Механика мерзлых грунтов общая и прикладная

так и другими исследователями (М. Н. Гольдштейном, В. Ф. Ба­ кулиным, В. Ф. Жуковым, М. Ф. Киселевым, В. П. Ушкаловым й др.). Здесь мы ограничим наше изложение лишь описанием ре­ зультатов наших наиболее характерных опытов с чистым мерзлым песком (содержание фракции 1—0,25 мм — 93%) и дисперсной гли­ ной (содержание фракции <0,005 мм — 50%), проведенных доста­ точно чисто, с соблюдением граничных условий оттаивания и уп­ лотнения.

Изучение компрессии мерзлых песка и глины при оттаивании производилось при разном внешнем давлении: без нагрузки (под

Рис. 107. Компрессионные кривые для песка (а) и глины (б):

/ — мерзлых при оттаивании; 2 — немерзлых (при положительной температуре)

действием только веса нагревателя-штампа р<0,002 кГ/см2) и при двух удельных уплотняющих давлениях различной интенсив­ ности (при р = 1 кГ/см2 и при р = 3 кГ/см2).

После оттаивания и стабилизации осадок оттаявший грунт за­ гружался дополнительно несколькими ступенями нагрузки, при которых также производилось наблюдение осадок уплотнения до полной их стабилизации. Для каждого опыта определялись харак­ теристики начального и конечного физического состояния образца (объемный вес, влажность, начальная и конечная высота образца), по которым и вычислялись соответствующие коэффициенты порис­ тости грунта. Были получены данные для полного построения ком­ прессионных кривых оттаивающих грунтов, подобных показанным на рис. 107, но при разной величине уплотняющей нагрузки при от­ таивании, по которым также определялись изменения коэффици­ ента пористости в процессе оттаивания с одновременным уплот­ нением под нагрузкой, т. е. (Де)р. Средние данные из трех опреде­ лений изменений коэффициента пористости мерзлых песка и глины

при их оттаивании в условиях компрессии и различном давлении приведены в табл. 36.

На рис. 108 показаны графики изменения коэффициента порис­ тости мерзлых грунтов при оттаивании с одновременным уплотне­ нием их нагрузкой в зависимости от величины компресеионно-уп- лотняющей нагрузки.

Согласно рис. 108, зависимость изменения коэффициента порис­ тости Ае оттаивающих грунтов от давления р в исследованных пре­

Величину tg а — а можно назвать коэффициентом уплотнения оттаивающих грунтов, так как с увеличением угла а уплотняемость грунтов увеличивается. Тогда

Зависимость (VI. 1) показывает, что изменение коэффициента пористости мерзлых грунтов при оттаивании их с одновременным уплотнением состоит из двух частей: одной — А, не зависящей от величины внешнего давления, и другой — ар в исследованных пре­ делах прямо пропорциональной внешнему давлению.

Формулу для стабилизированной осадки слоя грунта без воз­ можности его бокового расширения (д^ можно переписать в сле­ дующем виде:

при сплошной нагрузке (в условиях одномерной задачи). Под-

существующих в настоящее время методов прогноза осадок фунда­ ментов на оттаивающих грунтах, первое слагаемое (Ah) есть так называемая осадка оттаивания, не зависящая от величины внеш­ него давления, а второе слагаемое (ahp) — известное из общей ме­ ханики грунтов выражение для стабилизированной осадки слоя грунта при сплошной нагрузке, непосредственно зависящее от ве­ личины уплотняющей нагрузки и носящее название осадки уплот­ нения при оттаивании.

Дальнейшие опыты были поставлены при больших, чем рас­ смотренные выше, величинах внешних давлений на оттаивающие грунты и оказалось, что зави­

симость е 0тт=f(p) криволиней­ на лишь при давлениях свы­ ше 3 кГ/см2 для глинистых грунтов и 5 кГ/см2 для крупно­ скелетных и песчаных.

Следует отметить, что на практике для оттаивающих грунтов весьма редко допуска­ ются указанные здесь высокие давления, а значительно чаще они бывают меньшей величины, что дает возможность прини­

мать зависимость еотт=f(p) линейной.

В случае же больших дав­ лений на оттаивающие грунты нами была предложена следующая

зависимость для относительной осадки оттаивающих мерзлых грун-

ТОВ £отт«

тельного уплотнения при оттаивании а, и уточнения общей зави­ симости еот*=/(/?) Е. П. Шушериной* были поставлены специаль­ ные опыты, которые дали следующие результаты.

Н. А. Цытовича», Изд. АН СССР, 1953 и 1954.

при оттаивании, с большой степенью вероятности (при коэффици­ енте статистической корреляции R = l,00-f-0,96) для оттаивающих грунтов до давлений в 3—4 кГ/см2 полностью справедлива толь­ ко линейная зависимость еотт= f(p).

Так, для мерзлой ленточной глины коэффициент корреляции до давлений 4,0 кГ/см2 оказался равным R = 1,000, а для покровного суглинка при том же давлении R = 0,960, но при меньших давлениях (примерно до 2,5 кГ/см2) также равнялся R= 1,000; для мерзлого песка при давлениях до 4—5 кГ/см2 R= 1 ,0 0 0 . Определение

же статистической «реальности» (по уравнению RV м —1 ,где m — число наблюдений) установленной линейной зависимости оказа­ лось во всех случаях больше трех, что показывает на полную ее обоснованность.

Поэтому в практических целях с достаточной точностью можно ограничиться при расчете относительных осадок оттаивающих грунтов двумя первыми членами уравнения (VI.4).

2. При опытном определении коэффициента оттаивания А и коэффициейта уплотнения при оттаивании а необходимо учесть, что обе эти величины входят неизвестными в одно уравнение (VI.3), и поэтому для строгого определения их необходимо испыты­ вать на осадку при оттаивании два идентичных монолита вечно­ мерзлого грунта при разной величине внешнего давления *. Тогда будем иметь:

Sj = Ah -{-аНр^ s2= Ah-\-ahp2

откуда при Р2>Р 1 получим:

А = е1— ар1

Однако на практике иногда весьма трудно подобрать даже два одинаковых образца мерзлого грунта естественной структуры. По­ этому, как это было предложено автором и проверено опытами Е. П. Шушериной, в этом случае для приближенного определения коэффициентов А и о можно поступать следующим образом. Вна­ чале испытывают мерзлый грунт на осадку при оттаивании под

ские рекомендации по исследованию осадок оттаивающих грунтов. Изд-во АН

СССР, 1961.

где so,i — осадка оттаивающего грунта при незначительном внеш­ нем давлении.

Величина же коэффициента оттаивания а с достаточной для практических целей точностью может быть определена по резуль­ татам определения осадок при первой после оттаивания нагрузке, когда грунт будет еще неуплотнившимся.

Тогда для вычисления относительного коэффициента оттаива­ ния будем иметь выражение

(VI.7)

hpi

где Д$1 — увеличение осадки под действием первой после оттаива­ ния ступени нагрузки р\.

§ 4. Определение полной стабилизированной осадки фундаментов на оттаивающих грунтах

В настоящем параграфе мы рассмотрим только осадки мерзлых грунтов при оттаивании, т. е. деформации уплотнения, а не пласти­ ческого выдавливания, которые могут иметь место при просадках сильнольдистых грунтов при их оттаивании с одновременной за­ грузкой от веса возводимых на них сооружений.

Чтобы просадки оттаивающих грунтов в основаниях сооруже­ ния не имели места, давление от фундаментов сооружения должно быть не более нач Ркр — формулы (IV .ll), (IV.13) или (IV.14) и значительно меньше п р едр кр— формулы (VI.15)-r-(VI.18)'при зна­ чениях прочностных показателей сопротивлений сдвигу, определен­ ных опытным путем для оттаивающих грунтов (по данным сцепле­ ния оттаявшего грунта сотт и углу внутреннего трения оттаявшего

грунта фотт)- Как показано рядом исследований (Н. К. Захарова, Е. П. Шу-

шериной, нашими и др.), для грунтов после их промерзания и по­ следующего оттаивания, особенно если при замерзании они приоб­ рели слоистую и сетчатую текстуру, снижение сопротивления сдви­ гу (этого основного прочностного показателя грунтов) достигает до 5 раз, для мерзлых же грунтов массивной текстуры снижение сопротивления сдвигу может и не наблюдаться.

Во всяком случае, при оттаивании резко (во много раз) умень­ шается сцепление грунтов и всегда Сотт^Смерз, тогда как угол внут­ реннего трения ф может и незначительно изменяться при оттаива­ нии, особенно для крупноскелетных и песчаных грунтов, причем

фотт ^ ф*

Поэтому при прогнозе осадок фундаментов на оттаивающих грунтах прежде всего необходимо определить величину безопасного давления (по найденным непосредственными опытами величинам с0Хт и фотт и формулам для нач/?Кр и п р едр кр), при котором оттаива­ ющие грунты в основаниях фундаментов будут находиться под на­ грузкой от фундаментов лишь в фазе уплотнения, т. е. будут уп­ лотняться, а не выдавливаться в стороны.

В дальнейшем изложении мы и будем исходить при прогнозе осадок фундаментов на оттаивающих грунтах из основной зависи­ мости уравнения (VI.3) для стабилизированной осадки уплотнения мерзлых грунтов при оттаивании с одновременным загружением.

Кроме излагаемого ниже нашего метода расчета осадок мерз­ лых грунтов при оттаивании (усовершенствования в который вне­ сены также В. П. Ушкаловым, Ю. К. Зарецким и др.), были еще предложены метод контактных давлений (Г. И. Лапкин, 1939— 1947 гг.) * и метод определения осадок по простейшим физическим характеристикам оттаивающих грунтов (М. Ф. Киселев, 1952— 1957 гг.) ** Не останавливаясь подробно на последних работах, так как в свое время был опубликован их детальный разбор, отме­ тим лишь следующее.

Г. И. Лапкин при обосновании метода расчета осадок, который он позднее (1943—1947 гг.) назвал «методом контактных давле­ ний», исходит из опытной кривой деформаций образца вечномерз­ лого грунта при оттаивании, полученной им в Норильске (рис. ПО), при этом осадка определяется выражением

(рис. ПО); sm' — «постоянная осадки обжатия», определяемая гра­ фически; s,к" — «переменные осадки обжатия».

Далее, заменяя сумму первых двух слагаемых правой части величиной «условной осадкой оттаивания» $oi и принимая прибли­ женно кривую осадок грунта при давлениях, больших первой сту­ пени нагрузки (р\ по рис. ПО) за прямую и называя далее tg a = a «коэффициентом обжатия», Г. И. Лапкин получил формулу

Эта формула по виду совершенно аналогична нашему исход­ ному уравнению для осадки оттаивающего слоя грунта при сплош­ ной нагрузке [формула (VI.3)], однако входящие в нее величины имеют совершенно иной смысл, чем в исходном уравнении (VI.3). Так, первое слагаемое правой части S<JI включает в себя как осад­ ку оттаивания, так и постоянную часть (для данного давления) осадки обжатия, зависящей от величины давления, поэтому оно бу­ дет действительно только при давлении, равном или большем дав­ ления, при котором испытывался мерзлый грунт. Точно так же и величина a = tg a есть характеристика спрямленного участка кри­

издат, 1957.

четыре характерные влажности (WB, Wc, Wn, lFp) и эмпирический коэффициент Кя, использование которого не всегда (особенно при малых давлениях) дает достоверные результаты, что затрудняет применение этого метода на практике.

На основании изложенного при прогнозе полной стабилизиро­ ванной осадки уплотнения мерзлых грунтов при оттаивании мы счи-

Рис. Ш . Распределение суммы нормальных напря­ жений 0 в слое грунта при местной нагрузке:

/ — на несжимаемом основании; 2 — в однородном полупростран­ стве; 3 — при переменном модуле деформаций

таем возможным рекомендовать за основную исходную зависимость уравнение (VI.3):

s0TT= A h -f ahpA,

где Ah — осадка оттаивания, не зависящая от величины внешнего давления (складывающаяся из изменения объема льда при пере­ ходе его в воду и из изменений объема от некоторого закрытия макротрещин грунта при оттаивании); ahpK— осадка уплотнения при не очень больших изменениях давлений (до 3—4 кГ/см2), прямо пропорциональная действующему давлению /?д; h — глубина оттаивания.

Величина действующего давления рд может приниматься рав­

ной:

а) в случае одномерной задачи (при сплошной нагрузке на грунт, интенсивностью р кГ/см2)

где Н — глубина заложения фундамента; у 0тт — объемный вес от­ таявшего грунта; Zj — расстояние от подошвы фундамента до сере­ дины рассматриваемого слоя грунта;

б) в случае действия местной нагрузки без учета бокового рас­ ширения грунта (например, при расчете з0тт по методу послойного суммирования)

где oz — величина вертикального сжимающего напряжения в сере­ дине рассматриваемого слоя грунта.

В случае слоистых напластований грунтов формула (VI.3) при­ нимает следующий вид:

п

где знак 2 должен быть распространен на все слои грунта от на­

груженной поверхности до полной глубины оттаивания.

Выражение для осадки оттаивания S 0TT [формула (VI.9)] будет полностью справедливо для случая одномерной задачи, например, сжатия слоя грунта при сплошной нагрузке (когда толщина слоя грунта в несколько раз меньше ширины нагрузки) или сжатия грунта без возможности его бокового расширения.

Принимая во внимание, что произведение толщины отдельного слоя грунта hi на среднюю величину уплотняющего давления ри действующего на этот слой, есть площадь эпюры уплотняющих давлений, получим

где F-,1 — площадь эпюры уплотняющих давлений от действия собственного веса грунта (рис. 112); Fpi —то же, от действия внеш­ ней нагрузки.

Отметим, что в случае приближенного определения осадок мерз­ лых грунтов при оттаивании под фундаментами сооружений по ме­ тоду послойного суммирования, допускаемому СНиПом. пои вы­ числении Fp учитывают только величи­

ну максимальных сжимающих напря­ жений Ozi — среднюю для каждого слоя оттаивающего грунта (см. рис.