИЕ ОТКРЫТЫХ КОТЛОВАНОВ Введение Выемки могут быть оставлены раскрытыми постоянно, подобно шоссейным или железнодорожным выемкам, или же они могут быть только временными и снова засыпаются, после того как они сыграли свою роль. Откосы постоянных выемок обычно являются наклонными с заложением не круче чем 1 : 1,5 (§ 49) или ж е они поддерживаются подпорными стенками (§ 46). С другой стороны, откосы временных выемок или котлованов делают настолько крутыми, насколько это возможно без риска обрушения при данных грунтах (рис. 144 и 145), либо же их устраивают вертикальными и раскрепляют. Выбор зависит от относительной стоимости и от ограничений, налагаемых местными условиями на ширину котлована поверху. В этом параграфе рассматривается проектирование крепления для временных выемок с вертикальными стенками. Если дно котлована должно быть расположено ниже уровня воды, то примыкающий грунт дренируется до или во время § 48. ГОРИЗОНТАЛЬНОЕ КРЕПЛЕНИЕ ОТКРЫТЫХ КОТЛОВАНОВ 389 экскавации. Поэтому крепление может быть обычно запроектировано без учета положения уровня воды. Данные, которые требуются для надлежащего расчета системы крепления, зависят прежде всего от глубины котлована. Поэтому удобно отличать м е л к и е к о т л о в а н ы с глубиной меньше примерно б д и г л у б о к и е к о т л о в а н ы с большей глубиной. Крепление мелких котлованов, как например, траншей для прокладки канализационных труб или водопроводных магистралей, более или менее стандартизировано. Общепринятыми системами можно с уверенностью пользоваться при самых различных грунтовых условиях. Поскольку применение особенно тонких методов при проектировании таких систем было бы неэкономичным, перед началом строительства требуется лишь общее ознакомление с грунтом, и никакие расчеты давления грунта не являются необходимыми. С другой стороны, при проектировании креплений для глубоких котлованов, как например, для метро, должны учитываться размеры выемки и характер окружающего грунта, потому что экономия, которая может быть достигнута в результате этого, возможно, будет значительно большей, чем расходы на получение данных для проектирования. Чтобы получить необходимые данные относительно характера грунта, может потребоваться бурение для трубчатого отбора или испытание на пенетрацию в дополнение к стандартным разведочным скважинам. В прошлом проектирование крепления глубоких котлованов обычно основывалось на предположении, что давление грунта увеличивается, аналогично гидростатическому давлению, прямо пропорционально глубине от поверхности. Однако как теория (§ 32) , так и практика показали, что это допущение редко оправдывается. Поэтому описание глубоких котлованов во второй части этого параграфа содержит методы проектирования крепления, основанные на данных о действительном распределении давления. Крепление мелких котлованов В связных грунтах котлованы с вертикальными стенками теоретически могут до глубины H c по уравнению (24.8) обходиться без крепления. Значения Hc для глин различной консистенции являются приблизительно следующими: Очень мягкая Мягкая Средняя Hc ( M ) < 1,5 1,5—3 3—5,5 Жесткие и очень жесткие глины обычно пронизаны швами или трещинами, вследствие чего значение Hc может сниаиться до 3 м. Значение H c для песка со сцеплением зависит 390 ГЛАВА VUL ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА И УСТОЙЧИВОСТЬ откосов от интенсивности сцепления; обычно Hc н а х о д и т с я м е ж д у 3 и 4,5 м, но м о ж е т быть и з н а ч и т е л ь н о б о л ь ш е . Если котлован с вертикальными стенками без крепления отрывается в связном грунте, то через несколько часов или д н е й после р а з р а б о т к и на поверхности окружающего грунта появляются трещины растяжения. Наличие этих трещин значительно уменьшает критическую высоту (§ 31), и рано или 8) Рис. 146. Различные способы крепления котлованов неглубоких a ~ одиночный ряд распорок; б — забирка; s — шпунтовое крепление поздно боковые стенки обрушиваются. Чтобы предотвратить такие аварии, верхние края узких котлованов распираются, как это показано на ряс. 146,о. Горизонтальные поперечные элементы крепления называются обычно р а с п о р к а м и . И м и могут с л у ж и т ь д е р е в я н н ы е брусья или р а з д в и ж н ы е металлические распорки, называемые т р а н ш е й н ы м к р е п лением. Они закрепляются клиньями или болтами и поддерживают горизонтальную забирку, которая обычно состоит из 75-мм досок. Распорки обыкновенно размещаются на расстоянии в 2,5 м друг от друга, и нагрузка, которую они несут, как правило, очень невелика, если только котлован не окружен жесткой набухающей глиной. Е с л и глубина узкой т р а н ш е и п р е в ы ш а е т примерно ViZZc, то обычно распорки устанавливают по мере ее углубления. Они поддерживают короткие вертикальные брусья, называемые с т о й к а м и , которые в свою очередь служат опорой для з а б и р к и из горизонтальных досок (рис. 146,6). Обычно нет необходимости вплотную подгонять доски забирки друг к другу; если между ними остается некоторый зазор, то получается забирка вразбежку. Другой способ состоит в том, что с помощью распорок поддерживаются горизонтальные брусья, называемые с х в а т к а м и, на которые опираются вертикальные доски, называемые ш п у н т о в ы м р я д о м . Самая нижняя часть стенок на высоту около lI2Hc может быть оставлена без § 48. ГОРИЗОНТАЛЬНОЕ КРЕПЛЕНИЕ ОТКРЫТЫХ КОТЛОВАНОВ 391 крепления, чтобы обеспечить необходимое рабочее пространство, при условии, если грунт не может размокать и оползать. Если последнее может иметь место, то шпунтовый ряд опускается до дна выемки, однако не требуется никаких распорок для его поддержания на этом участке. В несвязном песке или в гравии может применяться лишь крепление шпунтом. С каждой стороны котлована обычно забивают один шпунтовый ряд, а схватки и распорки устанавливают по мере того, как продвигается выемка грунта. Обычно шпунт забивается на несколько десятков сантиметров за один прием, и его нижний конец всегда поддерживается на несколько десятков сантиметров ниже уровня экскавации (рис. 146,б). Размеры крепления достаточно хорошо стандартизированы и не зависят от типа грунта. Распорки располагаются на расстоянии 2,5 м друг от друга в горизонтальном направлении и от 1,2 до 1,5 м в вертикальном направлении. Металлическое траншейное крепление можно применять при ширине траншеи не более 1,5 м. Д л я узких котлованов деревянные распорки обычно имеют сечение 10X15 см. Эти размеры увеличиваются примерно до 2 0 X 2 0 см для котлованов шириной 3,5 м. Шпунт или забирка обычно состоят из досок шириной от 15 до 25 см. Креплением таких размеров можно надежно пользоваться в несвязных песках до глубины около 9 м и в мягкой глине до глубины около 3 м сверх i ^Hc. Крепление глубоких котлованов Общие данные о конструкции крепления. Наиболее распространенные способы крепления стенок глубоких котлованов показаны на рис. 147. По мере рытья котлована и увеличения его глубины устанавливают распорки. В § 32 показано, что углубление сопровождается смещением грунта в стенках котлована внутрь последнего. У поверхности грунта это смещение оказывается очень незначительным по величине, так как самый верхний ряд распорок ставится еще до того, как напряженное состояние грунта заметно меняется в результате проходки котлована. Однако это смещение, происходящее до установки распорок, возрастает на нижних отметках по мере того, как увеличивается глубина выемки. В соответствии с § 32, при таком виде смещения распределение давления грунта имеет приблизительно параболический характер. Максимальная интенсивность давления имеет место около середины глубины котлована, в то время как боковое давление горизонтальной засыпки на подпорную стенку возрастает аналогично гидростатическому давлению, прямо пропорционально глубине от поверхности. Другое основное различие между подпорной стенкой и креплением котлована заключается в характере их разруше- 3 92 ГЛАВА VIII. ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА И УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ ния. Подпорная стенка представляет собой одно конструктивное целое и обрушиться она может лишь целиком. Местные колебания величины давления засыпки не имеют большого значения. Зато каждая распорка в открытом котловане может смещаться отдельно. Поскольку разрушение одной из распорок влечет за собой увеличение нагрузки на соседние, это может вызвать прогрессирующее разрушение всей системы крепления. S) В) эг т/к-JiAVfy) По в - в м 'Г I l Рис. 147. Р а з л и ч н ы е с п о с о б ы к р е п л е н и я г л у б о к и х к о т л о в а н о в а — применение забирки и вертикальных стоек; б — применение двутавровых свай, забирки и прогонов; в — использование шпунтовых свай н прогонов; 1 — забирка; 2 — коротыш; 3 — распорка; 4 — прогон Наконец, необходимо иметь в виду, что сопротивление сдвигу грунта, примыкающего к вертикальной поверхности, не мобилизуется полностью, Пока поверхность не поддалась на известное расстояние (см. § 23). К а ж д а я подпорная стенка может без всякого ущерба сместиться на величину, в несколько раз превышающую это расстояние, однако распорка может разрушиться в результате продольного изгиба еще до того, как сопротивление сдвигу поддерживаемого грунта разовьется полностью. Практически нельзя установить ни лабораторными исследованиями, ни каким-либо другим косвенным способом, сопровождается ли фактически процесс разработки и крепления котлована смещением грунта стенок достаточным, чтобы уменьшить общее горизонтальное давление земли до величины активного давления. Кроме того, при данном полном давлении на систему крепления, нагрузки, которые действуют на отдельные распорки, могут быть очень различными, потому § 48. ГОРИЗОНТАЛЬНОЕ К Р Е П Л Е Н И Е ОТКРЫТЫХ КОТЛОВАНОВ 393 что они зависят от таких случайных факторов, как сила, с которой вбиты клинья, местные колебания свойств примыкающего грунта и время, которое проходит между разработкой и установкой креплений в данном месте. В свете этого обстоятельства нельзя полагаться ни на один метод проектирования крепления котлованов, пока его надежность не будет продемонстрирована результатами испытаний' в натуре. Пока испытания такого рода были произведены в глубоких котлованах лишь в плотном песке и в мягкой и средней ледниковой глине. а) 5) а Рис. 148 а — результаты измерения горизонтального давления грунта на крепление котлована в плотном песке в Берлине; 6 — трапецеидальная эпюра распределения давления грунта, принимаемая при расчете распорок котлованов в песке Глубокие котлованы в песке. Измерения усилий в распорках производились во время строительства метрополитена в Берлине открытым способом. Котлован глубиной 11,5 м проходился в мелком, плотном, довольно однородном песке. До и во время экскавации уровень грунтовой воды понижался до значительной глубины ниже дна котлована по методу Сименса (§ 47). Следовательно, во время строительства котлован находился выше уровня воды. Котлован крепился способом, показанным на рис. 147,б. Распорки были расположены в вертикальных плоскостях на одинаковых расстояниях вдоль оси котлована, и давление на них измерялось в десяти из этих плоскостей [48.1]. Распределение давления в четырех из них показано на рис. 148, а. Кривые, полученные для других сечений, расположены в пределах площади, занятой кривыми, показанными на этом рисунке. Хотя песок на месте работ был довольно однородным, форма кривых, выражающих распределение давления, значительно отклонялась от статистического среднего значения. Возможно, что эти колебания обусловли- 3 394 ГЛАВА viii. ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА И УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ вались до некоторой степени местными колебаниями в свойствах грунта и, в большей мере, различием в деталях производства работ на различных участках. Тем не менее, все кривые были грубо параболическими, и расстояние от дна выемки до центра давления колебалось в довольно узких пределах между 0,53Я и 0,60Я. Большинство значений находилось между 0,53Я и 0,55Я. В соответствии с § 32, полное давление грунта на вертикальное ограждение является несколько большим, чем кулояовское значение, если центр давления располагается выше нижней трети высоты. Если расстояние от низа ограждения до точки приложения равнодействующей давления составляет примерно 0,55Я, как это установлено испытаниями в Берлине, то полное д а в л е н и е грунта примерно на 10% больше, чем кулоновское значение. Если бы распределение давления было гидростатическим, то полное давление грунта на крепление к о т л о в а н а соответствовало бы п л о щ а д и треугольника abf, (рис. 148,6), у которого основание bf в 1,1 р а з а больше рА cos3 интенсивности горизонтальной компоненты кулоновского д а в л е н и я у дна к о т л о в а н а . М н о ж и т е л ь 1,1 п р е д с т а в л я е т собой соотношение между полным давлением грунта на боковые стенки котлована и соответствующим кулоновским значением. Однако действительное распределение давления в данном вертикальном сечении может быть похожим на любую из различных кривых на рис. 148,а. Оно изменяется от сечения к сечению. Поскольку каждая распорка должна рассчитываться на максимальное давление, какое только может на нее действовать, соответствующее значение, которое должно приниматься в расчет, определяется огибающей всех кривых, полученных в результате наблюдений в натуре. Эта огибающая в ы р а ж а е т с я приблизительно трапецией acdb. М а к с и м а л ь н а я интенсивность давления, соответствующая условному трапецеидальному распределению, составляет только 0,8 от максимального кулоновского значения, но площадь трапеции превышает площадь треугольника примерно на 20%. Этот избыток нужен для учета отклонений отдельных усилий в распорках на заданной глубине от среднего значения и предотвращения опасности прогрессирующего разрушения системы креплений. Чтобы определить расчетную нагрузку для распорок проектируемого котлована в плотном песке, можно пользоваться следующей методикой. Подготовляют схематический чертеж (рис. 149), на котором показывают сечение по вертикальным сваям или шпунтинам. Принимают, что сваи на уровне каждой распорки, за исключением самой верхней, имеют шарниры, и что они опираются без защемления на дно котлована. Вертикальные сваи подвергаются действию горизонтальной § 48. ГОРИЗОНТАЛЬНОЕ К Р Е П Л Е Н И Е ОТКРЫТЫХ КОТЛОВАНОВ 395 нагрузки, представленной т р а п е ц е и д а л ь н о й п л о щ а д ь ю acdh (рис. 149). Максимальная интенсивность горизонтального давления составляет согласно этому рисунку: 0,8/?лСО58-0,8ТЯ /Р,-^ • -iff2 Величина в скобках может быть непосред- ственно взята из графи- ков на рис. 67, Каждый отрезок вертикальных свай между шарнира- ми работает как про- стая балка, несущая свою часть общего дав- ления (рис. 149). Ре- акции, вызываемые на- грузкой, рассчитывают в соответствии с прин- ципами статики. Что- бы получить усилие в распорках, полную ре- акцию в уровне каждой из них умножают на горизонтальное расстояние между распорка- Of в COS S - Рис. 149. Схема расчета усилий в распорках крепления котлована в песке ми. Сечение каждой распорки должно рассчитываться с двойным коэффициентом запаса во избежание продольного изгиба. Поскольку способ производства работ в Берлине ни в чем существенно не отличался от обычных методов экскавации и крепления котлованов в песке, то схема Проектирования, иллюстрируемая рис. 149, может быть с уверенностью использована для котлованов в плотном песке в любой другой местности. С другой стороны, мы не располагаем никакими натурными данными относительно давления, производимого рыхлым песком. Поэтому неизвестно, уменьшается ли в этом случае давление у дна котлована так же, как и в случае плотного песка. Вследствие этой неопределенности расчет давления в рыхлом песке должен основываться на эпюре давления aceb вместо acdb (рис. 148,6). Это п р а в и л о следует соблюдать, пока не будут получены надежные измерения. П р а к т и ч е с к и р е д к о требуется определение <р и S с помощью л а б о р а т о р н ы х испытаний. Достаточно точные значения могут быть получены на основании табл. 7, стр. 109. Относительная плотность песка может быть определена с помощью глубин- 3 396 ГЛАВА VIII. ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА И УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ ного зондирования (§ 44). Для крепления типа, показанного на рис. 147,a, S равно 0°. Д л я типов, показанных на рис. 147,6 и в, значение § больше нуля, но оно, очевидно, не превышает 20°. Объемный вес f у песка должен быть измерен таким же способом, как и объемный вес песчаной засыпки подпорной стенки (§ 46). Если уровень воды понижается в результате откачки из открытых зумпфов в котлован, то необходимо принять достаточную величину фильтрационного давления на нижнюю часть крепления. Дренаж через пространство между досками забирки является недостаточным, чтобы снять фильтрационное давление. Действие этого типа дренирования аналогично действию вертикального дренирующего слоя позади подпорной стенки, показанного на рис. 139,а. Глубокие котлованы в глине. В соответствии с § 15 среднее сопротивление сдвигу s глины вдоль потенциальной поверхности скольжения равно примерно половине средней прочности на одноосное сжатие qa 5-см образцов глины трубчатого отбора. Следовательно, горизонтальное давление, производимое массой глины, может быть найдено на основе упрощающего допущения, что глина является идеальным пластическим материалом, для которого ® равно 0° и s= qJ2.Если часть массы грунта состоит из песка, то определяется среднее сопротивление его сдвигу, и этот слой песка заменяется на грунтовом профиле 'воображаемым слоем глины, имеющим сопротивление сдвигу S= qJ2. Среднее сопротивление сдвигу всей массы грунта, примыкающего к выемке, равно средневзвешенному значению s. В соответствии с ренкиновской теорией давления грунта (§ 24), активное боковое давление на глубине z ниже горизонтальной поверхности полубесконечной массы пластического материала со сцеплением c=s=qaj2 и с углом внутреннего трения ср=0 составляет Pa = Iz-QU (48-1) и общее давление на вертикальную плоскость высотой H равно н Рл = J ( T Z - qu) dz = \ Т Я * ( 1 - . о (48.2) На рис. 150, а показан вертикальный разрез по одной из стенок глубокого котлована в средней и мягкой глине в Чикаго. На рис. 150, б ординаты обозначают глубину от поверхности грунта, а абсциссы — соответствующие значения прочности на одноосное сжатие qu глины. Средневзвешенная величина qa для глины и для залегающего сверху песка состав- § 48. ГОРИЗОНТАЛЬНОЕ КРЕПЛЕНИЕ ОТКРЫТЫХ КОТЛОВАНОВ 397 ляет 1 кг/см2. В результате подстановки этого значения в уравнение (48.1) и нанесения на график полученных значе- ний рА В зависимости от глубины г была получена пунктирная линия на рис. 150,а. Она указывает распределение актив- ного давления на крепление при допущении, что примыкаю- щая глина находится в активном ренкиновском состоянии. S) „6I Пе•соIк L I3г <> ; L \ \ С> t $ Сз" * d / у CS-I УН-Ци О 12 Рис. 150 а — результаты измерения горизонтального давления грунта на крепление котлована в средней глине в Чикаго; б — колебания прочности на одноосное сжатие глины, находящейся по соседству с котлованом; в — фиктивная эпюра давления для расчета распорок крепления котлованов в мягкой или средней глине. 1 — фактическое давление; 2— ренкиновское давление; 3 — проч- ность на одноосное сжатие Данные о действительной величине и распределении давления были получены в результате измерения сил, которые действуют на отдельные распорки. Результаты представлены сплошной кривой на рис. 150, а. Форма этой кривой не оставляет никаких сомнений в том, что давление грунта на крепление этой выемки подчинялось не ренкиновской теории давления грунта, а теории, изложенной в § 32. Результаты аналогичных измерений в нескольких других котлованах в мягких и средних глинах в Чикаго привели к тем же самым выводам [48.2]. Было найдено, что вертикальное расстояние H1 от дна котлована до центра давления располагается в пределах между 0,42H и 0 , 5 6 # со средним значением 0,45#. Д л я этой амплитуды колебаний значений H1 теория, и з л о ж е н н а я в § 32, приводит к следующим выводам. Если равнодействующая бокового давления и внешнего сцепления грунта с креплением действует в горизонтальном направлении, то действительное давление должно превысить ренкиновское значение по урав- 3 398 ГЛАВА VIII. ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА И УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ нению (48.1) примерно на 50%. По мере увеличения наклона равнодействующей, горизонтальное давление уменьшается, и если наклон равнодействующей составляет 20°, то оба значения давления должны быть приблизительно равными. Поскольку крепление всех котлованов в Чикаго относилось к типам, показанным на рис. 147, 6 и в, шпунтовый ряд мог противостоять вертикальной нагрузке, и было найдено, что вертикальная компонента соответствует наклону равнодействующей в 20°. Следовательно, измеренные усилия в распорках должны были оказаться приблизительно равными полному давлению, определенному с помощью уравнения (48.2). Этот вывод нашел подтверждение в измерениях усилий во всех тех котлованах, где крепление было тщательным и плотно затянуто или заклинено. Максимальное горизонтальное смещение глины в сторону котлована не превышало 0,25% от его глубины, и, как следствие, осадка примыкающей поверхности грунта была незначительной. С другой стороны, заметная осадка поверхности грунта, примыкающей к одному из котлованов, указывала на чрезмерное смещение глины, и давление на крепление значительно превышало давление, которое могло бы ожидаться на основании уравнения (48.2). Эти наблюдения свидетельствуют о том, что даже небольшая величина горизонтального смещения при наиболее искусном выполнении работ по креплению, достаточна, чтобы было полностью мобилизовано сопротивление сдвигу глины, встречающейся в котлованах в Чикаго. Любое смещение большей величины было уже опасным во всех отношениях. Чтобы предотвратить чрезмерное смещение, было найдено целесообразным сильно расклинивать распорки забивкой клиньев между схватками и сваями или, еще лучше, путем распирания домкратами противоположных схваток при установке распорок. Наблюдения в Чикаго производились в глинах с пределом текучести от 28 до 52 при среднем значении примерно 36. Все точки, характеризующие эти глины, расположены выше линии А на графике пластичности (рис. 9). Следовательно, эти грунты принадлежат к классу неорганических глин средней пластичности. Самый верхний слой глины толщиной от 0,9 до 1,8 м был переуплотнен за счет высыхания, в то время как подстилающие слои были обжаты нормально или почти нормально. Соотношение между критической высотой Hc глины и глубиной H котлована колебалось в пределах от 0,45 до 0,8. Эти данные определяют известные границы применимости выводов, которые могут быть сделаны из наблюдений. На основе наблюдений за котлованами в районе Чикаго была разработана следующая методика определения усилий в отдельных распорках котлованов в аналогичных глинах. Прежде всего необходимо получить надежные данные относительно прочности глины при одноосном сжатии. С к в а ж и н ы § 48. ГОРИЗОНТАЛЬНОЕ К Р Е П Л Е Н И Е ОТКРЫТЫХ КОТЛОВАНОВ 399 для 5-см проб трубчатого отбора располагаются вблизи от осевой линии будущего котлована на расстоянии не более 30 м друг от друга. После того, как получены данные о проч- ности глины, проект должен основываться на минимальном из средних значений по отдельным скважинам. Этот метод определения расчетных нагрузок для отдель- ных распорок аналогичен методу, описанному при рассмотре- нии котлованов в плотном песке. Вычисления основываются на трапецеидальной эпюре abdc (рис. 150,в), которая охватыва- ет все кривые давлений, измеренных в Чикаго. Ширина тра- пеции равна —2qи. Полное давление, представленное площадью abdc, превышает полное давление, которое дейст- вует на любой отдельный вертикальный ряд распорок, пример- но на 50%. Как уже указывалось при рассмотрении глубоких котлованов в песке, это увеличение учитывает возможное от- клонение местного давления от среднего значения нагрузки на распорки на данном уровне. Коэффициент запаса распорок по отношению к продольному изгибу должен быть не мень- ше 2- Опыт показал, что уменьшение изгибающих моментов в схватках за счет проявления в глине арочного эффекта меж- ду вертикальными двутавровыми сваями (рис. 147,6) или стойками является слишком незначительным, чтобы прини- мать его во внимание. Поэтому максимальный изгибающий момент в каждой схватке должен вычисляться при допуще- нии, что нагрузка, передаваемая шпунтинами на схватку, рас- пределяется равномерно в горизонтальном направлении. Если глина настолько мягкая, что значение HcJH близко к нулю, горизонтальное давление может возрастать почти прямо пропорционально глубине. В мягких органических гли- нах смещение, связанное с процессом экскавации и установки крепления, может оказаться недостаточным, чтобы полностью мобилизовать сопротивление глины сдвигу. В сильно переуп- лотненных глинах стремление последней к расширению может постепенно увеличивать горизонтальное давление до разме- ров, в несколько раз превышающих значение по уравнению (48.2). Из-за этих все еще неисследованных явлений общие правила проектирования котлованов в глинах не могут быть разработаны до тех пор, пока наблюдения, аналогичные на- блюдениям, проведенным в Чикаго, не будут повторены в глинах самых различных типов. Если котлован разрабатывается в мягкой глине, то его дно может выпираться вследствие неспособности глины в основа- нии нести нагрузку от веса грунта в откосах. Коэффициент устойчивости против выпирания может быть определен с до- статочной точностью с помощью теории, приведенной в § 32. Если теоретический коэффициент устойчивости окажется не- достаточным, то выпирание можно обычно предотвратить с по- 3 40 ГЛАВА VIII. ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА И УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ мощью шпунтовых свай, забиваемых на достаточную глубину ниже дна. Необходимая глубина забивки может быть рассчитана. Если использование шпунтовых свай почему-либо невозможно, то котлован может быть пройден только с помощью землечерпания. Выводы и дальнейшие задачи Разработка и крепление котлованов, имеющих глубину меньше, чем примерно 6 м, требует лишь добросовестного выполнения существующих эмпирических правил. Давление грунта на крепление таких котлованов имеет второстепенное значение, так как более экономно воспользоваться одной из стандартных систем крепления с некоторым перерасходом материалов, чем приспосабливать крепление к местным грунтовым условиям. С другой стороны, крепление глубоких и широких котлованов поглощает значительную часть всех затрат. Существенная экономия часто может быть достигнута в результате различных отклонений от стандартных приемов крепления, как например, обеспечение большего свободного рабочего пространства между дном котлована и самым нижним рядом распорок. Чтобы удовлетворить требованиям как безопасности, так и экономичности, необходимо проводить тщательную разведку грунта и разрабатывать проекты на основе расчетов давления грунта. Опыт показал, что классические методы расчета давления грунта не применимы к проблеме крепления котлованов. Давление грунта, производимое плотным или довольно плотным песком и нормально обжатой или частично высохшей умеренно пластичной неорганической глиной, может быть рассчитано с помощью приемов, описанных в предыдущих разделах. Использование теории для проектирования крепления котлованов в грунтах других типов должно производиться с осторожностью, пока применимость результатов не будет продемонстрирована измерениями в натурных условиях. Опубликованные материалы об опыте устройства котлованов являются очень скудными, и ценность большинства из них снижается вследствие отсутствия надлежащего описания грунтов, в которых устраивались котлованы. ЛИТЕРАТУРА 48.1. К- T e i z a g h i , General wedge theory of earth pressure, „Trans ASCE*, vol. 106, 1941, стр. 68—97. Способы и результаты измерения давления грунта на крепление песчаного грунта в Берлине. 48.2 В. P e c k , Earth pressure measurements in open cuts, Chicago Subway, „Trans. ASCE", vol. 108, 1943, стр. 1 ( C < ' - : K t § 49. УСТОЙЧИВОСТЬ ЕСТЕСТВЕННЫХ СКЛОНОВ И ОТКОСОВ ВЫЕМОК 4 0 1 Результаты измерения давления грунта в нескольких выемках в мягкой и средней глине. 48.3. R. В. P е с k, The m e a s u r e m e n t of earth p r e s s u r e s on the Chicago Sub • way, „ASTM Bull', aug. 1941, стр. 25—30 Описание техники измерения усилий в распорках. 48.4. J. С. M e e m . , The b r a c i n g of t r e n c h e s and t u n n e l s , w i t h practical formulas for earth pressures, „Trans. ASCE", vol. 60, 1908, стр. 1—23, дискуссия стр. 24—100. Статья содержит интересные данные наблюдений в траншеях в самых различных грунтах. Теоретическая часть статьи и дискуссия представляют лишь исторический интерес. Данные о грунтах недостаточны. § 49. УСТОЙЧИВОСТЬ ЕСТЕСТВЕННЫХ СКЛОНОВ И ОТКОСОВ ВЫЕМОК Причины и общая характеристика разрушений откосов Всякая масса грунте, ограниченная естественной наклонной поверхностью земли или откосами выемки, стремится двигаться вниз и кнаружи под влиянием силы тяжести. Если сопротивление грунта сдвигу уравновешивает это стремление, то откос является устойчивым. В противном случае происходит оползень. Материал, который захватывается оползнем, может состоять из естественно отложившихся грунтов, из искусственной насыпи или из комбинации того и другого. В настоящем параграфе рассматриваются только оползни в естественных грунтах. Другие типы рассматриваются ниже. Оползни в естественном грунте могут быть вызваны такими внешними нарушениями, как подкапывание низа существующего откоса или рытье котлована без крепления стенок. С другой стороны, они могут произойти также и без внешнего механического воздействия на откосы, которые были устойчивыми в течение многих лет. Разрушения этого типа вызываются или временным увеличением порового давления, или постепенным уменьшением прочности грунта. Несмотря на многообразие условий, которые могут вызвать оползень, почти каждый тип последнего имеет общие характеристики, иллюстрируемые рис. 151. Разрушению предшествует образование трещин растяжения в верхней части откоса или за пределами его гребня. Во время сползания верхняя часть сползающей поверхности, называемая г о л о в о й или в е р ш и н о й оползня, опускается, в то время как нижняя часть, называемая я з ы к о м , выпирается кверху. Следовательно, если первоначальная поверхность откоса была плоской, то затем профиль поверхности грунта вдоль оси оползня получает форму S-образной кривой (см. рис. 78). Форма языка зависит в определенной степени от типа сползающего материала. Однородная глина с низкой степенью чувствительности к нарушению будет выпираться, как это показано на рис. 151. С другой стороны, глина с очень чувствительной 3 402 ГЛАВА VIII. ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА И УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ структурой или глина с песчаными карманами склонна к те- чению подобно жидкости. Д а ж е на однородных откосах значительной длины и при- близительно постоянной высоты оползни, за редким исклю- чением, происходят лишь в немногих местах, отделенных друг от друга значительными расстояниями. Напримео, хорошо известные оползни на Панамском кана- Трещины растяже- ле в ы г л я д я т на к а р т е к а к изолированные ния и уступы штрихи, отделенные друг от друга боль- Голова шими п л о щ а д я м и неповрежденного отко/Дв'прес-^v оползня са. Это справедливо и по отношению к J CUH -Ч оползням в длинных железнодорожных / 'IX выемках с приблизительно постоянным поперечным сечением. Один важный класс оползней пред- Зылирание S Язык, ставляет собой, однако, исключение из общего правила, согласно которому оползни не происходят широким фрон- том. Если геологические условия таковы, Рис. 151. План типичного оползня в связном грунте что большая часть поверхности скольжения расположена в пределах горизонтального слоя крупнозернистой пыли или песка, который разделяет два слоя гли- ны, то ширина оползня, измеренная параллельно гребню от- коса, очевидно, будет значительно большей, чем его длина. Оползни этого типа обычно вызываются избыточным поровым давлением в песке или пыли. В противоположность оползням других типов, здесь нельзя заранее заметить симптомы на- висшей угрозы, а разрушение происходит почти внезапно. Инженерные задачи, связанные с устойчивостью откосов Большинство задач, связанных с устойчивостью откосов, сопряжено с проектированием и строительством выемок для шоссе, железных дорог и каналов. Необходимость разработки глубоких выемок не возникала до начала XIX в., когда появились первые железные дороги. Однако с того времени были прорыты бесчисленные выемки со все увеличивающейся глубиной и длиной. Опыт показал, что откосы с заложением 1 (в вертикальном направлении) к 1,5 (в горизонтальном направлении) являются обычно устойчивыми. Действительно, откосы большинства выемок на железных дорогах и шоссе глубиной меньше 6 м имеют указанное заложение, так же как и откосы многих более глубоких абсолютно устойчивых выемок. Поэтому откос 1 : 1,5 может считаться стандартным при строительстве шоссе и железных дорог. Стандартные откосы для затопленных выемок, как например, в каналах, располагаются в пределах между 1:2 и 1:3. Откосы более крутые, чем § 49. УСТОЙЧИВОСТЬ ЕСТЕСТВЕННЫХ СКЛОНОВ И ОТКОСОВ ВЫЕМОК 4 0 3 стандартные, могут допускаться только в скале, в плотном песчаном грунте, перемешанном с валунами, и в истинном лессе. Рассмотрение откосов в скальных породах выходит за рамки этой книги. В плотных смесях песка и гравия с валунами откосы 1:1 постоянно оставались устойчивыми. П р и засушливом климате в истинном лессе должны делаться вертикальные откосы, потому что наклонные откосы невозможно должным образом защитить от быстрой эрозии. Подошвы вертикальных откосов требуют тщательной защиты от временного насыщения в дождливые периоды. Несмотря на эту предосторожность, тонкие слои неизбежно отваливаются время от времени, снова образуя вертикальные поверхности, которые остаются устойчивыми в течение ряда лет. Чтобы предупредить задержку движения обломками породы, обычно выемки в лессе делают большей ширины, чем требуется для транспорта. Устройство затопленных откосов в типичном лессе представляет собой, очевидно, серьезную проблему, которой мы коснемся в дальнейшем. Предварительная оценка размеров земляных работ при проектировании новых транспортных линий обычно основывается на допущении, что все выемки будут иметь стандартные уклоны. Однако опыт показал, что стандартные уклоны являются устойчивыми только в том случае, если выемки устраиваются в благоприятном грунте. Термин б л а г о п р и я т н ы й г р у н т указывает на песчаный или гравийный грунт со сцеплением или без сцепления во влажном или сухом состоянии. Разработка даже очень мелкой траншеи со стандартными откосами в мягкой или жесткой трещиноватой глине может вызвать движение грунта по направлению к траншее, и это движение может распространиться на такое расстояние от откоса, которое во много раз превышает ее глубину. Глинистые грунты, содержащие прослойки или карманы водоносного песка, могут реагировать на нарушение их равновесия аналогичным образом. Отложения такого характера образуют ненадежный грунт. Опытные инженеры всегда прокладывают новые транспортные линии с таким расчетом, чтобы избежать выемок в ненадежном грунте, насколько это позволяют условия. Проект длинных выемок в потенциально ненадежном грунте будет неэкономичным, если коэффициент устойчивости увеличить настолько, чтобы перекрыть возможные погрешности в расчетах устойчивости. Поэтому в выемках в ненадежном грунте местные оползни являются обычными и правильно считаются неизбежными. В то же время необходимо, чтобы оползни не влекли за собой человеческих жертв или серьезного материального ущерба. Это требование может быть выполнено только при помощи широких добросовестно проведенных наблю- 3 404 ГЛАВА VIII. ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА И УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ дений во время и после строительства. Никаким другим способом, кроме таких наблюдений, нельзя обнаружить признаки угрозы оползания, чтобы принять соответствующие меры для избежания роковых последствий. Методы исследования и лечения неустойчивых откосов зависят прежде всего от характера грунтов. Следовательно, для практических целей лучше всего классифицировать оползни в соответствии с типами грунта, в которых они встречаются. Самыми обычными типами ненадежных грунтов и формаций являются: 1) скопления детрита, получающегося из глинистых или кристаллических сланцев; 2) очень рыхлый водоносный песок; 3) однородная мягкая глина; 4) жесткая трещиноватая глина; 5) глина с песчаными или пылеватыми прослойками; 6) массивы связного грунта, содержащие слои или карманы водоносного песка или пыли. Далее описываются причины оползней и обобщаются принятые в современной практике методы инженерной борьбы с ними. Вследствие сложности вопроса эти сведения являются лишь введением в изучение устойчивости откосов в естественных грунтах. Откосы в детрите Термин д е т р и т обозначает рыхлое скопление относительно крепких обломков горных пород, перемешанных с совершенно выветрившимися частицами. Детрит может образовывать поверхностный покров пологих скальных склонов, доходящий по толщине примерно до 6 м, или ж е может встречаться в виде осыпей у подножия крутых склонов скалы. В сухом или постоянно дренированном состоянии детрит любого вида является, как правило, настолько устойчивым, что может легко сохранять стандартное заложение. Откосы 1:1 не являются необычными, и их устойчивость не обязательно нарушается за короткие периоды увлажнения. Однако имеются характерные исключения из этого правила. Детрит, образовавшийся из некоторых видов горных пород, может испытывать столь сильное воздействие насыщения водой, что он начинает течь даже на небольших склонах, как только степень увлажнения достигает определенного значения. В некоторых районах Западной Виргинии, Южной Пенсильвании и Восточного Огайо периодические потоки такого типа возникают без всяких внешних причин на склонах всего в 10°. Само собой разумеется, что топография поверхности в этих районах в значительной мере обязана своим происхождением таким оползням. Рис. 152 воспроизводит фотографию оползня детрита вблизи Барбурсвилля в Западной Виргинии, а на рис. 153 показан профиль двойного оползня в этой же местности. § 49. У С Т О Й Ч И В О С Т Ь Е С Т Е С Т В Е Н Н Ы Х С К Л О Н О В И ОТКОСОВ В Ы Е М О К 4 0 5 Характер этих потоков указывает «а то, что они вызываются временной передачей веса сползающей массы с точек контакта между твердыми составными частями на поровую •воду. Этот процесс аналогичен разжижению рыхлого водоносного песка (см. § 17). Однако структура детрита, в противовес структуре рыхлого песка, не чувствительна к толчкам; перераспределение нагрузки обусловлено другой причиной. Рис. 152. Ф о т о г р а ф и я оползня детрита wpw п о л о т о й откосе поблизости от Барбурсвилля, штат Западная Вир- гиния ( С Ш А ) Рис. 153. П р о ф и л ь д в о й н о г о о п о л з н я в д е т р и т е (по Л э д д у ) 1 — первоначальная поверхность; 2 — поверхность после первого оползня; 3 — поверхность после второго оползня; 4 — выветрившийся глинистый сланец; 5 — непо- врежденный глинистый сланец Опыт показал, что оползни детрита на пологих склонах встречаются только в материале, состоящем из слабых, хрупких, частично выветрившихся обломков слоистого глинистого сланца или различных кристаллических сланцев. В особенности они распространены в детрите, содержащем обломки хлоритовых, слюдяных и тальковых сланцев. Во время каждого засушливого сезона эти обломки в какой-то мере распадаются. Под увеличившейся нагрузкой, обусловленной насыщением в течение следующего влажного сезона, некоторые из обломков разрушаются и их вес передается на воду. 3 406 глава VIII. давление грунта и устойчивость откосов К наиболее эффективным средствам предотвращения оползней детрита на пологих склонах относится надлежащее дренирование. Однако, поскольку слой детрита является обычно неглубоким (рис. 153), медленное течение его может быть также остановлено с помощью забивки свай сквозь движущийся материал в твердый материк. Обычно забивают несколько рядов под прямым углом к направлению потока. О п о л з н и на крутых с к л о н а х ч а щ е всего происходят при таянии снега и реже во время сильных ливней. Характер обломков, по-видимому, не имеет значения. После того как оползень начался, насыщенный водой материал устремляется быстрым потоком в долину, перенося обломки горной породы размерами до нескольких кубических метров, сдвигая на своем пути мосты и распространяясь у устья долины наподобие веера. Эти оползни, известные как г р я з е в ы е или г р я з ек а м е н н ы е п о т о к и или с е л и , являются обычными в районах высоких гор во всех частях мира. На западном склоне гор в штате Юта в каждом каньоне можно найти остатки минимум одного селя. Поскольку оползни этого типа происходят независимо от относительной плотности или петрографического характера детрита и только на крутых склонах, то они, вероятно, вызываются исключительно гидродинамическим давлением фильтрующейся воды. В Альпах наблюдалось, что селевым потокам обычно предшествовало высыхание источников, бьющих у вершины площади, покрытой материалом потока. Это явление указывает на временное увеличение объема пор этого материала перед сдвигом, аналогично увеличению коэффициента пористости образцов плотного песка перед разрушением в результате сдвига (§ 15). Поскольку оползень детрита не может произойти без обильного количества воды, опасность таких оползней может быть исключена путем предотвращения временного насыщения. Это может быть достигнуто путем устройства глубокой дрены вдоль верхней границы защищаемой площади и путем п о к р ы т и я поверхности э т о й п л о щ а д и слоем относительно непроницаемого грунта. Во многих случаях устройство одних только дрен уже дает желаемый эффект. Устойчивость склонов и выемок в песке Песок любого типа, постоянно расположенный над уровнем воды, может рассматриваться как устойчивый грунт, в котором можно безопасно устраивать выемки со стандартными откосами. Плотные и средние пески, расположенные ниже уровня воды, также являются устойчивыми. Оползни могут происходить только в рыхлом водонасыщенном песке. Они вызываются внезапным разжижением (§ 17). Нарушение, ко- § 49. УСТОЙЧИВОСТЬ ЕСТЕСТВЕННЫХ СКЛОНОВ И ОТКОСОВ ВЫЕМОК 407 торое влечет за собой оползень в песке, может быть вызвано ударом или быстрьш изменением положения уровня воды. Как только движение началось, песок течет подобно жидкости и не останавливается, пока угол откоса не становится меньше 10°. В некоторых районах оползни этого типа представляют собой повторяющееся явление. К этой категории принадлежат песчаные оползни вдоль берегов острова Зееланда в Голландии. Берега сложены из толстого слоя мелкого кварцевого окатанного песка. Угол откоса составляет всего около 15°. Тем не менее, раз в каждые несколько десятилетий, после исключительно высоких весенних приливов, структура песка ^Поверхность до оползня -WOM- Рис. 154. Оползень вследствие разжижения песка на побережье Зееланда (по Мюллеру) разрушается на коротком участке прибрежного пояса. Песок растекается и движется с большой скоростью в виде веерообразного слоя по дну прилегающей массы воды. Язык оползня всегда значительно шире, чем вершина. Н а рис. 154 показано сечение через один из таких оползней. Конечный наклон поверхности земли был менее 5°. Оползень, который произошел в Борселе в 1874 г., захватил приблизительно 1,5 млн. м3 песка. Поскольку расплывание песка встречается только в том случае, если он очень рыхлый, опасность оползня может быть уменьшена путем увеличения плотности песка. Этого можно достигнуть различными средствами, как например, забивкой свай или взрыванием небольших зарядов взрывчатки во многих точках внутри массы песка (§ 50). Устойчивость выемок в лессе Истинный лесс представляет собой связный эоловый грунт, имеющий размеры зерен в пределах примерно от 0,02 до 0,006 мм и низкий коэффициент однородности. Он состоит главным образом из угловатых и полуугловатых кварцевых зерен, которые слабо сцементированы друг с другом. Кроме того, он всегда содержит беспорядочную сеть более или менее вертикальных канальцев от корней. Сцепление в лессе обусловливается тонкими пленками слабо растворимого цементи- 3 408 ГЛАВА VIII. ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА И УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ рующего материала, который покрывает стенки корневых канальцев. Поскольку последние являются преимущественно вертикальными, лесс имеет тенденцию разрушаться в результате расщепления вдоль вертикальных поверхностей, и его проницаемость в вертикальном направлении очень велика по сравнению с проницаемостью в горизонтальном направлении. Его пористость может достигать 52%. Когда лесс постоянно находится выше уровня воды, он является очень устойчивым грунтом, если не считать его слабой сопротивляемости эрозии- С другой стороны, лесс, покрытый водой на протяжении длительного времени, как правило, очень неустойчив вследствие высокой пористости и выщелачивающего действия воды. Выщелачивание удаляет цементирующие вещества и превращает лесс в почти несвязный материал, который будет неустойчивым, если пористость его примерно более 47% [49.4]. Влияние затопления иллюстрируется результатами экспериментов, проведенных в широком масштабе на лессовых плато в Среднеазиатских Советских республиках. Лесс там имеет среднюю пористость 50%. В сухих выемках он сохраняет вертикальные неукрепленные откосы, имеющие высоту, превосходящую 15 м. Чтобы определить, останется ли этот грунт устойчивым, если вырыть в нем без крепления канал и заполнить его водой для ирригации, был проведен следующий опыт. Открытый котлован размером 48x18 м в плане и глубиной 3 ж с откосами, имеющими заложение 1:1,5, был заполнен водой и уровень воды поддерживался неизменным путем возмещения потерь на просачивание. Через несколько дней откосы начали расползаться, а дно оседать. Этот процесс продолжался с уменьшающейся интенсивностью в течение примерно 6 недель. В конце этого периода окружающая поверхность растрескалась и осела на расстоянии примерно 6 ж от первоначального края котлована, а дно осело приблизительно на 0,75 м. В пределах площади оседания и размокания лесс стал настолько слабым, что по нему невозможно было ходить. Можно предполагать, хотя этого и нельзя утверждать с уверенностью, что прочность лесса вокруг такого канала можно было бы сохранить, обрабатывая смачиваемую поверхность канала битуминозным материалом. Оползни в относительно однородной мягкой глине Если откосы выемки в толстом слое мягкой глины имеют стандартное заложение 1:1,5, то оползень, как правило, происходит прежде, чем выемка достигнет глубины 3 м. Он связан с разрушением основания (см. § 31 и рис. 79,6) в виде выпирания вверх дна выемки. Если слой глины покрыт устойчи- § 49. У С Т О Й Ч И В О С Т Ь Е С Т Е С Т В Е Н Н Ы Х С К Л О Н О В И О Т К О С О В В Ы Е М О К 4 0 9 выми осадочными отложениями или если он имеет жесткую корку, то выпирание происходит, когда дно выемки достигает поверхности мягкого материала. С другой стороны, когда слой плотной глины подстилает мягкую глину на небольшой глубине ниже дна выемки, раз- рушение происходит вдоль подошвенного или откосного кру- га скольжения, касательного к поверхности плотного слоя, так как дно не может выпучиваться (§ 31). Если масса мягкой гли- ны имеет неправильную форму, то положение по- верхности скольжения, по- видимому, предопределяет- ся этой формой. Рис. 155 иллюстрирует это положе- ние. На нем показано сече- ние через оползень, который произошел во время строительства канала Ceдерталь в Швеции. Если бы Рис. 155. Разрез по оползню при подошвенном круге скольжения в мягкой глине на канале Седерталь в Швеции пласт мягкой глины имел значительную мощность, то 1 — насыпь; 2 — гравий; 3 — песок; 4 — глина; 5— поверхность скольжения выпирание основания прои- зошло бы приблизительно вдоль срединного круга. Однако наличие гравия ниже слоя мягкой глины исключало возмож- ность выпирания основания, и оползень произошел по подош- венному кругу. Катастрофа произошла настолько быстро, что несколько рабочих было убито [49.51. Опыт показал, что среднее сопротивление сдвигу вдоль поверхности скольжения в однородной глине равно примерно половине прочности на одноосное сжатие (см. [49.6] и [49.7], а т а к ж е § 15) . Поэтому коэффициент устойчивости откосов выемок, проектируемых в такой глине, может быть определен еще до строительства по методу, описанному в § 31. Однако необходимо подчеркнуть, что если сплошность глины нару- шена прослойками песка либо ила, то результаты расчета мо- гут оказаться недействительными. Причины этого указаны при рассмотрении вопросов, относящихся к неоднородной глине. Глинистые потоки После разрушения откоса в мягкой глине движение обычно прекращается, как только язык оползня (рис. 151) продвинется на небольшое расстояние от своего первоначального положения. Однако существует важное исключение из этого правила. Если чувствительность глины очень высокая (§ 8), то разрушение структуры, вызванное смятием, превращает глину в густую грязеподобную массу. Во время оползня в 3 410 ГЛАВА VIII. ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА И УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ такой глине движущаяся масса разбивается на глыбы, которые смазываются перемятой частью глины. Смесь из глыб и смазывающего вещества является настолько подвижной, что она может течь на сотни или даже тысячи метров по почти горизонтальной поверхности. Движения этого вида называются г л и н и с т ы м и п о т о к а м и , хотя их причины могут быть такими же, как и при обычных оползнях в глинах. Рис. 156. Блок-диаграмма, иллюстрирующая основные характеристики оползня в очень илистой глине по- близости от Сен-Туриба, Квебек Типичные глинистые потоки возникают время от времени без всякого искусственно созданного повода вдоль берегов северных притоков реки Св. Лаврентия в Квебеке. Блок-диаграмма на рис. 156 иллюстрирует основные особенности такого потока. Во время его движения прямоугольная площадь со стороной 520 м, параллельной, и 910 м, перпендикулярной к реке, осела иа 4,5—9 м. В течение нескольких часов 2 700 тыс. м3 пылеватой глины переместилось в русло реки через брешь 60 м шириной. Русло было заполнено на протяжении больше 3 км и уровень воды выше по течению поднялся на 7,6 м. Аналогичные потоки встречались и в других частях Канады, в штате Мэн в С Ш А и в Скандинавских странах [49.2], [49.8]. Характерные свойства грунтов, которые способны течь таким образом, пока еще полностью не изучены. Имеющиеся немногочисленные данные указывают на то, что эти грунты представляют собой либо очень мелкую горную муку, или очень пылеватую глину ледникового происхождения с влажностью гораздо выше предела текучести. На диаграмме пластичности (рис. 9) они попадают на участок неорганических глин низкой пластичности. Чрезмерное содержание воды, которое, по-видимому, характерно для этих грунтов, указывает на очень высокую степень чувствительности и, возможно, хорошо развитую скелетную структуру. § 49. УСТОЙЧИВОСТЬ ЕСТЕСТВЕННЫХ СКЛОНОВ И ОТКОСОВ ВЫЕМОК 4 1 1 Наблюдения говорят о том, что движениям грунта предшествует обширная подземная эрозия, начинающаяся от источников у подножия откоса (рис. 59). Если ключи находятся под водой, то эрозия может не быть замеченной. Однако поскольку размеры тоннеля размыва увеличиваются с увеличением расстояния от места выхода ключа (см. § 59), возможно, что на некотором расстоянии от этого выхода пролет станет настолько большим, что кровля тоннеля обвалится. Вследствие высокой чувствительности обрушившаяся глина переходит в разжиженное состояние, после чего она может вытекать через неповрежденную часть тоннеля. Поток полужидкой глины вызывает дальнейшую эрозию, приводя к обвалу кровли в выходной части тоннеля. Если эта гипотеза подтвердится будущими, более тщательными, наблюдениями, то можно будет предотвращать такие оползни, покрывая поверхность грунта вблизи подошвы откоса обратным фильтром. Оползни в жесткой глине Почти всегда жесткая глина ослабляется сетью волосных трещин или зеркал скольжения. Если они делят глину на кусочки р а з м е р а м и 2—3 см или меньше, то откос может потерять устойчивость в процессе строительства или через небольшой промежуток времени после его окончания. С другой стороны, если расстояние между швами является большим, то разрушение произойдет через много лет после устройства выемки. Оползни в глине с близко расположенными швами происходят, как только сдвигающие напряжения превысят среднее сопротивление сдвигу трещиноватой глины. Несколько оползней этого типа произошло в длинной железнодорожной выемке у Розенгартена неподалеку от Франкфурта в Германии. Заложение откосов составляло 1 : 3. Максимальная глубина выемки доходила до 30 м, и среднее напряжение на сдвиг вдоль поверхности скольжения у самой глубокой части выемки составляло около 1 кг/см2. Глина была очень жесткой, однако большие куски ее легко раскалывались на маленькие угловатые кусочки с блестящими поверхностями. Оползни начались непосредственно после окончания строительства и продолжались в течение 15 лет. Попытки определить сопротивление сдвигу таких глин до строительства до тех пор не предпринимались. Тем не менее, вероятно, можно было бы установить эмпирическое соотношение между результатами испытаний на трехосное сжатие небольших ненарушенных образцов и средним сопротивлением сдвигу глины в естественных условиях. Д о сих пор никаких мер для обеспечения устойчивости, кроме уменьшения угла откоса, не проводилось. Попытки предотвратить или оста- 3 412 ГЛАВА VIII. ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА И УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ новить движение путем дренирования или инъекции цемент- ного раствора не дали успеха. Если расстояние между швами в глине больше примерно десятка сантиметров, то откосы могут оставаться устойчивы- ми в течение нескольких лет или даже десятилетий, после то- го как устроена выемка. То обстоятельство, что между разра- боткой выемки и разрушением откоса проходит известное вре- мя, свидетельствует о постепенном уменьшении сопротивле- ния грунта. Механика процесса расслабления, в соответствии с совре- менными представления- ми, иллюстрируется рис. 157. До экскавации глина является очень жесткой, и трещины совершенно закрыты. Уменьшение на- Р и с . 157. Р а з р е з ч е р е з т р е щ и н о в а т у ю пряжений во время раз- массу жесткой глины работки вызывает рас- а — закрытые старые трещины перед выемкой грунта; б — уменьшение напряжений заставляет трещины раскрыться, после чего циркулирующая вода размягчает глину, примыкающую к швам ширение глины, в результате чего некоторые из трещин раскрываются. Затем в них попадает во- да, которая размягчает глину, примыкающую к этим трещи- нам. Неравномерное разбухание вызывает раскрытие новых трещин, пока большие куски не распадутся и грунт не пре- вратится в мягкую глинистую массу, содержащую твердые, еще не размокшие ядра. Оползень происходит, как только сопротивление сдвигу ослабленной глины становится слиш- ком малым, чтобы противодействовать сдвигающим силам. Большинство оползней этого типа происходит по подошвен- ным кругам, захватывая относительно неглубокую массу грунта, так как сопротивление сдвигу глины быстро увеличи- вается с увеличением глубины от поверхности. Таким образом вода вызывает только разрушение структуры глины; гидроди- намическое давление, по-видимому, не играет особой роли- На рис. 158 показан оползень откоса железнодорожной выемки в очень жесткой трещиноватой глине. Заложение от- коса 1:2,5, высота 15 м. Отчетливо видна х а р а к т е р н а я S-об- разная форма откоса после разрушения. Разрушение про- изошло примерно через 80 лет после того, как была сделана выемка. Никаких ключей или других признаков фильтрации воды не было обнаружено. Изучение описаний различных подобных замедленных оползней в жестких глинах со швами на значительном расстоянии друг от друга показало, что среднее сопротивление сдвигу глины уменьшается от высокого первоначального значения во время разработки до значений в пределах между 0,2 § 49. УСТОЙЧИВОСТЬ ЕСТЕСТВЕННЫХ СКЛОНОВ И ОТКОСОВ ВЫЕМОК 4 1 3 и 0,35 кг/см2 во время оползня. Поскольку процесс расслабления может протекать в течение многих десятилетий, было бы неэкономно выбирать заложение откосов выемки в таких глинах по минимальному предельному значению сопротивления сдвигу. Однако желательно замедлить расслабление, насколько это возможно, путем дренирования полосы грунта, примыкающей к верхней бровке, шириной, равной глубине выемки, и путем такой обработки откосов, которая может уменьшить их проницаемость. Если позднее произойдут местные оползни, то они могут быть выправлены с помощью мероприятий местного характера. Если замедленные оползни угрожают человеческим жизням или вызывают чрезмерный материальный ущерб, то необходимо установить на откосе контрольные марки и вести периодические наблюдения, поскольку оползням этого типа всегда предшествуют деформации, увеличивающиеся с возрастающей интенсивностью по мере приближения момента разрушения. Когда деформации становятся угрожающими, откосы на участках, внушающих опасение, должны быть сделаны более пологими. Для предотвращения оползней на угрожаемых участках с успехом применяются также каменные дренажи. Они представляют собой каменную кладку насухо в траншеях, проходящих вверх по откосу на расстоянии друг от друга около 4,5 — 6 м. Траншеи вырываются до глубины, несколько превышающей мощность размягчающегося слоя глины. Бетонная стена у основания откоса поддерживает нижние концы всех этих каменных «ребер». Благотворное действие конструкции этого типа обычно приписывается дренирующему действию ребер, но более вероятно, что основная их функция состоит в том, чтобы воспринимать часть веса неустойчивой массы глины через боковое трение и передавать эти силы на стену у подошвы откоса. Устойчивость откосов в глинах, содержащих слои и карманы водоносного песка Выше мы рассматривали устойчивость более или менее однородных грунтов. Наиболее важные неоднородные форма- 3 414 ГЛАВА VIII. ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА И УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ ции грунтов представляют собой слоистые отложения песка и глины, а также массы связного грунта, содержащие беспорядочные линзы и карманы песка или пыли. Некоторые из перемежающихся слоев глины и песка или крупной пыли обычно являются водоносными в течение всего года или части года. Если в таком грунте делается выемка, то вода вытекает из откосов в различных точках или вдоль отдельных линий. Поэтому такие выемки обычно называются в л а ж н ы м и . Они требуют к себе особого внимания, в особенности если слои падают в направлении к откосу. Ключи, которые вытекают из обнажений песчаных слоев, вызывают, очевидно, размягчение, а действие мороза может приводить также к растрескиванию. Поэтому принято пересекать водные жилы с помощью дрен, которые проходят вдоль подошвы водоносных слоев на глубине минимум 1,5 м, измеренной под прямым углом к откосу. Если слои глины мягкие или трещиноватые, то это может оказаться дополнительной причиной структурного расслабления. Следовательно, если выемка глубокая, то необходимо проверить ее устойчивость с тем, чтобы узнать, можно ли рекомендовать стандартные откосы или нет. Массы связного грунта, содержащие беспорядочные линзы или карманы несвязного грунта, являются обычными в районах древних оледенений, где грунты осаждались в результате таяния льда, а затем деформировались периодическими подвижками ледяных массивов. Они встречаются также в местах прежних оползней, которые происходили в слоистых массах песка и глины. Песчаные карманы внутри глины служат вместилищами воды. Во влажные периоды года они становятся местами значительного гидростатического давления, которое стремится вызвать движение кнаружи тех масс, в которых они расположены. По мере того как грунт движется кнаружи, он превращается в смесь водонасыщенного ила, песка и комьев глины, которая течет подобно глетчеру или густой вязкой жидкости. Поскольку причиной потери устойчивости является давление воды, находящейся в песчаных карманах, стабилизации можно достигнуть с помощью дренажных штолен. Однако геологический профиль является обычно очень неправильным, и расстояние между дренами не может быть выбрано, пока грунтовые гидравлические условия не исследованы детально с помощью бурения, испытаний и периодических определений уровня воды. Эти последние требуют устройства наблюдательных скважин в соответствующих точках. Если дренаж устроен, то грунт может стать настолько устойчивым, что выемку можно делать со стандартными откосами. § 49. УСТОЙЧИВОСТЬ ЕСТЕСТВЕННЫХ СКЛОНОВ И ОТКОСОВ ВЫЕМОК 4 1 5 Внезапное расползание глинистых откосов Опыт показал, что разрушение глинистых откосов в результате внезапного расползания происходит циклами с периодами максимальной частоты деформаций через более или менее регулярные интервалы. Для этого типа разрушения характерно, что пологий глинистый откос, который мог быть а) а — геологические условия, при которых существует опасность разрушения откоса в результате горизонтального расползания; б — с х е м а сил, которые действуют на грунт откоса ab\ 1 — пьезометрические уровни в 5 — 5 во время исключительно влажного сезона; 2 — в сухой сезон; 3 — песок; 4—глина; 5—скала; 6—водоносная прослойка мелкого песка устойчивым в течение десятилетий или столетий, внезапно начинает двигаться широким фронтом. В то же самое время территория, расположенная перед фронтом оползня, выпирается на значительном расстоянии от подошвы. Наблюдения всегда устанавливали, что расползание происходит на значительной глубине от подошвы вдоль границы между глиной и подстилающим водоносным слоем либо линзой песка или пылеватого грунта. Возможные причины этих внезапных и часто катастрофических деформаций откосов показаны на рис. 159, a. Ha нем изображен разрез через котлован, расположенный над толстым слоем мягкой глины, которая постепенно сменяется песком с левой стороны. Глина, которая имеет сцепление, равное в среднем с, содержит тонкие горизонтальные слои мелкого песка или крупной пыли вроде слоя S — S. Поровая вода в слое S — S сообщается с водой в большом массиве песка, показанном с левой стороны рисунка. Сплошные линии Ad и Be 3 416 ГЛАВА VIII. ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА И УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ обозначают соответственно горизонты воды в песке во время засушливого и исключительно влажного сезонов. Пунктирные линии Ab и Bg обозначают соответствующие пьезометрические уровни для поровой воды в слое S — S. В глине вырыта выемка глубиной Н. Каждое горизонтальное сечение под ней, включая сечение по S — S, испытывает действие сдвигающих напряжений, так как залегающая сверху глина стремится осесть вертикально и расшириться горизонтально под влиянием собственного веса. Если давление поровой воды в слое S — S невелико и соответствует пьезометрическому уровню Ab, то сопротивление сдвигу вдоль S — S будет, как правило, значительно большим, чем сумма сдвигающих напряжений. Если это так, то устойчивость откоса зависит исключительно от сцепления глины с. Д л я любого угла откоса меньше 53° критическая высота откоса будет Hc — 5 , 5 2 — , 7 (49.1) где ч является объемным весом глины (см. § 31). Если твердое основание подстилает слой глины на небольшой глубине от дна выемки, что соответствует низкому значению коэффициента глубины nD (рис. 80), то критическая высота будет даже большей и увеличивается с уменьшением углов откоса вплоть до значения 9 с/ч для откоса в 20°, как это видно на том же самом рисунке. Однако при затянувшемся дождливом периоде или при таянии снега на поверхности большого массива песка пьезометрический уровень в слое S — S может подняться до положения, показанного линией Bg. Во время этого подъема полная нагрузка на слой S — S интенсивностью р остается неизменной, но поровое давление Uw увеличивается. Поскольку слой S — S состоит из почти несвязного грунта, сопротивление его сдвигу определяется уравнением S= (p-«Jtg?. (15.3) Следовательно, увеличение пьезометрических уровней для этого слоя соответствует снижению сопротивления сдвигу в любом горизонтальном сечении слоя. Как только среднее сопротивление сдвигу уменьшится до величины действующего среднего сдвигающего напряжения, откос над слоем S — S разрушится в результате расползания, несмотря на то что он, возможно, все еще обладает надлежащим коэффициентом устойчивости против скольжения вдоль любой криволинейной поверхности, расположенной над S — S или пересекающей ее- Критическая высота откоса над S — S ни при каких обстоятельствах не может быть меньшей, чем полученная при допущении, что поровое давление Uw равно р [уравнение § 49. УСТОЙЧИВОСТЬ ЕСТЕСТВЕННЫХ СКЛОНОВ И ОТКОСОВ ВЫЕМОК 4 1 7 (15.3)], вследствие чего сопротивление сдвигу вдоль S — S становится равным нулю. Смысл этого условия иллюстрируется рис. 159,6, на котором приведен вертикальный разрез по откосу ab в большем масштабе. В соответствии с уравнением (24.9) активное давление земли на вертикальное сечение аа 1 будет PA=~l(H + H1)*-2c(H + H1) и, согласно уравнению (24.16), пассивное давление земли на bb 1 будет Рр = \ ТЯ? + 2^i- Если сопротивление сдвигу по а( b( равно нулю, то откос будет на границе разрушения, когда Pa равно Pp, откуда H = Hc = (49.2) T Это значение приблизительно равно 3,85 c/f, которое в со- ответствии с рис. 80 представляет собой критическую высоту вертикального откоса. Следовательно, если поровое давление достаточно велико, чтобы исключить трение в прослойке S — S, то оно уменьшает критическую высоту откоса, распо- ложенного над прослойкой, до величины, немного большей, чем критическая высота вертикального откоса, независимо от действительного угла откоса. Для пологих откосов влияние порового давления может уменьшать критическую высоту почти на 50%. В период исключительно влажных лет или во время тая- ния исключительно толстого снежного покрова зеркало воды поднимается повсюду. Вследствие этого сопротивление сдви- гу каждой водоносной прослойки уменьшается, и откосы, ко- торые раньше всегда были устойчивыми, могут разрушиться. В 1915 г. произошел оползень на очень пологом склоне высо- той около 12 ж у К л э в р а к - К р и к , поблизости от Гудзона, штат Нью-Йорк. Откос был расположен на ленточной глине, со- стоящей из чередующихся слоев глины и пыли толщиной при- мерно 10—12 мм к а ж д ы й . Внезапно, без какой-либо видимой причины, откос переместился на расстояние 360 м, а поверх- ность перед откосом поднялась вверх на участке примерно 90 м. Н а длине около 180 м дно ручья поднялось над уровнем окружающей земли и этот подъем произошел настолько бы- стро, что рыба оказалась выброшенной на пологий водораз- дел, который занял место бывшего ручья. Электростанция, расположенная поблизости, разрушилась и находившиеся там люди погибли. Этот оползень является только одним из мно- гих, которые произошли на ленточных глинах в долине реки Гудзон со времени их образования [49.10]. История этой до- лины ясно указывает на то, что оползни происходят чаще всего 3 418 ГЛАВА VIII. ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА И УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ с интервалами примерно в 20—25 лет, соответствующими годам максимального выпадения осадков. Разница между гравитационными оползнями, вызванными недостаточным сцеплением в глине, и оползнями, обусловленными расползанием слоев глины, иллюстрируется рис. 160,а и б. В противоположность оползням типа а, оползни типа б происходят почти внезапно. Вполне возможно, что им даже а) Рис. 160. П о п е р е ч н ы й р а з р е з ч е р е з т и п и ч н ы й оползень в ленточной глине а — если поровое давление является несущественным; б— если поровое давление в слоях ила почти равно давлению от вышеле- жащих слоев не предшествуют поддающиеся измерению деформации массы грунта, который затем разрушается, потому что слабое место расположено не в самой глине, а только на границе между глиной и ее основанием. Кроме того, критическая высота откосов в однородной глине зависит только от угла откоса и среднего сцепления с, в то время как критическая высота откосов в глине, расположенной на водоносных прослойках или на слоях грунта без сцепления, зависит в значительной степени от порового давления Uw в этих прослойках. По мере того как поровое давление увеличивается, критическая высота уменьшается и приближается к значению Hc по уравнению (49.2), независимо от величины угла откоса. Следовательно, если высота откоса в глине с водоносными прослойками песка и пылеватого грунта больше, чем Hc, то нельзя сказать ничего определенного относительно коэффициента устойчивости откоса, если неизвестно поровое давление. Грубая оценка максимально возможного значения порового давления в водоносных прослойках может быть дана на основании общей геологии и физической географии района. Од- § 49. УСТОЙЧИВОСТЬ ЕСТЕСТВЕННЫХ СКЛОНОВ И ОТКОСОВ ВЫЕМОК 4 1 9 нако истинное значение порового давления не может быть вычислено ни с помощью теории, ни на основании лабораторных испытаний. Оно может быть определено только в полевых условиях с помощью наблюдений по манометрам. Следовательно, если могут существовать предпосылки оползня типа, показанного на рис. 160,6, то инженер должен оценить практические последствия такого оползня. Если самое большее, что он может вызвать, сводится к задержке транспорта, то инженер вправе проводить строительство без особых предосторожностей, отдавая себе отчет в том, что оползень может произойти через несколько лет или десятилетий после окончания строительства. С другой стороны, если оползень угрожает человеческим жизням или серьезным материальным ущербом, то установка манометров и периодические наблюдения за поровым давлением являются обязательными. Каждый раз, когда расчет устойчивости, основанный на результатах отсчетов по измерительным приборам, указывает, что предел безопасности для откоса близок, здравый смысл требует, чтобы опасность была устранена путем устройства дрен, могущих поддерживать поровое давление в водоносных прослойках в безопасных пределах. Выводы При выборе трассы для шоссе, железной дороги или площадки для проектируемого сооружения, для которого необходимо устройство выемок, требования предъявляемые к искусству инженера, зависят в значительной степени от характера местности. Проектирование и сооружение выемок при благоприятных грунтовых условиях широко стандартизировано, однако, если встречены ненадежные грунты, то инженер должен обладать самой высокой квалификацией. Это определяется бесконечным разнообразием комбинаций грунтовых и гидравлических условий, которые могут привести к оползням, и отчасти тем, что экономические соображения в большинстве случаев требуют радикального отказа от обычных стандартов безопасности. Инженер должен быть способен различать благоприятные, неблагоприятные и очень ненадежные грунты на основании видимых на поверхности признаков и выборочных разведочных скважин. Он должен также уметь мысленно представить себе наиболее серьезные трудности в строительстве, которые могут иметь место в тех или иных условиях, и дать оценку соответствующим расходам и задержкам. Если ненадежных грунтов нельзя избежать, то инженер должен суметь решить следующие задачи: а) определить местонахождение наиболее критических участков и исследовать их путем отбора проб и испытаний; 3 420 ГЛАВА VIII. ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА И УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ б) выбрать углы откоса на основании разумного компромисса между требованиями экономии и безопасности; в) разработать проект системы дренирования, если она необходима; г) подготовить план наблюдений, которые должны быть проведены во время строительства, чтобы устранить неопределенность в оценке характера грунтов и исключить риск аварий; д) стабилизировать те откосы, которые начинают двигаться, с минимальными расходами и в кратчайшие сроки. Ранее было ясно показано, что никакие твердые и определенные правила не могут быть установлены для решения любой из этих задач. Теория устойчивости откосов (§31) может быть успешно использована лишь в тех редких случаях, когда выемка должна быть сделана в довольно однородной массе мягкой и средней глины. В случае других грунтов или комбинаций грунтов все зависит от умения инженера распознать факторы, которые определяют устойчивость данной грунтовой формации, от его способности предугадать могущие возникнуть при строительстве осложнения еще тогда, когда проект находится в стадии разработки, и от его изобретательности при устранении этих осложнений в ходе строительства. Развитие этих жизненно важных качеств требует от инженера знания геологии и детального знакомства с законами, которые предопределяют взаимодействие между водой и различными типами грунта. Эти законы изложены в части А этой книги. Они должны быть пополнены широким изучением строительного опыта в области разработки выемок и борьбы с оползнями. Личный опыт может дать только часть этих знаний; не менее важным является опыт, обобщенный в литературе по этому вопросу. Знание предшествующего опыта может быть использовано при предсказании поведения данной массы грунта, обладающего аналогичными важными свойствами. Практическое значение прежних наблюдений в значительной мере обесценивается отсутствием надежных сведений о типе и состоянии грунтов и о гидравлических условиях, которые обусловливали наблюдавшиеся явления. Тем не менее, в настоящее время эти наблюдения все еще продолжают оставаться единственным источником информации, так как надлежащая полнота соответствующих данных встречается редко. ЛИТЕРАТУРА 49.1 G. Е. L a d d , Landslides, subsidences and rock-falls, „Ргос. Am. Rwy. Eng. Assoc.", vol. 36, 1935, стр. 1091-1162. Поучительный обзор оползней, происшедших до 1934 г., и методов их стабилизации. Обширная библиография. Предлагаемая классификация деформаций земли представляется слишком сложной для инженерных § 50. УПЛОТНЕНИЕ ГРУНТОВ 421 целей, а заключения о физических причинах некоторых из описанных явлений являются спорными. 49.2. С. F. S S h a r p e , Landslides and related phenomena. NewYork, 1938. Классификация и обзор -оползней как геологического явления. Обширная библиография. 49.3. F. M f l l l e r 1 The sand slides of Zeeland province. Berlin, 1898. Детальное описание оползней вследствие разжижения песка, включая результаты механического анализа. 49.4. A. S c h e i d i g , Loess, Dresden, 1934. Монография о лессах в связи с их использованием в строительстве. 49.5. См. 44.6. 49.6. К. T e r z a g h i , Stability of slopes of n a t u r a l r c l a y , Proc. J n t e r n , Conf. Soil meeh. Cambridge, Mass., 1936, vol. I, стр. 161—165. Числовые данные о сопротивлении глинистых грунтов сдвигу в полевых условиях. 49.7 A. W . S k e m p t o n , A slip in the W e s t b a n k of the Eau Brink Cut, „J. Inst. Civil Engrs", London, vol, 24, 1945, стр. 267—286. Дискуссия стр. 535—553. Оползень откоса в старой, постоянно затопляемой паводком выемке. Статья иллюстрирует неопределенность результатов испытания глины на сдвиг в полевых условиях. 49. 8. Е. A. H o d g s o n , The m a r i n e clays of e a s t e r n C a n a d a and their relation to earthquake hazards, ,,J. Royal Astron. Soc. Can"., vol. 21 1927, стр. 257—264. Описание оползней течения в лылеватой глине. 49.9. V. Pollack, C o n c e r n i n g slides in soils of glacial origin and t h e n e e d for a classification of soils, , , J a h r b . geol. R e i c h s a n s t a l t " , W i e n , v o l . 67, 1917. H. 3 and 4. Оползни в жесткой трещиноватой глине в Розенгартене, Германия. 49.10. D. Н. N e w l a n d , Landslides in unconsolidated sediments, „N, Y. State Museum Bull"., 187. Albany. 1916. Описание расползания откосов. 49.11. A. H. T o m s , Folkestone Warren landslips: research carried out in 1939 by the S o u t h e r n R a i l w a y C o m p a n y , Inst. Civil Eng., L o n d o n , Rwy. Eng. Dlv., Railway Paper, № 19. Результаты тщательного и квалифицированного изучения характеристик и причин оползня в жесткой глине. Результаты испытаний грунта. § 50. УПЛОТНЕНИЕ ГРУНТОВ Цель и методы уплотнения грунтов В предыдущем параграфе рассматривалась устойчивость масс грунта в их естественном состоянии. В результате экскавации грунта и его отсыпки без принятия специальных мер средняя пористость, проницаемость и сжимаемость грунта увеличиваются, а сопротивление внутреннему размыву просачивающейся водой значительно уменьшается. Поэтому даже в древние времена было принято уплотнять насыпи, которые предназначались для использования в качестве плотин или дамб. С другой стороны, не принималось никаких специальных мер для уплотнения дорожных насыпей, так как поверхность дорог является достаточно гибкой, чтобы оставаться неповрежденной при осадке насыпи. До самого последнего времени железнодорожные насыпи также строились путем 3 422 ГЛАВА VIII. ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА И УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ рыхлой отсыпки и им давали затем возможность осесть под действием собственного веса в течение нескольких лет, прежде чем укладывался высококачественный балласт. Осадки неуплотненных насыпей не создавали серьезных неудобств до тех пор, пока быстрое развитие автомобильного транспорта не предъявило в начале XX в. возросших требований к твердой поверхности дорог. Вскоре было обнаружено, что бетонные порог и на неуплотненных насыпях разрушаются и что поверхность высококачественных покрытий других типов становится очень неровной. Чтобы избежать таких нежелательных явлений, требовалась разработка методов уплотнения грунта, удовлетворяющих требованиям экономичности и эффективности. Одновременное расширение строительства земляных плотин явилось дополнительным стимулом для разработки методов уплотнения. Проведенные исследования привели к заключению, что ни один метод уплотнения не может быть одинаково пригодным для всех типов грунтов. Кроме того, степень уплотнения данного грунта в результате определенной процедуры зависит в значительной мере от его влажности. Максимальная степень уплотнения получается при так называемой о п т и м а л ь н о й в л а ж н о с т и . Процедура поддержания влажности, близкой к оптимальной, во время уплотнения насыпи называется у п р а в л е н и е м в л а ж н о с т ь ю . В настоящее время все еще недостаточно понимают соотношение между влажностью грунта во время сооружения насыпи и степенью уплотнения, с одной стороны, и физическими характеристиками насыпи на протяжении всего периода ее существования — с другой. Изменение сопротивляемости, прочности и проницаемости насыпи с возрастом и с изменением влажности заслуживает значительно большего внимания чем то, которое уделялось ему до сих пор. Поэтому остальная часть этого параграфа почти не содержит никаких данных относительно свойств уплотненных • грунтов. Она занимается в первую очередь способами строительства. В следующем обзоре существующие методы уплотнения искусственных насыпей подразделяются на три группы: методы уплотнения несвязных грунтов; методы уплбтнения песчаных и пылеватых грунтов с умеренным сцеплением и методы уплотнения глин. Наконец, рассматриваются способы уплотнения естественных грунтов в их природном залегании. Уплотнение несвязных грунтов Методы уплотнения песка и гравия, расположенные в порядке уменьшающейся эффективности, являются следующими: в и б р а ц и я , п о л и в и у к а т к а . На практике применяются также комбинации этих методов. § 50. УПЛОТНЕНИЕ ГРУНТОВ 423 Вибрация может быть осуществлена проще всего путем ручного или пневматического трамбования либо ударами тяжелых грузов, падающих на грунт с высоты в несколько десятков сантиметров. Однако эффект уплотнения в результате этих приемов является весьма различным, так как он зависит в значительной степени от частоты вибраций (см. § 19 и рис. 43). Если частота f 1 вибрации меньше чем примерно половина критической частоты /о для грунта, то пульсирующая сила вызывает относительно небольшую осадку. Дальнейшее увеличение частоты вызывает быстрое увеличение осадки и соответствующее уменьшение пористости. Если /1 приблизительно равно /0, то осадка в 20—40 раз больше, чем вызванная эквивалентной статической нагрузкой. Частота вибраций, необходимая для того, чтобы вызвать максимальное уплотнение, в известной мере различна для различных грунтов. Поэтому были сделаны попытки создать вибраторы с регулируемой частотой. В Германии были созданы 24-г вибраторы с переменной частотой, смонтированные на тракторах (см. § 19). Во время работы вибрации передаются на трамбующую плиту, имеющую площадь 8 ж2. С помощью этого оборудования слои толщиной около 2 м могут быть уплотнены со скоростью примерно 500 м2 в час. Уплотнение с помощью полива основывается на том, что гидродинамическое давление фильтрующейся воды разрушает неустойчивые группы зерен. Такое уплотнение является менее эффективным, чем уплотнение с помощью вибрации. Для уплотнения дорожных насыпей применялись два различных метода полива. При одном методе песок отсыпается валами вдоль обеих сторон рабочей поверхности и смывается по направлению к центру струями воды, имеющими давление у сопел, равное от 4 до 5 ат. Образующийся осадок имеет до известной степени характер намывной насыпи. При втором методе вода наливается в мелкие пруды на рабочей поверхности, так что она фильтрует сквозь отсыпанный предварительно песок и уходит через откосы насыпи у ее подошвы. Оба метод а требуют около 1,5 M3 воды на 1 M3 песка. В результате сравнения пористости насыпи до и после такой обработки было установлено, что степень уплотнения, достигаемая обоими методами, является относительно низкой. Однако мнения относительно уплотняющего действия полива все еще расходятся [50.1]. Использование катков для уплотнения сыпучих грунтов является относительно мало эффективным. Лучшие результаты получаются, если песок насыщен водой. Однако в чистом песке вода всегда быстро стекает и может оказаться практически неосуществимым поддержание состояния насыщения. В США принято уплотнять песчаные насыпи с помощью 3 424 ГЛАВА VIII. ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА И УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ катков на прицепе у гусеничных тракторов. Bo время укатки насыпь можно поливать водой. Вибрации от мотора трактора играют в этом способе существенную роль. Обычно требуется от б до 8 проходок этого оборудования по каждому месту, чтобы достигнуть умеренной степени уплотнения, при условии, если песок отсыпается слоями толщиной не более 30 см [50.2]. Уплотнение песчаных или пылеватых грунтов с умеренным сцеплением С увеличением сцепления уплотняющее действие вибрации сильно уменьшается, потому что даже незначительная связь между частицами мешает им перемещаться в более устойчивое положение. Кроме того, низкая проницаемость таких грунтов делает полив неэффективным. С другой стороны, послойное уплотнение с помощью катков дает очень удовлетворительные результаты. Широко употребляются два типа ка-тков: катки с пневматическими шинами и кулачковые катки. Катки с пневматическими шинами лучше всего подходят для уплотнения непластичных видов пылеватых грунтов, в то время как кулачковые катки наиболее эффективны для пластичных грунтов с относительно низким сцеплением. Катки с пневматическими шинами состоят из рядов автомобильных шин, смонтированных на двух осях, одна впереди другой. Этот агрегат нагружают так, чтобы он создал давление минимум 350 кг на 1 м оси. Опыт показывает, что необходимо от 8 до 10 проходок при слоях толщиной от 10 до 15 см. Кулачковые катки снабжены одним кулачком на каждые 0,1 м2 их поверхности. Эти катки, которые используются обычно при строительстве земляных плотин, имеют диаметр приблизительно 1,5 м и длину приблизительно 2,5 ж. С нагрузкой они весят около 17 т. Кулачки имеют длину от 15 до 22,5 см и сечение от 45 до 80 см2. В зависимости от размеров кулачков контактное давление колеблется в пределах примерно от 0,15 до 0,3 кг/см2. Несколько меньшие и более легкие катки широко используются для уплотнения дорожных насыпей. Были успешно испытаны значительно большие и более тяжелые катки [50.3]. При обычном оборудовании толщина слоев до уплотнения не д о л ж н а превышать 25—30 см. Необходимое число проходок должно быть определено в полевых условиях с помощью испытаний на малых экспериментальных насыпях. Удовлетворительное уплотнение обычно достигается после 8—12 проходок катка [50.4]. При любом типе уплотняющего оборудования и любой степени связности грунта эффективность уплотнения зависит в значительной мере от влажности грунта. Это утвержде- § 50. УПЛОТНЕНИЕ ГРУНТОВ 425 ние в особенности справедливо для почти непластичных однородных мелкозернистых грунтов. Если содержание воды не является почти точно равным оптимальному значению, то такие грунты вообще не могут быть уплотнены. Большинство существующих в настоящее время методов определения оптимальной влажности идентично м е т о д у П р о к т о р а [50.5]. В соответствии с этим первоначальным методом пробу грунта высушивают, превращают в порошок и разделяют на две части с помощью сита № 4 * . Около 2,5 кг более мелких частиц смачивают небольшим количеством воды и основательно перемешивают, чтобы создать увлажненную смесь, которую затем укладывают тремя равными слоями в цилиндрический контейнер стандартных размеров. Каждый слой уплотняют 25 ударами стандартной трамбовки, падающей с высоты 30 см. Когда цилиндр наполнен и излишний грунт срезан на уровне его верха, определяют объемный вес и влажность грунта. По этим величинам может быть вычислен объемный вес скелета (плотность). Аналогичным образом определяют плотность для все более и более влажных смесей, пока объемный вес скелета после уплотнения не станет значительно уменьшаться с увеличением влажности. Оптимальная влажность по методу Проктора представляет собой такую влажность, при которой плотность скелета является максимальной. Как в полевых условиях, так и в лаборатории оптимальная влажность зависит не только от характера грунта, но в значительной степени и от метода уплотнения. Кроме того, любой из способов уплотнения грунта при строительстве может быть осуществлен при помощи оборудования самого различного веса. В настоящее время наблюдается тенденция использовать все более и более тяжелые катки [50.3], а с увеличением их веса влажность, соответствующая максимальному уплотнению, уменьшается. Следовательно, нельзя ожидать, что стандартные испытания любого характера, включая сюда и испытание Проктора, дадут результаты, имеющие общее значение. Окончательные данные, касающиеся оптимальной влажности,, могут быть получены только в результате проведения в широком масштабе испытаний в полевых условиях с тем оборудованием для уплотнения, которое должно, быть использована на работах. В течение некоторого времени делались попытки разработать лабораторный метод, более близко соответствующий обычным типам уплотняющего оборудования, чем метод Проктора. Эти попытки привели к различным видоизменениям первоначального способа, но тем не менее до сих пор еще не создана методика, которая была бы принята повсеместно. * Отверстие такого сита несколько меньше 5 мм (точно 4,76 мм}. 3 426 ГЛАВА VIII. ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА И УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ Типичные кривые влажность — плотность для различных грунтов показаны на рис. 161. Они получены с помощью стан- дартного метода Проктора. Кривая а обозначает соотношение «влажность — плотность» для смеси песка и глины, Ь — для глинистого грунта с низкой сжимаемостью, с — для од- нородной крупной пыли с низкой сжимаемостью и d — для глины с высокой сжимаемостью. Если влажность грунта в полевых условиях больше оптимальной, то он должен быть высушен в хранилище. Если она меньше, то вода должна быть введена до- ю 15 го 25 вламносто S % Рис. 161. Типичные кривые влаж- ность-плотность для различных грунтов а — хорошо подобранный песок с небольшим процентом глииы; b — глина низкой пластичности; с — неорганический непластичный ил; d — глина высокой пластич- ности полнительно в карьер или ж е перед уплотнением с по- мощью разбрызгивания. При тщательной работе обычно возможно поддер- живать влажность в преде- лах отклонения не более чем на 2 или 3% от оптималь- ной. Однако для однород- ных непластичных грунтов с незначительным оцеплением можно требовать еще большего приближения к оптимальной влажности. Объемный вес и влажность грунта контролируются в по- левых условиях стандартным отбором проб и их испытанием [50.4], [50.6]. Чтобы определить объемный вес, в уплотненном грунте выкапывают ямку объемом минимум 1,5 дм3, и выну- тый материал осторожно собирают и взвешивают прежде чем его влажность могла бы измениться в результате испарения. Объем вынутого материала обычно измеряют путем заполне- ния ямки рыхлым песком, объемный вес которого в этом со- стоянии известен. Песок высыпают из контейнера, который взвешивают до и после наполнения ямки. Приближенное зна- чение влажности может быть быстро получено путем опреде- ления потери в весе при высушивании пробы в чашке, нахо- дящейся на горячей плите. Однако при наличии известного опыта такой работы контролер может определить влажность достаточно точно по внешнему виду и строению материала. При некоторых условиях влажность может быть быстро опре- делена с помощью прибора для пенетрации в маленьком мас- штабе, называемого и г л о й п л а с т и ч н о с т и [50.5]. Если материал, который должен использоваться для насыпи, яв- ляется непостоянным по своему характеру, или место работы § 50. УПЛОТНЕНИЕ ГРУНТОВ 427 расположено в районе с частыми дождливыми периодами, то выполнение требований относительно влажности может значительно повысить расходы на сооружение насыпи. Влажность, при которой грунт уплотняется, оказывает влияние на все физические свойства уплотненного грунта, включая проницаемость. Опыт свидетельствует о том, что увеличение первоначального содержания воды от значения несколько ниже оптимального до значения несколько выше оптимального вызывает сильное уменьшение коэффициента фильтрации. Это уменьшение, по-видимому, будет возрастать с увеличением содержания глины в грунте. На материале ядра для плотины Мад-Маунтейн, который с о д е р ж а л 3% глины с высоким процентом монтмориллонита, было установлено, что увеличение влажности от величины на 2% ниже оптимальной до величины на 2% выше оптимальной уменьшало коэффициент фильтрации примерно в 10 тыс. раз [50.7]. Столь значительное влияние представляет собой, возможно, редкое исключение, но внимания заслуживает д а ж е и менее существенный эффект. Уплотнение глины Если естественная влажность глины в карьере не является близкой к оптимальной, то может оказаться очень трудным довести ее до оптимального значения. Это в особенности справедливо, если влажность слишком высока. Поэтому производитель работ, возможно, будет вынужден использовать глину приблизительно в том состоянии, в котором она встречается в естественных условиях. Экскаваторы отбирают глину из карьера комьями. Отдельный ком глины не может быть уплотнен ни одним из способов, которые только что упоминались, потому что ни вибрация, ни давление в течение короткого промежутка времени не могут вызвать сколько-нибудь заметного изменения влажности глины. Однако использование кулачковых катков является эффективным для уменьшения промежутков между комьями. Наилучшие результаты получаются, если влажность незначительно выше, чем предел пластичности. Если же она значительно больше, то глина налипает на каток, или каток погружается в грунт. Если она значительно меньше, то комья не поддаются деформации, и промежутки остаются открытыми. Использование довольно жесткой глины при строительстве плотины может повлечь за собой опасность последующего расширения от набухания при соприкосновении с водой. Если набухание не является равномерным, то, очевидно, образуются трещины, в результате чего структура глины может разрушиться и откосы могут начать размокать. Сильно переуплотненные глины и глины с высоким числом набухания (§ 13) 3 428 ГЛАВА VIII. ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА И УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ должны при настоящем уровне наших знаний использоваться для строительства плотин с большой осторожностью. Если Cs [уравнение (13.5а)] превышает по в е л и ч и н е ~ 0 , 0 7 , то глина, очевидно, будет чрезмерно набухать. Характеристики набухания насыпи, состоящей из укатанных комьев переуплотненной глины, можно также исследовать путем испытания образцов в том состоянии, в котором глина будет находиться в насыпи. Каждую пробу помещают в кольцо для консолидации и подвергают давлению, равному тому, которое будет действовать на глину в каком-либо месте насыпи. Затем впускают через пористые камни воду, после чего измеряют увеличение в объеме. О пригодности материала судят по величине набухания. Проведение испытаний на набухание и интерпретация результатов требуют значительного опыта, и выводы нельзя делать без некоторых оговорок. Например, некоторые удачные плотины высотой больше 30 м были построены из глины, для которой Cs = 0,09. Следовательно, в настоящее время еще нельзя сформулировать правила, имеющие общее значение. В Великобритании и ее доминионах были сооружены земляные дамбы с довольно проницаемыми внешними призмами и с ядрами из пластичной глины такой консистенции, что глину можно разрабатывать и укладывать на место лопатой. Чтобы сделать возможной работу лопатой, влажность глины поддерживают примерно посредине между пределами текучести и пластичности. Если глина в карьерах имеет меньшую влажность, то последнюю повышают, пропуская глину через глиномялку. Этот метод общепринят для обработки глин, используемых для ядер в плотинах водохранилищ коммунального водного хозяйства Лондона. Непроницаемые ядра, созданные таким образом, называются я д р а м и из п е р е м я т о й г л и н ы . Влажность перемятой глины не должна быть такой высокой, как у р а з м о ч е н н о й глины, которую бросают в воду, причем она размягчается настолько, что становится слишком мягкой для работы с лопатой. Уплотнение естественных масс грунта и существующих насыпей Естественные пласты и существующие насыпи не могут уплотняться послойно. Этот факт исключает применение большинства методов, описанных выше, потому что эффективный уплотняющий фактор должен был бы действовать внутри массы грунта. Метод, который является наиболее подходящим для данной работы, должен быть выбран в соответствии с характером грунта. § 50. УПЛОТНЕНИЕ ГРУНТОВ 429 Сыпучий песок можно уплотнять наиболее эффективно с помощью вибрации. Самый простой метод создания вибрации на значительной глубине состоит в забивании свай. Когда сваи забиваются в рыхлый песок, поверхность грунта между сваями обычно оседает, несмотря на вытеснение песка сваями. В одном случае, после того как набивные бетонные сваи длиной 13,5 ж были устроены на расстоянии в 90 см м е ж д у центрами а мелком песке ниже аеркада аодаь, поверхность грунта осела на 90 см, хотя объем свай был э к в и в а л е н т е н только слою толщиной 30 см. З а б и в к а свай у м е н ь ш и л а пористость песка примерно с 44 до 38%. В другом случае сваи были забиты, чтобы уплотнить слой песка, простирающийся на 15 м ниже зеркала воды. Стальные трубы, которые позже снова извлекались, были частично заполнены смесью песка, гравия и туфа и затем забиты в грунт. Во в р е м я з а б и в к и поверхность осела примерно на 45 см, и средняя пористость песка уменьшилась от 42 до 35%. Независимо от этого была проведена проверка степени уплотнения путем измерения интенсивности распространения упругих волн. Вследствие уплотнения эта интенсивность возросла п р и б л и з и т е л ь н о от 300 м/сек, что я в л я е т с я обычным значением д л я рыхлого песка, до примерно 1 200 м/сек, что соответствует мягкому песчанику. Поскольку забивка свай не является эффективной для уплотнения самых верхних слоев, то верхний 2-м слой песка в этом сооружении был уплотнен с помощью в и б р а т о р а весом 24 т, который описан выше. На тех же самых работах был использован второй метод, известный под названием в и б р о ф л о т а ц и о н н о г о мет о д а . Механизм для уплотнения состоит из вибратора, объединенного с устройством для нагнетания воды в окружающий песок. Вначале вибратор с помощью подмыва вводится в песок до глубины, в пределах которой он должен быть уплотнен, а затем постепенно снова извлекается. Уплотнение производится во время движения вверх благодаря вибрации в комбинации с действием струи воды [50.8]. Песок уплотняется в цилиндрическом пространстве, имеющем д и а м е т р 2,5—3 At. Стоимость такого уплотнения невысока. Однако этот метод является наиболее успешным в чистом песке. Если песок содержит примесь пыли или глины, то результаты могут быть неудачными. Удовлетворительное уплотнение толстых пластов очень рыхлого песка было достигнуто также с помощью взрыва небольших зарядов динамита во многих точках внутри пласта. В одном из таких пластов, простиравшемся от поверхности грунта до глубины от 4,5 до 9 м, были в з о р в а н ы 3,5-кг з а р я д ы 6 0 % - н о г о д и н а м и т а на глубине 4,5 м. В и б р а ц и я , в ы з в а н н а я взрывами, уменьшила пористость песка от начального значе- 3 430 ГЛАВА VIII. ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА И УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ ния, равного 50%, до 43%. Предпосылки для успешного применения этого метода являются теми же самыми, что и для применения виброфлотационного метода [50.9]. Песчаные грунты с некоторым сцеплением и существующие связные насыпи также могут быть уплотнены с помощью забивки свай. Однако уплотнение таких грунтов обусловливается не вибрацией, связанной с забивкой, а статическим давлением, которое уменьшает объем порового пространства. Если грунт расположен выше уровня воды и поры в значительной степени заполнены воздухом, то действие уплотнения в результате забивки свай является обычно вполне удовлетворительным. Однако если грунт расположен ниже уровня воды, то это действие быстро уменьшается с уменьшением проницаемости грунта. Чтобы облегчить удаление воды, может быть применен гравийный дренаж. Так, например, для уплотнения рыхлой засыпки из мергеля в ячеистой шпунтовой перемычке был применен следующий способ. Стальные трубы д и а м е т р о м 25 см были з а б и т ы в з а с ы п к у . Н и ж н и й конец каждой трубы был закрыт слабо прикрепленным стальным диском, который оставался в грунте, когда труба вытаскивалась. После того как труба забивалась до подошвы засыпки, ее наполняли смесью из гравия и песка и снабжали герметическим колпачком. Затем труба поднималась в результате накачивания в нее сжатого воздуха под давлением в 1,4— 2,1 ат. Д а в л е н и е в о з д у х а у д е р ж и в а л о стенки из мягкого грунта на месте и мешало им выжиматься внутрь, тогда как гравий высыпался из трубы в скважину. Вертикальные колонки из песка или гравия, созданные в грунте этим или другим аналогичным способом, называются п е с ч а н ы м и с в а я м и. Консолидация о к р у ж а ю щ е г о грунта может быгь ускорена откачиванием или отводом воды из песчаных свай [50.10]. Мягкий пылеватый грунт ниже зеркала воды переходит в результате забивки свай в полужидкое состояние. Следовательно, вместо уплотнения грунта процесс забивки свай, по крайней мере временно, ослабляет грунт. Если уплотнение таких слоев практически целесообразно, то оно может быть достигнуто лишь в результате дренирования каким-либо способом (§ 47). Это положение остается в силе также и в отношении слоев мягкой глины. В одном случае оказалось эффективным осушение путем нагнетания в систему штреков горячего сухого воздуха [50.11]. В других случаях вода была откачана из водоносных слоев песка, содержавшихся в глине. Когда встречаются такие слои, то скорость консолидации н конечный коэффициент пористости могут быть определены с помощью теории и результатов испытаний на консолидацию. Кривые на рис. 108 могут быть использованы для определения скорости процесса. § 51. ПРОЕКТИРОВАНИЕ НАСЫПЕЙ, ДАМБ И ЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИН 4 3 1 ЛИТЕРАТУРА 50.1. W. L o o s , C o m p a r a t i v e s t u d i e s of t h e e f f e c t i v e n e s s of d i f f e r e n t methods for compacting cohesionless soils, Proc. Intern. Conf. Soil mech., Cambridge, Mass., 1936, vol. Ill, стр. 1 7 4 - 1 7 9 . Опыты, показывающие относительную неэффективность полива. 50.2. Compaction t e s t s and critical density investigation of cohesionl e s s materials for Franklin Falls dam, Boston, 1938. 50.3. 0 . J. P о r t er, The use of heavy e q u i p m e n t for obtain ing maxim u m c o m p a c t i o n of soils, T e c h n . Bull. 109, 1946. A m . Road B u i l d e r s A s s o c . 50.4. L. W. H a m i l t o n , Compaction of earth e m b a n k m e n t s , Proc. H i g h w a y R e s e a r c h Board, vol. 18, 1938, Part 2, стр. 142—181. 50.5. R. R. P r o c t o r , F o u r articles on the design and construction of rolled—earth dams. „Eng. News-Rec"., vol. I l l , 1933, стр. 245—248, 2 8 6 —289, 348—351, 372—376. Авторское описание метода Проктора. 50.6. Н. F. P e c k w o r t h , Field control of compacted earth fill, „Civil Eng.*, vol. 5, 1939, стр. 221—226. 50.7. A. S. С а г у , P e r m e a b i l i t y of Mud M o u n t a i n core material „Trans. ASCE", vol. 108, 1943, стр. 719—728. Дискуссия стр. 729—737. Опыты, показавшие большое увеличение проницаемости уплотненного грунта насыпи, если его влажность при укатке ниже оптимальной. 50.8. S. S t e u e r m a n n , A new soil compacting device. ,Eng. NewsR e c . ' , vol. 123, 1939, стр. 87—88. 50.9. А. К. B. L y m a n , Compaction of c o h e s i o n l e s s f o u n d a t i o n soils by explosives, „Trans. A S C E ' , vol. 107, 1942, стр. 1330—1348. 50.10. M. M. F i t z Hugh. Shipways with cellular walls on a marl foundation, „Proc. A S C E ' . Nov. 1945, стр. 1327-1353. Описание песчаных свай, стр. 1336—1339. 50.11. R. A. H i l l , Glay stratum dried out to prevent landslips, Civil Eng., vol. 4, 1934, стр. 403—407. § 51. ПРОЕКТИРОВАНИЕ НАСЫПЕЙ, ДАМБ И ЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИН Основные типы земляных насыпей Земляные насыпи могут быть подразделены на четыре большие группы: железнодорожные насыпи, шоссейные насыпи, дамбы и земляные плотины. Насыпи внутри каждой группы аналогичны друг другу не только в отношении цели, которой они служат, но также и в отношении факторов, которые должны быть приняты во внимание при выборе заложения откосов. В последующем изложении принимается, что насыпи залегают на устойчивом основании. Условия устойчивости основания и влияние неблагоприятных геологических условий на устойчивость насыпей рассматриваются в § 52. Железнодорожные насыпи В прошлом железнодорожные насыпи обычно строили путем отсыпки грунта с торца законченного участка насыпи. Такие насыпи считались удовлетворительными, если они постоянно сохраняли устойчивость. Поскольку искусственное уплотнение не применяли, тяжелый балласт не укладывали 3 432 ГЛАВА VIII. ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА И УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ под рельсовый путь до тех пор, пока насыпи «не выстаивались» в течение нескольких лет. За это время насыпи оседали под влиянием своего собственного веса. Осадка достигала примерно 3% от высоты каменных набросок, 4% от высоты песчаных насыпей и примерно 8% от высоты насыпей с значительным содержанием глины. Чтобы предотвратить образование прогиба пути в средней части насыпи, гребень обычно отсыпали выше проектной отметки на величину, равную ожидаемой осадке. Стандартное заложение откосов железнодорожных насыпей, построенных таким образом, составляет 1 (по вертикали) к 1,5 (по горизонтали). Однако, если насыпь высотой больше 3—4,5 м содержит высокий процент глины, то она может разрушиться или во время строительства, или после нескольких влажных сезонов. Поэтому на практике установилось уменьшение заложения таких насыпей от 1 : 1,5 у гребня до примерно 1 :3 у основания. Решение вопроса, требуется ли при данной глине уположение откосов, обычно предоставляется инженеру, который руководит строительством. Более строгая процедура не была бы оправдана, так как сопротивление сдвигу неуплотненной глиняной насыпи зависит не только от свойств материала насыпи, но также от метода отсыпки и от метеорологических условий во время строительства. Однако даже самый опытный инженер иногда неправильно оценивает свойства грунта, и вследствие этого какой-либо из участков насыпи может разрушиться. В этом случае откос восстанавливают и его стабильность повышают либо отсыпкой низкой насыпи вдоль подошвы, если выпиралось основание, либо с помощью низкой каменной подпорной стены, которую устраивают вдоль насыпи. Кроме того, если требуется, в стене делают прорези с каменным дренажем. В тридцатых годах настоящего столетия железные дороги США в значительной степени отказались от практики строительства насыпей путем рыхлой отсыпки, ввиду быстрого развития оборудования для перемещения земли, не требующего рельсового пути, аналогично механизмам, используемым при строительстве плотин и шоссейных насыпей. Стала обычной отсыпка материала насыпей слоями толщиной примерно 30 см с помощью бульдозеров или скреперов с тракторной тягой. Вследствие уплотняющего действия строительного оборудования оседание насыпей значительно уменьшается. Однако стандартный откос 1 : 1,5 остался неизменным. При строительстве некоторых новых насыпей на линиях для высокоскоростного движения выдерживалась определенная влажность грунта и производилась его специальная укатка. Это делалось в первую очередь с той целью, чтобы насыпь могла нормально эксплуатироваться немедленно после окончания § 51. ПРОЕКТИРОВАНИЕ НАСЫПЕЙ, ДАМБ И ЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИН 4 3 3 строительства, и должно рассматриваться как исключительная процедура. Независимо от метода строительства, если имеющийся материал для насыпей состоит как из песчаных грунтов, так и из глины, считается правильным избегать перемешивания этих двух видов грунта, насколько это возможно. Песчаный грунт частично приберегается для отсыпки верха насыпей, а остальная часть — для внешних призм или для самых нижних слоев наиболее высоких насыпей. Если верх глинистой насыпи становится влажным, то глина может выжиматься под влиянием поездной нагрузки в поры балласта. Путь в этом случае оседает. Гребень насыпи принимает форму неглубокого желоба, в котором собирается вода, еще больше размягчающая земляное полотно. Расходы на содержание пути увеличиваются по мере того, как этот процесс прогрессирует. На новых насыпях могут быть созданы более благоприятные условия для опирания рельсового пути с помощью уплотнения верхних нескольких десятков сантиметров насыпи и придания поверхности глины двускатной формы. Прогрессирующее ухудшение основания пути на существующих насыпях может быть иногда остановлено путем инъекции цементного раствора в нижнюю часть .балластной призмы. Раствор заполняет пустоты и не допускает проникновения глины в балласт. Шоссейные насыпи Стандартный откос для шоссейных насыпей колеблется в различных частях США между 1 : 2,5 и 1 : 1,75. Тогда как умеренная осадка железнодорожной насыпи не влечет за собой больших последствий, потому что путь легко может быть поднят подбивкой дополнительного балласта под шпалы, деформации шоссейных насыпей могут вызвать разрушение дорожного покрытия или, в лучшем случае, сделать его непригодным для езды. Поэтому современные шоссейные насыпи всегда тщательно уплотняют, а содержание влаги в грунте насыпи в период строительства строго контролируют (см. § 50). Поведение насыпей, уплотненных таким образом, зависит прежде всего от физических свойств грунта насыпи. Поэтому правильное заключение относительно пригодности данного грунта для строительства насыпи может быть сделано на основании результатов стандартных лабораторных испытаний характерных проб материала из карьера. За последние 25 лет делались попытки вначале со стороны Бюро общественных дорог США, а затем также Управлениями шоссейных дорог в различных штатах установить зависимость между поведением уплотненных насыпей и характерными свойствами материала насыпи. Эти попытки привели к 3 434 ГЛАВА VIII. ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА И УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ созданию ставшего общепринятым метода определения качества грунта по максимальному объемному весу скелета в уплотненном состоянии и по его пределам Аттерберга [51.2]. Прежде чем решать вопрос, пригоден ли данный грунт для проектируемой насыпи, характерные пробы подвергают испытанию по методу Проктора или аналогичному испытанию, принятому в данной местности (см. § 50). Общие указания относительно интерпретации результатов испытаний были опубликованы американской ассоциацией служащих шоссейных дорог штатов [51.3], но отдельные детали в различных штатах неодинаковы. Табл. 16 является типичным примером технических условий Управления шоссейных дорог штата. Т а б л и ц а 16 Требования к уплотнению грунта в насыпи Выдержка из технических условий на конструкции и материалы Управления шоссейных дорог ш т а т а Огайо, 1946 г. Условие I Насыпи высотой З л и менее, не подвергающиеся сильным затоплениям М а к симальная плотность * ла в бmо рjMа т3о р н а я Минимальное уплотнение, требуемое в полевых у с л о в и я х (в "I0 к м а к с и м а л ь н о й л а б о р а т о р н о й плотности! 1,44 и менее 1,45—1,64 1,65—1,75 1,76-1,91 1,92 и менее -** 100 98 95 90 У с л о в и е II Насыпи высотой > 3 м или подвергающиеся длительному затоплению Максимальная лабораторная п л о т н о с т ь в т'м3 1,52 и менее 1,53—1,64 1,65—1,75 1,76—1,91 1,92 и менее Минимальное уплотнение, требующееся в п о л е в ы х у с л о в и я х (в % к максимальной лабораторной плотности) *** 102 100 98 95 * Максимальная лабораторная плотность определяется стандартным испытанием по Проктору, описанным в § 50. ** Грунты, имеющие м а к с и м а л ь н у ю плотность м е н ь ш е 1,44 m/л3, рассматриваются как неудовлетворительные и не могут использоваться для насыпей. *** Г р у н т ы , и м е ю щ и е м а к с и м а л ь н у ю л а б о р а т о р н у ю п л о т н о с т ь м е н ь ш е 1,52 mjMрасс м а т р и в а ю т с я к а к н е у д о в л е т в о р и т е л ь н ы е и не м о г у т и с п о л ь з о в а т ь с я : 1) д л я н а с ы п е й при условии II; 2) в верхнем 20-см слое насыпи, который образует постель для д о р о ж н о го покрытия; 3) для основания насыпи при условии I. В дополнение к этнм требованиям груит должен иметь предел текучести не более 65, и минимальное число пластичности грунта при пределе текучести между 35 и 65 не ниже, чем величина, определяемая по формуле: 0,6 предела текучести минус 9. § 51. ПРОЕКТИРОВАНИЕ НАСЫПЕЙ, ДАМБ И ЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИН 4 3 5 Ясно, что правила, аналогичные тем, которые содержатся в табл. 16, не д о л ж н ы рассматриваться как окончательные. Они представляют собой лишь первый шаг по пути исключения гаданий и произвола при выборе материала для насыпи и несомненно будут изменяться по мере увеличения опыта. В частности, правила, относящиеся к использованию глинистых грунтов, очевидно, оставляют широкую возможность дальнейшего их усовершенствования. Например, в табл. 16 указано, что глинистые грунты с пределом текучести больше 65 не следует применять для строительства насыпей. Однако в некоторых районах земляные плотины, достигающие высоты 30 м, с откосами, имеющими заложение 1 :2,5, были успешно построены из глины с значительно более высоким пределом текучести. Другие столь же удовлетворительные земляные плотины состоят из глины с максимальной лабораторной плотностью скелета по Проктору значительно меньшей, чем минимальное значение 1,52 т/м3, обусловленное табл. 16. Если бы в соответствии с существующими техническими условиями потребовалось заменить больше 75 тыс. м3 глины более дорогим грунтом, то, как правило, экономические соображения оправдывают проведение тщательного исследования грунта и расчета устойчивости, чтобы определить, нельзя ли в этом случае избежать отказа от более дешевого строительного материала. Кроме того, подобные исследования в сочетании с данными наблюдений во время и после строительства создают ,надежную основу для пересмотра существующих норм. Дамбы Защитные дамбы служат для предотвращения периодических затоплений низменных мест при паводках, ливнях или иысоких приливах. Они отличаются от земляных плотин в трех основных отношениях: их внутренние откосы находятся под водой только несколько дней или недель в течение года; их расположение предопределяется требованиями защиты от паводков независимо от того, являются ли геологические условия благоприятными или нет; материал для насыпей должен браться из мелких карьеров, расположенных поблизости от местоположения защитных дамб. Эти условия вносят значительную неопределенность в проектирование таких сооружений. Тем не менее потребность в защитных дамбах возникла в некоторых районах с самых ранних дней человеческой цивилизации, и вследствие этого методы строительства таких дамб были доведены в этих районах до ,высокой степени совершенства. Если грунты на территории карьеров неоднородны, то поперечное сечение защитной дамбы обычно выбирают в соотвег- 3 436 ГЛАВА VIII. ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА И УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ ствии со свойствами наименее подходящих материалов, которые предстоит использовать. Необходимо также принять в расчет степень свободы, предоставленной производителю работ при выборе места и времени строительства. В некоторых районах, где строятся дамбы, метод укладки грунта строго контролируется, в то время как в других районах производитель работ пользуется широкой свободой в выборе способа строительства. Влияние способа строительства на стоимость дамбы зависит главным образом от соотношения между стоимостью ручного и механизированного труда. Поскольку это соотношение является весьма различным в различных странах, стремление строить удовлетворительные защитные дамбы при минимальных расходах привело к различным правилам в разных частях мира. В таких странах, как Германия и Голландия, где ручной труд дешев, защитные дамбы тщательно уплотняют и строят с крутыми откосами. С другой стороны, в долине Миссисипи и в различных других частях США не делается никаких попыток уплотнять защитные дамбы, потому что в США неуплотненные дамбы с пологими откосами обычно дешевле, чем тщательно уплотненные дамбы с значительно меньшими поперечными сечениями [51.4]. В Европе и в Азии было сооружено много защитных дамб из глины с откосами 1:2, в то время как глиняные защитные дамбы вдоль реки Миссисипи обычно имеют внутренний откос 1 : 3 и наружный откос 1 : 6. Оба способа строительства развились в результате медленного процесса попыток и изучения ошибок, и оба одинаково хорошо служат цели в условиях, которые преобладают в районах, где они возникли. В районах, где уже существуют системы защитных дамб, механика грунтов может быть с успехом использована только для установления соотношения между опытом строительства и эксплуатации с индексационными свойствами грунтов, которые служат в качестве строительных материалов. Сведения, полученные таким образом, приводят к исключению догадок при оценке грунтов, встречающихся в новых карьерах. Использование теоретических методов при проектировании защитных дамб на устойчивом основании едва ли можно оправдать, если дамбы не расположены в районе, где перед этим они вообще не строились. При таких условиях метод попыток является слишком медленным и дорогим, а опыт, основывающийся на существующих системах защитных дамб, едва ли может быть использован, потому что лишь немногие из имеющихся описаний опыта строительства содержат надлежащие данные относительно свойств грунта. Поэтому проектировщик вынужден пользоваться теми методами, которые применяются при проектировании земляных плотин. § 51. ПРОЕКТИРОВАНИЕ НАСЫПЕЙ, ДАМБ И ЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИН 4 3 7 Влияние геологических условий на устойчивость защитных д а м б и других земляных насыпей рассматривается в § 52> Земляные плотины Если плотина разрушается, когда водохранилище наполнено, то это может повести к человеческим жертвам и причинить серьезный материальный ущерб. Поэтому соображения безопасности требуют, чтобы проекты плотин исключали возможность их разрушения. Вследствие большого разнообразия геологических условий, которые могут оказывать неблагоприятное влияние на устойчивость земляной плотины, и вследствие разнообразия грунтов, которые могут быть использованы для отсыпки плотины, каждый новый проект выдвигает задачи, требующие индивидуального решения. Никакие стандартные откосы не могут быть установлены для земляных плотин. Проект должен удовлетворять следующим требованиям: 1) плотина д о л ж н а быть устойчивой; 2) потери воды, фильтрующейся через тело плотины,, должны быть совместимы с назначением плотины; 3) грунт или грунты, требующиеся для строительства плотины, должны находиться на приемлемом расстоянии. Это последнее условие накладывает серьезные ограничения на выбор строительного материала для плотины. К счастью, почти любой грунт или комбинация грунтов могут быть использованы для постройки удовлетворительной земляной плотины. Следовательно, задача проектировщика сводится к тому, чтобы использовать имеющийся в распоряжении материал с максимальной выгодой. Однородные земляные плотины могут быть построены только из таких грунтов, которые являются устойчивыми и не слишком проницаемыми. Грунты, которые удовлетворяют обоим условиям, могут быть разделены на три большие группы: хорошо подобранные крупнозернистые грунты с таким количеством мелкого материала, которое достаточно, чтобы уменьшить проницаемость до удовлетворительного значения; илы и некоторые типы глин. Ни чистый песок или гравий, ни мягкая глина не включаются в эти три группы. Однако, если карьеры содержат как чистый песок, так и мягкую глину, то глина может быть использована для устройства практически непроницаемого ядра, которое устраняет фильтрацию через плотину, а песок располагается по обе стороны ядра, чтобы обеспечить требуемую устойчивость. Если при умеренных затратах невозможно использовать относительно непроницаемые грунты, то фильтрацию необходимо предотвратить диафрагмой из железобетона или какого-либо другого подходящего строительного материала. 3 438 ГЛАВА VIII. ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА И УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ Независимо от характера отсыпаемых грунтов, они должны тщательно выбираться и хаотическое размещение различных грунтов внутри плотины не должно допускаться, насколько это возможно в данных условиях. Чтобы достичь этой цели, следует провести надлежащие испытания карьерного материала и установить метод уплотнения грунта с такой же строгостью, как и для автодорожных насыпей. Проектирование плотины, которая должна быть построена таким образом, требует широкого применения экспериментальных и теоретических методов. Если такого рода исследования не производятся, то отсутствие надежного представления о степени устойчивости проектируемого сооружения приходится компенсировать большой свободой в увеличении размеров сооружения и перерасходованием материалов, количество которых при этом значительно превышает действительно требуемое для безопасности. Поэтому детальное исследование грунтов для сооружения земляных плотин в экономическом отношении всегда оправдывается. Из сказанного выше видно, что расчет устойчивости представляет собой необходимый этап при проектировании земляной плотины. Чтобы такой расчет мог быть проведен, должны быть предварительно назначены размеры сооружения [51.6]. В качестве первого приближения, которое затем будет уточняться или изменяться в результате расчета устойчивости, могут быть приняты откосы, приведенные в табл. 17. Т а б л и ц а 17 Заложение откосов для предварительного проекта земляной плотины Типы плотин Верховой откос Низовой откос Материал однородный, хорошо подобранный Ил однородный, крупный . . . . Глина однородная, а также пылева тая; высота меньше чем 15 м Глина однородная, а также пылеватая; высота больше чем 15 м • • Песок или песок и гравий, глиняное ядро Песок или песок и гравий, железобе тонная диафрагма = 2,5 :3 :2,5 :3 : 3 :2,5 1:2 1:2,5 1:2 1:2,5 1:2,5 1:2 Основные принципы расчета устойчивости изложены в •§ 42. В этом п а р а г р а ф е было подчеркнуто, что эти расчеты требуют опыта, здравого смысла и детального знания соответствующих теоретических принципов. Эти расчеты должны основываться на наиболее неблагоприятных результатах испытаний карьерных материалов, а не на средних значениях. § 51. ПРОЕКТИРОВАНИЕ НАСЫПЕЙ, ДАМБ И ЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИН 4 3 9 Теоретический коэффициент устойчивости откосов никогда не должен быть меньше чем 1,3 и предпочтительно должен составлять 1,5. Ледниковый тилль, идеальный для строительства однородных земляных плотин, имеется во многих местах Канады и США к северу от 42 параллели. Как первичный, так и незначительно видоизмененный тилль способен удовлетворять наиболее высоким требованиям. Хотя этот материал почти о Iо5ъ-./0„0„ Гравии Z мм Песан Пь1ль Zfl-Ofib мм 0,06-0,002^m Й во 60 чо з ZO е \JJW-0,032MM Серьш гро - То же, Бледно-зеленая нигпныи лесадхольше слюды C/irvducfTJOP пыль Рис. 162. Гранулометрическая кривая ледниковой валунной глины, особенно пригодной для возве- дения однородной земляной плотины не содержит глины, его коэффициент фильтрации имеет по- рядок IO-6 см/сек—значение, которое является достаточно низким, чтобы отказаться от устройства ядра. С помощью кулачковых катков и тяжелого транспортного оборудования он может быть уплотнен до плотности более чем 1,92 т/м3 и в этом состоянии его угол внутреннего трения составляет минимум 38°. На рис. 162 приведен типичный гранулометри- ческий состав этого грунта. Если доступный строительный материал состоит главным образом из крупной пыли, то надлежащее регулирование влажности очень сложно. В то же время оно чрезвычайно важно, потому что даже небольшое отклонение объемного веса скелета уплотненного материала насыпи от максимального значения по Проктору сопровождается ярко выражен- ной тенденцией материала расплываться при внезапной сработке. Наибольшие затруднения возникают при проектировании плотин, которые должны быть построены полностью из пылеватой глины или чистой глины. Независимо от расчета устойчивости должны быть проведены исследования, чтобы определить, может ли постепенное набухание внешних частей 3 440 ГЛАВА VIII. ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА И УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ глинистой насыпи вызвать образование трещин, за которыми рано или поздно последуют сплавы. Нельзя дать никаких особых правил для проведения этих исследований. Тем не менее, чрезмерная склонность к набуханию может сделать глину неподходящей для строительства плотины. Если склонность к набуханию умеренная, то сплывы можно предотвратить путем покрытия верхового откоса слоем гравия толщиной в несколько десятков сантиметров. Дальнейшие затруднения в проектировании возникают из-за отсутствия надежных данных относительно влияния прогрессирующего разрушения на среднее сопротивление сдвигу вдоль потенциальных поверхностей скольжения в указанных глинистых насыпях. Наконец, если влажность глины в карьерах значительно выше оптимального ее значения, то изменение влажности во время строительства является, очевидно, серьезной проблемой. Поскольку наши знания в области устойчивости глинистых насыпей все еще являются недостаточными и, кроме того, разрушения глинистых насыпей не так уж необычны, теоретический коэффициент устойчивости, равный 1,5, должен рассматриваться как минимальный. Каким бы ни был материал однородной земляной плотины, размягчение грунта в нижней части низового откоса необходимо предотвращать с помощью устройства дренажной призмы у подошвы откоса, как показано на рис. 102. Дренаж должен быть достаточно большим, чтобы предотвратить выход кривой депрессии на низовой откос. Необходимость устройства дренажей у переднего края подошвы была ясной для отдельных опытных инженеров еще более чем полвека тому назад, но практика их применения не стала общепринятой, пока механика грунта не продемонстрировала на основе теории решающее влияние таких дренажей на устойчивость низовых откосов. В настоящее время низовой дренаж рассматривается обычно как существенная часть проекта. Намывные плотины Если доступный грунт представляет собой хорошо подобранную бмесь, содержащую фракции всех размеров, начиная от гравия, камней и очень крупного песка и кончая мелкой пылью или глиной, то земляная плотина может быть успешно построена с помощью намыва. По этому методу карьерный материал размывается мощными струями воды •под давлением от 7 до 10 ат у сопла и доставляется по лоткам или трубам к месту строительства. На плотине выпускные трубы монтируют на эстакадах, или же укладывают вдоль внешних краев ранее намытой части насыпи, как это указано на рис. 163. В любом случае выпускные трубы должны передвигаться к осевой линии и подниматься по мере того, как плотина становится выше. Смесь грунта и воды § 51. ПРОЕКТИРОВАНИЕ НАСЫПЕЙ, ДАМБ И ЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИН 440 откладывается двумя валами, параллельными оси плотин ы — о д и н поблизости от верхового края готовой части плотины, а другой—поблизости от низового края. Наиболее крупные материалы осаждаются вблизи от внешних откосов, в то время как более мелкие частицы смываются в прудок у Рис. 163. Схема возведения намывной плотины 1 — д а м б о ч к а о б в а л о в а н и я ; 2 — п у л ь п о в о д ; 3—прудок; 4 — пляж; J - низовая призма из крупного материала; 6 — ядро из мелкого материала; 7 — верховая призма из крупного материала оси плотины и оседают там. Самые мелкие частицы отводятся через сбросную трубу с верхним концом, расположенным на уровне ядерного прудка. Уверенность в надежности этого экономичного метода строительства плотин была несколько поколеблена довольно частыми катастрофами. Некоторые из них были вызваны неправильной оценкой условий устойчивости, а другие — недостаточным контролем за шириной ядра. Если внешние части состоят из песка с небольшим количеством крупного материала, то должна приниматься во внимание опасность разжижения, аналогично растеканию откосов рыхлого естественного песка (§ 49). Во время и ' непосредственно после строительства ядро находится в полужидком состоянии, и его боковое давление стремится сместить упоры из крупнозернистого материала. Как правило, принято требовать, чтобы упорные призмы были в состоянии выдерживать горизонтальное давление, оказываемое материалом ядра, в предположении, что ядро представляет собой вязкую жидкость с объемным весом, равным объемному весу материала ядра. Теоретический коэффициент устойчивости упорных призм, исходя из этого допущения, должен быть равным единице. В действительности, даже непосредственно после строительства коэффициент устойчивости плотины, запроектированной таким образом, несколько больше единицы, так как уже во время строительства ядро приобретает некоторую прочность. Результат этого увеличения прочности можно учитывать как уменьшение объемного веса эквивалентной жидкости, из которой, как предполагается, состоит ядро. С течением времени объемный вес продолжает уменьшаться, пока в конце концов он не станет практически постоянным. Объемный вес реального 3 442 ГЛАВА VIII. ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА И УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ материала ядра составляет обычно около 1,76 т/м3. Наблюдения с помощью динамометров в различных намывных плотинах установили величины объемного веса эквивалентной жидкости, показанные в табл. 18. Во всех случаях показания динамометров давали большой разброс. Следовательно, они свидетельствуют исключительно лишь о том, что вес эквивалентной жидкости является значительно меньшим, чем объемный вес материала ядра. Действительное соотношение между этими двумя величинами все еще неизвестно. Точно так же все еще неизвестно, является ли эквивалентный объемный вес независимым от глубины от верха плотины. Производились попытки вычислить скорость и степень консолидации ядер намывных плотин на основе теории консолидации (§ 41) и результатов испытаний на консолидацию характерных проб из материала ядра [51-.7]. В соответствии с результатами этих расчетов осадка гребня намывной плотины с ядром из пылеватой глины должна возрастать в течение многих лет и, если высота плотины превышает примерно 30 м, то предельная осадка гребня должна составить по меньшей мере несколько десятков сантиметров. Кроме того, окончательная влажность ядра должна заметно уменьшаться с увеличением глубины от гребня. Т а б л и ц а 18 Вес эквивалентной жидкости в ядре различных намывных плотин Название плотин . . • Процентное содержание ( < 0,002 мм) глины Джермен- Тейлоре — Таун виль 15 20 Вес ^эквивалентной жидкости в m/м3 0,93 Эффективный диаметр зерен в мм < 0,001 0,75 <0,001 Киигсли 2 0,72 0,01 Форт-Пек 12 1,14 0,001 В противоположность этим теоретическим заключениям осадка гребней намывных 'плотин с ядрами из глины является обычно очень маленькой и перестает заметно увеличиваться через один или два года после окончания строительства. Кроме того, немногочисленные данные, которые удалось ,получить до сих пор, свидетельствуют о том, что влажность материала ядра практически не меняется по высоте плотины. Эти наблюдения заставляют сделать вывод, что результаты испытаний на консолидацию не могут экстраполироваться на процессы, которые происходят в стареющем ядре намывной плотины. Основная причина расхождений между теорией и действительностью, очевидно, заключается в тиксотропном упрочнении материала ядра, возможно, наряду с его § 51. ПРОЕКТИРОВАНИЕ НАСЫПЕЙ, ДАМБ И ЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИН 4 4 3 скелетной структурой, образовавшейся в процессе отложения (см. § 17). Аналогичные соображения указывают на то, что соотношение между гранулометрическим составом и устойчивостью материала ядра является гораздо менее простым, чем это казалось в первый период строительства намывных сооружений. Согласно первоначальным представлениям, устойчивость материала ядра должна возрастать с увеличением эффективного диаметра зерен, и идеальный материал д л я я д р а вообще не д о л ж е н с о д е р ж а т ь глины 151.81 Тем не менее данные табл. 18 у к а з ы в а ю т на то, что вес эквивалентной жидкости для материала ядра на плотине Кингсли с содержанием глины 2% лишь немногим меньше, чем вес эквивалентной жидкости для ядра плотины Тейлорсвиль с содержанием глины 20%. Согласно этим и различным другим наблюдениям представляется, что размеры частиц материала ядра не являются столь существенными, как это в свое время считалось. Основные требования для успешного строительства намывных плотин заключаются в использовании тяжелых материалов для упорных призм и в строгом контроле за шириной ядра во время строительства. Выводы по методам проектирования Стандартный откос для железнодорожных насыпей составляет 1 :1,5, и отклонения от этого правила сравнительно немногочисленны. Железнодорожные насыпи строились первоначально такими методами, как отсыпка с торца, причем не производилось никакого уплотнения грунта. Позднее многие насыпи стали отсыпать послойно и уплотнять до известной степени действием строительного оборудования. С другой стороны, современные шоссейные насыпи обычно строят в соответствии с д е т а л ь н ы м и техническими условиями, касающимися как регулирования влажности, так и методики уплотнения. Стандартное заложение колеблется от 1 : 1,5 до 1 : 1,75. При любом типе насыпи основная з а д а ч а инженера сводится к тому, чтобы решить вопрос, какие грунты подходят в качестве материала для насыпи. В области строительства железных дорог это решение обычно предоставляется инженеру, которому поручено руководство строительством. Если насыпь разрушается, ее восстанавливают. В технике строительства шоссейных дорог материалы для насыпи отвергаются, если они не соответствуют более или менее жестким стандартам. Соблюдение этих стандартов практически исключает риск разрушения откосов, но оно приводит к безусловному запрещению применения некоторых глинистых грунтов, которые на самом деле могли бы быть использованы. Если бы согласно существующим нормам пришлось в каком-либо случае отказаться от 3 444 ГЛАВА VIII. ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА И УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ -большого количества глины, которая значительно дешевле, чем самый дешевый из материалов, приемлемых в соответствии с нормами, то в экономическом отношении оправдываются лабораторное испытание и расчет устойчивости, позволяющие установить, можно ли безопасно использовать данную глину. При проектировании защитных дамб должны учитываться различные факторы сверх тех, которые установлены в результате лабораторных испытаний. Строительный материал должен получаться из мелких карьеров, расположенных поблизости от дамб, независимо от того, является ли профиль, грунта однородным или эрратическим. Поскольку практически было бы нерационально отделять проницаемые и менее проницаемые грунты друг от друга, фильтрационный профиль защитной дамбы, очевидно, будет зависеть только от случая. Кроме того, при строительстве многих защитных дамб было найдено более экономичным не производить никакого уплотнения материала насыпи и предоставить производителю работ полную свободу в выборе метода строительства, компенсируя недостаточное качество произведенной работы тем, что дамбам придаются очень пологие откосы. Проектирование защитных дамб, возводимых таким образом, основывается главным образом на опыте. Дорогостоящие исследования грунта и расчет устойчивости оправдываются только в том случае, если защитная дамба должна быть построена в !районе, где до того не строилась ни одна дамба, или если дамба должна защищать исключительно густо населенный район. При этих условиях поперечные сечения защитных дамб в других районах едва ли могут быть использованы для руководства при проектировании, потому что лишь очень немногочисленные описания более старых защитных дамб содержат данные, требующиеся для надежной идентификации груита. При проектировании земляных плотин для водохранилищ как безопасность, так и экономичность требуют детальных исследований грунта, а также расчета устойчивости для различных пробных поперечных сечений. Испытания грунта должны включать вое виды ^следований, перечисленные в табл. 5 (стр. 60), так же как и испытания на уплотнение и трехосное сжатие характерных проб материала насыпи. Если часть плотины или вся она должна быть сделана из глины, то требуются испытания на консолидацию и набухание. Объяснение результатов этих испытаний требует большого опыта и технической зрелости. ЛИТЕРАТУРА 51.1 First Progress Report of the investigation of methods of roadbed stabilization ,,Proc. Am. Rwy. Eng. Assoc.", vol. 47, 1946, стр. 324—353 § 52. УСТОЙЧИВОСТЬ ОСНОВАНИЯ НАСЫПЕЙ 445 51.2. К. В. W o o d s a n d R . R . L i t e h i s e r 1 Soil mechanics applied to highway engineering in Ohio, Bull. № 99, Columbus, Ohio, 1938. 51.3. Standard Specifications for highway materials and methodes of sampling and testing, fourth edition, 1942, Am. Assoc. of State Highway officials, Part I, стр. 33—34, designation M 57—42. 51.4. S. J. B u c h a n a n , Levees in the lower Mississippi valley, „Trans. ASCE", vol. 103, 1938, paper 2008, стр. 1378—1395, дискуссия стр. 1449—1502. 51.5. С. Н. L e e , Selection of materials for rolled-fill earth dams, „Trans ASCE", vol. 103, 1938, paper 1980, стр. 1—61. Важность гранулометрического состава материала насыпи несколько преувеличена. Дискуссия вскрывает некоторые спорные стороны вопроса. 51.6. W. P. C r e a g e r , Engineering for dams, New York, 1945, vol. Ill, главы 17 и 19. 51.7. Q. G i l b o y Mechanics of hydraulic—fill dams, ,,J. Boston Soc. civil engrs"., vol. 21,1934, стр. 185—203. Заключение относительно скорости консолидации ядра не подтверждается опытом. 51.8. A. H a z e n Hydraulic-fill dams, „Trans. ASCE", vol. 83, 1920, paper № 1458, стр. 1713—1821. Как статья, так и дискуссия содержат большой материал по намывным плотинам. В статье ,несколько преувеличено значение гранулометрического состава для свойств ядра. Обратить особое внимание на выступление в дискуссии А. Е. Моргана, стр. 1780—1785. 51.9. L. 1. Hewes, American highway practice, New York, 1942, vol. I, стр. 171—194. Обзор современной практики проектирования и строительства автодорожных насыпей. 51.10. Т. Т. K n a p p e n a n d R. R. P h i l i p p e , Practical soil mechanics of Muskingum, „Eng. News—Rec.", vol. 116, 1936, стр. 453—455, 532—535, 595—598, 666—669. Земляные плотины в Маскингэме для борьбы с наводнениями, построенные из самых различных грунтов. Описание методов отбора образцов, классификации грунтов, прогноза осадок и регулирования влажности грунта. Практическая ценность модельных исследований сомнительна. 51.11. Р. В a u m a n n, Design and construction of San Gabriel dam № 1, .„Trans. ASCE", vol. 107, 1942, paper 2168, стр. 1595—1634, дискуссия стр. 1635—1651. Описание проектирования и строительства, включая обзор результатов исследования грунтов. Метод определения сдвиговых характеристик материала насыпи является несколько спорным. 51.12. L. J. G. V a n Es, Investigations on the suitability of soil types f o r the construction of dams with the aid of the consistency values of Atterberg, 1 Congr. g r a n d s barrages, Stockholm, 1933, vol. Ill, rapport 21, стр. 125-131. Статья убедительно показывает влияние на устойчивость глинистых плотин ряда факторов, кроме гранулометрического состава. Однако выводы, приведенные в статье, не могут быть распространены на все случаи. § 52. УСТОЙЧИВОСТЬ ОСНОВАНИЯ НАСЫПЕЙ Типы разрушений оснований Всюду, где это возможно, насыпи и земляные плотины возводятся на плотных относительно несжимаемых грунтах. Однако во многих районах железнодорожные и автодорожные насыпи должны строиться на широких болотистых участ- 3 446 ГЛАВА viii. ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА И УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ ках или в пойменных долинах, заполненных мягким илом или глиной. Защитные дамбы должны строиться вблизи паводковых русел независимо от условий грунта. Д а ж е земляные плотины должны иногда воздвигаться в местах, где залегают нежелательные породы. Во всех этих случаях проектирование должно приспосабливаться не только к характеру имеющегося материала для насыпи, но также и к особенностям основания. Разрушения оснований могут происходить различными путями. Насыпь может всей своей массой погружаться в поддерживающий ее грунт. Такой случай называется р а з р у ш е н и е м от п р о д а в л и в а н и я . С другой стороны, насыпь вместе со слоем грунта, на котором она залегает, может расползаться в стороны на подстилающем слое исключительно мягкой глины либо на прослойках песка или ила, содержащих воду под давлением (см. § 49, рис. 160, б ) . В этом случае имеет место р а з р у ш е н и е о т р а с п о л з аII и я. Если в насыпи с о д е р ж и т с я некоторое количество воды, может возникнуть пятящаяся эрозия, вызванная ключами, которые вытекают из грунта поблизости от подошвы насыпи. Наконец, разрушение основания может произойти под насыпями, расположенными над слоями очень рыхлого песка вследствие внезапного его разжижения. Однако этот вид разрушения является очень редким и его можно избежать, уплотнив песок одним из методов, описанных в § 50. Разрушения в результате подмыва рассматриваются отдельно в § 59. Следовательно, в настоящем параграфе речь будет идти только о разрушении основания в результате продавливания или расползания. Методы исследования устойчивости Проектированию насыпи, которая должна быть построена на глинистых пластах, всегда должно предшествовать детальное исследование грунта, включающее бурение, отбор образцов и их испытание. В результате исследований проектировщик получает данные о грунтовом профиле и о физических свойствах грунтов. Следующий шаг состоит в том, чтобы рассчитать коэффициент устойчивости насыпи против разрушения ее основания. Этот расчет должен быть произведен по методу средних напряжений (§ 37). Обычно надежность сооружения не считается удовлетворительной, если коэффициент устойчивости против разрушения основания во время или непосредственно после окончания строительства не будет равен минимум 1,5. Условия устойчивости основания насыпи и методы предотвращения его разрушения будут рассмотрены в следующем порядке: насыпи на очень мягких и болотистых грунтах; § 52. УСТОЙЧИВОСТЬ ОСНОВАНИЯ НАСЫПЕЙ 447 насыпи на мощных слоях относительно однородной мягкой глины; насыпи на слоистом грунте, содержащем относительно однородные слои мягкой глины, и насыпи на глине, содержащей прослойки песка и ила. Грунтовые условия первых двух типов, очевидно, связаны с разрушениями в результате проседания, а условия последних двух типов'—-с разрушениями в результате расползания. Насыпи на очень мягком органическом иле или глине Естественные отложения этого типа обычны для районов,, некогда покрытых мелкими озерами или лагунами. По периферии таких отложений, по-видимому, (разрастался болотный мох и другие типы болотной растительности. Пылеватые' или глинистые частицы, принесенные в озера в виде суспензии, перемешивались с разложившимися органичеекимиостатками, вымытыми с периферии. Следовательно, мелкозернистые отложения в таких водных бассейнах содержат, очевидно, большое количество органических веществ. Естественный коэффициент пористости таких осадков обычно более 2. Эти осадки могут содержать слои торфа или быть покрытыми последним. Если поверхность такого отложения никогда раньше не была нагружена, то, очевидно, грунт будет не в состоянии удерживать вес насыпи высотой более нескольких десятков сантиметров. Во многих районах мягкий болотистый грунт покрыт ковром толщиной в несколько дециметров, который является более плотным, чем глубже залегающие слои, и густо армирован плотной сеткой корней. Этот ковер ведет себя аналогично плоту и, по-видимому, в состоянии поддерживать, по крайней мере временно, вес невысокой насыпи. Однако насыпи на таких основаниях испытывают значительные осадки в течение нескольких лет или десятилетий, и отчеты об их эксплуатации показывают, что они могут внезапно продавливаться сквозь этот слой по истечении продолжительного времени после ,постройки. Следовательно, если насыпь должна быть долговечной, то целость этого ковра должна быть нарушена, прежде чем на нем будет отсыпана насыпь, чтобы облегчить проникновение материала насыпи в более мягкие слои. Поскольку стоимость и относительные достоинства различных методов строительства насыпей на болотах зависят от толщины мягкого слоя, строительству должно предшествовать составление контурной карты твердого дна. Если толщина мягкого слоя не превышает 1,5—1,8 м, то может оказаться экономичным удалить мягкий материал. Если же толщина мягкого слоя является большей, то обычно предпочитают допустить продавливание насыпи и вытеснение ею мяг- 3 448 ГЛАВА VIII. ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА И УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ кого материала. Этот способ известен как м е т о д в ы т е с нения. Чтобы ускорить погружение насьипи и сократить последующий период осадки, она должна быть отсыпана на 4,5— б м выше проектной отметки, а излишний материал может быть удален позже. Погружение насыпи может быть ускорено и облегчено также вытеснением мягкого грунта взрывами. В течение последних десятилетий метод взрывов был до- Рис. 164. Силы, действующие иа грунт, который примыкает к погрузившейся части насыпи, построенной по ме- тоду вытеснения 1 — гидростатическое давление ила; 2 — возможные поверхности скольжения в пескер 3 — вал выжатого ила, впоследствии удален; 4 — мягкий ил; 5 — песок твердого дна известно, то количество материала, которое требуется для отсыпки насыпи, может быть определено довольно точно еще до начала строительства [52.1]. Взаимодействие насыпи с основанием, установившееся в результате вытеснения, иллюстрируется рис. 164. На поверхность контакта ab действует активное давление, производимое материалом насыпи. Перемещение ab влево встречает сопротивление, равное сумме гидростатического давления мягкого материала и силы, которая требуется для преодоления его сцепления. Е-сли погружению насыпи способствует временная дополнительная нагрузка или взрывы, то сила, которая вызывает соответствующее перемещение, является значительно большей, чем та сила, которая действует на ab после окончания строительства. Кроме того, после того как насыпь закончена, мягкий материал восстанавливает часть сопротивления, утраченного в процессе вытеснения (§ 4). Поэтому, если насыпь имеет поперечное сечение, аналогичное показанному на рис. 164, осадка гребня будет, очевидно, несущественной уже через короткое время после окончания строительства. Ярким примером успешного применения метода вытеснения является Кильский канал, построенный в 1887—1895 гг. На расстоянии примерно 12 миль канал пришлось прокладывать в слое торфа и очень мягкой органической глины § 52. УСТОЙЧИВОСТЬ ОСНОВАНИЯ НАСЫПЕЙ 449 толщиной до 9 м. Н а некоторых участках грунт был настоль- ко мягким, что человек не мог по нему ходить. Способ строи- тельства канала в таких грунтах показан на рис. 165. Внутрь от оси каждой из будущих защитных дамб были отсыпаны песчаные насыпи, как это показано пунктирной линией. Эти насыпи вытеснили мяг- кий материал на широкой , \ полосе почти вплоть ДО v твердого грунта. Они по- служили основанием для защитных дамб и создали верхнюю часть откосов законченного канала. Чтобы уменьшить опас- ность оползней во время строительства, экскава- Рис. 165. Типичное поперечное сечение Кильского канала 1 — досыпка; 2 — торф; 3 — средняя глина; 4 — жесткая глина; 5 — песчаная насыпь, впо- следствии удалена; 6 — плотный песок ция была начата только через 6 мес. после отсыпки насыпи. Тем не менее в некоторых местах оползни все же имели место. Один из оползней показан на рис. 166. На нем изображе- ны четыре последовательные стадии разработки канала. За второй стадией (рис. 166,6) последовали оползни, во время -rSSfcl&JT Рис. 166. Четыре последовательные стадии разработки Кильского канала в исключительно мягком грунте (по Фюльшеру) 1 — уровень воды во время экскавации; 2 — начальная поверхность грунта; 3 — дно выемки; 4 — конечный профиль; 5 — мягкая глина; 6 — песок 3 450 ГЛАВА VIII. ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА И УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ которых песчаные насыпи переместились к оси канала. Чтобы закончить строительство, пришлось отсыпать много песка (рис. 166,г), после чего экскавация была завершена без дальнейших осложнений [52.21. При строительстве железнодорожных и шоссейных насыпей метод вытеснения стал общепринятым. Он был даже предложен для строительства дамбы из каменной наброски высотой около 30 м через Кобсокский залив на строительстве гидроузла П а с с а м а к в о д и в штате Мэн 152.31. Мягкие слои с относительно • высокой средней проницаемостью в горизонтальном направлении могут быть сделаны пригодными для несения нагрузки от отсыпаемых сверху насыпей путем дренирования во время строительства. Дренирование производится .с помощью фильтровых колодцев, которые отводят воду в коллекторные дрены, расположенные у основания насыпей. Фильтровые колодцы, используемые для этой цели управлением шоссейных дорог в Калифорнии, имеют диаметр примерно 60 см и расположены на расстоянии друг от друга от 3 до 6 м [52.4]. Теория показывает что эффективность дренирования может быть значительно увеличена путем уменьшения этого расстояния. Чтобы удовлетворить этому требованию, шведское министерство общественных работ разработало способ устройства картонных дрен в очень мягкой глине на расстоянии в 90—120 см друг от друга с большой быстротой и ,при очень низкой стоимости. Насыпи на мягкой однородной глине Ниже принимается, что поверхность глины расположена очень близко от основания насыпи, что толщина слоя глины составляет по меньшей мере половину ширины подошвы насыпи и что слой является достаточно однородным. Разрушение насыпи на таком грунте носит характер сдвига основания вдоль срединного круга скольжения (§ 31). Однако верхняя часть поверхности скольжения находится в искусственной насыпи, и сопротивление сдвигу вдоль этой части отличается от сопротивления сдвигу вдоль более низкой части. Первый шаг при расчете устойчивости состоит в том, чтобы установить среднее сопротивление сдвигу s ,вдоль нижней части на основании испытаний на прочность при сжатии образцов глины. Принимается, что tP равен нулю ( § 1 5 ) H s равно половине средней прочности при одноосном сжатии. Второй шаг состоит в том, чтобы определить среднее сопротивление сдвигу S2 вдоль той части поверхности скольжения, которая расположена в пределах насыпи. Сопротивление сдвигу может состоять из сцепления и трения или только из трения. При расчете устойчивости действительную насыпь заменяют идеальной глиной (<р = 0), которая имеет § 52. УСТОЙЧИВОСТЬ ОСНОВАНИЯ НАСЫПЕЙ 451 сцепление, равное s2. В качестве первого приближения принимается, что разрушение происходит вдоль срединного круга, однако истинная критическая окружность должна быть определена методом попыток. Обычно требуется, чтобы коэффициент устойчивости против разрушения основания составлял по крайней мере 1,5. Ввиду неизбежных погрешностей при определении среднего сопротивления глины сдвигу, этот коэффициент следует считать очень низким. Однако, чтобы удовлетворить даже этому требованию, высокие насыпи на мягкой глине должны иметь очень пологие откосы. Следовательно, если высокая насыпь очень длинная, то может оказаться экономичным уменьшить коэффициент устойчивости еще больше — до 1,2 или 1,1 и во время строительства вести наблюдения с целью обнаружить угрозу оползней и предотвратить их соответствующей корректировкой отдельных частей проекта. Разрушению основания насыпи на глине обычно предшествует постепенное выпирание и поднятие широких полос, расположенных по обе стороны насыпи. Скорость поднятия увеличивается по мере того, как разрушение приближается. Если поднятие обнаруживается в самом начале с помощью периодической нивелировки поконтрольным точкам, расположенным в пределах площади возможного выпора, то разрушение может быть предотвращено путем покрытия этих площадей пригрузкой в -виде толстого насыпного слоя. Оползни, вызванные разрушением мягкого глинистого основания, обычно происходят во время или непосредственно после окончания строительства, !потому что в дальнейшем сопротивление основания постепенно увеличивается за счет консолидации. Если оползень у ж е произошел, то обычно с помощью шурфов может быть установлено положение поверхности скольжения и вычислено среднее сопротивление глины сдвигу с значительной точностью. Значение, полученное таким образом, служит основой для исправления проекта. На рис. 167 показано сечение автодорожной насыпи из хорошо уплотненного гравия, отсыпанного на пласте органической пылеватой глины [52.5]. Разрушение произошло, когда верх насыпи находился на 2,4 м ниже окончательной отметки. Масса грунта, имеюшая эффективный вес W (см. § 12), обрушилась в результате вращения вокруг точки О. Опрокидывающий момент составлял Wl. Чтобы закончить насыпь, был добавлен контрбанкет из гравия W1 с равнодействующей на горизонтальном расстоянии /i от О. Контрбанкет имел такие размеры, что момент WiIi плюс момент, вызванный сопротивлением сдвигу вдоль поверхности скольжения, превышал опрокидывающий момент при законченной насыпи на 50%. Правая сторона рис. 167 показывает сечение законченной насыпи. Верхние 2,4 м насыпи были сделаны из укатанного котельно- 3 452 ГЛАВА VIII. ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА И УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ го шлака, чтобы сделать вес ее минимально возможным. После создания контрбанкета уже не наблюдалось никаких подвижек, кроме незначительной осадки, !вызванной консолидацией основания. После того как строительство насыпи на поверхности однородной массы глины 'было успешно закончено, ее подошва Рис. 167. Разрез по насыпи из гравия на однородной мягкой глине. Слева показан оползень во время строительства, справа — реконструированная насыпь, которая стабилизирована контрбанкетом гравия (по Готштейну) укатанный шлак; 2 — контрбанкет из гравия; 3 — насыпь; 4 — лылеватая органическая глина; 5 — скала начала постепенно оседать за счет консолидации подстилающей глины. Величина осадки может стать очень большой [52.6]. Она может быть определена с помощью методики, описанной в § 36, и гребень насыпи должен быть отсыпан с соответствующим запасом по высоте над окончательной отметкой. По мере хода консолидации несущая способность насыпи увеличивается. Наблюдения над каменными набросками, которые служат основанием д л я волноломов, свидетельствуют о том, что осадка таких насыпей зависит не только от свойств подстилающей глины, но в значительной степени и от метода строительства. В последнее столетие насыпи воздвигались путем сбрасывания больших камней в воду. В результате этого полностью разрушалась структура самого !верхнего слоя глины и вызывались значительные ,местные концентрации напряжений в подстилающем материале. Осадка этих насыпей была очень большой. Примером может служить более старая часть волнолома в порту Специя в Италии. Н а рис. 168, а изображено сечение этой насыпи. Глубина воды составляла 9,9 м. Влажность мягкой глины была близкой к 100%. Результаты § 52. УСТОЙЧИВОСТЬ ОСНОВАНИЯ НАСЫПЕЙ 453 испытаний пробной нагрузкой свидетельствуют о том, что более глубокие слои имели сопротивление на одноосное сжатие примерно 0,5 кг/см2. Строительство было начато в 1862 г. Чтобы удержать гребень насыпи на приблизительно постоянном уровне, несмотря на быструю осадку, было необходимо все время досыпать насыпь. Это в свою очередь ускоряло V77Trr777777&Z от2Jдо tjSM пои песка Рис. 168. Волнолом из каменной наброски на мягкой глине в порту Специя (Италия) а — построенный непосредственно на глине; б — на песчаной подушке, которая перед этим отсыпана в неглубокую выемку, пройденную землечерпанием (по Бар- бери) осадку. На протяжении 50 лет материал, который понадобилось добавить, был равен слою приблизительно 18 м толщиной. По мере того как осадка увеличивалась, основание насыпи принимало форму, показанную на рис. 168,а. В 1912 г. было начато строительство нового участка волнолома. Чтобы предотвратить чрезмерную осадку этого нового участка, жидкий грунт был удален землечерпанием до глубины в пределах от 2,1 до 4,8 м ниже первоначального уровня и заменен песком с диаметром зерен от 0,2 до 0,4 мм (рис. 168,6). Следовательно, когда насыпь была построена, камни легли на песок, вместо того чтобы продавливаться в глину, и в последней не возникало никаких местных концентраций напряжений. По-видимому, в результате этого осадка новой насыпи была незначительной по сравнению с осадкой старой. В конце строительства осадка равнялась 51 см. 9 лет спустя она составила только 81 см. Аналогичный прием был успешно использован при строительстве волноломов в портах Вальпарайзо в Чили и Кобе в Японии. Разновидности разрушения вследствие расползания Разрушения вследствие расползания наблюдались только в случаях насыпей, залегающих на слоистых отложениях, включающих слои мягкой глины. Такие насыпи обычно без- 3 454 ГЛАВА VIII. ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА И УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ опасны в отношении продавливания, но они могут разрушиться в результате расползания. В течение последних 20 лет с полдюжины разрушений больших и несколько разрушений малых плотин произошли именно таким образом. Следовательно, устойчивость насыпей над пластами глины заслуживает особого внимания. К крупным катастрофам, вызванным расползанием, относятся разрушение плотины Лафайет в Калифорнии в 1928 г. [52.8], плотины Маршалл-Крик в Канзасе в 1937 г. [52.9] и защитной дамбы Гаптфорд в Коннектикуте в 1941 г. [52.10]. Изучение отчетных материалов вскрывает два различных типа разрушения в результате расползания. Один тип отличается относительно медленным оседанием гребня плотины. Откос, если он первоначально был плоским, принимает плавную S-образную форму, к а к это показано на рис. 160, а, и выпирание поверхности грунта распространяется только на короткое расстояние от нижней бровки откоса. Разрушение плотины Чингфорд (поблизости от Лондона (Англия) и плотины Лафайет являются поучительными примерами этого типа. Разрушения другого типа происходят очень быстро, и выпирание простирается на большое расстояние от нижней бровки откоса. Во время разрушения плотины Лафайет, которая имела высоту 36 м, гребень осел на 4,5 м на участке длиной около 150 м примерно на 3 дня. С другой стороны, защитная д а м б а Гартфорд, и м е ю щ а я высоту только 9 м, р а з р у ш и л а с ь менее чем за 1 мин. Гребень осел на 4,5 м на протяжении более чем 300 м. Шпунтовый р я д у подножья откоса переместился горизонтально на 18 м, а выпирание распространилось примерно на 45 м от подножья откоса. Анализ отчетов, описывающих аварии, и изучение причин разрушения показали, что катастрофически быстрый тип разрушения не может произойти и не происходит, если слой глины не содержит непрерывных слоев крупного ила или песка. Поэтому детальные данные о строении глинистых пластов имеют решающее значение, и следует проводить различие между пластами глины с высокопроницаемыми прослойками и без них. В дальнейшем мы рассмотрим сначала причины разрушения в каждом из двух типов глинистых пластов, а затем способы повышения устойчивости насыпей, расположенных на таких пластах. Расползание насыпи на относительно однородных слоях мягкой глины Принимается, что слой глины под насыпью, показанной на рис. 169, а, является совершенно однородным. Вскоре после начала отсыпки глина начинает консолидироваться, и слой становится более плотным поблизости от своей верхней и ниж- § 52. УСТОЙЧИВОСТЬ ОСНОВАНИЯ НАСЫПЕЙ 455 ней границ. Однако посередине высоты слоя вес насыпи все еще воспринимается избыточным гидростатическим давлением, характеризуемым пьезометрическими уровнями, показанными с левой стороны рисунка. В этой части слоя сопротивле- П) Рис. 169. Схема разрушения основания насыпи, содержащей тонкий пласт глины а — когда пласт глины не содержит горизонтальных проницаемых прослоек; б — когда пласт глины содержит прослойки проницаемого песка или ила; 1 — пьезометрический уров е н ь в д о л ь а — Ь; -2 — н а ч а л ь н ы й о т к о с : 3 — з е р к а л о в о д ы ; 4 — п л а с т о д н о р о д н о й г л и н ы 5 — направление дренирования; 6 — сдвигу сопротивляется сцеплеиие самого слабого слоя", 7 — пласт глнны с песком и прослойками ила; 8 — направление дренирования; 9 — зона; р а с т я ж е н и я ; IO — п о л н о е _ о т с у т с т в и е с о п р о т и в л е н и я с д в и г у ; 11 — з о н а с ж а т и я ние глины сдвигу остается равным его начальному значению. Следовательно, если происходит разрушение, то поверхность скольжения проходит по некоторому слою с минимальным сопротивлением сдвигу, расположенному поблизости от середины высоты глинистого слоя. Чтобы определить значение минимального сопротивления сдвигу, должно быть проведено исследование прочности на одноосное сжатие (см. § 45). Поскольку прочность на сжатие глины, очевидно, колеблется как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях, установление подходящей для расчета величины сцепления требует опыта, здравого смысла и детального исследования характера строения отложения глины. Точно так же важно убедиться в том, что глина действительно не содержит непрерывных прослоек из песка или пыли. 3 456 ГЛАВА VIII. ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА И УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ После того, как выбрано подходящее значение сопротивления сдвигу, коэффициент устойчивости может быть определен методом, описанным в § 31 в связи со сложными поверхностями скольжения. Поскольку вдоль горизонтальной части поверхности скольжения существует заметное сопротивление сдвигу, откос принимает х а р а к т е р н у ю S-образную форму, показанную на рис. 169, а. Расползание насыпи на слоях глины с прослойками из песка и пыли Бели глина содержит относительно -непрерывную прослойку песка или пыли, то избыточная иода из центральной части слоя дренируется не только вертикально через верхнюю и нижнюю части слоя, но также и горизонтально через весьма проницаемые прослойки, как это показано «а рис. 169,6. Поэтому в прослойках возникает высокое избыточное гидростатическое давление. В ряде случаев существование гидравлических условий типа, показанного пьезометрическими уровнями на рис. 169,6, было продемонстрировано наблюдениями по манометрам в полевых условиях. Разница между избыточным давлением поровой воды и весом залегающего сверху грунта и насыпи является максимальной поблизости от краев подошвы откоса. В этих местах сопротивление сдвигу прослоек без сцепления, очевидно, уменьшается до нуля, и единственное сопротивление расползанию насыпи оказывается пассивным давлением земли, расположенной над и за пределами поверхности скольжения. Если это давление преодолевается, то внешние части насыпи сдвигаются всей своей массой в стороны от оси, а средняя часть оседает, образуя корытообразную выемку, как это показано на рис. 169,6. Поскольку грунтовые условия никогда не бывают точно симметричными относительно осевой линии насыпи, разрушение происходит только с одной стороны, но едва ли возможно предсказать заранее, с какой именно. Корытообразная осадка, характерная для этого типа разрушения, наблюдалась неоднократно. Коэффициент устойчивости против сдвига зависит от распределения избыточного гидростатического давления в пределах проницаемых прослоек, которое в свою очередь зависит от неизвестных местных колебаний проницаемости и от других неизвестных деталей геологического строения. Практические осложнения, вызываемые такого рода неопределенностью, иллюстрируются рис. 170. Д л я показанной на нем насыпи было проведено в период проектирования разведочное бурение вдоль осевой линии. Поскольку ни в одной из скважин не были обнаружены проницаемые прослойки, проектировщик принял, что во время строительства гидростатические условия § 52. УСТОЙЧИВОСТЬ ОСНОВАНИЯ НАСЫПЕЙ 457 будут такими, как это указано пунктирной пьезометрической линией. Эти условия являются нормальными и не подвергают опасности устойчивость основания насыпи. В действительности же глина содержала прослойку мелкого песка, расположенную под правой стороной плотины. Так как гидростатическое давление свободно передается через такие прослойки, Рис. 170. Влияние на гидростатическое давление наличия замкнутой проницаемой прослойки в пласте глины под насыпью 1 — пьезометрические уровни в случае отсутствия песчаной линзы; 2 — зеркало воды; 3 — насыпь; 4 — пласт однородной глины, сопротивление сдвигу обусловлено сцеплением; 5 — песок; б—песчаная линза, сопротивление сдвигу отсут- ствует то эпюра давления в действительности приняла характер, указанный линией из штрихов, и насыпь разрушилась, как это показано на рис. 169,<5. Следовательно, если геологические условия указывают на то, что глина может содержать высокопроницаемые прослойки, то риска разрушения можно избежать только при условии устройства очень пологих откосов насыпи за счет большого увеличения количества материала, или же используя один из методов, описанных ниже. Методы увеличения устойчивости насыпей над тонкими слоями мягкой глины Если подошва слоя мягкой глины расположена на глубине меньше чем 1,5—1,8 м от поверхности грунта, то рекомендуется удалить глину по всей ширине насыпи. В противном случае проектировщик может сделать выбор между двумя возможностями. Он может поставить условие, чтобы насыпь строилась более медленно, чем скорость процесса консолидации глины посередине высоты слоя, или же он может принять меры к ускорению процесса консолидации с помощью фильтровых колодцев. Каждый из этих методов должен быть рассмотрен независимо от того, содержат ли слои глины такие проницаемые прослойки или нет. Чтобы осуществить первый метод, проектировщик должен знать интенсивность консолидации внутренней части слоя. 3 458 ГЛАВА VIII. ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА И УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ Не следует полагаться только на расчеты, так как результат может оказаться ненадежным из-за какой-либо незамеченной геологической детали, как, например, наличие высококоллоидальных прослоек. Расчет следует проводить только для того, чтобы предварительно определить максимальную скорость, с которой насыпь может быть построена. Чтобы исключить риск разрушения, за процессом консолидации следует наблюдать в полевых условиях с помощью манометров, измеряющих поровое давление, и скорость строительства необходимо согласовывать с установленными данными. Это является крупным недостатком, потому что может повлечь за собой недопустимое затягивание строительства. Если результаты расчетов показывают, что нормальный процесс консолидации является слишком медленным, чтобы им можно было воспользоваться как средством стабилизации основания насыпи, то следует рассмотреть способ ускорения этого процесса с помощью вертикальных фильтровых колодцев. Это метод уже описан выше. Выводы На очень мягком грунте высокие насыпи могут быть возведены только одним из двух методов. Первый состоит в вытеснении мягкого грунта весом насыпи. Чтобы избежать чрезмерного понижения после окончания строительства, насыпь должна отсыпаться на 4,5—6 м выше окончательной отметки и излишний материал должен быть удален после того, как насыпь осела. Второй метод состоит в ускорении консолидации с !помощью фильтровых колодцев, достигающих нижней части слоя. Колодцы отводят воду в дренажные трубы, расположенные у подошвы насыпи. Чтобы установить наиболее экономичный способ, необходимо подготовить карту поверхности твердого основания мягкого слоя. Там, где глубина слоя меньше 1,5—1,8 м, может оказаться выгодным удалить мягкий грунт путем экскавации. Проектирование насыпей, которые должны быть построены над толстыми слоями мягкой глины, начинается с расчета устойчивости. Этот расчет должен проводиться по методу средних напряжений. При нормальных условиях коэффициент устойчивости против проседания должен быть не менее 1,5. Однако, если насыпь очень длинная, то может оказаться более экономичным исходить при проектировании из коэффициента устойчивости 1,2 или 1,1, определять местоположение самых слабых мест в основании с помощью наблюдений над выпиранием во время строительства и покрывать площади выпора контрбанкетами из толстого слоя насыпи. Требуется особая бдительность, если насыпь должна быть построена на слоистом грунте, содержащем пласты мягкой § 52. УСТОЙЧИВОСТЬ ОСНОВАНИЯ НАСЫПЕЙ 459 глины. Целый ряд катастрофических аварий имел место из-за того, что устойчивость основания этого типа была переоценена. Если слои глины не содержат ни песчаных, ни пылеватых прослоек, то сопротивление расползанию зависит от среднего сопротивления сдвигу наиболее слабых слоев основания. Поскольку исключительно слабые слои не являются обязательно непрерывными, то" их наличие может ускользнуть от внимания даже, опытного изыскателя. Если глина содержит прослойки из песка или пыли, то сопротивление расползанию зависит, главным образом, от порового давления в прослойках. Это давление изменяется во время строительства, и точное предсказание его величины практически невозможно. Известны только два надежных 'метода, предупреждающих разрушение от расползания вдоль таких прослоек. Это —периодические измерения порового давления во время строительства с целью заблаговременного обнаружения угрожающей опасности и снятие порового давления «путем соответствующих дренажных 'мероприятий. Л ИТ EP АТУ P А 52.1. Blasters, Handbook. Е. I. Dupont de Nemours and Company, Inc., Wilmington, Del., 1942, стр. 234—239. Применение взрывов для ускорения осадки насыпей на мягких грунтах. 52.2. J, Fulscher, Construction ot the Kaiser Wilhelm canals, Berlin, 1898. Проектирование и постройка дамб методом вытеснения. 52.3. В. К. H o u g h , Jr., Stability of e m b a n k m e n t foundations, ,Trans. ASCE', vol. 103, 1938, стр. 1414—1431; дискуссия стр. 1450—1452. Испытание на моделях и расчет устойчивости каменной набросной плотины, намеченной к возведению методом вытеснения на строительстве гидроузла Пассамакводи. 52.4. О. J. P o r t e r , Studies of fill construction over mud flats including a description of experimental construetion using vertical sand drains to hasten stadilization, Proc. Intern. Conf. Soil mech., Cambridge, Mass., 1936, vol. f, стр. 229—235. 52.5. E. V. Q o t t s t e i n 1 T w o examples concerning underground sliding caused by construction of e m b a n k m e n t s and static investiga tions on the effectiveness of measures provided to assure their stability, Proc. I n t e r n . Conf. Soil mech., Cambridge, Mass., 1936, vol. Ill, стр. 122—128. Предположения относительно угла внутреннего трения глины, в которой произошел сдвиг, являются произвольными и излишними. 52.6. Subsidence of earth fills as a factor in valuation, , E n g . NewsRecord,' vol. 86. стр. 434—436. Данные бурения, показывающие вытеснение мягких грунтов железнодорожными насыпями. 52.7. М.С. B a r b e r l s , Recent examples of foundations of quay walls resting on poor subsoil, Studies, Results obtained, XVI Intern, congr. navigation, Brussels, 1935. Теоретическая интерпретация наблюдавшегося поведения волиолома несколько противоречива. Это объясняется отчасти произвольными допущениями относительно коэффициента внутреннего трения илистого грунта. 52.8. Reconstruction of Lafayette dam advised, , E n g . News-Record," vol. 102. 1929, стр. 190—192. 3 460 ГЛАВА VIII. ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА И УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ Разрушение от расползания. 52.9. Foundation of earth dam fails, , E n g . New-Record," vol. 119, Ш37, стр. 532. Разрушение плотины Маршал-Крик от расползания: 52.10. Foundation failure causes slump in big dike at Hartford, Conn. .Eng. News-Record", vol. 127, 1941, стр. 142. Разрушение при быстром расползании. 52.11. L. F. C o o l i n g and Н. Q. G о i d е г, The analysis of the failure of an earth dam during construction , J . Inst, civil engrs"., London, paper 5324, № l, Nov. 1942, стр. 38-^55; дискуссия стр. 289—304. Разрушение от расползания. 52.12. К. Е. F i е 1 d s and W. L. W e l l s , Pendleton levee failu „Trans. ASCE", vol. 109, стр. 1400—1413; дискуссия стр. 1414—1429. См. также: [51.9] стр. 180—182 — о б з о р американской практики строительства автодорожных насыпей на очень мягких грунтах; [51.4] — краткое обсуждение строительства дамб на неблагоприятных грунтах. ГЛАВА !X ФУНДАМЕНТЫ § 53. ФУНДАМЕНТЫ СООРУЖЕНИЙ Типы фундаментов Ф у н д а м е н т о м называется та часть сооружения, которая служит исключительно для передачи веса сооружения на естественный грунт. Если подходящий слой грунта расположен на относительно небольшой глубине, то здание может опираться непосредственно на него посредством ф у н д а м е н т о в м е л к о г о з а л о ж е н и я . Однако если верхние слои являются слишком слабыми, то нагрузка переносится на более подходящий материал на большей глубине с помощью с в а й и с т о л б о в или о п о р . Фундаменты мелкого заложения бывают двух типов. Если одна плита покрывает несущий пласт грунта под всей площадью сооружения, то такой фундамент называется с п л о ш н о й п л и т о й . Если различные части здания опираются на грунт независимо, то отдельные фундаменты называются б а ш м а к а м и . Фундамент, который поддерживает группу колонн, называется г р у п п о в ы м , а фундамент, который поддерживает стену, называется л е н т о ч н ы м . Г л у б и н а з а л о ж е н и я фундамента Df — э т о вертикальное расстояние между подошвой фундамента и поверхностью земли, если подошва не расположена под подвалом или если сооружение не является опорой моста. В этих случаях глубина заложения определяется относительно пола подвала или дна реки. Основная разница между фундаментами мелкого заложения и опорами заключается в величине соотношения Df /В, где В — ширина подошвы. Д л я фундаментов мелкого з а л о ж е н и я Df/В обычно находится в пределах м е ж д у 0,25 и 1, в то время, к а к для опор оно обычно больше 5 и может даже достигать значения 20. Однако массивные фундаменты мостов обычно называются опорами независимо от значения Df /В. В зависимости от этого значения опоры мостов проектируются в соответствии с теми же правилами, что и соответствующие фундаменты или опоры зданий. 462 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ Минимальная глубина заложения фундаментов зданий Условия, которые определяют минимальную глубину заложения фундаментов для зданий, иллюстрируются рис. 171, на котором показано поперечное сечение здания с подвалом под внутренней частью. Первое требование сводится к тому, чтобы подошва каждого фундамента была расположена ниже глубины, до которой грунт подвергается сезонным изменениям объема, вызванным чередованием влажного и засушливого времени года. Эта Рис. 171. Схематический разрез по фундаментам здания с подвальным этажом под центральной частью 1 — ледяные прослойки во время сильных морозов; 2 — зона сезонных изменений объема; 3 — подвал глубина обычно не превышает 1,2 м, но существуют заслуживающие внимания исключения из этого правила. Одно из них было упомянуто в § 21 в связи с сезонным набуханием и усадкой некоторых глин в центральных районах Техаса. Хотя эти глины являются достаточно плотными, чтобы нести нагрузку в 2—3 кг! см2 без заметных осадок, однако сезонные изменения объема вынуждают строить даже легкие сооружения на опорах, которые заглубляются более чем на 6 л [53.1]. Аналогичные сезонные изменения объема, достигающие большой глубины, наблюдались в некоторых частях Бирмы [53.2]. Извлечение из грунта воды системой корней больших деревьев, расположенных поблизости от зданий, также бывало причиной существенных и вредных неравномерных осадок. Подошва каждого фундамента должна быть расположена также ниже глубины, до которой структура грунта значительно ослабляется отверстиями от корней и ходами, образованными живущими в норах животными или червями. Нижнюю границу ослабленной зоны можно легко различить на стенках опытных шурфов. В районах с влажным климатом фундаменты внешних колонн или стен должны быть расположены ниже уровня, до которого мороз может вызывать заметное пучение (§ 21). § 53. ФУНДАМЕНТЫ СООРУЖЕНИЙ 463 В северо-восточной части США эта глубина может достигать 1,5 м. Следовательно, внешние стены или колонны могут требовать более глубоких фундаментов, чем внутренние колонны. Подвальные этажи обычно располагаются гораздо ниже минимальной глубины, которая требуется для фундаментов зданий без подвалов. Следовательно, при нормальных условиях минимальная глубина фундаментов стен подвальных этаж е й с и d на рис. 171 определяется исключительно конструктивными требованиями. Должны учитываться исключения из этого правила, если могут возникнуть условия, которые в дальнейшем повлияют на целостность грунта в основании. В одном случае большая неравномерная осадка здания, залегающего на средней глине, была вызвана постепенным высыханием глины, окружавшей глубокое котельное помещение. В условиях низкой влажности и высокой температуры воздуха в котельном помещении вода из глины испарялась через бетонные стены подвала. В другом случае здание на мелком песке осело вследствие стекания грунтовой воды через раскрывшиеся стыки в дефектные сточные трубы, расположенные ниже уровня подошвы фундамента. Вода выносила песок в сточные трубы, и осадка произошла вследствие эрозии грунта. Следовательно, прежде чем решать вопрос о минимальной глубине фундамента здания с подвальными этажами, необходимо рассмотреть возможность последующих искусственных изменений условий,в которых находится грунт. Минимальная глубина заложения мостовых опор Каждый раз, когда уровень воды в реке поднимается, грунт, который образует русло реки, начинает уноситься па большей части длины и ширины реки, и дно реки углубляется. Этот процесс известен как р а з м ы в . Минимальная глубина фундаментов быков моста определяется условием, согласно которому подошва фундамента должна быть несколько ниже уровня, до которого река может размыть дно во время паводка. На тех участках реки, где высокие насьгпи и защитные дамбы не дают паводковой воде растекаться в горизонтальном направлении на широкой площади, размыв может быть очень глубоким даже в русле, в котором нет препятствий в виде быков моста. Рис. 172 иллюстрирует эту возможность. Н а рис. 172, а, показано сечение русла реки Колорадо поблизости от Юма, штат Аризона. Русло реки состоит «з мелкого илистого песка и ила. Когда уровень воды в реке поднялся на 4,2 м, отметка дна реки опустилась на 10,8 м. Рис. 172,6 изображает сечение горного потока между устоями моста. Русло реки состоит из крупного песка и гравия с высоким процентом больших булыжников. Подъем уровня 464 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ воды в реке на 1 м сопровождался размывом глубиной от 60 см до 3,75 м. Помехи течению со стороны быков моста увеличивают размеры размыва, в особенности поблизости от быков. Влияние формы быков на топографию углубления, образованного раз- а) S) Рис. 172. Размыв, вызванный паводком а — в незастроенном русле р. Колорадо вблизи Юма, штат Аризона; б — между устоями моста над р. Драу в Восточных Альпах. Гори- з о н т а л ь н ы й м а с ш т а б в 10 р а з б о л ь ш е в е р т и к а л ь н о г о мывом, иллюстрируется рис. 173; эти данные основываются на результатах модельных испытаний. Размыву не всегда уделяется то внимание, которого он заслуживает, вследствие чего разрушение мостов по этой причине не является необычным. Разрушение может произойти даже при условиях, которые кажутся исключающими риск размыва. В бурной реке в Колорадо подошва быка моста была заложена на глубине 3 ж от дна русла реки. На этой глубине § 53. ФУНДАМЕНТЫ СООРУЖЕНИЙ 465 русло реки содержало валуны размером вплоть до 0,25 ж3, которые были так плотно заклинены, что дальнейшая разработка была бы практически невозможна без взрывных работ. Поэтому опора и была заложена на упомянутой глубине. Однако первый же паводок после окончания строительства вызвал разрушение быка. Поблизости от восточного побережья США опора моста была з а л о ж е н а на 60 см ниже поверхности слоя гравия толщиной 2,1 м. Гравий был покрыт 2,4 м мягкого ила. Во время Рис. 173. Результаты исследований на модели влияния формы быков моста на размыв (по Ребону) исключительно высокого паводка бык сильно осел. После того как вода опала, гравий все еще находился под илом. Из описания аварии можно было сделать вывод, что осадка обусловлена размывом гравия, чему предшествовало полное удаление залегающего сверху слоя ила. Во время спада паводка сверху осел новый слой ила. В тех частях реки, где паводок имеет возможность разлиться на широкой площади, размыв может быть незаметным. Местами русло реки может даже подняться. Однако мосты обычно располагаются в пунктах, где эти условия не удовлетворяются. Кроме того, в любом заданном поперечном сечении реки место максимально глубокого размыва может перемещаться из года в год таким образом, что его невозможно предугадать. Поскольку надежные прогнозы размыва требуют большого и разнообразного опыта в области гидравлики русел, они могут делаться только специалистами в этой области. В®иду неизбежной неуверенности, связанной с такими прогнозами, требуется большой коэффициент запаса. Если специалистомгидравликом не были проведены никакие исследования размыва и если, кроме того, глубина до скалы или до неподдающегося размыву слоя является очень большой, то рекомен- 466 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ дуется закладывать подошву фундамента на глубине ниже дна русла в межень, минимум в 4 раза превышающей максимальный известный подъем уровня воды в реке. Допускаемое давление на грунт Каждый фундамент должен удовлетворять двум не зависящим друг от друга условиям. Во-первых, коэффициент устойчивости основания против выпирания должен быть не меньше 3, что является минимальным коэффициентом запаса, обычно требуемым нормами при проектировании сооружений. Во-вторых, деформация основания сооружения, обусловленная неравномерной осадкой, не должна быть настолько большой, чтобы нанести ущерб сооружению. Не существует определенного соотношения между коэффициентом устойчивости против выпирания и осадкой. Поэтому оба эти фактора требуют независимого анализа. Поскольку теоретические методы определения коэффициента устойчивости против выпирания грунта, приведенные в § 29, являются простыми и довольно надежными, то ими можно пользоваться без существенных изменений при проектировании фундаментов. С другой стороны, методы определения величины и распределения осадок являются громоздкими и во многих случаях очень ненадежными. Этот факт предопределяет методику установления допускаемого давления на грунт каждый раз, когда проект должен основываться на расчетах осадок. Так как все материалы, включая грунты и скалу, являются сжимаемыми, то каждый фундамент садится. Если подошва сооружения во время осадки остается плоской, то величина осадки не будет иметь значения. Однако если подошва прогибается во время осадки, то сооружению может быть нанесен ущерб. По этой причине распределение осадок сооружения является значительно более важным, чем их максимальная величина. В то же время его гораздо труднее определить. В соответствии с § 36 величина и распределение осадок нагруженной площади зависят от физических свойств грунта, расположенного под этой площадью, от ее размеров, от глубины залегания фундамента и от положения уровня воды. Если здание покоится на раздельных фундаментах, то расчет осадок еще больше осложняется тем фактом, что грунтовые условия под различными фундаментами являются, как правило, различными (§ 45). Точное определение влияния всех этих факторов на осадку практически невозможно. Поэтому при нормальных условиях проектировщик вынужден определять осадку на основе простых полуэмпирических правил. Теория осадок (§ 36) может быть использована исключительно лишькак основа для рационального объяснения результатов иопы- § 53. ФУНДАМЕНТЫ СООРУЖЕНИЙ 467 тания грунта пробными нагрузками и для определения пределов пригодности полуэмпирических правил. Уточненные расчеты осадок оправдываются только в том случае, если грунт содержит слои мягкой глины, расположенные под подошвой фундамента или под концами свай (§ 54—56). Полуэмпирические правила определения осадок основываются на наблюдаемых соотношениях между результатами такого простого полевого испытания, как испытание на пенетрацию, интенсивностью нагрузки и поведением существующих сооружений. Каждое соотношение такого типа является статистическим и содержит более «ли менее существенные отклонения от среднего значения. Опыт показывает, что соотношение,, определенное для хорошо изученного в геологическом отношении района, всегда дает меньшие отклонения, чем соответствующее соотношение для всех отложений данного вида, определенное независимо от их геологического происхождения или окружения. Однако в этой книге могут быть рассмотрены только соотношения последнего типа. Ввиду широких колебаний они могут служить основой для проектирования только при больших запасах. Поэтому каждый раз, когда проводятся обширные строительные работы на определенной площади,, как например, на территории большого города, правила, которые даются ниже, должны проверяться на основе местного опыта. Если обнаруживается, что они слишком осторожны именно для данного района, они могут быть соответственно видоизменены. Например, в соответствии с одним из общих соотношений, рассмотренных ниже, песок, имеющий найденное стандартным испытанием на пенетрацию значение N, равное 25 (стр. 305), обладает средней плотностью, и если уровень грунтовой воды расположен поблизости от подошвы фундамента, то допускаемое давление на этот песок под широким фундаментом будет равно около 2,4 кг/см2. Однако местные испытания показали, что у южного конца озера Мичиган поблизости от границы между штатами Иллинойс и Индиана отложения песка, имеющие значение Ar, равное 25, в действительности представляют собой плотный песок, который безопасно может быть подвергнут нагрузке 3,2 кг/см2 под широкими фундаментами. Пока местные нормы не установлены, требования безопасности предписывают производить проектирование на основании более осторожных общих правил. Вследствие дополнительных расходов, связанных с этим, накопление данных наблюдений, необходимых для установления местных норм, представляет собой очень выгодное мероприятие и его следует всячески поощрять. Только таким путем инженер может наиболее полно выявить необходимые характеристики основных местных типов грунта. 468 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ В следующих параграфах рассматриваются методы приспособления четырех основных типов фундаментов к грунтовым условиям. Л ИТ EP AT У P А 53.1. См. 21.2. Влияние периодического высыхания и насыщения грунта до большой глубины на поведение фундаментов в центральном Техасе. 53.2. См. 21.3. То же, что и выше, но в Бирме. 53.3. L. G. S t r a u b 1 M e c h a n i c s of rivers, in Physics of the earth — —part IX, Hydrology, edited by О. E. Meinzer, McGraw-Hill book company, first edition, New York, 1942, стр. 614—636. Общий анализ сезонных изменений русла рек. 53.4. К- T e r z a g h i , Failure of bridge piers d u e to scour, Proc. Intern Conf. Soil mech., Cambridge, Mass, 1936, vol. II, стр. 264. Дискуссия, том III, стр. 238. 53.5. E. С. M u r p h y , Changes in bed and discharge capacity of the Colorado River at Yuma, Ariz,, „Eng. News," vol. 60, 1908, стр. 344. § 54. РАЗДЕЛЬНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ Происхождение и недостатки общепринятых методов проектирования Наиболее важной стадией проектирования раздельных фундаментов является определение максимального давления, которое может быть приложено к основанию без разрушения нагруженного грунта или без чрезмерной осадки. Существующие методы определения этого давления возникли много лет тому назад и имеют много недостатков. До XIX в. несущая конструкция большинства крупных зданий состояла из прочных, но не вполне жестких капитальных стен, соединенных между собой такими же массивными внутренними стенами, пересекающими друг друга под прямыми углами. Так как подобные здания могли выдерживать без ущерба большие осадки, то их строители уделяли мало внимания фундаментам, ограничиваясь увеличением толщины стены у подошвы. Если грунт был явно слишком слабым, чтобы воспринимать нагрузку, то стены опирали на сваи. Когда воздвигались какие-либо исключительные сооружения с большими куполами, сводами или тяжелыми отдельными колоннами, то проектировщики проявляли тенденцию несколько занижать размеры фундаментов, потому что они не располагали ни правилами, ни опытом, которыми могли бы руководствоваться. Вследствие этого многие важные здания обрушивались или сильно повреждались. Развитие конкурирующих друг с другом промышленных предприятий в течение XIX в. выдвинуло потребность в больших, но недорогих зданиях. Появившиеся типы последних оказались более чувствительными к неравномерным осадкам, чем их предшественники. Кроме того, многие из наиболее целесообразных мест строительства сооружений находились § 54, РАЗДЕЛЬНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ 469 в районах, которых раньше избегали вследствие заведомо плохих грунтовых условий. В результате проектировщики были поставлены перед необходимостью разработать применимые при любых грунтовых условиях надежные методы определения размеров фундаментов данного здания таким образом, чтобы все они испытывали примерно одинаковые осадки. Чтобы удовлетворить этому требованию, в 70 годах XVIIl в. в различных странах появилось понятие о «допускаемом давлении на грунты». Это понятие основывалось на том очевидном факте, что при относительно одинаковых грунтовых условиях фундаменты, передающие на основание давление высокой интенсивности, обычно садятся больше, чем те, которые передают меньшее давление. Учитывая этот факт, проектировщики начали проводить наблюдения над зданиями, оказывающими неодинаковое давление на грунт. Давление под фундаментами всех тех зданий, которые проявляли симптомы разрушения, вызванного осадкой, рассматривалось как слишком большое для данного грунта. Максимальное давление, не сопровождавшееся повреждениями постройки, рассматривалось как удовлетворительная основа для проектирования и принималось в качестве д о п у с к а е м о г о д а в л е н и я н а г р у н т или д о п у с к а е м о й н е с у щ е й с п о с о б н о с т и . Значения, полученные для каждого типа грунта в данной местности с помощью этой чисто эмпирической процедуры, сводились в таблицы допускаемых давлений на грунты, которые затем включались в строительные нормы, действующие в данном районе. Выдержки из строительных норм различных американских городов приведены в табл. 19. Хотя большинство существующих строительных норм содержит таблицы допускаемых давлений на грунт, все же они не дают никаких указаний относительно происхождения этих значений и никаких объяснений значения термина «допускаемое давление на грунт». В результате этого упущения создалось мнение, что осадка здания будет равномерной и не повлечет никаких последствий, если давление на грунт под каждым фундаментом будет равно допускаемому давлению. Считалось, что размеры нагруженной площадки и тип здания являются несущественными. Некоторые инженеры даже думают, будто здание с фундаментами, которые передают грунту давление, равное допускаемому, вообще не будет садиться. Многие фундаменты, спроектированные на основе таблиц допускаемого давления на грунт, оказались вполне удовлетворительными, но время от времени имели место неудачи, и сооружения испытывали чрезмерную осадку. Поскольку инженеры полагали, что фундаменты не могут заметно оседать, если не превышается допускаемое давление, они относили аварии за счет ошибочной классификации грунта. Они пола- -ITO !".J-I-AiIil-A. 1 >С . 1 ,"Т. /ЧЛ Ft T 1ТТ->Т § П--Т. Р А З л Г-Л Ь VT Ы г. 1 1 JrT-lV ;N-IP^ ИТ Ь>1 -171 '«MdOj f —оCг.rtо I J Г-Г-О 1 < а.гп1 I -1O-1lOI I; ) * ЛИ .<г - 1J-1.юI Оэ I Г--I Ю /- •ТI г- >- Sw-?ОI-О-Ii,I^ ^ r e i ^ O^VV^RF Г' t j «Нф-1 U- 6"6Т s-r 77, О T о о-ч э ьаХ- s -MdiМ..Г-С;-—J Ii fc' T ' ч ^ у - ' - н ч ц ГУ ? - SViTOT * н a ^ и .С 1 ~ i"r>i 'd o a n a L ' ^L fl >1 T С> I " I IOiD < • TCOT " I • н о iIh 4 72 T~ JTT ,X I >С . <Т> Ь'Т-ТДА Л FVT IbT § 54, РАЗДЕЛЬНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ 473 гали, что допускаемое давление было выбрано неверно, так как термины, используемые для описания грунта в полевых условиях и в строительных нормах, имели различный смысл. Чтобы избежать этой трудности, постепенно стало общепринятым выбирать допускаемое давление на грунт на основании испытаний пробной нагрузкой. Испытание пробной нагрузкой производится с помощью увеличения давления на штамп небольшими ступенями и измерения соответствующих осадок. Ш т а м п помещают на дно- 30" 3D с м Рис. 174 а — схема испытания пробной нагрузкой для выбора допускаемого давления на грунт; б— один из обычных методов построения графика испы- тания пробной нагрузкой шурфа на отметке подошвы фундамента. По желанию лица, проводящего испытание, штамп может быть окружен кожухом, а шурф засыпан до отметки планировки (рис. 174, а), или же шурф может быть сделан таким большим, что штамп окажется в центре горизонтальной площадки дна. Результаты испытаний изображаются кривыми зависимости осадок от нагрузки (рис. 174,6). Ниже описываются два из наиболее обычных способов производства испытаний и интерпретации результатов. По первому способу нагрузка прикладывается к квадратному или круглому штампу любых размеров, выбранных исследователем. Допускаемое давление qa принимается к а к некоторая доля, например половина, от среднего давления на штамп в момент разрушения. Этот способ вызывает ряд возражений. Прежде всего, если кривая осадок под нагрузкой аналогична C2 на рис. 72, то определенной р а з р у ш а ю щ е й нагрузки фактически нет. Во-вторых, размеры штампа, которые являются произвольными, могут иметь большое влияние на предельную несущую способность (см. § 29). Следовательно, используя эту методику, два различных исследователя могут получить совершенно различные значения qa д л я одного и того же грунта. 474 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ Второй способ состоит в загружении штампа площадью в 1 фут2 (в США) или ОД м2 ('в странах, где принята метрическая система мер)1. Допускаемое давление qa произвольно определяется как половина нагрузки, при которой осадка штампа составляет 0,5 дюйма (1,27 см) в США или 1 см в странах с метрической системой мер. Этой методике, хотя и она является произвольной, следует отдать предпочтение, потому что два различных исследователя получат, по крайней мере, одно и то ж е значение qa д л я того ж е самого грунта. Существует много других методик проведения испытаний пробной нагрузкой и много других правил интерпретации результатов испытаний. Однако какой бы ни была методика, результаты испытаний отражают свойства только того грунта, который расположен в пределах глубины, не более чем в 2 раза превосходящей ширину штампа, в то время как осадка фундаментов зависит от свойств значительно более мощноно слоя грунта. Вследствие этого, если характер грунта изменяется за пределами глубины примерно в 2 раза большей, чем ширина штампа, как это обычно бывает, то результаты испытаний будут безусловно приводить к ошибочным выводам. Так как стало почти общепринятым назначать допускаемые давления на грунты без учета размеров фундамента, типа сооружения и других существенно важных факторов, неудивительно, что возрастающее использование испытаний пробной нагрузкой не снизило существенно количества неудач при проектировании. Действительно, имело место несколько случаев полного разрушения оснований, несмотря на добросовестное проведение испытаний пробной нагрузкой. Чтобы сократить риск ошибок при проектировании, допускаемое давление на грунт следует выбирать не только в зависимости от результатов испытаний пробной нагрузкой или эквивалентных им испытаний, но также и в соответствии с характером грунтового профиля и самого фундамента. Часть необходимых для этого данных может быть получена из теорий, изложенных в § 29, 35 и 36. В остальном необходимо опираться на опыт строительства. Вследствие большого разнообразия грунтов и их комбинаций на практике нельзя предложить единого метода определения допускаемого давления на грунт, который был бы пригоден при всех обстоятельствах. Методика всегда должна приспосабливаться к грунтовым условиям, которые устанавливаются в результате разведочного бурения. В частности, эта методика зависит от а к т и в н о й г л у б и н ы . Этот термин относится к глубине, в пределах которой нагрузка на основа- 1 В СССР общеприняты штампы площадью 5 тыс. су? или 0,5 м2. (Ред.). § 54, РАЗДЕЛЬНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ 475 ние изменяет напряженное состояние грунта в достаточных размерах, чтобы вызвать заметную осадку. Активная глубина зависит не только от размеров фундамента и от нагрузки, которую он несет, но также, в значительной степени от грунтового профиля и от физических свойств грунтов, которые образуют отдельные слои. Если начальный касательный модуль грунта (§ 18) увеличивается с глубиной, то активная глубина не превосходит ширины В фундамента. С другой стороны, если грунт под фундаментом становится с глубиной все мягче, то активная глубина может в несколько раз превышать ширину В. Ниже рассматриваются четыре основных типа грунтовых условий. а) Фундаменты опираются на песок или не-сок и гравий, которые не включают слоев мягкой глины или других очень сжимаемых грунтов в пределах активной глубины. б) Фундаменты опираются на глину, которая является достаточно однородной в пределах активной глубины. в) Фундаменты заложены на грунте со свойствами, промежуточными между свойствами песка и глины, как, например, ил, некоторые виды насыпных грунтов или лесс. Грунт весьма однороден в пределах активной глубины. г) Фундаменты поддерживаются грунтом, который содержит один или несколько мягких слоев в пределах активной глубины. Фундаменты на однородном песке Существующие в настоящее время представления относительно допускаемого давления на песок иллюстрируются табл. 20. Т а б л и ц а 20 Обычные допускаемые давления на песок (Составлено по табл. 19) Грунт <7а в Kt 'cM? 1 8 Песок мокрый 14 Песок мелкий, плотный н сухой 18 Плывун после дренирования 24 Песок очень плотный, крупный 33 Гравнй н крупный песок в мощных пластах • 0,5 2 2,5—3 3 3—6 5-8 В качестве первого шага для разработки рационального принципа выбора допускаемого давления мы рассмотрим недостатки этой таблицы. Числовые значения являются, по-ви- 476 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ димому, неподходящими, потому что классификация грунтов основывается на свойствах, которые большей частью несущественны, в то время как важные свойства игнорируются. Например, термин «плывун» (§1) не характеризует типа песка. Он даже не указывает на то, что песок до начала строительства обязательно находился в рыхлом состоянии. Этот факт подкрепляется плохой репутацией, которой пользуется очень мелкий однородный песок, расположенный ниже уровня воды поблизости от Линна, в штате Массачусетс. Кривая 2 на рис. 128, а изображает результаты испытаний пробной нагрузкой этого песка после того, как уровень воды был понижен иглофильтрами; она указывает на то, что песок является прочным и плотным. Все же среди строителей этого района он имел репутацию опасного плывуна, потому что раньше, когда при производстве работ использовались более примитивные методы дренирования, он разрыхлялся на дне котлованов и начинал бурлить при самом незначительном напоре. В описании 8 не указывается, находится ли песок выше или ниже горизонта воды, хотя этот фактор является решающим. Р а з м е р ы зерен, у к а з а н н ы е в описаниях 14, 24 и 33, не оказывают прямого влияния на несущую способность. Самый слабый из песков, представленных на рис. 128,а, характеризуемый кривой 5, был чистым, крупным, неоднородным я сухим. Лучший песок, представленный кривой /, был однородным, мелким и мокрым. Чтобы установить более надежные критерии для проектирования фундаментов на песке, допускаемое давление на грунт должно быть приведено в соответствие не с несущественными свойствами песка, а с такими свойствами и условиями, которые имеют решающее влияние на поведение песка под нагрузкой. Этими условиями являются относительная плотность песка и положение уровня воды относительно подошвы фундамента. Относительная плотность имеет решающее влияние на угол внутреннего трения ср и на форму кривой осадки под нагрузкой. В зависимости от относительной плотности значение для песка может колебаться в пределах между 34 и 46° (§ 15), и кривая осадок под нагрузкой может иметь любую форму, промежуточную между Ci и C2 на рис. 72. Если проводятся стандартные испытания на пенетрацию, то об относительной плотности м о ж н о судить с помощью табл. 10 на стр. 337. Более точные данные могут быть получены путем глубинного зондирования. Положение уровня воды относительно подошвы фундамента оказывает влияние как на предельную несущую способность песка, так и на осадку. Если уровень воды находился ниже активной глубины, а затем стал подниматься кверху, то при этом эффективный объемный вес грунта, расположенного под фундаментом, уменьшается примерно на 50% (§ 12). § 54, РАЗДЕЛЬНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ 477 Вследствие этого коэффициент устойчивости основания против выпора уменьшается в таком же процентном соотношении (§ 29), а осадка почти удваивается (§ 36). Вычисления, основывающиеся на теории, изложенной в § 29, приводят к следующим заключениям относительно коэф- фициента устойчивости Gs фундаментов, спроектированных на основе обычных допускаемых давлений на песок: если по- дошва фундамента залегает на рыхлом песке на отметке уровня воды или ниже его и если, кроме того, ширина В фун- дамента меньше примерно 1,8 м, а глубина фундамента от поверхности земли или пола подвального этажа меньше В, то значение Gs может оказаться меньше требуемого минимума, равного 3. В редких случаях, когда все Длина стены в м 6 12 Ю 24- 3D ЗВ Ь Ь - с - эти условия осуществляют- ся одновременно, должен -^d- быть проведен расчет устойчивости, чтобы установить, обеспечивается ли необходимая безопасность. Во Рис. 175. Кривые осадок длинных узких ленточных фундаментов, несущих кирпичные стены всех других случаях коэф- фициент устойчивости больше и обычно значительно превы- шает 3. Следовательно, при нормальных условиях допускае- мое давление на песок следует определять, исходя исключи- тельно из осадок. Распределение осадок по основанию здания, которое под- держивается фундаментами, имеющими ширину В, опреде- ляется главным образом колебаниями в сжимаемости слоя песка толщиной В, расположенного непосредственно под фун- даментами (§45). Практическая важность этих колебаний иллюстрируется рис. 175, который показывает осадку различ- ных равномерно нагруженных ленточных фундаментов по- стоянной ширины. Фундаменты, представленные кривыми Ь, с и d, залегали на песке или гравии. Если бы основание было однородным, то каждый фундамент садился бы почти одинаково. Неравномерная осадка была обусловлена мест- ными изменениями сжимаемости грунта. Изучение имеющихся отчетов о наблюдениях за осадками приводит к заключению, что мало вероятно, чтобы разность неравномерных осадок равномерно нагруженных ленточных фундаментов или одинаково нагруженных отдельных башма- ков примерно одинаковых размеров превышала 50% от мак- симальной осадки. Однако размер фундаментов, поддержи- вающих различные участки здания, может быть очень различ- ным, потому что нагрузки на них будут неодинаковы. Это является причиной дополнительной неравномерности осадок. 478 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ В соответствии с результатами различных теоретических исследований, осадки квадратных фундаментов, оказываю- щих одинаковое давление на однородный песок, должны воз- растать с увеличением ширины, как это показано сплошной кривой на рис. 94. В соответствии с теоретическими выводами, результаты экспериментов и наблюдений свидетельствуют о том, что осадки увеличи- При 5= <*> I l ваются вместе с шириной В фундамента приблизи- тельно гак, как это пока- [ зано на рис. 176. Эмпирические данные были вы- < I ведены из испытаний пробной нагрузкой искус- Ширина 8 фундамента 6 м ственно уплотненного песка, из испытаний пробной Рис. 176. Приближенное соотношение между шириной В фундамента на песке и отношением SjS1 нагрузкой относительно однородных слоев песка и из наблюдений над осад- сунке кой зданий. На этом риозначает осадку ш т а м п а площадью 3 0 X 3 0 см2 под заданной нагрузкой q на единицу площади, а 5 означает осадку при той же нагрузке на единицу площади опоры ши- риной В. Соотношение между S, S1 и В в ы р а ж а е т с я прибли- зительно уравнением s=Mw)' <"•» в котором 5 и 5) выражаются в сантиметрах, а В в метрах. Между осадками квадратных и ленточных фундаментов, имеющих одну и ту ж е ширину В, нет значительной разницы, так как более высокие напряжения в песке на большей глубине под ленточным фундаментом компенсируются увеличением бокового сопротивления, которое предотвращает перемещение песка в продольных направлениях. Так, согласно рис. 176 осадка большого квадратного фундамента со стороной более 6 м превосходит осадку малых фундаментов со стороной 1,2—1,5 м примерно на 30%, при условии, что давление на грунт является одинаковым. При заданной ширине В фундамента осадка уменьшается в известной степени с увеличением значений к о э ф ф и ц и е н т а г л у б и н ы DflB, где Dy означает глубину заложения фундамента (§ 53). Но даже при крайних условиях, когда сооружение. опирается на фундаменты самых различных размеров и с различными коэффициентами глубины (рис. 171), мало вероятно, чтобы разность осадок превысила 75% от максимальной осадки. Нормально эта разность является значительно меньшей. § 54, Р А З Д Е Л Ь Н Ы Е ФУНДАМЕНТЫ 479 Наиболее обычные сооружения — жилые здания, учреждения или фабрики могут выдерживать разность осадок между смежными колоннами в размере около 20 мм. К а к было сказано, эта разность не будет превышена, если давление на грунт выбрано таким образом, что самый большой фундамент осядет на 2,5 см д а ж е в том случае, если бы он з а л е г а л на самой сжимаемой части песчаного пласта. Поэтому допускаемое давление на грунт для проектирования фундаментов таких сооружений может быть принято равным давлению, которое заставит самый большой фундамент осесть на 2,5 см. Ниже приведено описание приближенного метода выбора допускаемого давления на песок в соответствии с этим допущением. Если разность осадок AS более 20 мм может рассматриваться как терпимая, то допускаемое давление может быть увеличено в — AS раз. Однако в таких случаях небес3 полезно исследовать, удовлетворяется ли условие устойчивости [54.1]. Допускаемое давление на сухой и влажный песок Осадка фундамента на сухом или влажном песке зависит прежде всего от относительной плотности песка и от ширины фундамента. Об относительной плотности можно судить на оснований результатов любого из методов зондирования, описанных в § 44, при условии, что соотношение между относительной плотностью и сопротивлением пенетрации определено предварительно с помощью надлежащих тарировочных испытаний. Каждый из этих методов дает непрерывные данные пенетрации. Однако до настоящего времени единственный метод, обычно используемый в США, состоит в стандартном испытании на пенетрацию, описанном на стр. 305. В противоположность другим методам глубинного зондирования, он дает результаты пенетрации с большими промежутками между точками наблюдения, а тарировка является очень грубой. Следовательно, он нуждается в существенном улучшении. Тем не менее, результаты таких испытаний являются значительно более надежной основой для решения вопроса о допускаемом давлении на грунт, чем таблицы допускаемых давлений или результаты нескольких испытаний пробной нагрузкой. Чтобы выбрать допускаемое давление на грунт на основании результатов стандартных испытаний на пенетрацию, необходимо задаться хотя бы очень грубо шириной В самых больших фундаментов. От отметки подошвы фундамента и до глубины В ниже этого уровня должно быть проведено одно стандартное испытание на пенетрацию на к а ж д ы е 75 см глубины. Среднее значение N для этой глубины характеризует 480 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ относительную плотность песка в пределах активного слоя. Если испытания в различных буровых скважинах дают раз- личные значения N, то для определения допускаемого давле- ния грунта должно быть использовано самое низкое значение. Величина допускае- мого давления полу- чается в этом случае с помощью графика на t"utcQvj Очень плотный рис. 177, на котором кривые выражают со- QJ отношение между ши- г(MО Qj Sl Ч N-SO Ппотныи риной В фундамента и давлением на грунт, которое требуется, чтобы вызвать осадку в 2,5 см, при условии, что фундамент зале- ¢O3j ¾ О 5$ ? Ci л, / "Ч Средн IU —-ft=!О - гает на песке, для которого число N имеет значение, надписанное на кривой. Если N имеет значение, отличное от тех, для которых на- Рыхл 7IU черчены кривые, то до- I1S 3,0 1,5 60 Ширина б фундамента S м пускаемое давление на грунт определяется с помощью линейной ин- Рис. 177. График для определения допускаемого давления на песчаное основание по результатам стандартного ис- пытания на пенетрацию терполяции между кривыми. График на рис. 177 составлен на основе со- временных данных от- носительно зависимости между числом ударов N для з а б и в к и на 30 см грунтоноса и результатами испытаний проб- ной нагрузкой с использованием уравнения (54.1). Если В является шириной самого большого фундамента и если все фундаменты имеют пропорциональные размеры в соответ- ствии с допускаемым давлением на грунт, соответствую- щим В, то м а к с и м а л ь н а я осадка фундамента не д о л ж н а пре- вышать 2,5 см, а разность осадок — 20 мм. Если основание состоит из гравия или песка, содержащего большие включения гравия, то число ударов по грунтоносу не может считаться характеризующим степень плотности грунта. Однако несущая способность таких грунтов изменчива в та- кой же степени, как и несущая способность песка. Хорошо уплотненная смесь песка и гравия менее сжимаема, чем очень плотный песок, в то время как сжимаемость рыхлого гравия может быть такой же большой, как и сжимаемость § 54, Р А З Д Е Л Ь Н Ы Е ФУНДАМЕНТЫ 481 песка средней плотности. Чтобы избежать преувеличения допускаемого давления на гравий, следует вырыть несколько шурфов в грунтах, которые образуют активный слой, и степень плотности обнаженного грунта должна быть определена хотя бы по его внешнему виду, устойчивости и сопротивлению разработке. Если допускаемое давление на гравий принимается равным давлению на песок с такой же относительной плотностью, то с помощью графика на рис. 177 могут быть получены несколько заниженные значения допускаемого давления. В тех случаях, когда при проектировании используются д а ж е очень низкие давления на грунт, осадка фундаментов на песке все равно будет чрезмерной, если песок подвергается вибрациям высокой частоты. Это правило сохраняет силу в отношении как насыщенных, так и влажных или сухих песков. Фундаменты, предназначенные для вибрирующих механизмов, должны проектироваться на основе теории колебаний. Этот вопрос выходит за рамки данной книги. Допускаемое давление на водонасыщенный песок Если водонасыщенный песок, расположенный под фундаментом, является очень рыхлым, то сотрясение любого вида может вызвать внезапное разжижение (§ 17), за которым последует авария фундамента. Даже быстрое изменение уровня грунтовой воды в рыхлом песке иногда влекло за собой значительные просадки. Следовательно, если песок является очень рыхлым (N равно 5 или меньше), то сооружения д о л ж ны поддерживаться сваями или же песок должен быть уплотнен (§ 50). Если значение N для песка в его естественном состоянии больше, чем 5, или если песок был уплотнен, то допускаемое давление на песок q a должно быть выбрано таким образом, чтобы м а к с и м а л ь н а я осадка не превышала 2,5 си. Д л я определения qa с помощью графика на рис. 177, следует рассмотреть влияние на осадку затопления песка водой. Согласно теории, затопление песка, находящегося ниже подошвы фундамента, должно увеличить осадку приблизительно в 2 раза, при условии, если подошва находится на поверхности пласта песка или близко от нее (§ 36). Лабораторные испытания подтверждают этот вывод. Если учесть это обстоятельство, то нагрузка на единицу площади, требующаяся, чтобы вызвать осадку фундамента в 2,5 см на водонасыщенном песке, может быть определена с помощью графика на рис. 177. Если коэффициент глубины Df/В фундамента является небольшим, аналогично коэффициенту глубины фундаментов подвальных этажей на рис. 171, то значения, полученные из графика, должны быть уменьшены на 50%. С дру- 482 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ гой стороны, если коэффициент глубины близок к единице, то можно допустить две трети значения, найденного по графику, так как влияние на осадку веса грунта, окружающего фундамент, отчасти компенсирует влияние насыщения песка водой. Описанный только что способ нуждается в двух оговорках. Первая была сформулирована на стр. 477, где указаны условия, делающие настоятельно необходимым расчет устойчивости. Этот расчет может быть проведен с помощью формул (29.5) и (29.10). Значения коэффициентов несущей способности, входящих в эти уравнения, могут быть определены по графику на рис. 75. Д л я рыхлого песка с значением N, равным 5, должны быть использованы пунктирные кривые, а для плотного песка с значением N, равным 30 или б о л ь ш е , — сплошные кривые. Коэффициенты несущей способности для значений N между 5 и 30 могут быть определены с помощью линейной интерполяции между этими двумя кривыми. Если исследование показывает, что коэффициент устойчивости фундамента меньше 3, то необходимо либо увеличить в достаточной степени его размеры, либо увеличить глубину заложения фундамента. Вторая оговорка состоит в том, что если водонасыщенный грунт состоит из очень мелкого или пылеватого песка, то должно учитываться влияние низкой проницаемости грунта на значение N. Если коэффициент пористости такого грунта выше критического коэффициента пористости (§ 15), то сопротивление пенетрации является меньшим, чем сопротивление более проницаемого грунта одинаковой относительной плотности. Если коэффициент пористости ниже критического значения, то имеет силу обратное (см. § 15). Значение N, соответствующее критическому коэффициенту пористости, повидимому, составляет около 15. Сказанное выше приводит к следующему правилу, которое отражает современное состояние вопроса: если число ударов N больше 15, то следует принимать, что плотность указанного выше грунта равна плотности песка, для которого число ударов равно 15+ -^-(N—15). Впредь до получения более надежных данных можно пользоваться этим правилом, если только испытания пробной нагрузкой не покажут, что можно с уверенностью принять более высокое допускаемое давление. Предпосылки к успешному испытанию песка пробной нагрузкой Метод определения допускаемого давления на песок с помощью графика на рис. 177 в значительной мере исключает всякого рода домыслы, сопровождающие использование таблиц допускаемого давления на грунты, вроде табл. 20, потому § 54, Р А З Д Е Л Ь Н Ы Е ФУНДАМЕНТЫ 483 что он дает значения, связанные с существенно важными, а не с второстепенными свойствами грунта, и с геологическими условиями. В противоположность общепринятым методам, он дает проектировщику возможность приспособить давление на грунт, по крайней мере приближенно, к дифференциальной осадке, которая, по его мнению, может быть терпимой, и этот метод допускает постепенное его усовершенствование, по мере того как возрастают знания и опыт. В настоящее время более надежные данные относительно допускаемого давления на песок могут быть получены только с помощью тарированного глубинного' зондирования (§ 44) или, при значительно больших расходах времени и средств, с помощью испытаний пробной нагрузкой. Из года в год почти в каждой стране проводится большое число испытаний пробной нагрузкой. Однако большинство из них не представляют собой никакой ценности, если не являются к тому же дезориентирующими, потому что результаты их не могут быть правильно интерпретированы. Поэтому инженер должен быть хорошо знаком с -предпосылками получения достоверных результатов. Каждое испытание пробной нагрузкой должно проводиться штампом площадью 900 см1, установленным на дне шурфа сечением минимум 1,5X1,5 ж2. Испытание должно вестись на отметке подошвы будущего фундамента. Нагрузка должна прикладываться ступенями по 900 кг и должна быть доведена до величины, превышающей минимум в 1,5 раза установленное допускаемое давление на грунт. Прибор для измерения осадок должен иметь цену деления не более 0,2 мм. Испытания пробной нагрузкой, которые удовлетворяют этим условиям, мы будем называть с т а н д а р т н ы м и и с п ы т а н и я ми пробной нагрузкой. Результаты каждого испытания должны быть представлены графически в форме кривой «осадка—нагрузка». Нагрузка на единицу площади, при которой осадка самого большого фундамента была бы равной заданному допускаемому значению, может быть определена с помощью соотношения, показанного на рис. 176. Если B1 является шириной фундамента в ж и проект должен основываться на максимальной осадке S, равной 2,5 см, то допускаемое давление на грунт равно величине, при которой осадка штампа в сантиметрах равна (54.2) Если испытания пробной нагрузкой проводятся в различных пунктах одного и того же места, то результаты будут более или менее различными. Это обусловливается местными колебаниями относительной плотности песка в горизонтальном направлении. Аналогичные колебания в вертикальном на- 484 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ правлении наблюдаются всякий раз, когда испытание на пе- нетрацию проводится в буровых скважинах (рис. 124 и 131). Эти постоянные колебания представляют собой потенциаль- ный источник серьезных ошибок. Если, например, испытание А но единицу— плотаи Ш WawmvA пробной нагрузкой проводится на слое плотного песка толщи- ной 0,6 м, который за- легает на слое рыхло- Hnacm I V ^O1SOq го песка, то результат испытания будет таким 0,2 Sf же, как если бы плот- ный песок простирался Рис. 178. Распределение напряжений в слое С от нагрузки интенсивностью Cj на поверхности в случае штампа А площадью 0 , 3 x 0 , 3 ж2 и в случае фундамента нормаль- ных размеров В до очень большой глубины. Однако фундамент нормальных размеров осядет значительно больше, чем этого можно было бы ожидать на основании испытаний. Причина иллюстрируется рис. 178. На этом рисунке представлен вертикальный разрез по слоистому основанию. Штамп А имеет площадь 900 см2, а фундамент В — н о р м а л ь н ы е размеры. Нагрузка как на А, так и на В имеет одну и ту ж е интенсивность q. Под А и В пока- заны кривые, соединяющие точки с одинаковыми вертикаль- ными напряжениями в грунте. Эти напряжения были рассчи- таны с помощью графика на рис. 90. Нагрузка на штамп А увеличивает среднее вертикальное давление в слое С при- мерно на 0,02ц, в то время как фундамент В увеличивает его на 0,5^. Если слой С очень сжимаем, то осадка В может быть очень большой. Если слой С является очень твердым, то осад- ка В может быть незначительной. Между тем, результаты испытания пробной нагрузкой практически не зависят от сжи- маемости слоя С, потому что увеличением давления в этом слое, вызванным нагрузкой на штамп, можно пренебрегать. Следовательно, как вытекает из рис. 178, необходимо с помощью испытаний на пенетрацию выяснить, являются ли колебания плотности грунта совершенно беспорядочными, или же плотность в пределах активной глубины заметно и суще- ственно увеличивается или уменьшается по направлению вниз. Если колебания являются совершенно незакономерными, то необходимо произвести по меньшей мере шесть испытаний пробной нагрузкой в различных местах на уровне подошвы проектируемых фундаментов. Если плотность существенно изменяется с глубиной, то необходимо провести дополнитель- ные испытания пробной нагрузкой на одном или двух раз- личных уровнях в пределах активной глубины. Допускаемая § 54, Р А З Д Е Л Ь Н Ы Е ФУНДАМЕНТЫ 485 нагрузка всегда должна выбираться на основании наиболее неблагоприятных результатов испытаний. Ни при каких обстоятельствах нельзя полагаться на результаты одного или двух испытаний пробной нагрузкой. Предыдущее описание методики испытания пробной нагрузкой основывается на допущении, что уровень воды расположен на значительной глубине ниже подошвы фундамента. Если же он находится на этом уровне или незначительно выше, то штамп должен быть установлен и у самого- уровня воды на дне шурфа размером 1,5X1,5 м2. С другой стороны, если уровень воды расположен значительно выше отметкй подошвы фундамента, то он должен быть понижен путем откачки из иглофильтров или открытых зумпфов, прежде чем будут производиться испытания пробной нагрузкой. Если используются иглофильтры, то шахта не должна быть шире 1,5 м. Ш т а м п д о л ж е н устанавливаться у пониженного з е р к а л а воды. Допускаемое давление на грунт может быть рассчитано с помощью уравнения (54.2). Если уровень воды расположен даже на 1 —1,2 м ниже подошвы фундамента, испытания пробной нагрузкой должны производиться у зеркала воды. Иначе кажущееся сцепление, сообщаемое песку влагой, может привести к опасной ошибке. При понижении уровня воды в результате откачки из открытых зумпфов шурф д о л ж е н иметь ширину минимум 3 м. Как только дно шурфа достигает зеркала воды, должна быть вырыта дренажная канава по периметру дна. При дальнейшей экскавации глубина канавы должна поддерживаться достаточно большой, чтобы предотвратить приток воды через центральную часть дна. Это требует большой тщательности и внимательного контроля. Если эти требования не строго удовлетворяются, то результаты испытаний пробной нагрузкой могут быть весьма дезориентирующими, так как фильтрационное давление воды, двигающейся ко дну шурфа, может привести к значительному увеличению осадки. При всех обстоятельствах испытания пробной нагрузкой очень дороги и громоздки вследствие сложности подготовки и большого числа испытаний, которые при этом требуются. Если испытания планируются и осуществляются неумело, то результаты их могут вести к серьезным ошибкам. Поэтому к использованию этого метода следует прибегать только при очень ответственных сооружениях, когда стоимость испытаний составляет лишь незначительную часть общих расходов. Допускаемое давление на глину Обычные значения допускаемого давления на глину приведены в табл. 21. Эта таблица, аналогично табл. 20, относившейся к пескам, заслуживает такой же критики как за рас- 486 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ плывчатость употребляемой терминологии, так и за то, что она основывается на несущественных свойствах грунта. Удовлетворительная методика может быть разработана только на основе корреляции между допускаемым давлением и однозначно определяемыми механическими свойствами глины. Допускаемое давление на глину, так же как и допускаемое давление на песок, должно удовлетворять двум требованиям, а именно, чтобы коэффициент устойчивости против выпирания был достаточным и чтобы осадка, вызванная нагрузкой, оставалась в допустимых пределах. Т а б л и ц а 21 Обычное допускаемое давление на глинистые грунты (составлено по табл. 19) Грунт % в кг см- Глина: 3 мягкая или мокрая, мощностью не менее 4,5 1- 2 4 мягкая, песок, суглинок нлн ил 1 5 мягкая н мокрый песок . . . . 1- 1 . 5 И мягкая при невозможности вы- 2 7 крепкая • 2 12 в мощных пластах, умеренно су- хая 2-—4 13 сухая, твердая 2 , 2 5 -3 19 3- 4 26 сухая, твердая 4 27 в мощных пластах, всегда сухая 4-6 Коэффициент устойчивости основания зависит от сопротивления глины сдвигу. Пока влажность глины не изменяется заметно в результате консолидации, грунт ведет себя в полевых условиях так, к а к будто (29.3) а круглого или квадратного фундамента 9 ^ = 9-3 = 7,4^ = 3,7^. (29.11) § 54, РАЗДЕЛЬНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ 487 Предельная несущая способность прямоугольного или удлиненного фундамента, имеющего ширину В и длину L, приближенно равна Чао = 2 , 8 5qa ( l + 0,3 - f ) . (54.3) Табл. 22 дает предельную несущую способность глин, исходя из прочности на одноосное сжатие qa. Значения qd и qds были рассчитаны с помощью формул (29.3) и (29.11). Для мягких глин эти значения лишь незначительно превосходили обычные значения допускаемого давления на грунт, приведенные в табл. 21. Поэтому неудивительно, что полное разрушение фундаментов на мягкой глине не является редким. В одном случае фундамент размером 2,4 на 2,7 м был построен на глине со средней прочностью на одноосное сжатие, равной 0,34 кг/см2. Следовательно* согласно формуле (54.3) предельная несущая способность фундамента была 1,26 кг!см2. При нагрузке 1,22 кг!см2 фундамент действительно осел на 25,4 см в течение нескольких дней. При нормальных условиях коэффициент устойчивости фундамента на глине, аналогично коэффициенту устойчивости фундамента на песке, должен быть не меньше 3. Соответствующие давления на глину приведены с правой стороны табл. 22. Если нагрузка, на которую рассчитывается фундамент, не будет возрастать, то значение Gs = 2 может быть безопасным. Например, это значение было бы приемлемым, если бы расчетная нагрузка на фундамент общественного здания включала максимальную временную нагрузку вместе с максимальной нагрузкой от снега и ветра. Чтобы рассчитать несущую способность, необходимо определить среднюю прочность на одноосное сжатие глины, находящейся ниже проектируемых фундаментов. Эти данные легче всего могут быть получены с помощью разведочного бурения в месте расположения фундаментов и извлечения непрерывного 5-см керна м е ж д у уровнем подошвы фундамента и глубиной под подошвой, равной ширине фундамента. Прочность на одноосное сжатие qa глины определяется затем через к а ж дые 15 см по вертикали либо в лаборатории, либо, при срочных работах, с помощью портативного прибора для испытания на сжатие в полевых условиях. Среднее значение qu рассчитывается для каждой скважины и наименьшее из этих средних значений вводится в формулу (54.3). Затем рассчитывается значение предельной несущей способности и делится на коэффициент запаса 3. Этой методикой можно пользоваться при условии, если основание не содержит в пределах значительной глубины более мягких слоев глины, чем соответствующие величине qu, по которой определялось допускаемое давление на грунт. Сле- 488 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ Т а б л и ц а 22 Рекомендуемые допускаемые давления на глину N — число ударов при стандартном испытании на пенетрацию (для погружения на 30 см)\ q а— прочность на одноосное с ж а т и е в кг/см2; q — предельная несущая способность ленточного фундамента в кг/см2; q—предельная несущая способность квадратного фундамента в кг/см q а— рекомендуемое нормальное допускаемое давление в кг/см2 прн 0,=3; qa—рекомендуемое максимальное допускаемое давление а кг/см2 при О,."=2; Gs — коэффициент устойчивости основания против выпирания. Консистенция глины N 1 2 Очень МЯГКИ' < 2 9 а « а "d Ids квадрат- ленточ- квадрат- ленточ- ный ный ный ный 3 4 5 6 7 8 9 <0,25 <0,71 <0,92 <0,3 <0,22 <0,45 <0,32 Мягкая1 2—4 0 , 2 5 - 0 , 5 0,71-1,42 0,92-1,85 0,3—0,6 0,22—0,45 0,45—0,9 0,32—0,65 Средняя 4—8 0 , 5 - 1 1,42—2,85 1,85-3,7 0 , 6 - 1 , 2 0,45-0,9 0,9—1,8 0,65—1,3 Жесткм 8-15 1—2 2,85-5,7 3,7—7,4 1,2—2,4 0,9—1,8 1,8—3,6 1,3—2,6 Оче»ь жесткая 15—30 2-4 5,7—11,4 7,4—14,8 2 , 4 - 4 , 8 1 , 8 - 3 , 6 3,0—7,2 2,6—5,2 Твердая >30 >4 >11,4 >14,8 >4,8 >3,6 >7,2 >5,2 1 Если глина нормально обжата, то осадки могут быть значительными даже при самом низком допускаемом давлении. довательно, эта методика не пригодна для определения допускаемого давления на корку из жесткой глины, которая залегает на более мягкой глине. Если сооружение, для которого проектируются фундаменты, является не настолько ответственным, чтобы оправдать экспериментальное определение прочности на одноосное сжатие глины, то предельная несущая способность может быть приближенно определена на основании стандартных испытаний на пенетрацию, описанных в § 44. Однако соотношение между числом ударов N по грунтоносу и сопротивлением на сжатие дает широкий разброс относительно средних значе- § 54, Р А З Д Е Л Ь Н Ы Е ФУНДАМЕНТЫ 489 ний N, приведенных в табл. 22. Поэтому рекомендуется дополнять испытание на пенетрацию определением сопротивления одноосному сжатию q на ложечных монолитах. Некоторые жесткие глины состоят из маленьких угловатых фрагментов, отделенных друг от друга волосными трещинами. Наличие трещин делает практически невозможным определение одноосной прочности глины, так как испытуемые образцы,, очевидно, распадаются в процессе подготовки. Кроме того, волосные трещины делают недействительным уравнение (54.3), так как изменяют условия напряженности при разрушении. Предельная несущая способность таких глин может быть определена с помощью испытания пробной нагрузкой, описанного далее. Допускаемое давление на грунт qm может быть принято равным значению, приведенному в табл. 22 д л я величины Gs, равной 3, если грунтовые условия оправдывают допущение, что осадка фундамента будет терпимой. Удовлетворяется ли это требование, зависит в первую очередь от того, является ли глина нормально обжатой или переуплотненной. Если фундаменты покоятся на нормально обжатой глине, то величина как полной осадки, так и разности осадок (дифференциальной осадки) может быть очень большой. Это может быть продемонстрировано путем расчета предельной осадки ленточных фундаментов различной ширины, которые залегают на мягкой нормально обжатой глине. Результаты такого расчета показаны на рис. 179. Давление на грунт по подошве фундаментов было принято равным 0,5 кг/см2. Кроме того, принято, что глубина заложения фундамента составляет 1,5 м, что в пределах этой глубины эффективный объемный вес грунта составляет 1,6 т1мг, что предел текучести глины равен 40% и что осадка фундаментов обусловлена исключительно консолидацией. Коэффициент компрессии глины был определен по формуле (13.11), а осадка — по формуле (13.8). Кривая зависимости между осадкой и шириной фундамента аналогична пунктирной кривой на рис. 94. Характер кривой свидетельствует о том, что осадка фундаментов на глине, в отличие от осадки фундаментов на песке, возрастает почти прямо пропорционально ширине фундамента. Рис. 179 показывает, что осадка ленточных равномерно нагруженных фундаментов постоянной ширины на однородном пласте нормально обжатой глины может быть очень большой и что осадка фундаментов, имеющих различную ширину, может быть очень различной. Кроме того, осадка фундаментов, имеющих одну и ту же ширину, может быть также очень неравномерной, так как сжимаемость естественных слоев глины может значительно колебаться в горизонтальном направлении. Действительно, в таких городах, как Стамбул и Мексико, некоторые кварталы которых залегают на нормально 490 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ обжатых глинах, неравномерную осадку фасадов домов мож- но различить невооруженным глазом. К счастью, фундаменты на нормально обжатых глинах представляют собой редкие исключения. В большинстве местностей даже мягкие глины в известной степени переуплотнены в результате либо некото- рого высыхания, либо времен- 30 ного понижения зеркала воды. Средние и жесткие глины под тонким покровным слоем дру- 2S // jf*y у гих грунтов всегда переуплотнены. "Допускаемое давление на грунт редко превышает \ га давление переуплотнения. По- ь ta ' 5 / / IU w ж этому дифференциальная осадка фундаментов, заложенных на таких глинах и рассчитан- I Ю- U Си гг/ / ных, исходя из осторожных значений допускаемого давления на грунт qa, соответствующих G = 3 по табл. 22, редко превосходит осадку надлежа- ще спроектированных фунда- о 15 30 1.5 6,0 UJuputia В фундамента в м ментов на песке. Однако максимальная осадка будет, очевидно, большей. Рис. 179. Приближенное соотношение между шириной В и полной осадкой фундамента на нормально обжатой глине В некоторых районах, где сооружения должны воздвигаться. на нормально или почти нормально обжатых глинах, дифференциальная осадка, до- х о д я щ а я до 15 см, обычно рассматривается как неизбежная. Попытки уменьшить осадку путем снижения допускаемого давления на грунт до значений меньших, чем значения в табл. 22, не дают эффекта и сопровождаются излишними за- тратами. Следовательно, проектировщик должен выби рать между двумя возможностями: либо он должен проекти- ровать фундаменты на основании значений, приведенных в табл. 22, идя при этом на риск больших неравномерных оса- док, либо он должен принять фундаменты другого типа (сплошная плита, сваи, опоры). Особенности этих типов фун- даментов рассматриваются ниже. Если величина возможной осадки проектируемых фунда- ментов шириной В неясна, то должны быть проведены испы- тания пробной нагрузкой на отметке подошвы фундаментов. Штампы размером 0 , 6 X 0 , 6 M2 устанавливаются на дне шурфов размером 1,8X1,8 м2. Если консистенция глины значи- тельно изменяется между этой отметкой и глубиной В для квадратного фундамента или 26 для ленточного, то испыта- § 54, Р А З Д Е Л Ь Н Ы Е ФУНДАМЕНТЫ 491 ния пробной нагрузкой должны производиться на двух или трех различных уровнях в пределах этой глубины. Количество необходимых испытаний пробной нагрузкой или комплектов таких испытаний зависит прежде всего от степени однородности слоя глины и от числа фундаментов. После приложения каждой новой ступени нагрузки следует ожидать, пока осадка не станет практически незаметной. При такой методике испытания измеренная осадка будет включать в себя значительную долю той части осадки, которая обусловлена консолидацией загруженного грунта. В соответствии с соотношением, выраженным пунктирной линией на рис. 94, можно принять, что осадка S фундамента шириной B1 будет приближенно равна значению S = S 0 ^ В0 1 (54.4) где Sa—осадка штампа под расчетной нагрузкой на единицу площади; B0—ширина ш т а м п а . Несколько лет тому назад на одном строительстве было проведено испытание пробной нагрузкой жесткой глины. Жесткость медленно возрастала с глубиной, а в некоторых слоях имелась сетка волосных трещин с зеркалами скольжения. Ш т а м п имел р а з м е р ы 0 , 6 X 0 , 6 Mi. П р и проектной нагрузке 1,6 кг!см2 осадка составляла 0,1 см. Запроектированный фундамент имел п л о щ а д ь 3 8 X 3 8 M2. Согласно формуле (54.4) он должен был бы осесть на 5 = 0 , 1 - — = 6,3 см. 0,6 Непосредственно после окончания строительства осадка колебалась в пределах между 2,5 и 3,8 см. В настоящее время она составляет от 6,4 до 8,9 см и все еще продолжает незначительно возрастать. Допускаемое давление на грунты, промежуточные между песком и глиной Наиболее важные грунты, промежуточные по своему характеру между песком и глиной, — это ил и лесс. Предварительные сведения о характере ила могут быть получены с помощью стандартных испытаний на пенетрацию. Если число ударов, которое требуется, чтобы забить грунтонос на 30 см (см. § 44) меньше 10, то ил будет рыхлым. Если число ударов больше 10, то ил будет средним или плотным. Рыхлый ил является еще менее пригодным в качестве основания, чем нормально обжатая мягкая глина. Этот факт иллюстрируется результатами наблюдений над осадкой девя- 492 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ ти сооружений, расположенных на пластах ила в Германии. Хотя давление на грунт колебалось в пределах относительно низких значений в 1,1 и 2 кг/см2, осадка все ж е составляла от 20 до 100 см. Уменьшение давления на грунт на 50% значительно повысило бы стоимость фундаментов, не дав уменьшения осадок до допустимых размеров. Средний и плотный ил может быть подразделен на две категории: ил, сходный с горной мукой, и ил, который является пластичным (см. § 2). Допускаемое давление на ил типа горной муки может быть определено с помощью правил, установленных для очень мелкого песка, а давление на пластичный ил — с помощью методов, используемых для глины. Второй важный грунт, промежуточный по своему характеру между песком и глиной, это лесс (см. § 2). Он покрывает большие площади в центральной части каждого из пяти континентов. Благодаря известковому цементу и корневым канальцам, типичным для каждого истинного лесса, его свойства значительно отличаются от свойств других грунтов с аналогичным гранулометрическим составом. Несущая способность нормально обжатого ила является обычно очень низкой, в то время как несущая способность лесса может быть очень высокой. Если пласт истинного лесса расположен постоянно выше уровня воды, то он способен нести фундаменты с давлением 2 или 3 кг/см2 без заметных осадок. Тем не менее, на лесс не всегда можно полагаться, потому что в некоторых местностях его несущая способность значительно изменяется с временами года. Эти изменения вызываются колебаниями в прочности связей, обусловленными изменением влажности. Так, например, фундамент угольного бункера в средней России был запроектирован на основании результатов испытаний пробной нагрузкой, проведенных в летний период. Бункер тоже был построен в летнее время. Прежде чем строительство закончилось, начались осенние дожди, после чего бункер начал неравномерно оседать и стены треснули. В центральной Германии котельная была построена на слое лесса, расположенном частично ниже уровня воды. Здесь также проектировщики были введены в заблуждение кажущейся прочностью грунта. Фундаменты были спроектированы при допускаемом давлении на грунт 1,2 кг!см2, но уже при значительно меньших нагрузках осадки стали чрезмерными. Некоторые из фундаментов понадобилось усилить, в то время, как другие были перепроектированы в ходе строительства, исходя из допускаемого давления на грунт в 0,35 кг/см2 [54.3]. Вследствие чрезвычайного разнообразия физических свойств лессовых грунтов невозможно установить никаких простых эмпирических правил, аналогичных правилам для § 54, Р А З Д Е Л Ь Н Ы Е ФУНДАМЕНТЫ 493 песка или глииы, для определения допускаемого давления на грунт. Следовательно, если фундаменты должны быть построены на лессе в районе, где еще не производились аналогичные работы, проектировщик должен будет прибегнуть к испытаниям на пробную нагрузку в комбинации с исследованием влияния влаги на несущую способность грунта. В некоторых случаях он убедится в том, что фундаменты обычного типа должны быть практически исключены, несмотря на кажущуюся плотность лесса. Фундаменты на плотном грунте, подстилаемом слабыми слоями Приведенные выше величины осадок фундаментов, запро- ектированных по правилам, рассмотренным ранее, основыва- ются на допущении, что грунт не делается более слабым с глубиной. Если это условие не удовлетво- ряется, то указанные значения перестают быть надежными. При- чина этого иллюстри- руется рис. 180, на ко- тором показано распре- деление напряжений под фундаментом, ко- торый опирается на плотный пласт А, под- стилаемый слабым слоем В. Если верхняя граница слабого слоя находится близко от Рис. 180, Поверка слоя слабого грунта в основании, залегающего под более плотным. Кривая С изображает изменение с глуби- подошвы фундамента, то он может продавиться сквозь плотный слой в мягкий пласт. Разру- ной вертикального давления под одиночным фундаментом, когда влиянием соседних фундаментов пренебрегают. Кривая Ct характеризует вертикальное давление под тем же фундаментом при учете влияния шения этого типа не соседних фундаментов являются необычными. Их можно избежать, придавая фундаменту такие размеры, что давление на верхнюю границу слоя В не будет превышать допускаемого значения для грунта этого слоя. Давление у границы может быть вычислено по методу, описанному в § 35. Менее точно можно принять, что полная нагрузка фун- дамента распределяется равномерно по основанию усеченной пирамиды, грани которой проходят от краев фундамента до поверхности слоя В под углом 60° с горизонтом. Если верхняя граница мягкого слоя В расположена на значительной глубине под фундаментом, то разрушение в результате продавливания сквозь верхний слой не может произойти, 494 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ так как слой А действует аналогично толстой подушке, которая распределяет нагрузку от здания почти равномерно по поверхности В. Жесткость на изгиб такой естественной подушки предотвращает выпирание грунта В за пределами нагруженной площади. Тем не менее, осадка может быть очень а) Плотный песок и гравий ш у Ht . ш. Мягкая глина -571м- Плотный гравии Время в годах 10 ZO 30 X —R U30 —5 о —-С D 90 Рис. 181. а — разрез по фундаменту сооружения на основании из плотного песка, подстилаемого мягкой глиной; б—план сооружения; в — наблюденные кривые время-осадка. Пунктирная кривая представляет расчетное соотношение время-осад- ка, вычисленное по результатам испытаний на консолидацию большой. Вес здания, изображенного на рис. 181, передается с помощью ленточных фундаментов на слой плотного песка или гравия, который подстилается на глубине на 7 м ниже фундаментов слоем мягкой глины 15 м толщиной. По расчету фундаменты передают на грунт давление в 2,5 кг/см2— осторожное значение для плотного песка и гравия. Максимальное давление на поверхность глины, создаваемое весом здания, составляло 1,1 кг/см2. В процессе строительства, которое продолжалось 1 год, фундаменты испытали осадку в пределах между 2,5 и 10 см. Поскольку пол подвального э т а ж а , который залегал на песке между фундаментами, не давал трещин и не перемещался относительно фундаментов, ясно, что последние и слой песка оседали вместе. Десять лет спустя после окончания строительства деформации здания стали уже такими, что было решено усилить фундамент. Несмотря на упомянутые выше признаки, никто не подозревал, что осадка вызывается грунтом, залегающим § 54, Р А З Д Е Л Ь Н Ы Е ФУНДАМЕНТЫ 495 под песком. Поэтому «усиление» было произведено путем увеличения ширины фундаментов, так что интенсивность давления на песок была уменьшена примерно на 30%. Однако, поскольку давление на глину оставалось неизменным, дорогостоящие изменения не оказали ни малейшего влияния на кривые осадок, показанные на рис. 181, е. Позже на некотором расстоянии от здания были отобраны ненарушенные монолиты грунта. На основании результатов испытаний на консолидацию была вычислена средняя интенсивность осадки здания в целом. Теоретическая кривая осадки, представленная пунктирной кривой на рис. 181,в, весьма близка к истинной осадке, за исключением эффекта вторичной консолидации, который все еще не представляется возможным рассчитать (§ 14). За счет вторичного эффекта истинная осадка приближается к постоянной интенсивности, выражающейся д л я различных частей сооружения в пределах от 3 до 8 мм в год, в то время как расчетная кривая осадок приближается к горизонтальной асимптоте. Наблюдения, иллюстрируемые рис. 181, очень ясно показывают, что осадка, вызванная консолидацией мягких слоев, расположенных на значительной глубине под фундаментами, практически не зависит от давления по подошве последних. Это объясняется тем фактом, что плотный слой, несущий фундаменты, действует подобно естественной подушке, которая распределяет нагрузку от фундаментов на более мягкие слои. Способы расчета осадок, вызванных консолидацией нижних слоев, и методы уменьшения этих осадок рассматриваются в связи с фундаментами в виде сплошных плит (§ 55). Если фундаменты устраиваются таким образом, что осадки, вызванные консолидацией мягких слоев, становятся допустимыми, можно вести проектирование так, как будто бы мягкие слои не существуют. Следовательно, наличие мягких слоев может заставить проектировщика изменить конструкцию фундаментов, но оно не имеет никакого отношения к допускаемому давлению на грунт под фундаментами. Суммирование правил выбора допускаемого давления на грунт 1. З а исключением узких фундаментов на рыхлом водонасыщенном песке допускаемая несущая способность песка определяется только величиной осадки, так как можно считать само собой разумеющимся, что коэффициент устойчивости против выпирания основания имеет необходимую величину. Правила, предложенные для выбора этих значений, удовлетворяют условию, согласно которому максимальная осадка не д о л ж н а превышать 2,5 см, а д и ф ф е р е н ц и а л ь н а я осадка — 2 см. П р и обычных сооружениях допускаемое давление на сухой и влажный песок может быть определено с помощью графика на рис. 177, исходя из результатов стандартных 496 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ испытаний на пенетрацию. Если уровень воды расположен близко к подошве фундамента или выше последней, то коэффициент глубины Df]B также должен учитываться. Если коэффициент глубины очень мал, то значения, полученные по графику, должны быть уменьшены на 50%. Если этот коэффициент близок к единице, то значения д о л ж н ы быть уменьшены только на одну треть. Были рассмотрены наиболее важные источники ошибок при применении этой методики и способы избежания их. При ответственных и крупных сооружениях может быть использовано испытание пробной нагрузкой. Однако оно дорого стоит и является громоздким, а если оно запроектировано и проведено неумело, то результаты могут оказаться весьма дезориентирующими. Если водонасыщенный песок очень рыхл, то его следует уплотнить. 2. Допускаемая несущая способность глины обычно определяется условием, согласно которому коэффициент устойчивости против выпирания грунта должен составлять по меньшей мере 3. Соотношение между средней прочностью на одноосное с ж а т и е qu глины, результатами испытаний на пенетрацию и допускаемым давлением на грунт представлено в табл. 22. После того как выбрано допускаемое давление на грунт по этому соотношению, необходимо установить, будет ли осадка допустимой. Если глина нормально обжата, то осадка будет, очевидно, чрезмерной, и должен быть принят соответствующий тип фундамента, отличный от обычного. С другой стороны, если глина переуплотнена, то дифференциальная осадка будет, очевидно, терпимой. В сомнительных случаях следует пользоваться методом испытаний пробной нагрузкой. Допускаемое давление на жесткие трещиноватые глины может быть определено только с помощью этого метода. 3. Рыхлый водонасыщенный ил любого типа не пригоден для опирания раздельных фундаментов. Допускаемое давление на средний или плотный ил типа горной муки может быть определено с помощью правил, предложенных для песка. Допускаемое давление на средний и жесткий пластичный ил может быть определено с помощью табл. 22. Для определения допускаемого давления на лесс невозможно установить общие правила. 4. Если площадь опирания фундаментов превышает половину общей площади, занятой зданием, то обычно более экономично возводить здание иа сплошной фундаментной плите. Проектирование фундаментов Стадии проектирования. Первый шаг в проектировании фундамента состоит в расчете полной эффективной нагрузки, которая будет передаваться на грунт по подошве фундамента. Второй шаг состоит в определении допускаемого давления на § 54, РАЗДЕЛЬНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ 497 грунт. Площадь фундамента определяется затем путем деления общей эффективной нагрузки на допускаемое давление. Наконец, рассчитываются изгибающие моменты и поперечные силы в фундаменте и выполняется его конструирование. Расчетные нагрузки. Полная эффективная или и з б ы т о ч н а я н а г р у з к а Q t , передаваемая на грунт, может быть выражена с помощью формулы Qt= [Q-Ws)+ Q1 = Qdn +Q1, (54.5) где Q — постоянная нагрузка на основание, включая вес фундамента и грунта на его обрезах. Е с л и з е р к а л о в о д ы находится выше подош- вы фундамента, то гидростатическое взве- шивание (§ 12) подводной части массы грунта и бетона необходимо вычесть из об- щей суммы; IFs — эффективный вес грунта (полный вес грун- та минус гидростатическое взвешивание), расположенного над основанием до экска- вации. Однако, при наличии подвальных этажей, как, например, в случае фундамен- тов с и d на рис. 171, вес грунта, располо- женного первоначально выше дна подвала, не должен вычитаться, так как этот грунт был удален не только с площади основа- ния, но также и с площади, примыкающей по крайней мере с одной стороны к осно- ванию; "Qdn = Q — W s — п о с т о я н н а я нагрузка нетто; Qi — временная нагрузка на фундамент, включая ветровую и снеговую нагрузки. При определении временной нагрузки необходимо проводить различие между н о р м а л ь н о й в р е м е н н о й нагрузкой и м а к с и м а л ь н о й временной нагрузк о й . Нормальная нагрузка Q t n , это та часть временной нагрузки, которая действует на фундамент по меньшей мере один раз в год; максимальная временная нагрузка Qfmaxfleftствует только при одновременном совпадении нескольких исключительных обстоятельств. Например, нормальная временная нагрузка в случае высокого здания для учреждения включает только вес людей, которые обычно находятся в здании, оборудования, мебели, и нормальной нагрузки от снега. Максимальная временная нагрузка представляет собой сумму весов максимального числа людей, которые могут собраться в здании в исключительных случаях, мебели, оборудования и максимальной нагрузки от снега и ветра. Общая 498 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ избыточная нагрузка на фундамент при нормальной временной нагрузке будет обозначаться символом Q * , + Qun а при максимальной временной нагрузке символом (54.6) Q / m a x = Qdn + Q j m а х - (54.7) Вследствие исключительного характера максимальной временной нагрузки и малой вероятности того, что основание должно будет когда-либо работать на нее, принято проектировать фундаменты таким образом, чтобы давление на грунт, производимое нормальной полной нагрузкой Qfn, было одним и тем же для всех фундаментов. Однако безопасность требует также, чтобы даже максимальная нагрузка Q^max не наносила непоправимого ущерба сооружению. Способы удовлетворения этому требованию без чрезмерных расходов зависят от типа грунта. Если фундаменты покоятся на песке, то увеличение нагрузки вызывает почти одновременное увеличение осадки, однако можно принять, что коэффициент устойчивости против выпирания остается достаточным. Чтобы исключить возможность серьезного ущерба, вызванного максимальной временной нагрузкой, проектировщик должен определить максимальную дифференциальную осадку AS, превышающую нормальное значение в 2 см, которую, по его мнению, сооружение может выдержать без серьезных повреждений. Дополнительная дифференциальная осадка ДS должна соответствовать максимальной осадке 1,33 AS плюс нормальное максимальное значение, равное 2,5 см. Если все фундаменты проектируют, исходя из максимальной осадки в 2,5 см при нормальной временной нагрузке, то максимальная временная нагрузка увеличила бы максимальную осадку до S m a x = 2,5- Я ^ с м . Wtn (54.8) Если Smax меньше, чем допустимый максимум в (1,33S + + 2,5) см, то максимальной временной нагрузкой м о ж н о пренебрегать. С другой стороны, если Sma, больше чем (1,33S+ 4- 2,5) см, то фундаменты следует проектировать таким образом, чтобы давление на грунт при нормальной временной нагрузке было Яа^Ча § 54, Р А З Д Е Л Ь Н Ы Е ФУНДАМЕНТЫ 499 Значение qa для различных фундаментов обычно неодинаково. Минимальным значением следует пользоваться для установления соотношения между размерами всех опор; оно соответствует фундаменту, для которого соотношение QtmaJQtn является максимальным. Если фундаменты здания залегают на глине, то допускаемое давление на грунт определяется условием, согласно которому при нормальной полной нагрузке коэффициент устойчивости должен быть равным 3 и ни при каких обстоятельствах он не должен быть меньше 2. Если коэффициент устойчивости Gs при нормальной полной нагрузке равен 3, т о коэффициент устойчивости G's при максимальной полной нагрузке будет Qt шах (54.10) Если Gs равно 2 или больше, то максимальной временной нагрузкой можно пренебрегать, и все фундаменты могут быть приведены в соответствие с нормальной временной нагрузкой на основе G s - 3 . С другой стороны, если G's меньше 2, то допускаемое давление на грунт следует выбирать таким об- разом, чтобы коэффициент устойчивости при нормальной вре- менной нагрузке был равен 6/Gs. Уменьшение осадок путем изменения размеров фундаментов. При рассмотрении допускаемого давления на грунт было указано, что осадка нагруженных площадей, имеющих аналогичную форму, но различные размеры, возрастает приданной интенсивности нагрузки с ростом ширины площади. Если фундаменты сооружения значительно.отличаются по своим размерам, то дифференциальная осадка может быть из-за этого очень существенной. В таких случаях может быть оправдано известное приспособление давления на основание к размерам фундаментов. Если грунт состоит из песка, то дифференциальная осадка может быть уменьшена путем уменьшения размеров самых малых фундаментов, так как д а ж е после этого их коэффициент устойчивости Gs сохраняет, вероятно, надлежащую величину. Применение этой методики по отношению к фундаментам на глине, как правило, снижает значение Gs для наименьших фундаментов до величины, меньшей чем 3, что является недопустимым. Следовательно, дифференциальная осадка фундаментов на глине может быть уменьшена только с помощью увеличения размеров самых больших фундаментов сверх требуемых по допускаемому давлению на грунт. Однако необходим опыт, чтобы успешно осуществить такого рода соответствие, так как должны быть учтены как периодические, так и случайные изменения в условиях загружения. 500 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ Конструирование фундаментов и расчет изгибающих моментов. Обычно каждый фундамент конструируют таким образом, чтобы равнодействующая нагрузок Qtn [формула (54.6)] проходила через центр тяжести площади подошвы. Затем рассчитывают изгибающие моменты при допущении, что давление по подошве распределяется равномерно. Фактически контактное давление у фундаментов на песке уменьшается по направлению от центра к краям (рис. 96, б) и действительные изгибающие моменты бывают меньше расчетных. С другой стороны, если фундаменты очень жесткие и залегают на мягкой или средней глине, то контактное давление может возрастать по направлению к краям (рис. 96, а) и истинные моменты могут превышать расчетные. Однако эта разница полностью перекрывается запасами прочности, обычными в строительном проектировании. Колонны, которые несут крановые пути в промышленных сооружениях, подвергаются большим внецентренным нагрузкам каждый раз, когда поблизости работает кран, однако в остальное время они несут обычную постоянную и временную нагрузки. Принято рассчитывать стык между колоннами и опорами на внецентренную нагрузку. В соответствии с этим моменты передаются на подошву фундамента. Если фундаменты залегают на глине, то под передним краем подошвы допускаемое давление на грунт qa не д о л ж н о быть превышено, когда действуют все нагрузки, включая крановую. Центр тяжести подошвы каждого фундамента должен совпадать с равнодействующей постоянной нагрузки нетто, нормальной временной нагрузкой и небольшой частью, например 25%, крановой нагрузки. При этом все фундаменты следует проектировать, исходя из одинакового давления на грунт. С другой стороны, если фундаменты опираются на песок, необходимо конструировать их таким образом, чтобы давление на грунт (было равномерным и равным qa от постоянной нагрузки нетто, нормальной временной нагрузки и максимальной нагрузки от крана, которую можно ожидать при обычных рабочих условиях. Ни при каких комбинациях нагрузок давление на грунт не д о л ж н о превышать 1,5 qa. Меры предосторожности во время строительства. Все фундаменты неизбежно проектируются при допущении, что грунт под ними находится приблизительно в том же самом состоянии, что и в процессе бурения или испытаний пробной нагрузкой. Если грунт содержит мягкие карманы, которые не были обнаружены при бурении, или если структура грунта нарушена во время разработки котлована, то осадка будет более сильной и более неравномерной, чем это ожидается при проектировании. Чтобы избежать этой опасности, на месте каждого фундамента после окончания экскавации должно быть проведено простое испытание на пенеграцию. Один из § 55. С П Л О Ш Н Ы Е ФУНДАМЕНТНЫЕ П Л И Т Ы 501 практически применяемых методов состоит в простом подсчете числа ударов, которое требуется для забивки зонда в грунт на 30 см с помощью падающего груза. Если в активном слое какого-либо из фундаментов встречаются исключительно мягкие карманы, то проект фундамента следует разработать заново. Это оказывается более экономичным, чем последующие ремонты. Нарушение структуры грунта во время строительства в основном происходит при двух условиях, которые обычно и встречаются в поле. Если основание состоит главным образом из ила или мелкого песка, то оно может быть в корне нарушено в результате откачивания воды из открытых зумпфов. Это нарушение, очевидно, сопровождается серьезным ущербом для примыкающих сооружений в результате выноса грунта. Следовательно, если фундаменты на таких грунтах требуют экскавации ниже уровня воды, то место производства работ должно дренироваться путем откачки из иглофильтров, а не из открытых зумпфов (§ 47). Откачка из иглофильтров также вызывает иногда заметную осадку примыкающей поверхности земли. Но если даже это происходит, то можно быть уверенным в том, что вредное действие откачки из открытых зумпфов было бы значительно большим. Если основание состоит из глины, то верхний слой обнаженной глины, по-видимому, размягчается вследствие поглощения влаги из луж и переминания при ходьбе по этой глине. Поэтому фундаменты на глине необходимо бетонировать и засыпать сразу же после разработки котлована. Если этого нельзя сделать, то последние 10—15 см грунта не д о л ж н ы убираться, пока не закончится подготовка к у к л а д к е бетона. ЛИТЕРАТУРА 54.1, К. T e r z a g h i . The actual factor of safety of f o u n d a t i o n s ,Structural Eng.", vol. 13,1935, стр. 1 2 6 - 1 6 0 . Влияние осадок на сооружения. 54.2. A. W. S k e m p t o n , An investigation of the bearing capacity of a soft clay soil ,J. Inst. Civil Engrs"., L - n d o n , vol. 18, 1942, стр. 307— —321, дискуссия стр. 567—576. Анализ аварии большого фундамента на глиие. 54.3. A. S c h e i d i g , Loess. Т. Steinkopff1 1934, стр. 125—142. Опыт устройства фундаментов на лессах. 54.4 К. T e r z a g h i , S e t t l e m e n t of s t r u c t u r e s in E u r o p e and m e t h o d s of observation „Trans. A S C E ' , vol. 103, 1938, стр. 1432—1448. 54 5. W. L. H a n n a and G. T s с h e b о t a r e f f. Settlement observations of buildings in Egypt, Proc. I n t e r n , conf. soil m e c h . , C a m b r i d g e , Mass., 1936, vol. I, стр. 71—77. Сравнение расчетных и фактических осадок. 54.6. W. E S i m p s o n , Foundation experiences with clay in Texas .Civil Eng-., vol. 4,1934, стр. 581—584. Набухание глины в пределах глубины сезонных колебаний влажности и температуры в полупустынном климате. 502 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ § 55. СПЛОШНЫЕ ФУНДАМЕНТНЫЕ ПЛИТЫ Сравнение фундаментных плит и раздельных фундаментов Если суммарная площадь раздельных фундаментов, кото- рая требуется, чтобы нести сооружение, превышает примерно половину всей площади здания, то обычно оказывается рацио- нальным объединить все фундаменты в одну сплошную плиту. Такая плита представляет собой по существу большой фунда- мент и в соответствии с этим должна удовлетворять требо- ванию, чтобы коэффициент устойчивости основания был не менее 3 и чтобы осадка не превышала величины, допу- стимой для сооружения. Коэффициент устойчивости сплошных фундаментных плит зависит от характера грунта. Если грунт состоит из очень Известняк рыхлого песка в водонасыщенном состоянии, то он должен Рис. 182. Схема аварии зернового элеватора поблизости от Виннипега, в Канапе, в результате выпирания пласта глины быть искусственно уплотнен до сооружения плиты (см. § 50). Если песок является средним или плотным, то ко- эффициент устойчивости пли- ты будет значительно большим, чем коэффициент устойчиво- сти раздельного фундамента, и может считаться достаточным без всяких расчетов. Коэффициент устойчивости фундаментных плит на глинах практически не зависит от размера загруженной площади. Обычно он является очень низким, в результате чего имел место целый ряд аварий. Одна из таких аварий показана на рис. 182. Элеватор для зерна поблизости от Виннипега в Ка- наде з а н и м а л площадь 23,5X58 м и имел высоту в 31 м. Он залегал на пласте «плотной» глины, подстилаемой скалой. На основании результатов испытаний пробной нагрузкой бы- ло установлено, что предельная несущая способность глины составляла от 4 до 5 кг/см2, и в проекте было принято допускаемое давление на грунт в 2,5 кг/см2. Когда нагрузка на фундамент приблизилась к этому значению, одна сторона сооружения осела на 8,8 м, в то время как противоположная сторона поднялась на 1,5 м. Эта а в а р и я !произошла менее чем за 24 часа [55.1]. Чтобы избежать риска таких аварий, фунда- ментную плиту на любом грунте следует проектировать таким образом, чтобы избыточная нагрузка, распределенная по на- груженной площади, не превышала значений, приведенных в табл. 22. § 55. С П Л О Ш Н Ы Е ФУНДАМЕНТНЫЕ П Л И Т Ы 503 Избыточная нагрузка на основание рассчитывается точно так же, как и в случае раздельных фундаментов (§ 54). Если плита расположена ниже подвального этажа (рис. 184), то она образует совместно с его стенами большую полую опору. Поскольку нагруженный грунт может выпираться в стороны лишь по внешнему контуру всей площади, занятой плитой, глубина заложения измеряется от поверхности грунта ж составляет Dft а не Dfs, как это имеет место при уширенных фундаментах стен подвальных э т а ж е й (с и d на рис. 171). Следовательно, ивбыточная нагрузка Qt на основание равна разнице между полной эффективной нагрузкой Q + Q1 на основание минус полный эффективный вес Ws грунта, вытесненного подвальным этажом, или Qt = (Q + Q i ) - W s . (55.1) Рис. 183. Распределение давления в грунте под зданиями a — в случае далеко расставленных фундаментов; б — в случае сплошной бетонной плиты Если qa представляет собой допускаемое давление на основание и если А обозначает площадь, покрытую плитой, то фундамент должен удовлетворять условию 9Х<Яа- (55.2) Соотношение, выраженное уравнением (55.1), указывает на то, что избыточная нагрузка на основание может быть уменьшена с помощью увеличения глубины подвального этажа. Это увеличивает коэффициент устойчивости фундамента и уменьшает осадку. Существование этого соотношения было обнаружено некоторыми инженерами еще свыше столетия тому назад, и они с успехом пользовались им при постройке тяжелых сооружений на мягких грунтах, не прибегая к сваям. Хотя правила, определяющие коэффициент устойчивости сплошных плит и раздельных фундаментов, являются абсолютно аналогичными, тем не менее общий характер осадок этих двух типов фундаментов является совершенно различным. Причины этого различия иллюстрируются рис. 183- 504 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ На этом рисунке дан вертикальный разрез двух сооружений, одно из которых залегает на раздельных фундаментах, а другое — на плите. Как в первом, так и во втором случае интенсивность давления на основание одинакова, как это показывают прямоугольные эпюры по подошве фундаментов. Кроме того, на рис. 183 приведены эпюры, показывающие интенсивность и распределение вертикального давления на различных глубинах ниже уровня подошвы каждого фундамента. Р а з д е л ь н ы е фундаменты на рис. 183, а расположены на таком расстоянии друг от друга, что осадка каждого из них Рис. 184. Эрратическое распределение карманов рыхлого песка в пласте плотного песка в основании здания происходит так, как будто остальные фундаменты не существуют. Если бы грунт был однородным, то фундаменты оседали бы почти одинаково; в действительности же они оседают различно, так как ни один из естественных слоев грунта не является однородным. Поскольку активная глубина расположена в пределах самого верхнего слоя грунта, распределение осадок отражает колебания в сжимаемости грунта, расположенного в пределах этого слоя (см. рис. 175). Это распределение всегда бывает незакономерным и практически не представляется возможным его предсказать. Этот факт предопределил правила, установленные для выбора допускаемых давлений на грунт при раздельных фундаментах (§ 54). Активная зона для фундаментной плиты (рис. 183,6) простирается до значительно большей глубины, чем для раздель- § 55. СПЛОШНЫЕ ФУНДАМЕНТНЫЕ ПЛИТЫ 505 ных фундаментов. В пределах этой глубины слабые места рассеяны без всякой системы, как это показано на рис. 184, и нх влияние на осадку нагруженной площади отчасти взаимно нейтрализуется. Поэтому площадь оседает так, как если бы нагруженный грунт был более или менее однородным. Осадка не будет обязательно равномерной, но она имеет довольно закономерный, а не произвольный характер. Однако характер осадки зависит от того, состоит ли грунт, расположенный в активной области, из песка или глины. Осадка сплошных фундаментных плит Как теория, так и опыт указывают на то, что осадки равномерно нагруженной площади на песке являются достаточно равномерными при условии, если нагрузка приложена на глубине более чем, примерно, 2,5 м ниже окружающей поверхности грунта. Если глубина является меньшей, то внешние части нагруженной площади оседают, по-видимому, несколько больше, чем центральная часть, если боковое смещение песка не встречает препятствий в пределах глубины от 2,5 до 3 м ниже поверхности земли. Дифференциальная осадка площади, покрытой плитой, отображает, в общем, неравномерность сжимаемости грунта. Однако, вследствие беспорядочного распределения сжимаемых областей в грунте (рис. 184) и одновременного влияния жесткости плиты и корпуса здания, можно с уверенностью принять, что дифференциальная осадка фундаментной плиты на единицу максимальной осадки составляет не больше чем половину соответствующего значения для зданий на раздельных фундаментах. Следовательно, если д и ф ф е р е н ц и а л ь н а я осадка в20 мм может приниматься в качестве допустимой, то допускаемое давление на грунт может быть выбрано таким образом, что м а к с и м а л ь н а я осадка будет составлять 5 см вместо 2,5 в случае раздельных фундаментов. Ширина В плиты находится обычно в пределах от 12 до 36 м. В пределах этой амплитуды изменений значение В имеет очень небольшое влияние на максимальную осадку (см. рис. 176). Поэтому при выборе допускаемого давления на грунт шириной фундамента м о ж н о пренебрегать. Наконец, если не весь, то большая часть песка, расположенного в пределах активной глубины, обычно водонасыщена, так как вертикальное расстояние между подошвой плиты и зеркалом воды является обычно незначительным по сравнению с шириной плиты. Описанные выше условия предопределяют допускаемое давление на грунт, если учитывается также относительная плотность песка. В настоящее время самым обычным методом определения относительной плотности является стандартноеиспытание на пенетрацию (§ 44). 506 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ Т а б л и ц а 23 Рекомендуемое допускаемое давление на песок под сплошными фундаментными плитами Ar — число ударов на 30 см при стандартном испытании на пенетрацию; Qa—рекомендуемое значение допускаемого давления в кг/см1. Относительная плотность песка N Ча Рыхлый Менее 10 Требует уплотнения Средний Плотный Очень плотный 10-30 3 0 — 5 0 Более 50 0 , 7 — 2 , 5 2 , 5 — 4 , 5 Более 4,5 Э т н з н а ч е н и я о с н о в ы в а ю т с я н а м а к с и м а л ь н о й о с а д к е в 5 см. Т о л щ и н а с л о я п е с к а п р е д п о л а г а е т с я б о л ь ш е й , ч е м ш и р и н а В плиты, а з е р к а л о в о д ы находится близко к подошве плиты или выше ее. Если глубина скалы значительно меньше чем В 2 и если зеркало воды расположено на глубине, большей чем В/2, то допускаемые значения давления могуг быть увеличины. Принимается, что нагрузки распределены довольно равномерно по основанию здания. Если различные части большой плиты на песке несут весьма различные нагрузки на единицу площади, то рекомендуется разрезать конструкцию швами на границах между этими частями. Одно испытание д о л ж н о проводиться на к а ж д ы е 75 см глубины буровой скважины, начиная от уровня подошвы плиты до глубины В ниже этого уровня. Значение N для этой скважины равно среднему из всех значений N в пределах этой глубины. Требуется по меньшей мере шесть буровых скважин, и допускаемое давление на грунт должно быть выбрано п о минимальному значению N, полученному в результате испытаний. Допускаемые давления на грунт, соответствующие различным значениям N, приведены в табл. 23. Эти значения основываются на допущении, что допускаемое давление на грунт под сплошной плитой в 2 раза больше для водонасыщенного теска, чем получаемое с помощью экстраполяции но графику на рис. 177. Это допущение основывается на заключении, что допускаемая максимальная осадка плиты составляет 5 см вместо 2,5 см, принятых д л я зданий на р а з д е л ь н ы х фундаментах. Более точное определение допускаемого давления на грунт требует, как правило, нескольких серий испытаний пробной нагрузкой, проведенных на различных уровнях в активной зоне. Однако такая методика обычно практически неприемлема. Если грунт содержит гравий или если он состоит из очень мелкого или илистого песка, то требуется проведение надлежащих контрольных испытаний и внесение поправок (см. § 54), которые могут привести к более низким значениям, чем (приведенные в табл. 23. С другой стороны, если песок залегает на невыветрившейся скале на глубине, меньшей чем Bj2, или если зеркало воды находится постоянно ниже этой глубины, то можно принять несколько более высокие значения. § 55. СПЛОШНЫЕ ФУНДАМЕНТНЫЕ ПЛИТЫ 507 Все /приведенные выше рекомендации основываются на само собой разумеющемся допущении, что распределение нагрузок на плиту является более или менее равномерным. Если сооружение, которое поддерживается плитой, состоит из частей с очень различными высотами, то может оказаться рациональным разрезать его швами на границах между этими частями. Максимальное допускаемое значение давления на глинистые грунты под плитами, аналогичное давлению под раздельными фундаментами, приводится в табл. 22, стр. 488 в столбце qa. Однако ввиду больших размеров п л о щ а д и плит и быстрого увеличения осадки глины с увеличением размеров загруженной площади (рис. 179), всегда необходимо выяснить, хотя бы приближенно, будет ли осадка допустимой. Вычисление может быть основано на допущении, что загруженная глина ограничена в горизонтальном направлении. Результаты расчетов показывают в соответствии с опытом, что поверхность равномерно нагруженной глины принимает форму мелкой чаши, так как уплотняющее давление уменьшается от центра к краям (рис. 183,6). Однако откосы чаши настолько пологие, что разница между осадкой двух соседних колонн является весьма незначительной по сравнению с разницей между максимальной и минимальной осадкой. Для плит на песке эти разности могут быть почти равными. Поэтому допускаемая дифференциальная осадка плит на глине является гораздо большей, чем для раздельных фундаментов на песке. Проектирование фундаментных плит Средняя суммарная нагрузка на единицу площади подошвы плиты равна полному эффективному весу здания Q + Q / , деленному на общую площадь А подошвы. Поскольку площадь, занятая плитой, может быть только равной или незначительно большей, чем площадь, занятая зданием, то проектировщик лишен возможности изменить давление на грунт путем изменения размеров плиты. Следовательно, чтобы удовлетворить формуле (55.2), он вынужден увеличить по формуле (55.1). Это может быть сделано только путем устройства под сооружением одного или больше подвальных этажей на должной глубине. Требуемая глубина может быть определена путем пробных расчетов. После того как определена глубина подвальных этажей, следующий шаг в проектировании состоит в том, чтобы рассчитать силы, которые действуют на плиту. При этом приход я т с я в значительной мере полагаться на здравый смысл проектировщика. Факторы и условия, которые необходимо учесть, иллюстрируются рис. 185. 508 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ На рис. 185 дан вертикальный разрез через сооружение, состоящее из тяжелой башни с двумя крыльями. Зеркало воды расположено ниже подошвы плиты. При этом допущении полная реакция грунта равна полному весу Q + Qi здания, включая вес плиты, в то время как избыточная нагрузка Qt [формула (55.1)], которая определяет осадку, равна разнице между весом сооружения и весом Ws грунта, который был 5) В) ГJj-_ ^4 Оседание И^згбгрыцтзноачная^ Уменьшение давпечия, вызванное знг.каЛпцией Рис. 185. Три различных метода проектирования фундамента на сплошных плитах в случае очень сжимаемого грунта а — жесткая конструкция надстройки, которая может обеспечить равномерную осадку; б — упругая надстройка, способная выдержать без ущерба большие прогибы, в — равномерная осадка в случае упругой надстройки, достигнутая неодинаковой глубиной заложення в соответствии с весом частей сооружения. В заглубленных частях устро- ены дополнительные подвалы вынут. Если избыточная нагрузка Qt равна нулю и если, кроме того, сооружение жесткое, то практически не будет иметь места никакая осадка, если даже реакция грунта очень большая. Грубо приближенно реакция грунта по подошве жесткого сооружения может приниматься равномерной, как это показывает заштрихованный прямоугольник на рис. 185, а. Однако нагрузки концентрируются в центральной части основания здания. Поэтому корпус сооружения испытывает очень сильное влияние изгибающих моментов. Стоимость конструкций, способных выдержать эти моменты, может оказаться чрезмерно высокой. Если здание нежесткое, то реакция грунта на каждую часть плиты приближенно равна нагрузке, которая воздействует на нее сверху (рис. 185,6). Соответствующие изгибающие моменты являются относительно небольшими. Однако ввиду значительной концентрации нагрузок в средней части плиты, эта часть несет избыточную нагрузку, в то время как внешние части будут недогружены. Вследствие этого башня осядет больше чем крылья, как это показано на схеме. Раз- § 55. СПЛОШНЫЕ ФУНДАМЕНТНЫЕ ПЛИТЫ 509 иица в осадках неизбежна, если даже полное избыточное давление на грунт равно нулю. Если здание залегает на песке, то разница между осадками башни и крыльев является очевидно слишком незначительной, чтобы оказать вредное влияние на сооружение, и плиту можно проектировать так, как будто на нее действуют силы, показанные на рис. 185,6. С другой стороны, если плита залегает на глине, то дифференциальная осадка, обусловленная неравномерным распределением нагрузки, может быть очень большой. Осадочные швы между башней и крыльями могут в известной степени улучшить напряженное состояние отдельных частей сооружения, но не могут предотвратить увеличения осадок обоих крыльев по направлению к башне. Следовательно, необходимо провести расчет осадок, чтобы определить, превысит ли дифференциальная осадка то значение, которое сооружение может выдержать без повреждений. Если это так, то проектировщик должен выбирать между двумя возможностями. Либо он принимает для сооружения фундамент из свай или столбов, либо ж е он подводит под башню н крылья подвальные этажи различной глубины, как показано на рис. 185, в. Глубина к а ж д о г о подвального э т а ж а д о л ж на быть определена таким образом, чтобы осадки башни и крыльев были теоретически равны. Если это условие удовлетворяется, то проектировщик может быть вполне уверенным в том, что дифференциальная осадка будет терпимой. При расчете толщины плиты и ее армировки обычно принимают, что плита является неразрезной, свободно опертой в каждой точке и вдоль каждой линии, по которой нагрузка •передается на плиту сверху. Снизу действует распределенная нагрузка. Она равна полной реакции грунта, которая в свою очередь равна полному весу здания без вычета гидростатического давления или веса удаленного грунта. Поскольку разница между теоретическим и действительным распределением изгибающих моментов в плите может быть очень большой, обычно рекомендуется количество арматуры в плите принимать в 2 раза больше расчетного количества. Выше было принято как нечто само собой разумеющееся, что жесткая плита не оседает, пока нагрузка на нее не становится равной весу вынутого грунта. Во многих случаях погрешностью, обусловленной этим предположением, можно с уверенностью пренебрегать. Однако, если грунт мягкий, а котлован глубокий, то осадка, которая происходит, прежде чем эффективная нагрузка на плиту становится равной эффективному весу вынутого грунта, может оказаться достаточно большой, чтобы обратить на нее внимание. Причины такой осадки рассматриваются ниже. 510 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ Вспучивание дна котлована во время экскавации грунта для подвальных помещений Выемка грунта для подвальных помещений влечет за собой полное устранение давления, которое испытывал ,первоначально грунт на уровне подошвы плиты. Вследствие этого дно котлована поднимается. Затем во время строительства вес здания становится равным и даже превышает первоначальное бытовое давление. Тогда вспучивание исчезает и здание садится. Если здание имеет больший вес, чем вынутый грунт, то осадка проходит в две стадии. Первая стадия продолжается до тех пор, пока нагрузка на единицу площади плиты не будет равной первоначальному бытовому давлению, а вторая стадия начинается, когда это давление превышается. Особенности осадок в течение второй стадии уже были описаны. Характеристики первой стадии могут быть очень различными. В конце первой стадии, когда вес здания становится равным весу удаленного грунта, осадка равна или несколько больше, чем предшествующее вспучивание, которое обычно является очень незначительным. Если вес здания далее не увеличивается, то осадка прекращается вскоре после того, как строительство закончилось. Выше указывалось, что этот факт уже давно учитывался при проектировании зданий на мягких грунтах, однако не всегда понимают, что постепенная осадка зданий на более жестких грунтах тоже может быть предотвращена в результате выемки такого количества грунта, которое компенсирует вес здания. Действительно, некоторые здания с -подвальными этажами, которые достаточно глубоки, чтобы удовлетворить этому требованию, строились с дорогостоящими свайными фундаментами. Ясно, что деньги, израсходованные на сваи, были фактически выброшенными. Размеры вспучивания и последующей осадки зависят от характера грунта и от размеров выемки. Только в редких случаях можно предсказать их на основании испытаний грунта и теоретического анализа. Если выемка производится « песке выше уровня воды, то вспучивание будет таким незначительным, что обычно им можно пренебрегать. Мягкая глина деформируется практически при постоянной влажности аналогично сплошному упруго-изотропному материалу. Следовательно, вспучивание можно было бы рассчитать с помощью теории упругости, если бы модуль упругости глины можно было определить -путем испытаний грунта. Результаты расчетов, основывающихся на значении начального касательного модуля ненарушенных образ,цов (§ 18), указывают на то, что действительное вспучивание является всегда значительно меньшим, чем вычисленное. Однако величину § 55. СПЛОШНЫЕ ФУНДАМЕНТНЫЕ ПЛИТЫ 511 погрешности невозможно предугадать. Два приведенных ниже примера иллюстрируют неопределенность при расчете вспучивания. В обоих примерах напряжения, вызванные выемкой, были гораздо ниже разрушающих для глины. Первая выемка была произведена для подвального помещения со средней глубиной 10,5 м. З д а н и е покрывало площ а д ь в 6 0 X 1 1 2 At. Грунт состоял из слоя мягкой ледниковой глины толщиной почти 30 ж с жесткой коркой. Глина была Рис. 186. Разрез по котловану в пластах, расположенных над мягкой глиной мощностью 36 м / — н а с ы п ь ; 2— т о р ф ; 3 — м е л к и й п е с о к : 4 — с е р ы й п е с о к ; 5 — мелкий песок; 6 — серый песок; 7 — мелкий песок; 8 — мяг- кая глина покрыта толстым слоем насыпного грунта и мягкого органического ила, она подстилалась слоем из гравия и ортштейна. Дно котлована было расположено в пределах жесткой корки поблизости от ее первоначальной верхней поверхности. Модуль упругости глины, определенный на основании испытаний на одноосное сжатие ненарушенных монолитов, имел среднее значение 100 кг/см2. Н а основе этого значения было определено, что максимальное вспучивание составит примерно 12,5 см. Действительное максимальное вспучивание равнялось 8,6 см. В этом случае предсказание оказалось относительно точным. Второй котлован показан на рис. 186. Он имеет площадь 1 8 X 3 3 м. Д н о котлована расположено на 9 м ниже поверхности в пласте песка, который на глубине 4,3 м от подошвы фундамента подстилается слоем мягкой глины толщиной 36 м. Средний модуль упругости глины по данным лабораторных испытаний !составляет 60 кгIсм2, а вспучивание, вычисленное на основе этого значения, 35 см. Чтобы наблюдать за действительным вспучиванием, в песке установили подземную марку, расположенную на 1,8 м выше поверхности глины. Хотя можно было бы заметить любое вспучивание, превышающее 6 мм, оказалось, что глина вела себя во время экскавации, как почти твердое тело с модулем 512 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ упругости в несколько сот килограммов на 1 см2. Некоторые глины проявляют аналогичную жесткость при прокладке тоннелей и при других строительных работах. Однако такое жесткое состояние бывает, по-видимому, только временным. Вследствие этого строительные работы в случае, иллюстрируемом рис. 186, были проведены так быстро, как это только возможно, и нагрузка была приложена к грунту прежде, чем началось какое-либо движение. Д л я того чтобы предотвратить нарушение песка в результате фильтрационного давления, экскавацию не начинали до тех пор, пока зеркало воды не было понижено с помощью иглофильтров, как это показано на рисунке. Вес законченного сооружения был примерно равен весу удаленного грунта, и последующая осадка была слишком незначительной, чтобы ее можно было измерить. Если глина ниже котлована содержит большое число непрерывных слоев либо прослоек из крупной пыли или песка, то влажность глины может увеличиться до таких размеров, что основная часть вспучивания будет обусловлена разбуханием. Предсказание скорости разбухания, основанное на результатах лабораторных испытаний на консолидацию, является, очевидно, чрезвычайно неточным, так как степень непрерывности проницаемых слоев не может быть определена до начала строительства. Если глубина подвалов увеличивается сверх определенного значения, то дно котлована становится неустойчивым и разрушается в результате выпирания независимо от прочности и типа горизонтальных креплений откосов (§ 32). Однако критическая глубина может быть почти удвоена, когда разработка производится под сжатым воздухом. В чрезвычайно мягком грунте фундаментные плиты успешно сооружались следующим образом. Боковые стены и пол подвального этажа возводились как одно целое вблизи от поверхности грунта, и вся конструкция затем погружалась до надлежащего уровня путем подмыва и откачивания пульпы через отверстия в полу. Раздельные фундаменты на естественных подушках Если фундаменты здания залегают на мощном плотном слое, под которым находятся значительно более сжимаемые слои, то верхний слой ведет себя как естественная подушка, которая аналогично оплошной фундаментной плите распределяет нагрузку от здания на мягкие слои. Фундаменты проектируются так, как будто мягкие, слои отсутствуют, поскольку осадки, обусловленные консолидацией мягких слоев, практически не зависят от давления по подошве фундаментов. § 55. СПЛОШНЫЕ ФУНДАМЕНТНЫЕ ПЛИТЫ 513 Нагрузка, определяющая осадку за счет консолидации, равна суммарному эффективному весу здания минус эффективный вес вынутого грунта. При вычислении величины и распределения уплотняющего давления на мягкие слои принимается, что вес вынутого грунта является отрицательной нагрузкой, распределенной равномерно по основанию. Вес здания представляет собой положительную нагрузку на основание. В любой точке мягких слоев уплотняющее давление равно разности давлений, вызванных этими двумя нагрузками. Осадка за счет консолидации определяется при допущении, что мягкий грунт ограничен в горизонтальном направлении. Величины осадок, которые могут иметь место, иллюстрируются рис. 181. Если расчет свидетельствует о том, что осадки неприемлемы, проект фундамента должен быть изменен. Это может быть сделано, например, путем создания под различными частями здания подвалов различной глубины (рис. 185, в) или с помощью опирания сооружения на сваи или столбы. Фундаменты стен подвальных этажей на песке ниже уровня воды Подвальный этаж, расположенный ниже уровня воды, должен иметь водонепроницаемый пол в виде плиты, соединяющей фундаменты. Если нагрузка на фундаменты прикладывается после того, как плита забетонирована, то фундаменты вместе с плитой образуют сплошную фундаментную плиту, на подошву которой действует не только давление во Время строительстда i После окончания строительств, /А zX Рис. 187. Фундамент подвала на песчаном основании, расположенный ниже уровня воды 1 — т о щ и й б е т о й ; .2 — у р о в е н ь в о д ы в о в р е м я с т р о и т е л ь с т в а ; 3— н о р м а л ь н ы й у р о в е н ь в о д ы ; 4 — п л и т а , р а с с ч и т а н н а я т о л ь к о иа давление воды; 5 — битуминозный слой 514 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ воды, но и распределенная более или менее равномерно реакция грунта. Чтобы избежать необходимости делать плиту достаточно прочной для восприятия обоих видов давлений, плита между фундаментами не должна бетонироваться до тех пор, пока на фундаменты не будет передана полная постоянная нагрузка. Нагрузка на грунт по подошве фундаментов будет в этом случае равна полному весу здания минус полное гидростатическое давление на пол подвала, а на связывающую плиту будет действовать исключительно лишь давление воды. Однако фундаменты должны проектироваться при допущении, что гидростатическое давление не действует, так как не допускается, чтобы зеркало воды поднималось выше пола подвала, пока фундаменты не будут нести полной постоянной нагрузки от сооружения. Задержка в устройстве плиты требует продолжения откачки, пока не будет закончено строительство здания. Последовательность работ иллюстрируется рис. 187. Д л я предотвращения всплывания плиты необходимо ее прикрепить либо к колоннам, либо, что лучше, к фундаментам. Сводка правил проектирования сплошных фундаментных плит 1. Если сооружение, опирающееся на песок, может выдержать разницу осадок в 20 мм между соседними колоннами без всякого ущерба, то может быть допущена максимальная осадка в 50 мм. Соответствующие допускаемые давления на грунт приведены ш табл. 23. 2. Допускаемое давление на грунт при плитах, имеющих ширину В, не может быть надежно определено с помощью испытаний пробной нагрузкой, если не осуществить несколько серий испытаний на различных отметках в пределах глубины В от подошвы плиты. Такие испытания экономически оправдываются только в исключительных условиях. 3. Если различные участки большой плиты на песке несут весьма различную нагрузку на единицу площади, то рекомендуется разрезать сооружение швами на границах между этими участками. 4. Фундаментная плита на глине должна удовлетворять условиям, в соответствии с которыми коэффициент устойчивости основания против выпирания должен быть не меньше 3,. а разность осадок не должна быть опасной для сооружения. Как коэффициент устойчивости, так и осадка зависят не от общего веса сооружения, а от разницы между весом сооружения и весом вынутого грунта. Поэтому указанным требованиям можно обычно удовлетворить в результате надлежащего выбора глубины подвальной части здания. 5. Неравномерная осадка равномерно нагруженной yinpy- § 55. СПЛОШНЫЕ ФУНДАМЕНТНЫЕ ПЛИТЫ 515 той плиты на глине вызывается в основном чашеобразной деформацией поверхности грунта и приближенно равна половине максимальной осадки. Если само здание является гибким, то дифференциальная осадка может быть предотвращена путем придания подземной части здания высокой жесткости. Если различные участки большой плиты на глине несут различные нагрузки, то изгибающие моменты в жесткой нижней части будут такими большими, что стоимость ее устройства будет, очевидно, недоступной. Другая возможность состоит в том, чтобы изменять глубину подвальной части в соответствии с нагрузками таким образом, чтобы разница между нагрузкой от здания и весом вынутого грунта на единицу площади имела приблизительно одно и то же значение для каждой части плиты. Какой бы из этих двух методов не был использован, в обоих случаях требуется хотя бы приблизительный расчет осадок. 6. Слои жесткой глины или плотного песка, расположенные над слоями мягкой глины, действуют как естественные подушки. Фундаменты зданий, залегающих на таких слоях, проектируются так, как будто мягкие слои отсутствуют. Поскольку осадка, вызванная консолидацией мягких слоев, может быть очень большой, требуется расчет осадок. Способы уменьшения осадок, происходящих за счет консолидации, являются теми же, что и способы, указанные в случае фундаментных плит на однородных пластах глины. ЛИТЕРАТУРА 55.1. Failure oi Transcona grain-elevator, ,Eng. News", vol. 70, 1913 стр. 944—1107. Разрушение элеватора на мягкой глине. 55.2. A remarkable test oi reinforced concrete construction, ,Eng. News" vol. 57, 1907, стр. 458. Полное разрушение основания заводского здания на мягкой глине в Тунисе. 55.3. W. Е. S i m p s o n , Foundation experiences with clay in Texas „Civil Eng"., vol. 4, 1934, стр. 581—584. Результаты наблюдений за осадкой здания на сплошной плите, опи- равшейся на переуплотненную глину. 55.4. J. A. C u e v a s , The floating foundationof the new building for the National lottery of Mexico, Proc. Intern, conf. soil mech., Cambridge, Mass., vol. I, 1936, стр. 294—301. Описание попытки предупредить осадку сплошной плиты на очень мягкой глине путем устройства глубокой подвальной части. Данные о вспучивании дна котлована. 55.5. A. C a s a g r a n d e and R. Е. F a d u m, Application of soil mechanics in d e s i g n i n g building foundations, „Trans. A S C E \ vol. 109, 1944, стр. 383—416, дискуссия стр. 417—490. Описание двух зданий, опирающихся на естественную подушку из жесткой глины. 55.6. R. Е. F a d u m, O b s e r v a t i o n s and analysis of building s e t t l e m e n t s in Boston, doctor's thesis, Graduate school of engineering, Harvard univer- sity, 1941. 6 516 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ Данные о вспучивании оснований двух зданий, описанных в [55.5]. 55.7. К. T e r z a g h i . Recording results of field tests on soils, ,Civil Eng"., vol. 13, 1943, стр. 585—587. Наблюдения за осадками сооружения на сплошной плите с основанием из переуплотненного пластичного ила. § 56. СВАЙНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ Назначение свай Сооружение опирают на сваи, если грунт, расположенный непосредственно под его подошвой, не обладает надлежащей несущей способностью, или если экономические расчеты приводят к выводу, что свайный фундамент будет стоить дешевле, чем любой другой фундамент. Сваи конструируются самых различных форм и из самых различных материалов. Описание основных типов свай, а также способов их изготовления и погружения может быть найдено в литературе [56.1]. Здесь мы коснемся только свай более или менее обычного типа, которые забивают в грунт с помощью обычного механического приспособления, называемого к о п р о м д л я з а б и в к и с в а й . Однако общие принципы применимы при некоторых незначительных изменениях также и к проектированию фундаментов на других типах свай, погружаемых различными методами. Кроме того, мы примем, что сваи несут только статические нагрузки, потому что действие пульсирующих нагрузок и вибраций на свайные фундаменты до сих пор еще не исследовано надлежащим образом. По характеру работы сваи могут быть подразделены на три категории. 1. С в а и т р е н и я IB к р у п н о з е р н и с т о м о ч е н ь п р о н и ц а е м о м г р у н т е . Эти сваи передают грунту большую часть своей нагрузки через поверхностное трение. Процесс забивки этих овай, расположенных группами близко друг к другу, значительно уменьшает пористость и сжимаемость грунта в пределах этих групп и вокруг них. Поэтому сваи этой категории называются иногда с в а я м и у п л о т нения. 2. С в а и т р е н и я в о ч е н ь м е л к о з е р н и с т ы х г р у н т а х с н и з к о й п р о н и ц а е м о с т ь ю . Эти сваи передают свою нагрузку грунтам через поверхностное трение, но они не уплотняют заметно грунт. Фундаменты, образованные сваями этого типа, обычно известны как в и с я ч и е свайные фундаменты. 3. С в а и - с т о й к и . Эти сваи переносят свою нагрузку на твердый слой, расположенный на значительной глубине под подошвой сооружения. § 54, РАЗДЕЛЬНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ 517 В естественных условиях однородные слои грунта очень редки. Поэтому никакие четкие границы не могут быть установлены между тремя основными категориями овай. Одна и та же свая может вытеснить часть массы грунта, через который она забивается, без изменения относительной его плотности, в то время как остальная часть грунта будет испытывать уплотнение. Конец сваи может опираться на плотный слой песка, способный п о д д е р ж и в а т ь сваю <в точке опирания, но тем не менее значительная часть нагрузки, очевидно, будет восприниматься поверхностным трением. Вследствие широкого разнообразия грунтовых условий, встречающихся на практике, всякая попытка установить правила проектирования свайных фундаментов неизбежно связана с радикальными упрощениями, а сами правила полезны лишь в том отношении, что они указывают направление рассуждений. По этой же причине теоретические исследования проблемы свайных фундаментов, как, например, попытки определить разрушающую нагружу на группу свай с помощью теории упругости, совершенно неприемлемы и ими можно с уверенностью ,пренебрегать. Даже выводы, которые основываются на результатах испытаний моделей малых размеров, по-видимому, далеки от того, чтобы на них можно было полагаться. Проектирование свайных фундаментов Историческое развитие. До XIX в. почти все здания воздвигались на ленточных фундаментах. Оваи использовались лишь в тех местах, где грунт был не в состоянии воспринять давление от фундамента. Поскольку лес имелся в изобилии,, а труд стоил дешево, то забивалось такое количество свай* какое только могло разместиться в грунте. Осадки не вызывали опасений, так как преобладающий тип сооружений мог выдержать значительные неравномерные осадки без всякого ущерба. В XIX в., когда развитие промышленности потребовало создания тяжелых, но дешевых сооружений в районах со слабыми грунтами, стоимость свайных фундаментов стала актуальным вопросом, и перед инженерами была поставлена задача применять не больше овай, чем необходимо, чтобы обеспечить надлежащую устойчивость здания. Этого нельзя было достигнуть, не зная хотя бы предельной нагрузки, которую может нести отдельная свая. Попытки получить необходимые данные при минимальных затратах труда и средств привели к теоретическим ухищрениям, вылившимся в обширный ассортимент формул. Однако с течением времени стало ясно, что формулы, относящиеся к сваям, имеют целый ряд неустранимых недостатков, и вместе с тем становилось все более и более обычным определять допускаемую нагрузку 518 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ на сваи во всех случаях, за исключением самых незначительных работ, путем проведения испытаний пробных свай. Число свай, требующихся, чтобы нести данное сооружение, определялось с ,помощью простого деления общей нагрузки на допускаемую нагрузку на одну сваю. Многие •фундаменты, запроектированные таким образом, оказались удовлетворительными, но в ряде случаев наблюдались чрезмерные и неожиданные осадки. Эти аварии свидетельствовали о том, что между осадкой свайного фундамента как единого целого и осадкой одиночной пробной сваи не обязательно существует какая-либо связь, даже если нагрузка на к а ж д у ю сваю в отдельности одна и т а ж е [56.2]. Они привели к очевидному заключению, что знание несущей способности одиночной оваи составляет лишь часть данных, необходимых для проектирования удовлетворительного свайного фундамента. Чтобы определить, останется ли осадка свайного фундамента в допустимых пределах, проектировщик должен рассмотреть напряжения, вызванные в грунте всей нагрузкой, приложенной к фундаменту, и определить осадку, вызванную этими напряжениями. Этот расчет требует знания основных принципов механики грунтов. Если результаты расчета покажут, что осадка может превысить приемлемое значение, то проект должен быть изменен. Стадии проектирования свайных фундаментов. Д л я предварительного проектирования свайного фундамента необходимо прежде всего получить грунтовый профиль с помощью разведочного бурения. Факторы, определяющие глубину, до которой грунт должен быть исследован, были рассмотрены в § 45. Обычно грунтовый профиль .содержит все данные, необходимые для решения вопроса о том, может ли сооружение опираться на сваи трения, залегающие полностью в песке, на сваи-стойки, забитые через мягкие слои в твердый пласт, или на висячий свайный фундамент. Следующая стадия предварительного проектирования состоит в выборе длины и типа сваи. Если подходящими являются сваи-стойки, то, по-видимому, можно с достаточной точностью судить о требующейся длине на основании грунтового профиля. Однако длина сваи трения в песке может быть определена только путем забивки пробных свай, а длина свай трения в мягкой глине — путем определения коэффициента устойчивости группы свай против полного разрушения (стр. 530). Выбор типа свай предопределяется, по крайней мере частично, практическими соображениями 156.1, 56.3]. После того как длина и тип свай предварительно выбраны, для одиночной сваи теоретически определяется предельная несущая способность, либо последняя устанавливается § 56. СВАЙНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ 519 с помощью испытаний пробной нагрузкой. Эта величина делится на соответствующий коэффициент запаса, чтобы получить допускаемую расчетную нагрузку на сваю. Общее количество свай, которое требуется, чтобы поддержать сооружение, устанавливается путем деления всего веса сооружения на «допускаемую расчетную нагрузку». После того как количество свай установлено, следующая стадия состоит в выборе расстояния между ними. Общепринято, что расстояние D между осями свай должно быть не меньше чем 2,5d, где d — диаметр верхнего сечения свай. Это правило основывается на практическом опыте. Если расстояние между с в а я м и меньше чем 2,5 d, то выпирание грунта будет, очевидно, чрезмерным и забивка каждой новой сваи может сместить или поднять соседние сваи. С другой стороны, расстояние м е ж д у сваями большее, чем 4 d, является неэкономичным, так как увеличивает стоимость фундамента без каких-либо существенных преимуществ для работы основания. Наиболее подходящее значение D должно быть выбрано между этими пределами в соответствии с грунтовыми условиями, как это указано в дальнейшем. Когда вопрос о расстоянии решен, сваи распределяются либо по квадратной, либо по треугольной сетке. В результате умножения количества свай на D2 ( к в а д р а т н а я сетка) или на D2V3 (треугольная сетка) получается полная площадь свайного фундамента. Если эта площадь значительно меньше, чем половина полной площади, занимаемой сооружением, то последнее воздвигается на раздельных свайных фундаментах; если же эта площадь значительно больше, то устраивается сплошной свайный фундамент, и расстояние между сваями увеличивается таким образом, чтобы они располагались по непрерывной сетке на всей площади. Если нагрузка на различные участки фундамента является весьма различной, то расстояние между сваями должно соответствовать интенсивности нагрузки на каждый из участков. Наконец, в опорных случаях решение о том, должно ли сооружение опираться на отдельные фундаменты или на сплошной фундамент, принимается в результате сравнения расходов по обоим вариантам. При висячем свайном фундаменте в мягкой глине или в пластичном иле необходимо определить предельную несущую способность групп свай в целом и не следует допускать, чтобы нагрузка на отдельную группу превышала половину или, еще лучше, одну треть предельного значения. Пренебрежение этим требованием может приводить к катастрофическим результатам. Во многих случаях сооружения вместе с поддерживающими сваями и с грунтом, расположенным между сваями, внезапно продавливались в грунт, хотя нагрузка на сваю не превышала «допускаемой расчет- 519 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ ной нагрузки». Способ определения несущей способности куста свай описывается ниже. Если нагрузка на каждую сваю является такой, что несущая способность куста свай в целом не превышена, то авария в результате внезапного погружения фундамента в грунт не может произойти. Однако при этом не исключается возможность чрезмерной осадки, так как осадка свайного фундамента в целом не имеет ничего общего с осадкой одиночных свай под той же нагрузкой, что и на каждую сваю в кусте. Осадка фундамента может составлять от нескольких миллиметров до нескольких десятков сантиметров в зависимости от грунтовых условий, количества свай и площади, занятой сооружением. Осадка менее, чем примерно 5 см, обычно является безвредной, но осадки в 15 см или больше могут оказать весьма нежелательное влияние на сооружение. Следовательно, в случае висячего свайного фундамента _в мягкой глине или свай-стоек, расположенных над мягкими слоями, расчет осадок является обязательным. Отказ от такого расчета является причиной многих неудач при проектировании свайных фундаментов. Последняя стадия проектирования заключается в расчете ростверка. Определение изгибающих моментов и поперечных сил обычно основывается на допущении, что каждая свая несет одинаковую нагрузку. Теоретический анализ и результаты испытаний в полевых условиях приводят к заключению, что это допущение обычно далеко от действительности [56.4]. Если слои грунта относительно горизонтальны и концы свай не опираются на скалу, то нагрузка на сваю в кусте, несущем жесткую конструкцию, возрастает от центральных свай по направлению к краям. Однако ошибка, которую влечет за собой указанное выше допущение, не превосходит обычного запаса прочности железобетонных конструкций. Детали последовательных стадий проектирования свайных фундаментов приводятся ниже. Предельная нагрузка и «допускаемая расчетная нагрузка» на одиночную сваю Поверхностное трение и сопротивление острия. Термин п р е д е л ь н а я н а г р у з к а или н е с у щ а я с п о с о б н о с т ь одиночной сваи характеризует нагрузку, при которой осадка свай превышает некоторое предельное допускаемое значение, например, 15 см. Какой бы ни была нагрузка, она воспринимается отчасти за счет поверхностного трения, а отчасти за счет сопротивления грунта, расположенного непосредственно под нижним концом сваи, как это указано на рис. 188, с. Поэтому предельная несущая способность Qd может быть разложена на две части: Qf— обусловленную поверхностным § 56. СВАЙНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ 521 трением и Qp— сопротивление острия сваи. Следовательно: Qd - Q f j T Qp- (56.1) Н а рис. 188, б горизонтальное сечение по нижнему концу сваи обозначено ab, а заштрихованная площадь представляет собой эпюру давления в этом сечении. Полное давление, очевидно, равно Qd- П р е д л а г а л и с ь различные утонченные теоретические методы для определения распределения этого давления, но нельзя полагаться на результаты этих вычислений, так как все методы основываются на допущении, что грунт является идеально однородным и упругим телом. Достоверные данные по вопросу о распределении давления могут быть получены только в результате непосредственных измерений, но до сих пор такого рода измерения не производились. Однако нет сомнений в том, что распределение зависит не только от размеров свай, но т а к ж е и от нагрузки, от характера грунта и от грунтового профиля. Оно, по-видимому, заметно изменяется с течением времени. Поверхностное трение одиноч- ной сваи в песке. Когда свая заби- вается в очень плотный песок, то невозможность дальнейшего погру- жения обнаруживается уже на глубине в несколько десятков сан- тиметров, в то время как в очень рыхлом песке сваи могут быть забиты до значительной глубины, не встречая заметного сопротивления. ние давления в горизонтальной плоскости, проходящей на уровне острия сваи В любом песке как среднее по- верхностное трение на единицу площади контакта, так и сопротивление острия сваи возрастают с увеличением глу- бины. Суммарное поверхностное трение, которое оказывает сопротивление дальнейшему погружению цилиндрической или призматической сваи в однородный слой песка, значительно больше половины полной предельной несущей способности Q d сваи, однако сопротивление выдергиванию значительно мень- ше, чем половина Qd- Разница между этими двумя значения- ми поверхностного трения обусловливается тем фактом, что движение сваи вниз увеличивает давление на ее боковую поверхность, в то время как движение вверх уменьшает его. После того как свая забита до нулевого отказа, среднее по- верхностное трение, оказывающее сопротивление дальнейше- 522 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ му погружению под статической нагрузкой, имеет величину порядка 2,5 т/м2 для рыхлого песка (длинные сваи) и 10 т/м2 для очень плотного песка (короткие сваи). Иногда наблюдается, что несущая способность свай в песке заметно уменьшается в течение первых 2 или 3 дней после забивки. Хотя такое явление довольно редко, однако никогда не следует им пренебрегать. Возможно, что высокая начальная несущая способность объясняется временным на- 3500 пряженным состояни- ем, которое создается S 3000 в песке, окружающем нижний конец сваи во « 2500 II гооо / п р obnaa сдаа '30с •**30смх?5,Ьм время забивки. Это напряженное состояние сопровождается временным повышени- I '5 UU 5 'ООО •ACс i i 1C¾l 500 ем сопротивления ост- рия сваи. Поверхностное тре- ние свай в мягкой гли- не. Сопротивлением О 5 /0 /5 20 25 30 35 Число дней после забивки острия свай трения, залегающих в мягкой глине, можно прене- Рис. 189. Увеличение предельной не- брегать по сравнению сущей способности висячей сваи с с поверхностным тре- течением времени нием. Поверхностное трение на единицу пло- щади контакта более или менее независимо от глубины и от метода погружения свай. Оно зависит почти целиком от свойств глины. Обычно, хотя и не всегда, сопротив- ление выдергиванию почти равно сопротивлению вдавли- ванию под нагрузкой. Все эти соотношения являются значительно более простыми, чем соответствующие соотно- шения для свай трения в песке. Зато соотношение меж- ду поверхностным трением и временем является значительно более сложным, чем в песке, и пока не может быть определе- но. Поверхностное трение обычно возрастает в течение перво- го месяца после забивки сваи, однако это увеличение сильно колеблется в зависимости от характера грунта. Кривая на рис. 189 показывает увеличение несущей способности сваи трения со временем. Свая была забита в мягкую коричневую глину с пылеватыми прослойками. Предел текучести глины находился между 37 и 45%, предел пластичности между 20 и 22% и естественная влажность была незначительно ниже предела текучести. В процессе работ по забивке свай грунт сделался почти жидким, и поверхностное трение имело очень низкое значение. Хотя сваи погружались на 30 см § 56. СВАЙНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ 523 от одного удара, они снова поднимались на 25 см, когда молот убирался, и понадобилось прибегнуть к специальному приспособлению, чтобы предотвратить подъем свай. Однако в течение месяца поверхностное трение увеличилось более чем в 3 раза по сравнению с первоначальным значением. С другой стороны, несущая способность свай, забитых в некоторые, пылеватые глины, уменьшается в течение первых нескольких дней после забивки. Такое уменьшение наблюдалось после того, как сваи длиной 24 м забивались через 12—15 м мягкого ила в подстилающий слой «плотной голубой глины» в Бальбоа, в зоне Панамского канала. Уменьшение сопротивления дальнейшей забивке происходило в течение одного дня. Аналогичное явление наблюдалось во время строительства порта в Чарльстоне, когда деревянные сваи забивались через 3 м пылеватого грунта в «жесткий голубой ил» [56.5]. Мягкая глина, расположенная на пути забиваемой сваи, вытесняется последней и сильно нарушается. После того как свая забита, перемятая глина окружает ее подобно оболочке толщиной в несколько сантиметров. Однако за пределами внешней границы этой оболочки нарушение структуры грунта является очень умеренным. Опыт указывает на то, что оболочка сильно нарушенной глины быстро консолидируется и становится еще более жесткой, чем ненарушенная глина, и что она склонна прилипать к свае, если свая выдергивается. Забивка свай в водонасыщенный ил может временно перевести его в жидкое состояние на значительном протяжении. То немногое, что известно о последствиях такого разжижения, указывает на то, что объем ила практически не изменяется. Однако в течение нескольких дней или недель ил становится снова таким ж е плотным и устойчивым, каким он был первоначально. Следовательно, мало вероятно, что влияние забивки свай в мягкие глины или в ил является вредным. Ниже принимается, что физические свойства грунта не испытывают существенных остаточных изменений в результате забивки свай. Несмотря на влияние нарушения структуры и на противоположное влияние времени, которые проявляются непосредственно после забивки сваи в мягкую глину или в мягкий пластичный ил, предельное значение поверхностного трения обычно равно около половины прочности глины на одноосное сжатие. В табл. 24 приведен ряд предельных значений поверхностного трения, которое развивается в основных типах связных грунтов. Необходимо указать, что эта таблица, так ж е как и более подробно разработанные, служит лишь для общего руководства при проведении предварительных прикидок. Надежные сведения невозможно получить без проведения испытаний пробной нагрузкой и выдергивания свай нормальных размеров в полевых условиях. 524 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ Работа свай-стоек. В противоположность сваям трения стойки считаются передающими нагрузку своими остриями на твердый слой. Однако значительная часть нагрузки воспринимается, по крайней мере временно, за счет поверхностного трения. Это было доказано испытаниями как в лаборатории, так и в полевых условиях [56.6]. Однако, если свая проходит через очень сжимаемый слой, например мягкого ила или глины, то давление, передаваемое этому грунту поверхностным трением, постепенно консолидирует его, вследствие чего свая стремится осесть. Осадка встречает сопротивление только со стороны грунта, на который опирается острие сваи, и с течением времени давление на острие возрастает. Этот процесс продолжается, пока большая часть нагрузки на сваю не будет передаваться на острие сваи. Если нагрузка на сваю в кусте превышает сопротивление острия, то осадка может быть очень большой. Однако эта опасность не вскрывается при испытании пробной нагрузкой одиночной сваи, если даже это испытание проводится в течение нескольких недель. Следовательно, важнее знать сопротивление острия, чем общую несущую способность сваи-стойки. Т а б л и ц а 24 Предельные значения поверхностного трения для свай в связных грунтах (в т на 1 м2 площади контакта) I лина мягкая и ил • Ил песчаный • . . . Глина жесткая . . . 1-3 2—5 4—10 Соотношение между сопротивлением забивке и глубиной. Если построить график изменения с глубиной количества ударов молота, необходимых для погружения сваи на одну и ту же величину, то получают « д и а г р а м м у с о п р о т и в л е н и я с в а и » . Типичные диаграммы показаны на рис. 190. Форма кривой погружения показывает почти безошибочно, к какой из трех главных категорий принадлежит свая. На рис. 190, а приведены кривые, типичные для свай, забитых в рыхлый и плотный песок. В обоих типах песка сопротивление забивке возрастает с глубиной. С другой стороны, свая, представленная рис. 190, г, забивалась в мягкий слой глины, и сопротивление сделалось практически постоянным. Резкий перелом кривой на рис. 190, в свидетельствует о том, что острие сваи перешло из мягкого ила в довольно плотный песок. Такого рода перелом типичен для свай-стоек. Установив соотношение между диаграммами сопротивления и грунтовыми профилями на данном строительстве, инженер сможет, как правило, иметь надежное представление о материале, в ко- § 56. СВАЙНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ 525 тором залегает к а ж д а я свая. В частности, он сможет определить, достигло ли острие сваи подходящего несущего слоя. Применение динамических формул для определения предельной несущей способности. Когда свая-стойка встречает плотный слой, то сопротивление забивке резко увеличивается (рис. 190,в). В общем, чем больше это увеличение, тем большим будет, очевидно, сопротивление острия сваи. Это наблюдение привело к различным попыткам выразить соотношение между несущей способностью свай и сопротивлением забивке a) A) 6J г) Число ударов на натдые 2,Sc^ погрутенир W О О IO Il О IO О) 1 I «и s §сосо! 12 S £ 'S \\г \ \ \ \ 18 *> 3 Л ! •iiII П т и ц 11111111 Ц /\ а /2 " \ ь -с S IS ш уЩг W 12 12 15 K3 IS Ш / Л '/JbJ Ш !в Рис. 190. Соотношение между количеством ударов на единицу глубины погружения и глубиной погружения деревянных свай, забиваемых в грунты с различными характеристиками 1 — свая в плотном песке; 2 — свая в рыхлом песке; 3 — насыпь; 4 — торф; 5 — глина и песок; 6 — насыпь; 7 — илистый грунт; 8 — песок; 9 — свая в мягкой глине при последних нескольких ударах молота. В результате были получены так называемые динамические формулы. В США наибольшей популярностью пользуется формула, по которой предельная несущая способность свай должна составлять; (56.2) где Q d v — п р е д е л ь н а я несущая способность сваи в т; Wh — вес молота в т; H — высота падения молота в см: S — отказ от последнего у д а р а в см; с — э м п и р и ч е с к а я постоянная, принятая равной 2,5 см для подвесных молотов и 0,25 см для паровых молотов. 526 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ В соответствии с рис. 190, г значение S, входящее в формулы, является для свай трения в глине практически не зависимым от глубины. Вследствие этого формула (56.2) приводит к заключению, что предельная несущая способность таких свай также не зависит от глубины. Однако опыт показал, что предельная несущая способность свай трения возрастает приблизительно прямо пропорционально длине свай. Этот факт решительно исключает применение формулы (56.2) .или какой-либо другой формулы для свай трения в мягком иле или в глине. Действительно, в некоторых городах, включая Шанхай и Новый Орлеан, где преобладание мощных отложений мягкой глины требует широкого применения свай трения, ни одному опытному инженеру даже в голову не придет воспользоваться динамической формулой. В случае неответственных сооружений несущую способность определяют на основе эмпирических значений среднего поверхностного трения на единицу площади, а сопротивлением острия пренебрегают. В случае крупных сооружений производят испытание пробных свай. Однако даже для свай-стоек и других свай, для которых сопротивление забивке возрастает с глубиной, соответствие между действительной предельной несущей способностью и вычисленной по формуле (56.2) едва ли можно считать удовлетворительным. Причины этого объяснены в § 30. При сопоставлении значительного количества фактических значений Qd, выбранных наугад, с соответствующими значениями Qdy^ вычисленными по формуле (56.2), было найдено, что фактические значения составляли в среднем только 0,7 от вычисленных. Однако важную роль играет то обстоятельство, что отдельные значения фактической несущей способности составляли от 0,3 до 2,8 от вычисленных величин. Поэтому, если несущая способность сваи определяется 'по формуле (56.2), то неопределенность результата требует избыточного коэффициента запаса. Формула (56.2) употребляется с теоретическим коэффициентом запаса, равным 6. Следовательно, действительный коэффициент запаса находится в соответствии с данными, приведенными выше, в пределах примерно между 2 и 17. Практическое значение этого факта иллюстрируется следующим примером. Здание должно быть построено на свайных фундаментах, причем каждый из них должен нести нагрузку 160 т. З а б и в а ю т с я пробные сваи и измеряется отказ от последних ударов. Согласно формуле (56.2) предельная несущая способность Qdy составляет 60 т и допускаемая нагрузка составляет 10 т на сваю. Следовательно, проектировщик запроектирует к а ж д ы й фундамент из 16 свай. Если расстояние между сваями составляет 90 см, то общая площадь будет равняться примерно 3,6X3,6 м2. Однако, согласно ска- § 56. СВАЙНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ 527 занному выше, если бы проводилось испытание пробных свай, то это могло бы д а т ь любое значение Qa между 0 , 3 X 6 0 = 18 т и 2 , 8 X 6 0 = 1 6 8 т. Если бы оказалось, что фактическая несущ а я способность составляет 20 т, то проект является удовлетворительным. Но если она составляет в действительности 110 т, то на каждую сваю можно было бы передать нагрузку в 40 т и потребовались бы всего 4 сваи на каждый фундамент и его площадь можно было бы уменьшить до 1,8 X 1,8 M2. Следовательно, было бы не только сэкономлено по 12 свай на каждом фундаменте, но и ростверки обошлись бы значительно дешевле. Таким образом, использование формулы (56.2) может повлечь за собой значительные нерациональные затраты времени и средств. Формула (56.2) не содержит никаких членов, отражающих свойства свай, хотя можно быть уверенным в том, что некоторые из этих свойств оказывают большое влияние на эффект удара молота. Поскольку другие более тщательно разработанные формулы, как например, формулы Редтенбахера или Гилея, содержат коэффициенты, выражающие вес, размеры, модуль упругости сваи и коэффициент восстановления, они создают впечатление большей надежности. Однако опыт показал, что они являются почти такими же неточными, как и более простая формула (56.2). Следовательно, в случае крупных сооружений имеющийся инженерный опыт требует определения предельной несущей способности с помощью испытаний пробных свай. Испытание пробных свай. Выше было уже указано, что несущая способность всех свай, за исключением забитых до скалы, не достигает своего предельного значения, пока не пройдет некоторое время. Следовательно, результаты испытаний пробных свай не являются окончательными, если эти испытания не производятся после некоторого периода отдыха свай. Для свай в проницаемом грунте этот период составляет 2—3 дня, а для свай, частично или полностью погруженных в ил или глину, — примерно до 1 месяца. Испытания пробных свай производят с помощью установленной на голове сваи платформы, которую нагружают песком или чугунными чушками. Осадку свай измеряют с помощью нивелира. Этот способ является несколько громоздким вследствие необходимости иметь дело с большими грузами и длительности самого испытания. Более подходящей является методика испытания с помощью анкерных свай. При таком испытании забиваются 3 сваи по одной линии на расстоянии 1,5 м друг от друга. Головы крайних свай соединяются прочной и жесткой балкой. Средняя свая является испытываемой. Ее нагружают с помощью домкрата, упирающегося в балку. Натяжение анкерных свай в некоторой степени уменьшает осадку пробной сваи, но этот недостаток с избытком компен- 528 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ сируется той легкостью, с которой процесс нагрузки может повторяться через каждые несколько дней. Кривая, показанная на рис. 189, была получена в результате такого испытания. Чтобы проектировать фундаменты из свай-стоек, забиваемых через слой глины в песок, необходимо располагать данными относительно несущей способности той части сваи, которая расположена в песке. Ради краткости эта часть несущей способности называется сопротивлением острия, хотя она включает в себя и поверхностное трение по площади контакта между сваей и песком. Если нельзя быть абсолютно уверенным втом, что «допускаемая расчетная нагрузка» значительно меньше, чем сопротивление острия, последнее должно быть определено испытаниями пробных свай в полевых условиях. С этой целью две пробные сваи могут быть забиты на расстоянии примерно в 1,5 M друг от друга. Одну из них забивают до отказа в несущий слой. Другую забивают до тех пор, пока ее острие не будет находиться примерно на 1 м выше несущего слоя. Поскольку сопротивление острия сваи, залегающей в песке, очень быстро приближается к предельному значению, испытание можно производить через три дня после забивки пробных свай. Влияние времени на поверхностное трение может быть исключено путем нагружения обеих свай одновре!менно с одинаковой интенсивностью. Сопротивление острия равно разности предельных несущих способностей этих двух свай. Определение «допускаемой расчетной нагрузки». Термин « д о п у с к а е м а я р а с ч е т н а я н а г р у з к а » Qa х а р а к т е ризует нагрузку, при которой коэффициент запаса против продавливания вниз отдельной сваи имеет значение, соответствующее обычным требованиям безопасности. Если «допускаемая расчетная нагрузка» на сваю определяется с помощью формулы Велингтона Qaа = W"Н 6(6+с) = — 6 Q^ ddyv ' (30.4) ' то теоретический коэффициент запаса равен 6. Причина при- нятия такого -большого значения была уже объяснена. Такой же большой коэффициент запаса требуется для любой дру- гой динамической формулы. Если предельная несущая способность определяется с по- мощью испытания пробной сваи, то обычный коэффициент запаса находится в пределах между 2,5 и 3. Д а ж е меньшее значение вполне достаточно. Основная неопределенность в методе испытаний пробных свай заключается в выборе зна- чения предельной несущей способности, основывающегося на интерпретации кривой «нагрузка—осадка». Общий характер кривых «нагрузка—осадка» определяет- ся двумя экстремальными значениями, показанными на § 56. СВАЙНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ 529 рис. 191. Кривая на рис. 191, а является типичной для свай трения, залегающих в крупнозёрнистых грунтах, а также для свай-стоек, которые передают нагрузку на слои песка. Поскольку кривая осадки постепенно приближается к на- клонной касательной по мере того, как нагрузка на сваю воз- растает, не может быть выбрано никакое опреде- ленное значение предель- ной несущей способности. Допускаемая расчетная нагрузка на такие сваи не должна превышать поло- вины нагрузки, которая требуется, чтобы обеспе- чить погружение на 5 см. Кривые «нагрузка — осадка» для свай трения значительно отличаются друг от друга по своему характеру. Предельный случай показан на рис. 191,6. Пробная свая бы- Рис. 191. Типичные кривые нагрузка—осадка ла забита на 11 м через мягкий ил и глину с прослойками торфа. Острие а — для сваи-стойки; б — для сваи трения; 1 — кривая нагрузки; 2 — кривая разгрузки; 3 — кривая выдергивания; 4 — кривая осадки под нагрузкой не достигло твердого слоя. При нагрузке меньше 22 т осадка сваи была незна- чительной, но, когда нагрузка стала равной этой величине, свая внезапно погрузилась на несколько де- сятков сантиметров и не остановилась до тех пор, пока гру- зовая платформа не коснулась поверхности земли. Кривая испытания на выдергивание, которая также приведена на этом рисунке, аналогична кривой «нагрузка—осадка». До- пускаемую расчетную нагрузку для таких свай можно при- нимать равной предельной несущей способности Qd, деленной на коэффициент запаса 2,5. Предельная несущая способность свайного куста Как теория, так и практика показали, что кусты свай могут терпеть аварии как одно целое, продавливаясь сквозь грунт, прежде чем нагрузка на каждую отдельную сваю станет равной «допускаемой расчетной нагрузке». Подобная авария показана на рис. 192. Следовательно, вычисление допуекаёмой расчетной нагрузки должно дополняться расчетом предельной несущей способности всего куста. Пусть Df—глубина забивки свай; г — радиус периметра куста свай; 530 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ s — среднее удельное сопротивление сдвигу грунта между поверхностью и глубиной Df; Qdr — п р е д е л ь н а я несущая способность основания цилиндрической опоры с радиусом г и глубиной Df. Эта величина может быть определена с помощью формулы (29.8). Если сваи и ограниченная ими масса грунта погружаются как одно целое подобно столбчатой опоре, то предель- ная несущая способность Qc куста определяется приближенно уравнением Рис. 192. Схема аварии, вызванной выпиранием основания из-под фундамента в виде группы свай и грунта между ними Qc ~ Qdr + 2-xrDfs. (56.3) Вычисления по этому уравнению показали, что разрушение основания едва ли может произойти, если только куст не состоит из большого числа свай трения, залегающих в иле или в мягкой глине, как это по- казано на рис. 192, или ж е из свайстоек, которые передают нагрузку твердому, но тонкому слою, залегающему на мощном слое ила или мягкой глины. Куст свай может счи- таться устойчивым против такого разрушения, если суммарная расчетная нагрузка (число авай, умноженное на «допускаемую расчетную нагрузку»' на оваю) не превышает Qf /3. Если это условие не удовлетворяется, то проект фундамента должен быть переделан. Осадка фундаментов из свай трения в песке Плотный песок является прекрасным грунтом, который не нуждается ни в каких сваях. Если все-таки по какой-либо причине необходимо прибегнуть к сваям, например, чтобы передать вес мостовой опоры на грунт ниже уровня самого глубокого размыва, то обычно бывает необходимо применить для погружения овай подмыв. Поэтому ниже мы будем рассматривать только сваи, забитые в рыхлый песок. Кроме того, мы примем, что песок, в который забивают сваи, не подстилается материалом, более сжимаемым, чем песок. Если все прочие условия являются одинаковыми, то поверхностное трение свай возрастает с увеличением относительной плотности песка. Во время забивки сваи плотность окружающего песка увеличивается. Эксперименты, проведен- § 56. СВАЙНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ 531 ные в натуре, показали, что уплотнение, обусловленное забивкой одной сваи, оказывает влияние на несущую способность любой другой сваи, расположенной в пределах расстояния, равного, по крайней мере, пятикратному диаметру сваи [56.71 Вследствие этого, если в кусте нагружается только одна из свай, то ее осадка под данной нагрузкой будет тем меньшей, чем больше число свай в кусте. Тем не менее, если нагружаются все сваи, то осадка всего куста при данной нагрузке на сваю возрастает вместе с числом свай. Предельная несущая способность свай в песке возрастает примерно пропорционально квадрату глубины забивки, в то время как стоимость свай увеличивается с глубиной с значительно меньшей быстротой. Поэтому экономично забивать сваи в песок до такой глубины, при которой дальнейшее погружение становится уже трудным и медленным. Число ударов на единицу глубины погружения, при котором забивка должна прекратиться, определяется независимо от прочих соображений условием, согласно которому в процессе забивки свая не должна повреждаться. Наиболее подходящим расстоянием D между центрами свай с диаметром головы d является, по-видимому, 3d. В кустах каждая свая должна забиваться до тех пор, пока число ударов на единицу глубины погружения не будет равным числу ударов, при котором была прекращена забивка пробной сваи. Последовательность забивки свай должна идти в стороны от центра куста, иначе внутренние сваи не представится возможным забить до такой же глубины, как остальные сваи. После того как сваи погружены, каждый куст образует ядро колонны уплотненного песка, залегающего в рыхлом песке. Если нагрузка на сваю такого фундамента не превышает «допускаемой расчетной нагрузки», то осадка не будет превосходить осадки аналогичного сооружения, поддерживаемого фундаментами на плотном песке. Однако, если слой песка, в которо)М находятся сваи, чередуется с к а р м а н а м и либо прослойками ила или глины, то осадка может быть почти такой же большой, как и осадка висячего свайного фундамента, так как давление, передаваемое через поверхность свай на эти слои, заставляет их консолидироваться. Осадка фундаментов из свай-стоек Введение. Фундаменты из свай-стоек могут быть подразделены на пять основных категорий в зависимости от характера несущего пласта. Ниже отдельно рассматриваются следующие случаи: 1) острия свай опираются на крепкую скалу; 2) острия забиты ,в выветрившуюся скалу; 532 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ 3) острия залегают в плотном песке, подстилаемом столь же плотными грунтами; 4) острия находятся в жесткой глине, подстилаемой еще менее сжимаемыми грунтами; 5) острия залегают в слое плотного песка или жесткой глины, расположенном над слоем мягкой глины. О с т р и я о п и р а ю т с я на к р е п к у ю с к а л у . В идеальных условиях сваи, забитые до крепкой скалы, работают аналогично опорам, и осадка не превышает упругого сжатия свай. Однако если острия деревянных свай не защищены надлежащим образом, то они, очевидно, размочаливаются при забивке, и тогда благоприятный результат опирания на жесткое основание утрачивается. Если острия опираются на гладкую наклонную поверхность скалы, то они могут смещаться вниз по склону, ,причем на поверхности не будет заметно никаких признаков их возрастающего изгиба. Когда на сваи будет действовать вес здания, то изгиб увеличится еще больше, и фундамент может разрушиться. При таких условиях даже железобетонные сваи могут сломаться, а деревянные сваи вообще не должны использоваться. Острия забиты в выветрившуюся скалу. Выветрившиеся горные породы, в особенности метаморфического происхождения, могут быть такими же сжимаемыми, как и средняя глина. Однако они обычно содержат обломки относительно неповрежденной породы, которые мешают забивке свай через сжимаемые зоны. При таких условиях надежные сведения о возможной осадке могут быть получены только путем отбора ненарушенных кернов выветрившегося материала и расчета осадки по результатам испытаний на компрессию. Если осадка может предположительно превысить допустимое значение, то следует применить какой-либо способ, позволяющий пройти через зону выветрившейся скалы. Ост.рия забиты через с ж и м а е м ы е слои в п е с о к . Выше при рассмотрении предельной несущей способности одиночной сваи этого типа было показано, что осадка сваи зависит прежде всего от соотношения между сопротивлением острия и нагрузкой на сваю. Это же общее утверждение можно повторить и в отношении осадки всего фундамента. Если нагрузка на сваю равна или меньше сопротивления острия, то осадка, по-видимому, будет пренебрежимо малой. С другой стороны, если нагрузка больше, то осадка может быть большой и опасной. Но, во всяком случае, средняя осадка фундамента будет во много раз больше, чем осадка отдельной сваи, на которую действует «допускаемая расчетная нагрузка». Это положение иллюстрируется следующим примером. § 56. СВАЙНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ 533 Жилой дом в Вене (Австрия) был построен на ленточных фундаментах шириной 1 м в виде набивных бетонных свай, проходивших через рыхлый слой толщиной примерно 6 ж до довольно плотного гравия. Каждая свая несла нагрузку в 24 т. Н а рис. 193, б к р и в а я C0 и з о б р а ж а е т р е з у л ь т а т испытания пробной нагрузкой одиночной сваи, а С—кривую Рис. 193 а — изолинии осадок после окончания строительства кирпичных зданий на ленточных ростверках и конических сваях, забитых до плотного слоя гравия; б— соотношения нагрузка—осадка для одиночной пробной сваи и цля сваи под сооружением при такой же нагрузке осадки той же самой сваи в сооружении. Когда нагрузка, обусловленная весом здания, достигла предельного значения 24 г, осадка сваи была значительно большей, чем осадка той же сваи в процессе испытания пробной нагрузкой. К р и в ы е р а в н ы х осадок всего ф у н д а м е н т а через 11 недель после того, как здание было закончено, показаны на рис. 193, а. Полное отсутствие симметрии свидетельствует о том, что осадки определялись верхней частью плотного слоя и что они отражали прежде всего местные колебания сжим а е м о с т и этого слоя. Е с л и бы стены были идеально гибкими, то кривые равных осадок проходили бы без всякого перелома через осадочный шов посередине длины здания. Разрывы свидетельствуют о том, что стены действовали как полужесткие балки, которые перекрывали самые слабые 534 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ места в несущем слое. Однако с практической точки зрения осадка была несущественной, так как максимальная разность осадок не превышала 12 мм. Успех в данном случае был обусловлен тем фактом, что нагрузка на сваю была меньшей, чем сопротивление острия. В только что приведенном примере сопротивление острия было большим, потому что мягкими верхними слоями поглощалось только небольшое количество энергии во время забивки свай. С другой стороны, если некоторые из верхних слоев являются очень п л о т н ы м , то наибольшая часть энергии забивки расходуется .на преодоление бокового трения в этих слоях, и сопротивление дальнейшему погружению делается очень большим, тогда как сопротивление острия все еще продолжает оставаться очень низким. Надежные данные относительно сопротивления острия таких свай могут быть получены только в результате проведения испытаний пробной нагрузкой двух свай различной длины, как это описано на стр. 528. Более доступным, но менее надежным является метод определения сопротивления острия на основе наблюдений за ходом забивки сваи. В соответствии с этой методикой пользуются динамической формулой, чтобы вычислить предельную несущую способность сваи по отказу от последнего удара и по отказу от удара, сделанного непосредственно перед тем, как острие входило в несущий слой. Сопротивление острия равно разности двух значений, рассчитанных таким образом. Однако ошибка, связанная с этой методикой, может быть очень большой, потому что оба вычисленных значения отличаются той неопределенностью, которая вообще ,получается при применении динамической формулы. Если исследования показывают, что сопротивление острия является недостаточным, то оно может быть увеличено применением б у р о з а б и в н ы х с в а й . Этот термин означает предварительную проходку скважины вплоть до поверхности удовлетворительного несущего слоя. После того как скважина сделана, в нее вставляется и забивается свая. ТаКим образом энергия, которая затрачивается на забивку острия в несущий слой, возрастает, и соответственно сопротивление острия тоже увеличивается. Если нагрузка на сваю не превышает 2/з сопротивления острия, то осадка фундамента не будет иметь существенного значения, независимо от расстояния между сваями. Расстояние в 3d удовлетворяет всем практическим требованиям. Центральные сваи куста следует забивать первыми для того, чтобы убедиться, что их острия войдут на достаточную глубину в несущий слой. В некоторых местах скала покрыта сложным напластованием, состоящим из беспорядочно расположенных карма- § 56. СВАЙНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ 535 нов песка или песка и гравия, чередующихся с карманами более сжимаемого материала, вроде глины или глины с обломками горной породы. Это сложное напластование покрыто мягкими отложениями. Обычное разведочное бурение может не вскрыть его действительного строения. Однако при забивке пробной сваи колебания в характере грунта выявляются. Например, на рис. 190, б приведена диаграмма забивки сваи через насыпной грунт и торф в песчаный слой, содержащий прослойки и карманы глины. Кривая состоит из наклонных участков, как например ab, за которыми следуют вертикальные участки. Эти резкие переходы свидетельствуют, по-видимому, о переходе острия сваи из твердого грунта в мягкий ил или глину; если бы грунт ниже уровня точки b был аналогичен грунту выше этой точки, то кривая продолжалась бы так, как это показано пунктиром be. Поскольку диаграмма забивки имеет несколько таких перегибов, то острие сваи, очевидно, прошло через несколько твердых слоев, чередующихся с мягкими слоями. Однако аналогичные внезапные переходы могут быть вызваны также проникновением острия сваи из плотного слоя песка в рыхлый. Эта возможность иллюстрируется рис. 120. Во всяком случае отдельные сваи куста, забитого в грунт с эрратическим профилем, очевидно, встретят отказ на самых различных глубинах. Например, одна из двух соседних свай, забитых на расстоянии 75 Cjtt друг от друга в грунт, показанный на рис. 120, получила отказ на глубине 18 м, в то время к а к другая проникла до глубины 25,5 м. Если грунт, расположенный между остриями свай с очень различной глубиной забивки, состоит только из рыхлого песка, то поведение куста сваи под нагрузкой может быть вполне удовлетворительным. Однако, если грунт содержит карманы из мягкой глины или ила, то осадка опор, поддерживаемых сваями, может оказаться чрезмерной. Следовательно, если соседние сваи получают расчетный отказ на сильно различающихся глубинах, то следует провести рядом бурение, чтобы вскрыть причину этого различия. Если бурение покажет, что грунт содержит карманы очень сжимаемого материала ниже концов самых коротких свай, то необходимо продлить забивку всех этих свай до отметок, расположенных ниже зоны, содержащей карманы. Если этого нельзя сделать с помощью подмыва, то может потребоваться буро-забивное погружение. Все те сваи, которые получают отказ выше уровня самых низких мягких карманов, должны вытаскиваться и заменяться сваями надлежащей длины, либо если они оставляются, то должны забиваться дополнительные более длинные сваи. На поймах и вдоль морского побережья устройству свайных фунд а м е н т о в часто предшествует отсыпка насыпи над местом будущего сооружения. Если грунт состоит из рыхлого песка 536 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ или других весьма проницаемых и относительно несжимаемых грунтов, то влиянием насыпи на сваи можно пренебрегать. С другой стороны, если грунт содержит прослойки мягкого ила или глины, то наличие насыпи значительно увеличивает нагрузку на сваи и вследствие этого вызывает также увеличение осадок. Этот факт впервые установили в Голландии, где многие здания, расположенные в прибрежных районах, опираются на сваи-стойки, забитые примерно на 18 м через очень мягкие грунты в слой песка. Там, где территория незадолго перед забивкой свай покрывалась толстым насыпным слоем, было обнаружено, что здания, поддерживаемые сваями, чрезмерно осели. Причина этих осадок очевидна. До забивки свай сжимаемые слои постепенно консолидируются под весом вновь отсыпаемого грунта, и насыпь садится. Как только забиваются оваи, материал насыпи, расположенный в верхней части кустов свай, не может больше свободно оседать, потому что движению вниз оказывает сопротивление поверхностное трение между насыпью и сваями. Незаметное движение 'вниз насыпи по отношению к сваям является достаточным, чтобы перенести на сваи вес всего насыпного грунта, расположенного в пределах куста. Если А — площадь горизонтального сечения, ограниченного периметром куста, п — число свай, Я — толщина насыпи и j — объемный вес насыпного грунта, то нагрузка Q', которая действует на каждую сваю от веса насыпи в пределах куста, будет Q' = - т Н . п (56.4) В промежутках между кустами вес насыпи вызывает постепенную осадку. Если кусты состоят из свай-стоек, то эти сваи не участвуют в движении вниз, и вследствие этого грунт, который окружает кусты, перемещается вниз относительно последних. Он стремится увлечь каждый куст вместе с собой. Этот эффект усиливается по мере того, как прогрессирует консолидация глины, окружающей кусты. Минимальное значение направленной вниз силы зависит от величины, на которую оседает поверхность глины. Оно равно почти нулю для очень маленьких осадок и возрастает с их увеличением. Оно не может сделаться большим, чем произведение толщины H слоя глины на периметр L куста свай и на среднее сопротивление сдвигу s глины. Если п —количество свай в кусте, то максимальное значение направленного книзу усилия будет LHs § 56. СВАЙНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ 537 Действительное значение Q" располагается в пределах м е ж д у нулем и Q^iax. П р и современном уровне наших знаний оно может быть определено только умозрительно. Силы, которые с о з д а ю т н а г р у з к и Qf и Q", н а з ы в а ю т о тр и ц а т е л ь н ы м п о в е р х н о с т н ы м т р е н и е м . С увеличивающимся расстоянием 'между сваями увеличиваются к а к " Qтак и Q". Следовательно, чтобы уменьшить влияние отрицательного поверхностного трения, расстояние между с в а я м и д о л ж н о быть уменьшено до 2,5 d, что п р е д с т а в л я е т собой минимум, допустимый практически. Если Q является нагрузкой от здания на сваю куста» забитого через свежую насыпь и мягкую глину в слой песка, то нижние концы свай воспримут в конечном итоге нагрузку Qt^Q + Q'+Q". (56.6) Если эта нагрузка больше, чем сопротивление острия сваи, го осадка фундамента будет чрезмерной независимо от того, какую предельную несущую способность может выявить испытание пробной аваи. Следовательно, при проектировании фундамента из свай-стоек на месте недавно отсыпанной насыпи должны быть определены как сопротивление острия, так и значение Qt !уравнение (56.6)]. Острия, забитые через сжимаемые слои в ж е с т к у ю г л и н у . В этом случае наибольшая часть нагрузки на сваи воспринимается остриями. Это вызывает значительную концентрацию напряжений в глине поблизости от острия каждой сваи. Результаты испытаний пробной нагрузкой одиночной сваи могут быть совершенно успокаивающими, потому что, во-первых, основная часть нагрузки во время испытания поддерживается поверхностным трением, и, во-вторых, консолидация глины поблизости от острия свай развивается очень медленно. Однако с течением времени осадка, обусловленная, этой консолидацией, может стать очень большой. Чтобы получить надежные сведения относительно этой возможности, рекомендуется забить стальную трубчатую сваю с коническим свободно прикрепленным башмаком через мягкие слои в жесткую глину. Испытание пробной нагрузкой производится с помощью введенной в трубу стойки, которая передает нагрузку непосредственно на острие. Диаметр трубы должен быть приблизительно равен нижнему диаметру ствола проектируемых свай. Острие предпочтительно делать из проницаемого материала, как например, из искусственного пористого камня. Нагрузка должна оставаться на острие по крайней мере в течение месяца. Осадка должна измеряться 1 раз в день в течение первой недели, а затем 2 раза в неделю. Форма кривой «время — осадка», которая получается в результате нанесения на график данных 538 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ наблюдений, позволяет, хотя бы приближенно, определить предельную осадку сваи. Расстояние между сваями должно быть не меньше 3d, чтобы уменьшить, насколько это возможно, нарушение глины, образующей несущий слой. Следует рекомендовать расстояние в 3,,5 d. Р а з н и ц а между предельной осадкой одиночной пробной сваи и :всего фундамента, по-видимому, не будет существенной. Если площадь, которая должна быть занята фундаментом, недавно покрыта насыпью, то фундамент должен быть рассчитан на нагрузку Qt на сваю [уравнение (56.6)] из-за отрицательного поверхностного трения. О с т р и я р а с п о л о ж е н ы в п р о ч н о м слое, подс т и л а е м о м м я г к о й г л и н о й . Если толстый несущий пласт плотного песка расположен над слоем мягкой глины, то осадка свайного фундамента будет суммой двух независимых друг от друга членов. Первый равен осадке, которая произошла, бы, если бы слой песка не подстилался сжимаемым материалом. Факторы, определяющие эту часть осадки, рассмотрены выше. Второй член обусловливается постепенной консолидацией сжимаемого слоя, расположенного под пластом, в котором остановились острия свай. В то время как первым членом можно пренебрегать, если фундамент запроектирован надлежащим образом, второе слагаемое может быть очень большим и опасным. Эта возможность часто не учитывалась даже в последние годы. В одном'случае около 5 000 деревянных свай длиной 24 м были забиты до плотного песка через насыпной грунт и 15—19,5 м рыхлого мелкого песка, содержащего тонкие прослойки ила и мягкой глины. Овай были расположены кустами и связаны ростверками. Нагрузка на сваю равнялась примерно 16 т, что составляет меньше четверти предельной несущей способности, определенной испытаниями пробных свай. Предполагалось, что осадка будет практически отсутствовать. Однако в действительности фундаменты осели более чем на 60 см. Причиной осадки был слой глины толщиной 9 м, расположенный на 7,5 м ниже концов с а м ы х длинных свай. Влажность глины была близкой к пределу текучести. Осадка свайного фундамента, обусловленная консолидацией мягкого слоя под несущим пластом, может быть рассчитана по методу, описанному в § 13 и 36, при допущении, что сооружение является идеально гибким и что нагрузка действует непосредственно на поверхность несущего пласта. Полная нагрузка, которая вызывает консолидацию, равна разнице между полным эффективным весом здания и эффективным весом вынутого грунта (§ 55). Надежность этого метода иллюстрируется рис. 194, на котором приведен упро- § 56. СВАЙНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ 539 щенный план и вертикальный разрез здания со стальным каркасом и облицовкой из тесаного камня. Сооружение опирается примерно на 10 000 деревянных свай длиной около 8 м, забитых таким образом, что их концы входят в верхнюю часть слоя плотного песка. Нагрузка на сваю составляет 15 г. Поскольку с р е д н я я о с а д к а пробных свай составляла всего 6 мм под нагрузкой в 30 т, то проектировщик не ожидал, что максимальная осадка всего фундамента может превысить это значение. Однако действительная максимальная осадка превысила 30 Cjtt в течение двух лет с момента Мягкая J и бглоилнееаt U-вм Рис. 394 а и б—план и р а з р е з с о о р у ж е н и я на сваях, забитых в плотный слой песка над мощным отложением глины; в — изоли- нии осадки сооружения окончания строительства. Изолинии наблюденной осадки, выраженной в сантиметрах, на конец строительного периода показаны с левой стороны рис. 194, в. С правой стороны показаны изолинии расчетных осадок в долях от максимальной осадки. Несмотря на упрощающие допущения, расчетная разность осадок хорошо соответствует фактическим данным. Согласно результатам анализа осадок предельная максим а л ь н а я осадка будет составлять примерно 4.5 см, но фактическая осадка будет значительно большей вследствие вторичной консолидации (§ 14). Чтобы получить данные о величине осадки за счет консолидации сжимаемых слоев, расположенных под остриями свай, разведочное бурение должно быть дополнено по крайней мере несколькими скважинами трубчатого отбора, благодаря которому обеспечивается получение непрерывного керна из всех сильно сжимаемых пластов. Если требуется точное предсказание осадки, то необходимо произвести также бурение для отбора ненарушенных монолитов. Порядок испытания образцов грунта и метод расчета идентичны ре- 540 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ комендованным для расчета осадок фундаментных плит, расположенных на пластах мягкой глины (§ 55). Если из расчета следует, что осадка может превысить допускаемое значение, то должны быть рассмотрены другие виды фундаментов. Если же осадка будет допускаемой, то расстояние между сваями может быть определено с помощью тех же правил, которыми пользуются при фундаментах из свай-стоек, залегающих в песке. П о в т о р н а я д о б и в к а с в а й - с т о е к . При забивке свай через ил или глину ранее забитые соседние сваи могут подняться на высоту в несколько сантиметров, и их острия отрываются от поддерживающего грунта. Последующее приложение нагрузки на эти сваи вызывает осадку, равную предыдущему поднятию. Следовательно, если грунтовые условия способствуют поднятию, то необходимо установить марки на головах свай и наблюдать за ними время от времени с помощью нивелира. Если наблюдается поднятие, то сваи должны быть добиты перед сооружением ростверка. Осадка висячих свайных фундаментов В некоторые типы мягкого грунта сваи любого типа забиваются до большой глубины без заметного возрастания сопротивления забивке. Диаграмма забивки для таких свай похожа на диаграмму, показанную на рис. 190, г. В подобных случаях устраивают висячие свайные фундаменты, для которых минимальная длина свай определяется не сопротивлением дальнейшей забивке, а требованием, чтобы коэффициент основания куста против разрушения был равен минимум 2 или 3. Предельная несущая способность Qc каждого куста может быть определена с помощью формулы (56.3). Значение s в этом уравнении может быть лучше всего определено с помощью постепенной нагрузки вплоть до разрушения нескольких пробных свай различной длины. Однако, прежде чем (можно будет сделать расчет, необходимо решить вопрос о расстояниях между сваями. Согласно формуле (56.3), предельная несущая способность куста из свай трения возрастает с увеличением расстояния между ними. Кроме того, при данной нагрузке на сваю осадка куста, состоящего из данного числа свай, уменьшается по мере того, как расстояние увеличивается. Поэтому, казалось бы, чем больше расстояние между сваями, тем выгоднее. Однако эмпирические данные, касающиеся влияния расстояния на осадку, пока очень скудны. В 1915 г. два куста из свай трения в мягкой илистой глине были нагружены по 240 т на к а ж д ы й куст [56.91. К а ж д ы й куст состоял из 16 свай длиной по 23 м. В одном кусте сваи были распо- § 56. СВАЙНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ 541 л о ж е н ы на расстоянии 75 см друт от друга, а в другом на расстоянии 105 см. Через 40 дней обе группы дали осадку в 11,2 см, но через 270 дней осадка куста с более близким расстоянием составляла 27,5 см, а осадка второго к у с т а — т о л ь ко 20 см. Так к а к за такого рода выигрыш приходится расплачиваться устройством ростверков значительно больших 5) т»/т Вергликапьные налрян<ения\ В грунте 8 % н давлению по подшшве фундамента выше 75 50 до 75 25 до 50 ните 25 Рис. 195. Вертикальное давление в грунте под фундаментами на висячих сваях одинаковой длины и при одинаковой нагрузке на каждую а — при небольшой ширине фундамента по сравнению с длиной сваи; б — прн ширине фундамента, большой по сравнению с длиной сваи размеров, сомнительно, чтобы расстояние, превышающее 3,5 d, являлось экономичным. Если число свай в кусте увеличивается, то при данном расстоянии и при данной нагрузке на сваю как интенсивность максимальных напряжений в грунте, так и -глубина сильно напряженной зоны увеличиваются. Это видно из сравнения правых сторон эпюр на рис. 195, а и б. Вследствие этого осадка свайного фундамента, который покрывает большую площадь, является большей, чем осадка фундамента меньших размеров при одинаковой нагрузке на сваи одинаковой длины, забитых на одинаковом расстоянии друг от друга. Аналогично этому осадка фундамента, покрывающего данную площадь и несущего данную общую нагрузку, уменьшается с увеличением длины свай, несмотря на тот факт, что для восприятия нагрузки требуется меньшее число свай. Это заключение подтверждается опытом любого города, где грунтовые условия требуют висячих свайных фундаментов [56.10]. 542 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ С левой стороны рис. 195, а и б показаны интенсивность и распределение напряжений в грунте, вычисленные при допущении, что сваи отсутствуют. Предельная осадка свайных фундаментов, показанных с правой стороны, может быть приближенно определена с помощью следующего упрощающего допущения. Выше уровня нижней трети длины свай влажность глины остается неизменной, а ниже этого уровня происходит консолидация последней так, как если бы здание опиралось на этой отметке на гибкую плиту. Наличием свай пренебрегают. В соответствии с этим допущением преимущество, получаемое от применения свай, эквивалентно замене грунта практически несжимаемым материалом, который простирается от подошвы ростверка до глубины, равной 2/з длины свай. Если эта глубина в несколько раз больше, чем ширина ростверка, а фундаменты далеко отстоят друг от друга, то осадка свайного фундамента будет незначительной, каким бы плохим ни был грунт. С другой стороны, если эта глубина значительно меньше, чем ширина нагруженной площади, а нагруженная площадь имеет значительные размеры, то предельная осадка может быть чрезмерной даже при умеренной нагрузке. Это заключение нашло бесспорное подтверждение на опыте. Как опыт, так и теория показали также, что сплошные ростверки под всем сооружением, поддерживаемые равномерно нагруженными и равномерно распределенными сваями трения, всегда стремятся аналогично сплошным фундаментным плитам принять форму мелкой чаши. Если сооружение имеет подвальный этаж, то нагрузка, вызывающая консолидацию, равна разнице между эффективным весом здания и эффективным весом грунта, который был вынут, чтобы образовать подвал (§ 55). Уравнения эффективности Выше было показано, что осадка свайного фундамента вообще не имеет никакого отношения к осадке одиночной сваи под нагрузкой, равной нагрузке на каждую сваю в кусте. Возрастающее понимание этого факта привело к различным попыткам выразить влияние числа свай и их расстояния друг от друга на осадку фундамента с помощью так называемых уравнений эффективности 156.4, 56.11, 56.121 Однако чрезвычайное разнообразие грунтов, встречающихся в практике применения свай, исключает возможность установления небольшого числа достаточно точных уравнений эффективности, имеющих общее значение. Влияние числа свай и расстояний между ними на соотношение между осадкой одной сваи под заданной нагрузкой и осадкой куста свай под той же нагрузкой на каждую сваю зависит в значительной сте- § 56. СВАЙНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ 543 пени от последовательности залегания и свойств пластав грунта. Кроме того, при данной длине свай и расстоянии между ними это соотношение сильно зависит от величины нагрузки на сваю. Тем не менее ни в одной из существующих теорий эффективности этим решающим фактам не уделяется должного внимания. Вследствие большого числа и разнообразия факторов, от которых зависит правильное решение, представляется, мягко говоря, крайне сомнительным, являются ли вообще уравнения эффективности шагом вперед. Как при настоящем уровне наших знаний, так и много еще лет в будущем, следует предпочитать рассмотрение каждого случая в отдельности и определять возможную осадку запроектированного свайного фундамента, исходя из физических свойств грунтов, на которые передается нагрузка с помощью свай. Примеры использования этой методики были уже приведены выше. Если возможная осадка превышает допускаемый максимум, то проект должен быть переработан. Максимальная допускаемая осадка свайных фундаментов определяется теми же факторами, что и допускаемая осадка раздельных и сплошных фундаментов (§ 54 и 55). Если распределение нагрузки ,по основанию сооружения является очень неравномерным, то дополнительные напряжения в конструкциях, обусловленные неодинаковой осадкой, могут быть заметно снижены в результате разделения сооружения на блоки с помощью сплошных вертикальных швов. Выбор типа свай При проектировании свайного фундамента можно выбирать между несколькими различными типами свай, каждый из которых отвечает требованиям надежности. Окончательный выбор предопределяется экономическими соображениями и условиями производства работ. До конца прошлого столетия применялись почти исключительно непропитанные деревянные сваи. Этот тип свай относительно дешев, но он имеет два существенных недостатка. Во-первых, деревянная свая должна срезаться ниже самого низкого уровня грунтовой воды. Если в дальнейшем этот уровень понижается в результате постоянного изменения гидрогеологических условий, то верхние части авай загнивают в течение относительно короткого времени. Во-вторых, деревянная свая может сломаться, если ее забивать слишком интенсивно, хотя производитель работ, возможно, не заметит ничего необычного 156.8]. Риск загнивания может быть уменьшен в результате пропитки сваи антисептическими средствами, но риск поломки может быть уменьшен только путем прекращения забивки сваи, хотя несущая способность может быть все еще относительно низкой. Поскольку 544 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ железобетонные или стальные сваи могут забиваться интенсивнее, чем деревянные, без риска повреждения, допускаемая проектная нагрузка на такие сваи значительно выше, чем нагрузка на деревянные сваи. Признание этого факта на практике иллюстрируется величинами нагрузок, которые обычно рекомендуются на сваи различных типов. Эти значения приведены в табл. 25. Т а б л и ц а 25 Обычные расчетные нагрузки на сваи Тип свай Допускаемая нагрузка в т Деревянные Составные Набивные бетонные . . • • Железобетонные Стальные двутавровые • • 15-25 20—30 30-40 30-45 30—45 Хотя «допускаемые расчетные нагрузки» на сваи различных типов также различны, однако расстояние между сваями всех типов практически одно и то же. Поэтому ростверки, которые требуются, чтобы передать заданную нагрузку на деревянные сваи, являются значительно большими и более дорогими, чем ростверки с такой же несущей способностью, которые поддерживаются бетонными или стальными сваями. Кроме того, подошвы ростверков на бетонных или стальных сваях могут быть заложены на любом удобном уровне, в то время как подошвы ростверков на деревянных сваях должны быть расположены ниже самого низкого горизонта воды. Эти преимущества во многих случаях компенсируют то, что стоимость бетонной или стальной сваи в несколько раз выше стоимости деревянной сваи. Д о начала XX столетия все бетонные сваи армировались и забивались в грунт. В течение последующего десятилетия ,получили широкое распространение набивные бетонные сваи, и их изготовление развилось ,в особую высоко специализированную отрасль строительной промышленности. Еще позже стали применять в качестве свай конструкционную сталь. Типы овай, которые могут быть выбраны проектировщиком, различаются по методу погружения, по форме, по характеру их поверхности и по некоторым другим признакам. Почти любой тип свай имеет особенности, которые делают его более подходящим при определенных грунтовых условиях и менее подходящим или даже неприменимым при других условиях. Например, если предполагается, что сваи будут нести нагрузку за счет поверхностного трения, то следует отдавать предпочтение коническим типам перед призматическими, а § 56. СВАЙНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ 545 сваи с уширением внизу неприемлемы вообще. С другой стороны, если предполагается, что они будут работать как стойки, то конические сваи не представляют никаких преимуществ, а сваи с уширенными концами могут оказаться в этом случае самыми лучшими, если только другие типы не будут более экономичными. Чтобы удовлетворить широкому разнообразию грунтовых условий, которые встречаются на практике, каждое крупное предприятие, занимающееся изготовлением свай, должно иметь возможность предложить несколько различных типов свай. На выбор типа сваи могут также влиять особенности производства работ. Для забивки железобетонных свай требуются тяжелые молоты с достаточно высокими копрами для забивки самых длинных свай. Они требуют также большой площадки для их изготовления и хранения. Без удовлетворения этим требованиям такие сваи применять нельзя. Если вибрации, вызванные забивкой свай, не могут быть допущены по тем или иным соображениям, то необходимо прибегнуть к погружению свай путем подмыва или с помощью бурения. Эти и аналогичные факторы должны учитываться при проектировании. Надлежащий выбор типа сваи требует всестороннего обдумывания, наличия опыта ведения свайных работ и глубокого понимания принципов, рассмотренных в настоящем параграфе. Обобщение принципов проектирования и строительства свайных фундаментов Проектирование свайных фундаментов прежде всего требует выбора типа, длины и расстояния между сваями, а также «допускаемой расчетной нагрузки» на сваю. Выбор типа сваи определяется в основном экономическими и практическими соображениями. При сравнении различных типов свай-стоек следует исходить из сопротивления острия, но не из полной предельной несущей способности. Длина свай-стоек определяется положением несущего пласта. Сваи трения должны применяться в любом типе грунта, насколько это возможно в экономическом отношении. В результате увеличения длины свай трения количество их, которое требуется для несения заданной нагрузки, сокращается, предельная несущая способность всего свайного фундамента увеличивается, а осадка уменьшается. Расстояние D между центрами деревянных свай с диаметром d должно приближенно отвечать следующим правилам: для свай-стоек, забитых до скалы или через мягкие пласты глины в песок вскоре после того, как поверхность земли была покрыта насыпным слоем, D =2,5 d. Д л я свай-стоек, забитых 546 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ через менее сжимаемые пласты в плотный песок и для свай трения в рыхлом песке D = 3 d. Д л я свай-стоек, забитых концами в жесткую глину, и для свай трения в мягкой глине— D = 3 ^ 3 , 5 d. «Допускаемая расчетная нагрузка» может быть определена либо с помощью динамической формулы, либо путем испытания пробных свай. Метод испытания пробных свай является более точным. Однако свайный фундамент не обязательно получается удовлетворительным, если даже нагрузка на сваю будет меньшей, чем «допускаемая расчетная нагрузка». Он может чрезмерно осесть или, если мы имеем дело с висячим фундаментом, может полностью потерять устойчивость. Чтобы избежать этого, необходимо проанализировать работу свайного куста в целом. Попытки оценить работу куста с помощью уравнений эффективности приводят к безусловным ошибкам. Все существующие уравнения претендуют на широкую область применения, в то время как разнообразие природных грунтовых условий приводит к тому, что любое такое уравнение может быть использовано лишь в крайне ограниченных пределах. Поэтому уравнения эффективности не должны применяться. Общие указания для оценки поведения свайного куста в зависимости от особенностей грунтового профиля были приведены выше. Сваи^стойки, забитые сквозь очень сжимаемые пласты в песок, могут чрезмерно осесть, если нагрузка на сваи не будет значительно меньшей, чем сопротивление острия. Если значительная часть энергии ударов молота поглощается поверхностным трением в самых верхних пластах, то сопротивление острия может быть меньшим, чем «допускаемая расчетная нагрузка». В опорных случаях следует определять сопротивление острия. Если отдельные сваи-стойки в кустах дают отказ на очень различных глубинах, то следует произвести поблизости от куста бурение, чтобы определить причину отклонений. Если в результате бурения обнаруживается, что грунт, расположенный между концами самых коротких и самых длинных свай, содержит карманы или прослойки мягкой глины или ила, то лишь те сваи могут рассматриваться как удовлетворительные, которые забиты ,ниже уровня самых низких карманов. Остальные сваи не должны приниматься в расчет и их следует заменять запасными сваями, которые должны быть погружены до необходимой глубины подмывом или с помощью бурения. Кусты из свай-стоек, забитых сквозь пласты глины, покрытые сверху свежеотсьшанной насыпью, будут испытывать действие нагрузки не только от сооружения, но также и от веса свеженасыпанного грунта, расположенного между сваями в каждом кусте, и со стороны отрицатель- § 56. СВАЙНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ 547 ного поверхностного трения вдоль вертикальных границ кустов. Если концы свай в больших кустах забиваются в песок, расположенный над слоями мягкой глины, или если такие кусты полностью залегают в мягкой глине, то большая постепенная осадка неизбежна и ее следует рассчитать еще до начала строительства. Большие кусты из свай трения, залегающих в мяткой глине, MOiryT не обладать н а д л е ж а щ е й устойчивостью против разрушения основания куста, как целого. Следовательно, коэффициент запаса против такого разрушения необходимо определять во всех случаях. Если сваи забиваются в песок без помощи подмыва, тозабивка должна идти от центра куста по направлению к краям. Сваи трения в мягком иле или глине должны забиваться до одной и той ж е глубины, независимо от количества ударов в конце забивки. Сваи других типов должны забиваться до тех пор, пока число ударов в конце забивки не будет равным числу ударов в конце забивки пробных свай, в результате испытания которых были получены данные для определения расчетной нагрузки. Если сваи-стойки должны быть забиты через плотные пласты, залегающие на слабых сжимаемых грунтах или чередующиеся с последними, то может потребоваться применение подмыва или бурения для погружения свай. ЛИТЕРАТУРА 56.1. R. D. C h e l l i s 1 Pile-driwing handbook, Pitman Publishing corp.. New York, 1944, главы IV и V. В этой книге, как и во многих других пособиях по сваям, динамическим формулам уделяется гораздо больше внимания, чем они того заслуживают. 56.2. К. T e r z a g h i , The actual factor of safety in foundations, ,Structural Eng",. vol. 13, 1935, стр. 126—160. Данные об осадках свайных фундаментов. 56.3. А. Е. C u m m i n g s , Pile foundations, Proc. Purdue conf. soil mech. Lafayette, Ind., Sept. 1940, стр. 320—338. Обобщение практических данных, определяющих выбор типа свай. 56.4. W. F. S w i g e r , Foundation tests for Los Angeles steam plant, .Civil Eng" . vol. 11, 1941, стр. 711—714. Результаты испытания пробной нагрузкой свайных кустов в мелком песке и анализ Калифорнийского уравнения эффективности. 56.5. R. М. M i l l e r , Soil reactions in relation to foundations on piles, „Trans. ASCE". vol. 103, 1938, стр. 1193—1236. Обзор различных грунтовых условии, встречающихся при производстве свайных работ. 56.6. V. H a n s e n and F. N. К n е a s, Static load tests for bearing piles, „Civil Eng"., vol. 12, 1942, стр. 545—547. 1 Полевые опыты для определения полной нагрузки, воспринимаемой за счет сопротивления острия при различных глубинах забивки. 56.7. Н. P r e s s 1 T h e bearing capacity of pile groups in relation to t h a t Iof single piles (in German) „Bautechnik", vol. 11, 1933, стр. 625—627. 548 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ Полевые опыты по определению влияния количества свай в кусте на несущую способность отдельной сваи в кусте в случае рыхлого песка. 56.8. Т. С. B r u n s , Don't hit timber piles too hard, ,Civil Eng.," vol. 11, 1941, стр. 726—728. О поломках деревянных свай при усиленной забивке. 56.9. С. W. S t a n i f o r d , Losding tests of lagged piles, , E n g . News", vol. 74, 1915, стр. 7 6 - 7 7 . ' Результаты испытания двух кустов из свай трения с различным расстоянием между сваями. 56.10. N. W. В. C l a r k e and J. В. W a t s o n , Settlement records and loading data for various buildings erected by the Public "Works Department, Municipal Council, Shanghai and J. A. Favret1 Foundation data, Proc. Intern., conf. soil mech., Cambridge, Mass., 1936, vol. II. стр. 174—186. Данные об осадках висячего свайного фундамента в Шанхае. Выступление в дискуссии Терцаги, см. т. III, стр. 92—96. 56.11. F. М. M a s t e r s , Timberfrictionpiie foundations, ,Trans. ASCE" vol. 108, 1943, стр. 1 1 5 - 1 4 0 . Испытание пробной нагрузкой нескольких кустов из свай-стоек и теоретическая интерпретация результатов испытаний. Данные о влпянчи расстояния между сваями на полную несущую способность кустов неубедительны из-за отсутствия надлежащих сведений о свойствах грунтов. Относительно теоретической стороны вопроса см. выступление в дискуссии Миндлина (стр. 147—149) и Каммингса (стр. 162—169). 56.12. Uniform Building Code, Pacificcoastbuilding official conference, Los Angeles, 1940, стр. 206 , 207. Типовые формулы эффективности. § 57. ОПОРЫ Назначение опор Опоры, или столбчатые фундаменты, представляют собой призматические или цилиндрические колонны, которые выполняют в основном те ж е функции, что и сваи или кусты свай. Если опоры сооружаются для мостов, их единственная цель сводится к передаче нагрузки на грунт ниже уровня самого глубокого размыва. В некоторых полупустынных районах опарами пользуются для того, чтобы передавать нагрузку на грунт на отметках ниже зоны периодического высыхания высокопластичных глин (§ 21). Однако во всех других случаях опоры служат аналогично сваям-стойкам для того, чтобы передавать нагрузку на плотные грунты, расположенные под слабыми пластами. Основное различие между столбчатыми фундаментами и сваями заключается в способе производства работ и во влиянии этого способа на нагрузку, которая может быть приложена к фундаменту без риска чрезмерных осадок. В § 56 указывалось, что расчетная нагрузка на сваю-стойку не должна превышать сопротивления острия независимо от того, чему равно поверхностное трение. Сваи-стойки забиваются молотом. Этот метод является весьма целесообразным, но забивку приходится прекращать, как только число ударов на единицу погружения превышает некоторое определенное § 57. О П О Р Ы 549 значение. В этот момент сопротивление острия может бытьбольшим, чем обычная расчетная нагрузка, но оно может быть также и значительно меньшим в зависимости от доли, энергии забивки, поглощаемой поверхностным трением. Опоры обычно погружаются в результате процесса экскавации, который является более медленным, чем забивка свай, но который можно продолжать до тех пор, пока дно котлована не достигнет отметки, намеченной проектом. Поэтому относительные достоинства опор по сравнению со сваями зависят прежде всего от грунтовых условий. Этот факт иллюстрируется следующими примерами. Если свая забивается через мягкий грунт в пласт плотного песка, то острие сваи вытесняет и уплотняет песок. Сопротивление острия такой сваи будет, очевидно, во много раз большим, чем сопротивление цилиндрической опоры того же диаметра, так как процесс погружения опоры не только не уплотняет песка, но д а ж е дает ему возможность расшириться. С другой стороны, если слой плотного песка перекрыт системой тонких прослоек мягкой глины и толстых слоев песка, то подавляющая часть энергии забивки, очевидно, будет поглощена поверхностным трением, и забивку придется прекратить, когда сопротивление острия будет все еще очень незначительным. При таких условиях возможно, что опоры будут более надежными и более экономичными, чем сваи-стойки. Если предполагается передать нагрузку от сооружения на крепкую скалу, на которой залегает толстый слой выветрившейся горной породы, которая в свою очередь находится под мягкими отложениями, то опорам можно отдать предпочтение по следующим соображениям. Некоторые из выветрившихся пород являются такими же сжимаемыми, как средняя или д а ж е мягкая глина. Все же они обычно содержат большие обломки менее выветрившегося материала. Эти обломки мешают забивке свай до крепкой породы, в то ж е время их легко удалить из котлована для опоры. Типы опор Поскольку сваи и опоры служат одной и той же цели, нельзя провести резкого различия между теми и другими. Набивные бетонные сваи в буровых скважинах можно назвать, опорами малого диаметра, потому что, по крайней мере теоретически, буровые скважины могут доводиться до любой глубины. Тонкостенные опускные колодцы устраиваются путем забивки тяжелой стальной трубы с режущим краем вплоть до скалы, а затем и в последнюю, настолько, насколько это возможно. В этом отношении такие опускные колодцы являются сваями. Когда труба перестает опускаться, грунт, заключенный в трубе, удаляют и сквозь выветрившийся верхний 550 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ слой скалы пробуривают скважину в прочной 'породе, после чего трубу и скважину заполняют бетоном. Эти операции ха- рактерны для устройства опор. Большое разнообразие конструкций, занимающих проме- жуточное положение между типичными сваями и типичными опорами, связано с таким же разнообразием и в методах про- изводства работ. Если диаметр опоры является достаточно малым, чтобы оправдать применение методов, используемых при бурении скважин, то опоры могут быть устроены почти в любом типе грунта. С другой стороны, наиболее подходящий метод устройства опор большого диаметра определяется глав- ным образом грунтовыми условиями. Если пытаются соору- дить такую опору методом, не приемлемым при данных геоло- гических условиях, то производитель работ будет вынужден изменить метод в процессе строительства. Но непредвиденное изменение способа производства работ всегда сопровождается значительной потерей времени и средств. Поэтому инженер, который выбирает метод сооружения опор большого диамет- ра, должен быть хорошо знаком со всеми деталями производ- ства работ, обеспечивающими успех. Наиболее распростра- ненные методы строительства рассматриваются ниже. Методы строительства опор большого диаметра Методы строительства опор большого д и а м е т р а могут быть подразделены на две основные категории: опускные колодцы и шахтный способ. Строго говоря, колодец представляет собой оболочку, внутри которой производится разработка грунта. Оболочка опускается в грунт до уровня подошвы фундамента и становится затем составной частью опоры. Самым старым типом является открытый сверху опускной колодец, изображенный на рис. 196, a—е. Колодец погружается под .действием своего ,собственного веса по мере того, как грунт у низа стен удаляется. Если основание расположено выше зеркала воды или если вода откачивается из зумпфа, то выемка может производиться ручным способом (рис. 196, а ) , в противном случае грунт должен удаляться с помощью грейфера (рис. 196,6 и в) и низ колодца заполняется подводным бетоном, когда достигается заданный уровень. Препятствия на пути ножа, как, например, погребенные стволы деревьев или валуны, могут задержать погружение колодца на несколько дней или недель. Если не представляется возможным удалить их в течение приемлемого промежутка времени, то работу следует продолжать методом сжатого воздуха (рис. 196,г). По мере того как кессон опускается, в рабочей камере поддерживается давление воздуха, равное гидростатическому давлению поровой воды на уровне ножа. По физиологическим соображениям применение воздушного давления ограничи- § 57. ОПОРЫ 551 вается глубиной примерно 35 м ниже уровня воды. При глубине больше 12 м стоимость опускания быстро возрастает. Метод сжатого воздуха должен применяться вместо откачивания воды также и в том случае, если требуется очистка забоя перед бетонированием. Два общепринятых способа устройства опор шахтным мет о д о м — это м е т о д Г а у (рис. 196, с?) и ч и к а г с к и й м е т о д (рис. 196, е). Но ни тем ни другим нельзя пользоваться, Рис. 196. Методы сооружения столбчатых фундаментов а, б и в — о п у с к н ы е к о л о д ц ы ; г — к е с с о н с о с ж а т ы м в о з д у х о м ; с) — о т к р ы т а я шахта с телескопической стальной оболочкой (метод Гау); е — открытая шах- та с деревянными прогонами и стальными кольцами (чикагский метдд) если невозможно откачать воду из шахты. При методе Гау стенки шахты поддерживаются рядом стальных цилиндров, к а ж д ы й из которых на 5 см меньше по диаметру, чем цилиндр, расположенный выше. Цилиндры забиваются легким молотом. Грунт удаляется вручную. Самая нижняя часть шахты обычно расширяется. После того, как выемка грунта закончилась, шахта заполняется бетоном, а цилиндры удаляются один за другим. Чикагский метод используется исключительно в глине. Цилиндрическая шахта проходится ручным способом захватками 552 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ (глубиной всего 60 см в мягкой и до 180 см в жесткой глине. Стенки шахты тщательно крепятся вертикальными досками, которые прижимаются к глине двумя или более стальными кольцами. Шахта затем углубляется еще на одну захватку и крепится таким же способом. Когда забой достигает конечной отметки, шахта заполняется бетоном. В сплошной глине вода не создает !никаких трудностей, но если встречаются водоносные пласты песка или ила, то требуется применение особых мероприятий. Устойчивость дна шахты при открытой разработке Устойчивость дна шахты определяется теми же факторами, что и в обычных котлованах (§ 47 и 48). В очень плотном песке возможно откачивать воду из колодца или из открытой шахты без нарушения устойчивости грунта ниже дна, так как деформация, вызванная фильтрационным давлением, не влечет за собой увеличения нейтрального напряжения. Однако в рыхлом песке деформация вызывает избыточное гидростатическое давление, которое стремится превратить песок в разжиженное состояние. В одном случае при устройстве опор сначала был удачно использован метод Гау (рис. 196,(3). Разрабатывался мелкий плотный песок, залегавший на скале на глубине примерно на 3 м ниже зеркала воды. Однако, под одной частью здания смесь песка и воды затопила шахты, как только разработка была доведена до глубины на несколько десятков сантиметров ниже зеркала воды. Все попытки остановить приток потерпели неудачу, и остальные опоры нужно было сооружать таким методом, который не требовал бы откачивания воды. Наиболее вероятная причина такого неожиданного осложнения заключается в том, что последние шахты, очевидно, проникли в большой карман рыхлого песка. Наличие таких карманов, окруженных плотным песком, примерно с тем же самым гранулометрическим составом, ни в коем случае нельзя считать необычным. Если откачка из зумпфов представляется неприемлемой, то можно воспользоваться методами предварительного осушения грунта с помощью иглофильтров, разработкой под сжатым воздухом или подводным землечерпанием. Иглофильтрами нельзя пользоваться, если основание опор находится глубже чем примерно на 6 м от уровня, на котором может быть уложен коллектор (§ 47). Если грунт состоит из мелкой пыли, то даже вакуумный метод может не привести к стабилизации (см. § 47). Вследствие высокой стоимости и других недостатков метода сжатого воздуха (см. стр. 550) чаще всего переходят на подводную разработку грунта. В результате такой разработки песчаного грунта, как правило, удаляется объем песка больший, чем объем колодца. § 57. ОПОРЫ 553 Если песок является рыхлым, то объем удаленного грунта может быть в 2 раза больше, чем объем колодца. Избыточная экскавация связана с выпуском грунта и оседанием поверхности на соседних участках. Однако этот выпуск может быть почти полностью предотвращен путем поддержания уровня воды в колодце на несколько десятков сантиметров выше з е р к а л а воды, к а к это показано на рис. 196, в. Избыточный напор вызывает течение воды из колодца в песок, расположенный в забое шахты, и соответствующее фильтрационное давление противодействует стремлению песка подняться. Чтобы поддерживать течение, оборудование, с помощью которого вычерпывается грунт, нужно поднимать из колодца медленно. Исследования грунта, которые требуются, чтобы узнать, является ли данный метод осушения приемлемым в том или ином случае, описаны при рассмотрении методов осушения открытых котлованов в § 47. При сравнении методов подводной разработки и кессонирования (с помощью сжатого воздуха) необходимо учитывать ряд обстоятельств. Если в грунте встечаются препятствия, то при подводном методе они могут вызвать непредвиденные задержки. При методе сжатого воздуха эти задержки отсутствуют, так как рабочие имеют непосредственный доступ к препятствиям. Этот метод имеет, еще и то дополнительное преимущество, что основание опоры может быть тщательно подготовлено и весь рыхлый материал может быть удален. С другой стороны, использование сжатого воздуха обходится значительно дороже. Определение поверхностного трения В процессе разработки грунта в опускном колодце грунт поддерживается стенками колодца. По мере опускания вниз к колодцу добавляются сверху новые секции. При опускании колодец встречает сопротивление со стороны поверхностного трения. Чтобы преодолеть это поверхностное трение, легкие опускные колодцы, например из стали, должны пригружаться балластом. С другой стороны, тяжелые колодцы, например из железобетона, могут опускаться под действием своего собственного веса. Пригрузка колодца сверху является громоздкой операцией, значительно увеличивающей стоимость работ. Поэтому бетонные колодцы проектируют обычно таким образом, чтобы их вес превышал поверхностное трение на каждой стадии строительства. Следовательно, при проектировании требуется определение поверхностного трения. Опыт показал, что теоретические методы определения поверхностного трения на основании испытаний грунта являются совершенно ненадеж- 554 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ ными (§ 30). Главным источником сведений о поверхностном трении является регистрация нагрузок, которые требуются, чтобы сдвинуть застрявшие колодцы. Эти данные говорят о том, что для данного грунта поверхностное трение на единицу площади контакта достигает довольно постоянного значения ниже глубины примерно 7,5 м. В табл. 26 приведены значения, которые были получены для колодцев при опускании в пределах глубин от 7,5 до 37,5 м. Д л я к а ж д о г о материала колебания значений довольно близки к колебаниям значений поверхностного трения того же грунта по сваям. Однако нельзя ожидать идеального соответствия потому, что при данном грунте fs зависит от формы самой н и ж н е й части колодца, от метода экскавации грунта и от диаметра колодца. Нельзя полагаться на величины, полученные на соседних работах, если известны не все обстоятельства, сопровождающие погружение колодца. В глине поверхностное трение, очевидно, возрастает со временем. Т а б л и ц а 26 Поверхностное трение для опускных колодцев Тип грунта П о в е р х но в сктгн/лосеа трение / 5 Ил и глнна мягкая . . . . Глина очень жесткая . . . Песок: рыхлый плотный Гравий плотный 750—3 ООО 5 0 0 0 - 2 0 000 1 250—3 500 3 500—7 000 5 000—10 000 Трение между стенками бетонных колодцев и такими грунтами, как ил или глина, может быть значительно уменьшено в результате покрытия колодца снаружи оболочкой, которая имеет гладкую смазанную поверхность и достаточно прочна, чтобы не сдираться при опускании колодца. Такая оболочка была применена при опускании колодцев для опор моста Сан-Франциско—Окленд. Результаты испытаний на трение, которые были проведены до начала строительства, свидетельствуют о том, что она уменьшила трение между бетоном и довольно жесткой глиной примерно на 40%. Допускаемое давление на песчаное основание опор Опоры служат для того, чтобы передать вес сооружений на плотное основание, покрытое мягким и сжимаемым грунтом. Если в такой грунт забиваются сваи, то почти вся нагрузка на них воспринимается в конечном счете сопротивлением острия (см. § 56). По той же причине полная нагрузка § 57. ОПОРЫ 555 на опору практически передается в конечном счете только на его подошву. Следовательно, допускаемая нагрузка на опоры, окруженные относительно сжимаемым грунтом, не может быть увеличена за счет поверхностного трения. Подземная часть опор моста может быть полностью окружена песком, имеющим низкую сжимаемость и способным нести значительную долю нагрузки на опору благодаря поверхностному трению. Однако подошва такой опоры обычно располагается на умеренной глубине ниже максимальной глубины размыва (§ 53). Во время исключительно высокого паводка большая часть песка, окружающего опору, временно уносится. Следовательно, даже в случае мостовых опор, полностью окруженных песком, следует принимать, что вся нагрузка на опору воспринимается основанием. Коэффициент устойчивости оснований против выпирания в случае опор на песке обычно имел бы достаточную величину, даже если грунт, окружающий опору, отсутствовал. Поскольку коэффициент устойчивости быстро возрастает с увеличением глубины заложения фундамента, можно считать гарантированным, что у опоры на песке разрушение основания не может произойти. Поэтому допускаемая нагрузка определяется исключительно лишь осадкой. Осадка нагруженной площади на песке зависит в значительной степени от напряженного состояния песка до приложения нагрузки. Опусканию колодца всегда предшествует разработка шахты. Этот процесс сопровождается уменьшением всех напряжений в песке, примыкающем к стенкам и к дну шахты. Если глубина шахты превышает в 4 или 5 раз ее диаметр, то напряженное состояние- песка поблизости от дна шахты практически не будет зависеть от глубины шахты. Поэтому следует ожидать, что влияние глубины заложения опоры на осадку будет относительно незначительным по сравнению с влиянием на предельную несущую способность. Это заключение подтверждается следующими наблюдениями. На одной и той же глубине производилось испытание'пробной нагрузкой двух круглых штампов площадью по 900 см2. Один штамп был расположен на дне большой открытой шахты, а другой на дне буровой с к в а ж и н ы диаметром 34,5 см. П р и нагрузке, равной 2 кг/см2, осадка ш т а м п а в ш а х т е сос т а в л я л а 22,9 мм, а осадка в буровой скважине 13,2 мм. Аналогичные опыты были проведены в шахте, к которой относится рис. 124. После того как шахта была вырыта до глубины примерно 15 м, испытание пробной нагрузкой было произведено с помощью штампа размером 900 см2. Осадка под нагрузкой в 2 кг/см2 составляла 6,4 мм. Второй штамп размером в I X l M2 был установлен на дне шахты, и небольшое пространство между краями штампа и боковыми стенками шахты было заполнено бетоном, чтобы предотвратить 556 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ какое-либо местное выпирание нагруженного песка. Осадка ш т а м п а под нагрузкой в 2 кг/см2 составляла 11,9 мм [57.1]. В соответствии с уравнением (54.1), осадка штампа тех же самых размеров на поверхности такого же песка при отсутствии ограничения или дополнительной пригрузки была бы 15 мм. Эти и некоторые другие наблюдения указывают на то, что осадка опор на песке при любой глубине заложения оказывается не меньше, чем, примерно, половина осадки одинаково загруженного фундамента такой же площади на таком же песке. Поэтому допускаемая нагрузка на опоры на песке может быть принята равной удвоенному значению допускаемой нагрузки на обычные фундаменты, залегающие на таком же песке в том же самом состоянии (§ 54). Если избыточное удельное давление на основание опоры не превышает этого значения, то м а к с и м а л ь н а я осадка не превысит 2,5 см. К р о м е того, если основания всех опор имеют приблизительно одну и ту же ширину, разность осадок соседних опор не превысит 12 мм. Если проектировщик считает допустимой осадку больших размеров, то он может увеличить соответственно нагрузку. Видоизменение этой методики может потребоваться в том случае, если основание мостовой опоры расположено довольно близко к уровню, до которого размыв может удалить песок. Размыв временно уменьшает глубину заложения опоры до размеров в 4 или 5 раз меньших ширины основания. Следовательно, давление на основание таких опор не должно превышать давления, допускаемого на обычные фундаменты той же площади, залегающих на таком же песке в водонасыщенном состоянии. Опоры на глине Допускаемое давление на основание опоры, залегающей на жесткой глине, определяется правилами, устанавливающими допускаемую нагрузку на обычные фундаменты на глине (табл. 22, стр. 488), независимо от глубины, на которой расположено основание опоры. Это правило является осторожным, так к а к н а п р я ж е н и я сдвига fs и t (рис. 77) увеличивают д о известной степени предельную несущую способность. Полная нагрузка, которая может быть безопасно приложена к глине под опорой, равна сумме допускаемой нагрузки на основание опоры и эффективного веса грунта, удаленного в процессе строительства. Следовательно, расчетная нагрузка на большие опоры при данной допускаемой нагрузке на основание может быть значительно увеличена, если делать опоры полыми. Эта возможность была неоднократно использована при проектировании мостовых опор. § 57. О П О Р Ы 557 Осадка опор на глине, аналогично осадке обычных фундаментов, зависит в значительной степени от истории загружения глины. Опоры на нормально обжатой глине являются не экономичными, а их осадка чрезмерной. Поэтому опоры должны устанавливаться только на переуплотненной глине. Однако если площадь основания опоры является большой, то состояние переуплотнения подстилающей глины не обязательно будет исключать значительные осадки. Это положение иллюстрируется следующим наблюдением. В конце прошлого столетия были опущены кессонным способом на толстый слой очень жесткой переуплотненной глины опоры моста через Дунай. Подошва каждой опоры имела длину 22,5 м и ширину 6 м. Эффективная нагрузка на основания опор к о л е б а л а с ь в пределах м е ж д у 3,3 и 4,8 кг/см2. Д л я очень жесткой глины давление это значительно ниже критической разрушающей нагрузки на основание. Все же через полвека разность осадок опор стала равной 7,5 см. Значение абсолютной максимальной осадки не представилось возможным определить, но нет никакого сомнения в том, что оно было значительно большим, чем дифференциальная осадка. Следовательно, если подошва опоры на жесткой глине имеет большую площадь, то следует рассчитать осадку. Неопределенность, связанная с расчетом осадок на переуплотненной глине, рассматривается в § 13. Опоры на естественных подушках Столбчатые фундаменты на естественных подушках не отличаются существенно от обычных раздельных фундаментов на таких же подушках. Опоры проектируются так, как если бы подушка залегала на жестком основании, но проект должен быть дополнен расчетом осадки (см. § 55). Обобщение правил определения допускаемой нагрузки на основания опор 1. Д о п у с к а е м а я нагрузка на основания опор на песке равна удвоенной допускаемой нагрузке для обычных фундаментов такой же площади на песке с такими же характеристиками (см. § 54). Осадка опор, запроектированных на основании этого правила, очевидно, не превысит 2,5 см. Если допускаются осадки больших размеров, то допускаемая нагрузка может быть соответственно увеличена. Если опоры окружены песком, который может быть удален в результате размыва во время паводка, то допускаемое давление должно приниматься равным допускаемому давлению для обычных фундаментов таких же размеров, залегающих на песке с такими же характеристиками. 558 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ 2. Если шахта для опоры проходится с помощью разработки грунта подводным способом, то уровень воды в шахте должен поддерживаться на несколько десятков сантиметров выше уровня воды снаружи. Это уменьшает вынос песка в шахту. Однако, даже в этом случае дно шахты будет очень неровным и частично будет покрыто слоем рыхлого песка. Следовательно, если песок удаляется подводным способом, то необходимо понизить допускаемое давление вследствие неизбежного нарушения песка. Никакого понижения давления не требуется, если разработка песка производится под сжатым воздухом. 3. Нормально о б ж а т а я глина 1не может быть использована как основание для опор. Допускаемое давление для опор на переуплотненной глине может быть выбрано по табл. 22. Если ширина основания опоры превышает 3 м, следует произвести расчет осадки. 4. Опоры на естественных подушках требуют такого ж е подхода, как и обычные фундаменты на таких же подушках. ЛИТЕРАТУРА 57.1. См. 44.9. Результаты испытания штампом на дне шахты на различной глубине от поверхности. 57.2. Е. L. C o r t h e l l , Allowable pressures on deep foundations, J. Wiley and sons, New York, 1907. Собраны данные о поверхностном трении опускных колодцев и о давлении на основания существующих опор. 57.3. Н. L. W i l e y , The sinking of the piers for the Grand Trunk Pacific bridge at Fort William, Ontario, Canada, „Trans. ASCE*, vol. 62, 1909, стр. 113—134. Данные о поверхностном трении. 57.4. Load tests on piers for Chicago New Union Station „Eng. NewsRecord". vol. 88, 1922, стр. 8 2 2 - 8 2 4 . Испытания в натуре опоры, построенной чикагским методом, для определения поверхностного трения. 57.5. Н. S. J a c o b y and R. P. D a v i s , Foundations of bridges and buildings, New York, 1941. Главы IX—XI содержат общее описание обычных методов сооружения больших опор. В главе X приведены также данные о поверхностном трении. § 58. ОСНОВАНИЯ ПЛОТИН Общие соображения Обычно считают, что плотины высотой более 60 м можно строить только на скальных грунтах. Поэтому в данном параграфе речь будет идти только об основаниях плотин меньшей высоты. Вообще основание плотины должно отвечать всем или некоторым из следующих требований: дифференциальная осад- § 58. ОСНОВАНИЯ п л о т и н 559 ка не должна быть большой; не должно быть опасности разрушения в результате сдвига, а также опасности повреждения или разрушения в результате горизонтального расползания; фильтрационные потери из водохранилища должны быть умеренными. Относительная важность этих требований зависит от ряда факторов. Например, бетонная или железобетонная плотина является настолько жесткой, что большие дифференциальные осадки наносят ей серьезный ущерб, если отсутствуют водонепроницаемые швы, допускающие относительное смещение различных частей сооружения. С другой стороны, плотины из каменной наброски и земляные нечувствительны к деформациям основания, если они не имеют бетонных диафрагм или если они не примыкают к жестким вспомогательным сооружениям, как например, бетонные водоспуски. Потеря воды в результате фильтрации сквозь грунт может не иметь никакого значения для сооружений, регулирующих паводки. Ввиду сложности связанных с ним проблем проектирование оснований плотин является значительно более трудным, чем проектирование оснований зданий. Здравый смысл и большой опыт играют здесь существенную роль. Поэтому в настоящей книге даются лишь основные принципы и общие указания. Осадки плотин Если плотина относится к жесткому типу или содержит жесткие элементы, то необходимо еще до начала строительства рассчитать осадку, чтобы знать, требуются ли швы между различными частями сооружения, и если это так, то какого смещения можно ожидать. Методы расчета не отличаются от описанных выше для определения осадки зданий (см. § 36). Чтобы дополнить имеющиеся данные относительно будущей осадки, часто выгодно прибегать к методу наблюдений (стр. 20). Примером может служить описанная ниже история строительства плотины через реку Свирь в России. Плотина состоит из железобетонного здания ГЭС (рис. 197) и бетонного водослива (рис. 198). Она залегает на слоистой сильно переуплотненной глине по меньшей мере 90 м толщиной. Согласно § 13, прогноз осадки за счет консолидации переуплотненной глины всегда является весьма ненадежным. Кроме того, график работ исключал возможность проведения тщательных исследований грунта до начала строительства. Поэтому было принято решение исходить при предварительном расчете осадки из результатов испытаний немногочисленных характерных образцов, отобранных из разведочных шурфов. Прогноз показал, что между электростанцией и соседней водосливной плотиной необходим шов и что между телом пло- 560 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ тины и примыкающим водобоем нельзя допускать жесткой связи. Предварительный расчет осадок также указывал «а то, что наполнение водохранилища заставит электростанцию наклониться по направлению к верхнему бьефу примерно на 1°. Горизонт водь Вы сони й горизонт +10,5 м Низкий горизонт +JiSAI Рис. 197. Р а з р е з по гидростанции, основанной на мощном пласте ленточной глины. Свирь Ul1 СССР (по Графтио) J—понур; 2 — водонепроницаемая песчанистая глина; 3 — шпунт о в ы е с в а и ; 4— г и д р о с т а н ц и я ; 5 — т у р б о г е н е р а т о р ; 6 —- п е с ч а н ы й фильтр; 7 — фильтровые колодцы /Гориэснт воды +17,1 м ,Высокий горизонт Низкий горизонт 36м Рис. 198. Разрез по плотине, основанной на мощном пласте глины. Устойчивость против сдвига повышена железобетонным анкерным понуром. Свирь III, СССР (по Графтио) I — водонепроницаемая песчанистая глина; 2 — железобетонный понур на песчаном фильтре; 3 — шпунтовые сваи; 4 — фильтровые колодцы; 5 — песчаный фильтр; 6 — шпунтовые сваи Поскольку турбины требовалось смонтировать до заполнения водохранилища и поскольку вычисленный наклон значительно превышал ту величину, которая считалась допускаемой конструкторами турбин, было решено установить турбины не вертикально, а с таким расчетом, чтобы они стали вертикальными, когда водохранилище будет наполнено. Чтобы бо- § 58. ОСНОВАНИЯ плотин 561 лее точно определить величину ожидаемого наклона, результаты предварительных испытаний грунта были использованы для вычисления перемещений во многих точках на поверхности и под поверхностью земли на различных стадиях строительства. По мере того как строительство продвигалось, измерялись смещения. Было установлено, что действительные смещения составляли в основном 0,35 от расчетных. Поэтому турбины были смонтированы с наклоном осей по направлению к нижнему бьефу в 0,35°, и когда водохранилище было заполнено, оси турбин оказались практически вертикальными 158.1]. Устойчивость бетонных плотин против сдвига Возможная поверхность сдвига в основании бетонной плотины может быть расположена в очень проницаемом материале, например, в чистом песке, в грунте с промежуточной проницаемостью (например, в иле) или же в глине, являющейся практически непроницаемой. Ниже рассматриваются только два крайних случая. Если поверхность сдвига находится в песке, то суммарное сопротивление сдвигу 5 в т на 1 м плотины будет S = (P-U) tgcp, где P —полное вертикальное давление на основание плоти- ны и вертикальная компонента давления воды на наклонные поверхности плотины в т(м\ U — полное нейтральное давление на подошву плотины в TfM] <Р — угол трения между бетоном и песком. Так как значение? составляет всегда не меньше 0,6 и нейтральное давление U может быть обычно снижено до очень небольшой величины с помощью соответствующих дренажных мероприятий, то почти всегда удается исключить угрозу сдвига по песку. С другой стороны, если основание содержит горизонтальные прослойки мягкой глины или если плотина залегает на толстом пласте глины, то может оказаться очень трудным обеспечить надлежащее сопротивление сдвигу. После того как глина под плотиной консолидировалась, сдвиг встречает сопротивление как со стороны сцепления, так и со стороны внутреннего трения. Однако, вследствие низкой проницаемости глины, консолидация происходит очень медленно, и, кроме того, скорость консолидации лишь в редких случаях можно надежно предсказать. Поэтому обычно рекомендуется пренебрегать сопротивлением трения даже в конце периода строительства и учитывать только сцепление. Чтобы сделать плотину, показанную на рис. 198, безопасной против сдвига, до того как подстилающая глина консолидируется, ширина ее подошвы была увеличена с 33 552 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ до 75 м с помощью железобетонного понура со стороны верхнего бьефа. Поскольку этот понур представлял собой одно целое_е плотиной, сцепление оказывало сопротивление сдвигу по всей длине в 75 м. Коэффициент устойчивости непрерывно возрастал вследствие консолидации глины от веса самой плотины, гак ж е как и от веса воды над понуром. Чтобы сделать вес воды эффективным, понур дренировался с нижней стороны. Повреждения или разрушения, обусловленные горизонтальным расползанием Рис. 199, а представляет собой вертикальный разрез по плотине из каменной наброски. Линия ab означает след вертикальной плоскости, параллельной оси плотины. На эту плоскость действует боковое давление земли РА, оказываемое материалом центральной части плотины. Сила Pa стремится сдвинуть кнаружи наброску, расположенную между ab и нижним краем подошвы С плотины. То же самое верно по отношению к каждой вертикальной плоскости, параллельной, оси плотины. Следовательно, грунт, расположенный под плотиной, подвергается действию горизонтальных сдвигающих напряжений. Действие этих напряжений зависит от сопротивления сдвигу грунта по подошве плотины и непосредственно под нею. Если плотина залегает на песке, то сопротивление сдвигу по подошве или ниже является всегда значительно большим, чем сдвигающие напряжения, обусловленные стремлением насыпи расползтись. Поэтому силы Pa (рис. 199, а) вызывают лишь небольшое удлинение ширины основания плотины. Однако это удлинение может быть достаточно большим, чтобы нанести ущерб относительнц жестким частям плотины. История плотины, приведенной на рис. 199,а, служит тому примером. Плотина имеет железобетонный экран на верхнем откосе, соединенный с верхней уширенной частью вертикального зуба. Поскольку стенка зуба имеет толщину 3,9 м, она является очень жесткой. По мере того как отсыпалась каменная наброска, нижний край верхового откоса сдвинулся во внешнюю сторону примерно на 26,5 см, а нижний край низового откоса — примерно на 2,5 см. По сравнению с высотой плотины эти смещения были очень незначительными. Тем не менее они оказались достаточными, чтобы разрушить верхние 12 м зуба. Так как через раскрытые трещины установилась свободная связь между водохранилищем и низовой стороной зуба, оказалось необходимым зацементировать трещины перед наполнением водохранилища. На рис. 199,6 показано распеределение горизонтальных напряжений по подошве плотины. Данные были получены пу- § 68. ОСНОВАНИЯ ПЛОТИН 563 тем измерения зазоров в швах между отдельными секциями дренажных труб, плотно соединенных в стыках, перед тем как начали отсыпать каменную наброску. Поскольку наклон Рис. 199 а — вертикальный разрез по плотине из каменной наброски, опирающейся на песок, слабый песчаник и глинистый сланец; б—распределение горизонтальных деформаций, обусловленных тенденцией насыпи к расползанию; 1 — каменная наброска; 2—подобранный фильтр; 3 — дренажный трубопровод; 4 — сбросной водовод; 5—мелкий песок, большей частью сцементированный и трещиноватый, слон разбитого сланца; 6—твердая глина; 7 — ж е л е зобетонный экран; 8—сечение максимальной наблюдав- шейся деформации верхового откоса каменной наброски (1:1) был значительно более крутым, чем наклон низового (1 : 1,3), напряжения сдвига и соответствующее натяжение под верховым откосом были значительно большими, чем под низовым. Величину удлинения основания насыпи нельзя надежно предсказать, исходя из результатов испытаний грунта. Поэтому единственным источником получения необходимых данных являются 564 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ результаты наблюдений в полевых условиях, подобно приведенным на рис. 199,6. Если основание плотины из каменной наброски или земляной плотины содержит пласт мягкой глины на небольшой глубине, то сдвигающие напряжения, вызванные стремлением к расползанию в горизонтальном направлении, могут ока- Ркс. 200. Разрушение плотины во время строительства в результате расползания в горизонтальном направлении по слою глнны между по- дошвой плотины и подстилающим слоем гравия / — мягкая глина; 2 — плотный гравий; 3 — очень жесткая глина; 4 — водонепроницаемое глиняное ядро заться достаточно большими, чтобы вызвать разрушение насыпи в результате расползания вдоль поверхности скольжения, расположенной в глине (рис. 200). Механизм разрушений этого типа и способы их предотвращения рассматривались в § 52. Большинство аварий этого типа произошло в период строительства. С течением времени сопротивление глины сдвигу возрастает и вследствие этого возрастает также коэффициент устойчивости против расползания. Фильтрационные потери Если плотина должна накапливать воду для энергетических целей, водоснабжения или ирригации, то надежность является не единственным требованием. Фундамент должен проектироваться таким образом, чтобы потери воды в результате фильтрации не превышали определенного максимума, установленного заранее проектировщиками. Потери воды могут происходить отчасти сквозь тело плотины, а отчасти сквозь естественный грунт, слагающий боковые стороны и дно водохранилища. Поскольку просачивание сквозь плотину может быть уменьшено при умеренных затратах до очень небольшой величины, только потери через естественный грунт, расположенный под плотиной или около нее, ставят нас, очевидно, перед серьезной проблемой. § 58. ОСНОВАНИЯ плотин 565 Если плотина расположена на проницаемом слое, который подстилается на умеренной глубине непроницаемым, то фильтрация под плотиной может быть прервана зубом, который простирается от подошвы плотины до непроницаемого пласта. В плотине, показанной на рис. 200, зуб является продолжением уплотненного глиняного ядра. Если непроницаемое основание находится на относительно большой глубине (см. рис. 199, а), то р а с х о д ы на сооружение сплошного зуба по всей длине плотины могут оказаться чрезмерными, и тогда только средняя часть зуба опускается до непроницаемого пласта. Если непроницаемый пласт расположен на такой глубине, что практически его нельзя достигнуть, то зуб доводится только до такой глубины, которая необходима, чтобы фильтрационные потери не превышали определенной величины (см. рис. 201, а). Во всяком случае зуб должен входить на некоторое расстояние в берега за пределами концов плотины, чтобы уменьшить потери в результате горизонтальной фильтрации в обход сооружения. Чтобы проверить, удовлетворяет ли проект данной плотины требованиям в отношении фильтрационных потерь, последние должны быть рассчитаны заранее. Определение фильтрационных потерь сквозь естественный грунт может быть выполнено только на основании фильтрационного профиля, показанного на рис. 126. В основных чертах этот ж е профиль приведен на рис. 201, а, а разрез по плотине показан на рис. 201,6. Фильтрация сквозь плотину исключается благодаря 30-см железобетонной диафрагме, которая опирается у подошвы плотины на зуб из шпунтовых свай. Нижний край зуба, изображенный на рис. 201,а пунктирной линией, расположен на значительном расстоянии выше скалы, так как фильтрационный профиль показывает, что проницаемость уменьшается с глубиной. Высокопроницаемый слой, расположенный непосредственно над поверхностью скалы, не оказывает никакого влияния на фильтрационные потери, потому что практически он изолирован более непроницаемыми слоями, расположенными выше. Этот факт был установлен в самом начале разведочных работ, так как при бурении было найдено, что этот слой содержит артезианскую воду под значительным давлением. И з рис. 201, а можно видеть без всякого расчета, что* потеря воды за счет почти горизонтального течения в обход концов плотины будет значительно большей, чем потеря воды, обусловленная фильтрацией ниже зуба, так как концевые сечения окружены грунтом с относительно высокой проницаемостью. Поэтому при определении потерь фильтрацией под зубом пренебрегали, и была построена сетка течения, характеризующая горизонтальный поток воды вокруг каждого из двух концов зуба. При вычерчивании сетки течения (рис. 566 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ 201, б) было произвольно принято, что проницаемые слои входят в берега на расстояние, равное 30-кратному горизонтальному расстоянию между концом зуба и берегом водохранилища. Таким образом считалось, что величиной фильтрационных потерь за пределами этого расстояния можно пренебрегать. Далее было принято, что все пласты грунта являются ESD 5-25 Значения к В 10~чсм/сек Масштаб в м а — фильтрационный профиль по оси плотины, расположенной в относительно проницаемом ледниковом отложений; б—разрез по плотине и основанию; в — сетка течения для определения фильтрационных потерь в обход плотины через горизонтальные проницаемые слои; 1 — гребень плотины; 2 —диафрагма; 3—шпунтовые сваи; 4 — скала; 5 — дренаж; 6—гравий; 7 — 30 см диафрагма; 8—стальные шпунтовые сваи; 9—скала; 1 0 — ш п у н т о в ы е сваи; 11 — водохранилище; 12 — принятая граница проницаемых слоев непрерывными. Поэтому расчет дал верхнее предельное аначенне фильтрационных потерь. Поскольку даже вычисленные таким образом величины потерь находились в пределах установленных норм, зуб из шпунтовых свай, показанный на рис. 201, был признан достаточным. Действительно, фактические фильтрационные потери оказались гораздо меньшими, чем вычисленные [58.2]. § 58. ОСНОВАНИЯ плотин 567 Аналогичный, но более тщательный расчет фильтрации был произведен для плотины, показанной «а рис. 199, а. Гребень сооружения имеет длину 450 м. Поскольку сплошной зуб был практически приемлем только под самой высокой частью плотины, под остальной частью сооружения ожидались фильтрационные потери от движения воды как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях. На основании результатов исследования проницаемости были определены значения k в горизонтальном и вертикальном направлениях. Однако размеры сооружения и строгие технические условия заставили проверить эти значения k еще до начала строительства. Д л я этого была пройдена шахта до глубины на 51 м ниже дна долины и измерен приток в нее 'воды. Он достигал 720 л в минуту вместо 1 100 л, найденных расчетом по величинам k, полученным при исследовании проницаемости. Данные, относящиеся к фильтрации в законченном сооружении, еще не представилось возможным получить [58.3]. Если найденные потери являются чрезмерными, то существуют два способа сокращения их. Либо можно увеличить глубину и ширину зуба, либо уменьшить проницаемость грунта в результате инъекции цемента, химических растворов или жидкой суспензии бентонита. Литература, в которой описываются различные методы инъекции, приведена в приложении. В общем, при средних и крупных чистых песках инъекция может быть успешной, но при очень мелких или илистых песках она не дает эффекта. Вытекание воды из грунта с низовой стороны зуба представляет собой потенциальный источник разрушения в результате подмыва. Механизм этого вида разрушения рассматривается в следующем параграфе. ЛИТЕРАТУРА 58.1. Н. G r a f t i o , Some features in connection with the foundation of Svir 3 Hydro-electric power development, Proc. Intern, conf. soil mech., Cambridge, Mass., 1936, vol. 1, стр. 284—290. 58.2. K- T e r z a g h i, Soil studies for the Granvill IDam at Westfield, Mass., „J. New Engl, water works assoc"-, vol. 43, 1929,'стр. 191—223. Обследование проницаемости основания земляной плотины, расположенной над неоднородными грунтами. Метод капиллярного поднятия, применявшийся при этом, вытеснен другими методами. 58.3. 1. Q u t m a n n , Algerian rockfill dam substructures, , E n g . NewsRecord", vol. 120, № 21, Mav, 26, 1938, стр. 749—751. 58.4. Т. Т. K n a p p e n and R. R. P h i П p p e, Practical soil mechanics at Muskingum-III1 ,Eng. News-Record', vol. 116, Apr. 23, 1936. стр. 595. Один из первых случаев применения механики грунтов к расчету основания плотины. 58.5. F- S. B r o w n , Foundation investigation for the Franklin falls dam J. Boston Soc. Civil Engrs.", vol. 28, 1941, стр. 126—143. Результаты исследования проницаемости. 568 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ § 59. МЕРОПРИЯТИЯ ПО ПРЕДОТВРАЩЕНИЮ ПОДМЫВА Общая характеристика разрушений в результате подмыва Если в основании плотины отсутствует совершенно непро- ницаемый зуб, то вода из водохранилища фильтрует сквозь грунт в нижний бьеф, где она может выходить в форме клю- чей. При определенных условиях рассматриваемых ниже, про- сачивающаяся вода может вызвать одно из следующих двух явлений. Либо фильтрационное давление может поднять весь массив грунта, расположенный вдоль нижнего края низового откоса, либо же вода, дото- рая вытекает из грунта у нижнего края низового от- коса, может вызвать процесс Рис. 202. Разрушение плотины, эрозии, который приводит вызванное подмывом к образованию тоннелеобраз- 1 — уровень воды до разрушения; 2 —мелкий песок со следами глины; 3 — скала ной промоины под сооружением. Смесь грунта и воды устремляется через эту промоину, подмывая сооружение и заполняя канал ниже пло- тины. Разрушения того и другого типа известны как р а з р у - ш е н и я от п о д м ы в а . Первый тип был назван р а з р у - ш е н и е м в р е з у л ь т а т е ф и л ь т р а ц и о н н о г о вы- п о р а , а второй тип — р а з р у ш е н и е м в р е з у л ь т а т е глубинной эрозии. Разрушение плотины в результате подмыва следует отнес- ти к наиболее серьезным катастрофам в строительной технике. Оно, очевидно, захватывает не только самое сооружение, но также и значительную толщу основания. Кроме того, оно не- редко происходит без всяких предварительных симптомов и влечет за собой человеческие жертвы и разрушения в нижних частях долины. Поэтому условия, которые приводят к подмы- ву, и средства предотвращения этой опасности заслуживают особого внимания. На рис. 202 показано типичное разрушение, вызванное под- мывом. Плотина контрфорсного типа опиралась на грунт с помощью железобетонной плиты с верховым зубом глубиной 2,7 м и низовым — глубиной 2,1 м. Разрушение произошло внезапно в результате прорыва воды под плотиной. В основа- нии образовалась промоина в 15,6 м, перекрытая сверху со- оружением. Причины и механизм подмыва Д о начала XX в. причины подмывов оставались неизвестными, хотя разрушения этого вида не были необычными. Про- § 59. МЕРОПРИЯТИЯ ПО ПРЕДОТВРАЩЕНИЮ ПОДМЫВА 569 ектировщики оценили значение противофидьтрационного зуба или шпунтовых свай, но правила для определения требуемой глубины забивки шпунта отсутствовали, так же как и методы определения коэффициента запаса в отношении разрушения от подмыва законченного сооружения. Однако после катастрофического разрушения в 1898 г. плотины Нэрора на р. Ганг в Индии этой проблеме было уделено больше внимания и была сделана первая серьезная попытка проанализировать накопленный опыт и установить ряд правил проектирования оснований для плотин на проницаемых пластах. Эти правила основывались на допущении, что единственной причиной подмыва является эрозия вдоль поверхности соприкосновения между грунтом и подошвой плотины. Путь, по которому частицы воды перемещались вдоль этой поверхности, был назван д л и н о й п о д з е м н о г о к о н т у р а или л и н и е й п р о с а ч и в а н и я . Если длина L линии просачивания была такой, что средний гидравлический градиент i=h/L был меньше, чем некоторое критическое значение для материала основания, то плотина считалась надежной. Величина была названа п о к а з а т е л е м п о д з е м н о г о к о н т у р а . Величина /!„означает максимальную высоту, до которой мог бы подняться уровень воды в водохранилище по сравнению с отметкой нижнего бьефа, не вызывая разрушения от подмыва. Имеющиеся данные о разрушениях указывают на то, что показатель Cc возрастает с уменьшением размеров частиц грунта примерно от 4 д л я гравия до 18 д л я мелкого песка или ила. Первый шаг в проектировании плотины на основании уравнения (59.1) состоял в том, чтобы определить показатель контура Cc д л я данного грунта. Это делалось с помощью таблицы, содержащей значения Cc для основных типов грунта. Требующаяся длина L линии просачивания получалась затем в результате умножения показателя подземного контура Cc на гидравлический напор hcr , создаваемый плотиной. Основавание проектировалось таким образом, чтобы длина линии просачивания была по меньшей мере равна L. Например, длина линии просачивания для плотины, показанной на рис. 203, составляет L=t1+t2 + B + ts + ti = B+Zt, и это расстояние должно быть по меньшей мере равным Cr hcr. В течение последующих 30 лет постепенно выяснилось, что вертикальные участки линии просачивания в большей степени содействуют уменьшению опасности подмыва, чем гори- 570 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ зонтальные участки такой же длины. Эта разница обусловливается тем фактам, что основание плотины обычно состоит из осадочных грунтов, а подобные отложения всегда бывают значительно менее проницаемыми в вертикальном направлении, чем в горизонтальном (см. § 11). Если kh и kv являются, соответственно, коэффициентами фильтрации в горизонтальном и вертикальном направлениях, то потеря напора на единицу длины вертикальных участков линии просачивания приближенно в khikv раз больше, чем для горизонтальных Неороницоемое основание Рис. 203. Определение длины подземного контура (линии просачивания) участков. Значение этого отношения колеблется между 2 или 3 и почти единицей в зависимости от особенностей напластования и величины изменений проницаемости в вертикальном направлении. Чтобы учесть большую эффективность вертикальных участков линии контура, первоначальная методика была видоизменена введением предположения, что каждый горизонтальный участок линии просачивания по эффективности соответствует только одной трети вертикального участка такой же длины. В результате этого допущения было получено уравнение Cw = ^ l - • (59.2) Значение Cw известно к а к п р и в е д е н н ы й п о к а з а т е л ь п о д з е м н о г о к о н т у р а . Поскольку уравнение (59.2) соответствует приблизительно отношению khjkv = 3 , ясно, что оно не учитывает широкой амплитуды значений, которые это етношение может иметь в полевых условиях. § 59. М Е Р О П Р И Я Т И Я П О П Р Е Д О Т В Р А Щ Е Н И Ю П О Д М Ы В А 571 Табл. 27 является выдержкой из списка безопасных значений Cw, полученных путем обработки данных о почти 280 фундаментах плотин, из которых 150 разрушились [59.1]. Т а б л и ц а 27 Приведенный показатель подземного контура Cw [уравнение (59.2)] Песок очень мелкий илн ил 8,5 Песок: мелкий 7 средний 6 крупный 5 Гравий: мелкий 4 средний крупный, содержащим 3,5 гальку Валуны с некоторым содер- 3 жанием гальки и гравия 2,5 (Заимствовано из Лэйна „Устойчивость против подмыва. Каменные плотины на грунтовом основании", Trans. ASCB lOo, 1935, стр. 1257). Метод подземного контура, предложенный для решения этой проблемы, является чисто эмпирическим. Аналогично любому другому способу, основывающемуся исключительно на статистических данных, он приводит к проектированию с неизвестным коэффициентом запаса. Практика и опыт показали, что значения ^[уравнение (59.2)] сильно отклоняются от среднего статистического значения для данного грунта. З н а ч е н и я Cw, приведенные в табл. 27, в ы р а ж а ю т максимальные, а не средние значения, и величины hcr, полученные с помощью уравнения (59.2) и табл. 27, выражают наименьшие напоры, при которых когда-либо происходил подмыв. Поэтому широкая амплитуда колебаний значений Cw по сравнению со статистическим средним значением говорит о том, что, к а к правило, коэффициент запаса для плотин, спроектированных на основе уравнения (59.2) и табл. 27, является очень высоким. При этом коэффициент запаса для одних плотин может быть чрезмерным, для других может быть только лишь терпимым, причем совпадение нескольких неблагоприятных обстоятельств может даже привести к разрушению. Аналогичное положение было отмечено при рассмотрении динамических формул для свай (§ 30 и 56) и методов проектирования фундаментов на основании табличных значений допускаемого давления на грунт (§ 54). Такое положение требует теоретических и экспериментальных исследований, чтобы пополнить существующие чисто эмпирические данные. 572 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ Теоретическое определение коэффициента запаса в отношении подмыва основывается исключительно на теории подмыва при фильтрационном выпоре (§ 40). Чтобы проверить эту теорию, были проведены испытания, иллюстрируемые рис. 204 [59.2]. 5) s ч Фильтр -гтл, CC=WR0FI7 Cc=IffrW ^Шг^ Рис. 204. Лабораторные опыты для определения критического напора при подмыве в различных условиях. Соответствующие значения по- казателя контура Cc указаны для каждого случая Приведенный коэффициент подземного контура для мельчайш°го песка, применявшегося в этих испытаниях, составлял C,j—7. Измеренные критические напоры hc, при которых происходил подмыв, напоры h'c, рассчитанные по теории подмыва, я напоры, найденные с помощью уравнения (59.2), приведены в табл. 28. Эта таблица показывает, что соответствие между значениями hc, н а б л ю д а в ш и м и с я при испытаниях, и значениями, вычисленными в соответствии с теорией подмыва (§40), является весьма удовлетворительным, в то время как значения Hcr являются слишком низкими. Если поверхность, через которую выходит вода, покрыта тяжелым фильтром, как это имело место в опытах, приведенных на рис. 204, б и г, то проектирование на основании уравнения (59.2) было бы слишком расточительным. Однако было бы опасным основываться при проектировании основания плотины на результатах теории подмыва и на лабораторных испытаниях, не рассмотрев предварительно этот процесс с чисто эмпирической точки зрения. § 59. М Е Р О П Р И Я Т И Я ПО П Р Е Д О Т В Р А Щ Е Н И Ю ПОДМЫВА 573 Т а б л и ц а 28 Сравнение между измеренными и вычисленными критическими напорами в опытах по ркс. 204 Характер опыта Опыт а, без фильтра Опыт б, с фильтром Опыт в, без фильтра Опыт г, с фильтром hc, наблюдаемое в опыте . . . . hc теоретическое (§ 40) . . . . hcn найденное по формуле (59.2) О т н о ш е н и е hc/hr О т н о ш е н и е hclhcr 3D 2,9 D 0,3 D 1 10 5,1 D 4,8 D 0,3D 1,1 17 1,2 D 1 D 0.14D 1,2 8 4.5D 4,6 D 0,14 0,97 '32 Как теория, так и испытания приводят к выводу, что коэффициент запаса в отношении подмыва при фильтрационном выпоре практически не зависит от крупности зерен. Кроме того, условия, которые определяют коэффициент устойчивости ,против выпора, не зависят от времени. Следовательно, образование подмыва в результате выпора должно произойти во время первого наполнения водохранилища, либо оно не происходит вообще. Опыт строительства находится в поразительном противоречии с этими выводами. Во-первых, этот опыт не оставляет никаких сомнений в том, что размеры зерен оказывают значительное влияние на критический напор. Во-вторых, большая часть разрушений в результате подмыва произошла через несколько месяцев или даже лет после того, как пострадавшие плотины были сданы в эксплуатацию. Следовательно, большинство (если не все) разрушений плотин, вызванных подмывом, было обусловлено подземной эрозией, а не выпором. Частые разрушения в результате подземной эрозии, очевидно, объясняются тем, что пласты естественного грунта всегда являются более или менее неоднородными. Когда вода фильтрует через такие пласты, она следует по наиболее проницаемым зонам и выходит из грунта в форме ключей. Если расход ключа является достаточно большим, а условия способствуют подземной эрозии, то ключ может в результате пятящегося размыва постепенно создать тоннель, растущий в направлении, обратном течению, и идущий вдоль линии максимального гидравлического градиента. Как только входной конец этого естественного тоннеля приблизится к дну водохранилища, вода врывается в тоннель и плотина разрушается в результате подмыва. Тоннели, образующиеся в результате эрозии, должны сохранять ничем не поддерживаемый свод, что возможно только в грунтах, имеющих по крайней мере следы сцепления 574 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ (§ 33). Чем больше сцепление, тем шире пространство, которое может быть перекрыто грунтовым сводом. Сцепление грунтов, в общем, возрастает с уменьшением размеров частиц. Поэтому угроза разрушения в результате подмыва вследствие подземной эрозии возрастает с уменьшением размеров частиц грунта, и соответствующее значение показателя контура тоже возрастает. Напор, требующийся для того, чтобы вызвать разрушение плотины от подземной эрозии, может быть значительно меньшим, чем критический напор подмыва при выпоре. Поэтому фундаменты плотины невозможно надежно спроектировать на основании теории подмыва при фильтрационном выпоре (§ 40), если возможность разрушения от подземной эрозии не исключена путем покрытия всех площадей, где могут появиться ключи, обратными фильтрами (§ И ) . Проектирование таких фильтров требует детального знания всех обстоятельств, сопровождающих подземную эрозию в натурных условиях. Подземная эрозия Разрушение плотин в результате подмыва является обычно настолько полным, что только в редких случаях можно восстановить всю картину катастрофы. Однако подземная эрозия может быть вызвана также неосторожной откачкой воды из открытых зумпфов или естественными процессами, как например, выпуск жил грунтовой воды в результате эрозии берегов реки. Такое явление обычно оставляет следы, доступные для открытого осмотра. Именно они являются основными источниками наших представлений о подземной эрозии. Ниже приводятся выдержки из описаний соответствующих наблюдений. Рис. 205 воспроизводит поперечный разрез по слегка наклонному поверхностному пласту гравия, который залегает на мощном пласте очень мелкого однородного рыхлого песка. В точке А был вырыт котлован для фундамента новой машины. Хотя этот котлован был окружен шпунтовыми сваями, Рис. 205. Подземная эрозия, вызванная откачкой смеси песка и воды из котлована А 1 — мелкий песок; 2 — гравий, слегка сцементированный каменной пылью и глиной § 59. МЕРОПРИЯТИЯ ПО ПРЕДОТВРАЩЕНИЮ ПОДМЫВА 575 забитыми на значительную глубину ниже отметки на котловане, насос все же откачивал вместе с водой и песок. Количество удаленного песка значительно превышало объем котлована. Прежде чем была достигнута окончательная отметка, здание рухнуло. В то же время в точке В образовался провал глубиной 90 см и д и а м е т р о м 6 ж на расстоянии в 90 м от котлована. Между Л и В поверхность земли оставалась неповрежденной. Следовательно, провал можно объяснить только выносом грунта из относительно узкой подземной промоины. Вероятнее всего, что эта промоина находилась непосредственно под слоем гравия, потому что слабо сцементированный гравий мог образовать потолок тоннеля размыва. В Рейнской области в течение 13 лет производилась откачка воды из колодца в песке. Дно колодца находилось на 4,8—6 м ниже первоначального зеркала воды. За это время три ключа, изливавшиеся в колодец, в результате пятящейся эрозии размыли тоннели в песке со слабым сцеплением. Каждый тоннель заканчивался правильной воронкой на поверхности земли. Самый большой тоннель был от 0,9 до 1,8 м шириной, и его длина достигала 51 м при среднем уклоне только в 6%. Воронка у конца этого тоннеля имела 2,4 м глубины и 10,5 м в диаметре. В д р у г о м случае был р а з р а б о т а н к о г л о в а н д л я с о о р у ж е ния сточного коллектора. Котлован прорезал довольно жесткую глину и вошел в мелкий песок, который осушался путем откачки из зумпфа. В процессе откачки узкая полоса на поверхности земли осела примерно н а 30 см. П р о ц е с с р а з м ы в а начался у зумпфа и распространился примерно на расстояние 180 м. Ш и р и н а промоины в о з р а с т а л а от нескольких д е с я т к о в сантиметров у зумпфа до 3 ж и более у противоположного конца. Примеры подземной эрозии, обусловленной естественными причинами, также не являются необычными. На восточном берегу реки Миссисипи недалеко от Мемфиса наблюдался крупный провал после паводка в 1927 г. В этом месте берег реки имеет крутой о б р ы в высотой около 30 м. В н е з а п н о началась просадка полосы на вершине обрыва примерно в 210 м д л и н о й и 30 м шириной с интенсивностью 30 см в час. Мостовая, котораянокрывала поверхность земли, оставалась горизонтальной и почти целой примерно в течение 30 час. На протяжении последующих 2 месяцев просадка возросла примерно до 18 м, и о с е в ш а я поверхность о б р у ш и л а с ь , к а к это показано на рис. 206. Воронкообразный провал был вызван обрушением кровли над входным участком подземного тоннеля, образовавшегося в песке [59.3], Хотя явления подмыва, описанные выше, происходили в самых разнообразных грунтовых формациях, все они имели одну общую важную характеристику. Обрушение потолка тон- 576 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ неля всегда происходило на большом расстоянии от выходного отверстия. Этот факт указывает на то, что эрозионное действие ключа возрастает по мере увеличения длины тонне- Рис. 206. Оседание большого масштаба, вызванное подземной эрозией а — начало эрозии; б, в, г — о с е д а н и е ' ч е р е з 24 ч а с а , ч е р е з 2 месяца и ч е р е з гол, с о ответственно; J — глина, нарушенная старымк п о д в и ж - ками; 2 — пустоты; 3 — жесткая глина; V — песок; 5— глина; 6 — мак- симальный паводок Рис. 207. Сетки течения, иллюстрирующие увеличение плошади питания ключа, по мере увеличения длины тоннеля, образовав- шегося в результате эрозии ля. Причина этого иллюстрируется сетками течения на рис. 207. Тонкие пунктирные кривые означают эквипотенциальные линии, или контурные линии зеркала воды, в то время как сплошные кривые означают линии тока. Линии из штрихов и § 59. МЕРОПРИЯТИЯ ПО ПРЕДОТВРАЩЕНИЮ ПОДМЫВА 577 точек означают границу области питания. С увеличением длины тоннеля число расходящихся линий тока возрастает. Таким образом, расход ключа становится большим и интенсивность эрозии увеличивается. Прогрессирующая подземная эрозия, начинающаяся у выхода ключей вблизи от низового края подошвы плотины, движется, как это показано на рис. 207, вдоль линий, идущих к водохранилищу. Тот факт, что ключи часто встречаются в нижнем бьефе, известен каждому, кто имеет опыт плотиностроения. Если ключ является достаточно мощным, чтобы вызвать эрозию, то эта эрозия почти наверняка станет с течением времени более серьезной, потому что расход каждого ключа возрастает с увеличением длины промытого тоннеля (рис. 207). Наконец, плотина разрушится в результате подмыва. Средства предотвращения подмыва Средства для предотвращения подмыва различны в зависимости от ответственности сооружения. Проектирование коротких и низких плотин является стандартным, так как такие сооружения не столь ответственны, чтобы можно было оправдать тщательные предварительные изыскания. Плотины этой категории защищаются от подмыва путем проектирования в соответствии с методикой подземного контура по формуле (59.2). Плотина, спроектированная на основании формулы (59.2), будет надежной, если недостаткам в проекте или строительстве не сопутствуют исключительно неблагоприятные свойства основания. Осторожность требует, чтобы в дополнение к формуле (59.2) избегалась ненужная концентрация линий тока под незащищенной площадью со стороны нижнего бьефа плотины. Последствия пренебрежения этим основным требованием иллюстрируются рис. 208, а, который воспроизводит разрез по плотине на оз. Гаузер в штате Монтана. Основание состояло из гравия толщиной 19,6 м. Давление воды воспринималось железобетонной плитой, опирающейся на стальную конструкцию, покоившуюся на широких опорах. Наличие этих опор вызывало местную концентрацию линий тока, как это показано на чертеже. Плотина разрушилась в 1908 г., через год после первого наполнения. Поскольку она разрушилась не сразу после постройки, то причиной этого была, несомненно, подземная эрозия. Второй пример — плотина на реке Эльва в штате Вашингтон (рис. 208,6). Сооружение опиралось на гравий и крупный песок, залегавшие на скале. Во время наполнения водохранилища возникли большие ключи у края подошвы плотины со стороны нижнего бьефа. Чтобы уменьшить приток, был забит ряд шпунтовых свай на глубину от 9 до 12 ж на расстоянии 2,4 м 578 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ от к р а я подошвы. Это препятствие вызвало концентрацию линий тока, как это показано на чертеже, и в результате произошел подземный размыв. Плотина разрушилась, прежде чем стена из шпунтовых свай была закончена. Стандартное проектирование на основе уравнения (59.2) будет надежным при условии, если проводятся самые элементарные предохранительные мероприятия, чтобы избежать местной концентрации линий тока. Однако, когда эти меро- *) Рис. 208. Сетки течения, показывающие сгущение линий тока, вызвавшее разрушение от подмыва двух плотин / — стальные щиты; 2 —сосредоточение линий тока; 3 —непроницаемое основание; 4 — сосредоточение линий тока благодаря шпунтовой стенке приятия проводятся при строительстве больших плотин, они, безусловно, будут неэкономичными. Чтобы отказаться от стандартного метода проектирования, необходимо прежде всего провести детальное исследование грунта, включая составление фильтрационных профилей, как это указано на рис. 201,а. Эти профили снабжают нас данными, необходимыми для установления рабочей гипотезы относительно характера фильтрации из водохранилища. Все те площади, где может произойти подземная эрозия, должны быть покрыты многослойными обратными фильтрами. Наличие фильтров предотвращает возможность зарождения эрозии во всех точках защищенной площади и увеличивает критический напор от значения, соответствующего эрозии, до гораздо большего значения, при котором может произойти разрушение в результате выпора. Правила проектирования фильтров даны в § 11. Расчет фильтрации всегда должен основываться на упрощающих допущениях относительно фильтрационного профиля грунта, и разница между предсказанным и действительным фильтрационным потоком может быть очень большой, независимо от тщательности, с которой грунт был исследован. Поэтому необходимо установить с помощью наблюдательных скважин, соответствуют ли друг другу теоретический и действительный фильтрационные потоки и в какой степени. Если наблюдения вскроют сильный фильтрационный поток по § 59. МЕРОПРИЯТИЯ ПО ПРЕДОТВРАЩЕНИЮ ПОДМЫВА 579 направлению к незащищенным площадям, то эти площади также должны быть покрыты фильтрами, либо поток должен быть направлен в фильтровые колодцы или в дренажные тоннели. Опыт показал, что условия фильтрационного давления в основаниях водохранилищных плотин могут постепенно изменяться в течение многих лет после окончания строительства [59.4]. Следовательно, проверку этих условий необходимо продолжать, пока влияние колебаний уровня воды в водохранилище не станет обратимым. Примеры защиты с помощью фильтров Плотина из каменной наброски (рис. 199, а) залегает на1 пласте песка и сцементированного песка с эрратическим фильтрационным профилем. Только средняя часть стенки зуба доходила до непроницаемого основания и подпертая вода могла проникать в основание плотины под более мелкими боковыми частями зуба. Поэтому ключи могли возникнуть почти в любой точке основания. По окончании строительства основание плотины, как правило, является недоступным, и подземная эрозия может происходить, не будучи замеченной. Чтобы исключить эту опасность, все основание плотины, за исключением обоих концов, было покрыто обратным фильтром, который занимает площадь примерно 37 000 м2. Вода, которая поступает в фильтр, собирается дренажными трубами большого диаметра с открытыми стыками, причем эти грубы сбрасывают воду в открытый дренажный ров, расположенный непосредственно за подошвой каменной наброски. Грунтовые условия таковы, что закупорка фильтра почти исключена. Но даже если бы она произошла, это не имело бы серьезных практических последствий, потому что единственная функция фильтра состоит в том, чтобы помешать частицам грунта быть вымытыми в промежутки между камнями наброски. Д а ж е полностью закупоренный фильтр обычно отвечает этой цели. Любой ключ, который может образоваться позднее за пределами защищенной площади, окажется за пределами площади, занятой каменной наброской. Его будет легко заметить, и глубинную эрозию, вызываемую ключом, можно легко остановить с помощью укладки фильтра, когда эрозия находится еще в начальной стадии. Подмыв под каменными плотинами, вероятно, начинается как раз у края подошвы со стороны нижнего бьефа (рис. 208,6). Следовательно, этот участок должен быть защищен. Однако, если плотина принадлежит к типу водосливных, то твердый материал, увлекаемый паводками, может закупорить фильтр. В таких случаях, возможно, следует отдавать предпочтение устройству фильтра под средней частью плотины, 580 ГЛАВА IX. ФУНДАМЕНТЫ как это показано.на рис. 209. Эта плотина залегает на мелком песке, содержащем немного ила, а также полосы и прослойки из гравия. Фильтрационная вода поступает из фильтра в дренажную трубу, которая расположена в бетоне, и сбрасывается в нижний бьеф. В соответствии с табл. 27 плотина на таком грунте должна иметь взвешенный показатель подземного контура, равный по меньшей мере 6 или 7. Показатель для построенной плотины составляет только 4. Все же, несмотря Рис. 209. Водосливная плотина с обратным фильтром под телом плотины / — дренаж; 2 — обратный фильтр; 3 — линзы пылеватого грунта; 4 —шпунтовые сваи на низкий показатель, плотина удовлетворяет всем нормативным требованиям безопасности, так как обратный фильтр, показанный на схеме, исключает возможность разрушения, обусловленного подземной эрозией. Рис. 209 также демонстрирует необходимость наблюдения за пьезометрическими уровнями по крайней мере в период первого наполнения водохранилища. Проект фильтра, показанного иа рис. 209, и определение коэффициента запаса плотины против подмыва основывались на допущении, что груит является более или менее однородным. Казалось, что это допущение оправдывается на основе результатов разведочного бурения. Однако песок, по-видимому, содержал некоторое количество незамеченных тонких прослоек ила или глииы. Прерывающиеся прослойки этого типа являются безвредными, но если хотя бы одна из них непрерывна по всей площади между верхним и нижним рядами шпунтовых свай, как это указано пунктирными линиями иа рис. 209, то это может иметь два очень вредных последствия. Она, во-первых, значительно уменьшает действительную длину подземного контура и, во-вторых, мешает фильтрационному потоку двигаться к дренажу. Поэтому необходимо снабдить бетонный пол, расположенный над дренажем, закрывающимися отверстиями и в § 59. МЕРОПРИЯТИЯ ПО ПРЕДОТВРАЩЕНИЮ ПОДМЫВА 581 течение первого наполнения водохранилища наблюдать за уровнем воды в пьезометрических трубках (P1, Если уровень воды в этих трубках остается близким к уровню воды в нижнем бьефе, то можно считать, что дренаж выполняет свое назначение. С другой стороны, если этот уровень заметно поднимается, когда уровень в водохранилище растет, то эффективность дренажа сомнительна, и необходимо прорезать проницаемый грунт, расположенный ниже шпунтовых свай, с помощью фильтровых скважин F. М а л о вероятно, что т а к а я необходимость действительно будет иметь место. Однако раз- рушения, обусловленные подмывом, возникают неожиданно, и безопасность требует исключения даже отдаленной возмож- ности разрушения. ЛИТЕРАТУРА 59.1. Е. W. L a n e , Security from under-seepage masonry dams on e a r t h foundations, „Trans. ASCE", vol. 100, 1935, стр. 1233—1351. Обработка данных для метода подземного контура. Приложение содержит поперечные сечения плотин, упоминаемых в статье, и библиографию разрушений плотин от подмыва. 59.2. К. T e r z a g h i , Effect of minor geologic details o n the safety of dams, Bull. AIME1 Tech. Pub. 215, 1929, class. I, Mining geology", № 26, стр. 31—46. Описание модельных исследований, демонстрирующих разрушение от выпора, и анализ влияния деталей напластования грунтов на коэффициент заласа. 59.3. К- T e r z a g h i , Underground erosion and the Corpus Christi dam failure, Eng. News-Record, vol. 107, 1931, стр 90—92. Подмыв при подземной эрозии. 59.4. J. H i h d s , Upward pressures under dams, ,,Trans. ASCE", vol. 93, 1929, pp. 1527—1582. Результаты измерений напоров в основании нескольких плотин в США, ГЛАВА X ОСАДКИ, ВЫЗВАННЫЕ ОСОБЫМИ ПРИЧИНАМИ § 60. ОСАДКИ, ВЫЗВАННЫЕ ПРОИЗВОДСТВОМ СТРОИТЕЛЬНЫХ РАБОТ Особые причины осадок В главе IX мы рассматривали осадки зданий и других сооружений под влиянием собственного веса. Хотя этот вид осадок является самым распространенным, однако и другие виды достаточно важны, чтобы заслуживать внимания. Сюда входят осадки, вызванные увеличением нагрузки на окружающий грунт, разработкой котлованов по соседству, понижением уровня грунтовой воды и вибрациями. В этом параграфе мы рассмотрим только два первых вида осадок. Осадки, вызванные увеличением нагрузки на окружающий грунт Загрузка какой-либо части поверхности земли заставляет при любом типе грунта соседние участки поверхности принимать наклонное положение (рис. 210, а). Расстояние, в пределах которого наклон может иметь какое-либо практическое значение, зависит, однако, от грунтового профиля, так же как и от размеров нагруженной площади. Если в основание входит мягкая глина, то величина и распределение осадок могут быть приблизительно найдены на основании результатов испытания грунта. Если основание состоит из песка, то осадку невозможно рассчитать, и прогноз может основываться только на данных наблюдений в аналогичных случаях. Если сплошные фундаментные плиты на песке проектируются в соответствии с правилами, содержащимися в муниципальных нормах, то плиты, очевидно, осядут примерно на 5 см. В исключительных случаях они могут дать д а ж е большую осадку (см. § 55). Поскольку наибольшая часть этой осадки происходит во время строительства, само сооружение не будет повреждено, если оно не является слишком чувствительным к осадкам. Однако наклон соседней поверхности земли по направлению к нагруженной площади может быть § 60. ОСАДКИ, ВЫЗВАННЫЕ ПРОИЗВОДСТВОМ СТРОИТЕЛЬНЫХ РАБОТ 583 достаточно большим, чтобы повредить находящиеся рядом сооружения [60.1]. В Нью-Йорке, например, 20-этажное здание было воздвигнуто на участке между двумя 7-этажными зданиями, которые опирались на отложение из мелкого а) «7777 VTZZZZZZZZZZZZt 6) в) Осадка \ ( I Горизонталыюе смещение во Bpe- S мя разработки [ РИС. 210. Осадка поверхности грунта рядом с площадками, на которых производятся строительные работы а — осадка, вызванная весом сооружения; б — осадка, вызванная горизонтальным выжиманием глины в откосах узкого и глубокого котлована; в — то же, в случае широкого и глубокого котлована, когда под глиной залегает более жесткий грунт; г — осадка при горизонтальном выжимании грунта в откосы и дно широкого и глубокого котлована в мягкой гли- не большой мощности песка. Новое здание залегало на сплошной плите на глубине 6 -и от поверхности земли. Д а в л е н и е на грунт составляло 2 кг/см2 сверх веса удаленного грунта. Поскольку само здание осело только на 4,6 см и эта осадка была довольно равномерной, оно не получило никакого ущерба. Однако соседние здания были повреждены, получили трещины сдвига и деформации дверных и оконных рам. Если основание состоит из мягкой глины, то влияние веса нового здания на соседние может быть значительно большим, хотя и не обязательно более опасным. В Стамбуле высокое здание было воздвигнуто на площадке, отделенной от соседнего здания такой же высоты только узким проходом. Это новое здание вызвало такой большой наклон старого, что карнизы этих сооружений соприкоснулись друг с другом. Однако ни одно здание не было повреждено. 584 ГЛАВА X. ОСАДКИ, ВЫЗВАННЫЕ ОСОБЫМИ ПРИЧИНАМИ Осадки, обусловленные разработкой котлованов Прогноз осадок за счет экскавации. Осадка, обусловленная разработкой котлованов, зависит при прочих равных условиях в значительной степени от типа крепления и от тщательности, с которой крепление установлено. Поэтому величину осадки нельзя рассчитать заранее. Прогноз может основываться только на надежных и хорошо документированных наблюдениях за подобными случаями. Самые обычные виды крупных земляных работ — это устройство открытых котлованов, в которых могут быть построены целые сооружения или подвальные этажи, и проходка отдельных шахт для глубоких опор. Тоннели составляют третий тип, однако они выходят за рамки этой книги. Котлованы в песке. Д а ж е в том случае, если поверхность земли рядом с котлованом в песке несет мелко заложенные и сильно нагруженные фундаменты, осадки, вызванные земляными работами, не выходят за пределы расстояния, равного глубине котлована. Если соседняя поверхность не несет Рис. 211. Разрез по котловану в гравии, показывающий схему крепления и повреждение соседнего сооружения, вызванное осадкой / — ш п у н т о в ы е с в а и з е т о в о г о с е ч е н и я д л и н о й 14,4 л ; 2— т р е щ и н а ш и р и н о й о т 25 д о 38 ММ] 3 — о с а д к а о т 2 5 д о 5 3 мм; 4 — у р о в е н ь г р у н т о в о й в о д ы ; 5 — г р а в и й ; , 6 — жесткая голубая глина никакой нагрузки, то ее осадки не выходят за половину этого расстояния. Если котлован крепится надлежащим образом, то максимальная осадка, по-видимому, не превышает примерно 0,5% от глубины разработки. Однако даже эта величина может быть достаточной, чтобы вызвать повреждения, как это показано на рис. 211. Котлован, вызвавший осадку, был пройден в водоносном гравии. Крепление было тщательно установлено по схеме, показанной на рис. 147, в, и шпунтовые § 60. ОСАДКИ, ВЫЗВАННЫЕ ПРОИЗВОДСТВОМ СТРОИТЕЛЬНЫХ РАБОТ 5 8 5 сваи были забиты через гравий в слой жесткой глины. Это сделало ненужной откачку воды. Тем не менее фундаменты соседнего здания осели на 2,5—5 см и в стенах образовались трещины, как это показано на рис. 211. Часть осадки произошла во время забивки шпунтовых свай. Котлованы в мягкой глине. Когда разрабатывается котлован в мягкой глине, грунт, расположенный у откосов котлована, действует как пригрузка, выпирающая глину под собой в горизонтальном направлении к котловану, дно которого выпучивается. Вследствие этого смещения поверхность грунта, расположенная выше выжимаемой глины, оседает. Дополнительное горизонтальное перемещение происходит в грунте откосов выше дна котлована за промежуток времени между экскавацией и установкой крепления. Размеры этих горизонтальных подвижек и соответствующих осадок зависят прежде всего от соотношения между шириной и глубиной котлована, от способа строительства и от мощности пласта мягкой глины под дном котлована. Если котлован очень узкий (рис. 210,6), или если его дно расположено близко к поверхности твердого пласта (рис. 210,в), то горизонтальное смещение распространяется только на короткое расстояние от стенок котлована. Поэтому осадка поверхности земли ограничивается относительно узкими поясами, расположенными вдоль стенок котлована. Ширина этих поясов не превышает глубины последнего. За пределами этого расстояния осадки неощутимы. При тщательном креплении горизонтальное смещение глины можно удержать в пределах 0,5% от глубины котлована, и максимальная осадка поверхности будет иметь величину того же порядка. Значительно большие осадки обычно обусловливаются плохой работой. В одном случае деформации грунта, вызвавшие осадки поверхности, расположенной рядом с широким котлованом в относительно тонком пласте мягкой глины (рис. 210,в), были измерены [60.2]. Мягкая глина подстилалась умеренно жесткой глиной на глубине около 4,2 м от дна котлована. Стенки последнего поддерживались шпунтовыми сваями, которые были забиты через мягкую глину в жесткий пласт, прежде чем была начата экскавация. Кривые с левой стороны (рис. 212) показывают последовательное положение шпунтовой стенки по датам. С правой стороны указаны даты установки распорок. Пунктирные линии указывают соответствующее положение дна котлована. Кривые показывают, что горизонтальное перемещение распространилось до основания мягкого слоя глины почти в самом начале разработки. Поскольку шпунтовые сваи проникли в жесткую глину, величина смещения во внутрь их нижних участков уменьшалась по направлению к концам свай. Вследствие этого выпучивание дна не было значительным, и небольшой тоннель, показанный на 586 ГЛАВА X. ОСАДКИ, ВЫЗВАННЫЕ ОСОБЫМИ ПРИЧИНАМИ чертеже, поднялся только на 2,5 см. Исключительно большое смещение креплений на глубине 3 м от поверхности было вызвано задержкой в установке верхней распорки, иначе это не произошло бы. На расстоянии от края котлована, равном его окончательной глубине, осадка достигла 18 мм, но ее можно было наблюдать н а расстоянии до 26 м. Рис. 212. Результаты измерений горизонтального перемещения шпунтовых свай по стенкам котлована в мягкой глине, подстилаемой на небольшой глубине жесткой глиной Если котлован широкий, а мягкая глина ниже его дна имеет значительную мощность, то смещение в горизонтальном направлении охватывает широкий и глубокий массив глины (рис. 210, г). Соответствующая осадка может захватывать расстояние значительно большее, чем глубина котлована. Как только глубина котлована превысит примерно половину критической высоты глины (§ 24), осадка начинает быстро возрастать и распространяется на большое расстояние от края котлована независимо от тщательности, с которой крепятся стенки. Когда глубина делается равной критической высоте, § 60. ОСАДКИ, ВЫЗВАННЫЕ ПРОИЗВОДСТВОМ СТРОИТЕЛЬНЫХ РАБОТ 5 8 7 разрушение основания становится неизбежным, и дно котлована выпирается (см. § 31). Котлован в ленточной глине глубиной 6 м был расположен на расстоянии 9 м от здания (рис. 213, а). Несмотря н а очень тщательное крепление, стены здания дали трещины. Котлован, Рис. 213. Разрез по широкому котловану в мягкой глине большой мощности. Повреждение соседнего сооружения, вызван- ное осадкой, видно по трещинам в кирпичных стенах показанный на рис. 213,6, был разработан в очень мягкой глине с прослойками песка и ила. Грунтовый профиль показан на рис. 134. Шпунтовые стенки были забиты вокруг котлована до глубины на 1,2 м ниже дна котлована. Когда производились работы, в бетонном полу на расстоянии 21 м от котлована появились трещины. В этом случае осадку можно было бы несколько уменьшить, но не предотвратить, путем увеличения глубины забивки шпунтовых свай примерно до 4,5 м. Шахты или опускные колодцы в мягкой глине Во время проходки шахты или опускания колодца в мягкую глину дно выработки выпучивается. Кроме того, если нижняя часть стен шахты не крепится, как это имеет место при чикагском методе (рис. 196, е), то горизонтальное вы- 588 ГЛАВА X. ОСАДКИ, ВЫЗВАННЫЕ ОСОБЫМИ ПРИЧИНАМИ жимание может быть весьма значительным. В результате объем вынутого грунта будет большим, чем объем шахты или колодца. Эту разницу называют в ы п у с к о м г р у д та. Выпуск грунта всегда сопровождается осадкой поверхности земли. Физические процессы, связанные с горизонтальным выжиманием, представлены на рис. 214, б, на котором показан «J Рис. 214 а — причина выпуска грунта во время разработки по чикагскому методу; б — грунт, выпущенный при разработке; 1 — первоначальное положение; 2—конечное положение; 3 — смещение во время разработки участка M; 4 — смещение во время разработки участка N вертикальный разрез шахты, которая проходится по чикагскому методу. Установке каждого нового комплекта обшивки высотой h предшествует разработка до глубины h от нижнего края закрепленного участка. На рис. 214, а приведено горизонтальное сечение по незакрепленной части шахты. Д о экскавации цилиндрическая поверхность с диаметром d0 находится под воздействием радиального давления Po. Экскавация уменьшает это давление до нуля, вследствие чего цилиндрический слой глины, окружающей шахту, подвергается действию неуравновешенного внешнего радиального давления. Это давление уменьшает внутренний диаметр цилиндра, и глина смещается внутрь шахты, как это показывают заштрихованные площади вдоль стенок шахты на рис. 214,6. Вследствие с ж а т и я к а ж д ы й элемент abed, имеющий форму клина (рис. 214, а), сжимается по окружности и вытягивается по радиусу. По аналогичным причинам выпучивается дно шахты, как это показано на рис. 214,6. Вся заштрихованная площадь § 60. ОСАДКИ, ВЫЗВАННЫЕ ПРОИЗВОДСТВОМ СТРОИТЕЛЬНЫХ РАБОТ 588 обозначает грунт, выпущенный во время разработки одной секции. Полный объем выпуска грунта приблизительно равен всей п л о щ а д и стенок шахты, у м н о ж е н н о й на ширину Ad выжатого слоя грунта (рис. 214,6). Этот выпуск вызывает осадку поверхности земли, окружающей верхнюю часть шахты. Когда проходится одна шахта, то влияние выпуска грунта, возможно, не будет заметным на поверхности земли. Однако, если сооружается много шахт близко друг от друга, то осадки накапливаются и воздействуют на всю прилегающую территорию. Подобное явление имело место на строительстве, показанном на рис. 215. На участке размерами 57 на 45 м б ы л о -пройдено 120 шахт с д и а м е т р а м и в п р е д е л а х от 1,5 до 2,4 м через мягкую ледниковую глину до ортштейна. Проходка шахт потребовала 3 месяцев и сопровождалась удалением 12 800 мг глины. Н е п о с р е д с т в е н н о п о с л е того, к а к н а ч а л а с ь разработка, площадь, окружающая участок, начала оседать и, наконец, приняла положение, указанное на рис. 215,6. Соседние здания пришлось укреплять временными подкосами и подводкой фундаментов, чтобы поддержать их на первоначальном уровне. Рис. 215, в показывает ход разработки шахт с течением времени, а также соответствующие осадки двух м а р о к P i и P 2, н а х о д и в ш и х с я , соответственно, на середине длины боковой стороны и в углу участка. Сходство между этими кривыми очень ясно показывает, что осадка была обусловлена, главным образом, выпуском грунта при проходке шахт. Существуют различные меры для уменьшения осадок при проходке шахт для onotp в мягкой глине. Приведенные ниже способы перечислены приблизительно в порядке возрастающей эффективности и стоимости. а) Применение шпунтовых свай или цилиндрических оболочек, которые закрепляют рабочую поверхность стенок шахты до удаления грунта. Один из таких методов показан на рис. 196, д. б) Применение метода тяжелой жидкости. В соответствии с этим методом в грунте пробуривается большая скважина при помощи вращающегося бура большого диаметра. Эта скважина не обсаживается, но поддерживается наполненной жидкой массой (грязевым раствором), образовавшимся в процессе бурения. Таким образом, стремлению боковых стенок сжаться противодействует давление жидкой массы, более тяжелой, чем вода, так как она содержит глину во взвешенном состоянии. После того как скважина пробурена, в нее вводят л е г к у ю с т а л ь н у ю оболочку, которая служит креплением, ж и д кую массу откачивают, дно скважины зачищают и обследуют. После этого укладывают бетон, а оболочку удаляют по мере того, как уровень бетона поднимается. 590 ГЛАВА X. ОСАДКИ, ВЫЗВАННЫЕ ОСОБЫМИ ПРИЧИНАМИ в) Применение сжатого воздуха. Поскольку давление воздуха компенсирует лишь давление воды в уровне плоскости, забоя, некоторый выпуск грунта неизбежен. Однако осадка Расстояние от Выемки в м Время в месяцах Рис. 215 а — разрез по фундаменту сооружения во время устройства столбчатых фундаментов чикагским методом; б — соотношение между осадкой поверхности земли и расстоянием от края площадки; в — с о отношение между количеством грунта, удаленного из шахт, осадкой поверхности земли и временем уменьшается до небольшой доли от осадки, сопровождающей чикагский метод (рис. 196). г) Применение тяжелых стальных оболочек, забитых до проектной отметки и оставляемых в грунте. После того как оболочка забита, грунт удаляют грейфером или с помощью § 60. ОСАДКИ, ВЫЗВАННЫЕ ПРОИЗВОДСТВОМ СТРОИТЕЛЬНЫХ РАБОТ 5 9 1 воздушной или гидравлической эжекции. Затем оболочку очищают подходящими !инструментами, например, механическими щетками, и заполняют бетоном. Этот метод часто успешно применяется для сооружения цилиндрических опор в очень мягких грунтах. Возможно, что он является более дешевым, чем кессонный метод. Практическая ценность наблюдений за осадками в процессе экскавации Приведенный выше обзор различных причин осадок поверхности, окружающей котлован, не оставляет никаких сомнений в том, что некоторая величина осадки неизбежна. Например, нельзя ничего сделать, чтобы предотвратить осадку, обусловленную горизонтальным выжиманием грунта в зону выпучивания ниже дна котлована. Точно так же невозможно предотвратить горизонтальное расширение грунта в откосах котлована !или шахты во время работы от уровня данного ряда крепления до следующего. Однако в отличие от выпучивания дна величина бокового выпучивания откосов в значительной степени зависит от вертикального расстояния между распорками, от скорости проходки и от различных деталей способа производства работ. Следовательно, соответствующая осадка может быть значительно уменьшена надлежащими изменениями в этих способах. На данном строительстве надежные сведения относительно значения горизонтального смещения ниже и выше дна котлована могут быть получены только в результате измерения осадок и систематической регистрации всех обстоятельств, которые могли бы оказать на них влияние. В литературе [60.2], [60.3] и [60.4] описываются результаты таких исследований. На основании подобных наблюдений инженер в состоянии решить, может ли быть осадка существенно уменьшена практически осуществимыми изменениями способа производства работ. Кроме того, собранные материалы окажут большую помощь при проектировании организации строительных работ для других объектов в аналогичных грунтах и для прогноза влияний разработки котлованов на сооружения, расположенные поблизости от них. Л ИТ EP AT У P А 60.1. К. T e r z a g h i , Seitlementof structures in Europe and methods of observation, „Trans. ASCE," vol. 103, 1938, paper 2008, стр. 1432—1448. Влияние заполнения баков для горючего на осадку соседних баков. 60.2. R. В. Р е е к , Earth-pressure measurements in open cuts, Chicago subway, „Trans. ASCE,", vol. 108, 1943, paper 2200, стр, 1008—1036. Данные об осадках, вызванных разработкой котлованов в мягкой глине. 592 ГЛАВА X. ОСАДКИ, ВЫЗВАННЫЕ ОСОБЫМИ ПРИЧИНАМИ 60.3. К. T e r z a g h i , LineTplate tunnels on the Chicago subway, „Trans. A S C E , - v o l . 108, 1943, стр. 970—1007. Данные об осадках, вызванных проходкой тоннелей в мягкой глнне. 60.4. К. T e r z a g h i , Shield tunnels of the Chicago subway, , J . Boston Soc. Civil Engrs"., vol. 29, 1942, стр. 163—210. Выпучивание и осадки при разработке котлована в мягкой глине. § 61. ОСАДКИ, ВЫЗВАННЫЕ ПОНИЖЕНИЕМ УРОВНЯ ГРУНТОВЫХ ВОД Причины осадок Во всех случаях, когда необходимо вырыть большой котлован ниже уровня грунтовой воды, любой метод проходки, кроме землечерпа-ния и опускания кессона, требует, чтобы уровень воды был временно понижен откачкой (§ 47). В результате понижения уровня воды эффективная нагрузка на грунт возрастает на величину, равную разнице между весом осушенного грунта (скелет +вода) и взвешенным весом скелета всей массы грунта, расположенного между первоначальным и пониженным зеркалом воды. Увеличение эффективного бытового давления вызывает дополнительное сжатие. Это в свою очередь вызывает осадку, которая приблизительно пропорциональна понижению пьезометрического уровня в данной точке. При данном понижении осадка зависит от сжимаемости грунта. Влияние понижения уровня воды в песчаных пластах Откачка воды из песка, который не содержит слоев глины, увеличивает эффективное давление, но осадка при этом остается обычно незначительной, если только песок не является очень рыхлым. Однако, если уровень воды поднимается и понижается периодически, то осадка может стать значительной, так как каждое временное повышение эффективного давления в какой-то мере увеличивает осадку. Этот факт можно продемонстрировать с помощью лабораторных испытаний ограниченного в горизонтальном направлении песка. Величина приращения осадки уменьшается с увеличением числа циклов загружения и приближается к нулю, но конечная суммарная осадка во много раз больше, чем осадка, вызванная первым циклом. Чем рыхлее песок, тем эта осадка больше. Во время строительства колебания пониженного уровня воды являются обычно незначительными. Поэтому, если откачка вызывает большую осадку в любом песке, кроме очень рыхлого, то эта осадка, вероятно, обусловливается другими причинами, а не увеличением эффективного веса дренирован- § 61. ОСАДКИ, ВЫЗВАННЫЕ ПОНИЖЕНИЕМ УРОВНЯ ГРУНТОВЫХ ВОД 5 9 3 ной части песка. Наиболее обычной причиной является неб р е ж н а я откачка из зумпфов {§ 47). Различные примеры осадок по этой причине описаны в § 59. Во всех случаях образовывались одна или несколько подземных промоин вследствие пятящейся эрозии, вызванной ключами, выходившими в котлован. Осадки, вызванные эрозией, приводили к образованию неглубоких и узких канавооб- Рис. 216 а — забирка, успешно примененная в котловане в водоносном песке для предотвращения выпуска грунта; б — с п л о ш н о й стальной шпунт на других участках того же котлована; 1 — сено; 2 — щели; 3 — 15-см гвозди; 4 — поверхность воды; 5 — мелкий песок разных просадок, расположенных над промоинами. Ширина и глубина этих просадочных канав возрастает с увеличением расстояния от ключей, <и они з а к а н ч и в а ю т с я правильными воронками. Осадок этого типа можно избежать путем откачки иглофильтрами или оснащением зумпфов фильтрующей облицовкой. Выпуск грунта может произойти также по одной или по обеим стенкам котлована, укрепленным водонепроницаемыми шпунтовыми рядами. Выпуск вызывается эрозионным действием воды, когда она поднимается ко дну котлована вдоль внутренней поверхности шпунтовых рядов. Этого можно избежать путем устройства проницаемого крепления стенок котлована вместо непроницаемого. Следующий пример показывает эффективность этого метода. В Нью-Йорке был вырыт котлован для метро в мелком песке и крупной пыли поблизости от зданий, опирающихся на свайные фундаменты. Концы свай не доходили до плотного грунта. На одном участке котлована крепление относилось к типу, показанному на рис. 147,6. Обшивка состояла из досок, помещенных горизонтально с промежутками между «ими (рис. 216,а). Промежутки были забиты сеном, чтобы сделать возможным свободный сток воды в котлован без выноса, однако, песка. На втором участке крепление состояло из стальных шпунтовых 594 ГЛАВА X. ОСАДКИ, ВЫЗВАННЫЕ ОСОБЫМИ ПРИЧИНАМИ свай, забитых вдоль стенок котлована. Вода в котлован попадала путем просачивания под шпунтовыми сваями, как это показано на рис. 216,6. Это создавало благоприятные условия для развития эрозии, вызванной ключами, и фундаменты соседних зданий осели примерно на 15 см. М е ж д у тем, разработка ,котлованов с проницаемым креплением не вызывала заметных осадок. Влияние откачки на глинистые пласты Если грунт содержит прослойки мягкой глины, ила или торфа, то понижение зеркала грунтовой воды может вызвать значительную осадку. Например, в Мексико-Сити, где основание состоит из мягких бентонитовых глин с горизонтальными прослойками водоносного песка, откачка воды из песчаных слоев сопровождалась общей неравномерной осадкой всей площади. В некоторых местах поверхность осела более чем на 1,5 м [61.1]. Точно так ж е в долине Санта-Клара в Калифорнии откачка воды из 2 000 колодцев с целью ирригации вызвала процесс постепенного оседания. Почва этой долины подстилается толстым пластом морской глины, которая содержит прослойки водоносного песка и гравия на глубине от 30 до 60 м. В 1920 г. расход воды начал превышать естественный приток и пьезометрические уровни стали падать. К 1933 г. соответствующая осадка достигла местами 1,2 м [61.2]. Физические причины этого явления показаны на рис. 217, изображающем разрез по пласту водонасыщенной глины, залегающей на слое проницаемого пеока. На рис. 217, а пьезометрический уровень принят у поверхности грунта; на рис. 2 1 7 , 6 он понизился н а величину AH в результате откачки из слоя песка. Д о откачки эффективное давление в плоскости ab составляло Pab = Т'Я1, где ч' — взвешенный объемный вес глины (см. § 12). Во время и после откачки эффективное давление постепенно увеличивается и приближается к конечному значению Pab = I ^ h + где т — объемный вес водонасыщенной глины. Изменение эффективного давления, обусловленное понижением пьезометрического уровня, составляет ТДЯ + т ' Я 2 - I t H l = дЯ (т - 7') - Тц)дя. Таким образом, понижение зеркала воды на M i в конечном итоге увеличивает эффективное давление на горизон- § 61. ОСАДКИ, ВЫЗВАННЫЕ ПОНИЖЕНИЕМ УРОВНЯ ГРУНТОВЫХ в о д 5 9 5 тальиое сечение, проведенное в глине, на величину, равную весу столба воды высотой АЯ. Это увеличение сопровождается постепенной осадкой поверхности глины вследствие консолидации. Интенсивность и размеры осадки могут быть рассчитаны на основании теории консолидации и по результатам испытания грунта (§ 41). ..• :у- Песок : -*¾¾.';= -V /V '>//У РаЬ* Y1Hi Pab= \'нг- Рис. 217. Осадка поверхности глины при откачке воды из подстилающего водоносного песка / Начальный / уровень воды Песок Рис. 218. Схематический разрез по котловану для шлюзов Фрезвик, Голландия, показывающий положение горизонта воды, пониженногофильтровыми колодцами во время разработки (вертикальный мас- штаб сильно увеличен) В случае мощных пластов мягкой глины и при значительном протяжении пониженного уровня воды осадка из-за откачки будет, очевидно, очень большой и распространится на большую площадь. Осадка такого типа наблюдалась во время строительства шлюзов Фрезвик в Голландии. Грунт здесь состоял из глины и торфа толщиной от 6 до 6,9 м, залегающих на толстом слое водоносного песка. Дно котлована находилось на 6,3 м ниже поверхности грунта и имело площ а д ь 51 м шириной и 270 м длиной. Д о начала строительства уровень воды находился на 20 см выше грунта. Во время рытья его понизили с помощью иглофильтров, опущенных в песок до положения, указанного на рис. 218. В результате откачки полное эффективное вертикальное давление на любое горизонтальное сечение ab постепенно увеличилось на величину, равную высоте заштрихованной пло- 596 ГЛАВА X. ОСАДКИ, ВЫЗВАННЫЕ ОСОБЫМИ ПРИЧИНАМИ щ а д и выше ab, умноженной на удельный вес воды. Поскольку полная высота заштрихованной площади была максимальной рядом с котлованом, то и осадка была наибольшей у его краев. Д а ж е на расстоянии 39 м о с а д к а достигала 60 см, и ее можно было проследить на расстоянии до 750 м. ЛИТЕРАТУРА 61.1. J. А. С u е V a s, Foundation conditions in Mexico City, Proc. Intern, conf. soil mech., Cambridge, Mass , 1936, vol. Ill, стр. 233—237. Осадка территории города вследствие откачки воды из колодцев. 61.2. F. Н. T i b b e t t s,Areal subsidence (letter to the editor), Eng., News-record, vol. I l l , 1933, стр. 204. Краткое описание осадки поверхности долины Санта-Клара в Калифорнии, вызванной откачкой из ирригационных колодцев. 61.3. W. Н. B r i n k h o r s t , Settlement ol soil surface around foundation pit, Proc. Intern, conf. soil mech., Cambridge, Mass., 1936, vol. I, стр. 115—119. Осадки шлюза Фрезвик в Голландии, вызванные откачкой воды из котлована. § 62. ОСАДКИ, ВЫЗВАННЫЕ ВИБРАЦИЯМИ Факторы, определяющие величину осадок Любое сооружение, заложенное на несвязном грунте, очевидно, будет давать большие осадки, если грунт подвергается вибрации от работающих 'механизмов, движущегося транспорта, забивки свай, взрывных работ или от землетрясений. С другой стороны, вызванные вибрацией осадки сооружений на глинистых грунтах являются обычно такими незначительными, что они ни при каких обстоятельствах не влекут за собой серьезного ущерба. Это бросающееся в глаза различие между действием вибрации на песок и на глину было уже отмечено при рассмотрении методов уплотнения насыпей в § 50. Вследствие своей чувствительности к вибрации песок может очень эффективно уплотняться вибрирующим механизмом, в то время к а к глина может быть уплотнена только под действием статических сил. Д о настоящего времени не были известны случаи значительных осадок глинистых оснований, обусловленные вибрацией. Поэтому ниже рассматривается влияние вибраций только на песок. В § 19 показано, что осадки поверхности песка, вызванные пульсирующей нагрузкой, во много раз больше, чем осадки, вызванные статическим действием той же нагрузки. При данном максимальном значении Нагрузки осадка зависит от частоты пульсации. Максимальная осадка происходит при колебаниях, частота которых л е ж и т в интервале примерно от 500 до 2 500 в 1 мин. Этот интервал называется о п а с- § 62. ОСАДКИ, ВЫЗВАННЫЕ ВИБРАЦИЯМИ 597 н ы м интервалом. Поскольку число оборотов паровых турбин и турбогенераторов лежит в пределах этого интервала, влияние работы этих машин на осадку является особенно значительным. Примеры осадок, вызванных вибрацией Следующие примеры иллюстрируют размеры осадок, которые могут быть вызваны вибрацией машин. В Германии установка для подачи угля, з а н и м а ю щ а я площадь 51 X 19,8 м, имела в своем составе угледробилки, смонтированные на бетонных блоках размером 3 X 3 м2. Фундаменты з д а н и я опирались на довольно плотный песок, мощностью от 18 до 39 м. Хотя допускаемое давление на грунт в 1,4 кг/см2 было взято очень осторожно, неравномерные осадки приняли такие размеры, что здание получило серьезные повреждения и его понадобилось усилить. В другом месте турбогенераторы были установлены на электростанции, залегающей на довольно плотном песке и гравии. Число оборотов, равное 1 500 в 1 мин., находилось в опасном интервале. Вследствие это го м а к с и м а л ь н а я осадка фундамента превысила 30 см за 1 год эксплуатации станции. Частота вибраций, вызванных транспортом, не обязательно попадает в опасный интервал. Тем не менее опыт показал, что длительное действие таких вибраций вызывает значительные осадки. Наблюдениями было установлено, что в Голландии новые здания, примыкающие к старым автострадам, обычно наклоняются в сторону от шоссе. Причина такого наклона заключается в том, что вибрация, вызванная транспортом, уплотняет грунт под шоссе и в непосредственной близости от него, в то время как песок, поддерживающий заднюю часть зданий, все еще находится в своем первоначальном состоянии. В Берлине некоторые из фундаментов опор надземной железной дороги дали в течение 40 лет осадку до 35 см. Они залегали на довольно плотном песке и были спроектированы при допускаемом давлении на грунт 3,5 кг/см2. В Мюнхене, где большинство зданий залегает на плотном песке и гравии в 6 м толщиной, подстилаемом скалой, все возрастающая интенсивность уличного движения вызывала осадку таких размеров, что некоторые улицы пришлось полностью закрыть для автомобильного движения. В течение 10 лет убытки от повреждения сооружений по этой причине достигли примерно 6 млн. руб. Надежные данные относительно осадок, вызванных забивкой свай, довольно скудны. В одном случае около 100 свай было забито в пласт песка и гравия, который был настолько рыхлым, что сваи длиной 15 м можно было забивать, не прибегая к подмыву. В пределах площади, занятой сваями, по- 598 ГЛАВА X. ОСАДКИ, ВЫЗВАННЫЕ ОСОБЫМИ ПРИЧИНАМИ верхность грунта осела « а 15 см. Осадка уменьшалась по мере удаления от к р а я этой площади до величины 3 мм на расстоянии 15 м. По вопросу об осадках, вызванных взрывами, количественные данные отсутствуют, но вполне вероятно, что влияние взрывов аналогично влиянию, оказываемому небольшим землетрясением. Интенсивность землетрясений обычно выражаетс я отношением ng максимального ускорения при землетрясении к ускорению g силы тяжести. Д л я довольно сильных землетрясений п£ = 0,1. Во- время очень слабого землетрясения в Вене с ng = 0,003 наблюдалось, что склад зерна шириной 15 м и высотой 24 м д а л осадку на 4,3 см больше с одной стороны, чем с другой. Абсолютная максимальная осадка неизвестна. Склад поддерживался короткими коническими сваями, забитыми в очень мелкий довольно плотный водоносный песок. Нагрузка составляла 4 кг/см2 в среднем по всей площади. Когда с к л а д был наполнен впервые, осадка была практически равномерной и достигала всего около 5 мм. Иногда забивка свай и взрывные работы являются поводом для судебных процессов в связи с последовавшими разрушениями, и тогда бывает необходимо установить, действительно ли эти работы были причиной повреждений. Один из методов исследования, исключающий субъективный подход, иллюстрируется следующими примерами. В первом случае повреждение здания приписывалось действию вибраций, вызванных забивкой свай. Чтобы проверить справедливость этого заключения, нагруженный до отказа грузовик самого тяжелого типа проезжал мимо здания с максимальной допустимой скоростью, а в доме в тех пунктах, где вибрации были самыми сильными, производились сейсмографические наблюдения. Во время работ по забивке свай эти наблюдения повторялись. Результаты показали, что вибрации, вызванные забивкой свай, были меньших размеров, чем вибрации, вызванные грузовиком. Во втором случае был заявлен протест против взрывных работ, производившихся поблизости от одного дома. Тогда был поставлен аналогичный опыт с грузовиком. Затем были проведены экспериментальные взрывы различных размеров, а вызванные ими вибрации регистрировались в здании. Производителю работ было дано разрешение взрывать заряды, не превышающие тех, которые вызывали вибрацию, эквивалентную вибрации от грузовика. Известен только один удовлетворительный метод защиты зданий от вибраций, передаваемых через грунт. Он сводится к тому, что сооружение окружают рвом минимум 3,5 м глубины. Откосы рва рекомендуется не крепить. Если пространство настолько ограничено, что ров должен иметь вертикальные § 63. ОСАДКИ, ВЫЗВАННЫЕ КОРРОЗИЕЙ БЕТОНА 599 стенки, распертые креплением, то последнее должно проектироваться таким образом, чтобы оно не передавало вибрацию от одной стенки траншеи к другой. По данным наблюдений, защитные рвы являются наиболее эффективными, если частота вибраций является высокой. § 63. ОСАДКИ, ВЫЗВАННЫЕ КОРРОЗИЕЙ БЕТОНА Характеристика осадок, вызванных коррозией бетона Если сооружение на бетонном фундаменте начинает давать трещины или появляются другие признаки неравномерной осадки через некоторое время после окончания строительства, несмотря на то, что грунт не испытывал влияния земляных работ, ведущихся поблизости, или понижения уровня воды, то упомянутые дефекты могут быть вызваны одной из трех причин. К ним относятся: 1) увеличение напряжений в сооружении до р а з р у ш а ю щ е й величины в результате возрастающей неравномерной осадки; 2) коррозия бетона в фундаменте; 3) дефекты в конструкции здания выше фундамента. Если наблюдения над осадкой велись с момента окончания строительства, то форма кривых осадок в редких случаях оставляет какие-либо сомнения относительно причины осадок. Кривые зависимости между осадкой и временем при действии относительно постоянной нагрузки являются плавными, и их наклон или уменьшается с течением времени или становится постоянным. Беспричинное отклонение от этой закономерности свидетельствует почти без всяких сомнений о том, что осадка вызывается постепенным развитием повреждений фундамента. Если за осадкой не ведутся никакие наблюдения, то рекомендуется немедленно определить отметку нескольких точек, первоначальное положение которых известно по крайней мере приблизительно, установить надежные марки и начать наблюдения за осадками. Экстраполяцией кривых осадок, полученных с помощью этих наблюдений, обычно можно определить, началось ли смещение во время строительства или позже. При повреждении бетона может наблюдаться временное выпучивание сооружения. Это облегчает диагноз. Если результаты все же оставляют какие-либо сомнения относительно причин деформаций, то необходимо отобрать и испытать пробы бетона из фундамента. Опасностью коррозии бетона часто пренебрегают. Когда начинаются деформации, вызванные коррозией, и возникают первые трещины, их обычно приписывают неравномерной осадке, а истинная причина остается не раскрытой до тех пор, пока повреждение не достигнет стадии, при которой оно уже не может больше не привлекать к себе внимания. Поэтому 600 ГЛАВА X. ОСАДКИ, ВЫЗВАННЫЕ ОСОБЫМИ ПРИЧИНАМИ симптомы коррозии бетона и условия, которые приводят к химическому воздействию на него, заслуживают самого тщательного рассмотрения. Причины и результаты коррозии бетона Сульфаты и углекислота являются теми веществами, которые чаще всего воздействуют на бетонные сооружения, соприкасающиеся с грунтовой, озерной или морской водой. Сульфаты можно встретить в морской воде, в соленых озерах и в поровой воде так называемых «засоленных» грунтов и горных пород, а также отложений, содержащих гипс. Сульфиды также могут быть вредными, потому что они могут вступать в реакцию с атмосферным кислородом, в результате чего образуются сульфаты или серная кислота. Наиболее обычными сульфидами являются FeSz (марказит или пирит), встречающийся в болотных отложениях и во многих горных породах, и сернистый водород H2S. Последний встречается в сточных водах, в разлагающихся органических веществах и в некоторых районах относительно поздней вулканической активности. Случаи, которые описываются ниже, иллюстрируют действие подобных вредных веществ. Быки для моста через реку Некар в Германии были сооружены на железобетонных сваях-стойках, которые забивались через пласт песка и гравия толщиной 11 м в глинистый сланец. Через несколько месяцев после окончания строительства быки дали большую осадку. Было установлено ослабление бетона свай в результате воздействия воды, содержащей газ CO2, выделявшийся из глинистого сланца. Мост через Эльбу опирался на бетонные опоры размером 9 на 19,5 м в плане. Они опирались на глубине 10,5 ж ниже межени на глинистый сланец, покрытый песком и глиной. Проходка велась кессонным способом. Несмотря на свой массивный характер, быки выпучились и дали трещины, которые оказались настолько опасными, что нельзя было сооружать пролетные строения. Вода, просачивающаяся из глинистого сланца, не имела ни цвета, ни запаха. Поэтому во время строительства ее считали не агрессивной. Тем не менее она с о д е р ж а л а некоторое количество SO3, эквивалентное 1,7 г H2SO4 на 1 л, и наличие этого вещества вызвало интенсивное разбухание бетона. Повреждение было настолько большим, что пришлось полностью реконструировать опоры. В Сивене (Швейцария) здание было заложено на бетонных столбах с поперечным сечением примерно 0,8 м2. Через 30 лет после окончания строительства бетон в некоторых столбах полностью разрушился. Столбы были заложены в белой илистой массе, которая состояла главным образом из кар- 601 ГЛАВА X. ОСАДКИ, ВЫЗВАННЫЕ ОСОБЫМИ ПРИЧИНАМИ боната кальция. Распад был, очевидно, вызван углекислотой, содержавшейся в грунтовой воде. Сточный коллектор длиной 2280 м был сооружен в песке с прослойками торфа, содержащими пирит (FeS2). Через несколько месяцев после окончания строительства появились продольные трещины. Бетон вдоль трещин был настолько слабым, что его можно было отделять ножом. Во многих полузасушливых районах западных штатов США.грунт имеет высокое содержание щелочей и, кроме того, достаточное количество сульфатов, чтобы обусловить относительно быструю коррозию обычного бетона. Методы определения агрессивности воды Чтобы определить наличие веществ, которые могут вызвать коррозию бетона, необходимо отобрать 4 л воды, с которой бетон будет находиться в контакте, и подвергнуть ее анализу. Анализ воды должен проводиться даже в том случае, если нет основания подозревать наличие агрессивных веществ, так как загрязнение может произойти некоторое время спустя. Если имеются документальные доказательства того, что вода была безвредной в момент строительства, то следует искать причины загрязнения. Чтобы отвечать своему назначению, исследования должны содержать следующие данные: минимальная и среднегодовая температура ' воды; рН воды и температура, при которой производилось определение; общий твердый остаток; щелочность по метил-оранжу; содержание кальция и сульфата; содержание хлора (только для морской и солончаковой воды). Если имеются основания подозревать наличие сульфатов или сульфидов в грунте, то необходимо подвергнуть его анализу. Пробы грунтовой воды следует брать на различных глубинах из каждой скважины, так как неоднократно наблюдалось, что агрессивность грунтовой воды может значительно колебаться даже в пределах небольшой площади. Из труб, шахт или зумпфов пробы следует отбирать поблизости от дна. Пробы воды из озер или других масс стоячей воды следует также брать у дна. Эта предосторожность необходима из-за того, что концентрация растворенных газов, как например, углекислоты или сернистого водорода, очевидно, уменьшается по направлению от дна к поверхности. Соответствующая разница между значениями рН воды непосредственно у поверхности и у дна может достигать единицы. 602 ГЛАВА X. ОСАДКИ, ВЫЗВАННЫЕ ОСОБЫМИ ПРИЧИНАМИ При нормальных условиях стандартный химический анализ, сделанный в обычной химической лаборатории, дает достаточно данных, чтобы определить, является ли вода агрессивной или нет. Однако, если имеются какие-либо основания предполагать наличие заметной концентрации растворенных газов, например, выделение пузырьков из воды, запах сероводорода H2S или ненормально низкое рН, найденное в лаборатории (меньше 7 для пресной воды или меньше 8 для морской или солончаковой воды), то необходимо соблюдать следующие предосторожности. Пробы следует отбирать под руководством специалиста, знакомого с техникой взятия проб воды, содержащей газ, и определение рН должно производиться на месте непосредственно после взятия пробы, так как концентрация газовых составных частей, образующих кислоты, очевидно уменьшается при транспортировке проб в лабораторию. Если газы включают сероводород H2S, то рекомендуется дополнить общепринятый анализ воды определением концентрации сероводорода. Условия, которые приводят к химической коррозии бетона Максимальная концентрация разрушающих веществ, которой можно безопасно пренебрегать, зависит не только от качества бетона, состава цемента и продолжительности воздействия, но также и от характера других веществ, присутствующих в воде. Вообще вода или грунт, содержащие более чем 0,1% сульфатов, будут агрессивными. Сернистый водород также разрушает бетон, но условия, при которых возникают повреждения, все еще недостаточно ясны. Если сернистый водород или какой-либо другой сульфид получает возможность окисляться, то образуется сульфат. О влиянии сульфата речь шла выше. Наличие углекислоты в пресной воде может привести к серьезному разрушению бетона, соприкасающегося с ней, если концентрация является достаточной, чтобы сделать воду кислой, т. е. если значение рН воды меньше 7. Однако не всякая пресная вода, которая характеризуется значением рН меньше 7, является агрессивной. Возможно, морскую воду следует рассматривать как опасную, если рН в ней меньше 7,3. В сомнительных случаях может требоваться совет эксперта. Способы замедления химического воздействия на бетон В некоторых районах вода является в такой степени разрушающей, что бетон, подвергающийся ее воздействию, распадается в течение относительно короткого времени. В таких § S3. ОСАДКИ, ВЫЗВАННЫЕ КОРРОЗИЕЙ БЕТОНА 603 районах бетонные фундаменты следует, если это возможно, закладывать выше самого высокого уровня грунтовой воды. Если этого нельзя сделать, то следует прибегать к любым мерам, чтобы сделать бетон как можно более плотным. Следует увеличивать количество цемента и применять наиболее низкий водоцементный фактор, совместимый с требованиями производства работ. Особое внимание должно быть уделено выбору заполнителей, а также транспортировке, укладке и уходу за бетоном. В массе бетона, где напряжения, вызванные термическими изменениями объема, являются большими, образование трещин может быть уменьшено или даже полностью исключено при работе с цементом, имеющим низкие экзотермические свойства. Точно так же выгодно укладывать массу бетона в такое время года, когда минимальная суточная температура ниже среднегодовой температуры. Если это практически неприемлемо, или если масса бетона очень велика, то можно рекомендовать искусственное охлаждение. Для сооружений, которые подвергаются воздействию сульфатов, проектировщик должен выбрать сульфатоустойчивый цемент, к о т о р ы й х а р а к т е р и з у е т с я низким с о д е р ж а н и е м трехкальциевого алюмината, а также низким содержанием четырехкальциевого алюмоферрата, отдав им предпочтение перед цементом с малой экзотермией. Стандартный портландцемент не должен использоваться в сооружениях, подвергающихся воздействию со стороны сульфатов. При действии на сооружения воды, содержащей угольную или серную кислоту, следует обеспечивать низкую проницаемость бетона и отсутствие трещин. Однако ни один вид портланд-цемента не является устойчивым против кислот, и низкая проницаемость бетона может только задержать коррозию, но не предотвратить ее. Бетон, на который воздействует вода, содержащая заметное количество свободной кислоты, будет безусловно разрушен. Небольшие бетонные детали могут разрушиться в течение одного года, а большие массивы бетона — в течение примерно 30 лет. ЛИТЕРАТУРА 63.1. F. М. L e a a n d С. Н. D e s c h , The chemistry of c e m e n t and concrete, Arnold, London, 1935. Три главы книги посвящены вопросам коррозии. Изложение некоторых вопросов устарело. 63.2. A. K l e i n l o g e l , Influences on concrete (in German), third edition, Berlin, 1930. ПРИЛОЖЕНИЕ РАЗЛИЧНЫЕ ВОПРОСЫ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ Содержание приложения Приложение имеет целью дать читателю избранную библиографию по вопросам, относящимся к части В, но не рассмотренным в ней из-за недостатка места. Сюда входит проблема устройства оснований для одежд автострад и аэропортов, расчет шпунтовых ограждений, расчет перемычек, проектирование тоннелей в грунтах, расчет водопропускных труб и методы искусственного закрепления грунтов нагнетанием цемента и химикалий. Основания одежд автострад и аэропортов Быстрое распространение дорог с твердыми покрытиями во всем мире вызвало необходимость тщательного исследования оснований дорог и разработки улучшенных методов подготовки оснований. Это привело к появлению высоко специализированной ветви механики грунтов, называемой д о р о ж н о й г е о т е х н и к о й . Тяжелые требования, предъявлявшиеся к военным транспортным аэродромам во вторую мировую войну, вызвали появление г е о т е х н и к и а э р о п о р т о в . В отличие от оснований сооружений, основания дорог подвергаются решающему воздействию климатических условий. По этой причине общие выводы, делаемые на основании результатов испытаний грунтов и наблюдений в ограниченных географических районах, могут быть совершенно ошибочными. Обзор современной американской практики в области исследования и подготовки оснований дорог, испытаний и классификации грунтов для автодорожных целей можно найти в книге: L. I. H e w e s , Americanhighway practice, 1942 vol. 1, chapters. Ill and V a n d appendix IV, Wiley, New Уогк. To же, в отношении гражданских аэропортов можно найти в книге: G i i d d e n 1 L a w and С о w 1 е s, Airports, McGraw-Hill, New Уогк, 1946, chapters IV and VII. Военные аэропорты рассматриваются в работе M i d d 1 е b г о о к s, and B e r t r a m , Soil tests for design of r u n w a y pavements, Proc. Highway Research Board, vol. 22, 1942, стр. 144—173. Относительные достоинства жестких и гибких покрытий для взлетнопосадочных полос пока еще являются предметом обсуждения. Шпуитовые ограждения Шпунтовые ограждения играют ту же роль, что и подпорные стенки, но так как они состоят из одного ряда свай, то нуждаются во внешней опоре. Нижний конец шпунтовой стенки забит в землю, тогда как верхний заанкерен с помощью анкерных плит, анкерных стенок или кустов анкерных свай. До недавнего времени считалось, что давление земли на шпунтовые ограждения определяется теми же законами, что и в случае подпорных стен. РАЗЛИЧНЫЕ ВОПРОСЫ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ 605 Даже и сейчас общепринятые методы расчета основываются на этом допущении. Однако практика, эксперименты и теоретические исследования показывают, что максимальный изгибающий момент в шпунтовых сваях может быть гораздо меньше, чем определенный обычными методами. С другой стороны, фактическое натяжение анкеров, по-видимому, превосходит расчетное, и большинство аварий шпунтовых ограждений было связано с разрушением анкеров. Теоретические основы расчета шпунтовых ограждений рассмотрены в книге К- T e r z a g h i , Theoretical soil mechanics, Wiley, New York, 1943, стр. 216—234. Ом. также S t r o y e r, Earth pressure on flexible walls, paper 5024, J . J nst. Civil Engrs., London, vol. 1, 1935—36, стр 550—557. В этой работе приведены результаты испытаний на моделях, показавшие важное влияние смещения стенок наружу на величину максимального изгибающего момента. Устойчивость и прочность перемычек Перемычка •— это плотина с коротким сроком службы. Перемычки возводятся вокруг мест производства работ с тем, чтобы оградить последние от затопления, когда работы ведутся ниже уровня реки или других водных бассейнов. При расчете перемычек необходимо учесть напор воды, которая будет действовать с внешней стороны, размеры ограждаемой площади, грунтовые условия, колебания уровня воды снаружи и возможность эрозии вдоль иизового контура перемычки. Анализ условий, определяющих устойчивость и прочность перемычек, содержится в статье К. T e r z a g h i , Stability and stiffness of cellular cofferdams, „Trans. ASCE", paper 2253, vol. 110, 1945, стр. 1083—1119, дискуссия стр. 1120—1202. Обширный обзор практического опыта сооружения перемычек различных типов можно найти в книге L. W h i t e and Е. A. P r e n t i s , Cofferdams, Columbia University Press, New York, 1940, стр. 93—253. Некоторые из утверждений и взглядов, высказанных в теоретической части этой книги (стр. 192), являются спорными, а практическое значение испытаний на моделях, по-видимому, переоценивается. Результаты подобных испытаний дают не больше, чем метод сеток течения (§ 39). Тоннели в грунтах Следует различать давление земли на временное крепление и на постоянную обделку тоннелей. Временное крепление поддерживает кровлю и стены тоннеля до тех пор, пока не будет установлена постоянная обделка. Пока тоннель или шахта разрабатываются и устанавливается временное крепление, сопротивление грунта сдвигу мобилизуется полностью и давление земли определяется арочным эффектом' (см. К. T e r z a g h i , Theoretical soil mechanics, стр. 66—76 u 194—215). 'После устройства постоянной обделки давление на нее в течение некоторого времени возрастает. В песках выше уровня воды это увеличение умеренно, но в жестких набухающих глинах оно весьма велико. Явления давления земли на тоннели в грунтах и способы борьбы со стремлением грунта заполнить выработку описаны в книге R. V. P r o c , t o r and Т. L. W h i t e , Earth tunneling with steel supports, Ohio, 1948, section 1, Principles of earth tunneling, by K.,Terzaghi. Результаты экспериментального изучения арочного эффекта в песках иад смещающимся трапом описаны в статье К- T e r z a g h i , Stress distribution in dry and saturated sand above a yielding trap-door, P r o c . InternConf. Soil Mech., Cambridge Mass., 1936, vol. I, стр. 307—311. Результаты измерения давления на крепления и обделку тоннелей в мягком иле и глине описаны в статьях: G. М. R a p p and А. Н. B a k e r , 606 ПРИЛОЖЕНИЕ The measurement of soil pressures on the lining of the Midtown Hudson tunnel, Proc. Intern, conf. soil mech., Cambridge, Mass., 1936, vol. II, стр. 150—156; К. T e r z a g h i , „Trans. ASCE". - paper 2200, vol. 108, 1943, стр. 970—1007; W. S. H о u s e 1, Earth pressure on tunnels, „Trans. ASCE", paper 2200, vol. 108. 1943, стр. 1037—1058; K- T e r z a g h i , Shield tunnels of the. Chicago subway, „J. Boston Soc. Civil Engrs.", vol. 29, 1942, стр. 163—210 Мнения относительно допущений, которые должны быть положены в основу расчета давления грунта на обделку тоннелей, расходятся. По этому вопросу следует познакомиться с двумя последними из перечисленных выше работ. См. также статью G. L. G r o v e s , Tunnel linings with special reference to a new form of reinforced concrete lining., „J. Inst. Civil Engrs.*,' London, paper 5304, March, 1943, стр. 29—64, дискуссия, октябрь, 1943, стр. 357—365. Расчет водопропускных труб Водопропускные трубы напоминают тоннели, но строятся в открытых котлованах и затем засыпаются. Если труба опирается на нежесткое основание, она испытывает не только давление земли, но и изгиб в продольном направлении вследствие корытообразной формы осадки основания насыпи. Разрушение труб из-за продольного растяжения не является необычным. Распределение давления грунта снаружи трубы зависит в большой степени от жесткости ее стенок и сжимаемости грунта засыпки. В существующих методах расчета это обстоятельство учитывается в недостаточной мере. Большинство методов расчета исходит из допущения, что труба является жесткой. В результате изгибающие моменты в стенках труб прямоугольного или кругового очертания в действительности гораздо меньше, чем полученные расчетом. Это следует иметь в виду при чтении работ, относящихся к данному вопросу. Обзор американской практики проектирования труб можно найти в книге. L. I. H e w e s , American highway practice, Wiley, New York, 1942 vol. II, appendixes I and II. См. также. Handbook of culvert and drainage practice, Armko I n t e r n a t i o nal corporation, Middietown1 Ohio, 1938, стр, 11—118. Результаты измерения давления грунта на трубы опубликованы в статье: D. В. G u m e n s k y ; A c h i e v i n g s t r e n g t h and tightness i n . c u t - a n d cover conduit, „Eng. News-Record", vol. 117, 1936, стр. 633—635. При различных засыпках и жесткости труб получаются совершенно различные результаты. Цементация и искусственное химическое закрепление грунта Закрепление служит либо для уменьшения количества воды, фильтрующейся сквозь грунт в котлован, либо для увеличения несущей способности грунта. Если эффективный диаметр песчаного или песчаио-гравелистого грунта меньше 1 мм, грунт может быть преобразован в бетон путем нагнетания под давлением цементного раствора в его поры. Мелкие и очень мелкие пески закрепляются последовательным нагнетанием двух химических растворов, которые, реагируя между собой в порах, образуют твердое и почти непроницаемое заполнение. Уменьшение проницаемости мелкого и очень мелкого песка без заметного повышения его прочности может быть достигнуто нагнетанием одного раствора, который превращается в гель через несколько часов после нагнетания. Ни один из' методов не может применяться с какой-либо надеждой на успех в мелкой пыли или глине, так как их низкая проницаемость исключает пропитку раствором за приемлемый отрезок времени. Обзор основных методов закрепления и условий ях успешного применения можно найти в статьях: К- T e r z a g h i , Openingdiscussion М-6, РАЗЛИЧНЫЕ ВОПРОСЫ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ 607 Proc. Intern. Conf. Soil Mech., Cambridge, Mass., 1936, vol. Ill, стр. 180— —182; J. H. P f e i f f e r, A new method of impermeabiiizing and improving the physical properties of pervious subsoils by injecting bituminous emulsions, vol. I, стр. 263—266. G . D. R o d i о, The foundation of the building La Baloise in Lugano, Switzerland, involving modern methods in deep foundation technique, vol. Ill, стр. 215—226. Некоторые примеры практического применения двухрастворного закрепления мелких песков можно найти в статье К. P o h l , Use of silicrfication for construction in running ground, Process of.' H. Joosten (in French), „Genie Civil' (Paris), vol. C., Jan. 2, 1932, стр. 14—17. В отдельных случаях крупнозернистые грунты подвергались нагнетанию глинистых или бентонитовых суспензий, но опубликованные данные не позволяют установить условия успешной применимости этого метода. Госстройиэдат Москва, Третьяковский д. 1 ** # проезд, 'Карл Терцаги, Ральф Б. Пек МЕХАНИКА ГРУНТОВ В ИНЖЕНЕРНОЙ ПРАКТИКЕ Р е д а к т о р А. П. Смирнова Т е х н . р е д а к т о р П. Г. Гиленсон Сдано в набор 18/VI-1958 г. П о д п . к п е ч а т и 13/1X 1958 г. Б у м а г а 60Х921/,» д,л. 19 б. л.38 п. л, Уч-из. 39 л. Т-03066. И з д . М У М 9 3 7 З а к . 1033 Цена 18 руб. П е р е п л е т № 7—2 руб. Типография № 1 Государственного издательства литературы по строительству и архитектуры, г. Владимир Строка ОПЕЧАТКИ Напечатало Следует члтать По липе 7 снизу 6 снизу. 2 снизу (сноска) 20 сверху ab ab ab ab Это следует Это не следует G=3 Gt= 3 Типографии „ Редактора (титульн.) Типографии