книги / Механика грунтов

ческих методов расчета, а правая устанавливается по наблюде­ ниям за действительными осадками сооружений, предельная ве­ личина которых регламентируется соответствующими нормами.

Таким образом, задача заключается в определении величины расчетных осадок, их разности для отдельных частей сооруже­ ния, а также протекания осадок во времени, так как для раз­

можно не учитывать осадку, появившуюся за время строитель­ ства.

Следует отметить, что для сооружений, несущих постоянную нагрузку, осадка должна быть не только менее определенного предела, но с течением времени должна с т а б и л и з о в а т ь с я , т. е. приращения осадок с течением времени должны стремиться к нулю. Исключение составляют лишь сооружения, возводимые на определенный срок эксплуатации, для которых может быть допущена незатухающая ползучесть оснований, не превышаю­ щая заданного предела.

Задача прогноза осадок сооружений на естественных осно­ ваниях является математически весьма сложной, так как грунты в основаниях сооружений работают в условиях пространствен­ ной, плоской и реже одномерной задачи.

Г и б к и е ф у н д а м е н т ы рассчитываются на совместную работу со сжимаемым основанием ло методам расчета балок и плит на линейно-деформируемом основании, причем и в этом случае величина как деформаций, так и контактных напряже­ ний не должна превосходить предельных величин для данного вида сооружения и грунтового основания. Последнее вызывает необходимость разработки не только методов расчета фунда­ ментных балок и плит на сжимаемом основании, но и методов определения коэффициентов, характеризующих сжимаемое ос­ нование.

Наконец, при кратковременных динамических нагрузках (ударных, вибрационных, сейсмических, в виде импульсов боль­ шой силы и т. п.) неупругие деформации, требующие некоторого времени для своего развития, не успевают развиваться, и ос­

Решение проблемы определения деформаций грунтов, имею­ щей существенное значение для практики, возможно лишь на базе развития теорий деформаций грунтов, скорректированных наблюдениями в натуре.

§ 1. ВИДЫ ДЕФОРМАЦИЙ ГРУНТОВ И ПРИЧИНЫ, ИХ ОБУСЛОВЛИВАЮЩИЕ

Виды деформаций грунтов

Действие внешних сил на тело вызывает его перемещения. Если тело совершает поступательное движение или вращается без изменения относительного расположения частиц, то оно не деформируется; такие перемещения не вызывают никаких внут­ ренних напряжений. Только перемещения отдельных частиц тела связаны с возникновением в нем напряженного состоя­ ния.

Если нагрузку, приложенную к деформируемому телу, снять, то одни частицы тела возвратятся в прежнее положение, а дру­ гие останутся в положении, полученном при действии нагрузки,

точных деформаций незначительна, и ими часто можно пре­ небречь, т. е. рассматривать такие тела как упругие.

В грунтах же при действии внешних сил возникают как упру­ гие, так и остаточные деформации, причем остаточные дефор­ мации часто в десятки раз превосходят упругие. Существенным отличием грунтов от упругих тел является то, что при действии

об щу ю д е ф о р м а ц и ю .

Водних случаях особо важное значение приобретает общая деформация грунтов, в других — упругая и, наконец, остаточ­ ная.

Различные виды деформаций грунтов обусловливаются раз­ личными физическими причинами, вызывающими их (табл. 38).

блюдается при периодической сжимающей или растягивающей нагрузке и разгрузке, и упругие искажения формы без измене­ ния объема, происходящие главным образом при мгновенных нагрузках. Так как упругие деформации .распространяются со скоростью звука, то компрессионных изменений грунта практи­ чески за время действия мгновенных нагрузок (за исключением вибраций) не возникает, ибо для их развития требуется доста­ точный промежуток времени.

Д е ф о р м а ц и и у п л о т н е н и я и н а б у х а н и я , кото­ рые следует отнести к неупругим деформациям, требуют зна­ чительного времени для своего развития и обусловливаются компрессионными свойствами грунтов. Процессы уплотнения и

Наконец, чисто о с т а т о ч н а я деформация грунтов возни­ кает вследствие разрушения структуры и излома частиц и бу­ дет существенным фактором для сооружений, возводимых из грунта. В результате действия повторных нагрузок остаточная деформация накапливается, и, например, в грунтовых дорогах образуются колеи, ухудшающие проходимость.

Рассмотренные физические причины, обусловливающие ха­ рактер тех или иных видов деформаций грунтов, в естественных условиях могут существовать в многообразном сочетании. В од­ них случаях основное значение будут иметь одни причины, в других — другие; иногда же на деформации будут влиять одно­ временно несколько причин.

Влияние способа загружения и граничных условий

Внешняя нагрузка может быть приложена к грунту раз­ ными способами, причем время действия нагрузки бывает весь­ ма различно. Условия загружения в сильной степени влияют на

к некоторому пределу, причем при достаточно большом числе циклов нагрузок проявляется лишь упругая деформация, т. е. грунт приобретает упруго-уплотненное состояние. Изложенные данные подтверждаются многочисленными исследованиями уп­ ругих свойств железнодорожного балласта при действии ряда последовательных нагрузок, передаваемых грунту посредством

шпал1. Лабораторные опыты также подтверждают указанные зависимости2.

Во втором случае, т. е. при мгновенной нагрузке, могут про­ исходить так называемые адиабатические осадки, обусловленные искажением формы при неизменном объеме грунта. Такие осад­ ки наблюдаются, например, при проходе поездов, при быстром’ проезде груженых автомобилей, при забивке свай и пр.

Н е п р е р ы в н о в о з р а с т а ю щ а я н а г р у з к а . При ис­ пытании грунта жестким штампом при непрерывном повыше­ нии нагрузки в грунте наблюдаются переходящие одна в дру-

гов, которая после соответствующего времени действия на­ грузки переходит в прогрессирующее течение (см. главу IV).

на главным образом вертикальными перемещениями грунта, во второй фазе (2) осадка обусловливается в равной мере и вер­ тикальными, и горизонтальными перемещениями, и, наконец, при прогрессирующем течении (3) горизонтальные перемещения начинают преобладать над остальными, хотя общий характер деформаций сдвига не меняется. Так как нагрузка при возве­ дении сооружений выбирается в большинстве случаев из усло­ вия недопущения фазы сдвигов, то особое значение приобретает

ходит начальной критической нагрузки по условию предельного равновесия, вызывает во всех точках грунта под нагруженной поверхностью только у п л о т н е н и е . Полное уплотнение и ста­ билизация деформаций происходят для различных грунтов в различные промежутки времени. Если постоянная нагрузка бу­ дет иметь величину, при которой под нагруженной поверхностью возникает фаза сдвигов, то наблюдаются незатухающие во вре­ мени пластические течения. Непосредственные опыты с грун­ тами в условиях их естественного залегания и наблюдения за осадками сооружений показывают, что при постоянной нагрузке на грунт соотношение между временем и осадкой может быть изображено схематически (см. рис. 193).

Случай 1 наблюдается в песчаных, гравелистых и вообще крупнозернистых грунтах с относительно большими размерами отдельных пор. Осадка фундаментов на этих грунтах как при неполном насыщении, так и в случае полного насыщения их водой происходит чрезвычайно быстро вследствие того, что со­ противление выдавливанию воды и воздуха из пор крупнозер­ нистых грунтов ничтожно, а затухание осадки происходит почти непосредственно после приложения нагрузки. Величина полной осадки штампа на грунтах с жестким скелетом зависит почти исключительно от плотности залегания. При нагрузках, не пре­ вышающих величин, при которых наблюдаются фазы сдвигов, величина полной осадки обусловливается главным образом изме­ нением пористости, и боковые сдвиги имеют относительно не­ большое значение.

Случаи 2 и 3 наблюдаются в дисперсных грунтах, главным образом в глинистых и илистых, поры которых, особенно гли­ нистых, в условиях естественного залегания в подавляющем большинстве заполнены водой. Скорость затухания и стабили­ зация осадки зависят от водопроницаемости грунта, т. е. от скорости выдавливания воды из пор грунта, а также от ползу­ чести скелета грунта. Если под подошвой нагруженного штампа находится водопроницаемый прослоек из песка, то будут про­ исходить выдавливание воды из пор грунта и уменьшение влаж­

ности в массиве грунта в области всей «луковицы напряже­ ний».

Непосредственно после приложения нагрузок приращения осадок в единицу времени будут наибольшие. В дальнейшем не­ обходимо различать два основных случая:

а) приращение осадок с течением времени стремится к ну­ лю (случай 2, рис. 193), и в пределе величина осадки прини­ мает стабильное значение, что указывает на правильный выбор нагрузки на грунт;

стоянной величине (случай 3, рис. 193), причем величина ста­ билизованной осадки не может быть достигнута. Последний случай также может быть в основаниях сооружений и соответ­ ствует возникновению пластического течения. Ряд примеров по­ казывает, что в таких случаях было неправильно принято дав­ ление на грунт. Известно, например, что памятник Вашингто­ ну (в США) дает постоянную осадку в 0,6 мм в год в течение последних 34 лет. Здание одной почтовой конторы в Австрии, основанное на слое мягкой глины, находящейся между двумя слоями проницаемого песка, оседает в течение последних 15 лег на постоянную величину — 8,4 мм в год.

Г р а н и ч н ы е ус лов ия , при которых передается внешняя нагрузка на грунт (размеры и форма площади загрузки, глуби­ на заложения и жесткость фундаментов), имеют существенное значение для развития деформаций грунтов.

Из рассмотрения вопроса о распределении напряжений в грунтах при действии местной нагрузки вытекает, что величина

напряженной зоны грунта зависит от величины загруженной площади. Чем больше загруженная площадь, тем на большую глубину будут распределяться напряжения, а следовательно, тем большая область массива грунта будет подвержена дефор­ мации. Отсюда вытекает, что осадки грунта зависят от вели­ чины загруженной площади.

Непосредственные опыты по изучению зависимости между величиной осадки и размерами загруженной площади показы­ вают, что осадка под действием местной нагрузки будет в опре­ деленных пределах пропорциональна величине загруженной площади. Однако эта пропорциональность при одинаковой фор­ ме площади передачи нагрузки наблюдается лишь в опреде­ ленных пределах размеров площади загрузки. Для удобства сравнения различных по форме площадей было предложено приводить величину их к равновеликим квадратам и рассмат­ ривать зависимость осадки от величины стороны квадрата ппо­ щади загрузки, т. е. от величины корня квадратного из пло­ щади загрузки.

Опыты показывают, что зависимость осадки от величины площади загрузки при большом диапазоне изменений величи­ ны площади, даже для однородных грунтов, выражается слож­ ной кривой: при малых площадях осадки уменьшаются с уве­ личением площади, при средних — наблюдается прямая пропор­ циональность величины осадки корню квадратному из площади. Недоучет этого обстоятельства может привести к серьезным ошиб­ кам. Как пример на рис. 194 приведены результаты опытов инж. Пресса по изучению влияния величины площади на осад­ ку. Опыты поставлены с грунтами в условиях их естественного залегания, причем на рис. 194,а даны результаты опытов с песком, а на рис. 194,6 — с суглинком. Различный, точнее про­ тивоположный характер зависимости осадки от площади малых и средних размеров площадей следует объяснять различными условиями работы грунта в первом и во втором случаях. В пер­

подобие сваи с тупым концом. Во втором случае, особенно при нагрузках, не превосходящих предела пропорциональности, грунт в основном находился в фазе у п л о т н е н и я . Таким обра­ зом, зависимость осадки от величины площади загрузки для

нагрузки, вызывающие фазу сдвигов, а тем более выпирание грунта. Опытами установлено, что н и ж н и м п р е д е л о м, пре­ взойдя который осадки возрастают прямо пропорционально ши­ рине штампа, будут круглые площадки диаметром 30 —

а)53

Рис. 194. Зависимость осадки от размеров площади за­ грузки

а — для песка (7=1,52 т/жЗ; п = 4 2 0 /п); б — для суглинка (с со­

держанием песка 46%)

35 см или со стороной квадрата не менее 45 см. Послед­ ние данные имеют существенное значение для правильного вы­ бора размера опытных штампов при испытании грунта пробной

например, инж. Пресс проводил опыты с площадками размеромот 50 до 8000 см2, тогда как опыты Фундаментстроя проводи­ лись с площадками размером от 2500 до 80 000 см2, т. е. в де­ сятки раз большими. Эти опыты были поставлены на лессовид-