книги / Механика грунтов

где А г и А0 — амплитуды колебаний грунта на расстоянии г и

На основании опытов Я. Н. Смоликова в практических рас­ четах можно пользоваться следующими значениями коэффи­ циента затухания колебаний а (в размерности ж '1) для раз­ личных грунтов:

Существенное значение имеют результаты эксперименталь­ ного изучения изменений амплитуд поверхностных волн по глу­

бине. Как оказалось на малых глубинах, не превышающих 0,2—0,3 длины волны, амплитуды колебаний уменьшаются сравнительно незначительно.

О характере затухания поверхностных волн по глубине можно судить по графику Д. Д. Баркана (рис. 202,а), который построен по данным измерения вертикальных колебаний, вызы­ ваемых работой копра. Следует иметь в виду, что в непосред­ ственной близости к фундаменту — источнику волн — характер изменения амплитуд с глубиной будет несколько иным (рис. 202,6). Рассматривая этот график, можно сделать вывод, что не следует стремиться закладывать фундаменты машин глуб*

При определенной частоте колебаний трение в сыпучих грун­ тах настолько уменьшается, что грунты становятся подобными жидкостям, а внутреннее трение их близко к нулю. Так, на­ пример, опыт показывает, что если мелкопесчаный грунт под­ вергать вибрациям, то при определенной частоте колебаний даже сухой песок может принять текучее состояние, причем не отличающееся от состояния тяжелой жидкости. Если на поверх­ ность песка, насыпанного в ящик, положить тяжелый груз и привести ящик в состояние сильных вынужденных колебаний, то груз начнет тонуть в песке и спустя некоторое время ока­ жется на дне ящика. Если же на дне ящика находится предмет с меньшим объемным весом, чем песок, то при сильных вибра­ циях он «всплывет» на поверхность сухого песка.

Таким образом, при определенных условиях грунты под дей­ ствием вибраций приобретают свойства вязкой жидкости, иначе говоря, становятся вибровязкими.

В и б р о в я з к о с т ь грунтов может быть охарактеризована некоторым коэффициентом вибровязкости, величина которого будет различна для различных грунтов и зависит от ускорения колебаний, уменьшаясь с его увеличением. Как показывают соответствующие опыты, может быть принята следующая зави­

Опыты также показывают, что величина коэффициента виб­ ровязкости зависит от вида грунта, его физического состояния и, особенно, от влажности. На рис. 204 дан график зависимо­ сти коэффициента вибровязкости мелкозернистого кварцевого песка от влажности по опытам Д. Д. Баркана. Из графика вид­ но, что для сухого песка и песка, насыщенного водой, величина коэффициента вибровязкости будет наименьшей, и при некото­ рой величине влажности будет существовать максимум коэф­ фициента вибровязкости. Подобные же результаты получены для перемятой глины и для смеси глины с песком. Приведен­ ные данные показывают, что погружение в песчаные грунты глубинных вибраторов или забивка свай и шпунтов с использо­ ванием вибраторов наиболее успешно применяется в сухих или водонасыщенных песках. Последнее подтверждается результата­ ми производственных работ по уплотнению грунтов и забивке вибрированием шпунтовых ограждений и свай. Знание же ве-

ной несущей способностью. Производственные испытания пока­ зали, что скорость погружения шпунтов и свай в насыщенный водой или сухой песок при помощи высокочастотного вибратора может быть около 6 м/мин и более. На рис. 205 приведен гра­ фик погружения вибрированием в песчаные грунты свободного шпунта на глубину 13 м. График показывает, что потребова­ лось менее 6 мин, чтобы погрузить шпунт на глубину 13 м с потреблением энергии от 25 до 35 кет.

Следует отметить, что в последнее десятилетие виброметод нашел широкое применение не только в свайных работах, но й при погружении тонкостенных железобетонных оболочек фун­ даментов глубокого заложения диаметром от 1,5 до 6 м, приме­ няемых в фундаментостроении 21.

Погружение свай и шпунта в глинистые грунты занимает значительно больше времени, а для плотных глин становится затруднительным, так как их вибровязкость в несколько тысяч и даже десятков тысяч раз больше вибровязкости песков. По­ гружение труб высокочастотным вибрированием почти не вы­

фундаментостроении. Доклады к V Международному конгрессу по механике грунтов и фундаментостроению. Госстройиздат, 1961.

Время погружения беек

Р'ис. 205. График погружения вибрированием в песок металлическо­ го шпунта на глубину 13 м

гружения в грунт, что дает возможность применить вибрирова­ ние для бурения, взятия проб грунта для исследования и во всех других случаях, где встречается необходимость погруже­ ния труб в грунт (при инъектировании растворов, заморажи­ вающих устройствах и пр.).

У с л о в и я р а з ж и ж е н и я . В мелкозернистых грунтах, находящихся в состоянии грунтовой массы, вибрации при опре­ деленных условиях могут вызвать их разжижение и вытекание из-под подошвы вибрирующих фундаментов, например фунда­ ментов под машины. Наиболее часто разжижаются при вибра­ циях мелкопесчаные и пылеватые грунты, имеющие рыхлое сложение.

Как показали исследования1, во избежание разжижения грунта фундаменты под машины должны быть запроектированы так, чтобы в грунте не возникали напряжения переменного знака, т. е. отсутствовали бы области с растягивающими на­ пряжениями. Рассматривая напряжения под краем бесконечно

Эти данные о виброуплотнении показывают, что следует опасаться осадок фундаментов лишь под б ы с т р о х о д н ы м и плохо уравновешенными машинами, для которых действитель­ ные ускорения могут приближаться к критическим; тихоходные же машины при числе оборотов до 1500 в 1 мин дают колеба­ ния с ускорением до 0,2

Приведенные данные о виброуплотнении дают возможность с успехом применять вибраторы, соответственно рассчитанные как для глубинного, так и для поверхностного уплотнения сы­ пучих грунтов.

При поверхностном вибрировании происходит весьма интен­ сивное рассеивание энергии вибратора, причем в колебание вовлекается некоторая масса грунта под подошвой вибратора. Как показали теоретические исследования О. Я. Шехтер \ во­ влекаемая в колебания масса уплотняемого грунта тем больше, чем меньше статическое давление и чем больше площадь по­ дошвы вибратора; кроме того, на колебания вибратора суще­ ственно могут повлиять и боковые сопротивления грунта12.

Влияние вибраций на у п р у г и е свойства грунтов, как по­ казывают результаты соответствующих опытов, незначительно. В песчаных грунтах под влиянием вибраций могут произойти лишь изменение взаимного расположения частиц и соответству­ ющее изменение степени их плотности, что, как отмечалось вы­ ше, не влияет на упругие свойства песков. Этот вывод был под­ твержден достаточно большим количеством экспериментов. Что же касается глинистых грунтов, то известно, что под действием слабых вибраций (по характеру близких к тем, которые обычно вызываются работой машин) они также почти совершенно не меняют своих упругих свойств. Под влиянием же сильных ди­ намических воздействий, способных вызвать разрушение струк­ туры грунта, упругие свойства глин, надо полагать, будут изме­ няться весьма существенно.

§ 3. ОДНОМЕРНАЯ ЗАДАЧА ТЕОРИИ УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТОВ

Физические предпосылки и принятые допущения

Одномерная задача теории уплотнения грунтов впервые сформулирована для грунтовой массы проф. К. Терцаги3, кото­ рым по аналогии с уравнением теплопроводности предложено

дифференциальное уравнение консолидации (фильтрационного уплотнения) грунтов. Проф. Н. М. Герсевановым1 (1931 г.) подробно проанализирована одномерная задача уплотнения грунтовой массы, внесены в нее необходимые поправки и дано решение о распределении напоров в поровой воде в начальный момент времени при действии равномерно распределенной полосообразной нагрузки. Совместно с Д. Е. Польшиным2 им рас­ смотрено в общем виде уплотнение двухкомпонентной грунтовой среды. Дальнейшее развитие теории уплотнения грунтов в СССР

принадлежит главным образом работам проф. В. А. Флорина3, в результате которых дана полная постановка двух- и трехмер­ ной задач уплотнения грунтов под действием внешней нагруз­ ки, собственного веса грунта и фильтрационного потока воды, а также получен ряд частных решений с учетом влияния изме­ нения водопроницаемости грунта, влияния защемленных газов, ползучести скелета грунта, сжимаемости воды и твердых мине­ ральных частиц грунта4.

Отметим также, что проф. С. А. Роза5 рассмотрел важный вопрос об учете свойств связанной воды в глинах и влияние начального градиента напора на процесс уплотнения водона­ сыщенных грунтов, проф. М. Н. Гольдштейн6 — влияние ползу­ чести грунта на процесс уплотнения, а ряд авторов — частные решения задач уплотнения, например с учетом календарного плана производства работ и т. п.

Из работ зарубежных ученых следует отметить решения про­ странственной задачи теории консолидации (профессора Био7 и Карилло8, работы которых стали известны советским специа­ листам значительно позднее их опубликования), а также рабо­ ты Манделя, Гибсона, Тан Тионг-Ки и др., опубликованные в трудах IV и V конгрессов по механике грунтов (1957—1961 гг.).

Ниже рассматривается задача у п л о т н е н и я грунтов, т. е, уменьшения их пористости под влиянием внешней нагрузки та­

скольжения и зон предельного напряженного состояния. Физи­ ческая сторона процесса уплотнения была рассмотрена ранее (см. главу И, § 2), напомним лишь главнейшее. Если грунт имеет цементационные связи, то, пока они под действием внеш­ ней нагрузки не разрушены, деформации уплотнения грунта будут весьма незначительны, так как они обусловливаются толь­ ко упругими изменениями структурной решетки грунта и нара­ стают достаточно быстро при приложении внешней нагрузки. Если же грунт не имеет цементационных связей (или они весь­ ма малы), то происходит уплотнение грунта, т. е. уменьшение его пористости. В случае дренированного основания или при наличии других свободных выходов воды, из пор грунта под действием возникающих напоров выдавливается как свобод­ ная вода, так и вода диффузных оболочек грунтовых частиц из контактов твердых частиц; при этом происходят нарушение существующих связей и образование новых.

Одновременно с процессом фильтрационного уплотнения грунта происходят и сдвиги частиц с некоторой перестройкой структуры грунта в более плотное состояние.

В дальнейшем при рассмотрении одномерной задачи теории уплотнения грунтов будем исходить из следующих положений:

а) рассматривается процесс только фильтрационной консо­ лидации, когда вода, движущаяся под действием возникающих в грунте напоров, имеет выход;

б) при определении деформаций уплотнения сжимаемостью поровой воды и минеральных частиц грунта вследствие их зна­ чительно меньшей величины по сравнению с изменением объ­ ема пор грунта пренебрегаем;

в) характеристики сжимаемости (уплотнения) и фильтрации грунта в рассматриваемом диапазоне изменения давлений яв­ ляются величинами постоянными;

г) влияние начального градиента напора и ползучести ске­ лета грунта, а также переменность показателей сжимаемости и фильтрации учитываются лишь в особых случаях.

Основная задача — осадка слоя грунта при сплошной нагрузке

Если слой грунта подвергается сжатию в условиях невозмож­ ности бокового расширения (например, если он нагружен сплошной равномерно распределенной нагрузкой или заключен в жесткое кольцо) или подвергается действию местной нагруз­ ки, интенсивность которой меньше предела, вызывающего фазу сдвигов, то под действием внешней нагрузки будет происходить уплотнение грунта. Так как при назначении расчетного давле­ ния на грунт в большинстве случаев исключают возможность