книги / Механика грунтов

Вольске и в других местах. Почти все побережье Черного моря подвержено оползневым процессам, разрушающим здания, дороги и другие инженерные сооружения, в результате чего необходимы огромные расходы на восстановление сооружений. Известны случаи, когда оползни (происходили буквально в не­ сколько минут, причем оторвавшиеся массы грунта .разрывали пополам дома и отдельные деревья.

Особенно грандиозные оползни наблюдались на шведских железных дорогах. Шведской геотехнической комиссией описан ряд случаев катастрофических оползней. Оползень, происшед­ ший в 1918 г. у Витта-Сикудден (Швеция), продолжался не бо­ лее 20 мин и повлек за собой обвал железнодорожного пути на протяжении 45 м, что вызвало крушение проходившего пас­ сажирского поезда. Оползень у Сэма на Бухюсской железной дороге (Швеция) в 1930 г. вызвал обрушение участка строя­ щейся дороги, причем оползшие массы грунта заполнили выемку глубиной 3 м и покрыли прилегающую местность на площади около 5000 м2.

Можно привести еще ряд оползней, сопровождавшихся раз­ рушением сооружений, но и приведенных примеров достаточно, чтобы уяснить огромное значение необходимости борьбы с ополз­ невыми явлениями.

Другие виды нарушения устойчивости массивов грунта, а именно обвалы и сплывы, наблюдаются главным образом в горных районах.

О б в а л ы отличаются от оползней тем, что при их образова­ нии деформации захватывают значительные по распространению слои грунта и протекают весьма быстро. Обвалы грунта воз­ никают вследствие временного уменьшения сопротивления грун­ та сдвигающим усилиям.

Совместные нарушения сил сцепления и сопротивления трению приводят к нарушениям устойчивости массивов грунта, промежуточным между оползнями и обвалами.

С п л ы в ы — это нарушение устойчивости масс грунта, пере­ ходящих в текучее состояние. Чем больше влаги может удержи­ вать в себе грунт, тем он оказывается более устойчивым при сплывах. При одинаковом содержании воды мелкозернистые, но лишенные связности пылеватые и мелкопесчаные грунты быстрее становятся текучими, чем связные.

жение грунта подчиняется законам гидродинамики, согласно которым сопротивление трению увеличивается при увеличении скорости движения. Различие между оползнями и обвалами, с одной стороны, и сплывами и выдавливаниями, с другой, заклю­ чается в том, что для первых всегда наблюдаются криволиней­ ные поверхности скольжения, тогда как «в последних явно выра­ женных поверхностей скольжения нет, особенно если грунты находятся в-текучем состоянии.

Главнейшими причинами нарушения устойчивости массивов грунта являются внешние воздействия, увеличение активного действия нагрузки и уменьшение сопротивлений. Эти причины возникают как отдельно, так и совместно, обусловливая различ­ ные виды оползней, обвалов, сплывов и выдавливаний.

В н е ш н и м и в о з д е й с т в и я м и могут быть: устранение естественной опоры для земляных масс, расположенных на на­ клонном плотном слое; рытье канав и котлованов, прорезающих слабые слои, нагруженные весом вышележащих слоев; подмыв склонов и обрывов текущей водой и т. п. Нарушение устойчи­ вости будет тем более вероятным, чем круче наклон плотного слоя, чем глубже будут прорезаться рыхлые слои и чем больше разница в плотности вышележащих слоев и слоев, нарушаемых внешними механическими воздействиями.

Ув е л и ч е н и е а к т и в н о г о д е й с т в и я н а г р у з к и весь­ ма часто служит причиной нарушения устойчивости земляных масс. Это увеличение может быть как в чистом виде, например при воздействии искусственных сооружений, насыпей и пр., так и вследствие изменений физического состояния грунта и дейст­ вующих в нем усилий. Весьма часто причиной оползней и обва­ лов является увеличение веса слоев грунта вследствие насыще­ ния их водой во время продолжительных дождей или навод­ нения. Если грунт был сухим, то при насыщении водой он уве­ личивает свой объемный вес на величину веса воды, заполняю­ щей поры.

При понижении уровня грунтовых вод может быть увеличе­ ние веса грунта вследствие устранения взвешивающего действия воды. Это особенно резко сказывается в водопроницаемых грун­ тах. В грунтах же маловодопроницаемых (например, глинистых) понижение уровня грунтовых вод увеличивает толщину слоя, подвергающегося действию капиллярного натяжения воды, что может изменить условия устойчивости. Нагрузка при этом мо­ жет увеличиться до 1 т!м2.

Наличие боковых фильтрационных сил, или так называемого гидродинамического давления воды также ухудшает условия устойчивости массивов грунта, особенно при производстве вые­

мок. Гидродинамическое давление1 действует в грунте, в кото­ ром фильтруется вода, и равно произведению веса воды ув в единице объема на гидравлический градиент в данной точке /, т е.

0 = 7 ./•

Гидродинамическое давление играет значительную роль при образовании оползней в откосах в мелком песке. Так как с при­ ближением к подошве откоса величина / быстро возрастает, то давление воды вытесняет грунт в выемку. После обильных дождей поверхность грунтовых вод становится более крутой, гидравлический градиент / увеличивается, а потому увеличи­ вается и опасность оползания откоса выемки.

Отметим, что на условия устойчивости массивов грунта так­ же оказывает влияние давление, возникающее при заполнении водой трещин, особенно при замерзании в них воды. Наиболее благоприятно для напитывания водой время сильного таяния снега весной, а также время дождливой осени, наступившей пос­ ле жаркого и сухого лета, когда в грунте образуются широкие и глубокие трещины, способствующие проникновению воды.

У м е н ь ш е н и е с о п р о т и в л е н и й сказывается главным образом в изменении величины -сцепления и сопротивления тре­ нию. Вследствие переменного увлажнения и высыхания, а также при периодическом действии мороза происходит разрыхление грунтов, уменьшающее их силы сцепления. Наличие прослоек глины между песчаными слоями уменьшает сопротивление тре­ нию. Кроме того, в трещиноватых породах прослойки глины мо­ гут действовать при оползнях как смазка. Добавочная нагрузка на прослойки глины вызывает в них гидродинамические напря­ жения (см. главу V), причем непосредственно после приложения нагрузки сдвигающие напряжения достигают своей полной ве­ личины, нормальные же напряжения, величина которых пропор­ циональна трению, будут иметь лишь некоторую долю конечного значения.

К частным явлениям, с которыми приходится иметь дело ин­ женеру при земляных работах, относятся оползни глинисто-ще­ бенистых склонов, образующиеся после продолжительных дож­ дей даже при углах падения 10° и меньше.

При глубоком зимнем промерзании грунтов физико-механи­ ческие процессы, которые происходят в деятельном слое, могут явиться существенными факторами, влияющими на устойчивость грунтов.

1 Понятие о гидродинамическом давлении фильтрационного потока в грунтах и формула для определения его величины были впервые даны проф. Н. П. Пузыревским еще в 1923 г. (см. «Расчеты фундаментов», литограф, изд. Кубуч.. 1923 г.).

Из перечисленных видов нарушения устойчивости массивов грунта наибольшее распространение имеют оползни, что застав­ ляет в дальнейшем уделить им преимущественное внимание.

Форма п о в е р х н о с т и с к о л ь ж е н и я оползней имеет существенное значение для статических расчетов устойчивости массивов грунта, поэтому ряд исследователей обращал внима­ ние на установление очертания поверхности скольжения. При этом одни исследователи исходили из результатов непосред­ ственных наблюдений, другие же решали вопрос теоретически, изучая напряженное состояние массива грунта.

7

скольжения при оползнях в однородных грунтах имеют криволи­ нейное очертание в разрезе; у поверхности откоса направление кривой скольжения близко к вертикальному, но по мере при­ ближения к основанию угол наклона кривой к горизонту стано­ вится все меньше, приближаясь к нулю (рис. 142,6). Очертание поверхности скольжения для однородных грунтов в разрезе близко к круглоцилиндрическому, в плане же в большинстве случаев оно имеет циркообразную форму (рис. 142,а).

В случае разнородных слоистых напластований грунтов очер­ тание поверхностей скольжения будет зависеть главным образом от свойств грунтов, их плотности, величины сил сцепления и пр. При оползании рыхлых грунтов по скальным породам поверх­ ность скольжения в основном совпадает с поверхностью скаль­ ных пород. При слоистых напластованиях с резко выраженными различными свойствами отдельных слоев поверхность скольже­ ния может иметь форму волнообразной кривой с криволинейной осью. На очертании поверхности скольжения сказываются и ди­ намические усилия, возникающие при оползании массивов грун­ та, что, например, способствует образованию бугров оползания у подножья откосов и склонов.

Таким образом, экспериментальные данные показывают, что очертание кривой скольжения может быть весьма различным.

Так как вопрос об очертании поверхностей скольжения имеет весьма существенное значение для .практики расчетов устойчи­ вости массивов грунта, то рядом ученых были предприняты тео­ ретические изыскания в этой области. Первым во времени было предложение принимать (согласно допущению Кулона) поверх­ ности скольжения .плоскими. Однако применение этого положе­ ния к расчету устойчивости массивов грунта оказалось неудов­ летворительным, так как в действительности наблюдается опол­ зание не по плоским, а по криволинейным поверхностям сколь­ жения.

Очертание 'поверхностей скольжения в общем виде получено проф. В. В. Соколовским1 путем решения для соответствующих случаев дифференциальных уравнений предельного равновесия плоской задачи.

Однако строгие решения не получались в замкнутой форме, поэтому для практических приложений потребовалось их табу­ лирование.

Рассмотрение задачи о равноустойчивой форме откосов в та­ кой постановке было выполнено проф. А. М. Сенковым2 на ос­ нове точного решения проф. В. В. Соколовского.

Для исследования же вопроса об устойчивости неоднородных массивов грунта при произвольном их очертании и слоистых на­ пластованиях, а также и в других сложных случаях приходится прибегать к приближенным графическим методам расчета, за­ даваясь формой поверхности скольжения.

Элементарные задачи

Рассмотрим условия равновесия свободного от внешней на­ грузки откоса грунта под действием его собственного веса пру* упрощающих допущениях о поверхностях скольжения для слу­ чая чисто сыпучих грунтов (с =* 0), когда грунт обладает только трением, и для случая идеально-связных грунтов (<? = 0), когда грунт представляет собой связное тело с весьма малым трением между частицами, величиной которого можно пренебречь.

Гр у н т о б л а д а е т т о л ь к о т р е н и е м . Допустим, что на поверхности откоса рыхлого сыпучего грунта свободно лежит

действовать сила трения Т\ прямо пропорциональная нормаль­ ному давлению N и действующая параллельно откосу аЬ т. е.

Для составления уравнения равновесия возьмем проекцию всех сил на направление аЬ\

Т — г = О

или, учитывая, что сила трения Т' = }Ы, т. е. равна произведе­ нию коэффициента внутреннего трения на нормальное давление, получим

Р з1п а — / Р соз = 0,

откуда

*§ « = /•

Атак как коэффициент внутреннего трения

/= * ё < Р .

то окончательно получим

Полученное соотношение можно формулировать следующим образом: предельный угол откоса в рыхлых сыпучих грунтах ра­ вен углу внутреннего трения грунта. Этот угол сыпучих грунтов

выемки в водонасыщенных грунтах или когда уровень грунтовых вод, например при выпадении сильных дождей, внезапно под­ нялся выше основания откоса, то на величину угла естественного откоса существенное влияние будет оказывать гидродинамиче­ ское давление фильтрующейся иа откоса воды. Если мысленно

выделить на поверхности откоса объем грунта, равный единице (например, 1 см3), то кроме собственного веса грунта Р, кото­ рый следует принимать с учетом взвешивающего действия воды, на выделенный элемент будет действовать по касательной к ли­ нии тока воды гидродинамическое давление О. Результирующее давление Р определится путем построения параллелограмма сил Р и й (рис. 144). Так как угол внутреннего трения сыпучего

Рис. 144. Пос-1роение, определяющее угол откоса сы­ пучего грунта при действии фильтрационных сил

грунта, насыщенного водой, практически равен углу внутреннего трения сухого грунта, то новая касательная к поверхности сколь­ жения также будет составлять с результирующим давлением Р угол 90° — <р.

Отсюда вытекает весьма простое правило определения угла откоса грунта при фильтрации воды из массива, а именно: сле­ дует построить равнодействующую сил И и Р и от направления

в покое. Для определения угла устойчивого откоса необходимо полученное значение угла «1 разделить на коэффициент запа­ са, больший единицы.

Таким образом, угол естественного откоса является величи­ ной постоянной только для сыпучих грунтов, не насыщенных во­ дой. Если же на откос действуют кроме веса частиц грунта и фильтрационные силы воды, то угол откоса будет меняться в за­ висимости от величины гидродинамического давления воды. Чем круче откос, тем больший гидравлический уклон будет иметь

стых), понятие об угле естественного откоса теряет смысл, так как угол откоса в высокой степени зависит от влажности грунта. С увеличением влажности угол откоса глинистых грунтов умень­

Рассмотрим условия рав­ новесия массива связного грунта, ограниченного вертикальным

откосом (рис. 146) и обладающего только сцеплением при до­ пущении, что поверхность скольжения плоская. Проведем под произвольным углом о возможную поверхность скольжения ас. Составим уравнение равновесия сил, действующих на оползаю­ щую призму аЬс. Действующей силой является вес Р призмы

аЬс:

Р- НЬ’ з&2 +

Силами сопротивления будут силы сцепления с, распреде­

ленные по плоскости скольжения а с = — ^~ . Однако использо-

81П СО

вать в полной мере силы сцепления в -рассматриваемом случае не представится возможным, так как в верхней точке призмы оползания аЬс давление равно нулю, а в нижней — .максималь­ ное. Поэтому в среднем можно учитывать лишь половину сил сцепления, что элементарным путем позволяет прийти к реше­ нию, совпадающему со строгим решением теории предельного равновесия.