ОСНОВАНИЯ
 ФУНДАМЕНТЫ
 ГОССТРОЙИЗДАТ МОСКВА • 1958

Р. Б. ПЬхч,
 профессор кафедры механики . Иллинойского университета;
 У. Э. ХЕНСОН,
 инженер Иллинойского дорожного отдела;
 Т. X. ТОРНБУРН,
 профессор кафедры гражданского строительства Иллинойского университета
 ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ
 Перевод с английского
 Н. Н. БУНИНА, Г И. БУНКИНА, М. М. ГРИШИНОЙ
 Общая редакция и предисловие профессора М. Н. ГОЛЬДШТЕЙНА
 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО ЛИТЕРАТУРЫ ПО СТРОИТЕЛЬСТВУ, АРХИТЕКТУРЕ И СТРОИТЕЛЬНЫМ МАТЕРИАЛАМ
 Москва — 1958

едактор А. К. Ефимов
 Данная книга представляет собой перевод учебника «Основания и фундаменты».
 В книге освещаются методы классификации грунтов и скальных пород, а также основные вопросы проектирования и расчета оснований и фундаментов.
 Книга предназначена для ознакомления инженеров-строителей и проектировщиков с состоянием фувдаментостроения в США.

ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА
 Эта книга представляет собой курс «Оснований и фундаментов», написанный профессорами Иллинойского университета п США Пеком и Торнбурном и инженером Иллинойского управления шоссейных дорог Хенсоном.
 Книга знакомит читателя в сжатой и вместе с тем достаточно полной форме с современным состоянием проектирования оснований и фундаментов в США. Для этого состояния характерны явная недооценка значения теоретических исследований и стремление к существенному упрощению методов испытания механических свойств грунтов или даже к полному отказу от лабораторных испытаний в случае сложных геологических, условий. Зато уделяется большое внимание изучению инженерно-геологических вопросов и на основе детального анализа различных инженерно-геологических условий предложен целый ряд чисто эмпирических правил для выбора, проектирования и расчета соответствующих типов фундаментов. Эти правила основаны на специально разработанных методах косвенной оценки механических свойств грунтов в условиях естественного залегания.
 Вопросам инженерной геологии и инженерно-геологических изысканий уделена почти половина всей книги, в то время как вопросы механики грунтов излагаются очень сжато, в виде немногих формул без выводов или в виде готовых расчетных графиков. Правда, авторы ссылаются .на другую книгу, на.писаниую К. Терцаги совместно с Р. Пеком («Механика грунтов в инженерной практике»), которая также в ближайшее время выходит в русском переводе. Однако и в этой книге практическое значение чисто теоретических исследований в области механики грунтов оценивается авторами довольно скептически. Недаром и настоящем учебнике авторы рассматривают проектирование
 з

оснований и фундаментов как искусство и считают, что «субъективная оценка грунтов играет первенствующую роль в практике строительства фундаментов». В другом месте они пишут: «Вызывает сомнение возможность установления строго научного метода проектирования и расчета фундаментов, хотя достижения науки в большой степени способствовали прогрессу в этой области строительного искусства». Конец этой фразы явно противоречит началу. Именно механика грунтов позволила превратить такую важную область строительной техники, как основания и фундаменты, из набора чисто практических правил, пределы применимости которых были зачастую неизвестны, в самостоятельно оформившуюся науку. Несомненно, что сложность и многообразие естественно-исторических образований, какими являются грунты, существенно повышают трудность задач, стоящих перед инженером в этой области. Однако преодоление этих трудностей лежит, во всяком случае, не на пути отказа от теоретических исследований и замены их набором эмпирических правил, что означало бы шаг назад.
 Несомненно, инженера интересуют не свойства отдельных образцов, а несущая способность и деформативные характеристики основания в целом. Однако оценка последнего по результатам испытаний отдельных образцов, даже если их очень много, затруднительна и содержит значительный элемент неуверенности.
 Решение этой проблемы, на наш взгляд, будет найдено при дальнейшем усовершенствовании и развитии геофизических методов исследования.
 Новейшие достижения физики позволят уже в ближайшее время создать надежные методы оценки механических свойств грунтов в их естественном залегании и создадут базу для дальнейшего развития теории, которая окончательно исключит элементы субъективности и грубого эмпиризма из этой важной области строительного дела.
 Вместе с тем более тесная и органическая увязка в преподавании курсов «Механики грунтов», «Инженерной геологии» н «Оснований и фундаментов», вплоть до создания единой комплексной дисциплины, возможно была бы значительно целесообразнее, чем существующий сейчас разрыв в их изучении. Следует заметить, что изложение вопросов инженерной геоло гии iB первой части этого учебника нельзя считать образцовым;
 4

ющиеси в СССР курсы инженерной геологии, несомненно.
 I тчлются значительно большей глубиной и содержательно-
 I НПО,
 Многие термины и классификации, применяемые Р. Пеком и отпорами, расходятся с общепринятыми у нас, и это следу иметь в виду при чтении книги. В отдельных случаях мы это тексте подстрочными примечаниями.
 Iи.лыиим недостатком учебника Пека, Хенсона и Торнбурна ил ноте я то что в нем не отражены успехи советской строительiii ихиики. В СССР разработан и широко .применяется целый ии конструкций и методов проектирования, значительно более in ршешных, чем описываемые в этой книге. Так, например, ав•1 1.1 принимают одну и ту же допускаемую неравномерность и 1 к 11 для всех типов сооружений, тогда как у нас учитывается мимкопая чувствительность различных конструкций к осаднм п для разных типов сооружений нормированы различные iie.fiiiMiliibi допускаемых осадок и их неравномерность.
 ) мете к ими исследователями достигнуты большие успехи в мги разработки методов расчета балок и плит на упругом и номпнни. В СССР создан замечательный метод вибрационного щружеиия шпунта и свай. В отечественном мостостроении шиприменяются сваи-оболочки больших диаметров и разрабо•шы успешные методы их погружения на большую глубину, не ииттпые за рубежом. Подобных примеров можно было бы приь много.
 несмотря на указанные существенные недостатки 11 книги она представляет несомненный интерес для ознакомит с техникой фундаментостроения в США и будет полезна
 • и практикам строителям, так и лицам, ведущим исследова1 ' и» работу в области геотехники.
 I и) л I I и о й интерес представляет подробно излагаемый в книге mi тд определения допускаемого давления на основания исходя hi опенки относительной плотности песков с помощью пенетра ин и определения сопротивления сдвигу глинистых грунтов пу-
 • м испытания на одноосное сжатие.
 Книга содержит целый ряд задач и численных примеров различных типов фундаментов; .некоторые из них при и» ремоде опущены, как не имеющие отношения к рассматрим-м ммм нопросам (например, подбор сечений и арматуры желе1х конструкций и т. п.).
 5

оснований и фундаментов как искусство и считают, что «субъективная оценка грунтов играет первенствующую роль в практике строительства фундаментов». В другом месте они пишут: «Вызывает сомнение возможность установления строго научного метода проектирования и расчета фундаментов, хотя достижения науки в большой степени способствовали прогрессу в этой области строительного искусства». Конец этой фразы явно противоречит началу. Именно механика грунтов позволила превратить такую важную область строительной техники, как основания и фундаменты, из набора чисто практических правил, пределы применимости которых были зачастую неизвестны, в самостоятельно оформившуюся науку. Несомненно, что сложность и многообразие естественно-исторических образований, какими являются грунты, существенно повышают трудность задач, стоящих перед инженером в этой области. Однако преодоление этих трудностей лежит, во всяком случае, не на пути отказа от теоретических исследований и замены их набором эмпирических правил, что означало бы шаг назад.
 Несомненно, инженера интересуют не свойства отдельных образцов, а несущая способность и деформативные характеристики основания в целом. Однако оценка последнего по результатам испытаний отдельных образцов, даже если их очень много, затруднительна и содержит значительный элемент неуверенности.
 Решение этой проблемы, на наш взгляд, будет найдено при дальнейшем усовершенствовании и развитии геофизических методов исследования.
 Новейшие достижения физики позволят уже в ближайшее время создать надежные методы оценки механических свойств грунтов в их естественном залегании и создадут базу для дальнейшего развития теории, которая окончательно исключит элементы субъективности и грубого эмпиризма из этой важной области строительного дела.
 Вместе с тем более тесная и органическая увязка в преподавании курсов «Механики грунтов», «Инженерной геологии» н «Оснований и фундаментов», вплоть до создания единой комплексной дисциплины, возможно была бы значительно целесообразнее, чем существующий сейчас разрыв в их изучении. Следует заметить, что изложение вопросов инженерной геоло гии iB первой части этого учебника нельзя считать образцовым;
 4

имеющиеся в СССР курсы инженерной геологии, несомненно, отличаются значительно большей глубиной и содержательностью.
 Многие термины и классификации, применяемые Р. Пеком и его соавторами, расходятся с общепринятыми у нас, и это следует иметь в виду при чтении книги. В отдельных случаях мы это отмечали в тексте подстрочными примечаниями.
 Большим недостатком учебника Пека, Хенсона и Торнбурна является то, что в нем не отражены успехи советской строительной техники. В СССР разработан и широко применяется целый ряд конструкций и методов проектирования, значительно более совершенных, чем описываемые в этой книге. Так, например, авторы принимают одну и ту же допускаемую неравномерность осадки для всех типов сооружений, тогда как у нас учитывается неодинаковая чувствительность различных конструкций к осадкам и для разных типов сооружений нормированы различные величины допускаемых осадок и их неравномерность.
 Советскими исследователями достигнуты большие успехи в области разработки методов расчета балок и плит на упругом основании. В СССР создан замечательный метод вибрационного погружения шпунта и свай. В отечественном мостостроении широко применяются сваи-оболочки больших диаметров и разработаны успешные методы их погружения на большую глубину, неизвестные за рубежом. Подобных примеров можно было бы привести очень много.
 Однако, несмотря на указанные существенные недостатки этой книги, она представляет несомненный интерес для ознакомления с техникой фундаментостроения в США и будет полезна как практикам строителям, так и лицам, ведущим исследовательскую работу в области геотехники.
 Большой интерес представляет подробно излагаемый в книге метод определения допускаемого давления на основания исходя из оценки относительной плотности песков с помощью пенетра ции и определения сопротивления сдвигу глинистых грунтов путем испытания на одноосное сжатие.
 Книга содержит целый ряд задач и численных примеров расчета различных типов фундаментов; .некоторые из них при переводе -опущены, как не имеющие отношения к рассматриваемым вопросам (например, подбор сечений и арматуры железобетонных конструкций и т. п.).
 5

В подлиннике примеры были даны весьма сжато, и мы сопроводили их подробными пояснениями и примечаниями.
 При переводе некоторых терминов, отсутствующих в русском языке, мы старались придерживаться как можно ближе смысла оригинала. Числовые величины во всех эмпирических формулах пересчитаны в соответствии с метрической системой мер.
 Профессор М. Н. Гольдштейн

ПРЕДИСЛОВИЕ
 В широком смысле слова курс «Основания и фундаменты» охватывает вопросы как, проектирования, так и возведения конструкций, которые передают вес сооружения на грунт или скалу. Цель настоящей книги — дать основные сведения, необходимые инженеру-строителю для правильного выбора основания, расчета и конструирования фундаментов и для руководства строительными работами по их возведению.
 Искусство фундаментостроения возникло еще в глубокой древности. Оно развивалось эмпирически, .по мере накопления опыта, и к началу 20-х гг. иашего века достигло значительной степени совершенства. Отдельные неожиданные катастрофы, которые происходили время от времени, свидетельствовали о том, что пределы применимости эмпирических методов не были тогда достаточно выяснены.
 В начале 20-х гг. были начаты широкие научные исследования с целью выяснения физических законов, которые определяют поведение грунтов в основаниях сооружений. В результате этих исследований сформировалась новая наука — «Механика грунтов», которая привлекла и продолжает привлекать внимание многих исследователей. Механика грунтов создала новые методы как для выбора рациональных типов фундаментов при различных грунтовых условиях, так и для прогноза поведения иыстроенных сооружений. Нисколько не умаляя значения практического опыта, накопленного веками, механика грунтов определила пределы применимости традиционных методов проектироилния и возведения фундаментов и создала новые методы для тех случаев, когда прежний подход оказывался непригодным.
 В последнее время в связи с возросшей ролью теории наблюдается тенденция к преуменьшению значения того обширного члпаса знаний, который был накоплен прошлыми поколениями. Это нашло свое отражение в том, что во многих строительных нмсгитутах курс «Оснований и фундаментов» был заменен кургпм «Механики грунтов», причем широко распространилось мнение', что детальное изучение механики грунтов должно предшестионать изучению практических основ фундаментостроения и да¬
 7

же может исключить необходимость изучения курса «Оснований и фундаментов».
 В действительности «Механика грунтов» является лишь частью тех знаний, которыми должен овладеть инженер-строитель в этой области. Изучение же «Механики грунтов» в отрыве от остальных разделов «Оснований и фундаментов» может привести к ошибочному и опасному выводу, что для всех проблем этой области строительной техники имеются точные теоретические решения.
 Задача этой книги — ввести студента в круг вопросов, которые составляют содержание «Оснований и фундаментов», ознакомить его с методами исследования, и оценки грунтовых условий на строительной площадке, научить его выбирать л проектировать соответствующие им типы фундаментов и предвидеть поведение их в процессе эксплуатации. Соответственно вопросы механики грунтов в книге излагаются только в той степени, в какой это необходимо для осуществления поставленной задачи. Учебный опыт показал, что именно такой подход наилучшим образом позволяет студентам усвоить курс «Оснований и фундаментов».
 Сведения о свойствах грунтов необходимы не только при изучении оснований и фундаментов, но и в области строительства аэропортов, шоссейных и железных дорог. Поэтому в учебную программу некоторых строительных институтов включено в качестве отдельной дисциплины изучение свойств грунтов. Чтобы удовлетворить потребность в соответствующем пособии, изложение первой части книги дано более расширенно, чем это необходимо для изучения собственно оснований и фундаментов. При прохождении курса «Оснований и фундаментов» могут быть опущены по указанию преподавателя некоторые разделы первой части книги.
 Авторы выражают свою признательность лицам, принявшим участие в обсуждении рукописи в целом или отдельных ее частей и сделавшим ряд полезных замечаний, и особенно профессорам Э. Д. Дейли и X. О. Айрленду, критические замечания которых основывались на многолетнем опыте преподавания в учебных заведениях.
 Много сведений было заимствовано из «Механики грунтов в инженерной практике» К. Терцаги и Р. Пека.
 Ральф Б. Пек Уолтер Э. Хенсон Томас X. Торнбцрн,
 Декабрь 1952 г.

ЧАСТЬ I
 СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ ОСНОВАНИЙ
 Поведение фундаментов под нагрузкой зависит в первую очередь от строительных свойств грунтов или скальных пород осношшия. Поэтому инженер-строитель должен ориентироваться во исгм разнообразии этих материалов, знать их основные особенности и уметь определить их физические свойства. В первой часщ книги излагаются необходимые для этого сведения.
 Глава I
 ГРУНТЫ И СКАЛЬНЫЕ ПОРОДЫ
 § I I. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СКАЛЫ И ГРУНТА
 Определения. Фундамент всякого сооружения опирается на подстилающий грунт или скалу. Грунт и скала являются основными строительными материалами, с которыми приходится иметь дело инженеру-строителю, и поэтому для успешного решения практических задач проектирования и строительства фундаментов необходимо знать происхождение, условия залегания и характеристики этих материалов.
 Уже в самих названиях — скала и грунт, употребляемых в инженерно-строительном деле, ясно выражена разница между тгими двумя видами материалов оснований1.
 Под названием скала подразумевают природное скопление минеральных частиц, связанных между собой прочными и постоянными силами сцепления.
 Г р унт ом называется естественная совокупность минеральных частиц (с примесью или без примеси органических компонентов), которые могут быть легко разделены механическим пук'м, например взбалтыванием в воде.
 Однако в действительности резкого различия между скалой и I цунтом не существует. Даже самая прочная и твердая скала может быть ослаблена в результате процессов выветривания,
 1 В СССР и тот и другой материалы объединяются шод общим названием «грунт» (Ред.)
 9

и некоторые скальные породы оказываются такими же слабыми и сжимаемыми, как и грунты. Поскольку инженеру приходится встречаться с различными материалами оснований, он должен уметь исследовать и определять основные свойства любых материалов— будь то прочная массивная или частично разрушенная выветриванием скала, или же грунт.
 Основные свойства материалов оснований. Строительные свойства материалов оснований различны.
 Многие скальные породы, например, не уступают по прочности и жесткости бетону, который применяется для фундаментов зданий’и опор мостов. Поэтому специфические особенности внутреннего строения скальных пород не представляют для нас большого интереса и в настоящей книге им уделяется мало внимания. Однако (в сплошных скальных породах почти всегда имеются участки с пониженной прочностью. К ним относятся, например, участки с трещинами или плоскости напластования, которые могут оказывать влияние на несущую способность основания. Поэтому очень важно путем обследования выявить характер, пространственное расположение и общую картину этих дефектов.
 Особое внимание следует обратить на скальные породы, которые подверглись физическому и химическому выветриванию. Выветривание, по-видимому, особенно интенсивно происходит вблизи трещин и других нарушений сплошности. Общий характер таких дефектов является одним из наиболее важных факторов, характеризующих строительные качества скалы. Выветрившуюся скальную породу, кроме того, необходимо исследовать на прочность и сжимаемость, потому что» как показывает опыт, подобные породы местами гораздо менее прочны и более сжимаемы, чем бетон.
 Если же материалами основания являются грунты, обладающие значительно меньшей прочностью, чем скала, то специфические особенности'их внутреннего строения приобретают чрезвычайно важное значение, хотя местные нарушения структуры и связности грунтов также требуют тщательного изучения. Обычно работа основания предопределяется прочностью и сжимаемостью грунтов, и в связи с этим в нашей книге уделяется особое внимание изучению этих основных свойств.
 Классификация грунтов. Во всех отраслях гражданского строительства и, особенно, в области оснований и фундаментов наиболее ценные сведения дает опыт. Опыт, накопленный поколениями инженеров-строителей, составляет основу искусства фундаментостроения. Однако до тех пор, пока индивидуальный опыт всех инженеров не будет научно обобщен в определенную систему знаний, он (не может быть использован широкими кругами строителей.
 К настоящему времени оказалось возможным классифицировать скальные породы и грунты, объединив их в группы по наи-
 10

fhi K( ипжным строительным свойствам. Значение классификации мшсриалов оснований для практики возведения фундаментов ipvnno переоценить, ибо она представляет собой ключ к объяснен ню многих явлений, возникающих как в период строитель-
 • I ил, так и по окончании его.
 Разумеется., любая классификационная система является в и нич-.тной мере произвольной, так как бесконечное многообразие природных материалов не укладывается ни в какие схемы. В реу.'птате для различных целей были выработаны произвольные
 • ие.темы классификаций, имеющие свои преимущества и недом.тгки. Здесь следует отметить, что попытки усовершенствованны отдельных систем неизбежно приводят к их дальнейшему усложнению, и в конечном итоге они становятся настолько громпдкими, чго перестают отвечать своему назначению.
 Во избежание этого лучше пользоваться сравнительно проIмми классификационными системами с небольшим числом подразделяемых категорий, к которым можно было бы отнести каждый данный грунт или скальную породу.
 Более подробная характеристика данного грунта или скалы лучше всего может быть представлена числовыми показателями, называемыми индексационными, которые определяются помощью испытаний, носящих название классификаци) н и ы х.
 Нели эти испытания правильно проведены, то можно утверж.дать, что грунтовые или скальные материалы, имеющие аналогичные индексационные свойства, будут одинаковы и в техническом отношении. Кроме того, знание этих свойств имеет иажное значение для использования строительного опыта и для проверки правильности полевого определения грунтов.
 Если такое определение было неверным, то индексационные еиойства позволят исправить ошибку и правильно классифицировать материал. Таким образом, даже неопытный новичок, располагая классификацией, может использовать строительный опыт мругих инженеров.
 Ввиду огромного значения индексациониых свойств грунтов и скальных пород для фундаментостроения, мы рассмотрим их Оолее детально на последующих страницах.
 § 1.2. ОПИСАНИЕ И ПОЛЕВОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКАЛЬНЫХ ПОРОД
 Классификация. Скальные породы, выходящие на поверхность рмли или покрытые грунтом, разделяют по происхождению на
 I ри группы: изверженные, осадочные и метаморфические.
 Изверженными называются породы, которые образовамп(ъ в результате охлаждения расплавленной магмы, или же и(н‘дствие рекристаллизации ранее отвердевших пород под дей мнюм температуры и давления, достаточно высоких для того, чюбы снова временно обратить их в жидкое состояние.
 м

Осадочные породы состоят из материалов, образовавшихся в результате физического и химического воздействия на изверженные, осадочные или метаморфические породы (так называемого «выветривания»), и из остатков различных животных и растительных организмов.
 Метаморфические породы образовались из осадочных или изверженных пород, состав и строение которых подверглись изменениям под влиянием высоких температур и давлений, причем в процессе этих изменений они не расплавлялись. Зная типичные особенности этих трех групп, обычно, уже после наружного осмотра можно отнести данную породу к той или иной из них. Наиболее важными свойствами пород, которыми руководствуются при классификации, являются — текстура, структура и минералогический состав.
 К текстуре1 относятся размеры, форма и характер агрегации частиц или кристаллов, из которых скала состоит.
 Под структурой подразумевают общие признаки, характерные для больших массивов, например системы трещин, швов и плоскостей напластований.
 Поскольку наиболее распространенные виды пород состоят преимущественно из относительно малого числа породообразующих минералов, то для того, чтобы научиться различать их и классифицирозать, достаточно иметь небольшую практику.
 Изверженные породы. Классификация изверженных полод производится на основании текстуры и цвета. В связи с тем, что эти породы образовались в результате затвердевания расплавленной магмы, они обладают высокой прочностью. Текстура их изменяется от крупнокристаллической до стекловатой и зависит от скорости охлаждения. Важнейшими породообразующими минералами изверженных пород являются: светлоокрашенные— кварц и полевой шпат и темноокрашенные — роговая обманка, биотит, авгит и оливин.
 Табл. 1.1 является простейшим пособием для полевой классификации наиболее распространенных видов изверженных пород.
 Изверженные породы принято называть монолитными. Этот термин как будто указывает на отсутствие структурных особенностей. Однако в действительности трещины и швы могут встретиться во всех изверженных породах. Если деформация скальных массивов происходила одновременно с кристаллизацией, то они приобрели характерную полосчатую структуру, называемую обычно гнейсовой. Большинство изверженных пород, подвергавшихся очень быстрому охлаждению, либо содержит газовые пузырьки, либо имеет обломочную (кластическую) текстуру2.
 Осадочные породы. Осадочные породы, в зависимости от ус-
 1 В отечественной литературе под текстурой понимают то, что авторы называют структурой, и наоборот (Ред.).
 2 Породы этого типа в СССР относятся к особой категории пирокластических пород (Ред.).
 12

Таблица 1.1
 Полевая классификация изверженных пород1 (видоизмененная по Трефетену)
 11пет
 Светлый
 Промежуточный
 Л
 Темный
 Основные
 минералы
 «■кс тураЧ
 Кварц, полевой шпат, а также второстепенные минералы
 Полевой шпат, кварца мало или нет совсем
 Полевой шпат и роговая обманка
 Авгит и полевой шпат
 Авгит,
 роговая
 обманка,
 оливин
 ()чень крупI vi. неравногрпая, кри,.'1лическая
 Пигматит
 Сиенитовый
 пигматит
 Диоритовый
 пигматит
 Габбро-
 пигматит
 Крупно- и (‘днекристалтеская
 Гранит
 Сиенит
 Диорит
 Долер
 Габбро
 ИТ
 Перидо¬
 тит
 Мелкокриiлллическая
 Аплит
 Диабаз
 11лотная
 Фельзит
 Базальт
 ('текло вата я
 Вулканическое стекло
 Пористая
 Пемза
 Вулканический шлак или пузыристый базальт
 Кластиче-
 кая
 Туф (мелкий), брекчия (крупная), пепел (различный)
 1 В СССР принята иная классификация. (Ред.)
 .мовий их образования, делят на три основные группы: класти•и'ские или обломочные, состоящие из обломков исходиых пород или минералов; органогенные, образовавшиеся из остатков организмов, населявших моря, и химические осадки, образовавшиеся вследствие химических процессов или при испарении. Текстура обломочных и органогенных осадков колеблется от крупно- до микрозернистой; у химических огпдков она обычно бывает микрозернистой. Классификация зерен по крупности имеет значение только для обломочных пород. )ю показано в табл. 1.2, при помощи которой можно классифиимровать обычные осадочные породы.
 13

Таблица 1.2
 Упрощенная классификация типичных осадочных пород
 Группа
 Крупность
 Состав
 Наименование 1
 породы
 Заметное коли¬
 Круглая галька в среднезернистом заполнителе1
 Конгломе¬
 рат
 чество зерен крупнее 2 мм
 Угловатые обломки породы, часто различной величины
 Брекчия
 Других минералов менее 10
 Кремнистый
 песчаник
 Обло¬
 моч¬
 ные
 Заметное количество глинистых минералов
 Глинистый
 песчаник
 Заметное количество кальцита
 Известковый песчаник
 Более 50 частиц диаметром до 2 мм
 Средне-
 зерни¬
 стый
 кварц
 Заметное количество цемента из окислОв железа
 Железистый
 песчаник
 Более 25 полевого шпата
 Аркоз
 25—50 полевого шпата и более темных минералов
 Граувакка
 Более 50 час_
 тиц диаметром от 0,002 до 0,06 мм
 ф
 Мелкие и очень мелкие зерна кварца с глинистыми минералами
 Алевролит (если слоистый, то сланец)
 Менее 10 других минералов
 Сланец глинистый
 Преобладающее количество частиц диаметром менее 0,002 мм
 Микроскопические глинистые ми¬
 Заметное количество кальцита
 Известко вый сланец
 Заметное количество углистого вещества
 Углистый
 сланец
 нералы
 Заметное количество цемента из окислов железа
 Железистый
 сланец
 1 Заполнитель в конгломерате или брекчии — материал, заполняющий пустоты между крупными зернами обломочной породы.
 14

Продолжение табл. 1.2
 I v 11 п а
 Крупность
 Состав
 Наименование
 породы
 Переменная
 Кальцит и ракушки
 Ракушечный
 известняк
 ()р1 JIIIO-
 геи-
 пые
 От средней до микроскопической
 Кальцит с заметной примесью доломита
 Доломитизированный известняк или доломит
 Переменная
 Углистые материалы
 Битумный
 уголь
 Кальцит
 Известняк
 Доломит
 Доломит
 Хи¬
 миче¬
 Микроскопиче¬
 ская
 Кварц
 Кремень, кремнистый сланец и т. д.
 ские
 Соединения Железа, кварц
 Железистые
 породы
 Г алит
 Каменная
 соль
 Гипс
 Массивный
 гипс
 Среди минералов осадочных пород чаще всего встречаются кварц, кальцит, и глинистые минералы, так как П9 всех осадочных скальных пород представлены песчаниками, известняками или сланцами. Песчаники и сланцы обычно определяют по размерам частиц путем наружного осмотра, Наличие кальцита в данной породе можно устанопить по степени «вскипания» образца, обработанного раствором соляной кислоты. К следующим по важности представителям минералов осадочных пород относятся окислы железа, полевой шпат и некоторые карбонаты. При наличии элементарного знания минералогии с помощью табл. 1.2 можно в полевых условиях классифицировать большинство осадочных пород.
 Важнейшей структурной характеристикой осадочных пород, I геологической точки зрения, является их напластование или стратификация. Мощность, минералогический состав и располо¬
 15

жение слоев также имеют огромное значение для инженера. Не менее, если не более, важными со строительной точки зрения, являются сведения о структурных особенностях — трещинах отдельностей, сбросовых зонах, карстовых ка.налах и пустотах.
 Метаморфические породы. Метаморфические породы отличаются от изверженных и осадочных пород прежде всего по структуре и минералогическому составу. Своим происхождением они обязаны таким факторам, как высокие температуры, высокие давления и гидротермальные воздействия, при наличии которых происходит перекристаллизация и ориентировка минералов, а также возникновение новых, отсутствующих в исходной породе. Наиболее характерным признаком метаморфических пород является их сланцеватость, которая объясняется почти параллельным расположением пластинчатых или игольчатых минералов. К типичным метаморфическим минералам, встречающимся в этих породах, относятся — хлорит, серицит, тальк, роговая обманка и биотит. В зависимости от степени сланцеватости различают гнейсовую (крупносланцеватую, сланцеватую или среднесланцеватую) и микросланцеватую структуры.
 Большая группа метаморфических пород, образовавшихся, в основном, из осадочных, обладает скорее монолитной, чем сланцевой структурой. От исходной породы они отличаются большей плотностью, твердостью и кристаллическим строением. Исходные породы этой группы состоят главным образом из кальцита, доломита или кварца.
 Наиболее важными для строительства техническими харак теристиками являются низкая прочность по плоскостям слан-
 Таблица 1.3
 Классификация типичных метаморфических пород
 Текстура
 Структура
 сланцеватая
 массивная
 Крупнокристалличе¬
 ская
 Г нейсы
 Г ранито-гнейсы
 Среднекристалличе¬
 ская
 Серицитовые Слюдяные Сланцы Тальковые Хлоритовые и т. д.
 Мрамор Кварцит Серпентин Тальковая порода
 От мелко- до микрокристаллической
 Филлиты
 Шиферный сланец
 Роговик
 Антрацит
 16

цеватости и высокая чувствительность всех сланцеватых пород к выветриванию, -не -говоря уже о таких структурных дефектах, как трещины отдельности.
 В табл. 1.3 приводится весьма упрощенная схема классификации наиболее распространенных метаморфических пород.
 § 1.3. ОПИСАНИЕ И ПОЛЕВОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРУНТОВ
 Основные типы грунтов. Основные термины, которыми пользуется инженер-строитель при описании грунтов, это: гравий, песок, пыль и глина. Однако большинство естественных грунтов является смесью этих составляющих, а многие содержат примесь органических веществ, частично или полностью разложившихся. Такая смесь получает свое название по составляющей, имеющей наибольшее влияние на ее свойства, а остальные составляющие указываются с помощью соответствующих прилагательных. Так, пылеватая глина обладает в основном свойствами глины, но содержит значительное количество пыли, а органический ил образован главным образом минералами, имеющими размер пылеватых частиц, но содержит значительную примесь органического вещества.
 Гравий и пески обычно называют крупнозернистыми грунтами, а пыль и глину — мелкозернистыми. Различие между ними основано на возможности или невозможности легко различать отдельные частицы невооруженным глазом. Принятые методы описания крупнозернистых и мелкозернистых грунтов различаются между собой и будут описаны отдельно.
 Крупнозернистые грунтовые материалы. Эти материалы представляют собой обломки минералов, которые в основном определяются по размеру зерен.
 Зерна диаметром более 2 мм называются гравием. Если диаметр превосходит 200 мм, то пользуются термином валуны.
 Если зерна различимы невооруженным глазом и менее
 2 мм в диаметре, грунт называется песком. Это название далее дополняется определениями: крупный, средний или мелкий. Границы между этими разновидностями более или менее произвольны.
 В США принята классификация, предложенная Массачусетским технологическим институтом (МИТ), приведенная в табл. -1.4.
 При описании песка и гравия необходимо указывать содержание в данном грунте частиц различных размеров, а также минералогический сос¬
 Таблица 1.4
 Классификация крупнозернйстых фракций по величине зерен (по МИТ)
 Размер
 Наименование грунта частиц 1 в мм
 Г равий
 Песок:
 крупный
 средний
 мелкий
 Более 2
 2 — 0,6 0,6—0,2 0,2-0,06
 2 Зак. 1274
 17

тав и форму зерен. Форма частиц грунта нередко оказывает значительное влияние на плотность и устойчивость грунтов. Различают следующие формы частиц: окатанную, слабоокатанную, малоугловатую и угловатую. Наличие в грунте частиц таких слабых скальных материалов, как сланцы, или такого минерала как слюда может повлиять на прочность и сжимаемость грунта. Наличие частиц этих материалов можно установить при помощи небольшого увеличительного стекла.
 Если размеры всех частиц крупнозернистого грунта приблизительно одинаковы, то такой грунт называется однородным или плохо подобранным (по гранулометрическому составу). Если же в грунте в достаточной мере представлены частицы всех размеров, то его гранулометрический состав называется хорошо подобранным. Некоторые природные грунты состоят, в основном, из смеси двух видов частиц — однородных крупных и однородных мелких, и не содержат частиц с промежуточными размерами. Про такие грунты говорят, что они неполностью подобраны.
 Мелкозернистые грунты. Неорганическая пыль, которая составляет самую крупную часть микроскопических (акций, почти или совсем не обладает пластичностью и связностью. Наименее пластичные разновидности, состоящие главным образом из очень мелких окатанных зерен кварца, называются каменной мукой. Наиболее пластичные разновидности, содержащие заметное количество чешуйчатых частиц, носят название пластичного ила.
 Глина является, в основном, агрегатом микроскопических и субмикроскопических пластинчатых частиц кристаллических минералов. Она характерна наличием типичных коллоидальных свойств — пластичности, связности и способности адсорбировать ионы. Эти свойства сохраняются глиной при изменении ее влажности в широких пределах.
 Различие в свойствах глины и пыли не может определяться только крупностью частиц, так-как физические свойства этих грунтов связаны с размерами частиц лишь косвенно. Так как частицы и пылеватых, и глинистых грунтов имеют микроскопические размеры, то для полевого определения этих грунтов критерием должны служить не размеры зерен, а физические свойства.
 Одним из таких критериев является прочность грунта в сухом состоянии. Для ее определения производят следующий простой опыт. Из исследуемого грунта формуют небольшой брикет и высушивают его на воздухе. Затем образец разбивают на мелкие куски. Берут на пробу кусочек брикета размером около 3 м и сдавливают его между большим и указательным пальцами. Для того чтобы раздавить сухой комок глины, потребуется большое усилие, в то время как кусок пылеватого грунта легко крошится.
 18

Поскольку водопроницаемость пылеватых грунтов значительно больше, чем глин, то для определения вида грунта производят также пробу на встряхивание. Для этого на ладонь берут небольшое количество исследуемого грунта, смешанного с водой до очень мягкой консистенции, и слегка постукивают по тыльной стороне кисти. Если материал пылеватый, то вода быстро выйдет на поверхность грунта, придавая ей блестящий или глянцевый оттенок. Если эту грунтовую лепешку расплющить или растянуть, то вода втянется обратно внутрь массы и поверхность ее сделается тусклой. При аналогичном опыте с глиной внешний вид ее поверхности не изменится, так как глинистые грунты по сравнению с пылеватыми обладают гораздо меньшим размером пор и более низкой водопроницаемостью. В том случае, когда исследуемый грунт является смесью пылеватых и глинистых фракций, то об относительном содержании каждой из них во взятой пробе можно судить по тому, (как протекает вышеуказанный процесс: быстро, медленно, или же совсем не проявляется. Следующим характерным свойством глин, которое также можно использовать в качестве показателя при обычных полепых определениях, является пластичность.
 Если проба влажного грунта раскатывается между ладонями рук в длинный тонкий шнур, то грунт несомненно содержит значительное количество глины. По мере того, как влажность грунта в результате продолжительного раскатывания понижается, пластичность его уменьшается и шнур начинает крошиться. Из высокопластичной глины, например, можно раскатать шнур до минимального диаметра (около 3 мм), при котором он выдерживает свой собственный вес, имея длину 30 см и более. Из пылеватого грунта редко удается скатать шнур подобного диаметра без того, чтобы он не растрескался. При этом он совершенно не сопротивляется растяжению, если в нем не содержится хотя Пи небольшого количества глины.
 Так называемое отмучивание является четвертой процег дурой, которую применяют в полевых условиях для того, чтобы отличить пылеватый грунт от глины и приближенно определить относительное содержание в грунте песчаной, пылеватой и глинистой фракций. Для этого небольшое количество исследуемого грунта взмучивают в воде и взвеси дают отстояться в стеклянном цилиндре или пробирке. Более крупные частицы осаждаются быстрее, более мелкие—медленнее. Песчаные частицы обычно оседают за 30—60 сек., а пылеватые— за 15—60 мин., тогда I..IK частицы глины остаются взвешенными по меньшей мере в н'чение нескольких часов или дней, пока не соединятся друг с другом в более крупные агрегаты и- не выпадут в виде хлопьев (гм. § 1.5).
 В табл. 1.5 приводится перечень полевых испытаний, котФ-
 19

рые могут быть использованы при классификации мелкозернистых грунтов.
 Таблица 1.5
 Перечень испытаний для классификации мелкозернистых грунтов
 Испытание
 Пылеватые грунты
 Глины
 Прочность в сухом состоянии
 Очень низкая, даже при сушке в печи. Поверхность образцов легко истирается в порошок
 От высокой до очень высокой, особенно при сушке в печи. Поверхность образца не истирается в порошок
 Проба на встряхивание
 Быстрая реакция. Типичные пылеватые грунты при встряхивании напоминают сырую печень
 Реакция замедленная или совсем отсутствует. Поверхность образца остается глянцевой
 Пластичность
 Пластичный шнур мало прочен. Быстро высыхает. При высыхании за пределы пластичного состояния легко кроиится
 Сопротивление пластичного шнура от высокого до очень высокого. Сохнет медленно. Обычно жесткий и плотный при высыхании за пределы пластичного состояния
 Отмучивание
 Оседает за 15—60 nwh. (Песок оседает в течение 30—60 сек.)
 Оседание продолжается несколько часов или дней, пока не произойдет коагуляция
 Грунты с органическими включениями. Наличие небольшого количества органических примесей часто оказывает значительное влияние на физические свойства грунта. Большинство грунтов с органическими включениями являются более слабыми и сжимаемыми, чем грунты с тем же минералогическим составом, но без органических'примесей. Присутствие заметного количества органических веществ можно определить по гнилостному запаху и темно-серому или черному цвету, который придают грунту разлагающиеся остатки растений.
 Органический ил является более или менее пластичным г-рунтом, содержащим пылеватые фракции и некоторое количество тонко раздробленных органических веществ. Встречаются также ракушки и видимые остатки частично разложившихся растений.
 Органическая глина является глинистым грунтом, у которого некоторые важные физические свойства обусловлены наличием тонко раздробленных Органических остатков.
 20

Грунтовые отложения с высоким содержанием органических игществ, как, например, торф и чернозем, отличаются черной или чсфно-коричневой окраской, наличием волокнистых остатков разной степени разложения и характерным органическим запахом.
 Не всегда бывает легко распознать различные комбинации органических и минеральных материалов, в особенности, если в грунте содержится мало органических веществ. Тем не -менее, гели грунт имеет темно-коричневую, темно-серую или черную окраску, то всегда следует учитывать возможность наличия органических примесей. В том случае, когда характерный запах сразу ис чувствуется, его иногда -можно выявить, слегка подогрев пробу грунта.
 § 1.4. ИНДЕКСАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ
 В предыдущем параграфе были рассмотрены простые способы определения важнейших составных частей различных грунтов. Эти определения, однако, являются лишь первым шагом в работе по описанию грунтов. Они должны быть дополнены другими исследованиями с целью получения числовых показателей, характеризующих физические свойства грунтов, которые непосредственно интересуют инженера. Как уже указывалось в § 1.1, испытания, производимые с этой целью, называются классификационными испытаниями, а их результаты характеризуют индексационные свойства грунтов.
 Производя необходимые классификационные испытания и определяя соответствующие индексационные свойства, инженер получает возможность охарактеризовать исследуемый грунт без излишних многословных объяснений, которые из-за неясной терминологии часто являются причиной всевозможных недоразумений. Всякий инженер, имеющий дело со строительством фундаментов, должен в первую очередь приобрести привычку оценивать строительные свойства грунтов на основе числовых показателей индексационных свойств.
 При изучении физических свойств грунтов следует различать две главные группы числовых показателей: показатели свойств грунтовых частиц и показатели свойств агрегатов. Под свойствами грунтовых частиц подразумеваются свойства отдельных зерен, из которых состоит грунт, независимо от их взаимного расположения в грунтовом пласте. Таким образом, свойства частиц образца любого грунта можно определить независимо от того, нарушена или не нарушена его структура. Свойства же грунтовых агрегатов зависят от взаимного расположения отдельных частиц в массе грунта и от его структуры.
 Хотя показатели свойств грунтовых частиц широко используются при определении грунтов, тем не менее инженер должен понимать, что для оценки поведения грунта под нагрузкой большее значение имеют свойства грунтовых агрегатов.
 2

§ 1.5. СВОЙСТВА ГРУНТОВЫХ ЧАСТИЦ
 Величина и форма зерен. Наиболее важной характеристикой состава крупнозернистых грунтов является размер их зерен. Его определение носит название механического анализа и производится при помощи сит. В наиболее мелком сите ( 200, по американскому стандарту), которое обычно применяют в полевых условиях или в лаборатории, диаметр отверстия равняется 0,074 мм. Поскольку эта величина находится на границе между размерами песчаных и пылеватых частиц, то в тех случаях, когда требуется лишь грубый механический анализ, ограничиваются использованием сита 200 для отделения крупнозернистого материала от мелкозернистого.
 Для определения гранулометрического состава любого грунта, содержащего мелкозернистый материал, следует применять так называемый мокрый способ механического анализа (отмучивание). Все мокрые способы анализа основаны на законе Стокса, согласно которому скорость шаровой частицы, падающей в жидкости, является функцией диаметра и удельного веса этой частицы. При этом способе из исследуемого грунта приготовляют суспензию и дают ей отстояться. Через некоторый промежуток времени все частицы крупнее какого-то определенного размера опустятся в суспензии ниже известного уровня. Этот размер частиц может быть вычислен при помощи формулы Стокса. Соответствующая плотность суспензии на определенной глубине является показателем количества фракций грунта с размерами частиц, меньшими вычисленной величины. Измеряя плотность на одной и той же глубине через различные промежутки времени, мы сможем определить гранулометрический состав грунта.
 Практически плотность измеряют обычно посредством ареометра. Поэтому сам метод, который впервые предложил Буюкос, а позднее усовершенствовал А. Казагранде, называется ареометрически м. При этом методе пробу грунта весом 50 г разводят в 1 л дистиллированной воды и помещают в стандартный цилиндрический сосуд. Затем цилиндр встряхивают приблизительно в течение 1 мин. и устанавливают в вертикальном положении на плоскую горизонтальную поверхность. В суспензию погружают специальный ареометр обтекаемой конструкции и через различные промежутки времени замеряют плотность. Обычно наблюдения за показаниями прибора производятся через 30 сек.; 1; 2; 4; 8; 15 мин. и т. д.
 Расчеты, связанные с определением гранулометрического состава, основываются на предположении, что все грунтовые частицы шарообразны. В действительности же самые мелкие грунтовые частицы имеют не шаровую, а плоско-чешуйчатую или игольчатую форму. Поэтому мы определяем не истинный размер частицы, а диаметр воображаемой шаровой частицы, падающей в
 22

угнснзии с той же скоростью, что и грунтовая ча-
 ища.
 Одной из наиболее распространенных причин погрешностей и »морений при мокром способе механического анализа является недостаточное разделение мелкозернистых грунтовых частиц. •Ммборант, убежденный в том, что он определяет размеры отдельных зерен, в действительности может измерять величину хлопьщ, образованных из нескольких зерен. Чтобы избежать этого, к суспензии добавляют небольшое количество электролита — i:ik называемую диспергирующую добавку. Обычные лабораторные испытания не позволяют определить, произошло окончательное диспергирование или нет. .Поэтому необходимо критически оценивать полученные результаты, и в случае сомнении проверить их, применяя различные способы диспергироиипия.
 С помощью электронного микроскопа исследователь мог бы, конечно, определить фактические размеры и форму мельчайших грунтовых частиц. Однако при обычной классификации грунтов подобное усовершенствованное определение формы и размеров ч.четиц непрактично и неэкономично.
 Результаты механического анализа грунта обычно изображают графически в виде кривой гранулометрического состава. При лом по горизонтальной оси откладываются логарифмы размера •тстиц Dp в мм, а на вертикальной — суммарные веса Р (в процентах от общего 'веса) тех частиц грунта, диаметр которых мшее диаметров, соответствующих отложенны;м по оси абсцисс. Преимущество такого графика состоит в том, что грунты с одинаковой однородностью представлены на нем кривыми тождеri венной формы, независимо от того, является ли грунт крупноили мелкозернистым. Форма кривой является также характери-
 гнкой подобранности гранулометрического состава грунта.
 )дпородные по механическому составу грунты изображаются почти вертикальными линиями, а разнородные (хорошо подобранные)— S-образными кривыми, которые пересекают несколько поряцков логарифмической шкалы. На рис. 1.1 показаны крииые гранулометрического состава некоторых видов грунтов.
 Гранулометрический состав грунтов удобнее всего сравнивать мгжду собой по некоторым важным числовым величинам, взямiM из кривых распределения размеров частиц. Наиболее широко применяется метод сопоставления, предложенный Алленом Хпзеном. Изучая пески для фильтров, Хазен нашел, что водопроницаемость чистых фильтровых песков в сыпучем состоянии можно связать со следующими величинами: эффективным диаметром частицы Dio и коэффициентом однородности UD6oDio. Эффективный диаметр частицы — это диамггр, который соответствует ординате Р 10 на графике гранулометрического состава. Поэтому 10 частиц имеют размеры мопьшие, а 90—большие этого диаметра. Величины эффек-
 23

тив'ного диаметра и коэффициента однородности, установленные Хазеном, были использованы для определения гранулометрических характеристик естественных грунтов с неоднородным по
 I
 I
 I
 г
 р
 J00
 I so 3 во
 70
 60
 50
 40
 30
 20
 10
 О
 с i to оссч) Й sb; i Sb g Номера сит по америнан3 с] см скому стандарту
 £ 1 § n Й Й 5 Размеры отдерстий
 со fv со QO C41CS30M Ц. оа С г,,т я мм
 Со СЧ1 -V Cf СГ сзГ сит О мм
 Гравий Пес он Пыль Глина
 К’
 (5Г
 i6)
 1
 1
 X
 SW 1 ■
 N
 1
 1
 V
 1
 1
 1
 1
 V 1
 и2,9 и8,в
 1
 1

 1 1
 ]
 1
 1
 чОч
 I У'у1,00,16мм
 I
 I
 1
 1
 Ю 5 1,0 0,5 0,1 0,05 0,01 0,005 OfiOl В
 Диаметр в мм
 Рис. 1. 1. Типичные кривые гранулометрического состава природных грунтов
 1 — горошковый гравий; 2 — речной гравий; 3 — ледниковая глина; 4 — песок; 5—ледниковая каменная пыль; 6 — глинистый ил; 7 — илистая глина
 крупности частиц составом. Зависимость между величиной коэффициента однородности и формой кривой распределения частиц показана на рис. 1.1.
 Минералогический состав. Наиболее важной характеристикой частиц мелкозернистых грунтов является минералогический состав. При величине грунтовых частиц менее 0,002 мм влияние силы тяжести на каждую частицу незначительно по сравнению с действием электрических сил, которое проявляется на ее поверхности. Материалы, в которых преобладает влияние поверхностных зарядов, находятся, как принято говорить, в коллоидальном состоянии и называются грунтовыми коллоидами или глинистыми минералами.
 Важнейшие группы глинистых минералов следующие: монтмориллонитовая, иллитовая и каолинитовая. Все они состоят из кристаллических водных алюмосиликатов. Ультрамикроскопический и рентгенографический анализы показывают, что глинистые минералы имеют решетчатую структуру, где атомы'расположены несколькими пакетами, подобно страницам книг. Тип глинистого минерала определяется расположением и химическим составом этих пакетов. Все три типа глин вследствие пластинчатой струк-
 24

i уры кристаллической решетки имеют чешуйчатые частицы.
 II инвисимости от расположения атомов в кристалле отдельные чешуйки или частицы глины могут в присутствии воды распалиться или даже расширяться таким образом, что молекулы воны внедряются между пакетами кристаллической решетки.
 Все глинистые минералы обладают способностью адсорбироипть положительные ионы из водных растворов. Если такую соль, isнк хлористый натрий (NaCl), растворить в воде то ее молекулы распадаются (диссоциируют) на положительные ионы (катионы) Naи отрицательные ионы (анионы) С1”. Так как в большинстве случаев поверхность глинистых частиц заряжена отрицаи'льно, то к ней притягиваются катионы Na. Когда катион закрепляется на поверхности глинистого минерала, то обычно гоиорят, что он адсорбируется. Однако адсорбция этого тиIUI не является постоянной, потому что, если поместить некоторое количество глинистого минерала, содержащего адсорбирошшпые ионы Na в раствор КС1 (хлористого калия), то большинство ионов Naбудут заменены ионами К Такой процесс in мощения избыточными ионами называется обменом осно и п II и й.
 Способность различных типов глин к реакциям обмена осноннпий (обменная емкость) может быть измерена следующим i иособом: образец грунта промывают в растворе соли, редко id тречаюьцейся в естественных условиях, например в растворе .мористого аммония (NH4C1), а затем определяют количество м чсорбированного NH путем измерения разницы между исходной и конечной концентрацией промывочного раствора. Обменную емкость удобно выражать общим числом положительных зарядов, адсорбированных на поверхности глинистого минерала пегом 100 г, так как это число не зависит от размеров и веса м1ждого адсорбированного иона или от количества связанных
 ним зарядов. В табл. 1.6 указаны приблизительные пределы мой величины для трех главных видов глинистых минералов.
 пособность глинистых минералов адсорбировать воду колеблетI я п тех же пределах.
 Из табл. 1.6 видно, что монтмириллонитовые глины пригишзительно в 10 раз активнее кполинитовых. Следовательно, мня того чтобы придать грунту
 неоднородным по крупности митавом типичные коллоил»ш,ные свойства, монтмориллонита потребуется гораздо меньше, чем каолинита. Лишь тмпогие лаборатории располпгмют необходимым оборудоипиисм для определения йи-
 Таблица 1.6
 Обменная емкость глинистых минералов
 Минерал
 Число положительных зарядов, адсорбированных на поверхности минеральных частиц весом 100 г
 Монтмориллонит Иллит Каолинит .
 360—600
 120-240
 20-90
 ХЮ20
 25

да глинистых минералов, содержащихся в исследуемом грунте. Однако многие индексационные свойства, как например, консистенция, связность и влияние влаги на поведение грунта, непосредственно зависят от минералогического состава.
 § 1.6. СООТНОШЕНИЕ МЕЖДУ ВЕСОМ И ОБЪЕМОМ ГРУНТОВОГО АГРЕГАТА
 Определения. Плотность грунтового образца можно установить на основе количественных показателей, определенных в лаборатории. Для оценки плотности образца используются такие характеристики, как пористость, коэффициент пористости и относительная и л от н о с т ь. На рис. 1.2
 Объем
 ■ъ
 Вес
 Wo
 W
 Рис. 1. 2. Условная схема грунтового образца, на которой выделены твердая, жидкая и газообразная составляющие
 изображена схема грунтового образца, на которой выделены твердая, жидкая и газообразная составляющие.
 Обозначим объем твердой фазы Vs объем воды — Vw и объем газа — Vg. Поскольку соотношение между величинами Vg и Vw ‘изменяется в зависимости от гидрогеологических условий, а также от приложенной нагрузки, удобнее обозначить весь объем, не занятый твердым веществом, как объем пор Vv. Если общий объем образца V, то пористость:
 л у (1.1)
 Часто эту величину выражают в процентах. В таких случаях употребляют термин процентная пористость. При сжатии грунта величина числителя и знаменателя в предыдущем уравнении изменяется. Однако во многих вычислениях, связанных с расчетами осадок, гораздо удобнее относить пористость к постоянному знаменателю. Поэтому в расчетах принято применять так называемый коэффициент пористости, равный отношению объема пор к объему твердых частиц грунта.
 Коэффициент пористости е (1.2)
 26

Одной из наиболее важных характеристик свойств мелкозернистых грунтов является естественная влажность w:
 W
 ш°о 100--, (1.3)
 где VPW — вес воды;
 Ws — вес твердых частиц грунта (скелета) после высушивания.
 Следует отметить, что обычно вес воды относят к неизменяющейся величине WS1 а не к общему весу образца. При медленном высушивании образца грунта происходит потеря воды, причем процесс этот продолжается и при высоких температурах до тех пор, пока минералы, составляющие грунт, не разрушатся и не потеряют химически связанную воду. Поэтому при определении влажности грунта высушивание образца до постоянного веса производится при температуре от 105 до 110°.
 Многие грунты, залегающие ниже уровня грунтовых вод, и некоторые мелкозернистые грунты, расположенные над ним, бывают насыщены водой. При этом у большинства грунтов, которые залегают над уровнем воды, поры заполнены водой только частично и в них имеется воздух. Значительное содержание газа или воздуха встречается даже в некоторых грунтах, находящихся и под водой. Степень насыщения грунта водой:
 w
 (1.4)
 У V
 Вес единицы объема или объемный весу является одной из важнейших физических характеристик грунта. Его величину необходимо знать, например, для расчета бокового давления грунта или бытового давления, т. е. вертикального давления на некоторой глубине от веса вышележащих пластов. Согласно определению, объемный вес
 W
 т т -6
 где W — вес грунта вместе с водой;
 V — его объем.
 Объемный вес грунта в насыщенном состоянии обозначается Int , а за вычетом веса воды— . Последняя величина назы-
 иается также плотностью или объемным весом с к е.I ет а.
 Отношение веса твердых частиц к их объему называется удельным весом js.
 т, т L6
 у s
 Величину js либо можно определить лабораторным путем, лигх) ее можно найти по таблицам. В обычных расчетах величину fv для песков 'можно принять равной 2,65 гсм3. Что же касается
 • лпинистых грунтов, то по результатам -многочисленных испытаний
 27

удельный вес скелета этих грунтов колеблется в пределах от 2,5 до 2,9 гсле3 (в среднем — 2,7 гсм3).
 В табл. 1.7 приведены значения удельных весов важнейших минералов, образующих частицы грунтов. Этой таблицей можно пользоваться при определении значений грунтов с известным минералогическим составом.
 Таблица 1.7
 Удельный вес наиболее важных минералов, входящих в состав грунтов
 Наименование минерала
 Удельный вес в г, см3
 Наименование минерала
 Удельный вес в гсм3
 Гипс . .
 Монтмориллонит1 . Ортоклаз Каолинит .
 Иллит1 Хлорит Кварц Тальк .
 Кальцит
 Мусковит
 2,32 2,4 2,56 2,6 2,6 2,6—3 2,66 2,7 2,72 2,8-2,9
 Доломит Арагонит Биотит Авгит .
 Роговая обманка Лимонит . Гидрогематит Магнетит Гематит
 2,87 2,94 3,0-3,1
 3.2-3,4
 3.2—3,5 3,8 4,3± 5,17 5,2
 1 Теоретические данные получены на основе атомных весов веществ, образующих кристаллическую решетку (по Гриму).
 Характерные значения коэффициента пористости, влажности и объемного веса для различных грунтов приведены в табл. 1.8.
 Таблица 1.8
 Пористость, коэффициент пористости, влажность и объемный вес типичных грунтов с естественной ненарушенной структурой
 Коэффициент пористости е в оо
 Объемный вес в г см3
 Наименование грунта
 Пористость
 п
 Влажность W в °о
 скелета 7
 в водонасыщенном состоянии Т sat
 Однородный рыхлый песок
 0,46
 0,85
 32
 1,43
 1,89
 Однородный плотный пе¬
 сок . 0,34
 0,51
 19
 1,75
 2,09
 Разнозернистый рыхлый песок 0,4
 0,67
 25
 1,59
 1,99
 Разнозернистый плотный
 песок
 0,3
 0,43
 16
 1,86
 2,16
 Ледниковая глина (тилль)
 2,32
 очень разнозернистая .
 0,2
 0,25
 9
 2,12
 Мягкая ледниковая глина
 0,55
 1,2
 45
 —
 1,77
 Жесткая ледниковая глина
 0,37
 0,6
 22
 —
 2,07
 Мягкая слабо органическая
 0,66
 1,58
 глина .
 1,9
 70
 —
 Мягкая сильно органиче¬
 1,43
 ская глина .
 0,75
 3
 110
 —
 Мягкий бентонит
 0,84
 5,2
 194
 —
 1,27
 28

Плотность грунтового агрегата. Коэффициент пористости или пористость крупнозернистого грунта недостаточно полно определяют возможное поведение грунта под нагрузкой или в период производства земляных работ, потому что при одинаковом коэффициенте пористости один грунт может быть плотным, а другой рыхлым.
 Значительно более точно определяет свойства грунтов относительная плотность иг:
 В ■ ах-С— (17)
 £тах—in
 где етах — коэффициент пористости грунта в самом рыхлом состоянии;
 е — коэффициент пористости в естественном состоянии; вmin —коэффициент пористости в самом плотном состоянии.
 Так D r 1 для очень плотного грунта и Dr 0 для очень рыхлого.
 На практике определение относительной плотности обычно производится способом пенетрации (вдавливанием конуса) или путем испытания пробной нагрузкой (см. § 3.4 и 3.5), так как непосредственно измерять коэффициент пористости в полевых условиях неудобно. Если же величина е известна, то етах и е тп могут быть определены в лаборатории. Самое рыхлое состояние зернистого грунта обычно достигается отсыпкой сухого материала в мерный сосуд через воронку таким образом, чтобы высота свободного падения была около 1,5 см. Если материал пылеватый, то для этой цели иногда применяют отсыпку в воду. Самое плотное состояние достигается уплотнением грунта в металлическом сосуде до постоянного объема при помощи сочетания статической нагрузки и вибрирования. Чтобы получить требуемый результат, следует испробовать ряд способов и выбрать из них наиболее эффективный.
 Для грунтов с заметным содержанием глинистых и пылеватых фракций понятие относительной плотности теряет свое значение, поскольку для этих грунтов величины етах и етп не имеют никакого смысла. Однако в строительстве часто приходится иметь дело с подобными грунтами. Кроме того, многолетний опыт показал, что уплотнение таких грунтов при строительстве ■шляется весьма благоприятным. Для определения степени их уплотнения Проктором в 1934 г. была сконструирована специальная установка, изображенная на рис. 1.3. Она соггоит из металлического разъемного цилиндра, емкостью 1 л с и11утренним диаметром 10 см, металлической трамбовки б весом 'Л) кг, насадки высотой 5 ежи направляющей в. Грунт засыпается в цилиндр в три приема приблизительно одинаковыми по тлщине слоями, причем каждый из них уплотняется 25 ударами трамбовки, падающей свободно с высоты 30 см. После сня-
 29

Рис. 1. 3. Установка для определения'степени сжимаемости грунта (по Проктору)
 Рис. 1. 4. Кривые зависимости между влажностью и плотностью для различных грунтов, полученные по Проктору
 1 — хорошо подобранный разнозернистый песок; 2— очень мелкий пылеватый песок; 3 — валунная глина; 4— глинистый песок; 5 — ледниковая глина; 6—пойменный ил; 7 __ песчанистый ил

I ия насадки грунт срезают вровень с краями цилиндра и определяют его вес. Затем из середины берут небольшую пробу для. определения влажности грунта. По весу и объему грунта, находящегося в цилиндре, вычисляют объемный вест
 Однако критерием плотности грунта является , т. е. вес пк'рдых частиц в единице объема грунта, заключенного в цилиндре. Значения определяют для серии образцов грунта, 1лждый из которых обладает различной начальной влажностью. Первые испытания производят с довольно сухим грунтом; при последующих же опытах к образцам добавляют воду до тех пор, пока вес влажного грунта, способного уплотняться в форме, не юстигнет максимума и не начнет уменьшаться. Результаты пгпытаний изображаются кривой зависимости между влажностью и плотностью грунта, как показано на рис. 1.4. На горизонтальной оси диаграммы наносят значения w, а по вертикальной оси — соответствующие им величины is. Ордината наивысшей точки кривой соответствует максимальной плотности или 100-процентному уплотнению, а абсцисса — оптимальной влажности.
 В полевых условиях степень уплотнения грунта определяют на1 нгпове измерений веса, объема и влажности образца грунта. По ним данным можно вычислить плотность грунта; отношение полученной зеличины к js при 100-процентном уплотнении, умноженное на 100, называется относительным уплотнением (в ).
 По техническим условиям к грунтам ряда возводимых сооружений (в частности, к насыпям) обычно предъявляется требование, чтобы их уплотнение достигало 90—100. При этом метод, испытания грунтов на уплотнение был разработан с таким расче1ом, чтобы величина плотности, соответствующая 100-процентпому опытному уплотнению, равнялась наивысшей плотности'
 I рунта, которая экономично достигалась при помощи катков, конструкции, примерно, 1934 г. Поскольку за истекший период, мрсмени появились более эффективные способы уплотнения рунтов, то указанный метод испытания можно теперь рассматривать как относительно произвольный лабораторный опыт. Чтобы приблизить условия испытаний к современным полевым1 условиям, были внесены различные предложения с целью изменения деталей метода испытания. Так, например, многие строик'льные организации пользуются в настоящее время видоизмененным методом AASH01, который отличается от стандартного испытания по Проктору линь тем, что в нем трамбование грунта и цилиндре производится в пять слоев, трамбовка весит 4,5 кг,. .1 высота падения равна 45 см.
 Следует особо подчеркнуть, что в отличие от относительной' плотности, величина относительного уплотнения в известной мере
 1 Американское общество дорожных администраторов.

произвольна, так как зависит от деталей методики испытания. Между относительным уплотнением и прочностью грунта на сжатие не существует определенной зависимости ни в процессе уплотнения, ни после него. Испытания на уплотнение имеют значение прежде всего для контроля при возведении насыпей, а также для обеспечения везде одинаковой степени плотности.
 Взаимозависимость свойств грунтовых агрегатов. Различные агрегатные свойства грунтов, рассматриваемые в этом параграфе, являются взаимосвязанными, и одни величины могут быть выражены через другие. Однако большинство этих выражений трудно для запоминания. Поэтому иногда удобнее, а часто и значительно быстрее производить необходимые вычисления при помощи схемы,-показанной на рис. 1.2, и основных уравнений. В простоте этого способа можно убедиться при рассмотрении следующих примеров.
 Примеры
 1. Влажность образца водонасыщенной мягкой глины составляет 43. Удельный -вес грунта равен 2,7. Определить коэффициент пористости, пористость и объемный вес грунта.
 Решение. Так как грунт полностью насыщен водой, то объемно-весовые •соотношения могут быть представлены схемой, изображенной на рис. 1.5. При
 этом величины в правой части схемы можно нанести сразу же, если влажность известна, a Ws принято равным 1 г.
 Тогда объем твердых частот Vs 1 : 2,7 0,37 см.
 Эту величину откладываем в левой части схемы.
 Так как удельный вес воды 7w равен единице, то объем -воды на схеме составит 0,43 см3. Отсюда общий объём будет равен 0,430,370,8 см3.
 Тогда, согласно определению, получим:
 Vv:Vs 0,43:0,37 1,16; n Vv-V 0,43:0,8 0,54; lsat W:V 1,43:0,8 1,79 кгсм.
 Объем в см3
 Вес 6 е
 Рис. 1. 5.
 2. Образец песка, залегающего над горизонтом воды, имеет объемный вес — 1,92 гсм3 -при естественной влажности 15- Из лабораторных опытов ♦с высушенными образцами получено: етп 0,5, а 0тах О,85 Для самого плотного и самого рыхлого песка соответственно. Т,ребуется определить степень насыщения и относительную плотность. Удельный вес песка 2,65 гсле3.
 Решение. В этой задаче для удобства решения объем грунта можно принять за единицу (1 см3), откуда общий вес, т. е. вес скелета и воды, будет равен 1,92 г. Нанесем эти величины на схему (рис. 1.6) справа.
 Поскольку влажность известна, то, согласно определению, мы можем записать:
 или
 1 0,15 Ws.
 :32

Кроме того, так как Ww Ws 1,92 г, то, подставив в указанное выражение полученное выше значение, можно написать:
 0,15 Ws 1,92;
 Ws 1,92:1,15 1,67 2.
 Ww 1,92 — 1,67 0,25 г.
 Эти величины можно теперь нанести на правую часть схемы. При этом объем твердых частиц равен
 Ь67 AAQ 3
 —— 0,63 см ,
 2,65
 а объем воды
 0, 25:10,25 см.
 Объем воздуха в порах равен
 1—(0,630,25) 0,12 см
 Следовательно, объем пор равен 0,37 см3.
 Подставляя полученные значения в формулы для искомых величин, поручим:
 степень насыщения
 5л100 ,00°- 68оо;
 коэффициент пористости
 е — 0,37:0,63 0,59; Ks
 относительная плотность
 ета х е
 Dr
 0,85 — 0,59 0,26
 етах— min 0,85 0,5 0,35
 0,74.
 3. При стандартном испытании, по Проктору, образец уплотненного до 100 грунта имел объемный вес 2,15 гсм3 при оптимальной влажности 14. Требуется определить плотность водонасыщенного прунта и его объемный вес. Удельный вес скелета принимается равным 2,67.
 Вес вг]
 Рис. 1. 6
 06ъем в си3 Вес Ь е
 i Воздух
 1
 Вода
 Рис. 1. 7
 «О
 Г
 Решение. Принимая объем исследуемого образца равным 1 сж3, мы можем изобразить условия задачи схемой на рис. 1.7.
 При заданной величине влажности
 Ww 0,14 Ws.
 Подставив это выражение в
 Ww Ws 2,15 г,
 3 Зак. 1274 33

откуда
 2,15:1,14 1,84 г.
 Wc
 Так как 7 7 1.84:1 1,84 гсм3,
 объем скелета
 Тогда объем пор будет равен
 Vv 1 -0,69 0,31 см3. При полном насыщении вес воды будет равен
 0,31 1 0,31 г,
 а объемный вес грунта -в насыщенном состоянии
 1,84 0,31 1Г ,
 2,15 гсмА
 7 sat —
 § 1.7. СТРУКТУРА И КОНСИСТЕНЦИЯ ГРУНТОВОГО АГРЕГАТА
 Первичная и вторичная структуры. Под первичной структурой грунта подразумевают взаимное расположение зерен. Первичная структура обычно формируется в процессе от¬
 ложения, осаждения или выветривания пород. В последующем в зависимости от условий существования грунтовых отложений могут возникать различные изменения, которые приводят к образованию вторичной структуры. Сюда относится, например, такой процесс, как образование трещин в осадочных породах.
 Первичная структура грунтов бывает отдельно-зернистой, сотообразной и флоккуляционной или хлопьевидной. При отдельно-зернистой структуре (рис.
 Рис. 1. 8. Типы структур грунта
 34

1.8,а) каждая частица соприкасается с несколькими соседними таким образом, что агрегат является устойчивым даже в том случае, если в точках соприкосновения частицы не будут связаны
 между собой силами сцепления. Грунты с отдельно-зернистой структурой могут быть плотными или рыхлыми. От плотности в значительной степени зависят свойства агрегата. При сотообразпой структуре частицы соприкасаются друг с другом в нескольких
 I очках (рис. 1.8,6). Эта структура была бы непрочной, если бы в точках соприкосновения отсутстиовали силы сцепления. При хлопьевидной структуре (рис.
 1.8,б) группы частиц,, слипшиеся и хлопья, располагаются в них гак же, как и при сотообразной структуре. Хлопьевидная структура не может существовать без значительных сил сцепления между частицами и легко распадается, переходя в сотообразную.
 И хотя в природе она встречается относительно редко, тем не менее у жестких глин, содержащих до )0 влаги от объема, вряд ли можно предположить какую-либо иную структуру. Такие глины имеются, например, в окрестностях Мексико-Сити.
 К основным признакам вторичной структуры относятся: тре-
 щины отдельности, зеркала скольжения и конкреции. Образование трещин отдельностей происходит обычно и результате высыхания материала, спустя некоторое время после его отложения. Зеркала кольжения представляют собой отшлифованные плоскости, истречающиеся в жестких глинах, которые испытали неравномерные подвижки или разбухание. Конкреции являются скоплениями карбонатов или соединений железа. Все эти факторы нарушают сплошность грунтового массива и придают ему своймма, значительно отличающиеся от тех, которыми обладают пПразцы с неизменной структурой, взятые из того же отложения.
 Консистенция и чувствительность глин. Наиболее важным показателем свойств мелкозернистых грунтов в естественном состоянии, несомненно, является консистенция. Консистенния природных связных грунтов может быть пластичной,
 Рис. 1. 9. Установка для испытания грунтов на одноосное сжатие
 1 — коромысло весов; 2 — мессура; 3 — верхняя поперечина; 4 — диск; 5 —образец; 6 — десятичные весы; 7 — домкрат; 8 — штурвал; 9 — нижняя поперечина, соединенная с верхней двумя подвесками (на рисунке не показаны)
 ,1
 35

средней, жесткой и твердой. Однако эти характеристики условны и ввиду их неопределенности инженеру следует приобрести навык непосредственной оценки сопротивления грунта сжатию.
 Количественно консистенция грунта с ненарушенной структурой может быть выражена величиной его сопротивления сжатию при свободном боковом расширении. Испытание грунта на сжатие производится следующим способом: грунтовый образец, имеющий форму призмы или цилиндра, высота которого в 1,5—2 раза превышает его средний диаметр, подвергается простому сжатию до разрушения. Скорость сжатия при этом такова, что влажность грунта не изменяется. Схема установки для испытания показана на рис. 1.9. Одновременно с загружением измеряется деформация при вертикальном сжатии. Величину разрушающей нагрузки или же нагрузки, вызывающей 20-процентную деформацию (в том случае, когда образец не разрушается полностью), относят к единице поперечного сечения и измеряют обычно в кгсм2. В табл. 1.9 приведена зависимость ме-
 Таблица 1.9
 Качественные и количественные характеристики консистенции глин
 Консистенция
 Полевое определени
 Прочность на сжатие при свободном боковом расширении в кг см
 Очень мягкая
 Кулак легко вдавливается на несколько сантиметров
 0,25
 Мягкая
 Большой палец легко вдавливается на несколько сантиметров
 0,25-0,5
 Средняя
 Большой палец вдавливается на несколько сантиметров при умеренном нажиме
 0,5—1
 Жесткая
 Большой палец легко оставляет неглубокий отпечаток, но вдавливается лишь при сильном нажиме
 1-2
 Очень жесткая
 Легко вдавливается ноготь большого пальца
 X
 Твердая
 Ноготь большого пальца вдавливается с трудом
 V
 1
 36

жду качественными показателями консистенции и значениями прочности на сжатие при свободном боковом расширении.
 При отсутствии оборудования, необходимого для проведения испытаний на сжатие, консистенцию исследуемого грунта можно приблизительно оценить на основе простых полевых опытов, укачиваемых в табл. 1.9.
 Если образец ненарушенной глины размять в руке (при неизменной влажности), то обычно он делается более мягким. Эту особенность можно численно охарактеризовать путем испытания на сжатие перемятого без потери влаги образца, предварисльно испытанного на сжатие при ненарушенной структуре. Для •того перемятый грунт набивают в цилиндрическую форму, заим полученный образец вынимают и испытывают на одноосное сжатие.
 Отношение St прочности на одноосное сжатие ненарушенного образца к прочности на сжатие перемятого образца называют ч v вствительностью глины.
 Чувствительность многих глин, в том числе и большинства ледниковых, находится в пределах от 2 до 4, однако известны глины с чувствительностью 8 и более. Естественные глины с чувствительностью более 4 называют чувствительными, а с чувствительностью более 8 —сверхчувствительными.
 . последними следует обращаться осторожно при строительных рлботах, потому что нарушение естественной структуры способстнует их превращению, по крайней мере временному, в вязкую жидкость У некоторых глин с вторичными структурными особен)стями, такими, как, например, трещины отдельности и зеркачл скольжения, чувствительность бывает менее 1.
 Если образец из перемятой глины с чувствительностью более 1
 гавить в покое, то в нем может восстановиться, по крайней мерс частично, первоначальная прочность и жесткость. Такое сличение прочности, обусловленное постепенной переориентииидкой адсорбированных молекул воды, называется тиксо-
 п и е й.
 Пределы Аттерберга. Если постепенно уменьшать количество юды, содержащейся в густой глинистой суспензии, то смесь мина — вода перейдет из текучего состояния в пластичное,
 • итем — в твердое.
 Ьыло обнаружено, что содержание воды, при котором про ходит переход из одной консистенции в другую, обычно неодикоио у глин, обладающих различными физическими свойствами п нарушенном состоянии, и приблизительно одинаково у глин, имеющих одинаковые физические свойства. Соответственно члжНость при этих переходах может служить показателем иоЛств глин при их классификации.
 Поскольку методы оценки свойств грунтов по характерным ио1чс(1ИЯМ влажности впервые были предложены в 1911 г. АттерЛгргом, эти значения называют пределами Аттерберга,
 37

а методы их определения — испытанием по Аттербергу. В действительности же при переходе смеси грунт — вода из одного состояния в другое не наблюдается резких изменений физических свойств. Поэтому методы Аттерберга следует рассматривать как, в известной мере, произвольный прием для определения предельных значений.
 Выше предела текучести Lw система грунт — вода является суспензией. Ниже предела текучести и выше предела пластичности Pw находится в пластичном состоянии. В этом состоянии грунт можно деформировать и переминать без образования трещин, причем он сохраняет постоянство объема. Область значений влажности, выше которой смесь грунт — вода ведет себя как пластичный материал, часто называют областью пластичности, а разность между пределом текучести и пределом пластичности — числом пластичности Iw
 Iw Lw — Pw. (1.8)
 Несколько ниже предела пластичности смесь грунт — вода достигает так называемого предела усадки. Дальнейшее уменьшение влажности при высыхании уже не сопровождается сокращением объема. Это происходит вследствие того, что в поры системы проникает воздух, и грунт становится ненасыщенным.
 Таким образом, предел текучести и число пластичности в совокупности являются мерой пластичности грунта. Грунты, обладающие высокими значениями Lw и Iw , называют высокопластичными или жирными; те же, у которых эти значения невелики, называются малопластичными или тощ и м и. Интерпретация результатов определения пределов текучести и пластичности может быть очень облегчена при использовании так называемой диаграммы пластичности, предложенной А. Казагранде. На этой диаграмме (рис. 1.10, а) абсциссы представляют собой значения предела текучести, а ординаты— числа пластичности. Две вертикальные прямые Lw 30 и Lw 50 и одна наклонная прямая Л, определяемая уравнением
 ш 0,73 (Lw- 20),
 делят диаграмму на шесть областей. Все грунты, представляемые точками, лежащими выше прямой Л, являются неорганическими глинами. С возрастанием предела текучести пластичность изменяется от низкой (Lw30) до высокой (Lw 50). Грунты, представленные точками, находящимися ниже линии Л, могут быть органическими и неорганическими илами или органическими глинами. Если илы неорганические, то в соответствии с значениями предела текучести их называют грунтами низкой, средней и высокой сжимаемости: ниже 30 — низкой, от 30 до 50 — средней и свыше 50 — высокой. Органические илы представлены точками, лежащими в области значения предела текучести от 30 до 50; у органических глин предел текучести превышает 50.
 38

Число пластичности
 а)
 I
 1
 t3
 5
 с;
 §
 5
 Пластичность елин или сжимаемость ал я
 Низкая
 Средняя
 Высокая
 1 1
 I
 1 т 1 I .
 IW0,73(LW-Z0)
 1
 i - - -1 1 LJ 1 Предел тенучечти, Lw
 Рис. 1. 10. Диаграмма пластичности по А. Казагранде (а) и зависимость между пределом текучести и числом пластичности для некоторых типичных грунтов (б)
 Я — бетонит; II1 — вулканическая глина; III1 — различные виды торфа; IV1 — органический ил и глина; V1 — диатомовая земля; — глина; II — глина; III — ледниковые глины; IV — каолинитовые глнны; V — естественное состояние; VI — органическая глина; VII — порошок слюды; VIII — органический ил и глина; IX — каолин; X — высушенное состояние; XI — слюдянистая песчаная пыль

Отличить органический грунт от неорганического можно при помощи следующего опыта. Для исследуемого грунта дважды определяют предел текучести: один раз для влажного или воздушно-сухого образца, а второй раз — для высушенного в сушильной печи. Сушка в печи вызывает в органических составляющих необратимые изменения, которые способствуют значительному понижению предела текучести. Если предел текучести высушенного в печи образца оказался приблизительно в 0,7 раз меньше, чем у воздушно-сухого, то грунт можно характеризовать как органический.
 Было найдено, что точки, показывающие значения L w и Iw для грунтов из одного ограниченного района, которые имеют одинаковое геологическое происхождение, обычно лежат на прямой, более или менее параллельной линии А. Положение прямой является характерным для данной группы грунтов. Результаты исследований различных типов грунтов приведены на рис. 1.10, б. Здесь же показано влияние сушки в печи на характеристики органических глин (точки V и X).
 Естественная влажность многих глин соответствует области пластичности. Глины с влажностью, близкой к пределу текучести, обычно значительно мягче глин, влажность которых соответствует пределу пластичности. Поэтому одним из наиболее важных показателей для глин является показатель консистенции с, определяемый следующим уравнением
 Г W Р W W Рw 1 Q
 е Г р ’ V 1 XV • W
 где w — естественная влажность образца.
 Из этой формулы видно, что е имеет отрицательное значение для грунтов, у которых естественная влажность меньше предела пластичности. При увеличении влажности грунта от предела пластичности до предела текучести значение е соответственно повышается от 0 до 1. Если естественная влажность превышает предел текучести, то показатель консистенции больше 1. Таким образом, зная пределы консистенции и естественную влажность образца, можно произвести оценку консистенции глины нарушенной структуры. Эти соотношения представлены на рис. 1.11.
 Хотя методы определения пределов Аттерберга и не представляют собой трудности, тем не менее, чтобы получить воспроизводимые данные необходим известный навык в проведении таких опытов. Определение предела текучести производят, обычно, при помощи прибора конструкции А. Казагранде (рис. 1.12). Смесь грунта с водой помещают в чашу прибора и посередине грунтовой лепешки проводят борозду шириной
 2 мм и высотой 8 .мм. Затем поворотом рукоятки прибора поднимают чашу на высоту 1 см над основанием и дают ей свободно упасть обратно. Считается, что влажность грунта равна пределу
 40

Шкала влажности грунта
 Физическое состояние Консистенция после пвреминания
 Lw
 Pw
 Предел текучее-'
 ти
 Число пластич► постиt об пасть пластичности
 Предел пластик ности
 Предел усадки
 ВодушноЛ сухий I Гигроскопическая
 D влажность
 •высушен- J ный в печи
 Полутвердое
 Твердое
 Очень мягкая Мягкая Местная Очень шест кая Исключительно нестт Твердая
 Рис. 1. 11. Диаграмма физического состояния и приблизительнойконсистенции в соответствии с пределами Аттерберга для нарушенно
 грунта
 Рис. 1. 12. Схема прибора для определения предела текучести грунта (а) и конструкция металлического шпателя (б) (размеры в мм)
 —твердая резина; 2—стальная пластинка: 3 — пористая резина; 4—закаленная сталь; 5 — борозда; 6 — грунт

текучести, если после 25 ударов нижние края бороздки сольются между србой на участке длиною около 13 мм.
 Определение предела пластичности производится путем раскатывания образца связного грунта в шнур диаметром около
 3 мм. Если шнур сразу не крошится, то его перегибают и снова раскатывают. Раскатывание продолжают до тех пор, пока шнур указанного диаметра не начнет крошиться на мелкие куски. Соответствующая влажность называется пределом пластичности.
 Для определения предела усадки грунта берут образец известного объема при влажности, превышающей предел текучести, и высушивают его в печи. По весу, объему и начальной влажности высушенного образца вычисляют ту влажность, при которой он оказался- бы водонасыщенным. Эта влажность будет соответствовать пределу усадки.
 § 1.8. СИСТЕМЫ КЛАССИФИКАЦИИ ГРУНТОВ
 Введение. Ввиду бесконечного разнообразия грунтов, существующих в природе, оказалось невозможным выработать единую систему классификации, согласно которой грунты разделялись бы на различные группы и подгруппы на основе учета важнейших индексационных свойств. Тем не менее, был предложен ряд пригодных для практического использования классификационных систем, основанных на учете одного или двух показателей их свойств. Некоторые из этих систем нашли столь широкое распространение в самых различных областях, что каждый инженер обязан иметь о них хотя бы общее представление. В то же время не следует забывать, что ни одна система классификации не может полностью отвечать требованиям, предъявляемым различными областями строительства. Так, многие системы классификации совершенно не учитывают некоторых свойств грунтов, являющихся наиболее важными с точки зрения инженера-фундаментостроителя.
 Текстурные системы классификации. Поскольку величина зерен является наиболее очевидной характеристикой грунта, то вполне естественно, что самые первые классификационные системы основывались только на текстуре. Некоторые из них приведены для сравнения на рис. 1.13. Для строительных целей более подходящей является система МИТ вследствие ее простоты и единообразия предельных размеров частиц.
 При пользовании системой МИТ определяют гранулометрический состав грунта, выражая вес фракций в процентах. Так, например, для грунта с неоднородным по крупности составом дается следующее описание: согласно классификации МИТ — 3 гравия, 46 песка, 17 пыли и 34 глины.
 Бюро почвоведения и химии США разработало систему трехчленной классификации грунтов по текстурным признакам, согласно которой грунт обозначался только одним наименованием,
 42

Система
 Размеры зерен в мм
 10
 1 01 Л,01 ощ ороо
 _i 3 и — бюро почвоведения США 1890-95
 Гоадий
 Песок Пыль
 Глина
 0,05 0,005
 Атгперберг, 1905
 Гравий
 Крупный
 песок
 Мелкии песан
 Пыль
 Глина
 0,2 0,02 0,002
 Гравий Песок Пыль Гайна
 0,06 0,002
 Министерство земледелия СШЛ, 1938
 ГоаВий
 Песок
 Пыль
 Глина
 0,05 0,002
 Американское геофизическое общество, 190-7
 Гоавий
 Песон Пыль Гпина
 64
 0,062 0,004
 Рис. 1. 13. Сравнение наиболее распространенных в США классификаций фракций грунтов
 .
 •V г - X у 'Ни
 «Л Глина v
 A°s • Песча- Пылевс,
 фтяепинау
 Песчаный.
 ш лмк
 СугяшюцВатыи суглит. супесь V
 _ Песчанар X, уЬылеватая _
 Лйгпн супвсь d w у У у У У У У .у ■
 § 5 £ £ §
 Пыль В
 Рис. 1. 14. Классификация грунтов по треугольному графику, предложенному Бюро почвоведения и химии США

характеризующим его текстуру, без указания процентного содержания гравия, песка, пыли и глины. Для облегчения пользований этой системой Бюро предложило треугольную диаграмму, представленную на рис. 1.14. После того как в исследуемом образце грунта будет определено процентное содержание песчаной, пылеватой и глинистой фракций, на треугольной диаграмме находят точку, соответствующую данному гранулометрическому составу, и грунту дается наименование того участка диаграммы, на котором эта точка расположена. Хотя трехчленная классификация и не учитывает никаких других характеристик грунта, кроме гранулометрического состава, тем не менее, различные варианты аналогичных треугольных графиков широко применяются в дорожном строительстве и земледелии. Большим недостатком этой классификации является то обстоятельство, что наименование грунта, принятое по диаграмме, не всегда точно отражает физические свойства грунта. Так, например, грунт, согласно этой системе отнесенный к глине, в действительности может обладать физическими свойствами, более типичными для ила.
 Классификации Дорожного управления США. В дорожном строительстве нашла широкое применение система классификации грунтов, предложенная в 1928 г. Дорожным управлением США. Согласно этой системе все грунты разделяются на восемь групп, которые соответственно обозначают от А-1 до А-8. Считается, что для дорожного основания лучше всего подходит грунт с хорошо подобранным гранулометрическим составом, содержащий, главным образом, песок и гравий, а также и небольшое количество глинистой фракции, выполняющей роль вяжущего вещества. Грунт этого типа относят к группе А-1, а все прочие грунты относят к последующим группам в соответствии с уменьшением их устойчивости. Система дорожной классификации со времени своего существования неоднократно пересматривалась. В первоначальной редакции этой системы отсутствовала точная характеристика как гранулометрического состава грунта, так и пластичности глинистой фракции.
 В 1945 г. система Дорожного управления подверглась значительной переработке Научно-исследовательским комитетом по строительству шоссейных дорог. Характеристики различных групп нового варианта приведены в табл. 1.10. В этой измененной системе дорожной классификации неорганические грунты разделены на 7 групп от А-1 до А-7, которые в свою очередь под-
 Пояснения к пользованию таблицей 1.10.
 По данным испытаний подбирается соответствующая группа таблицы (по рядок действий при подборе группы — слева направо). Ближайшая левая группа, которая соответствует данным испытаний, и будет искомой. Группа А-7 делится на две группы: А-7-5 и А-7-6 в зависимости от предела пластичности: при Pw 30 принимается группа А-7-6, при Pw 30 — группа А-7-5. НП означает — непластичный.
 44

Сгтеяд 1Л£ссфньтл грнтов. предложенная Дорожным управлением США (модификация классификации 1945 г.)
 Общая классификация
 Зернистые материалы (до 35 частиц проходит через сито 200)
 Пылевато-глинистые материалы (более 35 °0 частиц проходит через сито 200)
 Классификация по группам
 А-1
 А-З
 А-2
 А-4
 А-5
 А-6
 А-7
 А-1-а
 А-1-б
 А-2-4
 А-2-5 А-2-6
 А-2-7
 А-7-5
 А-7-6
 частиц, проходящих через сито 10 40 200
 макс. 50 макс. 30 макс. 15
 макс. 50 макс. 25
 мин. 51 макс. 10
 макс. 35
 макс. 35
 макс. 35
 макс. 35
 МИН. 36
 мин. 36
 мин. 36
 мин. 36
 Характеристики фракции, проходящей через сито 40. Предел текучести. Число пластичности
 макс. 6
 НП
 макс. 40 макс. 10
 мин. 41 макс. 10
 §
 макс. 40 мин. 11
 мин. 41 мин. 11
 макс. 40 макс. 10
 мин. 41 макс. 10
 макс. 40 мин. 11
 мин. 41 мин. 11
 Показатель
 группы
 0
 0
 0
 макс. 4
 макс. 8
 макс. 12
 макс. 16
 макс. 20
 Основные составляющие материалы
 Каменные обломки—гравий и песок
 Мелкий
 песок
 Пылеватые или глинистые гравий и песок
 Илистые
 грунты
 Г линистые грунты
 Общая оценка грунта как дорожного осно1 вания
 От отличной до хорошей
 От удовлетворительной до плохой

разделяются на 12 подгрупп. Кроме того, с целью более точного определения грунта, содержащего заметное количество мелкозернистого материала, введено понятие показателя группы.
 Показатель группы определяется по следующему уравнению:
 Показатель группы 0,2а 0,005ас 0,01ftrf, (1.10)
 где а — вес частиц, прошедших через сито 200, за вычетом 35. Если вес частиц, прошедших через сито 200, больше 75, то для определения а принимается 75 (т. е. а 75—35 40), а если этот вес меньше 35, то для расчета принимается 35 (т. е. а 35—35 0). Таким образом, а— всегда положительное целое число в пределах от 0 до 40;
 Ъ — вес частиц, прошедших через сито 200, за вычетом 15. Если вес частиц, прошедших через сито 200, больше 55, для расчета принимается 55 (т. е. Ь 55— 15 40), а если этот вес меньше 15, то для расчета принимается 15 Ф 15—15 0). Следовательно, b — положительное целое число в пределах от 0 до 40;
 с — разность между пределом текучести и 40. Если предел текучести больше 60, то для определения с он принимается равным 60, а если меньше 40, то равным 40, т. е. с может находиться в пределах от 0 до 20;
 d — разность между числом пластичности и 10. Если число пластичности больше 30, то оно принимается равным 30, а если меньше 10, то равным 10. Следовательно, d может находиться в пределах от 0 до 20.
 Если величина показателя какого-нибудь грунта оказывается ниже минимального предела, допускаемого для а, 6, с и d, то величину соответствующего члена уравнения принимают равной нулю. Величина показателя данной группы записывается в обозначение группы согласно классификации: например, глинистый грунт с показателем группы, равным 18, обозначается А-7-6 (18)
 Хотя последняя дорожная система классификации и получила широкое признание среди инженеров-дорожников, тем не менее некоторые специалисты все еще пользуются при классификации грунтов старой редакцией той же системы, принятой в феврале 1942 г. В этой редакции, как и в прежних вариантах системы дорожной классификации, имелась группа А-8, включавшая, главным образом, торфяные и илистые грунты. Эти грунты содержат весьма значительное количество органических веществ и обладают очень высокой влажностью. Они отличаются малой устойчивостью в любых условиях и редко используются в качестве оснований.
 Аэродромно-строительная классификация. Одной из наиболее полных классификаций грунтов, применяемых в настоящее вре¬
 46

мя, является система, разработанная А. Казагранде для Инженерного управления США. Эта система, получившая название лэродромно-строительной классификации ЛС, предназначалась главным образом, для использования при строительстве военных аэродромов. Несмотря на то, что количество классификационных групп в ней больше, чем в какой-либо другой системе, эта система проста, благодаря логическому расположению групп и определенном порядке.
 Согласно системе АС крупнозернистые грунты делятся наг
 1) гравий и гравелистые грунты (обозначение G);
 2) песок и песчаные грунты (обозначение S).
 Гравий и пески в свою очередь подразделяются на четыре группы:
 а — хорошо подобранный вполне чистый песок (обозначение W)
 б — хорошо подобранный материал с примесью превосходного глинистого вяжущего (обозначение С);
 в—плохо подобранный вполне чистый материал (обозначение Р);
 г — крупнозернистые материалы с примесью мелкозернистых, фракций, не содержащиеся в предыдущих группах (обозначение F).
 Мелкозернистые грунты делятся на три группы:
 1) неорганические илы и очень мелкие песчаные грунты (обозначение М);
 2) неорганические глины (обозначение С);
 3) органические илы и глины (обозначение О).
 Каждая из этих трех групп мелкозернистых грунтов подразиляется в соответствии с величиной предела текучести на:
 а — мелкозернистые грунты с пределом текучести менее 50,. « жимаемость от низкой до средней (обозначение L);
 б — мелкозернистые грунты с пределом текучести более 50, иигокая сжимаемость (обозначение Н).
 Грунты, обладающие очень высокой сжимаемостью, со значительным содержанием органических примесей, обычно волокши'гых (например, торф и болотные грунты), включены в одну iiiiny, обозначаемую Pt. Ниже приводятся основные характеристики грунтов различных групп.
 А. Крупнозернистые грунты: менее 50 частиц проходит
 •рез сито 140 американского стандарта (0,1 мм).
 Группы GW—SW — хорошо подобранные по гранулометри•п « кому составу гравелистые и песчаные грунты с небольшой примесью или без примеси мелких фракций. Весовое содержание •иичиц диаметром меньше 0,02 мм при условии возможного промерзания не должно превышать 3.
 Группы GC—SC — хорошо подобранные по гранулометриче-
 • кому составу крупнозернистые грунты с примесью превосходною глинистого или другого вяжущего вещества. Набухание
 47

и усадка незначительны. Не боятся промерзания. Устойчивы как во влажном, так и в сухом состоянии.
 Группы GP—SP — плохо подобранные по гранулометрическому составу гравийные грунты или песок с небольшой примесью мелких фракций или без них. Гранулометрический состав или однороден, или в нем отсутствуют некоторые фракции.
 Группы GF—SF — некоторые крупнозернистые грунты с примесью мелких фракций, обычно — пылеватые гравий или песок, лли песчано-глинистые смеси с плохо подобранным гранулометрическим составом.
 Б. Мелкозернистые грунты — более 50 частиц проходит через сито 140 американского стандарта (0,1 мм).
 1. Мелкозернистые грунты с сжимаемостью от низкой до средней; Lw менее 50:
 группа ML — неорганические илы и очень мелкие пески, каменная мука, пылеватые или глинистые мелкие пески с низкой пластичностью;
 группа CL — неорганические глины с пластичностью от низкой до средней, песчаные глины, пылеватые глины, тощие глины;
 группа OL — органические илы с низкой сжимаемостью.
 2. Мелкозернистые грунты с высокой сжимаемостью (Lw более 50):
 группа МН — слюдистые илы или диатомовые мелкие песчаные и пылеватые грунты, упругие илы;
 группа СН — неорганические глины с высокой пластичностью, жирные глины;
 группа ОН — органические глины с сжимаемостью от средней до высокой.
 В. Волокнистые грунты органического происхождения с очень высокой сжимаемостью:
 группа Pt — торф и другие болотные грунты с высоким содержанием органических веществ.
 Мелкозернистые грунты характеризуют при помощи измененной диаграммы пластичности (рис. 1.15).
 Недостатки инженерных классификаций. Различные системы классификаций грунтов по структурным признакам, в том числе дорожная и аэродромная, основываются в сущности на одних и тех же аналогичных признаках, а именно — либо на свойствах только зерен, либо на свойствах нарушенного грунтового материала в целом. Они не учитывают свойств материала с ненарушенной, естественной структурой, которыми в пеозую очередь определяется поведение грунта в период и после окончания строительных работ. Таким образом, системы классификации могут служить лишь отправным пунктом при составлении описания грунтов, находящихся в естественных условиях. Тем не менее, даже с этими ограничениями правильная классификация грунта в соответствии с одной из вышеназванных систем дает возможность сделать немало выводов о его основных свойствах.
 48

Дополнительные полезные сведения можно почерпнуть из источников, не относящихся к области гражданского строительства, в частности, из геологии и почвоведения. Инженер-строитель должен знать, по крайней мере, описательную терминологию этих двух наук.
 Геологическая терминология. Знание геологического происхождения грунтового напластования часто помогает при оценке сто физических Характеристик. Поэтому при определении свойств
 Рис1. 15. Диаграмма пластичности грунтов, применяемая при их классификации в аэродромном строительстве по А Казагранде (материалы групп SC и SF попадают в заштрихованную область. Вес частиц диаметром меньше 0,1 мм составляет у них, обычно, менее 50 )
 грунта следует учитывать все имеющиеся в распоряжении геологические данные. Рекомендуем в связи с этим ознакомиться со с ледующими понятиями:
 Элювиальные грунты — продукты выветривания горных пород, оставшиеся на месте своего образования. В континентальных районах США мощные элювиальные отложения истречаются редко ввиду активности процессов эрозии и отутствия обильной влаги. Элювиальные грунты необычны и для i сверной половины США и для Канады, так как здесь продукты пыветривания были повсюду снесены перемещающимися ледниками.
 Перемещенные грунты — продукты выветривания, не оставшиеся на месте своего первоначального образования. В заиисимости от условий переноса и отложения они разделяются: на аллювиальные — перенесенные проточной водой; озерные — отложенные в непроточных озерах; морские — осевшие на морское дно; эоловые — перенесенные ветрами; кол-
 4 Зак. 1274
 49

лювиальные — накопленные под действием гравитационных сил, например в результате оползней, обвалов; ледниковые — перенесенные движущимися ледниками, некогда покрывавшими значительную часть северного полушария.
 Кроме того, инженер должен ознакомиться со следующими особыми грунтами, которые часто встречаются в природе, и терминологией, принятой в США для их обозначения как в строительстве, так и в геологии.
 Валунная глина (тилль) состоит из материала, отложенного ледниками без последующего переноса водой. Поскольку огромные массы движущегося льда способны переносить материал любых размеров, то типичные ледниковые отложения представляют собой смесь частиц грунта и обломков скальных пород различной величины — от мелких глинистых фракций до валунов.
 Флювиогляциальные отложения — материал, отложенный водными потоками, возникающими при таянии краев ледника и состоящий, главцым образом, из галечника, песка и пылеватых частиц.
 Лесс является эоловым отложением, состоящим преимущественно из частиц диаметром около 0,06 мм, сцементированных до известной степени карбонатом кальция или глиной. Типичный лесс, как правило, очень порист. Хорошо сохраняет почти вертикальные откосы.
 Преобразованный лесс образуется при затоплении, насыщении водой, размыве или распаде лесса. В результате этих процессов уменьшается его пористость, и может изменяться минералогический состав1.
 Ленточная глина представляет собой особый тип озерно-ледниковых отложений, в которых прослойки глины чередуются с прослойками несколько более крупнозернистых грунтов.
 Озерный мергель или болотный известняк является тонкозернистым порошкообразным известковым отложением белого цвета, который образуется при осаждении с участием растений. Обычно встречается в местах древних оледенений совместно с залежами торфа.
 Мергель — известковый пылеватый грунт — глина морского происхождения.
 К а л и ш — представляет собой грунт, зерна которого сцементированы углекислыми солями. Обычно образуется в засушливых местностях на глубине в несколько метров от поверхности земли.
 Эдоуби — термин, применяемый в США для обозначения светлой выветрелой глины, отложившейся в мелких озерах.
 Туф — вулканический тонкозернистый, слабо сцементированный материал, состоящий из очень мелких минеральных облом-
 1 В СССР применяется термин «деградированный лесс», (Ред.).
 50

■ )и вулканического происхождения. Туф может откладываться результате переноса частиц ветром или водой.
 Бентонит — природный грунт, образовавшийся в резульгге химического преобразования вулканического пепла. Эта шна состоит из исключительно активных коллоидальных чаемщ, сильно набухающих в присутствии воды. Обладает высокой кпенью тиксотропии.
 Гумбо — довольно часто применяемый термин для обозначения очень липких, высокопластичных темных глин.
 Ортштейн — инженерно-строительный термин, употребляе-
 11.1Й для обозначения любых твердых и прочно сцементированных грунтов, которые особенно трудно поддаются разработке п бурению обычными средствами.
 Почвенная классификация грунтов (педологическая). Почвонгдение — это отрасль геологии, изучающая верхний слой земной коры толщиной 1 —1,5 м. Степень и характер изменений, которым в результате выветривания подверглись горные породы, располагающиеся в этом слое, зависят от климата, наличия жи1н,IX организмов, рельефа местности, свойств породы и продолжительности процессов выветривания. Эту измененную зону на.ывают почвой.
 В любом месте, где процесс образования почвы завершен, на небольшой глубине от поверхности имеется ряд последовательных напластований различного характера. Эти напластования лзывают почвенными горизонтами, а систему гориоитов — почвенным профилем. Самый верхний горили, обычно, в результате выщелачивания утрачивает значикмьную часть тонкозернистого минерального вещества. В нем может содержаться довольно большое количество органических .мельченных остатков разложившихся растений. Этот слой кто называют горизонтом вымывания. Далее следует оризонт аккумуляции, в котором накапливается тонмзернистое минеральное вещество. В нормальном профиле эта пща превосходит по пластичности остальные горизонты, лежащие как выше, так и ниже ее. Эти два горизонта образуют зону, которой почвообразовательные процессы наиболее активны.
 1 .кедующий, третий горизонт состоит из относительно мало измененной исходной (материнской) породы. Этот материал может г»ыть либо частично разрушенной и выветрившейся скальной породой, либо грунтовым материалом. Вполне очевидно, чтотам, че непрерывно происходит отложение грунтового материала, п.шример, в поймах рек, не может быть условий для образования почвенного профиля.
 Почвенная классификация грунтов основывается, главным образом, на геологии материнской породы и некоторых характеI иетиках почвенного профиля. К последним относятся: цвет,
 фуктура, текстура, химический состав, толщина и относительное расположение горизонтов.
 51

Все почвы, имеющие одинаковые профили, за исключением текстуры поверхностного слоя, объединяются в группы почв, которые называют по местности, где их впервые обнаружили.
 К наименованию группы обычно добавляют термины, характеризующие текстуру верхнего слоя почвы, которую определяют при помощи треугольного графика, аналогичного диаграмме на рис. 1.14. Инженерно-строительные свойства почвенного профиля определяются в первую очередь его текстурой, пластичностью, мощностью и дренажными свойствами горизонтов. Установлено, что некоторые различные почвенные группы могут обладать одинаковыми инженерно-строительными свойствами.
 Наиболее широко почвенная классификация используется агрономами, однако, она может найти применение также и при строительстве дорог и аэродромов. Кроме того, инженер может извлечь из почвенного описания полезные сведения о природе грунтов незнакомой ему местности, так как почвенная классификация включает данные об исходном грунтовом материале.
 Для составления почвенных карт сравнительно недавно начали применять аэрофотосъемку., Данные аэрофотосъемки позволяют уточнить границы между группами почв, найденные в результате полевых наблюдений. Кроме того, такие факторы как топография местности, цвет почвы, явления эрозии, поверхностный дренаж, растительный покров, уклоны, схема землепользования и микрорельеф, изображенные на снимках, способствуют выявлению почвообразующего материала. Картина зависит также от текстуры, уклона почвенного профиля и режима грунтовых вод. Каждый полученный снимок необходимо сверить с результатами непосредственного наблюдения над почвенным профилем и внести соответствующие поправки в карту. После этого по снимкам можно быстро исследовать очень большие территории.
 Аналогичным способом по аэрофотоснимкам можно научиться распознавать и некоторые строительные свойства поверхностных грунтов. Таким образом, умение расшифровывать аэрофотоснимки позволяет инженеру определять границы участков расположения почв различных видов, частично предугадать некоторые строительные характеристики грунтов и составить рациональный план изыскательских работ для проверки сделанных предположений.
 Примеры классификации грунтов по различным системам
 Пример 1, Образец неорганического грунта имеет следующий гранулометрический состав:
 Процент частиц, проходящих через сита с данными отвер-
 Диаметр в мм стиями
 1 S6
 0,074 ( 200) 71
 0,05 67
 0,005 31
 0,002 19
 52

Предел текучести — 53, число пластичности — 22.
 Определить данный грунт по классификации Бюро почвоведения США, IО[)ожного управления (1945), аэродромно-строительной.
 Решение
 По классификации Бюро почвоведения. Сумма частиц hi цистой фракции — 31, пылеватой фракции 67—3136.
 Согласно диаграмме на рис. 1.14 грунт — глина.
 По классификации Дорожного управления.
 Расчет показателя группы:
 а 71—35 36;
 Ь 55—15 40; с 53—40 13; d 22—10 12.
 I Указатель 0,2 • 360,005 • 36 • 130,01 ■ 40 12 14,3 « 14.
 На основании табл. 1.10 и в соответствии с предельными значениями ис ж'дуемый грунт следует отнести к группе А-7-5 или А-7-6. Но так как
 Р wsw—Iw 53—22 е 31,
 г. е. больше 30, то окончательно принимается А-7-б (14).
 По аэродромно-строительной классификации. Сомасно диаграмме пластичности (рис. 1.15) грунт относится к группе МН.
 Пример 2. Грунт, характеризуемый кривой 6 (рис.1.1), оказался непла»чичным, так что предел пластичности не мог быть определен. Предел текучести равен 49. Требуется классифицировать грунт по трем вышеупомянуM.IM системам и установить процентное содержание песка, глины и пыли соi.iacHO системе классификации МИТ.
 Решение
 По классификации Бюро почвоведения. Частиц глинистой Фракции — 19, пылеватой — 73—19 54.
 Согласно диаграмме (рис. 1.14) грунт является пылеватым суглинком.
 По классификации Дорожного управления. Расчет покаi.i геля группы (94 частиц проходит через сито 200):
 а 40;
 Ъ 40; с 49—40 9;
 2 0.
 I Указатель 0,2- 40 0,005 • 40 • 9 9,8 «10.
 Согласно таблице 1.10 грунт относится к группе А-5 (10).
 По аэродромно-строительной классификации. Соi.iacHo диаграмме 1.15 грунт относится к группе ML.
 По классификации МИТ. По кривой 6 на рис. 1.1 и рис. 1.13 п к ходим, что грунт содержит: мины 13; пыли 84—1371; песка 16.
 53

§ 1.9. ПОРЯДОК РАБОТЫ ПРИ КЛАССИФИКАЦИИ И ОПИСАНИИ МАТЕРИАЛОВ ОСНОВАНИЯ
 Первая стадия работ по составлению надлежащего описания скальной формации или грунтовых напластований включает определение, классификацию и характеристики скальных пород или грунтов, входящих в состав данной формации или напластования. Сведения, необходимые для выполнения этих работ, приведены в предыдущих параграфах настоящей главы и резюмированы ниже. Более подробные данные о физических свойствах материалов приводятся в главе 2. При составлении любого проекта требуется в конечном итоге оценка свойств формации или напластования в целом. Эти свойства могут оказаться совершенно отличными от тех, которые были получены в результате испытаний отдельных образцов, проводившихся с целью классификации и описания. Характеристикам естественных формаций напластований в целом посвящена глава 4.
 В том случае, когда материал основания является скальной породой, то для его классификации и описания необходимо путем исследования соответствующих образцов получить следующие данные: вид породы, основные минералы, текстуру, цвет, структурные признаки (например, слоистость, сланцеватость), степень раздробленности и выветрелости и результаты механических испытаний, как например, испытания на прочность и др. (см. § 2.12).
 Если же материалом основания служит грунт, то в первую очередь необходимо установить, является ли он преимущественно крупнозернистым, мелкозернистым или разнозернистым. В последнем случае пробу грунта делят на две части, обычно при помощи сита 140 американского стандарта (0,10 мм), так что одна часть состоит из крупнозернистых, а другая — из мелкозернистых фракций. Классификацию и описание производят для каждой части в отдельности в том порядке, какой принят для крупно- и мелкозернистых грунтов.
 Затем производят предварительную классификацию образца, отнеся его к одной из основных категорий грунтов (гравий, песок, ил, глина, органический ил, органическая глина, торф), или, что предпочтительнее, к одной из групп, перечисленных в геологической классификации (§ 1.8). После этого определяют индексационные свойства данного грунта.
 Для облегчения этой задачи служит таблица 1.11, в которой для каждого из основных типов грунта дается перечень соответствующих индексационных свойств.
 Примечания к табл. 1.11.
 1. Если нельзя получить 'ненарушенных образцов, то можно производить испытания образцов, отобранных ложкой.
 2. Если запах слабый, слегка подогрейте образец для усиления запаха.
 3. Опишите вид свежего излома ненарушенного образца (зернистый, шероховатый, гладкий, глянцевитый). Затем опишите, каков грунт на ощупь
 Б4

Линимальный объем испытаний при определении грнтов
 я
 о,
 О)
 а а
 h
 С со
 ■S
 0)
 н
 Э
 н
 а.
 О
 Ледников
 глина
 5
 ■Q. X
 с и
 Н со
 ь
 о
 си 5
 ЗС а
 Лесс 15
 Преобраз( ванный л(
 Эдоуби
 Глина
 Гумбо
 i Озерный мергель
 Мергель
 Органический ил
 Органическая глинг
 Торф
 Общие данные полевых исследований
 Цвет
 Запах2
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 Структура и текстура3
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 Дилатенция4
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 Характеристика частиц5
 X
 X
 X
 X
 Пластичность
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 Прочность в сухом СОСТОЯНИИ6
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 Результаты классификационных испы¬
 2
 СО
 «3
 Естественная влажность W
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 таний
 О,
 S
 CJ
 Коэффициент естественной пористости7 е
 X
 X
 X
 X
 X
 3
 X
 X
 и
 Прочность на одноосное сжатие qu
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 .X
 X
 X
 X
 а
 а,
 ей
 X
 (D
 X,
 Чувствительность8 St
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X

Продолжение табл. l.h
 Песок и гравий
 «с
 0J
 н
 3
 н
 Q.
 О
 Ледниковая
 глина
 Туф мелкозернистый
 Неорганический ил
 о
 и
 о
 Преобразованный лесс
 Эдоуби
 Глина
 Гумбо
 Озерный
 мергель
 Мергель
 Органический ил
 Органическая глина
 Торф
 Удельный вес скелета
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 3
 Максимальный коэффициент пористости9 ет3л
 X
 X
 X
 X
 1
 СО
 со
 О
 о
 О
 Минимальный коэффициент пористости9 етт
 X
 X
 X
 X
 и
 S
 х
 Предел текучести Lw
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 Результаты классификационных испытаний
 X
 и
 а
 Он
 со
 X
 Предел пластичности10 Pw Предел усадки Sw
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 и
 3
 X
 Си
 Механический анализ11
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 и
 н
 а
 СО
 Содержние карбонатов12
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 X
 сх
 СО
 X
 Содержание органических веществ1»
 X
 X
 X
 X
 X

После того, как будут определены эти свойства, следует уточнить предварительную классификацию грунта, сопоставив полученные показатели и характеристики с предполагаемыми. Если» они совпадают, предварительную классификацию можно считать правильной; если они расходятся, то истинная категория грунта будет определяться найденными характеристиками. Следует указать, что определение категории грунта по одной из стандартных систем будет наиболее надежным именно на этой стадии исследований.
 При наличии опыта можно сократить объем указанных выше исследований, так как многие индексационные свойства могут быть с достаточным приближением оценены инженером без испытаний на глаз. Для этого он должен развить в себе привычку оценивать эти свойства не в качественных характеристиках, а в цифровых показателях. Однако проведение полного объема
 (мучнистый, жирный, песчанистый, остроугольный). Если образец при сжатии легко растрескивается, опишите вид стенок трещин (шероховатые, гладкие) и укажите среднее расстояние между трещинами.
 4. Произведите пробу на встряхивание. Опишите результаты наблюдения, за интенсивностью выделения воды (заметное, слабое, отсутствует).
 5. Опишите форму (угловатая, малоугловатая, малоокатанная, окатан¬
 ная, хорошо окатанная) и укажите минералогические характеристики макроскопических грунтовых частиц (виды пород и минералов, которые можно рассмотреть в исследуемых частицах через лупу). Опишите обломки скальных пород (сохранившиеся, слегка выветрившиеся или же полностью разрушенные, изердые или хрупкие). Если в песке встречаются листочки слюды, укажите содержание последней (очень немного, умеренно или очень много). В случае наличия торфа в графе «Характеристика частиц» следует указать вид и степень сохранности видимых остатков растений: волокон, веток или-
 листьев.
 6. Раскрошите сухой кусок грунта между пальцами и укажите его твердость (очень низкая, низкая, средняя, высокая, очень высокая).
 7. Если не удалось получить ненарушенных образцов, то ук -ките результаты стандартного или аналогичного ему испытания на пенетрацию.
 8. Относится только к глине и тонкому илу при влажности, превышакхщей предел пластичности.
 9. Образец приготовить согласно описанию в § 1.6.
 10. Кроме численного значения Pw, указать, был ли «шнур» очень тугим,, тугим, средним или слабым.
 И. Результаты представьте в -виде полулогарифмической кривой, или же приведите численные значения Ию и U DqoDo с указанием характера гранулометрической кривой.
 12. Содержание карбоната кальция может быть установлено при капании па сухой материал 10-процентного раствора соляной кислоты. Опишите характер реакции — бурная, слабая, вскипания не отмечалось.
 13. Чтобы обнаружить наличие органических примесей в исследуемом грунте, определите сначала Lw грунта по только что отобранному образцу, ;i затем — по высушенному в печи при температуре 105°. Опишите результаты испытания — высокое или небольшое содержание органических веществ.
 14. К текстурным данным добавьте описание общего вида, структуры истепени связности (сцепления) комков в ненарушенном состоянии и после размачивания в воде.
 15. К текстурным данным добавьте описание макроскопического строения лесса (например, диаметры корневых канальцев и расстояния между ними).
 57

испытаний может быть необходимым даже для опытного специалиста при классификации грунта со сложным комплексом свойств.
 Полное описание грунта должно содержать результаты всех испытаний, перечисленных в табл. 1.11, а также результаты дополнительных лабораторных или полевых опытов, производившихся при изысканиях. Эти данные должны быть, кроме того, дополнены всеми сведениями, которые удалось собрать, о характере напластования и геологических особенностях района строительства (см. гл. 4).
 Глава 2
 ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ И СКАЛЬНЫХ
 ПОРОД
 В предыдущей главе рассматривались лишь те свойства, которые необходимы для определения и классификации грунтов и скальных пород. Однако инженеру необходимо знать количественную характеристику физических свойств грунтов, слагающих основания сооружений. Если при возведении фундамента требуется понижение уровня грунтовых вод, то инженеру необходимы данные о водопроницаемости и дренажных свойствах грунтов оснований. Поскольку все грунты в той или иной мере сжимаемы, то инженер должен располагать сведениями для оценки осадки основания под действием приложенной нагрузки. Эти данные могут быть получены в результате исследования зависимости между напряжениями и деформациями грунта. Наряду с этим должна быть установлена также предельная несущая способность основания. Эти основные свойства грунтов и скальных пород будут рассмотрены в настоящей главе.
 § 2.1. ВОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ ГРУНТА
 Определения и закон Дарси. Наличие пор и трещиноватости в грунтах и скальных породах обусловливает их водопроницаемость. Однако существует большая разница в степени водопроницаемости различных видов грунтов.
 Водопроницаемость плотного скального грунта может быть так мала, что вся профильтровавшаяся вода будет успевать сразу же испаряться и фильтрация может остаться незамеченной. Однако движение воды сквозь такую скалу может обусловить возникновение фильтрационного давления такой же значительной величины, как и у более водопроницаемых материалов при таких же напорах.
 Чтобы разобраться в силах, управляющих течением воды сквозь различные материалы, необходимо сначала познакомиться
 58

терминологией, употребляемой в гидравлике. На рис. 2.1 точки а и Ь являются конечными пунктами пути фильтрации воды через образец грунта. В указанных точках установлены трубки, которые называются пьезометрическими, для возможности наблюдения за положением уровня воды. Уровень воды над точкой Ъ называется пьезометрическим уровнем в •той точке, в вертикальное расстояние от этого уровня до точки Ъ является пьезометрической высотой в этой же точке. Вертикальное расстояние между точками а и Ъ представляет разность положенийШ.
 Рис. 2. 1. Схема, иллюстрирующая понятия о разности напоров, пьезометрической высоте и разности высотных положений
 Если пьезометрический уровень в точке а равен пьезометрическому уровню в точке Ъ, система находится в состоянии покоя и от точки а к точке Ъ не происходит никакого течения. Течение происходит только тогда, когда в точках а и Ъ имеются различные пьезометрические уровни. Эта разность пьезометрических уровней называется разностью напоров. На рисунке две точки а и Ь находятся на одинаковом уровне. При таких условиях чавление в точке а должно превышать давление в точке Ь на пеличину, равную объемному весу воды, помноженному на разность пьезометрических уровней. Эта величина h называется избыточным гидростатическим давлением и обозначается символом и. Это давление и вызывает движение поды через грунт от точки а к точке 6.
 . _ Jl_jl
 lp — I — I
 является градиентом давления между точками а и р.мсстояние между двумя точками), а отношение
 ip h I
 (2.1)
 (-
 (2.2)
 59

называется гидравлическим градиентом между точками а и Ь. Оно выражается отвлеченным числом.
 Течение воды через водопроницаемые материалы определяется эмпирическим соотношением
 v ki9 (2.3)
 впервые установленным Дарси в 1856 г. В этом выражении v есть скорость фильтрации, просачивающейся в единицу времени через единицу площади сечения, расположенного нормально к направлению течения; i — есть гидравлический градиент, а k — коэффициент фильтрации. Значение величины k, имеющей размерность скорости, зависит в первую очередь от водопроницаемости материала, но является в то же время функцией объемного веса и вязкости жидкости. Поскольку вода является единственной жидкостью, с которой приходится иметь дело специалисту по фундаментам, то объемный вес ее можно принимать постоянным. Кроме того, изменения вязкости (учитывая малые колебания температуры грунтовой воды) относительно невелики и также могут не учитываться при решении практических задач. Следовательно, инженер чаще всего с полным основанием может считать коэффициент фильтрации величиной, характеризующей водопроницаемость грунтов и скальных пород.
 Коэффициент фильтрации увеличивается с увеличением размера пор, величина которых в свою очередь возрастает с увеличением размера частиц. Кроме того, форма пор также оказывает заметное влияние на водопроницаемость. Однако никаких простых соотношений между водопроницаемостью и размером частиц не было установлено; лишь для крупнозернистых грунтов, состоящих из приблизительно круглых частиц, было найдено такое соотношение. Например, для рыхлых фильтровых песков Аллен Хазен нашел, что
 k CDI, (2 4)
 где С — равняется приблизительно 100 смсек;
 D10 — выражается в сантиметрах.
 Для крупнозернистых грунтов было найдено, что коэффициент фильтрации изменяется пропорционально квадрату коэффициента пористости. Но для грунтов, содержащих хлопьевидные частицы, подобные простые соотношения установить не удалось.
 Испытания на водопроницаемость. Отсутствие простых и общих зависимостей для теоретического определения коэффициента водопроницаемости часто приводит к необходимости определения его в полевых условиях или в лаборатории. Испытания на водопроницаемость образцов грунта обычно проводятся посредством пермеаметров с падающим или постоянным напором. Пермеаметр с постоянным напором (рис. 2.2,а) дает надежные ре-
 60

:ультаты для высоководопроницаемых грунтов, таких, как чистый песок или гравий. Значение k определится из уравнения
 QL
 к - ш- 2-5
 где Q — количество профильтровавшейся воды;
 L — длина образца по направлению течения жидкости;
 А — площадь поперечного сечения образца; h — гидравлический напор; t— время
 о)
 5)
 В)
 р
 1
 -с:
 I
 Ц
 ш
 т
 .1
 z
 т
 Рис. 2. 2. Схемы пермеаметров для испытания грунтов на водопроницаемость
 а, б — с постоянным напором; в —с падающим напором: — образец испытываемого грунта; 2 — кран; 3 — сетка
 Все эти величины измеряются во время испытания.
 Пермеаметр с падающим напором (рис. 2.2,0) более пригоден для испытания грунтов с низкой водопроницаемостью, так как (то размеры могут быть подобраны так, чтобы можно было проводить измерения напора и времени с большой точностью для широкого диапазона значений коэффициента фильтрации. Значение величины k может быть вычислено из величин, измеренных во время испытания при помощи уравнения
 k 2’3 77 Т • 2-6
 At hi
 где а — площадь поперечного сечения вертикальной напорной трубки;
 L — длина образца;
 А — площадь поперечного сечения образца; t — время;
 61

h0 и h — соответственно начальный и конечный гидравлические напоры.
 Результаты испытаний на водопроницаемость несвязных, грунтов бывают часто неточными из-за практической невозможности получения характерных для данного отложения образцов грунтов и помещения их в пермеаметр без нарушения структуры. Трудность состоит не только в получении ненарушенных образцов, но и в том, чтобы добыть характерные образцы, так как большинство зернистых отложений имеют резко неоднородное строение.
 При проведении испытаний на водопроницаемость возможны различные ошибки. Одна из наиболее крупных ошибок происходит вследствие того, что на.поверхности образца возникает пленка из мелкого материала. Так, например, выделение илистых частиц в песке может быть вызвано небрежным помещением образца в пермеаметр или вымывом мелких частиц во время проведения испытания. Выделившийся слой мелкого материала сильно уменьшает измеряемую водопроницаемость. Рис. 2.2,6 показывает тип аппарата с постоянным напором, который может использоваться для устранения влияния поверхностной пленки. В этом аппарате потеря напора измеряется на среднем участке образца и падение напора в фильтрующей пленке не оказывает влияния на получаемые результаты.
 При проведении испытаний на водопроницаемость техник должен тщательно следить за тем, чтобы образец был полностью водонасыщен и чтобы во время испытания из воды не выделялось воздушных пузырьков. Воздушные пузырьки закупоривают поры и понижают водопроницаемость. В лучшем случае лабораторные испытания на водопроницаемость могут служить лишь основой для приближенной оценки водопроницаемости грунтов. По этой причине расчет водопроницаемости крупнозернистых отложений, исходя из размеров частиц грунта, может часто оказаться столь же полезным, как и лабораторные испытания.
 Водопроницаемость образцов глины лучше всего может быть определена косвенным путем по данным, полученным при проведении испытаний на уплотнение. Основные расчеты будут рассмотрены более подробно в § 2.7.
 Водопроницаемость слоистых отложений. Многие отложения состоят из слоев или линз грунтов, которые отличаются друг от друга размерами частиц и водопроницаемостью. Средние коэффициенты фильтрации таких отложений по горизонтальному и вертикальному направлениям резко различны. В горизонтальном направлении средняя интенсивность фильтрации может быть поти такой же, как в наиболее водопроницаемых слоях или линзах, тогда как в вертикальном направлении средняя интенсивность фильтрации может быть такой же малой, как в слоях или линзах наименее водопроницаемых. Отношение сред-
 62

lino коэффициента фильтрации (водопроницаемости) в горизонильном направлении к среднему коэффициенту фильтрации в нгртикальном направлении колеблется для большинства природных отложений от 2—3 до нескольких сотен.
 Полевые испытания путем опытной откачки. Наиболее надежные данные о водопроницаемости крупнозернистых отложений, находящихся ниже уровня грунтовых вод, можно получить пунм откачки воды из грунта при помощи скважин. Хотя такие игпытания больше всего применяются в плотиностроении, они могут оказаться также пригодными при строительстве фундамента для больших мостов и зданий, если нужно понизить уровень
 Рис. 2. 3. Схема опытной откачки из скважины при полевом определении водопроницаемости грунта
 Ч'унтовых вод. При испытаниях откачка производится из одной центральной скважины, а положение уровня грунтовых вод наблюдается в нескольких контрольных скважинах. Контрольные • к нажины располагаются на различных расстояниях от центральной скважины точно по двум прямым линиям, одна из которых р,положена приблизительно в направлении движения грунтои,1 вод, а другая под прямым углом к нему. Коэффициент Фильтрации определяется по уравнению
 k 9 ., ig —, (2.7
 2tt(z2—hi) т i
 ir q равно количеству воды, откачиваемой из скважины в единицу времени (другие величины, входящие в это уравнение, покшаны на рис. 2.3).
 Приближенные значения коэффициента фильтрации для разN hi пых типов грунта и рекомендуемые методы определения их приведены в табл. 2.1.
 Как видно из таблицы, для грунтов, которые содержат значительное количество пыли или очень мелкого песка, трудно получить надежные значения коэффициента фильтрации. Для опреявления водопроницаемости таких материалов нет никаких кос-
 63

Oi
 Коэффициент водопроницаемости различных грунтов
 (по А. Казагранде и Фэйдуму)
 Таблица 2.1
 k
 в
 смсек
 Дренажные
 свойства
 Тип грунта
 Определение величин k
 ю2
 ю1
 Хорошие
 Чистый гравий То же
 Опытная откачка из скважин. При правильном прове¬
 Испытание при помощи пермеаметра с постоянным напором дает надежные результаты
 S
 О
 Cl.
 О
 С
 «3
 X
 3
 Расчет по гранулометрическому составу
 1.0
 ю-1
 Чистый песок Смесь чистого песка
 дении дает надежные результаты
 • S
 X
 3
 5
 «3
 а
 «3
 X
 10-2
 и гравия
 «(
 «3
 и
 ю-3
 о
 О-
 ю-4
 я
 CL)
 2
 кГ5
 Плохие
 Очень мелкий песок
 V S Си
 3
 X
 Я
 10-6
 Органические и неорганические илы, смеси илистого песка и глины, ледниковая глина, отложения слоистой глины
 а
 S
 d
 о
 S
 О
 И
 8
 «3
 X а)
 ГС
 S
 10-7
 ю“8
 ю-9
 Практически непроницаемые грунты
 Водонепроницаемые грунты, как например, однородные глины ниже зоны выветривания
 и
 с
 а
 X
 X
 сэ
 н
 2
 И
 и
 S
 Довольно
 надежны
 Расчет по данным испытания на консолидацию

венных методов, а лабораторные испытания могут оказаться чрезвычайно ненадежными, если они выполняются недостаточно тщательно.
 Задачи
 1. Рыхлый однородный песок с окатанными зернами имеет эффективный диаметр частицею, равный 0,3 мм. Требуется определить коэффициент фильтрации.
 Решение. Вычисление может быть произведено по уравнению 2.4. Таким образом,
 k CDn 100(0,03)2 9 • 10“а смсек.
 2. Водопроницаемость образца длиной 8 см определялась в пермеаметре с внутренним диаметром 5 см при постоянном напоре 0,5 м. За 30 сек. профильтровано 120 см3. Требуется определить значение k.
 Решение. Согласно уравнению 2.5,
 QL 120.8 9
 k —— 3,3' 10смсек.
 hAt 52
 50л ——30 4
 3. Испытание на водопроницаемость было проведено в пермеаметре с падающим напором. Внутренний диамегр пермеаметра 5 см. Внутренний диаметр напорной трубки 2 мм. Длина образца 8 см. В течение 6 мин. напор, действующий на образец, уменьшился от 1 до 0,5 м. Определить значение k.
 Решение. Согласно уравнению 2.6,
 0 aL h0 n 0,22.8 , 100
 ft 2,3 — lg — 2,3 ■ - lg —
 At hx 526.60 50
 8,2.10“5 lg 2 2,5 10“5 смсек.
 § 2.2. ВОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ СКАЛЬНЫХ ПОРОД
 Водопроницаемость сплошных участков скалы представляем почти исключительно академический интерес при проектировании и строительстве фундаментов зданий и мостов, так как почти каждый скальный массив отличается трещиноватостью, а в ряде случаев и закарстованностью. Кроме того, весьма вероятно,
 Таблица 2.2
 Водопроницаемость нетрещиноватого скального грунта
 Вид скального грунта
 Пределы значений коэффициента фильтрации k в смсек
 Гранит
 От 7,1-Ю 11 до
 2,5-10 16
 Сланец
 9,7-Ю-11
 Мрамор
 8-10-10
 2,5-10-8
 Известняк
 8,4. Ю-10
 1,3-ю-6
 Песчаник
 . 1,95-107 .
 3,7-10—6
 Мяк. 1274
 65

что приводимые в литературе величины коэффициентов фильтрации слишком занижены из-за образования сравнительно непроницаемых оболочек на поверхности скального образца при обтесывании для придания ему формы, необходимой для лабораторного испытания. Несмотря на это, значения, приведенные в табл. 2.2, показывают, что проницаемость скального грунта сопоставима с проницаемостью мелкозернистых грунтов и что даже твердый гранит не может рассматриваться как абсолютно непроницаемый,
 § 2.3. МЕЖЧАСТИЧНОЕ И ПОРОВОЕ ДАВЛЕНИЕ
 Основные определения. Напряжения, которые действуют внутри водонасыщенной -массы грунта или скалы, могут быть подразделены на два вида:
 1) передающиеся непосредственно от частицы скелета к частице;
 2) действующие внутри жидкости, заполняющей поры.
 Первые называются межчастичным давлением
 или эффективными напряжениями, а вторые поровым давлением или нейтральными напряжениями. Это подразделение существенно важно для проектирования оснований, потому что только межчастичное давление можег вызвать изменение объема массы грунта и только это давление может обусловить возникновение внутреннего трения в грунтах или скале.
 Различие между межчастичным и поровым давлениями иллюстрируется рис. 2,4, на котором показан сосуд, частично заполненный зернистым материалом и целиком заполненный водой. Ко дну сосуда прикреплена гибкая трубка, соединенная с резервуаром. На рис. 2.4, а уровень воды в резервуаре находится на той же отметке, что и в сосуде. Вертикальное давление р на плоскость ab на глубине (Н z) от верхнего края сосуда равно
 Р Hllw sat, (2.8)
 где fa, — удельный вес воды;
 Isat — объемный вес насыщенного грунта.
 Поскольку р зависит от веса всего вышележащего грунта и воды, то его называют п о л н ы_м давлением, представляющим сумму межчастичного давления р и порового давления uw.
 Таким образом
 PPuw (2-9)
 Вода выше сечения ab заполняет поры до уровня z и стоит над грунтом в виде сплошного слоя до высоты Яь Отсюда, согласно законам гидравлики, поровое давление uw в сечении ab должно быть
 и. (Нх Z) Тв. (2.10)
 66

Межчастичное давление р тогда будет:
 р p — uw Htfw zisai — (Ях z)
 или
 P (70 То»)
 1
 Т
 ,Т -
 м-
 Ль
 KJ
 (2.11)
 Рис. 2. 4. Схема, иллюстрирующая понятия о межчастичном и поровом давлениях
 Величина ( Ti0, — Та,) — объемный вес взвешенного грунта, обозначается т'. Поэтому для условий, приведенных на рис. 2.4,а,
 pzf. (2.12)
 Таким образом межчастичное давление не зависит от высо1Ы слоя воды ь находящегося над затопленным грунтом или скалой.
 67

При условиях, показанных на рис. 2.4, а, не происходит никакого течения воды через поры. На эпюре давления с правой стороны рисунка незаштрихованная площадь показывает распределение порового давления с изменением глубины, а заштрихованная — распределение межчастичного давления. Если уровень воды в резервуаре отличается от уровня воды в сосуде, то вода начинает течь и создаются условия, подобные тем, которые показаны на рис. 2.4,6 и 2.4 в. В этом случае уравнение (2.10) оказывается не действительным, и уравнения (2.11) и (2.12) не применимыми.
 Фильтрационное давление и критический гидравлический градиент. Если поверхность свободной -воды поддерживается на уровне верхнего края сосуда, а резервуар опускается, то вскоре устанавливается состояние' постоянного течения в соответствии с условиями, показанными на рис. 2.4,6. Поскольку резервуар и гибкая трубка представляют собой пьезометр, то поровое давление на дне сосуда может быть выражено как
 В этом выражении поровое давление уменьшается по сравнению с соответствующим на рис. 2.4, а на величину Лw Можно заметить, что это уменьшение не может быть вызвано влиянием скорости текущей воды, потому что скоростной напор v2J2g незначителен при обычных скоростях грунтовых вод. Но полное давление на дно сосуда определяется только весом грунта и воды, находящейся над ним. Соответственно, межчастичное давление должно быть увеличено на hw по сравнению с указанным на рис. 2.4, а. В плоскости ab соответствующее увеличение межчас-
 тнчного давления равно hw. Это увеличение межчастичного
 н
 давления, вызванное движением воды через поры, называется фильтрационным давлением. Оно является результатом трения воды о частицы г.рунта.
 Можно заметить, что потеря напора между поверхностью зернистого материала и глубиной z равна hzH. Соответствующий гидравлический градиент i будет тогда равен ЫН. Таким образом, фильтрационное давление может быть выражено как izw а межчастичное давление на глубине z как
 Если резервуар поднимается выше сосуда, так что вода течет из резервуара через грунт снизу вверх (рис. 2.4,0), то поровое давление на дне сосуда увеличивается на величину, равную hw Тогда межчастичное давление на плоскости ab снижается до
 uw (H1 H — h) fa,.
 (2.13)
 р zf izyw.
 (2.14)
 p zt' — izyw.
 (2.15)
 68

При увеличении направленного вверх гидравлического градиента, фильтрационное давление может увеличиться до величины, равной 27', после чего межчастичное давление р будет равно нулю. Это происходит, когда
 т' — Ww 0 и Z- (2-16) 2-17)
 lw
 Гидравлический градиент, при котором межчастичное давление становится равным нулю, называется критическим гидравлическим градиентом ic. В этом случае несвязный грунт не может нести никакой нагрузки на своей поверхности. Следует указать, что по мере того, как гидравлический градиент приближается к своему критическому значению, грунт становится более рыхлым и коэффициент фильтрации k увеличивается. Следовательно, если в несвязном грунте, расположенном ниже уровня грунтовых вод, производится выемка до глубины, на которой межчастичное давление уменьшается до нуля, то наблюдается заметное перемещение частиц грунта. Это явление называется бурлением грунта или переходом его в плывунное состояние. Большинство плывунных отложений является результатом этих особых гидравлических условий.
 Задачи
 1. Определить вертикальное межчастичное давление на глубине 9 м в отложении, представленном на рис. 2.5.
 Рис. 2. 5. Расчетная схема к примеру 1
 1— мокрый песок, 7 1,76 т мя 2 — насыщенный песок, 7 1,94 m jk3; 3 — насыщенная глина, 7 1,82 тмя
 Рис. 2. 6. Расчетная схема к примеру 2
 — насыщенный песок, 7 2,16 тмя, 7 1,86 тм3;
 2 — глина, 7 1,92 т мя
 Решение. Для полностью погруженного в воду грунта по уравнению 2.12 можно написать:
 3-1,76 5,3 тм2
 3.(1,94-1)2,8 .
 3. (1,82—1)2,5 . р10,6 тм2,06 кгсм
 9

На основании уравнения (2.9) мы можем написать:
 73.1,763-1,943-1,8216,6 тм2
 UW — §' 1 • • • • • • 6 п
 р0,1 тм2 1,06 кгсм2
 2. В отложении, показанном на рис- 2.6, уровень грунтовых вод находился сначала у поверхности земли. Затем он был понижен посредством дренажа на глубину 6 м, после чего степень водонасыщения песка,,находящегося над пониженным уровнем грунтовых вод уменьшилась на 20. Определить вертикальное межчастичное давление посередине глинистого пласта до и после понижения горизонта грунтовых вод.
 Решение. До понижения горизонта грунтовых вод, эффективное напряжение равно
 15(2,16—1) г 17,4 тм2
 3,8(1,92—1) 3,5 . р20,9 тм2 2,09 кгсм2
 После понижения уровня грунтовых вод вес влажного песка в верхних 6 м изменился:
 1,860,2(2,16—1,86) 1,92 тм3
 Поэтому эффективное напряжение на глубине 6 м становится
 6.1,9211,5 тм2 9 (2,16—1) 10,5 .
 3,8.(1,92-1) 3,6 .
 р24,6 тм22,46 кгсм2
 Таким образом, понижение уровня грунтовых вод увеличивает межчастичное давление в пласте глины.
 § 2.4. ВЛАЖНОСТЬ ГРУНТА, ДРЕНАЖ И ЯВЛЕНИЯ ПРИ ЗАМЕРЗАНИИ
 Капиллярные явления. Установившийся уровень воды в на блюдательной скважине, совпадающий с уровнем воды в грунте, называется горизонтом или зеркалом грунтовых вод. Это определение правильно независимо от коэффициента фильтрации грунта, хотя определение уровня грунтовых вод в очень мелкозернистых грунтах при помощи наблюдательных скважин может быть произведено только с использованием специального оборудования. В противном случае это определение окажется очень неточным.
 Ниже уровня грунтовых вод большинство грунтов полностью или почти полностью водонасыщены. Выше уровня грунтовых вод степень водонасыщенности грунтов зависит от климатических условий, гранулометрического состава грунта и расстояния до уровня грунтовых вод. Крупнозернистые грунты бывают лишь частично насыщенными даже на отметках, близких к уровню грунтовых вод, тогда как мелкозернистые грунты могут быть водонасыщенными на значительном расстоянии от указанного уровня. В последнем случае поверхность свободной воды может быть определена исходя из того условия, что на этом уровне давление воды в порах равняется атмосферному, т. е. uw0.
 70

Если бы сила тяжести была единственной силой, действующей на грунтовую воду, то грунт выше уровня грунтовых вод был бы всегда совершенно сухим, за исключением тех периодов, когда через него фильтруют выпавшие осадки. Однако на границе раздела воздуха и воды в .последней, благодаря притяжению между молекулами, возникают силы поверхностного натяжения. Поверхностное натяжение в сочетании с силами притяжения, возникающими между водой и большинством твердых веществ, создает силы, противодействующие силе тяжести и стремящиеся поднять или удержать влагу выше уровня воды. Эти силы называются капиллярными.
 Явления капиллярного поднятия можно показать, погружая нижний конец стеклянной трубки малого диаметра в сосуд, содержащий воду. При этом вода поднимается в трубке на некоторую высоту, обусловливаемую диаметром трубки и состоянием (чистотой) внутренней поверхности. Эта высота называется высотой капиллярного поднятия hc. Она может быть определена из выражения.
 hc 2 --cosa, [(2.18)
 Hw
 где Ts — поверхностное натяжение в гсм;
 г — радиус трубки в см
 а— угол контакта между поверхностью воды и стенкой трубки.
 Выше уровня свободной воды давление в воде отрицательно по отношению к атмосферному давлению. Таким образом на высоте z выше уровня воды
 tiw — ZTw (2-19)
 Условия для капиллярного поднятия воды в массе грунта не полностью аналогичны условиям, возникающим в стеклянной трубке, потому что поры грунта имеют различные диаметры. Однако существует определенная зависимость между средним диаметром пор и средним размером частиц грунта, что позволяет приближенно рассчитать высоту капиллярного поднятия. Максимальная высота hc (в см), до которой вода может капиллярно подняться, грубо приближенно может быть найдена по формуле
 (2-20)
 ей 1о
 где е — коэффициент пористости;
 Dio — эффективный диаметр частиц, по Хазену, в см;
 С — эмпирическая величина, зависящая от формы зерен и чистоты поверхности. Вообще С может изменяться в пределах от 0,1 до 0,5 см2.
 Высота капиллярного поднятия бывает больше всего в мелкоiepHHCTbix грунтах, но скорость поднятия в этих грунтах относи¬
 71

тельно мала из-за их малой проницаемости. Таким образом, капиллярное поднятие является максимальным для грунтов со средним размером частиц, таких как илы и очень мелкие пески. На рис. 2.7 приведена зависимость между размерами частиц однородного кварцевого мелкого песка (порошка) и высотой капиллярного поднятия, установившейся через 24 часа.
 Капиллярное поднятие воды до максимальной высоты hc происходит только в мелких порах грунта. Несколько крупных пор могут полностью прервать капиллярное поднятие в некоторых частях массы грунта. Следовательно, высота hcc (рис. 2.8), до
 OJ 0fl1 Размер зерен 6 мм (логарифмическая шкпла)
 Рис. 2. 7. Зависимость между размером частиц однородного кварцевого порошка и высотой капиллярного поднятия за 24 часа (по Аттербергу)
 Сухой
 Зона частичного ндсьщения
 Насыщенный
 ■
 t
 £
 Сз
 е
 —
 Рис. 2. 8. Капиллярное поднятие воды в сухом песке
 которой грунт полностью водонасыщен вследствие капиллярно,го поднятия, будет вероятно значительно меньше, чем hc. Однако напряжение в воде повсюду определяется уравнением (2.19).
 Некоторое количество воды, которое просачивается в грунт с поверхности, не достигает уровня свободной воды, а удерживается благодаря поверхностному натяжению или в более мелких порах, или же в виде пленок, обволакивающих частицы грунта. Процессы испарения и конденсации также способствуют дополнительному увлажнению грунта выше уровня “грунтовых вод. Этот вид влаги носит название контактной.
 Поверхностное натяжение пленок воды обусловливает притяжение частиц грунта друг к другу и создает кажущееся сцепление песков и илов. Сцепление называется кажущимся потому, что погружение грунта в воду вызывает разрушение водных пленок и устраняет взаимное притяжение частиц.
 Гравитационное дренирование. Водопонижение обеспечивает возможность успешного производства строительных работ в обводненных грунтах и одновременно увеличивает устойчивость этих грунтов. В крупнозернистых грунтах возможен отвод воды посредством канав или галерей или же путем откачки насосами из зумпфов и колодцев. Так как в данном случае движение воды к дренирующим устройствам вызывается силой тяжести, то дре¬
 72

нирование называется гравитационным. Движение воды в. котлован сопровождается возникновением фильтрационного давления, могущего вызвать вымыв наиболее мелких фракций грунтов. Это может привести к осадке грунта или к образованию в нем пустот и, кроме того, способствовать засорению водоотводящих устройств.
 Наиболее эффективным способом предотвращения засорения дренажей в данном случае можно считать покрытие примыкающей к дренажу поверхности грунта обратным фильтром
 wo
 «а 65
 I
 Sip1
 1
 I
 I °,o
 Jks
 Ж
 VA
 Wes ( Wjs
 5 Z 1 0,5 0,Z 0,1 0,05
 Размер частиц в мм (логарифм, шкапа)
 Рис. 2 9. Диаграмма, иллюстрирующая формулу.подбора гранулометрического состава обратных фильтров
 1 — область гранулометрических кривых защищаемого материала; 2 — область гранулометрических кривых материала фильтра
 препятствующим вымыву мелких фракций грунта. Подбор гранулометрического состава обратного фильтра производится по кривым, показанным на рис. 2.9. Опытным путем установлено, что диаметр частиц материала обратного фильтра, соответствующий 15 содержания частиц по гранулометрической кривой 015, должен быть по крайней мере в 4 раза больше, чем £15, соприкасающегося с фильтром грунта, но не больше чем в 4 раза превосходить D85 смежного слоя грунта. Это может быть выражено посредством следующего неравенства
 Р15 (фильтра) 4 £1Г, (фильтра) (2 21
 D85 (защищаемого грунта) )15(защищаемого грунта)
 Следует учесть, что хотя фильтр, отвечающий этим требованиям, будет предотвращать вымывание мелких материалов из защищаемого грунта, но он сам может оказаться подверженным мыносу из него самых мелких фракций. Тогда должен быть устроен многослойный фильтр, крупность частиц которого будет иозрастать по мере приближения к дрене. При наличии нескольких фильтров, каждый из них должен удовлетворять вышеуказанным гранулометрическим требованиям в соответствии с крупностью частиц слоя материала, смежного с ним.
 Однако не вся вода может быть удалена .из грунта при его осушении. Количество оставшейся воды характеризует водо¬
 7

Очень мелкий пылеватый I песок
 удерживающую способность грунта. Хотя для определения водоудерживающей способности грунта было разработано несколько типов лабораторных испытаний, однако между этими испытаниями и водоудерживающей способностью грунта в полевых условиях нет близкого соответствия. Количество воды, которое остается в порах грунта, не оказывает значительного влияния на скорость водопонижения. Следует указать, что для чистых песков и гравийных грунтов требуется несколько часов
 или дней, чтобы понизить уровень грунтовых вод на несколько десятков сантиметров, в то время как для илистых грунтов может потребоваться несколько недель.
 По мере того, как вода вытекает и'з крупнозернистого грунта, часть объема пор заполняется воздухом. Этот процесс называют дренированием с поглощением воздуха. В мелкозернистых грунтах объем пор непрерывно уменьшается, и пока не будет достигнут предел усадки грунта, заполнения пор воздухом практически не происходит. Этот процесс называют дренированием с консолидацией.
 Дренирование за счет испаререния. В природе дренирование может осуществляться посредством испарения влаги с поверхности грунта. По мере испарения воды твердые частицы грунта все ближе и ближе примыкают друг к другу благодаря поверхностному натяжению воды. При достижении предела усадки прочность грунта становится уже достаточно большой для того, чтобы противостоять силам поверхностного натяжения без дальнейшего уплотнения. Если происходит последующее высушивание грунта. то начинается поглощение воздуха. При этом содержание влаги не уменьшается до нуля, а- достигает величины, равновесной с относительной влажностью воздуха, находящегося в грунте. Следует указать, что глинистые грунты могут удерживать до 7 влаги даже в воздушно-сухом состоянии.
 Процесс высушивания увеличивает прочность мелкозернистых грунтов потому, что увеличивающееся натяжение воды стягивает коллоидальные частицы очень близко друг к другу. Соотношение между содержанием воды и прочностью на одноосное сжатие показано на рис. 2.10. Глинистые грунты, которые высушивались в полевых условиях, а затем водонасыщались, обычно сохраняли большую часть прочности, полученной в результате
 Весовая влатность. w
 Рис. 2. 10. Влияние высушивания грунта на прочность его при одноосном сжатии
 74

высушивания. Слои такой глины встречаются довольно часто и могут служить подходящим основанием для легких конструкций.
 Когда образец, высушенный на воздухе или в сушильном шкафу, помещается в воду, грунт размокает. При этом силы поверхностного натяжения втягивают воду в лоры и сжимают поздух, попавший внутрь. Величина этого давления может стать настолько высокой, что соответствующие растягивающие напряжения в скелете грунта превысят его сопротивление расширению и он распадается.
 Промерзание. Если температура на поверхности грунта опускается ниже точки замерзания, влага мигрирующая из нижних лоев, может скапливаться и замерзать под верхней коркой льда. 1'сли характер грунтового профиля таков, что вода не может подниматься капиллярно от уровня грунтовых вод, то в тех местах, гкуда перемещается влага, происходит консолидация грунта. Исли, что является более обычным, влага может перемещаться и грунте от уровня грунтовых вод, то устанавливается непрерывный процесс подтягивания влаги к поверхности грунта. Этот процесс происходит благодаря явлениям капиллярного поднятия, юпарения и конденсации влаги до тех пор, пока не образуются линзы льда в поверхностной зоне грунта1. Это явление преобла1ает в очень мелких песках и илах, потому что в этих грунтах благодаря капиллярности перемещается относительно небольшое количество воды в кратчайшие промежутки времени. В северной части Соединенных Штатов в таких грунтах довольно часто бразуются ледяные линзы толщиной от 15 до 45 см в течение )дной зимы. Промерзание вызывает значительные повреждения юкрытий шоссейных дорог, так как оттаивание линз льда софовождается разжижением грунта и резким уменьшением его несущей способности. Большинство дорожных Управлений в сек'рных штатах требует удаления из земляного полотна на средмою глубину промерзания всех грунтов, которые дают избыточное льдовыделение при замерзании. Вынутый грунт заменяется кчжом или гравием, не дающими льдовыделения при промерзании, или грунтами, в которых имеется меньше 3 частиц мель'о 0,02 мм.
 § 2.5. ДЕФОРМАТИВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРУНТОВ
 Осадка конструкции определяется деформативными свойгвами грунта основания. В ряде случаев эти свойства предопрек'ляют те затруднения, которые могут возникнуть во время гроительства при разработке грунтов.
 Одним из наиболее изученных строительных материалов •шляется сталь. В пределах обычных эксплуатационных напря¬
 1 Это явление в отечественной литературе получило название избыточного
 и.ювьгделения. (Ред.).
 75

жений, зависимость деформаций от напряжений для стали является практически линейной, и в этих пределах сталь является упругой. Ее свойства при простом сжатии или растяжении полностью определяются двумя постоянными величинами: модулем упругости
 Е 2-106 кгсм2
 и коэффициентом Пуассона
 где р — интенсивность напряжения в данном направлении; е —деформация но направлению действия р eL —деформация под прямым углом к направлению р
 Образец упругого материала под действием вертикального давления р подвергается уменьшению объема, равному отношению р( 1—2jx) к £ на единицу объема. Отсюда, если ц0,5, то никакого изменения объема не происходит; образец просто укорачивается по вертикальному направлению и расширяется в боковых направлениях. С другой стороны, если А0, то вертикальное укорочение не сопровождается расширением в боковых направлениях. Для стали [0,3. Это указывает на то, что под давлением происходит как расширение образца в боковых направлениях, так и изменение его объема.
 Зависимость деформаций от напряжений для грунтов и скальных пород более сложна, чем для таких упругих материалов как сталь. Одно из наиболее важных различий состоит в том, что зависимость деформаций от напряжений для грунтов обычно не является линейной, и следовательно, величины Е и р- для них не имеют определенного значения. Более того, эти величины зависят от бокового давления рс. Поскольку в натуре грунты подвергаются воздействию боковых давлений, вызываемых весом вышележащего грунта и другими нагрузками, то часто бывает необходимо учитывать эту зависимость.
 Деформативные характеристики связных грунтов могут быть исследованы посредством испытаний на сжатие в условиях одноосного напряженного состояния или посредством испытаний ка трехосное сжатие. При первом отсутствует боковое давление на образец; при втором — образец подвергается постоянному боковому давлению, в то время как вертикальное давление увеличивается.
 Грунты, не обладающие связностью, не могут испытываться без бокового сжатия потому, что в противном случае они рассыпаются даже под действием своего собственного веса. Поэтому для исследований зависимости деформаций от напряжений в песчаных образцах требуется проведение испытаний на трехосное сжатие.
 76

§ 2 6. ДЕФОРМАТИВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕСЧАНЫХ ГРУНТОВ
 •'.и.
 Как видно из рисунка, пи одна из этих кривых даже приблизительно не является прямой линией, проходящей через начало координат. Отсюда следует, что к1кой термин, как модуль упругости, не имеет смысла
 Деформация в
 I'i с. 2. 11. Типичные кривые заmi симости деформаций песка от п.шряжений при постоянном боковом давлении
 Рис. 2. 12. Зависимость между начальным касательным модулем и боковым давлением для песков
 При данном боковом давлении рс деформативные характеристики сухого песка зависят в первую очередь от его относительной плотности и, в гораздо меньшей степени, от формы и размера зерен. Типичные кривые зависимости деформаций от напряжений показаны на рис.
 уля таких грунтов. Отношение напряжения к деформации для очень низких напряжений может быть представлено грубо в виде касательно» к кривой зависимости деформаций от напряжений '1.1 ее начальном участке. Наклон этой касательной (напряжение на единицу деформации) называется начальным модуI см Е. Значение Et для плотного песка в несколько раз больше', чем для рьгхлото. Поэтому осадка конструкции, передающей игбольшое давление на плотный .песок, будет много меньше, чем осадка подобной же конструкции на рыхлом песке.
 Значение Е t как для рыхлого, так и для плотного песка заметно увеличивается с увеличением бокового давления. Это покидано на рис. 2.12, который представляет результаты испытаний ил трехосное сжатие образцов типичного песка в рыхлом и в плотном состояниях. Для рыхлых песков Et увеличивается прямо пропорционально рс. Для плотных песков Е г быстро увели
 7

чивается с увеличением рс, пока рс мало. Для больших боковых давлений скорость увеличения Е t снижается почти до таких же значений, как и у рыхлых песков.
 Величина является постоянной, а изменяется во
 время испытания. Объем образца рыхлого песка уменьшается при испытании, тогда как объем образца плотного песка сначала уменьшается, а затем увеличивается по мере приближения к
 стадии разрушения.
 Насыщение водой не изменяет заметно зависимость, описанную выше, если содержание воды в песке может свободно изменяться. Это обычно имеет место в полевых условиях при значительной водопроницаемости большинства песков. Однако в очень мелкозернистых или илистых песках содержание воды может оставаться почти постоянным при быстром изменении напряжений. В этих условиях значения Ех для рыхлых водонасыщенных песков обычно бывают меньше, а для плотных больше, чем для сухих песков с такой же относительной плотностью.
 Повторное приложение и снятие вертикального напряжения на образец песка при трехосном сжатии дает кривую зависимости деформации от напряжения, подобную той, которая показана на рис. 2.13. После каждого приложения нагрузки происходит увеличение общей деформации, но это увеличение становится постепенно все меньше.
 § 2.7. ДЕФОРМАТИВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ
 Испытание в условиях одноосного напряженного состояния.
 Простейшим способом исследования зависимости деформаций от напряжений является испытание на сжатие в условиях одноосного напряженного состояния (см. § 1.7) Кривые зависимости для четырех видов связных грунтов показаны на рис. 2.14. Кривые а и б являются примером обычных типов грунта; кривые же виг представляют довольно необычные грунты.
 Пунктирные линии на рис. 2.14 показывают результаты испытаний над полностью нарушенными образцами грунтов с естественной влажностью. Значения Еь для нарушенных образцов значительно меньше, чем для образцов с ненарушенной структурой. Величины чувствительности St в соответствии с определением, данным в § 1.7, также указаны на'графиках.
 Можно заметить, что зависимость деформаций от напряжений для глинистых грунтов с низкой чувствительностью
 Рис. 2. 13. Зависимость между напряжениями и деформациями песка при повторных загружениях в приборе трехосного сжатия
 78

(рис. 2.14, а и б) представляет кривую линию, тогда как графики для глинистых грунтов с высокой чувствительностью (рис. 2.14, виг) представляют собой прямые линии почти до точки разрушения. Эти последние грунты при ненарушенной
 0,5
 5 0,5
 I
 5 Ofi
 ЛЗ
 о)
 Lw- 45 ш гг,1 Рш Щ
 I
 —
 1
 г
 г S с - 1М5-1 о
 1,2Г ’
 1
 10 15 ZO
 0,2
 0.1
 в)
 Г
 L iv
 UJ
 310
 390
 т
 1
 1
 Г
 L
 _ .
 'т 0,5
 0Л
 0,3
 0,2
 0,1
 6)
 Lw 19,2 Ш 24,0 Р„16,5
 еь
 1 .. А
 1
 II S
 1 У
 С -Ч3б_г,
 г 0,78
 10 15 ZO
 04
 0,3
 0,2
 0,1
 10
 г)
 Lw 33 w WV Ры--'- 55
 1
 41
 чь ч J
 L
 sforW “I 15 ZO Деформация 6
 Рис. 2. 14. Кривые зависимости деформаций от напряжения при одноосном сжатии ненарушенных (сплошные линии) и нарушенных (пунктирные) образцов четырех глин
 а — жесткая нечувствительная глина; б — мягкая нечувствительная ледниковая глина; в —мягкая чувствительная озерная глина вулканического происхождения; г — мягкая чувствительная органическая пылеватая глина
 структуре ведут себя аналогично хрупким упругим материалам,, мосле нарушения структуры их поведение аналогично поведению вязких жидкостей.
 Хотя самая жесткая из глии, представленных на рис. 2.14, имеет значение Eit равное50 кгсм2, это значение сравнительно мало по сравнению с Е 2 106 кгсм2 для стали и примерно 2 • 105 кгсм2 для бетона.
 79

Влияние бокового давления. Если образец глины подвергается всестороннему давлению рс и затем дополнительному вертикальному давлению р, то соответствующая диаграмма зависимости деформаций от напряжений аналогична диаграмме для образца такого же грунта в условиях одноосного напряженного состояния, за исключением того, что Еь и разрушающая нагрузка являются большими по величине. Если всестороннее давление по меньшей мере равно боковому давлению, действовавшему на образец перед тем, как он был вынут из грунта, то значение Е приближенно устанавливается из уравнения
 Et Сре. (2.22)
 Если допустить изменение влажности глинистого грунта так, чтобы она соответствовала давлению рс, а затем провести испытание без дальнейшего изменения влажности, то значение С колеблется приблизительно от 10 для глин высокой пластичности до 100 для глин низкой пластичности. Если испытание проводится настолько медленно, что допускает дальнейшее свободное изменение влажности, значение С будет гораздо меньше.
 Сжатие без возможности бокового расширения. Во многих случаях осадка конструкции вызывается наличием одного или нескольких слоев мягкой глины, расположенных между слоями песка или более жесткой глины. Сцепление по граничным поверхностям между мягкими и жесткими слоями почти совершенно предотвращает возможность выжимания в стороны мягкой глины. В лаборатории подобные условия воспроизводятся очень точно во время испытания образца на сжатие при полном устранении возможности расширения образца — так называемое испытание на компрессию.
 Во время испытания на компрессию возможность расширения образца полностью устраняется применением металлической обоймы (рис. 2.15). Нагрузка на верхнюю и нижнюю поверхности образца передается через два пористых диска, которые дают возможность воде проникать в глину или вытекать из нее. Деформация измеряется мессурой.
 Давление р увеличивается через определенные промежутки времени. Нагрузка после каждого увеличения остается постоянной до тех пор, пока деформация не прекратится. Для этого обычно требуется несколько часов, даже для образца толщиной всего в 20 мм, потому что деформация происходит лишь по мере того, как вода выжимается из глины. Когда скорость деформации под данным давлением становится очень малой, нагрузка увеличивается и процесс повторяется снова.
 Результаты фиксируются в виде кривой, представляющей установившиеся после каждой ступени значения коэффициента пористости, в зависимости от действующего давления. Давления удобно наносить в логарифмическом масштабе. Тогда диаграмма будет представлена в виде кривой eAgp.
 so

Следует отметить два условия, имеющие практическое значение, а именно: был ли взят образец из нормально обжатого пласта или из переуплотненного. Обычно принимают, что пласт является нормально обжатым, если он никогда не подвергался действию вертикальных давлений, больших чем то, которое существует в настоящее время. Переуплотненный — это пласт, подвергавшийся в какой-то период своей истории вертикальным давлениям, большим того, которое действует в настоящее время.
 Типичная кривая e-gр для ненарушенного образца нормально обжатой глины низкой чувствительности показана на рис. 2.16.
 Она обозначена Ки. Кривая испытания на компрессию того же грунта, но нарушенного, и при начальной влажности, равной пределу текучести, обозначена Кг.
 Характерной особенностью кривой Ки является то, что она состоит из двух участков: почти горизонтальной начальной части и почти прямой наклонной части. Кривая Кг при низких давлениях имеет более или менее параболическую форму и затем переходит в прямую линию с менее крутым наклоном, чем наклон кривой Ки
 Координаты точки а (рис. 2.16) показывают коэффициент пористости и эффективное напряжение, соответствующие состоянию глины в полевых условиях. Если для извлечения образца применяется наиболее совершенная техника, то влажность глины не успевает увеличиваться сколько-нибудь значительно. Следовательно, коэффициент пористости во в начале испытания практически равен коэффициенту пористости глины в естественном состоянии. Когда давление на образец достигает величины ро, кривая e-lgp должна пройти через точку а (если условия испытания практически не отличаются от условий в которых образец находился в пласте).
 Рис. 2.15. Схема компрессионного прибора
 Рис. 2 16. Типичные кривые зависимости e-lgp для нормально обжатых образцов нарушенной (Кг) и ненарушенной (Ки) нечувствительной глины
 (i Зак. 1274
 81

В действительности кривая e-g р всегда проходит ниже точки а, потому что даже самый лучший образец всегда бывает, хотя бы даже в самой незначительной степени, нарушенным.
 Инженер заинтересован в определении зависимости eAgp, соответствующей полевым условиям, а не лабораторным. Поэтому ему нужен способ приведения результатов лабораторных испытаний к полевым условиям. Такой способ может быть разработан на основе сопоставления кривых КаиКг. Было отмечено, что продолжение прямолинейной нижней части кривой Кг пересекает ось е 0 приблизительно в той же точке, что и продолжение кривой Ки- Эта точка обозначается . Если значительная степень нарушенности, обусловленная переминанием образца, не изменит заметно положения точки , то можно предполагать, что незначительное нарушение при отборе образца не должно в действительности оказывать никакого влияния на результаты исследований. Поэтому следует предполагать, что зависимость eAgp в полевых условиях может быть изображена прямой линией С, проходящей между а и .
 Если отложение глины является нормально обжатым, то величина ро может быть рассчитана, зная влажность, объемный вес скелета и степень насыщения верхних слоев, если, кроме того, известно положение уровня грунтовых вод. Первоначальный коэффициент пористости также может быть легко определен. Отсюда можно определить координаты точки а. Способы определения ро и е0 были рассмотрены в § 1.6 и 2.3.
 Точка может быть определена при помощи испытания на компрессию нарушенного образца или, если стоимость его отбора слишком велика, частично нарушенного или нарушенного образца. Точки а и f затем могут быть соединены прямой линией для того, чтобы установить зависимость К для натурных условий, на которой может основываться расчет осадки.
 Наклон линии К на полулогарифмическом графике называется коэффициентом компрессии Сг, определяемым по уравнению.
 С е°61— е°е1-. (2.23)
 lgPi-lgPo J Pl
 Ро
 Числовое значение Сс может быть, легко определено по графику. Если е соответствует любому произвольному давлению Ри а е2 — давлению р2 10pi, то
 С с 2
 Было найдено, что значение Сс тесно связано с пределом текучести для нормально обжатых глинистых грунтов. Приближенное соотношение между этими величинами имеет вид
 Сс 0,009(-10), (2.24)
 где Lw выражено в процентах.
 82

Уравнение 2.24 имеет большое практическое значение, потому что оно дает возможность определить приблизительную осадку конструкции на довольно нечувствительной к нарушению структуры нормально обжатой глине, если известен только предел текучести, и если даже не было проведено испытания на компрессию.
 Кривая, полученная в результате испытания на компрессию тщательно отобранного образца нормально обжатой высокочувствительной глины St больше 8 напоминает кривую Ки на
 рис. 2.17. При давлении, близком к ро оказывается, что структура глины нарушается, и незначительное увеличение давления приводит к значительному уменьшению коэффициента пористости. Если статистическое соотношение [уравнение (2.24)] используется для определения сжимаемости такого грунта, то определенная при этом осадка оказывается слишком малой. Это является опасней погрешностью. Следовательно, должна непосредственно использоваться сама кривая С, представляющая зависимость e-g р в условиях естественного залегания.
 Приблизительная форма кривой К для очень чувствительной глины может быть получена следующим образом. Проводится касательная к точке с на крутой части кривой Ки. Она пересекает линию е0А в точке Ь.
 Для определения точки нижняя ветвь кривой Ки продолжается до е0. Затем проводится вертикальная линия A, кривая К располагается так, чтобы для любого значения е рас-1 стояние от К до Аь деленное на расстояние от Ки до А, равнялось бы аЛ, деленному на ЬА.
 Рис. 2.17. Типичные кривые e-gp для нормально обжатых образцов нарушенной (Кг) и ненарушенной (Ки) высокочувствительной глины
 Рис. 2.18. Типичные кривые e-gp для переуплотненных образцов нарушенной (Кг) и ненарушенной (Ки) глины нормальной чувствительности
 83

Кривая еЛg р для типичной переуплотненной глины обозначена К и на рис. 2.18. Точка а' соответствует коэффициенту пористости во, а ро —давлению на глину в естественных условиях в то время, когда этот пласт находился под действием максимальной нагрузки. Из-за какого-то процесса, например эрозии, давление уменьшилось и коэффициент пористости увеличивался благодаря набуханию до тех пор, пока не было достигнуто данное состояние, обозначенное точкой а.
 Кривая Ки проходит ниже точки а, тогда как кривая С, соответствующая полевым условиям, должна проходить через ука-
 Рис. 2.19. Типичные кривые e-gp для слабо переуплотненных образцов нарушенной (Кг) и ненарушенной (Ки) высокочувствительной глины
 Рис. 2.20. Графический способ определения максимального давления когда-либо обжимавшего глину (по А. Казагранде)
 занную точку. Кроме того, кривая С, полученная для полевых условий, должна проходить вблизи точки а', потому что до эрозии компрессионная зависимость должна была бы иметь вид cif.
 Мы не можем построить эту кривую, потому что давление р0', соответствующее точке а неизвестно, и в настоящее время давление верхних слоев грунта равно только р0. Если нам не удается установить, что глина переуплотнена и мы будем основывать расчет осадки на а, то определенная таким образом осадка будет чрезмерно большой. Изменение Аел коэффициента пористости, определенное для увеличения давления Ар, вероятно будет в 4—10 раз больше действительного изменения , если Ар не больше, чем примерно половина разности р'0—р0. По мере того, как значение Ар приближается к значению разности р0'— Ро, ошибка становится меньше.
 Иногда встречаются отложения сверхчувствительной глины, для которых характерна кривая e-g р по рис. 2.19. Точка Ъ на верхней продолженной ветви кривой Ки лежит справа от точки а, соответствующей действительному давлению от вышележащего грунта. Величина р'0 —ро может представлять либо влияние
 84

переуплотнения, либо увеличение прочности или жесткости глины, вызываемое тиксотропными процессами. Эти вопросы пока еще недостаточно изучены. Во всяком случае, когда встречается такой грунт, по-видимому, можно считать, что при давлении, не превосходящем р'0, структура глины не будет нарушена, и что осадки при Ар, меньшем чем примерно половина разности p'Q—p0t будут относительно малы, как у переуплотненных отложений обычной чувствительности. Для таких грунтов определение осадки должно основываться на испытаниях образцов с наиболее ненарушенной структурой, какие только могут быть отобраны.
 С точки зрения практики наиболее важным является умение определить, подвергалась ли ранее данная глина переуплотнению. Чаще всего это имеет место, если влажность грунта ближе к пределу пластичности, чем к пределу текучести.
 Кроме того, можно путем проведения испытаний на компрессию осторожно отобранных образцов получить данные, необходимые для того, чтобы прийти к тому или иному решению. На рис. 2.16 можно заметить, что продолжение 'вверх прямолинейной части Ки пересекает линию ее0 в точке b, которая расположена слева от точки а. Это всегда справедливо в отношении нормально обжатой глины обычной чувствительности. С другой стороны, на рис. 2.18, который относится к переуплотненной глине, точка b расположена с правой стороны от точки а. Однако если образец несколько нарушен, то точка b может быть расположена дальше влево и может даже достичь точки с. Следовательно, влияние нарушенности образца сказывается в том, что оно может помешать определению факта, подвергался ли грунт ранее переуплотнению или нет. Если предполагается, что глина подвергалась ранее переуплотнению и если нужно получить ее образцы для испытаний на компрессию, то должна быть использована наилучшая техника отбора образцов.
 При наличии качественных образцов давление р0 может быть определено методом, разработанным А. Казагранде (рис. 2.20). Для этого на кривой Ки находится с — место максимальной кривизны. Из точки с проводятся касательная к кривой Ки и горизонтальная линия. Угол между этими двумя линиями делится пополам. Точка d пересечения биссектрисы с продолжением касательной к прямой части („, направленной вверх, соответствует давлению p'Q.
 Этот метод был разработан на основе лабораторных данных; пределы его применимости пока недостаточно известны. Кроме того, такие уточненные данные редко бывают нужными. Обычно, вполне достаточно знать, подвергалась ли глина ранее значительному переуплотнению или нет. Если глина испытывала когда-то воздействие значительных нагрузок, можно полагать, что она даст ничтожную осадку.
 85

Переуплотнение глины могло быть вызвано весом вышележащих слоев грунта, впоследствии смытых весом ледника, покрывавшего грунт, или напряжениями, вызванными высыханием. Линзы или слои переуплотненной глины, встречающиеся в нормально обжатых отложениях, являются обычно результатом действия последнего фактора.
 Скорость консолидации. Уплотнение глины под действием нагрузки не происходит мгновенно. Для каждого увеличения нагрузки, которая прикладывается к образцу при испытании на компрессию, можно начертить кривую изменения деформации во времени, которая называется кривой консолидации
 и показана на рис. 2.21.
 Глины так мало водопроницаемы, что вода почти защемлена в их порах. Когда происходит увеличение нагрузки, то поровая вода не может выйти сразу. Так как частицы глины стремятся прижаться ближе друг к другу, в поровой воде развивается давление, похожее на то, которое возникает в масляном заполнении гидравлического домкрата, когда на поршень помещается груз. Это давление стремится заставить жидкость вытекать. Движение
 воды вначале происходит с довольно значительными скоростями, но затем давление падает, и скорость течения уменьшается. По мере того, как вода выжимается из образца глины, частицы Глины могут все больше сближаться. Поэтому поверхность образца оседает. Скорость осадки сначала бывает большой, а затем уменьшается, доходя до небольшой, довольно постоянной величины.
 Ход уплотнения можно наблюдать, измеряя уменьшение
 давления порбвой воды. Это уменьшение происходит с различными скоростями в различных частях образца. Оно происходит быстрее у верхней и нижней границ образца, где явления дренирования более интенсивны, чем в его середине. Основываясь на предположении, что уменьшение давления по.равой воды подчиняется заксгнам гидравлики, была разработана теория для определения скорости осадки, называемая теорией консолидации. Она приводит к следующему соотношению между степенью консолида ци и и временем:
 П.(П), (2-25)
 а
 Tvc£t, (2.26)
 Рис. 2.21. Кривая изменения деформации грунта во времени при постоянной нагрузке (кривая консолидации)
 86

где U — степень консолидации или величина осадки, которая произошла за данный период времени, по отношению к полной осадке, выраженная в процентах;
 Tv — безразмерное число, называемое фактором времени;
 cv — коэффициент консолидации;
 Н — половина толщины образца; t — время, соответствующее значению U.
 Из этого выражения можно видеть, что время, необходимое для достижения данной степени консолидации, при данных уело-
 «о
 20
 60
 60
 100
 Csj
 Время Tv (логарифмическая шкала)
 Рис. 2.22. Теоретическая зависимость между степенью консолидации U и фактором времени Т
 виях дренирования изменяется прямо пропорционально квадрату Я.
 Теоретическая зависимость, показанная в виде функции в уравнении (2.25), изображена графически на рис. 2.22 в полулогарифмической сетке координат. Если для данного слоя глины значения cv и Н известны, то теоретическая кривая может быть перестроена как кривая зависимости процента консолидации от времени, пользуясь уравнением (2.26). Кроме того, если предельная осадка, вызванная консолидацией глинистого слоя, была определена, то указанная кривая может быть изменена и представлена как кривая зависимости величины осадки от времени.
 Величина Н в уравнении (2.26) равна половине толщины слоя, дренируемого с обеих сторон, как в случае испытания на компрессию. Таким образом, время, необходимое для достижения нужной степени консолидации слоя грунта данной толщины и дренируемого только с одной стороны, ® 4 раза больше, чем для слоя грунта, дренируемого с обеих сторон.
 Коэффициент консолидации cv можно вычислить испытанием на компрессию с приведением экспериментальной кривой
 87

зависимости деформации от времена в соответствие с теоретической кривой по уравнению (2.25). Первым этапом этого процесса является определение деформаций, соответствующих U0 и t100. Это можно легко сделать по методу, разработанному А. Казагранде. На график в функции логарифма времени наносятся деформации (показания мессуры) при каждой ступени увеличения нагрузки. Кривая будет иметь форму, показанную на рис. 2.23. Для определения положения линии U 0 принимаем некоторое время t9 которое соответствует консолидации, меньшей половины консолидации от всей ступени
 нагрузки. Определяем местоположение соответствующей точки с на кривой. Затем определяется местоположение точки d, соответствующей времени, равному четверти t. Расстояние по вертикали от с до d равно а. Проводим горизонтальную линию выше точки d на расстоянии а. Эта ордината и будет соответствовать 7 0.
 Чтобы получить положение линий 7100, выбираем на экспериментальной кривой точку перегиба е и проводим в этой точке касательную, направленную вниз. Далее проводим налево касательную к нижней прямолинейной части экспериментальной кривой. Обе касательные пересекаются в точке , которая соответствует 7100.
 Можно заметить, что нижняя часть лабораторной кривой приближается к наклонной касательной, а теоретической кривой — к (горизонтальной. Разница между двумя кривыми характеризует вторичную консолидацию. Законы, управляющие вторичной консолидацией, еще не выяснены. Однако это явление имеет большое значение, так как оно может быть причиной большей части осадки конструкции. Из-за явлений вторичной консолидации теоретическая и экспериментальная кривые совпадают только примерно до 7 60. Поэтому при использовании двух кривых для определения величины cv мы должны использовать значения ty соответствующие U 60. Обычно выбирают значение 750. Соответствующее значение 70,197. Отсюда, используя уравнение (2.26), мы может определить
 cvfH (2.27)
 где Н — половина толщины испытуемого образца.
 88
 Рис. 2.23. Графический способ определения деформаций, соответствующих (0 и U100 при испытании на консолидацию (по А. Казагранде)

Если значение величины cv для глины известно, уравнение
 (2.26) и рис. 2.22 могут быть использованы для графического
 построения зависимости осадки от времени для любой конструкции, расположенной на глине.
 На основании данных испытания на консолидацию можно определить коэффициент фильтрации k образца в процессе любого данного увеличения нагрузки при помощи уравнения
 k cviwmv. (2.28)
 В уравнении (2.28) коэффициент объемной сжимаемости mv определяется выражением
 т° 1ТГ 2-29
 1 £о
 где av—коэффициент сжимаемости;
 е0 — коэффициент пористости перед приложением данной ступени нагрузки;
 Величина av представляет собою отношение разности коэффициентов пористости к величине, соответствующей ступени на- грузки р—ро:
 av . (2.30)
 Pi Ро
 Задачи
 1. Нормально обжатая мягкая глина низкой чувствительности имеет предел текучести 57. Определить коэффициент компрессии.
 Решение. Поскольку глина мягкая и нормально обжата, то вероятно ее влажность близка к пределу текучести и, следовательно, уравнение (2.24) в данном случае применимо. Поэтому
 С с 0,009(1—10) 0,009(57—10) 0,42.
 2. Кривая изменения показаний мессуры ©о времени (рис. 2.24) была получена при испытании на компрессию мягкой ледниковой глины (Lw 43, Р 21, о39) и соответствует увеличению давления от 1,66 кгсм2 до. 3,33 кгсм2. Коэффициент пористости после 100 консолидации под нагрузкой 1,66 кгсм2 был 0,945, а под нагрузкой 3,33 кгсм2 — 0,812. Стрелка мессуры устанавливалась на ауле в начале испытания, и первоначальная высота образца была равна 19,1 мм. Дренирование происходило с обеих поверхностей образца. Определить коэффициент фильтрации, соответствующий данной ступени давления.
 Решение. Чтобы определить показание мессуры Rd при 0 консо¬
 лидации, (принимаем t 1 мин.
 Для t 1 мин. Rd 164.
 » 0,25 t 0,25 мин. Rd 153
 а 11; 2а 22 (см. (рис. 2.23)
 Для U 0 Rd 164 — 22 142,
 , U 100 Rd 238 (из графического построения по
 схеме рис. 2.23),
 Ц 50 оо Rd 142 (238—142); 2 190,
 „ t 4,5 мин. 270 сек. (из рис. 2. 24),
 Tv 0,197 (из рис. 2.29),
 2Н 19,1 — 1,9 17,2 мм,
 Н 8,6 мм 0,86 см.
 89,

Отсюда:
 с7, —
 TVH
 0,197
 t 270
 е0-в1 0,945-0.812
 0,86a 5,38.104 см11сек',
 0,133
 Pi Po
 3 330-1 660 1 670
 Qy 7,94.10-®
 7,94.10-5 смУг;
 4.08.10-5 смг-,
 v l0 1,945
 k mv — 5,38.10“4 .1.4,08.10—5 2,2A0 смсек.
 время
 Показания В мм Юг
 139.5
 т,г
 152,8
 157.1 63,в J72,7 J87 204J6
 219.5
 331.1 241.0 2ЧД
 250.5 254 2606
 0,2 0,4 0,6 10 2,0 4,0 6,0 10 20 40 60 100 200 400 бООООО 2000 Время в мин. (логарифмическая шпала)
 Рис. 2.24. График консолидации к примеру 2
 3. При лабораторном испытании на компрессию образец глины толщиной в 25 мм достиг 50 уплотнения через 8 мин. Образец дренировался с верхней « нижней поверхностей. Пласт глины, из которого был взят образец, имеет толщину 8 м. Над ним находится слой песка, через который может свободно выходить вода, а под ним расположен практически непроницаемый слой глинистого сланца. Сколько времени потребуется, чтобы слой глины достиг 50 уплотнения
 Решение. Согласно уравнению (2.26),
 tx
 -н±
 яГ
 где s — обозначает образец, а I — пласт глины.
 У образца Hs 12,5 мм у пласта Hi 8 м, тогда
 '8‘ 0,0125“ ‘ 60-24.365 6,24 Г‘
 90

§ 2.8. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТИ ГРУНТА И СКАЛЫ
 Максимальная нагрузка, которая может передаваться на основание, зависит от сопротивления сдвигу грунта или скалы. Поэтому чрезвычайно важно исследовать факторы, обусловливающие прочность на сдвиг данных грунтов. В некоторых случаях
 л
 Рис. 2.25. Схема прибора для испытания грунта на прямой
 срез
 1 — горизонтальная мессура; 2 — вертикальная массура; 3 — вертикальная равномерно распределенная нагрузка; 4 — сдвигающая сила; 5—образец грунта
 сопротивление сдвигу исследуется посредством испытания на прямой срез в приборе типа, показанного на рис. 2.25. Более простой способ исследования прочности состоит в проведении испытания на сжатие. При этом приложенная к образцу осевая нагрузка увеличивается до тех пор, пока не произойдет разрушение. Образец может подвергаться, а может и не подвергаться при этом боковому давлению. Если образец подвергается боковому давлению, то испытание называется испытанием на трехосное сжатие. При отсутствии бокового давления указанное испытание называется испытанием на одноосное сжатие.
 Использование испытаний на сжатие для определения сопротивления сдвигу основывается на
 том, что разрушение при таких испытаниях происходит путем сдвига по одной или нескольким наклонным плоскостям, и в момент разрушения возможно определить нормальное и касательное напряжения в указанной плоскости.
 Если мы производим ряд испытаний одинаковых образцов грунта на срез, но подвергаем образцы различным нормальным давлениям, мы может изобразить результаты в виде графика зависимости сдвигающего напряжения 5 в момент разрушения от
 Рис. 2.26. Зависимость между нормальным давлением и сопротивлением сдвигу
 91

нормального напряжения р. Результаты этих испытаний для большинства грунтов дают почти прямую линию, как показано на рис. 2.26. Уравнение этой линии
 s c p tgcp. (2.31)
 Если эти результаты были получены посредством ряда испыганий на трехосное сжатие, в которых вертикальное давление при разрушении — ри а боковое давление — р3, то между рх и р3 существует следующая зависимость
 Pi Рз tg2 (45° -утр) 2с tg (45° -у). (2.32)
 1
 Величина tg2(45° jp) является постоянной величиной, которая зависит только от значения р. Она обозначена N . Отсюда,
 p1 p3Nf 2cVN7 (2-33)
 В предыдущих уравнениях величина с, равная сопротивлению сдвигу по плоскости сдвига, при нормальном давлении в этой плоскости, равном нулю, называется сцеплением. Угол называем углом внутреннего трения. Уравнение (2.33) пригодно не только для результатов испытаний на трехосное сжатие, в которых р и рз являются соответственно вертикальным и боковым давлениями, но также для любой точки в грунте, условие разрушения которого определяется уравнением (2.31), если р и рз являются максимальным и главным напряжениями в этой точке.
 Можно также показать, что угол а между плоскостью, по которой происходит разрушение, и плоскостью, на которую действует максимальное главное напряжение ри равен
 а 45° (2.34)
 § 2.9. СОПРОТИВЛЕНИЕ ПЕСКА СДВИГУ
 Сухой песок. Типичные кривые зависимости деформации от напряжений, иллюстрирующие результаты испытаний на трехосное сжатие образцов сухого песка, показаны на рис. 2.11. Если песок рыхлый, то напряжение увеличивается непрерывно с деформацией, пока образец не достигнет состояния разрушения. Если песок плотный, то максимальное сопротивление сдвигу возникает при сравнительно небольшой деформации, после чего напряжение уменьшается до предельного значения, близкого к тому, которое наблюдается у рыхлого песка.
 Рис. 2.27. Зависимость между нормальным давлением и сопротивлением сдвигу для сухого песка
 92

Если мы произведем ряд испытаний на трехосное сжатие при различных боковых давлениях, то зависимость между нормальным давлением и сдвигающим напряжением по поверхности сдвига будет иметь вид кривой на рис. 2.27. Линия, представляющая эту зависимость для плотного песка, слегка изогнута, тогда как линия, представляющая эту зависимость для рыхлого песка, почти прямая. С достаточной для практических целей точностью можно считать зависимость в обоих случаях линейной и выражать ее уравнением
 s ptgcp. (2.35).
 Отсюда
 NV (2.36)
 Рз
 представляет собой возможное максимальное отношение между главными напряжениями. В тот момент, когда это значение достигнуто, песок разрушается..
 Значение ср зависит от относительной плотности песка, от его гранулометрического состава и от формы зерен. Оно может быть определено с помощью табл. 2.3.
 Таблица 2.3
 Характерные значения для сухого песка
 Угол внутреннего трения в градусах
 Плотность песка
 округленные зерна,
 угловатые зерна, хорошо
 однородный песок
 подобранный гранулометрический состав
 Рыхлый .
 28,5
 34
 Плотный
 35
 46
 Водонасыщенный песок. Если песок водонасыщен, значения ср приблизительно на один градус меньше, чем для сухого песка, при той же самой относительной плотности. Уравнения (2.35) и (2.36) остаются действительными при условии, что. давления р 1 и рз являются эффективными, передающимися от зерна к зерну. Другими словами, эти уравнения_пригодны, если р представляет собой межчастичное давление р.
 Во многих случаях фактическое давление в плоскости разрушения состоит частично из эффективного давления и частично из порового. При помощи уравнения (2.9) уравнение (2.35) может быть представлено в следующем виде:
 s(p — uw) tgcp. (2.37)
 Когда можно определить значения величин р и uw, то уравнение (2.37) может быть использовано для вычисления сопротивления сдвигу песка. Обычно полное давление р может быть
 93

определено без затруднений. Если норовое давление обусловлено гидростатическим давлением на глубине Н ниже уровня свободной воды, то uw равно Если в дополнение к гидростатиче¬
 скому давлению имеется еще фильтрационное давление, то при определении uw следует учитывать это последнее. В некоторых случаях оказывается целесообразным определять значение и 9 теоретическим путем; в других случаях поровое давление может устанавливаться на основе полевых измерений.
 Однако в одном практически встречающемся случае оказывается невозможным вычислить или измерить uw в момент разрушения, и уравнение (2.37) не может быть использовано не-
 Рис. 2.28. Зависимость между сопротивлением сдвигу и общим нормальным давлением для дренированного и недренированного
 песка
 а — в плотном; б — в рыхлом состоянии (по Казагранде)
 посредственно. Это условие возникает, например, тогда, когда поровое давление в плоскости разрушения изменяется вследствие изменения объема песка в момент сдвига. Когда давление р не очень мало, рыхлый песок в процессе сдвига стремится уплотниться, и объем его пор сокращается. Если при этом вода выдавливается из пор легко, то поровое давление практически не изменяется, но если дренаж затруднен, то давление поровой воды возрастает. При увеличении uw разность р—uw уменьшается, и величина 5 по уравнению (2.37) уменьшается. Плотный песок во время сдвига стремится расшириться, если только давление р не является слишком большим. Если при этом вода может легко входить в поры, то поровое давление практически не изменяется, но если поступление добавочной воды невозможно, то поровое давление уменьшается, разность р—uw увеличивается, и величина 5 возрастает.
 Эти явления можно исследовать путем лабораторных испытаний на сдвиг, в которых исключена возможность дренирования, а следовательно, и не происходит изменений объема. Первоначальное давление поровой воды равно нулю. Типичные результаты двух групп таких испытаний показаны на рис. 2.28. Для плотных песков при всех значениях полного давления р (за
 94

исключением самых больших) величины 5 для недренируемого песка больше, чем соответствующие значения для дренируемого песка, показанные на рисунке пунктирной линией. Для рыхлых песков, наоборот, значения величины 5 для недренируемого песка меньше, чем соответствующие значения для дренируемого песка, за исключением тех случаев, когда действуют очень низкие давления.
 Если разрушение песка от сдвига может происходить в полевых условиях настолько быстро, что при этом будет отсутствовать изменение объема воды в порах в зоне сдвига, то, вероятно, в указанных условиях изменение порового давления будет таким же, как при сдвиге в лаборатории недренируемого песка. Следовательно, посредством таких испытаний можно определить сопротивление сдвигу, соответствующее данному полному давлению р. Если в полевых условиях первоначальное давление поровой воды не равно нулю, то нужно подставить вместо р первоначальное межчастичное давление р, прежде чем пользоваться опытными кривыми для нахождения величины 5 (рис. 2.28).
 Крупные пески в полевых условиях настолько водопроницаемы, что изменение порового давления в связи с изменением объема при сдвиге сравнительно мало вероятно. Однако время, требуемое для дренирования больших масс мелкого и очень мелкого песка, может оказаться значительным, и в полевых условиях может создаваться состояние, близкое к условиям отсутствия дренажа. В большинстве случаев значение величины 5 в полевых условиях является промежуточным между значениями, соответствующими наличию или отсутствию дренажа.
 § 2.10. СОПРОТИВЛЕНИЕ СДВИГУ ИЛА И ИЛИСТОГО ПЕСКА
 Сопротивление сдвигу сухого ила и илистого песка дается уравнением (2.35), но значение величины р несколько меньше, чем для песка. Оно колеблется между 27° и 30° для рыхлого ила и между 30° и 35° для плотного ила.
 Водонасыщенный ил обладает относительно низкой водопроницаемостью. В связи с этим можно отметить, что разрушение в полевых условиях обычно происходит при отсутствии дренирования. Кроме того, результаты испытаний ила при отсутствии дренирования могут быть выражены достаточно точно посредством линейной зависимости
 s' s ptgtp(,9) (2.38)
 где р— есть полное напряжение в плоскости сдвига;
 Рсд— угол, .назъьваемьгй консолидированно-быстрым углом сопротивления сдв'игу.
 Поскольку ил при сдвиге уменьшается в объеме, то сд обычно бывает меньше, чем р. Этот угол обычно изменяется от 20° до 22°, а иногда уменьшается до 17°.
 95

Так же, как при испытаниях песка в условиях отсутствия дренажа, поровое давление при испытаниях ила без дренирования в начальный период равно нулю, тогда как в полевых условиях оно может иметь некоторое начальное значение. Поэтому, если поровое давление в полевых условиях в начальный период не равно нулю, то в уравнении (2.38) нужно вместо р подставить соответствующее значение величины р.
 § 2.11. СОПРОТИВЛЕНИЕ СДВИГУ ГЛИНЫ
 Водонасыщенная глина в естественном состоянии. Опыт показал, что естественные массы мягкой глины в полевых условиях при быстром загружении ведут себя так, как если бы р 0. Это бывает в том случае, если при данной скорости загружения может иметь место лишь ничтожное дренирование. При этом предположении xV 1, а уравнение (2.31) принимает вид
 5 С,
 и поэтому, на основании уравнения (2.32),
 Pi Рз 2 с.
 Если испытание на сжатие производится при отсутствии бокового давления (рз 0), то величина pi при разрушении называется прочностью на одноосное сжатие и обозначается qa. Следовательно,
 qu 2с. (2.39)
 Поскольку испытания на одноосное сжатие могут производиться просто и дешево, то они широко используются для определения сопротивления сдвигу водонасыщенных глин.
 В некоторых случаях, когда глины имеют возможность уплотняться в полевых условиях, они ведут себя так, как если бы они обладали сопротивлением трения. Условия, при которых глины проявляют сопротивление трения, еще не вполне изучены. Попытки воспроизвести полевые условия путем испытаний на трехосное сжатие оказались не вполне надежными. При настоящем состоянии изученности данного вопроса рекомендуется исходить из более осторожного предположения, что р 0 и при определении сопротивления сдвигу основываться на данных испытаний на одноосное сжатие.
 Многие жесткие водонасыщенные глины имеют сеть волосных трещин или зеркал скольжения. Сопротивление сдвигу отложений такого вида зависит от степени влияния этих нарушений. Испытания на трехосное сжатие больших образцов, характеризуемых наличием указанных дефектов очень полезны при определении сопротивления сдвигу таких грунтов.
 Не насыщенная водой глина в естественном состоянии. Глины, не насыщенные водой, и укатанные глинистые насыпи ведут себя
 96

так, как будто они обладают некоторым трением. При этом сопротивление сдвигу может быть приблизительно выражено следующей зависимостью
 s c ptgcpfl, (2.40)
 в которой сра зависит от содержания воздуха. Этот угол изменяется примерно от 0° для водонасыщенных глин до 30° для почти сухих глин.
 Для определения значения величин с и обычно применяются испытания на трехосное сжатие, но степень надежности и пределы применимости этого метода в данном случае недостаточно выяснены.
 Ползучесть. 'Если сдвигающее напряжение, действующее на ненарушенный образец глины, меньше, чем некоторое значение, называемое со противлением ползучести, то глина деформируется почти мгновенно при приложении срезывающего усилия и после этого не испытывает никакой прогрессирующей деформации. С. другой стороны, если сопротивление ползучести превышено, то происходит непрерывная деформация глины при постоянном срезывающем напряжении. Скорость поЛ5учести увеличивается с увеличением срезывающего напряжения, как показано на рис. 2.29.
 Отношение сопротивления ползучести к предельному сопротивлению сдвигу пока исследовано недостаточно. Для некоторых нечувствительных к нарушению структуры глин оно достигает такой незначительной величины, как 0,3, тогда как для хрупких глин это отношение может быть порядка 0,8. Напряжения, превышающие сопротивление ползучести, оказывались главной причиной поперечного сдвига таких конструкций, как подпорные стенки и устои мостов.
 Задачи
 1. Испытание на трехосное сжатие при условии осуществления дренажа должно быть проведено для' однородного плотного песка с окатанными зернами. Боковое давление рз должно быть равным 2 кгсм2.
 При каком примерно вертикальном давлении должен разрушаться образец
 Решение. Согласно табл. 2.3, значение р будет около 35°; поэтому
 Рис. 2.29. Кривые деформации во времени для образцов нарушенной глины при действии различных напряжений сдвига (s—предельное сопротивление сдвигу)
 N-
 tg45° ) tg (45° 17,5°) 3,68.;
 Согласно (уравнению (2.36)
 Pi Pe Мр 7,36 кгсм2.
 7 Зак. 1274
 Q7

Следовательно, образец должен разрушиться при вертикальном давлении примерно на
 7,36—25,36 кг см2
 превышающем боковое давление.
 2. В результате нескольких серий испытаний на трехосное сжатие грунта было найдено, что с 1,2 кгсм2, р20°.
 Полагая, что уравнение (2.33 применимо, узнать, какое вертикальное давление потребуется для того, чтобы вызвать разрушение грунта при боковом давлении 0,3 кгсм2-
 1 5 'Л V • ■ V• • v.-y: Влажный песок
 у-1,в9гсмЗ
 Насыщенный несом у« t,9B гсмЗ
 Рис. 2.30.
 Решение. Значения величины и Np следующие:
 Atg(45° -у 9 )-1,43;
 N9 1.432 2,04;
 p1 p3N9 2c Yn, 0,3.2,042.1,2.1,434,04 кгсм.
 3. Определите сопротивление сдвипу по горизонтальной плоскости на глубине 6,1 ж в песчаном отложении, показанном на рис. 2.30. Предположите, что песок может свободно фильтровать и что для мокрого песка р 32°. Решение. Суммарное напряжение р на глубине 6,1 м равно
 2,11,89 3,97 тм2;
 4.1,98 7,92 , 3,977,9289 тм2 1,17 кгсм2.
 Нейтральное напряжение равно
 uw АЛ 4 тм2 0,4 кгсм2;
 поэтому из уравнения (2.37)
 s (p — uw) tgp (l,19 —
 —0,4) tg32° 0,49 к гсм.
 § 2.12. СОПРОТИВЛЕНИЕ СДВИГУ И ПРОЧНОСТЬ СКАЛЫ ПРИ СЖАТИИ
 Зависимость между нормальным давлением и сопротивлением сдвигу совершенно различна для разных видов скалы, но обычно может быть представлена кривой, приведенной на рис. 2.31.
 1
 «О
 л
 Растяжение О Статие
 Нормальное давление, р
 Рис. 2.31. Зависимость между нормальным давлением и сопротивлением сдвигу для скалы
 98

Величины сопротивления сдвигу, как правило, не определяются, потому что проводить испытания на чистый срез с достаточной точностью затруднительно. Обычно определяется прочность на одноосное сжатие. В табл. 2.4 приводятся результаты испытаний, тщательно проведенных Филиппом и Мелинджером.
 Таблица 2.4
 Прочность на одноосное сжатие некоторых скальных пород в кгсм2
 Тип скалы
 Прочность в кгсм
 Песчаник
 220
 Песчаник .
 440
 Твердый серый песчаник .
 680
 Коричневый мелкозернистый песчаник .
 520
 Серый среднезернистый хрупкий песчаник .
 410
 Твердый ракушечный известняк
 600
 Твердый серый известняк ....
 940
 Средний кристаллический, богатый ракушкой известняк
 1090
 Серый гранитогнейс
 1340
 Песчанистый средней твердости алевролит
 430
 Доломит
 1830
 Кварцит
 1530
 Глава 3
 ТЕХНИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ГРУНТОВОЙ ТОЛЩИ
 § 3.1. МЕТОДЫ РАЗВЕДКИ ГРУНТОВ
 Для того чтобы правильно запроектировать фундамент сооружения, инженер должен итеть достаточно точное представление о физических свойствах и расположении грунтов основания.
 Полевые и лабораторные исследования, которые необходимы для получения соответствующих данных, носят название р азведки грунтов.
 Из-за сложности и разнообразия естественных отложений грунтов ни один метод разведки не может считаться наилучшим для всех случаев.
 Наиболее целесообразный метод исследования самых разнообразных грунтов состоит в бурении скважин с извлечением образцов для определения типа грунта, характера его залегания и в некоторых случаях для их испытания. Существует несколько способов бурения скважин. Точно также имеются разнообразные методы и для отбора образцов. Выбор зависит от характера грун¬
 7
 99

тов и от цели исследований. Поскольку метод бурения скважин не связан непосредственно с методом отбора образцов, то описание того и другого будет дано в отдельных параграфах.
 После того как предварительное бурение выявит основные характеристики подстилающих грунтов, может быть установлена необходимая окончательная программа бурения и отбора образцов. Может оказаться более целесообразным исследовать консистенцию или относительную плотность более слабых грунтов отложения при помощи пенетрационных испытаний или другими прямыми методами, не требующими отбора образцов. В каждом частном случае выбор метода должен производиться с учетом характера данного грунта и данных, необходимых для проектирования или строительства.
 При существующих условиях могут быть использованы и другие, реже применяемые, методы разведки грунтов. Например, характер грунтов иногда устанавливается путем непосредственного осмотра стенок шурфов или штолен. В некоторых случаях проводятся испытания пробной нагрузкой на дне шурфов. Когда требуется определить границу раздела между твердыми и перекрывающими их мягкими грунтами, можно с успехом применять геофизические методы.
 Различные способы разведки грунтов будут рассмотрены более детально в следующих параграфах.
 § 3.2. РАЗВЕДОЧНОЕ БУРЕНИЕ
 Ручное бурение. Наиболее примитивным способом проходки является ручное бурение. На рис. 3.1 показаны два вида ручных буров. Хотя скважины, пройденные ручным бурением, могут достигать глубины свыше 30 м, этот способ применяется обычно лишь при исследовании грунта для строительства железных дорог, шоссе или аэропортов, где обычно не требуется бурение глубже чем, примерно, на 4 м.
 Все же существуют портативные спиральные буры с механическим приводом, имеющие в диаметре от 3 до 12 (от 7,5 до 300 мм). Они обычно используются для бурения более глубоких скважин в грунтах, обладающих достаточной связностью, чтобы исключить возможность обвала стенок по мере удаления материала из скважины.
 Если стенки скважины не держатся без креплений, обвал грунта можно предотвратить при помощи обсадных труб. Обсадную трубу опускают в грунт на небольшую глубину и грунт вынимают из нее при помощи бура. По мере углубления скважины к обсадной трубе добавляют дополнительные звенья. Обсадные трубы при ручном бурении употребляют редко, а применение их с механическими бурами неудобно, так как бур приходится обычно вынимать на время задавливания обсадной трубы. Поэтому
 1С0

ручное бурение обычно не производится в грунтах, требующих обсадного крепления.
 Гидравлическое бурение. Глубокие скважины в грунтах чаще всего проходятся гидравлическим бурением. На
 рис. 3.2 показал простейший вид необходимого для этого оборудования.
 Бурение скважины начинается с погружения отрезка обсадной трубы на глубину от 1,5 до 3 м. Затем труба
 о) 5)
 Рис. 3.1. Ручные буры
 а — спиральный; б — ложечный
 1 — вышка (4 стойки из труб) 2 — канат; 3 — всасывающий шланг; 4 — насос; 5 — отстойник; 6 — вертлюг; 7 —тройник, заме1 яе.мый наголовником при забивке обсадной трубы; 8 — баба для забивки буровой штанги, когда подмывной наконечник заменяется грунтоносом; 9 — обсадная труба; 10 — подмывная труба (буровые штанги); —ударный наконечник, заменяемый ложечным грунтоносомпри отборе образцов
 очищается от грунта при помощи ударного наконечника — долота, прикрепленного к нижнему концу подмывной
 трубы, которая вводится в обсадную трубу. Вода нагнетается вниз через подмывную трубу и выходит с большой скоростью через небольшие отверстия в долоте. Затем вода с взвешенным грунтом поднимается через кольцевое пространство между обсадной и промывной трубами. Поднявшись до верха обсадной трубы, вода переливается через тройник в бак, из которого она после отстаивания снова накачивается через шланг в подмывную трубу. Соединение между ней и шлангом снабжено вертлюжным
 101

устройством, так что подмывная труба и долото могут вращаться при подъеме или опускании на дно скважины. Это облегчает разработку грунта. По мере того как скважина становится глубже, подмывная труба наращивается и погружается дополнительное звено обсадной трубы. Если стенки скважины будут устойчивы ■и обвалов происходить не будет, то нет нужды устраивать обсадку глубже чем на 3 или 4,5 м ниже поверхности грунта.
 Этим методом бурение может быстро производиться во всех грунтах, за исключением самых твердых. Для обыкновенного разведочного бурения диаметр обсадной трубы обычно принимается равным 2 или 2,5 (50 или 63 мм). Однако этим же методом можно проходить скважины и большего диаметра.
 Ударное бурение. Если скважина должна проходить через очень твердые грунты или через скальные породы, нельзя применять ни ручное, ни гидравлическое бурение. Одним из способов бурения скважин в таких грунтах является у д а р н о-к а н а т н о е бурение. При этом способе тяжелая головка бура попеременно поднимается и бросается таким образом, что находящийся под ней грунт измельчается до крупности фракций песка или пыли. Если возможно, то скважину сохраняют сухой, если не считать небольшого количества воды, образующей жидкую грязь из частиц, размельченных головкой бура. Когда скопление грязи мешает бурению, буровой инструмент вынимается .из скважины,
 а)
 Д
 Рис. 3.3. Станок для ударно-канатного бурения со сменным оборудованием
 а — буровые наконечники; 6 — желонка; в— схема станка
 102

а грязь удаляется желонкой. Скважина укрепляется обсадной трубой, если стенки скважины могут обваливаться.
 Буровой станок с типичным буровым инструментом показан на рис. 3.3.
 Вращательное бурение. Вращательное бурение позволяет наиболее быстро проходить очень прочные грунты, если только эти грунты не являются очень рыхлыми или сильно трещиноватыми.
 Рис. 3.4. Станок для вращательного бурения (по Хворслеву)
 Этот метод бурения может применяться в скальном грунте, глине или даже в песке. При проходке быстро вращающаяся головка бура режет или дробит грунт на дне скважины на мелкие частицы. Частицы удаляются при помощи циркулирующей воды или бурового раствора способом, аналогичным гидравлическому бурению. Схема вращательного бурового станка дана на рис3.4.
 При вращательном бурении обсадные трубы обычно не применяются. Если скважина имеет тенденцию к обрушению, то применяется глинистый раствор в виде смеси тиксотропной вулканической глины с водой. Этот густой глинистый раствор покрывает и укрепляет стенки скважины и изолирует фильтрую¬
 юз

щие пласты. Если бурение прекращается, то глинистый раствор превращается в гель и удерживает шлам во взвешенном состоянии, так что он не оседает и не заклинивает головку бура на дне скважины.
 Скважины при вращательном бурении в скальном грунте проходятся диаметром от 1 до 36 (от 25 до 900 мм) в зависимости от назначения скважины.
 § 3.3. ОТБОР ОБРАЗЦОВ
 Типы образцов и грунтоносов. Типы образцов, которые должны быть получены из разведочной скважины, устанавливаются в зависимости от целей исследования. Если необходимо получить представление лишь о -качественном составе грунтов, вполне достаточно воспользоваться извлеченным из скважины при бурении грунтом. Однако продукты бурения могут содержать грунтовые или скальные частицы в иной пропорции, чем в действительности. Очевидно, что физическое состояние извлеченного грунта резко изменено действием бурения, которому он подвергался. Поэтому такой нарушенный грунт не может быть использован для правильной характеристики грунтовой толщи.
 Для правильного определения и классификации грунта или скалы требуются так называемые характерные образцы. Они должны содержать все частицы в действительных пропорциях. Такие образцы пригодны для визуальной классификации, для механического анализа, для определения пределов Аттерберга, удельного веса скелета грунта, содержания карбонатов и количества органических веществ.
 Если механические свойства грунта значительно изменяются при отборе образца, то он не годится для определения деформативных или прочностных характеристик.
 Если требуются характеристики ненарушенных грунтов, то образцы должны быть получены так, чтобы они подвергались лишь ничтожной деформации в процессе отбора. Такие образцы называются ненарушенными, хотя некоторое нарушение должно рассматриваться, как неизбежное.
 Большинство образцов добывается путем забивки иди вдавливания в грунт цилиндрической трубы с открытым концом, известной под названием ложечного грунтоноса. Грунтоносы с внутренним диаметром от 35 до 63 мм обычно состоят из режущего башмака на нижнем конце, цилиндра и соединительной муфты на верхнем конце для присоединения к буровой штанге. Цилиндр состоит из отрезка трубы, разрезанного вдоль на две половины. Такой грунтонос известен под названием разрезной ложки (рис. 3.5). После того как образец отобран, режущий башмак 'И соединительная муфта отвинчиваются, а две половины цилиндра разнимаются, чтобы керн можно было вынуть.
 104

Если образцы из ложечного грунтоноса должны отправляться в лабораторию без исследований на месте работ, то часто при меняются цилиндры, расточенные таким образом, чтобы вместить цилиндрическую тонкостенную трубку (гильзу). После того как гильза и керн, который она содержит, вынимаются из грунтоноса, концы гильзы закрываются крышками или металлическими дисками и заливаются воском. Ложечными грунтоносами с гильзой можно отбирать керн примерно до 20 см в диаметре, но обычно таким способом отбираются образцы диаметром не более, чем 12,5 см.
 о, в г
 Рис. 3.5. Разрезная ложка для стандартного испытания на пенетрацию
 1 — плоские грани для ключа; 2 — винтовая нарезка для подмывной трубы; 3—отверстия для выхода воды; 4 — центральная разъемная часть; 5 — башмак из инструментальной стали (общий вес 6,75 кг)
 Степень нарушенности образца из ложечного грунтоноса зависит от способа введения инструмента в грунт (задавливания или забивки), от скорости погружения и от размеров образца. При прочих равных условиях степень нарушенности образцов примерно пропорциональна отношению площадей стенок грунтоноса и образца
 Dl—D
 Л7оюо-Н-, (3.1)
 Ul
 где De — наружный диаметр;
 Dj —внутренний диаметр режущего башмака, через который должен проходить образец.
 Если отношение площадей стенок грунтоноса и образца не превышает 10, то нарушение образца считается незначительным почти для любого типа грунта. Степень нарушенности бывает меньше и в том случае, если отбор образца происходит при быстром равномерном движении грунтоноса, а не при прерывном (вдавливании путем забивки.
 Образцы несвязных грунтов, таких, например, как песок, отбираемые ниже уровня грунтовых вод, не могут удерживаться в ложечном грунтоносе без специального пружинного клапана (рис. 3.6). В очень мелком песке или в песке с мелкой галькой,
 105

которая может помешать закрытию пружин, отбор образцов может оказаться невозможным.
 Характерные образцы, но в совершенно нарушенном состоянии, могут быть получены при помощи грунтоноса с боковой режущей кромкой — так называемого скребкового грунтоноса (рис. 3.6). Этот грунтонос забивается ниже обсадной трубы. При его вращении грунт, соскобленный со стенок скважины, падает в нижнюю часть грунтоноса.
 Стоимость получения ненарушенных образцов резко возрастает при необходимости увеличить диаметр скважины. Практика
 Сечение а-а
 МапраВление вращения
 Рис. 3.6. Грунтонос
 а — с пружинным затвором; б — скребковый; 1 —буровая штанга; 2 — головка соединительной муфты; 3 — продольная щель; 4 — забивной наконечник
 показала, что в наиболее мягких или не очень жестких связных грунтах образцы могут быть отобраны без чрезмерного их нарушения при использовании тонкостенных бесшовных стальных труб диаметром не менее 50 мм и при отношении площадей стенок грунтоноса и образца около 10. Обычно применяются трубы диаметром в 50 мм и длиной от 0,3 до 0,9 м. Нижний конец трубы затачивается для создания режущей кромки, а на верхнем конце выполняется резьба для прикрепления буровой штанги. Труба опускается на дно скважины и вынимается с керном. Оба конца трубы плотно закрываются и отправляются в лабораторию. В лаборатории труба обычно разрезается на отрезки примерно по 150 мм с тем, чтобы образец можно было вытолкнуть без заметного нарушения.
 Часто оказывается возможным обеспечить получение образцов мягких или слабо связных грунтов с минимальным нарушением при помощи поршневого грунтоноса (рис. 3.7). Грунтонос этого типа (рис. 3.7, а) состоит из тонкостенной трубы,
 106

присоединенной к поршню. Поршень прикрепляется к стержню, помещенному внутри буровой штанги. При опускании трубы на дно скважины поршневой шток закрепляется на буровой штанге, и поршень удерживается у нижнего края грунтоноса для того,
 6)
 fo”
 •7)
 Рис. 3.7. Схематический чертеж поршневого грунтоноса
 а—до взятия образца; б — во время взятия образца; 1 — зажим для закрепления поршневого штока на буровых штангах;
 2 — поршневой шток; 3 — буровые штанги; 4 — обсадная труба; 5 — зажим для крепления поршневого штока на обсадной трубе; 6 — поршень; 7—грунтонос
 Рис. 3.8. Коронки ДЛЯ КОЛОНКОВОГО бурения
 а — одиночная тдуба; б — двойная труба; 1 — буровая штанга; 2 — проход для раствора; 3 — цилиндр; 4 — подшипник; 5 — наружный цилиндр; 6 — внутренний цилиндр; 7 — керн; 8 — приспособление для подъема образца; 9 — головка колонкового бура
 чтобы предотвратить попадание в него грунта до момента взятия керна. Перед взятием образца грунта поршневой шток освобождается и закрепляется на обсадной трубе. Затем грунтонос опускается по поршню, который опирается на дно скважины (см. рис. 3.7,6). Наличие поршня не позволяет мягкому грунту быстро выжиматься в трубу и таким образом в значительной мере устраняется нарушение образца. Поршень, кроме того, способствует увеличению длины керна, так как если верхняя часть
 107

столбика грунта начнет отделяться от поршня, то между ними образуется небольшой вакуум, который удерживает образец в трубе. В конце процесса взятия керна поршень закрепляется в положении у верхней части образца. При извлечении инструмента из скважины поршень предотвращает возможность воздействия давления воды на верхнюю часть образца и .поэтому способствует его извлечению. Конструкция поршневых грунтоносов к настоящему времени усовершенствована в такой степени, что теперь возможно брать ненарушенные образцы песка из-под воды.
 о)
 Вырезанный поналит
 Рис. 3.9. Отбор образцов с поверхности грунта
 а — методом постепенной подрезки; б — отделением монолита грунта; 1 — плита для задавливания грунтоноса; 2 — труба или ящик, открытые с двух концов; 3 — первоначальная поверхность грунта;
 4 — верхняя часть грунтоноса; 5 — грунтонос; 6 — режущая насадка; 7 — парафин или песок; 8 — верхняя крышка; 9 — образец;
 • 10 — нижняя крышка; И — лопата или металлический лист
 Колонковое бурение. Наиболее ненарушенные образцы скального грунта могут быть получены методом ударного бурения при помощи специальных цилиндров для захвата грунта. Однако необходимость извлечения керна сильно замедляет процесс бурения. Поэтому ударное бурение редко применяется для взятия образцов с целью исследования грунта.
 При вращательном бурении может быть применена коронка в виде зубчатого венца, прикрепленного к нижнему концу колонковой трубы, как это показано на рис. 3.8. Бур прорезает кольцеобразное отверстие в скальном грунте, образуя керн в виде колонки, которая входит в трубу и в ней удерживается. Колонковое бурение незначительно увеличивает период времени, необходимый для проходки скважины, и широко применяется для взятия образцов в плотных и скальных грунтах.
 Измельченная скальная порода (шлам) обычно вымывается из кольцевого отверстия глинистым раствором. В тех случаях,
 108

когда раствор может изменить качество образцов, шлам можно удалять воздушной струей или при помощи кольцеобразного бура, расположенного непосредственно над режущим инструментом.
 Колонковая труба может быть одиночной или двойной (рис. 3.8). Образцы, взятые одиночной трубой, будут, вероятно, подвергаться значительному нарушению из-за возникших в них напряжений кручения, из-за разбухания ,и загрязнения буровым раствором. Чтобы защитить керн от действия циркулирующей жидкости, колонковая труба делается двойной. При добавлении гильзы такую трубу можно приспособить для взятия образцов из неоднородных, трещиноватых, хрупких или мягких скальных пород.
 Образцы, отобранные вручную. Ненарушенные образцы грунтов, обладающих относительно маой связностью, могут быть отобраны лишь ттри условии, что грунт вскрыт шурфом, шахтой или тоннелем. На рис. 3.9 показаны два метода получения таких образцов.
 Задачи
 1. Определить отношение площадей стенок грунтоноса и керна для разрезного ложечного грунтоноса, применяемого при стандартном испытании на пенетрацию.
 Решение. По рис. 3.5 стандартная ложка имеет внутренний диаметр 35 мм, а наружный диаметр — 50,8 мм. Следовательно, из уравнения 3.1 находим
 „ 50.82—352
 Л, 100.- з—- 112.
 2. Определить отношение площадей стенок грунтоноса и керна для тонкостенного трубчатого грунтоноса, имеющего наружный диаметр 50,8 мм, а толщину стенки 1,6 мм.
 Решение.
 50,82—47,6
 Лг100. 47 6 13,8
 § 3.4. ПРЯМЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ КОНСИСТЕНЦИИ И ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ
 Пенетрометры. Для определения консистенции связных или относительной плотности несвязных грунтов без бурения скважин и отбора образцов было разработано несколько способов. Большинство этих способов основано на измерении сопротивления погружению в грунт прибора, называемого пенетрометром. Если пенетрометр равномерно вдавливается в грунт, то этот процесс называется статическим испытанием на пенетрацию. Если же он забивается в грунт, то этот процесс известен как динамическое испытание на шенетрац и ю. Как правило, статические испытания лучше применять
 109

в мягких, связных грунтовых отложениях, а динамические испытания — в несвязных или очень твердых отложениях.
 Сконструировано много разновидностей пенетрометров и каждый из них приспособлен для определенных видов грунтов. Два из них показаны на рис. 3.10.
 Очень полезное, хоть и несовершенное испытание на пенетрацию может быть проведено при забивке обыкновенного ложечного грунтоноса в почву с определением при этом числа ударов
 а)
 Рис. 3.10. Приспособления для непосредственного измерения консистенции грунта в полевых условиях
 а — голландский пенетрометр: б — конус для забивки в песчаные и гравийные отложения; в — лопастной бур; 1 — манометр; 2 — газовая труба диаметром 19 ми; 3 — рукоятка; 4 — штанга; 5 — труба диаметром 19 мм;
 6 — штанга; 7 — труба диаметром 50 мм; 8 — свободно вставленный наконечник; 9 — конус
 молота N, необходимого для погружения на заданную глубину. Этот процесс можно объединить без значительных затрат с бурением и взятием, образцов для того, чтобы получить дополнительные сведения о характеристиках основания.
 Стандартные испытания на пенетрацию и значение N. В Соединенных Штатах наиболее распространенное испытание этого типа называется стандартным испытанием на пенетрацию. Оно производится посредством ударов молота весом в 65 кг, падающего на буровую штангу с высоты в 30 (76,2 см). Число ударов N, необходимое для погружения на 0,3 м, называется сопротивлением пенетрации.
 Размеры грунтоноса показаны на рис. 3.5.
 Результаты стандартного испытания на пенетрацию обычно могут сопоставляться с соответствующими физическими свой¬
 110

ствами грунта. В табл. 3.1 приведено такое сопоставление. Однако отдельные результаты могут резко отличаться от устойчивых значений, приведенных в таблице. Поэтому всегда лучше непосредственно сопоставлять результаты с ранее 'проведенными такими же испытаниями в данной местности.
 Таблица 3.1
 Зависимость между сопротивлением пенетрации и свойствами грунта при стандартном испытании на пенетрацию
 Пески (довольно надежные данные)
 Глины (данные ненадежные)
 количество ударов на 30 см погружения, N
 относительная плотность
 количество ударов на 30 см погружения, N
 0—4 4—10 10—30 30—50 Свыше 50
 Очень рыхлый Рыхлый Средний Плотный Очень плотный
 Меньше 2 2-4 4-8 8-15 15—30 Свыше 30
 Очень мягкая
 Мягкая
 Средняя
 Плотная
 Очень плотная
 Твердая
 Хотя стандартное испытание на пенетрацию не может считаться совершенным и 'вполне надежным методом исследования, однако .величины N дают полезные предварительные данные относительно консистенции или относительной плотности большинства грунтовых отложений. Во многих случаях эти данные являются достаточными для окончательного проектирования и, во всяком случае, они позволяют более рационально планировать дополнительные исследования, если таковые желательны на данном участке.
 Испытание на пенетрацию с помощью конуса. Из различных пенетрометров, сконструированных для использования в чрезвычайно мягких грунтах, наиболее широко применяется пенетрометр, показанный на рис. 3.10, а. Он был сконструирован Лабораторией механики грунтов в Дельфте (Голландия). Этот пенетрометр представляет собой конус, который вдавливается в грунт вручную или механически. Сопротивление пенетрации получают путем измерения давления, необходимого для медленного продавливания конуса с постоянной скоростью. Штанга, несущая конус, окружена обсадной трубой, которая задавливается попеременно с конусом. Дополнительные данные о свойствах грунта получаются при измерении силы, необходимой для продвижения обсадной трубы. Результаты этих исследований были сопоставлены с прочностью на сдвиг отдельных видов голландских грунтов, полученной на основе многочисленных испытаний. Это сравнение дало возможность установить эмпирические правила для прогноза осадок насыпей и других сооружений в Голландии.
 111

Простой пенетрометр, который можно использовать для исследования относительной плотности песчаных и гравийных отложений без применения обсадной трубы, показан на ,рис. 3.10,6. Он состоит из конуса, который свободно вставлен в колонну труб, наращиваемую по звеньям и забиваемую в грунт молотом с постоянной высотой падения.
 Количество ударов, требуемых для того чтобы продвинуть конус на глубину 30 см, постоянно регистрируется. Когда конус достигает окончательной отметки, труба вынимается, а конус оставляется на дне скважины. Трение трубы о грунт сводится к минимуму, благодаря тому, что диаметр конуса делается несколько больше наружного диаметра трубы. Испытания такого типа могут проводиться скорее и дешевле, чем стандартные испытания на пенетрацию. Результаты испытаний могут быть сопоставлены с величинами N (табл. 3.1) после проведения нескольких стандартных испытаний на пенетрацию в скважинах; расположенных вблизи места проведения испытания на пенетрацию конусом.
 Непосредственное измерение сопротивления сдвигу. Были сконструированы различные приспособления для непосредственного измерения сопротивления сдвигу связных грунтов. На рис. 3.10,в изображена одна из наиболее рациональных конструкций — лопастной бур. Он состоит из четырех лопастей в виде тонкого металлического креста, который прикрепляется к нижнему концу вертикальной штанги. Рабочая часть бура и штанга могут вдавливаться в грунт без значительного нарушения структуры грунта. Затем производится поворот бура, и необходимое для этого вращающее усилие измеряется. Поскольку грунт разрушается по цилиндрической поверхности, проходящей по наружным кромкам лопастей, то можно определить сопротивление сдвигу, •если известны размеры лопастной части и вращающее усилие. Если лопастной бур вращать быстро в течение нескольких оборотов, то грунт становится нарушенным, и его сопротивление сдвигу может быть снова определено. Это позволяет найти не только сопротивление грунта сдвигу, но также и чувствительность глины. Этот прибор лучше всего приспособлен для глин, имеющих прочность на одноосное сжатие менее чем 1 кгсм2.
 Вертикальная штанга обычно защищается обсадной трубой для того, чтобы устранить поверхностное трение. Лопастной бур не пригоден для исследования грунтовых отложений, содержащих песчаные слои или большое количество крупной гальки.
 § 3.5. ПРОЧИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ГРУНТА
 Шурфование. Иногда на больших стройках оказывается экономичным исследовать грунты в их естественном состоянии при гпомощи рытья шурфов или проходки штолен. Визуальное обследование должно производиться не только инженерами, но также
 112

и геологами. Из таких выемок, обычно, очень легко получить ненарушенные образцы.
 Сравнительно недорогие разведочные выработки диаметром
 0,9—1,2 м могут быть пробурены в скальном грунте ударными колонковыми бурами. Выработки этого типа применялись, главным образом, для исследований оснований под плотины, но в некоторых случаях их можно рекомендовать и для других типов конструкций.
 Испытания пробной нагрузкой. Чтобы определить зависимость между напряжениями и деформациями для грунтов и слабой скалы, иногда проводятся полевые испытания пробной нагрузкой.
 Нагрузка в кгсм2 с 1 234-56789 10
 О 20 0
 60 70 НП
 Рис. 3.11. Кривая осадки грунта под нагрузкой
 1 — для плотного чистого песка в кессоне, опущенном на глубину 7,8 м ниже дна реки; 2 — для песка средней ллотности на дне шурфа глубиной 9-и
 0
 ю
 20
 30
 UO
 50
 60
 70
 Нагрузка в кгсм
 2 3 5 6 7 8 9 0
 04Gr-ii_. „
 плотный
 S.
 ibiQ
 wmt
 CpedHL
 ш
 к
 Рыхлый
 N
 Рис. 3.12. Кривая для определения относительной плотности на основании результатов стандартного испытания нагрузкой на штамп
 Квадратный или круглый штамп устанавливается на соответствующей отметке на дне шурфа. Нагрузка на штамп последовательно увеличивается и после каждого повышения нагрузки отмечается величина осадки. Результаты такого испытания фиксируются в виде кривой зависимости осадки от нагрузки (рис. 3.11).
 Результаты испытаний пробной нагрузкой требуют тщательного анализа и могут часто приводить к неправильным выводам. Если грунт неоднороден на значительной глубине под подошвой предполагаемого фундамента, то результаты испытаний могут дать неправильное представление о несущей способности подстилающего грунта. Вопрос о точности таких испытаний будет рассмотрен применительно к различным типам фундаментов в разделе III.
 Вместе с тем, испытания пробной нагрузкой представляют собой удобный метод исследования относительной плотности (рис. 3.12) песчаных грунтов и в особенности для проверки результатов испытаний на пенетрацию. Испытание пробной нагрузкой, проводимое для этой цели и выполненное способом, ука¬
 8 Зак. 1274
 113

занным ниже, называется стандартным испытанием пробной нагрузкой. В этом случае шурф должен иметь минимум 1,5 ж в поперечнике. На расстоянии не ближе чем 0,6 м от штампа со стороной 0,3 м на поверхности грунта не должно находиться никакой дополнительной пригрузки. В связи с тем, что капиллярная влага, поднимающаяся на 0,9—1,2 м над уровнем грунтовых вод, обусловливает связность грунтов, искажающую результаты испытаний, стандартные испытания пробной нагрузкой не должны проводиться в зоне действия капиллярной влаги. Они должны проводиться не менее, чем на 1,2 м выше уровня грунтовых вод или же непосредственно на уровне грунтовых вод.
 Результаты стандартного испытания пробной нагрузкой могут быть интерпретированы с помощью рис. 3.12, на котором приведены границы участков для кривых осадка-нагрузка в зависимости от относительной плотности песков. Если испытание было проведено на уровне грунтовых вод, перед построением этой кривой для сопоставления с кривыми на рис. 3.12 необходимо уменьшить величину осадки на 50.
 В некоторых случаях удобно воспользоваться забивкой свай как способом определения сопротивления грунта. Сваи должны затем нагружаться для определения их несущей способности. Правильное применение таких испытаний описано в разделе III.
 Геофизические методы. Границы между различными пластами подстилающего грунта можно иногда определить геофизическими методами. Эти способы основаны на том, что гравитационные, магнитные, электрические, радиоактивные и упругие свойства различных грунтов различны. В зависимости от того, какое свойство используется для определения различия между грунтами, геофизические методы могут быть разделены на гравитационные, магнитные, электрические, радиоактивные и сейсмические. Геофизические методы были разработаны в первую очередь для горнорудной промышленности, и большая часть их только в ограниченной степени может быть использована для целей гражданского строительства. Это объясняется тем, что различия в плотности, в радиоактивных и магнитных свойствах отдельных грунтов вблизи поверхности земли редко бывают столь существенными, чтобы можно было применить соответствующие геофизические методы исследования.
 Различие в упругих свойствах является основой для возможности применения сейсмических методов. При этом методе в данной местности производится взрыв и определяется время, необходимое для того, чтобы возникающие упругие волны достигли различных регистрирующих станций. Это время зависит от расстояния, которое должны пройти волны, и от скорости прохождения волны в данной среде. В зоне выветривания у поверхности почвенного горизонта скорость достигает 30 мсек. В глине она изменяется от 400 до 700 мсек и в твердом скальном грунте от
 114

4 до 8 кмсек. В связи с этим, для определения места залегания материковой породы под мягкими отложениями сейсмический метод является достаточно практичным. Если поверхность материкового грунта покрыта валунами, то сейсмический метод может оказаться более удобным, чем бурение.
 Существуют также методы, заключающиеся в том, что в массе грунта создаются вибрационные воздействия, и интенсивность вибрации измеряется в различных точках. В некоторых случаях: результаты таких испытаний могут характеризовать несущую спо собность грунта.
 По-видимому, можно считать, что в настоящее время из геофизических методов наиболее соответствующим требованиям строительства является метод электроразведки, основанный на неодинаковом электрическом сопротивлении различных грунтов. При этом методе в грунт забиваются два электрода на значительном расстоянии друг от друга, и между ними создается электрический потенциал. Потенциал измеряется в промежуточных точках между электродами. Затем расстояние между электродами изменяется, и наблюдения повторяются. В результате устанавливается зависимость между падением потенциала и расстоянием между электродами. Анализ результатов указанных измерений покажет границы отложений грунтов, обладающих различными характеристиками. В частности, методом электроразведки можно определить положение материковой породы, границы гравийных отложений в массе глины и положение уровня грунтовых вод. В комбинации с бурением этот метод представляет практическое значение для общей характеристики грунтового профиля на больших площадях. Детальное исследование грунтов на данной стройплощадке должно проводиться более точными методами.
 § 3.6. ЗАПИСЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ПОЛЕВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
 Запись результатов исследования грунтов должна быть ясна и точна. Полевые записи должны содержать даты начала и окончания испытаний, местоположение отдельных объектов в постоянной системе координат, отметку поверхности но отношению к постоянным реперам, уровень грунтовых вод, отметку верхней границы каждого слоя грунта или скалы, полевую классификацию слоев грунта и результаты испытаний на пенетрацию или других полевых методов определения консистенции и плотности. Записи об условиях, при которых были получены образцы с ненарушенной структурой большого диаметра, или образцы, отобранные вручную, должны быть как можно полнее.
 Инженер или техник, проводящий разведку, всегда должен помнить о том, что на первый взгляд незначительные подробности процесса бурения могут дать очень ценные сведения. В связи с этим, записи должны включать типы инструментов, при¬
 8
 115

менявшихся при исследовании, а также любые производившиеся смены, инструмента. Глубина, на которой производилась замена инструмента, и причина этой замены должны также отмечаться. Кроме того, должны фиксироваться методы, применявшиеся при креплении стенок скважины или шурфа. Все эти сведения должны резюмироваться по каждой скважине независимо от того, закончена ли она успешно или нет.
 После того как образцы были исследованы и испытаны в лаборатории, материалы должны быть ‘систематизированы надлежащим образом, и полевые записи вместе с лабораторными результатами должны быть приведены в такую форму, чтобы можно было нанести действительное положение границ между различными грунтами в удобном вертикальном масштабе.
 Глава 4
 ХАРАКТЕР ПРИРОДНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ § 4.1. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ПРИРОДНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ
 Большая часть скальных пород, с которыми встречается инженер при проектировании оснований, представляет собой осадки, отложившиеся некогда в мелководных морях. Моря покрывали огромные пространства, и условия осаждения, следовательно, были довольно однородными. При образовании складок и сбросов многие отложения того времени изменились, другие подверглись метаморфизму или превратились в изверженные породы под действием вулканических процессов. Однако большинство отложений осталось в основном однородными.
 Поскольку несущая способность всех ненарушенных скальных пород (за исключением самых слабых) очень велика, инженер прежде всего интересуется имеющимися дефектами и нарушениями, например, такими как плоскости напластований, трещиноватость, карстовые пустоты, участки химического или физического выветривания.
 В противоположность состоянию, существовавшему в течение длительного периода истории Земли, в настоящее время площадь суши и средняя ее высота над уровнем моря очень велики. Непрерывно происходят процессы эрозии и выветривания, а так как мелководных морей для осаждения имеется сравнительно мало, то многие осадки откладываются на самих материках. Следует указать, что современная эпоха началась непосредственно вслед за ледниковым периодом, и во многих частях земного шара существующая форма поверхности является непосредственным результатом деятельности ледников, которые вспахивали поверхность Земли, стирали горы и беспорядочно откладывали материалы — частично на суше, частично под водой. Влия-
 116

Рис. 4.1. Грунтовые отложения Соединенных Штатов и Канады (по Флинту, Бельчеру и др.)
 1 — ледниковые молодые и старые наносы, включая пески и гравий; 2 — ледниковые озерные отложения (главным образом, илы и глины); 3 — лёссовые грунты; 4 — грунты прибрежных районов (песок-глина, перемежающиеся и перемешанные пески, гравий, глины и илы; гравий и песок или песок); 5 — глинистые отложения прибрежных районов; 6 — грунты погребенных долин и наносы больших зандровых равнин (главным образом, пески и гравий с илами, песчанистые глины и глины); 7 — элювиальные грунты всех типов; 8 — современный аллювий (главным образом, илы и глины); 9 — районы, не имеющие грунтового покрова

ние оледенения сильно сказалось и йа районах, не задетых ледником. Так, во время ледниковой эпохи климат был холоднее, а количество атмосферных осадков больше, в результате чего образовывались большие внутриматериковые озера, а расходы воды в реках были необычайно велики.
 Поэтому отложения грунтов, с которыми приходится иметь дело инженеру, чрезвычайно разнообразны по сравнению с относительной однородностью скальных пород. Многие проблемы в области оснований и фундаментов связаны с мягкими или рыхлыми отложениями, образовавшимися в ледниковый период или позднее. Инженер должен изучать характер отложений на каждой стройплощадке с тем, чтобы определить наиболее неблагоприятные условия, которые могут встретиться в данном случае, и он не должен никогда заранее предполагать однородность отложения.
 На любой стройке программа исследований грунтов должна быть построена так, чтобы можно было определить характерные особенности напластования и, в частности, колебания его свойств от точки к точке. Однако затраты на исследования не должны быть больше, чем это требуется для достижения необходимых результатов, а это невозможно, если инженер не имеет по меньшей мере элементарных зданий о структуре различных типов грунтовых отложений. Такие знания помогут ему интерпретировать данные, полученные в полевых условиях и в лаборатории; они помогут ему также определить ту стадию .исследования, когда получаемые сведения уже не будут оправдывать дополнительных затрат.
 В следующих параграфах будет дано описание наиболее обычных типов природных грунтовых отложений и приведены типичные примеры результатов исследований для определения характеристик грунтов.
 На рис. 4.1 представлена схематическая карта США и Южной Канады, показывающая расположение различных встречающихг ся там типов грунтовых отложений.
 § 42. ГРУНТОВЫЕ ОТЛОЖЕНИЯ, ОБРАЗОВАВШИЕСЯ В ПЕРИОД ОЛЕДЕНЕНИЯ
 Грунтовые отложения, образовавшиеся в период оледенения, по-видимому, являются наиболее разнообразными из всех, которые были созданы природой. Огромные материковые ледники покрывали большую поверхность суши к северу от 40-й параллели. Повсюду, даже в тропиках, большинство гор было погребено или частично покрыто альпийскими ледниками. Лед выпахивал и захватывал обломки скалы и грунты, переносил и откладывал их. Все отложения материалов, образовавшиеся в результате деятельности ледников, известны под названием ледниковых отложений. Те из них, которые откладывались непосредственно ледниками, называются тиллем.
 118

Талая вода, текущая из-под ледника, также несла обломки пород и откладывала их широкими пластами..Скопления талой воды в виде потоков, текущих с различной быстротой в зависимости от времени года; создали флювиогляциальные отложения. Иногда талая вода оказывалась запруженной между высокой частью суши и самим ледником, образуя ледниковые озера, в которых откладывались так называемые ледниковоозерные отложения.
 Морены. Лед каждого действующего ледника непрерывно движется по направлению к подножию, перенося наносы. У кра-
 Рис. 4.2. Схематическое поперечное сечение через ледниковые отложения под Лейк-Стрит в Чикаго, показывающие несколько последовательных основных морен
 ев происходит таяние льда, и наносы скапливаются у подножия ледяного массива, где часть из них остается на замерзшей земле. Эти отложения образуют донную морену. Она состоит в основном из валунной глины с беспорядочным (эрратическим) строением. Небольшая часть донной морены откладывается в период наступления ледников, а большая часть—в период их отступления. Там, где происходит то увеличение, то уменьшение мощности ледника, у его подошвы всегда можно обнаружить несколько различимых слоев валунной глины. Рис. 4.2 показывает разрез грунта под деловым районом Чикаго, где имеются, по меньшей мере, три последовательных слоя донной морены.
 Если кромка льда остается неподвижной в течение нескольких лет, наносы скапливаются в виде гряды у переднего конца ледника. Такие скопления известны как конечные морены. Они состоят в основном из валунной глины, но могут иметь слоистое строение в тех местах, где были когда-то скопления талой воды. Здесь могут быть отложения, размытые и принесенные талой водой. Обычно на склоне морены скапливается большое количество песчаных, гравийных или илистых грунтов. Рис. 4.3 дает поперечный разрез такой морены.
 В центральной части Соединенных Штатов имеются огромные пространства, покрытые донной мореной с довольно ровной поверхностью. Они называются моренными равнинами. Различные пласты валунной глины «а таких равнинах разделяются на
 Запад
 119

древние плащеобразные отложения и на заполненные ледниковыми наносами русла.
 По-,видимому, все типы морен на участках временных скоплений воды содержат водно-осадочные глины и илы. Кроме того,
 Рис. 4.3. Схематическое поперечное сечение типичной конечной морены
 1 — мелкий влажный песок; 2 — мелкий водонгсыщенный песок;
 3 — флювиогляциальные наносы; 4 — песок; 5 — глина и ил;
 6 — гравий; 7 — скала; 8—конечная морена; 9 — донная морена
 в каналах и тоннелеобразных пустотах ледников могут отлагаться различные залежи однородного песка и гравия. Они обычно имеют вид включений неправильной формы, как показано на рис. 4.4. Было установлено, что некоторые морены состоят из глинистого тилля, обладающего исключительно равномерной
 влажностью, тогда как другие морены, образованные почти в таких же условиях, отличаются чрезвычайно неравномерной влажностью. Контакт между этими двумя типами морены иллюстрируется рис. 4.5.
 Моренные поля, по-видимому, плохо дренируются, особенно если валунная глина отложилась во время одного из
 Рис. 4.4. Включения крупного песка, обна- последних наступлений
 руженные при прокладке тоннеля в дон- ледника. В ПЛОХО дрени-
 ной морене, состоящей из мягкой глины рованных понижениях ча¬
 сто встречаются мощные пласты торфа.
 Флювиогляциальные отложения. В теплое время года с поверхностей материковых ледников стекают огромные количества воды, передвигая крупные материалы на небольшие расстояния, а пески, илы и глины — на значительные. Временные русла быстро забиваются раздробленной породой, а новые русла образуются в других местах. Отложения, возникшие в результате этих процессов, если они происходили около ледников, со¬
 120

t3
 3:
 стоят из линз крупных и мелких материалов, причем некоторые бывают рыхлыми, а некоторые—плотными. Они относятся к наиболее изменчивым природным крупнозернистым отложениям.
 Рис. 4.6 представляет собой фотографию дороги, проложенной через флювиогляциальные отложения около Денвера.
 На рис. 4.7 показан график пенетрации грунта стальными рельсами, которые забивались свайным копром в флювиогляциальный гравий в Порт-Альберни (Британская Колумбия). Легко видеть большое разнообразие в относительной плотности и в размере зерен грунта, несмотря на то, что исследования проводились на сравнительно небольших расстояниях друг от друга.
 Отложения ледниковых озер. Отложения, образовавшиеся в сравнительно спокойных водах ледниковых озер, отличаются очень правильными очертаниями, особенно в горизонтальных направлениях. Они бывают обычно слоистыми или ленточными. Это объясняется тем, что летом водные потоки приносили в озеро ил и глину, и большая часть того и другого материала оседала
 на дно. Зимой таяние ледников прекращалось, и в озеро осадки не поступали. Взвешенная глина продолжала осаждаться в продолжение всей зимы, а ил оказывался на дне через несколько дней. В результате этого отложение получало тонкослоистое строение, обусловленное чередованием слоев илистой глины или ила и более тонких слоев глины. Рис. 4.8, а представляет собой фотографию типичной ленточной глины.
 В тех случаях, когда дно находилось на небольшой глубине, влияние течений обусловливало образование отложений с очень
 Г
 §
 11
 7
 съ
 с;
 §'
 1
 ) 71
 liS
 7
 '55
 §
 £
 to
 4
 ly
 5
 -гГ 1 £ и £
 3: С'.
 1
 5
 7

 Jo t i
 :)
 t.
 10
 Z0
 Влажность в
 Рис. 4.5. Колебания влажности по вертикали в двух моренных отложениях, неразличимых наглаз
 121

Глубина погружения 0 м
 Рис. 4.6. Дорога, проложенная через флювиогляциальные отложения около Денвера, штат Колорадо
 54
 7-
 -С
 ь
 а':
 ЭфсректиВный Коэффициент диаметр частиц однородности Ujq мм U DqqDjq
 О 0,2 Ofi 0,6 О Z0 40
 Рис. 4.7. Сопротивление пенетрации флювиогляциальных гравийных отложений в Порт-Альберни, штат Британская Колумбия
 1 — песчаный ил; 2 — гравий и ил; 3 — гравий; 4 — мелкий песок; 5 — лесок [и Jrpa вий; 6— песок; 7 — гравий; 8— песок и гравий
 Число уда род на 30см погрутения

сложным расположением слоев. На рис. 4.8,6 представлен образец со дна старого ледникового озера Лэйк-Агассиз. Многие ледниковые озера больших размеров были образованы iboкруг теперешних Великих Озер и в долине Красной реки на Севере.
 Подобные же отложения, хотя и не со столь отчетливо выраженной слоистостью, возникали и в других озерах ледникового периода. Примером этого может служить дно долины около Соленого Озера (штат Юта), где раньше было озеро Боневиль. Котловина, в которой расположен город Мексико-Сити, тоже бы-
 Рис. 4.8. Типичная ленточная глина по Хворслеву (а) и слоистая глина со дна ледникового озера Лэйк-Агассиз (б)
 ла заполнена подобным же образом, но основная масса осадков была вулканического происхождения.
 Погребенные долины. По различным причинам уровень воды в ледниковых озерах сильно колебался во времени. Когда уровень воды был низкий, впадающие потоки образовывали долины в окружающей поверхности. По мере того, как вода в озерах медленно поднималась, эти потоки заполнялись отложениями, часто смешанными с растительными остатками. При более позднем продвижении ледников вся поверхность, вероятно, покрывалась озерными осадками или даже валунной глиной. Отдельные русла могли оказаться совершенно погребенными.
 На рис. 4.9 показан разрез погребенной долины ДжексонКаунти, штат Иллинойс (рис. 4.9,а). Можно заметить, что древняя долина русла заполнена грунтом, а теперешняя долина реки находится на значительном расстоянии от старой. Долина, показанная на рис. 4.8,6, была первоначально размыта в скальной породе, затем расширена ледником и заполнена валунной глиной. Затем она снова была размыта в валунной глине, заполнена осадками и покрыта лессом. Существующий ныне поток очень мал и размывает лесс.
 123

Такие погребенные русла очень часто встречаются около Beликих Озер и на берегах морей, так как уровень океана, вероятно, метров на 60 был ниже в течение ледникового периода, чем
 с]
 6)
 Рис. 4.9. Поперечное сечение через две погребенные долины в штате Иллинойс
 а — вся долина была покрыта песком, в котором расположено существующее ныне русло; б — долина была покрыта валунной глиной, которая затем была размыта и заменена аллювием, а затем покрыта лёссом; 7, 2 — слоистый песок;
 3 — слоистый илистый песок; 4 — существующая поверхность; 5, 6 — ил; 7 — слоистый илистый песок; 8 — слоистая илистая глина; 9 — скала; 10 — валунная глина; 77, 12 — лёсс;
 13 — ил; 14—существующая поверхность; 75 — слоистый илистый песок; 16, 17— валунная глина; 18— скала
 теперь. Правильное истолкование результатов разведочного бурения в районах погребенных долин требует по меньшей мере элементарного знания геологической истории данного района.
 § 4.3. РЕЧНЫЕ ОТЛОЖЕНИЯ
 Русловые отложения. В своем нижнем течении поток, насыщенный наносами, откладывает их на дне реки, и последнее постепенно поднимается. Поток же перемещается в ближайшее
 124

Рис. 4.10. Вид типичного блуждающего русла О
 X
 9
 СЭ
 £ 12
 J5
 в
 2
 X
 Гс
 л™х о
 К о i
 h ze6
 §-3 2В-1
 29,5 4
 Y y Y bB5
 си
 д
 1
 -J±
 к
 °7
 V
 У
 -р (p ui
 [B-7 B-Q
 -2- — -
 1
 . V • of
 k
 — y-
 План расположения снОатин
 B-1 x 6-2 • В-3 Д В-Ч- v B-5 ® B-6 . B-7 о B-Q □
 Г, '
 '
 A й У
 r
 ''7
 ' г
 i
 О □ ° ь
 •(
 V
 .
 D
 4 X
 0
 a
 '
 4°
 t
 о
 'О’
 Д
 4°
 □
 t-
 О W ZO 30 40 50 60
 Число ударов на 30 см проникания
 Рис. 4. 11. Изменение сопротивления пенетрации песков и илов в долине реки Седар (штат Айова)
 1 — песок от среднего до крупного; 2 — ил, глинистый ил и песок от очень мелкого до среднего; 3 — песок от крупного до среднего; 4 — очень мелкий илистый песок, ил и глинистый песок

углубление и разрабатывает новое русло. Такой поток разделяется на сеть рукавов, представляющих собой ряд протоков, то расходящихся, то сливающихся друг с другом. Положение этих
 протоков постоянно изменяется.
 Плотность и крупность частиц наносов, откладывающихся в каждом из протоков, обусловливаются скоростью течения и характером осадков. Поэтому такие отложения состоят из скопления отдельных линз, каждая из которых имеет достаточн9 однородное строение, но очень значительно отличается от соседних. На -рис. 4.10 показан снимок типичного разделения потока на отдельные рукава.
 Так как верхние участки потоков, которые начинаются в горных местностях, обычно текут непосредственно в скальных породах, то скальный грунт часто оказывается покрытым большими валунами и более мелкими обломками скалы.
 Изменение высотных отметок различных частей земной поверхности и изменение климатических условий оказывают значительное влияние на характер грунтов, отложенных потоком в любой данной точке. В результате этого русловые отложения многих потоков в гористых местах значительно отличаются от характера отложений на равнинных участках земной повер-хности.
 Изменения отложений илов и песков в долине реки Седар, штат Айова, которая когда-то служила выходом для ледниковой талой воды, показаны на рис. 4.11 в качестве примера.
 Пойменные отложения. Многие реки в своих руслах откладывают мало наносов, но в период наводнений вода, несущая ил, разливается по прилегающей пойменной части. Более крупные частицы грунтов осаждаются относительно быстрее, чем более мелкие частицы ила и глин. В связи с этим грунтовые отложения обладают слоистым характером. Обычно они состоят, главным образом, из мелкого песка и ила с тонкими прослойками крупнозернистого песка или глины. Хотя в горизонтальном направлении они совершенно однородны, в вертикальном—характер
 Рис. 4.12. Грунтовый керн диаметром 5 см из пойменных отложений Миссисипи около Батон Руж, штат Луизиана
 126

отложений не выдержан и беспорядочен. Проницаемость грунтов в горизонтальных направлениях очень велика по сравнению с проницаемостью в вертикальном направлении. Фотография образца
 I I I 1
 О 50 ЮО V50 чоо
 Расстояния в м
 Рис. 4.13. Профиль проницаемости ледниковых отложений дельты около Чикопи, штат Массачусетс (по К. Терцаги)
 1 — крупный серый песок; 2 — мелкий серый песок; 3 — желтый песок;
 4 — гравий; 5 — ил; 6 — песок; 7 — очень мелкий красноватый песок;
 9 — коричневый песок; 10 — мелкий серый песок; И — илистый песок;
 12 — крупный серый песок; 13 — темно-серый илистый песок; 14 — темно-серый ил; 15 — коричневый песок средней крупности; 16 — сильный артезианский поток; 17 — песчаник; 18 — очень крупный песок и гравий
 такого отложения из поймы Миссисипи (около Батон Руж) показана на рис. 4.12.
 Дельтовые отложения. При впадении потока, несущего осадки, в озеро или море в результате резкого уменьшения скорости потока наносы оседают на дно. Строение дельты, образовавшейся в таких условиях, относительно несложно, но возможны откло-
 127

1КЧМ1 и i гммичных схем, обусловленные местными особенностями и, и частности, тем, что береговые течения обычно перемещаются, а климатические условия изменяются. Изменение проницаемости дельтовых отложений, образованных в ледниковую эпоху около Чикопи (штат Массачусетс), показаны на рис. 4.13.
 § 4.4. ЭОЛОВЫЕ ОТЛОЖЕНИЯ
 Дюнный песок. Движение ветра по большим покрытым песком поверхностям пустыни, поймам широких рек и отлогим морским берегам обусловливает перекатывание частиц мелкого песка и. образование дюн. Более крупные частицы ветром не перемеща-
 100
 Ч 80
 60
 t3
 I
 §
 I
 о
 £
 ио
 20
 10
 ч
 -V
 N
 V
 ч
 Ч.
 V
 VA
 t;
 w oj
 Размер частиц в мМ'
 0.01
 Ч
 0,0 ОТ
 Рис. 4.14. Типичные кривые гранулометрического состава различных эоловых отложений
 1 — отложения в Денвере; 2— типичные отложения в Центральной Небраске (по Тэрнбулю); 3 — денверский речной гравий (для сравнения); 4 — типичные лёссы (по Шейдигу); 5 — дюнный песок
 ются, а пылеватые частицы уносятся. Благодаря такому отбору размеры частиц дюнного песка примерно одинаковы. И действительно, дюнные пески являются самыми однородными естественными отложениями. С увеличением расстояния от места начала движения крупность переносимых частиц уменьшается, а через несколько километров эоловые отложения могут состоять почти только из пылеватых частиц, образующих лесс. Кривые гранулометрического состава для «ескольких грунтов эолового -происхождения показаны на рис. 4.14.
 В промежуточной зоне накопления очень мелкого песка встречаются чрезвычайно рыхлые отложения. Результаты стандартного испытания на пенетрацию на одаой такой стройплощадке в Денвере показаны на рис. 4.15. Соответствующая кривая гранулометрического состава нанесена на рис. 4.14.
 128

Лесс. Размеры переносимых ветром пылеватых частиц, образующих лессовые отложения, уменьшаются с увеличением расстояния переноса. Несмотря на это лессовые отложения обычно бывают совершенно однородны. Связность их обусловливается пропитыванием солями или коллоидами, выщелачиваемыми дождевой водой из расположенной выше зоны выветривания грунтов. В связи с этим связность этих грунтов различна на отдельных участках. Глубокое выветривание или насыщение водой мо-
 V-3
 — W6,7m
 17 J3 J9 JO
 15
 План расположения cnOawuH
 0 JO 20 30
 Со'протидление fWHempaujauJN в цдарах на30см
 Рис. 4.15. Результаты стандартных испытаний на пенетрацию в 20 скважинах на одном строительстве в районе чрезвычайно рыхлого, мелкого, частично эолового песка в Денвере, штат Колорадо
 1 — мелкий глинистый песок; 2 — мелкий песок, ил и глина; З—плохо подобранные песок и гравий (не испытывался)
 жет привести к нарушению характерной структуры лессов, пронизанных корневыми канальцами и вертикальной системой трещин.
 Эти процессы могут носить местный характер и обусловливать неоднородность структуры таких грунтовых отложений. Лесс очень распространен в США, особенно в долине нижнего течения р. Миссисипи, и в центральных штатах от Канзаса и Небраски до Иллинойса. Образование лесса часто связывают с возникшими в ледниковые периоды большими лишенными растительности равнинами из ледниковых отложений.
 § 4.5. БЕРЕГОВЫЕ ОТЛОЖЕНИЯ
 Действие волн и береговых течений в озерах и океанах приводит к образованию береговых отложений, в первую очередь, из песка и гравия. Эти отложения могут быть сравнительно
 9 Зак. 1274
 129

J
 5
 к
 —7 Qj J
 £
 I
 1
 5 —
 ©
 о о •
 V
 3 Д V
 К
 ч
 in 1 О •
 VJ о1 1
 4- О
 ♦ V
 о
 V
 о
 к
 —V
 в —
 о
 1
 .
 О
 N
 1
 я
 О
 О
 а 1с 0
 д
 •
 го
 : f Л4
 О
 С
 vo,
 Г
 -Z6ZJ-
 Г
 5
 План расположения ск6анин
 W 20 30 40 50 60
 Сопротивление пенетраиии f N
 О ударах на 30 см
 Рис. 4.16. езультаты стандартных испытаний на пенетрацию в песчаных береговых отложениях южной части озера Мичиган
 — шлаковая насыпь; 2 рый илистый песок; 4
 мелкий желтый илистый песок и мелкий гравий 3 — мелкий се» - торф и мягкий органический ил; 5 — мягкая голубая глина
 Сопротивление проникании, N [число ударов ча 30 см прониканий j
 Спала
 Масштаб Горизонпчальныц : Q00 Be ртика ль ный 1 430
 Рис. 4.17. Разрез по сложным береговым отложениям около устья реки Мильвоки, штат Висконсин
 1 — песок от'среднего до мелкого; 2 — гравий и песок; 3 — торф и мягкий органический ил; 4 — жесткая глина

однородными и обладать средней и даже высокой плотностью. Результаты стандартных испытаний на пенетрацию песчаного берегового отложения у южной части озера Мичиган показаны на рис. 4.16.
 Если береговая линия изменялась в связи с изменениями уровня воды, то отложения песка могут беспорядочно чередоваться с отложениями ила и торфа. Такие формации называются сложными б е р е г oiB ы (М и отложениями. Типичный пример таких отложений около устья реки Мильвоки в штате Виаконсин показан на рис. 4.17.
 § 4.6. МАТЕРИКОВЫЕ СКАЛЬНЫЕ ПОРОДЫ И ЭЛЮВИАЛЬНЫЕ ГРУНТЫ
 Особенности невыветривавшейся материковой скалы. Структурные особенности материковой скалы обычно не вызывают затруднений у инженера-строителя. Однако некоторые типы скальных пород должны быть тщательно исследованы.
 Известняк и, в меньшей мере, доломит растворимы в грунтовой воде. Эти породы могут иметь большие пустоты, называемые карстовыми (часто заполненные глиной), или даже обширные пещеры. Отсутствие поверхностного стока воды или наличие воронок в районе залегания известняка указывают на существование каверн и карстовых nycfoT. Местоположение таких пустот должно быть определено, так как они представляют угрозу для устойчивости сооружений.
 Сланцы часто сравнительно сильно сжимаемы и имеют плоскости, по которым легко происходят горизонтальные сдвиги. В связи с этим может оказаться необходимым проведение соответствующих мероприятий для предотвращения сдвига, при действии на основание горизонтальных сил от подпорных стенок и устоев мостов.
 Различие между жесткими глинами и сланцами недостаточно четко выражено, и в некоторых случаях для точного определения подобного грунта могут оказаться необходимыми лабораторные испытания.
 Иногда основания для мостов и зданий должны располагаться в зоне сбросов, где при земляных работах встречаются круто падающие или сильно трещиноватые пласты. Поэтому, если предполагается выемка скальной породы, или сооружение намечено основать на скале, всегда желательно получить хотя бы приблизительное представление об общем геологическом строении района и о геологических особенностях стройплощадки, в частности.
 Процессы выветривания. Самыми древними скальными породами, выходящими на поверхность земли, являются осадки, подвергшиеся метаморфическим изменениям. Под воздействием высоких температур и давления они были сильно деформированы
 ••
 131

и в результате повторной кристаллизации на месте превратились в гранит и другие типичные изверженные горные породы. Их осадочное происхождение подтверждает активность агентов выветривания в течение всей геологической истории Земли, так как эти древние горные породы состоят из продуктов выветривания еще более древних пород.
 Некоторые факторы, обусловливающие выветривание, являются чисто физическими. Одним из наиболее важных процессов является неравномерное расширение и сжатие, которые возникают благодаря нагреванию и охлаждению масс горной породы, содержащей минералы с различными термическими свойствами. К другим процессам относятся: истирающее действие ветра и воды, особенно, когда они переносят частицы грунтов, усиливающих истирание; силы, возникающие при расширении замерзающей воды, и в прошлом, выпахивающее и перемалывающее действие ледников. Однако как бы ни были значительны эти физические факторы, они не могут уменьшить в результате разрушения размер отдельных частиц более чем до 0,01 мм. Более значительное разрушение частиц может быть вызвано лишь химическими процессами.
 Основными процессами химического выветривания являются окисление, гидратация, карбонатизация и растворение. Почти все материалы взаимодействуют с кислородом, в особенности во влажном климате. Больше всего этому взаимодействию подвержены железистые соединения. Взаимодействие с кислородом обычно сопровождается увеличением объема, вследствие чего окислившаяся часть может отделяться от материала, не подвергшегося изменению. Подобным же образом увеличение объема, сопровождающее образование новых минералов при гидратации, вызывает разрушение первоначальных минералов.
 Выпадающие дождевые воды растворяют из атмосферы небольшое количество углекислого газа и образуют слабый раствор углекислоты. Химическое взаимодействие некоторых минералов с углекислотой приводит к образованию более мягких и слабых минералов. При этом слабая углекислота является го-, раздо более эффективным растворителем, чем чистая вода. Она разрушает не только материалы, содержащие карбонат кальция но также и те, которые содержат природные силикаты (соли кремниевой кислоты).
 Как правило, физическое выветривание чаще всего имеет место в районах с холодным или сухим климатом, тогда как химическое выветривание преобладает в местах с теплым, влажным климатом. Процессы растительной и животной жизни усиливают воздействия указанных факторов.
 Когда скальные породы находятся глубоко под землей, они могут подвергаться химическому разложению под действием циркулирующих магматических (ювенильных) вод, содержащих
 132

большое количество химических веществ. Граниты и гнейсы при этом могут превращаться в мягкие породы типа глин, а твердые кварциты— в несвязный песчаный грунт.
 Когда процессы выветривания уничтожают сцепление между отдельными составляющими скальной породы, она превращается в грунт, состоящий из мелких частиц. Однако даже после этого происходит дальнейшее выветривание. В конце концов распад может быть настолько значительным, что в результате остаются лишь некоторые вещества, в частности, глинистые минералы.
 Выветрившаяся скала. Процесс выветривания редко в разрушает массу скальной породы равномерно. Скорость и степень разрушения зависят от многих обстоятельств, включая неоднородность минералогического состава первоначальной скальной породы, тип и характер дефектов и нарушений — плоскостей напластований, отдельностей и зон сбросов. Поэтому часто оказывается необходимым произвести детальное изучение расположения зон выветривания скалы, прочности и сжимаемости.
 В тропиках довольно часто встречаются образования, имеющие внешний вид прочной скальной породы, а в действительности подвергшиеся разрушительному воздействию химических факторов на многие десятки метров в глубину до такой степени, что оказываются менее пригодными в качестве оснований для тяжелых сооружений, чем мягкие глины.
 Во влажных тропических районах быстрое выветривание скальной породы и превращение ее в слабые глины приводит к многочисленным оползням на склонах холмов. При этом геологические условия могут быть очень сложными в связи с тем, что грунты часто могут состоять из элювиальных образований и оползневого материала того же происхождения в виде беспорядочной массы. Подобные условия встречаются в юго-восточной части США.
 Когда материковая порода состоит из сланцев или шифера и, в особенности, если последний содержит хлорит, слюду или.тальк, частично разложившийся материал носит название детрита1. Наличие детрита является одной из обычных причин оползней, особенно в Западной Виргинии и районах Огайо и Пенсильвании.
 На тех участках, где имеется постепенный переход от элювиальных отложений к прочной скальной породе, задача, стоящая перед инженером, состоит в том, чтобы определить наиболее подходящую глубину заложения основания. Это может потребовать тщательного исследования физических свойств грунтов, залегающих на различных глубинах.
 Элювиальный грунт. Если скопления продуктов выветривания скального грунта не подвергаются эрозии, то образуются элю¬
 1 В СССР детритом или детритусом называют обломочный материал, состоящий из обломков раковин например, детритовый известняк) или обрывков растений (Ред.).
 133

виальные грунты. В тропиках, где глубина и скорость выветривания очень велики, отложения состоят главным образом из глин. На юге США иногда встречаются отложения мощностью до 15 м, а отложения мощностью от 3 до 6 м не являются редкостью. В районах Арктики, где замерзание грунтов чередуется с оттаиванием, продукты выветривания обычно состоят из обломков скалы и песка. Толщина слоев таких элювиальных грунтов обычно не превышает 1,5 мх.
 Рис .4.18. Диаграмма пластичности, показывающая изменения в характеристиках элювиальной глины, образовавшейся из песчаника близ Боготы, Колумбия
 1—глины низкой пластичности; 2— глины средней пластичности; 3 — глины высокой пластичности; 4 — границы диаграммы Казагранде; 5 — илы высокой сжимаемости; 6 — илы средней сжимаемости
 Элювиальные грунты, в особенности те, которые образовались. при воздействии химического выветривания, могут обладать свойствами столь же неоднородными, как и перемещенные грунты. По-видимому, незначительные различия в материнских породах, топографии, характере грунтовых вод и климатических условиях приводят к значительной разнице в физических характеристиках грунтов. Элювиальные глины могут быть мягкими водонасыщенными грунтами, с большими различиями в ’пластичности и других свойствах даже в пределах ограниченного района. Рис. 4.18 является диаграммой пластичности, показывающей характеристики ряда образцов, взятых на глубине 3 м под слегка наклоненной поверхностью одного из склонов холма близ Боготы (штат Колумбия). Различия всех других физических свойств оказались столь же поразительными.
 1 В северных районах могут встречаться мощные толщи элювия, относящиеся к древней коре выветривания (Ред.).

Глава 5
 ОБЪЕМ ИССЛЕДОВАНИЙ ГРУНТОВ
 Рис. 5.1. Буровая вышка с оборудованием для бурения в скале. Переносная буровая вышка широко применяется при грунтовой разведке. В грунтах скважины проходятся гидравлическим методом и могут укрепляться обсадными трубами диаметром 63 мм. Отбор образцов производится разрезным грунтоносом при проведении стандартных испытаний на пенетрацию, либо тонкостенными трубами диаметром 50 мм. Скала или крупные валуны бурятся с помощью оборудования, показанного на фотографии

§ 5.1. СОСТАВЛЕНИЕ ПРОГРАММЫ ИССЛЕДОВАНИИ
 Введение. В предыдущей главе было показано, что в большинстве случаев грунтовые напластования чрезвычайно разнородны по своему строению. Совершенно очевидно, что разведка эрратических отложений может дать лишь самое приближенное представление как о средних значениях физических характеристик материала вообще, так и об их возможных колебаниях.
 В зависимости от характера отложений, выбирается такой метод разведки, который обеспечил бы получение максимального количества полезных сведений. Так, если фундамент большого сооружения должен быть возведен на достаточно однородном слое глины, то следует считать целесообразным проведение значительного количества испытаний образцов ненарушенного грунта, так как результаты этих испытаний позволят сделать довольно точный прогноз как величины, так и скорости осадки.
 Если же сооружение намечено возвести на грунте, в котором имеются песчаные, илистые и глинистые карманы и линзы, расширенная программа исследований не оправдывает себя, так как добавочные испытания могут дать немногим больше для выводов, чем даст знание индексационных свойств, установленных по характерным образцам. Значительно более точные сведения могут дать, испытания на пенетрацию, которые позволяют установить расположение различных мягких и жестких элементов грунтового массива. Если грунтовый профиль достаточно сложен, расширение программы исследований вряд ли должно иметь место.
 Программу разведки следует установить с учетом значимости проектируемого сооружения. Если общая стоимость строящегося объекта относительно невелика, то значительный объем исследований экономически не может быть оправдан. В таком случае приходится использовать все уже имеющиеся сведения о грунтах и при расчетах принимать увеличенный коэффициент запаса.
 Предварительная разведка. Перед составлением программы разведки следует произвести сбор .уже имеющихся данных и. сведений о геологии района строительства и о поведении сооружений, расположенных в непосредственной близости от проектируемых.
 О хорошо освюенных районах с неблагоприятными геологическими условиями, где ранее проводились значительные исследования, полезные сведения можно получить в технических журналах или опубликованных докладах. В мало изученных районах, где только начинает развиваться промышленное строительство, может быть очень мало сведений о поведении сооружений. Тогда инженер вынужден ограничиться данными, приведенными в различных геологических картах, геологических обзорах или в литературе о почвенных исследованиях в связи с агротехническими
 136

вопросами или со строительством шоссейных дорог. Информация, которая может быть получена из этих источников, указана в § 1.8 при рассмотрении геологической и почвенной систем классификации.
 На основании этих данных устанавливается объем предварительной разведки. Чаще всего (за исключением случая скального основания) применяются скважины ручного или гидравлического бурения, и полученные данные дополняются результатами стандартного испытания на пенетрацию. Следует указать, что для многих проектов нет необходимости в более подробной разведке. Отказ от детальной разведки возможен ,в том случае, если нагрузки на основание будут невелики или если без чрезмерных затрат может быть принят увеличенный коэффициент запаса, в том случае, когда сооружение основывается на породах с высокой несущей способностью (например, на скале) или, наконец, тогда, когда обычное сооружение -возводится в хорошо исследованных условиях, для которых имеются надежные эмпирические правила или строительные нормы.
 Детальная разведка. Когда предварительная разведка не обеспечивает получения достаточных данных для проектирования и строительства, требуется проведение детальной разведки. Она выполняется такими методами, которые позволили бы получить искомые данные с наименьшими затратами.
 Для исследования свойств довольно однородных отложений мягкой глины или ила, как правило, наиболее экономично отбирать сплошной по высоте образец с помощью стальной двухдюймовой трубы и подвергать его соответствующим лабораторным испытаниям (см. гл. 15). Неоднородные отложения мягкого ила. и глины можно изучить с помощью испытаний на пенетрацию в сочетании с отбором образцов двухдюймовой трубой. Последнее позволит правильно истолковать данные, полученные при помощи пенетрометра. Пески могут быть исследованы путем стан-, дартного испытания на пенетрацию, а также при помощи динамического испытания коническим пенетрометром.
 На некоторых крупных стройках или при исключительно сложных геологических условиях могут понадобиться дополнительные данные. В таких случаях может быть целесообразным получение ненарушенных образцов большого диаметра из слоев с. малой несущей способностью, проведение испытаний пробной нагрузкой, проведение пробной откачки или иных специальных исследований. В связи с тем, что такие исследования всегда обходятся дорого, их следует предпринимать только для изучения тех вопросов, которые не могут быть выяснены более дешевыми методами.
 Количество и глубина скважин. Программу разведки нельзя окончательно определять заранее; следует уточнять ее шаг за шагом, по мере накопления необходимых данных. При таком методе можно при тех же затратах получить максимальный объем
 137

сведений и прекратить исследования, как только будут собраны соответствующие материалы. Поэтому для составления программы разведки нельзя установить жестких правил.
 Для зданий или сооружений обычных размеров вполне достаточно провести бурение в четырех точках — по углам сооружения. За исключением случаев, когда основанием служит скала, первую скважину следует пробурить до максимальной глубины, на которой напряжения от сооружения еще могут вызывать ощутимое сжатие irpy-нта. Эту глубину можно установить на основе приближенного расчета осадки, как указано в гл. 15. Для сильно нагруженных конструкций глубина первой скважины должна быть равна двойной наименьшей ширине сооружения. Под легко нагруженными сооружениями, с колоннами, расположенными на большом расстоянии друг от друга, глубина первой скважины должна быть не менее двойной вероятной ширины наибольшего фундамента.
 Вторая скважина должна выяснить, является ли основание относительно однородным или нет. Если результаты аналогичны данным, полученным по первой скважине, то бурение второй скважины можно прекратить, когда скважина пройдет через все .мягкие или сжимаемые слои, встреченные первой скважиной.
 Если скважины встретили скалу, на которой в данных условиях может быть основано сооружение, то скважину следует пробурить на глубину от 1,5 до 3 м в монолитной скале, чтобы установить, что достигнута именно скала, а не валуны. Когда имеются данные, свидетельствующие о наличии карста, или о глубоком выветривании, то следует продолжать бурение, пока не будет встречена монолитная скала.
 По мере осуществления программы исследований, инженер должен использовать все новые данные. При необходимости дополнительных скважин, испытаний ,на пенетрацию или специальных исследований, они должны быть запланированы таким образом, чтобы каждое дополнительное исследование, предусмотренное программой, обеспечивало максимальное освещение отдельных вопросов на данной стадии исследований.
 Заключение. Независимо от того, насколько обширна программа разведки и испытаний, всегда остается значительная неуверенность в оценке действительных геологических условий данной площадки. Этот факт имеет исключительно большое практическое значение. Он делает расчет фундамента в корне отличным в своих основных положениях от расчета других видов конструкций. Инженер не может вести проектирование так, как если бы ему приходилось работать со сталью, бетоном или деревом, имеющими вполне определенные свойства. Хотя эти материалы не совершенно однородны, все же при расчетах их можно почти всегда считать практически однородными. Испытания немногих образцов, отобранных из эрратического отложения, не могут дать удовлетворительной основы для расчета, ибо инженера
 138

интересует поведение основания в целом, а не отдельных образцов.
 Поэтому для получения окончательных данных инженеру иногда приходится ждать того момента, когда он сможет непосредственно судить о том, что происходит со строящимся сооружением в действительности, и вносить на ходу коррективы в проект,
 В III части книги особое внимание будет уделено разработке методов, позволяющих произвести расчет на разумной и экономичной основе, несмотря на трудности, вызванные неуверенностью в поведении под нагрузкой основания в целом.

ЧАСТЬ II
 ТИПЫ ФУНДАМЕНТОВ И МЕТОДЫ ИХ СООРУЖЕНИЯ
 Одним из необходимых условий успешного проектирования фундаментов является надлежащее знание строительных особенностей грунтов и скальных пород, служащих основанием для сооружения. Часть I была посвящена рассмотрению этих вопросов, определяющих проектирование оснований и фундаментов.
 В части. II изложены не менее важные вопросы о применяемых обычно типах фундаментов и методах производства работ. В этой области традиция и опыт сыграли более значительную роль, чем теория, и частично в связи с этим проектирование оснований и фундаментов справедливо считается искусством.
 В процессе развития, на который оказывали значительное влияние относительная стоимость рабочей силы и материалов, в Америке получили широкое применение определенные типы фундаментов и определенные методы строительства их. Они кратко изложены в этой части, которая представляет собой краткий обзор современной практики строительства. Инженер должен использовать ее за исключением лишь тех случаев, когда он. встречается с совершенно необычными условиями.
 Глава 6
 РАЗРАБОТКА КОТЛОВАНА Н КРЕПЛЕНИЕ ЕГО ОТКОСОВ
 § 6.1. ВВЕДЕНИЕ
 Фундаменты большинства сооружений располагаются ниже уровня земли. Поэтому они не могут быть заложены до тех пор, пока до отметки подошвы фундамента не будет вынут грунт или скальная порода. В функции инженера-строителя входит выбор метода строительства и оборудования для производства земляных работ на данной площадке. Он должен также запроектировать и рассчитать крепление котлованов.
 140

Для крупных и сложных сооружений иногда невозможно подготовить проект основания и фундаментов без того, чтобы одновременно не выбрать метода строительства. Когда проект сооружения и методы производства работ настолько тесно связаны, что они должны рассматриваться как единое целое, инженер обязан разработать соответствующие технические требования к производству работ.
 В водопроницаемых грунтах рытье котлована ниже уровня грунтовых вод обычно требует осушения площадки до начала или во время работ. В данной главе мы примем, что уровень грунтовых вод находится ниже отметки дна котлована, или что он временно понижен. Работы по осушению котлована будут рассмотрены в следующей главе.
 Кроме того, в этой главе мы рассмотрим только общие вопросы производства земляных работ и обеспечения устойчивости откосов котлованов и выемок. Более подробно на соответствующих мероприятиях мы остановимся в части III.
 § 6.2. КОТЛОВАНЫ БЕЗ КРЕПЛЕНИЯ
 Неглубокие котлованы Могут быть отрыты без крепления откосов, если для этого имеется достаточная площадь вокруг котлована. Крутизна откосов зависит от характера грунта или скалы, климатических и метеорологических условий, глубины котлована и длительности нахождения котлована в открытом состоянии. Как правило, откосы котлована выполняются настолько крутыми, насколько это позволяют требования устойчивости, так как очень небольшое местное оползание.грунта, которое при этом может иметь место, обычно не представляет опасности. Затраты на удаление такого сползшего грунта из котлована бывают значительно меньше, чем стоимость дополнительной выемки, которая может потребоваться для обеспечения более пологих откосов. Наибольшую крутизну неукрепленных откосов, которая может допускаться в данном районе, лучше всего определить при помощи опыта.
 Большинство песчаных грунтов содержит очень небольшое количество цементирующих веществ или обнаруживает некоторую связность благодаря содержащейся в них влаге. Не следует полагаться на подобную цементацию илй кажущееся сцепление при решении вопроса об устойчивости постоянных откосов, но обычно эти свойства можно использовать в течение короткого периода, когда котлован стоит открытым. Хотя для песчаного грунта обычное заложение для постоянных откосов равно 1 :1,5, для строительных котлованов нередки откосы с заложением 1 :0,5.
 Максимальная крутизна откосов глинистых грунтов зависит от глубины выемки и сопротивления глины сдвигу. Если ниже дна котлована лежит мягкая глина, то, для того чтобы избежать выпучивания дна, могут потребоваться пологие откосы. Кроме
 141

того, в жестких и твердых глинах обычно имеются или возникают поверхностные трещины. Если эти трещины заполняются водой, то образовавшееся в них гидростатическое давление значительно уменьшает коэффициент устойчивости и может вызвать разрушение откосов. Вода в трещинах постепенно размягчает глину, вследствие чего со временем устойчивость откоса уменьшается. В связи с этим часто применяется крепление откосов котлованов в глинистых грунтах, несмотря на то, что глинистый грунт мог бы короткое время удерживаться в откосах необходимой высоты без крепления.
 § 63. КРЕПЛЕНИЕ ОТКОСОВ НЕГЛУБОКИХ КОТЛОВАНОВ
 Во многих случаях строительные площадки граничат с участками, на которых уже имеются сооружения. В этом случае откосы котлована должны быть вертикальными, с соответствующим
 Рис. 6.1. Обычные методы крепления откосов неглубоких котлованов:
 1 —распорка; 2 — шпунтовая стенка; 3, 4—боковые схватки;
 5 — подкосы; 6 — упорная подкладка
 креплением. Значительное распространение получило несколько способов крепления откосов, описанных ниже.
 Если котлован не превосходит по глубине 3,5 ж, то обычно осуществляется забивка вертикальных досок, образующих шпунтовую стенку по контуру предполагаемой выемки. Шпунтины обычно забиваются несколько ниже отметки, на которой ведется рытье грунта и постепенно осаживаются вниз по мере углубления выемки. Шпунтовый ряд удерживается с помощью горизонтальных продольных брусьев-схваток, которые в свою очередь опираются на горизонтальные брусья, распирающие стенки котлована. Эти распорки обычно бывают деревянными, но если ширина котлована не превышает 1,5 ж, то для указанной цели применяется так называемое траншейное крепление в виде раздвижных металлических труб. Если котлован слишком широк для применения распорок, проходящих через всю его ширину, то
 142

схватки могут подпираться наклонными подкосами. Применение подкосов требует, чтобы грунт на дне котлована был достаточно надежным для их опирания.
 На рис. 6.1 приводятся две типичные конструкции крепления для неглубоких котлованов.
 § 6.4. КРЕПЛЕНИЕ ОТКОСОВ ГЛУБОКИХ КОТЛОВАНОВ
 Когда глубина котлована превышает 4,5—6 м, требуются другие методы крепления, так как примейейие вертикальных деревянных шпунтовых рядов становится неэкономичным.
 В ряде случаев по краям котлована забиваются стальные шпунтовые сваи. По мере выемки грунта из огражденной пло-
 Рис. 6.2. Типы стальных шпунтовых свай, применяемых при креплении откосов глубоких котлованов а — плоский шпунт; б — корытный шпунт; в — Z-образный шпунт
 щади, устанавливаются горизонтальные схватки и распорки. Типы стального шпунта, обычно применяемые для этой цели, показаны на рис. 6.2. Прочность и жесткость корытного шпунта типа б большая, чем плоского шпунта a, a Z-образная шпунтина в обладает наибольшей прочностью и жесткостью из всех прокатных профилей шпунтов. Вследствие этого, типы а и б используются для мелких выемок, а тип в — для наиболее глубоких котлованов или в тех случаях, когда могут возникать весьма значительные давления.
 Как только выемка углублена на несколько десятков сантиметров, в котловане устанавливаются горизонтальные схватки и распорки (рис. 6.3). Схватки обычно делаются из стали, а распорки могут быть стальными или деревянными. Затем котлован отрывается до более низкой отметки, и устанавливается следующий ряд схваток и распорок. Этот процесс продолжается до завершения разработки котлована. Для большинства грунтов рекомендуется забивать шпунты несколько ниже дна котлована, чтобы предотвратить выпирание грунта. В некоторых случаях такая заделка может исключить необходимость установки распорок у дна выемок. Очень важно обеспечить вертикальное опирание системы распорок и схваток. Это достигается установкой стоек под распорками для передачи их веса на подстилающий грунт или подвешиванием распорок к балкам, положенным поперек верха котлована.
 на

О)
 т
 S)
 T
 Г
 wrmT-.-’TT-
 Рис. 6.3. Схемы крепления глубоких котлованов
 а — крепление стальными шпунтовыми сваями; 6 — крепление двутавровыми сваями с деревянной забиркой; 1 — стальной шпунт; 2 — схватка; 5— прокладка из твердого дерева; 4 — распорка; 5 — двутавровая свая; 6 — забир-
 ка; 7 — клин; 8 — горизонтальная схватка
 Рис. 6.4. Схема крепления глубокого широкого котлована
 1— существующее здание; 2 — крепление, устанавливаемое перед выемкой оставшейся части грунта; 3— часть железобетонного сплошного фундамента; шпунтовые сваи

Во многих грунтах можно оставить незащищенными часть вертикальных стенок, площадью в несколько десятков квадратных дециметров, не опасаясь оползания грунта. В таких случаях можно отказаться от шпунтового крепления и заменить его сваями из двутавровых балок, забитых на некотором расстоянии друг от друга. Полки этих свай должны быть параллельны откосам котлована, как показано на рис. 6.3,6. Когда грунт между сваями удаляется, устанавливаются горизонтальные доски, называемые забиркой, как показано на этом рисунке. По мере углубления выемки устанавливаются горизонтальные схватки и распорки, как и при шпунтовом креплении.
 Если ширина глубокого котлована слишком зелика, и установка распорок через весь котлован невозможна, то можно применить наклонные подкосы при соответствующем опирании на грунт. В некоторых случаях бывает целесообразно отрыть центральную часть котлована до максимальной глубины и выполнить там часть постоянного фундамента. Тогда законченная часть фундамента будет служить опорой для подкосов, которые необходимы в период разработки остальной части котлована. Этот метод показан на рис. 6.4.
 Иногда предпочитают закончить возведение наружных стен сооружения до того, как будет выполнен котлован подвального этажа. Эти стены возводятся в узких траншеях (рис. 6.5). После возведения стен и перекрытия первого этажа можно вынуть оставшуюся между стенами часть грунта. Перекрытие создает опору для верхней части стен, а при необходимости можно устанавливать дополнительные опоры по мере углубления котлована.
 § 6.5. ПОДВИЖКИ ГРУНТА, СВЯЗАННЫЕ С РЫТЬЕМ КОТЛОВАНОВ
 Земляные работы всегда связаны с выемкой грунта и, следовательно, вызывают изменение напряженного состояния породы или грунта под котлованом и в зонах, прилегающих к нему.
 Рис. 6.5. Метод возведения стен подвального помещения в траншеях перед отрывкой котлована под весь подвал
 1 — горизонтальная схватка; 2 — распорки; t3 — шпунтовый ряд
 Ю Зак. 1274
 145

Это явление имеет место независимо от того, раскреплены откосы котлована или нет. Поскольку нет такого грунта, который не претерпевал бы изменений напряжений без соответствующих деформаций, то земляные работы всегда вызывают смещение прилегающей поверхности грунта. Такие смешения приводят к осадкам, хотя при некоторых, довольно редких условиях поверхность грунта может выпучиваться.
 Однако правильно рассчитанное и тщательно установленное крепление может существенно уменьшить изменение бокового
 давления грунта, прилегающего к выемке и, следовательно, уменьшить осадку до минимальной величины. Там, где осадки могут повредить соседнее сооружение, инженер должен быть уверен в том, что предложенный им способ крепления откосов сведет эту осадку к допустимому минимуму. Если осадка все же становится чрезмерной, то это можно с полным основанием отнести за счет плохого качества выполнения работ. Эти вопросы изложены более подробно в главе 18.
 Обычно рекомендуемой предупредительной мерой для сведения деформации прилегающего грунта к практически приемлемому минимуму является предварительное напряжение каждой распорки при ее установке. Один из способов осуществления этого мероприятия показан на рис. 6.6. Прежде чем поставить основную, устанавливают две вспомогательные распорки, снабженные гидравлическими домкратами, для того чтобы увеличить расстояние между горизонтальными схватками. Затем устанавливают основную распорку и плотно заклинивают ее, чтобы в ней возникло усилие в несколько тонн, когда домкраты будут удалены.
 Глава 7
 ДРЕНАЖ И СТАБИЛИЗАЦИЯ ГРУНТА
 § 7.1. ВВЕДЕНИЕ
 Если котлован разрабатывается ниже уровня грунтовых вод в грунте с коэффициентом фильтрации большим, чем 10-3 см1сек то грунт следует осушить, чтобы обеспечить благоприятные уело-
 Рис. 6.6. Метод предварительного напряжения распорок для крепления откосов котлованов
 J—стальные схватки; 2 — шпунтовые сваи; .)’ — клинья; 4 — прокладки из твердого дерева; .5 — постоянная распорка (заклинивается после того, как горизонтальные брусья распираются домкратом); 6 — вспомогательная распорка с гидравлическим домкратом
 146

вия производства работ. Если коэффициент фильтрации грунта колеблется в пределах 10_3 —Ю“5 смсек, то количество воды, проникающей в котлован, может быть незначительным, но дренажные работы могут все же потребоваться, чтобы обеспечить устойчивость откосов и дна котлована. Если же коэффициент фильтрации меньше 107 смсек, то грунт может обладать достаточной связностью, чтобы противодействовать силам фильтрации и дренаж не понадобится, если даже дно выемки будет значительно ниже уровня грунтовых вод.
 После завершения строительства зданий с подвальным этажом часто необходимо удержать грунтовые воды на одном уровне. Для этого требуется устройство постоянного дренажа.
 Сущность процесса дренирования была описана в § 2.4. Возможность уменьшения осадки путем дренажа рассматривается в § 18.3. В части III будут описаны специфические особенности дренажных работ в различных грунтовых условиях. В данной главе рассмотрены в основном общие вопросы техники дренирования и необходимое для этого оборудование.
 § 7.2. ДРЕНАЖНЫЕ КАНАВЫ И ЗУМПФЫ
 Для понижения уровня грунтовых вод в песках или таких грунтах, которые стали водопроницаемыми из-за трещин, можно применять дренаж с помощью канав, если для них имеется достаточное место. В илистых или мелких песках откосы канав должны быть достаточно пологими, чтобы противостоять фильтрационному давлению.
 Относительно пологие откосы канав в песках обычно исключают применение этого способа при необходимости понижения уровня грунтовых вод на глубину большую нескольких десятков сантиметров. Открытые канавы часто устраиваются на дне котлованов для сбора фильтрующейся в него воды. Такие канавки отводят воду к зумпфу, из которого она откачивается.
 Зумпф представляет (собой колодец, дно которого находится ниже уровня дренажных канав, входящих в него. Выполнять зумпфы следует с особой тщательностью, чтобы предотвратить размыв стенок и дна зумпфа и исключить возможность откачки из него вместе с водой и грунта. Для уменьшения выноса песка и предотвращения возникающего при этом нарушения устойчивости, часто оказывается целесообразным обшить стенки зумпфа досками и на дне его положить крупнозернистый грунт, работающий как фильтр. Такой зумпф для открытой выемки в песке показан на рис. 7.1.
 Как временный, так и постоянный дренаж может быть также осуществлен при помощи траншей, с уложенными в них гончарными дренами или перфорированными трубами- с обсыпкой фильтрующим материалом. Чтобы предотвратить вымыв мелко¬
 10
 147

зернистого грунта из засыпки или откосов, может оказаться не обходимым уложить по контуру слои зернистого материала, расположенные по принципу обратного фильтра. Желательно, что-
 Рис. 7.1. Зумпф, защищенный фильтром в песчаном грунте котлована
 7 — отводящая труба; 2 — насос; 3 — всасывающая труба; 4 —кривая депрессии; 5 — стенки зумпфа (поддерживаются шпунтом до момента укладки фильтра и установки крепления); 6 — крепление; 7—проволочная сетка; 8 — фильтрующий слой из крупного песка и гравия
 бы размер отверстий в дренажных трубах приблизительно равнялся D60 частиц окружающего грунта.
 § 7.3. ИГЛОФИЛЬТРЫ
 Уровень грунтовых вод в грунте может быть понижен до глубины 4,5—
 5.5 м с помощью иглофильтров. Игло¬
 фильтры представляют собой перфорированные трубы длиной около 1 м и диаметром 1,5 (38 мм), покрытые
 цилиндрической металлической сеткой, защищающей от проникновения мелких фракций. Эта труба прикрепляется к концу всасывающей трубы диаметром 38—50 мм, опущенной в грунт вертикально. Иглофильтр может быть погружен с помощью подмыва без забивки.
 Установленные на расстоянии 0,6—
 1.5 м друг от друга колодцы соединяются трубопроводом, диаметром 150— 200 или 250 мм, уложенным на поверхности земли и связанным с всасывающей трубой. На рис. 7.2 показаны детали этого устройства.
 Рис. 7.2. Детали установки иглофильтра
 1 — коллектор; 2 — колонка труб;
 3 — фильтр из песка и гравия;
 4 — кривая депрессии; 5 — фильтровое звено, покрытое сеткой;
 6 — наконечник; 7 — подмывные отверстия
 148

При глубине котлована свыше 4,5 м ниже уровня грунтовых вод обычно требуется устройство нескольких ярусов иглофильтров. После того, как грунт вынут на глубину до 4,5 м, но прежде
 Рис. 7.3. Многоярусное водопонижение
 1 — отводящая труба; 2 — насос; 3 — первоначальный уровень грунтовых вод; 4— берма и дренажная канавка; 5 — пониженный уровень грунтовых вод; 6 — отводящая дренажная канавка и зумпф
 чем будут отрыты следующие 4,5 ж, устанавливаются иглофильтры. Их располагают на откосах по бермам, по которым прорыты также дренажные канавы. Такое водопонижение называется многоярусным или ступенчатым (рис. 7.3).
 Если коэффициент фильтрации грунта меньше 104 смсек, то осушения нельзя достигнуть только откачкой воды из иглофильтров, так как капиллярные силы удерживают воду в порах грунта. Однако осушение можно произвести при помощи вакуумного метода (рис.
 7.4). При этом методе иглофильтры устанавливаются путем подмыва грунта струей воды под давлением, достаточным, чтобы образовать скважины диаметром около 20 см.
 Затем вокруг иглофильтра создается обсыпка из среднезернистого или крупного песка. Эту обсыпку следует осуществить возможно быстрее. Верхние 0,6—0,9 м тампониру¬
 Рис.
 7.4. Схема вакуумного водопонижения
 1 — коллекторная труба, к которой присоединен вакуум-насос; 2 — зона капиллярной влаги; 3 — первоначальный пьезометрический уровень;
 4 — плотная глинистая набивка;
 5 — песчаный фильтр под вакуумом; 6 — уровень воды в фильтре
 149

ются водонепроницаемым материалом, таким как, например глина. Затем производится откачка воды с помощью оборудования, способного поддержать вакуум в иглофильтрах и окружающей их обсыпке из песка. Давление внутри фильтра удается понизить до небольшой доли атмосферного давления, в то время как на поверхности земли действует атмосферное давление. При этом грунт уплотняется под давлением около 1 кг1см2.
 Вакуумный способ очень эффективен для уплотнения илов
 и органических илов, однако для достижения их надлежащего
 уплотнения и устойчивости требуется несколько недель.
 § 7.4. ГЛУБИННЫЕ НАСОСЫ
 При очень глубоких котлованах устройство 'Многоярусного водопонижения имеет тот недостаток, что уровень грунтовых вод по краям котлована понижается довольно резко и гидравлический градиент вблизи
 котлована сильно возраста¬
 ет.
 В результате возникает фильтрационное давление, которое может нарушить устойчивость откосов. При
 этих условиях более безопасно и иногда более экономично устраивать глубокие дренажные колодцы большого диаметра с глубинными насосами. Рис. 7.5 показывает типичную схему устройства таких колодцев.
 Дренажные колодцы представляют собой трубы диаметром, как правило, от 150 до 500 мм. На участках водопроницаемого грунта они перфорированы. В некоторых установках применяются многоступенчатые центробежные насосы, устанавливаемые на дне колодцев. Мотор ставится наверху трубы и соединяется с насосами вертикальным валом. Производительность насосов такого типа диаметром в 150 мм составляет 0,5—0,9 мъмин при напоре ъ 30 м. Для насоса требуется мотор в 10—15 л. с. За последние годы большое распространение получили установки, в которых мотор погружается непосредственно вместе с насосами.
 Поскольку глубинные насосы довольно дороги, они применяются только на крупных стройках.
 § 7.5. УПЛОТНЕНИЕ ГРУНТА С ПОМОЩЬЮ ПЕСЧАНЫХ СВАЙ
 Часто бывает необходимо построить сооружение или насыпь на мелкозернистом грунте с малым сопротивлением сдвигу. Первоначальная прочность грунта может быть слишком малой
 Рис. 7.5. Дренаж с помощью глубинных насосов
 1 — к отводящей трубе; 2 — глубинный насос; 3 — первоначальный уровень грунтовых вод; 4 —кривая депрессии; 5 — коллектор
 150

для того чтобы выдержать вес сооружения без разрушения основания. Однако если слабые грунты могут быть осушены так быстро, что уплотнение происходит почти со скоростью приложения нагрузки, то возрастание прочности грунта может быть достаточным для обеспечения безопасности сооружения.
 С целью ускорения водопонижения в мало проницаемых грунтах можно устраивать вертикальные дрены. В США они обычно выполняются 'в виде песчаных стагбов диаметром 0,6 м,
 Рис. 7.6. Устройство песчаных дрен
 1 — гравийное покрытие; 2 — насыпь; 3 — поверхность земли;
 4 — мягкий сжимаемый грунт; 5 — плотный грунт; 6 — вертикальные песчаные дрены диаметром 0,6 м на расстоянии 3—4,5 м друг от друга в обоих направлениях
 расположенных по углам квадратов или треугольников на расстоянии 3—4,5 м. Поверхность земли над этими дренами покрывается водопроницаемым гравийным покровом, на котором сооружается здание или насыпь (рис. 7.6). По мере возрастания нагрузки вода вытесняется из грунта в дрены и оттуда через горизонтальное гравийное покрытие в дренажные канавы. Скорость уплотнения грунта можно регулировать путем изменения диаметра дренажных свай и расстояния между ними.
 § 7.6. РАЗЛИЧНЫЕ СПОСОБЫ ОСУШЕНИЯ И УКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТОВ
 Стабилизация песчаных и илистых грунтов путем дренирования не всегда практически осуществима. Поэтому были разработаны другие способы, в большинстве которых предусматривалась инъекция уплотняющих или цементирующих растворов в поры грунта. Нагнетаемые материалы затвердевают в той или иной степени и обеспечивают возникновение сцепления в обрабатываемом грунте, а так как они частично заполняют его поры, то при этом также уменьшается и водопроницаемость грунта.
 Во многих случаях в грунт вводится цементный раствор. Практика показала, что этот метод может привести к вполне удовлетворительным результатам в тех случаях, когда грунт сравнительно однороден и размеры частиц не слишком малы. Цементный раствор не будет проникать в поры рыхлых грунтов с эффективным размером зерен D0 менее чем 0,5 мм или. в плотный грунт с эффективным размером верен, меньшим
 1,5 мм. Таким образом, инъекция цементного раствора непри¬
 1S1

годна для грунта с размерами частиц меньшими чем размеры частиц крупного песка. Размеры частиц цемента обусловливают выбор видов песков, пригодных для цементации.
 Путем удаления более крупных частиц из естественного глинистого грунта можно получить глинистые суспензии с частицами любой тонкости. Это обстоятельство привело к попыткам нагнетания в грунты жидкого раствора глины. На практике, однако, было обнаружено, что образование поверхностной пленки, закупоривающей поры, препятствует проникновению жидкого глинистого раствора в глубь грунта (на образование этой пленки сильно влияют электролиты, находящиеся в грунтовой воде). Этот факт создает значительную неуверенность в эффективности метода. Кроме того, практически оказывается, что грунты, в которые можно успешно вводить глинистые растворы, имеют приблизительно те же характеристики, что и грунты, пригодные для цементации. Следует также отметить, что нагнетание глинистого раствора может только значительно снизить водопроницаемость грунта, но не повышает сколько-нибудь значительно его прочность.
 Широко применяется химическое закрепление грунта при помощи инъекции химикалиев. Этот способ заключается в последовательном нагнетании раствора жидкого стекла и хлористого кальция, взаимодействие которых приводит к образованию в грунте цементационных связей. Применяются также однорастворные способы обработки, при которых в раствор вводятся вещества, замедляющие процесс твердения. Эти методы химической инъекции очень успешно применяются для чистых, относительно однородных песков, с эффективным размером зерен, большим 0,1 мм, но с уменьшением размера частиц песка эффективность этого способа резко падает. Кроме того, эффективность этого способа в значительной степени зависит от химического состава грунтовой воды.
 Все эти способы дороги и даже при благоприятных условиях недостаточно надежны. В некоторых случаях их применение было успешным, в других случаях они заканчивались неудачей. Поэтому вопрос об укреплении грунта таким способом следует рассматривать только в исключительных случаях, когда риск неуспеха может быть оправдан. Инъекцию грунта нельзя считать обычным делом и ее не следует применять без консультации с компетентными опытными специалистами.
 Если коэффициент фильтрации грунта лежит в пределах Ю'4— 106смсек, то никакой метод инъекции не будет удовлетворительным. На нескольких стройках в Европе укрепление такого грунта достигалось при помощи электроосмоса — путем осушения и уплотнения грунта с помощью постоянного электрического тока. Этот способ очень дорог, и в США подобные грунты обычно укрепляются вакуумным способом.
 В некоторых случаях грунт превращается в водонепроницае¬
 162

мый и устойчивый путем замораживания воды в его порах. Этот способ чаще всего применяется при устройстве шахт и тоннелей, но он был также с успехом осуществлен в одном случае для временной стабилизации крупного оползня в илистых грунтах. Замораживание грунта достигается путем циркуляции охлаждающей смеси по ряду двойных труб, забитых в грунт. Каждая двойная труба состоит из внешней трубы — оболочки, в которую нагнетается охлаждающая жидкость, и внутренней трубы, по которой эта жидкость возвращается. Для замораживания участка грунта объемом в несколько сот кубических метров может потребоваться несколько недель или месяцев. По этой причине, а также вследствие высокой стоимости оборудования этот способ обходится очень дорого.
 Глава 8
 РАЗДЕЛЬНЫЕ И СПЛОШНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ § 8.1. ТИПЫ ФУНДАМЕНТОВ
 Фундамент представляет собой уширение нижней части колонны или стены с целью передачи нагрузки на грунт при напряжении, не превышающем допускаемого для данного грунта. Фундамент, поддерживающий колонну, называется одиночным или раздельным фундаментом, либо башмаком. Фундамент под стену называется ленточным. Если фундамент одновременно несет несколько колонн, то он называется групповым.
 Частный вид группового фундамента, если одна из колонн поддерживает наружную стену, называется консольным фундаментом. Различные типы фундаментов показаны ’на рис. 8.1..
 § 8.2. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТОСТРОЕНИЯ
 Раздельные фундаменты несомненно представляют собой самую древнюю форму фундаментов. До се- тГФ“мЖ редины XIX В. большинство tw; д — консольный фундамент
 Типы фундаментов
 163

фундаментов выполнялось из каменной кладки. Если они сооружались из камня, отесанного до определенных размеров, то такие фундаменты назывались фундаментами из тесового камня. Фундамент из бутовой кладки выполнялся из отдельных камней случайных размеров, скрепленных раствором.
 Фундаменты из каменной кладки были целесообразны до тех пор, пока не приступили к широкому строительству высоких домов с тяжелыми нагрузками на колонны. При наличии этих весьма значительных нагрузок возникла необходимость атриме-
 )
 Рис. 8.2. Ростверки под фундаменты
 а — деревянные; б— из рельсов: в — из стальных двутавровых балок; 1 — колонна; 2 — бутовая кладка; 3 — деревянный ростверк; 4 — рельсы; 5 — бетон
 нения больших массивных фундаментов, занимавших значительную часть площади подвала.
 Первые попытки увеличить площадь фундамента без соответствующего увеличения его веса привели к применению деревянных ростверков, на которых возводился обычный фундамент из кладки. В первых конструкциях ростверки осуществлялись из двух рядов круглых бревен диаметром 10 см, расположенных под прямым углом друг к другу. Расстояние от края каменного фундамента до внешнего контура деревянного ростверка принималось равным около 1 м. Деревянные ростверки укладывались ниже постоянного уровня грунтовых вод. На таких фундаментах возведено сравнительно немного зданий.
 В 1891 г. была осуществлена конструкция ростверка из железнодорожных рельсов, заделанных в бетон, более совершенная по сравнению с конструкцией деревянного ростверка. При¬
 154

менение этой конструкции было крупным шагом вперед, так как. давало большую экономию в весе и позволяло расширить подвальные помещения. В течение следующего десятилетия вместо железнодорожных рельсов были применены стальные двутавровые балки, занимавшие немного больше места, но требовавшие значительно меньшего расхода металла: На рис. 8.2 показаны типичные ростверки из дерева, железнодорожных рельсов и двутавровых балок.
 Стальные двутавровые балки оказались весьма целесообразными для консольных фундаментов. Этот вид фундамента был впервые применен в 1887 г. в Чикаго (рис. 8.3).
 Рис. 8.3. Консольный фундамент под наружную колонну, здания, построенного в 1887 г.
 1— бутовая кладка; 2 — металлическая колонна; 3 — стена соседнего здания; 4 — балки; 5 — железнодорожные рельсы; 6 — бетон и двутавровые балки 50
 С развитием железобетона вскоре после 1900 г. ростверки были почти полностью заменены железобетонными фундаментами. Этот тип фундаментов в настоящее время является основным.
 § 8.3. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
 .В умеренных широтах фундамент обычно закладывается на глубине, не меньшей глубины (Промерзания грунтов. В более теплом климате, и особенно в засушливых районах, минимальная глубина фундамента определяется наибольшей глубиной, на которой сезонные колебания влажности не могут вызвать ни существенной усадки, ни набухания грунтов.
 Отметка подошвы фундамента зависит от характера подстилающего грунта, от предполагаемой нагрузки и стоимости ра¬

бот. Обычно фундамент закладывается на наиболее высокой отметке, на которой грунт обладает необходимой несущей способностью. В некоторых случаях, если грунт с высокой прочностью встречается на большой глубине, может оказаться более экономичным заложить фундамент на нем, так как при этом может существенно сократиться площадь фундамента.
 Котлован под железобетонный фундамент должен быть осушен для того, чтобы можно было уложить арматуру и сохранить ее в должном состоянии до конца бетонирования. При наличии водоносных грунтов «может оказаться необходимой откачка из зумпфов или из системы иглофильтров. Необходимость в откачке воды и креплении откосов котлована, в котором должен быть возведен фундамент, могут существенно увеличить стоимость фундамента. •
 § 8.4. ДОПУСКАЕМОЕ ДАВЛЕНИЕ НА ГРУНТ
 Ранее площадь фундамента выбиралась в соответствии с соображениями инженера-строителя на основе лишь его опыта. Широко применялись различные местные упрощенные правила. Например, в некоторых районах США ширина ленточного фундамента в футах принималась равной числу этажей здания. При этом не делалось попыток увеличить площадь фундамента под более’тяжелые нагрузки.
 В 70-х годах прошлого столетия были установлены более разумные основы расчета фундаментов. Прогрессивные инженеры того времени рекомендовали устанавливать величину площади фундамента пропорционально нагрузке, им воспринимаемой. При этом ставилось условие, чтобы центр тяжести нагрузки на каждый фундамент был совмещен с центром тяжести площади фундамента. Предполагали, что при этих условиях осадка всех фундаментов сооружения будет равномерной.
 Кроме того, полагали, что для каждого грунта существует давление, при котором осадки различных фундаментов не превысят допустимых значений. Это давление получило название допускаемого давления на грунт и обычно включалось в строительные нормы и правила различных городов.
 Теперь мы знаем, что допускаемое напряжение на основание в каждом отдельном случае зависит от ряда факторов, а не только от характеристик подстилающих грунтов. Мы знаем также, что различные типы фундаментов для одного и того же сооружения не могут дать одну и ту же осадку даже при одинаковом давлении на грунт. Однако понятие о допускаемом давлении на грунт является ценным из-за его простоты и достаточной надежности при расчетах. Соответствующие изменения ме¬

тодов расчета на основании практики и теоретических положений механики грунтов описаны в части III, в параграфе о методах выбора допускаемого давления на грунт.
 § 8.5. ОБЫЧНЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЕРОВ ФУНДАМЕНТА ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ОДИНАКОВОЙ ОСАДКИ
 Простейший метод определения размеров фундамента, исходя из допускаемого давления на грунт, заключается в следующем. Определяется нагрузка, действующая по подошве каждой колонны. Затем задаются весом фундамента и прибавляют его к нагрузке от колонны. Площадь фундамента определяется как частное от деления общей нагрузки на допускаемое давление на грунт. После того как определены размеры фундамента, вычисляется его вес и есЗш необходимо, исправляется предварительно принятое значение веса. После того как установлены размеры площади фундамента, приступают к расчету его конструкции.
 Известную трудность представляет определение нагрузки, на которую должен быть рассчитан фундамент. Всегда принимали, что осадка фундамента вызывается главным образом постоянной нагрузкой (весом сооружения) в сумме с той частью временной нагрузки, которая действует на фундамент в течение длительного периода времени. При этих условиях одинаковые осадки можно было бы получить, определяя площадь всех фундаментов в соответствии с величиной постоянной нагрузки и добавленной части расчетной временной нагрузки. Однако считают также, что допускаемое давление на грунт не ’должно быть превышено под любым фундаментом и в том случае, если максимальные возможные ветровые и другие временные нагрузки будут действовать в течение относительно короткого периода времени. Эти два требования приводят к следующему методу расчета, обычно применяемому в проектной практике.
 1. Определяется постоянная нагрузка от каждой колонны, включая собственный вес фундамента.
 2. Определяется максимальная временная нагрузка с учетом ветра и сейсмических воздействий. Эта величина обычно устанавливается на основе строительных норм.
 3. Определяется отношение максимальной временной нагрузки к постоянной для каждого фундамента.
 4. Выбирается фундамент, для которого это отношение будет наибольшим, и определяется площадь фундамента как частное от деления суммы постоянной нагрузки и максимальной временной нагрузки на допускаемое давление на грунт.
 5. К постоянной нагрузке на этот фундамент прибавляется такая временная, которая будет действовать в течение достаточ¬
 157

но длительного периода времени, чтобы практически оказать влияние на величину осадки. Эта временная нагрузка называется приведенной временной нагрузкой.
 6. Сумма постоянной и приведенной временной нагрузок делится на площадь фундамента с тем, чтобы получить приведенное допускаемое напряжение на грунт.
 7. По приведенному допускаемому напряжению определяются площади всех остальных фундаментов, исходя из суммы постоянной и приведенной временной нагрузок на эти фундаменты.
 Если проектирование фундаментов производится по этому методу, то давление на грунт будет равным под всеми фундаментами и осадка всех фундаментов будет одинаковой. Более того, допускаемое давление на грунт не будет превышено и в том случае, если на любой из фундаментов будет действовать максимальная временная нагрузка, определенная строительными нормами, так как уменьшенное приведенное допускаемое давление на грунт установлено для фундаментов, имеющих максимальное отношение временной нагрузки к постоянной.
 Применяются также некоторые видоизменения этого метода. Например, иногда несколько повышают допускаемое давление на грунт в случае одновременного действия постоянной и максимальной временной нагрузок. Ниже будет показано, что величина давления, которое можно принять за допускаемое, 'исходя из разрешенных осадок, не зависит от величины такого же давления, определенного, исходя из устойчивости основания против выпирания. Соответствующие этому изменения обычного метода расчета изложены в части III.
 § 86. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ ФУНДАМЕНТОВ
 Ниже на примере показан обычный метод определения размеров фундамента, исходя из условия равномерности осадки. Расчет ведется по описанной выше схеме. Однако следует заметить, что в данном примере не задаются собственным весом фундамента, который должен быть добавлен к нагрузкам, действующим от колонны. Вместо этого нагрузка от колонны делится на допускаемое давление на грунт, уменьшенное на величину, учитывающую вес фундамента.
 Этот прием позволяет сократить вычисления; кроме того, в начальной стадии расчета легче определить глубину заложения фундамента, чем его объем. Еще до определения точной глубины фундамента приходится выполнить основную часть расчетов. Однако поскольку размеры фундамента в плане обычно определяются с точностью до 5—7 см, то разница в несколько сантиметров по глубине не изменит размеров площади фундамента.
 158

Исходные данные
 Действующие на фундамент нагрузки от колонн (рис. 8,4) приведены
 в табл. 8.1
 -ЕЭ-
 , Пинии отчцтсеяия
 £-
 Щ ЕЭ-
 i4
 -ЕЗ-5
 неэ—ЕЗ-
 -7.5 ■
 Рис. 8.4.
 Таблица 8.1
 Фунда¬
 мент
 Постоянная нагрузка в m
 Максимальная временная нагрузка в m
 Отношение максимальиой временной к постоянной нагрузке
 Приведенная временная нагрузка в m
 Сумма максимальной временной и постоянной нагрузок в m
 Сумма постоянно и приведенной временной нагрузок в m
 А-1
 19,1
 15,9
 0,83
 7,9
 35,0
 27,0
 А-2
 35,1
 36,3
 1,03
 18,1
 71,6
 53,4
 А-3
 23,12
 20,4
 0,88
 10,2
 43,5
 33,3
 В-1
 29,5
 28,1
 0,95
 14,1
 57,6
 43,6
 В-2
 54,4
 64,4
 1,1В
 32,2
 118,8
 86,6
 В-3
 34,1
 34,5
 1,01
 17,2
 68,6
 51,3
 С-1
 15,4
 11,8
 0,77
 5,9
 27,2
 21,3
 С-2
 30,84
 28,1
 0,91
 14,1
 58,9
 44,9
 С-3
 19,0
 15,0
 0,79
 7,5
 34
 26,5
 Расчет
 1. Начинаем расчет с фундамента В-2 с максимальной суммарной нагрузкой.
 Принимаем для случая действия постоянной и максимальной временной иагрузок допускаемое давление да грунт равным 2 кгсм2.
 Задаемся «высотой фундамента 0,6 м.
 При объемном весе фундамента 2,4 тж3 давление на грунт от веса фундамента составит
 2,4 • 0,6 1,44 тм2 0,14 кгсм2.
 Допускаемое давление на грунт за вычетом давления от веса фундамента (не включенного в таблицу нагрузок)
 2—0,14 1,86 кгсм2-
 Требуемая площадь фундамента при нагрузке 118,8 т 118,8: 18,66,4 м2.
 Принимаем окончательные размеры:
 2,6 -2,6 6,76 м2-
 150

При расчетной площади фундамента, равной 6,76 м2, давление на грунг от действия постоянной и приведенной временной нагрузок (86,6 т) будет равно:
 86,6 : 6,76 12,8 тм2 1,28 кгсм2, а с (учетом нагрузюи от собственного веса фундамента
 1,280,141,42 кгсм2.
 Эта величина и принимается в качестве допускаемого давления на грунт под остальными фундаментами при действии посгоянной и приведенной временной нагрузки.
 2. Фундаменты А-1, А-3, С-1, С-3
 Задаемся высотой фундамента, равной 0,38 м.
 Давление от веса фундамента0,38 • 2,40,91 тм2.
 Тогда допускаемое давление
 1,42—0,091,33 кгсм2.
 3. Фундаменты А-2, В-1, В-2, С-2
 Задаемся высотой фундамента 0,45 м.
 Допускаемое давление составит:
 0,452,4
 1,42 — 1,31 кгсма.
 10 '
 Окончательные размеры фундаментов
 Таблица 8.2
 Фундамент
 Сумма постоянной и приведенной временной нагрузок в m
 Приведенное допускаемое давление на грунт1 в кг см
 Требуемая площадь в м-
 Размеры фундаментов в м
 Фактическая площадь в м2
 А-1
 27
 1.33
 2,03
 1,45X1,45
 2,1
 А-2
 53,4
 1,31
 4,07
 1,85X2.20
 4,07
 А-3
 33,3
 1,33
 2,56
 1,6X1,6
 2,56
 В-1
 43,6
 1,31
 3,33
 1,85x1-,85
 3,4
 В-2
 86,6
 1,28
 6,76
 2,6X2,6
 6,76
 В-3
 51,3
 1,31
 3,91
 2X2
 4,0
 С-1
 21,3
 1,33
 1,60
 1.3X1,3
 1,69
 С-2
 44,9
 1,31
 3,43
 1,85X1,85
 3,42
 С-3
 26,5
 1,33
 1,99
 1,45X1,45
 2,1
 1 За вычетом давления на грунт от собственного веса фундамента.
 § 8.7. ГРУППОВЫЕ ФУНДАМЕНТЫ
 Если нагрузки от нескольких колонн передаются на один и тот же фундамент, то размеры последнего должны быть установлены исходя из условия, чтобы равнодействующая всех обычных нагрузок проходила через центр тяжести подошвы фундамента. При этом максимальное давление на грунт под подошвой фундамента не должно превышать допускаемого напряжения
 160

для наиболее неблагоприятных загружений. Групповой фундамент обычно применяется вдоль стен зданий на красной линии, когда фундамент не должен выступать за пределы сооружения (рис. 8.1 в, г и д). При таких условиях фундамент стены обычно сопрягается с внутренним фундаментом одним из трех указанных на рис. 8.1 способов.
 § 8.8. СПЛОШНОЙ ФУНДАМЕНТ
 Сплошной фундамент в виде одной общей плиты под всем сооружением несет все его стены и колонны. В тех случаях, когда нагрузка от здания так велика или допускаемое давление на
 Г 5 1.
 Г N
 ]—Ал
 ; р
 :
 5
 6
 г)
 [11 ..
 i 1 г
 I]
 0
 - - Ч '
 i' з
 “ Ч ■
 ■ х ' '■xti
 Рис. 8.5. Методы увеличения жесткости большого сплошного фундамента
 а—устройство ребер жесткости; б — использование жесткого каркаса здания; ] —железобетонные колонны; 2 — тяжелые железобетонные балки-стенки; 3 — плита фуидамента; 4 — пол первого этажа; 5, 6 — подвальные этажи; 7 — рамный каркас здания
 грунт так мало, что рездельные фундаменты будут покрывать более половины площади здания, более экономичным может оказаться сплошной фундамент.
 Сплошной фундамент рассчитывается как железобетонная плита. Если центр тяжести нагрузок совпадает с центром плиты, то реакция грунта, действующая снизу вверх, при расчетах принимается равномерно распределенной и равной сумме нагрузок, направленных вниз, деленной на площадь плиты. Вес плиты в конструктивном расчете не учитывается, так как предполагается, что он передается непосредственно на грунт. Поскольку этот метод расчета не учитывает моментов и перерезывающих сил, возникающих при неравномерной осадке, то, как правило,
 1 1 3«1К. 1274
 161

плиту армируют в большей степени, чем это требуется в соответствии с упрощенным расчетом.
 Сплошной фундамент также применяется в тех случаях, когда необходимо уменьшить осадку сооружений на сильно сжимаемых грунтах. В этом случае глубина заложения фундамента иногда достигает такой величины, что вес сооружения вместе с весом фундамента вполне компенсируется весом вынутого грунта. Тогда можно предполагать, что осадка сооружения будет незначительна. Там, где нельзя достигнуть такой компенсации, закладывают фундамент на меньшую глубину, если добавочная по сравнению с весом извлеченного грунта нагрузка не вызовет недопустимой осадки.
 Если нагрузка от колонн распределяется достаточно равномерно, а характер грунта таков, что могут возникать значительные неравномерные осадки, то плита должна обладать такой жесткостью, при которой исключалась бы возможность возникновения чрезмерных деформаций. Увеличение жесткости фундамента достигается при помощи устройства ребер, соединенных с плитой (рис. 8.5, а), применением коробчатого или жесткого рамного фундамента (рис. 8.5,6), а также в некоторых случаях путем использования жесткости железобетонной надземной конструкции. Чем больше фундамент, тем дороже указанные мероприятия. Поэтому часто применяют в таких случаях свайные фундаменты или отдельные опоры глубокого заложения.
 § 8.9. ПОЛЫ, ОПИРАЮЩИЕСЯ НА ГРУНТ
 Многие современные одноэтажные промышленные здания занимают большие площади. В таком случае колонны несут кровлю, передающую на них снеговые и другие нагрузки. Все остальные нагрузки передаются непосредственно на пол. Таким образом, фундаменты несут незначительную нагрузку, тогда как пол должен воспринять значительные усилия. Поэтому полы таких сооружений часто устраивают на уплотненных подсыпках толщиной до 1 м. Временная и постоянная нагрузки на пол, а также и вес подсыпки могут обусловить возникновение таких значительных напряжений в подстилающем грунте, которые требуют более тщательного внимания, чем напряжения, возникающие от веса фундаментов.
 § 8 10. ДРЕНАЖ И ГИДРОИЗОЛЯЦИЯ
 Если подвал располагается ниже обычного уровня грунтовых вод, то нужно принять особые меры, чтобы предотвратить просачивание воды внутрь здания. При этом обычно применяются два метода: дренирование — предотвращение поступления воды к зданию снаружи, и гидроизоляция — устройство водонепроницаемой преграды. Оба метода часто сочетаются.
 162

Дренирование может оказаться необходимым, в частности, в том случае, когда фильтрация незначительна, и при малых затратах можно отвести воду в коллектор или дренажные траншеи самотеком. Наиболее часто устраиваются для этой цели дрены в обратной засыпке фундаментов или вдоль последних в отдельных траншеях (рис. 8.6, а и б) и дрены под полом (рис. 8.6, в) Дрены, уложенные в засыпке фундамента, часто выполняются в виде гончарных труб со щелями в стыках. Они
 Рис. 8.6. Методы гидроизоляции подвальных помещений
 а — дренаж у фундамента б—перехватывающий дренаж; в—дренаж под полом; г — устройство гидроизоляционной рубашки, когда наружная стена доступна; д — устройство гидроизоляционной рубашки, когда эта стена недоступна (по Хантингтону); — водонепроницаемое покрытие; 2 — обратная засыпка;
 . — фильтр; 4 — пол; 5 — гравий или щебень; 6 — цементный раствор; 7 — гид роизоляционное покрытие ; 8 — бетонная подготовка; 9 — защитный слой
 укладываются в траншеи и засыпаются на толщину 0,3—0,4 м фильтрующими грунтами. Верхние 0,3 м засыпки желательно выполнять из менее проницаемых грунтов, которые не впитывали бы поверхностных вод на тех участках, где наличие воды в дренах может уменьшить прочность грунта под фундаментом. Применение дренажа типа б более целесообразно, чем типа а.
 Если осушаемый грунт может выноситься в поры фильтра, то последний должен удовлетворять требованиям, предъявляемым к обратным фильтрам (§ 2.4). Если дренаж в засыпке фундамента эффективен, то нет необходимости в дренах под полом (рис. 8.6,0). Однако последние могут понадобиться в тех случаях, когда имеет место фильтрация сквозь пол.
 и
 163

Если приток воды к дренам будет чрезмерно большим, то может оказаться необходимым устройство гидроизоляции подвального этажа. Наиболее целесообразным в таком случае является устройство гидроизоляционной рубашки.
 При этом способе по наружной стороне здания осуществляется рубашка из ряда перемежающихся слоев ткани и битумного раствора, который кладется в горячем виде. Такая диафрагма достаточно гибка, чтобы сохранить свою целостность, даже если в стенах или полу возникнут небольшие трещины.
 Чтобы гидроизоляция была эффективной, рубашка должна быть сплошной по всей поверхности сооружения, расположенной ниже уровня грунтовых вод. При этом требуется устройство бетонной подготовки под изоляцию, прежде чем будет уложен пол, а также устройство соответствующих конструктивных деталей у стен и фундаментов (рис. 8.6, г и ). На рис. 8.6, д приведена схема укладки гидроизоляции, когда к внешней стороне наружной стены нет доступа.
 Поскольку на стены и перекрытия действует полное гидростатическое давление, их следует проектировать с учетом действия этих сил, а также и давления грунта.
 Фильтрацию капиллярной воды через стены подвала и перекрытие можно уменьшить при помощи крупнозернистого материала, укладываемого с наружной стороны стен и под полом. Наружная сторона стен покрывается битумным материалом, а пол кладется на пропитанный битумом войлок, расположенный на проницаемом материале. Эти мероприятия обычно препятствуют просачиванию влаги сквозь стены и пол. Для понижения проницаемости самого бетона и для уменьшения фильтрации применяются различные добавки к бетону Эффективность этих добавок чрезвычайно различна.

Глава 9 СВАЙНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ
 Рис. 9.1. Фундамент из наклонных свай (1951)
 На рисунке показан свайный фундамент для водослива. Железобетонные сваи длиной от 26 до 37 м забиваются с уклоном 2:1. На фотографии часть свай еще не срезана до проектной отметки. Копер, высотой 41,5 м— один из самых высоких копров

§ 9.1. ТИПЫ СВАИ
 Деревянные сваи. Свайные фундаменты начали применять в далекой древности. Если грунт был слишком слабым, чтобы выдержать сооружение, в землю забивались столбы, обеспечивавшие достаточную устойчивость сооружения. Такие фундаменты применялись ацтеками в Северной Америке до прихода туда европейцев. В Европе они применялись еще значительно раньше. Искусство забивки свай было очень развито во времена Римской империи, и Витрувий еще в 59 г. нашей эры дал описание деталей свайных фундаментов. Применение деревянных свай для укрепления рыхлых грунтов или для забивки сквозь мягкие грунты до нижележащего более прочного грунта получило широкое распространение в США в середине XIX в. В настоящее время деревянные сваи успешно применяются во многих странах мира и, безусловно, распространены больше, чем любые другие типы свай. Во многих случаях применение деревянных свай обеспечивает надежное и экономичное решение.
 Однако деревянные сваи не могут выдержать напряжений, возникающих при забивке в грунты, обладающие большой сопротивляемостью, хотя повреждение острия сваи может быть уменьшено путем применения стальных башмаков. Опасность разрушения сваи можно частично устранить только ограничением числа и силы ударов свайного молота. Поэтому, как правило, рабочую нагрузку на деревянные сваи ограничивают 25 г, а во многих случаях еще меньшими величинами.
 Деревянные сваи, когда они находятся ниже уровня грунтовых вод, могут служить в течение неопределенно долгого времени. Если же часть сваи находится над водой, то она подвергается быстрому гниению. Пропитка деревянных свай креозотом под давлением обеспечивает большую долговечность. Эстакады, построенные на таких сваях 40 лет назад, существуют и сейчас без признаков разрушений, но обработанные креозотом сваи под зданиями, как показывает практика, не выдерживают более 25 лет.
 Бетонные сваи. Незадолго до 1900 г. были впервые созданы некоторые типы бетонных свай. К нашему времени число разных типов свай во много раз возросло. Существующее сейчас большое количество разработанных типов свай дает возможность выбрать наиболее целесообразное для данных условий решение. Бетонные сваи можно подразделить в основном на две категории: набивные и забивные.
 На рис. 9.2 представлены общие схемы наиболее распространенных в США и Канаде типов набивных свай. Максималь-
 166

О)
 д)
 т
 Ь)
 W
 о
 е)
 ные длины свай, указанные ниже, являются приблизительными. Для некоторых типов свай длину можно увеличить, хотя это влечет за собой, как правило, добавочные расходы.
 Стандартная свая Раймонда изображена на рис. 9.2, а. Оболочка ее делается из тонкой листовой волнистой стали и усиливается проволочной спиралью. Снизу свая закрыта башмаком диаметром 20 см. Сваи конические, с конусностью в 3,3 см на 1 му длина до 12 м (более длинные сваи не применяются). Забивка осуществляется следующим образом. Оболочка вместе с вставленным в нее стальным сердечником забивается в грунт, сердечник извлекается, а оболочка заполняется бетоном.
 На рис. 9.2, б показана свая Раймонда, ступенчато суживающаяся книзу. Оболочка сваи — тонкая волнистая листовая сталь, закрытая снизу стальным башмаком. Секции оболочки имеют длину 2,5 м и свинчиваются друг с другом. В пределах каждой секции конусность отсутствует. Ступенчатость достигается в результате увеличения диаметра каждой последующей секции сваи на 2,5 см по сравнению с предыдущей; диаметр нижней секции сваи колеблется от 21,5 до 34 см.
 Длина сваи обычно достигает 18 м максимальная — 27 м.
 При погружении оболочка сваи вместе с вставленным в нее сердечником ступенчатой формы забивается в грунт. Затем сердечник удаляется и оболочка наполняется бетоном.
 На рис. 9.2,в показана металлическая трубчатая свая «Монотюб».
 Оболочка ее готовится из волнистой листовой стали толщиной от 3 до 8 мм и снизу закрывается стальным башмаком диаметром 20 см. Конусность стандартных типов не превышает 3,3 см на 1 м при длине сваи до 7,5 м 2 см на 1 м при длине до 12 ж и 1,2 слс на 1 м при длине до 23 м. Верхняя
 W)
 4J
 е)
 1
 3)
 02
 Рис. 9.2. Основные типы набивных бетонных свай
 167

часть более длинных свай практически представляет собой цилиндр (конусность 0,25 см на метр). Сваи обычно имеют длину до 18 м и максимальную — до 40 м. При погружении стальная оболочка забивается в грунт без сердечника и затем заполняется бетоном.
 Набивные бетонные сваи без оболочки типа Макартура с расширенной пятой и без нее приведены на рис. 9.2, г. Длина таких свай нередко доходит до 18 м. Устройство их осуществляется следующим образом. В грунт забивается тяжелая стальная труба диаметром 35 см вместе со стальным сердечником. Затем сердечник вынимают и по трубе, по мере извлечения ее из грунта, заполняют скважину бетоном. Сердечник со стоящим на нем молотом опускают на бетон, чтобы обеспечить его плотное соприкосновение с окружающим грунтом. При извлечении трубы уширена пяты сваи достигается трамбованием бетона после того, как труба будет поднята на несколько дециметров.
 Сваи типа Макартура с оболочкой показаны на рис. 9.2 д. Оболочка их состоит из волнистой тонкой листовой стали, конусность отсутствует, длина нередко достигает 25 м. При погружении тяжелая стальная обсадная труба забивается в грунт вместе со вставленным в нее стальным сердечником. Сердечник вынимают и в трубу вставляют 30-сантиметровую оболочку. Последнюю заполняют бетоном, а трубу извлекают. Образование пяты достигается трамбовкой бетона в обсадной трубе до того, как в нее будет опущена оболочка.
 На рис. 9.2, в показана свая типа Вэстерн с бетонным башмаком. Оболочка ее делается из тонкой волнистой листовой стали, конусность отсутствует. Длина не превышает 33 м. При забивке тяжелая стальная обсадная труба с заранее изготовленным бетонным башмаком диаметром 43 см погружается в грунт без сердечника. В трубу до самого башмака опускают оболочку и заполняют ее бетоном, после чего труба вытаскивается. Вокруг башмака можно сделать уширенную пяту сваи путем трамбования бетона в обсадной трубе до опускания оболочки.
 На рис. 9.2, ж приведена схема стальной трубчатой сваи, заполняемой бетоном. Труба имеет диаметр от 25 до 30 см с толш.иной стенки от 5 до 13 мм. Длина — до4 46 л. Конец обычно закрывают стальным башмаком. Конусность отсутствует. Такая стальная труба забивается в грунт без сердечника. Для длинных свай отдельные секции трубы соединяются внутренними муфтами или свариваются. Труба с открытым концом обычно очищается от грунта струей сжатого воздуха или воздухом и водой и заполняется бетоном.
 Стандартная свая типа Франки, изображенная на рис. 9,2, з, не имеет оболочки. Диаметр сваи составляет в среднем 50 см, длина до 36 м, поверхность неровная.
 168

Тяжелая стальная труба перед забивкой заполняется сравнительно сухим бетоном. При забивке трубы в грунт молот бьет непосредственно по образовавшейся в основании бетонной пробке. Уширение основания сваи достигается вследствие трамбования пробки с выжиманием -небольшого количества бетона в грунт у конца трубы. Неровности на поверхности сваи образуются в результате трамбования бетона, (подающегося в скважину по мере извлечения трубы из грунта.
 Забивные сваи могут иметь разнообразную форму. Некоторые из них показаны на рис. 9.3. Такие сваи армируются, чтобы выдержать напряжения, возникающие при транспортировке до
 X
 П7РТГТЛ -ill-LLUJ
 6
 5ЙН
 Рис. 9.3. Типы забивных железобетонных свай
 а — квадратная свая; б — восьмиугольная свая; 7 —хомуты; 2 — продольная арматура; 3 — спиральная арматура
 того, как они будут забиты, а также для того, чтобы воспринять усилия во время забивки. Большинство железобетонных свай можно забивать без повреждений при большом сопротивлении грунта. Поэтому допускаемые нагрузки на такие сваи обычно больше нагрузок на деревянные.
 Бетонные сваи в большинстве случаев не подвергаются коррозии, и их можно применять выше уровня грунтовых вод. В морской воде, однако, они требуют применения защитных мероприятий на уровне воды и выше.
 Железобетонные сваи широко применяются в береговых пролетах мостов и эстакадах; там их обычно продолжают вверх в виде колонн, на которые непосредственно опираются пролетные строения.
 Там, где верхняя часть свай возвышается над уровнем грунтовых вод, могут быть применены сваи смешанного типа. Такие сваи в нижней части выполняются из непропитанного дерева, а в верхней части—из бетона. Обе части соединены прочными
 169

сопряжениями. Сваи забиваются так, чтобы место сопряжения было постоянно ниже уровня грунтовых вод.
 Трубчатые металлические и двутавровые сваи. За последнее время возросла необходимость в очень длинных сваях с высокой несущей способностью. Для удовлетворения этих требований применялись стальные трубы, заполненные бетоном, а также стальные широкополочные двутавровые сваи. Диаметр хруб от 25 до 75 см, толщина стенок 5 мм и более. Эти трубы можно забивать с открытым нижним концом или же с концом, закрытым стальной плитой, для того, чтобы во внутреннюю полость сваи не проникали грунт и вода. Из свай с открытым концом, прежде чем они будут заполнены бетоном, удаляется грунт. На строительстве электростанции в штате Мичиган сваи этого типа диаметром 60 см забивались на глубину 60 м.
 Трубчатые сваи применяются редко, за исключением тех случаев, когда бывает необходимо достичь грунты с исключительно высокой несущей способностью. Стоимость их сравнительно невелика, а несущая способность отдельной сваи довольно значительна.
 Применяются также более короткие сваи с меньшей несущей способностью. В этих случаях толщина их стенок сокращается до 4,8 мм и даже до 3,2 мм. Стальные двутавровые сваи для фундаментов мостов и зданий применяются уже в течение 30 лет. Такие сваи при забивке в грунт испытывают меньшие сопротивления, чем сваи других типов, так как они при этом вытесняют сравнительно небольшое количество грунта. Поэтому они могут быть погружены в грунт глубже, чем другие сваи.
 Наклонные сваи. Сваи, забитые в грунте вертикально, обычно способны воспринимать вертикальные нагрузки, но плохо работают на значительные горизонтальные усилия. Когда нужно обеспечить сопротивляемость свайного фундамента воздействию как вертикальных, так и горизонтальных сил, то применяются наклонные сваи. Наклон свай обычно колеблется в пределах от 6 1 до 2,4 1.
 § 9.2. ЗАБИВКА СВАЙ
 Копры. Сваи обычно забиваются с помощью молота, поддерживаемого краном, или специальным устройством—копром (рис. 9.4). Копер состоит из двух вертикальных направляющих, между которыми перемещается молот. Направляющие закрепляются или в вертикальном или в наклонном положениях. Копер может быть установлен на раме, приспособленной для работы на суше, на барже (при забивке свай в воде), а также 'на железнодорожной платформе.
 Молоты. Ранее свайные копры были снабжены подвесными молотами, которые падали по направляющим копра на наголовник сваи. В настоящее время применяются паровые молоты, которые поднимаются под действием давления пара и
 170

затем падают под действием силы тяжести (и под давлением пара или без него). Если падение происходит только под действием силы тяжести, то молот называется молотом одиночного действия. Если к этой энергии добавляется давление пара, то указанный агрегат будет являться молотом
 Рис. 9.4 Копер обычного типа
 двойного действия. Большинство молотов одиночного действия, применяющихся в настоящее время, весят от 1,5 до
 2,5 т при высоте падения до 1 м. Более мелкие молоты применяются для забивки деревянных свай, более тяжелые — для железобетонных и стальных свай. Самые тяжелые паровые молоты одиночного действия, применявшиеся до сих пор, имели вес ударной части до 6,5 т при высоте падения около 0,9 м.
 171

Сопротивление свай забивке. Сопротивление свай забивке определяется числом ударов, необходимых для забивки сваи на последний дюйм погружения. При забивке деревянных свай молотом с энергией удара 2 000 кгм число ударов при погружении сваи на последний дюйм не должно превышать 4, чтобы избежать опасности разрушения или размочаливания. Для железобетонных и стальных свай число ударов на последний дюйм колеблется от 6 до 8. Больше 10 ударов требуется лишь при исключительно высоких требованиях.
 Погружение сваи подмывом и бурением. Если свая забивается через плотные слои песка или гравия в подстилающий мягкий грунт, то плотность песка или гравия можно уменьшить при помощи подмыва. Во -многих случаях при этом методе струя воды, направленная к острию или к боковой поверхности сваи, поступает по трубам диаметром 2—3 Насосная установка должна обеспечивать подачу воды с расходом около 2,5 мъ в минуту при давлении 10—14 атм. Вода размывает грунт, благодаря чему обеспечиваетгся возможность погружения сваи сквозь песок.
 При забивке свай в сравнительно тонкие слои жесткой глины или относительно слабой скалы предварительно забивают прочный металлический наконечник — расширитель. Затем его выдергивают и в образовавшуюся скважину погружают сваю. Этот способ не имеет широкого применения, тогда как погружение с подмывом применяется довольно широко.
 Предварительная выемка грунта. При забивке свай в насыщенную пластичную глину они вытесняют грунт в объеме сваи. При этом поверхность грунта у сваи обычно выпучивается и может привести к поднятию прилегающих сооружений или уже забитых свай. Если сваи опираются на прочный грунт под пластичной глиной, то указанное выпирание может привести к потере несущей способности.
 Чаще всего сваи, поднятые при пучении, могут быть вновь забиты до твердого грунта. Но иногда их прочно прихватывает уплотненная глина, которая образуется вокруг каждой сваи в течение нескольких дней после забивки. Более того, смещение грунта может вызвать не только пучение, но и недопустимые горизонтальные сдвиги, в особенности, если поблизости находятся котлованы других сооружений с глубиной ниже отметки забивки свай. Если сваи составного типа, то выпучивание может вызвать разъединение сопряжений.
 Там, где указанные смещения грунта особенно не желательны, их можно значительно уменьшить, предварительно удалив некоторую часть грунта в месте забивки каждой сваи. Это можно сделать иногда путем забивки труб с открытым концом на месте будущей сваи. После забивки трубу вынимают, очищают от глины и снова забивают, осуществляя эту операцию до тех пор, пока не будет удалено достаточное количество глины. Ука¬
 172

занная цель может быть достигнута также путем применения вращающегося режущего инструмента в сочетании с подмывом. Эта операция приводит к превращению глины на месте будущей сваи в жидкую массу. В некоторых случаях при образовании отверстий для сваи можно применить бурение. Все эти методы базируются на предварительной выемке грунта и значительно повышают стоимость свайного фундамента.
 § 9.3. РАБОТА СВАИ НА ВЕРТИКАЛЬНУЮ НАГРУЗКУ
 Сваи обычно делятся на два типа—сваи-стойки и сваи трения. Сваи-стойки острием опираются на скалу или грунт у острия. При этом боковая поверхность сваи передает грунту очень небольшое усилие. Сваи трения передают основную часть нагрузки на окружающий грунт за счет возникающего между грунтом и оваей трения. Эти сваи только очень небольшую часть нагрузки передают на грунт посредством острия.
 Однако фактическая работа сваи куда сложнее, чем это следует из простого подразделения свай на два типа. Так, например, часто плотность подстилающих грунтов возрастает с глубиной и свая забивается сначала через мягкие верхние слои грунта во все более плотные, пока ее несущая способность не будет считаться достаточной. Такие сваи значительную часть нагрузки передают своей боковой поверхностью окружающему грунту, особенно по нижней части ствола, но значительная часть нагрузки передается и через острие сваи.-
 Одним из наиболее важных вопросов является правильный выбор типа сваи, отвечающего данным условиям. Окончательное решение можно принять лишь после детального изучения местных условий, и вряд ли можно дать определенные правила для руководства неопытному инженеру-строителю. Тем не менее, правильное понимание поведения сваи при забивке и процесса передачи сваями нагрузок на грунт является существенно важным и может оказать неоценимую помощь при проектировании.
 Свая-стойка, окруженная грунтом, иногда ошибочно рассмат ривается как колонна, нагруженная в верхней части и передающая нагрузку своим концом подстилающему грунту. Это представление приводит к выводу, что напряжения в свае-стойке не должны превышать напряжений, которые являются допускаемыми для колонны тех же размеров и из того же материала. Однако опыт показал, что разрушение уже забитых сваи настолько редкое яв-ление, что его возможность может приниматься во внимание лишь в исключительных случаях. Во время испытания сваи под нагрузкой, если и случались поломки самих свай, то это обычно происходило либо у поверхности земли, либо над
 173

нею, где выступающая часть сваи не окружена грунтом. Более того, как опыт, так и теоретические положения показали, что для сваи-стойки нет опасности разрушения от продольного изгиба из-за недостаточного сопротивления окружающего грунта, даже если она забита в очень мягкие грунты.
 Эти соображения приводят к (выводу, что несущая способность сваи почти полностью зависит от несущей способности грунта, на который опирается острие, и от того, насколько удовлетворительно острие опирается на этот грунт. Очевидно, что предельная несущая способность сваи возрастает с увеличением площади опирания, откуда можно заключить, что несущая способность сваи с острием большого диаметра больше, чем несущая способность сваи с острием малого диаметра. С другой стороны, если пласт прочного грунта находится слишком глубоко или покрыт грунтом, имеющим умеренное сопротивление, то может оказаться невозможным забить сваю большого диаметра до прочного пласта. В то же время более тонкая свая, вытесняющая меньший объем грунта, может успешно достичь надежного пласта и будет обладать более высокой несущей способностью.
 Объем грунта, вытесняемого сваей, не является единственным фактором, влияющим на глубину забивки сваи при данной затрате энергии. Важным моментом является способность свай передавать энергию удара от головы к острию. Это обстоятельство обусловлено главным образом материалом сваи. Наиболее успешно передают осевые усилия стальные сваи и сердечники, служащие для забивки оболочек набивных свай. Менее эффективно передают продольные усилия при забивке железобетонные сваи и еще менее—деревянные. Очень важно учитывать потерю энергии, затрачиваемой на пластические деформации, некоторых частей сваи и на упругие колебания, возникающие при ударе молота о сваю. Чтобы предотвратить эти потери энергии, площади поперечного сечения сваи и сердечника должны быть достаточно большими. Так, например, было установлено, что две стальные цилиндрические сваи с одним и тем же диаметром, забитые одним и тем же молотом, погружались на различные глубины в плотный грунт, в зависимости от толщины стенок этих труб. Более толстая труба уходила более глубоко.
 Если несущий пласт грунта, будучи довольно мощным, является лишь относительно плотным, то следует рассмотреть возможность применения одного из следующих двух типов свай.
 Первый тип — свая с малым диаметром острия, но способная передать острию усилие при забивке без значительной потери энергии. При достаточно большом углублении этой сваи в плотный грунт несущая способность ее может быть достаточно высокой и представлять собою сумму несущей способности острия и значительного бокового трения в плотном грунте. Бо¬
 174

ковое трение может быть значительно увеличено, если нижняя часть сваи выполнена с небольшой конусностью.
 Второй тип — свая с очень развитой пятой. Пята может представлять собой плиту или железобетонный башмак, либо может быть создана путем выпирания в стороны в мягкий грунт свежего бетона при трамбовании непосредственно над плотным пластом. В любом случае несущая способность сваи увеличивается не благодаря трудности забивки ее в несущий грунт, а определяется исключительно прочностью и сжимаемостью этого грунта. Сваи с развитой пятой также применимы в тех случаях, когда несущий слой грунта очень плотен, но настолько тонок, что сваи меньшего диаметра могут его пробить.
 Несущая способность свай трения зависит от характеристик окружающего их грунта Следовательно, можно рассматривать как общее правило, что прочность самих свай имеет второстепенное значение. Если сваи трения имеют цилиндрическую форму, то нагрузка от сваи на грунт передается исключительно с помощью трения. Если свая имеет коническую форму, то часть нагрузки на грунт передается как давление, но все же большая часть—при помощи бокового трения.
 Если сваи забиваются в мягкую глину, в которой сопротивление трению незначительно, то разница между несущей способностью цилиндрических и конических свай относительно мала. В грунтах, обладающих значительным трением, таких как, например, песок, илы, глины, содержащие воздух, расклинивающее действие конической сваи увеличивает сопротивление по боковой поверхности. Поэтому в таких грунтах применение конических свай может быть более целесообразно. Как правило, чем больше конусность сваи, тем свая может быть короче при одинаковой несущей способности.
 § 9 4 СВАЙНЫЕ РОСТВЕРКИ
 Нагрузки от сооружения обычно передаются кусту свай при помощи ростверков (рис. 9.5, а). Если под одиночной колонной расположено менее чем три сваи, то внецентренность, вызванная неизбежным отклонением сваи от проектного положения, может вызывать изгиб свай. Поэтому считается нецелесообразным применение менее чем трех свай в кусте в том случае, если не осуществлены мероприятия, предотвращающие изгиб свай (применение каркасов или рам). Точно так же не рекомендуется опирать стены на одиночный ряд свай. В этом случае их обычно забивают парами или в шахматном порядке. Расстояния между сваями куста обычно составляют около трех диаметров сваи. При некоторых условиях, однако, применяются другие расстояния между сваями. Этот вопрос будет рассматриваться в части III.
 175

Работа группы свай, объединенных ростверком, резко отличается от поведения отдельной сваи, испытывающей такую же нагрузку, что и в кусте, и находящуюся в аналогичных грунтовых условиях. Сущность различия между работой отдельной сваи и группы также изложена в части III.
 Сооружения на свайных фундаментах часто подвергаются воздействию горизонтальных сил, приложенных гораздо выше подошвы ростверка. Поэтому фундамент должен оказывать сопротивление не только горизонтальным силам, но также воз-
 а)
 План
 Разрез
 а-'
 итги
 Рис. 9.5. Типы свайных фундаментов для различных сооружений
 а — раздельный; б — подпорная стенка; в — свайная опора эстакады; 1—колонна; 2 — арматура ростверка; 3 — ростверк; 4 — наклонная свая (4:1); 5 — продольные связи; в — балочный ростверк; 7 — свая с наклоном 8:1; 8— сваи с наклоном 16:1
 никающему при этом моменту. Под такими сооружениями, как стенки шлюзов, подпорные стенки и обычные здания, вертикальные нагрузки, действующие сверху вниз от веса сооружения, обычно больше усилий, направленных вверх и вызванных моментом от боковых сил. Поэтому ни однач из свай не будет испытывать выдергивания. Сваи же с наветренной стороны высоких стальных башен или высоких газгольдеров должны быть часто рассчитаны так, чтобы они обеспечили надлежащее сопротивление выдергивающим силам. Наконец, может требоваться, чтобы сваи сопротивлялись силам выдергивания, возникающим вследствие взвешивания резервуаров и подобных им сооружений, расположенных ниже уровня грунтовых вод.
 Когда свайный ‘фундамент подвергается действию боковых нагрузок, то следует решить существенный вопрос: необходимо ли применение наклонных свай. При этом нужно знать сопротивляемость вертикальных свай горизонтальным нагрузкам. К сожалению, до настоящего времени имеется мало опытных данных, которые можно было бы использовать при определении
 176

указанного сопротивления. Если под острием свай залегает песок или глина со значением N более 5, то можно допустить действие горизонтальной силы, приложенной к верхней части сваи, по крайней мере, в 650 кг. В плотных и жестких грунтах можно допустить большие нагрузки, однако не следует принимать никакого решения об их величине, не изучив достаточно тщательно грунтовые условия и конструктивные требования. В частности, важно установить, могут ли когда-нибудь произойти вследствие любых причин горизонтальные подвижки грунта, в который погружаются сваи. Если такая возможность имеется, то следует учитывать, что вертикальные сваи не могут сопротивляться этому сдвигу, и они вместе с конструкцией будут сдвигаться окружающим грунтом. В подобных случаях следует обратить внимание на изучение причин недостаточной горизонтальной устойчивости самого грунта.
 Когда горизонтальная нагрузка на отдельную вертикальную сваю превышает допускаемую величину, то следует применять наклонные сваи в сочетании с вертикальными. Обычно наклонные сваи применяются под подпорными стенками (рис. 9.5,6), быками и устоями мостов. Их также применяют для того, чтобы обеспечить боковую устойчивость поперечных рядов вертикальных свай в козловых конструкциях опор эстакад (рис. 9.5, в). Если наклонные и вертикальные сваи являются сваями-стойками, забитыми до одного и того же грунта, то способность нести продольную нагрузку для всех этих свай принимается одинаковой. Горизонтальная нагрузка на наклонную сваю тогда принимается равной горизонтальной составляющей осевой нагрузки. Это допущение принимается и в том случае, если несущая способность свай обусловлена только боковым трением и все они имеют одинаковую длину.
 Сопротивление сваи выдергиванию зависит от многих факторов, в том числе от типа и размеров сваи, и от характера грунта. При воздействии на сваи вертикальных нагрузок, направленных вверх, сопротивление их может быть обеспечено только трением по боковой поверхности. Сопротивление свай выдергиванию при различных условиях будет изложено в части III. Окончательный выбор типа свай для любых конструкций диктуется не только проектными и производственными, но также и экономическими соображениями. Экономическое сравнение должно производиться исходя из стоимости всего фундамента, а не отдельных свай. Так, например, стоимость 12 деревянных свай с несущей способностью по 20 т может быть меньше, чем стоимость 4 бетонных свай с несущей способностью по 60 т. Но при значительно больших размерах ростверка, потребного для передачи нагрузки на деревянные сваи, стоимость фундамента из таких свай может оказаться большей, чем стоимость фундамента из бетонных свай.
 12 Зак. 1274
 177

Глава 10
 ОПОРЫ
 § 10.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ
 Термин опора имеет два различных значения. Так, этим словом называют подземный конструктивный элемент, выполняющий роль фундамента и передающий нагрузку на грунт без опасности разрушения или чрезмерной осадки. При этом отношение ширины подошвы к глубине фундамента для опор обычно бывает меньшим 0,25, тогда как для фундаментов это отношение обычно превышает единицу.
 В другом случае этим же словом обозначается бетонная или каменная конструкция, воспринимающая нагрузку от пролетного строения моста. Такая опора обычно возвышается над поверхностью земли или воды в русле.
 Мостовая опора может располагаться непосредственно на скальном грунте либо на свайном фундаменте, на ростверке или ряже, либо, наконец, на нескольких опорах, рассматривая последние, как указано в первом абзаце параграфа. Мостовые опоры в конце моста, испытывающие боковое давление грунта, называются устоями.
 Нельзя провести резкой грани между опорами и сваями. Так, например, стальные трубы, забитые с открытым концом, очищенные от грунта и заполненные бетоном, могут рассматриваться и как опоры и как сваи. Кроме того, сама труба может рассматриваться и как оболочка опоры и как опускной колодец. В этом отношении терминология в различных местностях различна.
 § 10.2. СПОСОБЫ СООРУЖЕНИЯ ОПОР
 Общие замечания. Способы возведения опор разделяются на две основные группы. По одному способу выемка грунта производится до уровня подошвы фундамента, и он строится на дне образовавшейся шахты. Обычно стенки шахты должны крепиться, чтобы предотвратить их обрушение. Креплением может служить шпунт или цилиндрическая металлическая оболочка.
 Если уровень земли находится под водой, то площадка строительства должна быть окружена достаточно водонепроницаемым ограждением — перемычкой. Под защитой перемычки грунт разрабатывается до заданной отметки и затем сооружается опора.
 Другим способом сооружения опор является метод опускных колодцев. Опускной колодец представляет собой полую конструкцию, которая погружается в грунт и является наружной оболочкой законченного фундамента. Для облегчения погружения колодца нижняя часть его имеет режущий край—
 178

нож. Диаметр нижней части иногда принимается значительно больше диаметра верхней части колодца с тем, чтобы уменьшить силу трения между колодцем и грунтом. Грунт из внутренней части колодца вычерпывается сверху или удаляется вручную. Нижняя часть колодца может быть герметически закрыта и изолирована от окружающей атмосферы. Тогда она заполняется сжатым воздухом, чтобы вытеснить воду из того пространства, где будут работать люди. Применение этого метода, называемого кессонным, позволяет удалить все препятствия, которые могут встретиться под ножом, и облегчает очистку дна котлована.
 Шахтный способ сооружения опор. Возведение опор в шахтах со шпунтовым креплением применяется для оснований с высокой несущей способностью, покрытых мягкими или рыхлыми грунтами. Самые глубокие опоры для зданий выполнены именно по этому методу (например, здание в Кливленде, глубина до скалы 68 м). Наиболее распространенный ме- ° тод производства работ был впервые при менен в 1892 г. в Чикаго и известен под названием чикагского метода. Он особенно пригоден для таких глин, которые содержат относительно мало водонасыщенных прослоек.
 При этом методе вручную отрывается котлован круглой формы диаметром 1 м на глубину 0,6—0,9 м в зависимости от консистенции глины. Откосы котлована затем обшиваются вертикальными досками, а обшивка раскрепляется двумя стальными кольцами, как показано на рис. 10.1, а. Затем производится дальнейшая выемка грунта, устанавливается следующий ярус обшивки и новые раскрепляющие кольца. По достижении дна котлован может быть расширен в виде раструба, для того чтобы увеличить несущую площадь. Обшивка и кольца оставляются на месте при заполнении шахты бетоном.
 Если при этом методе встречаются водоносные слои грунта, то применяются различные мероприятия, предотвращающие воз¬
 5)
 г
 (
 ис. 10.1. Шахтный метод сооружения глубоких опор
 — Чикагский метод; б — метод Гоу; 1 — обшивка;
 — кольцевое крепление; 3 — уширение подошвы
 опоры; 4 — стальной цилиндр
 12
 179

можность притока воды. Если грунт содержит тонкие водоносные прослойки или насыщенные водою илистые грунты, то в таких случаях может оказаться целесообразным применение м етода Гоу (рис. 10.1, б). При этом методе в грунт забиваются круглые стальные оболочки длиной 1,8 м, из которых вручную удаляется грунт, после чего забивается следующий цилиндр. Каждый последующий цилиндр имеет диаметр на 5 см меньше, чем предыдущий. Если грунт на дне шахты может держаться без крепления, то низ шахты можно расширить как в чикагском методе.
 В плотном сухом грунте глубокие опоры строятся часто без крепления шахт, которые проходятся машинами, снабженными вращающимися бурами .или режущими лопастями. При благоприятных условиях такие машины могут быстро и дешево вырыть шахты диаметром от 30 до 120 см на глубину до 12 м. Режущий бур может иметь ребра для образования раструба на дне шахты. Эффективность этого метода значительно снижается, если на пути бурения встречается вода даже в относительно малом количестве. Любая значительная фильтрация, которая может вызвать размягчение грунта по стенкам шахты, делает эти работы неосуществимыми, так как невозможно наблюдать за работами или исправить недостатки в процессе бетонирования.
 С другой стороны, если неблагоприятные грунтовые условия не позволяют применить описанные выше методы, то можно погрузить стальные трубы большого диаметра, сочетая метод забивки, их подобно сваям, с разработкой грунта внутри.
 Трубы забиваются с открытым концом сразу на глубину 1—2 м. Грунт из внутренней полости удаляется струей воздуха, подмывом или так, как при ударном бурении. Такие трубы почти всегда забиваются до скалы. Затем можно пробурить ниже скважину в скале еще на 1—2 м ударным или вращательным способами, трубу окончательно очищают и в нее укладывается бетон. Опоры, образованные этим способом, обладают высокой стоимостью, они обычно предназначаются для очень больших нагрузок и могут быть выполнены почти при любых грунтовых условиях. Широкое применение для опор труб большого диаметра уменьшило число случаев, при которых необходимо применение сжатого воздуха.
 Перемычки. В тех случаях, когда опоры нужно построить на местности, покрытой водой, и глубина ее не превышает 2,5— 3 ж, строительство ведется под защитой перемычек из деревянных шпунтовых свай. Шпунтовые сваи могут иметь одну из форм, показанных на рис. 10.2. Сваи забиваются по периметру площади, на которой надлежит удалить воду, и укрепляются стойками и распорками на уровне воды. Нижняя часть свай защемляется в грунте.
 180

При больших глубинах ограждение обычно выполняется из стального шпунта. Одним из простых видов перемычек является ограждение из шпунтовых свай с внутренним креплением (рис. 10.3). Шпунтовые сваи забиваются до надлежащей глубины в подстилающий грунт. Обычно они забиваются на всю возможную глубину проектируемой олоры. Перед откачкой
 Рис. 10.2. Типы деревянного шпунта для перемычек
 а — составной; б— с вставной шпонкой; в — с пазом и гребнем
 воды из пространства, огражденного перемычкой, выше уровня воды ставится первый ряд креплений. Затем уровень воды при помощи откачки понижается до той отметки, на которой должен быть установлен следующий ряд.
 Эти операции по понижению уровня воды и установке креплений, производятся до того момента, пока вся вода не будет откачана, после чего заканчивают земляные работы насухо. Одним из основных затруднений в этих работах является довольно большая фильтрация воды в местах соединений шпунтовых сваи, в особенности, в начале водоотлива. Для предотвращения фильтрации в воду с внешней стороны перемычки часто отсыпают шлак, навоз и другие материалы С Тем, ЧТОбы Забились — стальные стержни; 2 — горизонтальные
 В шпунте щели, через которые схватки; 3 -распорки; 4 — дно выемки;
 J г 5 — дно реки; 6 — стальной шпунтовыи ряд
 фильтруется вода. 11о мере понижения уровня воды шпунтовые сваи наклоняются внутрь и соединения становятся более плотными. Если глубина перемычки более 15 ж, то может оказаться непрактичным понижать уровень воды до дна котлована. При таких условиях выемку можно осуществить путем применения подводного землечерпания. Затем на дно, прежде чем будет откачана вода, укладывается слой бетона.
 Для крупных котлованов, но при глубине воды не более 6 м, часто забивается одна стенка из шпунтовых овай, укреп¬
 Рис. 10.3. Двойная шпунтовая перемычка
 181

ленная земляной отсыпкой (рис. 10.4, а). Так как грунт легко размывается потоком, он должен быть защищен с наружной стороны каменной наброской. Двойные шпунтовые перемычки 4рис. 10.4, б) целесообразно применять при несколько больших
 Рис. 10.4. Шпунтовые перемычки
 а—из одной шпунтовой стенки с двусторонней отсыпкой; б—двухрядная перемычка;
 1 — каменная наброска (крупный камень); 2 — мелкий камень; 3 — насыпь; 4—первоначальная поверхность грунта; 5 — стальная шпунтовая перемычка; б — наружная стенка; 7 — внутренняя стенка; 8 — стяжки; 9 — отсыпка; 10 — заполнение из крупнозернистого материала; 11— стальные шпунтовые сваи
 глубинах воды. Такая перемычка состоит из двух рядов шпунтовых свай, связанных тяжами. Пространство между ними заполняется скальной породой или грунтом.
 Там, где глубина воды очень велика, часто применяются ячеистые шпунтовые перемычки. На рис. 10.5 показаны два основных типа этих перемычек. Каждая ячейка заполняется грунтом. Ячеистый тип перемычки имеет то преимущество, что
 182

-J5
 Сечение по Д-Д и В-В
 Рис. 10. Ячеистые перемычки
 а —'лиафрагменные; б— цилиндрические; 1,2—стальной шпунт; ,3 — заполнение из крупнозернистого грунта; 4—отсыпка; 5 — естественный уровень грунта
 1 1
 1 II II II
 TSrJJ
 ч
 .и
 S)
 1 5 Ш11 LJ XJ LI lii
 ШТ
 гт гг П г
 I II I I
 11—i—11—I I I i I А
 Рис. 10.6. Поперечное сечение опускного колодца
 а — наплавного; б — опускаемого .с песчаного островка; 1 — iuaxTbi для выемки грунта
 2 — секции, добавляемые по мере опускания колодца; 3 — секция, построенная на берегу и доставленная к месту погружения наплаву; 4 —пустотелые стенки для обеспечения плавучести (заполняются бетоном при погружении); 5 — дно реки; 6—подводный бетон; 7 — поверхность несущего слоя грунта; 8 — положение колодца перед опусканием; 9 — шпунтовое крепление; 10—песчаная засыпка; 11—законченный фундамент
 .183

обеспечивает устойчивость каждой отдельной ячейки независимо от других. Поэтому еще в период ее строительства перемычка совершенно устойчива против воздействия внезапных паводков и штормов. При строительстве небольших мостовых опор отдельные ячейки делаются достаточно большими, чтобы окру жить всю опору. Так как такие ячейки не заполняются грунтом, они раскрепляются изнутри кольцевым креплением.
 Опускные колодцы. Если поверхность земли находится над водой, то строительство опускного колодца может быть начато прямо на поверхности грунта над местом погружения. Если поверхность земли затоплена, то нижняя секция колодца может быть построена в другом месте, а затем перевезена к месту погружения и опущена (рис. 10,6, а) . Часто под защитой кольцевого шпунта отсыпают специальный песчаный островок. На этом островке производится строительство колодца и его погружение тем же способом, как если бы уровень земли был выше уровня воды (рис. 10.6,6).
 Опускной колодец обычно погружается с помощью грейфера. Следовательно, он должен иметь ряд сквозных шахт достаточного размера для свободного прохода ковша сквозь колодец. В колодце небольших размеров устраивается только одна поперечная перегородка посередине. В очень больших колодцах необходимо иметь несколько перегородок.
 Один из быков моста Сан-Франциско— Окленд имеет рекордную глубину 74 м ниже уровня воды. Он был опущен при помощи выемки грунта из. 28 шахт.
 Вес колодца должен быть во всех случаях достаточным для преодоления бокового трения. В некоторых случаях, для того чтобы заставить колодец погружаться, следует применять дополнительные нагрузки и подмыв. После того как-колодец достиг проектного положения, дно его бетонируется способом подводного бетонирования.
 Кессоны с использованием сжатого воздуха (рис. 10.7) применяются для глубин от 12 до 35 м. Применение сжатого воздуха не допускает проникания воды и грязи в рабочую камеру. Последняя обычно бывает высотой 1,8 ж и соединена с шахтами для прохода рабочих и для «подачи материалов. Сверху шахты сообщаются шлюзовыми аппаратами. Применение кес¬
 Рис. 10.7. Сечение кессона
 1 — выпуск воздуха;
 2 — шлюзовой аппарат;
 3 — подача сжатого воздуха; 4—сифонная труба; 5 — бадья для удаления вынутого грунта; 6 — лестница; 7 — металлическая шахта для доставки людей и материалов; 8 — паз;
 — рабочая камера (заполняется бетоном после опускания кессона)
 184

сонов позволяет удалять затопленные древесные стволы, валуны и т. д., с которыми может встретиться при опускании ноне кессона. Поверхность основания при этом методе может быть тщательно подготовлена и забетонирована всухую. Стоимость работ при кессонном способе больше стоимости погружения опускного колодца. Кроме того, глубина опускания кессона ог-
 Сечение по Л-Л
 Рис. 10.8. Опора железнодорожного моста в Канзас-Сити
 1 — шахты для выемки грунта; 2 — конструктивные швы;
 3 — ил; 4 — нож опускного колодца; 5 — пространство для рабочей камеры в случае необходимости применения сжатого воздуха; 6 — твердые глинистые сланцы
 раничивается максимальным давлением, при котором могут работать люди.
 Рис. 10.8 показывает одну из типовых опор железнодорожного моста в Канзас-Сити. Опускной колодец высотой 29 м был опущен открытым способом до сланцев, после чего он был превращен в кессон и погружен в сланцы, .чтобы обеспечить надежное опирание. Этот метод позволил сочетать экономичность, присущую открытому способу, с надежностью подготовки основания, характерной для кессонного способа.
 185

Глава 11
 МОСТОВЫЕ ОПОРЫ, ПОДПОРНЫЕ СТЕНКИ И УСТОИ
 Рис. 11.1. Устои и опоры моста (1950 г.) в Нью-Джерси. На переднем плане тыльная сторона устоя перед засыпкой. Обратные стенки устоя консольного типа и составляют одно целое с передней стенкой. На заднем плане видно несколько промежуточных опор, готовых для монтажа пролетных строений

§ П.I. МОСТОВЫЕ ОПОРЫ
 6)
 ACT
 в)
 г)
 Рис. 11.2. Типы мостовых быков
 Размеры верхней части опоры определяются величиной давления на опору, расстоянием, необходимым для температурного удлинения пролетного строения и расстоянием между фермами или прогонами. Часто поверху опоры осуществляется карниз или консоль, выступающая за пределы боковых граней, приблизительно на 15 см. Если опора находится в воде, то для предотвращения явлений завихрения и размыва дна, ей придается обтекаемая форма ниже уровня высокой воды. В северных широтах опора со стороны течения может быть снабжена наклонной режущей гранью, обеспечивающей поднятие и раскалывание глыб льда. Из архитектурных соображений мостовой опоре придается уклон до 12 1.Дляжелезнодорожных мостов обычно применяются массивные опоры (рис. 11.2, а). Парные опоры (рис. 11.2,6 и в) часто строятся
 для шоссейных мостов, причем тип б также часто применяется и для железных дорог. Опоры на рис. 11.2,г применяются в тех случаях, когда необходимо избежать устройства косых пролетов через существующие железнодорожные пути или шоссейные дороги.
 Большинство современных мостовых oinop выполняется из железобетона. Для защиты от агрессивного воздействия воды иногда применяется облицовка камнем. Хотя быки и устои мостов обычно рассматриваются как опоры, они вместе с тем не являются фундаментами в обычном смысле слова, так как их расчет не требует учета свойств подстилающего грунта. Поэтому опоры мостов в последующих главах книги рассматриваться не будут.
 § 11.2. ПОДПОРНЫЕ СТЕНКИ
 Подпорная стенка является конструкцией, которая поддерживает сбоку массу грунта. Устойчивость ее обеспечивается собственным весом, а также весом грунта, лежащего непосредственно на ее фундаменте. Подпорные стенки составляют неотъемлемую часть многих фундаментов и расчет их является одной из задач инженера-проектировщика.
 187

До 1900 г. подпорные стенки, как правило, возводились из каменной кладки. В последующие годы основным материалом для стенок стал неармированный и армированный бетон. В настоящее время наиболее распространенными типами подпорных стенок являются: гравитационные, полугравитационные, консольные, контрфорсные и ряжевые стенки.
 а — гравитационный; б — полуграситационный; в — уголковый (консольный); г—контрфорсный; д — ряжевый; — арматура для восприятия температурных деформаций;
 2 — дренажная трубка; 3 — рабочая арматура; 4 — дренаж за подпорной стенкой;
 5 — передняя стенка, 6 — контрфорс; 7 — плита фундамента
 Устойчивость гравитационной подл юр ной стенки (рис. 11,3,а) из каменной кладки и бетона обеспечивается собственным весом стенки плюс вес грунта, лежащего на кладке. Бетонные стенки этого типа снабжаются у наружных граней некоторым количеством арматуры, предотвращающей появление поверхностных трещин от температурных деформаций.
 Полугравитационная стенка (рис. 11.3, б) имеет несколько меньшую толщину, чем гравитационная, и армируется вертикальными стержнями вдоль внутренней грани для сопряжения с фундаментом. Кроме того, по наружной грани стенки укладывается арматура, воспринимающая усилия от температурных колебаний.
 188

На рис. 11.3,в представлена консольная стенка — сравнительно тонкая и сильно армированная для восприятия изгибающих моментов и поперечных сил.
 Контрфорсная стенка (рис. 11.3,г) представляет собой тонкую железобетонную плиту, обычно вертикальную, поддерживаемую через определенные промежутки вертикальными плитами или контрфорсами, расположенными под прямым углом к вертикальной продольной плите. Вертикальная стенка и контрфорсы соединяются с горизонтальной фундаментной плитой. Пространство над последней и между контрфорсами заполняется грунтом. Все плиты подпорной стенки этого типа сильно армированы.
 Перечисленные четыре типа подпорных стенок являются монолитными конструкциями в отличие от ряжевых (рис.
 11.3,(3), состоящих из отдельных конструктивных элементов, собираемых на месте в виде клеток, которые заполняются грунтом. Устойчивость их обусловлена не только собственным весом и весом засыпки, но и прочностью грунта, употребленного для засыпки. Элементы такой стенки изготовляются из железобетона, металла или дерева.
 Из монолитных типов подпорных стенок наиболее часто в настоящее время осуществляются консольные и полугравитационные. Консольные стенки достаточно экономичны и широко применяются при строительстве зданий и автомобильных дорог. Однако из-за сравнительно небольшой толщины бетонных элементов их долговечность при действии попеременного замораживания и оттаивания может оказаться недостаточной. Поэтому в тех случаях, когда основным требованием является обеспечение надлежащей долговечности при малых ремонтных расходах (в частности, для железнодорожных сооружений), предпочтение может быть отдано более мощным подпорным стенкам полугравитационного типа.
 Подпорные стенки при проектировании рассчитываются на давление грунта, но не всегда рассчитываются на давление воды. Поэтому рационально запроектированные подпорные стенки снабжаются дренажными устройствами, устраняющими водонасыщение грунтов засыпки. Дренажные устройства обычно представляют трубы, диаметром от 15 до 20 см, уложенные в стенке (рис. 11.3, а) и защищенные со стороны засыпки от загрязнения слоем гравия. Дренажные трубы обычно располагаются через 3 м по вертикали и по горизонтали. В контрфорсных стенках следует предусматривать устройство по крайней мере одной дрены в каждой ячейке между смежными контрфорсами.
 Дренажные трубы в бетоне не очень эффективны при наличии слабопроницаемой засыпки. Следует указать, что гравий, применяемый для дренажа, если он не отвечает требованиям обратного фильтра (§ 2.4), может быстро засориться. В морозную погоду дрены могут забиваться льдом. В связи с этихм более
 189

удобно устраивать сплошной дренаж за стенкой (рис.
 11.3, в), в частности, когда условия конструирования позволяют его применить. Дренажное устройство представляет собой перфорированные трубы диаметром не менее 25 см, окруженные слоем фильтрующего грунта. Они выводятся в открытую канаву и могут из нее прочищаться.
 Величина горизонтального давления, действующего на подпорную стенку, обусловлена физико-механическими характеристиками грунтов засыпки. Наиболее подходящим грунтом для засыпки следует признать чистый песок и гравий вследствие их значительной водопроницаемости, отсутствия явлений выпучивания при низких температурах и неизменяемости их свойств во времени. Илистые пески, илы, а также грунты с относительно небольшим количеством глинистых фракций нежелательны для засыпки, так как они не могут свободно фильтровать; строительные свойства их при низких температурах ухудшаются и сопротивление сдвигу по мере водонасыщения уменьшается. Нежелательно также применять в качестве засыпки глинистые грунты. Они слабо фильтруют, испытывают набухание и усадку от воздействия климатических факторов и снижают сопротивление сдвигу при водонасыщении. Если в усадочных трещинах глинистой засыпки накопится дождевая вода, то в засыпке может возникнуть полное гидростатическое давление, передающееся на подпорную стенку одновременно с давлением грунта, иногда даже при наличии дренажных устройств. Там, где это возможно, часто оказывается целесообразным устраивать между стенкой' и глинистым грунтом засыпку из фильтрующих грунтов, как показано на рис 11.3, а.
 § 11.3. УСТОИ
 Устои (рис. 11.4) предназначены для двух основных целей. Они служат опорами для пролетного строения, а также поддерживают грунт или скалу, на которой находится дорога, непосредственно прилегающая к мосту.
 На рис. 11.4, а показан один из наиболее распространенных типов устоев. Он состоит из центральной части, поддерживающей пролетное строение, и двух откосных крыльев, предназначенных для поддержания насыпи. Все эти части покоятся на общем фундаменте. Если откосные крылья располагаются под прямым углом к центральной части, то такая конструкция называется устоем с обратными стенками (рис. 11.4,6). В некоторых случаях крылья такого устоя соединяются друг с другом, чтобы уменьшить возможность их опрокидывания.
 Сквозной устой (рис. 11.4,в) применяется также достаточно широко. Он состоит из двух или нескольких вертикальных колонн-стенок, поддерживающих балку» на которой распо¬
 190

ложена опорная часть пролетного строения. Насыпь выполнена под углом естественного откоса и идет от подошвы верхней бал ки через промежутки между колоннами. В пределе этот тип устоя по существу превращается в ряд свай, забитых в насыпь и поддерживающих опорную часть моста (рис. 11.4, г). В верх-
 Рис. 11.4. Типы устоев
 а — гравитационный устой с откосными крыльями; б — устой с обратными стенками; в — сквозной устой; г — свайно-рамный устой; I — подферменная площадка; 2 — передняя стенка; 3 — обратные стенки; 4 — фундамент
 ней части такого устоя обычно делаются небольшие крылья, для того чтобы опорные части были защищены от попадания грунта. Другой, часто осуществляемый тип, — это обычный массивный устой с небольшими откосными крыльями в верхней части. Насыпь в этом случае отсыпается вокруг устоя.
 Глава 12
 УСИЛЕНИЕ И ПОДВОДКА ФУНДАМЕНТОВ
 § 12.1. ВРЕМЕННОЕ УСИЛЕНИЕ
 Рытье котлована ниже отметки подошвы фундамента прилегающего сооружения обычно обусловливает необходимость создания временного крепления для этого сооружения. Для этого, в частности, устраиваются гнезда в стенах прилегающего-
 194

здания и в них упирают наклонные подкосы, воспринимающие нагрузку от той части стены, которая должна быть поддержана (рис. 12.1).
 Нижние концы этих подкосов опираются на подушки, подобные тем, которые применяются для подкосов креплений котло-
 Рис. 12.1. Методы усиления фундаментов
 а — укрепление подкосами; б — вывешивание с помощью разгрузочной балки; 1 — цементный раствор; 2 — стальная Z-образная балка; 3 — деревянный подкос; 4 — стальные плиты и клиуья (могут быть заменены винтовым домкратом);
 5 — подушка; 6 — существующая кирпичная стена; 7 — промежуточная плита; 8 — временная разгрузочная балка (стальная двутавровая); 9 — отверстие, пробиваемое в стене для установки разгрузочной балки при вывешивании здания;
 10 — винтовые домкраты; И — подушка;2 — выемка для подводки нового фундамента
 ванов (§ 6.3). Такой способ усиления может быть применен только для относительно небольших зданий.
 Достаточно надежное усиление может быть осуществлено путем подрезки стены или колонны с последующей установкой домкратов между ними и фундаментом. По мере производства твыемки, сопровождающейся просадкой окружающего грунта
 •192

на прилегающих участках, с помощью домкратов регулируют положение стен и колонн с сохранением их первоначальных отметок.
 § 12.2. ПОДВОДКА ФУНДАМЕНТОВ
 В некоторых случаях оказывается необходимым заменить или усилить фундамент существующего сооружения. Подводка фундаментов должна осуществляться специалистами в этой области, но каждый инженер-строитель обязан быть знаком с методами проведения таких работ.
 Одним из простейших видов подводки фундамента является замена фундамента стены другим, залегающим более глубоко. Следует указать, что каменные или бетонные стены могут выдержать образование временных проемов в своих фундаментах. Поэтому можно разрабатывать выемку рядом с существующей стеной до глубины, соответствующей отметке подошвы нового фундамента, а также производить выемку грунта под существующим фундаментом на глубину от 1,2 до 2,4 м с устройством новой секции фундамента в этом месте. После того, как эта секция закончена, можно приступить к возведению другой, смежной с первой.
 Если стена неустойчива, в ней можно проделать отверстия и вставить в них горизонтальные балки, как показано на рис. 12,1,6. Эти разгрузочные балки укладываются обоими концами на временные подушки и домкраты. Таким образом, разгрузочные балки выполняют роль временных фундаментов. Пока стена опирается на такую балку, бетонируется новый фундамент. Разгрузочные балки применяются также при подводке новых фундаментов под колонны.
 Во многих случаях несущая способность фундаментов существующих зданий оказывается недостаточной и возникает необходимость устройства новых фундаментов, заложенных на значительно большей глубине, чем существующие. Новые фундаменты обычно устраиваются в вырытых вручную шахтах или в виде свайного фундамента. В последнем случае двутавровые балки или трубы, воспринимающие вес фундамента, залавливаются в грунт домкратами.
 Передача нагрузки от подкосов или существующих конструкций на новое основание неизбежно вызывает деформацию и осадку. Эта осадка может привести к возникновению в здании трещин. Появление последних может быть уменьшено или совершенно устранено путем предварительного напряжения нового основания, создаваемого при помощи домкратов. Пока нагрузка воспринимается домкратами, для сохранения напряженного состояния вставляются клинья. Затем домкраты убирают, и пространство, которое они занимали, заполняется бетоном. Эта операция называется предварительным обжатием.
 13 Зак. 1274
 193

Работы по подводке фундаментов часто сложны и очень дороги. Чтобы избежать риска переустройства фундаментов в будущем при строительстве соседних сооружений, с самого начала закладывают глубокие фундаменты для тех зданий, которые могли бы иметь фундаменты с небольшим заложением, если бы окружающий грунт не был в будущем нарушен вследствие выемки грунта для нового сооружения.

ЧАСТЬ III
 ПРОЕКТИРОВАНИЕ, РАСЧЕТ ОСНОВАНИЙ И ВЫБОР ТИПА ФУНДАМЕНТА
 В части III описываются методы выбора типа фундамента, наиболее соответствующего данным грунтовым условиям, и способы определения допускаемого давления на основание в допускаемой нагрузки на сваи..
 Глава 18
 ФАКТОРЫ ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ВЫБОР ТИПА ФУНДАМЕНТА
 § 13.1. ОСНОВНЫЕ СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
 Выбор типа фундамента, в наибольшей степени соответствующего данному сооружению, зависит в основном от следуюг щих факторов: назначения сооружения и характера и величины нагрузок, которые оно воспринимает; грунтовых условий и соотношения стоимости фундамента и самого сооруже: ния.
 В связи с тем, что эти факторы являются взаимосвязанными, обычно можно предложить несколько приемлемых вариантов устройства фундаментов. Разные опытные инженеры мог гут притти к нескольким различным решениям одной и той же задачи. Этот факт свидетельствует о том, что субъективная оценка играет первенствующую роль в практике строительства фундаментов. Возможность установления строго научного метода проектирования и расчета фундаментов вызывает сомнение, хотя достижения науки в большой степени способствовали прогрессу этой области строительного искусства.
 Когда опытный инженер приступает к изучению условий проектирования данного сооружения, он почти инстинктивно исключает наиболее непригодные типы фундаментов и сосредоточивает свое внимание на изучении нескольких наиболее при-
 13
 195

емлемых. Когда он производит окончательный отбор из этих немногих вариантов, соответствующих данным грунтовым условиям и назначению сооружения, он должен учесть относительную экономичность каждого варианта, прежде чем вынести окончательное решение.
 Менее опытные инженеры могут идти тем же путем, не опасаясь впасть в серьезную ошибку, если они располагают результатами научных исследований и используют опыт, накопленный в этой области. Однако эти данные могут быть полезны лишь после того, как они будут систематизированы. Часть III этой книги излагает опыт строительства различных типов фундаментов на всевозможных грунтах в таком освещении, чтобы студент мог ознакомиться to способом решеиия соответствующих задач людьми, имеющими большой практический опыт. Тогда студент сможет сам применить подобные методы и прийти к правильным решениям во всех подобных случаях, за исключением, может быть, наиболее сложных случаев проектирования оснований и фундаментов.
 При выборе типа фундамента инженер последовательно проходит пять основных стадий:
 1) он изучает хотя бы приблизительные данные о характере будущего сооружения инцгфузкдххоторъш .будух предаваться на фундаменты; I
 2) он изучает в общих чертах грунтовые условия
 3) затем. ОН ря;ГмятриУяртПЖНПР рримрнрния кящпго из обычных типов фундаментов для.тлга, чтобм . .РШИТЬ, jCMoiyr ли они быть осуществлены в данных условиях смогут ли они нести требуемые нагрузки, смогут ли они противостоять вредным осадкам. Следуя таким путем, он может исключить из рассмотрения те типы фундаментов, которые в данных условиях явно непригодны;
 4) следующим шагом является более лАДробный анализ и _даже предварительный дасчет„уаибол,еепригодных типов 1ун да ментов. Эти исследованиям-огут..потребовать до по л н HTeJi ыШх [сведений о нагрузках.и грунтовых условиях ... вообще, они должны быть проведены достаточно обстоятельно с тем, чтобы определить приблизительные размеры фундаментов или опор, или приблизительную длину свай и требуемое число их. Может также оказаться необходимым сделать более точные расчеты осадок, чтобы предвидеть условия возможного поведения сооружений;
 5) наконец, инженер устанавливает стоимость каждого из этих типов фундаментов и выбирает тот, который является наиболее технико-экономически целесообразным.
 Указания, приведенные в пп. 3 и 4, требуют знания поведения каждого типа фундамента при заданных грунтовых условиях. Основная цель данной части книги заключается в изложении соответствующих сведений.
 196

§ 13.2. НЕСЖЩАЯ СПОСОБНОСТЬ И ОСАДКА
 При проектировании необходимо учитывать две возможности неудовлетворительного поведения фундаментов. С одной стооны, нагрузка от фундам eHj£_ или_э из которых .одср-
 стоит может вызвать р а з р у ш е н и е__х) сн_о недостаточной несущей способности С другой стороны, основание может й не разрушиться но осадка с о о_р ужен и я может быть настолько большой и неравомершж,'. цтп hHpuhяf
 Щй. 1Ш . иШПЛЛ лолуш13иЛол££ чительные повреждения, ти два случая неудовлетворительной рботыфундаментоввызываются независимыми друг от друга причинами и обычно исследуются отдельно. Первый зависит от прочности грунта или скалы, определяющей их предельную несущую способность. Второй определяется деформативными свойствами материалов основания и носит название разрушающей осадки.
 В каждой из последних глав будут рассматриваться основные типы естественных отложений и для каждого из них будут рекомендованы различные типы фундаментов и изложены методы определения нагрузки, которая может быть безопасно воспринята основанием. Будут также изложены методы расчета осадок. Наконец, для каждого случая будут освещены характерные затруднения в производстве работ, которые могут влиять на выбор типа фундамента.
 Для обеспечения надежности сооружения рекомендуется принимать коэффициент запаса по несущей способности основания не меньше 3. Меньшие коэффициенты могут быть допущены для неответственных сооружений, а также в тех случаях, когда грунты основания настолько однородны или так хорошо изучены, что их осадки могут быть установлены с большой точностью. Коэффициент 3 достаточен при учете обычно встречающихся изменений грунтовых условий и примерно соответствует коэффициенту запаса, как правило, принимаемому при расчетах наземной части сооружений. С другой стороны, для нагрузок, которые рассмат риваются в большинстве строительных норм как чрезвычайные, принимается коэффициент запаса, равный 2.
 Допустимая осадка зависит от типа сооружения и его назначения. Так, например, нагрузка, передаваемая на грунт мостовой опорой, состоит, в основном, из веса самой опоры, и соответствующая осадка при этом может составить несколько сантиметров.
 Если осадка опоры происходит в период строительства, то она не будет иметь практического значения. Если осадка происходит в течение длительного периода времени, то она может не оказывать вредного влияния на сооружения, состоящие (из балочных или консольных конструкций. Однако последствия осадки могут быть весьма значительными, если наземная часть сооружения представляет собой неразрезные балки или рамы.
 197

Немногие железобетонные рамные конструкции могут выдержать неравномерную осадку смежных колонн более чем в 20 мм без признаков разрушения. Стальная конструкция может выдержать несколько большую осадку, а кирпичное здание может выдержать в 3—4 раза большую осадку без серьезного ущерба. Неравномерная осадка более вредна для сооружения любого типа, чем осадка, равномерно распределяющаяся по площади.
 Хотя на стоимость фундамента значительное влияние оказывает величина допустимой для сооружения неравномерности осадки, не следует все же преувеличивать осадку, которую надежно может выдержать сооружение.

Глава 14.
 ФУНДАМЕНТЫ НА ПЕСКЕ
 Pic. 14.1. Мост Бэтн-Руж (1940)
 МостБэтн Руж—одно из замечательных сооружений в низовьях реки Миссисипи. Подстилающая порода—аллювиальные отложения глины и ила, в которые включены линзы плотного 'песка. Опоры моста в виде опускных колодцев, погруженных с искусственных песчаных островков. Самая большая глубина заложения опор 55 м. Прочная скальная порода вероятно залегает на глубине порядка тысячи метров

§ 14.1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕСЧАНЫХ ОТЛОЖЕНИИ
 Если в основании сооружений залегает песчаный грунт, то могут быть приняты фундаменты любого типа — раздельные, сплошные.шкже. или глубокие опоры. Выбор зависит’ относительной плотности песк”й“ положения грунтовых вод. Относительная плотность песка определяет несущую способность фундаментов и опор и сопротивление свай. От нее также зависит и величина осадки.- Учет уровня грунтовых вод необходим, главным образом, потому, что для производства земляных работ ниже этого уровня требуется дренаж, что повышает стоимость фундамента. Наличие грунтовых вод оказывает также значительное влияние на несущую способность и осадку.
 § 14.2. ФУНДАМЕНТЫ НА ПЕСКЕ
 Предельная несущая способность. На рис. 14.2,а приведено поперечное сечение ленточного фундамента шириной 5, залегающего на глубине Df от поверхности грунта. Грунт под подошвой фундамента слагают пески, залегающие до очень большой глубины. Если произойдет разрушение основания, то блок а) 5)
 Рис. 14.2. Ленточный фундамент на песке
 а — расчетная схема; б — значение Djс для фундамента с различной глубиной заложения по обеим сторонам
 aaxbxb, будет разрушен, подобно образцу в испытательной машине, и сечение ab должно быть смещено вправо. Однако ab не может переместиться вправо, если при этом блок abed также не разрушится, вследствие чего ас переместится вверх и поднимет нагрузку Df. На рис. 14.2,6 показано значение Df для фундамента с различной высотой пригрузки грунта по обеим сторонам.
 200

Можно приближенно определить предельную несущую способность основания, рассматривая напряжения посередине высоты каждого из двух блоков, подвергающихся разрушению. Если мы допустим, что разрушение наступит в пределах произвольной глубины kB под подошвой фундамента, то можно написать
 p2 lDf±kBb (14Л
 По аналогии с (2.36) можно написать условия разрушения
 правого и левого блоков
 Рз (14.2)
 Pi РзV, , (14.3)
 где
 Mptg2(45° cp2).
 Интенсивность нагрузки, которую может воспринять грунт в. плоскости подошвы фундамента, может быть выражена следующей зависимостью:
 Я-Р1-ьВъ (14.4)
 Решив совместно эти уравнения, получим
 Я ЬВ-t (V2- 1) TD, (14.5)
 где qd является максимальным давлением, которое может выдержать грунт под подошвой фундамента.
 Коэффициент k лишь приблизительно определяет глубину песка, вовлеченного в разрушение. Последние теоретические исследования показывают, что эта глубина является функцией
 относительной плотности песка и, следовательно, ср. Если мы
 обозначим член k(N2— 1), который является только функцией ср, через Nv то получим
 qd ±-В ф,К (14.6
 При более точных расчетах учитывается действительная форма массива грунта, который вовлекается в разрушение, и
 заменяется почти равным, но более точным коэффициентом Nq, который также является функцией только ср. Тогда
 (14.7
 Это уравнение показывает, что несущая способность фундамента на песке обусловливается двумя факторами: трением,
 возникающим от веса песка ниже отметки подошвы фундамента, и трением от веса пригрузки

Объемные веса большинства песчаных грунтов как сухих, так и влажных или насыщенных водой, находятся в сравнительно узких пределах. Поэтому объемный вес песка не оказывает существенного влияния на несущую способность фундамента. Однако если песок залегает ниже поверхности грунтовых вод, величина силы трения будет определяться объемным
 весом скелета, взвешенного в воде грунта. Объемный вес скелета составляет примерно половину объемного веса сухого, влажного или насыщенного песка. Величина р не изменяется скольконибудь значительно от насыщения водой. В связи с этим можно сделать вывод, что поднятие уровня грунтовых вод с глубины большей, чем ширина фундамента В (считая от его подошвы вниз), уменьшит несущую способность основания до величины, составляющей около половины ее значения для влажного, сухого или насыщенного песка. Таким образом, положение уровня грунтовых вод имеетисключительно важное значение для установления несущей способности песчаного основания.
 Значения Л7 и резко возрастают по мере увеличения с (рис. 14.3). Поскольку 9 в значительной степени зависит от относительной плотности песка, но практически не зависит от размера фракций, то можно признать, что на несущую способность в значительной степени влияет относительная плотность, а размер зерен, по-видимому, влияния не оказывает.
 Согласно (14.7), та часть несущей способности, которая обусловливается весом грунта под фундаментом, возрастает прямо пропорционально ширине фундамента. Однако часть несущей способности, обусловленная наличием пригрузки со стороны окружающего грунта, от ширины фундамента не зависит.
 Рис. 14.3. График зависимости между коэффициентами несущей способности N-f и Nqt углом внутреннего трения ср и количеством ударов N при стандартном испытании на пенетрацию
 202

Резюмируя это, можно утверждать, что уравнение (14.7) показыйает, что предельная несущая способность песчаного основания зависит в основном от следующих переменных факторов: уровня грунтовых вод, относительной плотности песка,.ширины фундамента и высоты пригружающего грунта вокруг фундамента.
 График несущей способности. При определении необходимой площади подошвы фундамента удобнее всего исходить из давления на основание нетт о,т. е. за вычетом давления от вынутого грунта (бытовой нагрузки). Таким образом, предельное давление нетто на грунт qd не должно превосходить
 Я а q'd — ф — 0- (14.8)
 Значения и Nq являются функциями только 9, которое, в свою очередь, в основном является функцией относительной плотности песка. Наиболее целесообразным методом (§ 3.4) определения относительной плотности является стандартное испытание на пенетрацию. Значения N, устанавливаемые с помощью этих испытаний, могут быть довольно надежно сопоставлены со значениями 9, N ;и Nq. Результаты такого сопоставления показаны на рис. 14.3 Поэтому, если известно значение N, го по уравнению (14.8) может быть рассчитано qd с помощью кривой на рис. 14,3.
 Само собой разумеется, что зависимость между N и 9 (рис. 14.3) только приближенная. Ограничения и недостатки метода .стандартного испытания на пенетрацию были указаны в § 3.4. С другой стороны, соотношение между ср и N q или УУ7 опирается в основном на теоретические положения и гораздо более надежно. Поэтому, если 9 определено методом более точным, чем обычные стандартные испытания на пенетрацию, то можно использовать кривую (14.3) для определения N и Nq.
 Давление на.грунт нетто в плоскости подошвы фундамента не должно превышать 7з предельной несущей способности грунта. Давление на грунт, при котором коэффициент запаса против зыпирания равен 3, называется безопасным давлением на грунт. Оно довольно легко может быть определено для фундамента данной ширины с помощью графиков 14.4, построенных на основе ураьнения (14.8) и рис. 14.3, и при допущении, что объемный вес песка равен 1,6 тмг. Первый график (рис. 14.4, а) дает ту часть безопасного давления на грунт, которая соответствует выражению 0,5 ByN в уравнении (14.8), второй график (14.4,6) соответствует значению уDf(Nq—1). По графику
 14.4,а, зная ширину фундамента В и значение N, мы получаем безопасное давление на грунт при отсутствии боковой пригрузки. Если пригрузка имеется, то график 14.4, б дает дополнительное безопасное давление на грунт за счет боковой пригрузки.
 203

Эти графики могут быть использованы тогда, когда уровень грунтовых вод располагается на глубине В или более ниже подошвы фундамента. Если уровень грунтовых вод располагается в плоскости подошвы фундамента, то величину безопасного давления на грунт, полученную из графика 14.4, а, следует разделить на 2. Если уровень грунтовых вод располагается у .поверх-
 а) 6)
 Рис. 14.4. Безопасное давление на грунт по подошве ленточного фундамента (рассчитанное по несущей способности)
 а — безопасное давление на грунт без учета пригрузки (Df 0); б — дополнительное безопасное давление на грунт от пригрузки (в основу расчета кривых положено условие что уровень грунтовых вод находится на расстоянии большим В ниже от подошвы
 фундамента)
 ности пригрузки, окружающей фундамент, то безопасная величина давления за счет пригрузки (рис. 14.4,6) должна быть также разделена на 2. Если уровень грунтовых вод занимает некоторое промежуточное положение, то путем интерполяции можно получить достаточно точные значения.
 Сопротивление песка пенетрации следует определять при помощи стандартного испытания в ряде точек. Желательно по крайней мере одно испытание на каждые 4—6 раздельных фундаментов. Значения N следует определять через 0,75 м по верти
 204

кали, а среднее значение N по каждой вертикали следует определять в зоне между подошвой фундамента и глубиной В, считая от последнего. Наименьшее среднее значение N, полученное при этом, следует использовать для вычисления безопасной нагрузки на отдельные фундаменты.
 Как было указано в § 3.4, значения N могут быть слишком большими, если подстилающий грунт состоит из очень мелкого песка, расположенного в зоне грунтовых вод. Эти крайне преувеличенные значения обозначаются через N1. Перед пользованием графиками 14.4 следует определить эквивалентные значения N для величин N1 больше 15 из следующего выражения
 N 15 -j (ЛГ — 15). (14.9)
 Графики 14.4, а и 14.4, б можно использовать не только для ленточных фундаментов, но также и для квадратных или прямоугольных, при условии, если величина В принимается за наименьшее измерение подошвы фундамента.
 Наконец, если значение ср определено какими-либо другими способами, кроме стандартного испытания на пенетрацию, то эквивалентную величину можно получить из рис. 14.3 и использовать в графике 14.4.
 Осадка. Осадка фундаментов на песчаном грунте определяется деформативными характеристиками материала. Согласно § 2.6, жесткость песка, оцениваемая по начальному касательному модулю, довольно значительно возрастает с увеличением относительной плотности и приблизительно пропорциональна боковому давлению, которое препятствует поперечному расширению. Будем называть это давление ограничивающим. Ограничивающее давление в массе песка примерно пропорционально вертикальному давлению и поэтому примерно пропорционально объемному весу песка непосредственно под фундаментом и вокруг него. Наиболее значительным фактором, влияющим на величину объемного веса песка, является положение уровня грунтовых вод. Если уровень грунтовых вод близок к поверхности грунта, то эффективное вертикальное давление в песке определяется взвешенным объемным весом скелета. Поэтому, если уровень грунтовых вод поднимется с большой глубины до поверхности земли, то осадка фундамента возрастет и в отдельных случаях возможно ее увеличение даже вдвое.
 Изложенное выше приводит к заключению, что для данного давления на грунт осадка фундамента на песке зависит от относительной плотности грунта и от положения уровня грунтовых вод. Теоретические положения, а также лабораторные и полевые исследования показывают, что осадка при данном давлении на грунт возрастает также и с увеличением площади фундамента. Из графика (рис. 14.5) можно определить давление на грунт, которое при данном значении N и данном размере фундамента вызовет осадку фундамента в 25 мм. Если требуется получить
 205

величину давления, соответствующую какой-либо другой величине осадки, то оно может быть получено из приведенного графика, при допущении, что осадка изменяется пропорционально изменению давления на грунт.
 График на рис. 14.5 построен при допущении, что уровень грунтовых вод располагается на глубине не меньшей, чем ширина фундамента В, считая от его подошвы. Если уровень грунтовых вод находится близко от подошвы фундамента или выше ее. то давление, соответствующее осадке в 25 мм, следует принимать равным половине величины, приведенной в этом графике. Для
 промежуточного положения уровня грунтовых вод величина давления может быть установлена путем интерполяции.
 Значения N для пользования графиком
 14.5 следует определять по методу, изложенному выше (см. рис. 14.4). Если фундаменты не квадратные, то В — размер наименьшей стороны.
 Поскольку давление на грунт, вызывающее осадку в 25 мм, изменяется с изменением ширины фундамента, то очевидно, что нельзя принимать одно и то же давление для всех фундаментов данного сооружения, даже при наличии основания из песка с исключительно однородной относительной плотностью. Если давление на грунт под всеми фундаментами берется таким же, как и под наибольшим из них, то осадка любого из фундаментов не будет превышать 25 мм.
 Даже в довольно однородных отложениях песков относительная плотность на отдельных участках различна. Фундаменты, расположенные на плотном песке, будут иметь меньшую осадку, чем фундаменты на рыхлом песке. Это обстоятельство тоже может привести к неравномерной осадке.
 Использование графиков для выбора величины допускаемого давления на грунт. Сопоставляя рис. 14.4 и 14.5 можно установить, что давление, которое может безопасно выдержать большинство оснований при коэффициенте запаса 3, значительно больше того давления, которое вызывает осадку в 25 мм. Поэтому при расчете фундамента здания редко представляется воз¬
 м
 Очень
 плотный
 Плотный
 Средний
 Рыхлый
 0 1 2 3 V 5 6 7
 Ширина фундамента В В м
 Рис. 14.5. График для определения давления на грунт, вызывающего осадку фундамента на песке в 2,5 см (в основу положено условие, что расстояние от уровня грунтовых вод до подошвы фундамента должно быть не меньше В)
 206

можным использовать полностью несущую способность песка. Только в том случае, если фундамент узкий, уровень грунтовых вод высокий и песок, залегающий в основании, рыхлый, то давление на грунт, установленное исходя из допустимой осадки, может быть большим того давления, которое получается при коэффициенте запаса равным 3 по отношению к несущей способности основания. Чтобы получить надежное основание, необходимо выполнить обе проверки.
 Для практического решения вопросов проектирования фундаментов может быть принят следующий метод. Соответствующее значение N определяется согласно вышеизложенным правилам. Давление на грунт, соответствующее максимальной осадке в 2,5 см, следует определить по рис. 14.5 для наиболее крупного фундамента в сооружении. Это значение следует сопоставить со значением безопасного давления на грунт (рис. 14.4) для данного и всех других более узких фундаментов. В тех случаях, когда безопасное давление на грунт меньше, чем 'величина, установленная по рис. 14.5, именно его следует принять для расчета соответствующих фундаментов. Та из двух величин, которая принимается к расчету, называется допускаемы.м давлением на грунт.
 Следует отметить, что в изложенном выше методе выбора допускаемого давления на грунт принята во внимание обычная неравномерность относительной плотности естественного песчаного грунта. Если -нет существенной разницы между средними значениями N на отдельных участках и имеются лишь частные случайные отклонения, то этот метод можно применять без всяких изменений. Если же средняя относительная плотность песков основания сильно колеблется, то следует разделить площадь сооружения на отдельные участки, каждый из которых можно считать однородным и для каждого из этих участков давление на грунт определить отдельно.
 Расчетная нагрузка для фундаментов на песчаном грунте. При выборе нагрузок, которые следует принимать во внимание при расчете фундаментов, требуется значительный опыт. В тех случаях, когда допускаемое давление на грунт устанавливается исходя из осадки, расчетная нагрузка должна включать в себя полную постоянную нагрузку и максимальную временную нагрузку с учетом давления от ветра и снега. Давление от собственного веса фундамента должно быть уменьшено на величину давления от окружающего фундамент грунта. Максимальная величина временной нагрузки принимается потому, что в случае песчаных, грунтов осадки происходят почти сразу же по приложении нагрузки.
 Если размеры и конструкции фундамента установлены исходя из несущей способности основания, то безопасное давление на грунт по рис. 14.4 не должно быть превышено для перечисленных выше нагрузок. Наиболее неблагоприятные возможные ком¬
 207

бинации нагрузок по строительным нормам не должны вызывать давлений, более чем в 1,5 раза превосходящих значения, данные в графике. Это обеспечивает минимальный коэффициент запаса 2 при особо неблагоприятных условиях загружения и коэффициент запаса 3 при наибольших обычных нагрузках, которым сооружение может подвергаться.
 Фундаменты с внецентренной нагрузкой. Под подпорными стенками и другими сооружениями, подверженными действию
 внецентренных нагрузок, давление по подошве может распределяться по треугольнику (рис. 14.6). Краевое давление на грунт qt будет равно удвоенному давлению в центре фундамента. Поэтому краевое давление должно в этом случае определять расчет. Поскольку относительно высокие давления действуют только на меньшей части подошвы, допускаемое давление на грунт можно определить исходя из того, что эффективная ширина В основания меньше, чем действительная ширина Ь.
 Так как теоретическое исследование этого вопроса крайне недостаточно, а опытные данные вообще отсутствуют, то мы рекомендуем выбирать допускаемое давление на грунт в подобных случаях с помощью методов, изложенных в данном параграфе для фундаментов с центральной нагрузкой, но принимать расчетную ширину ВЧъ Ь. Краевое давление qt не должно превышать допускаемого давления, определенного по этому способу.
 § 14.2а. ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА ФУНДАМЕНТОВ НА ПЕСЧАНОМ ГРУНТЕ
 Для иллюстрации применения изложенных выше положений к фундаментам на песке ниже даются два примера расчета. В обоих примерах расчет подразделяется на два этапа.
 1. Метолом попыток устанавливаются размеры самого крупного фундамента, поскольку допускаемое давление на грунт сначала неизвестно, затем исходя из осадки определяют допускаемое давление на грунт для самого большого фундамента.
 2. Размеры меньших фундаментов определяются по величине допускаемого давления, установленного для крупного фундамента. Необходимо обязательно проверить достаточность несущей способности основания.
 Рис. 14.6. Схема распределения давления на грунт под подошвой внецептренно нагруженного фундамента
 1 — фундамент; 2 — фактическое распределение давления по подошве фундамента шириной Ь 3— распределение давления по подошве фундамента шириной В ЧЬ, принимаемое для расчета
 208

Для двух самых крупных фундаментов, рассматриваемых в первом примере, давление на грунт, обеспечивающее коэффициент запаса 3 по разрушению основания, будет значительно выше давления, определенного, исходя из допустимой максимальной осадки, в 25 мм. С другой стороны, для меньших фундаментов допускаемое давление на грунт в большей степени определяется несущей способностью основания, чем осадкой.
 Второй пример расчета иллюстрирует учет влияния грунтовых вод. Уровень грунтовых вод находится на 1,5 м ниже отметки подошвы фундаментов. Поэтому допускаемое давление на грунт, найденное по графикам (рис. 14.4, а и 14.5), было снижено на 25.
 Это уменьшение является результатом интерполяции между 50-процентным снижением в случае, когда уровень воды находится у подошвы фундамента и отсутствием снижения давления, когда вода отстоит от подошвы фундамента на величину, большую его ширины.
 Расчет фундаментов складского помещения
 Исходные данные
 1. Рис. 14.7.
 2. Согласна данным предварительных расчетов на фундаменты передаются следующие нагрузки от колонн (в г)-
 Постоянная Временная Суммарная
 нагрузка нагрузка нагрузка
 Колонны:
 внутренние 57 169 226
 наружные 37 80 117
 угловые 20 38 58
 Ппан фундамента
 Так как здаиие предназначается под склад, то совершенно очевидно, что может встретиться случай, когда будет действовать полная величина временной нагрузки.
 14 Зак. 1274 209'

Поскольку грунтом основания является песок, то осадка происходит сразу же по приложении нагрузки. На основании сказанного при определении размеров фундаментов снижение временной нагрузки не производится.
 3. Допускаемая разность осадок отдельных фундаментов — 20 мм.
 4. Данные бурения на глубину 15 м в пределах площади здания:
 а) от поверхности грунта до забоя ск-важины — песок от среднезернистого до крупнозернистого;
 б) уровень грунтовых вод на глубине 10,2 м;
 в) минимальное среднее значение N между подошвой фундамента и глубиной 6 м — 35 ударов на 30 см погружения (мягкого грунта под песком не обнаружено).
 Расчет площадей фундаментов
 I. Фундаменты внутренних колонн (нагрузка 226 т). Задаваясь допускаемым давлением «а грунт 3,5 кгсм2, получим требуемую площадь — 6,46 м2.
 Принимаем предварительные размеры фундамента в плане
 2,6 • 2,6 - 6,76 м2
 и высоту 0,75 м.
 Расчетное давление на грунт
 226 : 6,763,34 кгсм2.
 Дополнительное давление:
 1) от железобетонной плиты пола подвала Q,15.2,4; q 22 кгсм2
 2) от собственного веса фундамента 0,75 • 2,4. J ’ '
 Учет действия пригрузки сбоку от фундамента:
 1) давление от железобетонной плиты ]
 пола подвала 0,15 2,4; I — 0,16 кгсм2.
 2) от грунта 0,75- 1,6. )
 Суммарное удельное давление на грунт составит:
 3,34 0,22—0,16 3,42 кгсм2.
 По рис. 14.5 при ширине 2,6 м и N 35 находим давление на грунт из условий допустимой разности осадок в 20 мм—3,6 кгсм2.
 По рис. 14.4 при ширине фундамента 2,6 м и N 35 находим безопасное давление на прунт, исходя из его несущей способности:
 2,74-2,8 5,5 кгсм2.
 Окончательные размеры в плане фундаментов внутренних колонн остаются принятыми ранее, т. е. 26 2,6 (ж2).
 II. Фундаменты наружных колонн (нагрузка 117 т). Задаваясь допускаемым давлением на грунт 3,4 кгсм2, получим площадь фундамента
 117:34 3,42 м2.
 Примем первоначально размеры фундамента в плане:
 1,6- 2,2 3,5 м2
 и высоту 0,6 м.
 Расчетное давление:
 117 : 3,5 33,4 тм2 3,34 кгсм2.
 Заметим, что удельное давление от дополнительной нагрузки превышает удельное давление от пригрузки на величину произведения высоты фундамента на разность объемных весов железобетона и грунта, т. е. на
 0,75(2,4—1,6) 0,06 кгсм2. Это позволяет упростить вычисления в дальнейшем.
 Дополнительная несущая способность за счет действия пригрузки. При пользовании графиком на рис. 14,4,6 с запасом заменяем плиту пола подвала слоем лрунта равной толщины и получаем D 0,150,750,9 м. (рис. 14.4, б).
 210

Дополнительное давление за вычетом пригрузки:
 0,61(2,4—1,6) 0,48 гл«2«0,05 кгсм2.
 Суммарное давление:
 3,4 0,05 3,45 кгсм.
 По рис. 14,5 находим, что допускаемое по осадке давление на грунт равно 4 кгсм2.
 По рис. 14,4 безопасное давление на грунт, исходя из несущей способности:
 2,8 2,4 5,2 кгсм2.
 Следовательно, предварительные размеры фундаментов были подобраны правильно.
 III. Фундаменты угловых колонн (нагрузка 58 т).
 Задаемся допускаемым давлением на грунт 3,4 кгсм2. Тогда площадь фундамента
 58 34 1,7 ж.
 Примем первоначально размеры фундамента в плане:
 1,3-1,31 1,7 м2,
 высоту фундамента 0,5 м.
 Расчетное давление на грунт:
 58 : 1,7 34,2 тм2 3,42 кгсм2.
 Дополнительное давление за вычетом пригрузки:
 0,5 (2,4—1,6) 0,4 тм2 0,04 кгсм2.
 Суммарное давление на грунт:
 3,4 0,04 3,44 «3,4 кгсм2.
 По рис. 14.5 определяем допускаемое по осадке давление, равным 4,3 кгсм2.
 По рис. 14.4 определяем безопасное давление на грунт:
 2,34 1,86 4,2 кгсм2.
 Окончательные размеры углового фундамента 1,3X1,3 (ж2).
 Учет влияния положения грунтовых вод при определении площади фундамента
 Уровень грунтовых вод находится на глубине около 1,5 м ниже подошвы фундамента. Поэтому давления на грунт, определенные по рис. 14.4 и 14.5 должны быть, как указывалось выше, уменьшены на 25.
 I. Фундамент внутренних колонн (нагрузка 226 т).
 Площадь фундамента 9 м2.
 Задаемся размерами фундамента в плане:
 3-3 9 м2
 и высотой 0,8 м.
 Расчетное давление на грунг:
 226 : 9 25,1 тм2 «2,5 кгсм2.
 Дополнительное давление за вычетом пригрузки:
 0,8(2,4—1,6) 0,64 тж2«0,06 кгсм2.
 Суммарное давление на грунт:
 2,5 0,06 2,56 кгсм2.
 14 211

По рис. 14,5 определяем величину допускаемого по осадке давления на грунт с учетом влияния уровня грунтовых вод:
 3,4-0,752,5 кгсм2.
 По рис. 14.4 безопасное давление на грунт:
 (5,5• 0,75) 8 7 кгсм2.
 II. Фундаменты наружных колонн (нагрузка 117 г). Допускаемое давление на грунт принимается 2,56 кгсм2.
 Площадь фундамента:
 117:25,6 4,7 ж2.
 Задаемся предварительными размерами фундамента в плане:
 1,85-2,6 4,8 м2
 при высоте 0,6 ж.
 Расчетное давление:
 117 : 4,8 24,5 тм22,45 кгсм2.
 Дополнительное давление за вычетом пригрузки:
 0,6 (2,4—1,6) 0,5 тм2 0,05 кгсм2.
 Суммарное давление на грунт:
 2,45 0,05 2,5 кгсм2.
 По рис. 14.5 принимаем давление на грунт:
 3,9 • 0,75 2,93 кгсм2.
 По рис. 14.4 принимаем безопасное давление:
 3,2 • 0,75 2,35 4,75 кгсм2.
 Окончательные размеры фундамента в плаке:
 1,85X2,6 (ж).
 III. Угловые фундаменты (нагрузка 58 т).
 При допускаемом давлении на грунт 2,56 кгсм2 (см. выше) площадь фундамента:
 58: 25,62,3 ж2.
 Задаемся размерами фундамента в плане:
 1,52 - 1,52 2,3 м2.
 при высоте 0,5 м.
 Расчетное давление:
 58: 2,325,2 тм22,5 кгсм2.
 Дополнительное давление за вычетом пригрузки:
 0,5(2,4—1,6) 0,4 тм2 0,04 кгсм2.
 Суммарное давление:
 2,5 0,04 2,54 кгсм2 По рис. 14.5 находим давление на грунт 4 кгсм2.
 С поправкой на положение уровня грунтовых вод:
 4 • 0,75 3 кгсм2.
 По рис. 14.4 безопасное давление на грунт равно:
 2,8 • 0,75 1,8 3,9 кгсм2.
 Окончательные размеры углового фундамента:
 1,52x1,52 (ж2).
 .21.2

§ 14.3. СПЛОШНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ НА ПЕСЧАНОМ ГРУНТЕ
 Давление на грунт. Так как сплошные фундаменты имеют гораздо большие размеры, чем обычные раздельные, то коэффициент запаса по несущей способности песчаного основания всегда очень велик. Это видно из рис. 14.4. Если ширина ростверка составляет всего 6 му толщина слоя пригрузки только 3 м и N равно 10 или более, то безопасное давление на песок под водою превысит 1 кгсм2. С увеличением ширины плиты или увеличением относительной плотности песка безопасное давление на грунт возрастает очень быстро. Отсюда можно заключить, что вероятность выпирания песчаного основания в случае сплошного фундамента слишком мала, чтобы ее учитывать.
 При больших размерах фундамента напряжения в песке могут быть сравнительно высокими на значительную глубину. Поэтому влияние карманов и включений рыхлого песка, беспорядочно расположенных в общей толще, может быть одинаковым по всей площади плиты, и неравномерность ее осадки может быть меньшей, чем у фундаментов малой площади, рассчитанных на такое же давление. Тогда как раздельный фундамент, расположенный целиком на линзе рыхлого песка, будет испытывать большую осадку, влияние такой линзы под частью большой плиты будет значительно меньшим.
 Поскольку неравномерность осадки сплошного фундамента может быть меньшей, чем раздельного, рассчитанного на то же давление на грунт, для сплошного фундамента целесообразно принять большее значение допускаемого давления на грунт. Опыт показывает, что указанное давление можно увеличить приблизительно вдвое по сравнению с давлением для раздельного фундамента.
 Формы кривых на рис. 14.5 показывают, что давление на грунт, соответствующее данной осадке, практически не зависит от ширины фундамента в том случае, если ширина его более 6 м. Это дает основание написать следующее простое выражение для допускаемого давления на грунт
 N—3 q а 5 ’
 где qa — допускаемое давление в кгсм2
 N — число ударов при стандартном испытании на пенетрацию.
 Значения qa, полученные из уравнения (14.10), являются рациональной основой для проектирования сплошного фундамента на песке. Они могут быть несколько увеличены, если грунты, обладающие большой несущей способностью, залегают на глубине, меньшей половины ширины плиты. С другой стороны, они должны быть уменьшены на 50, если уровень грунтовых
 (14.10)

вод совпадает с отметкой подошвы фундамента или находится выше ее. Если уровень грунтовых вод находится на отметке между подошвой фундамента и глубиной В ниже подошвы, то указанные величины следует уменьшить в пределах от 0 до 50. Если грунт представляет собой очень мелкий песок, залегающий ниже уровня грунтовых вод, то испытания на пенетрацию дадут величину Л', которая должна быть приведена к эквивалентной величине N, прежде чем сможет быть использовано уравнение (14.10). Указанное уточнение производится по уравнению (14.9).
 Если значение N менее 5, то это значит, что песок слишком рыхлый для надежного использования его в основании сплошного фундамента. Он должен быть уплотнен какими-нибудь искусственными средствами до тех пор, пока значение N не станет больше 10. В противном случае фундамент должен быть осуществлен на сваях или опорах.
 За нагрузки, которые учитываются при определении давления на грунт под сплошными фундаментами для сопоставления с допускаемым давлением, принимаются собственный вес фундамента и постоянная нагрузка на него, а также максимальная временная нагрузка, действующая реально, за вычетом веса грунта между поверхностью последнего и подошвой фундамента.
 Осадка. Если величина давления на грунт установлена по уравнению (14.10) и величина N не менее 5, то относительное смещение смежных колонн на сплошном фундаменте из-за неравномерной осадки не будет превышать 20 мм, если подошва плиты заложена на глубине, по крайне ймере, на 2,5 м ниже поверхности грунта. Опыт показал, что если пригрузка меньше этой величины, то концевые сечения плиты испытывают осадку значительно большую, чем средние, в связи с недостаточным ограничивающим давлением.
 § 14.3,а. РАСЧЕТ СПЛОШНОГО ФУНДАМЕНТА НА ПЕСКЕ
 На этом примере расчета иллюстрируется применение принципов, изложенных в § 14.3. На площадке предполагаемого строительства было пробурено 5 скважин. Результаты бурения показаны на рис. 14.9. Ниже отметки 253 бурение показало наличие очень мелкого илистого песка. По причинам, изложенным выше, величины N, полученные для этого грунта были исправлены с помощью уравнения (14.9), чтобы их можно было сравнивать со значениями N для песка выше отметки 253.
 Допускаемое давление на грунт определяется исходя из минимального среднего значения N для слоя грунта ниже подошвы плиты, мощность которого равна ширине фундамента. Наименее благоприятные условия обнаружены в скважине ВЗ. Значения давледия, полученные с помощью уравнения (14.10), могут

быть проверены по графику 14.4 для максимальной ширины 6 му приведенной на чертеже. Вносятся соответствующие коррективы, учитывающие влияние грунтовых вод. Следует отметить, что допускаемое давление на грунт составляет 1,8 кгсм2 за вычетом давления от пригрузки на отметке 260.
 Определение допускаемого давления на грунт
 I. Исходные данные
 1. Схема расположения буровых скважин и поперечный разрез нижних этажей здания (рис. 14.8).
 а)
 т
 Й
 I
 4-
 Железобетонная плита
 2Б1
 €1
 Z6Z гтг 259
 Жег
 Рис. 14.8.
 2. Данные бурения (рис. 14.9). Ncp 18,2.
 . Расчет допускаемого давления в точке ВЗ.
 1. Без поправки на влияние положения уровня грунтовых вод По уравнению (14.10) допускаемое давление
 N —3 18,2-3 0 ,
 qa —:— — 3 кгсм2.
 5 5
 По рис. 14.5 давление на грунт 3 кгсм2
 2. С поправкой на уровень грунтовых вод. Определяем поправочный коэффициент методом интерполяции
 (12 2-'- 50 «41.
 Давление, определенное по графику 14,5, в случае сплошного фундамен-. та удваивается, как указано в § 14.3.
 215

Допускаемое давление на грунт составит
 3- (1—0,41) «1,7 кгсм2.
 Z6Z.6
 260,9
 252,7
 'Песок пылеватый Z59,
 Подошва фундамента Z57.Q
 _• Уровень грунтовых вед
 г
 It

 5
 .Всего Среднее
 Значения N
 В
 12
 10
 16
 19
 14
 16
 26
 22
 27
 21х
 21х
 25х
 25х
 21х
 294
 197
 BZ
 14
 9
 10 2Z
 17 1Z 24 Z3
 18 20х 25х 2дх 21х 20х 27х
 290
 19.3
 ВЗ
 8
 9
 15
 19
 15
 20 21
 16 16 19х 19х 26х 27х 21х 27х
 273
 18,2
 В 4
 13 19 24 26
 14 16 23 31 22 25х 27: 26х 23х 28х
 317
 22.7
 В 5
 10 12 16 16 26 28 32 30 22 23х 28х 2i х 20х 25х
 299
 213
 Рис. 14.9.
 Значения N, исправленные по уравнению (14.9).
 § 14.4. СВАЙНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ НА ПЕСЧАНЫХ ГРУНТАХ
 Применение свай в песчаном грунте. Сваи можно забить через различные виды мягкого или сжимаемого грунта до слоя плотного песка, на который они передают вес сооружения, либо их можно забить в рыхлый песок с целью его уплотнения и повышения его несущей способности.
 Сваи могут применяться в песчаном грунте также для того, чтобы заложить фундамент ниже той отметки, до которой песок может подвергаться размыву.
 Сваи, забитые до плотного песка. Когда грунт непосредственно под фундаментом отличается значительной сжимаемостью или неустойчивостью и не может являться основанием сооружения, то вес сооружения следует, по возможности, перенести на лучший грунт, залегающий на1 более низкой отметке. Если этот грунт является песком, то сваи часто забиваются через мягкие грунты в этот песок на глубину, достаточную для того, чтобы
 216

обеспечить соответствующую несущую способность. Если песок относительно рыхлый, то приходится забивать в него сваи на значительную глубину. Если песок достаточно плотный, то может оказаться невозможным забить в него сваи более, чем на несколько десятков сантиметров.
 Не всегда возможно на основе результатов испытаний грунта произвести точный расчет нагрузки, которую может нести свая, забитая через мягкий грунт в песок. Наиболее надежные результаты дают испытания пробной нагрузкой. При этих грунтовых условиях форма кривой «нагрузка-осадка» для одиночной сваи подобна кривой на рис. 14.10. Если не разрушается материал самой сваи, что очень мало вероятно, то кривая зависимости осадки от нагрузки приближается к наклонной касательной. Таким образом, свая не продавливается в грунт внезапно, а постепенно садится по мере увеличения нагрузки. Поэтому предельная нагрузка для расчетов должна быть основана на величине осадки, которая может считаться допустимой. Обычно требуется, чтобы свая испытывалась под нагрузкой вдвое большей, чем та, которую она может испытывать под сооружением. Под такой нагрузкой осадка сваи не должна превышать 5 см, а под расчетной нагрузкой она не должна быть выше 2 см.
 Если мягкие грунты над подстилающим песком содержат несколько прослоек грунта со значительной несущей способностью или несколько песчаных прослоек, то, благодаря боковому трению, на верхние слои грунта будет передаваться значительная часть от пробной нагрузки. Под возведенным сооружением, однако, трение в верхних прослойках впоследствии исчезнет в связи с тем, что мягкие грунты уплотняются, и вся нагрузка будет передаваться нижними концами свай. Если грунтовые условия аналогичны указанным, то важно убедиться в том, что та часть сваи, которая погружается в нижний пласт песка, обладает соответствующим сопротивлением. Этого можно достигнуть испытанием двух свай. Одна свая забивается через мягкий грунт в песок и испытывается обычным путем. Другая забивается в мягкий грунт так, чтобы ее острие находилось в мягком грунте примерно на 1 м выше песчаного пласта. Испытание вплоть до продавливания в грунт этой второй сваи покажет величину ha-
 Нагрузка бт
 Рис. 14. 10. Типичная кривая статического испытания сваи, забитой через мягкие отложения в песок средней плотности
 217

грузки, необходимой на преодоление бокового трения в верхних слоях грунта. После этого в кривую «нагрузка-осадка» первой сваи вносится соответствующая поправка для определения расчетной нагрузки на сваи.
 Если потребное число свай сравнительно невелико, то стоимость испытания пробной нагрузкой может быть непропорционально велика по отношению к стоимости всего фундамента. При таких обстоятельствах обычно определяют допустимую нагрузку на единичную сваю с помощью динамических формул. К настоящему времени имеется множество таких формул и некоторые из них очень сложны. Однако нет основания утверждать, что более простые формулы обязательно должны быть менее точными, чем сложные.
 В США наибольшее распространение получила формула Веллингтона1.
 Q0 V6--, (14.11)
 где Qa—допустимая расчетная нагрузка на сваю в т;
 WK — вес молота в г;
 Н — высота падения молота в см;
 s — отказ сваи в см (погружение от последнего удара молота);
 с — постоянная величина, равная 2,5 см для подвесного и 0,25 см для парового молота.
 Теоретически коэффициент запаса в формуле (14.11) принимается обычно равным 6, но данные опыта применения этой формулы показывают, что фактический коэффициент запаса равен в среднем 4. Однако отклонения от среднего значения могут •быть столь большими, что коэффициент запаса по этой формуле в некоторых грунтовых условиях может оказаться близким к 1 или даже меньшим, тогда как в других условиях он может •быть равен 8 или 10.
 Если, как указывалось выше, часть сопротивления одиночной сваи возникает за счет бокового трения в вышележащих мягких грунтах, то действительная несущая способность сваи под статической нагрузкой окажется ниже, так как сопротивление имеет •временный характер.
 Очень приближенное определение сопротивления острия сваи можно произвести, найдя по формуле (14.11) безопасную нагрузку на сваю по отказу в грунте над плотным песком.
 Затем, для получения сопротивления острия сваи в песке из величины, рассчитанной по отказу сваи, когда ее острие достигнет конечного положения, следует вычесть указанную величину.
 1 Эту формулу в американской литературе часто называют формулой «Engineering News» по названию журнала, в котором она была впервые опубликована.
 .218

Свайный фундамент можно рассчитать, допустив, что каждая свая воспринимает нагрузку, равную той, которая определена испытанием пробной нагрузкой или по приведенной выше формуле. При этом неравномерность осадки обычно не превышает неравномерности осадки обычного фундамента на песке такой же плотности. Это положение справедливо лишь в том случае, если отложения песка, на которых покоятся сваи, очень мощные, или если подстилающий его грунт не является чрезмерно рыхлым или сжимаемым.
 Если куст свай окружен свежей насыпью после того, как сваи забиты, возможно, что сжимаемые грунты насыпи над песком будут испытывать постепенно уплотнение от собственного веса в течение значительного периода времени. В этих условиях на сваи может действовать направленная вниз дополнительная сила бокового трения об оседающий грунт. Эта сила называется отрицательным боковым трением. Его величина на единицу поверхности не может превышать сопротивления сдвигу ♦ сжимаемого грунта насыпи, которое обычно равно половине прочности на одноосное сжатие. Отрицательное боковое трение действует по вертикальной поверхности, окружающей всю группу свай или весь свайный фундамент.
 Хотя невозможно с надлежащей точностью вычислить добавочную нагрузку на сваю от отрицательного бокового трения, можно сделать приближенный расчет, чтобы узнать, вызовет ли добавочная нагрузка серьезные последствия и принять соответствующие меры. Некоторые случаи значительных непредвиденных осадок объяснялись игнорированием отрицательного бокового трения.
 Если сваи забиваются в недавно отсыпанный грунт, под действием веса которого начался процесс уплотнения в нижележащих сжимаемых слоях, то вес грунта между сваями также, повидимому, будет передаваться на сваи. Нагрузка на отдельную сваю возрастет на дополнительную величину, приблизительно
 л
 равную , где А—площадь горизонтального сечения грун-
 п
 та, ограниченного периметром куста, j и Н — объемный вес и толщина насьгпи, п — число свай в кусте.
 Сваи уплотнения. Забивка свай в рыхлый песок уплотняет его отчасти вследствие уменьшения пористости песка за счет вытесненного сваями грунта, а отчасти вследствие уплотняющего влияния вибрации при забивке. После забивки свай осадка сооружения будет приблизительно такой же, как в случае раздельных или сплошных фундаментов на относительно плотном песке. Так как задача свай уплотнения заключается только в повышении плотности песка, то прочность материала самих свай не имеет существенного значения.
 Действительно, в Европе прибегают к забивке в грунт специального расширителя, имеющего форму сваи, с последующим
 219

заполнением образующейся после его удаления скважины утрамбованным песком. В результате плотность материала основания возрастает, хотя свай в грунте не остается. Сваи со значительной конусностью более эффективны и экономичны для уплотнения рыхлого песка.
 Если сооружение опирается на раздельные свайные фундаменты, то для достижения максимального и наиболее равномерного уплотнения под всеми фундаментами должны сначала забиваться внутренние сваи каждого куста. Если же под сооружением устраивается сплошной свайный фундамент, то сваи должны располагаться равномерно по всей площади.
 Сваи уплотнения должны забиваться до такого отказа, при котором их сопротивление будет составлять от 20 до 30 т по (14.11). Нижнее из этих значений обычно принимается для деревянных свай, верхнее — для железобетонных.
 В данном случае динамическая формула используется не для оценки действительной несущей способности свай, но лишь как удобный критерий того, что достигнуто надлежащее уплотнение и что дальнейшей забивки не требуется. Обычно трудно предсказать, какой должна быть длина уплотняющих свай. Сваи конической формы с наклоном образующей 75:1 редко проникают глубже чем на 7,5 м даже в рыхлый песок. Для уплотнения рыхлых песков широко применяются, особенно в Европе, сваи типа Франки с бетонной пятой.
 Сваи, предотвращающие разрушение от размыва. При возведении мостовых опор, расположенных в русле реки, необходимо убедиться в том, что подошва фундамента находится ниже отметки, до которой происходит размыв дна во время паводков. Во многих реках глубина возрастает во время паводков со скоростью большей, чем скорость подъема уровня воды. Более того, поскольку мосты часто расположены на суженных участках русла, глубина размыва здесь оказывается больше, чем на широких участках реки. Кроме того, возведение опор обычно вызывает дополнительное стеснение русла и, следовательно, увеличивает глубину размыва.
 Нельзя дать какого-либо универсального правила для определения максимальной глубины размыва в реках с песчаным или илистым дном. Некоторые имеющиеся данные свидетельствуют о размыве дна до 4 м на каждый метр подъема воды, но известно, что в некоторых реках это отношение достигало 7. Однако в большинстве рек величина размыва бывает значительно меньшей. При определении глубины размыва необходимо знание режима данной реки.
 Во многих случаях песок на дне реки бывает настолько плотным, что трудно и даже невозможно забить сваи до соответствующей глубины, не прибегая к подмыву.
 Сопротивление свай выдергиванию в песчаных грунтах. Сопротивление выдергиванию оваи, забитой в песок, зависит от
 220

относительной плотности песка, длины, диаметра и конусности сваи, от того, применялся ли подмыв при погружении сваи или нет, и от некоторых других факторов. Поэтому действительное сопротивление выдергиванию можно получить только с помощью соответствующего испытания свай.
 § 14.5. ОПОРЫ НА ПЕСЧАНОМ ОСНОВАНИИ
 Условия применения опор. В том случае, когда сооружения опираются на глубокие пласты плотных песчаных грунтов, над которыми залегают очень мягкие и сжимаемые грунты, или, когда эти слои могут быть снесены размывом, прибегают к фундаментам типа опор.
 Применение опор зависит главным образом от экономических соображений и условий производства работ.
 Если сжимаемый грунт содержит затопленные древесные стволы или если над несущим слоем встречаются в большом количестве крупные валуны, то может оказаться невозможным забить сваи до плотных грунтов. В таких случаях рекомендуется устройство опор. С другой стороны, разработка грунта при устройстве опор может приводить к некоторому разрыхлению песка в основании, тогда как забивка свай, наоборот, приводит к уплотнению песка. Учитывая эти обстоятельства, часто отдают предпочтение свайному фундаменту.
 В некоторых случаях, для того чтобы достичь скального основания или другого твердого грунта, приходится проходить шахту для опоры сквозь песок. Условия, которые следует принимать при этом во внимание, будут рассмотрены в следующем параграфе.
 Несущая способность опор. Предельная несущая способность опор несколько больше несущей способности обычного фундамента на песке такой же плотности. Причина этого явления кроется в том, что сопротивление сдвигу грунта пригрузки над отметкой подошвы опоры не так мало, как это принималось при расчете обычного фундамента в § 14.2. Однако эта разница в несущей способности может быть очень малой, если окружающий опору грунт сжимаем. Более того, если окружающий грунт может быть размыт, то влиянием этой пригрузки следует пренебречь. Поэтому принято, и это вполне оправдано, определять безопасную несущую способность методами, применяемыми для обычных фундаментов.
 Вследствие влияния веса окружающего грунта осадка опор при одинаковом давлении на грунт по подошве будет меньше, чем осадка фундаментов на песке примерно одинаковой плотности. Однако уменьшение осадки не настолько велико, как можно было бы ожидать, учитывая увеличение ограничивающего давления, так как редко удается произвести земляные работы для устройства опоры без того, чтобы не разрыхлить песок в основании опоры. Вообще, было установлено, что осадка опор
 221

составляет около V2 осадки обычного фундамента тех же размеров, при одинаковом давлении на грунт и одинаковой плотности песка. Поэтому допускаемое давление на грунт может быть определено по графику 14.5 с увеличением вдвое полученных данных и внесением соответствующих поправок на влияние грунтовых вод. Однако если большая часть пригрузки может быть размыта, то величина давления на грунт не должна превышать давления принимаемого для обычного фундамента.
 Если несколько опускных колодцев на данном грунте имеют приблизительно одинаковые размеры, то разность осадок вряд ли превысит 12 мм, если давление на грунт установлено в соответствии с указаниями, изложенными выше. Если не опасны и более значительные осадки, то допускаемое давление на грунт может быть увеличено пропорционально увеличению осадки. Максимальное значение определяется требованием, чтобы коэффициент запаса по несущей способности был не менее 3.
 § 14.6. ЗЕМЛЯНЫЕ РАБОТЫ В ПЕСЧАНЫХ ГРУНТАХ
 Песчаный грунт над уровнем грунтовых вод. Земляные работы при возведении обычных фундаментов на песке выше уровня грунтовых вод не представляют никаких затруднений. Откосы с заложением 1 1,5 устойчивы при любых условиях, если под песчаным грунтом на небольшой глубине не залегает мягкая глина. Более крутые откосы осуществляются в тех случаях, когда песок обладает некоторой связностью вследствие наличия цементирующих веществ или капиллярной влаги в порах.
 Большие котлованы ниже уровня грунтовых вод. Если котлован под подвал или под фундамент должен быть вырыт ниже уровня грунтовых вод в песчаном грунте, то грунтовые воды обычно отводятся. Это достигается или откачкой воды непосредственно из самого котлована или предварительным дренированием площадки.
 Когда вода удаляется откачкой из открытого котлована, то в нем следует сделать канавы для отведения воды в зумпфы, расположенные на более низких отметках, чем дно котлованаВ зумпфе уровень воды должен поддерживаться на такой низкой отметке, при которой поверхность грунтовых вод в окружающем грунте была бы ниже дна котлована. Если этого нельзя достигнуть, то дно котлована начинает разжижаться. Появляется вода в виде ключей и грифонов, песок начинает бурлить, откосы расплываются и вся подошва котлована может вспучиться. Канавы у краев котлована следует содержать чистыми, чтобы не дать воде высачиваться из откосов и вызывать их разрушение.
 Все вышеизложенное свидетельствует о том, что откачка из зумпфов может оказаться рискованным приемом. В крупнозернистых или плотных песках земляные работы часто можно провести вполне успешно, но и там при ослаблении контроля дно может начать разжижаться и несущая способность грунта осно¬
 222

вания будет ухудшаться. В рыхлых или мелких песках откачку из зумпфов иногда невозможно осуществить совсем. Учитывая все это, на крупных стройках начинают широко практиковать осушение песка перед производством земляных работ либо с помощью иглофильтров, либо с помощью глубинных насосов (гл. 7).
 Определение количества откачиваемой воды является важным и сложным вопросом, так как в начале работ должно быть обеспечено оборудование, достаточное для эффективной откачки воды в строительный период без внесения изменений или дополнительных мероприятий. Недостаточная мощность насосов может привести к появлению грифонов, бурлению песка и нарушить устойчивость дна котлована.
 Количество воды, подлежащей откачке, зависит от коэффициента фильтрации грунта, от глубины понижения уровня грунтовых вод и размеров осушаемой площади. Если котлован сравнительно узок и уровень грунтовых вод требуется понизить не более чем на 4,5 л, то пески, от средних до мелких, можно осушить с помощью ряда иглофильтров, расположенных на расстоянии 1 м друг от друга, с установкой одного шестидюймового насоса на каждые 150 м выемки. Каждый насос требует двигателя мощностью 20 л. с. Осушение может занять от 2 до 6 дней. Определение притока при более тяжелых условиях может потребовать опытных откачек.
 Время, потребное для осушения котлована, зависит от коэффициента фильтрации песчаного грунта. Для сравнительно проницаемых грунтов необходимо всего лишь 2—3 дня (10_3 смсек); тогда как для грунтов с умеренной проницаемостью (k от 10“3 до 10-5 см1сек) может потребоваться нескольг ко недель. Илистые пески и другие грунты с эффективным: диаметром зерен менее 0,05 мм не могут быть осушены при помощи обычных иглофильтров. При применении же насосов, способных поддержать вакуум в системе, можно осушить даже более мелкозернистые грунту.
 Устройство опор ниже уровня грунтовых вод. Опоры ниже уровня грунтовых вод можно сооружать в открытых шахтах или методом опускных колодцев. Общие вопросы производства этих, работ описаны в главе 10. Выемку песка из шахты ниже уровня, грунтовых вод часто можно осуществить при одновременной откачке воды из зумпфов (если плотность песка колеблется от средней до высокой). Однако может случиться, что этот процесс будет связан с разрыхлением песка, в результате чего может понизиться его несущая способность. Применение иглофильтров или дренажа до начала земляных работ в целом ряде случаев дает успешные результаты, но обычно требует больших затрат.
 Когда шахты отрываются вручную и поддерживаются в сухом состоянии с помощью зумпфов, то стены колодцев обычно
 223

делаются из проницаемого материала с тем, чтобы небольшое количество воды, просачивающееся в колодец через стенки, могло бы стекать вниз и скапливаться в зумпфах. Это предотвращает возникновение значительного напора воды снаружи шахт, который может привести к образованию грифонов и к разжижению и бурлению песка.
 Опускные колодцы обычно применяются при строительстве мостовых опор. При этом песок удаляется из колодцев землечерпанием. Чтобы предотвратить вынос песка через дно колодца, следует постоянно поддерживать уровень воды внутри колодца значительно выше уровня грунтовых вод снаружи. При этом поток воды будет фильтровать вниз через песок и грунт не будет разрыхляться при разработке. Если земляные работы нельзя произвести открытым способом, то можно прибегнуть к сжатому воздуху. Поскольку давление воздуха в рабочей камере кессона обычно бывает несколько большим, чем давление воды на данной глубине, то песок не разрыхляется во время работ и его несущая способность не ухудшается.
 § 14.7. ВЛИЯНИЕ ВИБРАЦИИ
 Значение вибрации. Вибрация представляет собой наиболее эффективное средство уплотнения рыхлого сыпучего грунта. Однако в связи с этим она же является одной из наиболее важных причин чрезмерной осадки фундаментов, расположенных на рыхлом песке.
 Уплотнение грунта. Если относительная плотность песчаного грунта слишком низка для сооружения сплошного или раздельного фундамента, то ее можно повысить несколькими путями. Одним из них является забивка свай уплотнения. Другим является метод, известный под названием виброфлотации.
 При этом методе тяжелая стальная оболочка с вибратором внутри опускается в песчаный грунт. В то же самое время мощные струи воды направляются в песок под оболочку. При совместном действии размыва и вибрации эта оболочка быстро погружается и создает углубление, на поверхности земли. По мере появления этого углубления оно заполняется песком. Обычно таким образом достигается вполне удовлетворительное уплотнение на всю глубину проникания, диаметром в 1,8—2,5 м. Этот метод при некоторых условиях дешевле, чем забивка свай. Но он наиболее эффективен в чистых песках от средне- до крупнозернистых и не эффективен в очень илистых песках и илах.
 Осадка. Вредное действие вибрации наиболее очевидно, когда частота вибрации достигает порядка 1 200 в мин. Эта частота соответствует скорости, с которой обычно вращаются паровые турбины. Поэтому осадка фундаментов под такими машинами требует к себе особого внимания. Более того, повторные вибрации или удары меньшей частоты могут иногда вызывать
 224

большие результирующие осадки даже в песках с довольно высокой относительной плотностью.
 Борьба с осадками от вибраций фундаментов требует большого опыта и еще не имеет научной основы. Снижение давления на грунт с целью уменьшения общей осадки дает относительно небольшой эффект. В некоторых случаях под машины проектируются очень большие фундаменты с тем, чтобы они могли поглотить большую часть энергии. В других случаях отдают предпочтение сваям или опорам. Универсальные и надежные методы для уменьшения осадок от вибрации до сих пор не найдены.
 Глава 15
 ФУНДАМЕНТЫ НА ГЛИНИСТЫХ ГРУНТАХ
 § 15.1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ
 При проектировании раздельных или сплошных фундаментов, свайных фундаментов или опор на глинистых, грунтах необходимо определение коэффициента запаса по несущей способности основания и величины предполагаемой осадки.
 Несущая способность зависит, главным образом, от сопротивления глины сдвигу, которое может быть принято равным половине прочности на одноосное сжатие в том случае, если глина не имеет структурных дефектов, таких как, например, волосные тргщины. Если глина не очень чувствительна, то ее сопротивление сжатию можно исследовать достаточно точно и при небольших затратах с помощью лабораторных испытаний образцов диаметром 5 см, которые отбираются сплошным керном тонкостенными трубчатыми грунтоносами. Для сравнительно небольших сооружений сопротивление глины сжатию можно определить по значениям N, полученным при стандартных испытаниях на пенетрацию, и пользуясь таблицами зависимости qtl и N (см. табл. 3.1 и 1.9).
 Однако испытания на пенетрацию менее надежно характеризуют сопротивление глины сжатию, чем относительную плотность песка. Более предпочтительными являются непосредственные испытания на сжатие с применением трубчатых грунтоносов.
 Осадка сооружений на глинах зависит, главным образом, от их сжимаемости, которая тесно связана с историей загружения. Наиболее надежно определение сжимаемости при помощи компрессионных испытаний ненарушенных образцов данного грунта диаметром 10—15 см, но получение таких образцов связано с большими расходами, что обычно препятствует проведению этих испытаний.
 В большинстве случаев сжимаемость мягких глин можно оцепить с достаточной точностью по пределам Аттерберга, по естественной влажности или испытанием нарушенных образцов. Не-
 Г) ' i н к. 1274
 225

нарушенные образцы большого диаметра могут требоваться при испытании весьма чувствительных глинистых грунтов, а иногда переуплотненных глин.
 Методы определения осадок сооружения на глинистом грунте по существу не зависят от типа фундамента. Поэтому описание их помещено под общим заголовком. С другой стороны, подход к оценке несущей способности несколько различен для разных типов фундаментов. Поэтому методы определения величин безопасных нагрузок для различных типов фундаментов будут рассмотрены в отдельных параграфах, затем будут изложены методы расчета осадок и, наконец, рассмотрены силы, вызывающие горизонтальный сдвиг сооружений на глине.
 § 15.2. РАЗДЕЛЬНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ НА ГЛИНЕ
 Предельная несущая способность. На рис. 15.1 дано сечение ленточного фундамента шириной В, расположенного на глубине Df от поверхности земли. Грунт под подошвой фундамента представляет собой ненарушенную глину без структурных дефектов; степень насыщения примерно равна единице. При этих условиях значение р (2.32) может быть принято ,равным 0° и угол а (2.34) между главной площадкой и плоскостью сдвига равным 45°. Уравнение (2.32) может быть написано тогда в следующем виде;
 Р1-Рз 2с Рз 7и. (15.1)
 Это выражение дает зависимость между главными напряжениями при разрушении.
 Если основание (рис. 15.1) разрушается за счет продавливания грунта, то блок aa'b'b должен разрушиться и сечение ab должно сместиться вправо. Однако этого не может произойти, пока блок abed также не разрушится, после чего ас выпучится и поднимет пригрузку у Df. Плоскости сдвига аЪ и Ьс наклонены гтод углом 45° к горизонтали. Поэтому глубины зон разрушения равны ширине В фундамента.
 Приняв это, мы можем рассмотреть напряжение, по середине высоты каждого из двух блоков, испытывающих разрушение. Из условий статики получаем уравнение:
 р2 в ТрО (15.2)
 шяжптщ
 1Ш.ЩЩ
 у,
 iHHumiu о Ас Ъ I
 ; Ъур-Ъ ,
 Рис. 15. 1. Расчетная схема для определения предельной несущей способности ленточного фундамента на глине
 226

На основе (15.1)—для условий разрушения соответственно правого и левого блоков можно написать:
 Рз Р2 7я, (15.3)
 PiPz Qu- (15.4)
 Поэтому интенсивность нагрузки, которую может выдержать грунт по подошве фундамента, равна
 q'd Pi — - j-Bt В1 2Яи —
 -J-BTTD, 2qa.. (15.5)
 Если мы определим несущую способность нетто qd как давление, которое может выдержать основание без учета действия окружающей пригрузки на той же отметке, тогда
 — Т Df
 И
 qd2qu. (15.6)
 Этот вывод основан на упрощенном допущении, что поверх¬
 ность сдвига представляет собой плоскости а'Ь и Ьс. В действительности, эта поверхность имеет криволинейное очертание.
 Кроме того, подошва фундамента в действительности шероховата, и по ней возникают касательные напряжения, которые оказывают влияние на положение поверхности сдвига. Наличие этих фактов принимается во внимание в более строгих теориях и экспериментальных исследованиях и их результаты отражены в формуле
 ,2,85а(1 0,зА), (15.7)
 которая применима к прямоугольному фундаменту с шероховатой подошвой, имеющему ширину В и длину L.
 Безопасное давление на грунт. При максимально возможной нагрузке коэффициент запаса по несущей способности должен быть не менее 3. Отсюда безопасное давление на грунт qa равняется
 Я a 0.957„(l 0,3 -5-j . (15.8)
 В зависимости от формы фундамента значение qa может
 изменяться от 0,95 qn до 1,24 qu. Поэтому приближенно безопас¬
 ное давление на грунт можно считать равным прочности грунта на одноосное сжатие.
 Вследствие неоднородности глинистых грунтов значение qu и уравнении (15.8) представляет собой среднее значение для

слоя мощностью В под подошвой фундамента. Прочность на одноосное сжатие следует определять для образцов, отобранных с интервалами в 15 см в вертикальном направлении. Прочность на сжатие некоторых образцов можно оценить без испытаний, если инженер достаточно опытен, однако следует испытывать по меньшей мере один из каждых пяти образцов.
 Согласно (15.8), безопасное давление на глинистый грунт практически не зависит от ширины фундамента и этим отличается от безопасного давления на песчаный грунт, которое возрастает с увеличением ширины фундамента. Поэтому надежность больших фундаментов на глине нисколько не большая, чем малых фундаментов, и если прочность грунта с глубиной понижается, то крупные фундаменты даже менее надежны. Поэтому (15.8) можно применять при выборе безопасной нагрузки для раздельного фундамента только в том случае, если этот фундамент находится достаточно далеко от соседних с ним сооружений, чтобы их влияние на напряжения в основании под фундаментом было бы незначительно. Если в подстилающем грунте есть прослойка более мягкого грунта на глубине большей, чем В под подошвой фундамента, то необходимо убедиться, что давление на эти мягкие слои не превышает безопасной величины. Если расчетное давление превышает эту величину, то проект следует пересмотреть.
 Давление на поверхности глубоких пластов глины может быть определено с помощью графика, приведенного в § 15.6. Однако во многих случаях более целесообразным и достаточно точным является допущение, что давление в основании распространяется равномерно в пределах усеченной призмы с боковыми гранями, наклоненными от наружных краев фундамента под углом 60° к горизонту.
 Если глина имеет много трещин и зеркал скольжения, то нельзя применять метод, основанный на испытании на сжатие, так как прочность глины зависит от характера и ориентировки этих трещин в большей степени, чем от сопротивления сдвигу грунта между ними. При этих обстоятельствах может оказаться необходимым прибегнуть к испытаниям пробной нагрузкой.
 Методика испытаний пробной нагрузкой обусловливается характером трещиноватости, размерами фундамента и степенью однородности глины. Чтобы быть уверенным, что в основании штампа имеется достаточное число трещин, надо брать штампы размером не менее 0,6X0,6 м2 (рис. 15.2). Действие пригрузки вокруг образца должно быть исключено. Поэтому испытание следует проводить в шурфе, шириной по крайней мере в 3 раза большей, чем ширина штампа. Нагрузку следует постепенно увеличивать, причем после каждой ступени нагрузки следует наблюдать за .осадками до тех пор, пока величина их'не станет очень малой. Зависимость осадки от нагрузки должна быть уста¬
 228

новлена либо до момента разрушения, либо до давления в 3 раза большего, чем предусмотренное проектом.
 Чтобы установить среднюю несущую способность основания на глубине В, нужно провести одно испытание на отметке подошвы фундамента и ряд дополнительных испытаний на больших глубинах. Если глина с глубиной становится слабее, то безопасная нагрузка принимается по наименьшему из значений несущей способности. Однако, если эти колебания беспорядочны по высоте, то можно 'принять среднее значение.
 Безопасное давление Qt по подошве фундамента, под которой давление на грунт распределяется по закону треугольника, можно принять равным qa по (15.8), если подставить в это уравнение величину В, равную 7з ширины подошвы, и если qu является средним значением прочности на одноосное сжатие в пределах слоя под фундаментом до глубины, равной 7з ширины подошвы. Однако не следует
 пренебрегать влиянием проело- ной нагрузкой трещиноватой глины ек МЯГКОГО Грунта, если ОНИ груз; 2 — прогибомер; 3 — домкрат;
 имеются на большей глубине. 4-марка; 5 — штамп
 Расчетные нагрузки. Фундаменты на глине должны проектироваться так, чтобы коэффициент запаса по несущей способности был не меньше 3- При таком значении коэффициента запаса напряжения непосредственно под каждым фундаментом вряд ли могут привести к разности осадок смежных фундаментов более 20 мм, если эти фундаменты находятся достаточно далеко друг от друга, чтобы не оказывать взаимного влияния, и если грунт непосредственно под ними не является мягкой или очень мягкой нормально обжатой глиной. При определении размеров фундамента за расчетные нагрузки принимаются те, которые обычно действуют в течение большей части времени, так как осадка фундаментов на глинистом грунте не возрастет сколько-нибудь значительно при кратковременном приложении нагрузки. Не должны учитываться маловероятные сочетания временных нагрузок, так же как и нагрузки от ветра и снега в умеренном климате или сейсмические воздействия. С другой стороны, при наиболее благоприятных условиях загружения, предусматриваемых нормами, коэффициент запаса не должен быть менее 2. Следовательно, максимальное давление на грунт при наиболее неблагоприятных условиях загружения не должно превышать 1,5 qa по уравнению (15.8).
 Рис. 15. 2. Схема испытания проб-
 229

Во многих случаях, за исключением оснований из очень жесткой или твердой глины, на работу любого фундамента существенно влияют либо соседние фундаменты, либо нагрузки на поверхности примыкающего грунта. В подобных случаях разность осадок оснований может быть гораздо больше, чем 20 мм. Соответственно, исследование осадки всей площади основания под сооружением должно всегда дополнять определение допускаемого давления на грунт по отдельным фундаментам. Этот вопрос рассмотрен в § 15.6.
 § 15.2,а. ПРИМЕР РАСЧЕТА РАЗДЕЛЬНЫХ ФУНДАМЕНТОВ НА ГЛИНЕ
 Цель примера — показать практическое применение методов, рассмотренных в § 15.2. Важно отметить,, что размеры фундаментов здесь определяются только исходя из прочности глины. Вопрос об осадках фундаментов рассматривается в § 15.6.
 Данные, полученные при бурении, приведены на рис. 15.3, а. Для обоих фундаментов при действии постоянной и приведенной временной нагрузки коэффициент запаса равен 3, а при действии нагрузок в наиболее неблагоприятном сочетании — коэффициент запаса равен 2. Если бы соотношение нагрузок в обоих случаях не позволяло обеспечить эти коэффициенты запаса, то размеры фундаментов следовало бы подобрать по максимальным нагрузкам при коэффициенте запаса 2.
 Безопасное давление на грунт найдено по уравнению (15.8). в котором qu равно средней прочности на одноосное сжатие для слоя глины ниже подошвы фундамента мощностью В. Поскольку уравнение (15.7) дает значение несущей способности без учета влияния пригрузки, непосредственно окружающей фундамент, то вес плиты пола и грунта над отметкой подошвы вычитается из нагрузки на фундамент. Однако важно отметить, что это вычитание почти исключает вес плиты пола и фундамента, которые были до этого приплюсованы к давлению, производимому нагрузкой от стены. Поэтому будет достаточно точным разделить нагрузку от стены или колонны на площадь фундамента и сравнить это давление с допускаемым давлением, определенным по уравнению (15.8). Если, однако, определение произведено с учетом дополнительной нагрузки за вычетом пригрузки, то расчет может быть упрощен, как указано в примере расчета 14.2,а. Этот метод расчета применяется и для фундамента колонны в настоящем примере.
 . Исходные данные
 1. Данные бурения (см. рис. 15.3). Объемный вес грунта 1,6 гж3
 2. Нагрузки на фундаменты приведены в табл. 15.1.
 230

160-
 758-
 1S4-
 150-
 Чн
 N riii ri
 0,75 40 5 j I толщиной 0,15м.  „ , gL
 ,7У «5 L V-TfJ
 Фундамент Фундамент
 Г Г В стены нолонны
 0,75 44 4
 - 0,85 41 5
 -0,84 38 7
 0,78 42 Ч-
 0,60 41 В
 27
 Рис. 15. 3.
 Таблица 15.1
 Виды нагрузок
 Нагрузка на ленточный фундамент под стену в тпег. м
 Нагрузка на раздельный фундамент под колонну в т
 при коэффициенте запаса 3
 при коэффициенте запаса 2
 при коэффициенте запаса 3
 при коэффициенте запаса 2
 Постоянная
 5,7
 5,7
 42
 42
 Обычная временная
 3,6
 —
 38
 —
 Максимальная временная . .
 —
 6,3
 —
 63
 Определение размеров фундаментов А. Ленточный фундамент под стену.
 Для расчета принимаем два различных сочетания нагрузок в тпог. м:
 постоянная нагрузка 5,7 постоянная нагрузка . . 5,7
 обычная временная на- максимальная временная
 грузка . 3,6 нагрузка 6,3
 9,3 тпог. м 12 тпог.м
 I2
 Так как — 1,29, то, если коэффициент запаса для нагрузки 9,3 тпог. м 9 U
 равен 3, для .нагрузки 12 тпог. м коэффициент запаса будет2(3: 1,292).
 При нагрузке 9,3 тпог. м и безопасном давлении на грунт 0,75 кгсм2 ширина фундамента
 9,3: 7,5 1,25 м.

Задаемся шириной 1,3 ж и «высотой фундамента 0,5 м. Тогда давление на грунт от стены составит
 9,3: 1,37,2 тм20,72 кгсм2.
 Дополнительное давление
 1. Плита пола подвала 0,15 • 2„4 I п 1с- Р1ГЛ12
 2. Собственный вес фундамента 0,5 • 2,4 J ’ '
 Да-вление от цригрузки
 1. Плита нола подвала 0,15 2,4; п 10
 2. Грунт 0Х5 • 1,6 -и,икгсж
 Суммарная нагрузка
 0,72 0,15—0,12 0,75 кгсм2.
 Средняя величина прочности на сжатие:
 0,79 0,76 _
 Ча £ °.775,
 откуда безопасное давление на грунт
 0,95 • 0,775 0,74 кгсм2.
 Окончательно оставляем ширину фундамента—1,25 м.
 Б. Одиночный фундамент под колонну Рассматриваем два сочетания нагрузок:
 постоянная нагрузка 42 т постоянная нагрузка 42 т
 нормальная временная 38 » максимальная временная 63 »
 80 т 105 т
 105
 — 1,32 1,5, следо-вательно и для этого случая коэффициент запаса при 08
 невыгодном сочетании нагрузок будет 2, если для первого сочетания он равен 3.
 Принимая безопасное давление, на грунт равным 1 кгсм2, получим пло щадь фундамента
 80: 10 8 м2.
 Примем размеры фундамента в плане
 2,9 • 2,9 8,4 м2
 и высоту 0,8 м.
 Расчетное давление
 80 : 8,4 9,5 тм2 0,95 кгсм2.
 Дополнительное давление
 0,8 (2,4—1,6) 0,64 тм2 « 0,06 кгсм2.
 Суммарное давление
 0,95 0,06« 1 кгсм2.
 Средняя величина qц по опытным данным (см. рис. 15,3) составит
 0,790,76 0,85 0,840,78 4,02 л
 —-— 0,8 кгсм2.
 5 5
 Допускаемое давление
 1,24 • 0,8 0,99— 1 кгсм2.
 Окончательные размеры фундамента под колонну
 2,9x2,9 (ж2).

§ 15.3. СПЛОШНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ НА ГЛИНЕ
 Предельная несущая способность. Уравнение (15.7) дает максимальное давление по подошве сплошного фундамента, которое может нести основание в виде мощного пласта глины. По этому уравнению нагрузка, которая вызывает разрушение основания, практически не зависит от ширины фундамента. Прочность на одноосное сжатие, которая требуется, чтобы воспринять давление на грунт в 1 кг без всякого запаса, примерно равна 0„3 кгсм2. Чтобы обеспечить коэффициент запаса равный 3, прочность на сжатие должна быть порядка 1 кгсм2. Это дает основание полагать, что коэффициент запаса у большинства крупных фундаментов на мягких глинах сравнительно мал.
 Величина qd в уравнении (15.7) является давлением на отметке подошвы фундамента сберх того давления, которое возникает от пригрузки. С увеличением глубины соответственно увеличивается безопасное давление. Это, в частности, достигается увеличением числа подвальных этажей и их глубины. С другой стороны, обычно оказывается невозможным увеличить площадь плиты сколько-нибудь значительно, так как нельзя расширить фундамент более чем на несколько дециметров за пределы самого сооружения. Поэтому, если нужно построить сплошной фундамент на слишком мягкой глине, то единственным практическим способом обеспечения надежности фундамента является достаточное понижение отметки его подошвы.
 Безопасное давление на грунт под сплошным фундаментом. Коэффициент запаса по прочности глинистого основания под сплошным фундаментом должен быть не менее 3 при нормальной нагрузке и не менее 2 при максимальной нагрузке, указанной строительными нормами. Даже при соблюдении этого требования опасность выпирания будет во много раз больше, чем для аналогичного сооружения, но расположенного на песке. В некоторых случаях имело место полное разрушение основания вследствие его перегрузки большими жесткими сооружениями.
 § 15.4. СВАЙНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ НА ГЛИНАХ
 Условия применения. Если основание представляет собой слишком мягкую или слишком сильно сжимаемую глину, исключающую устройство раздельных фундаментов или сплошной плиты, то вес сооружения можно передать на «сваи. Характер работы сваи, забитой в глинистый грунт, можно установить по кривой ее забивки. Типичная кривая забивки показана на рис. 15.4. Кривая а характерна для свай трения. Число ударов молота на единицу глубины погружения практически постоянно и остается сравнительно малым. Кривая, b для сваи-стойки свидетельствует о сравнительно малом сопротивлении до тех пор, пока острие сваи не встрегит плотный грунт, после чего сопротивление очень
 233

быстро возрастает. На рис. 15.4, в дана типичная кривая для сваи, забитой в глину, сопротивление которой возрастает с глубиной. Если свая имеет хотя бы слабо коническую форму, то весьма вероятно, что сопротивление станет почти таким же большим, как в случае сваи-стойки, забиваемой в пласты твердой глины.
 Рис. 15. 4. Графики забивки деревянных свай. По оси абсцисс отложено число ударов молота на каждые 30 см погружения
 а — мягкая глина на большую глубину; б — мягкий пласт подстилается очень жесткой глиной; в — жесткость глины (растет с глубиной
 Безопасная нагрузка на сваи трения. Нагрузку, которую может нести отдельная свая трения в глинистом грунте (от мягкого до среднего), можно достаточно точно определить с помощью испытания статической нагрузкой. Рис. 15.5 показывает форму кривой «нагрузка-осадка». Кривая асимптотически приближается к вертикальной прямой, соответствующей внезапному продавливанию сваи в грунт или непрерывному погружению сваи под приложенной нагрузкой.
 Нагрузка, вызывающая разрушение сваи трения, представлена абсциссой вертикальной касательной к кривой «нагрузкаосадка». Безопасная- нагрузка на отдельную сваю может быть принята равной 7з от разрушающей нагрузки при расчете на максимальное вероятноезагружениеили равной У2 от разрушающей нагрузки при наиболее невыгодных условиях загружения,
 234

указанных строительными нормами, в зависимости от того, который из результатов является наименьшим.
 Испытание свай нагрузкой может быть дополнено испытанием на выдергивание. Соответствующая кривая показана на рис. 15.5. Она имеет такой же характер, как кривая зависимости осадки от нагрузки. Если свая цилиндрическая, то разность между предельной нагрузкой, определенной по кривой «нагрузка-осадка» и аналогичной величиной, но определенной по кривой выдергивания, является приближенной величиной сопротивления острия сваи.
 Поскольку испытания свай пробной нагрузкой сравнительно дороги, был сделан целый ряд попыток расчета безопасной нагрузки на сваи трения на основе наблюдений за забивкой, или по данным лабораторных испытаний. Опыт показал, что полученные таким образом формулы дают совершенно ошибочные результаты для глинистых грунтов, в связи с чем пришлось отказаться от использования этих формул.
 Так, например согласно кривой забивки на рис. 15.4, отказ от одного удара молота остается практически постоянным для всей глубины забивки. Из динамической формулы следовало бы, что предельная несущая способность сваи не зависит от ее длины. В противоположность этому, опыт показывает, что несущая способность свай трения примерно пропорциональна их длине.
 Для цилиндрических свай было найдено, что предельная их несущая способность приблизительно равна -произведению удельного сопротивления сдвигу грунта на боковую поверхность погруженной части сваи. Сопротивление сдвигу равно примерно половине прочности на одноосное сжатие. Эту зависимость считают более точной чем динамические формулы, но недостаточно надежной для того чтобы отказаться от необходимости проведения испытаний пробной нагрузкой на любых стройках, кроме самых небольших.
 Сваи трения обычно забиваются группами или кустами под отдельные фундаменты, либо одной большой группой под сплошной фундамент. Несущая способность куста свай может быть равной числу свай, умноженному на несущую способность одиночной сваи, но может быть и значительно меньшей. Поэтому
 Рис. 15. 5. Типичная кривая испытания сваи трения в глине
 — при выдергивании; 2 — при задавливании
 235

вполне вероятно, что группа свай может разрушиться даже в том случае, когда нагрузка на отдельную сваю меньше, чем безопасная нагрузка, определенная на основе испытаний отдельной сваи пробной нагрузкой.
 На рис. 15.6 показан куст висячих свай в мощном пласте глинистого грунта. Эти сваи соединены поверху жестким ростверком. Если сзайный фундамент разрушится, то как одно целое, и скорее всего сдвиг произойдет по плоскости, показанной пунктиром на рис. 15.6,6. Поверхность сдвига приблизительно равна произведению периметра свайной группы на длину свай. Предельная нагрузка, которую может нести группа свай, определяется двумя факторами. Сопротивление сдвигу грунта по поверхности свайного куста равно 42PLqUi где Р — периметр куста свай, L— длина свай и qu—прочность на одноосное сжатие. К этой величине должна быть добавлена несущая способность основания куста в пределах его площади на уровне острия свай.
 Если подстилающий Рис. 15. 6. Висячий свайный куст в глине грунт однороден, то несу-
 1 — продольный разрез; б — план ЩуЮ СПОСОбнОСТЬ ОСНОВЗ-
 ния куста можно определить приближенно с помощью уравнения (15.7). Для длинных свай в малых кустах эта величина по сравнению с сопротивлением сдвигу грунта, окружающего куст, очень мала. С другой стороны, при увеличении числа свай несущая площадь под кустом свай возрастает гораздо быстрее, чем площадь сдвига по периметру куста. Расстояние между сваями, при котором полностью используется несущая способность каждой сваи, легче всего может быть определено опытным путем. При этом расстояние между сваями обычно берется в 3 раза больше диаметра сваи, а проверкой является то, что сумма несущей способности и сопротивления сдвигу куста свай должна быть, по крайней мере, равна несущей способности отдельной сваи, умноженной на число свай в кусте.
 Очевидно, что забивка дополнительных свай в пределах данного куста в том .случае, если расстояние между сваями равно или менее требуемого, по вышеизложенным соображениям является совершенно бесполезной. С другой стороны, ясно, что максимальная эффективность фундамента из свай трения дости¬
 Q) Нагрузка
 1
 1
 Периметр Р,
 1
 (CTCfOt
 о о о а h.Q_o_d
 . 1
 1
 1
 1
 J
 1
 Силы сдвига по перимегтщ . куста свай Г i
 1
 - 1
 Vi
 Г
 Реакций грунта
 236

гается при максимально возможной их длине. Увеличение длины свай трения рационально и с точки зрения уменьшения осадок.
 Предельная ,несущая способность группы свай трения или отдельной сваи изменяется во времени. Обычно прочность бывает минимальной непосредственно после забивки сваи, что объясняется в основном нарушением структуры глины. Вследствие тиксотропии прочность глины со временем снова возрастает. Кроме того, при относительно высоком давлении, оказываемом на глину забивкой свай, глина, непосредственно окружающая сваи, быстро уплотняется и ее сопротивление сдвигу возрастает. Это явление общепризнано и поэтому не следует производить испытания пробной, нагрузкой в течение 3 дней после забивки свай, чтобы не получить заниженных данных. Однако увеличение прочности может продолжаться в течение значительно более долгого периода времени в зависимости от характера глины.
 Результаты целого ряда испытаний пробной нагрузкой одной и той же сваи показаны «а -рис. 15.7. Они иллюстрируют влияние времени на сопротивляемость глинистых грунтов, хотя в данном случае имело место необычно большое увеличение сопротивления.
 Безопасная нагрузка на сваи-стойки. Если очень мягкий или сжимаемый грунт лежит на очень жесткой глине, то нагрузки могут передаваться на глину при помощи свай. Общие положения в отношении фундамента этого типа остаются теми же, что и в случае свай, забитых в плотные пески, залегающие под ела быми или сжимаемыми грунтами.
 Безопасная нагрузка на одиночную сваю может быть определена наиболее точно двумя испытаниями пробной нагрузкой. При первом испытании свая забивается в несущий плотный пласт, в то время как при втором испытании острие сваи не доходит на 0,6—0,9 м до этого пласта. Для определения сопротив¬
 035
 0,3
 «41
 а 25
 С си
 I
 0
 I
 о
 0,2
 0J5
 OJ
 0,05
 Lw37-W Pw 20-22
 W 3S-40 Свая(30,5см)2Б'
 О 20 30 40
 Число дней после забивки
 Рис. 15. 7. Увеличение предельной несущей способности сваи трения со временем
 237

ления сваи нельзя применять динамическую формулу вместо испытания пробной нагрузкой, так как сопротивление сваи забивке в глинистый грунт под действием молота отлично от сопротивления сваи под действием статической нагрузки.
 Безопасная нагрузка на куст свай, забитых через сжимаемый грунт в плотный пласт, равна безопасной нагрузке на одиночную сваю, умноженной на число свай в кусте. Полученную величину не требуется уменьшать даже при тесном размещении свай.
 Если возможно возникновение отрицательного бокового трения вследствие уплотнения мягкого грунта между сваями, то целесообразно уменьшать расстояние между сваями до 2,5 диаметра сваи. При расчете следует учитывать дополнительную нагрузку на сваи, обусловленную наличием отрицательного бокового трения.
 Безопасная нагрузка на сваи в глинистом грунте с возрастающей по мере углубления жесткостью. Очень часто встречаются напластования, в которых каждый отдельный пласт приблизительно однороден, но жесткость каждого последующего возрастает с глубиной. Как известно, сваи применяют для того, чтобы передать нагрузку ниже наиболее сжимаемых слоев грунта. Необходимая глубина забивки свай зависит, главным образом, от осадки, которая может возникнуть при обжатии грунта ниже концов свай. Подробно этот вопрос будет рассмотрен ниже, но, как правило, для того чтобы воспользоваться возрастающей прочностью и жесткостью нижележащих слоев грунта, бывает выгодно забивать сваи настолько большой длины, насколько это позволяет имеющееся оборудование.
 Трудно предвидеть только на основании исследований и испытаний грунта, на какую глубину можно забить сваю данного типа при наличии данного оборудования. С известной- уверенностью это можно установить только путем забивки пробных свай. Кроме того, нагрузку, которую могут нести сваи, можно определить лишь с помощью испытаний опытных свай пробной нагрузкой. Во время забивки опытных свай следует строить график забивки, так как при его помощи во время строительства можно устанавливать, когда сваи встречают грунт с сопротивлением, аналогичным сопротивлению при забивке опытных свай, испытанных пробной нагрузкой.
 В некоторых местностях с грунтовыми условиями рассматриваемого здесь характера можно применять динамические формулы. Однако их использование может быть оправдано лишь в том случае, если эти формулы были проверены опытом именно для данной местности и уже известны безопасные нагрузки, соответствующие различным отказам при забивке свай в данных конкретных условиях. Очевидно, применение этих формул должно быть строго ограничено теми областями, для которых они были выведены.
 Безопасная нагрузка на куст свай, забитых в грунты с возра¬
 238

стающей по глубине жесткостью, практически равна числу свай в кусте, помноженному на безопасную нагрузку на одиночную сваю.
 Сопротивление выдергиванию сваи в глинистом грунте. На
 сопротивление выдергиванию отдельной сваи или куста свайстоек в пластичных глинах влияют те же факторы, что и на сваи трения. Сопротивление острия сваи в этом случае, очевидно, отсутствует.
 § 15.4,а. пример расчета свайных фундаментов на глине
 Вычисления, приведенные в этом примере, иллюстрируют расчет куста свай трения в глинистом грунте. Сначала определяется число свай исходя из предположения, что сопротивление сваи в кусте равно сопротивлению одиночной сваи. Затем исследуется несущая способность всего куста в целом и устанавливается, что она превышает общую нагрузку на куст с приемлемым коэффициентом запаса. Фактически расстояние между сваями может быть сокращено до 0,75 м, прежде чем несущая способность данного куста станет менее 220 т. Однако уменьшение расстояния между сваями может быть допущено только в том случае, если поведение глины во время забивки свай может быть предсказано заранее.
 Следует заметить, что данный метод расчета исходит из прочности глины. Вопросы расчета осадок свай трения в глинистом грунте изложены в § 15.6 и примере расчета 15,6,6.
 I. Исходные данные
 1. Общая нагрузка на куст свай (включая вес ростверка) 200 т.
 2. Бурением установлено, что в- основании залегает пласт довольно однородной глины мощностью 3 м.
 Средняя величина прочности на одноосное сжатие qu для глины Q,9 кгсм2.
 Чувствительность глины — низкая, влажность — значительно ниже предела текучести. Необходим коэффициент запаса 3. Длина свай 12 ж, средний диаметр 30 см.
 II. Расчет куста по несущей способности одиночной сваи.
 Площадь боковой поверхности отдельной сваи:
 12 • 3,14 • 0,3 11,3 м2.
 Сопротивление глины сдвигу:
 0,9 : 2 0,45 кгсм2,
 а с учетом коэффициента запаса, равного 3,
 0,45: 3 0,15 кгсм2-
 Безопасная нагрузка на сваю:
 11,3 • 1,5 тм2 17 г.
 -О—О- -0—65-
 i
 JL
 Jx 0,92,7-
 — за —
 Рис. 15. 8.
 239

Требуемое количество свай (см. рис. 15.8) равно 200 1711,8. Прини¬
 маем 12 свай.
 III. Расчет куста в целом
 Принимаем 3 ряда свай по 4 сваи в каждом ряду.
 Расстояние между осями свай в обоих направлениях примем равным
 0,9 м.
 •Площадь боковой поверхности куста (рис. 15.4):
 12 [2(2-0,9 0,3) 2(3 - 0,9 0,3)] 12-10,2 123 м2.
 Безопасное сдвигающее усилие при коэффициенте запаса 3:
 123- 1,5 тм2 184 т.
 Площадь куста овай в плане:
 2,13 6,3 ж2.
 Безопасная нагрузка на грунт в основании муста по уравнению (15.8):
 6,3 0,95- 9(1 0,35,36-1,21 65 т.
 Общая безопасная нагрузка на муст овай:
 184 т 65 249 т200 т.
 Окончательно принимаем 12 свай, расположенных по схеме, изображенной на рис. 15.4.
 § 155. ОПОРЫ В ГЛИНИСТОМ ГРУНТЕ
 Безопасную нагрузку на опору можно определить по формулам, применяемым для обычного фундамента. Коэффициент запаса по несущей способности основания должен быть равен 3 в условиях максимального загружения, которое может быть достаточно частым, и не должен быть менее 2 при наиболее неблагойриятных условиях загружения, предусмотренных строительными нормами.
 Поскольку давление на грунт нетто является функцией общего веса опоры, то часто может оказаться целесообразным строить опоры полыми внутри.
 Когда опоры сооружаются в мягких глинистых грунтах методом опускных колодцев, то важно знать величину бокового давления, чтобы колодец не мог заклиниться в процессе погружения. Было найдено, что имеющиеся теоретические методы определения бокового трения для колодцев не могут считаться в достаточной степени надежными для практического применения. Большая часть необходимых для расчета данных была получена из практики опускания опор, благодаря тому, что были известны нагрузки, требующиеся для возобновления опускания после остановки. По этим данным единичное боковое давление составляет примерно 0,75—3 тм2 для илов и мягких глин и 5— 20 тм2 для очень жестких глин. Даже в том случае, если имеются данные опыта соседних строек, их следует использовать с большой осторожностью применительно к условиям строительства нового объекта, так как общее боковое трение зависит от целого ряда факторов. К ним относятся: форма нижней части колодца, его диаметр.и методы разработки грунта.
 240

§ 15.6. ОСАДКА ФУНДАМЕНТОВ НА ГЛИНАХ
 Введение. Для любого типа фундаментов на глинах необходимо обеспечить надлежащий коэффициент запаса в отношении несущей способности основания. Однако не менее важно определить с достаточной точностью разность осадок отдельных элементов сооружений, если даже нагрузка не будет превосходить безопасной. В том случае, если неравномерная осадка получится слишком высокой, может оказаться необходимым изменить тип фундамента. Следовательно, задача сводится к определению разности осадок для решения вопроса о пригодности рассматриваемого типа фундамента. Прогноз осадок по результатам испытания грунтов и на основе теории приемлем лишь в том случае, если основание содержит один или несколько слоев мягкой глины, расположенных между жесткими пластами, и если эта глина нормально обжата.
 Если глина переуплотнена, то результаты прогноза могут оказаться несколько менее надежными, но с некоторым запасом, так как вычисленные осадки окажутся больше, чем те, которые могут в действительности возникнуть. Даже тогда, когда подстилающий грунт представляет собой довольно однородные глинистые отложения, уходящие на значительную глубину, можно получить довольно надежные данные, допустив, что этот грунт состоит из целого ряда отдельных слоев. Если же глинистый грунт содержит беспорядочно расположенные сжимаемые прослойки, то можно определить лишь вероятную максимальную неравномерность осадки без указания характера ее распределения.
 В большинстве случаев при прогнозах и расчетах осадок нельзя гарантировать высокую степень точности. Но выбор рационального типа фундамента можно обычно сделать, зная, будет ли неравномерная осадка порядка 10, 50 или 500 мм.
 Обычный способ расчета осадки какой-то точки основания сооружения за счет консолидации тонкого пласта глины подразделяется на четыре этапа. Первый — вычисление начального эффективного напряжения в скелете грунта ро по середине высоты пласта. Второй — расчет вызванного весом сооружения увеличения давления Ар в интересующих нас точках на половине высоты пласта. Третий — определение сжимаемости глины, для чего находится коэффициент компрессии Сс. Четвертый этап — когда все эти значения используются для определения уменьшения толщины пласта в рассматриваемой точке в результате обжатия.
 В том случае, если имеется только один тонкий пласт, допускается, что осадка поверхности грунта соответствует сокращению толщины этого пласта. Если же имеется несколько пластов, то подобные вычисления производятся для каждого пласта отдельно, затем результаты суммируются.
 16 Зак. 1274
 241

Вычисление начального межчастичного давления в скелете грунта ро и определение коэффициента компрессии Сс были описаны в § 2.3 и 2.7. Ниже мы излагаем методы определения приращения напряжения Др и обжатия толщины глинистого пласта.
 Расчет давления. Поскольку напряжения в основании при обеспечении соответствующего коэффициента за,паса по несущей способности относительно малы по сравнению с предельной прочностью грунта, то можно получить приблизительное представление о распределении давления в грунте, допустив, что он ведет себя как упругий материал. Если пренебречь также неоднородностью грунта, то вертикальное напряжение, вызванное в любой точке грунта нагрузкой, приложенной к поверхности, можно вычислить по одному из уравнений, выведенных Буссинеском на основе теории упругости. Вполне вероятно, что действительные напряжения в грунте будут значительно отличаться от значений, вычисленных на основе теоретических положений. Однако вследствие простоты уравнений и относительной обоснованности допущений метод Буесинеска применяется почти во всем мире, и результаты оправдываются при сопоставлении наблюденных и вычисленных с помощью теории осадок.
 Поскольку нагрузка обычно передается на подстилающий грунт посредством фундаментов, опор или сплошных плит, которые, по предположению, оказывают равномерное давление на грунт, то в задачу инженера входит определение величины вертикального напряжения, вызванного в какой-либо точке горизонтальной плоскости внутри массива грунта нагрузкой, равномерно распределенной на ограниченной фундаментом части поверхности грунта. С этой целью Ньюмарк разработал графический способ расчета по уравнению Буссинеска. Он представляет собой график влияния, показанный на рис. 15.9. Чтобы им воспользоваться, чертится план поверхности грунта в таком масштабе, чтобы отрезок АВ равнялся глубине, на которой требуется определить величину напряжения. Если это условие удовлетворено, то равномерная нагрузка по любой площадке, ограниченной двумя смежными дугами и двумя смежными радиусами, производит давление в точке, лежащей непосредственно под центром графика, равное 0,005 от интенсивности нагрузки. При определении соответствующего расстояния АВ поверхность грунта всегда рассматривается как плоскость, проходящая через отметку подошвы фундамента.
 Если, например, необходимо использовать эту схему для вычисления приращения давлений на глубине 12 м ниже подошвы фундамента, то план фундамента чертится на кальке в таком масштабе, чтобы расстояние АВ равнялось 12 м. Калька накладывается на график 15.9 так, чтобы точка здания, под которой нужно определить давление, оказалась над центром окружностей. Затем подсчитывается число площадок графика влияния,
 242

которые покрыты фундаментом, находящимся под нагрузкой. Это число, умноженное на 0,005 равняется величине приращения давления А р от равномерной нагрузки q, обусловленной нагрузкой от фундамента.
 Рис. 15. 9. График влияния для определения величины вертикального напряжения в любой точке под фундаментом (по Ньюмарку)
 Для того чтобы получить давление Ар в различных других точках подстилающего грунта, калька сдвигается по графику так, чтобы каждая из этих точек совмещалась с центром графика, и вычислительные операции повторяются. Таким образом можно легко определить распределение давления Ар на данной отметке под фундаментом. Для того чтобы получить давление на другой глубине, нужно заготовить новую кальку плана фунда¬
 16’
 243

мента, вычерченного в таком масштабе, чтобы новая глубина равнялась расстоянию АВ.
 Снижение давления в любой точке, вызванное выемкой, например. для подвала, может быть вычислено таким же путем при том условии, что вес вынутого грунта является равномерно распределенной нагрузкой. Эту нагрузку рассматривают как направленную вверх и действующую на отметке дна выемки.
 Увеличение или уменьшение напряжения Ар в точке, расположенной на половине высоты глинистой прослойки, вызывает, соответственно, консолидацию или набухание глины. Для завершения этих процессов обычно требуется значительный период времени. Поэтому временные нагрузки мало влияют на величину осадки сооружения, в глинистом грунте. В состав нагрузок,
 гут действовать в течение довольно длительного времени. Если возведение сооружения вызывает изменение уровня грунтовых вод, то соответствующее изменение межчастичного давления должно быть включено в А р.
 Расчет осадки. На рис. 15.10, а дано поперечное сечение прослойки глины, толщиной Я. Расстояние от первоначальной поверхности грунта до середины слоя сжимаемого грунта равно D. Начальное межчастичное давление в скелете грунта в точке А равно ро и увеличение давления равно А р. Коэффициент пористости глины в естественном состоянии до постройки сооружения равен ео. На рис. 15.10,6 приведен призматический элемент, вырезанный в точке А. Допустим, что этот элемент состоит из твердого вещества с высотой, равной единице, и из пор, общий объем которых имеет высоту, численно равную ео. Тогда общая .высота элемента будет 1ео. Если коэффициент пористости уменьшается на А е при консолидации, то относительная деформация элемента составит Д£ (1 е0)-1. Допустив, что эта деформация постоянна по высоте в пределах от верха до подошвы глинистого пласта, уменьшение толщины пласта или осадка S' над точкой А будет равна
 которые следует учитывать при расчете осадок, входит давле-
 Рис. 15. 10. Схема для расчета осадки сжимаемого глинистого пласта
 ние от веса вынутого
 грунта, направленное Т вверх, постоянное дав-
 -т ление от веса сооруже-
 ■ «ия, включая любые
 грунтовые засыпки в ки нем, а также средние
 величины временных нагрузок, которые мо-
 (15,9)
 244

На основании уравнения (2.23), изменение коэффициента пористости Де может быть выражено следующей зависимостью
 Ье Сс ёВо±Е (15.10)
 Ро
 Подставив эту величину в уравнение (15.9), найдем следующее выражение для осадки поверхности грунта над точкой А при уплотнении пласта толщиной Я
 S -£z—H lg±. (15.11
 l o Ро
 Если давление Ар отрицательно, то можно ожидать, что глина будет набухать и величина Сс должна быть заменена коэффициентом набухания. Однако, как правило, набухание естественных отложений мягкой глины вследствие уменьшения давления, вызванного выемкой грунта, бывает очень незначительным. Поэтому значение S можно обычно принимать равным нулю, если А р отрицательно.
 Надежность прогноза осадки. Предельная неравномерная и общая осадка могут быть предсказаны с большой точностью, если подстилающий грунт представляет собой нормально обжатую глину обычной чувствительности, а также если эта глина практически однородна или состоит из однородных прослоек.
 Коэффициент компрессии может быть определен с помощью компрессионных испытаний ненарушенных либо нарушенных образцов или по уравнению (2.24). Если грунт обладает беспорядочным невыдержанным строением, то предвидеть распределение неравномерности осадок обычно невозможно. В таком случае можно получить только максимальную и минимальную вероятные осадки. Для этого следует принять максимальный коэффициент компрессии, определенный на основе результатов исследований грунта в той части пласта, где Ар может быть максимальным, и минимальный коэффициент компрессии для той части пласта, где Ар может быть минимальным. Действительная неравномерность осадок вряд ли превысит значения, полученные на основе таких расчетов.
 Если глинистый грунт переуплотнен, но это неизвестно, то расчетные осадки могут быть значительно большими, чем действительные (см. § 2.8). Это расхождение уменьшается по мере
 приближения отношения А7 к единице. Однако, если даже
 Р Ро
 расчет основан на использовании кривых е—lg р для образцов с ненарушенной структурой, то расчетные осадки могут превышать действительные, и часто оказывается невозможным точно предсказать величину этого расхождения.
 При определении деформаций сверхчувствительных глинистых грунтов необходимо обеспечить отбор наилучших, минимально нарушенных образцов. При этом расчеты осадок для не¬
 245

эрратических отложений такого типа могут быть сделаны с высокой степенью точности.
 Поскольку главной причиной ошибок в расчетах осадок является неправильный учет степени переуплотнения глинистого грунта, то следует использовать все имеющиеся данные, характеризующие в этом смысле исследуемый грунт. Во многих случаях полезно определить значения Др в критических точках глинистого грунта под существующим старым соседним сооружением, состояние которого известно. Если, например, это сооружение не испытывало таких осадок, которые могли вызывать повреждения и если в подстилающем грунте оно вызывает напряжения не меньшие тех, которые можно ожидать под проектируемым сооружением, то это позволяет предполагать удовлетворительное поведение проектируемого сооружения. Такое заключение должно опираться на исследования, подтверждающие, что грунтовые условия на обеих строительных площадках действительно одинаковы.
 Скорость осадки. Уравнение (15.11) дает значение окончательной осадки за счет первичной консолидации глинистого пласта. Скорость, с которой будет происходить осадка, можно предсказать с достаточной точностью, если известен коэффициент консолидации съ для данного грунта и если известно расстояние между дренирующими слоями. Многие глинистые грунты содержат большое число прослоек и линз песка или ила, которые дренируют отложение в большей или меньшей степени. Если нельзя установить непрерывность прослоек и узнать, на каком расстоянии они находятся друг от друга, то невозможно определить скорость осадки. Можно лишь указать пределы, и притом весьма широкие, в которых она может находиться. Это определение выполняется, как указано в § 2.7.
 Для обычных зданий скорость осадки зачастую не является столь важным фактором, так как повреждения могут наступить, если окончательные неравномерные осадки будут больше тех, которые может выдержать здание. Однако иногда оказывается необходимым определить скорость осадки. Например, если сооружению причинены повреждения из-за возрастающей неравномерной осадки, то может понадобиться усиление фундамента, чтобы прекратить деформацию. Но прежде чем предпринимать это дорогостоящее мероприятие, необходимо знать степень достигнутой консолидации.
 В целом ряде случаев производят усиление фундаментов зданий с большими затратами в то время, когда фактически вся основная осадка за счет первичной консолидации уже закончилась. Знание степени консолидации показало бы в этом случае, что работы по усилению фундаментов не требуются.
 Вторичная консолидация. Вышеизложенные методы прогноза осадки сооружений основаны на допущении, что величина предельной осадки будет соответствовать первичной консолидации,
 246

наблюдаемой в компрессионных испытаниях. Вторичная консолидация при этом не принимается во внимание. Во многих случаях первичная консолидация гораздо значительнее, чем последующая вторичная и расчет осадки в этих случаях достаточно близок к действительности. Однако медленная осадка, которая происходит после того, как избыточное поровое давление исчезаем, продолжается в течение многих лет с почти постоянной скоростью. В конечном счете эта вторичная осадка может оказаться очень существенной.
 Для определения скорости вторичного сжатия теоретические основы пока отсутствуют, в связи с недостаточной изученностью природы этого явления. Наилучшим способом определения величины этой доли осадки является наблюдение за поведением аналогичных сооружений в близких грунтовых условиях. Скорость этой осадки, как было установлено, изменяется от 1,5 мм в год и до 12 мм и более в год при необычных условиях.
 Органические глины и пластичные илы бывают часто настолько сильно сжимаемыми, что их консолидация происходит не в соответствии с исходными положениями теории консолидации грунтов. Первичная консолидация может происходить очень быстро и может быть относительно небольшой. Вся остальная осадка носит вторичный характер. По этой причине вторичному сжатию уделяется особое внимание в таких странах, как Голландия и Бельгия, где встречаются мощные органические отложения.
 Осадка раздельных и сплошных фундаментов. Раздельные фундаменты на мягком нормально обжатом глинистом грунте обычно дают чрезмерную осадку даже в том случае, если давление на грунт относительно невелико. Величину осадки можно определить по методам, описанным в предшествующих разделах. Расчеты производятся на основе допущения, что сооружение не обладает жесткостью. Поэтому неравномерные осадки, полученные расчетом, могут быть несколько больше тех, которые в действительности возникают. Все же следует считать, что указанный метод является достаточно надежным для того, чтобы позволить проектировщику определить, будут ли возможные деформации слишком большими для сооружения. Если это так, то он должен либо объединить отдельные фундаменты в сплошной, либо опереть сооружение на сваи или опоры.
 Картина осадок раздельных фундаментов может быть довольно беспорядочной из-за случайного наличия в отдельных местах включений и зон мягкого или, наоборот, жесткого грунта. Но при одинаковом давлении на грунт от сплошной плиты те же напряжения проникают гораздо глубже, и мягкие и жесткие участки в более мощной обжимаемой зоне оказываются более равномерно распределенными и взаимно, компенсируют друг друга на одной и той же вертикали. В результате распределение осадок имеет более правильный характер и основание принимает форму чаши с наибольшей осадкой посередине.
 247

Осадка сплошного фундамента на глинистом грунте может быть уменьшена путем более глубокого заложения подошвы, в связи с чем увеличивается объем извлеченного грунта. Иногда вес вынутого грунта компенсирует полностью вес самого сооружения. Таким образом были успешно построены сооружения на очень мягких глинистых грунтах. Несмотря на полную компенсацию нагрузки, эти сооружения все же могут испытывать небольшую осадку, вследствие вспучивания и последующей осадки глины во время экскавации и загружения вновь, а также вследствие незначительного увеличения сжимаемости, вызванного нарушением структуры глины при выемке грунта.
 В некоторых случаях под плотным песком или жесткой глиной залегает мощный пласт мягкой глины. Сооружение может опираться на фундамент, расположенный на этом песке или жесткой глине. Тогда безопасная нагрузка на основание определяется в соответствии с характеристикой грунта, простирающегося непосредственно под фундаментом на глубину не меньшую ширины в наиболее крупной части фундамента. Но вместе с тем слой песка и жесткой глины выполняет роль подушки и осадка сооружения зависит как от величины напряжения в подстилающем мягком грунте, так и от его сжимаемости. Прогноз осадки может быть сделан указанным выше методом. Если неравномерные смещения будут слишком значительными, то увеличение размеров фундаментов мало улучшит положение. В связи с этим целесообразно осуществление такого фундамента, нагрузка от которого примерно равняется весу вынутого грунта. В этих случаях может оказаться целесообразным применение свай или опор, проходящих через верхний жесткий слой и лежащий под ним сжимаемый грунт да прочного основания.
 Осадка свай трения в глинах. Висячие сваи можно применять как для раздельных фундаментов, так и в виде сплошного фундамента. Их функция — передать нагрузки на значительную глубину в подстилающий грунт, где значения межчастичного давления ро больше, чем у поверхности. Благодаря этому сваи сокращают величину осадки до значений меньших, чем при отсутствии свай. Более того, нагрузка от фундамента постепенно передается при помощи бокового трения на грунт по всей длине этих свай. Таким образом избегают большой концентрации напряжений.
 Осадка куста свай трения может быть определена очень приближенно, исходя из предположения, что глинистый грунт, находящийся между верхней частью сваи и ее нижней третью, несжимаем, и нагрузка на грунт приложена на уровне нижней трети длины свай. Наличием свай ниже этого уровня пренебрегают.
 Очевидно, что сваи трения наиболее выгодны в том случае, когда их длина больше ширины раздельного или сплошного фундамента, который на них опирается. Сваи трения большой длины
 248

под относительно малым фундаментом могут значительно уменьшить осадку, тогда как большое число коротких свай трения под широким фундаментом может практически не дать никакого эффекта.
 При одной и тдй же нагрузке на отдельную сваю осадка куста свай трения возрастает с увеличением числа свай в группе. Это происходит но причине, аналогичной возрастанию осадки фундамента на глине с увеличением размеров фундамента.
 Были предприняты попытки компенсировать этот эффект уменьшением допускаемой нагрузки на каждую сваю некоторым произвольным способом в зависимости от увеличения количества свай в кусте. Соответствующие формулы получили название уравнений эффективности. Однако они не учитывают всех факторов, влияющих на поведение глинистого отложения в каждом случае и не могут быть рекомендованы.
 Осадка свай-стоек и опор. Нагрузку на сваю, забитую через сжимаемый грунт в твердую или очень твердую глину, воспринимает непосредственно острие сваи. В связи с этим у конца сваи имеет место большая концентрация напряжений. Если отдельная свая испытывается пробной нагрузкой обычной длительности, то результаты испытаний могут казаться очень благоприятными, так как при этом испытании большая часть нагрузки будет воспринята боковым трением верхних слоев грунта, окружающего сваи. Острие же сваи будет воспринимать очень незначительную часть нагрузки. Однако в действительности осадка аналогичной сваи под зданием может иногда быть довольно большой. Редко удается удовлетворительно оценить величину осадки в подобных случаях, хотя данные о компрессии жесткой глины и могут оказаться полезными. Са.мые лучшие результаты можно получить проведением испытаний грунта пробной нагрузкой с помощью штампа, лежащего на глине в основании пустотелой сваи. Плита должна быть пористой, чтобы обеспечить отвод фильтрующейся воды. Испытание пробной нагрузкой должно проводиться в течение нескольких недель, чтобы уплотнение произошло окончательно. Очевидно, что такие испытания обойдутся очень дорого и их можно производить только на очень крупных строительствах. Если осадка будет чрезмерной, то придется уменьшить нагрузку на одиночную сваю.
 Если сваи-стойки забиваются в плотный или жесткий грунт, лежащий на более мягком грунте, то верхний пласт грунта рассматривается как естественная плита, и расчет производится методом, описанным выше.
 При забивке свай-стоек забитые ранее сваи могут вследствие вытеснения и выпирания грунта оказаться приподнятыми и оторванными от несущего пласта. Вытесненные сваи следует вновь забить до твердого несущего пласта, так как в противном случае осадка может быть чрезмерной. Для того чтобы установить, нужна ли повторная забивка сваи, рекомендуется определять отмет¬
 249

ку головы каждой забитой сваи и затем проверить ее, после того как все сваи будут забиты. Если сваи не являются жесткими, то перемещение головы сваи не всегда может свидетельствовать о движении ее острия. Указанное обстоятельство может иметь место, например, тогда, когда оболочка для бетонных набивных свай временно оставляется незаполненной. В этом случае с помощью стержней, опущенных внутрь оболочки, можно контролировать выпучивание свай.
 Осадка опор на нормально обжатой мягкой глине может быть значительной, даже если нагрузка нетто на основание невелика. Поэтому опоры нецелесообразно и неэкономично устраивать в том случае, если они не опираются на жесткие или твердые переуплотненные глины. Даже на сравнительно жесткой глине осадка очень тяжелых опор может оказаться со временем значительной. Вследствие трудностей, связанных с определением сжимаемости переуплотненных глин, расчеты, основанные на результатах испытаний на компрессию, могут дать величину осадки большую той, которая будет иметь место в действительности.
 Осадка на невыдержанных (эрратических) отложениях. Выше мы рассмотрели случаи, когда уплотняемая глина была представлена в виде отдельных слоев или в виде довольно однородной массы, которая могла быть произвольно разделена на отдельные слои. Мы допускали, что свойства глины в любом слое изменяются в горизонтальном направлении относительно незначительно.
 Однако часто встречаются отложения мягкой глины или пластичных илов, имеющие резко неоднородное строение. Попытки установить распределение осадок по площади, которую должно будет занять сооружение, будут безуспешными, так как трудно выявить все включения мягкого грунта путем отбора образцов или испытаний.. В таком случае рекомендуется проведение зондирования по всей площади для того, чтобы определить границы отдельных включений мягких грунтов и получить общее представление о неравномерности свойств отложения. Затем пробуривают несколько скважин на участках самых мягких и самых жестких грунтов и на основании полученных при бурении данных приблизительно вычисляют предельное значение осадок на этих участках. Эти данные позволяют установить, будет ли удовлетворительным намечаемый тип фундамента.
 § 15.6,а. ПРИМЕР РАСЧЕТА ОСАДКИ СПЛОШНОГО ФУНДАМЕНТА НА ГЛИНЕ
 Этот пример расчета иллюстрирует некоторые положения, изложенные в § 15.6- Большая часть вычислений не требует разъяснений. Так как влажность глины ближе к пределу текучести, чем к пределу пластичности, целесообразно допустить,
 250

что данный глинистый грунт является нормально обжатым. Начальный коэффициент пористости, начальное давление посередине глинистого пласта и коэффициент компрессии определяются в соответствии с указаниями, изложенными в § 1.6, 2.3 и 2.7. Следует отметить, что разность осадок между серединой и краем фундамента может быть в действительности значительно меньше разности осадок, полученной расчетом, вследствие жесткости наземной части сооружения.
 . Исходные данные
 Разрез по фундаменту и основанию приведен на рис. 15.11. Геотехнические характеристики глины:
 прочность на одноосное сжатие предел текучести предел пластичности естественная влажность удельный вес
 Давление на грунт от постоянной нагрузки с учетом собственного веса сооружения 1,2 кгсм2.
 II. Расчет осадки Начальное эффективное давление посередине глинистого пласта:
 1,5 1,444,3- 1,92 6,7(1,92—1) 2,15(1,76—1) 18,2 тм2 1,8 кгсм2.
 Коэффициент компрессии Сс 0,009(54—10) 0,396.
 Начальный коэффициент пористости е 1,19.
 (для полностью насыщенного
 cju 1,2 кгсм2 Lw — 54
 Pw 26
 44
 75 2,7 гсм
 JL
 4
 «чГ
 JL
 JL
 Г. Г. В.
 ••» N
 к
 100 j
 Рис. 15. 11.
 грунта е
 Давление нетто по подошве фундамента (давление за вычетом бытового): 12—(1,5 1,44 Ч- 0,9 • 1,92) 8 тж2 «0,8 кгсм2.
 Определение Ар посередине высоты глинистого пласта производится с помощью графика 15.9. Для этого площадь фундамента вычерчивается на кальке в таком масштабе, при котором отрезок ЛВ на рис. 15.9 изображает расстояние 12,25 ж от подошвы фундамента до середины глинистого пласта.
 При расчете осадки середины фундамента калька накладывается так, чтобы центр его плошади совпал с центром графика 15.9. При этом калька накрывает 85,5 квадрата;
 А р 85,5 • 0,8 • 0,005 0,34 кгсм2.
 При расчете осадки угла фундамента калька накрывает 38,3 квадрата.
 Ар 38,3 • 0,8 • 0,005 0,15 кгсм2.
 Осадка в центре: 430
 1 1,19
 Осадка угла:
 430
 1 1,19
 0,396 lg
 0,396
 1,82 0,34 1,82
 1,820,15
 1,82
 6,2 см.
 ■ 2,3 см.
 1,44; 1,92; 1,76—соответствующие объемные веса
 251

§ 15.6А ПРИМЕР РАСЧЕТА ОСАДКИ СВАЙНОГО ФУНДАМЕНТА
 НА ГЛИНЕ
 В этом примере дается расчет осадки куста свай трения в нормально обжатом глинистом грунте. Общую осадку в 13 см следует рассматривать только как грубо приближенную. Тем не менее, величина осадки, установленная указанным образом, обычно может явиться критерием для решения вопроса о том, приемлем ли намечаемый тип фундамента или должен быть принят какой-либо другой тип, например, сваи большей длины, забитые в скалу, либо опора, опущенная до скалы.
 Можно заметить, что свойства глины, которые влияют на ее сжимаемость, значительно изменяются на отметках 94 и 92. По этой причине грунт, начиная с глубины, соответствующей 2з длины свай (где, как предполагается, нагрузка от свай, уже передается грунту) делится на три части. Осадки этих отдельных слоев, суммируясь, дают общую осадку. Приращение давления в середине каждого слоя вычисляется на основе допущения, что нагрузка распределяется под углом 60° к горизонтали, проходящей через нижнюю треть сваи. Это допущение оказывается справедливым, если жесткость ростверка такова, что осадка в форме чаши невозможна.
 I. Исходные данные
 1. План и разрез свайного фундамента (рис. 15.12).
 2. Общая нагрузка на сваи за вычетом веса грунта, замещенного фундаментом, — 230 т.
 3. Геотехнические характеристики грунтов основания:
 глина от v до v 94: q 1,2 кгсм2, Lw 35, Pw 22. ш30, е0 0,8, Сс 0,23-
 Глина от у 94 до v 92: 70,9 кгсм Lw 48, Pw 25, w 40 во 1,08, С с 0,34.
 Глина от у 92 до v 89: q 1,8 кгсм2, Lw 32, Pw 20, w 26, е0 0,7, С с 0,2.
 4. Давление от приведенной нагрузки на отметке 98:
 О 230
 qf- — 19,2 mм2 1,92 кгсм.
 . Расчет осадки
 1. Вычисление значений р0:
 на отметке 96
 2- 1,6 3,2;
 2-1,92 3,84;
 6(1,92—1) 5,4;
 12,44 тм2 1,24 кгсм2
 на отметке 93
 2 (1,92—1) 1.84
 1 	(1,82—1) 0,82
 2,66 тм2 0,27 кгсм2 1,24
 1,51 кгсм2
 252

erua-cr-cr-r jo о о о с ' Ю о о о d I lo_.Q_.Q_ _Q _d L
 i
 Z30m
 .
 L
 TTTHTIHI
 96
 mmimritr
 Пылеватый грунт y-t96 тм
 юг I
 СГ-1,
 Гпина у1,32 тм3 в
 «У 104
 AsF
 106
 £Г
 W
 X
 93 Гпина ®—з£Ш_ y-JfiZmM3
 £■
 esi
 92
 90,5
 Гайна ен yZmм3
 1 83
 Скала
 Рис, 15. 12.

На отметке 90.5
 1(1,82—1) 0,82 1(2-1) - 1,00
 1,82 тм2 0,18 кгсм2 1,51
 1,69 1,7 кгсм.
 Определение Дро при распределении нагрузки под (углом 30 к вертикали (tg ЗОР 0,58).
 Площадь давления на отметке 96:
 А2 (4 2.20,58) (3 2 • 2 • 0,58) 33,6 м2;
 Др° Л7 ” 1,92 5Ге 0,68 кг1см-
 Площадь давления на отметке 93:
 А3 (4 2-.5.0,58)(3 2-5-0 58) 86 2;
 Дро--1.92 41' 0,26 кгсм2.
 А3 86
 Площадь давления на отметке 90,5:
 А4 (4 2 • 7,5 • 0,58) (3 2 • 7,5 • 0,58) 148 м2;
 А. 12
 1,6 —- 0,15 кгсм2.
 Ал 148
 Определение осадки От у98 до V 94:
 400 1,24 0,68 _
 5l“iM 0231g—П24 9JCM•
 От v94 до v 92:
 200 Л _ 1,51 0,26 „ Л
 S‘ TТШ ’ Гм 2ЗСЛ-
 От V 92 до v 89:
 300 Л„ 1,7 0,15
 8 Toj 02 П— 1'2СЛ-
 Полная осадка
 9,7 2,3 1,2 13,2 см.
 § 15 7. ГОРИЗОНТАЛЬНЫЕ СИЛЫ И ДЕФОРМАЦИИ, ВОЗНИКАЮЩИЕ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВЕРТИКАЛЬНЫХ НАГРУЗОК НА ГЛИНУ
 Подпорные стенки и устои подвергаются действию не только вертикальных нагрузок, но также и горизонтальному давлению грунтовой засыпки. Расчет горизонтального давления грунта на такйе сооружения производится стандартным способом и описан в гл. 22. Но вместе с тем, в основании сооружения возникают дополнительные горизонтальные силы, вызванные вертикаль-
 254

ным давлением засыпки. Эти горизонтальные силы могут быть достаточно большими и вызывать деформацию сдвига.
 Если основание состоит из глины или пластичных илов, то эти деформации могут прогрессировать и стать очень большими. В некоторых случаях деформация очень быстро становится настолько значительной, что ее можно считать разрушающей. Рис. 15.13 показывает типичный пример такой деформации. Сваи были забиты в мягкий грунт и покоились на средней глине на
 Рис. 15. 13. Пример постепенного перемещения мостовых опор под действием горизонтального давления засыпки
 1 — отсыпка закончена; 2 — засыпка до верхней опорной части пролета строения моста; 3 — мягкий ил, торф и болотный известняк; 4 — мягкая красная глина; 5 — бурая глина средней жесткости; 6 — твердая красная валунная глина; 7 — известняк
 глубине 12 м. Были возведены два устоя и две промежуточные опоры для моста. Вовремя выполнения работ по отсыпке насыпи были замечены деформации всех четырех сооружений. Измерения деформаций дали результаты, показанные на рисунке. Расстояние между опорами Ь2 сократилось почти на столько же, как и расстояние L между устоями. Это означает, что деформация произошла достаточно глубоко и вызвала сжатие в горизонтальном направлении, а также перемещение глины к середине моста. Такая деформация вряд ли могла быть вызвана чем-либо другим, кроме как перегрузкой глинистого пласта весим насыпи. Под действием ее веса, по-видимому, была исчерпана несущая способность мягкой красноватой глины и лежащего выше грунта, и началась медленная ползучесть, вызванная чрезмерными сдвигающими силами. Горизонтальное давление на устои, вероятно, не было чрезмерным, так как устои имели сквозную конструкцию, и засыпка проходила сквозь них.
 255

Несущая способность подстилающего грунта приблизительно равна 3qa. Ползучесть многих глин может возникнуть при нагрузках больших, чем 7г предельной несущей способности. Поэтому деформация стены или устоя может иметь место, если давление в глине становится под действием веса насыпи большим чем, примерно, 1,5qu. Если засыпка лежит непосредственно на поверхности глины, то максимальная высота Нс засыпки, при которой еще не наступает ползучесть, приблизительно равна
 HcSju (15.12)
 Если консолидация глины облегчена наличием дренирующих прослоек или устройством песчаных дрен, то значение qu может значительно возрасти, а соответственно увеличится высота Нс.
 Вертикальные сваи под подпорной стенкой или устоем в данном случае мало помогают, так как их сопротивление поперечному изгибу относительно мало. Кроме того, это сопротивление может возникнуть только в том случае, если нижняя часть сваи жестко заделана в грунт с высокой прочностью.
 Несколько более эффективными могут оказаться наклонные сваи, но и их эффективность значительно меньше, чем это принято считать. Когда стена начинает испытывать сдвиг, нагрузка на наклонные сваи сильно увеличивается, и они глубже проникают в грунт. Даже незначительное вдавливание сваи в грунт позволяет возникнуть существенной горизонтальной деформации в основании сооружения. Во всяком случае, если наклонные сваи не забиты в нижележащие плотные грунты, их роль либо несущественна, либо вообще они не имеют никакого значения.
 Во многих случаях устои испытывали прогрессирующие деформации, несмотря на наличие наклонных свай. Если подстилающий грунт не обладает надлежащей несущей способностью для того, чтобы воспринимать вес засыпки без смещений, то может оказаться необходимым проектирование подходов к мосту в виде эстакады, чтобы исключить устройство насыпи.

Глава 16
 ОСНОВАНИЯ НА ИЛИСТЫХ И ЛЕССОВЫХ ГРУНТАХ
 Рис. 16. 1. Канал в лессовом грунте Канал был построен в центральной части Небраски с почти вертикальными откосами (4:1), высотой 17 м. Опытная выемка, вырытая в этой местности, показала, что более крутые откосы вызывали бы местные оползни, тогда как более пологие быстро подвергались бы эррозии. Способность держать очень крутые откосы является отличительной чертой лессового грунта

§ 16.1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЛОВ И ЛЕССОВ
 Илы. Отложения илистых грунтов могут встречаться от высоко пластичных до совершенно непластичных, у которых число пластичности близко к нулю. Такие грунты иногда называют каменной мукой. Характеристики их в основном близки к характеристикам мелких песков, а способы строительства фундаментов на таких грунтах, по существу аналогичны возведению фундаментов на песках.
 Пластичность илистых грунтов обусловливается высоким содержанием глинистых частиц или значительным содержанием органических веществ. Поэтому пластичные илистые грунты обладают основными свойствами мягких и средних глин, и в связи с этим расчет фундаментов на них основывается на тех же положениях, которыми руководствуются при проектировании фундаментов сооружений на глине.
 Если значения N для 'илистого грунта, по данным испытаний на пенетрацию, меньше 10, то такие -илы считаются рыхлыми или мягкими. Такой грунт, как правило, непригоден в качестве основания. Чтобы оценить возможное поведение грунтов со значениями N более 10, принимают, что грунт представляет собой глину или песок, в зависимости от его пластичности, и используют соответствующую зависимость между N и другими физическими характеристиками грунта.
 Глубоко залегающие пласты илов часто с более или менее значительным содержанием органических примесей встречаются около существующих или существовавших ранее берегов морей, озер и в руслах существующих и древних рек. Когда эти отложения залегают ниже уровня грунтовых вод и никогда не подвергались высыханию, они могут обладать такой же сжимаемостью, как нормально обжатые глины в состоянии, близком к пределу текучести.
 Лессы. Размеры зерен лессов колеблются в тех же пределах, что и размеры зерен илов. Однако характеристики лессовых отложений могут быть совершенно отличными от характеристик отложенных в воде илистых грунтов, и расчет оснований на таких грунтах требует особого внимания. Вследствие наличия в большинстве лессов известкового или глинистого вяжущего вещества эти грунты могут обладать значительной связностью, несмотря на их относительно высокую пористость, и могут оказаться способными выдерживать нагрузки в несколько килограммов на 1 см2 без значительной осадки.
 258

Если лессовые отложения замачиваются водой, то они могут терять связность в связи с тем, что некоторые из вяжущих веществ могут раствориться или размягчиться. В этих условиях структура грунта разрушается, и значительно уменьшается пористость, что может вызвать просадку поверхности грунта. Такая просадка может быть достаточной, чтобы разрушить здание, независимо от величины расчетного давления. Лессы с уже нарушенной структурой ведут себя как илистые грунты.
 § 16.2. РАЗДЕЛЬНЫЕ И СПЛОШНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ НА ИЛИСТОМ ГРУНТЕ
 Мягкий или рыхлый ил не может являться достаточно надежным основанием для зданий и сооружений. Сооружения, осуществляемые на таких грунтах, должны иметь свайные фундаменту или глубокие опоры, либо сплошные фундаменты, заложенные на такой глубине, чтобы вес вынутого грунта приблизительно равнялся весу здания.
 Предварительный расчет раздельного или сплошного фундамента на илистом грунте со значением N более 10 можно основывать на предположении, что поведение пластичных илов аналогично поведению глины, тогда как поведение каменной муки аналогично поведению песка. Сравнительно редко мощные пласты ила имеют значение N более 10. Поэтому опыт строительства фундаментов на таких грунтах не очень велик и нельзя с уверенностью рекомендовать какие-либо простые приемы проектирования. Действительно, предположение, что илистый грунт ведет себя либо как глина, либо как песок, является чрезмерным упрощением, так как большинство илов обладает значительным внутренним трением и известной связностью. Попытки определить сцепление с помощью испытаний на одноосное сжатие образцов грунта могут дать преувеличенные результаты, так как капиллярное давление в образцах оказывает воздействие, аналогичное действию ограничивающего давления. Поэтому результаты испытаний в этих условиях обычно показывают, что грунт обладает значительным сцеплением. Более точные данные о характерных свойствах грунтов можно получить при исследовании образцов, полностью погруженных в воду. Если их прочность значительно ниже прочности образцов, исследованных на воздухе, то можно с уверенностью сказать, что большая часть прочности ила создается внутренним трением.
 При этих обстоятельствах надежные значения величины внутреннего трения и сцепления для расчета можно получить только из опытов на трехосное сжатие. Проведение таких испытаний требует большого опыта, и результаты их могут быть успешно оценены только опытным специалистом. В связи с этим проектирование крупных фундаментов на илистом грунте нельзя считать обычным делом и к нему нужно привлекать высококвалифицированных инженеров.
 17
 259

§ 16.3. СВАИ В ИЛИСТОМ ГРУНТЕ
 Сваи применяются для передачи нагрузок с мягких илистых отложений на нижележащие более плотные грунты. Сваи трения часто забиваюг в мягкий илистый грунт на большую глубину. Положения, которыми руководствуются при забивке свай в илистый грунт, за некоторыми исключениями, аналогичны положениям, применяемым при забивке свай в мягкую глину.
 Когда сваи забиваются в мягкую глину, то непосредственно в процессе забивки наблюдается уменьшение бокового трения по поверхности сваи и последующее постепенное повышение его по окончании забивки. После забивки свай в некоторые виды илов или илистых грунтов понижение несущей способности ила продолжается в течение нескольких дней. После этого прочность может возрасти. Во многих водонасыщенных илах забивка свай временно разжижает грунт на значительную глубину, но в течение нескольких дней или недель несущая способность ила в значительной степени восстанавливается. Поэтому несущую способность отдельной сваи, забитой полностью в илистый грунт, можно определить только на основе испытаний пробной нагрузкой. Эти испытания должны проводиться несколько раз через различные промежутки времени после забивки свай. Таким образом можно установить изменение несущей способности во времени.
 Предельная несущая способность и осадка куста из свай трения в илистых грунтах может быть установлена теми же методами, которые применяются для свай в мягкой глине. Несущая способность такого куста зависит в значительной степени от его периметра и ее нельзя существенно увеличить забивкой дополнительных свай в пределах данного куста. Точно также при постоянной нагрузке на одиночную сваю осадка куста возрастает с увеличением числа свай в кусте.
 В связи с указанным не представляется возможным рекомендовать применение динамических формул для определения несущей способности свай в илистых грунтах.
 § 16.4. ОПОРЫ В ИЛИСТОМ ГРУНТЕ
 Разработка илов при устройстве опор обычно сопряжена со значительными затруднениями, особенно, если мягкий илистый грунт залегает ниже уровня грунтовых вод. Трудности в производстве земляных работ возрастают с уменьшением пластичности грунта.
 Некоторые непластичные илы настолько неустойчивы, когда находятся ниже уровня грунтовых вод, что текут в выработки, наподобие вязкой жидкости, и требуют плотного крепления стенок шахт и котлованов.
 260

Выемка грунта ниже уровня грунтовых вод открытым способом в пластичных илистых грунтах связана с гораздо меньшими трудностями, но может привести к заметному выпуску грунта в котлован и к осадке прилегающей поверхности земли благодаря осушению ила и связанной с этим консолидации.
 § 16.5. РАЗДЕЛЬНЫЕ И СПЛОШНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ НА ЛЕССАХ
 Полученные при обычных испытаниях на пенетрацию значения N оказываются недостаточно надежными показателями для характеристики лессов и не могут служить основой для расчета. Значения N для типичных лессовых грунтов колеблются от 4 до 20. Несущая способность грунта в действительности, по-видимому, больше несущей способности, обусловленной значениями N, в связи с тем, что однородная консистенция и высокая пористость лессов облегчают проникновение грунтоноса при пенетрации.
 Стандартные испытания на пенетрацию могут оказаться полезными при установлении однородности грунта в вертикальном и горизонтальном направлениях. После того как в основании сооружения проведена разведка бурением и испытанием на пенетрацию, рекомендуется провести испытания пробной нагрузкой для определения допускаемого давления на грунт. Если окажется, что грунт однороден, то достаточно 3—4 испытаний пробной нагрузкой для сооружений обычных размеров. Если грунты неоднородны, то нужно выполнить несколько испытаний в тех местах, где при испытаниях на пенетрацию было сделано максимальное, среднее и минимальное число ударов N.
 Испытания пробной нагрузкой следует проводить в шурфе с размерами в плане не менее 1,2X1,2 м при размерах штампа 0,3X 0,3 м. При испытаниях следует учитывать, что вокруг площади, на которой производятся испытания пробной нагрузкой, не следует помещать никакой пригрузки. Нагрузку на штамп можно увеличивать до. наступления разрушения основания или до тех пор, пока давление под штампом будет по крайней мере в 3 раза больше, чем расчетное давление под отдельным или сплошным фундаментом. На основе данных испытаний вычерчивается кривая зависимости осадки от нагрузки.
 Если на этой кривой имеется точка, начиная с которой осадка начинает быстро возрастать при малом приращении нагрузки, то допускаемое давление на грунт не должно превышать 7з нагрузки, соответствующей данной точке. Более того, в любом случае допускаемое давление,на грунт не должно превышать г того значения, при котором осадка, испытываемая штампом, равна 12 мм.
 При использовании результатов испытаний пробной нагрузкой нужно с особой тщательностью удостовериться в том, что прочность грунта не снижается существенно в пределах глуби¬
 26J

ны, на которой напряжения от нагрузок сооружения значительны. Если имеет место такое снижение, то давление на любой глубине в пределах фундамента не должно превышать допускаемого давления на грунт на данной глубине, установленного испытаниями пробной нагрузкой.
 По завершении строительства фундамента на лессовых грунтах нужно принять предупредительные мероприятия, исключающие возможность замачивания лессов или подъема грунтовых вод.
 В целом ряде случаев основания небольших построек на лессах в полузасушливых районах претерпевали просадку вследствие насыщения грунта водой при осуществлении оросительных мероприятий. В других случаях допускалось скопление поверхностных или сточных вод под сооружениями, что также приводило к большим просадкам грунта.
 § 16.6. СВАИ И ОПОРЫ В ЛЕССАХ
 Если несущая способность лессовых грунтов недостаточна, или если лессы отличаются неоднородностью своих характеристик, то сооружения лучше возводить на свайных фундаментах. Если мощность лессовых отложений сравнительно невелика, то сваи можно забить через них в подстилающий грунт, обладающий достаточной несущей способностью. Если сваи забиваются в мощный слой лесса, то они будут работать, как сваи трения1. Иногда забивка свай в лессы не вызывает затруднений, так как объем, занятый порами, наполненными воздухом, легко сокращается. Однако необходимую для забивки длину свай можно надежно определить только путем испытаний пробной нагрузкой. При этом надо указать, что конические сваи обладают большей несущей способностью по сравнению со сваями других типов.
 В некоторых случаях, когда несущая способность верхних слоев грунта недостаточна, фундамент осуществляется в виде отдельных опор, проходящих через лессы и передающих нагрузку от сооружения на нижележащие более плотные отложения. Выемку в плотном грунте можно производить при вертикальных откосах котлованов с легким креплением.
 Необходимо предотвращать скопление поверхностных вод на дне котлована в связи с тем, что они могут вызвать ослабление сцепления и привести к дополнительным трудностям при производстве работ.
 1 Опыт строительства на лессовых грунтах -в СССР показывает, что при замачивании просадочных грунтов ниже висячих свай наблюдаются такие же просадки, как и в случае обычного фундамента на такой .же глубине. (Ред.).

Глава 17
 ФУНДАМЕНТЫ НА НЕОДНОРОДНОМ ГРУНТЕ
 Рис. 17. 1. Башня Латинской Америки, г. Мексико-Сити (1952) Под подвальное помещение 43-этажного здания (самого лы сокого в Мексико-Сити) был вы рыт котлован глубиной 13 м. Со оружение опирается на набивные сваи с уширенными концами глубиной 33 м. Сваи доходят до тонкого, но очень плотного песчаного пласта, расположенного между отложениями сильно сжимаемой озерной глины. Чтобы избежать при рытье котлована чрезмерного выпучивания (типичного для грунтов в этом районе), гидростати ческое давление в подстилающей глине было сильно снижено откачкой воды из колодцев, прорезающих песчаные прослойки. Для предотвращения осадки окружающей площади, горизонт грунтовых вод снаружи шпунта поддерживался постоянным путем подачи воды через гравийные желоба и инъекционные колодцы. Строительство было успешно завершено без ущерба для прилегающих строений.

§ 17.1. ВВЕДЕНИЕ
 В предыдущих главах части III мы исходили из допущения, что основание либо относительно однородно на большую глубину, либо однородно до глубины, на которой встречается гораздо более плотный грунт.
 В действительности такие условия настолько нереальны, что их можно считать чрезвычайно редкими исключениями. Поэтому методы, описанные'в предыдущих главах, могут быть применены непосредственно лишь в частных случаях. Однако при некотором видоизменении их можно использовать также и при решении вопросов о поведении фундаментов на неоднородных грунтах.
 В большинстве случаев основание состоит из отдельных пластов и более или менее линзообразных прослоек. Некоторые из слоев могут быть почти несжимаемыми и обладать большой прочностью, другие — относительно слабыми и сжимаемыми. На основании предварительных данных, в частности, данных разведочного бурения, стандартного испытания на пенетрацию и простых лабораторных опытов можно сразу установить, являются ли отдельные слои основания настолько прочными и несжимаемыми, чтобы их использование не вызывало никаких сомнений. Тогда внимание может быть сосредоточено на тех элементах отложения, которые являются более слабыми и сжимаемыми.
 Основная задача проектировщика, прежде чем он сможет выбрать надлежащий тип фундамента, состоит в том, чтобы оценить роль этих более слабых элементов. Это можно сделать, рассчитав напряжения в указанных грунтах, при допущении, что основание является однородным и упругим. Зная по результатам разведки физические свойства этих грунтов, можно установить их способность сопротивляться возникающим напряжениям, не разрушаясь и не давая чрезмерных осадок.
 Результаты этих исследований обычно бывают достаточными для выбора наиболее целесообразного типа фундамента. Лишь в некоторых случаях могут потребоваться более тщательные исследования и испытания грунтов, чтобы получить возможность рационального решения этого вопроса.
 Расчет напряжений можно выполнить с помощью графика Ньюмарка или для обычно встречающихся условий каким-либо упрощенным методом. Хотя при построении графика Ньюмарка предполагалось, что грунт однороден, ошибки в величинах напряжений, вызванные наличием напластования и различных неоднородностей, оказываются не столь большими, чтобы нельзя
 264

было использовать этот метод при оценке возможного поведения грунта.
 Ниже рассмотрены наиболее важные виды неоднородных грунтов.
 § 17.2. МЯГКИЕ ИЛИ РЫХЛЫЕ ПЛАСТЫ НА ПЛОТНОМ ГРУНТЕ
 Если верхняя часть отложения состоит из мягкого или рыхлого грунта, то его неудовлетворительные свойства как основания почти очевидны, и прежде всего надлежит рассмотреть вопрос о возможности применения обычных раздельных фундаментов. Этот вопрос можно решить, определив безопасную нагрузку на верхние слои грунта при допущении, что они залегают на больщую глубину, и вычислив осадку, которая возникнет при обжатии: мягких слоев. Если расчетная безопасная нагрузка слишком мала или расчетная осадка слишком велика, то возможность применения фундамента обычного типа исключается. Тогда следует рассмотреть целесообразность применения свайного фундамента или опор. Другая возможность уменьшения чрезмерной интенсивности избыточной нагрузки на слабый грунт заключается в устройстве заглубленного сплошного фундамента.
 Если выбран свайный фундамент или опоры, их несущую способность и вероятное поведение можно установить на основе указаний, изложенных в гл. 14, 15 и 16.
 § 17.3. ПЛОТНЫЙ ИЛИ ЖЕСТКИЙ ГРУНТ, ПОДСТИЛАЕМЫЙ мягким ГРУНТОМ
 Выбор типа фундамента. Влияние мягких грунтов, залегающих на достаточно большой глубине под плотными грунтами,, не так очевидно, как в тех случаях, когда они залегают на небольшой глубине. Если толщина слоя плотного грунта невелика, то раздельный или сплошной фундамент может быть продавлен в подстилающий мягкий грунт. Практика знает целый ряд случаев разрушений этого типа. Даже тогда, когда толщина вышележащего слоя достаточна, чтобы исключить возможность подобного продавливания, осадка сооружения в результате консолидации мягкого грунта может быть недопустимо большой.
 Коэффициент запаса против продавливания верхней плотной корки может быть с достаточной осторожностью установлен путем определения давления на поверхность мягкого грунта. Максимальное давление не должно превышать безопасного, определенного методами, описаиными в предыдущих главах.
 Если раздельные фундаменты находятся на большом расстоянии друг от друга, то давление на поверхность мягкого пласта можно до некоторой степени уменьшить путем увеличения размеров фундаментов. Если же фундаменты находятся друг от друга достаточно близко, то распределение давления по поверхности
 2в5

мягкого грунта может остаться практически не зависящим от давления по подошве самих фундаментов. Если давление не может быть снижено до безопасной для мягких грунтов величины, то следует применить свайные фундаменты или опоры, либо компенсировать часть веса сооружения глубокой выемкой грунта.
 Даже в том случае, если безопасная нагрузка на слабый грунт под слоем плотного грунта не превышена, то осадка фундамента может оказаться недопустимой. Расчет осадки можно сделать по методу, изложенному выше для ограниченных пластов глины.
 Если же осадка не очень значительна, то фундамент можно рассчитать так, как если бы слабого грунта совсем не было, пользуясь ранее приведенными указаниями по проектированию фундаментов на плотных грунтах.
 Недостатки испытаний пробной нагрузкой. Испытания пробной нагрузкой являются очень распространенным средством определения допускаемого давления на грунт. В предыдущих главах были изложены условия, при которых целесообразно применение этого метода. Однако этот метод может оказаться опасным и дезориентирующим; если будет испытываться плотный грунт, под которым залегает более мягкий. Причина этого иллюстрируется рис. 17.2. Здесь А означает штамп площадью в 0,1 м2 и В фундамент площадью 9 м2. Они опираются на слой жесткой глины толщиной в 0,9 м. Жесткая глина залегает на мощном слое мягкой глины с прочностью на одноосное сжатие в 0,3 кгсм2 и коэффициентам компрессии, равным 0,27. Прочность на одноосное сжатие жесткой глины равна 2 кгсм2, и она может считаться практически несжимаемой. Разрушающая нагрузка для штампа в случае, если вся поверхность скольжения располагается в пределах слоя жесткой глины, приблизительно равна 7,4 кгсм2. Даже при такой нагрузке на штамп максимальное давление на поверхность мягкого грунта составит только 0,37 кгсм2, что значительно меньше несущей способности этого грунта. Следовательно, наличие слабого грунта не вызовет разрушения грунта под штампом.
 Нагрузку, которую фундамент может безопасно воспринять, определяют следующим образом. Периметр фундамента состав¬
 Рис. 17. 2. Затухание давлений под штампом размером 0,3X0,3 м и фундаментом размером 3x3 м (оба покоятся на тонком слое жесткой глины, подстилаемом пластом мягкой глины)
 1 — штамп 0,3X0,3 м 2 — фундамент 3x3 л;
 3 — жесткая глина Цц-2 кгсм- 4 — мягкая глина 7и0,3 кгсм1) £70,27
 266

ляет 12 м и толщина слоя жесткой глины 0,9 м. Если бы фундамент продавил верхний слой плотного грунта, то при этом необходимо было бы преодолеть сопротивление сдвигу, равное
 0,9-12-10108 т.
 Это соответствует удельному давлению по подошве в. 12 тм2 1,2 кгсм2. Кроме того, при этом была бы также превышена несущая способность мягкой глины под проседающим фундаментом. Она равна приблизительно 1,1 кгсм2. Таким образом, предельная несущая способность большого фундамента приближенно была бы не более, чем 2,3 кгсм2, т. е. гораздо меньше предельной несущей способности штампа.
 В отношении осадки расхождение еще более разительно. При давлении на грунт в 1 кгсм2 напряжение на поверхности мягкого грунта под штампом равно приблизительно 0,05 кгсм2, и осадка подстилающей мягкой глины практически равна нулю. С другой стороны, напряжение на поверхности мягкого грунта под серединой большого фундамента равно приблизительно 0,88 кгсм2. Оно уменьшается с глубиной так, как это показано на рисунке. Соответствующая осадка составляет около 25 см,
 Таким образом, осадка сооружения можёт быть чрезмерной даже в том случае, если при испытаниях пробной нагрузкой при том же самом давлении на грунт, что и под сооружением, осадка практически не происходит.
 Известно несколько аварий и много случаев чрезмерной осадки в результате назначения допускаемого давления на грунт, исходя из данных испытаний пробной нагрузкой относительно гонкого жесткого поверхностного слоя грунта. Поэтому, прежде чем будет установлена возможность применения метода пробной нагрузки, важно исследовать, уменьшается ли прочность грунта с глубиной. Если она уменьшается, то следует проводить испытания пробной нагрузкой на отметках, где залегают наиболее мягкие грунты. Вообще же безопасную нагрузку на глинистый грунт лучше определять с помощью испытаний на одноосное сжатие.
 § 17.3,а. ПРИМЕР РАСЧЕТА ФУНДАМЕНТА НА ПЕСКЕ, ПОДСТИЛАЕМОМ СЛОЕМ ГЛИНЫ
 В примере определяются размеры раздельного фундамента исходя из свойств песка, находящегося непосредственно под его подошвой, и иллюстрируется метод предсказания осадки в результате консолидации глины, подстилающей песок.
 Расчеты в основном аналогичны примерам 14.1,а и 15.6,а. Поэтому нет необходимости подробно объяснять вычисления. Однако следует отметить, что для вычисления изменения давления в средней части глинистого слоя потребуется чертить на кальке две схемы фундамента, так как грунт будет удален со всей площади здания, между тем как фундаменты будут передавать нагрузку на грунт на шести отдельных участках.
 267

. Исходные данные.
 1. План фундаментов и разрез сооружения приведены на рис. 17.3.
 2. Нагрузки, действующие на фундаменты средних колонн:
 постоянная нормальная временная 110 7 постоянная максимальная временная 150 т То же, угловых колонн: постоянная нормальная временная 75 т постояннаямаксимальная временная 100 т
 3. Постоянное давление от на-
 • 25101
 Скала
 Рис. 17. 3.
 грузки на пол подвала 0,02 кгсм2.
 4. Геотехнические характеристики грунтов:
 а) ил 7 1,44 тле3;
 б) песок 7 1,92 гл3; Лср 20;
 в) глина 7 1,84 тмг qu— 0,5 кгсм, Lw 44, Pw 22, Сс 0,31, w37, 01.
 II. Расчет
 1. Для средних фундаментов 150: 110 1,37 1,5.
 2. Для угловых фундаментов 100: 75 1.34 1,5.
 Следовательно, если для обоих случаев коэффициент запаса равен 3 при минимальном по величине сочетании нагрузок, то он будет больше 2 для случая максимального сочетания нагрузок. Соответственно площадь средних фундаментов рассчитываем по нагрузке 110 т, а угловых — по нагрузке 75 т.
 Определение площадей фундамента
 А. Средние фундаменты
 Нагрузка 110 т. Принимаем допускаемое давление на грунт
 2 кгсм2.
 Площадь фундамента равна
 110:20 тм2 5,5 м2.
 Задаемся размерами в плане 2,4. 2,4 5,8 м2, высотой 0,6 м. Расчетное давление равно
 110 : 5,8 19 тм2 1,9 кгсм2.
 Дополнительное давление (за вычетом пригрузки)
 0,6 . (2,4 — 1,92) 0,3 тл€2 0,03 кгсм2.
 Суммарное давление
 1,90,03 1,93 кгсм2.
 По рис. 14.5 находим давление на грунт, равное 2 кгсм2.
 268

По рис. 14.4 безопасное давление равно
 1,3 0,8 2,1 кгсм2-
 Окончательно принимаем размеры средних фундаментов:
 2,4 • 2,4 5,8 м2.
 Б. Угловые фундаменты Нагрузка 75 т.
 Площадь фундамента равна
 75 : 19,3 3,9 ж2.
 Задаемся размерами фундамента в плане 2-2 4 м2 и высотой 06 м. Расчетное давление равно
 75 : 4 18,8 гж2 - 1,88 кгсм2.
 Дополнительное давление с учетом пригрузки равно 0,03 кгсм2. Суммарное давление равно
 1,88 0,31,91 кгсм2.
 По рис. 14.5 находим давление на грунт, равное 2,05 кгсм2.
 По рис. 14.4 безопасное давление равно
 1,1 0,88 1,98 кгсм2.
 Окончательно размеры фундамента в плане принимаем 2 2 4 ж2.
 Определение осадки сооружения
 Значение ро посередине толщины пласта глины (А31,5):
 1,5.1,44 2,2 тм
 4.5-1,92 8,6 .
 1. (1,92-1) 0,9 .
 1.5- (1,84—1) 1,3 .
 13 тм2 1,3 кгсм2 Давление от замещенного грунта в объеме подвального этажа:
 1,5-1,44 тм9 2,2 тм2 Л ОГк
 0,5.1,92 « 1 . 3’2 mlM О’32 кфм
 Давление от собственного веса плиты подвала 0,04 кгсм2
 Давление от нагрузки на пол . 0,02
 0,06 кгсм2
 Давление от разгрузки нетто:
 0,32—0,06 0,26 кгсм2
 Давление нетто по подошве каждого фундамента в среднем:
 1,931,91 , _ , Л
 1,92 кгсм2
 и есть то давление, которое мы будем принимать при расчете осадки.
 Вычерчиваем на кальке в требуемом, согласно графику 15.9, масштабе план котлована и, пользуясь этим графиком, находим, что уменьшение напряжений на поверхности пласта глины, вызванное удалением грунта из котлована, равно:
 для середины среднего фундамента:
 69 квадратов • 0,26 • 0,005 0,09 кгсм2 для середины среднего углового фундамента:
 41 квадрат • 0,26 • 0,005 0,05 кгсм2-
 269

Вычерчиваем на кальке план фундаментов в требуемом масштабе и по графику 15.9 находим прирашение напряжения на поверхности глинистого пласта. Так как давление по подошве углового и среднего фундаментов различно, для упрощения принимаем в среднем
 1,931,91
 1,92 кгсм.
 Давление на глину под серединой среднею фундамента:
 26 квадратов • 1,92 • 0,005 0,25 кгсм2.
 Давление на глину под серединой (углового фундамента:
 18,3 квадрата • 1,92 • 0,005 0,18 кгсм2.
 За -вычетом давления от замещенного грунта получим соответствующие давления нетто:
 0,25—0,09 0,16 кгсм2 для среднего;
 0,18—0,05 0,13 кгсм2 для углового фундаментов.
 Осадки определяются по формуле (15.11).
 Средний фундамент: т
 300 _ 1,30,16
 Гн М1'«—Пз—2’3“-
 Угловой фундамент:
 300 Л 01 , 1,30,13 п -—- 0,31 lg——— 2 см. 11 5 1,3
 § 17.4. ПЕРЕМЕЖАЮЩИЕСЯ СЛОИ МЯГКОГО И ЖЕСТКОГО ГРУНТОВ
 Если основание содержит ряд слабых слоев, то расчеты несущей способности и осадок выполняются для каждого слоя. Если нельзя осуществить фундамент мелкого заложения, то можно применить сваи или опоры для того, чтобы передать нагрузку на один из слоев твердого грунта, обладающий надлежащей несущей способностью. Эту глубину можно определить на основе расчета. Сваи или опоры, а также типы свай, выбираются из условий погружения. Редко представляется возможным to4iho предсказать глубину, на которую удается забить сваи в такой грунт, и определение этой глубины нужно рассматривать лишь как предварительное, пока не будет произведена пробная забивка.
 Следует также рассмотреть вариант сплошного фундамента с вытеснением грунта.
 § 17.5. НЕВЫДЕРЖАННЫЕ ОТЛОЖЕНИЯ
 Если в подстилающем грунте залегает большое число линз и выклинивающихся слоев, то лишь в редких случаях можно точно определить несущую способность или осадку. В подобных уело-
 270

виях рекомендуется определить общий характер грунта при помощи многочисленных глубоких зондировок, дополненных небольшим числом скважин и испытанием грунтов. Это позволит составить представление о размерах и распределении отдельных участков мягких грунтов и получить возможность судить о наиболее неблагоприятных сочетаниях элементов отложения. Определение осадки должно быть основано на допущении, что самые неблагоприятные грунтовые условия имеют место на. тех участках основания, где возникают наибольшие напряжения.

Глава 18
 ДЕФОРМАЦИИ ОСНОВАНИЙ, ВЫЗВАННЫЕ ПРОИЗВОДСТВОМ РАБОТ
 Рис. 18.1. Повреждение здания в результате возведения около него нового сооружения Начальная осадка двухэтажного здания произошла в результате уплотнения пласта сильно сжимаемой глины отчасти под действием веса здания справа, отчасти в связи с общим понижением уровня грунтовых вод. Однако серьезной неравномерной осадки не происходило до тех пор, пока слева не было построено здание со стальным каркасом. Свайный фундамент последнего приостановил нормальную осадку примыкающей части двухэтажного здания и из-за большой неравномерности осадок вызвал разрушительные деформации. Такие катастрофические повреждения редки в Мексико-Сити, где снята эта фотография, но меньшие по размерам деформации встречаются часто.

§ 18.1. ОСАДКИ, ПРОИСХОДЯЩИЕ ВСЛЕДСТВИЕ ВЫЕМКИ ГРУНТА
 Введение. Всякие земляные работы связаны с изменением напряженного состояния грунта. Эти изменения неизбежно сопровождаются деформациями. Они проявляются в виде оседания поверхности грунта, окружающего котлован, в смещении грунта в откосах внутрь котлована и в выпирании дна котлована вверх. Сооружения, расположенные на соседних площадках, испытывают соответствующие подвижки. Обычно они дают дополнительную осадку и смещения в сторону котлована.
 Поскольку никакие земляные работы нельзя произвести без изменения напряженного состояния грунта, то некоторые деформации окружающего грунта следует рассматривать как неизбежные. Однако к неизбежным деформациям, присущим данному методу производства работ, могут добавиться также деформации, возникающие как результат плохого качества работ. Если, например, крепление котлована произведено небрежно, то могут произойти большие смещения грунта. Деформации, связанные с плохим качеством работ, нельзя рассматривать как неизбежные, и их возникновение следует предотвращать.
 Чтобы избежать опасности повреждения соседних сооружений строитель должен быть хорошо знаком с различными методами производства земляных работ и способами крепления котлованов. На каждом отдельном объекте он должен вести необходимые наблюдения, чтобы вовремя установить, не выходят ли возникающие деформации за пределы неизбежных и допустимых и принять меры к предотвращению опасных смещений.
 Выемки в песчаных грунтах. Песчаный грунт, лежащий выше уровня грунтовых вод, часто капиллярно увлажнен и обладает достаточной связностью, при которой рытье котлована не вызывает трудностей.
 При хорошо укрепленных откосах даже крупных котлованов осадка прилегающей поверхности грунта часто не превышает 0,5 от глубины котлована и не распространяется за пределы котлована далее, чем на расстояние, равное его глубине.
 Когда в песке отрываются большие котлованы ниже уровня грунтовых вод, то рекомендуется попытаться понизить уровень грунтовых вод перед началом строительства. После того как уровень грунтовых вод будет понижен, можно будет производить разработку выемки далее, не опасаясь осадки больше той, которая возникла бы в подобной выемке во влажном песке. Однако сам процесс понижения уровня грунтовых вод может привести
 18 Зак. 1274
 273

при некоторых условиях к осадке грунта. Эти случаи описаны ниже.
 Опоры часто строят в песчаном грунте ниже уровня грунтовых вод методом опускных колодцев с вычерпыванием грунта изнутри. Если уровень воды внутри колодца снижается ниже уровня, соответствующего внешнему давлению у ножа, то песок может начать заплывать в колодец. Объем вынутого грунта может быть в несколько раз большим, чем объем самого колодца. Эти явления приводят к осадкам площади, прилегающей к выемке. Во многих случаях осадки можно избежать поддержанием уровня воды внутри колодца на более высокой отметке, чем вне его. Если вычерпывание грунта из колодца по указанной выше причине нельзя производить, то может оказаться необходимым уравновесить направленное внутрь колодца давление воды при помощи сжатого воздуха, превратив колодец в кессон.
 Земляные работы в глинистом грунте. Когда производится разработка больших котлованов в мягкой глине, то вес грунта, окружающего котлован, действует как пригрузка на грунт на отметке дна котлована. В подстилающем грунте возникают горизонтальные силы аналогично тому, как в основаниях устоев и подпорных стенок под воздействием веса насыпи. Если глубина котлована настолько велика, что несущая способность грунта под его откосами приближается к предельной, то неизбежны большие деформации независимо от тщательности выполнения крепления откосов котлована.
 Если под дном котлована на небольшой глубине лежит твердый грунг, то это значительно уменьшает опасность выпирания дна котлована. Деформации можно также уменьшить забивкой свай по периметру котлована, пока они прочно не войдут в подстилающий твердый грунт. По мере углубления котлована эти сваи укрепляются распорками.
 Наблюдения показали, что объем мягкой глины, которая перемещается внутрь котлована в откосах, плюс объем грунта, вытесняемый вверх за счет выпора дна котлована, равен объему, соответствующему просадке грунта, окружающего котлован. Поэтому любые мероприятия для предотвращения горизонтальных деформаций или выпирания обусловят сокращение осадки поверхности. В связи с этим рекомендуется всегда обеспечивать достаточно надежное крепление откосов котлована и устанавливать крепление как можно быстрее по мере его углубления.
 Разработка открытых шахт или опускание колодцев в глинистом грунте также связаны с потерями грунта. Грунт под дном котлована на любой стадии работ выпирается вверх.
 Если откосы остаются неукрепленными даже в течение непродолжительного времени, то будут иметь место и горизонтальные деформации. Такие перемещения грунта могут не вызвать значительной осадки вокруг отдельного колодца, но общая осадка вследствие опускания нескольких колодцев на неболь¬
 274

шом участке может достигнуть нескольких десятков сантиметров.
 Неизбежную осадку можно сократить, выбрав такой метод производства работ, который обусловливает малые потери грунта. К числу таких методов можно отнести производство работ с применением шпунтовых свай, а также цилиндрических оболочек. Если деформации все же продолжают оставаться слишком большими, то шахту можно наполнить тяжелым глинистым раствором и дальнейшую разработку производить с помощью механического бурения. Еще большего снижения деформаций можно достигнуть с помощью сжатого воздуха, правда, с большими затратами. За последние годы стала экономичной забивка тяжелых стальных труб большого диаметра с удалением грунта черпанием или размывом и промывкой подобно тому, как это осуществляется при гидравлическом бурении, или, наконец, с помощью выброса сжатым воздухом.
 Земляные работы в слоистых напластованиях. На отдельных участках под глиной или другими водонепроницаемыми грунтами часто залегают проницаемые илы, пески или гравий. Выемку грунта в открытых шахтах в таких случаях можно осуществить с большим трудом. Если поры в подстилающем грунте заполнены водой или газом, испытывающими давление, то грунт будет стремиться прорваться в колодец и заполнить, по крайней мере, его нижнюю часть. При этом глинистый грунт может оказаться прорванным вследствие того, что подстилающий песок уйдет в колодец. Это в свою очередь может вызвать осадку грунта даже на значительном расстоянии от места производства земляных работ.
 § 18.2. ОСАДКА, ВОЗНИКАЮЩАЯ ВСЛЕДСТВИЕ ВИБРАЦИИ
 Вибрация оказывает относительно небольшое воздействие на связные грунты, но она может значительно увеличить относительную плотность несвязных грунтов. Капиллярная влага, содержащаяся во многих песках над уровнем грунтовых вод, обеспечивает связность, достаточную для того, чтобы избежать изменения структуры грунта. Однако относительно сухие пески, а также пески, залегающие ниже уровня грунтовых вод, легко уплотняются. Вибрационные воздействия могут привести к существенной просадке поверхности.
 Основными источниками вибрации является забивка свай, а также взрывные работы. Так как оба эти метода применяются обычно для уплотнения рыхлых песков, то, очевидно, они могут создавать просадку поверхности соседних участков.
 На одной стройке было забито около ста свай на глубину 15 ж в рыхлый песок и гравий. Осадка поверхности грунта в пределах площади, занятой сваями, достигала 15 см. Она уменьшалась до 3 мм на расстоянии 15 м. Если при забивке свай в такие
 18
 275

пески возникают опасения в отношении возможности повреждения прилегающих зданий, то может оказаться необходимым перейти -на другой тип фундамента.
 § 18.3. ОСАДКА ВСЛЕДСТВИЕ ПОНИЖЕНИЯ УРОВНЯ ГРУНТОВЫХ ВОД
 Причины осадки. В тех случаях, когда- уровень грунтовых вод понижается, объемный вес грунта, находящегося между первоначальной и сниженной отметками уровня, возрастает от значения веса грунта, взвешенного в воде, до значения, соответствующего весу влажного или насыщенного водою грунта. Это вызывает соответствующее увеличение давления между зернами всего грунта ниже первоначального уровня грунтовых вод. Увеличение напряжений вызывает соответствующие деформации. Осадка поверхности при этом приблизительно пропорциональна понижению уровня грунтовых вод.
 Влияние понижения уровня грунтовых вод в песчаном грунте. Повышение межчастичного давления в массе песка обычно не дает существенной осадки, так как даже рыхлый песок относительно несжимаем. Только в тех случаях, когда песок чрезвычайно рыхлый, так что его структура действительно может нарушиться, понижение уровня грунтовых вод может привести к значительным осадкам. Следует указать, что колебания уровня грунтовых вод могут в конце концов вызвать большие осадки, так как деформации песка заметно увеличиваются с каждым приложением нагрузки. При обычных условиях производства работ уровень грунтовых вод обычно понижается только 1 — 2 раза, и соответствующая осадка незначительна.
 Если на дне осушенной выемки или вблизи нее возникают грифоны, то в некоторых случаях это может повести к большим осадкам песчаного грунта поблизости.
 Вода, притекающая к грифонам из окружающего песка, может постепенно выносить частицы грунта, образуя под слегка связным слоем песка значительные пустоты. Когда последние становятся достаточно большими, своды над ними обрушиваются, и поверхность грунта проседает. Просадка может принять форму воронок, находящихся на значительном расстоянии от откосов котлована.
 Влияние понижения уровня грунтовых вод на глинистый грунт. Понижение уровня грунтовых вод в глинистом грунте или над ним значительно повышает межчастичное давление в скелете грунта так же, как это имеет место в песке. Более того, вследствие высокой сжимаемости глины, а также и различных органических грунтов, возникающие при этом осадки, могут быть очень большими. Однако процесс уплотнения, вызванный понижением уровня грунтовых вод, может потребовать значительного периода времени, прежде чем произойдет осадка значитель¬
 276

ной величины. Это время зависит, главным образом, от проницаемости грунта. Осадка торфов и органических илов может произойти очень быстро и достигнуть нескольких десятков сантиметров. Осадка менее проницаемых грунтов в течение относительно короткого периода строительства может быть не очень большой. Скорость осадки и ее величина могут быть определены в соответствии с указаниями, изложенными в § 2.4 и 2.8.
 Если под сжимаемым пластом лежит песчаный грунт, то понижение уровня грунтовых вод в котловане распространяется на большое расстояние от выемки. Поэтому осадки вышележащего грунта могут возникать довольно далеко от места строительства и вызывать серьезные повреждения сооружений. Во время строительства ряда шлюзов в Голландии понижение уровня грунтовых вод на глубину 6,4 м в грунте, состоящем из 6-метрового слоя глины и торфа, подстилаемого песком, вызвало ощутимую осадку на расстоянии даже 750 м. При этом на расстоянии 40 м от сооружения осадка достигала 60 см.
 § 18.4. ДЕФОРМАЦИИ ГРУНТА ОТ ЗАБИВКИ СВАИ
 Если сзаи забиваются в рыхлый несвязный грунт, то его поверхность может испытать осадку, несмотря на то, что объем свай может составлять существенную долю объема грунта, в который забиваются сваи. У большинства других грунтов забивка свай, по-видимому, приводит к вытеснению объема грунта, равного или несколько меньшего, чем объем свай. Если забивается несколько свай для фундамента, в особенности, если они располагаются достаточно близко друг от друга, то поверхность земли может выпучиться в некоторых случаях до 1 м. Это выпучивание может распространиться на значительное расстояние от границ куста свай. Сооружения, находящиеся в пределах этого расстояния, также испытывают выпучивание.
 В некоторых случаях, особенно, когда грунт илистый, высокие напряжения, возникающие в массе грунта от забивки свай, вызывают быстрый и интенсивный процесс консолидации, после чего в течение нескольких дней за выпучиванием следует осадка грунта. В менее проницаемых грунтах, таких как глина, значительная часть выпучивания может сохраниться.
 Смещения, связанные с забивкой сваи, сопровождаются также горизонтальными деформациями. Здания вблизи забиваемых свай могут быть выведены из строя. В некоторых случаях смещение может быть очень значительным. Например, забивка большого числа свай позади набережной у реки с глубоким руслом может привести к горизонтальному смещению дока. В некоторых случаях такие смещения конструкций доков достигали 30 см и более.
 277

§ 18.6. ЗНАЧЕНИЕ ПОЛЕВЫХ НАБЛЮДЕНИЙ ДЛЯ КОНТРОЛЯ НАД ПРОИЗВОДСТВОМ РАБОТ
 Наблюдения за соседними сооружениями. До последнего времени неизбежность известной осадки или, наоборот, выпучивания грунта на площади, смежной с местом производства работ, не принималась во внимание. Как строители, так и проектировщики в равной степени не считались с возможностью влияния строительных работ на прилегающие здания. Были написаны многочисленные технические условия, требовавшие, чтобы земляные работы производились, не вызывая осадок окружающего грунта. Если от жильцов соседних зданий не поступали жалобы, то считалось, что требования этих технических условий выполнены. С другой стороны, если жалобы поступали, то возникали расхождения во мнениях относительно величины осадки и возникающего от нее ущерба.
 В последнее время проектировщики и строители ввели практику установки реперов не только в пределах своей территории, но и на сооружениях, принадлежащих соседям. По этим реперам производятся достаточно частые наблюдения, чтобы установить величину и направление деформации.
 Наблюдения с целью улучшения технологии лроизводства работ. Наблюдения за осадкой и горизонтальными деформациями служат еще для одной важной цели, особенно если они сочетаются «с тщательным описанием методов строительства, а именно, они показывают степень удовлетворительности принятой технологии земляных работ, конструкции крепления откосов котлована или методов забивки свай. Если осадка оказывается больше, чем при строительстве других таких же сооружений в аналогичных грунтовых условиях, то можно сделать вывод, что в данном случае работы производились не наилучшим способом. Можно сравнить различные способы производства работ и оценить их достоинства, исходя из влияния на характер осадок. Принимая методы, обеспечивающие уменьшение осадки и отклоняя те, которые приводят к ее возрастанию, можно сократить осадку до минимальной величины путем выбора соответствующих приемов производства работ.
 Во многих случаях измерение прогибов элементов крепления котлованов или измерение давления на эти элементы позволяло существенно сократить стоимость строительства наряду с уменьшением осадок. Поэтому систематические наблюдения такого типа почти всегда обеспечивают экономичные решения. Они имеют тем большее достоинство, что непредвиденным условиям, которые могут привести к разрушению котлованов или сооружения, всегда предшествует необъяснимое возрастание прогибов или давления, которые вовремя могут быть замечены.
 278

§ 186 ВЛИЯНИЕ МЕТОДОВ ПРОИЗВОДСТВА РАБОТ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ
 В предыдущих главах были изложены методы выбора различных типов фундаментов. Вообще фундамент считается вполне удовлетворительным, если он передает на основание давление, не превышающее безопасное и не вызывающее чрезмерную осадку. Однако может оказаться, что некоторые типы фундаментов, которые могут быть вполне приемлемыми с этих двух точек зрения, чрезвычайно трудно или даже невозможно построить в данных условиях. Более того, в некоторых случаях строительство этих фундаментов может привести к чрезмерной осадке окружающих зданий. Поэтому важным моментом является практическая осуществимость методов производства работ по сооружению каждого типа фундамента. Во многих случаях это обстоятельство является решающим фактором при окончательном выборе его типа.
 На выбор типа фундамента большое влияние может оказать и будущее строительство новых сооружений на прилегающей площадке. Например, вполне удовлетворительным фундаментом для какого-либо здания могут быть опоры, опущенные через мягкую глину до пласта очень жесткой глины, лежащей на водоносном пласте плотного песка, который в свою очередь лежит на скале. Тем не менее, если на прилегающем участке строится новое здание с подобным же фундаментом, то вполне вероятно, что песок может начать течь в выемку для вновь сооружаемых опор, что приведет к нарушению устойчивости пласта твердой глины под старым зданием.
 Следовательно, имея в виду возможность строительства нового здания, может оказаться более предпочтительным поставить первое здание на опоры, опущенные до скальной породы, даже при необходимости дополнительных расходов. Поэтому возможность ущерба, который может быть причинен данному сооружению будущим строительством на прилегающем участке, также может быть важным обстоятельством при окончательном выборе типа и конструкции фундамента.

ЧАСТЬ IV
 РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ФУНДАМЕНТОВ
 Заключительный этап в проектировании основания и фундаментов состоит в расчете и конструировании различных элементов самого фундамента.
 Большинство современных конструкций изготовляется из железобетона. При изложении части IV предполагается, что читатель хорошо знаком с сопротивлением материалов, статикой сооружений и железобетонными конструкциями. В этой части рассматриваются только такие вопросы, которые являются специфическими для проектирования фундаментов.
 Во многих случаях при оценке стоимости вариантов сооружения приходится прикидывать предварительные размеры фундаментов различных типов для возможности их окончательного выбора, и поэтому пользоваться материалами части IV ранее, чем части III.
 У проектировщика может создаться впечатление, что в проектировании оснований преобладают чисто эмпирические правила, тогда как расчет железобетонных конструкций имеет более удовлетворительную теоретическую базу. Однако более внимательное рассмотрение этого вопроса показывает, что современные методы проектирования железобетона сравнительно мало опираются на теорию и в значительной мере являются результатом лабораторных и натурных испытаний. Без отчетливого понимания этого факта проектировщик может уделять недостаточное внимание изучению характеристик грунтовых отложений на стройплощадке.
 Глава 19
 ЦЕНТРАЛЬНО НАГРУЖЕННЫЕ ФУНДАМЕНТЫ ПОД ОТДЕЛЬНЫЕ КОЛОННЫ И СТЕНЫ
 § 19.1. ОСНОВЫ РАСЧЕТА
 Расчет обычных центрально нагруженных фундаментов основывается на предположении, что давление по подошве распределяется равномерно. Имеется ряд косвенных доказательств
 280

удовлетворительности и достаточной надежности этого допущения. Вместе с тем, пока весьма мало или даже вообще отсутствуют заслуживающие доверия наблюдения за фактическим распределением напряжений по подошве.
 Правила расчета фундаментов, подобно правилам расчета других бетонных конструкций, первоначально были чисто эмпирическими. Современные методы возникли после обширной серии опытов, проведенных Тэлботом в 1913 г. Многие из этих данных до сих пор используются в действующих нормах Американского института бетонов. Основные изменения за это время учитывали только возросшую прочность бетона и арматурной стали.
 Первая обширная проверка работы бетонных фундаментов после Тэлбота была проведена Ричартом в Иллинойском университете в 1944 г. Полученные результаты уже позволили изменить некоторые из действующих правил проектирования и еще приведут к дальнейшим изменениям. Например, опыты показали, что сцепление между арматурой и бетоном можно существенно увеличить при применении стержней периодического профиля.
 § 19.2. КРИТИЧЕСКИЕ СЕЧЕНИЯ
 Расчет фундаментов, так же как и других железобетонных конструкций, должен учитывать несколько возможных схем их разрушения. Опыты показали, что разрушение фундаментов может наступать по одной из этих схем, когда прочность по другим еще далеко не исчерпана. В этих случаях при усилиях, меньших чем предельные, в фундаменте могут появляться деформации и трещины, исключающие его дальнейшую эксплуатацию. Тогда говорят о стадии первичного разрушения фундамента. Из-за взаимозависимости различных факторов причину первичного разрушения иногда бывает трудно определить.
 Если у подошвы фундамента было уложено недостаточное количество растянутой арматуры, то первичное разрушение происходит из-за чрезмерной деформации стержней. С другой стороны, если напряжения сцепления между арматурой и бетоном слишком велики, первичное разрушение происходит в виде нарушения сцепления между ними и сдвига стержней. В обоих этих случаях причиной окончательного разрушения являются обычно главные растягивающие напряжения. Однако эти напряжения могут быть непосредственной причиной и первичного разрушения.
 Если первичное разрушение квадратного фундамента колонны происходит в результате действия указанных напряжений, то при этом часть бетона, ограниченная поверхностя;ми, проходящими вниз примерно под углом 45° от граней колонны, отделяется от остальной внешней части бетона. Первоначальные трещины, которые в конце концов образуют поверхность откола, возникают на нижней стороне фундамента, когда напряжения
 281

в арматуре еще незначительны. По мере того как растет перерезывающая сила, трещины приобретают наклон под углом примерно 45° по направлению к краям колонны и фундамент разрушается от главных растягивающих напряжений прежде, чем среднее напряжение в растянутой арматуре достигает предела текучести. Если фундамент имеет форму прямоугольника, то вероятность разрушения путем образования наклонных трещин по всей ширине фундамента возрастает по мере увеличения отношения длины к ширине.
 Йз приведенного выше рассмотрения факторов, оказывающих влияние на прочность фундамента, можно заключить, что
 Рис. 19. 1. Критические сечения для расчета на изгиб, на главные растягивающие напряжения и на сцепление с арматурой в фундаментах под колонны
 а — в квадратных; б — в прямоугольных; de — критические сечения для главных растягивающих напряжений; ab и Jk — критические сечения для расчета на изгиб.
 при расчете следует учитывать возможность развития значительных напряжений от изгибающего момента и перерезывающих сил в определенных критических сечениях, где может начаться разрушение, обусловленное чрезмерными деформациями от продольных или главных растягивающих напряжений. Критическое сечение в последнем случае обычно располагается на расстоянии d от грани колонны, цоколя или стены, показанном на рис. 19.1. Следовательно, длина сечения равна двойной высоте фундамента плюс ширина колонны. Сум-марная перерезывающая сила, учитываемая при определении главных растягиваю-, •щих напряжений, является суммой сил по площади cdef на рис. 19.1,а или по площади cdefgh на рис. 19.1,6.
 Если конструкция, опирающаяся непосредственно на фундамент, железобетонная, то обычно принимается, что критическое сечение для расчета на изгиб проходит через фундамент у грани колонны, цоколя, или стены так, как это показано линиями ab и jk на рис. 19.1. Напряжения в бетоне и арматуре так же, как и напряжения по поверхности сцепления, определяются, исходя из
 282

сил и моментов, действующих в этом сечении. При фундаментах под стены из каменной кладки указанные напряжения обычно исследуются в сечении под стеной (как правило, выбирается сечение, отстоящее от грани стены на расстояние, равное lU ее ширины).
 Если нагрузка от колонны передается на фундамент через опорную плиту, то, учитывая гибкость плиты, целесообразно рассмотреть сечение посередине расстояния между краем плиты и гранью колонны.
 Вышеизложенные рассуждения о критических сечениях ясно показывают, что напряжения, определяемые при расчете фундаментов, являются лишь средними величинами, установленными по суммарным изгибающим моментам и перерезывающим силам, действующим на сечение значительной протяженности.
 Невозможно предсказать фактические напряжения в какомлибо месте сечения фундамента в условиях его действительной работы. Но, к счастью, фундаменты, как и другие статически неопределимые конструкции, имеют значительную способность перераспределять моменты и поперечные силы прежде, чем в сечениях, которые могут оказаться перенапряженными, происходит разрушение.
 § 193 РАЗМЕЩЕНИЕ АРМАТУРЫ
 В фундаментах стен стержни главной арматуры располагаются на одинаковых расстояниях друг от друга. Кроме того, желательно иметь некоторое количество добавочной продольной арматуры над более слабыми участками подстилающего грунта по длине фундамента. Для этой цели достаточно за редким исключением от 0,3 до 0,4 арматуры.
 Арматура в квадратных фундаментах обычно размещается параллельно сторонам квадрата. В каждом направлении стержни располагаются на одинаковом расстоянии друг от друга. В прямоугольном фундаменте в продольном направлении арматура также, как правило, распределяется равномерно по всей ширине. Испытания прямоугольных фундаментов показали,, что поперечные стержни должны укладываться в средней части чаще, чем у краев. Для распределения арматуры часто используется следующее уравнение
 (19Л)
 где пв — число стержней, размещенных в центральной части равной ширине меньшей стороны фундамента; rtt — общее количество стержней, необходимых для восприятия момента в критическом сечении;
 5 — отношение длины фундамента к его ширине.
 Необходимо особенно тщательно обеспечить получение высококачественного бетона для укладки в нижнюю часть тела фун¬
 283

даментов, в особенности, если дно котлована находится ниже уровня грунтовых вод. При укладке бетона выемка должна быть осушена, а арматура защищена слоем бетона толщиной не менее 7,5 см.
 § 19.4. ВЫСОТА ФУНДАМЕНТА
 Расчет фундаментов производится в основном путем последовательных приближений, В процессе проектирования могут оказаться необходимыми перерасчеты. Чаще всего высота сечения, определяемая, исходя из действия главных растягивающих напряжений, обеспечивает также связь бетона с арматурой и надежное восприятие напряжений от изгиба. Если уложенная арматура не обладает надлежащей прочностью сцепления с бетоном, то высота фундамента должна быть изменена, исходя из возможности анкеровки арматуры или увеличения ее количества для обеспечения надлежащего сцепления.
 Использование арматуры периодического профиля, которая может обеспечить высокую прочность сцепления, позволяет определять высоту фундаментов только из учета главных растягивающих напряжений.
 Если предполагается, что последние определяют высоту квадратного фундамента в критическом сечении de (рис. 19.1), то для нахождения высоты используется следующее уравнение
 1 f 2C4C2-j- — (14С)
 - - 4- 2 . (19.2)
 В 24 С V '
 Постоянная величина С определяется с учетом давления нетто на грунт qn и допускаемого напряжения на косое растяжение и
 С
 Яп
 500 v
 Давление на грунт qHi которое может вызвать поперечную силу и момент в фундаменте, равно нагрузке от колонны, разделенной на площадь фунда;мента.
 Величина к есть отношение наименьшей ширины колонны а к ширине фундамента В.
 § 19.5. ПОРЯДОК РАСЧЕТА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КРИВЫХ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МИНИМАЛЬНОЙ ВЫСОТЫ ФУНДАМЕНТА
 Кривые на рис. 19.2 построены на основе уравнения (19.2) и позволяют быстро определять минимальную высоту фундамента. Если высота последнего равна или больше той, которая получается по рис. 19.2, то главные растягивающие напряжения не будут превышать допускаемой величины. Хотя кривые были по¬
 284

строены для квадратных фундаментов, они могут быть также использованы и для прямоугольных фундаментов при введении поправки в величину В по формуле
 0,05 0,1 05 0,2 0,25 0,3 0,350,4 Отношение аВ
 -А—
 -в-
 В' В 2S — 1, (19.3)
 где В' — есть приведенная ширима фундамента, которая подставляется вместо В в отношен-ия аВ и dB;
 S — отношение длины L к ширине фундамента В.
 Последовательность проектирования следующая:
 1) определяют размеры площади фундамента по указаниям, приведенным в части III;
 2) выбирают примерную высоту по рис. 19.2;
 3) проверяют сжимающие напряжения в бетоне, обусловленные действием изгибающего момента; эта величина почти всегда меньше допускаемого напряжения;
 4) подбирают арматуру, необходимую для восприятия изгибающего момента;
 5) проверяют прочность сцепления бетона с арматурой.
 Некоторые проектировщики видоизменяют п. 4 и 5, подбирая сначала диаметры стержней, а затем определяя их количество, необходимое для восприятия момента, а также количество, требуемое для обеспечения надлежащей силы сцепления. Если количество стержней, потребное для
 последней цели, значительно превышает количество, необходимое для восприятия момента, то это указывает на необходимость применения большего количества стержней с меньшими диаметрами и большим суммарным периметром.
 т
 к
 cq 1 а I
 Рис. 19. 2. Кривые для определения минимальной высоты фундамента по главным растягивающим напряжениям (qn — давление на грунт нетто; v — допускаемая величина главных растягивающих напряжений)
 Для прямоугольных фундаментов перед пользованием кривыми
 необходимо найти В В 125—1 и заменить В на В' в отношениях аВ и dB
 § 19.6. ФУНДАМЕНТЫ КОЛОНН
 Нормы Американского института бетона 1951 г. рекомендуют принимать 85 от величины момента и перерезывающей силы при определении площади сечения арматуры и поверке сцепле¬
 285

ния. Это положение не может быть оправдано ни теоретически, ни экспериментально. При современной растущей практике использования профилей, дающих высокую прочность сцепления без крюков, становится все более важным при определении напряжений у грани колонны вводить полные значения момента и перерезывающей силы.
 § 19.7. СВАЙНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ ПОД ОТДЕЛЬНЫЕ КОЛОННЫ
 Для свай любых типов устраиваются железобетонные ростверки, служащие одновременно опорами для колонн. Сваи обычно входят на 8—10 см в ростверк, как показано на рис. 19.3. Примерно 7,5-сантиметровый слой бетона должен отделять арматуру ростверка от верхушек свай.
 В основном, метод проектирования ростверков на сваях почти аналогичен методу, применяемому при проектировании фундаментов, опирающихся непосредственно на грунт. Различие лишь в том, что ростверк подвергается действию сосредоточенных сил вместо равномерного давления по подошве фундамента. Кроме того, необходимо учитывать, что расположение свай в сооружении может отличаться от проектного по меньшей мере на несколько сантиметров. В связи с этим для ростверков обычно всегда принимают критическое сечение для поверки на главные растягивающие напряжения ближе к наружной грани колонны, чем для фундаментов на грунте, а именно на расстоянии, равном половине высоты фундамента от наружной грани колонны (сечение de на рис. 19.3).
 Критическое сечение аЪ для расчета на изгиб и поверки сцепления с арматурой можно принять у грани колонны, как для фундаментов на грунте.
 Если центр сваи находится в 15 см или более от критического сечения, то следует предположить, что вся реакция сваи будет участвовать в моменте или поперечной силе в этом сечении. Реакция же любой сваи, находящейся на расстоянии 15 см или более внутрь от этого сечения, будет давать лишь незначительный момент или поперечную силу. Следовательно, реакция мо жет быть принята равной нулю.
 ния в свайных ростверках
 286

При промежуточных положениях для того, чтобы определить соответствующую часть реакции, обычно применяется линейная интерполяция. Из рис. 19.3 ясно, что поперечная сила и момент в сечении ab будут вызваны двумя полными реакциями свай, тогда как поперечная сила по сечению de будет равна реакции одной сваи (двум половинам), при условии, что центры свай находятся на расстоянии 15 см или более от точек due. Например, если расстояние х равно лишь 7,5 см, то считают, что при расчете поперечной силы в сечении de должно учитываться лишь усилие, равное 75 от реакции сваи.

Глава 20
 ФУНДАМЕНТЫ, ПОДВЕРГАЮЩИЕСЯ ДЕЙСТВИЮ МОМЕНТОВ
 Рис. 20. 1. Фундаменты, воспринимающие моменты.
 На рисунке приведена модель арочной ребристой конструкции. Пролеты ангаров и амфитеатров подобного типа достигали более 90 м. Фундаменты воспринимают большие моменты, возникающие от горизонтального распора. Для того чтобы выравнять насколько возможно давление на грунт, фундаменты удлиняются в одну сторону и усиленно армируются

§ 20.1. ВВЕДЕНИЕ
 В главе 19 рассматривались фундаменты, поддерживающие центрально расположенные колонны, при которых возникало либо равномерное давление на грунт, либо одинаковые реакции свай.
 о)
 е U-
 ч I
 1
 J .
 р
 е
 —
 Рис. 20. 2. Раздельный фундамент, подвергающийся действию момента
 а — действительная; б — расчетная схемы: — распределение давления на грунт
 Однако многие фундаменты должны воспринимать не только вертикальные нагрузки, но также и моменты относительно одной или обеих осей.
 Момент М может передаваться фундаменту от центрально расположенной колонны (рис. 20.2,а) или может быть вызван вертикальной нагрузкой Р, расположенной эксцентрично, например на расстоянии е от центра тяжести подошвы фундамента (рис. 20.2,6).
 Если фундаменты а и б имеют одинаковые размеры в плане, то реакции грунта будут одинаковы при условии, что
 М Ре.
 Замена приложением внецентренной нагрузки действительного момента и нагрузки на колонну обычно упрощает расчеты.
 Другими фундаментами, которые должны обычно воспринимать действие момента, являются фундаменты подпорных стенок, устоев и быков моста. Момент в стенках и устоях вызывается в первую очередь активным давлением грунта, тогда как моменты в фундаментах мостовых опор вызываются, главным образом, ветром, силами торможения и нагрузками от про¬
 19 Зак. 1274
 289

летных строений моста. Фундаменты для этих конструкций рассматриваются более детально в параграфе 20.9 и в гл. 22.
 При рассмотрении центрально нагруженных фундаментов (гл. 19), особое внимание было уделено выбору критических сечений для исследования напряжений от моментов и поперечных сил. Эти расчеты не вызвали затруднений, потому что реакция грунта принималась равномерно распределенной, а нагрузки на сваи — одинаковыми. При проектировании внецентренно нагруженных фундаментов прежде всего необходимо определить распределение давления на грунт или нагрузки на сваи. После этого выбор критических сечений и расчет напряжений от моментов и поперечных сил производятся так же, как и для центрально нагруженных фундаментов. Таким образом, в главе 20, в основном, излагаются указания по определению давления на грунт или нагрузки на каждую сваю.
 Следует указать, что распределение вертикального давления на грунт по подошве фундамента должно удовлетворять требованиям статики, а именно: 1) суммарная реакция грунта, направленная вверх, должна быть равна сумме нагрузок, направленных вниз; 2) момент равнодействующей вертикальных нагрузок относительно любой точ.ки должен равняться моменту равнодействующей реакции грунта относительно той же самой точки. Кроме того, горизонтальная реакция грунта дэлжн.а противодействовать сдвигу по подошве, обусловленному действием горизонтальной нагрузки.
 Обычно считают, что фундаменты работают как жесткие конструкции. Это допущение приводит к заключению, что осадка грунта под подошвой изменяется линейно, так как жесткое основание остается плоским при осадке. Линейное распределение давления на грунт следует из другого допущения, а именно, что отношение давления к осадке в каждой точке постоянно. Ни одно из этих предположений не является абсолютно обоснованным, но каждое из них считается достаточно точным для обычных задач проектирования.
 § 20.2. РАВНОДЕЙСТВУЮЩАЯ В ПРЕДЕЛАХ СРЕДНЕЙ ТРЕТИ ПОДОШВЫ
 Фундамент, подвергающийся действию момента, показан на рис. 20.3. Силы, действующие на фундамент, включая собственный вес, разложены на вертикальные Е V и горизонтальные ЯЕ. Очевидно, что момент ЕМ, действующий относительно центра тяжести подошвы, может быть выражен как.
 ЕМ ЪН-к ЪУ-е.
 Из этого уравнения:
 290

Уравнение (20.1) имеет существенное значение, потому что оно определяет положение равнодействующей всех сил, действующих на фундамент, независимо от того, насколько сложны могут быть условия нагрузки.
 В таких задачах как расчет подпорных стенок, может оказаться более удобным выбирать центр моментов не в центре подошвы основания; однако,
 о)
 J- L •1
 со ♦
 1
 ГУ,
 ап
 f
 R
 Г Н
 1 ]'
 41
 В)
 В)
 г)
 Р_
 А
 Р_
 fi
 Мс
 1
 v мс I Цманс
 у Сре дня треть
 ншж
 А BL
 ■£сН'
 BL2 BL2
 7 мин
 IV
 Рис. 20. 3. Давление по подошве фундамента, когда равнодействующая проходит в пределах средней трети
 несмотря на это, уравнение (20.1) остается применимым. Например, если точка А на рис. 20.3,а
 Рис. 20.4. Давление по подошве фундамента, когда равнодействующая находится за пределами средней трети
 1 — подошва фундамента площадь ю BxL 2— область без давления ыа основание
 принята за центр моментов, то в величину ЕМ должна быть включена величина ПУХ1. Если этот суммарный момент разделить на НУ, то равнодействующая будет находиться в том же месте, на расстояние el2L от А.
 Если действует только вертикальная нагрузка ZV, то давление на грунт распределяется равномерно, как показано на рис. 20.3, б. Горизонтальная сила £, если она действует одна, вызывает явление сдвига, которому противостоит сопротивление грунта по подошве, и момент, который обусловливает распределение давления, показанное на рис. 20.3, в. Максимальное давление на грунт, вызываемое моментом, получается путем деления момента на момент сопротивления площади основания.
 291

Совместное действие IV и ИМ обусловливает распределение давления на грунт, показанное на рис. 20.3, г. Суммируя эпюры б ив, мы имеем:
 II 	Ше _ ZK ,,6 9П9.
 “ ййг щ' т)' (20'2)
 _ IK 6SVe XV, 6е оп
 Vmin . BL BL Bl(1 L )• (20,3)
 Уравнения 20.2) и (20.3) часто выражаются следующим образом
 (20-4
 Уравнение (20.4) представляет собою частный вид формулы для напряжения в сечении, подвергающемся действию вертикальной нагрузки Р и момента М. В сопротивлении материалов эта формула обычно дается в виде:
 _ Р Мс q А - J
 § 20.3. РАВНОДЕЙСТВУЮЩАЯ ЗА ПРЕДЕЛАМИ СРЕДНЕЙ ТРЕТИ
 Если Etf (рис. 20.3) увеличивается, момент относительно подошвы фундамента возрастает и увеличиваются ординаты эпюры давления на грунт, обозначенной на рисунке буквой б. Когда краевые давления по эпюре в становятся численно равными давлениям по эпюре б, то qmn становится равным нулю. При этом условии:
 2К _ 6IVе BL BL2
 Решая уравнение относительно е, мы находим, что е Ц6. Это показывает, что равнодействующая должна проходить внутри средней трети подошвы, чтобы под всей подошвой было только сжатие. Это условие обычно считается желательным.
 Рис. 20.3 показывает распределение давления грунта под фундаментом, когда равнодействующая находится за пределами средней трети подошвы.
 Суммарная реакция, действующая вверх, должна равняться EV и совпадать с ней по линии действия. Эти два условия могут быть выражены следующим образом:
 2 V , (20.5)
 -f (20.6)
 292

Из этих выражений можно определить максимальное давление на грунт 7тах
 Из уравнения (20.5) можно установить, что максимальное давление на грунт в 2 раза больше среднего давления, вызываемого силой £ V, действующей на площадь Вх. Тот же самый результат можно получить из уравнения (20.2), если величину L заменить величиной х и если е, измеренное от центра тяжести подошвы, заменяется величиной х6. В результате этих подстановок уравнение (20.2) становится идентичным уравнению (20.5).
 § 20.4. МОМЕНТЫ ОТНОСИТЕЛЬНО ОБЕИХ ОСЕЙ
 В § 20.2 было показано, что давление на грунт под фундаментом может быть определено по обычной формуле
 IV Шс А J
 при условии, что момент действует только относительно одной оси и грунт под всей площадью подошвы сжат- Когда моменты действуют одновременно относительно обеих осей и если по всей площади подошвы на грунт передается только сжатие, давлейие можно определить посредством следующего уравнения
 7 — ± . (20.7)
 А 1Х 2
 Расположение максимального и минимального давлений на грунт можно легко определить в соответствии с направлениями моментов. Таким же образом можно определить и соответствующие знаки в уравнении (20.7) для любой другой точки подошвы фундамента.
 Когда моменты действуют одновременно относительно обеих осей, следует обратить внимание на то, что только часть подошвы может оказаться в состоянии сжатия. Это условие имеет место, когда минимальное давление на грунт,’ определенное пЬ уравнению (20.7) отрицательно.
 При этом определение максимального давления на грунт должно быть отнесено, как и в § 20.3, к поверхности, действительно находящейся в зоне сжатия. Уравнение (20.7) применяться не может.
 Хотя имеется несколько аналитических и графических методов для решения этой задачи, приведенный ниже метод попыток применяется чаще всего благодаря своей простоте. Он иллюстрируется рис. 20.5.
 1. Находят е и в2 посредством уравнения (20.1) и допускают, что V проходит через точку А. Моменты Мх и М2 далее не рассматриваются, потому что та же самая реакция грунта будет действовать по подошве эксцентрично нагруженного фундаг мента.
 293

2. По уравнению (20.7) определяют фиктивные давления в углах, полагая, что в D могло возникнуть растяжение.
 3. По результатам расчета определяют положение линии нулевого давления.
 4. Выбирают произвольно ось нулевого давления zz, приблизительно параллельную линии, найденной по п. 3, но несколько
 ближе к точке А.
 5. Определяют момент инерции относительно оси zz предполагаемой сжатой площади.
 6. Находят 7тах Е VzbIzz. Давление в других углах можег быть определено таким же образом путем подстановки соответствующих величин вместо Ь.
 7. Сравнивают величину суммарной реакции грунта (объем эпюры давления) с вертикальной нагрузкой Е V, а также сопоставляют отклонение точки приложения суммарной реакции грунта (центр тяжести площади эпюры давления) с положением точки А.
 Эти сопоставления являются контролем соблюдения требований СЗгатики.
 8. Если несоответствие, обнаруженное по п. 7, слишком велико, можно принять другую ось zz и снова произвести вычисления, указанные в п. 5—7. Однако стремление к большой степени точности не может быть оправдано ввиду приближенности отдельных положений, которые принимаются при решении любой задачи этого типа.
 § 20.5. ФУНДАМЕНТЫ НЕСИММЕТРИЧНОЙ ФОРМЫ
 Положения, приведенные в этой главе, за исключением замечаний, относящихся к рис. 20.5, применимы лишь к фундаментам, имеющим в плане по меньшей мере одну ось симметрии. Иногда можёт оказаться необходимым рассмотрение и несимметричных конструкций. Если равнодействующая нагрузки не совпадает с центром тяжести площади фундамента, то определение давления
 Рис. 20. 5. Фундамент под колонну, воспринимающий моменты относительно обеих осей, с нулевым давлением под частью фундамента
 294

на грунт сводится к задаче об изгибе несимметричного сечения.
 Теоретически уравнение (20.7) неприменимо даже в том случае, если бы вся подошва находилась в состоянии сжатия. Однако если основание является не слишком несимметричным, то погрешность, получаемая при использовании уравнения (20.7), допустима при проектировании. Изгиб несимметричных сечений рассмотрен в ряде пособий.
 § 20.6. МОМЕНТ В СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТАХ
 Реакции свай в фундаментах, подвергающихся действию момента, вычисляются способом, подобным тому, который был описан в предыдущих параграфах, относящихся к определению давления на грунт под фундаментами.
 Обычно предполагается, что ростверки, показанные на рисунках 20.6 и 20.7, работают как жесткие конструкции. Из указанного предположения вытекает плоское .распределение вертикальных осадок свай. Наконец, если отношение реакции к осадке принимается постоянным, то нагрузки на сваи распределяются также по линейному закону.
 Положение, что ростверк является жестким, а также предположение, что реакция прямо .пропорциональна осадке, не являются абсолютно верными, но каждое из них обычно считается достаточно приемлемым для целей проектирования.
 Анализ работы куста свай, подвергающихся действию ‘момента, показан на рис. 20.6- Если бы не было момента и если бы ЪУ действовало 'В центре тяжести этих четырех свай (рис. 20.6,а), то нагрузки на сваи располагались бы как показано на эпюре б. С другой стороны, если бы не было вертикальной нагрузки и на группу свай действовал бы только момент ИЛ4, то нагрузки на сваи располагались бы, как показано на эпюре в.
 Рис. 20. 6. Расчетная схема для определения давления на сваи куста при действии момента. (Ц. т. — центр тяжести куста)
 294

Нагрузки, показанные на эпюре г, представляют суммарную реакцию и являются суммами эпюр бив. Такие же нагрузки были бы вызваны силой £1, действующей эксцентрично на расстоянии е влево от центра тяжести.
 Очевидно, что момент от реакций свай (рис. 20.6) должен равняться приложенному моменту ИМ.
 Следующее уравнение выражает это отношение, если моменты от заделки свай в ростверк отсутствуют или не учитываются
 М Pdi Р22 4“ Psds “Ь Р44» (20.8а)
 Если предполагается, что изменение реакции свай по эпюре в является линейным, то
 P±PPs__ P±_
 d d d§ d±
 ИЛИ
 p — . p — p . p, — p
 2 e - » 3 — '1 , '4 ' 1 •
 Uj UJ Uj
 Подставляя эти значения, Рг, Рз и Р4 в уравнение (20-8), получаем:
 EM-L яД:Р11 яД. (20.86) d d d d
 Решая уравнение относительно Pi, получим
 р Y.Md __ 'ZMdi 2Q Q
 1 dddd ld
 Подобным же образом часть нагрузки на любую другую сваю, обусловленная действием момента, может быть определена посредством уравнения (20.9), если d заменить расстоянием от свай до центра тяжести группы свай.
 Суммарная реакция любой сваи, найденная путем сложения эпюры, показанной на рис. 20.6,в с эпюрой рис. .20.6,6 может быть выражена в форме уравнения
 p Md (20.10)
 п Ш ’
 где Р — суммарная реакция сваи, получающаяся от момента и вертикальной нагрузки;
 EV — сумма вертикальных нагрузок, действующих на фундамент;
 ЕМ— сумма моментов относительно центра тяжести куста свай, иногда выражается как ZVe; п — количество свай в кусте;
 d — расстояние от центра тяжести куста до рассматриваемой сваи;
 296

£ d2—сумма квадратов расстояний от каждой сваи до центра тяжести куста.
 Анализ уравнения (20.10) показывает, что оно является одним из видов основной формулы для определения напряжений в некотором сечении или для определения давления под фундаментом, опирающимся на грунт, когда действуют одновременно нормальная сила и момент.
 Количество свай п заменяет площадь, а член Ed2 заменяет момент инерции площади. По этой причине £d2 иногда называется моментом инерции куста свай. Аналогия между членами этих двух уравнений показана на рис. 20.6.
 Большинство кустов свай состоит из нескольких рядов. Кроме того, иногда относительно обеих осей может действовать момент. К этим условиям применимо уравнение
 р IV SMA
 я “ ША (20 m
 14
 В этом выражении индекс момента обозначает центральную ось, относительно которой действует момент. Индекс расстояния указывает центральную ось, до которой измеряется расЬтояние от сваи. Обозначения показаны на рис. 20.7.
 Если моменты имеют направления, показанные на рис. 20.7, то очевидно, что свая А несет наибольшую нагрузку, в то время как В — наименьшую. Как так и £М2 увеличивают реак¬
 цию в точке А и уменьшают ее в точке В. Такого рода анализом можно установить соответствующие знаки при использовании уравнения (20.11) для-любой сваи.
 Определение £d2 для больших кустов свай может быть значительно упрощено путем применения уравнения (20.12), которое относится к одному ряду свай с равными расстояниями между ними
 W £„(„»_ 1), (20.12)
 одного ряда
 где 5 — расстояние между сваями в ряду; п— количество свай в ряду.
 IV
 ,0,45
 -L3S-
 т
 rv
 Рис. 20. 7. Куст свай под действием вертикальной нагрузки и моментов относительно обеих осей
 2 8(0,6) 2,9 ж2; 2 d 4(0,45)2 4-4(1.35)28 м
 297

§ 20.7. СВАИ, РАБОТАЮЩИЕ НА РАСТЯЖЕНИЕ
 Сваи работают на сжатие, если все реакции, вычисленные по уравнениям (20.10) и (20.11), положительны. Если же некоторые реакции являются отрицательными, а головы свай не заанкерены.в ростверке, создаются условия, аналогичные приведенным в § 20.3 и 20.4, где рассматривались фундаменты, у которых лишь часть подошвы испытывает сжатие.
 В некоторых сооружениях (башни, газгольдеры, высокие трубы и другие) сваи применяются для восприятия растягивающих усилий. В основании этих сооружений растягивающие усилия имеют временный характер и почти всегда вызываются ветровой нагрузкой. При этих условиях, если сваи способны противостоять растяжению и соответс7вующим образом закреплены в ростверке, нагрузки в каждой свае могут быть вычислены посредством уравнений (20.10) и (20.11).
 § 20.8. ПРИМЕР РАСЧЕТА МОСТОВОЙ ОПОРЫ
 Типичным примером фундамента, подверженного действию вертикальных нагрузок и момента относительно обеих осей, является мостовая опора. Вертикальными нагрузками, действующими на нее, являются: постоянная нагрузка, подвижная нагрузка на пролетном строении моста и вес опоры. Возникновение горизонтальных сил обусловлено центробежными силами, торможением подвижного состава, давлениями ветра и льда.
 При наиболее неблагоприятной комбинации этих нагрузок допускаемое давление на грунт или сваи обычно увеличивается на 25—50 по сравнению с величиной, допускаемой при действии обычной временной нагрузки.
 На рис. 20.8 приведен обычный тип опоры однопутного железнодорожного моста.
 Размеры верхней части опоры обусловливаются расстоянием между балками пролетного строения и размерами опорных плит. Силы, которые должны быть учтены при расчете, являются заданными, и рассмотрение методов их определения не входит в нашу задачу.
 Цель примера состоит в том, чтобы показать, как применяются указания § 20.5 и 20.7. Поэтому расчет ограничивается определением критических реакций свай и определением давления на грунт при отказе от свай. Количество свай или размеры фундамента обычно определяются путем попыток. Вычисления показывают, что нагрузки на сваи, возникающие от сил торможения, давления льда и ветра, могут составлять значительную часть — почти 50 от суммарного давления на грунт или на сваи. Поэтому общее количество потребных свай значительно больше того, которое было бы необходимо при действии только вертикальной нагрузки. Вертикальные нагрузки в сваях определяются по
 298

уравнению (20.11); следует отметить, что определение момента инерции группы свай значительно упрощается при использовании формулы (20.12). Распределение давления по подошве при отсутствии сваи устанавливается по формуле (20.7).
 В большинстве свайных фундаментов мостовых опор применяются наклонные сваи для обеспечения надлежащей устойчивости при действии горизонтальных сил. Однако расчеты фундаментов с наклонными сваями здесь не производятся в связи с тем, что указания к этим расчетам приведены ниже в § 22.6 при рассмотрении подпорных стенок на сваях.
 Расчеты отдельных сечений мостовой опоры также не приведены, так как этот раздел проектирования относится полностью к вопросам проектирования железобетонных конструкций.
 I. Исходные данные
 1. Расчетная схема (рис. 20.8).
 2. Нагрузки, действующие на опору.
 Горизонтальные:
 А— 30 т — сила торможения на отметке 233;
 В 9 » — нагрузка, учитывающая давление льда на отметке 231;
 С 10 » — ветровая нагрузка на подвижной оостав на отметке 233,5;
 D12 »— ветровая нагрузка на мост;
 F 3 » — ветровая нагрузка на опору.
 Вертикальные:
 Временная нагрузка — 260 т Постоянная „ — 55 „
 315 т
 II. Расчет варианта со свайным фундаментом
 1. Принимаем 56 свай и располагаем их так, как показано на рис. 20.8 7X8 рядов).
 2. Определяем Е cfy — для 7 рядов свай относительно I—;
 d 7 --8 (82— 1) 42-7294.
 3. Определяем Etf для 8 рядов свай относительно оси 2—2:
 I2
 8 — 7(72-1)224.
 12 4
 4. Моменты сопротивления:
 относительно оси 1—1
 294 : 3,5 84;
 относительно оси 2—2
 224 : 3 74,5.
 5. Определяем усилия в сваях при действии вертикальных нагрузок:
 Собственный вес опоры:
 площади сечения опоры:
 поверху — 1,5.4 6 м'1
 посередине (Х4)—2,2.45440 „ по подошве — 4,92,613 „
 Средняя площадь сечения—59 м'г: 69,8 м’£
 299

Объем
 9,8 	м2 10 м — 98 ж3.
 Собственный вес опоры равен 98 • 2,4 235 г. Собственный вес фундамента: объем 8 • 7 • 2 112 ж3;
 Поперечный
 233,
 £30т
 Неподвит пая опора
 д
 Р а р е з ы Продольный
 231
 '■—ц_ -ф С-Ют 1 260т
 if 5577
 гзо
 Tv7T 3i5 т
 ЩТШЩF
 Подвижная опора
 Унлон 24220 ™±Г-В217
 таппппг
 План свайного срундамента
 . V
 IfM
 24-
 F-3m
 'S
 «ч
 1
 шишп
 Рис. 20. 8.
 вес— 112 • 2,4 270 г.
 Вес грунта на уступах
 8-7—4,9-2,6 43 м1.
 Вес грунта — 43 • 1,92 • 1 83 т.
 Постоянная нагрузка (с учетом нагрузки от пролетной части строения)
 55 т 235 г270 т 83 т 643 г.
 Учет взвешивания в воде
 7 • 8 • 2 • 1 112 г.
 300

Исправленная на взвешивание постоянная нагрузка равна 643 т — 112 т 531 т.
 Суммарная (постоянная временная) нагрузка на сваи 531 т 260 г 791 т.
 Нагрузка на 1 сваю
 791 : 56 14,2 г « 14 г на 1 сваю.
 6. Реакции свай при действии моментов:
 от нагрузки А—30 г 16 м — 480 тм; 480:74,5 6,5 г на 1 сваю; От ветровых нагрузок: нагрузка D — 12 • 13 156 тм; 156 : 84 1,86 т :на 1 сваю; нагрузка С — 10 • 16,5 165 тм; 167 т : 84 1,,97 г на 1 сваю; нагрузка F — 3-721 тм; 21 тм 84 0,25 т на 1 сваю.
 Реакция сваи при действии ветровых нагрузок:
 1,86 1,97 0,25 • 4,08 г « 4 г на 1 сваю;
 от нагрузки В
 9 • 14 126 г; 126 : 84 « 1,5 т на 1 сваю.
 Суммарное давление на 1 сваю от действия момента
 6,5 4 1,5 12 т.
 Максимальное давление на 1 сваю
 14 т 12 т 26 т на 1 сваю.
 Минимальное давление на 1 сваю
 14 г—12 г 2 т.
 III. Расчет варианта без свай.
 1- Площадь фундамента 7 ■ 8 56 м2.
 2. Моменты сопротивления.
 Относительно оси I—:
 1
 7.8274,5 ж;
 0
 то же, относительно оси 2—2:
 1
 —8 • 72 65 ж3.
 .6
 Вертикальная нагрузка на основание — 791 т.
 Моменты, действующие в плоскости подошвы: относительно оси 1—;
 156 165 21 126 468 тм
 относительно оси 2—2 480 тм.
 Максимальное давление на грунт
 791 468 480
 — — 27,8 тмг2,8 кгсмг.
 56 74,5 65
 9
 Минимальное давление на грунт.
 14,2—6,15—7,4 .0,65 тм20.07 кгсм2.

Глава 21
 ГРУППОВЫЕ И СПЛОШНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ
 Рис. 21. 1. Групповой фундамент На фотографии стройплощадки видны два трапецеидальных фундамента под внутреннюю и наружную колонну каждый. Арматура для фундамента на переднем плане уже уложена, но бетон еще не залит. Фундамент на заднем плане уже закончен

§ 21.1. НАЗНАЧЕНИЕ ГРУППОВЫХ ФУНДАМЕНТОВ
 Необходимость в групповых фундаментах возникает чаще всего в том случае, когда две колонны располагаются так близко друг к другу, что для каждой из них невозможно осуществить отдельный фундамент, либо когда колонна примыкает к соседнему сооружению и под ней невозможно устроить фундамент, выступающий в наружную стену. Если групповой фундамент устраивается под две колонны, его называют спаренным.
 Размеры фундамента устанавливаются из того условия, чтобы центр тяжести площади, опирающейся на грунт, был расположен по линии действия равнодействующей нагрузок, приложенных к фундаменту. В этом случае распределение давления на грунт будет довольно равномерным. При этом размеры фундамента выбираются таким образом, чтобы не превышалось допускаемое давление на грунт. Если оба эти условия удовлетворяются, осадки и крены фундамента не будут значительными.
 При проектировании группового свайного фундамента количество свай устанавливается, исходя из суммы вертикальных нагрузок на фундамент, включая вес ростверка. Сваи располагаются таким образом, чтобы центр тяжести куста свай находился достаточно близко к линии действия равнодействующей вертикальных нагрузок. При этом все сваи под фундаментом будут испытывать примерно одинаковые усилия.
 § 21.2. СПАРЕННЫЕ ФУНДАМЕНТЫ ПРЯМОУГОЛЬНОЙ И ТРАПЕЦЕИДАЛЬНОЙ ФОРМЫ
 Спаренный фундамент осуществляется обычно прямоугольным в плане (рис. 21.2, а). При этом необходимо, чтобы фундамент выступал за каждую колонну на такое расстояние, при котором центр тяжести подошвы фундамента совпадал бы с точкой приложения равнодействующей R нагрузок от колонн.
 Если фундамент должен поддерживать наружную колонну по внешней транице сооружения, когда выступать за эту границу нельзя, то устройство фундамента прямоугольной формы все же возможно при условии, что внутренняя колонна несет большую нагрузку.
 Длина спаренного фундамента L устанавливается с учетом выступа d фундамента за внутреннюю колонну. Затем определяется ширина путем деления суммы вертикальных нагрузок на произведение длины и допускаемого давления на грунт.
 Если по какой-то причине фундамент не может выступать на требуемое расстояние за одну или обе колонны, то обычно при-
 303

меняется трапецеидальный фундамент (рис. 21.2,6). Точка приложения равнодействующей нагрузок от колонн обусловливает положение центра тяжести трапеции. Длина L обычно определяется границей сооружения и примыкающими конструкциями.
 Размеры В и В2 могут быть определены путем решения двух совместных уравнений, одно из которых выражает положение центра тяжести, а другое — равенство суммы нагрузок произведению площади фундамента на допускаемое давление на грунт.
 о)
 Центр гпяш ест и , подошвыv
 1
 е
 I
 ЖЖЖЖШЖЖШ
 S)
 jL
 CQ
 Т
 Центр тлтести подошвы
 -v
 Рис.21.2. Спаренный фундамент а — прямоугольной; б — трапецеидальной формы
 Таким образом, удовлетворяются два условия, рассмотренные в § 21.1.
 Решение этих двух уравнений приводит к следующим выражениям для ширины трапецеидального фундамента:
 в' тт1) (21Л)
 В-Ц--Ви (21.2)
 где А — площадь, определенная путем деления суммы нагрузок на допускаемое давление на грунт.
 Исследование уравнения (21.1) показывает, что ширина В
 равна нулю, когда х равен —длины фундамента. При этом усло-
 о
 вии необходимо устройство треугольного фундамента для того, чтобы было обеспечено равномерное распределение давления на грунт.
 В предварительных расчетах, когда х приближается по величине к —или становится еще меньшим, длина L должна быть
 о
 увеличена за счет размеров выступающей части с широкой стороны.
 304

§ 21. 3. КОНСОЛЬНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ
 Третьим, сравнительно обычным типом спаренного фундамента является консольный фундамент (рис. 21.3). Назначение этого фундамента — нести наружную колонну у самого края, не создавая неравномерного давления на грунт. Схема консоли, использованная в фундаментах этого типа, показана на рис. 21.3,6. Этот фундамент может рассматриваться как два отдельных фундамента, соединенных балкой.
 Рис. 21. 3. Консольный фундамент
 а — фундамент; 6 — статическая расчетная схема
 Из рис. 21.3,6 можно сделать вывод, что определение размеров площадей двух отдельных фундаментов является задачей статики, если известно допускаемое давление на грунт и если ширина В фундамента наружной колонны является либо заданной заранее, либо условно принятой. Кроме того, равнодействующая нагрузок должна совпадать с центром тяжести площадей фундамента. Это требование может и не быть очевидным, так как обе эти площади обычно определяются более или менее независимо от реакций, найденных методами статики.
 § 21.4. НАЗНАЧЕНИЕ РАСЧЕТНЫХ НАГРУЗОК
 ,3а исключением выбора допускаемого давления на грунт, наиболее трудным этапом при определении размеров спаренного фундамента является установление нагрузок от колонн. Обычно размеры фундамента определяют исходя из равномерного давления на грунт от постоянной нагрузки и лишь той части временной, которая может действовать достаточно долго, чтобы влиять на осадку. Если фундамент опирается на глину, то в расчет вводится средняя величина временной нагрузки, которая может действовать на фундамент в течение ряда лет. Если фундамент опирается на песок, то учитывается максимальная вероятная величина временной нагрузки. В обоих случаях центр тяжести фунда-
 20 Зак. 1274
 305

мента располагается на линии действия равнодействующей нагрузки от колонн, состоящей из постоянной и той части максимальной временной нагрузки, на которую согласно строительным нормам рассчитываются колонны.
 Если площадь спаренного фундамента определена при условии, что равномерное давление на грунт обусловливается постоянной и приведенной временной нагрузками (рис. 21.4,а), то целесообразно расчет сечений самого фундамента производить на те нагрузки, на которые рассчитаны колонны. Более того, коэффициент запаса по несущей способности основания должен быть не менее 2 при учете этих нагрузок.
 Т
 R
 ЖГ-
 А А.
 ■Tin h ггт
 У
 А.
 дт.
 ЕЬ
 Я77
 Г
 А.
 Чн
 Рис. 21. 4. Распределение давления по подошве спаренного фундамента
 а — центральная нагрузка; б — внецентренная нагрузка; R — равнодействующая постоянной и приведенной временной нагрузки;
 Rffi — равнодействующая постоянной н максимальной временной нагрузок
 Ввиду того, что равнодействующая максимальных нагрузок обычно не совпадает с равнодействующей нагрузок, принимаемых при определении размеров фунадмента, допускаемое давление на грунты, соответствующее максимальным нагрузкам, должно быть выбрано с соответствующим учетом неравномерного распределения давления на грунт (рис. 21.4,6). При этом можно руководствоваться способами расчета, приведенными в § 14.2 и 15.2 для определения допускаемого краевого давления на грунт при треугольной эпюре распределения давления. При расчете сечений фундамента учитываются поперечные силы и моменты, возникающие при неравномерном давлении на грунт (см. § 21.5).
 § 21 5 РАСЧЕТ КОНСТРУКЦИИ СПАРЕННЫХ ФУНДАМЕНТОВ
 Жесткость обычных спаренных фундаментов обычно несколько меньше, чем жесткость большинства раздельных уширенных фундаментов. Несмотря на это, проектирование спаренного фун¬
 306

дамента обычно основывается на предположении, что давление на грунт распределяется по линейному закону. Основная рабочая арматура в спаренном фундаменте размещается в продольном направлении. Количество арматуры обычно определяется в предположении, что фундамент рассматривается, как плита, работающая в одном направлении. Однако предусматривается также укладка поперечной арматуры в нижней части фундамента около колонн. Критическое сечение при расчете на поперечный изгиб принимается у наружной грани колонн или цоколей. Поперечная арматура укладывается двумя группами, пропорциональными нагрузкам от колонн, и каждая группа размещается равномерно в пределах полосы, имеющей ширину, обычно равную ширине фундамента у колонны. Почти всегда необходима отогнутая арматура, воспринимающая весьма значительные главные растягивающие напряжения, возникающие около колонн.
 Последовательность проектирования спаренного фундамента может быть следующей:
 1. Определяются нагрузки от колонн, необходимые для определения осадок. Они состоят из постоянной нагрузки и лишь части временной нагрузки, принятой при проектировании колонн.
 2. По равнодействующей нагрузок, определенной в п. 1, устанавливаются размеры фундамента в плане так, чтобы обеспечить равномерное давление на грунт, не превышающее допускаемого при принятом сочетании нагрузок.
 3. Определяются максимальные нагрузки от колонн. Они обычно являются теми, на которые рассчитывались колонны.
 4. Находят величину и распределение давления на грунт от нагрузок, определенных в п. 3. Если максимальное давление на грунт превышает величину, рассматриваемую как допускаемую при принятом сочетании нагрузок, ширина фундамента может быть увеличена, причем положение центра тяжести должно оставаться неизменным.
 5. Определяются эпюры поперечных сил и моментов при условиях загружения, указанных в п. 3 и 4.
 6. Используя данные п. 5, определяют высоту фундамента и количество арматуры в соответствующих сечениях.
 При установлении давления на грунт от максимальной нагрузки положение центра тяжести фундамента определяется при помощи уравнения
 [см. рис. 21.2,6 и уравнение (21.1) и (21.2)].
 Момент инерции площадей фундамента удобно определить при помощи следующего выражения:
 L 2ВгВ.
 Д2 ВВ2 )
 ц.т. 1в— Ах2.
 20
 307

§ 21.6. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СПЛОШНЫХ ФУНДАМЕНТОВ
 Условия, в которых целесообразно осуществлять сплошные фундаменты, были рассмотрены в части II, а определение допускаемого давления на грунт и осадки — в части III. Теперь остановимся на расчете самого фундамента.
 Чаще всего он состоит из железобетонной плиты, которая несет колонны и стены сооружения и передает нагрузку от них на подстилающий грунт. Фундамент обычно рассматривается и проектируется как обратная неразрезная плита, опирающаяся на колонны и стены и нагруженная равномерно распределенным давлением грунта. Это давление равно общему весу сооружения, деленному на площадь плиты. Моменты и поперечные силы в плите определяются в соответствии с техническими условиями проектирования плоских перекрытий.
 Эта расчетная схема применяется в том случае, если колонны нагружены более или менее равномерно и расположены на равных расстояниях друг от друга. Однако если нагрузка, приложенная сверху вниз, на некоторых участках значительно больше, чем на других, то плита часто рассматривается состоящей из отдельных участков, и среднее давление на грунт под каждым из них определяется путем деления соответствующей нагрузки на отдельном участке на его площадь. Обычно обеспечивается монолитность всей плиты, хотя рекомендуется располагать вертикальные рабочие швы в фундаменте между участками с резко различными величинами давлений на грунт с тем, чтобы неравномерная осадка происходила без повреждения элементов сооружений.
 Вследствие неодинаковой сжимаемости отдельных участков почти всякого основания весьма вероятны различные отклонения давления на грунт под плитой от средней величины. В связи с тем, что моменты и поперечные силы определяются на основе среднего расчетного давления, считается целесообразным устанавливать арматуру в количестве, большем, чем расчетное. При этом как в верхней, так и в нижней зоне применяется одинаковый процент армирования.
 Расчетная схема плоского перекрытия применялась широко и часто вполне успешно. Однако она нередко приводила к разрушению не только фундамента, но и надфундаментной конструкции. Поэтому следует уяснить себе пределы ее применимости. Эта аналогия пригодна только в том случае, когда разность осадок колонн будет относительно мала, а также если неравномерность осадок будет распределена случайно, а не систематически. Это указание о применимости расчетной схемы необходимо, так как проектирование фундамента, как плоского перекрытия, основывается на молчаливом предположении, что относительные взаимные смещения колонн или стен будут незначительны.
 308

Расчет сплошного фундамента, основанный на этом предположении, не является, однако, гарантией того, что прогибы плиты будут на самом деле несущественны. Действительно, если конструкция располагается на довольно большой площади и вызывает значительное увеличение напряжений в подстилающем слое сжимаемой глины или ила, то она, весьма вероятно, будет испытывать большие осадки со значительной неравномерностью. Их нельзя избежать путем повышения только прочности плиты, необходимо также обеспечить надлежащую ее жесткость. Однако плита с большой жесткостью будет подвергаться действию изгибающих моментов, значительно превышающих те, которые могут быть рассчитаны на основе приведенной выше схемы.
 Моменты могут быть так велики, что потребуют осуществления высоких балок, ферм или даже использования надфундаментной конструкции для обеспечения необходимой прочности. Таким образом, сплошной фундамент должен в этом случае состоять из двух почти независимых элементов: плиты, которая может проектироваться в соответствии с расчетной схемой обратного перекрытия, и конструкции, обеспечивающей жесткость, которая должна предотвратить возможность значительных неравномерных осадок плиты фундамента.
 Проектирование элементов жесткости является сложной конструктивной задачей, решение которой в каждом отдельном случае осуществляется особо и требует большого опыта и знаний. Увеличение жесткости сплошного фундамента над сжимаемыми участками основания приводит к перераспределению давления на грунт. При этом фундамент не должен чрезмерно прогибаться от действия перераспределенного неравномерного давления.
 К сожалению, не существует рационального метода определения действительного распределения давления на грунт в этом случае, так как соотношения между напряжениями, деформациями и временем не только для грунтов основания, но также и для каркасов зданий чрезвычайно сложны.
 Если жесткая конструкция опирается на упругое основание, то давление по подошве фундамента сооружения должно изменяться согласно теории от минимума посередине фундамента до максимума по краям. Это обстоятельство иногда используется для определения давления на грунт при проектировании жесткого сплошного фундамента на сжимаемой глине или иле. В этом случае с достаточным запасом можно проектировать элементы жесткости и плиту фундамента в двух предположениях:
 1) давление на грунт распределяется равномерно по всей поверхности плиты;
 2) давление изменяется от минимума посередине до величины, по краям вдвое превышающей среднее давление.
 Среднее давление, очевидно, одинаково для обоих условий.
 309

Прочность любой части фундамента должна соответствовать наиболее невыгодным.для нее условиям, вытекающим из указанных двух схем. Кроме того, при неравномерном распределении давлений деформации фундамента не должны быть чрезмерными.
 Несмотря на известную логичность данной схемы, проектирование фундаментов, основывающееся на этих положениях, может привести к возведению неэкономичных конструкций. Выбор наиболее обоснованных величин давления по краям часто затрудняет даже наиболее опытных специалистов в области фунДаментостроения.
 Следует указать, что проектирование жестких сплошных фундаментов на песке, жесткой глине или на других относительно мало сжимаемых грунтах является хотя и сложной, но в общем обычной конструкторской задачей. Однако, если подстилающий грунт содержит сильно сжимаемые слои, возникают значительные затруднения. Жесткие сплошные фундаменты больших размеров на сжимаемом грунте отличаются высокой стоимостью.
 Другой, значительно более экономичный, метод решения задачи заключается в проектировании гибкого фундамента и надфундаментного строения такой конструкции, которая можег деформироваться без конструктивных повреждений в соответствии с деформациями основания. Очевидно, что это решение не может быть принято, если по архитектурным или эксплуатационным соображениям требуется сравнительно жесткая конструкция. Однако имеется много типов конструкций — металлические резервуары, одноэтажные и двухэтажные промышленные здания со стальными каркасом и обшивкой из волнистого железа или асбеста, которые могут испытывать большие деформации без каких-либо вредных последствий. Часто предпочтительнее допускать деформации, чем идти на значительные затраты при сооружении жесткого фундамента.
 Проектирование гибкого фундамента не может базироваться лишь на расчете напряженйй в плите. Кроме этого, необходимо определить на основании прогноза осадки максимальный прогиб, который может испытать фундамент, и выбрать толщину плиты и количество арматуры так, чтобы плита не давала видимых трещин, допускающих значительное просачивание грунтовых вод, даже если плита деформируется при этом в соответствии с расчетным допускаемым прогибом. В качестве предварительных соображений можно указать, что количество арматуры целесообразно принять равным 1 в каждом из взаимно перпендикулярных направлений и поровну распределить ее между верхней и нижней зонами плиты. Толщина плиты не должна быть больше приблизительно 0,01 радиуса упругой кривой, но около колонн и стен для предотвращения разрушения от скалывающих напряжений могут оказаться необходимыми местные увеличения толщины.
 310

В каждом отдельном проекте окончательный выбор критериев для расчета и проектирования обусловливается многими факторами и для решения возникающих вопросов требуется большой опыт. Поэтому проектирование гибкого фундамента на сжимаемых грунтах так же, как и проектирование жесткого фундамента, не является стандартной задачей.
 Глава 22
 ПОДПОРНЫЕ СТЕНКИ И УСТОИ МОСТОВ
 § 22.1. ВВЕДЕНИЕ
 Правильно спроектированная подпорная стенка или устой должны удовлетворять двум почти независимым друг от друга требованиям.
 Во-первых, для того чтобы обеспечить надежность конструкции против опрокидывания и недопустимой осадки, давление на грунт под подошвой не должно превышать допускаемого, а конструкция в целом должна иметь соответствующий коэффициент запаса в отношении сдвига по подошве, а также по какому-либо слабому слою под подошвой. Соответствующие расчеты носят название р ас ч е т о в сооружения на устойчивость.
 Во-вторых, вся конструкция, так же как и ее элементы, должна обладать необходимой прочностью, и соответствующие расчеты носят название расчетов на прочность.
 На практике расчеты на устойчивость и на прочность производятся более или менее одновременно. Поэтому они рассматриваются в этой главе вместе.
 Подпорные стенки и устои' гравитационного и полугравитационного типов широко применяются в наше время, особенно в тех случаях, когда необходимо иметь сооружение с достаточной долговечностью при неблагоприятных климатических условиях. Проектирование таких конструкций, однако, относительно просто по сравнению с проектированием обратных стенок и устоев. Поэтому эта глава посвящается, в первую очередь, вопросам проектирования последних. Консольные подпорные стенки рассматриваются с § 22.2 по 22.5 включительно, а консольные устои — в § 22.8.
 Вообще проектирование подпорных стенок и устоев, как и многих других конструкций, ведется в основном методом последовательных приближений. Перед тем как приступить к расчету на устойчивость и прочность, должны быть приняты предварительные размеры сооружения. После расчета некоторые размеры должны быть уточнены и исправлены, прежде чем получится удовлетворительный проект.
 311

§ 22.2. РАЗМЕРЫ КОНСОЛЬНОЙ ПОДПОРНОЙ СТЕНКИ
 Фундамент. Фундамент обычной консольной подпорной стенки в целях экономии должен иметь минимальную ширину, но вместе с тем достаточную для того, чтобы обеспечить соответствующую устойчивость сооружения против опрокидывания и сдвига и чтобы давление на грунт не превосходило допускаемого. Отношение ширины фундаментов к высоте стенки обычно колеблется от 0,4 до 0,65.
 Меньшие величины отношения принимаются тогда, когда фундамент опирается на прочный грунт с большой несущей способностью, и если поверхность засыпки горизонтальна и состоит из песка или гравия. В том случае, когда прочность грунта основания или засыпки относительно невелика и когда поверхность засыпки имеет уклон, указанное отношение может приближаться к 0,6 и даже превышать его. Кроме того, на ширину фундамента оказывают влияние дополнительные нагрузки, приложенные к засыпке позади стенки, например нагрузка от подвижного состава или сооружений.
 Толщина фундамента и сечений стенки является функцией поперечных сил и моментов. Поэтому на толщину фундамента в значительной степени влияет относительное положение стенки на фундаменте. Если вертикальная плита стенки расположена так, что передняя грань фундамента выступает за переднюю
 грань стенки примерно на ширины фундамента, то толщина
 о
 фундамента находится в пределах от — до —высоты вертикаль-
 2 8
 ной стенки.
 Глубина заложения фундамента стенки должна быть достаточной для того, чтобы избежать смещений, вызываемых замерзанием и оттаиванием почвы. Необходимая глубина колеблется от нескольких сантиметров в самых южных штатах до 2,5 м в некоторых северных районах США. Даже тогда, когда глубина нромерзания мала, фундамент лучше помещать ниже зоны сезонных колебаний объема,, вызываемых изменениями влажности грунта. Это особенно важно, если сооружение возведено на набухающих глинах. Во многих случаях необходимо закладывать фундамент на глубине гораздо большей, чем эти минимальные величины, чтобы достичь слоя грунта, способного выдержать оказываемое на него давление.
 Вертикальная плита стенки. Толщина вертикальной плиты стенки должна быть достаточной, чтобы надежно воспринимать действие поперечных сил и моментов, обусловленных давлением земли на заднюю грань стенки. Кроме того, значительное влияние на толщину вертикальной плиты оказывает угол наклона откоса засыпки. Толщина верхней части стенки должна быть доста¬
 312

точной для того, чтобы обеспечить возможность легкой укладки бетона.
 Критическое сечение при расчете на действие поперечной силы и момента принимается в месте соединения вертикальной плиты с фундаментом. Чтобы обеспечить соответствующую прочность, в этом сечении обычно увеличивают толщину вертикальной плиты книзу на 2—6 см на каждый метр высоты.
 § 22.3. СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА ПОДПОРНЫЕ СТЕНКИ
 Для определения устойчивости и прочности консольная подпорная стенка рассматривается состоящей из трех отдельных: консольных плит (рис. 22.1). Основными расчетными силами является давление грунта РА, которое действует на вертикаль-
 а — схема сил расчета на устойчивость; б — схема сил для расчета отдельных элементов подпорной стенки: 1 — стенка; 2 и 3— распределение давления засыпки; I 4 _ распределение давления по подошве; 5 — равнодействующая сопротивлению сдвигу фундамента по подошве; 6—передняя консоль; 7 — задняя консоль
 ное сечение аб, проходящее через заднюю грань фундамента, давление грунта Рр , которое действует на вертикальное сечение cd, проходящее через переднюю грань консольной плиты фундамента, давление грунта £1, которое действует вертикально на подошву dby касательная сила вдоль подошвы db и вес различных частей стенки и массы земли над фундаментом.
 Давление земли. Давление, оказываемое засыпкой на подпорную стенку, может быть определено с достаточной точностью на основе теории только для таких условий, которые редко встречаются на практике. Прежде всего проектировщик должен знать, какие грунты будут использованы для засыпки и в каком состоянии они будут укладываться. Это требует тщательного наблюдения за работами по засыпке. Кроме того, после укладки засыпка должна быть защищена таким образом, чтобы ее фи¬
 Рис. 22. 1. Уголковая подпорная стенка
 3ia

зические свойства оставались неизменными. Эти условия очень удорожают работы и могут быть обеспечены лишь на самых больших и крупных стройках. В действительности, проектировщик может получить перед началом строительства только очень общее представление о материале засыпки, и поэтому вместо того, чтобы тратить время и энергию на теоретические вычисле-
 Рис. 22. 2. Г рафик для определения давления засыпки на 1 пог. м подпорной стенки (для стенок не выше 6 м)
 ] —крупнозернистый грунт без примеси мелких частиц с очень большой водопроницаемостью (чистый песок или гравий); 2 — крупнозернистый грунт с низкой водопроницаемостью, обусловленной примесью пылеватых частиц размером 0,05—0,005 мм 3—мелкий илистый песок со значительным' содержанием глины и элювий с камнями; 4 — очень мягкая или мягкая глина, органический ил или илистая глина
 ния давления грунта, лучше определить его при помощи графи ков и правил, имеющих частично теоретическую, а частично практическую основу.
 Такие графики приведены на рис. 22.2. Они могут применяться в тех случаях, когда тип засыпки можно отнести к одной из четырех категорий, указанных на графике.
 Разумное использование графиков требует знания некоторых основных принципов, которые суммированы в последующих абзацах.
 1. Если засыпка находится за абсолютно жесткой подпорной стенкой, то давление, оказываемое ею на стенку, имеет определенную величину, которая зависит от типа засыпки и от метода укладки. Это давление называется давлением грунта
 314

в состоянии покоя. Его интенсивность увеличивается прямо пропорционально глубине от поверхности земли.
 2. Если стенка отходит от засыпки, давление засыпки уменьшается непрерывно до тех пор, пока при определенной величине смещения стенки в засыпке происходит сдвиг по наклонной слегка изогнутой поверхности скольжения, как показано на рис. 22.3, а. На этой стадии сопротивление грунта сдвигу 5 по поверхности скольжения целиком использовано, причем направление касательных сил таково, что оно обусловливает уменьшение давления засыпки.
 В связи с этим на данной стадии давление засыпки достигает своей минимальной величины, известной под названием актив¬
 ного давления грунта. Дальнейшее перемещение стенки в этом же направлении не изменяет сколько-нибудь значительно давления засыпки.
 Лабораторные испытания и практика показали, что величина смещения, необходимая для снижения давления засыпки до величины, равной активному давлению, составляет около 0,1 от высоты стенки. Кроме того, было установлено, что большинство подпорных стенок могут и действительно прогибаются или смещаются на указанную величину без каких-либо нежелательных последствий. Поэтому можно принимать для расчета обычных подпорных стенок активное давление грунта. График на рис. 22.2 дает как вертикальные, так и горизонтальные компоненты активного давления.
 3. Наоборот, если стенка сдвигается в сторону засыпки (рис. 22.3,6), давление засыпки увеличивается непрерывно до тех пор, пока в определенный момент не произойдет сдвиг в засыпке по наклонной несколько изогнутой поверхности скольжения, которая теоретически имеет форму, отличную от поверхности, соответствующей поверхности скольжения при активном давлении. В момент сдвига сопротивление сдвигу по поверхности скольжения снова полностью мобилизовано. Касательные силы по этой поверхности действуют в таком направлении, что давле¬
 Ь
 Рис. 22. 3. Поверхность скольжения в случае вертикальной
 стенки
 а —стенка отходит от засыпки; б — сдвигается в сторону засыпки
 315

ние на стенку увеличивается. На этой стадии давление грунта достигает максимальной величины, называемой пассивным давлением грунта. Дальнейшее смещение стенкй не изменяет значительно этого давления.
 Перемещение, необходимое для того, чтобы вызвать пассивное давление, несколько больше того, которое вызывает активное давление. Величина коэффициента горизонтальной составляющей пассивного давления kp может быть определена приблизительно при помощи графика на рис. 22.2 и формулы
 где т — объемный вес грунта;
 kh — коэффициент горизонтальной составляющей активного давления, взятый по графику.
 Полное пассивное давление равно
 Р, - К Щ, (22.2)
 где tfj—есть высота сечения, на которое действует давление.
 В подпорных стенках обычно учитывается лишь горизонтальная составляющая пассивного давления.
 Можно считать, что интенсивность как активного, так и пассивного давлений для категорий грунтов, перечисленных на рис. 22.2, увеличивается прямо пропорционально глубине от поверхности земли.
 Пассивное давление часто не учитывается при расчете устойчивости подпорных стенок в связи с тем, что грунт перед стенкой может еще не получить надлежащего уплотнения или иногда может быть удален. Кроме того, прочность грунта может снизиться в результате промерзания, просачивания воды или растрескивания при усадке.
 Вертикальное давление на основание. Практика показала, что большинство разрушений подпорных стенок возникало в результате неправильной оценки строительных условий основания. Поэтому тщательное определение прочности и сжимаемости грунта как под подошвой стенки, так и под засыпкой является наиболее важным этапом в проектировании подпорной стенки. Все факторы, рассмотренные в части III в связи с выбором соответствующих типов фундаментов и определения допускаемого давления на грунт или нагрузок на сваи, также действительны для подпорных стенок, как и для любого другого сооружения.
 Обычно полагают, что давление по подошве подпорной стенки изменяется по линейному закону, как показано на рис. 22.1,а.
 Положение равнодействующей всех сил, действующих на грунт в уровне подошвы, может быть найдено посредством уравнения (20.1). Для обычных стенок требуется, чтобы равнодей-
 316

ствующая пересекала подошву в пределах средней трети. Отсюда следует, что вся площадь под подошвой теоретически подвергается только сжатию. Если это условие соблюдено, величина давления грунта на подошву может быть определена по уравнению (20.4).
 Из предшествующих рассуждений можно установить два основных положения при проектировании подпорных стенок:
 1. Эксцентрицитет равнодействующей, измеренный от оси подошвы, не должен превышать 7б ширины подошвы.
 2. Максимальное давление не должно превышать допускаемого давления на грунт.
 Эти критерии обычно определяют ширину подошвы. Если подпорная стенка опирается на скальный грунт, то допускается увеличение эксцентрицитета. Однако, чтобы обеспечить соответствующую безопасность против опрокидывания, большинство проектировщиков предпочитает ограничивать эксцентрицитет, допуская его не более V4 ширины подошвы. В этом случае равнодействующая должна пересекать плоскость подошвы в пределах средней половины, даже если давление у передней грани фундамента может быть значительно меньше. Когда равнодействующая лежит за пределами средней трети, максимальное давление по переднему краю фундамента должно определяться уравнениями (20.5) и (20.6), так как при этом сжатие распространяется не по всей площади подошвы.
 Силы, противодействующие сдвигу. По рис. 21.1,а горизонтальной составляющей давления засыпки РА должно противодействовать сопротивление сдвигу между грунтом основания и подошвой сооружения и пассивное давление грунта, соприкасающегося с передней гранью стенки.
 Отношение противодействующих сил к горизонтальной составляющей РА называется коэффициентом устойчивости против сдвига. Это отношение должно быть не меньше 1,5. При определении коэффициента устойчивости следует пренебрегать пассивным давлением грунта, если местные условия не допускают надежного определения его нижнего предельного значения и если возможность его возникновения не обеспечена при обратной засыпке1.
 Сопротивление сдвигу между подошвой и грунтом в значительной степени зависит от характера грунта. Если поверхность контакта между бетоном и грунтом неровная, можно рассчитывать на максимальную величину сопротивления сдвигу грунта. Способы определения сопротивления различных грунтов сдвигу
 1 Это давление не следует учитывать еще и то той причине, что для его развития требуется значительное смещение стенки, обычно недопустимое. (Ред.).
 317

рассматривались в §§ 2.10; 2.11; 2.12. При отсутствии испытаний сопротивление сдвигу между подошвой и грунтом может быть принято равным нормальной силе EV, помноженной на коэффициент трения, если прочность грунта определяется в основном внутренним трением.
 Значения коэффициентов трения могут быть приняты следующими: для крупнозернистых песков без примесей пылевидных фракций — 0,55; для крупнозернистых песков с примесью пыли— 0,45; для пылеватых грунтов (илов) —0,35.
 Если подошва фундамента подпорной стенки расположена на глине, сопротивление сдвигу при скольжении должно приниматься равным сцеплению глины, которое можно считать равным половине прочности на одноосное сжатие. Если глина жесткая или твердая, то перед укладкой бетонного фундамента следует сделать ее поверхность неровной-
 Если коэффициент устойчивости против сдвига меньше 1,5, то проект следует переделать. Сопротивление сдвигу можно увеличить при помощи зуба, который заглубляется в грунт ниже подошвы, как показано на рис. 22.4, или же для того, чтобы увеличить поверхность скольжения, уширяют подошву. При том же объеме бетона зуб обычно считается более эффективным мероприятием, но, с другой стороны, уширение подошвы может быть произведено с меньшими затратами.
 Эффективность неглубокого зуба часто переоценивается. Рассмотрение равновесия блока bcde (рис. 22.4) приводит к заключению, что общая горизонтальная сила, действующая на зуб, не может быть больше, чем сумма силы Рк и сопротивления сдвигу S по поверхности de. Однако мало вероятно, чтобы S было гораздо больше, чем сопротивление сдвигу по Ьс при отсутствии зуба. По этой причине любая дополнительная горизонтальная сила, полученная благодаря применению зуба, не может быть больше чем Pk и дополнительное сопротивление скольжению, оказываемое выступом зуба ниже подошвы, может быть определено как нижний предел пассивного сопротивления грунта по поверхности be в момент укладки засыпки за стенкой и в течение всей последующей работы подпорной стенки.
 Любая оценка пассивного сопротивления по плоскости a be, или любой ее части является в лучшем случае лишь грубым приближением. Кроме того, выемка грунта под зуб нарушает основание во время строительства, и в некоторых случаях может, весьма вероятно, принести больше вреда, чем пользы.
 рнш
 с
 Удлинение
 плиты
 ):Y
 JLJ W
 Рис. 22. 4 Увеличение сопротивления сдвигу при помощи зуба, заглубленного в грунт ниже подошвы
 318

С другой стороны, если подпорная стенка опирается на скальный или на очень жесткий связный грунт, зуб может оказаться эффективным средством создания дополнительного сопротивления сдвигу. При .таких грунтовых условиях на плоскость be (рис. 22.4) действует более значительное и надежное пассивное сопротивление Pk Кроме того, сила S, возникающая по поверхности de, вероятно превысит сопротивление сдвигу по плоскости Ьс, которое было бы использовано при отсутствии зуба.
 § 22.4. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНСОЛЬНОЙ ПОДПОРНОЙ СТЕНКИ
 В предыдущих параграфах был рассмотрен расчет размеров отдельных частей консольных подпорных стенок и основных сил, действующих на конструкцию. Последовательность проектирования подпорных стенок может быть следующей:
 1. Выбираются предварительные размеры конструкции, включая размеры вертикальной плиты и фундамента, а также расположение вертикальной плиты на фундаменте.
 2. Определяется величина равнодействующей всех сил, действующих выше подошвы фундамента, как указано на рис. 22.1.
 3. Определяется точка пересечения равнодействующей сил, найденных в п. 2, с подошвой фундамента. Положение этой точки является критерием устойчивости стенки против опрокидывания.
 4. Определяется величина давления на грунт по подошве фундамента.
 5. Проверяется коэффициент устойчивости против сдвига.
 6. Производится конструирование вертикальной стенки и передней и задней консольных плит.
 В результате расчетов по п. 3 и 6 почти всегда оказывается необходимым исправление предварительно принятых размеров по п. 1.
 § 225. ПРИМЕР РАСЧЕТА КОНСОЛЬНОЙ ПОДПОРНОЙ СТЕНКИ
 Следует указать, что максимальное давление на грунт у передней грани фундамента при определении его согласно методам, указанным в § 20.2, несколько меньше, чем допускаемая величина. Это свидетельствует о том, что ширина подошвы могла бы быть уменьшена. Однако дальнейшие исследования показывают, что уменьшение ширины может быть лишь очень незначительным (если вообще оно возможно), так как при подобном уменьшении коэффициент запаса на скольжение получается недостаточным.
 Вес нагрузки, перерезывающие силы и моменты даны на
 1 пог. м подпорной стенки.
 319

1. Исходные данные
 1. Расчетная схема (рис 22.5)
 2. Грунт засыпки 2-й группы.
 По рис. 22.2 принимаем 7 2 тж3.
 3. Допускаемое давление на грунт —1,5 кгсм2.
 4. Коэффициент трения между грунтом и подошвой 0,55.
 5. pv .0,2-5,523 тпог. м
 Ph —0,63.5,529,5
 У. Расчет устшйчивости J. Моменты относительно ребра А:
 Плодадь в ма
 Блоки
 1
 2
 3
 • 1,5»0,5
 1,5.4,5 0,3.4,5
 — .0,2.4,5
 2
 3.0.5
 1.0.5
 Сила в т
 Плечо в м
 Момент в тм
 0,38.20,76
 0,5
 0,38
 0,8.213,6
 0,75
 10,2
 1,35.2,43,22
 1,65
 5,3
 0,452,41,08
 1,86
 2,01
 1,5.2,43,6
 1,5
 5,4
 0,5.21
 2,5
 2,5
 Р7,3 г
 1
 'о ;
 Г)
 ‘К
 L
 рог 6
 о': •:о 0,
 .' 0; О
 Г
 •V

 ■ 0 о.; ’•о
 с
 1У-
 •j.-rf
 уЗ
 2
 s
 — 5,3 ...
 ,r cs
 .о',' V
 ••Га1
 ri 1 ,6. e, •, ’ -
 1
 -1М--
 ОД
 и
 --Дм —►-
 Af А
 vi26,26r « 26,3 г
 43,09 43,1 гж
 Рн УН9,Ьт
 2. Расстояние точки приложения равнодействующей от ребра Л
 43,1
 жз-1'64
 эксцентрицитет
 3
 е 1,64 — 1,5 0,14 —.
 6
 3. Давление на грунт по подошве — 1,1 кг см2
 26,3 6.0,14
 0 I 1 “Ь о
 Рис. 22. 5.
 7. Расчет устойчивости на сдвиг
 1. Допускаемое сдвигающее усилие по подошве
 26,3-0,55 14,5 т.
 2. Пассивное давление с передней стороны:
 2.22

(14,5 2,3) : 9,5 1,78Следов ательно, устройства зуба не требуется.
 § 22. в. ПОДПОРНЫЕ СТЕНКИ НА СВАЯХ
 Введение. Подпорная стенка устанавливается на свайном фундаменте, когда в основании на значительную глубину залегает слишком слабый или сжимаемый грунт, не обладающий над¬
 лежащей несущей способностью. Кроме того, если для обеспечения соответствующего коэффициента устойчивости против сдвига, либо для того, чтобы вертикальное давление на грунт не превышало допускаемого, требуется слишком большая плита, то может оказаться более экономичным осуществить подпорную стенку на свайном фундаменте, как показано на рис. 22.6.
 Расположение свай, приведенное на рис. 22.6, типично для подпорных стенок высотой приблизительно от 4,5 до 6 м, подверженных действию относительно небольших горизонтальных нагрузок.
 Для более высоких стенок и более тяжелых условий загружения иногда бывает необходимо забить одинаковое количество свай во всех рядах, причем наклонные сваи забиваются болеё чем в один ряд.
 Проектирование фундаментов на наклонных сваях основывается на предположении, что в расчет вводятся лишь те горизонтальные силы, которые действуют выше уровня подошвы подпорной стенки. В тех случаях, когда горизонтальные силы,
 S)
 две
 —1——г—
 Рис. 22. 6. Свайный фундамент под подпорной стенкой
 а — вертикальное сечение; б — план
 21 Зак. 1274
 321

действующие на ту часть грунта, в которой находятся сваи, гораздо больше сил, действующих непосредственно на стенку, наклонные сваи могут оказаться не эффективными. Подобные случаи были рассмотрены в § 15.7.
 Вертикальные силы, действующие на сваи. Если сваи располагаются в плане та1к, как показано на рис. 22.6,6, то центр тяжести свай обычно лежит вблизи линии действия равнодействующей , и нагрузки на сваи приблизительно равны. Нагрузки на вертикальные сваи в рядах В и С, так же как и вертикальная составляющая нагрузки на сваи в ряду Л, обычно определяются из уравнения (20.10). Из рис. 22.6,6 ясно, что полоса а, содержащая четыре сваи основания, непрерывно повторяется по длине фундамента. В связи с этим можно применить уравнение (20.10) к этому участку фундамента над четырьмя сваями. На рис. 22.6 видно, что равнодействующая сила R лежит влево от центра тяжести свай. Следовательно, вертикальная нагрузка на сваю, расположенную в ряду Л, больше, чем нагрузка на сваю в рядах В и С.
 С другой стороны, если бы эксцентрицитет лежал вправо от центра тяжести, то сваи в рядах В и С подвергались бы большей нагрузке, чем сваи в ряду Л. Величина момента, который действует по подошве ростверка, равна произведению суммы вертикальных нагрузок ЕУ на. эксцентрицитет е. Эксцентрицитет измеряется от центра тяжести свай, а не от оси ростверка.
 Горизонтальные силы, действующие на сваи. Горизонтальная нагрузка £, приложенная у подошвы ростверка к сваям, передается последними на грунт, в который они забиты. Вертикальные Сваи не могут существенно влиять на коэффициенты устойчивости стенки против сдвига по подошве или по какому-либо слабому слою основания. Если прочность грунта, в который забиты сваи, недостаточна для обеспечения необходимого коэффициента устойчивости, то сопротивление сдвигу может быть увеличено путем применения наклонных свай.
 Обычно считают, что сопротивления наклонных свай и грунта под стенкой действуют одновременно, т. е. что может иметь место достаточно большое поперечное смещение стенки, необходимое для развития предельных значений обеих сил без разрушения.
 Принято считать, что вертикальная нагрузка на наклонную сваю не отличается от нагрузки, которую несла бы вертикально забитая свая. Вертикальная составляющая нагрузки на наклонную сваю может быть определена при помощи уравнения (20.10). Если равнодействующая нагрузки Р (рис. 22.7, а) направлена по оси сваи, то горизонтальную составляющую этой равнодействующей можно определить, зная вертикальную составляющую и наклон сваи. Схема действия сил на отдельную наклонную сваю показана на рис. 22.7, б.
 322

Стадии проектирования. При проектировании фундамента с наклонными сваями должны быть соблюдены два условия:
 1. Осевая нагрузка на любую сваю не должна превышать безопасную нагрузку на сваю.
 a) v р
 Рис. 22. 8. Схема сил, действующих на сваи под подпорной
 стенкой
 а —схема действия сил; б — многоугольник сил
 2. Сумма горизонтальных составляющих сил в наклонных сваях должна равняться сумме внешних сил ЕЯ. Поскольку для наклонной сваи соотношение между осевой нагрузкой и ее горизонтальной составляющей зависит от наклона сваи, который вначале неизвестен, то наиболее удобно вести проектирование методом попыток. Для типичного (рис. 22.8) случая последовательность проектирования такова:
 Рис. 22. 7. Силы, действующие на наклонную сваю а — план сил; б'—треугольник сил
 IV
 21
 323

1. Выбирается предварительное расположение свай в плоскости подошвы стенки.
 2. Определяются вертикальные силы UА, Рв, и Рс в каждой свае при помощи уравнения (20.10).
 3. Сравниваются вертикальные силы в наклонных сваях с допускаемой осевой нагрузкой на сваю. Максимальная вертикальная сила в наклонной свае должна быть принята предварительно примерно на 8 меньше допускаемой осевой нагрузки, чтобы учесть влияние наклона сваи.
 4. Строится многоугольник сил (рис. 22.8,6). Согласно этой диаграмме, если сваи в ряду А воспринимают всю горизонтальную силу £, то они должны иметь наклоны ло линии FG. Тогда этот наклон будет равен
 т 12 Ш. (22.3)
 YV'
 где т — наклон свай (отношение горизонтальной проекции сваи к вертикальной);
 £ — горизонтальная сила, воспринимаемая наклонными сваями;
 £ V' — сумма вертикальных сил, действующих на наклонные сваи. Для условий, показанных на рис. 22.8.
 2 К' 2Va.
 5. Проверяется, осуществим ли требуемый наклон (см. § 9.1). Если нет, то необходимо изменить положение и размещение свай, или же применить наклонные сваи не в одном, а в большем количестве рядов, как указано далее.
 6. Рассчитываются осевые нагрузки .в наклонных сваях и сравниваются с безопасными осевыми нагрузками. Если они будут больше последних, то требуется перепроектировать наклонные сваи.
 Если горизонтальная сила ЕЯ велика, может оказаться необходимым установить не один ряд наклонных свай, а больше. Если наклонные сваи используются в ряду В, так же как и в ряду А у и если в обоих рядах желателен одинаковый наклон, то линия, соединяющая Е и G (рис. 22.8, б) дает соответствующий наклон. Отсюда очевидно, что уравнение (22.3) остается применимым, если сумма вертикальных сил SV' включает Рв.
 В некоторых проектах наклон свай принимается различным в отдельных рядах. Во многих случаях технические соображения, или данные испытания грунта могут привести к решению передать лишь незначительную часть суммарной горизонтальной силы на наклонные сваи. В любом случае схема действия сил, подобная той, которая приведена на рис. 22.8, б, может быть полезной при установлении целесообразности наклона свай в отдельных рядах.
 324

Величину т по уравнению (22.3) обычно определяют с точностью до 7,5 см на 1 м. Большей точности не следует добиваться из-за условности отдельных исходных положений и неопределенности условий производства работ.
 § 22.7. ПРИМЕР РАСЧЕТА ФУНДАМЕНТА С НАКЛОННЫМИ СВАЯМИ
 Целью этого примера является иллюстрация способа проектирования свайных фундаментов с некоторым числом наклонных свай, обеспечивающих устойчивость конструкции под действием горизонтальных нагрузок.
 Для расчета выбрана консольная подпорная стенка, так как подобная же конструкция была рассмотрена в § 22.5.
 Прежде всего находятся вертикальные составляющие реакций свай в соответствии с изложенными в § 20.7 указаниями. Затем в качестве горизонтальной нагрузки, которая может быть допущена для каждой сваи исходя из прочности грунта, в который забиваются сваи, и сопротивляемости свай изгибу, принимается сила в 1 т. Далее определяются наклоны для первого и второго рядов при помощи многоугольника сил, подобного тому, который изображен на рис. 22,8,6. Наконец, равнодействующая нагрузка на сваю в первом ряду сопоставляется с допускаемой нагрузкой.
 I. Исходные данные
 1. Засыпка грунтом 2-й категории (см. рис. 22.2), 7 2 тж3,
 2. Допускаемая нагрузка на сваю 12 т.
 3. Расчетные схемы (рис. 22.9 и рис. 22.10)
 II. Расчет
 Моменты относительно А. Путем расчетов., аналогичных при• веденным в предыдущем примере, находим:
 Ш Ph 7,7 г; W 23,8 г; ЪМА 39,2 тм.
 Расстояние от точки А до точки приложения равнодействующей:
 39,2 : 23,8 1,65 м
 или на 0,25 м левее оси второго ряда.
 Центр тяжести свай и эксцентрицитет:
 20,9 1,8;
 1 • 0,9 М
 0,9:4 0,23 левее ряда 2.
 Тогда е 0,25—0,23 0,02 м.
 Моменты сопротивления (2d2)
 2.(0,9—0,23)20,9 1-0,2320,05 1-1,1321,30 I rf22,25
 325

Ряд 1 — 2,25 : 0,67 3,35 Ряд 2 — 2,25 0,23 9,8.
 Ряд 3 — 2,25 : 1,13 2.
 Нагрузки и моменты на полосе шириной 1,8 м:
 ХЯ 7,7 1,8 13,9 т;
 £ V 23,8 • 1,8 44 »
 Ш UVe 44 • 0,2 0,88 тм-
 Вертикальные компоненты реакций овай (по формуле (20.10):
 Ряд 1 —44: 40,88: 335 11,26 т.
 Ряд 2 — 44 : 4—0,88 : 9,8 10,91 т.
 Ряд 3 — 44 : 4—0,88 : 2 10,56 т.
 Г оризонта льн ые нагр.узки на сваи. Принимаем, что каждая свая за счет сопротивления изгибу и пассивного сопротивления грунта может воспринимать
 10,3 9,3 2,7 ЗАЗЗ'3.6
 Рис. 22. 10.
 Горизонтальную силу, равную 1 т, а всего на полосе — I 4 4 г Тогда на наклонные сваи остается
 13,9—4 9,9 т.
 Согласно построению, на рис. 22.10 наклонные сваи могут воспринять 10,3 т:
 10,3 т9,9 т.
 Из многоугольника сил следует, что вертикальные оваи должны воспринимать 3,6 т, т. е. на каждую приходится 3,6 :4 0,9 « 1 т.
 Максимальное усилие -в свае
 V 11,3а 3,8 11,8 т- 12 т.
 326

§ 22.8. УСТОИ МОСТА
 Общие положения. Положения, принятые для оценки условий устойчивости и прочности консольных подпорных стенок в большей своей части применимы также к консольным устоям, крыльям и обратным стенкам. В этом параграфе подробно рассмотрены вопросы проектирования консольных устоев. Типичный консольный устой с обратными стенками показан на рис. 22.11. Другие типы устоев были описаны в § 11.3.
 Величины сил, действующих на отдельные части устоя, устанавливаются с учетом совместной работы всех элементов конструкции.
 Например, обратные стенки обычно считаются работающими как обычные подпорные стенки и проектируются соответствующим образом. Однако сила РА (рис. 22.12, а) должна вызывать поперечную силу, момент и растяжение в вертикальных сечениях у угла А. Поэтому, если конструкция монолитна, то статическая работа стенок на этом участке значительно отличается от статической работы вертикальных консольных стенок. Кроме того, в соответствии с изложенным в § 22.3, для возникновения условий развития активного давления грунта за подпорной стенкой необходим некоторый наклон стенки, иначе давление засыпки может оказаться значительно больше принятого активного давления.
 Монолитные устои. Данные эксплуатации сооружений показали, что у угла А могут образовываться трещины (рис. 22.12, а), если не предусмотрен шов между обратными стенками и перед-
 Ппон
 Сечение Д-Д
 Рис. 22. 11. Консольный устой
 1 — обратные стенки; 2 — передняя стенка; 3, 4 — подферменнай площадка; 5 — площадка для опирания перекрывающей плиты
 327

ней стенкой устоя. Однако наиболее существенной причиной разрушения является недостаточная конструктивная прочность на этом участке. Деталь угла монолитной конструкции показана на рис. 22.12,6. Необходимое количество горизонтальной арматуры и толщина бетона у угла могут быть определены лишь примерно и должны возрастать при увеличении угла между обратными стенками и передней стенкой устоя. Если сопряжение выполнено подобно показанному на рис. 22.12Д и конструкция в остальном правильно спроектирована, то нет причин ожидать неудовлетворительной работы устоя в угловом сечении.
 Рис. 22. 12. Деталь шва между передней и обратной стенками устоя (а), армирование при монолитной конструкции (б), шов, обеспечивающий возможность независимой осадки (в)
 1 — обратная стенка; 2 нижняя плита; 3 — горизонтальная арматура в углах; • 4 — шов; 5 — компенсатор из медного листа; 6 — арматура для восприятия температурных напряжений
 Устои со швами у обратных стенок. Некоторые инженеры считают наиболее эффективным и экономичным устройство швов в каждом углу (рис. 22.12,6). Такой шов обеспечивает раздельную работу обратных стенок и передней стенки устоя, как вертикальных консолей. Он также допускает возможность перемещений друг относительно друга указанных элементов сооружений, вызванных температурными изменениями. Выступ в бетоне у передней части шва обусловливает возможность значительного относительного перемещения без нарушения внешнего вида конструкции.
 Работа фундаментной плиты. Фундаментная плита устоя, показанная на рис. 22.11, обычно выполняется как неразрезная конструкция, с которой жестко связаны и обратные стенки и передняя стенка устоя. Однако при расчетах на прочность, независимо от наличия или отсутствия швов, обычно предполагают, что через плиту в месте соединения обратных стенок с передней стенкой
 328

устоя проходит фиктивный шов. Таким образом, принимают, что устой состоит из трех совершенно независимых элементов.
 Эго предположение диктуется соображениями осторожности при расчете устойчивости конструкции в целом, так как сопротивление всей плиты, работающей как единый элемент, больше чем суммарное сопротивление трех участков, работающих раздельно. Сопротивление быстро увеличивается с увеличением угла между обратными стенками и передней стенкой устоя. С другой стороны, неразрезная конструкция фундаментной плиты и монолитность сопряжения обратных и передней стенки несомненно уменьшают опасность их опрокидывания. Это одновременно несколько увеличивает давление земли, но не принимается во внимание, так как соответствующая ошибка, хотя и идет не в запас прочности, относительно мала.
 Дополнительные нагрузки, кроме давления грунта. Предыдущие рассуждения показали, что обратные стенки обычно рассматриваются как консольные подпорные стенки. Поэтому процесс их проектирования аналогичен тому, который приведен в §§ 22.S и 22.7.
 С другой стороны, передняя стенка устоя должна сопротивляться воздействию некоторых дополнительных сил, кроме активного давления. Дополнительными силами являются нагрузка от пролетного строения моста и увеличенное давление грунта, вследствие нагрузки от подвижного состава на засыпку.
 Нагрузка от пролета моста может передаваться на подферменную площадку устоя различным образом.
 На рис. 22.13 показаны типичные для небольших мостов опорные конструкции. Каток, показанный на рис. 22.13, а, обеспечивает возможность температурных расширений пролетного строения моста. Если пренебречь трением качения, то сила, передаваемая на устой, будет нормальна к нижней опорной плите.. Опорная конструкция, приведенная на рис. 22.13,6, не допускает возможности свободных горизонтальных перемещений пролетного строения, и поэтому на устои передается дополнительная горизонтальная сила (распо-р).
 Хотя вертикальные и горизонтальные силы от пролетной части представляют собой сосредоточенные нагрузки, обычно предполагают, что последние распределяются по всей длине передней стенки устоя равномерно. Соответственно сумма горизонтальных или вертикальных сил делится на длину стенки, чтобы получить нагрузку на 1 пог. му которую можно будет использовать при расчетах. Этот способ достаточно точен для большинства случаев. Однако при проектировании низких устоев, где усилия от пролетной части приложены на больших расстояниях друг от друга, нужно предварительно оценить возможную ширину, по которой следует распределить опорные реакции.
 Давление грунта на тыловые грани устоя увеличивается при действии на насыпь подвижной нагрузки. Это увеличение зави-
 329

Рис. 22. 13. Типовые опорные конструкции для небольших мостов
 1 — двутавровая балка; 2 — верхняя опорная плита; 3— каток;
 4 — прокладка; 5 — свинцовая плита; 6 — нижняя опорная плита; 7 — анкерные болты
 Рис. 22. 14. Схема действия горизонтальных сил на консольный устой

сит от рода грунта, от расположения нагрузки по отношению к устою, а также и от величины нагрузки. При расчете устоя следует учитывать указанное увеличение давления насыпи. Обычно предполагают, что нагрузка от подвижного состава эквивалентна некоторой равномерно распределенной нагрузке, определяемой по действующим нормам.
 Эту нагрузку обычно рассматривают как добавочный слой засыпки с высотой hs (рис. 22.14).
 Предполагают, что соответствующее дополнительное горизонтальное давление распределяется равномерно и равняется khxhst где kh—
 Рис. 22. 15. Перекрывающая плита устоя шоссейного моста
 — плита моста; 2—перекрывающая плита; 3—обычная мостовая; 4 — обратная засыпка; 5 — устой
 коэффициент, зависящий от типа засыпки. Значение kh может быть определено по рис. 22.2. Поскольку дополнительное давление khx распределяется равномерно, полагают, что равнодействующая сила Phs приложена посередине высоты вертикального сечения ab.
 Выше принималось, что подвижная нагрузка может передаваться непосредственно на засыпку. Однако на шоссе с бетонным покрытием обычно применяются сильно армированные бетонные плиты, опирающиеся на заднюю часть стенки устоя и простирающиеся примерно на 4,5—6 м в сторону насыпи.
 Основным назначением такой плиты является перекрытие ступеньки, вызванной различием в осадке насыпи позади устоя я самого устоя. Типичная конструкция такой плиты показана на рис. 22.15. Следует отметить, что большая часть реакции, вызванной нагрузками от машин на эту плиту, передается на устой
 Рис. 22. 16. Схема возникновения момента в верхней части консольного устоя при действии нагрузки от колес непосредственно над парапетной стенкой
 1 — подвижная нагрузка (от колес);
 2 — мост; 3 — обратная засыпка;
 4 — давление засыпки; 5 — арматура, воспринимающая напряжения, вызванные моментом (другая арматура не показана).
 331

в месте опирания. Поэтому сила Phs (рис. 22.14) при расчете обычно заменяется вертикальным давлением плиты на устой.
 Независимо от того, применяется или нет указанная перекрывающая плита при проектировании устоев для шоссейных мостов, следует учитывать вероятность того, что колеса могут быть расположены непосредственно на стенке, как показано на рис. 22.16. Очевидно, что нагрузка от колес вызовет момент относительно сечения а—а. Поэтому в некоторых случаях может потребоваться значительное армирование передней грани стенки, чтобы обеспечить соответствующую прочность при действии момента в сторону засыпки.

ОГЛАВЛЕНИЕ
 Стр.
 Предисловие редактора 3
 Предисловие 7
 Часть . Свойства материалов оснований
 Глава 1. Грунты и скальные породы ........ 9
 § 1. 1. Основные характеристики скалы и грунта ... —
 § 1. 2. Описание и полевое определение скальных пород 11
 §1.3. Описание и полевое определение грунтов . 17
 § 1. 4. Индексационные свойства грунтов . 21
 § 1.5. Свойства грунтовых частиц . 22
 § 1.6. Соотношение между весом и объемом грунтового агрегата 26
 § 1. 7. Структура и консистенция грунтового агрегата .... 34
 § 1.8. Системы классификации грунтов 42
 §1.9. Порядок работы при классификации и описании материалов основания . • • 54
 Глава 2. Физические свойства грунтов и скальных пород ... 58
 § 2. 1. Водопроницаемость грунта . . . . ’—
 § 2. 2. Водопроницаемость скальных пород . . . 65
 § 2. 3. Межчастичное и поровое давление . 66
 § 2. 4. Влажность грунта, дренаж и явления при замерзании 70
 § 2. 5. Деформативные характеристики грунтов 75
 § 2. 6. Деформативные характеристики песчаных грунтов 77
 § 2. 7. Деформативные характеристики глинистых грунтов 78
 § 2. 8. Методы исследования прочности грунта и скалы . 91
 § 2. 9. Сопротивление песка сдвигу ....... . 92
 § 2.10. Сопротивление сдвигу ила и илистого пеока . . 95
 § 2.11. Сопротивление сдвигу глины 96
 § 2.12. Сопротивление сдвигу и лрочность скалы при сжатии 98
 Глава 3. Техника исследования грунтовой толщи . 99
 § 3. 1. Методы разведки грунтов ... —
 § 3. 2. Разведочное бурение 100
 § 3. 3. Отбор образцов 104
 § 3. 4. Прямые методы измерения консистенции й относительной плотности . 109
 § 3. 5. Прочие методы исследования грунта . . . 112
 § 3. 6. Запись результатов полевых исследований . . 115
 Глава 4. Характер природных отложений ... 116
 § 4. 1. Происхождение природных отложений —
 § 4. 2. Грунтовые отложения, образовавшиеся в период оледенения 118
 § 4. 3. Речные отложения 124
 § 4. 4. Эоловые отложения 128
 § 4. 5. Береговые отложения .... 129
 § 4. 6. Материковые скальные породы и элювиальные грунты 131
 Глава 5. Объем исследований грунтов .... . 135
 § 5. 1. Составление программы исследований 136
 333

Стр
 Часть II. Типы фундаментов и методы их сооружения
 Глава 6. Разработка котлована и крепление его откосов 140
 § 6. 1. Введение .... —
 § 6. 2. Котлованы без крепления 141
 § 6. 3. Крепление откосов неглубоких.котлованов 142
 § 6. 4. Крепление откосов глубоких котлованов . . 143
 § 6. 5. Подвижки грунта, связанные с рытьем котлованов 145
 Глава 7. Дренаж и стабилизация грунта . . 146
 § 7. 1. Введение —
 § 7. 2. Дренажные канавы и зумпфы 147
 § 7. 3. Иглофильтры .... . 148
 § 7. 4. Глубинные насосы . . 150
 § 7. 5. Уплотнение грунту с помощью (песчаных свай . . —
 § 7. 6. Различные способы осушения и укрепления грунтов 151
 Глава 8. Раздельные и сплошные фундаменты 153
 § 8. 1. Типы фундамента —
 § 8. 2. История развития фундаментостроения —
 § 8. 3. Общие положения 155
 § 8. 4. Допускаемое давление на грунт 156
 § 8. 5. Обычный метод определения размеров фундамента для
 обеспечения одинаковой осадки . . . . 157
 § 8. 6. Определение размеров фундамента 158
 § 8. 7. Групповые фундаменты . . 160
 § 8. 8. Сплошной фундамент . . . 161
 § 8. 9. Полы, опирающиеся на грунт 162
 § 8.10. Дренаж и гидроизоляция . . —
 Глава 9. Свайные фундаменты . . . 165
 § 9. 1. Типы „свай ... . . 166
 § 9. 2. Забивка свай 170
 § 9 3. Работа свай на вертикальную нагрузку 173
 § 9. 4. Свайные ростверки 175
 Глава 10. Опоры . . . 178
 § 10.1. Определения ........ —
 § 10. 2. Способы сооружения опор ...... —
 Глава 11. Мостовые опоры, подпорные стенки и устои 186
 § 11.1. Мостовые опоры ... ... 187
 § 11.2. Подпорные стенки —
 § 11.3. Устои 190
 Глава 12. Усиление и подводка фундаментов . 191
 § 12.1. Временные усиления ... —
 § 12.2. Подводка фундаментов . . . 193
 Часть III. Проектирование и расчет оснований и выбор типа фундамента
 Глава 13. Факторы, определяющие выбор типа фундамента 195
 § 13.1. Основные стадии проектирования . —
 § 13.2. Несущая способность и осадка . 197
 Глава 14. Фундаменты на песке ......... 199
 § 14.1. Основные характеристики песчаных отложений . 200
 § 14.2. Фундаменты на песке § 14.2.а. Примеры расчета фундаментов на песчаном грунте 208
 § 14.3. Сплошные фундаменты на песчаном грунте . . 213
 § 14.3,а. Расчет сплошного фундамента на песке 214
 § 14.4. Свайные фундаменты .в песчаных грунтах 216
 § 14 5. Опоры на песчаном основании .... 221
 § 14.6. Земляные работы в песчаных грунтах 222
 § 14.7. Влияние вибрации 224
 Глава 15. Фундаменты на глинистых грунтах . . 225
 334

(,
 § 15.1. Основные характеристики глинистых грунтов 'Л»
 § 15.2. Раздельные фундаменты иа глине . ЛМ
 § 15.2,а. Пример расчета раздельных фундаментов на глине 2.10
 § 15.3. Сплошные фундаменты на глине 2.'W
 § 15.4. Свайные фундаменты на глинах в.
 § 15.4,а. Пример расчета свайных фундаментов на глине 239
 § 15.5. Опоры в глинистом грунте .... . 240
 § 15.6. Осадка фундаментов на глинах 241
 § 15.6,а. Пример расчета осадки сплошного фундамента на глине 250’
 § 15.6,6. Пример расчета осадки свайного фундамента на глине 252
 § 15.7. Горизонтальные силы и деформации, возникающие под
 действием вертикальных нагрузок на глину 254
 Глава 16. Основания на илистых и лессовых грунтах 257
 § 16.1. Основные характеристики илов и лессов ...... 258
 § 16.2. Раздельные и сплошные фундаменты на илистом грунте 259
 § 16.3. Сваи в илистом грунте . . . . . . . . 260
 § 16.4. Опоры в илистом грунте —
 § 16.5. Раздельные и сплошные фундаменты на лессах 261
 § 16.6. Сваи и опоры в лессах 262
 Глава 17. Фундаменты на неоднородном грунте . 26
 § 17.1. Введение ... 264
 § 17.2. Мягкие или рыхлые пласты на плотном грунте .... 265
 § 17.3. Плотный или жесткий грунт, подстилаемый мягким
 грунтом . —
 § 17Да. Пример расчета фундамента на песке, подстилаемом
 слоем глины 267
 § 17.4. Перемежающиеся слои мягкого и жесткого грунтов 270'
 § 17.5. Невыдержанные отложения ... —
 Глава 18. Деформации оснований, вызванные производством работ 272 § 18.1. Осадки, происходящие вследствие выемки грунта 273
 § 18.2. Осадка, возникающая вследствие вибрации . . . 275
 § 18.3. Осадка вследствие понижения уровня грунтовых вод 276
 § 18.4. Деформации грунта от забивки свай ....... 277
 § 18.5. Значение полевых наблюдений для контроля над производством .работ 278
 § 18.6. Влияние методов производства работ на проектирование 279
 Часть IV. Расчет и конструирование фундаментов
 Глава 19. Центрально нагруженные фундаменты под отдельные колонны и стены . . 280
 § 19.1. Основы расчета . . . ... —
 § 19.2. Критические сечения . . .... 281
 §19.3. Размещение арматуры ... .... . 283-
 § 19.4. Высота фундамента 284
 § 19.5. Порядок расчета и использование кривых для определения минимальной высоты фундамента .... —
 § 19 6. Фундаменты колонн 285-
 § 19.7. Свайные фундаменты под отдельные колонны . 286-
 Глава 20. Фундаменты, подвергающиеся действию моментов . 288
 § 20.1. Введение . 289
 § 20.2. Равнодействующая в предйотах средней трети етодошвы 290
 § 20.3. Равнодействующая за пределами средней трети . . 292
 § 20.4. Момент относительно обеих осей ..... . 293-
 § 20.5. Фундаменты несимметричной формы ... . 294
 § 20.6. Момент и спайных фундаментах 295
 335

Стр.
 § 20.7.Сваи, работающие на растяжение 298
 § 20.8 Пример расчета мостовой опоры —
 Глава 21. Групповые и сплошные фундаменты . 302
 § 21.1. Назначение групповых фундаментов ....... 303
 § 21.2. Спаренные фундаменты прямоугольной и трапецеидальной формы —
 § 21.3. Консольные фундаменты .... 305
 § 21.4. Назначение расчетных нагрузок .... —
 § 21.5. Расчет конструкции спаренных фундаментов 306
 § 21.6. Проектирование Сплошных фундаментов 308
 Глава 22. Подпорные стенки и устои мостов . 311
 § 22.1. Введение . —
 § 22.2. Размеры консольной подпорной стенки . . 312
 § 22.3. Силы, действующие на 'подпорные стенки ...... 313
 § 22.4. Последовательность проектирования консольной подпорной стенки . 319
 § 22.5. Пример расчета консольной подпорной стенки . . . —
 § 22.6. Подпорные стенки на сваях . 321
 § 22.7. Пример расчета фундамента с наклонными сваями . 325
 § 22.8. Устои моста . 327
 Р. Б. Пек, У. Э. Хенсон, Т. X. Торнбурн ОСНОВАНИЯ и ФУНДАМЕНТЫ Госстройиздат Москва, Третьяковский проезд, д. 1 Редактор издательства Н. М. Борщевская Технический редактор Л. Я- Медведев
 Сдано в набор 5V1 1958 г. Подписано к печати 24Х 1958 г. Т-10493. Бумага 60x9216 10,5 бум. л.—21,0 печ. л. (21,5 уч.-изд. л.) Изд. 6 V1I1-2344 Зак. 1274 Цена 10 р. 50 к. Переплет 2 руб.
 Типография МЬ 1 Государственного издательства литературы по строительству, архитектуре и строительным материалам, г. Владимир