6. Давление грунтов на сооружения. Устойчивость оснований сооружений.

1. Понятие о давлении грунта и его зависимости от смещения сооружения.

При решении практических задач из общего напряженного состояния массива грунта обычно выделяют в отдельную задачу определение усилий, передающихся грунтом на вертикальные или наклонные грани сооружения. Типичными конструкциями, для которых существенно важна оценка давления грунта Е, являются различного рода подпорные стены (рис. 6.1, а), стены подвальных помещений (рис. 6.1, б), устои мостов (рис. 6.1, в), гидротехнические сооружения (рис. 6.1, г), ограждения котлованов, перемычки и др.

Рис. 6.1. Давление грунта на различные сооружения.

1 — область («призма») обрушения грунта;

2 — область («призма») выпора грунта.

Как убедительно показали эксперименты и натурные наблюдения, давление грунта Е на сооружение существенно зависит от направления, величины и характера смещений вертикальных или наклонных контактных граней сооружения, по которым происходит взаимодействие с грунтовым массивом.

Рассмотрим влияние смещений на примере простейшей подпорной стены (рис. 6.2). В случае уверенно неподвижной стены (рис. 6.2, в) деформации грунта происходят без бокового расширения и поэтому при действии только собственного веса грунта можно принять σ_x = ξσ_z = ξγ_грz, где ξ — коэффициент бокового давления грунта (см. раздел 3.3, ф-ла 3.23). При этом суммарное боковое давление на единицу длины стены (в направлении, перпендикулярном плоскости хz) определится как E₀ = ξγ_грh²/2. Давление E₀ принято называть давлением покоя, поскольку величина коэффициента ξ в E₀ отвечает случаю отсутствия боковых смещений грунта.

Рис. 6.2. Зависимость давления грунта от величины и направления

горизонтального смещения стенки или сооружения.

Под действием давления грунта могут возникать смещения U сооружения в сторону от грунта засыпки (на рис. 6.2 приняты со знаком минус, т.е. U < 0). При этом в массиве грунта образуются поверхности скольжения, и постепенно формируется область обрушения, которую называют призмой (клином) обрушения (1 на рис. 6.2, б). Возникающие в смещающемся грунте силы сопротивления сдвигу приводят к уменьшению давления грунта, которое при величине смещения U_a сооружения, определяемой формированием призмы обрушения, достигает предельного (минимального) значения, называемого активным давлением или распором Е_a (рис. 6.2, а). Как показали эксперименты, для достижения Е_a необходимы весьма незначительные величины смещения стенки от грунта (U_a ≥ (0,0002 … 0,002)h, где h — высота стенки в м).

Нередко в результате действия внешних сил перемещения сооружения происходят в сторону грунта. Это может проявляться в сооружениях, воспринимающих большие горизонтальные нагрузки, например, в случае устоя арочного моста (рис. 6.1, в), гидротехнических сооружений (рис. 6.1, г) в результате давления воды верхнего бьефа.

При перемещении U стены на грунт (рис. 6.2, г) постепенно формируется призма выпора грунта (2 на рис. 6.2, г) и возникают силы сопротивления сдвигу, препятствующие выпору. В результате по грани стены возникает все увеличивающаяся реакция грунта, которая в момент формирования призмы выпора достигает максимальной величины, называемой пассивным давлением или отпором грунта Е_п (рис. 6.2, а). Для развития и создания пассивного давления грунта требуется большое перемещение U_п стены на грунт, значительно (на 1 … 2 порядка) превышающее U_a. Это вызвано, в частности, уплотнением грунта за стенкой. При действии внешней нагрузки, принудительно смещающей стенку на грунт, грунт вначале уплотняется и только затем начинает формироваться поверхность скольжения — выпора грунта [12].

Таким образом, под активным давлением понимается предельное давление грунта засыпки на стенку (сооружение) в условиях, когда стенка смещается от засыпки (за счет деформации основания от давления засыпки) и грунт за стенкой перешел в состояние предельного равновесия. Пассивное давление — это предельное значение реакции (реактивного давления) при принудительном смещении стенки на грунт в условиях, когда грунт за стенкой переходит в состояние предельного равновесия (в пределах призмы выпора). Подчеркнем, что по отношению к сооружению активное давление — это активная, а пассивное давление — реактивная сила. Активное давление грунта может явиться одной из причин потери устойчивости сооружения или стенки (сдвига, крена и опрокидывания).

Для определения активного и пассивного давлений на массивные сооружения большой жесткости в проектной практике применяются обычно приближенные решения, основанные на представлениях теории предельного равновесия (ТПР – см. раздел 3.1), рассматриваемые ниже.