Текст
АМСилкин
Н.Й.Фролов
Основания
и фундаменты
УЧЕБНИКИ И УЧЕБНЫЕ ПОСОБИЯ ДЛЯ СТУДЕНТОВ
ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ
А.М.Силкин
Н.Н.Фролов
Основания
и фундаменты
Издание 2-е, переработанное
дополненное
Допущено Управлением высшего
и среднего специального образования
Государственного агропромышленного
комитета СССР в качестве учебника
Дня студентов высших учебных
«введений по специальности
«Гидромелиорация»
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 3
Часть I. ОСНОВЫ ГРУНТОВЕДЕНИЯ
И МЕХАНИКИ ГРУНТОВ
Глава 1. Состав и строение грунтов 7
I. Природа и составные компоненты грунтов .
2. Твердые частицы грунтов
3. Вода в грунтах, ее виды и свойства
4. Газы в грунтах...........
5. Структура и текстура грунтов
Глава 2. Физические свойства грунтов и их показатели
6. Основные показатели физических свойств грунтов .
7. Производные показатели физических свойств грунтов .
Глава 3. Физико-химические свойства грунтов и их показатели .
8. Консистентностъ грунтов
9. Просадочность грунтов..........
10. Набухаемость и усадоч кость грунтов .
II. Плывунность и тнксотропность грунтов...........
12. Размягчаемость. размокаемость и растворимость грунтов
13; Пучинистость грунтов
Глава 4. Физико-механические свойства грунтов и их показатели .
14. Водопроницаемость грунтов
15. Деформируемость грунтов
16. Прочность грунтов .... ...................
17. Классификационные показатели и классификация грунтов
Глава 5. Характеристика различных видов грунтов .
18. Скальные грунты
19. Нескальные грунты 87
Глава 6. Напряжения в грунтовом массиве . 108
20. Природные напряжения .... ............ 109
21. Напряжения от внешних нагрузок в однородном полу-
пространстве ........................................... Ill
22. Напряжения от внешних нагрузок в неоднородном полу*
пространстве............................................ 128
23. Напряжения в грунте по подошве нагруженных площадок —
контактные напряжения................................... 131
24. Критические нагрузки* на грунт основания . 134
Часть II. ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ
Глава 7. Основные положения проектирования оснований фунда-
ментов .... ... 189
25. Виды оснований в фундаментов......................... 189
26. Совместные деформации сооружений и оснований .... 142
27. Выбор основания, фундаментов и методов их устройства . . 148
28. Основные положения проектирования оснований и фунда-
ментов по предельным состояниям . . ... 149
Глава 8. Фундаменты неглубокого заложения 1БЗ
29. Конструкции фундаментов неглубокого заложения . 163
80. Проектирование фундаментов ........................... 167
31. Проектирование гибких железобетонных фундаментов . 165
Глава 9. Расчет естественных оснований 166
32. Определение конечных осадок 166
33. Расчет осадок во времени .... . 173
34. Определение неравномерных осадок .................... 176
35. Проектирование оснований do первой группе предельных
состояний................................................ 177
36. Расчет нескальных оснований гидротехнических сооруже-
ний 183
Глава 10. Искусственные основания 188
37. Принципы расчета искусственных оснований........... 188
38. Поверхностное к глубинное уплотнение грунтов механи-
ческими способами ....................................... 190
39. Замена слабых грунтов (грунтовые подушки)............ 196
40. Физико-химические методы укрепления и улучшения грун-
тов . . .......................................> 197
41. Улучшение свойств лёссовых просадочных грунтов. . . 202
42. Искусственные основания при строительстве на ааторфо-
ванных грунтах я торфах ... 207
Глава 11. Свайные фундаменты 209
43. Виды свайных фундаментов, типы я конструкции свай . 209
44. Принципы проектирования свайных фундаментов .... 216
45. Расчет свай и ростверков по первому предельному состоя-
нию ..................................................... 220
46. Определение несущей способности свай испытанием стати-
ческой и динамической нагрузками......................... 222
47. Расчет свайных фундаментов и их оснований по второму
предельному состоянию.................................... 224
48. Особенности расчета свайных фундаментов в просадочных
лёссовых грунтах................... . . 226
Глава 12. Фундаменты глубокого заложения 228
49. Принципы проектирования фундаментов глубокого зало-
жения ............... ... 228
60. Опускные колодцы .................................... 229
61. Колодцы-оболочки я буровые опоры-столбы. 232
62. Кессонные фундаменты 236
Глава 13. Устройство котлованов под фундаменты я сооружения . 238
63. Назначение размеров котлованов и разбивка их нечест-
ности ........................................ . 238
64. Крепление стенок траншей и котлованов . 240
66. Осушение котлованов.................................. 247
66. Устройство котлованов фундаментов на местности, по-
крытой водой . . 249
Глава 14. Проектирование устройство оснований в фундаментов
ва лёссовых просадочных грунтах . . . 250
67. Проектирование оснований и фундаментов зданий в про-
мышленных сооружений на просадочных грунтах .... 261
68. Методы устройства оснований в гидросооружений ороси-
тельных систем на просадочных грунтах..................
69. Проектирование оснований гидросооружений на лёссо-
вых просадочных грунтах
Глава 16. Устройство фундаментов в особых условиях .
60. Основные принципы устройства фундаментов и сооруже-
ний в особых грунтовых условиях........................
61. Устройство фундаментов зданий и гидромелиоративных
сооружений на водонасыщенных биогенных грунтах . . .
62. Устройство фундаментов на вечномерзлых и набухающих
грунтах ...............................................
63. Устройство фундаментов в других сложных грунтовых
условиях ................................
64. Фундаменты при динамических нагрузках
Приложение
Указатель литературы
Предметный указатель
8 ШИ П 8 8 §
ВВЕДЕНИЕ
Намеченный XXVII съездом КПСС стратегический курс
на ускорение социально-экономического развития страны пред-
усматривает продолжение реализации Долговременной про-
граммы мелиорации земель, повышение технического уровня
и качества водохозяйственного строительства.
Среди всего огромного комплекса водохозяйственного стро-
ительства, особенно создания гидротехнических сооружений,
наиболее важное значение имеет фундаментостроение. Прочный
н устойчивый фундамент при всех других равных условиях —
гарантия прочности, устойчивости и долговечности, а следова-
тельно, и эксплуатационной надежности сооружения. Устой-
чивость же фундамента гарантируется в первую очередь устой-
чивостью основания. Стоимость устройства оснований и фунда-
ментов гидротехнических сооружений достигает 40 ... 60 %
стоимости сооружения, тогда как стоимость устройства основа-
ний и фундаментов промышленных и гражданских сооружений
составляет 7 ... 12 К.
Фундаментом называют подземную или подводную часть
сооружения, которая воспринимает все нагрузки н воздействия
от вышележащих частей сооружения и вместе с собственным
весом передает их на грунт основания. Фундамент проектируют
с учетом его совместной работы с основанием, причем с таким
расчетом, чтобы их возможные деформации не превышали
предельных значений, при которых могут возникнуть опасность
для устойчивости и прочности воздвигнутого на нем сооруже-
ния или затруднения в его эксплуатации. Нижнюю, опорную
плоскость фундамента называют подошвой, а верхнюю плоскость
между телом сооружения н фундаментом — обрезом. Рассто-
яние по вертикали от обреза до подошвы составляет высоту
фундамента, а от поверхности планировки грунта до по-
дошвы — глубину заложения фундамента. В общем случае,
особенно для гидротехнических сооружений, высота фунда-
мента и глубина его заложения не равны друг другу.
Основанием называют часть грунтового массива, залегаю-
щую ниже подошвы фундамента и в стороны от него, воспри-
нимающую все нагрузки и воздействия, передаваемые фунда-
ментом от стоящего на нем сооружения, и испытывающую
3
вследствие этого определенные деформации. Если ожидаемые
деформации основания неопасны для сооружения, то его воз*
водят на грунте в его естественном состоянии. Такое основание
называют естественным. Если же грунты в естественном со-
стоянии непригодны для восприятия нагрузок и воздействий
от сооружения, их предварительно искусственно улучшают
или заменяют более прочными. Такое основание называют
искусственным.
Одна из основных задач строителя, в частности инженера-
гидротехника, — тщательное и всестороннее изучение законов
взаимодействия между грунтами основания и конструкциями
фундаментов и самих сооружений.
Оценка прочности и устойчивости оснований сооружений,
выбор наиболее рациональных и экономически оправданных
конструкций фундаментов и целесообразных способов их уст*
ройства — одна из самых сложных инженерных задач. Она
осложняется большим различием видов и состояний грунтов,
многообразием природных условий их залегания, влиянием
на них различных геологических и гидрогеологических явлений
и процессов. Особенно это относится к гидротехническим соору-
жениям, грунты оснований которых или уже до строительства
сооружения находятся в водонасыщенном состоянии, или
обязательно станут водонасыщенными в процессе его эксплу-
атации. При этом важно и то, что вода в грунтах оснований
подпорных гидротехнических сооружений (плотин, регуля-
торов н т. п.) в процессе их эксплуатации постоянно движется.
Для правильного решения такой сложной задачи необходимо
знать:
инженерно-геологические и гидрогеологические условия
и особенности участка строительства, а также подробные све-
дения о физических, физико-химических и физико-механиче-
ских свойствах грунтов в пределах зоны влияния сооружения;
закономерности изменения свойств грунтов н прогноз инже-
нерно-геологических процессов в результате нарушения соору-
жением природного равновесия и гидрогеологической обста-
новки, а также методы направленного изменения строительных
свойств грунтов;
методы расчета оснований, оценки нх напряженно-дефор-
мнроваиного сЬстояиия, прочности н устойчивости;
условия и расчетные схемы совместной работы грунтов
основания, фундамента н надфундаментной конструкции соору-
жения;
методы расчета и проектирования фундаментов, работа-
ющих при сложных сочетаниях, и статических, и динамических
нагрузок;
методы производства работ по устройству оснований и фун-
даментов, учитывающие специфику условий строительной пло-
щадки.
Необходимость инженерного решения перечисленных
довольно сложных вопросов фундаментостроения вызвала широ-
кое развитие комплекса научных дисциплин, к которым относят
«Инженерную геологию», «Грунтоведение», «Механику грун-
тов», «Основания и фундаменты».
«Инженерная геология», являющаяся отраслью «Общей
геологии», изучает н оценивает влияние геологических факторов
на работу проектируемых сооружений, а также возможные
изменения этих факторов в результате нарушения природных
условий при возведении и эксплуатации сооружений.
«Механика грунтов» разрабатывает теорию напряженно-
деформированного состояния и изучает условия нарушения
устойчивости и прочности грунтов в основании и теле сооруже-
ния, а также деформации грунтов под воздействием передава-
емых на них нагрузок. По содержанию и математическим мето-
дам решения задач «Механика грунтов» является одним из
разделов «Строительной механики», так как использует матема-
тический аппарат и закономерности сплошных деформируемых
тел, излагаемые этой дисциплиной (законы упругости, пластич-
ности, ползучести). «Инженерная геология» — естественно-
историческая, а «Механика грунтов» — механико-математиче-
ская основы дисциплины «Основания и фундаменты».
Свойства грунтов с учетом природной обстановки их залега-
ния более различны и сложны, чем свойства сплошных тел,
описываемых математическими зависимостями «Строительной
механики». Поэтому для практического использования теоре-
тических выводов «Строительной механики» к ним необходимо
добавить закономерности, описывающие свойства грунтов,
в первую очередь как природных тел. В связи с этим между
«Инженерной геологией» и «Механикой грунтов» развивается
наука «Грунтоведение», в задачи которой входит изучение
свойств грунтов, их изменение под влиянием различных фак-
торов и формулировка основных законов, определяющих дейст-
вительное поведение грунтов под влиянием внешних воздействий.
Задачи, непосредственно связанные с устройством основа-
ний и фундаментов, решает научная дисциплина «Основания
и фундаменты».
Как теоретические и прикладные науки все названные
дисциплины тесно связаны между собой, дополняют н обога-
щают друг друга и составляют единый комплекс геотехниче-
ских знаний. В развитии этих дисциплин большую роль сыграли
ученые многих стран, особенно русские и советские.
Необходимо подчеркнуть, что в нашей стране грунт стал
объектом непосредственного изучения в связи с развитием
гидротехнического строительства, объем которого стал зна-
чительно увеличиваться в XVII—XVIII веках.
В настоящее время обширные работы по изучению свойств
грунтов как оснований фундаментов, совершенствованию мето-
5
дов проектирования и строительства оснований и фундаментов
ведутся в Научно-исследовательском институте оснований и
подземных сооружений, в высших учебных заведениях, в про-
ектных и строительных организациях. В области исследований
устойчивости, прочности и деформируемости оснований гидро-
технических сооружений большую работу проводит Всесоюз-
ный . научно-исследовательский институт гидротехники
<ВНИИГ) им. Б. Е. Веденеева.
Для инженера-гидротехника, практическая работа кото-
рого связана с проектированием, строительством и эксплуата-
цией ответственнейших гидросооружений, значимость дисцип-
лины «Основания и фундаменты! трудно переоценить. Не зная
ее расчетный аппарат — механику грунтов, нельзя правильно
спроектировать ни одно мелиоративное, гидротехническое,
дорожное или другое водохозяйственное сооружение (насыпь,
плотину, шлюз, здание ГЭС и насосной станции, многочислен-
ные регулирующие, перегораживающие и сопрягающие соору-
жения на каналах и т. п.), а также жилое здание или промыш-
ленное сооружение.
Часть I. ОСНОВЫ ГРУНТОВЕДЕНИЯ
И МЕХАНИКИ ГРУНТОВ
Глава 1. СОСТАВ И СТРОЕНИЕ ГРУНТОВ
Грунтами называют любые горные породы, которые как объект
инженерной деятельности человека используют в строительстве
в качестве оснований, среды и материалов различных сооружений
н рассматривают как многокомпонентные системы, изменяющиеся
во времени.
I- Природа и составные компоненты грунтов
Грунты разделяют на два класса: с жесткими связями и без
жестких связей между твердыми частицами. Однако правильнее
их называть грунты а прочными связями и грунты без прочных
связей. Под прочными следует понимать связи, прочность которых
близка, равна или больше прочности самих частиц.
К грунтам о прочными связями относят магматические, мета-
морфические породы и часть осадочных пород. В строительной
практике их называют скальными грунтами. Осадочные породы
без прочных связей называют нескальными грунтами.
Часто грунты не отвечают всем требованиям гидротехнического
и гидромелиоративного строительства. Например, грунты с проч-
ными связями, но имеющие трещины могут не отвечать требованию
водонепроницаемости, а грунты без прочных связей — оказаться
малопрочными и т. д. В таких случаях свойства грунтов тем или
иным способом улучшают, создавая искусственный грунт с но-
выми заданными свойствами.
Однако направленное влияние человека не всегда придает
грунту улучшенные свойства. Иногда гидротехническое строитель-
ство приводит к ухудшению свойств грунтов. Например, при
создании водохранилищ из-за подъема уровня грунтовых вод
грунт на больших территориях часто переувлажняется и теряет
прочность, что вызывает оползание берегов водохранилищ, не-
допустимые дополнительные деформации оснований существу-
ющих сооружений и др.
В результате различных видов производственной и хозяй-
ственной деятельности человека создаются искусственные грунты
с ухудшенными свойствами: отвалы строительного мусора или
отвалы горных пород (отходы добычи полезных ископаемых,
отвалы» образующиеся при устройстве различных выемок), а также
7
отвала волы и шлака (например, отходы металлургической про-
мышленности) н т. д. Такие грунты в гидротехническом и гидро-
мелиоративном строительстве, как правило, не используют, но
могут быть использованы, если их свойства будут улучшены.
Знать условия образования, состав и строение грунтов, харак-
тер их изменения в процессе дальнейшего существования очень
важно. Это позволяет правильно оценить их строительные свой-
ства; прогнозировать их поведение под сооружением (в основании),
вокруг сооружения (как среды) и в теле сооружения (как стро-
ительного материала, например, плотин, дамб и т. п.); правильно
изменять их свойства.
Свойства грунтов обусловливаются составом и свойствами
компонентов, их количественным соотношением и взаимодей-
ствием. Основные компоненты грунта — твердые частицы мине-
рального и органического происхождения, жидкость (преимуще-
ственно вода) и газ (преимущественно воздух).
2. Твердые частицы грунтов
Все грунты состоят из различных по крупности, форме и мине-
ральному составу твердых частиц. Их размеры и форма оказывают
сильное влияние на свойства только нескальных грунтов. Ниже
приведена принятая в современном грунтоведении классификация
твердых минеральных частиц этих грунтов. Валунные (окатанные) к каменные (угловатые) Будыжнаковые а галечниковые (окатанные), ще- бенистые (угловатые) ГравкИкые (окатанные) в дресвяные (угловатые) Песчаные В том числе: крупные средние мелкие тонкие Пылеватые Глинистые Рвммр. шв >200 200... 40 40 ...2 2 ... 0,06 2 ... 0.5 0.5... 0,25 0,25... 0,1 0.1 ...0,05 0.05... 0,001 <0.001
В основу этой классификации положен экспериментальный
подход, базирующийся на учете изменения свойств минеральных
частиц при переходе из одной группы (фракции) в другую. Так,
частицы крупнее 2 мм практически не обладают молекулярной
влагоемкостью, а песок, состоящий из таких частиц, — капилляр-
ным поднятием воды, но имеет очень большую водопроницаемость.*
Добавление к песку пылеватых частиц существенно уменьшает его
пористость и водопроницаемость, увеличивает капиллярное под-
нятие и может придать ему некоторую связность; грунт, состоящий
из частиц размером 0,25 ... 0,05 мм, достаточно водопроницаем,
а грунт, состоящий из пылеватых частиц, слабоводопроницаем
н плохо отдает воду.
0
Минеральные частицы крупнее 0,06 мм компактна, с неболь-
шой удельной поверхностью, форма их шарообразная, угловатая
или ребристая, а поверхность гладкая или шероховатая, покры-
тая мелкими углублениями, выступами, царапинами. В нескаль-
ных грунтах, состоящих преимущественно из крупнообломочных
частиц (>2 мм) и используемых в качестве оснований сооружений,
форма и поверхность частиц практически не имеют значения.
В грунте же, состоящем из песчаных частиц, одни и те же окатан-
ные и неокатанные песчаные фракции придают ему различную
высоту капиллярного поднятия, водопроницаемость и сопротивле-
ние сдвигу.
Многие исследователи отмечали, что совершенно другие свой-
ства имеют частицы размером <0,001 мм. Такие частицы
В. Р. Вильямс (еще в 1893 г.) отнес к глинистым. Глинистые
частицы имеют вид чешуек, пластин или иголок неправильной
угловатой формы, при этом толщина их в 10 ... 50 и даже в 100 раа
меньше максимального размера. В результате глинистые частицы
имеют бблъшую удельную поверхность по сравнению с песчаными.
Элементарные расчеты показывают, что если песчаные частицы
размером 0,05 мм условно представить в виде шариков, а глини-
стые — в виде круглых пластин диаметром 0,001 мм и толщиной
0,00002 мм (в 50 раз меньше), то их удельная поверхность соответ-
ственно будет равна 120 и 104 000, т. е. в 860 раз больше. Поверх-
ности глинистых частиц, соответствующие базальным плоскостям,
относительно ровные, иногда слабобугристые, с отдельными мик-
ротрещинами. Боковые поверхности — неровные, ступенчато
выщербленные.
Пылеватые частицы по характеристикам занимают промежу-
точное (между песчаными я глинистыми частицами) положение.
Крупнообломочные (>2 мм) частицы, как правило, полнмине-
ральные: каждая частица состоит из нескольких минералов.
Песчаные и пылеватые частицы мономииеральные: каждая пред-
ставляет собой какой-либо один минерал. Глинистые частицы
также мономииеральные. Однако следует иметь в виду, что при
переходе частиц в процессе выветривания из фракции пылеватых
во фракцию глинистых их минеральный состав резко меняется.
Основными породообразующими минералами в магматических
горных породах являются первичные минералы: кварц, полевые
шпаты, авгит, слюда, роговая обманка, оливин. В состав мета-
морфических горных пород входят как первичные, так и вторичные
минералы: кварц, полевые шпаты, слюда, тальк, хлорит и др.
В составе осадочных горных пород могут присутствовать все
наиболее распространенные породообразующие минералы: пер-
вичные (кварц, полевые шпаты, слюда н др.) и вторичные (кальцит,
гипс, ангидрит, доломит и глинистые минералы).
Глинистые минералы среди породообразующих занимают осо-
бое место из-за особых свойств, которые проявляются при взаимо-
действии минералов о водой. Наиболее распространенные
9
глинистые минералы — гидрослюда (иллит), монтмориллонит
и каолинит.
Из физики известно, что твердое тело при соприкосновении
с жидкостью получает электрический заряд: отрицательный, если
его диэлектрическая постоянная меньше диэлектрической постояв*
ной соприкасающейся с ним жидкости; положительный, если его
диэлектрическая постоянная больше. Диэлектрическая постоянная
воды равна 81, а минеральных твердых частиц — 3 ... 12. Следо-
вательно, каждая твердая минеральная частица должна иметь
отрицательный заряд. Наблюдения показали, что большинство
твердых грунтовых частиц в естественном состоянии заряжено
отрицательно. Но отрицательный заряд твердых частиц может
быть объяснен также к присутствием на нх поверхности ионов,
входящих в строение кристаллических решеток минералов.
Сила заряда частиц зависит от их минерального состава и
удельной площади поверхности. Чем больше эта площадь, тем
больше и сила заряда. Песчаные, а особенно крупнообломочные
(>>2 мм) частицы, если и имеют электрический заряд, то очень
слабый. Пылеватые частицы имеют некоторый заряд, но на форми-
рование свойств грунтов он практически не влияет. Поэтому
в дальнейшем, говоря об электрически заряженных частицах,
будем иметь в виду только глинистые.
Теоретически заряд должен распространяться по всей поверх-
ности частицы однородно, однако, как отмечает С. С. Вялов
(1978 г.), базальные плоскости глинистых частиц заряжены отри-
цательно, а кромки (торцы) — положительно. М. Н. Гольдштейн
(1979 г.) отмечает, что у частиц каолнннта в нейтральной и щелоч-
ной средах торцы заряжены отрицательно, но в кислой среде
при pH <С 5 этот заряд положителен, а базальные плоскости
сохраняют отрицательный заряд.
Учитывая сложность и еще недостаточную изученность гли-
нистых частиц, рассмотрим их взаимодействие с водой лишь схема-
тично.
Считаем, что поверхность твердой минеральной частицы имеет
только отрицательный электрический заряд. Молекула воды,
как известно, представляющая собой диполь, попадая в электри-
ческое поле цастнцы, ориентируется в нем и положительно заря-
женным концом притягивается к поверхности частицы, прочно
закрепляясь на ней. Поскольку природная жидкая вода всегда
является раствором, то к отрицательно заряженной поверхности
частицы притягиваются и прочно закрепляются иа ней не только
молекулы воды, но и катионы растворенного в воде вещества.
Ближайший к частице слой молекул воды и катионов связан
с ней особенно прочно: электростатические силы притяжения могут
составлять несколько сотен и даже тысяч мегапаскалей. Этот слой
называют адсорбционным. Однако притяжением молекул воды
и катионов адсорбционного слоя электрический заряд поверхности
твердой частицы полностью не уравновешивается. За адсорбцион-
10
Рис. 1. Схема взаимодействия твердых минеральных частиц с водой:
I — поверки ость мжиералъцо! частицы с отрицательным еарядом: 2 — молекула воды)
3 — хагиоап 4 — анион; л — твердая частица; б — адсорбционные сдоб; • — дкффу»-
вы! слов; в — свободная вода
ным слоем расположен второй слой притянутых к частице молекул
воды и катионов (рис. 1). Этот слой называют диффузным.
Сила электрического притяжения в диффузном слое номере
удаления от частицы быстро уменьшается; на его внешней границе
она уравновешивается силой, вызывающей тепловое движение
катионов в растворе. За пределами второго слоя находится сво-
бодная вода (раствор).
Толщина адсорбционного слоя соответствует толщине одной
или нескольких молекул воды. Толщина диффузного слоя может
изменяться от О до л-10"** мм. Она зависит не только от силы элек-
трического заряда поверхности твердой частицы, но и от состава
и концентрации катионов в свободном растворе. Если концентра-
ция свободного раствора повышается, то толщина диффузного слоя
уменьшается, а концентрация катионов в адсорбционном слое
увеличивается. При какой-то определенной концентрации рас-
твора все катионы из диффузного слоя оказываются вытесненными
в адсорбционный. В этом случае вся сила электростатического
заряда поверхности твердой частицы уравновешивается адсорб-
ционным слоем, а диффузный слой исчезает. Толщина диффузного
слоя зависит и от валентности катионов: чем выше их валентность,
тем сильнее они притягиваются к поверхности частицы и тем
меньше толщина диффузного слоя.
Глинистые минералы могут взаимодействовать с водой не
только наружными, но и внутренними поверхностями структурных
слоев (пакетов). В связи с этим все глинистые минералы под-
разделяют на минералы о жесткой кристаллической решеткой,
о раздвижной кристаллической решеткой и с промежуточным
типом кристаллической решетки.
11
Частица каолинита имеют жесткую кристаллическую решетку.
Поэтому доступ молекул воды и находящихся в растворе катионов
в межпакетное пространство исключен. Следовательно, частицы
каолинита взаимодействуют с водой только внешней поверх-
ностью. К минералам с жесткой кристаллической решеткой отно-
сится и гидрослюда (иллит), но частицы гидрослюды несут на
базальных поверхностях наиболее значительный по сравнению
с частицами других глинистых минералов отрицательный за-
ряд.
Частицы монтмориллонита по сравнению с частицами гидро-
слюды несут на базальных поверхностях меньший заряд, но так
как монтмориллонит имеет раздвижную кристаллическую ре-
шетку, молекулы воды и катионы, находящиеся в растворе,
проникают в его межпакетмое пространство. Следовательно,
частицы монтмориллонита взаимодействуют с водой как внешней,
так и внутренней поверхностями структурных слоев. Это суще-
ственно их отличает от других глинистых частиц.
Твердый компонент минеральных грунтов может быть пред-
ставлен не только одними минеральными частицами, в его составе
могут находиться и частицы органического происхождения. В од-
них случаях присутствие органических частиц ухудшает свойства
минеральных грунтов, а в других — улучшает. Это зависит от
состава, состояния и количества содержащихся в нем органиче-
ских частиц. Например, небольшое количество гумуса в водо-
насыщенных мелких и пылеватых песках придает им плывунные
свойства, в маловлажных песках — связность, а следовательно,
и прочность.
Органические частицы являются основной частью твердого
компонента биогенных грунтов — торфов и сапропелей. Они
образуются и накапливаются в земной коре в результате жизне-
деятельности и отмирания растительных и мелких животных
организмов.
Отмирая, растительные и животные организмы в результате
биохимического процесса распадаются (разлагаются) на частицы
различной крупности, сохраняя клеточное строение, а часть
этих организмов превращается в совершенно новое вещество,
называемое гумусом.
Гумус представляет собой темное бесструктурное вещество,
частицы которого имеют форму шара диаметром (8 ... 10) 10“в мм
и относятся к коллоидным частицам. Они наиболее энергетически
активны среди органических твердых частиц грунтов. Частицы
гумуса при взаимодействии с различными растворителями могут
растворяться. Обладая кислотными свойствами, они могут раз-
лагать минералы, образуя различные коллоидные гуминовые
соединения. В состав гумуса входят соединения, называемые
гуминами и ульминами, которые в воде практически не раство-
ряются. Гумнн и ульмин очень прочно связываются поверхностью
глинистых частиц, особенно частиц монтмориллонита.
12
3. Вода в грунтах, ее виды свойства
Вода в грунтах может находиться в парообразном, жидком
и твердом состоянии. От содержания того или иного количества
различных видов воды зависят свойства и качества грунтов,
а в глинистых грунтах вода служит главным фактором, обусловли-
вающим их свойства.
Впервые подробные и обстоятельные исследования видов
и свойств воды, находящейся в песчаных и глинистых грунтах,
были проведены в 1916—1936 гг. А. Ф. Лебедевым. Им была пред*
ложена классификация видов воды в грунтах, которая послужила
ряду исследователей основой для разработки своих классифика-
ций. В современном грунтоведении пользуются классификацией,
предложенной Е. М. Сергеевым, который подразделяет воду на
пять видов: в виде пара; связанная — прочносвязанная (гигро-
скопическая) и рыхлосвязанная; свободная — капиллярная и
гравитационная; в твердом состоянии; кристаллизационная и хи-
мически связанная.
Воды в виде пара в грунтах содержится не более 0,001 %
массы грунта. Однако она играет большую роль в процессах,
протекающих в грунтах. Такая вода способна передвигаться
в грунте как вместе с газообразным компонентом (воздухом),
так и самостоятельно — под влиянием разности упругости пара
и разности температур.
Молекулы парообразной воды под влиянием снижения темпе-
ратуры или действия электрического заряда твердых частиц
могут оседать на их поверхности. Оседание молекул воды в ре-
зультате снижения температуры называют термической конден-
сацией, а под воздействием электрического заряда — молекулярной
конденсацией. В результате термической конденсации парообраз-
ной воды в грунте могут образовываться практически все другие
виды воды, а в результате молекулярной конденсации на поверх-
ности частиц образуется только связанная вода. Процесс конденса-
ции обратим, т. е. из образовавшегося нового вида воды она может
обратно перейти в парообразное состояние.
Связанная вода — это вода, удерживаемая на поверхности
твердых частиц силами электрического заряда. По свойствам она
существенно отличается от обычной, свободной воды. Так, ее
средняя плотность составляет 1,2 ... 1,4 г/см*. Связанную воду
нельзя всю удалить (отжать) из грунта статическим давлением,
возникающим в грунтах оснований. В лабораторных исследова-
ниях на грунты, содержащие только связанную воду, передавали
среднее уплотняющее давление, равное нескольким сотням мега-
паскалей, и грунт оставался влажным. Содержание воды в грунте
уменьшалось с увеличением среднего давления только до 20 ...
to МПа, далее влажность грунта оставалась постоянной, поэтому
связанную воду подразделяют на прочносвязанную и рыхло-
связанную.
13
Прочносвязанная вода по некоторым свойствам сходна о твер-
дым телом: ее плотность достигает 2,4 г/см*, в ней не проявляются
законы гидростатики, она не растворяет солей, обладает значи-
тельной вязкостью, упругостью и прочностью на сдвиг. Однако
это жидкость. Температура ее замерзания равна —78 °C и ниже,
что существенно, так как в определенной степени объясняет
некоторые свойства мерзлых грунтов.
По мнению ряда исследователей, прочносвязанную воду можно
удалить из грунта только путем высушивания при температуре
105 °C, которая является стандартной для определения влажности
грунта. Некоторые категории прочносвязанной воды не удаляются
(Сергеев, 1971 г.). Другие исследователи (Гольдштейн, 1979 г.)
считают, что часть прочносвязанной воды все же может быть
отжата путем внешнего давления. Причем сразу после отжатия
она имеет повышенную растворяемость.
Если молекулы воды покроют сплошным слоем всю поверх-
ность глинистой частицы, то вокруг частицы образуется как бы
сплошная пленка прочносвязанной воды. Максимальное количе-
ство такой воды в грунтах приблизительно соответствует коли-
честву гигроскопической воды, которое, в свою очередь, при-
равнивается к количеству воды адсорбционного слоя. Следова-
тельно, термины «прочносвязанная», «гигроскопическая» и
«адсорбционная» вода можно считать синонимами.
Вода, заполняющая межпакетные пространства глинистых
минералов, имеющих раздвижную кристаллическую решетку,
входит в состав прочносвязанной воды.
Прочносвязанная вода в грунте, очевидно, может передви-
гаться в любом направлении от частицы к частице под влиянием
разности их электрического потенциала или же переходя в паро-
образное состояние.
Рыхлосвязанную воду (воду диффузного слоя) подразделяют
на вторично ориентированную воду и воду, удерживаемую осмоти-
ческими силами. Вторично ориентированная вода представляет
собой несколько рядов (полислоев) молекул, притянутых к твер-
дой частице самостоятельно или вместе с катионами благодаря
неизрасходованному на удержание прочносвязанной воды заряду
поверхности частицы. Осмотическая вода образуется в результате
проникновения из раствора молекул воды в диффузный слой
вследствие большей концентрации ионов в этом слое, чем в рас-
творе.
По свойствам осмотическая вода не отличается от свободной.
Средняя плотность вторично ориентированной воды полислоев
несколько выше, чем плотность свободной воды. Очевидно, плот-
ность ее в слоях, расположенных ближе к поверхности частицы,
выше, чем у внешней границы. Средняя температура замерзания
воды полислоев —1,6 °C.
Рыхлосвязанная вода так же, как и прочносвязанная, может
передвигаться в любом направлении от частицы к частице под
14
Рве. 2. Схема раагажоквааж кашилярво* воды
углов пор в действия капиллярных сил, связы-
вающих твердые частицы:
Ря — кмшшярвое дммшм) Рр> — двамгаа» JW*-
стаукмцсе мастяцу (реактивное), равное pKt f —
результирующая сала, првжвиающая одяу частицу
к Другое
действием разности их электрического
потенциала или же переходя в паро-
образное состояние. В первом случае
передвижение происходит до тех пор, пока на внешней границе
общей пленки не образуется заряд одной силы.
Свободную воду, согласно приведенной выше классификации,
разделяют на капиллярную и гравитационную. Капиллярную
воду, в свою очередь, подразделяют на три вида: вода углов пор,
подвешенная и собственно капиллярная.
Капиллярная вода углов пор (ее еще называют капиллярно-
стаковой) может образоваться вследствие конденсации паро-
образной воды или же вследствие обезвоживания водонасыщен-
ного грунта (рис. 2). Если при максимально возможном количе-
стве воды углов пор будет происходить дальнейшая конденсация
паров воды, то она постепенно заполнит все мелкие капиллярные
поры, которые могут быть заполнены и в случае промачивания
грунта как сверху, так и снизу. При промачивании сверху обра-
зуется подвешенная, а при промачивании снизу — собственно
капиллярная вода. Подвешенная вода может образоваться и при
резком понижении уровня грунтовых вод. Она отличается от
собственно капиллярной лишь тем, что не имеет контакта с поверх-
ностью грунтовых вод, а следовательно, и не может за их счет
пополняться. Собственно капиллярная вода может пополняться
непрерывно. Она поднимается от поверхности грунтовых вод
только на определенную высоту, называемую высотой капилляр-
ного поднятия, которая зависит от диаметра пор в грунте. При
среднем диаметре пор более 0,1 мм силы капиллярного поднятия
практически равны нулю. В таких порах вода перемещается только
под действием сил тяжести. Капиллярная вода может передвигать-
ся в грунте в любом направлении (этот факт вызывает сомнение в
правильности отнесения капиллярной воды к разряду свободной).
В отличие от гравитационной капиллярная вода замерзает
при температуре ниже 0 °C. В зависимости от размеров капилляр-
ных пор она может замерзать при —12 °C н ниже. Это так же, как
и температура замерзания связанной воды, объясняет в опре-
деленной степени свойства мерзлых грунтов. Капиллярная вода
создает дополнительные нагрузки на грунт и придает ему не-
которую связность — дополнительное сопротивление сдвигающим
и растягивающим внешним силам.
Гравитационная вода — это вода, которая может передви-
гаться в грунте под действием силы тяжести. Ее подразделяют
15
на просачивающуюся воду, которая передвигается сверху вниз,
и на воду грунтового потока, передвигающуюся в сторону падения
поверхности водоупорного пласта. Гравитационная вода обла-;
дает всеми свойствами обычной воды. Она оказывает взвешивав
ющее действие на твердые частицы грунта и на фундаменты соору-
жений, замерзает и превращается в лед при температуре О °C,
имеет плотность, принимаемую в расчетах оснований сооружений
рь =* 1 г/см*, может содержать вещества в коллоидальном со-
стоянии, растворять соли и газа.
Вода в твердом состоянии — это лед, в который превращается
свободная и связанная вода при замерзании и который может
содержаться в грунте в виде отдельных кристаллов или в виде
линз и прослоек, достигающих в вечномерзлых грунтах значи-
тельной мощности.
Кристаллы льда в мерзлых грунтах служат, как правило,
цементирующим веществом. Однако в зависимости от ряда условий
масса льда в грунтах оснований сооружений в период отрицатель-
ных температур (при промерзании грунта) может увеличиваться,
что приводит к негативным последствиям, особенно в районах
с суровым климатом.
Кристаллизационная вода к химически связанная вода — это
вода, принимающая участие в строении кристаллических решеток
минералов. Ее наличие имеет большое значение для улучшения
свойств грунтов, так как при удалении, например, кристаллиза-
ционной воды из состава минералов свойства последних сильно
изменяются, а при удалении химически связанной воды обра-
зуются новые химические соединения.
4. Газы в грунтах
Газы в зависимости от их количества и состояния могут влиять
на некоторые свойства грунтов: увеличивать или уменьшать
упругую часть деформации, уменьшать или увеличивать фильтра-
ционную способность и т. д. Газы в грунтах находятся в раство-
ренном водой, адсорбированном твердыми частицами, защемлен-
ном и свободном состоянии.
Известно, что при некоторой температуре и определенном
давлении вода может растворить только определенное количество
газа. С увеличением температуры воды количество растворенного
газа уменьшается, уменьшается оно и при снижении давления.
Адсорбированным газом называют газ, удерживаемый на по-
верхности сухих твердых частиц силами электростатического
притяжения. Количество адсорбированных газов в грунте зависит
от минерального состава твердых частиц, их дисперсности, содер-
жания гумуса и других органических веществ. Наибольшее
количество адсорбированных газов содержится' в абсолютно сухих
грунтах. Однако адсорбционная связь молекул газа по сравнению
с молекулами воды очень слаба. Поэтому ори увлажнении грунта
16
Рис. 3. Схема ашцемлевия гааа в порах грунта:
а — прж жмтссмжжж ждаорбжроеажжого гам олсакама воды; 0 — прж капжлляриом а«ра>
джкжежжа воды; ! — ващамавмам* гав; 9 — «вардаа частица; 9 —• водима плавка; 4 —
жалаалпрм в вада еообщжхнцахсл вор
адсорбированные газы легко вытесняются адсорбированной водой.
В естественно влажных (5 ... 10 %) грунтах адсорбированного
газа нет.
Защемленный газ может образоваться в грунте в результате
выделения из раствора, вытеснения адсорбированного газа плен-
ками воды и создания при этом замкнутых пор (рис. 3, а), а также
в результате разности скоростей передвижения капиллярной воды
в сообщающихся порах различного диаметра. По мелким сообща-
ющимся порам вода поднимается выше и быстрее, чем по более
крупным. Поэтому к крупным порам вода может подойти с про-
тивоположных сторон я оставить в них защемленный газ
(рис. 3, б). В глинистых грунтах такие газы занимают до 20 ...
25 % общего объема пор.
Удалить адсорбированный и защемленный газ из грунта осно-
вания путем внешнего давления трудно, но, увеличивая сжима-
емость грунта, он практически не уменьшает его прочности и,
следовательно, не причиняет заметного вреда основанию.
Газ в свободном состоянии сообщается с атмосферой и практи-
чески представляет собой воздух. Можно считать, что свойства
грунтов не зависят от содержания свободного воздуха. Они за-
висят от относительного содержания воздуха (во всех его состо-
яниях) и воды. При влажности грунта, равной 0,9 или более,
весь воздух находится в защемленном состоянии.
5. Структура текстура грунтов
Под структурой понимают особенности строения грунта, обус-
ловленные размерами и формой частиц, характером их поверх-
ности, количественным соотношением слагающих грунт элементов
и характером их взаимодействия друг с другом. При этом слага-
ющими грунт элементами считают твердые частицы, их блоки,
17
пакеты к агрегаты. Строго же говоря, слагающими грунт элемен-
тами (структурными элементами) следует считать и адсорбирован-
ную воду, и адсорбированный воздух, так как они оказывают
существенное влияние на характер взаимосвязи твердых частиц.
Но основное влияние на взаимосвязь твердых частиц несомненно
оказывают их количественное соотношение, размер, форма и
характер поверхности.
Взаимосвязь твердых частиц (для упрощения здесь и далее
вместо «структурные элементы» будем говорить «твердые частицы»)
называют структурными связями. Их подразделяют на первичные
и вторичные. Первичные связи между твердыми частицами возни-
кают в момент образования грунтов — горных пород (остывания
магмы, перекристаллизации при метаморфических процессах,
осадконакопления и т. д.). Вторичные связи возникают в после-
дующем под влиянием процессов выветривания, растворения,
уплотнения и т. п.
Процесс возникновения структурных связей сложен. При
взаимодействии частиц в зависимости от расстояния между ними
могут возникать как притягивающие, так и отталкивающие силы.
При этом силы даже одной и той же природы могут быть в одном
случае притягивающими, а в другом — отталкивающими, раскли-
нивающими.
Выделяют следующие виды структурных связей в грунтах:
химической природы, молекулярные, ионно-электростатические,
капиллярные, электростатические и магнитные.
Химические силы связи между твердыми частицами — связи
прочные, в большинстве случаев по прочности они не уступают
внутрикристаллическим химическим связям. Поэтому при раз-
рушении в результате нагрузок грунтов с химическими структур-
ными связями скол может происходить как по местам контактов
частиц, так и по частицам. Образование химических связей воз-
можно только при сближении атомов на расстояние суммы их
радиусов. В грунтах магматического происхождения эти связи
возникают одновременно с образованием самих минеральных зерен
в процессе остывания магмы; в метаморфических — при пере-
кристаллизации материнской породы; в осадочных — в результате
выпадения солей из растворов или осаждения н старения коллоид-
ного кремнезема или гидроокисей железа.
Прочность всех остальных видов структурных связей всегда
меньше прочности самих твердых частиц, которые они соединяют.
Поэтому при разрушении под нагрузкой грунтов с такими свя-
зями линии скола проходят только по местам контактов твердых
частиц, т. е. по связям.
Молекулярные силы связи, называемые силами Ван-дер-
Ваальса, обусловлены взаимодействием молекул. .Они тем больше,
чем больше удельная поверхность системы твердых частиц.
Молекулярные силы взаимодействия между частицами по
сравнению с внутримолекулярными рассматривают как дально-
18
Ряс. 4. Схема вмммвдействяя ыткисж с тве-
рдыня частицшис
/ — «атяояы] 9 — мопку— воянЗ 9 — тмм» «*>
етжиы
9 — ШММ «*>
/0 0 0 0
J ® Ф вг"$
... 4.10“* мм между частицами прояв- \ Q Q QJ Щ
ляются силы взаимного притяжения, Г"- _ _ _ i
а при очень малых расстояниях, на- ----------1
пример (1 ... 2) 10“7 мм, между соседними частицами силы мо-
лекулярного взаимодействия становятся отталкивающими.
Силы молекулярного взаимодействия обусловливают в основ-
ном структурные связи свежевыпавших глинистых осадков,
а с уплотнением в них начинают преобладать ионно-электростати-
ческие силы.
Ионио-электростатические силы связи обусловлены взаимо-
действием катионов раствора одновременно с двумя заряженными
твердыми частицами (рис. 4).
Капиллярные силы связи обусловлены капиллярным давле-
нием, возникающим на границе раздела воды и воздуха» в местах
соприкосновения твердых частиц. Благодаря капиллярным силам
даже чистые маловлажные пески приобретают некоторую связ-
ность. Капиллярные силы наиболее существенны (см. рис. 2)
в зоне нахождения капиллярной воды углов пор (капиллярно-
стыковой воды).
Электростатические силы связи между твердыми частицами
возникают при непосредственном контакте друг с другом в резуль-
тате накопления на их поверхности электростатических зарядов.
Частицы с разнозначными зарядами притягиваются, а с равно-
значными — отталкиваются, т. е. происходит их кулоновское
взаимодействие. Электростатические силы при этом невелики.
Магнитные силы связи обусловлены наличием в тонкодисперс-
ных грунтах ферромагнетиков, образующих на поверхности гли-
нистых частиц тонкие (0,05 ... 0,5 мкм) пленки, которые обладают
жесткими магнитными моментами, обеспечивающими коагуля-
ционный эффект между частицами. Магнитные силы невелики, но
они имеют некоторое значение при формировании структурных
связей в грунтах на стадии седиментации.
Силы расклинивания возникают при образовании водных
оболочек, окружающих твердые частицы, и становятся максималь-
ными, когда толщина водной пленки между частицами равна
двум размерам молекул воды, т. е. когда каждая частица покрыта
только одним слоем молекул.
Связи в грунте между твердыми частицами, обусловленные
силами молекулярно-ионно-электростатической природы, назы-
вают водно-коллоидными. Они возникают в момент образования
нескальных грунтов, и поэтому их относят к первичным струк-
турным связям. Оии малопрочны, но после разрыва восстанавли-
ваются, т. е. являются связями обратимыми. Эти связи обладают
19
определенной упругостью и вязкостью. Но в нескальных грунтах
могут быть связи между частицами, обусловленные и силами
химической природы. Эти связи называют кристаллизационными.
Кристаллизационные связи (их называют также цементацион-
ными) в нескальных грунтах возникают в процессе диагенеза
в результате химических, физических, биохимических и других
процессов. Например, выпадение солей из растворов при обез-
воживании грунтов, старение коллоидов и т. д. Поэтому, по клас-
сификации Н. Я. Денисова, их относят к вторичным структурным
связям.
Кристаллизационные связи отличаются от водно-коллоидных
значительно большей прочностью. Они хрупки и после разрыва
не восстанавливаются, т. е. являются необратимыми.
По предложению С. С. Вялова (1978 г.), в мерзлых грунтах
выделяют еще кристаллизационные льдоцементационные связи,
обусловленные цементирующей связью между кристаллами льда
и твердыми частицами. При этом льдоцементирующая связь может
осуществляться через пленку незамерзшей воды.
Образование тех или иных структурных связей зависит от
условий формирования грунтов. Учитывая это, П. А. Ребиндер
предложил разделить структуры глинистых грунтов на два типа:
коагуляционно-тиксотропные и конденсационно-кристаллиза-
ционные. Грунты со структурами первого типа, образующиеся
при отложении в воде глинистых частиц, состоят из первичных
частиц, окруженных пленками связанной воды и имеющих водно-
коллоидные связи. Твердые частицы грунтов со структурами вто-
рого типа водными пленками не разделены, а соединены непосред-
ственно кристаллизационными или конденсационными связями.
(Под конденсационными связями здесь имеют в виду сухие кон-
такты между твердыми частицами, возникающие при непосред-
ственном сближении частиц в результате испарения воды.)
Развивая классификацию П. А. Ребиндера в зависимости от
характера проявления сил связи, который выражается в первую
очередь в степени агрегации твердых частиц, М. М. Горькова
предложила подразделять структуры нескальных грунтов на
несколько типов: стабилизационные, коагуляционные, пластифи-
цированно-коагуляционные, смешанные коагуляционно-кристал-
лизационные.
Стабилизационные структуры образуются в тонкодисперсных
грунтах при наличии на поверхности твердых частиц гидрофиль-
ных стабилизаторов, увеличивающих толщину водных оболочек
вокруг них и препятствующих слипанию (коагуляции) частиц
под влиянием сил молекулярного притяжения. Стабилизационные
структуры характерны для осадочных грунтов, образующихся
в щелочной среде, они малопрочны. Под влиянием уплотнения
и старения коллоидов (главным образом органического проис-
жождення) в грунтах со стабилизационными структурами со вре-
менем увеличивается связность* во при повторном взаимодействии
20
о водой частицы вновь гидратируются, и прочность связей само*
произвольно снижается. Коэффициент агрегированное™, т; е.
отношение содержания частиц, по данным гранулометрического
и микроагрегатного анализов, для любой фракции частиц
близок к 1.
Примером грунтов со стабилизационными структурами могут
быть истинные плывуны, послеледниковые глины Карелин, май-
копские глины Предкавказья, четвертичные отложения Каспий-
ского моря, кембрийские глины района Ленинграда и Др.
Коагуляционные структуры характерны для грунтов, содержа*
щих до 1,5 % электролитов, которые способствуют так называемой
структурной коагуляции. При этом происходит сцепление твердых
частиц по отдельным, наименее гидратированным, участкам их
поверхности с образованием сплошного рыхлого пространствен-
ного структурного каркаса. Коэффициент агрегированное™ для
частиц <1 мкм достигает 4,5 ... 5, но для частиц <5 мкм остается
равным 1. Связи в грунтах с коагуляционной структурой значи-
тельно выше, чем в грунтах со стабилизационной структурой.
Примером грунтов с коагуляционными структурами могут быть
морские высокодисперсные хвалынские глины Заволжья, юрские
монтмориллонитовые глины.
Пластифицированно-коагуляционные структуры образуются
также в условиях коагуляционного структурообразования (при
концентрации электролитов от 0,3 до 10 %), но в присутствии
пластифицирующих органических соединений (более 0,7 %) и
часто карбонатов кальция (до 50 %). Коэффициент агрегирован-
ное™ частиц <1 мкм составляет не более 3, а частиц <5 мкм
превышает 2.
Примером грунтов с пластифицированно-коагуляционными
структурами могут быть черноморские илы, туронсхий глинистый
мел, некоторые озерные глины и т. д.
Как видно из изложенного выше, грунты со стабилизацион-
ными, коагуляционными и пластифицированно-коагуляционными
структурами имеют между частицами водно-коллоидные связи.
Для грунтов со смешанными коагуляционно-кристаллизацион-
ными структурами наряду с водно-коллоидными связями между
твердыми частицами характерны и кристаллизационные. Коэффи-
циент агрегированное™ таких грунтов для частиц <1 мкм дости-
гает 6 ... 30, а частиц <5 мкм — 2 ... 30. Поэтому грунты, име-
ющие такую структуру, в природном состоянии значительно
прочнее, чем грунты с другими структурами.
Примером грунтов со смешанно-коагуляционными структу-
рами могут быть лёссы, кунгурские и сантонские мергели, по-
кровные суглинки и т. д.
Под текстурой понимают особенности строения грунта, обус-
ловленные пространственным расположением слагающих его эле-
ментов независимо от их размеров. Ббльшая часть грунтов магма-
тического и метаморфического происхождения, а также некоторая
21
часть грунтов осадочного происхождения имеют плотную массив-
ную текстуру. В таких грунтах твердые частицы плотно уложены
(упакованы) и не имеют между собой каких-либо промежутков»
они составляют сплошную монолитную массу. Некоторая часть
скальных грунтов, а также все нескальные грунты имеют между
твердыми частицами промежутки, пустоты и, следовательно,
являются пористыми. Однако, несмотря на пористость, эта часть
скальных грунтов имеет между частицами прочные связи. По-
этому наиболее важное значение имеет текстура нескальных
грунтов.
Твердые частицы, так или иначе расположенные относительно
Друг друга в пространстве, часто называют скелетом грунта.
Пространственное расположение твердых частиц нескальных
грунтов относительно друг друга зависит от условий их осажде-
ния: образуется ли осадок в воздушной или водной среде, каков
солевой состав воды, неподвижная или текучая вода и т. д. При
осаждении относительно тяжелых (пылеватых и песчаных) твердых
частиц, т. е. когда вес частиц оказывается больше сил их взаимо-
действия, образуется так называемая зернистая система взаимного
расположения частиц (рис. 5, а). При осаждении в неподвижной
воде коллоидных частиц, собственный вес которых по сравнению
с силами их взаимодействия очень мал, образуется рассеянная
(диспергированная) система с параллельным расположением
частиц (рис. 5, б), т. е. частицы находятся как бы во взвешенном
состоянии. Если же вес твердых частиц не настолько мал, то при
осаждении они могут контактировать и образовывать систему
взаимного расположения, называемую «карточный домик»
(рис. 5, а), или флокуляционной (флокуляция — укрупнение ча-
стиц под воздействием сил притяжения; в отличие от коагуляции
она возникает вследствие слабой молекулярной связи твердых
частиц с водой в присутствии солей).
Рассеянная (диспергированная) и флокуляцнонная системы
взаимного расположения твердых частиц характерны только для
свежеобразовавшихся глинистых грунтов. В подавляющем боль-
шинстве в нормально уплотненных глинистых грунтах отдельные
частицы, слипаясь, образуют агрегаты, которые, контактируя уже
между собой, образуют систему, называемую «книжный домик»,
или агрегатно-флокуляцнонной (риа. б, а).
а б о г б
Рве. 5. Саетены ваавмвого расположения твердая частвц:
а — ааржжтаяз 6 — раесаяжжая (дяеааргжр«аажжая>; а — «жарточтЫ доаяж» (фжвжу
ллцножжаа): а — «кижжвыЗ домжж» (аграгатжо*фложудяаа<Я1жад)з С — шогмаа рпорадо*
шжмаж (оржавтярожажжаа)
Рис. в. Хлопьевидно-ячеистое сложение глинистых грунтов:
а — морскяв отдожаявя; б —* пресноводные отложения
В результате действия веса вышележащих слоев осадков
нижние их слои уплотняются, при этом в них происходит пере-
ориентация твердых частиц. Они получают упорядоченную, ори-
ентированную систему взаимного расположения (рис. 5, д). Ори-
ентированная система образуется также в результате длительных
сдвиговых деформаций грунта.
Образующуюся при осаждении собственно глинистых частиц
систему их взаимного расположения М. М. Филатов называл
простой ячеистой. Если осаждение частиц сопровождается обра-
зованием хлопьев, то образующуюся в этом случае систему на-
зывают хлопьевидной. В хлопьевидно-ячеистых системах
(рис. 6) в качестве структурных элементов рассматривают агре-
гаты, связанные цепочками отдельных глинистых частиц.
Имеются и другие системы взаимного расположения твердых
частиц, но в общем они являются разновидностями той или иной
системы, показанной на рисунках б и 6.
Следует отметить, что упорядоченная, ориентированная си-
стема взаимного расположения твердых частиц обусловливает
анизотропию грунтов, т. е. неодинаковость свойств в различных
направлениях.
Чтобы правильно оценить грунты для использования их в ка-
честве оснований и среды сооружений, правильно выбрать вид
основания и рассчитать его, необходимо знать свойства грунтов
н их показатели.
Свойства грунтов можно разделить на три группы: физические,
физико-химические и физико-механические.
Глава 2. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ
И ИХ ПОКАЗАТЕЛИ
Для лучшего понимания физических свойств грунтов и их
показателей компонентный состав некоторого объема V грунта
массой т целесообразно представить в виде диаграммы (рис. 7).
23
Рис. 7. Диаграммы компонентного состава грунтов:
а — еложеакя; 0 — колячестъеявая; I — тверды* частацы; 1 — пустоты (поры); 9 —
ода: V — объем грунта; Va — суммарный объем твердые eacnuu Vn — суммарный
объем пустот; У0 — объем воды; Ve — объем воедуха; m — масса грунта; mt — масса
твердый частвц; шм — масса воды
В состав взятого объема V грунта входят: твердые частицы сум-
марным объемом Va и массой т,, пустоты между твердыми части-
цами объемом Va. При этом пустоты могут быть заполнены ча-
стично воздухом объемом Va и частично водой объемом Vv и мас-
сой т^; они могут быть заполнены и только воздухом, и только
водой.
Показатели физических свойств грунтов делят на основные
и производные. К основным показателям относят: плотность твер-
дых частиц, влажность и плотность грунта. Их определяют при
исследовании грунтов в полевых или лабораторных условиях.
К производным относят: плотность сухого (скелета) грунта, пори-
стость, коэффициент пористости и степень влажности.
6. Основные показатели
физических свойств грунтов
Плотностью твердых частиц грунта р, называют массу еди-
ницы объема твердых частиц, уложенных абсолютно плотно, т. е.
без каких-либо промежутков, пустот между ними. Плотность
твердых частиц выражают отношением массы лц твердых частиц,
содержащихся в объеме V грунта, к их суммарному объему V*:
= (I)
Плотность твердых частиц измеряют в г/см*, т/м* и рейсе
в кг/м*.
Влажностью грунтов ш называют относительное количество
воды, содержащейся в его пустотах. В механике грунтов (при
расчете оснований) пользуются так называемой абсолютной (весо-
вой) влажностью. Абсолютную влажность выражают отношением
массы т* воды, содержащейся в порах некоторого объема грунта
34
V, к массе твердых частиц, содержащихся в этом объеме, ее наме-
ряют в г/г или в процентах.
v = = (m — т,)/тж,
или
• — 100 - [(т — т.)/т.] 100. (2)
В дальнейшем весовую влажность будем называть просто
влажностью. Влажность определяют высушиванием грунта при
температуре 106 °C. Абсолютно сухим считают грунт, высушенный
до постоянной массы.
Плотностью грунта р называют массу единицы его объема
и выражают отношением массы т грунта, включая массу т,
твердых частиц и массу т* воды, к объему грунта V, включая
объем твердых частиц V9 и объем пустот Ув:
р = m/V - (m. + m.)/(V. + VB). (3)
Плотность грунта измеряют в г/см8, т/м8 и реже в кг/м8.
Надо иметь в виду, что плотность грунтов не может являться
даже сравнительным показателем плотности их сложения. Сравни-
тельными показателями плотности сложения грунтов служат
такие показатели, как плотность сухого грунта, пористость и
коэффициент пористости, значения которых можно вычислить,
зная три основных показателя, рассмотренных выше.
По результатам непосредственных исследований в полевых
или лабораторных условиях определяют и такие показатели, как
гранулометрический и микроагрегатный составы грунтов. Их
также следует отнести к основным показателям, характеризу-
ющим крупнообломочные и песчаные грунты.
Гранулометрическим составом грунта называют количественное
(по массе) содержание в нем твердых частиц различных размеров.
При этом частицы определенных размеров объединяют в группы,
называемые фракциями. Количественное содержание каждой фрак-
ции выражают в процентах по отношению к общей массе абсо-
лютно сухого грунта.
Отдельно взятые твердые частицы условно называют лердеч-
ными. Но при образовании нескальных грунтов, особенно тонко-
дисперсных, может происходить слипание частиц. Слипшиеся
твердые глинистые частицы могут иметь сравнительно прочные
связи, и в определенных случаях они работают как одно целое.
Условно их называют вторичными частицами, или микроагрега-
тами. Достаточно часто, например, для характеристики структур
грунтов возникает необходимость вместе с первичными частицами
знать количественное содержание и вторичных частиц, т. е. знать
микроагрегатный состав.
Микроагрегатный состав показывает так называемую природ-
ную дисперсность грунтов, которая не является постоянной
25
величиной даже на коротком с геологической точки ярения отрезке
времени. Гранулометрический же состав ва такой отрезок времени
остается неизменным.
7. Производные показатели
физических свойств грунтов
Плотностью сухого (скелета) грунта называют массу твер-
дых частиц, содержащихся в единице его объема, и выражают
отношением массы этих частиц к объему V грунта:
pd - mJV «= mJ(V9 + VB). (4)
Плотность сухого грунта измеряют в г/см*, т/м*, реже в Кг/см*
н вычисляют по формуле
Pd — Р/(1 4- ®). или р4 и р/(1 + 0,01»), (6)
где р — плотность грунта, rfaf (т/м1); а — влажность грунта, г/г нлк %.
Формулу (5) получили исходя из следующих рассуждений.
Объем грунта V (см. рис. 7» б) имеет массу m » Vp. Масса твердых
частиц, входящих в него, т9 = Vpd. Масса т9 твердых частиц —
это масса абсолютно сухого грунта. Разность масс тит, дает
массу воды, содержащейся в грунте. Тогда влажность ш грунта
можно определить как
® •= (т — тЛт, - (Vp — VpjlVp4 - (р — р^/р.
в отсюда получить формулу (5).
Если грунт полностью водонасыщен и при этом в его пустотах
содержится свободногравнтационная вода, то, согласно закону
Архимеда, каждая твердая частица грунта испытывает действие
выталкивающей силы, равной весу вытесненного ею объема воды,
т. е. скелет грунта испытывает взвешивающее гидростатическое
воздействие. Следовательно, масса скелета взвешенного в воде
грунта, будет меньше, чем масса скелета неводонасыщенного
грунта.
Массу скелета грунта, взвешенного в воде, называют аффек-
тивной массой, а соответствующую ей плотность скелета — аффек-
тивной плотностью скелета грунта Pd,^. Эффективная масса
скелета .полностью водонасыщенного грунта равна массе твердых
частиц т9 минус масса вытесненного объема воды, которая, в свою
очередь, равна VaP»,
= /п, - = (m - я,) - V.P.
или
Vpd, - (Vp - VnP.) - V.P. « Vp - (V. 4-VJ о - V (р - р.).
Сократив обе части равенства на значение V, получим
Pd. «гe P — Ра- (6)
26
В принципе во всех грунтах имеются пустоты. В большинстве
скальных грунтов пустоты представлены трещинами различного
раскрытия. В нескальных и некоторых скальных грунтах пустоты
имеют вид сообщающихся друг с другом в разных направлениях
межчастичных канальцев неправильной формы и переменного
сечения, их называют порами, а грунты — пористыми.
Пористостью Пп грунта называют суммарный объем пор,
содержащихся в единице объема грунта, и выражают отношением
объема пор Vn к объему грунта У:
п» - VJV, или же лв =» (VJV) 100. (7)
В первом случае пористость измеряют в относительных еди-
ницах (см’/см* или в м*/м*), а во втором — процентах. Однако
о расчетах чаще всего выгоднее и проще пользоваться не таким
показателем, как пористость» а коэффициентом пористости.
Коэффициентом пористости е грунта называют сравнительное
содержание в нем пор и твердых частиц, выражающееся отноше-
нием объема пор Va к объему твердых частиц У,:
е = Vn/V.. (8)
Зная значение трех основных физических показателей (ра, ш, р),
коэффициент пористости можно вычислить по формуле
« = (р. — Pd)/Pd. (9)
которая получена следующим образом. Объем грунта У (см.
рис. 7, б) имеет объем твердых частиц Ул и объем пор Уа, которые
с учетом формул (4) и (1) соответственно равны
У — mjpdt У, = m,/pa. a Уп = У — И, = (mjpd) — (m^p,).
Затем, согласно формуле (8), получаем формулу (9).
Зная коэффициент е, нетрудно вычислить пористость пп.
Согласно формуле (7), 1/лп = У/Уа, а У = У, 4- Уп. Следова-
тельно, 1/zin = (V. 4- Vn)/1/n — (У«/Уо) + но. согласно (8).
У,/Уа = 1/е. Тогда 1/Ло = (1/е) 4- 1, откуда
п„ = е/(1 4- е). (10)
Эта формула нужна, например, при расчете требуемого коли-
чества цементного раствора для улучшения грунтов цементацией,
при расчете требуемого количества битума для улучшения грунтов
битумизацией и т. д., а для укрепления грунтов замораживанием,
например, необходимо знать не только объем Лд пор, но и объем
п, = Vjy твердых частиц, содержащихся в единице объема грунта
(V = 1).
При V «= 1, согласно диаграмме состава грунта (см. рис. 7, б),
% 4 п, = 1, ап, = 1 — Тогда с учетом формулы (10) получим
л, = 1/(1 4-е). (11)
27
Через коэффициент пористости ыожно выразить и эффектив-
ную плотность скелета рЛв/ взвешенного в воде грунта, исходя
на следующего равенства:
— Ул — m, — (JHjpJpb 2 л1»(Р«
Или, учитывая формулу (4),
Ур<.«/в Ур<! (Р. “ Р-)/Р-
Сократив обе части этого равенства на аначенне V н учитывая
формулу (9), получим
P<t,«f — (Ре —РьУ(1+•)• (12)
Для оценки грунтов необходимо знать н такой показатель
физических свойств, как степень влажности.
Степенью влажности Sr грунта называют степень заполнения
его пор водой и выражают отношением имеющейся влажности ш
грунта к его влажности при полном заполнении пор водой
S, — w/VMt. (13)
Степень влажности можно вычислить, зная три основных
показателя физических свойств: р„ ю и р. Согласно формуле (2),
влажность Юм! равна отношению массы воды /Пв,м| при полном
заполнении пор водой к массе пц твердых частиц. Массу воды
можно вычислить как произведение объема воды, на-
ходящейся в грунте при полном заполнении пор, и плотности р»
воды- Но объем воды в этом случае равен объему пор Ув, который,
в свою очередь, с учетом формул (7) и (10) равен У« — V [е/(1 +
+ *)1. Тогда масса равна “ V Ъ/(1 4-е)1 р».
Масса же твердых частиц, согласно формуле (1), равна т, —
У«Р.» но объем твердых частиц У. с учетом формулы (11) равен
Ув = V [1/(1 +е)1. Имея это выражение, находим квмв —
• l(Vep»)/(l + *)1/1(Ир<)/(1 + <)1 — (*Р»)/Р.. тогда согласно (13)
получим
$,-(®Р.)/(ер.). (14)
При определении нагрузок, передаваемых на основание, на-
пряжений в грунтах оснований и т. п. используют такие показа-
тели, как удельный вес грунта, удельный вес сухого грунта и
удельный вес твердых частиц грунта.
Удельным весом грунта у называют вес единицы его объема
и выражают отношением веса грунта G — mg к его объему У£
Т - (*«)/У - № (15)
гл* р — плотность грунта; g — ускоренна саободного заданна, g =- 9Д] н/Л
Удельный вес грунта измеряют в Н/м*. кН/м*, МН/м*. При
плотности грунта р в т/м*а согласно формуле (15), удельный вес
получают в кН/м*.
28
Удельным весом сухого грунта Vd называют вес единицы его
объема и выражают отношением веса сухого грунта Gd — m^g
к его объему V:
?d — (»dS)/V — Pdff- (16)
Удельным весом твердых частиц грунта называют вес еди-
ницы объема твердых частиц и выражают отношением веса твердых
частиц Qa = тд к объему твердых частиц Va:
Т. = (m^)/v, = РЛ- (17)
Глава 3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ
И ИХ ПОКАЗАТЕЛИ
Основания большинства сооружений гидромелиоративных си-
стем после их строительства практически всегда находятся в водо-
насыщенном состоянии. Поэтому в первую очередь необходимо
знать те физико-химические свойства грунтов, которые обуслов-
лены взаимодействием их твердых частиц с водой и реакцией их
структурных связей на изменение влажности. К этим свойствам
относят: консистентность, просадочность, набухаемость и усадоч-
ность, плывунность и тнксотропность, пучннистость, размягча-
емость, размокаемость, растворимость.
8. Консистентность грунтов
Консистентностью грунтов называют их способность менять
свое физическое состояние с изменением влажности. Консистент-
ностью могут обладать только дисперсные грунты. В зависимости
от количества содержащейся в них влаги они могут находиться
в твердом, пластичном и текучем состоянии.
Представим себе, что из монолита очень сухой глины вырезали
достаточное количество образцов и часть из них подвергли одно-
осному нагружению, доведя до разрушения. При этом все они
разрушились так, как разрушается при одноосном сжатии любое
хрупкое тело (рис. 8, а).
а б о
Рис. 8. Характер деформируемости образцов глины в зависимости от
ее состояния:
а — твердо* состояние; 0 — пластичное; • — пяучм; t — обрааец; 2 —
станина пресса; 3 — нагрузочная плита
29
Оставшиеся образцы немного увлажняла н часть из них снова
подвергли одноосному сжатию н т. д. Если все образцы разруши-
лись так же, как хрупкое тело, то испытуемый грунт все еще
находится в твердом состоянии. Наконец, после какого-то очеред-
ного увлажнения, подвергнув часть образцов одноосному нагру-
жению, увидим, что они деформируются без разрыва сплошности*
т. е. без образования трещин. Полного разрушения связей между
твердыми частицами не происходит. Образцы после прекращения
действия нагрузки сохраняют полученную форму (рис. 8, б).
Следовательно, грунт достиг пластичного состояния, при даль-
нейшем постепенном увлажнении образцов до какого-то предела
грунт будет находиться еще в пластичном состоянии, а затем
перейдет в текучее состояние. Образцы грунта, находящиеся
в текучем состоянии, изменяют форму уже без приложения на-
грузки (рис. 8, а).
Влажности, при которых грунт из одного состояния переходит
в другое, называют граничными. Граничную влажность, при
которой грунт переходит из твердого состояния в пластичное
(или наоборот), называют нижним пределом пластичности, млн
влажностью на границе раскатывания (правильнее называть
влажностью на границе пластичности) а граничную влаж-
ность, при которой грунт переходит из пластичного состояния
в текучее (или наоборот),— верхним пределом пластичности, до
влажностью на границе текучести wL.
Разность граничных влажностей называют числом пластич-
ности
— (18)
гда в «р — грамичкне влазпосш, %.
Консистентность грунтов зависит не только от влажности,
но и от множества других факторов, в том числе от степени дис-
персности грунтов, минерального состава твердых частиц, состава
обменных катионов, концентрации порового раствора н т. п.
Чем больше дисперсность грунтов, а точнее чем больше содержа-
ние в них частиц глинистой фракции, особенно коллоидной, тем
больше проявляется их консистентность. При всех прочих равных
условиях присутствие в грунтах глинистых частиц группы монт-
мориллонита обеспечивает большую консистентность, чем при-
сутствие частиц группы каолинита. Консистентность грунтов
увеличивается также с уменьшением валентности обменных кати-
онов, но уменьшается о увеличением концентрации свободного
порового раствора.
9« Проездочность грунтов
Просадочностью грунтов называют их способность резко
уменьшаться в объеме при увлажнении под нагрузкой (под на-
грузкой подразумевают как собственный вес грунтов массива*
80
так и, например, вес сооружений). Эта способность грунта при-
водит к резкому, провального характера опусканию его поверх-
ности.
Просадочность одновременно является и физико-механическим
свойством грунтов, относящимся к деформируемости. Однако
в связи с тем, что просадочность обусловлена в первую очередь
взаимодействием твердых частиц с водой и реакцией структурных
связей на увлажнение, целесообразнее рассмотреть ее в этой
главе.
Просадочность оценивают относительной просадкой в,ь кото-
рую измеряют в см/см нлн в %, и определяют соответственно
по формулам
Ев| = (Лп> р — а или е0| = 100 (Лщ р p)/^n, в» (19)
где Лп, g — высота образца грунта прнродно* влажности, уплотненного в ус-
ловиях. когда невозможно боковое расширение под давлением, равным верти-
кальному, природному напряжению в рассматриваемо* точке массива (напря-
жению от собственного веса вышележащих слоев грунта), см; Лп, р — высота этого
же образца, ко уплотненного каким-то давлением р, равным природному напря-
жению, или больше него, см; h9at, в — высота этого же образца, уплотненного
тем же давлением р, но после его увлажнения до полного водонасыщения. см.
К просадочным относят грунты, которые при увлажнении водой
или другой жидкостью под нагрузкой имеют относительную про-
садку e4l 0,01 см/см (1 %).
Сущность явления просадочности заключается в следующем:
в результате увлажнения грунта ослабевают неводостойкие и
маловодостойкие структурные связи (часть из них исчезает пол-
ностью), а действующая на грунт нагрузка разрушает их и сдви-
гает твердые частицы относительно друг друга, придавая им более
компактную упаковку (рис. 9).
Рис. 9. Схема уплощенкя (просадки) грунтов в результате увлажнения:
а — ваанмиое раеполрЖВяые твердых частиц до увлажаемая; б — вааимжое расположе-
нве частац после увлажвевия; / — твердые частицы; 2 — цементирующие солевые сваан;
3 — вагрувка
31
Просадочностью обладают грунты, имеющие большую пори-
стость (в среднем 44 ... 60 %). Чем выше пористость грунта» тем
больше при всех прочих равных условиях его просадочность.
При этом просадочность грунта тем выше» чем болйпе в его со-
ставе первичных» т. е. сформировавшихся в процессе образования
грунта, крупных пор. Иными словами» большей просадочностью
обладают грунты макропористые во своему происхождению.
Просадочность характерна для грунтов» обладающих» как
правило» малой природной влажностью. Чем меньше природная
влажность грунта, тем выше при всех прочих равных условиях
его просадочность. При увлажнении просадочность начинает
проявляться только тогда, когда влажность достигнет определен-
ного значения. Эту влажность называют начальной просадочной.
Начальная просадочная влажность зависит от начального состо-
яния грунта. При этом каждому значению давления, передава-
емого на грунт, соответствует своя начальная просадочная влаж-
ность. Ее определяют опытным путем. Просадочность наиболее
проявляется при полном водонасыщеннн грунта. Относительную
проездку грунта при увлажнении до неполного его водонасыще-
ння можно определить по формуле
*м — 0,01 — ж)/(Юий — Щ./) + «м (» — (20)
гда v — мажяоеп грунта; агм< — влажность, соответствующая полному вода,
васыщекию; — начальная просадочная влажность; aet — относительная
просаджа грунта (определяемая по формуле 19), при его ваажвостн» соотаетст
нужде* полному аощояаадемяю (м«
Просадочностью обладают грунты» имеющие сравнительно
низкую гидрофильность, т. е. низкую поверхностную активность
взаимодействия твердых частиц с водой. Чем ниже гидрофиль-
ность грунта при всех прочих равных условиях» тем выше про-
еддочноеть. Следовательно, чем меньше в грунте глинистых частиц,
тем больше его просадочность. Однако необходимо отметить, что
наличие глинистых частиц и некоторая гидрофильность других,
например, пылеватых частиц в то же время способствуют проса-
дочности, так как образующаяся при увлажнении грунта связан-
ная вода» оказывая расклинивающее действие» приводит к раз-
рушению структурных связей, и одновременно выполняет роль
смазки между частицами.
Просадочностью обладают грунты, в которых преобладают
неводостойкие или маловодостойкие структурные связи. К таким
связям относят вторичные кристаллизационные связи» обусловлен-
ные цементирующим действием углекислот» извести, гипса и т. п.,
а также первичные водно-коллоидные связи. Чем больше в грунте
связей именно такого характера, тем большей просадочностью
он обладает.
Необходимо отметить» что ослабление или исчезновение связей
происходит не мгновенно после увлажнения грунта» а в течение
и
определенного времени. Следовательно, явление просадочности
проявляется с определенной скоростью, которая зависит от ско-
рости ослабления связей. Просадка происходит быстрее, если,
например, в составе кристаллизационных структурных связей
преобладают легкорастворимые соединения. При всех прочих
равных условиях просадка происходит быстрее, а относительная
просадка ев1 больше, чем больше передаваемая на грунт нагрузка.
Но е.1 растет до определенного предела нагрузки. При увеличении
нагрузки свыше этого предела относительная просадка умень-
шается н доходит до нуля.
10. Набухаемость усадочность грунтов
Набухаемостью грунтов называют их способность увеличи-
ваться в объеме при увлажнении. Эта способность грунта приводит
к подъему его поверхности.
Набухаемость одновременно является и физико-механическим
свойством грунтов. Однако в связи с тем, что набухаемость об-
условлена в первую очередь взаимодействием твердых частиц
с водой и реакцией структурных связей на увлажнение, целесо-
образнее рассмотреть ее в данной главе.
Набухаемость чаще всего оценивают относительным измене-
нием высоты образца грунта — относительным набуханием
которое измеряют в мм/мм или в %, и находят соответственно по
формулам
ем = (Леев — Лп)/Лп, или евв = 100 (Аво< — Ац)//^, (21)
где haat — высота образца после его полного набухания в результате увлажнения,
как правило, до полного водонасыщения в условиях невозможности бокового
расширения; hn — высота образца природной влажности.
К набухающим относят грунты, которые при увлажнении во-
дой или другой жидкостью в условиях так называемого свободного
набухания, т. е. без передачи на грунт нагрузки, имеют относи-
тельное набухание в.» 0,04 см/см (4 %).
Сущность явления набухаемости заключается в следующем:
в результате увлажнения грунта ослабевают или полностью исче-
зают неводостойкие и маловодостойкие структурные связи, а бла-
годаря взаимодействию твердых частиц с водой вокруг них обра-
зуется связанная вода, следовательно, появляются силы раскли-
нивания, которые разрушают и деформируют (растягивают) остав-
шиеся структурные связи и раздвигают частицы во все стороны,
придавая грунту более рыхлое сложение (рис. 10).
Набухаемостью обладают грунты, имеющие сравнительно вы-
сокую плотность сложения. Чем выше при всех равных условиях
плотность сложения грунта, тем выше его набухаемость. Суще-
ствует так называемая начальная плотность набухания — это
плотность сложения, при которой грунт еще не набухает
33
Рис. 10. Схема набухания грунтов:
а — сухоВ грунт: б — грунт посла увлажнения; / — тырдш частном;
3 — прочкосанаавная вода; 3 — рыхлосвнваниая вода
Набухаемостью обладают грунты, имеющие, как правило,
малую природную влажность. Чем меньше природная (или исход-
ная) влажность грунта, тем выше при всех прочих равных усло-
виях его набухаемость. Набухания не происходит при любой при-
родной влажности, если плотность сложения грунта равна на-
чальной плотности набухания или меньше ее.
Существенное влияние на набухаемость оказывает передава-
емое на грунт давление. Максимально набухаемость проявляется
в условиях свободного набухания, т. е. при неограниченном до-
ступе увлажняющей жидкости. В случае ограниченного доступа
жидкости (при частичном увлажнении) набухаемость проявляется
частично. Но при неограниченном или ограниченном доступе
увлажняющей жидкости (при всех прочих равных условиях),
чем давление больше, тем меньше набухаемость (при каком-то
давлении она вообще отсутствует). То минимальное давление, при
котором грунт не набухает, называют давлением набухания.
Набухаемостью обладают грунты, имеющие сравнительно вы-
сокую гидрофильность, т. е. высокую поверхностную активность
взаимодействия твердых частиц с водой. Чем выше гидрофиль-
ность грунта при всех прочих равных условиях, тем выше его
набухаемость. Следовательно, чем больше в грунте глинистых
частиц, тем его набухаемость больше.
Большое влияние на набухаемость грунтов имеет их минераль-
ный состав. При всех прочих равных условиях грунты, содержа-
щие в составе глинистой фракции монтмориллонит, набухают
больше, дом грунты, содержащие в составе глинистой фракции,
например каолинит. Каолинит, имея жесткую кристаллическую
решетку, взаимодействует с молекулами воды и гидратирован-
ными катионами (сорбирует их) только своей внешней поверх-
ностью, а монтмориллонит, имея раздвижную кристаллическую
решетку, взаимодействует с молекулами воды и гидратированными
катионами (сорбирует их) не только внешней поверхностью, но
и (еще в большей степени) внутренней поверхностью структурных
слоев.
На набухаемость грунтов большое влияние оказывают также
состав, валентность и концентрация обменных катионов. С изме-
нением состава, особенно с увеличением валентности, обменных
34
катионов набухаемость грунта может уменьшиться в несколько
раз.
Концентрация обменных катионов влияет на набухаемость
двояко: если концентрация увлажняющего раствора выше кон-
центрации существующего в грунте порового раствора, то на-
бухаемость грунта уменьшается, и наоборот. Здесь оказывают
свое влияние как обменные реакции, так и осмотические явления.
Набухаемость характерна для грунтов, в которых преобладают
неводостойкие или маловодостойкие структурные связи. Чем
больше таких связей, тем больше набухаемость. При этом необ-
ходимо отметить, что ослабление или исчезновение связей, как
и образование вокруг твердых частиц связанной воды, проис-
ходит не мгновенно после увлажнения грунта, а в течение опре-
деленного времени. Следовательно, набухаемость происходит
с определенной скоростью, зависящей от скорости ослабления
связей и от скорости образования связанной воды. Набухание
грунта при неограниченном доступе увлажняющей жидкости
заканчивается тогда, когда силы расклинивания уравновеши-
ваются внешним давлением или собственным весом грунта.
Рассматривая и объясняя набухаемость грунтов, следует
иметь в виду, что суммарное увеличение (приращение) объема
системы твердые частицы — связанная вода не равно объему
свободной воды, перешедшей в связанную, оно меньше. Эго явле-
ние — уменьшение объема воды — называют контракцией объема,
а объясняют тем, что плотность связанной воды выше, чем плот-
ность свободной.
Необходимо отметить еще один важный для гидромелиоратив-
ного строительства факт: грунт нарушенной структуры обладает
большей набухаемостью, чем грунт ненарушенной структуры,
так как в последнем набуханию препятствуют некоторые вторич-
ные водостойкие структурные связи.
При уменьшении влажности набухающих грунтов происходит
обратное явление — уменьшение объема грунта, называемое уса-
дочностью. Однако усадочность не является зеркальным отраже-
нием набухаемости. Процесс усадки сопровождается, например,
перераспределением растворимых химических веществ, содержа-
щихся в грунте, а это, в свою очередь, ведет к перераспределению
структурных связей. Процесс усадки обычно сопровождается
образованием трещин в грунте: в условиях жаркого и сухого
периода времени трещины в грунтовом массиве могут распростра-
няться на глубину нескольких метров.
Усадочность оценивают значением относительной усадки в«д,
которую измеряют в мм/мм или в % и находят соответственно по
формулам
в (Ад — А^)/Ад или в [(Ад — А^)/Ад)-100, (22)
где Лп — вксота образца до уменьшения влажиостн; — внсота образца после
умекыоемия алажмогтв.
38
11. Плывунность тиксотропность грунтов
Плывунностью грунтов называют их способность приобретать
свойства вязкой жидкости — течь и терять устойчивое состояние
при устройстве в них выемок, например котлованов, а также
под фундаментами сооружений и машин.
Плывунностью могут обладать грунты различного вида. Это
зависит от их состава и состояния, а также от характера и силы
внешнего и внутреннего воздействия на них. Однако, несмотря
на различие состава, состояния, характера и силы воздействия,
плывунность грунтов объясняется тем, что в момент начала тече-
ния их твердые частицы оказываются разделенными прослойками
свободногравитационной воды.
Тиксотропностью грунтов называют их способность под влия-
нием встряхивания, вибрации, ультразвука или другого какого-
либо внешнего воздействия разжижаться, переходить в плывунное
состояние и полностью терять свою прочность, но после прекра-
щения воздействия возвращаться в свое первоначальное состо-
яние, а точнее загустевать и восстанавливать свою прочность
полностью или частично или же увеличивать ее.
Сущность явления тиксотропности заключается в следующем:
в результате какого-либо из названных выше внешних воздействий
происходит разрушение структурных связей; связанная (преиму-
щественно рыхлосвязанная), капиллярная и иммобилизованная
(замкнутых пор) вода переходит в свободногравитационную; грунт
разжижается (твердые частицы как бы плавают в воде) и теряет
свою прочность. После прекращения воздействия образовавшаяся
свободная вода переходит обратно в связанную, капиллярную
или иммобилизованную. Восстанавливаются или формируются
новые структурные связи, увеличивается их количество и проис-
ходит упрочнение. Как результат, грунт постепенно загустевает
(застудневает) и упрочняется.
Тиксотропность обусловливается множеством факторов, дей-
ствующих в совокупности, из числа которых необходимо упомя-
нуть наиболее существенные: вид структурных связей,
гранулометрический состав и влажность грунтов, минеральный
состав и гидрофильность твердых частиц, обменную емкость.
Тиксотропностью могут обладать только нескальные грунты,
и только те из них, которые обязательно имеют первичные обрати-
мые, т. е. водно-коллоидные структурные связи.
Если грунты имеют только эти связи, то прочность их со вре-
менем восстанавливается полностью или даже увеличиваете^.
Если грунты имеют и вторичные кристаллизационные связи, то
прочность грунтов может восстанавливаться не полностью.
Тиксотропностью обладают только те грунты; которые в своем
составе имеют не менее 1,5 ... 2 % глинистых частиц. Чем их
больше и чем меньше их размеры, тем ярче проявляется тиксо-
тропность.
36
Тиксотропностью обладают только те грунта, в которых со-
держится минимальное количество воды, необходимое для их
разжижения во время передачи внешнего воздействия и упрочне-
ния (восстановления прочности) после прекращения этого воздей-
ствия. Чем больше в грунте воды, тем отчетливее проявляется его
тиксотропность.
Разжижение какого-то конкретного грунта во многом зависит
от силы внешнего воздействия. Чем больше сила воздействия,
тем при меньшей влажности грунт может перейти в разжиженное,
плывунное состояние.
Грунт разжижается практически сразу же после передачи на
него внешнего воздействия. Для упрочнения (восстановления
прочности) грунта после прекращения внешнего воздействия
требуется определенный отрезок времени (ориентировочно 5 ...
25 сут и более). Продолжительность упрочнения зависит от ско-
рости возвращения воды из свободного состояния в связанное
и от скорости восстановления и образования водно-коллоидных
структурных связей.
12. Размягчаемость, размокаемость
и растворимость грунтов
Размягчаемостью грунтов называют их способность снижать
свою прочность после насыщения водой. Этой способностью
обладают грунты, имеющие структурные связи, которые в воде
ослабевают, но не исчезают полностью.
Размягчаемость оценивают коэффициентом размягчаемостн /См/.
Его вычисляют по формуле
Xaaf = /?с/₽о. d, (23)
где — временное сопротивление одноосному сжатию образца грунта после
насыщения его водой; — временное сопротивление одноосному сжатию
образца этого же грунта (образца-близнеца) в воздушно-сухом состоянии.
Грунты, имеющие 0,75, относятся к неразмягчаемым,
a < 0,75 — к размягчаемым.
Размокаемостью грунтов называют их способность терять струк-
турную связанность, а следовательно, и прочность и распадаться
на отдельные структурные элементы (частицы и агрегаты), т. е.
рассыпаться или расплываться при погружении в воду.
Некоторые исследователи рассматривают размокаемость как
конечную стадию набухания. Однако вряд ли это верно, так как
далеко не все набухающие грунты рассыпаются или расплываются
в воде. Просадочные грунты, как правило, все размокают. Раз-
мокаемость оценивают двумя показателями: продолжительностью
и характером размокания.
Продолжительность размокания — время, за которое образец
грунта, помещенный в воду, распадается на отдельные структур-
ные элементы разного размера. Характер размокания — это каче-
ственная картина распада образца грунта.
37
Размокаемость грунтов обусловливается практически теми же
факторами, что просадочность и набухаемость. Иными словами,
чем больше в грунтах проявляется просадочность или набуха-
емость, тем большей размокаемостыо они обладают.
Растворимостью грунтов называют их способность раство-
ряться в природной воде, которая, в свою очередь, как правило,
уже является раствором той или иной концентрации. При этом
следует иметь в виду, что растворимость грунтов зависит не только
от растворимости составляющих их минералов в чистой воде, но
и от состава свободной воды, находящейся в порах грунта. Рас-
творимость грунтов существенно зависит и от того, находится ли
вода в состоянии покоя или в состоянии движения.
Все грунты в той или иной степени растворимы. Известно же,
что в определенном количестве чистой воды при определенном
давлении и температуре может раствориться только вполне опре-
деленное количество какого-то вещества. И если в какой-то объем
любого грунта ввести некоторое количество воды и оставить ее
в неподвижном состоянии, то какая-то часть грунта растворится,
а получившийся поровый раствор можно считать насыщенным.
Но если этот раствор заменить таким же количеством чистой
воды, то еще какая-то часть грунта будет растворена и т. д.
В грунтах оснований плотин или сооружений, например на
каналах гидромелиоративных систем, поровый раствор непре-
рывно обновляется. Следовательно, непрерывно происходит и
растворение грунта. Однако процесс растворения во многих слу-
чаях идет медленно и опасности для устойчивости сооружений
не представляет. Но есть ряд грунтов, растворимость которых
может представлять серьезную угрозу устойчивости сооружений.
13. Пучпнпстость грунтов
Пучннистостыо грунтов называют их способность увеличи-
ваться в объеме при промерзании. Это одно из мерзлотных геологи-
ческих явлений. Известно, что вода, превращаясь в лед, увели-
чивается в объеме на 9 ... 11 %. Однако если бы даже вся име-
ющаяся в грунте вода превратилась в лед, но осталась бы на
прежнем месте, то заметного и опасного для фундаментостроения
увеличения объема грунта не произошло бы. Опасное увеличение
его объема при промерзании, которое и называют пучением, вы-
зывается миграцией воды и переходом ее в лед. Миграция воды
под фундаментами сооружений, насыпями и т. п. интенсивнее,
чем в обычных природных условиях. Это результат нарушений
естественного температурного режима.
Существуют различные взгляды и теории, объясняющие пучи-
нистость грунтов. По одной из теорий пучинистость объясняется
миграцией влаги из нижележащих незамерзших слоев грунта,
по другой — внутри объема замерзшего грунта е образованием
в нем очагов кристаллизации льда (рис. 11).
98
Рис. II. Схема миграции влаги и пучения грунта под фундаментом:
а — миграция влаги иа нижележащих иеаамерэших слова; б — миграция влаги внутри
вамерашсго слоя; 1 — фундамент сооружения; 2 — подошва промерзающего слоя; а —
ааправлеимо миграции влаги; 4 — очаги (аонм) кристаллизация льда
Согласно первой теории, в течение всего зимнего периода
(и даже после него вследствие продолжающегося распространения
волны холода) в результате разности температурных потенциалов
к промерзающему слою грунта из нижележащих незамерзающих
слоев непрерывно сподтягнвается» вода и превращается в лед.
При этом в промерзшем слое образуются крупные кристаллы,
линзы или прослойки льда, непрерывный рост которых приводит
к увеличению объема грунта в целом, т. е. к лучению (рис. 11, а).
Мигрировать может вода в виде пара, связанная, капиллярная,
а через капилляры и свободногравитационная вода.
Согласно второй теории, миграция влаги происходит только
внутри объема промерзшего слоя грунта к появившимся в нем
очагам кристаллизации льда. В этих очагах скапливаются доста-
точно большие объемы льда, что приводит к общему увеличению
объема грунта, т. е. к его пучению (рис. 11, б). При этом пори-
стость грунта между очагами кристаллизации практически
остается неизменной, не меняется и общая масса влаги во всем
промерзшем объеме грунта.
Очевидно, справедлива и та и другая теория, так как пучи-
нистость, как уже доказано, зависит от многих факторов: состава,
состояния и степени водонасыщения грунтов, их температуры
и температуры наружного воздуха, близости уровня грунтовых вод
к подошве промерзающего слоя и т. д. Главным же фактором при
всех прочих равных условиях считают гранулометрический состав
грунтов.
Глава 4. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА ГРУНТОВ И ИХ ПОКАЗАТЕЛИ
Для расчета оснований фундаментов сооружений и машин
необходимо знать некоторые основные физико-механические свой-
ства грунтов и их показатели: водопроницаемость, деформиру-
емость и прочность
39
14. Водопроницаемость грунтов
Водопроницаемостью грунтов называют их способность про-
пускать через себя свободногравитационную воду, находящуюся
под влиянием сил тяжести или давления (напора), т. е. под вли-
янием факторов механической природы.
Движение всех других видов воды вызывается факторами не
механической, а физико-химической природы. Оно называется
миграцией и здесь не рассматривается.
Грунты в зависимости от их вида и сложения могут пропускать
воду по трещинам, по порам или по тем и другим одновременно.
Для гидромелиоративного строительства важнее знать закономер-
ности водопроницаемости нескальных грунтов. Поэтому в даль-
нейшем речь пойдет в основном об этих грунтах.
Движение свободногравитационной воды в грунтах оснований,
называемое фильтрацией, происходит по различным направле-
ниям: вертикально вниз, вертикально вверх, горизонтально.
Это зависит от местоположения рассматриваемой области (точки)
фильтрации в основании сооружений. Для лучшего понимания
явлений, связанных с фильтрацией в иескальных грунтах, на
рисунке 12 показаны модели фильтрационных установок с раз-
личным направлением фильтРании П°Д действием напора Н.
Первые опыты по изучению фильтрации в грунте были прове-
дены французским ученым А. Дарси в середине прошлого века.
Он изучал фильтрацию в водонасыщенном песке в приборе, ана-
логичном установке, показанной на рисунке 12, б. Фильтрация
происходила сверху вниз под влиянием сил тяжести. Дарси уста-
новил, что движение воды сквозь песок ламинарное, а ее расход
подчиняется зависимости
Q - КА (ДЯ/Z), (24)
где Q — расход воды. м*/с; К — коэффициент пропорциональности. м/с; А —
площадь поперечного сечения (перпендикулярного направлению движения воды)
образца грунта, м1; йН —разность отметок уровней воды перед входом
в образец грунта я выходом лж из него, м; I — высота, а при горизонтальной филь-
трации длина образца грунта, м.
Рис. 12. Модели фильтрационных установок с различным направлением движе-
ния воды:
а — фильтрация горивонтальпви; б — фильтрация вертикально вина; в — фильтрация
вертикально вверх; / — обреаец грунта: i - водопроницаемые (пористые) стенки; 3 —
водонепроницаемые стейка
40
Коэффициент пропорциональности /С называют коэффициен-
том фильтрации грунтов?, АН — разность напоров или действу-
ющий напор; I — длина пути фильтрации; АНН = i — гидравли-
ческой уклон, или гидравлический градиент фильтрации, a Q/A =
= Оф — скорость фильтрации воды.
Учитывая зависимость (24), а также принятые выше обозна-
чения, можно записать
Оф = Ki. (25)
Выражение (25) носит название закон Дарси. Из него видно, что
коэффициент фильтрации К есть скорость фильтрации иф при гидрав-
лическом градиенте фильтрации i = 1. Следовательно, коэффициент
фильтрации имеет размерность скорости, но является не харак-
теристикой фильтрационного потока воды, а физико-механиче-
ской характеристикой грунта, отражающей его водопроницае-
мость в полностью водонасыщенном состоянии.
Исследуя н оценивая фильтрацию воды в грунтах, надо пом-
нить, что в реальных, естественных условиях, в частности в грун-
тах оснований, может находиться защемленный воздух. Он сни-
жает водопропускную способность грунта. Кроме того, в ряде
грунтов хотя бы часть объема пор может быть занята связанной
водой. Тогда движение воДы будет происходить не по всей сум-
марной площади сечения пор, а по меньшей, которую называют
активной площадью. В связи с этим объем пор, участвующий
в фильтрации, называют активным объемом, а пористость, соот-
ветствующую ему, — активной пористостью.
Вода при фильтрации в грунтах проходит сложный путь,
преодолевая при этом практически все виды гидравлических со-
противлений: лобовое сопротивление обтекаемых ею твердых ча-
стиц, сопротивление трению о твердые частицы в порах (как
в трубах по их стенкам), различные местные сопротивления. Их
впервые исследовал Н. Е. Жуковский и предложил считать рав-
номерно распределенными по всему объему грунта. Они являются
тормозящими силами, и именно на их преодоление расходуется
действующий напор. Суммарная тормозящая сила равна и прямо
противоположна силе воздействия на твердые частицы движу-
щейся воды. Эту силу воздействия называют гидродинамическим,
или фильтрационным, давлением, и оно, следовательно, так же
как и тормозящая сила, является объемной силой.
Формулу для определения гидродинамического давления р9
можно вывести, составив для фильтрующей в объеме образца
грунта воды уравнение Даламбера. С целью упрощения вывода
уравнения составим его применительно к схеме, показанной на
рисунке 12, а. При этом считаем, что твердые частицы грунта
неподвижны.
С левой стороны на воду, заключенную в образце грунта, дей-
ствует сила гидростатического давления F^a = рв//вЛ^, а
с правой стороны —
41
Сила инерции фильтрационного потока в объеме образца равна
/ф-(26)
где р» — плотность воды; £ — ускорение свободного падения; л -- пористость;
dvjdt — фактическое ускорение движения воды, dvjdt — dv^fdt — ускоре*
ине фильтрации, равное Оф.
Суммарная тормозящая сила равна
(27)
где хт — тормозящая сила в единице объема грунта.
Проектируя все суммарные силы на направление фильтрации,
получим искомое уравнение
ЛЛ- p-H.Ag + (pjg) lAa^g - тт/А - 0, (28)
из которого находим
(Оф/Г)1. (29)
Ускорение фильтрации Оф при ламинарном движении воды
в порах грунта мало по сравнению с гравитационным ускорением
g, поэтому значением a*fg в выражении (29) можно пренебречь.
Тогда
т, - Prfi, (30)
а учитывая, что тт — имеем
л. - = tJ- (31)
Так как — удельный вес воды — величина постоянная,
гидродинамическое давление зависит только от гидравлического
градиента i. Чем он больше, тем больше гидродинамическое дав-
ление. Гидродинамическое давление может способствовать уве-
личению или снижению прочности грунта, а в определенных слу-
чаях и разрушению его. Если фильтрация идет сверху вниз
(рис. 12, б), то направление действия гидродинамического дав-
ления совпадает с направлением действия силы тяжести и
гидродинамическое давление уплотняет грунт, а следовательно,
и упрочняет его. Если фильтрация идет снизу вверх (рис. 12, а),
то направление действия р* противоположно направлению дей-
ствия силы тяжести и гидродинамическое давление взвешивает
грунт. Удельный вес скелета гидродинамически взвешенного
грунта будет равен
= = (32)
где yrf1— аффективный удельный вес скелета грунта.
Подставив из формулы (31) значение р^ и учитывая формулы
(6) или (12) соответственно, получим
-=т — т.- V или Tk ,f - [(т. — Т.)/(1 + •)] — TJ- (33)
«2
Формула (32) показывает, что если значение, р* превысит
значение то в грунтах, не имеющих структурных связей,
будет происходить вынос частиц и, как следствие, постепенное
разрушение грунта, которое называют суффозией. Если же гидро-
динамическое давление будет значительно превышать эффектив-
ный удельный вес скелета, то грунт перейдет в плывунное состоя-
ние и произойдет фильтрационный размыву называемый иногда
фильтрационным выпором грунта.
Как суффозия, так и фильтрационный размыв—выпор могут
происходить не только в грунтах без структурных связей, но и
в тех, которые такие связи имеют. Устойчивость грунтов к суф-
фозии и фильтрационному размыву можно оценивать критиче-
ским градиентом фильтрации 1^ и критической скоростью фильтра-
ции 0^ ег, которые называют показателями фильтрационной проч-
ности грунтов.
Следует отметить, что фильтрация в некоторых грунтах на-
чинается лишь тогда, когда гидравлический градиент фильтрации
достигнет какого-то определенного значения. В связи с этим
значение гидравлического градиента, при котором начинается
фильтрация, назвали начальным градиентом фильтрации ia.
Основной причиной наличия начального градиента большинство
исследователей считают уменьшение активной пористости, а точ-
нее, уменьшение активного диаметра пор пленкой связанной воды.
Известно, что при движении воды по трубам часть энергии
(напора) расходуется на преодоление сопротивлений движению.
Известно также, что чем меньше диаметр трубы, тем больше по-
тери напора. Следовательно, если напор окажется меньше сопро-
тивления движению, то движения воды в трубе не будет. Для
обеспечения движения воды напор должен быть больше суммы
всех гидравлических сопротивлений. Кроме того, если все поры
грунта заполнены связанной водой, то при каких-то напорах
фильтрации также не будет. Чтобы механическое движение воды
происходило, нужны активные поры, т. е. поры, свободные от
связанной и капиллярной воды. Если в сильнодисперсных мелко-
пористых грунтах, в которых все поры заняты связанной и капил-
лярной водой, при малых гидравлических градиентах обнаружи-
ваются фильтрации, то это объясняется наличием сил не механи-
ческой, а физико-химической природы, и тогда следует говорить
не о фильтрации, а о миграции влаги. Хотя внешне это будет
похоже на фильтрацию.
Несмотря на значительное число работ, посвященных вопро-
сам водопроницаемости грунтов, явление это сложное и еще не-
достаточно изученное.
1В« Деформируемость грунтов
Деформируемостью грунтов называют их способность под
влиянием силы внешнего воздействия менять свой объем и форму.
43
Под силами внешнего воздействия имеются в виду нагрузки,
передаваемые фундаментами сооружений, на грунты оснований как
в процессе строительства, так и в процессе эксплуатации постро-
енных сооружений.
Знать закономерности деформируемости грунтов необходимо
в первую очередь для расчета осадок фундаментов сооружений,
так как значение осадок и особенно их неравномерность во многом
обусловливают эксплуатационную пригодность сооружения в
целом.
Знание закономерностей деформируемости грунтов позволяет
создать предпосылки для выбора гипотезы работы и соответству-
ющей ей механической модели основания, без чего рассчитать
осадку фундамента невозможно.
В литературе по механике грунтов в настоящее время можно
найти большое число моделей, предложенных различными уче-
ными; практически все эти модели разработаны применительно
к нескальным грунтам.
Между деформируемостью скальных и нескальных грунтов
из-за их разной природы имеются существенные различия, как
количественные, так и качественные. В массиве под фундаментом
сооружения грунт работает как полупространство, загруженное
по какой-то ограниченной площади — площади подошвы фунда-
мента. При равенстве площадей подошв фундаментов сооружений,
а также нагрузок, передаваемых ими на грунты оснований, де-
формация скальных грунтов в десятки и сотни раз меньше, чем
деформация нескальных грунтов. Поэтому ранее считали, что
деформируемость скальных грунтов как оснований безопасна
для сооружения и изучать ее нет необходимости. Однако в связи
с развитием строительства крупных плотин (например, Ингур-
ская арочная плотина высотой 271,5 м), опирающихся на грунты
с прочными связями, деформируемости последних придают важ-
ное значение и в последние годы уделяют этой проблеме все боль-
шее внимание.
Скальные грунты, деформируясь под постепенно возрастающей
статической нагрузкой, возникающей под фундаментами соору-
жений, могут проходить следующие фазы: 1) фазу уплотнения,
связанную со смыканием микротрещин, имеющихся в породе;
2) фазу 'упругих деформаций породы; 3) фазу пластических де-
формаций, соответствующую началу процесса интенсивного об-
разования микротрещин, параллельных оси нагрузки, что при-
водит к разрушению грунта.
Основной фактор, определяющий деформируемость скальных
грунтов в массиве, — их трещиноватость. Поэтому массивы
скальных грунтов как оснований можно разделить на два вида:
монолитный скальный массив, т. е. массив, практически не име-
ющий трещин, и массив, разделенный трещинами на блоки и пред-
ставляющий собой как бы сухую каменную кладку из крупных
и очень крупных блоков.
44
Фаза уплотнения наиболее полно проявляется при полевых
испытаниях во время нагружения массива с помощью штампа.
При этом штамп должен иметь большие размеры, чтобы активная
зона захватывала значительный объем, включающий весь комплекс
элементов (блоков и разделяющих их трещин), составляющих
массив. У скальных массивов первого вида фаза уплотнения прак-
тически отсутствует.
Наличие фазы уплотнения у массивов второго вида объяс-
няется тем, что на поверхностях блоков (на бортах трещин, как
их еще называют) имеются макро- и микроскопические выступы
и впадины, из-за которых реальная площадь контактов двух
соседних блоков в сотни и даже в десятки тысяч раз меньше,
поэтому и реальные сжимающие напряжения в материале блоков
в месте их контактов, возникающие в результате внешних воз-
действий, в сотни (и десятки тысяч) раз выше, чем кажущиеся
средние напряжения. При этом надо еще учесть концентрацию
напряжений из-за угловатости выступов. Все это, вместе взятое,
приводит к тому, что реальные напряжения в выступах превы-
шают прочность материалов блоков и выступы или разрушаются,
или пластически деформируются. Вследствие этого и происходит
необратимое сближение блоков, называемое уплотнением. Уплот-
нение сопровождается увеличением реальной площади контакта
блоков и, следовательно, повышением сопротивления деформиро-
ванию из-за резкого снижения реальных сжимающих напряжений.
Далее наступает вторая фаза деформирования — фаза упругих
деформаций, которая продолжается при увеличении силы внеш-
него воздействия до момента достижения осредненными сжима-
ющими напряжениями какого-то определенного для каждой породы
значения. После этого до момента разрушения с увеличением силы
внешнего воздействия следует третья фаза — фаза пластических
деформаций.
Первая и третья фазы включают преимущественно необрати-
мые, остаточные деформации, а вторая — только обратимые,
упругие деформации.
Остаточными деформациями называют деформации, которые
не исчезают после снятия с грунта нагрузки, упругими — дефор-
мации, которые после снятия с грунта нагрузки исчезают.
В реальных условиях скальные грунты в зависимости от типа
массива и нагрузок, передаваемых на основание фундаментов,
могут испытывать или только упругие деформации, или упругие
и остаточные вместе, т. е. общие деформации, без появления третьей
фазы. Поэтому для характеристики деформируемости скальных
грунтов и расчета оснований используют следующие показатели:
модуль линейной упругой деформации модуль линейной общей
деформации Е, коэффициент поперечного расширения (коэффи-
циент Пуассона) v, модуль сдвига G, модуль объемного сжатия Ео.
Так как скальные грунты оснований нагружают в области приме-
нимости закона Гука, то для вычисления названных показателей
46
используют формуле из курса «Сопротивление материа-
лов».
Модули линейной деформации Е равна отношению напряже-
ния от при одноосном сжатии образца к его относительной (соот-
ветственно упругой или общей) линейной деформации
Е - сг/а. (34)
При всестороннем напряженном состоянии (всестороннем сжа-
тии) модули линейной деформации находят по одному из выраже*
НИЙ
— v(a,4-oI)]; 1
•» = (>/£) [О, — V(a, +ffx)I; } (35)
в, — (1/£) (a, — v (a„ + a,)J J
или из выражения
е, = [(1 - 2v)/£] (a, + av + <гж), (36)
где вр — относительная объемная деформация образца, вр AV!V\ ДИ — аб-
солютное изменение объема образца; V— первоначальный объем.
Обозначив ож 4- ог 4- ож = Зат и считая, что образец ис-
пытывает всестороннее гидростатическое сжатие при am, получим
вр = [3(1-2v)/E]aw (37)
и по аналогии с выражением (34) запишем
^т/®» = (38)
Тогда с учетом выражения (37) между модулями объемного
сжатия и линейной деформации получим взаимосвязь
Е, = Е[3 (1 — 2v). (39)
А между модулем сдвига G и модулем линейной деформации Е,
как известно, имеется взаимосвязь
Q = Е/2 (1 4- v). (40)
Пользуясь выражениями (39) и (40), по двум любым известным
показателям деформируемости можно найти два других неиз-
вестных показателя.
Нескальные минеральные грунты по механическим свойствам
намного сложнее, чем скальные. К настоящему времени имеется
достаточно большое число гипотез работы и соответствующих
им расчетных механических моделей грунтового основания, сло-
женного нескальными минеральными грунтами.
Ниже кратко рассмотрим только некоторые наиболее распро-
страненные гипотезы и модели, на которых базируются все основ-
ные расчеты оснований. *
Первой гипотезой было предположение члена Российской ака-
демии наук Н. И. Фусса о пропорциональности между осадкой и
нагрузкой, передаваемой на грунт. Немецкий ученый Е. Винклер
46
Р~0
ггтСр‘°
гхн
inn
ши
^7/777/7/7/7/777/77/77/7 /Ж Л>,
/7/77777777^ 7/7 77//7//7//77/7
Р*0
W7///7VX7W»777»W»»WVWV.
„ в
Рис. 13. Схема расчетных моделей грунтов оснований фундаментов:
° — Фусся — Винклера; б — упругого полупространства; а — линейио-дафорнкруаыого
полупространства; « — линейно-деформируемого слоя конечной толщины й; р — нитен-
снвяость нагрузим; «е/ — упругая осадка; а — общая осадка; аг — остаточная осадка;
1 — положение поверхности грунта до нагружения; 2 — положение поверхности грунта
после нагружения; 2 — положенно поверхности грунта после снятия нагруакн
р-0
^7^7^.
в
предположил, что под жестким штампом возникают только мест-
ные, притом упругие деформации, полностью восстанавливающи-
еся при снятии нагрузки, а их значение находится в линейной
зависимости от передаваемой на грунт нагрузки р: = р/С,
где С — характеристика деформируемости грунта —коэффициент
постели. Под местными деформациями здесь понимается дефор-
мация грунта в объеме «столба», расположенного вертикально
вниз под штампом; грунт, находящийся с боков этого «столба»,
нагрузку, передаваемую штампом, не воспринимает, а следова-
тельно, и не деформируется. Схематически гипотеза Винклера
представлена моделью, показанной на рисунке 13, а. В механике
грунтов она носит название модель Фусса—Винклера. Благодаря
простоте расчета деформации грунта эта модель в ряде случаев
(в зависимости, например, от вида и состояния грунта) исполь-
зуется и в настоящее время.
Советский ученый Г. Э. Проктор и немецкий ученый К. Виг-
хардт, анализируя гипотезу Фусса—Винклера, отметили ряд
47
крупных ее недостатков. Основной недостаток состоит в том, что
поверхность грунта, как показывают эксперименты, оседает не
только непосредственно под штампом, но н вокруг него, а это,
очевидно, означает то, что грунт основания деформируется не
только в объеме «столбам под штампом, но и на определенном
расстоянии с его боков. Кроме того, гибкий штамп, передающий
на грунт равномерно распределенную нагрузку по всей подошве,
оседает не равномерно, а прогибается.
Таким образом, возникла необходимость отразить в модели
распределительную способность грунта, т. е. отразить связь
между напряжением в одной точке и перемещением в другой.
В связи о этим Г. Э. Проктор считал, что гипотезу Фусса—Винк-
лера следует заменить теорией упругости. Так появилась в меха-
нике грунтов модель упругого однородного полупространства
(рис. 13, б). В математическом отношении она была проанализи-
рована французским ученым Ж- Буссинеском еще в 1885 г.
В этой модели поверхность грунта при его нагружении оседает
не только под штампом, но и вокруг него; при этом возникают
упругие деформации, которые после снятия нагрузки полностью
восстанавливаются; в массиве грунта наряду с вертикальными
происходят и горизонтальные перемещения. Характеристиками
деформируемости грунта этой модели являются модуль упругости
МПа, и коэффициент Пуассона v, а зависимость между осад-
кой s*i, см, и нагрузкой р, МПа, имеет вид
(41)
где b — меньший размер штампа (для круга — диаметр, для квадрата — сто-
рона); ш — коэффициент, учитывающий форму штампа в плаве и его жесткость.
В 1923 г. модель упругого полупространства для расчета
оснований и фундаментов была использована Н. П. Пузырев-
ским. Однако против применения этой модели был тот факт, что
грунты оснований в натуре, кроме упругих, имеют большие оста-
точные деформации. В связи с этим была предложена новая мо-
дель, которая получила название модель линейно-деформируемого
полупространства (рис. 13, в). Характеристики деформируемости
грунта этой модели — модуль общей деформации Е и коэффициент
Пуассона'v, а зависимость между общей осадкой s и нагрузкой р
имеет вид, аналогичный зависимости (41), где вместо стоит Е.
Как разновидность модели линейно-деформируемого полупро-
странства в расчетах используется модель линейно-деформируе-
мого слоя грунта конечной толщины (рис. 13, г).
Решающую роль в обосновании возможности применения пред-
посылок и закономерностей теории упругости в расчете основа-
ний и фундаментов сыграли работы Н. М. Герсеванова. Исследуя
деформируемость нескальных грунтов под постепенно возрастаю-
щей статической нагрузкой, передаваемой на грунт штампом,
он установил, что деформации, постепенно развиваясь, проходят
48
Рис. 14. Фазы деформируемости грунта в основании жесткого штампа — фунда-
мента:
а — первая фаза — фаза уплстяввмя; б — вторая фаза — фаза образования сдвигов;
л — третья фаза — фаза выпирания грунта; а — зависимость осадок S фундамента от
нагрузок р; I — траектория движения твердых частиц грунта; Г — ливни расположе-
ния частиц до деформации; J — линии расположения частиц после деформации; 4 — эона
локальных сдвигов; 5 — сплошные поверх кости скольжения; 4 - жесткое ядро; I —
фаза уплотнении; // — фаза образования сдвигов; /// — фаза выпирания; Р^, t — мо-
чальная. первая критическая нагрузка; /?“ — нормативное сопротивление, ш — вто-
рая критическая нагрузка
три фазы: фазу уплотнения; фазу образования сдвигов (которую
называют еще фазой образования зон локальных пластических де-
формаций грунта); фазу образования сплошных поверхностей
скольжения и выпирания грунта из-под штампа.
Фазы деформируемости обычно рассматривают на примере
работы нескального грунта под жесткими штампами-фундамен-
тами, передающими на него постепенно возрастающую статическую
нагрузку (рис. 14, а, б, а), а объяснение сопровождают показом
49
вависимости осадок 9 фундамента от средних контактных давле-
ний о, передаваемых им на грунт основания (рис. 14, а).
Многочисленные исследования позволили выявить почти пол-
ную картину деформируемости нескальных грунтов под жесткими
фундаментами, различными по глубине заложения, по форме и
размерам подошвы. Ее можно представить так.
В начале первой фазы при передаче на грунт какой-то не-
большой нагрузки фундамент опускается вниз на некоторую вели-
чину Sf только за счет упругой деформации грунта. Затем с рос-
том нагрузки в грунте появляются н остаточные деформации.
Максимальную нагрузку, при которой грунт имеет еще только
упругие деформации, называют структурной прочностью сжатия.
Упругие деформации нескальных грунтов обусловлены упруго-
стью твердых частиц, связанной воды, структурных связей и за-
щемленного воздуха. Их называют мгновенно-упругими, так как
онн появляются после передачи на грунт нагрузки почти мгно-
венно. Они, как правило, невелики, а поэтому не являются опре-
деляющими в составе общей деформации грунта под фундаментами.
К упругим деформациям иногда относят и деформации, обра-
зующиеся вследствие отжатия связанной воды, которые после сня-
тия нагрузки восстанавливаются, но проявляют себя не мгновенно,
а в течение какого-то отрезка времени: они восстанавливающиеся,
но неупругие. Этн деформации, как правило, больше, чем чисто
упругие.
Остаточные деформации нескальных грунтов & первой фазе
обусловлены: взаимными сдвигами твердых частиц, происходя-
щими благодаря преодолению сил трения и разрушению струк-
ктурных связей между ними; разрушением структурных элемен-
тов—агрегатов (разрушение агрегатов — это тоже взаимное сме-
щение твердых частиц) и реже самих твердых частиц. Они сопро-
вождаются уменьшением пористости грунта. При этом твердые
частицы грунта, смещаясь относительно друг друга, перемещаются
преимущественно вниз практически без отклонения от вертикали
(см. рис. 14, а). Зона перемещений с ростом нагрузки распростра-
няется иа значительную глубину, превышающую обычно ширину
подошвы фундамента. И чем больше плотность грунта, тем боль-
шую глубину захватывает зона вертикальных перемещений
твердых частиц.
С ростом нагрузки растут как упругие, так и остаточные
деформации; доля последних преобладает, но при этом происходит
только уменьшение пористости грунта.
С переходом нагрузки какого-то предела в грунте из-за кон^
центрации напряжений под краями подошвы фундамента начинают
образовываться зоны местного разрушения, зоны локальных пла-
стических деформаций. Появление зон локальных пластических
деформаций свидетельствует об окончании первой фазы дефор-
мируемости. Начинается вторая фаза. С увеличением нагрузки
зоны локальных пластических деформаций растут (см. рис. 14, б).
50
Первая фаза деформируемости — фаза уплотнения нескаль-
ных грунтов выражена практически прямой линией (см. рис. 14, в);
начало второй фазы характеризуется переходом прямой линии
в кривую. И чем больше нагрузка, тем круче вниз идет кривая,
свидетельствуя об увеличении зон пластических деформаций.
С началом второй фазы под подошвой фундамента в грунте
начинает формироваться жесткое ядро, которое становится как
бы одним целым с фундаментом. Формирование ядра завершается
к окончанию второй фазы и к началу третьей. В дальнейшем оно,
как клин, раздвигает грунт из-под подошвы фундамента в сто-
роны; под подошвой и в стороны от фундамента образуются спло-
шные поверхности скольжения. Происходит выдавливание грунта
с выпиранием его вверх. Кривая з = f (р) после окончания
второй фазы с увеличением нагрузки резко идет вниз, свидетель-
ствуя о полном разрушении грунта основания.
Рассматривая фазы деформируемости нескальных грунтов
в основаниях жестких фундаментов и анализируя зависимость з
= f (р), Н. М. Герсеванов пришел к выводу, что при давлениях,
соответствующих первой фазе, к грунтам с достаточной точностью
применима теория упругости. На базе этого сформулирован так
называемый принцип линейной деформируемости грунтов: при
давлениях, передаваемых на грунты, оснований фундаментами соору-
жений, в определенном диапазоне их значений зависимость между
общими осадками фундаментов и напряжениями в грунтах ос-
нований можно принимать прямолинейной, а в расчетах можно
пользоваться предпосылками и закономерностями теории упру-
гости.
До настоящего времени на принципе линейной деформиру-
емости базируются почти все расчеты напряженно-деформируе-
мого состояния грунтов оснований. Поэтому в основаниях теоре-
тически допустима лишь первая фаза деформируемости грунтов —
фаза уплотнения. Практически же, как будет показано ниже, ча-
стично допускается и развитие второй фазы.
Нескальные маловлажные грунты с вторичными кристаллиза-
ционными структурными связями имеют некоторое подобие де-
формируемости скальных грунтов.
Для характеристики деформируемости нескальных грунтов и
расчета оснований используют модуль общей линейной деформа-
ции Е, коэффициент Пуассона v, модуль сдвига Q и модуль объем-
ного сжатия Е9. Зная два любых показателя из названных и
пользуясь выражениями (39) и (40), можно найти два других.
Модуль общей линейной деформации Е, коэффициент Пуас-
сона v и модуль объемного сжатия Ео можно определить по резуль-
татам испытаний образцов грунтов в лаборатории, а Е, кроме
того, — по результатам полевых испытаний грунтов, например
штампами.
Из числа лабораторных методов определения показателей де-
формируемости нескальных грунтов в последние годы все боль-
51
Рис. 1В. Принципиальна* схема ста-
билоыетра типа Б:
/ — обрамц испытуемого грунта; 3 — ма-
стная оболочка; 9 — анлнидричасжая
нроарачная стенка корпуса; 4 — кольце-
вая камера, наполненная водой, передаю-
ще* на обрааец боковое давление ох =
e в - фильтр; б н * — нижняя н
верхняя крышки прибора; Г — станина
прибора; 9 — поршень с фильтром (шток);
<гж — вертикальное давление на обрааец
шее применение находит метод
так называемого трехосного
сжатия. Этот метод впервые
был предложен советскими уче-
ными Г. Б. Яппу и Н. В. Ла-
летиным. Он наиболее полно
позволяет моделировать на об-
разце напряженное состояние
грунта, находящегося в осно-
вании фундаментов сооруже-
ний. К настоящему времени
для испытания грунтов в условиях трехосного сжатия создано
достаточно большое число разнообразных конструкций прибо-
ров — стабилометров. По принципу работы их разделяют на
два типа: А и Б. Для определения показателей деформируемос-
ти грунтов чаще всего применяют стабилометры типа Б
(рис. 15).
В комплект прибора должно входить устройство для подачи
жидкости в камеру 4, поддержания в ней заданного давления и
определения давления и объема вытесняемой из нее жидкости.
Кроме того, для испытания водонасыщенных грунтов прибор
должен быть снабжен устройством для измерения давления
в поровой жидкости.
Испытанию подвергают большое число образцов-близнецов,
т. е. образцов, взятых из одного монолита грунта или же из од-
ной точки в шурфе. Шесть из них (согласно СНиП 2.02.01—83)
помещают в приборы н испытывают, нагружая постепенно возра-
стающим вертикальным давлением crs при каком-то постоянном
боковом давлении ах = о₽. Другие (группы по шесть образцов)
испытывают при иных постоянных значениях стх = ст₽ и
т. д.
Модуль общей линейной деформации Е находят, пользуясь
одним из выражений (35) и основываясь на следующих сообра-
жениях.
После стабилизации образца под давлением Оа, == Ож = о*
его относительная линейная деформация, согласно выражению
(35), будет равна
в., = (1/Е) (oF —2vor).
52
После приложения какой-то очередной ступени давления ов|
и стабилизации образца она будет равна
е«4 = (!/£) (о«, — 2vat).
Тогда приращение относительной линейной деформации равно
е.» - Ч = (°*. - 2vo») - (*/£ ) (° -
После преобразования этого равенства получаем
Е - (о,, - - Ч). (42)
Модуль объемного сжатия Е9 вычисляют по формуле (38),
которая в этом случае примет вид
£. = (оЖ| + 2о|г)/(3^1). (43)
По полученным значениям Е и £р, используя выражения (39)
и (40), находят коэффициент Пуассона v и модуль сдвига Q.
Коэффициент Пуассона v можно получить непосредственно
по результатам испытаний, зная, что
v — вя/в., (44)
где «ж — относительная линейная поперечная деформация испытуемого образца
(ех = Лг/г); Дг — абсолютная поперечная деформация; г — начальный попереч-
ный размер — радиус образца; — относительная линейная продольная
деформация испытуемого образца,
и приняв в вычислениях за Дг осредненную поперечную дефор*
мацию.
В процессе испытания при нагружении образца в пределах
действия принципа линейной деформируемости он принимает боч-
кообразную форму (рис. 16) с максимальным радиусом на поло-
вине высоты. Бочкообразную форму заменим равновеликой по
объему цилиндрической формой такой же высоты (h — ДЛ) с ра-
диусом (г + Дг). Имея измеренную в опыте объемную деформацию
ДУ в ДУт, из равенства объемов запишем
ДУ « (я (г f Дг)* — яг®] (Л — ДЛ)
и получим квадратное урав-
нение
+ ^ДГ) = °.
Рис. 16. Схема контуров образца до я
после испытаний:
b — начальная высота образца; АД — аб-
солютная линейная продольная деформа-
ция; г — начальны* радиус образца;
Аг|МХ — межсимальное лрнрахцеиме ра-
диуса; ДУ = АУт — абсолютная н равная
el осредиеиная объемная деформация;
А/ — осрадиажвое приращение радиуса
63
действительным корнем которого будет искомое осредненное при-
ращение радиуса образца, равное
Тогда, согласно выражению (44), коэффициент Пуассона
v= (45)
Коэффициент Пуассона v можно получить по результатам
испытаний, если обеспечена невозможность выхода воды из ка-
меры 4 (см. рис. 15). В этом случае испытуемый образец, деформи-
руясь под давлением ож, стремится расшириться в стороны, но
возможности для этого не имеет, так как вода практически не-
сжимаема. Стремясь расшириться, он давит через оболочку 2
на воду, находящуюся в камере 4, а вода с такой же силой давит
на образец. Непосредственно по результатам таких испытаний
получают значения в, и сгх — о», а значения ех » ер из условий
постановки опыта равны нулю. Тогда одно из двух первых выра-
жений (35) можно записать в виде
- 0 = (1/£) [О|Г — v (о, -F Оу)].
Исходя ив природы грунтов, отношение единицы к модулю
общей деформации 1/Е 0. К нулю можно приравнять только
выражение, написанное в квадратных скобках, т. е.
(Ту — V (Ож 4- Оу) » 0.
Из этого уравнения и находят коэффициент Пуассона
+ (46)
Имея коэффициент Пуассона v и измеренные в, н а. - а-,
а также сгж, из третьего выражения (35) можно найти модуль об-
щей линейной деформации Е
Е — -*~а*о> . (47)
По полученным v и Е, используя выражения (39) и (40), на-
ходят модуль объемного сжатия Е9 и модуль сдвига G.
Как показано выше, в первой фазе деформируемости грунта
под штампом твердые частицы перемещаются преимущественно
вертикально вниз, т. е. грунт сжимается практически без бокового'
расширения. В основаниях фундаментов, которые имеют подошву
большой ширины, грунт сжимается без бокового, расширения.
Поэтому, несмотря на наличие приборов трехосного сжатия, в ла-
бораторных исследованиях деформируемости грунтов получили
имеют до сих пор широкое применение компрессионные при-
боры — одометры. В них образец испытуемого грунта деформиру-
64
Рис. 17. Принципиальная
схема компрессионного
прибора:
I — испытуемые обрааец;
3 — жесткое грунтоотбороч-
иое кольцо: 3 — обоЯм а-кор-
пус; 4 — поддоа; t —
фильтр: 4 — полость; 7 —
направляющее кольцо: в —
штамп-фвльтр; р — сжи-
мающее давление
ется без возможности бокового расширения. В связи с этим для
расчета оснований используют некоторые более простые показа-
тели деформируемости грунтов. Из называют показателями сжи-
маемости и получают непосредственно по результатам испытаний
образцов грунтов в компрессионных приборах (рис. 17), а испыта-
ния называют компрессионными.
Компрессионные испытания основаны на следующем: твердые
частицы грунтов оснований могут деформироваться, но не могут
уменьшаться в объеме; уплотнение грунта происходит только за
счет уменьшения объема пор, а уменьшение объема пор — вслед-
ствие выдавливания из них воздуха и воды и в результате сжатия
пузырьков защемленного воздуха.
Итог компрессионных испытаний — построение компрессион-
ных кривых, которые показывают зависимость изменения коэф-
фициента пористости е от передаваемых на грунт сжимающих
давлением р, по которым вычисляют показатели сжимаемости
грунтов.
Образец испытуемого грунта как до передачи на него сжима-
ющего давления, так и после уплотнения в силу условий испыта-
ния имеет торец площадью, равной А. Поэтому объем его до на-
чала уплотнения (см. рис. 17) равен V. = ЛЛ., а после уплот-
нения — = Aht, где Ло — начальная высота образца, a ht —
высота образца после сжатия его до условно полной стабилизации
давления pt.
Пользуясь выражением (11), находим объем твердых частиц,
содержащихся в испытуемом образце, до сжатия
V.,o = Ven.. 0 = Ah. ll//(l +е0)],
и после сжатия
V.,, = V,n.. I - ЛЛ, [1/(1 + «,)[,
где л.,. — объем твердых частиц в единице объема грунта до его сжатия (началь-
ный объем); л., । — объем твердых частиц в единице объема грунта после его сжа-
тия давлением pf, а. — начальный коэффициент пористости; е< — коэффициент
пористости грунта после сжатия давлением
55
е
используя которое, по замерам
Рис. 18. Общи* ш иомпрвссиотио*
кривой
Так как твердые частицы
при уплотнении грунтов не
уменьшаются в объеме, то
Va,e = или же ЯЛ® 11/(1 +
+ е0)1= ЛМ1/(1+е|)Ь
Подставив в это равенство,
согласно рисунку 17, hi — Л* —
— ДЛь после преобразования
получим выражение
е, = е* - (ДЛгЛо) (1 + «о), (48)
в процессе испытаний сжатия
образца ДА| строят искомую компрессионную кривую (рис/ 18).
Как видно из рисунка 18, с увеличением давления на грунт
коэффициент пористости плавно уменьшается. Если до строитель-
ства сооружения грунт какого-то слоя в основании сооружения
имел вертикальное давление plt а после строительства имеет дав-
ление ра, то в соответствии с принципом линейной деформируе-
мости участок кривой между точками 1 и 2 можно заменить пря-
мой линией. Тогда уменьшение коэффициента пористости (ех —
— е>), обратно пропорциональное увеличению давления (ра —
— Pi)« будет показателем Се, характеризующим сжимаемость
грунта, который называют коэффициентом сжимаемости грунта:
Сс - (ех - е,)/(ра - А). (49)
Учитывая выражения (48) и (49), нетрудно найти, что прира-
щение сжимающих давлений (ра — pt) вызывает уплотнение
грунта на значение
АЛ1-. “ Г Сс/( 1 + *1) 1 (Р. — Л) (50)
или, обозначив (ра — Pi) = ро и €</(1 + е^ = Сс,г<1, можно за-
писать
ДЛ1-а — Се> rvl^iPe.
(51)
Выражения (50) и (51) используют для определения ожида-
емого уплотнения грунтов в основании сооружений. Коэффици-
ент Сс,г«х называют коэффициентом относительной сжимае-
мости грунта.
Сравнивая выражения (34) и (51), видим, что структура их
аналогична. Действительно, AAi-s/fti — относительное сжатие?
аналогичное в, р0 — вертикальное напряжение, аналогичное о,
а 1/СП(Га( = рс/(ДЛ1_а/Л1). Тогда по аналогии с выражением (34)
отношение 1/Сс,ге1 можно назвать модулем компрессионного
сжатия и обозначить Ек. Между модулем компрессионного сжа-
тия грунтов Ек и модулем общей линейной деформации Е суще-
ствует непосредственная взаимосвязь.
56
При сжатии грунтов в условиях, когда боковое расширение
невозможно, т. е. при компрессионных испытаниях, по выражению
(46) находим, что
а¥ = ах = (v/(l — v)] (52)
но ах здесь не что иное, как рв. Тогда третье выражение (35)
можно представить в виде
а отсюда
или, введя замену 1/Ce,f<i = Ел н обозначив 0—1= ₽»
получим
£ = £ж₽. (53)
Формулу (53) используют, как правило, когда значение коэф-
фициента Пуассона v принимают по справочнику.
Множитель, стоящий в квадратных скобках в выражении
(52), обозначают £ и называют коэффициентом бокового давления:
£ = v/(l-v). (54)
Если определять модуль общей линейной деформации £ по
формуле (42), используя результаты испытания грунтов в усло-
виях трехосного сжатия, то в пределах действия принципа ли-
нейной деформируемости, т. е. согласно рисунку 19, до ож =
модуль £ является постоянным показателем деформируемости.
Установить предел применимости принципа линейной деформиру-
емости при испытании грунтов в условиях, когда боковое расши-
рение невозможно, нельзя. Его можно применять только в неболь-
шом интервале изменения давлений р* — рг, Анализируя компрес-
сионную кривую, видим, что при неизменном приращении дав-
ления — ра значение, на которое уменьшается коэффициент
пористости — е,, не остается постоянным. Следовательно, не
остается постоянным и модуль общей деформации, если его опре-
делять по формуле (53). Строго говоря, модуль общей линейной
деформации £ не остается постоянным и при определении его по
формулам (42) и (47).
Если значение ступеней сжимающего давления не превышает
структурной прочности сжатия, то грунт испытывает только
упругое сжатие. Компрессионная кривая идет с небольшим на-
клоном к оси р (рис. 20). После снятия нагрузки начальная вы-
сота образца полностью восстанавливается. Кривая возвраща-
ется в исходную точку. Резкое изменение кривизны (перегиб)
компрессионной кривой показывает, что сжимающее давление
57
Рмс. 19. Типичная мвискмостъ отно-
сительной линейной деформации е*
от осевого давления ож при испытании
образца грунта в условиях трехос-
ного сжатия; — интервал давле-
ний, соответствующий участку пря-
мой линии; «zn — относительная ли-
нейная деформация, соответствующая
давлению охя — концу практически
прямолинейного участка
Рис. 20. Характерные ветви компрес-
сионной кривой:
1 — эетзь уплотяеная; ! — мтаь рззуп-
лотменяя; РСТр — структурная прочность
сжатия грунта; вв{ — маыеяеиме коэффи-
циента пористости »• счет упругой дефор-
мации грунта; *г — намеианиа коэффи-
циента пористости эа счет остаточной де-
формации; в — изменении коэффициента
пористости аа счет общих деформаций
грунта; р». р...рл — ступени сжимаю-
щего давления
превысило структурную прочность сжатия. Точка перегиба на
оси р соответствует значению структурной прочности сжатия рвтр.
Если после окончания сжатия образца грунта разгружать его
и выдерживать до условно полной стабилизации после снятия
каждой ступени, то по измерениям абсолютной линейной дефор-
мации будет видно, что высота образца увеличивается. Следова-
тельно, увеличивается и коэффициент пористости грунта, т. е.
грунт разуплотняется за счет восстановления упругих деформа-
ций. При этом следует отметить одну характерную особенность:
при снятии первых ступеней (последних, данных при нагруже-
нии) давлений разуплотнения грунта практически не происходит.
При снятии последующих ступеней разуплотнение происходит
заметно, но еще в малой степени, и лишь при снятии последних
ступеней давлений происходит резкое разуплотнение. По резуль-
татам замеров восстановившейся части линейной деформации
строят обратную компрессионную кривую (см. рис. 20).
Кривую, показывающую уменьшение коэффициента пористости
грунта с увеличением передаваемого на него сжимающего давле-
ния, называют ветвью уплотнения, а кривую, показывающую
увеличение коэффициента пористости с уменьшением давления^
называют ветвью разуплотнения.
Ветвь уплотнения необходима для прогнозирования ожидае-
мого уплотнения грунтов в основании сооружений, т. е. для про-
гнозирования осадки сооружения, а ветвь разуплотнения — для
прогнозирования возможного подъема сооружения в процессе его
эксплуатации при уменьшении передаваемого им на грунт основа-
ния статического давления.
58
Некоторые особенности сжимаемости имеют водонасыщенные
грунты. Для их объяснения К. Терцаги предложил механическую
модель двухкомлонентной системы (рис. 21). В этой модели один
компонент — пружина, моделирующая скелет грунта, другой —
вода, моделирующая поровую воду, т. е. воду, заполняющую
поры грунта. Пружина 4 и вода 5 заключены в жесткий недефор-
мирующийся цилиндр 6. Поверхность воды в цилиндре находится
выше пружины. На поверхности воды лежит идеально притертый
к внутренней поверхности цилиндра жесткий поршень 2. Между
поршнем и стенками цилиндра трение отсутствует. Поршень снаб-
жен трубкой с краном 3, а цилиндр — манометром /, служащим
для измерения давления воды. К поршню приложена внешняя
постоянная нагрузка, передающаяся на двухкомпонентную систему
по площади поршня, интенсивностью р. Кран 3 закрыт (рис. 21,0),
и вода выхода не имеет. Поршень пружины не касается. Манометр
показывает давление, равное интенсивности внешнего давления р.
Это свидетельствует о том, что все внешнее давление восприни-
мается водой. Поршень 2 остается неподвижным. Пружина в силу
равномерности гидростатического давления (собственным весом
воды, поршня и пружины пренебрегают) также остается непо-
движной. Она не сжимается, т. е. высота ее и, следовательно,
шаг витков остаются неизменными.
Кран 3 открыт (рис. 21, б). Под действием внешнего давления
вода из цилиндра 6 по трубке 3 вытекает, и поршень опускается
вниз. Но он еще не дошел до пружины 4. Манометр показывает дав-
ление, равное интенсивности внешнего давления р. Это свидетель-
ствует о том, что все внешнее давление еще воспринимается водой.
Пружина продолжает оставаться в прежнем состоянии.
Кран 3 открыт (рис. 21, а), поршень 2 коснулся пружины и
продолжает опускаться вниз, но интенсивность опускания умень-
шается, уменьшается также и интенсивность вытекания воды по
трубке 3. Давление, показываемое манометром /, снижается.
Эго свидетельствует о том, что уже только часть внешнего дав-
а б в в
Рис. 21. Механическая модель двухкомпонентной системы грунта:
а. б. а а г — атапы действия модели: / — манометр; 3 — поршень; 3 — трубка е кра*
ном; 4 — пружина; 8 — иода; 4 — жестжмЯ кедеформнрующнЯся цилиндр; р — кнтея»
«аавость внешнего давления
59
ления воспринимается водой и расходуется на ее выдавливание
из цилиндра. Другая часть внешнего давления уже воспринима-
ется пружиной и расходуется на ее сжатие: высота пружины и шаг
ее витков уменьшаются.
Кран 3 открыт (рис. 21, г), но вода не выливается, и поршень 2
уже не опускается вниз. Манометр показывает давление, равное
нулю. Это свидетельствует о том, что все внешнее давление вос-
принимается пружиной и оно израсходовано на сжатие пружины.
Если диаметр трубки невелик, а кран открыт так, что проход-
ное отверстие в нем очень маленькое, и, следовательно, гидравли-
ческие сопротивления достаточно большие, то может получиться
так, что манометр показывает какое-то давление, а вода из трубки
не вытекает. Эго свидетельство того, что какая-то часть внешнего
давления все же воспринимается водой, уравновешиваясь гидрав-
лическими сопротивлениями на выходе. Эту часть давления назы-
вают остаточным давлением.
От степени открытия крана и диаметра трубки 3 зависит
также и длительность опускания поршня. Чем больше открыт
кран, тем быстрее выдавливается вода и сжимается пружина.
От момента касания поршнем пружины до момента окончания
ее сжатия часть внешнего давления, воспринимаемая пружиной
и расходуемая на ее сжатие, возрастает от нуля до какого-то
максимального значения (возможно, до полного внешнего дав-
ления). Часть давления, воспринимаемого пружиной, называют
эффективным давлением а часть внешнего давления, воспри-
нимаемого водой, — нейтральным давлением рЛ, так как оно
не участвует в сжатии пружины, а расходуется только на создание
напора в воде, вызывающего ее движение (выдавливание). В лю-
бой момент времени сумма нейтрального и эффективного давления,
т. е. общего давления, равна внешнему давлению
Р = Р* + Рп- (55)
Если после окончания сжатия пружины эффективным давле-
нием внешнее давление, действующее на поршень, увеличить, то
это дополнительное давление в первый момент времени будет пол-
ностью воспринято водой и она снова будет вытекать из цилиндра
по трубке 5, а поршень 2 вновь будет опускаться. Однако интен-
сивность вытекания воды и интенсивность опускания поршня
сразу же начнут уменьшаться, так как с первого же мгновения
дополнительная часть давления, воспринимаемая пружиной, бу-
дет увеличиваться от нуля до какого-то (в конечном счете макси-
мального) значения.
Если после окончания сжатия пружины все внешнее давление
снять, то пружина, стремясь разжаться, будет, поднимать пор-
шень вверх, и если в трубку 3 через кран будет' поступать извне
вода, то она из трубки будет втягиваться под поршень 2 в цилиндр
б, как в цилиндр поршневого насоса. Продолжительность втяги-
вания (всасывания) воды так же, как и продолжительность вы-
60
давливания, пря всех прочих равных условиях аависит от сте-
пени открытия крана и диаметра трубки 3.
Если после окончания сжатия пружины снять с поршня только
какую-то небольшую часть внешнего давления» то и в этом случае
пружина, стремясь разжаться, будет поднимать поршень вверх.
Но он может подняться только тогда, когда через трубку с краном 3
вода может втянуться внутрь цилиндра. При небольшом диаметре
трубки и малом открытии крана может получиться так, что силы
гидравлического сопротивления трубки и крана будут уравнове-
шивать высвободившуюся силу пружины и вода в цилиндр не
будет втягиваться. В воде возникнет отрицательное давление.
Картина сжимаемости водонасыщенных грунтов аналогична
описанной картине работы двух компонентной механической мо-
дели, особенно полно она отражается при сжатии слабых водо-
насыщенных грунтов.
Теоретически после нагружения грунта даже небольшим внеш-
ним давлением оно одновременно воспринимается н поровой во-
дой, и скелетом. В процессе уплотнения грунта давление в поровой
воде должно уменьшаться от максимального значения, равного
внешнему давлению, до какого-то минимального значения. Дав-
ление, воспринимаемое скелетом, должно увеличиваться от нуля
до какого-то максимально возможного значения (в пределах до
значения, соответствующего внешнему давлению). В поровой
воде, как видно из рассмотрения механической модели и как
вытекает из природы начального градиента фильтрации, может
быть остаточное давление, которое называют остаточным поро-
вым давлением.
По аналогии с механической моделью (см. рис. 21) часть внеш-
него давления, воспринимаемого поровой водой и идущего на
создание напора, вызывающего движение (фильтрацию) воды,
называют нейтральным, или поровым давлением, а часть давления,
воспринимаемого скелетом грунта и вызывающего его уплотне-
ние, — аффективным давлением, или эффективным напряжением.
Однако необходимо обратить внимание на то, что нейтральное
давление далеко не нейтрально. Очевидно, его правильнее на-
зывать поровым давлением.
Нейтральное давление — это напор, в результате действия ко-
торого вода выдавливается из пор грунта, т. е. движется по порам,
создавая гидродинамическое давление, а оно, как отмечено выше,
может вызвать разрушение грунта.
При интенсивном возведении сооружений значительная часть
нагрузки от сооружения воспринимается поровой водой и она
выдавливается из пор грунта. Движение ее идет по линиям наи-
меньшего сопротивления, т. е. кратчайшим путем (рис. 22), и
совпадает с линиями скольжения грунта при потере им несущей
способности (см. рис. 14). Отсюда ясно, что поровое давление по
отношению к скелету грунта является силой разрушающей, а не
нейтральной.
61
Рмс. 22. Лввяв тока (/) отжимаемо*
кэ грунта основания поровоА воды при
нтенсивноы воаведежяя сооруже-
ния (2)
Продолжительность сжатия
скелета грунта определяется
продолжительностью выдавли-
вания воды* а она* в свою оче-
редь, определяется пористостью
грунта* точнее размером пор*
как в механической модели — диаметром трубки. Однако длитель-
ность процесса уплотнения грунтов зависит не только от длитель-
ности выдавливания воды. Оно зависит, например* и от скорости
деформирования структурных связей. Кристаллизационные струк-
турные связи деформируются и разрушаются при уплотнении грун-
та практически мгновенно. Водно-коллоидные связи после прило-
жения нагрузки деформируются не мгновенно, а довольно про-
должительное время. На скорость уплотнения оказывает влияние
и скорость отжатия связанной воды.
Уплотнение грунтов во времени при постоянно действующей
внешней нагрузке называют консолидацией. Закономерности кон-
солидации отражены в специальной области науки* называемой
«реология грунтов». Она в основном рассматривает два взаимо-
связанных свойства* которые называют реологическими: консоли-
дацию грунтов и релаксацию напряжений в них.
Консолидацию разделяют на два вида: первичную н вторич-
ную. К первичной консолидации относят уплотнение грунтов во
времени за счет уменьшения объема пор вследствие выдавливания
из них свободногравнтационной воды. Первичную консолидацию
называют фильтрационной. К вторичной консолидации относят
уплотнение грунтов во времени за счет уменьшения объема пор
вследствие ползучести скелета* т. е. за счет взаимного смещения
твердых частиц* происходящего вследствие деформирования вяз-
ких структурных связей, связанной воды и т. п.
Основы теории фильтрационной консолидации были разрабо-
таны К. Терцаги. Он решил задачу одномерной консолидации при
сжатии полностью водонасыщенного грунта без бокового расшире-
ния с двусторонним выдавливанием воды.
В дальнейшем теория Терцаги была развита в трудах совет-
ских ученых Н. М. Гер сева нова, В. А. Флорина, Н. А. Цытовича*
Д. Е. Польшина* Н. Н. Веригина, М. Н. Гольдштейна и др.
Вопросам консолидации грунтов посвящены работы Ю. К. 3i-
редкого, 3. Г. Тер-Мартиросяна* В. Д. Казарновского*
И. Е. Евгеньева к др.
Теория Терцаги основана на ряде предположений: свободно-
гравитационная вода, выдавливаемая из пор грунта, несжимаема
и неразрывна; эффективные давления вызывают лишь упругую
деформацию грунта — деформацию* происходящую сразу же
62
после возникновения эффективных давлений в скелете; внешнее
давление, передаваемое на грунт, в первое мгновение полностью
воспринимается поровой свободногравитационной водой; движе-
ние выдавливаемой нз пор свободногравитационной воды подчи-
няется закону Дарси. Расчетная схема к пояснению теории одно-
мерной фильтрационной консолидации показана на рисунке 23.
Образец 1 водонасыщенного грунта, находящегося в одоме-
тре 2, высотой 2Л и площадью А сжимается с двух сторон штам-
пами-фильтрами 3, к которым приложено внешнее давление
интенсивностью р. Вода, выдавливаемая из пор грунта, движется
по линии действия внешнего давления вверх и вниз: верхняя по-
ловина грунта от оси О—О отдает воду вверх; нижняя половина —
вниз. Считают, что грунт по всей толщине слоя сжат равномерно.
Следовательно, общее вертикальное давление (рв/ + рп) в любой
точке грунта в любое время одинаково и равно внешнему давле-
нию, а эпюра общего давления 4 по высоте образца представляет
собой прямоугольник с ординатой р (см. рис. 23). Собственным
весом грунта и его трением о стенки одометра из-за их малости по
сравнению с внешним давлением пренебрегают.
Очевидно, с приложением внешнего давления р в первый мо-
мент времени будет выдавлена вода из пор грунта слоев, распо-
ложенных у фильтров, а затем из более удаленных и в последнюю
очередь — из слоев, расположенных у осн О—О. Считают, что вода
сквозь фильтры движется, не преодолевая гидравлические сопро-
тивления. Тогда поровое давление на контакте с фильтрами будет
постоянно равно нулю. От фильтра до фильтра граница раздела
эпюры общих давлений между поровым рп и эффективным ре,
давлениями будет представлять собой кривую линию. Пусть в не-
который момент времени t на эпюре общих давлений эта граница
Рис. 23. Одномерное сжатие водонасыщенного грунта при
двустороннем выдавливании воды:
/ — обрааеш грунта; 9 — жесткие кедеформируюишеса стенки одо-
метра-. У — штампы-фильтры: « — апюра давлений
63
проходит по линии /, к моменту времени (/ 4- dt) — по линии //,
а в конце консолидации при t = с© она совпадает с прямой ли-
нией 111.
В рассматриваемом образце грунта на расстоянии г от верх*
него фильтра выделяют элементарный слой толщиной dz. Сквозь
грунт этого слоя за время di проходит объем воды Ve, выдавли-
ваемой из нижележащих слоев, и выдавливается объем dV9
из грунта рассматриваемого слоя. Очевидно, снизу вода входит
в грунт элементарного слоя со скоростью фильтрации Оф, а вы-
ходит из него уже со скоростью фильтрации (иф 4- do*), которая
в соответствии со схемой (рис. 23) равна иф + (дОф/dz) dz.
За время dt в середине элементарного слоя эффективное дав-
ление увеличится на (dp^fdt} dt. В результате объем пор, со-
гласно формуле (51), уменьшится на АСе^л1 (dp9ltdt) dtdz, и из
грунта элементарного слоя будет выдавлен объем воды, равный
Л (доф/dz) dzdt. Но в водонасыщенном грунте объем выдавленной
воды равен уменьшению объема пор, следовательно,
A (dv*Jdz)clzdtAC',„t^dtdz. (66)
Движение воды сквозь грунт элементарного слоя происходит
в результате образовавшейся на его границах разности порового
давления, т. е. градиента фильтрации, который равен
(где у» — удельный вес воды). Тогда, согласно закону Дарси
(25), с учетом направления движения поровой воды скорость
фильтрации будет равна
рф = —(57)
При уплотнении водонасыщенных грунтов увеличение эф-
фективных давлений за время dt равно уменьшению порового
давления
(68)
01 <Я
Подставив в равенство (56) выражение скорости фильтрации
(57), а затем используя равенство (58) и сделав преобразования,
получим дифференциальное уравнение одномерной фильтрацион-
ной консолидации
(59)
где с„ — коэффициент консолидации грунта, — */Св|
Дифференциальное уравнение (59) решают с помощью рядов
Фурье. Для начальных и граничных условий, перечисленных
64
выше и показанных на рисунке 23, это решение может быть пред-
ставлено в виде
p,f = Р [ 1 - ± sin - 4- sin ^-е-^ -
—]• <«»
где N — [(n*cj/4h* ] t; t—время от начала загруження грунта; е — основание
натуральных логарифмов, е — 2,72.
При t = оо (при 100 %-ной консолидации) площадь эпюры
эффективных давлений равна
Q p2h 2ph,
а в какое-то промежуточное время после передачи на грунт внеш-
него давления р:
h
Qt 2 J Pefdz.
о
Отношение площадей эпюр Q( к Q называют степенью кон-
солидации U:
h
Подставив в это уравнение вместо ре/ правую часть выражения
(60) и проинтегрировав с учетом пределов, получают
и =- 1 I У ’-------------------) • <62>
При 100 %-ной консолидации (/ — оо) грунт полностью ста-
билизируется и уплотнится. Степень уплотнения находят по
формуле (51). Уплотнение чаще называют осадкой и обозначают s
при / — оо и — в какое-то промежуточное время 0 < t < оо.
В этом случае, очевидно, степень консолидации может быть вы-
ражена в виде
U - (63)
Тогда с учетом выражения (62) осадка в любой момент вре-
мени t за счет фильтрационной консолидации St, ф будет равна
ф = ч [1 - 4- (*" + -Г e~*N + 4 +••)] > <64>
где Зф — конечная осадка за счет фильтрационной консолидации.
Часто с достаточной для практики точностью пользуются
сокращенной записью, ограничиваясь первым членом ряда,
(65>
65
С целью определения в любой момент времени t осадки за
счет ползучести скелета грунта st,n его рассматривают как мо-
дель некоторого тела. К настоящему времени предложено большое
число таких моделей. Не останавливаясь на анализе этих моделей
и выводе на их основе уравнений для определения осадки в лю-
бой момент времени, приведем готовое в сокращенной записи
уравнение, полученное из рассмотрения модели Кельвина —
Фойгта (Вялов, 1978 г.).
s<,.. = Sn(l - е (66)
где sn — конечная осадки за счет ползучести скелета грунта; Тр — продолжи-
тельность запаздывании деформаций, Тр «= ij/E; q — коэффициент вязкости.
Уравнения (65) и (66) одинаковы по форме, но они имеют одно
принципиальное различие: в уравнении (66) показатель степени —
t/Tp не зависит от толщины сжимаемого слоя, а в уравнении (65)
показатель степени —N, как видно из пояснения к выражению
(60), зависит от толщины сжимаемого слоя. Следовательно, осадка
во времени грунта, уплотняющегося за счет фильтрации отжимае-
мой воды, зависит от толщины сжимаемого слоя, а осадка грунта,
уплотняющегося за счет ползучести скелета, от этого не зависит.
Эго различие при лабораторных испытаниях используют для опре-
деления вида консолидации грунта. Берут несколько образцов
водонасыщенного грунта различной высоты и проводят компрес-
сионные испытания. Если обнаружится, что образцы, имеющие
различную высоту, до условно полной стабилизации уплотня-
ются одно и то же время, т. е. их осадка во времени не зависит от
высоты (толщины), то имеет место процесс ползучести. Если об-
разцы различной высоты уплотняются до условно полной стаби-
лизации различное время, то имеют место процесс фильтрационной
консолидации или оба этих процесса.
3. Г. Тер-Мартиросян и Н. А. Цытович предложили следу-
ющую обобщенную запись закономерности развития осадки во
времени:
Sr - ph (Ci r.iU‘ + C, relU"), (67)
где p — действующее внешнее давление; h — толщина сжимаемого слоя грунта;
rfl—коэффициент относительной сжимаемости при первичной консолида-
ции; Ci r't — то же, при вторичной консолидации: U’ и U" — степень первичной
и вторичной консолидации соответственно.
Ползучесть скелета грунта, по Н. А. Цытовичу (1979 г.),
в чистом виде может быть исследована лишь после окончания про-
цесса фильтрационной консолидации. Но как определить момеАт
окончания процесса фильтрационной консолидации? Да и закан-
чивается ли этот процесс, если водонасыщенный грунт продолжает
уплотняться?
Н. А. Цытович (1979 г.) пишет, что процессы первичной и
вторичной консолидации, например, для водонасыщенных глин
протекают одновременно, но одновременно не заканчиваются.
66
Вначале завершается процесс фильтрационной консолидации.
Процесс ползучести (вторичной консолидации) продолжается
иногда длительное время и по окончании фильтрационного уплот-
нения. Там же излагается метод А. Казагранде, согласно ко-
торому можно определить конец фильтрационного уплотне-
ния.
С физико-механической точки зрения конец фильтрационного
уплотнения наступает, когда все внешнее давление будет воспри-
ниматься скелетом грунта, а поровое давление будет равно нулю
или же когда поровое давление будет равно гидравлическому
сопротивлению, наблюдающемуся при выдавливании воды из
пор грунта. Но водонасыщенный грунт не может уплотняться,
если из него не будет выдавливаться вода. Тогда неясно, как же
может уплотняться грунт н как может уменьшаться его порис-
тость, если поровое давление равно нулю и вода не выдавлива-
ется.
Отсюда можно сделать вывод, что при уплотнении ряда водо-
насыщенных глинистых грунтов процесс первичной и вторичной
консолидации, очевидно, начинается и заканчивается одновре-
менно. Однако степень их в разное время различная. В первый
период может преобладать доля первичной консолидацин, а
к концу — доля вторичной консолидации. В ряде же, например,
плотных глинистых грунтов может быть так, что в первый момент
времени после приложения внешнего давления все оно восприни-
мается скелетом грунта. И лишь после начала ползучих деформа-
ций часть внешнего давления будет восприниматься поровой во-
дой, а следовательно, начнется параллельно и процесс фильтраци-
онной консолидации. При этом поровое давление вначале рас-
тет, а достигнув максимального значения, уменьшается.
Очевидно, конец фильтрационной консолидации объективно
может существовать, если отнести к ней процесс выдавливания
только свободногравитационной воды, которая имелась в грунте
до его уплотнения. В природе имеются грунты, а для лаборатор-
ных исследований их можно приготовить искусственно (глинистые
пасты), в которых поры полностью заполнены связанной водой.
В них при уплотнении следовало бы ожидать наличия только про-
цесса вторичной консолидации. Однако, как отмечает М. Н. Гольд-
штейн (1979 г)., уплотнение глинистых паст в состоянии, близком
к текучести (т. е. когда нет еще свободногравитационной воды и
когда действуют не очень большие нагрузки), идет в соответствии
с теорией фильтрационной консолидации. Все изложенное выше
и сведения (иногда противоречивые), имеющиеся в научной ли-
тературе, свидетельствуют, что процесс консолидации грунтов
сложен и изучен еще недостаточно.
Сущность релаксации напряжений заключается в следующем.
Если на образец испытуемого грунта, например в компрессионном
приборе, передать какое-то достаточно большое давление и, спу-
стя короткий отрезок времени, дав образцу уплотниться, это дав-
67
ленне снять, предварительно неподвижно закрепив стопорными
винтами штамп и периодически измеряя реактивное давление
грунта на него, то можно увидеть, что оно будет постепенно сни-
жаться. приближаясь к некоторому постоянному значению. Это
уменьшение давления и есть релаксация напряжений. Она обус-
ловлена постепенным перераспределением местных (межчастичных)
напряжений в грунте в результате вязких деформаций водно-
коллоидных структурных связей, разрушения жестких связей,
некоторых твердых частиц и агрегатов вследствие их перегруже-
ния, вязких деформации связанной воды, возникающих вначале
в поверхностных слоях грунта, а затем в более глубинных. Пере-
распределение напряжений происходит до тех пор, пока не на-
ступит их равновесное состояние по всему объему грунта. Про-
цесс этот может быть длительным, но, как показали, например,
исследования В. Д. Казарновского, он все же протекает в не-
сколько раз быстрее, чем стабилизация грунта под постоянно
действующей внешней нагрузкой. Используя этот эффект, в на-
стоящее время для испытания грунтов в лабораториях изготовляют
приборы (одометры и стабилометры), называемые релаксацион-
ными. Релаксационные приборы, не снижая достоверности полу-
чаемых результатов, позволяют сократить длительность испыта-
ний в несколько раз. а при изучении слабых сильносжимаемых
грунтов — даже в десятки раз.
16. Прочность грунтов
Прочностью грунтов называют их способность воспринимать
силы внешнего воздействия не разрушаясь. Разрушение грунта,
служащего основанием сооружения, слагающего берег (склон)
водохранилища или же откос канала, происходит в виде переме-
щения — сдвига одной его части относительно другой — тогда,
когда силы внешнего воздействия превысят силы внутреннего
сопротивления, т. е. когда будет превышена прочность грунта.
Прочность грунтов, следовательно, определяется их сопротивля-
емостью сдвигу и оценивается показателем, называемым предель-
ным сопротивлением сдвигу т. Сдвиг происходит в результате дей-
ствия касательных напряжений, возникающих в грунтах от внеш-
них воздействий, когда касательные напряжения превысят пре-
дельное сопротивление грунтов сдвигу. Отсюда предельное сопро-
тивление грунтов сдвигу т — это максимальное касательное на-
пряжение, которое грунт еще способен выдержать не разру-
шаясь.
Известно, что при попытке сдвинуть одно тело, лежащее на
другом и прижатое к нему (рис. 24), в плоскости их контакта воз-
никает сила сопротивления их относительному скольжению.
Эту силу называют силой трения скольжения, она направлена
в прямо противоположную сдвигающей силе сторону. Сила трения
изменяется от нуля до какого-то предельного значения, называе-
68
Рис. 24. Схема действия сил на сдвигае-
мое тело:
/ — сдвигаемое тело: 2 — неподвижное тело
мого предельной силой трения Fh
которая прямо пропорциональна
нормальной (прижимающей) си*
ле F:
Ff = Fp, (68)
где р — коэффициент пропорциональности — коэффициент стагичоскоп» трения.
Если к сдвигаемому телу (рис. 24) приложить сднигающу ю
силу FatU < Fh то система двух тел будет находиться в состоя
нии относительного покоя. Равнодействующая Ftot двух сил F
и Few<l будет наклонена к вертикали под углом 8, который называют
углом отклонения.
При равенстве Fn, А — Ff угол 0 достигнет максимального
значения. В этом случае угол отклонения называют углам Пре-
ния ф. Анализируя выражение (68) и рисунок 24, нетрудна {ви-
деть, что
р =- tg ф, (69)
Сдвиг тела произойдет, когда сдвигающая сила F1>u прев30йД(Гг
предельную силу трения Ff.
Сила трения при движении (скольжении) Л'/(Д также прямо
пропорциональна нормальному давлению F:
<7»)
где |Дд — коэффициент кинетического трения (трения движения скольжсняд),
который несколько меньше коэффициента статического трения.
Очевидно, и при попытке сдвинуть одну твердую частиц)
грунта по другой также возникает сила сопротивления, выража-
ющаяся силой трения. А так как трение между частицами возни-
кает где-то внутри грунта, то его называют внутренним трением
грунта. Но если частицы соединены структурными связями, то
сдвинуть частицу относительно другой можно лишь, когда сдви-
гающая сила разрушит эти связи. Силы, препятствующие сдвигу
частиц за счет прочности структурных связей, называют силами
сцепления Fc. Тогда в общем виде можно записать предельные
силы F,t„ препятствующие сдвигу,
F., , = Г,-f-Fe - Fjt t-Fc. (71)
т. е. сила предельного сопротивления грунта сдвигу равна сумме
предельной силы трения и силы сцепления. Учитывая, что одна
часть грунта сдвигается относительно другой по какой-то пло-
щади А, выражение (71) записывают в виде, предложенном фран-
цузам ученым Кулоном еще в 1773 г. (закон Кулона):
т = рр 4 с, или т = р tg ф I с, (72)
69
где т —. предельное сопротивление грунта сдвигу, Па. кПа, МПа; р — сжимаю*
Шее давление, Па, кПа, МПа; и — коэффициент внутреннего трения грунта;
с — удельное сцепление грунта, Па, кПа, МПа; ф — угол внутреннего трения,
град.
Между прочностью скальная и нескальных грунтов, как и
между их деформируемостью, также имеются существенные раз-
личия, как количественные, так и качественные.
Прочность скальных грунтов в десятки и сотни раз выше проч-
ности нескальных грунтов. И только при устройстве тяжелых
сооружений, например бетонных (и железобетонных) плотин
высотой более нескольких десятков метров, скальный грунт мо-
жет потерять прочность.
Прочность массива скальных грунтов существенно зависит
от их трещиноватости н наличия в массиве прослоек слабых
грунтов. Поэтому прочность скальных грунтов как оснований
сооружений с достаточной достоверностью может быть оценена
только по результатам полевых испытаний, так как отдельно
взятые образцы не могут характеризовать весь массив скального
основания.
Для исследования прочности скального массива в нем вы-
резают целик. Обычно это куб размером в несколько метров,
нижняя грань которого от массива не отделяется. Если массив
трещиноватый или с прослойками, то для оценки его прочности
вырезают целики, не содержащие трещин, и обязательно целики,
содержащие трещину или прослойку. В последних случаях зона
возможного сдвига фиксируется, т. е. сдвиг производится по на-
правлению трещины или прослойки. Сверху целик пригружают
так, чтобы с учетом его массы действовало требуемое нормальное
давление р» а сбоку прикладывают сдвигающую силу Fa.at ко-
торую постепенно увеличивают.
Одна часть массива скального грунта может сдвигаться с од-
новременным разрушением и структурных связей, и самих твер-
дых частиц. Сдвиг по имеющимся трещинам происходит, как
правило, со срезом твердых частиц на поверхностях блоков вслед-
ствие зацепления друг за друга имеющихся выступов. Блоки
с большим раскрытием трещин, имеющих заполнитель, сдвигаются
в результате разрушения заполнителя.
В неокальных грунтах при сдвиге, как правило, частицы не
разрушаются, а разрушаются практически только структурные
связи. Но сдвиг сопровождается изменением положения твердых
частиц в некоторой зоне, прилегающей непосредственно к поверх-
ности скольжения (рнс. 25). *
Если провести будущую поверхность скольжения одной части
грунтового массива по другой, то она неизбежно пройдет как
через точки контакта частиц, так и через их тело< Следовательно,
на поверхности скольжения до сдвига частицы находятся в от-
носительном зацеплении и благодаря этому зацеплению при
сдвиге происходит их относительный поворот, перекатывание»
70
Рис. 26. Положение твердых частиц в зоне, прмлегааоще* к поверх-
ности скольжения /—/:
а — до сдвига; 0 — в процесса и поем сдвига
т. е. перемещение в новое положение, или, как называет
М. Н. Гольдштейн, сдвиговая трансляция частиц. За счет сдвиговой
трансляции частиц плотные грунты в процессе сдвига разрыхля-
ются, а рыхлые, наоборот, уплотняются. Это явление называют
дилатансией.
Изложенное выше позволяет заключить, что силами внутреннего
сопротивления в грунтах являются не только силы трения между
частицами и силы сцепления частиц друг с другом, но и силы
сопротивления сдвиговой трансляции, а также силы сопротивле-
ния срезу самих частиц. Кроме того, следует отметить: силы тре-
ния и сцепления в грунтах зависят от ряда взаимно связанных
факторов, например от минерального состава, крупности частиц,
состава порового раствора нт. д., при сдвиге одновременно имеет
место преодоление и сил трения, и сил сцепления. Поэтому разде-
лить их и определить отдельно друг от друга на практике не пред-
ставляется возможным. А отсюда можно сделать вывод, что вы-
ражение (72) лишь математически описывает явления сопротив-
ления грунтов сдвигу, не отражая полностью физической сущ-
ности явления. Однако они дают для практики строительства
вполне удовлетворительные результаты, и ими пользуются до
настоящего времени, а показатели <р к с считают показателями,
характеризующими прочность грунтов.
Показатели прочности <р и с нескальных грунтов можно
найти по результатам испытаний образцов в лаборатории или же
по результатам испытаний грунтов непосредственно в массиве —
в натурных полевых условиях.
В лабораториях нашей страны и за рубежом широкое распро-
странение получили приборы прямого сдвига, особенно односрез-
ные плоскостные приборы (рис. 26).
Образец грунта цилиндрической формы нагружают вертикаль-
ным уплотняющим давлением р и к подвижному кольцу-обойме
ступенями прикладывают касательное к плоскости сдвига сдвига-
ющее усилие F,,e.
В процессе испытаний одновременно с приложением каждой
ступени сдвигающего усилия F9t в и через определенные проме-
жутки времени определяют горизонтальную деформацию верх-
71
Рис. 26. Принципиальная схема односреаного плоскостного прибора прямого
еда ига:
1 — обрааец грунта; 9 — фильтр; а — поддон: 4 — ептяч f — велодвежное кольцо*
обойме; в — фяльтр-штамп; 1 — подвижное кольцо-обойма; 4 — плоскость сдвига;
9 — индикатор для вамера деформаций сдвига
ней части образца — деформацию сдвига. Если необходимо,
то измеряют и вертикальную деформацию. Каждую последующую
ступень сдвигающего усилия прикладывают после условно пол-
ной стабилизации образца грунта. Его увеличивают до тех пор,
пока не произойдет явного среза и скольжения одной части об-
разца по другой, что можно зафиксировать визуально или же
построив график зависимости деформаций сдвига X от касательных
напряжений т' (рис. 27, а). Касательные напряжения определяют
как частное от деления сдвигающего усилия на площадь А
горизонтального сечения образца
V -= Г9, JA. (73)
На кривой зависимости X« f (т') можно выделить три характер-
ных участка: участок ОК, соответствующий линейной зависимости
а В р, мпа
Рис. 27. Типичные вкспернментальные диаграммы сопротивления грунта сдвигу:
а — аавнсимость деформаций сдвига X от касательных напряжений т*; б — эксперимен-
тальная вввиснмость предельного сопротивления грунта сдвигу т от уплотняющего дав-
ления р; pt < ра < ра < р< — уплотняющие давления; г,. — соответствующие
им предельные сопротивления грунта сдвигу: ф — угол внутреннего трепня грунта; с —
удельное сцепление грунта
72
деформаций сдвига; участок ЛМ, соответствующий нелинейной
зависимости; участок за точкой М, соответствующий незатуха-
ющей деформации сдвига и показывающий, что прочность грунта
превзойдена. Касательное напряжение, соответствующее точке М,
считают предельным сопротивлением грунта сдвигу т при данном
уплотняющем давлении р. При этом значение деформации сдвига
не должно превышать 10 % диаметра испытуемого образца. В про-
тивном случае за предельное сопротивление грунта сдвигу т
принимают касательное напряжение, соответствующее этой де-
формации.
В соответствии со СНиП 2.02.01—83 для вычисления пока-
зателей прочности нескальных грунтов при каждом уплотняю-
щем давлении р должно быть найдено предельное сопротивление
грунта сдвигу т по результатам испытания группы не менее чем
из шести образцов-близнецов. Результаты испытаний наносят на
координатную сетку тОр (рис. 27, б), откладывая в одном и том
же масштабе по оси абсцисс значения р, а по оси ординат значе-
ния т. С достаточной точностью в пределах практически возника-
ющих в грунтах оснований давлений экспериментальную зависи-
мость х = f (р) можно представить в виде прямой линии, тангенс
угла наклона которой к оси абсцисс будет давать коэффициент
внутреннего трения f, угол наклона — угол внутреннего трения
грунта <р, а отрезок ОК, отсекаемый экспериментальной прямой
на оси ординат, — удельное сцепление грунта с.
Найдя, таким образом, показатели прочности грунта и поль-
зуясь выражением (72), можно определить предельное сопротив-
ление данного грунта сдвигу при любых уплотняющих давлениях
р, возникающих в грунтах оснований фундаментов различных
сооружений.
В зависимости от состава и состояния, а также от темпов
возведения сооружения грунты основания могут потерять проч-
ность как после строительства сооружения, когда они испыты-
вают максимальные напряжения, так и в процессе строительства,
когда они еще не полностью нагружены.
Практически при строительстве любых сооружений в их осно-
ваниях нескальные грунты уже в самом начале возведения соо-
ружения получают нагрузку, значение которой выше значения
структурной прочности сжатия. И пока нагрузка находится в пре-
делах действия линейной деформируемости, грунт уплотняется,
что приводит к увеличению числа контактов между его частицами
и к их сближению. Логично утверждать, что увеличение числа
контактов и сближение частиц способствуют увеличению сил
внутреннего трения грунта и образованию новых структурных
связей, т. е. увеличению прочности грунта. Максимальную проч-
ность при каком-то уплотняющем давлении грунт приобретает
тогда, когда процесс уплотнения закончится, т. е. когда грунт
достигнет полной стабилизации. Для этого необходим какой-то
отрезок времени. В начальный же период, непосредственно после
73
нагружения, когда взаимные сдвиги твердых частиц в процессе
уплотнения происходят в результате разрушения имеющихся
структурных связей, прочность грунта по сравнению с исходной
уменьшается, так как имеющиеся связи разрушены, а новые еще не
образовались. Поэтому если в расчете основания характеристики
прочности грунта приняты из условия полной его стабилизации
при данной нагрузке, а сооружение возводят в высоком темпе,
то грунты основания на каком-то этапе строительства могут по-
терять прочность.
В связи с этим показатели прочности грунтов для расчета
оснований на различных этапах строительства и эксплуатации
сооружений определяют по результатам испытания на сдвиг
нормально уплотненных и иедоуплотненных образцов.
Нормально уплотненными называют образцы, которые пред-
варительно уплотняют статическим давлением р до условно пол-
ной стабилизации, а затем при этом же давлении испытывают на
сдвиг, а недоуплотненными — образцы, которые или же совсем
не уплотняют, или предварительно уплотняют различными дав-
лениями непродолжительное время до различных стадий стабили-
зации и при этих же давлениях испытывают на сдвиг.
Естественно, что нормально уплотненные грунты имеют более
высокую прочность, чем недоуплотненные. Однако ни в первом,
ни во втором вариантах полученные значения q> и с нельзя от-
нести к исходному состоянию грунта, которое он имел в при-
роде.
Все отобранные образцы-близнецы имеют, как принято счи-
тать, абсолютно одинаковые характеристики. Следовательно, они
имеют потенциально одинаковые силы внутреннего трения и сцеп-
ления. Но одну группу образцов уплотняют давлением pIt другую—
давлением р> и т. д. После уплотнения грунта давлением р он будет
другим: увеличится число контактов между частицами, кон-
такты будут уже осуществляться по другим участкам поверх-
ностей частиц, большее число частиц будет находиться в зацепле-
нии, изменятся их структурные связи. Довольно часто для рас-
четов требуется знать прочность грунта при различных уплотня-
ющих давлениях р, но при одной и той же плотности грунта. Для
этих целей <р и с определяют по результатам испытания на сдвиг
переуплотненных образцов.
Переуплотненными называют образцы, которые предвари-
тельно уплотняют до условно полной стабилизации максимально
заданным давлением р, а затем испытывают на сдвиг при различных
меньших давлениях. И несмотря на то что сдвиг производят при
меньших давлениях, образцы имеют практически одинаковую
плотность в процессе испытания на сдвиг. Обоснованием этого
служит способность грунта, уплотненного в данной случае каким-
то максимально заданным давлением, практически не разуплот-
няться при постепенной (в определенном диапазоне р) разгрузке
(см. рис. 20).
74
Рис. 28. Тялмчвые эксперименталь-
ные зависимости предельного сопро-
тивления грунта сдвигу т от уп-
лотняющего давления р, действую-
щего в процессе сдвига:
I — нормально уллотканныа обрмцы;
f — кедоуллотневиие образцы; 3 —
переуплотненные образцы; р„ р„ р„
Ра — ступени уплотняющего давле-
ния, действующего в процесса сдвига;
Р4 — ступень уплотняющего давле-
ния, при которой предварительно уп-
лотнялись переуплотненные образцы;
фн. У фм* фп* ск- у «и» вп ~ с°о"««т-
аенНо для образцов 1. S. В углы вну-
треннего трения я удельные сцеллекнл
Типичные экспериментальные зависимости т = f (р) для нор-
мально уплотненных, недоуплотненных и переуплотненных об-
разцов показаны на рисунке 28. Прочность переуплотненных
образцов по абсолютной величине выше прочности нормально
уплотненных и недоуплотненных образцов. Но значение получен-
ного угла внутреннего трения противоречит теоретическим рас-
суждениям, приведенным выше, которые на основе положений
теоретической механики и физики объясняют упрочнение грунтов
при уплотнении: число контактов твердых частиц друг с другом
после уплотнения увеличилось, их общая площадь, следовательно,
тоже увеличилась, а доля предельного сопротивления грунта
сдвигу за счет сил внутреннего трения при всех уплотняющих
давлениях уменьшилась. Даже один этот факт свидетельствует
о том, что природа сопротивления грунта сдвигу еще недостаточно
изучена, а показатели прочности грунта q> и с полностью не от-
ражают физической сущности явления.
При интенсивном-возведении сооружения на водонасыщенных,
особенно слабых, грунтах выдавливающаяся вода, идя по линии
наименьшего сопротивления (см. рис. 22), оказывает на твердые
частицы гидродинамическое давление, которое способствует раз-
рушению грунта. Поэтому для оценки прочности водонасыщенных
грунтов оснований на различных стадиях строительства показа-
тели прочности определяют по результатам испытания грунтов
на сдвиг в следующих условиях: 1) консолидированно-дренирован-
ного (ЛД) сдвига, когда образец испытуемого грунта предвари-
тельно уплотняют до условно полной стабилизации при свободном
выдавливании воды из его пор, а сдвигающее усилие увеличивают
медленно с тем, чтобы избыточное поровое давление от него прак*
тическн не возникало совсем или же успевало от ступени до сту-
пени исчезнуть; 2) консолидированно-недренированного (КН)
сдвига, когда образец предварительно уплотняют до условно
полной стабилизации при свободном выдавливании воды, а сдви-
гающее усилие быстро увеличивают, чтобы вода из пор в процессе
сдвига не успела выдавиться (испытания в таких условиях назы-
вают ускоренным сдвигом)? 3) неконсолидированно-недренирован-
ного (НН, нейтрального) сдвига, когда образец предварительно
75
вид
Рис. 29. Принципиальная схема ста*
бнлометра типа А:
I образец испытуемого грунта; 2 -
эластичная оболочка; Л - цилиндри-
ческая прозрачная стенка корпуса:
4 камера: 5 и я - нижняя н яерх*
няя крышки прибора; в - фильтр;
7 поршень с фильтром; 9 - нагру-
зочный шток
не уплотняют, а, приложив к
нему в сдвиговом приборе
уплотняющее давление, тут
же прикладывают первую
ступень сдвигающего усилия
и быстро его увеличивают,
чтобы вода из пор в процессе
сдвига не успела выдавиться
(испытания в таких условиях
называют быстрым сдвигом).
Ускоренным и быстрым сдви-
гом испытывают и неводо-
насыщенные грунты.
Здесь следует обратить
внимание на то, что при опре-
делении показателей прочности водонасыщенных грунтов по ре-
зультатам испытания на сдвиг в условиях неполной стабилизации
(сдвиг недоуплотненного грунта) или же в условиях НН-сдвига
для построения диаграммы за уплотняющее давление необходимо
принимать не полное внешнее давление р, а эффективное давление
pef. Тогда с учетом выражения (55) закон Кулона (72) примет
т - (р — Рп) И + с. (74)
Показатели прочности грунтов можно вычислить по предель-
ному сопротивлению сдвигу, найденному по результатам испыта-
ний образцов в приборах трехосного сжатия. Для этих целей,
как правило, применяют стабилометры типа А (рис. 29).
Согласно СНиП 2.02.01—83 берут группу из шести образцов-
близнецов, помещают их в приборы и обжимают каждый каким-то
заданным всесторонним давлением ох — = ог. Затем передают
на образец дополнительное осевое давление ст21- Постепенно дав-
ление увеличивают, причем ступенчато (а,,. п,э и т. д.) и доводят
образец до разрушения. Другую группу из шести образцов об-
жимают каким-то другим всесторонним давлением ах = а’у = о«
и также, постепенно увеличивая осевое давление, доводят обра-
зец до разрушения. При необходимости испытывают несколько
групп образцов-близнецов, каждую при своем заданном всесто-
роннем давлении.
В процессе испытания проводят все необходимые измерения:
поровое давление, если испытуемый грунт водонасыщен; верти-
76
кальную ДА и горизонтальную Дг деформации образца и
т. д.
В стабилометрах для определения значений <р и с можно
испытывать нормально уплотненные, недоуплотненные и пере-
уплотненные образцы, а также образцы в условиях КД-, КН-
или НН-сдвига. Испытания можно проводить и по другим мето-
дикам, например с заданной постоянной скоростью вертикальной
деформации образца. В последнем случае испытание называют
испытанием с управляемой осевой деформацией.
Момент разрушения образца можно зафиксировать визуально,
наблюдая за его деформацией сквозь прозрачные стенки корпуса
прибора или построив график (рис. 30, а) зависимости относи-
тельной вертикальной деформации е2 - ДА/А (А — начальная вы-
сота образца) от разности осевого и бокового давлений (аг — ох).
За разрушающее осевое давление принимают давление, при кото-
ром визуально обнаруживают образование площадок сдвига и
смещение одной части образца относительно другой, или же то
давление, при котором происходит незатухающая осевая (линей-
ная) деформация образца. На кривой зависимости — f (az — ох)
это давление, соответствующее точке М.
Образцы грунтов рыхлого сложения, не имеющие структурных
связей, и грунты со структурными связями, имеющие влажность,
близкую к границе текучести wLt явной плоскости сдвига не
имеют, следовательно, они как будто не разрушаются, а превра-
щаются в расплющенную «бочку». При этом зависимость еж
f (сг, — <тх) характерных точек перегиба не имеет (кривая 5,
Рис. 30. Результаты испытания грунтов на прочность в приборах трехосного
сжатия:
а — типичные зависимости относительной деформации от разности осевого и бокового
давлений о* — в*; б — схематический вид образцов грунта после испытаний; J — при
разрушении в виде явного сдвига; 2 — при разрушении в процессе испытаний с заданной
постоянной скоростью вертикальной деформации: 3 — при разрушении в виде бочки:
М — точка, соответствующая началу незатухающей осевой (линейной) деформации
образца на кривой I и экстремальная точка ив кривой 2
77
Рис. 31. Типичная диаграмма пре-
дельного равновесия Мора—Кулона
(диаграмма предельного сопротив-
ления грунта едвигу); Of и о> —
наибольшее и наименьшее главные
напряжения; ф — угол внутрен-
него трения грунта; с — удельное
сцепление грунта
рис. 30, а). В этом случае за разрушающее осевое давление при-
нимают то, которое соответствует условно предельной вертикаль-
ной деформации, равной 15 ... 20 % начальной высоты образца.
При испытании грунтов в стабилометрах с допустимой по-
грешностью считают, что как на боковой, так и на торцевых по-
верхностях образца касательных напряжений нет. Поэтому дей-
ствующие на них нормальные напряжения являются главными
(соответственно осевое давление оя является главным напряжением
Oi, а боковое давление оя = — главным напряжением сгя =
— ^а)-
Следовательно, определив в момент разрушения действую-
щее вертикальное at и боковое ах давления, тем самым определяют
предельные главные напряжения ох и сг9. Имея значения ах и аа,
можно построить наибольший, предельный круг Мора при данном
предельном напряженном состоянии; при другом предельном на-
пряженном, состоянии строят второй наибольший, предельный
круг Мора и т. д. Построив семейство таких кругов и вычертив
их общую огибающую, получают, как известно из курса «Сопро-
тивление материалов», диаграмму предельного равновесия. С до-
статочной для практики строительства точностью огибающую,
в общем имеющую вид пологой кривой, представляют прямой ли-
нией, касательной к кругам Мора. Эта прямая линия и есть иско-
мая зависимость предельного сопротивления грунта сдвигу т =
= f (р)» где р = о (рис. 31). Угол наклона этой касательной к оси
абсцисс будет давать угол внутреннего трения грунта <р, а отре-
зок О/С, отсекаемый ею на оси ординат, будет показывать удельное
сцепление грунта с.
Пользуясь такой диаграммой, нетрудно представить урав-
нение предельного равновесия грунта, связывающее предельные
главные напряжения ch и сг3 с показателями прочности грунта
Ф и с. Для этого берут любую точку М, которая лежит на каса-
тельной прямой к кругам Мора и одновременно принадлежит
какому-то кругу (в данном случае кругу с радиусом ДМ). Про-
должают касательную к кругам до пересечения с осью абсцисс
и получают прямоугольный треугольник О'МЦ, в котором
-^- = sln<p; МЦ.-Й^Й.; ;
О*Ц - с ctg ч> + а» 4- .
78
Тогда искомое уравнение предельного равновесия грунтов будет
иметь вид
oV-i-^^etgV (75)
Если главные напряжения ох и о, не являются предельными»
то грунт находится в устойчивом состоянии и точки, отображаю*
щие это напряженное состояние, на диаграмме предельного рав-
новесия располагаются ниже линии предельного сопротивления
грунта сдвигу. Отсюда следует, что если во всех точках грунта
какого-то рассматриваемого" массива, имеющего показатели проч-
ности ф и с, согласно расчету, после нагружения ожидаются
главные напряжения, равные и и при этом правая часть
уравнения (75) получается меньше синуса угла внутреннего тре-
ния, то массив грунта будет находиться в устойчивом равновесии.
Если для каких-то точек или областей рассматриваемого массива
правая часть уравнения (75) будет равна sin <р, то грунт в этих
точках или областях будет находиться в предельном равновесии,
а если правая часть уравнения (75) окажется больше sin <р, то
в этих точках или областях массива будут происходить сдвиговые
деформации и грунт может потерять свою устойчивость.
В лабораториях для определения показателей прочности
грунтов за последнее время стали широко применять метод пене-
трации — вдавливания конуса или шарикового штампа. Наи-
более распространено вдавливание конуса. Конус следует вдав-
ливать в грунт на глубину не более его высоты.
За последние годы для исследования свойств грунтов и опре-
деления их показателей широкое применение находят полевые
методы. Эти методы дают возможность оценить свойства грунтов,
образцы которых, например, невозможно отобрать для лаборатор-
ных исследований из-за большой глубины, на которой они за-
легают, из-за стесненности мест для закладки шурфов, из-за физи-
ческого состояния грунтов, препятствующего отбору, и т. д.
Эти методы применяют и для более полной оценки свойств грун-
тов как дополнение к лабораторным исследованиям. Во многих
случаях полевые методы позволяют проводить массовые исследо-
вания грунтов оснований, повышая тем самым надежность соору-
жений. Немаловажным фактором является и то, что стоимость
полевых исследований грунтов зачастую ниже стоимости лабора-
торных исследований. Однако следует иметь в виду, что полевые
исследования, как правило, не позволяют прогнозировать изме-
нение свойств грунтов, которое может произойти (и происходит)
в основаниях фундаментов от веса сооружения и других передавае-
мых ими воздействий. Полно оценивать свойства грунтов и пра-
вильно прогнозировать изменение этих свойств можно лишь при
сочетании полевых и лабораторных исследований.
Полевые методы применяют, как правило, с целью определения
модуля общей деформации. Его можно найти по результатам испы-
тания грунтов штампом и пресс иометром.
79
По результатам прессиометрических испытаний можно опре-
делить и показатели прочности грунта. Показатели прочности
грунтов определяют путем сдвига, например, целиков грунта,
вырезанных в дне шурфа или котлована. По результатам сдвига
строят зависимость т — f (р), а по ней определяют <р и с. Сдвиг
целиков подобен лабораторному испытанию грунтов в односрез-
ном сдвиговом приборе. Широкое применение находит сдвиг
некоторого объема грунта в скважине по заданной цилиндриче-
ской поверхности с помощью крыльчатки — четырех жестких и
тонких прямоугольных лопастей, расположенных через 90° по
отношению друг к другу и образующих в плане крестовину, крепя-
щуюся на сборно-разборной штанге. По результатам испытаний
выявляют предельное сопротивление грунта сдвигу при постоян-
ном (от собственного веса) уплотняющем давлении.
Большое распространение для исследования свойств грунтов
получает зондирование — погружение в грунт обычно конуса
более чем на полную его высоту. При этом если конус вдавливают,
то зондирование называют статическим, а если забивают, то ди-
намическим.
17. Классификационные показатели
и классификация грунтов
Основой для выбора наиболее экономичных и надежных видов
оснований и фундаментов, в том числе методов укреплений и
улучшения свойств грунтов оснований, способов устройства ос-
нований и фундаментов, в частности выбора способов ограждения
котлованов, борьбы с притоком грунтовых вод в котлован и т. Д.,
служит классификация грунтов оснований.
Для отнесения того или иного грунта к какому-то классу,
группе и т. п. пользуются различными объективными показателями
физических, физико-химических и физико-механических свойств
грунтов, которые могут быть легко определены в полевых или ла-
бораторных условиях. Эти показатели называют классификаци-
онными.
В соответствии с ГОСТ 25100—82 грунты подразделяют на
скальные и нескальные.
К скальным грунтам относят горные породы с жесткими,
прочными связями между твердыми частицами. Прочность связей
в скальных грунтах близка, равна или больше прочности самих
твердых частиц.
Классификационные показатели скальных грунтов: временное
сопротивление Ro одноосному сжатию в водонасыщенном состоя-
нии; коэффициент размягчаемости степень выветрелости
/Св — отношение плотности образца выветрелоп* грунта к плот-
ности образца этого же, но невыветрелого грунта.
Прн использовании скальных грунтов в основаниях гидротех-
нических сооружений, кроме упомянутых показателей, класси-
60
фикационными являются: коэффициент трещинной пустотности
л т.п — объем пустот (трещин) в единице объема массива, исчис-
ляемый в процентах; модуль трещиноватости Л4Т — число трещин
на 1 м линии измерения; удельное водопоглощение gwt л/мин,
или коэффициент фильтрации К, м/сут, модуль деформации в мас-
сиве Е, МПа, или скорость продольных упругих волн ор, м/с.
В зависимости от названных показателей скальные грунты
подразделяют на очень прочные, прочные, средней прочности,
малопрочные, полускальные; неразмягчаемые и размягчаемые;
вевыветрелые (монолитные), слабовыветрелые (трещиноватые),
выветрелые, сильновыветрелые (рухляки); слабо-, средне-, сильно-
и очень силыютрещиноватые; практически водонепроницаемые,
слабоводопроницаемые, водопроницаемые, сильно- и очень силь-
новодопроницаемые; слабо-, средне-, сильнодеформируемые; слабо-
и сильнодеформируемые полускальные.
Важный показатель для оснований гидротехнических сооруже-
ний (особенно подпорных) — степень растворимости скальных
грунтов, в зависимости от которой их подразделяют на нераство-
римые и растворимые, последние делят на трудно-, средне- и
легкорастворнмые.
К нескальным грунтам относят горные породы, в которых
прочность связей между твердыми частицами во много (в десятки
и сотни) раз меньше прочности частиц, а также горные породы,
в которых связей между частицами нет. Нескальные грунты раз-
деляют на крупнообломочные, песчаные и глинистые.
К крупнообломочным относят несцементированные грунты,
содержащие более 50 % (по массе) обломков размером >2 мм пород
с жесткими, прочными связями.
К песчаным относят грунты, содержащие менее 50 % (по массе)
твердых частиц размером >2 мм, которые, имея число пластич-
ности /р <1, не обладают консистептностью и, находясь в сухом
состоянии, являются сыпучими, т. е. не имеют связей между
твердыми частицами.
К глинистым относят грунты, содержащие более 3 % (по
массе) твердых частиц глинистой фракции, т. е. размером
<0,001 мм, имеющие связи между частицами и обладающие кон-
систентностью при числе пластичности /р 1.
Классификационные показатели крупнообломочных грунтов:
гранулометрический состав; степень выветрелости обломков Кв,
если в грунте содержится более 10 % (по массе) частиц размером
менее 2 мм; степень влажности Sr.
Классификационные показатели песчаных грунтов: грануло-
метрический состав грунта; степень влажности Sr; коэффициент
пористости г или сопротивление погружению конуса pq при
статическом зондировании, или условное динамическое сопро-
тивление погружению конуса рд при динамическом зондировании.
Крупноооломочные и песчаные грунты в зависимости от гра-
нулометрического состава подразделяют на: валунные, или глы-
81
бовые, галечниковые, или щебенистые, гравийные, или дресвяные
крупнообломочные; гравелистые, крупные, средней крупности,
а также мелкие и пылеватые пески. Эти наименования дополняют
указанием о степени неоднородности их гранулометрического
состава. Кроме того, если в крупнообломочном грунте в качестве
заполнителя содержится >40 % песчаного или >30 % глинистого
грунта, то к его наименованию добавляют наименование вида
заполнителя с полной его классификационной характеристикой
как самостоятельного грунта.
В зависимости .от значения степени выветрелости обломков
крупнообломочные грунты имеют следующие наименования: не-
выветрелые, слабо- и сильновыветрелые. Маловлажными, влаж-
ными и насыщенными водой называют крупнообломочные и песча-
ные грунты в зависимости от степени влажности. Песчаные грунты
в зависимости от коэффициента пористости или от сопротивления
погружению конуса при статическом и динамическом зондиро-
вании подразделяют на пески плотного, средней плотности и
рыхлого сложения.
Классификационные характеристики глинистых грунтов: число
пластичности /Р и показатель текучести /L, который вычисляют
по формуле
/д = (w — wP)/(wL — wP), (76)
где <г — природная влажность грунта, a trp и wL— граничные влажности, %.
В зависимости от числа пластичности глинистые грунты раз-
деляют на супесь, суглинок и глину. Если в глинистых грунтах
в воздушно-сухом состоянии содержится 15 25 % (по массе)
твердых частиц размером 2 мм, то к наименованиям вида грун-
та добавляют с галькой (со щебнем) или с гравием (с дресвой). Если
частиц >2 мм содержится 25 50 %, то добавляют термины
^галечниковый (щебенистый)!» или ^гравелистый (дресвяный)*.
По Показателю текучести в зависимости от наименования вида
определяют, в каком состоянии находится глинистый грунт:
в твердом, пластичном, текучем или каком-либо промежуточном.
Глинистые грунты в зависимости от удельного сопротивления
пенетрации имеют четыре наименования: очень прочные, проч-
ные, средней прочности и слабые.
Среди глинистых грунтов в отдельную подгруппу выделяют
илы, которые разделяют на супесчаный, суглинистый и глини-
стый. К илам относят глинистые грунты, образовавшиеся кац,
структурный осадок в воде и находящиеся в начальной стадии
формирования, если их коэффициент пористости равен соответ-
ственно ^0,9, ^>1,0, 5^1,5, а влажность превышает влажность
на границе текучести.
Вид ила, как и любого другого глинистого грунта, устанавли-
вают по числу пластичности /Р. Характерный признак илов —
наличие органического вещества (гумуса) в количестве, как пра-
82
вило, до 10 %. К илам часто относят и сапропелщ называя их
органическими илами.
Большое влияние на устойчивость сооружений, особенно
гидротехнических, оказывает наличие в грунтах оснований раз-
личных солей. В одних случаях соли увеличивают осадку соору-
жений вследствие вымыва (выщелачивания) нх из грунтов. В дру-
гих случаях они увеличивают набухаемость грунтов и неравно-
мерный подъем сооружений. Поэтому среди полускальных и
всех видов нескальных грунтов в зависимости от содержания
легко- и среднерастворимых солей выделяют засоленные грунты.
В песчаных и глинистых грунтах нередко содержится сравни-
тельно большое количество органических веществ, которые уве-
личивают сжимаемость и снижают прочность этих грунтов. Отно-
сительное содержание органических веществ /от в грунте назы-
вают степенью заторфованности. Ее выражают отношением массы
органических веществ, содержащихся в образце грунта, к его
массе в абсолютно сухом состоянии. В зависимости от /от грун-
там дают дополнительные наименования: с примесью органиче-
ских веществ и заторфованные. Грунты с /От 0,5 относят
к торфам.
Наименование вида песчаного и глинистого грунтов, содер-
жащих органические вещества, устанавливают по вышеназван-
ным классификационным показателям, определяемым для мине-
ральной части грунта после удаления растительных остатков.
Устойчивость сооружений гидромелиоративных систем трудно
обеспечить на грунтах, имеющих в основании отрицательную тем-
пературу и содержащих лед, т. е. на мерзлых. Грунты, находя-
щиеся в мерзлом состоянии в течение трех лет и более, называют
вечномерзлыми.
Вечномерзлые я мерзлые грунты разделяют на виды по харак-
теристикам, которые они приобретают после оттаивания. Среди
вечномерзлых в отдельную группу выделяют сильнольдистые
грунты. Льдистость — отношение объема льда, содержащегося
в мерзлом грунте, к объему грунта; ее измеряют в см’/см®. При
этом различают льдистость, образующуюся за счет ледяных
включений (линз и прослоек льда), и образующуюся за счет поро-
вого льда. К сильнольдистым вечномерзлым грунтам относят
грунты, льдистость которых за счет включений льда >0,4.
К засоленным вечномерзлым грунтам, если их используют
в качестве оснований в мерзлом состоянии, относят грунты, со-
держащие в абсолютно сухом состоянии легкорастворимые соли
в количестве, превышающем, %: для песков — 0,1; супесей —
0,15; суглинков — 0,2; глин — 0,25. Засоленность крупнообло-
мочных грунтов устанавливают по содержанию легкораствори-
мых солей в заполнителе.
Кроме того, вечномерзлые грунты по степени цементации их
льдом, обусловливающей их реологические свойства, подразде-
ляют на твердомерзлые, пластично-мерзлые и сыпучемерзлые.
83
К твердомерзлым относят грунты, прочно сцементированные
льдом. Они в основании фундаментов сооружений практически не
сжимаются, а разрушение их носит характер разрушения хруп-
кого тела.
К пластично-мерзлым относят грунты, сцементированные
льдом, но обладающие вязкими свойствами и сжимающиеся под
нагрузками в основаниях фундаментов сооружений.
К сыпучемерзлым относят крупнообломочные и песчаные
грунты, не сцементированные льдом вследствие малой их влаж-
ности .
Среди нескальных грунтов выделяют еще, кроме всех упомя-
нутых выше, грунты искусственного происхождения или сложе-
ния, к которым относят насыпные грунты н грунты естественного
происхождения, улучшенные тем или иным способом.
В изложенной выше классификации грунтов оснований при-
ведены лишь важнейшие подразделения грунтов. В отдельных
случаях ГОСТ 25100—82 разрешает вводить дополнительные
деления, которые, однако, не должны противоречить принятой
классификации.
Глава 5. ХАРАКТЕРИСТИКА
РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ГРУНТОВ
Один и тот же грунт может по-разному вести себя в основа-
ниях различных сооружений: для одних он может быть прочным
и надежным, для других — совершенно непригодным. Это в пер-
вую очередь зависит ст нагрузок, передаваемых сооружением на
основание, от свойств грунта в естественном состоянии и от ха-
рактера его взаимодействия с водой. Последнее особенно важно
для грунтов оснований гидротехнических сооружений любого
назначения, так как в процессе эксплуатации они всегда оказы-
ваются водонасыщенными, а в основаниях подпорных сооружений
(плотин, шлюзов-регуляторов и т. п.), кроме того, происходит
фильтрация воды.
В зависимости от назначения и конструкции сооружений
к грунтам оснований предъявляют различные требования. Общие
требования — малая (допустимая) деформируемость и достаточ-
ная (высокая) прочность. Кроме того, грунты оснований гидро-
технических сооружений (плотин, регуляторов и т. п.) должны
обладать малой фильтрационной способностью, высокой фильтра-
ционной устойчивостью (прочностью), не растворяться tf
воде.
Ниже в соответствии с принятой классификацией коротко
рассматривается характеристика всех основных * видов грунтов,
используемых в качестве оснований различных сооружений гидро-
мелиоративных (осушительных и оросительных) систем, а также
сооружений комплексных гидроузлов.
84
18. Скальные грунты
Прочность скальных грунтов при одноосном сжатии образцов
колеблется от нескольких десятков (и даже сотен) до нескольких
единиц мегапаскалей. Однако, несмотря на значительные коле-
бания прочности, скальные грунты при мощности слоя более
1,5 м оказываются для многих сооружений устойчивыми, проч-
ными и практически несжимаемыми основаниями.
Гидротехническое строительство на скальных грунтах ослож-
няется их трещиноватостью и выветрелостыо, снижающими проч-
ность и увеличивающими деформируемость и водопропускную
способность оснований. Многие скальные грунты имеют в образ-
цах пористость 1 ... 5 %, а в массиве за счет трещин их пустот-
ность достигает 10 20%.
Важное значение для гидротехнического строительства имеет
фильтрационная устойчивость скального основания, которая за-
висит от степени растворимости скального грунта и от вида грунта,
заполняющего трещины. Фильтрационную прочность грунтов,
заполняющих трещины, в массивах скальных оснований оцени-
вают критической скоростью фильтрации.
В качестве естественного основания любых гидротехнических
сооружений можно использовать невыветрелые, практически во-
донепроницаемые и нерастворимые скальные грунты. Сильновы-
ветрелые и растворимые грунты не используют, их необходимо
удалить. Все остальные скальные грунты можно использовать
в качестве основания практически для любых гидротехнических
сооружений только, как правило, после их улучшения тем или
иным способом.
Известно, что большинство горных пород с прочными связями
образуется в недрах земли в условиях сильного всестороннего
гравитационного и тектонического сжатия, в результате чего
большинство скальных грунтов в естественном состоянии обла-
дает большой потенциальной энергией сжатия, которая при вы-
ходе грунта на поверхность освобождается. Это необходимо учи-
тывать при проходке горных выработок: при устройстве котлова-
нов под гидротехнические сооружения (в первую очередь под
крупные плотины), гидротехнических тоннелей и т. п.
В результате перечисленных строительных работ в напря-
женном массиве скального грунта появляется свободная поверх-
ность — зона разгрузки, в пределах которой потенциальная
энергия сжатия расходуется на различного вида деформации.
Так, возможно образование трещин, называемых трещинами раз-
грузки, которые снижают прочность основания, увеличивают его
деформируемость и водопроницаемость.
Например, подготовленное к бетонированию дно котлована
из-за трещин разгрузки может оказаться непригодным в качестве
естественного основания, если в течение нескольких недель оно
не пригружается бетоном.
85
Скальные грунты магматического происхождения обладают
малой деформируемостью, высокой прочностью, не растворяются
в воде и практически водонепроницаемы. Поэтому они являются
одними из самых надежных грунтов, используемых в качестве
оснований гидротехнических сооружений. Около 30 % всех вы-
соких плотин в мире построено на таких основаниях» работающих
в упругой стадии деформирования.
Скальные грунты метаморфического происхождения по физи-
ческим и физико-механическим свойствам во многом близки
к грунтам магматического происхождения. Они практически водо-
непроницаемы и, кроме карбонатных разностей, не растворяются
в воде. Деформируемость от нагрузок, передаваемых сооруже-
ниями, и фильтрация воды в массивах метаморфических пород,
как и в массивах магматических пород, возможны только из-за
наличия трещин. Однако некоторые породы, например сланцы
хлоритового состава (зеленые сланцы), относят к неморозостой-
ким. Это необходимо учитывать при использовании их в качестве
основания, особенно гидротехнических сооружений. Глинистые
сланцы для оснований тяжелых гидротехнических сооружений
вообще непригодны: кроме того, что они неморозостойки, они
после водонасыщения практически полностью теряют прочность.
В отличие от магматических метаморфические породы обладают
достаточно большой анизотропностью, обусловленной их сланце-
ватостью: прочностные и деформационные показатели значительно
выше в направлении, перпендикулярном слоистости, чем вдоль
нее.
Скальные грунты осадочного происхождения представляют
собой обширную группу грунтов с прочными связями. Прочность
их колеблется от нескольких десятых до нескольких десятков и
даже сотен мегапаскалей.
Наиболее прочные связи в сцементированных грунтах —
кварцевые и железистые цементы (которые практически не-
растворимы в воде), их прочность обычно не менее (а в ря-
де случаев превышает) прочность цементируемых твердых час-
тиц.
Высокую прочность имеет и карбонатный цемент, но он раство-
ряется в.воде. Наиболее высокой растворимостью обладает гип-
совый цемент. Глинистый цемент имеет малую прочность, а раз-
мягчаясь в воде, полностью теряет ее. Поэтому осадочные грунты
с такими цементами в качестве оснований тяжелых гидротехниче-
ских сооружений непригодны.
Большинство химических и биохимических скальных грунто!
растворимы. Нерастворима практически только небольшая груп-
па, представленная кремнистыми породами, но -они при водо-
насыщении размягчаются. Карбонатные породы труднораство-
римы, сульфатные — среднерастворимы, а галоидные — легко-
растворимы. Это обязательно надо учитывать при оценке возмож-
ности использования таких грунтов в качестве основания любых
86
гидротехнических сооружений. Сульфатные, а тем более галоид-
ные породы как грунты оснований гидротехнических сооружений
непригодны.
19. Нескальные грунты
Главное отличие нескальных грунтов от скальных, опреде-
ляющее их поведение в основаниях сооружений (особенно гидро-
технических), — их дисперсность, а следовательно, обязательное
наличие пор и слабая (по сравнению с прочностью твердых ча-
стиц) связь между твердыми частицами или же полное отсутствие
связи между ними.
Крупнообломочные нескальные грунты могут иметь в составе
твердые частицы самых различных размеров и формы, однако их
свойства как оснований определяют частицы крупностью >2 мм,
представляющие собой обломки различных пород с прочными
связями. Практически все крупнообломочные нескальные грунты
малосжимаемы и имеют высокую прочность, но обладают большой
водопроницаемостью (более 500 м/сут), что является одним из
основных недостатков при использовании их в качестве основания
плотин, регуляторов и других гидротехнических сооружений.
Крупнообломочные нескальные грунты с глинистым заполни-
телем, содержащим более 30 % (по массе) частиц размером
<0,1 мм, обладают пучинистостыо.
Песчаные нескалъные грунты могут также содержать твердые
частицы самых разных размеров, но в них преобладают именно
песчаные частицы (2 0,05 мм), а глинистые — не превышают
3 %.
По данным различных исследователей, пески в зависимости от
состава, строения и других свойств могут иметь: плотность твер-
дых частиц 2,65 ... 2,67 г/см9 (в среднем 2,66 г/см9), плотность
грунта 1,3 ... 2,2 г/см9 (наиболее вероятные значения 1,4
1,7 г/см9), коэффициент фильтрации от 5 до 500 м/сут, высоту
капиллярного поднятия до 1 м.
На свойства песков, как и на свойства всех других грунтов,
оказывает влияние множество факторов, основные из которых —
гранулометрический и минеральный составы.
С увеличением размеров фракций песков любого минераль-
ного состава их водопроницаемость увеличивается. Но слюдини-
стый песок, например, имеет коэффициент фильтрации в несколько
раз меньший, чем полевошпатный и кварцевый пески такой же
крупности и плотности.
Влияние крупности твердых частиц на сжимаемость песков
еще не установлено достаточно достоверно. Однако имеющиеся
данные позволяют сделать вывод, что, например; кварцевый пе-
сок, состоящий из крупных окатанных частиц, сжимается в боль-
шей степени, чем песок, состоящий из мелких частиц, а слюдя-
нистый — наоборот. Кроме того, остаточные деформации при
87
сжатии кварцевых песков больше, чем при сжатии слюдянистых.
При этом остаточная деформация кварцевых песков составляет
от общей деформации большую часть.
Заметную роль играет и влажность песков. В абсолютно
сухом состоянии чистые пески сыпучи и не имеют связей. Поэтому
остаточные деформации при уплотнении сухих песков проис-
ходят, когда внешнее давление превысит структурную проч-
ность сжатия, обусловленную силами внутреннего трения между
твердыми частицами. Но при влажности, соответствующей появ-
лению капиллярной воды и до наступления полной капиллярной
влагоемкости, в песках появляется связность, которая уменьшает
их уплотняемость. Свободногравитационная вода в песках вы-
полняет роль смазки, и ее появление увеличивает их уплотняе-
мость. Вследствие этого, например, в уплотненных в компресси-
онном приборе сухих песках после водонасыщения могут возни-
кать дополнительные необратимые деформации. При этом допол-
нительное уплотнение происходит быстро и носит характер своего
рода просадки. Это необходимо учитывать при расчете оснований
сооружений на оросительных каналах, плотин и других сооруже-
ний, в основании которых песок в процессе эксплуатации насы-
щается водой.
Общая скорость уплотнения сухих и водонасыщенных песков
в основаниях с точки зрения строительства практически одинакова,
их уплотненнё обычно заканчивается одновременно с оконча-
нием строительства сооружения. В водонасыщенных песках про-
исходит только процесс первичной, фильтрационной консоли-
дации.
Более заметно рассмотренные выше факторы влияют на сопро-
тивление песков сдвигу. Абсолютно сухие и полностью водонасы-
щенные пески сопротивление сдвигу оказывают только за счет
сил внутреннего трения. А силы внутреннего трения при всех
прочих равных условиях, например, в кварцевом песке выше,
чем в слюдянистом. Даже сравнительно небольшая примесь слюды
в кварцевом песке существенно снижает его сопротивление сдвигу,
при наличии 10 % слюды это сопротивление практически пол-
ностью обусловливается ею. Силы внутреннего трення при всех
прочих равных условиях выше в крупных песках.
Сцепление в песках может быть обусловлено наличием даже
небольшого количества глинистых частиц, а в маловлажных
песках — и капиллярной связностью.
Условия испытания (КД-, КН-, НН-сдвиг) образцов любых
сухих, а также водонасыщенных гравелистых, крупных и даже
средней крупности песков не оказывают существенного влияния
на их сопротивление сдвигу. Но они могут существенно влиять
на прочность мелких и особенно пылеватых водонасыщенных
песков, так как при их нагружении каким-то уплотняющим давле-
нием часть этого давления воспринимается поровой водой, ко-
торая в зависимости от плотности песков может в момент сдвига
88
Ряс. 32. Зависимость сопротивления
песков сдвигу т от деформации сдвига X:
2 — рмхлюц f — ллотамх
или уменьшить, или увеличить
сопротивление сдвигу. В момент
сдвига рыхлого песка происходит
отрицательная дилатансия (уплот-
нение), и при НН-сдвиге поровое
давление в связи с этим резко
возрастает, а эффективное давление соответственно уменьшается.
Следовательно, согласно формуле (74), уменьшается и предель-
ное сопротивление сдвигу. В момент сдвига плотного песка
происходит положительная дилатансия (разуплотнение, разрых-
ление), и при НН-сдвиге в связи с этим поровое давление умень-
шается. Следовательно, предельное сопротивление сдвигу уве-
личивается.
С увеличением деформации сдвига рыхлых песков нх сопротив-
ление сдвигу плавно увеличивается до какого-то определенного
предела vu, а далее остается постоянным (рис. 32). В плотных же
песках с увеличением деформации сдвига оно вначале плавно уве-
личивается до какого-то максимального значения ттах, а затем
уменьшается до ти. В первом случае, как упомянуто выше, про-
цесс сопровождается отрицательной дилатансией песка в зоне
сдвига, а во втором — положительной. Плотность песка, при ко-
торой дилатансии не происходит, называют критической и оце-
нивают критическим коэффициентом пористости есг. Этот коэф-
фициент — объективный показатель потенциальной возможности
внезапного разупрочнения (разжижения) водонасыщенных песков
и перехода их в плывунное состояние.
Необходимо иметь в виду, что внезапное разжижение песков
оснований бывает двух видов — гидродинамическое и динами-
ческое. Гидродинамическое разжижение возможно тогда, когда
гидродинамическое давление, возникшее в песке, превысит его
фильтрационную прочность, а это может произойти, если гидра-
влический градиент фильтрации превысит значение, определяе-
мое по формуле
- (Р. -!)/(!+«) = (у. - Ю)/10 (14-е), (77)
где р, — плотность твердых частиц, т/м1: « — коэффициент пористости песка;
уж — удельный вес твердых частиц, кН/м*.
Динамическое разжижение песков в основаниях сооружений
(и откосах) может происходить в результате динамических воз-
действий, возникающих при землетрясениях, взрывах и вибрации
только мелких н пылеватых песков, имеющих е е^.
Схематически внезапное разжижение водонасыщенных песков
в основании сооружений можно объяснить, представив себе
песок, состоящий из шариков одинакового размера, уложенных
89
Рис 33 Элементарная схема, поясняющая внезапное разжижение песков
а — положение твердых частиц до разжижения. 0 — положение твердых частиц в момент
(»аажмжеиия, а — новое устойчивое положение твердых частиц / — твердые частицы
шарики), 3 — фундамент сооружения, 3 — направление динамического воцдеЯствия на
массив грунта в основании
в наиболее неустойчивом положении (рис 33, а), с максимальной
пористостью При динамическом воздействии твердые частицы
(шарики) горизонтально смещаются относительно друг друга и
оказываются на плаву (рис. 33, б), в результате чего весь песок
полностью теряет прочность, превращается в разжиженную,
растекающуюся плывунную массу, которую можно назвать суспен-
зией Новое, уже устойчивое положение (рис 33, а) с меньшей
пористостью твердые частицы займут, когда из пор песка будет
выдавлено какое-то определенное количество воды Но вода
мгновенно выдавиться ие может Для этого требуется некоторый,
хотя и небольшой, промежуток времени, достаточный для того,
чтобы внезапно разжиженный песок быстро выдавился из-под
фундамента , Быстрое выдавливание песка из-под фундамента
в значительной мере объясняется и гидродинамическим давле-
нием, появляющимся в начальный момент разжижения Если
ранее, до динамического воздействия, нагрузка от сооружения
передавалась на скелет песка, то после нарушения структуры
в результате этого воздействия вся нагрузка внезапно передается
на поровую воду, создавая в ней напор и вызывая ее фильтрацию
Фильтрация сопровождается гидродинамическим давлением
Оно-то и приводит к интенсивному вытеснению разжиженного
песка из-под фундамента Этот процесс носит лавинный харак-
тер, он еще изучен недостаточно Процесс реального разжижения
песков протекает значительно сложнее, так как песчаные грунты
всегда состоят из частиц различной крупности, формы и т п
Перехрд в плывунное состояние в результате гидродинами-
ческого и динамического воздействий присущ в основном мелким
и пылеватым пескам, но, как отмечено выше, строительной прак-
тике известны случаи, когда под действием гидродинамического
давления текут «даже» иескальные крупнообломочные грунты
Потенциально всегда находятся в плывунном состоянии ис-<
тинные плывуны — водонасыщенные мелкие и пылеватые пески,
в которых, как правило, преобладают тонкозернистые (0,1
0,05 мм) и мелкозернистые (0,25 0,1 мм) фракции, они либо
раздельно, либо в сумме составляют основную массу грунта
Кроме того, для этих песков характерны повышенное и даже вы-
сокое содержание пылеватых фракций и обязательное присут-
□п
ствие некоторого количества собственно глинистых частиц и гли-
нистых частиц коллоидной фракции. Наличие коллоидных частиц,
обладающих повышенной гидрофильностью и являющихся своего
рода смазкой между твердыми частицами, приводит к подвиж-
ности истинных плывунов даже под действием ничтожно малых
сил. Плывуны выдавливаются из-под фундаментов и «плывут»
в откосах при устройстве выемок, как вязкая жидкость.
По данным И. М. Горьковой, естественная влажность истинных
плывунов высокая — 21 ... 48 %. Их плотность изменяется в ши-
роких пределах: плотность скелета составляет 1,14 ... 1,58 г/см*,
пористость — 36 ... 58 %, а коэффициент пористости — 0,67 ...
1,39. Однако если их невозможно выдавить из-под фундамента,
то можно использовать в качестве естественного основания ряда
сооружений. Коэффициент фильтрации истинных плывунов
0,1 ... 0,01 м/сут они плохо отдают воду.
В. В. Радина дала новое объяснение плывунностн истинных
плывунов. Она установила неизвестное ранее явление: истинные
плывуны образуются вследствие того, что в водонасыщенной
дисперсной породе накапливаются в виде пузырьков газообраз-
ные продукты жизнедеятельности микроорганизмов, которые вы-
зывают избыточное давление в жидкой фазе породы и являются
энергетическим фактором ее подвижности. Если это избыточное
внутреннее давление достигает давления, действующего на грунт
(от собственного веса грунта или от веса сооружения), начинается
процесс его разуплотнения, он становится истинным плывуном.
Истинные плывуны, как и мелкие, и пылеватые чистые пески,
обладают пучинистостью. Пучинистость мелких и пылеватых
водонасыщенных песков проявляется в увеличении объема грунта
за счет образования в нем прослоек чистого льда толщиной до
нескольких сантиметров. При этом прослойки располагаются
почти параллельно поверхности, от которой на грунт передается
холод.
Водонасыщенные мелкие и пылеватые пески, содержащие не
менее 1,5 ... 2 % твердых частиц глинистой и коллоидной фрак-
ций, обладают тиксотропностью. Подобие тиксотропности прояв-
ляется и в чистых мелкозернистых, и в пылеватых пееках влаж-
ностью, близкой к полной капиллярной влагоемкости; при вибра-
ции капиллярная вода превращается в свободногравитационную
и играет роль смазки, резко снижая внутреннее трение в песках.
Глинистые нескальные грунты, называемые связными, имеют
в составе более 3 % (по массе) частиц глинистой фракции, а в за-
висимости от происхождения могут содержать не только пылева-
тые, песчаные, но и гравийные, галечниковые, булыжные и даже
валунные твердые частицы.
Глинистые нескальные грунты, содержащие 3 10 % гли-
нистой фракции, относят к супесям, 10 ... 30 % — к суглинкам,
более 30 % — к глинам. Встречаются высокодисперсные глины,
в которых масса глинистой фракции достигает 60 % и более.
91
В глинистой фракции таких глин содержится много коллои-
дов
Связные грунты представляют собой наиболее специфическую
группу Их свойства в большей степени, чем свойства других
грунтов, зависят от влажности
Согласно приведенной выше классификации в группе глини-
стых грунтов выделяют подгруппы просадочных и набухающих,
а также подгруппу илов В современном грунтоведении чаще
дают другое подразделение лессовые и (собственно) глинистые
грунты, а среди лессовых грунтов выделяют еще лессы и лессо-
видные грунты
Лессовидные грунты по составу могут быть отнесены и к су-
песям, и к суглинкам, и к глинам По свойствам они занимают
как бы промежуточное положение между лессами и собственно
глинистыми грунтами
Лессы всех районов их распространения имеют достаточно
однородный гранулометрический состав, который характеризуется
высоким содержанием крупнопылеватых (0,05 0,01 мм) частиц,
очень небольшим содержанием песчаных частиц размером >
>0,25 мм и частиц глинистой фракции (не более 16 %)
В лессовых грунтах в зависимости от их происхождения со-
держится 0,7 2,5 % гумуса, а в собственно лессах содержание
гумуса не превышает 0,5 %
Плотность, твердых частиц лессовых грунтов нашей страны
составляет 2,54 2,84 г/см1, чаще — 2,6 2,75 г/см*, а средним
ее значением считают 2,67 г/см3
Лессовые грунты в естественном состоянии имеют пористость
30 64 %, чаще — 44 50 % Это свидетельствует о том, что
лессовые грунты по природе являются недоу плотненным и Лес-
совые грунты макропористые, т е имеют крупные, видимые не-
вооруженным глазом, поры (в количестве 2 6 % объема грунта)
Макропоры имеют преимущественно вертикальное направление,
а их стенки часто покрыты отложениями карбонатов и гидро-
окислов железа
Макропористость обусловливает достаточно высокую водопро-
ницаемость лессовых грунтов Однако и она колеблется в широких
пределах коэффициент фильтрации этих грунтов равен 0,001
8,5 м/сут Вертикальная направленность макропор способствует
увеличению коэффициента фильтрации в вертикальном направле-
нии в 1,5 15 раз по сравнению с i оризонтальным В целом же
высокая водопроницаемость обеспечивает быстрое (и на большую_
глубину) увлажнение лессовых грунтов Однако следует отме-’
тить, что в процессе замачивания коэффициент фильтрации лес-
сов резко уменьшается
Естественная влажность лессовых грунтов обычно находится
в пределах от 3 5 до 20 25 %, а в засушливых районах
Средней Азии, юга Украины, Ставрополья, Крыма составляет
3 18 % Высота капиллярного поднятия достигает 4 м Плот-
92
кость составляет 1,15 ... 2,05 г/см3, чаще — 1,3 1,6 г/смэ;
плотность скелета— 1,12 1,79 г/см8, чаще — 1Д 1,6 г/см3.
Несмотря на высокую пористость, лёссовые грунты засушли-
вых районов нашей страны в природном состоянии обладают
сравнительно небольшой сжимаемостью и высокой для нескальных
грунтов прочностью. Модуль общей деформации лёссовых грун-
тов достигает 30 МПа и более, но значительно (до 4.5 МПа) умень-
шается с увеличением влажности. Наглядное представление о проч-
ности лёссов дают в естественных обнажениях вертикальные отко-
сы высотой до 30 40 м, которые могут стоять многие годы и деся-
тилетня, не теряя устойчивости. В воде лёссы быстро размокают.
Высокая прочность лёссовых грунтов в естественном состоя-
нии и быстрая размокаемость объясняются их высокой карбонат-
ностью и содержанием других водорастворимых соединений.
Карбонаты и другие водорастворимые соединения создают доста-
точно прочные кристаллизационные структурные связи. Кроме
того, достаточно прочными структурными связями служат и кри-
сталлизующиеся коллоиды.
Карбонаты относят к труднорастворимым соединениям. Из
средне- и легкорастворимых соединений, содержащихся в лёссо-
вых грунтах, наиболее распространены гипс и хлористый натрий,
встречаются и другие легкорастворимые соединения.
Все водорастворимые соединения и кристаллизующиеся кол-
лоиды, служащие достаточно прочными структурными связями,
при дополнительном увлажнении лёссового грунта ослабевают,
а например, легкорастворимые соединения исчезают полностью,
в целом снижая прочность грунта и увеличивая его уплотняе-
мость, проявляющуюся в виде просадочности. Типичная компрес-
сионная зависимость лёссового грунта, увлажненного в процессе
испытания при давлении р = 0,5 МПа до полного водонасыще-
ния, показана на рисунке 34.
Зависимости относительной просадки от уплотняющего
давления р лёсса и, лёссовидного суглинка показаны на
рисунке 35. Из рисунка видно, что просадка лёсса происходит
и при ничтожно малых давлениях, а просадка данного лёссовид-
ного суглинка начинается лишь при давлениях более 0,05 МПа:
при меньших значениях происходит даже набухание.
Уплотняющее давление, при ко-
тором начинает проявляться в услови-
ях полного водонасыщен и я просад-
Рис. 34. Типичная компрессионная зависи-
мость для лёссового грунта:
а—б — участок, соответствующий уплотнению
грунта естественной влажности при увеличении
давления; б — а — участок. соответствующий
уплотнению (просадке) грунта в результате его
увлажнения при действующей данной ступени
давления; •—а- —участок, соответствующий уплот-
нению увлажненного грунта при увеличения
давления
93
Рис 35 Зависимость относительной про*
садки 8,/ от уплотняющего давления р:
/ — «Ссса. 3 -' xiccoavAUorc суглккха (по
Н Н Фролову)
ка, называют начальным проса-
дочным давлением pai. Из этого
определения следует, что ра нуж-
но принимать при относительной
просадке ввь близкой к нулю.
Однако в СНиП 2 02 01—83 за
начальное просадочное давление
pag принято давление, при кото-
ром относительная просадка е,г=
» 0,01, если испытания проводили
в компрессионных приборах или
давление, равное пределу пропор-
циональности (линейной зависи-
мости), устанавливаемому по гра-
фику осадка штампа — налрузка, если испытания проводили в по-
ле с помощью штампов, а грунт предварительно был замочен
При испытании ла просадочность путем замачивапня грунтов в
опытных котлованах за принимают природное вертикальное
напряжение на глубине, начиная с которой происходит просадка
нижележащих слоев под действием веса вышележащих Но если
лессовый грун*г будет при каком-то уплотняющем давлении, боль-
шем р.ь увлажнен лишь частично, то просадочность может и
не проявиться Она проявится, лишь когда влажность достигнет
начальной просадочной влажности wti или превысит се
Если испытания на просадочность проводят в компрессион-
ных приборах, то за начальную просадочную влажность
принимают влажность, при которой под данным давлением отно-
сительная просадка e,t =- 0,01 При полевых испытаниях штам-
пами грунта, предварительно замоченного до различной степени
влажности, каждая заданная влажность будет равна начальной
просадочной влажности при давлении, равном пределу про-
порциональности Предел пропорциональности давления уста-
навливают по графику осадка штампа — нагрузка И вполне
логично, что для одного и того же лессового грунта чем больше
давление, тем меньше начальная просадочная влажность
Как отмечено выше, в результате действия воды часть связей
лессового грунта ослабевает, а часть — полностью разрушается.
Процессы ослабевания и разрушения происходят немгновенно,
однако достаточно быстро, чтобы просадку назвать деформацией
провального характера.
При испытании образцов естественной (малой) влажности
в компрессионных приборах уплотнение до условно полной
стабилизации заканчивается в считанные минуты или часы
После увлажнения образца до полного всдонасыхцекия под дей-
94
ствующим на него давлением он дополнительно уплотняется.
Вначале уплотнение идет интенсивно (в считанные минуты),
затем интенсивность заметно (в течение нескольких дней) умень-
шается. После этого в течение нескольких месяцев уплотнение
нарастает до какого-то условно конечного значения. Таким
образом, деформируемость лёссового грунта проходит как бы
три стадии, которые называют .тремя видами деформации:
I) осадка; 2) просадка; 3) пос лепросадочное уплотнений (Кириллов.
Фролов, 1963 г.).
Аналогично деформируется лёссовый грунтам в -основаниях
гидротехнических сооружений. Его послепросадочное уплотнение
под сооружением продолжается от нескольких месяцев до не-
скольких лет и достигает 0,7 1 м. Степень уп/потнения* зави-
сит от состава, строения и мощности грунта, а также от размеров
сооружения.
Послепросадочное уплотнение можно было бы объяснить1 рео-
логическими процессами, происходящими в водонасыщейном
грунте, но это объяснение недостаточно и неполно с точки зрения
характеристики качества и степени уплотнения. Оно было бы
достаточным, если бы после увлажнения грунтов основания
увлажняющая вода, растворив лишь часть водорастворимых ве-
ществ, служащих структурными связями и твердым компонентом
грунта, превратилась бы в насыщенный раствор и оказалась
более неспособной к растворяющему действию. Однако важный
фактор, дополнительно объясняющий послепросадочное уплот-
нение, заключается в том, что сквозь грунт беспрерывно прохо-
дит свежая, чистая вода, т. е. она все время имеет практически
постоянную растворительную способность. В результате сразу
после замачивания в сравнительно короткий отрезок времени
растворяются легкорастворимые соединения и происходит про-
садка, а затем свежие, все новые и новые воды растворяют средне-
и труднорастворимые соединения. При этом наблюдается не только
дальнейшее ослабление и исчезновение структурных связей, но
и вынос соединений, что' приводит к образованию дополни-
тельных пор, а следовательно, и к дополнительному уплотне-
нию.
Просадочностью обладают и некоторые другие глинистые
грунты, например покровные делювиальные суглинки, располо-
женные на возвышенностях — сыртах, в частности между По-
волжьем и Южным Уралом, поэтому такие грунты часто назы-
вают сыртовыми.
Собственно глинистые грунты широко распространены и
являются сложными по свойствам грунтами. По данным различ-
ных исследований, в зависимости, например, пт состава и строе-
ния грунтов показатели, характеризующие те или иные их свой-
ства, могут меняться. Так, плотность твердых частиц супесей
колеблется от 2,68 до 2,72 г/см® <в среднем опа составляет 2.7 г/см’),
твердых частиц суглинков — от 2.69 до 2.73 г/см1* (в среднем
95
2,71 г/см8), глин —от 2,71 до 2,76 г/см8 (в среднем 2,74 г/см8)*
Плотность глин естественной структуры может изменяться от 1,3
до 2,5 г/см8, чаще от 1,75 до 2,3 г/см8, максимальная влажность
достигает 600 % Высота капиллярного поднятия в супесях
достигает 1 1,5 м, в суглинках — 3 4 м, в глинах — 8 м
Коэффициент фильтрации супесен составляет от 5 I0-8 до
0,5 м/сут, суглинков — от 5 10’® до 5 10"а м/сут, глин — менее
5 10"8 м/сут Начальный градиент фильтрации <н в некоторых
глинах достигает нескольких десятков единиц Поэтому некоторые
глины как основания гидротехнических сооружений являются
практически водонепроницаемыми
Сжимаемость обычных глинистых грунтов значительно отли-
чается от сжимаемости песчаных грунтов Большое влияние, на-
пример, на нее оказывает предшествующая геологическая исто-
рия нагружения грунта, в зависимости от которой он может
находиться в переуплотненном состоянии К переуплотненным
обносят грунты, испытывающие в данное время давление от веса
вышележащих слоев, но ранее испытавшие гораздо большее давле-
ние (от веса ледников, смытых впоследствии слоев грунта и т п )
А так как при частичной разгрузке грунт не разуплотняется, то
он остается (и находится) при настоящем, меньшем, чем ранее,
природном давлении в переуплотненном состоянии Такие гли-
нистые грунты имеют достаточно высокую структурную проч-
ность сжатия* и в основаниях могут совершенно не уплотняться
В отличие от крупнообломочных и песчаных грунтов глинистые
водонасыщенные грунты имеют длительное время консолидации
Уплотнение глинистых грунтов в основаниях гидротехнических
сооружений может происходить в течение десятилетий Это объ-
ясняется тем, что они имеют вязко-эластичные структурные связи,
а следовательно, отличаются большой ползучестью скелета и тем,
что продолжительность их фильтрационной консолидации из-за
малой водопропускной способности также велика На степень и
продолжительность сжимаемости оказывает также влияние на-
личие рыхлосвязанной воды чем ее больше, тем больше степень
и длительность уплотнения
Глинистые грунты обладают консистентностью Поэтому в за-
висимости, от своего состояния (твердое, пластичное или текучее)
nj>H всех прочих равных условиях они имеют различную дефор-
мируемость Твердые глинистые грунты для нагрузок, переда-
ваемых на них как на основание сооружениями гидромелиора-
тивных систем, можно считать несжимаемыми Глинистые же
грунты в текучем состоянии в качестве естественного оснований*
непригодны
В процессе строительства сооружений гидромелиоративных
систем на твердых глинистых грунтах надо опасаться не их уплот-
няемое™, а набухаемости При этом следует отметить, что могут
набухать не только твердые и переуплотненные, но и нормально
уплотненные и даже недоуплотненные грунты
96
Рис. 36. Зависимость сцепления легко- сГ(
го пылеватого суглинка от плотности, мпа
выраженной степенью влажности «г (по
В. Д. Казарновскому): Q
/ — суглнок влажностью — 8,0 %; f —
13.Т %; 3 — 15.0 %*. 4 — 10Л %; f — 18.8 %
Глинистые грунты в завися-
мости от системы взаимного рас-
положения твердых частиц (см.
рис. 6) могут обладать аиизотроп-
костью. Например, давление на-
бухания и степень набухания D
вдоль направления напластования otz. о,о- о,в о,е sr
этих грунтов могут быть на не-
сколько десятков процентов меньше, чем в перпендикулярном
направлении.
В процессе набухания глинистых грунтов увеличивается их
влажность, они теряют структурную прочность и существенно
снижают деформационные и прочностные показатели.
При всех прочих равных условиях прочность глинистых
грунтов природного сложения зависит также от влажности: чем
больше природная влажность, тем меньше прочность грунта.
Наибольшей прочностью обладают грунты, находящиеся в твер-
дом состоянии; максимальную прочность они имеют при влаж-
ности, равной или менее 0,1 максимальной гигроскопичности.
С образованием в грунте при увлажнении полного адсорбцион-
ного слоя прочность грунта уже значительно теряется. Когда
в нем появляется свободно гравитационная вода, он переходит
в текучее состояние.
С увеличением влажности глинистого грунта уменьшаются
его угол внутреннего трения, а также удельное сцепление. Умень-
шение угла внутреннего трения с увеличением влажности можно
объяснить уменьшением числа' неЬосредственных (минеральных)
контактов между твердыми частицами в результате отделения их
друг от друга пленками связанной воды. Уменьшение удельного
сцепления можно объяснить характером структурных связей,
а точнее их отношением к воде.
Изменение удельного сцепления с изменением плотности гли-
нистого грунта разной влажности показано на рисунке 36. Чем
плотнее грунт при одной и той же влажности, тем выше удельное
сцепление, но в то же время с увеличением влажности влияние
плотности на рост сцепления уменьшается. Поэтому при оценке
прочности глинистых грунтов предельное сопротивление грунта
сдвигу т рекомендуют относить не к влажности или плотности,
а к определенному сочетанию плотность—влажность.
В зависимости от требований расчета оснований, особенно
сложенных водонасыщенными глинистыми грунтами, показатели
прочности грунтов определяют в условиях КД-, КН- и НН-
97
сдвига Наибольшие значения <р и с получают при испытании
образцов в условиях КД-сдвига
Прочность глинистых грунтов во многом зависит от продол*
житель ноет и действия сдвигающего усилия При быстром воз-
растании этого усилия прочность будет наибольшей, а при мед-
ленном — наименьшей При длительном действии какого-то сдви-*
тающего усилия прочность грунтов может уменьшаться даже при
их неизменном во времени физическом состоянии Такой характер
их поведения при действии сдвигающего усилия объясняется
происходящими в них реологическими процессами — процессами
ползучести скелета грунта и релаксации напряжений
Деформация в результате действия сдвигающего усилия, так же
как и в результате действия уплотняющего давления, склады-
вается из условно мгновенной деформации Хо, возникающей
почти мгновенно после приложения усилия, и деформации Xt,
развивающейся (увеличивающейся) во времени Условно мгновен-
ная деформация происходит в основном за счет упругости струк-
турных связей и не является определяющей Главная, определяю-
щая деформация происходит н развивается в течение какого-то
довольно длительного времени вследствие вязкости водно-кол-
лоидных связей В течение этого времени в глинистом грунте про-
исходят структурные изменения, приводящие в одном случае
к увеличению или сохранению его прочности, а в другом —
к уменьшению
После передачи на грунт сдвигающего усилия оно не сразу
по всему объему грунта воспринимается силами внутреннего со-
противления Сначала вступают в работу структурные связи,
расположенные ближе к месту приложения усилия Поэтому они
оказываются перегруженными и начинают постепенно разру-
шаться Вначале разрушаются менее прочные жесткие связи,
затем, как следствие, более прочные Очевидно, частично раз-
рушаются и водно-коллоидные связи, но одновременно в резуль-
тате перегруппировки структурных элементов и взаимодействия
компонентов грунта под влиянием уплотняющего давления мо-
билизуются структурные связи н других, более отдаленных зон
грунта При этом образуются новые и упрочняются имею-
щиеся водно-коллоидные структурные связи
В зависимости от приложенного сдвигающего усилия в одном
и том же глинистом грунте при одинаковом уплотняющем давле-
нии преобладающее влияние на изменение прочности грунта
во времени может оказать упрочнение имеющихся водно-кол-
лоидных структурных связей и образование новых Возможны
случаи, когда влияние разрушения и влияние упрочнения связей
может быть равным или преобладающим оказывается разрушение
Это влияние видно по кривым ползучести, показывающим нара-
стание сдвиговых деформаций во времени (рис 37, а)
В первом случае нарастание сдвиговых деформаций — про-
цесс ползучести — будет проходить с уменьшающейся скоростью
98
0 i’x Ay g A?
Рис. 37. Кривые ползучести (а) и кривая длительной прочности (б) глинистого
грунте:
т, > т, > Т, >. • - > т, — сдвигающие касательные напряженья. возникающие в ре-
зультате приложения соответствующих сдвигающих усилий; А* — мгновенная сдвиго-
вая деформация грунта; — деформация ползучести в момент времени I: Л — общая
деформация. X = (X* + Ар — разрушающая деформация; f8T — время окончания
затухающей и начало установившейся ползучести; — время окончания установив-
шейся м начало прогрессирующей ползучести; t — время момента разрушения; /*. /g.
6. .... t» — время от начала приложения сдвигающего усилия до момента разрушения;
ч, — условно-мгновенная прочность;, т* — длительная прочность; — предел длитель-
ной прочности
(кривая ’tg), свидетельствующей о том. что предельное сопротив-
ление грунта сдвигу возрастает и превышает возникшие в нем
касательные напряжения (затухающая ползучесть).
Во втором случае процесс ползучести вначале идет с умень-
шающейся. а затем беспрерывно с какой-то постоянной скоростью
(кривая Ту), свидетельствующей о том, что беспрерывное разруше-
ние одних структурных связей компенсируется беспрерывным
упрочнением других и образованием новых (водно-коллоидных)
связей (установившаяся ползучесть).
В третьем случае процесс ползучести вначале идет с умень-
шающейся, затем на некотором отрезке времени с постоянной,
а потом о возрастающей скоростью (кривые тх ... xj. Это свиде-
тельствует о том, что предельное сопротивление грунта сдвигу
становится все меньше, и грунт в конце концов разрушается
(прогрессирующая ползучесть, течение). Этот вариант включает
все три вида (стадии) ползучести: вначале какой-то отрезок вре-
мени I»» идет затухающая ползучесть, затем до момента tj —
установившаяся ползучесть, а потом до момента tp — прогрес-
сирующая, которая заканчивается в момент tp разрушением
99
грунта, происходящим после достижения деформации сдвига
разрушающего значения А,р Продолжительность каждой ста*
дни для одного и того же грунта зависит от сдвигающего усилия*
чем оно больше, тем быстрее деформация достигает значения Хр,
тем меньше продолжительность всех стадий ползучести и тем
быстрее разрушается грунт
По группе кривых т( ти построена зависимость между
предельным сопротивлением грунта сдвигу т и временем / от
начала действия касательных напряжений ?! > т2 > т, > >
> тя до момента разрушения грунта Эту кривую называют
кривой длительной прочности. На ней выделяют условно-мгно-
венную прочность то, определяемую предельным значением каса-
тельных напряжений, которые грунт еще выдерживает, не раз-
рушаясь, при их кратковременном (мгновенном) действии, дли-
тельную прочность т(, определяемую предельным значением каса-
тельных напряжений, которые грунт выдерживает, не разру-
шаясь, при их действии в течение времени Л предел длительной
прочности Too, определяемый предельным значением касательных
напряжений, при которых деформация сдвига носит затухающий
характер и грунт не разрушается в течение любого наблюдаемого
времени действия этих напряжений
Глинистые грунты в зависимости от вида и влажности, а также
от расположения уровня грунтовых вод по сравнению с глу-
биной промерзания у фундамента могут обладать той нли иной
степенью пучинистости В зависимости от влажности они могут
обладать тиксотропностью Более заметно тиксотропность про-
является у глинистых грунтов, обладающих большой консистент-
ностью и набухаемостью
Илы обладают высокой пористостью и поэтому сильно сжи-
маются и имеют малую структурную прочность сжатии и малое
сопротивление сдвигу
Высокая пористость илов обусловлена тем. что ил как молодой
с геологической точки зрения глинистый осадок почти не прошел
стадии диагенеза (превращение осадка в породу), а также тем,
что образование и дальнейшее существование осадка сопрово-
ждаются происходящими в нем микробиологическими процессами,
в результате которых он взрыхляется Микробиологические про-
цессы одновременно способствуют и увеличению структурной
связанности, но из-за большой пористости и высокой при-
родной влажности, превышающей влажность на границе
текучести, структурная прочность илов остается очень низ-
кой
И все же, несмотря иа низкую прочность, илы могут быть
использованы в качестве естественного основания ряда сооруже-
ний Как и все другие грунты, илы при уплотнении упрочняются
Эго свойство и позволяет оставлять их в основании, выбрав со-
ответствующую интенсивность нагружения — соответствующий
темп строительства сооружений
100
Засоленные илы (морские и соленых озер), оказавшись в ре-
зультате действия геологических процессов на суше, постепенно
расселяются. Вследствие этого адсорбционная способность и связ-
ность илов уменьшаются, и они могут внезапно перейти в плы-
вунное состояние. Илы обладают тиксотропностью.
Засоленными грунтами могут быть и обычные грунты, которые
впоследствии подверглись засолению. Поэтому при определении
показателей их свойств надо это учитывать. Так, плотность
твердых частиц необходимо определять с использованием инерт-
ной жидкости (например, керосина). При определении грануло-
метрического состава следует предварительно «отмыть» образец
грунта водой до полного удаления из него водорастворимых солей.
Особенность засоленных грунтов как оснований гидротехни-
ческих сооружений — так называемая суффоэионная у плотине-
мость — уплотняемость под нагрузкой вследствие вымыва солей
при длительной фильтрации сквозь них воды.
Вечномерзлые грунты имеют большое распространение. На
территории нашей страны они занимают около 47 % всей площади.
Важнейшая особенность состава вечномерзлых и вообще мерзлых
грунтов — наличие в них льда. Лед в них может находиться как
породообразующая твердая компонента, играющая роль це-
мента — жестких кристаллизационных структурных связей;
в виде отдельных кристаллов или их скоплений, мелких прослоек
и жилок; как порода в виде слоев, залежей, крупных прослоек
и т. п., толщина которых может достигать десятков сантиметров
или даже нескольких метров.
Прочность и несущая способность твердомерзлых и пластич-
номерзлых грунтов намного выше, а деформируемость намного
ниже, чем талых грунтов того же вида. Эта разница заметна даже
в скальных грунтах, так как в вечномерзлых скальных грунтах
лед, заполняющий трещины, как бы ликвидирует их трещинную
пустотность и превращает в монолитные. Прочность и несущая
способность сыпучемерзлых грунтов практически такая же, как
этих же грунтов в талом состоянии.
Твердомерзлые и пластично-мерзлые иескальные грунты обла-
дают реологическими свойствами, особенно онн выражены у пла-
стично-мерзлых грунтов; причем чем выше температура, тем
более заметно они выражены. Однако использование вечномерз-
лых грунтов в качестве естественных оснований осложняется
не возможным проявлением их реологических свойств в мерзлом
состоянии, а возможным оттаиванием в процессе эксплуатации
сооружения.
При оттаивании прочность твердомерзлых и пластично-мерз-
лых нескальных грунтов, особенно глинистых, значительно сни-
жается, а деформируемость может резко увеличиться и принять
провальный характер. Увеличивается и фильтрационная способ-
ность грунта, что отрицательно сказывается на надежности гидро-
технических сооружений.
101
Искусственные грунты — горные породы, которые были созна-
тельно переделаны для решения различных инженерных задач
или подверглись переработке в результате производственной
или хозяйственной деятельности человека. Строительные нормы
и правила к искусственным относят грунты естественного про-
исхождения, оставляемые в качестве основания на своем месте,
но теми или иными методами улучшенные, а также насыпные
грунты.
Насыпные грунты разделяют: по способу их укладки, по одно-
родности состава и сложения, по виду исходного материала,
составляющего основную часть насыпи, по степени уплотнения
от собственного веса.
По способу укладки (образования) бывают грунты насыпные,
т. е. отсыпанные <сухим» способом: с помощью автомобильного или
железнодорожного транспорта, скреперами, бульдозерами и т. п.
По однородности состава и сложения различают: планомерно
возведенные насыпи, например так называемые обратные за-
сыпки, характеризующиеся практически однородным составом
и сложением н имеющие равномерную сжимаемость; отвалы грун-
тов и отходов производства, например отвалы добывающей горно-
рудной промышленности, характеризующиеся практически одно-
родным составом и сложением, но имеющие неравномерную
плотность, а следовательно, и неравномерную сжимаемость;
свалки грунтов, отходов производства и бытовых отходов, назы-
ваемые культурным слоем, они характеризуются неоднородными
составом и сложением, имеют неравномерную плотность, а следо-
вательно, и неравномерную сжимаемость.
По виду исходного материала бывают насыпные грунты, со-
стоящие из естественных крупнообломочных, песчаных и глини-
стых грунтов; из отходов производства — шлаков, зол, хвостов
обогатительных фабрик и т. п.; из бытовых отходов.
По степени уплотнения от собственного веса и действия ат-
мосферных осадков бывают насыпные грунты слежавшиеся, про-
цесс уплотнения которых закончился, и неслежавшиеся, про-
цесс уплотнения которых продолжается.
Торфы — грунты органического происхождения — образуются
в результате,отмирания болотной растительности при избыточном
количестве влаги и недостаточном доступе воздуха в процессе
превращения в болота водоемов и сухих мест. Вследствие про-
исхождения и состава они по физико-механическим свойствам
значительно отличаются от минеральных грунтов. В зависимости
от стадии болотообразовательного процесса их делят на низин-
ные, переходные и верховые. Кроме того, их классифицируют
по видам в зависимости от ботанического состава. .
С целью сельскохозяйственного использований осваивают
преимущественно низинные болота. Поэтому, рассматривая свой-
ства торфов н их показатели, остановимся в основном на низин-
ных торфах. Они являются и наиболее изученными.
102
Для оценки торфов как оснований сооружений используют
все рассмотренные выше показатели свойств грунтов, но, кроме
того, обязательно определяют еще два показателя, присущих
только торфам: степень разложения и степень зольности.
Степенью разложения торфа Dpd называют процентное со-
держание в нем разложившихся гумусовых веществ, а также
мелких веществ негумифицированных остатков по отношению
ко всей его массе. От степени разложения при всех прочих равных
условиях зависят практически все свойства торфа и показатели
этих свойств, такие как плотность твердых частиц, влажность,
плотность скелета, сжимаемость и т. д.
Теоретически торф может иметь степень разложения от 0 до
100 %. Практически же подавляющее большинство болот в на-
шей стране в среднем заполнено торфами со степенью разложе-
ния до 45 ... 55 %. Степень разложения связана главным образом
с интенсивностью биохимического распада растительных тканей
и в меньшей мере зависит от возраста торфа. Определяют степень
разложения микроскопическим методом, методом отмучивания
или же центрифугированием. По характеру деформируемости
торфов в основаниях гидромелиоративных сооружений их делят
на слабо-, средне- и сильноразложившиеся; к слаборазложив-
шимся относят торфы со степенью разложения до 45 %, к средне-
разложившимся — 45 ... 75 % и к сильноразложившнмся —
свыше 75 % (Силкин, 1974 г.).
Степенью зольности торфа называют процентное содержание
в нем минеральных составных частей (золы), остающихся после
его прокаливания при температуре 800 ЛС, по отношению ко всей
массе торфа в абсолютно сухом состоянии. В торфах содержится
зола двух видов: первичная, или конституционная, и вторичная,
или наносная. Конституционная зола — это минеральные ве-
щества, входящие в состав растений-торфообразователей, а на-
носная зола — минеральные твердые частицы, принесенные водой
или ветром извне. Конституционная зольность торфов низинного
типа составляет от 6 до 14 %.
Торфы отличаются от минеральных грунтов большим содер-
жанием воды. Влажность торфов неосушаемых болот практически
равна их полной влагоемкости и для нормально зольных торфов
при степени разложения 0 ... 10 % может достигать 2000 % и
более. С увеличением степени разложения влажность торфов еще
никогда не осушавшихся болот закономерно уменьшается, а плот-
ность увеличивается. Плотность твердых частиц нормально золь-
ных торфов изменяется в среднем от 1,6 до 1,4 г/см”: при одной и
той же зольности с увеличением степени разложения — умень-
шается, а с увеличением зольности при одной н той же степени
разложения — увеличивается.
Уменьшение влажности и увеличение плотности торфов не-
осушаемых болот с ростом степени разложения объясняется тем,
что по мер? разложения растительных остатков увеличивается их
103
дисперсность и они под действием собственного веса уклады-
ваются в залежи более плотно Уменьшение плотности твердых
частиц объясняется тем, что в процессе биохимического распада
(разложения) растительных тканей из них образуются битуми-
нозные. более легкие вещества, чем они сами
Плотность скелета низинных торфов изменяется от 0,05 (при
малой степени разложения) до 0,17 г/см* (при высокой степени
разложения) Пористость торфов неосушаемых болот достигает
90 95 % и более И все же торф в гидромелиоративном строи-
тельстве используют в качестве естественного основания
По фильтрационным свойствам низинные торфы при малых
степенях разложения приближаются к пескам средней крупности,
а при высоких степенях разложения — к глинам Здесь следует
отметить, что при уплотнении водопроницаемость торба резко
снижается, при уплотняющем давлении 0,1 МПа коэффициент
фильтрации в среднем уменьшается в 100 раз, а при давлении
0,3 МПа торф становится практически водонепроницаем
Для наглядного сравнения торфов с минеральными грун-
тами в таблице 1 приведены некоторые осредненные физические
характеристики водонасыщенного минерального грунта (рыхлого
крупного песка) и торфа
1 Некоторые показатели физических сиойств минерального грунта и торфа
с различной степенью разложении, %
Покаяатшк Мика рмьныа грунт Торф
ням ины* мрхово!
0^—16 Dprf=»4B Dpj—1Б 4Б
Влажность, % 28 1300 760 1800 850 Плотность, г/см’ 1,930 1,022 1,042 1,020 1.034 Плотность твердых частиц. 2,66 1,57 1,50 1,56 1,47 г/см* Плотность скелета, г/ex’ 1,510 0,073 0,122 0,054 0,109 Коэффициент пористости 0,75 20,60 11,30 27,90 12,60
Еще более существенные принципиальные различия между
минеральным грунтом и торфом наблюдаются в их деформируе-
мости под жестким штампом (фундаментом) при постепенно воз-
растающей статической нагрузке Зависимость осадок штампа от
нагрузок, передаваемых им на торф, внешне (рис 38, а) имеет
такой же вид, как и для минеральных грунтов (см рис 14, г),“
но в торфе под штампом отсутствуют как местные, так и сплошные
(в момент полного разрушения) поверхности скольжения, при-
сущие минеральным грунтам (см рис 14, а) *
По составу и строению торф представляет собой сплетенный
из неразложившихся растительных остатков каркас, заполнен-
ный водой и полностью разложившимися (гумусовыми) веще-
104
Рмс. 38. Зависимость осадок s
штампа от нагрузок р, передаваемых
штампом на торфяное основание:
а — при Ну/» < I; б — при Н^Ь < I;
Ят — мощность торфяной наложи; * —
ширина штампа: /. //. ///, IV —
фааы деформируемости торфов; V —
участок деформируемости минераль-
ного дна болота
ствамн я мелкими иегумифици-
рованными остатками. Каркас и
гумус составляют скелет торфа,
деформируемость я прочность ко-
торого в основном обусловливают-
ся деформируемостью и прочно-
стью каркаса, так как гумус в
естественном состоянии (в торфах
неосушаемых болот) — вещество
пластичное, малопрочное и вслед-
ствие этого способное под нагруз-
кой, передаваемой на торф, срав-
нительно легко перемещаться отно-
сительно элементов каркаса, мало
препятствуя его деформируемости.
Условно деформируемость торфов под жестким штампом можно
разделить на четыре фазы: 1) уплотнение; 2) уплотнение и срез
по периметру штампа; 3) катастрофический срез, выдавливание
гумуса и боковое расширение каркаса; 4) разрушение каркаса
и выдавливание его из-под штампа.
В первой фазе при передаче на торф малой нагрузки штамп
опускается вниз только за счет уменьшения пористости торфа,
т. е. его уплотнения. Частицы торфа как непосредственно под
штампом, так и в некоторой зоне вокруг него перемещаются
только вертикально. Поверхность торфа вокруг штампа проги-
бается. Первая фаза на графической зависимости s* = / (ft)
выражена практически прямой линией (рис. 38).
При увеличении нагрузки, с переходом ею какого-то предела
прогиб поверхностных слоев торфа настолько возрастает, что
по периметру штампа отдельные волокна каркаса начинают
разрываться, что свидетельствует о начале второй фазы. Зави-
симость S( = f (ft) переходит в кривую линию. С ростом нагрузки
возрастает и прогиб поверхностных слоев, вызывая разрыв все
большего и большего числа волокон каркаса. Наконец, наступает
массовый разрыв — срез волокон каркаса по всему периметру
штампа. Однако осадка штампа все еще обусловлена только умень-
шением пористости — уплотнением торфа; частицы торфа по-
прежнему перемещаются только вертикально. Поверхностные
слои после среза вокруг штампа почти полностью восстанавли-
вают свое первоначальное положение, а изгиб волокон каркаса
нижележащих слоев увеличивается.
Вторая фаза заканчивается, а третья начинается тогда, когда
нагрузка вызывает катастрофический срез волокон каркаса.
При этом происходит выдавливание гумуса из каркаса, находя-
щегося в зоне под штампом, и боковое расширение каркаса с про-
должающимся уплотнением. Интенсивность осадок вследствие
этого возрастает, а зависимость == f (ft) приобретает ббльшую
кривизну.
10Б
Третья фаза переходит в четвертую, которая соответствует
полному разрушению торфяного основания, когда в результате
возрастания нагрузки происходит катастрофическое распростране-
ние среза вниз, разрушение каркаса, находящегося в зоне под
штампом, и выдавливание его из-под штампа Кривая s, = f (р,)
резко опускается вниз
Картина деформируемости под жестким штампом для всех
торфов одинакова Она слагается из одних и тех же фаз, но каждой
фазе соответствует определенный интервал нагрузок, зависящий
от физического состояния торфа Например, с ростом степени раз-
ложения торфов неосушаемых болот интервалы нагрузок умень-
шаются Поэтому некоторые фазы могут быть совершенно неза-
метны Они могут быть незаметны и в зависимости от соотношения
мощности торфяной залежи и ширины (диаметра) штампа Так,
при их соотношении <1 четвертая фаза практически совмещается
с третьей, а из-за влияния жесткого минерального дна болота
зависимость s, = [ (р^ приобретает обратную кривизну (см
рис 38, б)
Здесь следует отметить, что если для минеральных грунтов
границы фаз деформируемости на зависимости s, = f (pt) не про-
являются, то для торфов характерно еще меньшее их проявление
Штамповые испытания, проведенные в разное время рядом
исследователей, позволяют сделать вывод, что при нагрузках,
передаваемых на торфяное основание сооружениями гидроме-
лиоративных систем (они практически не превышают 0,05
0,06 МПа), торфы неосушаемых болот при степени разложения
до 45 % проходят только первую и вторую фазы деформируе-
мости
Так как осадка штампа происходит только за счет уменьше-
ния пористости, то с физико-механической точки зрения первые
две фазы деформируемости торфов можно уподобить первой фазе
деформируемости минеральных грунтов и определять ее показа-
тели по результатам испытания образцов в стабилометрах или
компрессионных приборах
Прочность торфов, как и минеральных грунтов, оценивают
предельным сопротивлением сдвигу, которое определяют по ре-
зультатам испытания образцов в сдвиговых приборах или в ста-
билометрах, а также по результатам полевых испытаний путем
зондирования залежи
Учитывая показанную выше картину деформируемости торфов
под жестким штампом, прочность торфяного основания рекомен-
дуется в ряде случаев оценивать несущей способностью рга«х.
МПа, которую определяют по формуле
Рпих ~ Ас Ве (и/А), (78)
где Ас — сопротивление торфе сжатию в объеме, расположенном под штампом
и ограниченном вертикальной поверхностью, проходящей по периметру штампа,
МПа, Вс —сопротивление торфа срезу по периметру штампа (фундамента),
МН/м, и — периметр штампа, м, А — площадь штампа, Mi*
106
Рис. 39. Схема испытания образцов
торфа к определению показателей
прочности Ас и 2?с> входящих в фор-
мулу (78):
и — образец ненарушенной структуры;
б — то же. но с предварительным «ре-
зни (прирезом) торфа по периметру на
всю толщину образца: / — образец
торфа; 2 — грунтоотборочное кольцо;
3 - • штамп
Здесь показатели прочности торфа — Ле в Вв, их определяют
по результатам параллельных испытаний нескольких пар об-
разцов-близнецов. Одну группу таких образцов испытывают
по схеме а, другую — по схеме б (рис. 39). Показатель Ав опреде-
ляют непосредственно; он равен несущей способности образца
со срезом по периметру штампа. Показатель Ве вычисляют по
разности несущих способностей образцов, испытанных по обеим
схемам, в соответствии о формулой (78).
Сапропеля образуются в начале болотообразовательного про-
цесса в водоемах как следствие отмирания и осаждения на дно
планктона — свободно взвешенных простейших животных и ча-
стично растительных организмов. Внешне сапропели имеют вид
однородной массы различного цвета (коричневого, темно-олив-
кового, темно-серого, зеленоватого и др.). Для них характерна
высокая влажность — 100 ... 3000 %. Как и другие свойства,
влажность сапропелей зависит в основном от содержания органи-
ческого вещества и плотности. В зависимости от содержания орга-
нического вещества плотность твердых частиц сапропелей воз-
растает от 1,4 ... 1,5 до 2,4 ... 2,65 г/см*.
Плотность сапропелей зависит как от их возраста, так и от
толщины торфяного ковра, если они расположены под слоем
торфа. Плотность скелета сапропелей обычно не превышает
0,05 ... 0,5 г/см*, пористость достигает 94 ... 96 %; несколько
ниже (72 ... 92 %) она у минерализованных сапропелей. Сапро-
пели, залегающие под торфом, более плотные: их коэффициент
пористости с возрастанием толщины его слоя уменьшается, на-
пример с 30 до 5 ... 3.
Сапропели являются слабоводопроницаемыми грунтами: их
коэффициент фильтрации в среднем изменяется от 1,2...
0,005 м/сут у минерализованных до (0,6 ... 0,2)> 10“а м/сут у орга-
нических сапропелей. Они обладают консистентностью. В условиях
естественного залегания они находятся в жидко-, вязкотекучем,
пластичном я даже (под слоем торфа) в полутвердом состоянии.
Сапропели — сильиосжимаемые грунты, имеющие достаточно
длительное время консолидации. Прочность сапропелей в целом
невелика: угол внутреннего трения изменяется от 15 ... 21 до
27 ... 29°, а удельное сцепление — от 0,0002 ... 0,0004 до
0,0007 ... 0,0008 МПа, но удельное сцепление плотных сапропелей
может достигать 0,014 ... 0,015 МПа. Жидко-текучие сапропели
не отличаются прочностью.
107
Глава 6 НАПРЯЖЕНИЯ В ГРУНТОВОМ МАССИВЕ
Для расчета деформаций и прочности (устойчивости) оснований
фундаментов сооружений необходимо знать не только показа-
тели свойств грунтов, но и напряжения в любой точке массива,
те, которые возникнут в грунтах основания после строитель-
ства сооружения и которые возникли в них в процессе литогенеза
до строительства Последние называют природными напряже-
ниями (давлениями)
Для определения напряжений в грунтах используют принцип
линейной деформируемости, в основе которого лежит теория
упругости
Ниже рассмотрим задачу нахождения напряжений в массиве,
сложенном нескальными грунтами и являющемся полупростран-
ством с горизонтальной ограничивающей плоскостью, причем
только в точках, находящихся на площадках, параллельных
этой плоскости Имея эти напряжения, нетрудно определить на-
пряжения в точках, лежащих на площадках с любой другой ори-
ентацией При этом важно отметить, что теория линейно-дефор-
мируемых тел позволяет определять только полные напряжения
и только в грунтах, находящихся в стабилизированном состоя-
нии, т е в которых процесс консолидации закончился
Чтобы лучше уяснить характер распределения напряжений,
рассмотрим упрощенное сложение грунтового массива, представив
себе грунт, состоящий из одинаковых по форме (шаровых) и
крупности твердых частиц, уложенных, как показано на ри-
сунке 40 Однако следует помнить, что в реальных условиях эти
частицы расположены относительно друг друга неопределенным
образом и имеют различные форму и размеры.
Напряжения от частицы к частице передаются непосредственно
через место контакта между ними, через пленку связанной воды
или через структурные связи При рассмотрении же напряжен-
Рис 40 Упрощенная модель сложения грунта
и — схема передачи (распределении) веса твердых частиц друг на друга, б — схема пере
дачи (распределения) внешней сосредоточенной силы F на твердые частицы / — твердые
частицы. 2 — цифрами поймано вас смольник вышележапри частиц передается на данную
частицу 3 — цифрами покаэаио какай часть внешней силы F передается на каждую кон
кретяую частицу, 4 — линия рассеивания напряжений
108
кого состояния грунтов в массиве эти реальные межчастичные
напряжения заменяют воображаемыми средними напряжениями,
якобы действующими по секущей площадке на единице ее пло-
щади .
20. Природные напряжения
На каждую частицу какого-либо ряда (см. рис. 40. а) пере-
дается вес одной частицы из каждого вышележащего ряда. Следо-
вательно. среднее вертикальное напряжение ож, Xj, действующее
по горизонтальной площадке площадью А в плоскости какого-то
ряда, находящегося на глубине zt от поверхности, которое со-
здается собственным весом твердых частиц, будет равно весу
всех лежащих над этой площадкой твердых частиц, деленному на
ее площадь. Если вокруг частиц будет находиться связанная
вода, а в углах пор — капиллярная, то вес воды будет переда-
ваться на эти частицы. Тогда среднее вертикальное напряжение
ot. tt на глубине z{ будет равно весу твердых частиц и весу воды,
деленным на площадь А, и в любой точке однородного полупро-
странства его можно определить по формуле
оа, г, = yz,. (79)
где у — удельный вес грунта. кН/мя; Z/ — глубина расположения заданной пло-
щадки (точки), по которой действует искомое природное напряжение cg, м.
Горизонтальные природные напряжения at, Xj и a<( равны,
а формула для их определения имеет вид
ag, xt — Оу, Df- — Xf, (80)
где £ — коэффициент бокового давления грунта.
Если грунт полностью водонасыщен и при этом содержит
свободногравитационную гидравлически непрерывную воду, то,
согласно закону Архимеда, следует учитывать взвешивающее
действие воды. Тогда эффективное природное напряжение вы-
числяют по формуле
О,, ч =• Y«r. (81)
где yd . — эффективный удельный вес скелета грунта. ef = (у, — yw)/(! +
+ е) . ’
Природное напряженное состояние грунтов обычно выражают
эпюрой вертикальных природных напряжений, которая, согласно
формуле (79), для однородного массива имеет вид треугольника
(рис. 41, а).
Основания фундаментов, особенно гидротехнических соору-
жений, имеющих, как правило, широкую подошву, зачастую
бывают сложены неоднородными грунтами, а вернее, состоят из
нескольких слоев грунта, различных по составу и свойствам.
109
Рис 41 Эпюры природных вертикальных напряжений в грунтах
а — однородного массива б — массива состоящего из нескольких слоев / — характер
кые точки 2 — отметка уровня грунтовых вод 3 — отметка статического уровня напор
ных грунтовых вод /нН — слон иеподоиасыщенного грунта //' — слой водомасыщея
ного грунт.» /// — водонепроницаемый слой /V — слой с напорными грунтовыми во
дамн
В этом случае напряжение в нижележащих слоях определяют
суммированием напряжений от каждого вышележащего слоя,
а каждый отдельный, сложенный одним грунтом слой считают
однородным и напряжение от собственного веса грунта каждого
слоя определяют по формуле (79) или (81) Но, кроме наличия
в том или ином слое грунтовой свободногравитационной воды,
учитывают наличие водонепроницаемого слоя и слоя с напорными
грунтовыми водами, а для построения эпюры природных верти-
кальных напряжений на заданной вертикальной оси геологиче-
ского разреза выделяют характерные точки Тогда с учетом выше-
сказанного в каждой x-й характерной точке природное вертикаль-
ное напряжение можно найти по формуле
стя. = af, e<|1) 4- ТЛ» (82)
где Of, — природное напряжение в предыдущей характер вой точке, yf —
удельный вес слоя грунта, в котором находится характерная точка, — мощ-
ность втого слоя (до /-Й характерной точки)
Один из "видов эпюры природных вертикальный напряжений
в грунтах массива, состоящего из нескольких слоев (в одном на
которых имеется свободногравитациониая гидравлически непре-
рывная вода со свободной поверхностью, а в другом — напорная
грунтовая вода), показан на рисунке 41, б
При расчете оснований следует учитывать прогнозируемое
изменение природных условий существования грунтов, например
изменение уровня грунтовых вод При подъеме уровня в резуль-
тате взвешивающего действия воды природное напряжение умень-
шается и может произойти разуплотнение грунта, а при пони-
жении, наоборот, — уплотнение
110
Кроме собственного веса грунта, на его природное напряжен*
ное состояние оказывают влияние капиллярное давление соб-
ственно капиллярной воды и гидродинамическое давление. Капил-
лярное давление следует учитывать, например, при определении
ожидаемой осадки сооружения, а гидродинамическое — при
оценке устойчивости откосов котлованов, каналов и т. п.
21. Напряжения от внешних нагрузок
в однородном полупространстве
Основная задача определения напряжений в любой точке
грунтового полупространства от внешних нагрузок — нахожде-
ние напряжений от сосредоточенной силы, приложенной перпен-
дикулярно к ограничивающей плоскости. Эта задача для однород-
ного полупространства была решена Ж. Буссннеском (1885 г.).
Если на одну из частиц верхнего ряда действует внешняя
сила F, то во втором ряду она воспринимается двумя частицами,
в третьем — тремя и т. д. (см. рис. 40, б). При этом частицы
каждого ряда, расположенные по линии действия силы (оси Oz)t
воспринимают ббльшую ее часть, чем частицы, расположенные
в соответствующем ряду в стороне от осн. Так, в седьмом ряду
частица, расположенная на оси Oz, воспринимает 10/м часть
силы F, а расположенные в стороне от нее соответственно: пер-
вые — 1S/W; вторые — третьи — только 1/м часть. В дей-
ствительности же схема передачи сил от частицы к частице го-
раздо сложнее.
Для вывода формул напряжений в точках, лежащих на пло-
щадке, параллельной ограничивающей полупространство пло-
скости, неЫЬсодимо рассмотреть несколько расчетных схем. Пер-
вая из них показана на рисунке 42.
В некоторой точке О, которая принята за начало координат,
на ограничивающей полупространство плоскости перпендику-
лярно к ней приложена сила F. Внутри полупространства по
направлению, определяемому углом 0 к оси Oz, между точками
и М, выделим элементарную правильную призму длиной (высо-
той) dR и площадью основания dA. Точка Л4, по заданному на-
правлению расположена на рас- стоянии Я, а точка — на рас- стоянии R -F dR от начала коор- динат. Необходимо найти радиаль- ное напряжение ол, которое будет 74 s Рис. 42. Расчетная схема к определению радиального напряжения в любой точ- ✓ ке грунтового полупространства от со- средоточенной силы, приложенной пер- пендикулярно к ограничивающей плос- кости F ' о' JC 77/7 77Л 7/7/77777/7/^ у Z 111
действовать в точке Мг по площади основания призмы ЛА пос-
ле приложения силы F
Несмотря на то что в действительности схема передачи внеш-
ней силы от частицы к частице гораздо сложнее, чем показанная
на рисунке 40, б, все же, зная компрессионные свойства грунтов,
можно сделать вполне определенные выводы и предположения
Очевидно, что в результате действия напряжения грунт
выделенной элементарной призмы будет уплотнен Это уплотне-
ние выразится перемещением точек и соответственно
на расстояния и>х и Но чем дальше любая точка М от точки
приложения силы F, тем меньшее радиальное напряжение ая
возникнет в ее окрестностях Следовательно, чем больше R,
тем меньше перемещение ш точки Af Кроме того, вполне оче-
видно, что при одном и том же значении R радиальное напряже-
ние с увеличением угла 0 уменьшается от максимума при 0—0°
до нуля при 0 = 90° Следовательно, то с увеличением угла 0
от 0 до 9(г от какого-то максимального значения также умень-
шится до нуля
Запишем изложенное в виде математических выражений
радиальное перемещение точки Aft
= A?, (cos 0)/Я, (83)
радиальное перемещение точки Л4а
w. = Apr (cos 0)/(₽ 4- dR). (84)
где АрГ — некоторый коеффицкент пропорциональности
Нетрудно увидеть, что разность перемещений — ша) дает
значение деформации сжатия элементарной призмы А если это
так, то относительная деформация сжатия призмы будет равна
_ ич — / - соер - COS0 \ 1_______________Apr -
я " "dR * “j? R+dR ) dR ~ R* + Я dR COS P
(86)
Как известно из математики, значение RdR по сравнению
со значением R* всегда ничтожно мало, поэтому, пренебрегая
им, получим
вя = (ЛрГ//?’)со5 0 (86)
Имея выражение относительной деформации сжатия элемен-
тарной призмы, согласно теории линейно деформируемых тел,
запишем
°* = Вр*я * [(BpMp,)//?1] cos 0, (87)
где Врг — некоторый коэффициент пропорциональности
Произведение коэффициентов пропорциональности (ВрГАрГ)
найдем из условия равновесия, для составления которого рас-
смотрим расчетную схему (рис 43)
112
Из полупространства выре-
жем полушаровое тело, имею-
щее радиус R и центр в точке
приложения силы F. Внешняя
сила F уравновешивается реак-
тивным напряжением аа, при-
ложенным ко всей поверхности
полушара. Радиальное напря-
жение, как указывалось выше,
согласно формуле (87), изме-
няется от нуля у ограничиваю-
щей полупространство плоскос-
ти ДО какого-то максимального Рис. 43. Расчетная схема к составлению
значения на осн Oz. На расстоя- уравнения равновесия
нии z от ограничивающей плос-
кости параллельно ей выделим на поверхности полушара эле-
ментарный пояс шириной ас с центральным углом dp и радиусом
г относительно оси Oz. Тогда ширина элементарного пояса будет
ас — R dp, а его площадь, согласно расчетной схеме, равна
dA = (2лг) (R dp) - 2л (R sin Р) (R dp) = 2л/?« sin р dp.
Для выделенного элементарного пояса радиальное напря-
жение можно принять как постоянное. Условием же равновесия,
как известно, является равенство нулю суммы проекций всех сил
(в данном случае приложенных к вырезанному полушаровому
телу) на вертикальную ось Ог. Эта сумма состоит из проекции
внешней силы F и суммарной по всей полушаровой поверхности
проекции радиального напряжения оя, выраженной интегралом,
а равенство имеет вид
F — J ож (cos р) dA — 0.
Подставив в это равенство значение оя, выраженное форму-
лой (87), а также значение dA и, расставив пределы по р, получим
F — J [(ВдгДрл)//?1] сое р сое р2яЯ“ sin р dp = 0,
а после сокращения
F — (ДдгЛр,) 2л J cos1 р sin р dp = 0.
Интегрируя по р н подставляя пределы, получаем
F-(W(BPMP3 = O.
откуда искомое произведение коэффициентов пропорциональ-
ности ВА будет равно
Дрг в ЗГ/2л.
113
Ряс 44 Расчетная схема к
определению радиального на-
пряжения действующего на
горизонтальную площадку
Рис 45 Схема разложения ради аль
кого напряжения о^. действующего
в точке по горизонтальной площадке,
на составляющие о2, лгх.
Подставив полученное значение в формулу (87), получим
значение радиального напряжения в любой точке грунтового
полупространства
3Fco* 0
а* — 2л/?1
(88)
Имея радиальное напряжение, возникающее на элементарной
площадке dA, расположенной перпендикулярно к радиусу /?,
отнесем его к площадке dA', расположенной параллельно огра-
ничивающей полупространство плоскости (рис 44) Для этого
составим элементарное равенство c^dA- oRdA , из которого
получим, что
dA
or = <*я -jjr
Угол между площадками dA и dA' равен 0, a dA/dA' = cos 0
Тогда оя = cos 0, или <тя e 3F cos2 0)/(2nR2), а учитывая,
что cos 0 = z/R, запишем
оя = (З^о/сгя/?4) (89)
Имея радиальное напряжение оя, возникающее на горизон-
тальной площадке, и разложив его по направлениям осей Oz, Ох
и Оу (рис 45), получим соответственно нормальное к горизон-
тальной площадке напряжение ог и касательные напряжения ти
и тЖ1, ож = оя cos (оя. Од), — оя cos (оя. Ох) и т,₽ =
= оя cos (cR0y)
Но так как cos (аЛ, Ог) = ziR, cos (оя. Ох) = x/R и
cos (ая* Оу) — y/Rt значения напряжений в точкам на горизон-
тальной площадке будут иметь вид
3F*
З/Ух _
2л/?*
(90)
114
Выражению для определения вертикальных нормальных на-
пряжений ож придают обычно более удобный для пользования
вид
Положение точки М (см. рис. 45) вполне может быть опреде-
лено координатами 2 я г, а учитывая, что
R - V^+r* -»Ц Ч-ИРГ*.
можно записать
°’ 2s (1 + (r/z)»!^2 ? *
Обозначив
3 в «г
будем иметь
а, = К (F/z*) (92)
Значения безразмерного множителя К, подсчитанные для до-
статочно большого числа отношений rlz, сведены в таблицу,
ее можно найти, например, в книге Н А Цытовича (1983 г).
Как видим, напряжения, возникающие в любых точках, ле-
жащих на любой горизонтальной площадке грунтового полу-
пространства, не зависят от каких-либо характеристик грунта,
тогда как напряжения, возникающие на вертикальных площад-
ках, например параллельных плоскостям хбг и yOz, зависят от
коэффициента Пуассона v и определяются более сложными вы-
ражениями
горизонтальные напряжения по направлению осн Ох
. <>-*> Г___1___ (зд +
Г 8 |_Я(Я + 4 (Я+г)
3F (Л
горизонтальные напряжения по направлению оси Оу
(2Д + *)И г ]
(/? + г)«₽« “ /?« J
„ зг г Л , (1 —2у) Г 1
” -SFр*- + S !.(/>(*+ 4 “
касательные напряжения
а а в Тух ив
3F Г ху» _ (1—2v) (2/?4-z)xy ]
= 2я L 3 (Я-Ц)*/?» J
(93)
Если на ограничивающей полупространство плоскости в раз-
личных точках приложено несколько сосредоточенных сил Flt
Л, » F* (рис. 46), то напряжение в любой точке находят
простым суммированием напряжений, возникающих от каждой
силы, которые определяют по формулам (90 и 93) При этом счи-
тают, что каждая сила действует независимо от других (т е.
115
Рис 46 Расчетная схема к определе
нию напряжений от нескольких со
средоточенных сил
применяется принцип незави-
симости действия сил) Тогда
формула для определения <т,
при каком-то заданном значе-
нии z будет иметь вид
+ W +K„F„) =
= 4-ЕЛ1/г" (94)
4=1
где i — порядковый номер сосредоточенной силы F. п — число приложенных
сил /С, — безразмерный множитель, соответствующий силе Ft
В действительности фундамент любого сооружения пере-
дает на грунт основания не сосредоточенную силу, а распреде-
ленную по какому-то участку площадью А Чтобы определить
напряжения, возникающие в этом случае в любой точке грунто-
вого полупространства, нагруженную площадку разбивают на
элементарные площадки dA и, полагая, что на них действуют
элементарные сосредоточенные силы dF, вычисляют напряжения
методом суммирования по формулам (90) и (93) При этом приме-
няют принцип независимости действия сил и считают, чтЪ на-
грузка свободно следует за опускающейся в результате уплот-
нения грунта поверхностью полупространства (иными словами,
нагрузка на поверхность грунта передается посредством абсо-
лютно гибкой площадки)
Подошвы фундаментов имеют вполне определенную форму,
например форму прямоугольника, ленты (полосы), круга, а ин-
тенсивность нагрузок, передаваемых ими на грунт основания, —
вполне определенный закон изменения, например равномерную
интенсивность по всей площади, по треугольнику, по трапеции
Поэтому ниже рассмотрим некоторые формулы для определения
напряжений в конкретных случаях
При равномерно распределенной по прямоугольной площади
нагрузке Например, вертикальные нормальные напряжения в лю-
бой точке, лежащей на вертикали, проходящей через угол за-
груженного прямоугольника, можно определить по формуле
а‘-' = -Si-1 агс‘вг1/р + „+2. + + ’
* (95)
t
где р — интенсивность нагрузки. МПа / — длина нагруженного прямоуголь-
ника, см или м, b — ширина нагруженного прямоугольника см или м, 2 — рас-
стояние по вертикали от угла прямоугольника (глубина) до рассматриваемой
точки, см или м
116
2. Значения коэффициента К<
п I n - I.b п — 2 п =* з f) — 5 п = ю п » оо
0,25 0.247 0.248 0.248 0.248 0,249 0,249 0,249
0,50 0,233 0.233 0,239 0.240 0.240 0,240 0,240
1,00 0,175 0,194 0,200 0,203 0.204 0,205 0,205
1.50 0.121 0,145 0,156 0,164 0,167 0.167 0,167
2.00 0,084 0,107 0.120 0.132 0.136 0.137 0,137
4.00 0,027 0,038 0,048 0,064 0.071 0.076 0,076
8,00 0.007 0,011 0,014 0,020 0.028 0.037 0,039
10,00 0,005 0,007 0.009 0,013 0,020 0.028 0.032
15,00 0,002 0,003 0.004 0,006 0,010 0,016 0,021
20.00 0,001 0.002 0,002 0.004 0,006 0,010 0,016
нормативной литературе обычно
Формулу (95) в справочной и
записывают в виде
ог> с Кср.
(96)
где Ке — коэффициент, равный выражению, заключенному в квадратные скобки
в формуле (95). деленному на 2л.
Напряжения <Уг,г называют угловыми напряжениями. Значе-
ния коэффициента в зависимости от £<. zc/b и т] - 1/Ь при-
ведены в таблице 2.
Часто при расчете осадок и крена фундаментов, совместных
деформаций оснований и сооружений необходимо знать верти-
кальные нормальные напряжения в различных точках грунта,
находящихся на вертикалях, которые проходят как через угол
нагруженной прямоугольной площадки, так и через ее центр
или находятся в стороне от площадки.
Вертикальные напряжения в точках, лежащих на вертикалях,
которые проходят через центр прямоугольника, определяют по
формуле
ог - Кр. (97)
где К — коэффициент, аналогичный коэффициенту Кс, зависящий от — 2z/b
и г) = 1/Ь (определяется по таблице 3).
Вертикальные напряжения в точках, лежащих на верти-
кали, не проходящей через центр или угол нагруженной прямо-
угольной площадки, определяют с помощью так называемого
метода угловых точек.
Метод угловых точек основан на том, что вертикальное на-
пряжение oz,c в точке, которая лежит на вертикали, проходя-
щей через угол нагруженной прямоугольной площадки, и на-
ходится на глубине равно одной четверти напряжения ая
в точке, которая лежит на вертикали, проходящей через центр
этой площадки, и находится на глубине г — zc/2. С учетом схемы,
показанной на рисунке 47, можно записать так
о„с = (1/<)о2. (98)
117
ПНИ
Пользуясь этим соотношением
и зная коэффициент Ке (табл 2),
или К (табл 3), можно найти o*e
и через него о, или же, наоборот,
найти аж и через него а** В прак-
тике чаще пользуются формулой
(97), по которой вычисляют ож,
предварительно определив по таб-
лице 3 значение а, а по нему,
пользуясь соотношением (98), 0.
Угловое напряжение на глуби-
не Zc можно определить непо-
средственно по формуле (96) Для
этого в табл 3 при £ — zjb отыски-
вают соответствующий коэффици-
ент К и делят его на 4, получая та-
ким образом коэффициент Лв = /С/4
Тогда угловое напряжение будет
„ „ а„.-(К/4)р (99)
Z ZC
Рис 47 Схема к соотношению угло- ЭТОТ прием ИСПОЛЬЗуюТ И ДЛЯ
•°го о и центрального о, верти определения вертикальных напря-
кальных нормальных напряжений жений аж в точках, лежащих на
любых вертикалях, проходящих
внутри или за пределами нагруженной прямоугольной площадки
Рассмотрим четыре возможных случая, показанных на рисун-
ке 48
1 Применяя принцип независимости действия сил, значе-
ние сгж в каждой точке, лежащей на вертикали М, определяют
как сумму двух угловых напряжений, которые возникают в рас-
сматриваемой точке от действия нагрузки, распределенной по
прямоугольным площадкам MDAF и MFBC
2 Значение ож определяют как сумму четырех угловых на-
пряжений, возникающих в рассматриваемой точке от действия
нагрузки, распределенной по прямоугольным площадкам M.FBL,
MLCE. MEDH и MHAF
Рис 48 Схемы к определению напряжений oz в точках, лежащих
на вертикалях М, проходящих
а — через контур (одну из сторон) прямоугольной нагруженной нло
щадкн A BCD О — внутри площадки «иг— вис площадки
118
3. а, также определяют как сумму четырех угловых напря-
жений, но угловые напряжения, возникающие в рассматриваемой
точке от действия нагрузки, распределенной по площадкам MHAF
и MFBL, берут со знаком плюс, а от действия нагрузки, распре-
деленной по площадкам MHDE и MECL, — со знаком минус.
4. И в этом случае ох определяют как сумму четырех угловых
напряжений; угловые напряжения, возникающие в рассматривае-
мой точке от действия нагрузки, распределенной по площадкам
MFBL и MEDH, будут со знаком плюс, а от действия нагрузки,
распределенной по площадкам MFAH н MFCL, — со знаком
минус.
В общем виде выражение для определения нормального вер-
тикального напряжения <тх в точках, лежащих на вертикалях Л!,
можно записать, используя формулу (99), как
о. = ^"±«КЛ)р]. (100)
где п — число прямоугольных площадок, черев углы которых проходит рассма-
триваемая вертикаль М.
Методом угловых точек определяют напряжения о, и в том
случае, когда нагрузка равномерно распределена по площадке,
имеющей сложное очертание; когда нагрузка равномерно распре-
делена по площадкам, имеющим в плане форму круга или много-
угольника, которые с достаточной для практики точностью заме-
s. Значения коаффкапепта К
с-*/» V) — //В
1.0 1.9 м | 1 1.8 9.0 9,4 3.9 8.8
0,0 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000
0,4 0,960 0,968 0,972 0,974 0,976 0,976 0,976 0,977 0,977
0,8 0,800 0,830 0,848 0,859 0,866 0,870 0,875 0,879 0,881
1.2 0,606 0,652 0,682 0,703 0,717 0,727 0,740 0,749 0,754
1.6 0,449 0,496 0,532 0,558 0,578 0,593 0,612 0,639 0,639
2,0 0,336 0,379 0,414 0,441 0,463 0,481 0,505 0,529 0,545
2,4 0,257 0,294 0,325 0,352 0,374 0,392 0,419 0,449 0,470
2,8 0,201 0,232 0,260 0,284 0,304 0,321 0,350 0,383 0,410
3,2 0,160 0,187 0.210 0,232 0,251 0,267 0,294 0,329 0.360
3,6 0,130 0,153 0,173 0,192 0,209 0,224 0,250 0,285 0,320
4,0 0,108 0,127 0,145 0,161 0,176 0,190 0,214 0,248 0,285
4,8 0,077 0,092 0,105 0,118 0,130 0,141 0,161 0,192 0,230
5,6 0,058 0,069 0,079 0,089 0,099 0,108 0,124 0,152 0,189
6,4 0.045 0,053 0,062 0,070 0,077 0,085 0,098 0,122 0,158
7,2 0,036 0,042 0,049 0,056 0,062 0,068 0,080 0,100 0,133
8,0 0,029 0,035 0,040 0.046 0,051 0,056 0,066 0,084 0,113
8.8 0.024 0,029 0,034 0.038 0,042 0,047 0,055 0,070 0,098
10,0 0,019 0,022 0,026 0,030 0,033 0,037 0,044 0,056 0,079
11,0 0,017 0,020 0,023 0,027 0,029 0,033 0,040 0,050 0,071
12,0 0,015 0,018 0,020 0.024 0.026 0,028 0,034 0,044 0.060
119
С Е F
а 5 в
Рис 49 Эпюры вертикальных напряжений ох
а - на вертикали проходящей через центр нагруженной площадки ЛВСО.
и на горизонтали находящейся иа глубине » = 1.5 м. б — на вертикали М,
• — на вертикали М,
няют равновеликими квадратными площадками, полагая I =
- b у А (где А — площадь фактического загружеиия) С до-
статочной для практики точностью этот способ можно применить
и тогда, когда нагрузка по площадке распределена неравномерно
В этом случае площадку разбивают на части, считая, что по
каждой из них нагрузка распределена равномерно
Для наглядного представления о напряжениях, возникающих
в грунтах от внешних нагрузок, строят эпюры напряжений о,
на вертикальных и горизонтальных осях Например, эпюры на-
пряжений <г„ возникающих в грунтах от равномерной нагрузки
р — 0,1 МПа, распределенной по квадратной площадке со сторо-
ной / b -= 2 м, показаны на рисунке 49
Анализ формулы (95) и значений коэффициентов Кс (см
табл 2) и К (см табл 3) показывает, что иа напряжение в одной
и той же точке, возникающее от внешней равномерно распреде-
ленной нагрузки какой-то одной интенсивности, существенно
влияют размеры нагруженной площадки
На рисунке 50 показаны эпюры на вертикали, проходящей
через центр нагруженных прямоугольных площадок со сторо-
нами I == b — 1 м, / = b 2 м, I = 20 м, b = 40 м На глубине
z — 0,в м напряжение соответственно равно 0,045,0,08 и 0,098 МПа,
на глубине z- 2м — 0,011, 0,034 и 0,082 МПа (т е здесь во вто-
ром случае в три раза больше, чем в первом, а в третьем — в 7,5
раза больше, чем в первом, и в 2,4 раза больше, чем во втором
случае) Эту закономерность левко объяснить, используя рассмо-
тренный выше метод простого суммирования напряжейнй от неза-
висимого действия ряда сосредоточенных сил
Разобьем каждую из нагруженных площадок иа элементарные
площадки и будем считать, что все они передают на грунт равные
120
Рис 60 Эпюры os на вертикали, проходящей черев центр нагруженных прямо-
угольных площадок, показывающие влияние размеров площадок на напряжен-
ное состояние грунтов полупространства
I — площадка с раамерамп / — • — 8 м, 3 — с раамерама / — • — 1 м, 3 — « раамо-
рамп / — Мм. • — 4 м. / < - прочные малосжпмаемые гружты, 4 — слабы! сжлько-
сжкмммыЯ грунт
Рис Б1 Схема к пояснению влияния
на затухание напряжений размеров
нагруженной площадки
/ 3 — группы племептаркыя сосредото-
чекных спя
сосредоточенные силы Равенство этих сил вытекает нэ принятого
в данном случае равенства интенсивности нагрузок, передаваемых
равными (по размерам) площадками Тогда, согласно рисунку 51,
в заданной точке А1 напряжения под центром первой нагруженной
площадки (/ — b -= 1 м, р — 0,1 МПа) будут вызваны действием
сосредоточенных сил первой группы вертикальное напряжение,
например, будет равно otl Вторая площадка (/ =* b =» 2 м, р
= 0,1 МПа) включает всю первую Следовательно, под второй
площадкой напряжения, возникающие в точке М, будут вызваны
силами первой группы плюс силами второй группы, а поэтому
напряжение ал будет больше напряжения Третья площадка
(/ » 20 м, b 4 м, р = 0,1 МПа) включает как первую, так и вто-
рую Следовательно, под ней
напряжения в точке М будут
вызваны силами двух первых
групп плюс силами третьей
группы, а поэтому напряжение
будет больше ож> и ох1
На глубине 2 м от поверх-
ности залегает слабый грунт, и
на .его кровле от нагруженной
площадки размером 20x4 м
возникает напряжение о. =
= 0,082 МПа, которое больше
его несущей способности, тогда
121
как от площадки размером 1 х I м напряжение составляет всего
0,011 МПа (см рис 50) Несложный расчет показывает, что
если площадка 1x1 м будет передавать на грунт нагрузку
р = 0,2 МПа, то и в этом случае вследствие более быстрого
рассеивания напряжений о, на кровле слабого слоя будет состав-
лять 0,022 МПа, т е почти в четыре раза меньше, что имеет важ-
ное значение для устройства фундаментов Например, в геологи-
ческих условиях, аналогичных показанным на рисунке 50, оче-
видно, целесообразнее сделать не сплошной фундамент с подошвой
размером 20X4 м, а столбчатые фундаменты с подошвой 1x1 м
общей площадью в два раза меньшей, те 40 м* В этом случае
интенсивность внешней нагрузки составит р - 0,2 МПа, но на-
пряжение на кровле слабого слоя в зависимости от расположения
столбчатых фундаментов будет в 2 2,5 раза меньше
Многие здания, в том числе и здания гидромелиоративного
назначения, например здания насосных станций, имеют так назы-
ваемые ленточные фундаменты, т е фундаменты, повторяющие по
протяженности в плане стены Такие фундаменты передают на
грунт нагрузку, как говорят, распределенную по полосе, а задачу
нахождения напряжений в грунте называют плоской задачей
К плоской задаче относится нахождение напряжений в грунтовом
полупространстве и под рядом гидротехнических сооружений
или под отдельными их частями Например, под земляными,
бетонными и железобетонными плотинами, под фундаментами
некоторых подпорных стенок и т п При этом закон распределе-
ния нагрузки по ширине полосы бывает различным, но для прак-
тических расчетов его можно свести к двум равномерное рас-
пределение и распределение по закону треугольника
Основой решения плоской задачи для различных случаев
является задача нахождения напряжений от элементарных сосре-
доточенных сил, распределенных по бесконечной линии на огра-
ничивающей полупространство плоскости, — линейная нагрузка
(рис 52) Задача решена французским ученым Фламаном (1892г)
Значения наиболее часто используемых вертикального нор-
мального напряжения oz, горизонтального нормального напря-
жения ох и касательного напряжения тхх. согласно этому реше-
нию, будут соответственно равны
°* ~ л (х* + ?)* * х ~ л (хА-+-?)» ’ л (х« + z*)-
Сравнивая выражения (101) с выражениями (90) и (93), можно
заметить важное свойство плоской задачи ни вертикальные нор-
мальные, ни горизонтальные нормальные, ни касательные напря-
жения в любой точке грунтового полупространства не зависят от
деформационных характеристик (модуля общей деформации и
коэффициента Пуассона) грунтов полупространства
Расчетная схема для решения плоской задачи, когда нагрузка
интенсивностью р = const по полосе распределена равномерно,
122
Рис. 52. Расчетная схема к ©пределе-
ник> напряжений от бесконечной ли-
нейной нагрузки
Рис. 53. Расчетная схема к определе-
нию напряжений от равномерно рас-
пределенной по полосе нагрузки
показана на рисунке 53; формулы для вычисления напряжений
в любой точке Л1 грунтового полупространства имеют вид
- (р/л) [0, 4* С/а) sin - (± - С/а) sin (± 2^];
О, « (р/л) [р, - е/Л Sin 2р, - (± Ра) + е/а) sin (± 2р^];
=» = (р/2л) (cos 2ра — cos 2р>).
(Ю2)
Здесь углы Pi и р, (см. рис. 53) выражены в радианах. Знак
перед р, принимают в зависимости от положения точки Af. Если
она находится за пределами горизонтальной проекции нагружен-
ной полосы, то перед Pi ставят знак плюс, если же точка М нахо-
дится в пределах проекции, — знак минус.
Угол а (см. рис. 53), образованный лучами и /?,, выходя-
щими из точки М к крайним точкам (в плоскости xOz) нагру-
женной полосы, называют углом видимости а = Pi — Ра- Тогда
формулы (102) можно записать в виде
oz == (р/л) [а 4- sin а cos (а 4- 2рв)];
ах == (р/л) (а — sin а cos (а 4- 2Рз)];
= т« = (р/2л) [sin а sin (а 4- 2Ря)1
(ЮЗ)
или же, обозначив выражения, заключенные в квадратные скобки
и деленные соответственно на л и 2л, через JG, Кх и в виде
П* = Ххр; Ох = Ахр! Т„ = Тжж = КгхР- (Ю4)
Значения коэффициентов и Кжх можно найти, например,
в книге Н. А. Цытовича.
123
в
Рис 54 Линин равных напряжений возникающих в грунтовом полупростран
стае от действия равномерно распределенной по полосе нагрузки интенсив
костью р
линии равных о£ б линии равных °х • ~ линии равных —
Пользуясь формулами (102). (ЮЗ) или (104). можно в любой
точке грунтового полупространства легко найтн напряжения,
возникающие от действия равномерно распределенной по полосе
нагрузки интенсивностью р, и построить эпюры напряжений,
которые будут аналогичны эпюрам, показанным на рисунке 49
Наглядное представление о напряженном состоянии грунто-
вого полупространства можно получить не только по эпюрам на-
пряжений, но и по линиям равных напряжений В качестве при-
мера на рисунке 54 изображены линии равных вертикальных нор-
мальных напряжений о,, линии равных горизонтальных нормаль-
ных напряжений ох (называемые линиями равных распоров) и
линии равных касательных напряжений т2х тхг Здесь следует
отметить, что рассеивание напряжений от полосовой нагрузки,
т е в условиях плоской задачи, происходит менее интенсивно,
чем в условиях пространственной задачи
Линии равных касательных напряжений (рис 54, в) показы-
вают, что в точках, лежащих на вертикальной оси симметрии,
касательные напряжения т„ = тхг = 0 Эго свидетельствует
о том, что горизонтальные и вертикальные площадки в этих точках
представляют собой главные площадки, а возникающие :йа них
нормальные напряжения являются главными напряжениями,
соответственно ot и а8
В точках, лежащих на других вертикальных осях, одна глав-
ная площадка расположена по направлению биссектрисы угла
124
видимости а, другая — перпендикулярно ей, а главные напряже-
ния соответственно равны
ai = (Р/л) (а + sin а)» °з = (рМ (а — sin а)- (105)
Имея выражения (105) и вычислив для какой-либо точки М
грунтового полупространства главные напряжения и о8, можно
построить для этой точки как называемый эллипс напряжений,
главные оси которого будут соответственно равны главным на-
пряжениям. С помощью эллипса напряжений легко вычислить
как нормальные, так и касательные напряжения на различных
площадках, проходящих через эту точку, т. е. с различной ориен-
тацией. При этом можно найти площадку, на которой от действую-
щей внешней нагрузки возникнет максимальное касательное на-
пряжение.
Расчетная схема для решения плоской задачи, когда нагрузка
по ширине полосы распределена по закону треугольника, пока-
зана на рисунке 55. Формулы для вычисления напряжений ана-
логичны формулам (102), ио более громоздки; их можно найти
в книге А. Н. Цытовнча. Так же, как и формулы (102), их можно
привести и к виду (104).
В практике гидротехнического строительства полосовая на-
грузка на грунт основания чаще передается с интенсивностью,
меняющейся по трапеции. При этом нагрузка разделяется на тре-
угольные и равномерно распределенные части, и напряжения в лю-
бой точке грунтового полупространства вычисляют суммирова-
нием напряжений от треугольной и прямоугольной полосовых
нагрузок.
Вертикальные нормальные напряжения ot, возникающие
в точках на горизонтальных площадках (параллельных ограничи-
вающей полупространство плоскости), от действия трапецеидаль-
ной полосовой нагрузки можно легко вычислить с помощью номо-
граммы Остерберга (рис. 56) по формуле
а, = Е Ко₽. (106)
где Ко — коэффициент, определяемый по номограмме, в зависимости от ширины
нагруженных полос и глубины расположения заданной точки: р — интенсивность
равномерной нагрузки или же макси
мальная (краевая) интенсивность тре- угольной нагрузки; п — число треуголь- ных. равномерно распределенных частей полосовой нагрузки. Номограмма построена для вы- числения напряжений от дейст- Рис 55. Расчетная схема к определению напряжений от треугольной полосовой 2 нагрузки v А 1
125
Рис 56 Номограмма Остерберга для определения вертикаль
ных нормальных напряжений oz в грунтовом полулрострам
стве от действия трапецеидальной нагрузки, создаваемой
насыпью плотины дамбы обвалования и т п
вия полосовой трапецеидальной нагрузки, изображенной на
номограмме Однако ею можно пользоваться для вычисления на-
пряжений ог от действия полосовой нагрузки любого очертания,
меняющегося по закону прямой, так как такую нагрузку любого
очертания практически можно разделить на части, приведенные
к виду, изображенному на номограмме Назовем этот вид расчет-
ным
Для вычисления напряжений az в любой заданной точке, на-
пример в точке Мх (рис 57,а), находящейся на глубине z, через
нее проводят вертикальную линию, которая делит трапецеидаль-
ную нагрузку на две части левую и правую, привбдя тем самым
к виду, изображенному на номограмме (к расчетному виду) В со-
став левой части входят треугольная нагрузка шириной bj и
равномерно распределенная нагрузка шириной 6$, в состав пра-
126
Рис. 67. Схема действия трапецеидальной полосовой нагрузки к вычислению
вертикального нормального напряжения о> в точках грунтового полупростран-
ства с помощью номограммы Остерберга:
а — в основаниях под аемляиымп плотинами. Дамбами г. и.; б — под фундаментами
подпорных стенок, бетонных плотин к т. п.
вой части — треугольная нагрузка шириной Ь“ и равномерно рас-
пределенная 1$. Затем для каждой части находят отношения df/z
и %/z. b*!z и bj/z. Соответственно значениям этих отношений
определяют по номограмме значения коэффициентов Ко ДЛЯ левой
и правой частей нагрузок. Имея значения Ко и Ко, по формуле (106)
вычисляют напряжение, которое будет равно
а.-= КоР + К?р. (107)
Для определения напряжений о, в точке М, (рис. 57, а) через
нее проводят вертикальную линию и прикладывают фиктивную
нагрузку (показана на рисунке пунктиром). Приложив такую
нагрузку, приводят ее к расчетному виду. Затем находят отноше-
ния Ь\!гн bS'c/z, г и bflzt а соответственно значениям этих от-
ношений определяют по номограмме и коэффициенты Ко и Ко
(индексы «л> и «п» указывают на принадлежность к левой или пра-
вой частям полосовой трапецеидальной нагрузки, а «с» и «ф> —
на принадлежность к суммарной, то есть к фактически действую-
щей плюс фиктивной, и фиктивной нагрузкам).
Имея значения коэффициентов Ко и Ко» по формуле (106) вы-
числяют напряжение аж, при этом Ко в формуле вводят со знаком
плюс, а Ко — со знаком минус, т. е.
a. = KSP - К?р- (108)
Для вычисления напряжений о*, например в точке Mt, от
трапецеидальной нагрузки, показанной на рисунке 57, б, через
эту точку проводят вертикальную линию, которая делит нагрузку
на левую и правую части. Левую часть, в свою очередь, делят на
две, а к правой добавляют фиктивную треугольную нагрузку, как
показано на рисунке, получая для рассмотрения четыре части.
При этом каждая часть приведена к расчетному виду, но первая
н третья части не имеют участка с треугольной нагрузкой (b{ и bi11
127
равны нулю), а вторая и четвертая — не имеют участка с равно*
мерной нагрузкой (Ь" и biv равны нулю) Затем так же, как и выше*»
для каждой части нагрузки находят отношения bjz и bj/z, т е?
(bl/z) = Он bJ/z, М,/«и(Ьа/г) = 0, (bjx,/z) =0и Йпг, Ь/Г7«и(ьР7«)-
= 0 Соответственно значениям этих отношений определяют по
номограмме коэффициенты Ко» Ко1» Ко11» KoV Имея значения коэф-
фициентов Ко» по формуле (106) вычисляют напряжение о*, кото-
рое в общем виде для рассматриваемого случая будет равно
о. = Kip + Kj> + Kinp - KjvP (109)
Аналогичным образом вычисляют напряжения и в любых
других точках полупространства
22 Напряжения от внешних нагрузок
в неоднородном полупространстве
Как следует из вышеизложенного (см , например, рис 50),
вертикальные нормальные напряжения ах, необходимые в первую
очередь для расчета ожидаемых осадок сооружений, распростра-
няются на бесконечно большую глубину Для расчета же может
быть вполне достаточно знать напряжения до глубины, составля-
ющей 1,5 2 ширины нагруженных площадок (подошв фунда-
мента) Однако и на таких глубинах грунты оснований в природе
часто бывают неоднородными, а неоднородность грунтов, как пока-
зали эксперименты, существенно влияет на распределение напря-
жений от внешних нагрузок Неоднородность грунтов многооб-
разна, но задача нахождения напряжений решена только для не-
которых случаев
Грунт с изменяющимся по глубине модулем общей деформация
Для определения напряжений с использованием аппарата теории
линейно-деформируемых тел принимают, что изменение модуля
общей деформации по глубине подчиняется закону, описываемому
выражением
Ея = (ПО)
где £t — модуль обшей деформации на глубине г, £х_& — модуль общей дефор-
мации на глубине г = 1, ф — коэффициент концентрации напряжений
И если при этом выполнено условие неразрывности деформации,
то (как доказано Г К Клейном, М В Малышевым и др ) в точках,
находящихся на горизонтальных площадках, напряжение ох от
сосредоточенной силы F, приложенной перпендикулярно к огра-
ничивающей полупространство плоскости (см рис 45), можно вы-
числить по формуле О К Фрелиха
<>>»
128
Условие неразрывности деформации выполняется только при
Ф = 1 + (l/v). (112)
Но так как коэффициент Пуассона v не может быть больше 0,5,
то коэффициент концентрации напряжений ф может быть только
равен 3 или превышать его. При ф = 3 формула (111) превращается
в формулу (90), так как, согласно выражению (110), при ф= 3
модуль деформации грунта с глубиной не изменяется — полу-
пространство однородное.
Анизотропные грунты. Когда модуль общей деформации в на-
правлении оси Ог (£«) отличается от модуля общей деформации
в направлении оси Ох (£х) или Оу (£v). В этом случае можно
пользоваться для вычисления напряжений от действия равномер-
ной линейной нагрузки (см. рис. 52) формулами К* Вольфа, одна
из которых для вычисления о, имеет вид
С« " я Л} 13)
где Я| — Kjx* 4- Ка — показатель аииэотроввостм, Ка — £J&x.
Если показатель анизотропности Кл = 1» то формула (113)
превращается в формулу (101), так хак при Ла — 1 полупро-
странство изотропно.
Грунты, подстилаемые жестким, несжимаемым слоем (рис. 58).
Решению задачи нахождения напряжений в этом случае (в слое
ограниченной толщины) посвящено большое число работ как со-
ветских, так и зарубежных ученых (К. Е. Егоров, О. Я. Шехтер,
М. И. Горбунов-Посадов, Мелан, Маргер, Био и др.).
Рис. 58. Действие равномерно распределенной местной нагрузки интенсивно-
стью Р на слой грунта ограниченной толщины Л:
а — схема првдожекмя нагрузки; 0 — эпюры о, под центром гзбко* раяяомермо иагру-
жеммоА полосы; /. Г. Г — • однородном слое огра имеем мой толщааы; 2 _ в однородном
полупространстве
129
4 Вертикальные ворыалыше иапрежеяня а„ дол* от р под центром
нагруженной площадка на граяячиой плоскости (между сжимаемым в
несжимаемым слоями)
м/е Форма огружеамоЯ илощадкя
круг дна- ирамоугодьяяк с ста овеваем второе я — Ifb
1 9 9 4 «в
0,00 1,000 1,000 1.000 1,000 1,000 1.000
0,25 1,009 1,009 1,009 1,009 1,009 1,009
0,50 1,064 1,053 1,033 1.033 1,033 1,033
0,75 1,072 1,082 1,059 1,059 1,059 1,059
1,00 0,965 1,027 1,039 1,026 1,025 1,025
1,50 0,684 0,762 0.912 0,911 0,902 0,902
2,00 0,473 0,541 0,717 0.769 0,761 0,761
3,00 0,249 0,298 0,474 0,549 0,560 0,560
4,00 0,148 0,186 0,314 0,392 0,439 0,439
5,00 0,098 0,125 0.222 0,287 0,359 0,359
10,00 0,025 0,032 0.064 0,093 0,181 0,185
20,00 0,006 0,008 0,016 0,024 0.068 0,086
50,00 0,001 0,001 0,003 0,005 0,014 0,037
М И Горбуновым-Посадовым рассчитаны контактные (на гра-
нице раздела сжимаемого и жесткого несжимаемого слоев) верти-
кальные нормальные напряжения ож, выраженные в долях от рав-
номерно распределенной по подошве гибких штампов нагрузки ин-
тенсивностью р, приложенной к поверхности залегающего сверху
сжимаемого слоя грунта (табл 4) К Е Егоровым рассчитаны
вертикальные нормальные напряжения ож в точках сжимаемого
слоя, лежащих на оси Oz (рис 58. а), от действия равномерно рас-
пределенной по гибкой полосе нагрузки интенсивностью р
(табл 5) По данным этой таблицы на рисунке 58. б показаны
эпюры ож по осн Oz Для сравнения на этом же рисунке показана
эпюра аг однородного полупространства
Анализ формул (111) и (113), таблиц 4 и 5, а также рисунка
58, б показывает, что неоднородность, анизотропность и ограни-
ченность толщины сжимаемого слоя грунтов приводят к перерас-
5 Вертикальные нормальные напряженка а„ доля от р в точках сжимаемого
слоя на оси Ож
а/* Пра толкдоа сжкмаамсго слоя грунта
h - 0Ы> Л - b Л — 2.5Л
1,0 1,000 1,00 1,00
0.8 1,009 0.99 0.82
0.6 1,020 0.92 0,57
0.4 1.024 0,84 0,44
0,2 1.023 0,78 0,37
0.0 1,022 0,76 0,36
130
пределению в грунтовой массиве напряжений, возникающих от
внешних нагрузок. В некоторых точках, имеющих одинаковые
координаты, напряжения от какой-то внешней нагрузки могут
быть больше, а в некоторых меньше напряжений, возникающих
от такой же нагрузки в однородном грунтовом (Полупространстве.
23 . Напряжения в грунте по подошве
нагруженных площадок — контактные напряжения
Для расчета оснований фундаментов сооружений и самих фун-
даментов существенное значение имеет распределение напряжений
в грунте непосредственно по линии (плоскости) подошвы фунда-
ментов, т. е. в месте контакта подошва фундамента — грунт осно-
вания. Выше уже рассматривалась задача нахождения напряже-
ний в грунтовом массиве от действия нагрузки, передаваемой на
грунт посредством гибкой площадки. К таким площадкам в гидро-
мелиоративном строительстве можно отнести земляные плотины,
дамбы обвалования н другие грунтовые сооружения. Под такими
сооружениями в месте контакта подошва сооружения — грунт ос-
нования эпюра вертикальных нормальных напряжений по-
вторяет очертания внешней нагрузки, т. е. нагрузки от сооруже-
ния. Фундаменты же большинства других сооружений имеют
определенную жесткость, которая, как показали теоретические и
экспериментальные исследования, заметно влияет на характер
(очертания эпюры) распределения контактных напряжений.
Вычислить контактные напряжения в любой точке произ-
вольной в плане нагруженной площадки можно, основываясь на
вышеизложенном решении Ж* Бусиннеска, в частности, исполь-
зуя в -качестве исходного уравнения полученную им формулу для
вычисления от действия сосредоточенной силы F (см. рис. 42)
вертикальных перемещений любой точки плоскости, ограничи-
вающей полупространство
(‘14>
где Со — коэффициент линейно-деформируемого полупространства, С« =
Е/(1—v1); Е— модуль общей деформации: v—коэффициент Пуассона.
Произвольную в плане нагруженную площадку площадью А
разбивают на элементарные площадки dA = dx dy и считают, что
на них действуют элементарные сосредоточенные силы dF. Пере-
мещение какой-либо точки вычисляют методом суммирования
перемещений от действия каждой элементарной силы
где /(х, у) — закон распределения нагрузки по площади А.
При действии равномерно распределенной нагрузки интенсив-
ностью р на абсолютно жесткую площадку во всех ее точках будет
131
(115)
одно и то же значение вертикального перемещения пъ * const.
В этом случае решение уравнения (115) дает следующие формула!
для вычисления контактных напряжение crM:
для круглой площадки радиусом г
(46)
где — расстояние от центра площадки до рассматриваемо! точки (г^ < г);
для площадки в виде полосы (ленточный фундамент) шириной b
' (117)
где к — расстояние по горизонтали (параллельно оси Ох) от середины полоса до
рассматриваемой точки (х < 0.56)
Вычислив по формулам (116) и (117) контактные напряжения
в ряде точек каждой площадки, можно построить эпюры контакт-
ных напряжений В общем для любых площадок эти эпюры будут
иметь одинаковый вид (рис 59, кривая /) с минимальными орди-
натами под центром и бесконечно большими ординатами по краям.
Однако грунт может выдержать лишь определенное напряжение
Поэтому под краем абсолютно жесткой нагруженной площадки
возникают локальные сдвиговые деформации (см рис 14, б), при-
водящие к перераспределению контактных напряжений они
уменьшаются по периметру площадки и несколько увеличиваются
в остальных частях, а фактическая эпюра контактных напряжений
имеет седловидное очертание (см рис 59, кривые 2 и 3)
На очертание эпюры, т е на распределение контактных на-
пряжений, влияет ряд факторов В частности, под жесткими пло-
щадками эпюра меняет очертание по мере увеличения нагрузки,
передаваемой ими на грунт полупространства, в зависимости от
вида, состояния грунта и т п На рис 59 показано влияние внеш-
ней нагрузки (кривые 2 и 4), вида и состояния грунта (кривые 2 и 5)
Влияние гибкости нагруженной площадки на очертание эпюры
контактных напряжений практически аналогично влиянию увели-
чения нагрузки на жесткую площадку При малой гибкости эпюра
имеет седлообразный вид, о увеличением гибкости приобретает
вид параболы '
Рис 69 Эпюры контактных напряжений
°^о под жестжой площадкой при возра-
стании равномерно распределенной на-
грузки интенсивностью р
1 — очертание согласно формулам (110) н(П7)>
1 — очертание впюры во еисперимежталъжым
данным при уверенный яагрувка» р, грунт
глинисты*. 3 — то же. грунт — песож плот-
ны*. 4 — тоже при давлениях, ближним к про-
дельным: рт — ордината вторы осредневиыж
виачеижИ монтаипын напркжевк*
132
В реальных условиях на*
груженная площадка — подош-
ва фундамента сооружения, как
правило» располагается на ка-
кой-то глубине от ограничиваю-
щей полупространство плос-
кости Распределение контакт-
ных напряжений в зависимости
от глубины заложения подошвы
фундамента изучено еще недо-
статочно Очевидно, что эпюры
контактных напряжений по по-
дошве фундаментов глубокого
заложения меняют очертание
более плавно, и даже при ббль-
Рнс 60 Эпюры контактных напряже-
ний практически принимаемые
при расчете осадок фундаментов
а — прв центрально деАстаующе* натру»-
же Г{ б — при внепеитрелно двДствукйцаД
нагруаиа F
ших нагрузках оно близко к седлообразному (аналогично кривой
2 или 3 на рис 59)
Для грунтов оснований фундаментов контактные напряжения
являются местной внешней нагрузкой, и, очевидно, характер ее
распределения влияет на распределение напряжений по глубине
грунтового массива Закономерность распределения контактных
напряжений, и как следствие, перераспределение напряжений
по глубине массива главным образом важны для расчета конструк-
ций гибких фундаментов и устойчивости оснований При проекти-
ровании жестких фундаментов обычно не возникает необходимо-
сти в расчете их сечений более точными методами, чем методы,
излагаемые в курсе «Сопротивление материалов» Кроме того,
как показала практика, на значение осадки как жестких, так и
гибких фундаментов характер распределения контактных на-
пряжений и вызванное нм перераспределение вертикальных на-
пряжений ос существенного влияния не оказывают Поэтому при
определении основных размеров жестких фундаментов и при рас-
чете осадок как жестких, так и гибких фундаментов эпюру кон-
тактных напряжений принимают прямолинейной (рис 60) При
этом ординаты эпюр контактных напряжений вычисляют по сле-
дующим формулам:
при центрально действующей нагрузке
F/A,
(118)
при внецентренно действующей нагрузке
о-в--£-±-7^-? ±-7^-*. (119)
где F — равнодействующая всех вагруаок, передающихся подошвой фундамента
на грунт основания, А — площадь подошвы фундамента, Мх и М. — моменты
сил, действующие по подошве относительно горизонтальных осей Ох Оу, всхо-
дящих жз центра тяжести подошвы, и — моменты инерции подошвы фунда-
мента относительно осей Ох и Оу, хку — координаты точки подошвы, в которой
определяют напряжение.
133
24 Критические нагрузки на грунт основания
Напряжения, возникающие в грунте от внешних нагрузок,
одновременно с видом и физическим состоянием грунта обусловли-
вают и характер его деформируемости Выше были рассмотрены
три фазы деформаций, протекающие в грунте полупространства,
под жесткой площадкой при постепенно возрастающей равномерна
распределенной по ней нагрузке
В первой фазе напряжения от внешних нагрузок, если они
больше величины структурной прочности сжатия, вызывают лишь
смещения (сдвиги) отдельных твердых частиц относительно друг
друга С увеличением внешней нагрузки напряжения все больше
возрастают, и, следовательно, все большее число отдельных ча*
стиц сдвигается относительно друг друга К концу первой — на-
чалу второй фаз вследствие концентрации напряжений (которая
происходит как под гибкими, так и под жесткими нагруженными
площадками), в результате сдвигов отдельных частиц относи-
тельно друг друга формируются уже отдельные площадки сколь-
жения, по которым касательные напряжения, возникающие от
внешних нагрузок, уже превышают предельное сопротивление
грунта сдвигу
Внешнюю нагрузку, соответствующую граничному моменту
между первой и второй фазами, называют начальной, или первой
критической, нагрузкой
Конец второй — начало третьей фаз характеризуется образо-
ванием в грунте сплошных поверхностей скольжения, по которым
касательные напряжения превышают предельное сопротивление
сдвигу Внешнюю нагрузку, соответствующую граничному мо-
менту между второй и третьей фазами, называют второй критиче-
ской нагрузкой Вторая критическая нагрузка — не что иное, как
предел несущей способности грунта Даже незначительное увели-
чение нагрузки выше второй критической приводит к потере проч-
ности и устойчивости грунта Следовательно, и первая, и вторая
критические нагрузки связаны с предельным состоянием грунта
по прочности, которое, как показано выше, характеризуется урав-
нением предельного равновесия (75)
Вычисление начальной, первой критической нагрузки д.г,1
рассмотрим для случая действия на грунт нагрузки р, равномерно
распределенной па заглубленной полосе, применительно к ленточ-
ному фундаменту с глубиной заложения d и шириной подошвы b
(рис 61) Эта задача впервые была решена Н Н Пузыревским
Расчетную плоскость, ограничивающую полупространство,
расположим на глубине d и, приняв действительную ограничи-
вающую плоскость горизонтальной, вес грунта слоя d заменим (на
расчетной ограничивающей плоскости) равномерно распределенной
нагрузкой интенсивностью р9 — yd, где у — удельный вес грунта
Вертикальное нормальное напряжение от веса грунта в некоторой
точке М будет равно <rz< = у (d -Ь г), тогда, приняв допущение
134
о гидростатическом распределении
давлений от собственного веса
грунта, получим горизонтальное
нормальное напряжение охв =
= оив -oIg = y(d + 2) Эти же
напряжения будут и главными
напряжениями в точке М аг
действия собственного веса грунта,
те о1ж = = сг^ = v (d + z)
Тогда в любой произвольно взя-
той точке Л!, положение которой
определяется углом видимости а
и ординатой z, суммарные глав-
ные напряжения, согласно фор-
муле (105), будут соответственно
равны
c,=^(« + Una) + T(d + «),
а, = (а — sin а) 4- у (d 4- 2)
(120)
Подставив выражения главных напряжений (120) в уравнение
предельного равновесия грунтов (75) и решив его относительно
z. получим
*=^(-£F-“)--rctg4,-d <‘2‘>
Это выражение показывает, на какой глубине z находится
точка Л1, принадлежащая какой-то конкретной линии (окруж-
ности) равных напряжений ох и ов, в которой от нагрузки р насту-
пит предельное равновесие
Практический интерес представляет максимальная глубина
2тлх распространения областей предельного равновесия Ее можно
найти, используя известное из высшей математики правило на-
хождения экстремальных значений В данном случае, чтобы найти
?пмх> необходимо взять первую производную от z по а (121), при-
равнять ее нулю, а полученное таким образом новое уравнение
решить относительно а
da а \ sin ф /
откуда cos а = sin <р или, согласно тригонометрическим формулам
приведения, а = (л/2) — ф Тогда, подставив значение а в выра-
жение (121) и учитывая, что sin |(л/2) — ф1 = cos ф, получим
(ctg<p + g>--5-)--£-ctg-d (122)
Это выражение показывает, что при действии полосовой, рав-
номерно распределенной нагрузки р область предельного равнове-
135
сия распространится на глубину гт, а нижняя точка этой области
определится углом видимости а = (я/2) — <р
Из выражения (122) можно найти ту нагрузку, которая вызы-
вает распространение области предельного равновесия на какую-то
заданную максимальную глубину Эту нагрузку называют
критической, и она равна
~ «еУ+”ф-*/2 (т*“+т* + + т* (123)
Если в выражение (123) подставить значение = 0, то по-
лучим критическую нагрузку, от действия которой еще ни в одной
точке грунтового полупространства не наступит предельного
равновесия Эта нагрузка совершенно безопасна для основания,
она и есть начальная, первая критическая нагрузка p^i
"’1 " лсфЧ-ф —(i/2) +
Вычисление второй критической нагрузки рассмотрим
также для случая действия на грунт нагрузки, равномерно рас-
пределенной по заглубленной полосе (см рис 61) Эта задача ре-
шается с использованием дифференциальных уравнений предель-
ного равновесия
+ = + 025)
Как видим, в этих двух уравнениях неизвестны ох, ох и ти,
Тхх Следовательно, для решения поставленной задачи необхо-
димо иметь еще одно уравнение Таким уравнением является
уравнение предельного равновесия (75) Однако его необходимо
записать не в главных напряжениях ot н сгв, а в напряжениях по
осям Oz и Ох Для этого воспользуемся известными из курса «Со-
противление материалов» соотношениями
О11 = 2ь+£. ± -Нй», (126)
подставив которые в (75), получим уравнение предельного равно-
весия в другом виде
<*27>
Решение уравнений (125) вместе с уравнением (127) позволяет
найти математически точные очертания сплошных поверхностей
скольжения, образующихся при потере грунтом несущей способ-
ности Используя эти уравнения, можно вычислить вторую кри-
тическую нагрузку, соответствующую максимальной, которую
грунт может выдержать, еще полностью не разрушившись, т е
еще не потеряв несущей способности
136
Рис 62 Очертание линий скольжения * грунтовом полупространстве в момент
потерн грунтом несущей способности при действии на ограничивающей полу*
пространство плоскости полосовой нагрузки интенсивностью и боковой
пригрузки по всей поверхности интенсивностью q
Впервые решение системы упомянутых уравнений было сделано
без учета собственной массы грунта, для так называемого невесо-
мого грунта, Прандтлем и Рейснером Очертание линий скольже-
ния для рассматриваемого случая показано на рисунке 62 Они
состоят из трех частей в пределах треугольной области / линии
скольжения представляют собой два семейства отрезков парал-
лельных прямых, наклоненных к вертикали под углом ±(л/4) —
— (<р/2), в пределах области-сектора II одно семейство линий сколь-
жения представляет пучок прямых, выходящих из крайней точки
нагруженной полосы и являющихся радиусами-векторами дру-
гого семейства, представляющего собой отрезки логарифмических
спиралей, в пределах треугольной области III линии скольжения
представляют собой два семейства отрезков параллельных пря-
мых, наклоненных к вертикали под углом ± (л/4) + (<р/2) Вто-
рая критическая нагрузка равна
^..-(9 + cc‘g«P)r±^!|e,’‘«’-cctg4> (128)
Как отмечалось выше, под жесткой нагруженной площадкой
(штампом или фундаментом) к моменту потери грунтом несущей
способности сформировывается ядро из уплотненного грунта,
которое перемещается и в процессе разрушения грунта остается
практически без изменений, т е в этом ядре площадок скольже-
ния нет Учитывая это, а также то, что грунт весомый, т е имеет
массу, вторую критическую нагрузку можно вычислить по фор-
муле В Г Березанцева, полученной нм благодаря приближен-
ному приему решения данной плоской задачи,
Per, з - (Ь/2) -4- Nrfj 4- Nf, (129)
где Ng, Ne — коэффициенты несущей способности грунта, у — удельный
вес грунта, h — ширина нагруженной полосы, q — боковая пригрузка, q = yd,
d — глубина заложения нагруженной площадки (фундамента), с — удельное
сцепление грунта
137
Рис 63 Огибающие линии скольже-
ния при полном разрушении грунта
основания в зависимости от глубины
заложения фундамента
Очертание ядра иэ уплот-
ненного грунта — первая об-
ласть линий скольжения (см
рнс 62) принято В Г Березан-
цевым в виде прямоугольного
треугольника боковые грани
ядра наклонены к подошве фун-
дамента под углом, равным л/4
Здесь следует отметить, что
очертание линий скольжения, а
следовательно, и несущая спо-
собность грунта при всех про-
чих равных условиях сущест-
венно зависят от глубины зало-
жения фундамента, а точнее от
относительной глубины, определяемой отношением глубины зало-
жения d подошвы к ее ширине b
В связи с этим выделяют четыре характерных случая I) d<Z
< 0,5Ь, 2) d « (0,5 2) b, 3) 2b < d < 4Ь, 4) d >4Ь (рис 63)
В первом случае фундаменты считают фундаментами мелкого
заложения Для них характерен при полном разрушении грунта
основания выход линий скольжения на поверхность Угол на-
клона огибающей линии скольжения в месте выхода составляет
45° — (ф/2)
Во втором случае фундаменты считают фундаментами средней
глубины заложения Для них также характерен выход линий сколь-
жения на поверхность, ио кривая скольжения имеет S-образное
очертание Угол наклона огибающей линии скольжения в месте
выхода составляет несколько более 45° — (<р/2)
В третьем случае фундаменты считают фундаментами глубо-
кого заложения, основания которых разрушаются без выпирания
грунта на поверхность линии скольжения теряются (исчезают) на
уровне подошвы фундамента
В четвертом случае фундаменты (по Н А Цытовичу) считают
фундаментами очень глубокого заложения, характер разрушения
основания которых такой рее, как и в третьем случае
Формула (129) получена для фундаментов неглубокого зало-
жения Однако имеются приближенные решения и для некоторых
других случаев, которые можно найти в специальной литературе
Имеется также ряд решений не только для вертикальной, но и для
наклонной нагрузки Часть этих решений можно найти в книгах
Н А Цытовича
Аналитические методы расчета дают решения с определенным
запасом Это свидетельствует о необходимости дальнейшего раз-
вития теоретических исследований, в которых, (Левидно, надо
уточнить влияние глубины заложения подошвы фундамента,
формы и размеров уплотненного ядра, а также вида линий сколь-
жения в стороны
ЧАСТЬ II. ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ
Глава 7. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ОСНОВАНИЙ И ФУНДАМЕНТОВ
25 . Виды оснований н фундаментов
Грунтовые основания могут быть естественными и искусст-
венными. В основе устройства искусственных оснований лежат
следующие принципы улучшения грунтов: нх уплотнение, за-
крепление или замена.
К искусственным основаниям относится и ряд устройств, из-
меняющих условия передачи давления от фундамента на грунт
или ограничивающих его деформации (грунтовые и каменные
подушки, шпунтовые ограждения).
Фундаменты должны удовлетворять следующим основным
требованиям:
быть прочными и долговечными, устойчивыми к действию по-
верхностных и грунтовых (в том числе агрессивных) вод и мороз-
ного выветривания;
быть устойчивыми на опрокидывание и сдвиг в плоскости
подошвы;
не превышать нормативных осадок н других деформаций, опас-
ных для нормальной эксплуатации надфундаментных конструкций;
отвечать технико-экономическим требованиям и современным
способам выполнения работ.
Вследствие того что поверхностные слон грунта обычно недо-
статочно уплотнены, подвержены микробиологическим процессам,
легко выдавливаются из-под нешироких фундаментов, а также
подвергаются сезонным атмосферным воздействиям (промерзание,
оттаивание, увлажнение), оии непригодны в качестве основания.
Поэтому фундамент приходится заглублять, чтобы давление от
него передавалось на прочные и малосжимаемые, т. е. на более
глубокие слои грунта (рис. 64).
В некоторых сооружениях, особенно гидромелиоративного
назначения, фундамента как такового нет или его довольно
трудно выделить как отдельную конструкцию. Так, земляные
плотины и дамбы опираются и передают нагрузку непосредственно
на основание. В других сооружениях роль фундамента выполняет
вся нижняя, довольно развитая опорная поверхность сооруже-
ния (рнс. 65).
Фундаменты классифицируют по глубине заложения подошвы,
по характеру работы под нагрузкой, по конструктивной форме,
по материалу тела, по назначению и методу изготовления.
139
Рис. 64 Схема фундамента иа естественном основании:
1 — надземная часть (стека); У — тело фундамента; 9 —
образы. 4 ~2 отметка подошвы фундамента; 6 — граница
напряженной зоны основания под нагрузкой от фундамента)
• — несущей ело! грунта, 7 — подстилающий слой грунта)
8 — имжкяя граница сжимаемой (активной) толщи 9 —
отметка природной поверхности грунта, го — отметка пла-
кировки (здесь — подсыпка); 11 —• отмостка, /У — слой
гидроизоляции; /J — отметка чистого пода пераого зтажа.
принимаемая аа нулевую, Ь — ширина подошвы фундамента)
я — глубина заложения фундамента от поверхности при-
родного ральафа
По глубине заложения по-
дошвы различают фундаменты мелкого и
глубокого заложения Фундаменты, устроен-
ные в заранее отрытых котлованах и тран-
шеях и имеющие глубину заложения по-
дошвы до 5 6 м, считают фундаментами
мелкого заложения
Фундаментом глубокого заложения можно считать фундамент,
отвечающий сочетаниям следующих условий
имеющий заложение подошвы на глубине свыше 6 м, при этом
относительное заглубление djb должно быть более 1,5 2,
устроенный глубоким погружением в грунт (без отрытия кот-
лована) опор, что позволяет при расчете его несущей способности
учесть повышенное сопротивление грунта не только под подошвой,
но и по всей боковой поверхности Последнее обстоятельство
очень важно при работе фундаментов на горизонтальные усилия
По характеру работы под н а г р у з к о й фун-
даменты в общем случае можно разделить на жесткие н гибкие
Жесткие рассчитывают только на восприятие напряжения сжатия
Растягивающие н касательные напряжения в них отсутствуют или
настолько малы, что ими можно пренебречь Гибкие работают на
Рис 66 Схема гидротехнического сооружения (водосливная плотина)
/ — тало сооружеякя, 1 — понур, > — водобойная часть; Ь — ширина подошвы соору»
пиния. 3 — сайсмичзакая амплитудная нагруака
140
изгиб и, помимо работы на сжатие, испытывают значительные рас-
тягивающие и скалывающие напряжения.
По конструктивной форме фундаменты подраз-
деляют на отдельные, ленточные, сплошные, массивные, смешан-
ные и свайные.
Отдельные (столбчатые) фундаменты могут быть в виде невысо-
ких столбов (с углублениями в верхней части — «стаканами» для
колонн или «бесстаканными») с развитой опорной частью, устанав-
ливаемых под колоннами, углами зданий, опорами рам, балок,
ферм и других элементов, а также в виде оболочек-опор глубокого
заложения (которые объединены поверху общей плитой), устраи-
ваемых под опоры мостов, гидросооружений, сильно нагружен-
ных колонн.
Ленточные фундаменты выполняют в виде непрерывных па-
раллельных или пересекающихся лент под всеми протяженными
несущими конструкциями — стенами, опорными рамами обору-
дования, а также под сооружениями.
Сплошные фундаменты располагают под всей площадью соору-
жения в виде ребристой или гладкой плиты, коробки или простран-
ственного блока (например, турбинный блок гидроэлектростан-
ции, машинный блок насосной станции и др.).
Массивные фундаменты в виде сплошного массива кладки
устраивают обычно под отдельно стоящие тяжело нагруженные
опоры или сооружения (мостовые опоры, башни, мачты, машины
И Др.).
Смешанные фундаменты представляют собой сочетание ленточ-
ного или сплошного со столбчатым.
Свайные фундаменты состоят из одиночных свай, куста или ря-
дов свай, объединенных поверху плитой, которая воспринимает
нагрузку от сооружения.
По материалу тела фундаменты могут быть кирпич-
ными, бутовыми, бутобетонными и железобетонными. Для свай-
ных фундаментов в отдельных случаях применяют сталь в виде
труб, двутавров и других профилей, а также выбракованных
рельсов и др. Для временных сельскохозяйственных построек
иногда используют (для фундаментных стульев) дерево хвойных
пород.
По назначению фундаменты разделяют на фундаменты про-
мышленных, гражданских и сельскохозяйственных зданий; под
сооружения, под машины и под другое оборудование.
По методу изготовления фундаменты могут быть
монолитными, полностью возводимыми на месте постройки,
сборными, монтируемыми из заранее изготовленных элементов,
и сборно-монолитными, выполняемыми из сборных элементов,
омоноличиваемых на месте бетоном (например, опоры глубокого
заложения из сборных железобетонных оболочек, заполненных бе-
тоном; сваи с монолитной плитой поверху и т. д.).
141
26 Совместные деформации сооружений
и оснований
Большинство зданий, сооружений и нх фундаменты представ-
ляют собой жесткие конструкции Поэтому они не могут во всех
точках следовать за деформациями грунтов основания и искрив-
ляться при развитии их неравномерных осадок Вследствие жест
кости сооружение частично «выравнивает» неравномерности осадки
основания, что приводит к возникновению в его несущих кон-
струкциях дополнительных усилий — напряжений или деформа*
ций Эти усилия имеют допустимые пределы, превышение кото-
рых может нарушить нормальную эксплуатацию сооружения или
даже привести к аварии Поэтому для надежной работы сооруже-
ний необходима оценка их совместной работы с грунтовыми осно-
ваниями. в частности характера и степени взаимных деформаций
и перераспределения при этом нагрузок на основание
Рассмотрим возможные виды и формы деформаций сооруже-
ний и оснований, возникающие в процессе их совместной работы
В зависимости от причин возникновения деформации грун-
тового основания проявляются в виде вертикальных, горизон-
тальных и угловых перемещений его поверхности, а также самого
массива основания
Вертикальные деформации (перемещения) ос-
нований могут иметь 'следующие виды
осадки — медленные н сравнительно небольшие деформаций,
происходящие в результате уплотнения грунта под действием
нагрузок и не сопровождающиеся коренным изменением его струк-
туры,
просадки — быстрые и неравномерные, как правило, большие
деформации уплотнения, приводящие к коренному изменению
структуры грунта и происходящие под совместным воздействием
нагрузок и других факторов, таких как замачивание лёссовых или
оттаивание вечномерзлых грунтов, а также осушение торфов
и т п ,
подъемы и осадки — деформации, связанные соответственно
с увеличением или уменьшением объема некоторых видов глини-
стых грунтов при изменении их влажности (набуханйе и усадка),
температуры (морозное пучение) или воздействии на них химиче-
ских веществ.
оседания — деформации земной поверхности, вызываемые гор-
ными выработками, снижением уровня грунтовых вод, карстово-
суффозионными процессами и т д
Вертикальные деформации основания могут быть равномер-
ными (если вертикальные перемещения всех точек грунтоврй по-
верхности примерно одинаковы) н неравномерными, наиболее
опасными для зданий и сооружений Причинами неравномерных
деформаций могут быть как инженерно-геологические факторы
(различная сжимаемость грунтов по площади, выклинивание,
142
непараллельность слоев и другие особенности их залегания) и
гидрогеологические (неравномерное увлажнение или осушение),
так и конструктивные и технологические особенности зданий н
сооружений (разные значения и эксцентриситет нагрузок, раз-
меры в плане и глубина заложения отдельных фундаментов или
частей сооружения, а также нарушения правил возведения и экс-
плуатации сооружений и т. д.).
Горизонтальные деформации (перемещения)
возникают при сдвиге, скольжении массива или слоев грунта под
действием горизонтальных составляющих нагрузок, при просадке
грунтов в пределах криволинейной части просадочной воронки
и т. п.
Угловые перемещения массива грунтового осно-
вания проявляются в виде выпирания грунта из-под фундамента
при чрезмерных нагрузках, оползании крутых откосов под дей-
ствием собственного веса грунта или расположенных на этих от-
косах сооружений и т. д.
Перечисленные выше совместные деформации оснований и зда-
ний или сооружений могут характеризоваться:
абсолютной осадкой основания отдельного фундамента S;
средней осадкой основания здания или сооружения 5;
относительной неравномерностью осадок &S/L двух фундамен-
тов, т. е. разностью их вертикальных деформаций, отнесенной
к расстоянию между ними (неравномерные осадки могут прояв-
ляться в виде крена, перекоса, изгиба, вертикальных сдвигов
смежных частей конструкций);
горизонтальным перемещением фундамента или сооружения
в целом.
27. Выбор основания, фундаментов
и методов их устройства
Выбор основания, фундаментов, а также материалов и мето-
дов для их устройства — одна из наиболее ответственных и слож-
ных задач при проектировании сооружений. Определяющий
фактор решения этой задачи, помимо выбора конструкции над-
фундаментной части сооружения, — природные условия, харак-
теризующие особенности сложения и свойства грунтов, воздей-
ствие поверхностных и грунтовых вод иа основание и фундаменты.
При этом необходимо учитывать влияние характера и степени
деформаций основания на надежность работы сооружения в целом.
Естественно, что такая сложная задача ввиду многообразия при-
родных условий и возможных инженерных решений определяет
проработку нескольких вариантов. Выбор оптимального решения
о расходе материалов, затратах труда, стоимости и сроках выпол-
нения работ достигается технико-экономическим сравнением ва-
риантов.
143
Выбор типа фундамента Тип фундамента выбирают в зависи-
мости от назначения и конструкции проектируемого здания или
сооружения Особенности технологического процесса и располо-
жения оборудования, например установки насосных, гидротур-
бинных и других агрегатов, требуют иногда устройства развитой
подземной или подводной части здания, значительного заглубле-
ния фундамента В этом случае устраивают сплошные фундаменты
(в виде плиты или пространственного блока), которые, по существу,
являются нижним строением зданий
Под отдельно стоящие, значительно нагруженные опоры или
сооружения (например, под опоры путепроводов, мостов, акве-
дуков, дождевальных установок «Фрегат», несущие колонны про-
мышленных зданий ит д ) на прочных грунтах устраивают массив-
ные фундаменты в виде сплошной кладки или одиночные и кусто-
вые опоры глубокого заложения Ленточные фундаменты соору-
жают на менее прочных грунтах под несущие стены зданий, под-
порные стенки, а также под пропускные трубы, расположенные
под насыпями, наружные и внутренние колонны нагруженных
каркасных зданий
Под углы и пересечения стен малоэтажных зданий, под стойки
каркаса зданий, испытывающего сравнительно небольшие на-
грузки, под опоры рамных акведуков и мостов с малыми проле-
тами, устраиваемых на грунтах достаточно высокой прочности
и малой сжимаемости, делают отдельные фундаменты в виде не-
глубоких столбов кладки, бетонных или железобетонных моно-
литных или сборных башмаков-опор
Для правильного выбора типа и конструкции фундамента необ-
ходимо знать особенности здания или сооружения, его размеры,
конструктивные и расчетные схемы, жесткость принятых кон-
струкций и их чувствительность к неравномерным осадкам, воз-
можные виды, характер и степень деформаций, происходящих
при осадке грунтов основания и их влияние на эксплуатацию,
назначить предельно допустимые деформации конструкций
Выбор материала для фундамента Диктуется как материалом
и характером нагружения самой надфундаментной конструкции,
так и необходимостью обеспечить долговечность и надежность экс-
плуатации сооружения в конкретных природных условиях
Необходимо учитывать расположение и сезонные колебания
грунтовых вод, возможные долговременные изменения их уровня
при эксплуатации сооружения, размывающую способность по-
стоянных или временных поверхностных вод, агрессивность воды
по отношению к строительным материалам, влияние сезонного
замораживания и оттаивания грунтов и воды у фундаментов на
прочность их материала г
Материалом для фундаментов обычно служит бетой и железо-
бетон Кирпичную, бутовую и бутобетонную кладки применяют
в редких случаях, так как они не отвечают требованиям современ-
ного индустриального строительства Для фундаментов гндросоо-
144
ружений используют бегов марок не ниже 200 с минимальным
содержанием цемента: для частей фундаментов, расположенных
ниже зоны промерзания, — 230 кг/м*; для подводной зоны —
260 кг/м*; для частей, расположенных в зонах промерзания грун-
та, — 290 кг/м*.
Для фундаментов гражданских и промышленных зданий при-
меняют бетон марок 50 ... 100 в зависимости от назначения зданий
и от гидрогеологических условий. Если фундаменты подвергаются
действию агрессивных вод, то для бетона берут специальные порт-
ландцементы (глиноземистые, сульфатостойкие, пуццолановые),
устраивают защитные обмазки поверхностей и выполняют другие
специальные конструктивные мероприятия.
Железобетон широко используют для гибких фундаментов,
для индустриальных сборных конструкций. Вследствие хорошей
работы на изгиб из него можно устраивать монолитные фундаменты
разнообразных конструктивных форм (складчатого, рамного типа,
в виде плит, оболочек и других тонкостенных конструкций).
Наиболее целесообразно применение железобетонных фундамен-
тов на сильно и неравномерно деформируемых грунтах, при боль-
ших и внецентренных нагрузках, в особых условиях строитель-
ства, например в сейсмически опасных районах.
Железобетон позволяет сооружать фундаменты значительно
меньших размеров и массы, чем бетонные, что особенно важно
при индустриальных методах изготовления и монтажа полностью
сборных конструкций. Применение железобетонных сборных фун-
даментов способствует уменьшению расхода бетона и лесоматериа-
лов, снижению стоимости и значительному сокращению сроков
производства работ. Для изготовления свай, оболочек и других
элементов фундаментов мостов и гидротехнических сооружений
применяют железобетон марок 200 ... 400.
При назначении типа, конструкции, глубины заложения фун-
даментов, выборе основания и метода ведения работ важное зна-
чение имеют инженерно-геологические и гидрогеологические условия
строительной площадки.
Для схематизации всего многообразия инженерно-геологиче-
ских условий с целью более правильного выбора вариантов фун-
дирования грунты основания можно разделить на две условные
категории: прочные и слабые.
Прочными считают такие грунты основания, которые обеспе-
чивают надежную эксплуатацию проектируемого сооружения,
т. е. обладают достаточно высокой прочностью и малой сжи-
маемостью. К прочным относят скальные и крупнообломочные
грунты, пески (кроме пылеватых и мелких рыхлых), твердые,
полутвердые и тугопластичные глины.
К слабым относят грунты, которые не могут служить для
сооружений надежным основанием вследствие большой деформи-
руемости и возможного выдавливания их из-под фундамента. Это
неслежавшиеся насыпные грунты, илы, торфы и заторфованные
145
Рис 66 Основные схемы напластования грунтов оснований
в—9 — раьвавяый рельеф, е — косогоряы* рельеф, а, б — одеородеое основание. «,
* — слоистое с согласным аалегавмем. 9 — слоистое с месогласным аалегаввем I — проч-
ные грунты. // — слабые грунты
грунты, рыхлые мелкие и пылеватые пески, текучие и текучепла-
стичные глины, лессовые просадочные и вечномерзлые грунты
С учетом сказанного все многообразие напластований грунтов
оснований можно представить в виде схем, изображенных на ри-
сунке 66 В свою очередь, эти напластования можно разделить на
основания однородные (рис 66, а, б) и слоистые (рис 66. в, а, д)
Последние могут быть с согласным залеганием пластов, если от-
дельные слои, имеют простирание, близкое к горизонтальному,
и выдержаны по мощности (рис 66, а, г), и с несогласным, — слои
которых не выдержаны по толщине, выклиниваются и имеют боль-
шое падение (рис 66, д)
По рельефу природной поверхности грунты оснований можно
подразделить на равнинные, или слабо пологие (рис 66, а—д),
и на косогорные (рис 66, е) Напластование слоев последних
может быть любым из представленных ранее На таких косогорных
участках часто приходится возводить опоры мостов, акведуков,
дюкеров, перепадов, фундаменты насосных станций, подпорные
стенки, насыпи, плотины, каналы и другие гидротехнические соо-
ружения Кроме обязательного расчета на устойчивость против
сдвига и оползания оснований, фундаменты таких сооружений
требуют специальных конструктивных решений и методов произ-
водства работ
Общую деформируемость грунтов основания необходимо оцени-
вать в пределах всей площади сооружения с учетом его за груже-
ния, формы, размеров сторон и площади подошвы фундаментов,
характера протекания осадки во времени Так как под разными
фундаментами здания или частями сооружения основание может
состоять из различных напластований грунтов, затухание осадки
которых во времени протекает различно, то разность осадок мо-
жет оказаться недопустимой для данного сооружения Например,
если на схеме д в левом сечении вторым от поверхности слоем
будет песок, а в правом — глина, то даже в случае равенства их
146
конечных осадок из-за быстрой сжимаемости песков осадка
в левом сечении закончится к моменту завершения строитель*
ства, а осадка в правом будет продолжаться еще долгое время
после возведения сооружения Это может привести к недопустимой
разнице осадок и нарушению эксплуатационной пригодности
сооружения
На выбор типа и конструкции фундамента, вида основания,
метода его возведения большое влияние оказывает также располо-
жение уровня грунтовых вод по отношению к глубине заложения
подошвы сооружения (отметке дна котлована) Здесь могут встре-
титься три случая (рис 67) а — горизонт грунтовых вод нахо-
дится ниже отметки подошвы фундамента или сооружения, б —
грунтовые воды залегают выше подошвы проектируемого соору-
жения, но ниже поверхности природного рельефа, в — участок
расположен на акватории, т е имеется поверхностная вода,
причем значительной глубины
Первый случай не представляет трудностей с точки зрения
ведения работ Второй случай более сложный, так как требует на
участке строительства либо предварительного понижения уровня
грунтовых вод ниже дна будущего котлована, либо удаления
поступающей в котлован воды одновременно с его разработкой
Для многих категорий грунтов может потребоваться крепление
стенок котлована от обрушения В третьем случае требуются либо
ограждение будущего участка строительства перемычками, от-
качка из огражденного котлована воды и борьба с ее притоком,
либо специальные приемы строительства на акватории (с приме-
нением опускных колодцев, кессонов, буровых опор, бездонных
ящиков или подводное бетонирование и др ) Осложняющими
обстоятельствами здесь также будут неблагоприятные для строи-
тельства напластования грунтов типа б, а, г, д (см рис 66)
Как видно из рассмотренных схем, для каждой строительной
площадки возможные случаи фундирования будут определяться
сочетанием схем инженерно-геологических условий (см рис 66}
и расположения горизонта воды по отношению к отметке подошвы
фундамента (см рис 67) Но в любом конкретном случае для
ув
Рис 67 Случаи заглубления подошвы сооружения относительно горизонта
воды
а — низкое залегание грунтовых вод б — высокое залегание грунтовых вод, * — стром
тельная площадка на акватории — глубина залегания грунтовых вод от поверхности.
- глубина заложения фундамента (дна котлована)
147
Рис. 68. Возможные варианты фундирования при напластовании грунтов осно-
ваний по схеме е (см. рис. 66):
а — отдельные ааглублеяныВ фундамент; б — столбчатые фундаменты о рандбалхоВ;
• — висячие сваи с ростверком; в — фундамент на сааях-стоАках; о — песчаная или грун-
товая подушка; е — искусственное основание на прочном грунте; ж — искусственное
основание на слабом грунте (висячее)
каждой отдельной схемы можно предложить ряд конкурирующих
проектных решений. Окончательный выбор делают на основе
техн и ко-эконом и чес кого сравнения вариантов, а также исходя из
возможностей строительной организации.
Наиболее просто и надежно можно запроектировать фундамент
при схеме а (см. рис. 66). В этом случае с учетом особенностей
сооружения можно принять любой тип фундамента и минимальную
глубину его заложения, допускаемую в зависимости от климати-
ческих воздействий, но не менее 1 м. Если с глубиной сжимаемость
грунта существенно уменьшается, то за несущий слой иногда
принимают более глубокий, опирая на него фундамент и резко
снижая таким образом площадь его подошвы, или переходят на
отдельные опоры (если, конечно, эти решения будут более эконо-
мичными).
При большой толще слабых грунтов (см. рис. 66, б, а) фунда-
менты можно возводить лишь на искусственных основаниях или
на сваях и опорах глубокого заложения. Конструктивное решение
в этом случае зависит от мощности грунтов, глубины, на которой
залегает прочный слой, и от характера сооружения. Простейшим
решением может быть прорезка сравнительно небольшой толщи
слабых грунтов ленточным или сплошным фундаментом (рис. 68, а)
или несколькими столбчатыми фундаментами (рио. 68, б) с опира-
нием их на прочный слой.
Сооружение с небольшой нагрузкой можно опереть на висячие
сваи, не достигающие прочного слоя и работающие*лишь за счет
сопротивления грунта по боковой поверхности (рио. 68, а). Под
тяжелые сооружения сваи забивают в прочный грунт на необхо-
димую глубину (сваи-стойки, несущая способность которых опре-
148
деляется сопротивлением грунта по острию сваи, рис. 68, г) или
применяют опоры глубокого заложения.
Способы устройства искусственных оснований (рис. 68, д—ж)
зависят от вида и состояния грунта, расположения уровня грунто-
вых вод, а также возможностей строительной организации. При
низком залегании грунтовых вод маловлажные слабые грунты
в пределах наиболее напряженной под фундаментом зоны можно
заменить песчаной или грунтовой «подушкой» (рис. 68, д), уплот-
нить ниже дна котлована гидровибрированием, трамбованием,
применить грунтовые сваи, закрепить обжигом (лёссовые грунты)»
силикатизацией и другим путем (рис. 68, е). Водонасыщенные
слабые грунты уплотняют вибрированием (пески), предваритель-
ным обжатием путем водопонижения (глины — с применением
электроосмоса) или дополнительной поверхностной нагрузкой —
насыпями (илы, торфы, замоченные лёссовые грунты) и другими
способами, рассматриваемыми далее.
Для случая б (см. рис. 66) «подушки» и искусственные осно-
вания будут, как и свайные фундаменты, висячими. Размеры и
площадь подошвы искусственного основания в этом случае опре-
деляются равенством напряжений на уровне подошвы: с одной
стороны давлением от сооружения, распределяемым подушкой,
а с другой — несущей способностью слабого грунта.
При наличии в слоистой толще на некоторой глубине про-
слойки слабого грунта (см. рис. 66, в) можно использовать те же
приемы фундирования, что и для схемы в. Однако в этом случае
прорезать фундаментами приходится и верхний слой прочного
грунта. При устройстве же искусственного основания закреплять
нужно только слабый слой. В некоторых случаях можно сделать
фундамент минимальногозаложения, но развить площадь подошвы,
использовав прочный слой в качестве распределительной по-
душки. В результате снижается напряжение на кровлю слабого
слоя.
Наиболее эффективные н экономичные проектные решения
можно получить, сочетая применение различных типов искусст-
венных оснований с приспособлением фундамента и надфундамент-
ной конструкции к ожидаемым повышенным и неравномерным
осадкам (разрезка конструкции осадочными швами, армирование
стен железобетонными поясами, использование шарнирных и раз-
резных конструкций, устройство сплошных фундаментных плит
н «плавающих» фундаментов и т. д.).
28. Основные положения проектирования оснований
и фундаментов по предельным состояниям
Большой опыт строительства и эксплуатации зданий и соору-
жений показывает, что в подавляющем большинстве случаев нару-
шение нормальной эксплуатации инженерных сооружений и их
аварии происходят или вследствие потери нескальными основа-
149
ниями прочности и устойчивости (сдвига и обрушения, выпирания
грунтов из-под фундамента), или из-за развития больших и нерав-
номерных деформаций осадок в основаниях.
Такне состояния конструкций, сооружений и их оснований,
с наступлением которых они перестают удовлетворять предъяв-
ляемым к иим эксплуатационным требованиям, называют пре-
дельными. Поэтому основная задача при проектировании основа-
ний и фундаментов — не допустить достижения иадфундамент-
нымн конструкциями предельных состояний как в период строи-
тельства, так и в течение всего срока их службы.
С этой точки зрения первоочередные требования к проекти-
рованию оснований и фундаментов по предельным состояниям
заключаются в том, чтобы напряжения, деформации и перемеще-
ния основания, фундаментов, самого сооружения и его отдельных
конструкций были близки к предельным, но не превышали
установленных норм.
Согласно действующим Нормам (СНиП 2-02-01—83), основа-
ния следует рассчитывать по двум группам предельных состояний:
1) п о несущей способности (потеря устойчивости
формы и положения, хрупкое, вязкое или другое разрушение,
в том числе под воздействием неблагоприятных факторов внешней
среды, чрезмерные пластические деформации, резонансные коле-
бания);
2) по деформациям (осадки, крен, прогибы, углы
поворота), затрудняющим или делающим невозможной нормаль-
ную эксплуатацию конструкции или снижающим ее долговеч-
ность вследствие появления недопустимых перемещений, колеба-
ний, трещин и т. д.
Цель расчета оснований по несущей способности — обеспечить
прочность и устойчивость их грунтов, а также ие допустить сдвиг
фундамента по подошве и опрокидывание или оползание его на
откосах.
Расчет выполняют исходя из соблюдения условия
(130)
где F — расчетная нагрузка на основание в наиболее невыгодной комбинации;
Tn — коэффициент, надежности, назначаемый в зависимости от ответственности
сооружения*. ус — коэффициент условий работы, принимаемый в зависимости
от вида н состояния грунтов; Fu — минимальная несущая способность грунтов
основания для принятого сочетания нагрузок.
Цель расчета оснований по деформациям — ограничить нх
деформации, а следовательно, и деформации фундаментов и назем-
ных конструкций такими значениями, при которых не возникало
бы ни одного вида предельных состояний и не нарушалась нор-
мальная эксплуатация, а также не изменялись проектные уровни
конструкций в период их строительства и эксплуатации. Расчет
ведут по формуле
S < Ste, (131)
150
где S — определяемое расчетом аяачемие прогнозируемого вида совместно* (наи-
более опасной) деформации основания здания или сооружения при невыгодном
сочетании нагрузок; SM — предельно допустимое значение ожидаемого вида
деформации, устанавливаемое по таблицам соответствующих Норм.
Таблицы предельных деформаций составлены исходя из мно-
голетнего опыта строительства и эксплуатации зданий и сооруже-
ний, анализа совместной работы и взаимодействия оснований и
надфундаментных конструкций, свойств оснований и конструк-
тивных особенностей сооружений. В этих таблицах предельные
деформации для различных сооружений приведены раздельно по
видам: относительные (разность осадок, прогиб или выгиб, крен
в разных направлениях и т. д.) и абсолютные (максимальные,
средние). Это обстоятельство позволяет более полно анализиро-
вать совместную работу основания и сооружения и вести расчет
на наиболее опасную из возможных деформаций.
Основной расчет основания — это расчет по деформациям, т. е.
по второй группе предельных состояний, так как их устанавли-
вают исключительно из условий нормальной эксплуатации соору-
жений. Расчет же по первой группе служит обычно в качестве по-
верочного, и только в случаях, когда основание может потерять
прочность, а одновременно с ним сооружение — устойчивость,
расчет по несущей способности является обязательным.
В связи с тем что теоретические методы расчета совместной
работы конструкций сооружения и основания еще недостаточно
разработаны, при проектировании по предельным состояниям
принимают систему расчетных коэффициентов, гарантирующих
необходимую надежность проектных решений. Эти коэффициенты
позволяют раздельно учесть возможные отклонения в значениях
действующих нагрузок и их сочетаний, особенности конструктив-
ных схем и работы сооружений, а также неоднородность грунтов
и неточность их испытаний.
Коэффициент перегрузки п учитывает возможные отклонения
действительных нагрузок в эксплуатационных условиях от рас-
четных, принятых при проектировании. Расчетные нагрузки по-
лучают путем умножения их нормативных значений на коэффи-
циент перегрузки (СНиП «Нагрузки и воздействия» и СТ СЭВ
1407—78).
Коэффициент сочетания л,. применяют для учета вероятности
одновременного действия различных по характеру нагрузок.
Коэффициенты надежности учитывают изменчивость нагрузок,
определяемых характеристик грунтов основания и материалов
конструкций, их возможные неблагоприятные отклонения от
средних значений, случайность отбора образцов и неточность ис-
пытаний, а также степень ответственности и капитальности соору-
жений и недостаточную изученность нх совместной работы с осно-
ванием. Обозначаются эти коэффициенты буквой у с обязательным
индексом, показывающим область их применения. Например:
уж — коэффициент надежности по грунту; уж — то же, по мате-
161
риалу, уж — по назначению сооружения, — по нагрузке На
эти коэффициенты либо делят полученные путем статистической
обработки результатов испытаний нормативные значения характе-
ристик грунтов, либо умножают на них значения воздействий
(нагрузок, усилий)
Коэффициент условий работы служит для учета прибли-
женности расчетных схем, влияния особенностей совместной ра-
боты грунтовых оснований зданий и сооружений на их нормаль-»
ную эксплуатацию, не отражаемых в расчетах прямым пу-
тем
Итак, проектирование оснований и фундаментов по предельч
ным состояниям сводится в итоге к назначению таких основных
размеров фундамента или подошвы сооружения (глубины зало-
жения, формы и размеров подошвы в плане), при которых напря-
жения и ожидаемые деформации основания не вызывали бы пре-
дельных состояний надфундаментных конструкций
Значение прогнозируемого вида деформации грунтов S опре-
деляют расчетным путем, используя математические закономер-
ности теории линейно-деформируемой среды Как отмечалось
выше, эти закономерности применимы в случае первой фазы де-
формируемости — фазы уплотнения (см рис 14, а, а) Однако
с учетом богатой практики фундаментостроения СНиП допускают
образование в грунте основания под краями фундаментов зон ло-
кальных пластических деформаций (эон местных сдвигов), но не
более чем на глубину 1/46 (Ь — ширина подошвы фундамента)
Нагрузку, передающуюся подошвой фундамента на грунт осно-
вания (среднее контактное напряжение) и вызывающую развитие
эон пластических деформаций под краями подошвы на глубину,
равную 1/4 bt называют нормативным давлением
Таким образом, при расчете оснований по второй группе пре-
дельных состояний вводится дополнительное ограничение сред-
нее давление по подошве фундамента не должно превышать рас-
четное давление на грунт основания Расчетное давление опреде-
ляют по формуле (123), подставив в нее 2^ = 1/4 b и введя коэф-
фициенты условий работы и надежности
Окончательно формула для определения расчетного давления
(сопротивления грунта основания) Я, КПа,
имеет удобный для практического применения вид
R = [Mykjfyu 4- A4^,y;, +(M, - + Af«cnJ, (132)
где Yci и Yo — коэффициенты условий работы соответственно гетитового осно-
вания и сооружения, принимаемые по табл 3 СНиП 2 02 01—сЗ. k — коэффи-
циент, принимаемый k =» 1, если прочностные характеристики грунта (фи и сп)
определены непосредственными испытаниями, к k — 1,1, если «они приняты по
этому СНиП. Му, М„, Мс — безразмерные коэффициенты, принимаемые по
табл 4 СНиП в зависимости от фп, kt — коэффициент, принимаемый равным
при b < 10 м kx = 1, при к > 10 м kt = (zjb) + 0,2 (здесь Zq — 8 м). Ь — ши-
рина подошвы фундамента, м. dx — глубина заложения фундаментов бесподваль-
152
янл сооружали! или приведенная глубина мложеяия наружных и внутренним
фундаментов от пола подвала, определяемая по формуле
4 = *.+*./-^-, (133)
▼11 ' '
где ha — толщина слоя грунта выше подошвы фундамента со стороны подвала, м;
Ле/ — толщина конструкции пода подвала, м; уе/— расчетное аначение удель-
ного веса конструкции пола подвала, кН/м1; уП— осредненное расчетное зна-
чение удельного веса грунтов, аалегающих ниже подошвы фундамента (при
наличии подъемных вод определяется с учетом взвешивающего действия воды),
кН/м*; Yji — то же, аалегающих выше подошвы; db — глубина подвала — рас-
стояние от уровня планировки до пола подвала, м (для сооружений с подвалом
шириной В < 20 м и глубиной более 2 м принимают db — 2 м, при ширине под-
вала В > 20 м db 0); сп — расчетное аначение удельного сцепления грунта,
млегающего непосредственно под подошвой фундамента, кПа.
Расчетное сопротивление грунта R служит обобщенной проч-
ностной характеристикой грунтового основания при его совмест-
ной работе с фундаментом. Его не следует смешивать с понятием
среднее (расчетное) давление Р на грунт от расчетных нагрузок,
которое является лишь функцией внешних сил и размеров фунда-
мента.
Глава 8. ФУНДАМЕНТЫ НЕГЛУБОКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ
29. Конструкции фундаментов
неглубокого заложения
В зависимости от конструктивной формы фундаменты неглу-
бокого (мелкого) заложения можно разделить на отдельные (столб-
чатые), ленточные, сплошные (плитные), массивные и смешан-
ные.
Отдельные фундаменты сооружают в виде монолитных стол-
бов, железобетонных сборных башмаков или сборных составных
опор (рис. 69). Чтобы они могли воспринимать нагрузки от стен
зданий, их обычно соединяют фундаментными балками (рандбал-
ками). Такие фундаменты имеют мало отличающиеся по размерам
длину и ширину и близкую к ним (или несколько ббльшую) глу-
бину заложения.
Ленточные фундаменты имеют длину, во много раз превы-
шающую ширину, и располагаются в виде непрерывных лент
(рис. 70) под несущими стенами и частями сооружения. В попереч-
ном сечений они могут быть прямоугольными, прямоугольными
с подушкой из бутового камня, бетона или железобетона, трапе-
циевидными и ступенчатыми.
На слабых грунтах можно применять ленточные железобетон-
ные групповые (под ряд стоек или колонн) фундаменты и в виде
153
Рис 69 Столбчатые фундаменты:
и — из сборных стаканов и монолитной ленты; б — столбчатые под кирпичные стены.
9 — детали монолитных фундаментов; к — сборные стаканы под колонны каркаса; д -
индустриальные изделия — сборные стаканы: / — наружная стена; Я — столбчатые
фундаменты; J - сборные перемычки (ранДбалкн); 4 — цокольная панель; 5 — сборные
колонны 6 стаканы под колонны; 7 — сборный фундамент; б — фундаментные плиты
перекрестных лент (под каркасное сооружение) (рис. 71). Такие
фундаменты .(вместо отдельных под каждую стойку) уменьшают
неравномерность осадок и при одной и той же площади подошвы
имеют по сравнению с массивными неармированными фундамен-
тами значительно меньшую высоту, а следовательно, и меньший
объем.
Сплошные (плитные) фундаменты имеют мало отличающиеся
длину и ширину, но высота их в несколько раз меньше. На ри-
сунке 72 показан фундамент водонапорной башни в виде сплош-
ной железобетонной плиты, а на рисунке 73 — плитнйй фундамент
насосной станции.
Массивные фундаменты из каменной кладки или бетона обычно
делают под тяжело нагруженные опоры мостов, путепроводов,
154
0 ip IP
Pkc. 70. Ленточные фунда-
менты:
a — сборныЛ непрерывный; б —
монолитны!; в — влементы сбор-
но* конструкции фундаментов;
/ — блоки стен подвала; 2 —
фундаментные подушки; J —
стена подвала; 4 — подошва
монолитного фундамента
0,35
0,95
М а
Рис. 71. Групповые фунда-
менты и в виде перекрестных
лент (ленточные):
о — групповой сборно-моиолмт.
ный под стоечные опоры путе-
провода; б — в виде перекрест,
лык лент под каркасное соору-
жение; / — плита-подушка; 2 —
подколенник
Рас, 72. Плитный фундамент водонапорной башка
акведуков и других сооружений Они имеют большой объем, но
компактную форму Примером может служить изображенный на
рисунке 74 бутобетонный фундамент под промежуточную опору
моста Глубина заложения фундамента принята на 4 м ниже по-
верхности земли с учетом 1,о м на размыв грунта вокруг опоры
Ввиду того что несущая способность нескального грунта осно-
вания значительно меньше, чем сопротивление материала фунда-
мента нагрузкам, площадь подошвы фундамента приходится де-
лать больше площади, по которой он воспринимает нагрузку от
сооружения (т е ширина подошвы фундамента должна быть
больше ширины его верхнего обреза) Поэтому фундамент прихо-
дится уширять книзу в виде трапеции или делать его ступенчатым
Рас. 73. Платный фундамент насосной станция
1Б6
Рве, 74, Фуидшмвт промежуточно* опоры
моста
J — амгжоплвствчвм! сугвввовс f — волу-
тмрдая глава (Г^ — 0.18, а — 0,79):
• * уровсжь мажеамваьвого равным
(уступами) (рис. 76) Увеличение
площади подошва (развитие фун-
дамента) обусловливается харак-
тером работа материала фунда-
мента под нагрузкой
Для жестких фундаментов
(из бута, бутобетона, бетона),
плохо работающих на изгиб, сле-
дует проектировать такое по-
перечное сечение (профиль), при
котором материал будет рабо-
тать в основном на сжатие Уши-
рение подошвы возможно до
такого предела, когда линия, про-
веденная от крайней точки по-
дошвы под так называемым
нормативным углом жесткости а*
к вертикали (углом распределе-
ния сжимающих напряжений в
материале), нигде не пересечет
линии уступов Иногда из этих соображений для развития по-
дошвы жесткого фундамента до необходимых размеров прихо-
дится идти на увеличение глубины заложения
Рве 75 Схемы поперечного сечения жестких фундаментов
а — весвааааетрвчвого ступенчатого, б — сваамвтрпчвого ступенчатого, а —
свашетрвчвого с ваклонвымв граввмв
30. Проектирование фундаментов
Основания и фундаменты рассчитывают на наиболее неблаго-
приятные сочетания из возможных одновременно действующих
нагрузок во время строительства н эксплуатации зданий и соору-
157
жений в соответствии со СНиП «Нагрузки и Воздействия» и
СТ СЭВ 1407—78
Проектирование фундаментов неглубокого заложения обычно
начинают с назначения отметок обреза и заложения подошвы от-
носительно поверхности грунта Затем рассчитывают наименьшую
площадь, а следовательно, и наименьшие размеры подошвы фун-
дамента При этом, чтобы в дальнейшем можно было производить
расчеты осадок по теории линейио-деформируемой среды, необ-
ходимо выполнить обязательное условие чтобы расчетное давле-
ние по подошве фундамента Р от действующих нагрузок не пре*
вышало расчетного сопротивления грунта основания R, т е.
выполнялось бы условие
Если на некоторой глубине ниже подошвы фундамента зале-,
гает слой более слабого грунта, чем непосредственно под подош-:
вой, то проверяют прочность этого слоя При необходимости при-
бегают к одному из упомянутых ранее конструктивных решений,
(см рис 68, 69) После установления размеров подошвы проекти-
руют поперечное сечение (профиль) тела фундамента по условиям
жесткости материала
Если возможна потеря устойчивости основания и сооружения
(при существенных горизонтальных нагрузках, расположении
фундаментов на откосах, косогорах и т д) выполняют расчет
по устойчивости
Затем приступают к расчету по второй группе предельных
состояний — по деформациям для выполнения условия (131)
Если его выполнить невозможно, прибегают либо к развитию
(в разумных пределах) площади фундамента, либо применяют свай-
ный фундамент или искусственное основание После этого расчеты
фундамента повторяют
Выбор отметки обреза фундамента Для фундаментов граж-
данских и промышленных зданий отметку обреза фундамента, по
которому обычно укладывают гидроизоляцию, предохраняющую
стены и пол от капиллярной сырости, принимают не менее чем на
5 см ниже нулевой отметки (уровня чистого пола), но выше (не
менее чем на 5 см) отметки наружной отмостки или планировоч-
ной отметки Отметка обреза фундамента зависит также от высоты
подвала или технического подполья, а также от конструктивной
схемы здания и стен
Для фундаментов опор акведуков, мостов, водопропускных
труб отметку плоскости обреза назначают обычно на 0,5 м ниже»
самого низкого горизонта воды На реках с интенсивным ледохо-
дом обрез фундамента заглубляют с таким расчетом, чтобы давле-
ние льда целиком воспринималось опорой, которой для этого при-
дают специальное сечение, а не фундаментом На местности, не
покрытой водой, обрез назначают на 10 15 см ниже отметки по-
верхности грунта
158
Выбор глубины заложения фундамента. Выбор рациональной
глубины заложения (отметки подошвы) фундамента зависит от
назначения и конструктивных особенностей здания и сооруже-
ния; величины и характера действующих на фундамент нагрузок;
геологических и гидрогеологических условий площадки строи-
тельства; глубины заложения фундаментов примыкающих зданий
и сооружений, а также оборудования; степени возможного раз-
мыва грунта у опор; глубины сезонного промерзания и оттаива-
ния грунтов. В зависимости от названных условий глубину зало-
жения фундамента выбирают на основе технико-экономического
сравнения различных вариантов.
Глубину сезонного промерзания и оттаивания грунтов учиты-
вают при назначении глубины ааложеиия фундамента для пучи-
иистых грунтов основания. Эти грунты при замерзании в них воды
увеличиваются в объеме, а после оттаивания дают значительные
осадки. В пучинистых грунтах при расположении подошвы фун-
дамента в зоне промерзания иа него могут действовать значитель-
ные силы пучения. Если эти силы превысят давление на грунт под
фундаментом, то в процессе промерзания могут произойти сущест-
венные и неравномерные подъемы фундамента, а при последую-
щем оттаивании — неравномерные деформации осадки.
К пучинистым грунтам относятся мелкие и пылеватые пески,
а также глинистые и крупиообломочные грунты с глинистым за-
полнителем, расположенные вблизи (в зоне капиллярного под-
питывания) грунтовых вод.
К не подверженным пучению относятся скальные и крупно-
обломочные грунты с песчаным заполнителем, а также пески гра-
велистые, крупные и средней крупности. Глубина заложения фун-
дамента в них может быть принята независимо от глубины про-
мерзания.
Глубину заложения фундаментов неотапливаемых зданий и
сооружений на пучинистых грунтах назначают не менее расчетной
глубины их промерзания. Для мостов и гидросооружений глубина
заложения фундамента должна превышать глубину промерзания
не менее чем на 0,25 м.
Для отапливаемых зданий и сооружений глубину заложения
фундаментов иа пучинистых грунтах назначают в зависимости от
влажности грунтов, возможности миграции и подтягивания к ним
при промерзании дополнительной воды из нижележащих водонос-
ных горизонтов, в частности за счет капиллярного поднятия от
уровня грунтовых вод. Предельное капиллярное поднятие прини-
мают равным 2 м. Поэтому если уровень грунтовых вод находится
от планировочной отметки на глубине, равной расчетной глубине
промерзания плюс 2 м, то в мелких и пылеватых песках любой
влажности, а также в супесях твердой консистенции глубину за-
ложения фундамента назначают без учета промерзания. Во всех
же остальных случаях заглубление фундаментов принимают не
менее расчетной глубины промерзания, за исключением случаев,
159
когда основание представлено суглинками, глинами и крупнооб-
ломочным грунтом с глинистым заполнителем, консистенция кото-
рых 1L < 0,25 В этих условиях глубина заложения должна быть
не менее 0.5 расчетной глубины промерзания
Для фундаментов внутренних стен и колонн отапливаемых
зданий во всех грунтовых условиях глубину заложения прини-
мают независимо от глубины промерзания при условии, что в пе-
риод строительства грунты основания будут защищены от увлаж-
нения и промерзания
Минимальную глубину заложения фундаментов во всех грун-
тах, кроме скальных, рекомендуется принимать не менее 0,5 м.
считая от поверхности наружной планировки
Расчетную глубину сезонного промерзания грунта dj у фунда-
ментов определяют по формуле
d, - k^, (134)
где kn — коэффициент, учитывающий влияние теплового режима адаиня на
глубину промерзания грунта у фундаментов стен и колонн, для неотапливаемых
зданий н сооружений йд — 1,1, а для отапливаемых в зависимости от конструк-
ции пола и наличия подвала, согласно СНиП, kn = 0,4 1,0, dfn — норматив-
ная глубина промерзания, определяемая по данным многолетних наблюдений
под лишенной снега поверхностью на участке предполагаемого строительства,
по схематической карте, приведенной в СНиП 2 01 01—82 «Строительная климато-
логия и геофизика», либо иа основе теплотехнических расчетов в зависимости от
средней отрицательной температуры наружного воздуха
Определение площади и размеров подошвы фундамента. Для
принятой глубины заложения фундаментов назначают форму
подошвы и путем расчета находят ее площадь и размеры в плане
Форму подошвы обычно выбирают в зависимости от конфигура-
ции в плане надфундаментной конструкции Она может быть квад-
ратной, прямоугольной, ленточной (под всем зданием и сооруже-
нием, под отдельные колонны, стены), круглой, кольцевой, много-
угольной (под водонапорные, силосные и другие башни, трубы,
опоры дождевальных агрегатов «Фрегат») и более сложных очер-
таний
Основным расчетом, как уже отмечалось ранее, является рас-
чет по второй группе предельных состояний, т е по деформа-
циям Однако его можно вести только подбором Для этого путем
последовательного приближения назначают размеры подошвы,
подсчитывают напряжения по ней и осадку, постепенно добиваясь
одновременного выполнения условий (130) и (131) Естественно,
что такой расчет весьма затруднителен Поэтому для большей
определенности и уменьшения вычислительной работы размеры
подошвы предварительно назначают из условия, чтобы среднее
давление Р иа основание под фундаментом было равно значению
расчетного сопротивления Яо. принимаемому в зависимости от
вида и состояния грунта основания по таблицам СНиП 2 02 01—83
В них значения даны для условных фундаментов шириной
= 1 ми глубиной заложения d9 = 2 м
160
Табличными расчетными сопротивлениями допускается поль-
зоваться и при окончательном назначении размеров фундаментов
и сооружений III и IV класса, если их основания однородны и
сжимаемость грунтов под подошвой не увеличивается до глубины,
равной двойной ширине наибольшего фундамента. Если же ши-
рина и глубина заложения этих фундаментов отличаются от при-
нятых в таблицах, то для них расчетное давление на грунт уточ-
няют по специальным формулам в зависимости от проектных раз-
меров фундаментов. Это уточненное сопротивление грунта осно-
вания, хотя и назначается по простейшим характеристикам грунта,
по сути и значению примерно соответствует расчетному сопротив-
лению подсчитываемому по формуле (132) по непосредствен-
ным прочностным характеристикам грунта. Поэтому оно также
называется расчетным сопротивлением грунта основания и обозна-
чается /?.
Как видим, для зданий и сооружений III и IV класса показа-
тель прочности основания — расчетное сопротивление грунта R
можно определять двумя способами: непосредственно — по проч-
ностным характеристикам грунта и косвенно — по табличным
показателям физического состояния грунта. Недостаток послед-
него способа состоит в том, что им нельзя определить R для грун-
тов рыхлого сложения и текучей консистенции.
Площадь и размеры подошвы фундамента определяют по из-
вестным формулам теории сооружений для центрального и вне-
центренного сжатия под действием расчетных нагрузок и уточняют
расчетом по деформациям, а в некоторых случаях — и по устой-
чивости. При этом распределение контактных напряжений по
подошве фундамента принимают по линейному закону. Необходи-
мо стремиться, чтобы это напряжение распределялось по всей
площади подошвы наиболее равномерно.
С этой целью определение размеров подошвы начинают с вы-
бора положения ее центра относительно оси надфундамеитной
конструкции сооружения (опоры, колонны и т. д.). Затем все
вертикальные и горизонтальные силы, действующие на фундамент,
переносят в плоскость его подошвы. Если равнодействующая вер-
тикальных нагрузок проходит через центр тяжести подошвы фун-
дамента, то такой фундамент будет работать, как центрально
нагруженный. Нормальные напряжения под его подошвой распре-
деляются равномерно, и такой фундамент на однородных грунтах
не будет испытывать крен. В этом случае при расчете по напря-
жениям требуется наименьшая площадь подошвы, так как проч-
ность грунта используется максимально по всей площади опирания.
Если же равнодействующая приложена с эксцентриситетом
по отношению к центру подошвы, то фундамент будет енецентренно
нагруженным. Такое нагружение может быть следствием передачи
надфундаментными конструкциями на основание момента, гори-
зонтальных составляющих сил, а также одностороннего бокового
давления грунта. При внецентреиной нагрузке осадка фунда.
161
мента будет неравномерной, например в виде крена в сторону
эксцентриситета Прочность грунта на сжатие при этом будет ис-
пользована не по всей площади подошвы, а лишь на ограниченном
участке с наибольшими напряжениями, а остальная часть пло*
щади будет недогружена
Размеры подошвы центрально нагруженных фундаментов опре-
деляют (предварительно) из условия, чтобы среднее давление по
подошве от центральной нагрузки не превышало расчетного со-
противления грунта основания R
Р = (АГ + Q)(A < R, (136)
гд е — расчетная нагрузка на фундамент, Q — нагрузка от массы фундамента
к грунта на его обрезах, А — площадь подошвы фундамента
Выразим вес фундамента и грунта на его обрезах (рис 76, д)
как вес условного фундамента ABDC, равный
Q = Ad^ptf, (136)
где ап — глубина заложения фундамента. рф — плотность материала фунда-
мента, Р — коэффициент, учитывающий меньшую плотность грунта на обрезах
фундамента по сравнению с плотностью его материала В зависимости от соот-
ношения объемов и плотностей тела фундамента и грунта в пределах условного
фундамента ABBD значение коэффициента ₽ может колебаться от 0,6 до I Учи-
тывая сравнительно небольшие колебания значения плотности материала наи-
Рис 76 Эпюры контакт-
ных давлений для различ-
ных случаев нагружения
фундаментов
в — равнодействующая вер-
тикальных вагруаок при-
ложена центрально б —
то же, находится в преде-
лах ядра сечевия подошвы
• — то же. совпадает с коя
то же выходят же ядра се
и формуле (136)
туром ядра саченвя, в ~
меняя, 9 — расчетная схеме
162
более часто применяемых конструкция фундаментов и грунта, для предваритель-
ных расчетов можно принять 0 = 0,85.
Тогда площадь подошвы А, м1, при расчетном сопротивлении
грунта R можно определить по формуле
А = N/(R - dnp^Pg). (137)
Для определения размеров сторон подошвы (ширины b и
длины Z) по найденной площади А задаются соотношением сторон
п = lfbt добиваясь одинакового выноса фундамента во все стороны
от внешних границ надфундаментной конструкции. Тогда после
определения ширины подошвы b = У А/п можно найти и /. Для
ленточных фундаментов Ь = А 1, так как нагрузки для них
определяют на 1 м длины.
Затем по полученной ширине фундамента Ъ уточняют расчет-
ное сопротивление грунта основания R по формуле (132). После
предварительного вычисления основных размеров фундамента
(глубины заложения, сторон подошвы) нх назначают оконча-
тельно путем расчета по деформациям, а затем конструируют тело
фундамента: назначают его уступы, рассчитывают арматуру и т. д.
Размеры внецентренно нагруженных фундаментов определяют
из условия, чтобы максимальное осевое давление на грунт у края
подошвы, вычисленное из предположения его линейного распре-
деления под подошвой, не превышало 1,2Я, а в угловой точке —
1,б₽:
Рып = (^ + Q)/А ± Mx/Wx ± <1,2/?, (138)
где Мх и М9 — моменты относительно главных осей подошвы фундамента от
принятых нагрузок; Wx и W9 — моменты сопротивления сечения подошвы отно-
сительно тех же осей.
Если выяснится, что дополнительное напряжение от моментов
(или одного момента, действующего относительно одной главной
оси) составляет менее 20 % от среднего напряжения, т. е. от
(N + Q)M, то расчет ведут по формуле (136) как для центрально
нагруженного фундамента без учета составляющей от момента.
В противном случае расчет приходится вести путем постепенного
подбора размеров фундамента до удовлетворения условия (138).
Чтобы упростить вычисления, для многих схем фундаментов раз-
работаны графики, таблицы, номограммы, а также составлены
программы для расчета на ЭВМ.
Внецентренно нагруженные фундаменты могут иметь симме-
тричную и несимметричную формы поперечного сечения (профиля).
В фундаментах несимметричной конструкции уширение уступов
несимметрично по отношению к вертикальной оси, и она не совпа-
дает с центром тяжести подошвы.
Для симметричных фундаментов размер подошвы зависит от
эксцентриситета равнодействующей по отношению к их оси.
Для прямоугольных фундаментов не следует допускать эксцен-
триситет более е = д/6.
163
N
Рис 77 Расчетная схема к проверке
прочности слабого подстилающего
слое
Чтобы уменьшить влияние
большого эксцентриситета нагруз-
ки и выровнять давление по по-
дошве, фундаменты делают ме-
симметричными Для этого их
развивают в направлении эксцент-
риситета, приближая по возмож-
ности центр тяжести подошвы к
вертикали приложения равно-
действующей силы Когда эксцент-
риситет достигает значения е <
< О.ОЗЗЬ, его можно уже не
учитывать и проектировать несим-
метричный фундамент как цент-
рально нагруженный, так как при
этом наибольшее Р^ и наимень-
шее Рплп краевые давления на
грунт отличаются от среднего давления РОр не более чем на
20 %
Проверка прочности подстилающего слоя. В случае если на
некоторой глубине от подошвы залегает слой слабого грунта или
слой с меньшей, чем под подошвой, несущей способностью (см
рис 66, а), необходимо проверить его прочность, а также уточ-
нить, возможно ли -при расчете по деформациям применение тео-
рии линейно-деформируемых тел Проверка заключается в срав-
нении полного напряжения на кровле этого слабого слоя на глу-
бине z 4- dn от подошвы (рис 77). слагающегося из природного
давления грунта Рщ, = дополнительного давления от фун-
дамента azPoc и расчетного сопротивления грунта на глубине г
(кровле слабого слоя) определяемого по формуле (ПО) То-
гда условие прочности подстилающего слоя будет иметь вид
оо < (139)
где uag — природное давление на кровле слабого слоя, равное uag «= y[|dn +
4- Рое — дополнительное давленое по подошве фундамента, равное PQO =
“ Рср — Тц^п» а> — коэффициент рассеивания давления Р^. по мере глубины
Учитывая рассеивание напряжений в грунте под фундаментом,
при вычислении расчетного сопротивления слабого слоя
нужно предусматривать ббльшую площадь, чем площадь подошвы
проектируемого фундамента Поэтому R* определяют как для
условного фундамента, имеющего глубину заложения на отметке г
и условную площадь Луоя = (N 4- QMa^oo) Ширину условного
фундамента Ь^я определяют по формуле
+ (140)
где а = (/ — Ь)/2, /, 6, (N 4- Q) — соответственно длина, ширина и нагрувка
на основание проектируемого фундамента
164
81. Проектирование гибких
железобетонных фундаментов
Гибкий фундамент работает во взаимодействии со сжимаемым
основанием, и проектировать такой фундамент нужно с учетом
упругих свойств грунта, т е как конструкции (балки, плиты,
рамы) на упругом основании. Поэтому для гибких фундаментов,
кроме расчета по предельным деформациям основания, обязателен
расчет на прочность при изгибе
К гибким относят железобетонные фундаменты, у которых
(согласно расчетам строительной механики для изгибаемых кон-
струкций) в условиях плоской деформации отношение высоты
к длине меньше Ч9 Те фундаменты, ширина которых превышает
l/t их длины, считают плитами
Размеры подошвы железобетонных фундаментов назначают,
пользуясь теми же расчетами, что и для жестких фундаментов.
Затем приступают к расчету и конструированию тела фундамента
как железобетонной конструкции Для этого определяют изгиба-
ющие моменты и перерезывающие силы для ряда расчетных се-
чений. По полученным данным определяют поперечные размеры
сечений и необходимое количество арматуры, а следова-
тельно, и размеры элементов фундамента по высоте и его
форму
После этого под наиболее характерными точками гибкого
фундамента определяют осадки и их неравномерность (они не
должны превышать предельно допустимых значений)
Наибольшие трудности представляет определение реактивных
(контактных) давлений грунта по подошве фундамента на упругом
основании От этого зависит правильное назначение моментов,
перерезывающих сил и расчет осадки в сечениях Расчетные за-
висимости (модели грунта) для определения контактных
напряжений и осадок гибких фундаментов составляют из рас-
смотрения условий совместной работы основания и сооруже-
ния
В простейших случаях (для железобетонных фундаментов не-
ответственных сооружений) для предварительных прикидок, рас-
чета массивных днищ шлюзов, фундаментных плит подпорных
стенок на песчаных грунтах, отдельных фундаментов-башмаков под
стойки сооружений (см рис 70) и ленточных железобетонных фун-
даментов под стены каркасных зданий (см рис 71) допускается
принимать линейное распределение реактивных напряжений по
подошве, как это принято для жестких фундаментов Для пере-
численных типов фундаментов допущение о линейности контакт-
ных напряжений не вносит существенной погрешности в определе-
ние высоты фундамента н подбора арматуры
Для более ответственных сооружений необходимо учитывать
сложный криволинейный характер изгиба фундамента и распреде-
ления контактных напряжений
165
Методы и приемы прочностных расчетов гибких фундамент
как балок на упругом основании излагаются в курсе «Сопротивле,
ние материалов»
Для ускорения практических расчетов предложены ориги-
нальные приемы и решения в виде многочисленных таблиц и гра
фиков, составлены программы для ЭВМ В связи с этим следует
отметить большую роль отечественных ученых в создании экоио^
мичных расчетов фундаментных балок и плит на упругом (линейном
деформируемом) основании Решения, нашедшие широкое приме*,
некие в практике проектирования, были разработаны проф'
Н П Пузыревским, Н М Герсевановым, М И Горбуновыми
Посадовым, Б Н Жемочкиным, И А Сима ул иди, О Я Шехтер,
Г В Крашенинниковой, И К Самариным и др
Глава 9 РАСЧЕТ ЕСТЕСТВЕННЫХ ОСНОВАНИЙ
32. Определение конечных осадок
Применение формул теории упругости для определения осадою,
грунтов в замкнутом виде дает достоверные решения только при*
небольших площадях сооружений (фундаменты зданий, опор
мостов, акведуков, колонн) и однородных грунтах или при не-
глубоком расположении • от подошвы фундамента несжимаемого
слоя Для повышения точности расчетов ограничивают глубину
деформируемой эоны под фундаментом (модель упругого слоя на,
жестком основании), а также принимают другие ограниче-
ния
Осадки промышленных и гражданских зданий и сооружений
определяют с учетом заглубления фундаментов в грунт Поскольку
ниже уровня их подошвы грунты за период своего существования
уже уплотнились от природного давления, то сжимающим дав-
лением будет дополнительное (к природному) давление рав-
ное среднему давлению по подошве Рор минус природное (быто-
вое) на уровне заложения фундамента
^оо — ^ор — ^<*,0 (141)
Согласно этой формуле, теоретически можно построить соо-
ружение с осадкой, равной нулю Для этого необходимо заглу-
бить фундамент до такой отметки, где природное давление Рср
будет равно среднему давлению от сооружения ogtr0 Тогда
сжимающее Рос давление будет равно нулю, и основание не будет
испытывать дополнительного сжатия Такие решения на практике
принимают довольно часто для ответственных сооружений (на-
пример, для высотных зданий ) 11
Для расчета осадок гидротехнических сооружений, а также
для оснований, рассчитываемых по методу линейно-деформируе-
мого слоя конечной толщины, принимают, что осадка вызывается
166
полным средним давле-
нием по подошве фун-
дамента (без вычета при-
родного давления).
Определение осадки
слоя грунта при сплош-
ной нагрузке (основная
задача). Если слой
грунта толщиной h
(рис. 78), безгранично
распространяющийся в
стороны и подстилаемый
Рис. 78. Схема сжатия слоя грунта при сплош-
ной равномерной нагрузке
несжимаемым и водонепроницаемым (для случая определения пол-
ной консолидированной осадки водоиасыщенного грунта) слоем
(скалой), несет сплошную нагрузку по всей поверхности, то он
будет сжиматься только в вертикальном направлении и не иметь
возможности к боковому расширению. Этот случай аналогичен
компрессионному сжатию образца грунта в невысоком цилиндре
с жесткими стенками, рассмотренному ранее. К условиям компрес-
сионного сжатия близки условия уплот ення нагруженного фун-
даментом шириной Ь природного слоя грунта сравнительно не-
большой мощности (h <. 0,5b), подстилаемого несжимаемой тол-
щей. По всей высоте такого слоя вертикальное сжимающее напря-
жение можно считать постоянным и равным интенсивности на-
грузки Р. Поэтому для определения полной стабилизированной
осадки рассматриваемого слоя при сплошной нагрузке пользуются
результатами компрессионных испытаний. При этом подсчитывают
осадку в зависимости от принимаемых показателей сжимаемости
по следующим формулам:
S-Mei-e«)/(l + *>).
(142)
или считая изменение коэффициента пористости прямо пропор-
циональным изменению давления [формула (43)], характеризу-
ющимся коэффициентом уплотнения Се:
S = СОРЫ(\ 4- ej, (143)
или принимая Cr/(1 + *i) ™ G.,
где Сж< — коэффициент относительной сжимаемости,
S = Ce.hP. (144)
„Для определения вертикальных деформаций слабых грунтов,
зависимость сжимаемости от давления которых носит криволиней-
ный характер (например, лёссовых просадочных и вечномерзлых
грунтов), используют другой показатель сжимаемости — относи-
тельное сжатие, или модуль сжатия е, получаемый компрессион-
ными испытаниями: е = ДЛ/Л в С9иР. Тогда формула осадки
слоя имеет следующий вид:
S = еЛ. (145)
167
При использовании для подсчета модуля деформации £, оп-
ределяемого с учетом возможности бокового расширения грунта
(например, в случае небольшого по площади фундамента), учиты-
вают и зависимость между этим модулем и коэффициентом ком-
прессионного сжатия Се, выражающуюся через безразмерный
коэффициент р Осадку в этом случае определяют по формуле
S-ft-j-p (146)
Согласно СНиП 2 02 01—83, коэффициент р принимают по-
стоянным для всех грунтов, он равен 0,8 Если же исходить иаГ
формулы Р — 1 — 2v*/(l — v), то для глин р — 0,43, а для пе-1
сков р в 0,76 Таким образом, по сравнению с условиями, когда
боковое расширение невозможно, при условии р = 0,8 почти в два
раза завышают осадку сооружений на глинах, а осадку песчаных
оснований оставляют неизменной Таким путем устраняется недо-
учет роли пористости при структурных деформациях грунта, пере-
оценка влияния на осадку коэффициента бокового расширения рв,
и результаты расчетов сближаются с натурными
Для фундаментов небольшой ширины на слабых грунтах (на-
пример, лессовых просадочных) возможность бокового расшире-
ния учитывают в пределах деформируемой от нагрузки фунда-
мента эоны с помощью коэффициента условий работы /С.| Тогда
формула (145) принимает вид
5., = (147)
где — коэффициент условий работы, принимаемый по BCH-II-23—7S
в пределах деформируемой эоны равным 1,3 1,6 (мощность этой зоны состав-
ляет 1,5 ширины фундамента), а по СНиП 2 02 01—83 подсчитываемый по эм-
пирической формуле, в4( — относительная просадочность слоя
Для определения осадок сооружений на сильно сжимаемых
грунтах и при больших интервалах изменения их давления и
коэффициента пористости (например, насыпных или торфяных
оснований) нелинейность деформаций учитывают логарифмиче-
ским характером компрессионной кривой
e,-ei--B-ln(P+Q. (148)
где В н С — параметры, значения которых определяют опытным путем
По предложению профессора Н Н Иванова, принявшего для
упрощения С = 0, это уравнение будет иметь вид
*«=*1—эг** а49)
Тогда осадка слоя грунта, по данным компрессионных испыта-
ний, исходя из нелинейности деформаций, будет определяться
формулой *
<««»
где Pj к Р9 — соответственно начальное и конечное значения давления
168
Параметр компрессионной кривой определяют по опытам
или в соответствии со значением принимают по специальной
таблице.
Определение осадки неоднородного (слоистого) основания —
способ послойного суммирования деформаций. При слоистом
напластовании грунтов разной сжимаемости осадку фундамента
или сооружения находят суммированием осадок каждого неболь-
шого по мощности слоя, залегающего в пределах активной (де-
формируемой) толщи. Распределение напряжений по глубине
(для середины каждого слоя) находят по формулам линейно-де-
формируемого полупространства. При этом учитывают только
максимальные (осевые) сжимающие напряжения о. по вертикали
под центром подошвы фундамента. Это несколько компенсирует
неучет других нормальных напряжений (оу и ох), бокового рас-
ширения грунта, ограничения глубины сжимаемой эоны. Расчетные
осадки по этому способу оказываются близки к наблюдаемым.
В пределах каждого из слоев напряжение считается постоян-
ным по глубине, равным среднему значению, что без больших
погрешностей можно принять лишь при небольшой мощности
слоя (Л < 0,56 по условиям основной задачи — сжатия слоя
при сплошной нагрузке). Поэтому каждый отдельный слой разби-
вают по высоте на расчетные слои мощностью h < 0,46, приводя
таким путем неоднородное основание к условиям основной задачи.
Разбивку на расчетные слои проводят в пределах сжимаемой толщи
основания, ниже которой уплотнение под действием природного
давления уже настолько велико, что напряжение от дополнитель-
ной нагрузки не может заметно его увеличить. В соответствии
с этим глубина сжимаемой (активной) эоны основания ограничи-
вается такой глубиной а, на которой дополнительные напряже-
ния охр от внешней нагрузки на этой отметке не превышают не-
которую часть давления от собственного веса грунта о^:
«.₽<*£ ViiA. (151)
где л — число слоев в пределах активной воны; Д — коэффициент, который
по СНиП 2.02.01—83 принимают равным 0,2; при модуле деформации нижнего
слои Е <6,0 МПа К = 0,1; дли гидротехнических сооружений принимают
Д — 0,5 (СНиП 11-16—76).
Как видим, единого мнения о приеме определения мощности
активной зоны до сих пор не выработано. Глубина зоны сжатия
Зависит от напряжений на нижней ее границе, уплотненности и
структурной прочности грунтов на этой глубине. Поэтому наибо-
лее правильным можно считать предложение Н. А. Цытовича, от-
вечающее физической природе явления, определять активную
эону из условия ожр < Ротр, где Ротр — структурная прочность
глинистых грунтов. Существуют также предложения по ограниче-
нию мощности сжимаемой зоны такой глубиной, ниже которой де-
169
формации будут меньше заданных, значениями которых в расче-
тах можно пренебречь, например <1 % от полной осадки
С учетом сказанного формулы для определения осадок спо?
собом послойного суммирования будут составляться из соответ-
ствующих приведенных выше формул для осадки слоя ограничен^
ной мощности и иметь вид
s-gfc‘-^r- (,52>
«-Дс.л.а.р.Л, (153)
S-ДвЛК,; (155)
5 = <,б6>
<"1
2,3 °**'* )ht
<1б7>
На рисунке 79 приведена рекомендуемая СНиП 2 02 01—83
схема для расчета осадок методом послойного суммирования по
модели линейно-деформируемого полупространства с условным
ограничением глубины сжимаемой толщи Но Принимается, что
для фундаментов шириной или диаметром менее 10 м осадка вызы-
вается дополнительным давлением, равным разности среднего да-
вления (от фундамента) и природного (от собственного веса грунта
до выемки котлована), это давление вычисляют по формуле (141)
Определение осадки по методу общих упругих деформаций
Ее определяют строго по теории упругости для упругого полу-
пространства и для упругого слоя ограниченной конечной тол-
щины, лежащего на несжимаемом основании Однородный грунт
рассматривают здесь как линейно-деформируемое пространство.
Осадку точек, лежащих иа поверхности грунта, загруженного
равномерно распределенной нагрузкой по круговой, эллиптиче-
ской и любой прямоугольной площади, получают интегрированием
по этой площади выражения для вертикальных перемещений точки
упругого полупространства (формула Буссинеска (93)1 от дей-
ствия элементарной сосредоточенной силы Формулам придают
170
Рис. 79. Схема для расчета осддож мето*
дом послойного суммирования:
DL — отметка планировки; NL — отметка
поверхности природного рельефа; PL —
отметка подошвы фундамента; WL — уро-
вень подземных вок ВС — нижняя граница
I г «г tit:
жевня фундамента соответствен во от уровня
плакировки и поверхности природного
рельефа; Ь — швряна фундамента; Р —
среднее давление под подошвой фунда-
мента; Ров — дополнительное давление
на основание; и ®xg,0 — вертикальное
напряжение от собственного веса гр
на глубине а от подошвы фундамента
уровне подошвы; <Т я — дополните!
к природному вертикальное непрям,
от внешней нагрузки ла уровне подошвы
фундамента, определяемое по формуле
ozp • ~Р~ czg, • <*"“ фундаментов ши-
риной Ь > 10 м принимается PQO — о
в Р*‘ °гр дополнительное напряжения
ределяемое по формуле ах,
цнй кэмененне Дополи мт^ ___________________л_________________________
лице 1 СНиП 2.02.01 —83 в аавнскмости от относительной глубины | » 2я/Ь. формы по-
дошвы. а для прямоугольного фундамента — от отношения его сторон т| — l/о (длины /
и ширины о); nQ — глубина сжимаемой тол|дн под фундаментом, принимаемая до от-
метин. где о — 0.2 t — эпюра о- » — эпюра 0.2о__; 3 — эпюра о__
на глубине в от подошвы фундамента, оп-
1 иХр “ “^хв.е “«(*— бж- е). где а — коэффициент, учитываю*
[мтедьмого давления в грунте по глубине и npi--------*-----
-83 в аавнскмости от относительной глубины |
принимаемая до от-
удобный для использования вид, значения коэффициентов приво-
дятся в таблицах.
Для прямоугольной площади подошвы осадку определяют по
формуле Шлейхера
sw - ^1=^ , (158)
где о» — коэффициент, учитывающий форму площади подошвы в жесткость
фундамента (определяется по таблице); b — ширина фундамента.
Рис. 80. Схема дли расчета осадок ме-
тодом лмнейно-деформируемого слоя
конечной толщины
Определение осадки по схеме
лннейно-деформнруемого слоя
конечной толщины (рис. 80).
СНиП рекомендует применять
этот метод в двух случаях:
1) если в пределах активной
зоны расположен грунт с £х >
100,0 МПа и толщиной /4,
удовлетворяющей условию 5*
яе (1 — V Е»/Е1), где £> —
модуль деформации грунта,
подстилающего слой грунта с
£х; 2) для фундаментов боль-
ших размеров (ширина или диа-
метр более 10 м. а £ ^ 10 МПа).
Принимается, что осадка в этих
случаях вызывается полным
средним давлением Р от фун-
дамента (без вычета природного
давления).
171
Расчетную толщину линейно-деформируемого слоя в первом
елучае считают до кровли грунтов о Ео 100,0 МПа, во вто-
ром — определяют по формуле
^раоч = (Я„ + *6»»р. (168)
где Яо я ф пркпимашт равными для освованкй м глинистых грунтов соответ-
ственно 9м к 0,15, а для песчаных 6 м 0,1, Л»»0,8 при Р*=100 кПа
и 4, = 1,2 ори Р = 500 кПа Р
Осадку определяют по формуле
/—1
Kt-1
25
(160)
где и km — табличные коэффициенты, соответственно зависящие от отношения
упругого слоя Ярасч х половине ширины или радиусу фундамента и ширины
фундамента b и значения Е, Kt — табличный коэффициент, определяемый в за-
висимости от формы подошвы, соотношения сторон и относительной глубины
залегания слоя.
Определение осадки по методу эквивалентного слоя грунта.
Предложено Н А Цытовичем для упрощения техники вычислений,
базируется на теории линейно-деформируемых тел
Эквивалентным слоем грунта Л, называют такой слой, осадка
которого S при сплошной, равномерно распределенной нагрузке
(основная задача для компрессионного сжатия) в точности равна
осадке Synp фундамента ограниченных размеров при той же на-
грузке на большой толще основания (полупространстве), т е
S = ^упр (Рис 81)
Таким образом, по этому методу пространственная задача
расчета сводится к одномерной, что дает возможность легко опре-
делить не только конечную стабилизированную осадку фунда-
мента, но и затухание ее во времени
Толщину эквивалентного слоя грунта h* определяют, под-
ставляя в выражение 5 — S™ соответствующие значения из
формул (146) и (158)
Рис 81 Схема приведения пространственной за-
дачи определения осадки к одномерной в методе
эквивалентного слоя
172
В формуле (146) для коэффициента 0 принимают выражение
0 = 1 —> а вместо h подставляют А».
Затем решают уравнения относительно А.:
Pfu /. 2v« \ ePMl—v1)
в V -----------------'
откуда
«•Ь.
Обозначив постоянный для данного грунта коэффициент
(1 — v)V(l — 2v) — G, получим
А. - Cub (161)
Таким образом, мощность эквивалентного слоя грунта зави-
сит от бокового расширения грунта (коэффициент С), от формы
и жесткости фундамента (коэффициент со) и пропорциональна
ширине его подошвы Ь. Для определения А» составлена вспомо-
гательная таблица коэффициентов эквивалентного слоя Си как
для вычисления максимальной, средней и угловой осадки гибких
фундаментов, так и абсолютно жестких
Подсчитав мощность эквивалентного слоя как произведения
найденного по таблице коэффициента Сео и ширины фундамента
по формуле (161), находят осадку по одной из формул (142)
(151), например по (144),
3 = АвСвР (162)
Для слоистого основания осадку методом эквивалентного слоя
можно определить приближенно, подсчитав в пределах сжимае-
мой толщи Я, равной Н » 2Л», осредненный показатель сжима-
емости
33. Расчет осадок во временя
Полных осадок различные грунты достигают в течение разного
времени Осадки песков завершаются к моменту окончания строи-
тельства сооружения, а осадки глинистых оснований продол-
жаются длительный период, иногда десятки и сотни лет Этот
процесс затухания осадок во времени (их консолидация) имеет
весьма сложный характер Он зависит от водопроницаемости,
структуры, порового давления, ползучести скелета грунта и свя-
занной воды, сжимаемости защемленного и растворенного в по-
ровой воде воздуха, условий нагружения и других факторов.
При сжатии грунта нагрузка преодолевает сопротивление
выдавливаемой из пор воды, а также деформирующегося грунто-
вого скелета и оболочек связанной воды Поэтому скорость дефор-
мации водонасыщенных грунтов определяется соотношением между
скоростью уплотнения скелета (в результате или быстрого раз-
178
рушения в нем структурных связей, или медленного вязкоплас-
тического нх течения) и скоростью выдавливания воды
Если поры грунта заполнены свободной и слабосвязанной во-
дой, а прочность структурных связей невелика (иеуплотненные
суглинки, супеси, весьма мелкие пески, илы и слабые глины ниже
уровня грунтовых вод), скорость уплотнения в основном опреде-
ляется фильтрационной способностью грунта При большой струк-.
турной прочности, преобладании прочносвяэанной пленочной
воды (плотные и маловлажные глины) и весьма медленном нара-
стании ползучих деформаций скелета и оболочек связанной воды
она определяется характером протекания в грунте вязкопласти-
ческих деформаций В зависимости от того, какой из факторов
преобладает, различают фильтрационную и пластическую (в ре-
зультате ползучести) консолидации грунта под нагрузкой Наи-
более часто процесс уплотнения обусловливается в разной степени
обоими видами консолидации
Так как для водонасыщенных грунтов в начале процесса сжа-
тия скорость уплотнения обычно определяется преимущественно
интенсивностью выжимания воды, а в конце — скоростью плас-
тических деформаций ползучести, то фильтрационная консолида-
ция называется первичной, а пластическая — вторичной
Обобщенного математического решения в замкнутом виде за-
дачи консолидации осадки в настоящее время нет Это объясня-
ется сложностью и наложением процессов одновременно протека-
ющих обоих видов консолидации Наиболее детально разработана
и применяется на практике фильтрационная теория консолидации
Приближенное ее решение было дано К Терцаги (1925), а затем
развито Н М Герсевановым, Д Е Польшиным, В А Флориным,
С А Роза, Н А Цытовичем, Ю А Зарецким, М В Малыше-
вым и рядом зарубежных ученых
В общем виде промежуточную (нестабилнзированную) осадку
в данный момент времени t от начала приложения нагрузки
можно определить из выражения
St = QtS. (163)
где S — полная конечная (стабилизированная) осадка, Qt — степень уплотне
иия (консолидации) грунта, показывающая, какую часть от полной осадки со-
ставляет осадка в данное время t, Qt представляет собой отношение площади
эпюры уплотняющих давлений в основании во время t к площади стабилизиро-
ванной эпюры
Значение Qt зависит от вида эпюры сжимающих давлений и
от условий фильтрации (односторонняя или двусторонняя) и яв-
ляется функцией показателя Nt
Nt = ляСр//4Л1. (164)
где — мощность слоя, С9 — коэффициент консолидации, определяемый по
формулам
«ли (165)
174
С учетом изменения во времени площади различных видов
эпюр сжимающих напряжений, а также условий фильтрации и ре-
шаются дифференциальные уравнения теории фильтрационной
консолидации. Значения и Nt для различных расчетных слу-
чаев, полученные по этой теории, приводятся в специальных таб-
лицах (С. С. Вялов, 1978).
Затухание осадки рассчитывают, задаваясь Qt и определяя
из формулы (164) время, через которое она произойдет.
Учету ползучести глинистых грунтов при определении осадок
и устойчивости подпорных сооружений во времени посвящены
работы многих исследователей, в том числе Н. Н. Маслова,
М. Н. Гольдштейна, Г. И. Тер-Степаняна, Н. А. Цытовича,
С. С. Вялова, С. Р. Месчяна, Ю. К. Зарецкого и др. Полученные
ими на основе теории линейной наследственной ползучести решения
еще довольно сложны для практического применения и требуют
получения большого количества дополнительных характеристик
грунта, а поэтому рассматриваются в специальной литературе
(И. А. Цытович, 1979 г.).
34. Определение неравномерных осадок
Неравномерность осадок фундаментов одного и того же здания
или сооружения может вызываться разностью абсолютных оса-
док этих фундаментов, поскольку они имеют разные размеры,
форму, глубину заложения, нагрузки и пригрузки; влиянием
напряжений грунта в основании соседних фундаментов, а также
разной по величине и времени протекания сжимаемостью (неод-
нородностью) грунта под ними. Причиной неравномерной осадки
(крен, перекос, изгиб и т. д.) отдельного фундамента может быть
как внецентренное нагружение, так и различие в сжимаемости
грунта основания в пределах контура подошвы здания и соору-
жения.
Для отдельно стоящего жесткого внецентренно нагруженного
фундамента (опора моста, акведука; дымовые трубы, различные
башни и другие подобные сооружения) осадки рассчитывают,
как для штампа, лежащего на поверхности однородного линейно-
деформируемого полупространства. СНиП 2.02.01—83 рекомен-
дует определять крен прямоугольных и круглых фундаментов по
формуле
<166>
где Е — средний модуль деформация; v — средний коэффициент бокового рас-
ширения грунта основания, принимается для грунтов: крупиообломочных v —
= 0,27; для песков и супесей v = 0,30; суглинков v= 0,35; для глин v = 0,42;
kg — коэффициент, зависящий от формы фундамента, направления действия мо-
мента, относительной толщины линейно-деформируемого слоя Я, принимается
по таблице СНиП; N — вертикальная составляющая равнодействующей всех
нагрузок на фундамент в уровне его подошвы; е — эксцентриситет; а — диаметр
176
круглого нлн сторона прямоугольного фундамента, в направлении которой лей,
ствует момент (для фундамента с подошвой в форме правильного многоуголь»
ника площадью А принимается а — КЛТй); km— коэффициент, принимаемый
в зависимости от значения Е и ширины фундамента b равным 1 ... 1,6.
Средние значения модуля деформации Е и коэффициента бо-
кового расширения у определяют по формулам
<,67>
где A t — площадь эпюры дополнительных давлений по оси фундамента в преде-
лах толщины /-го слоя грунта с £f,
------i=l----. (168)
i—i
Для фундаментных плит больших размеров расчетные крены,
вычисленные по приведенным выше формулам, превышают на-
турные, поэтому СНиП рекомендуют значения кренов для фун-
даментов шириной b 10 м уменьшить в 1,5 раза.
Крен отдельных жестких фундаментов, вызванный влиянием
соседних фундаментов, различных пригрузок, а также неодно-
родностью грунтов основания в плане и по глубине, определяют
по выражению
i - (Sx — SJ//, (169)
где Si и S, — осадки середин противоположных сторон или углов фундамента;
/ — расстояние между рассматриваемыми точками.
Осадку фундамента с учетом влияния нагрузки от соседних
фундаментов определяют методом угловых точек. Он основан на
решении Д. Е. Польши на, который показал, что осадка угловой
точки гибкого прямоугольного фундамента равна одной четверти
осадки центра того же фундамента, но при половинной толщине
деформируемого слоя. Вертикальные напряжения на глубине г
по вертикали, проходящей через угловую точку прямоугольного
фундамента, вычисляют по формуле
*.₽,. = (“!/4)(Р - Д (170)
где <хк — коэффициент рассеивания напряжений по глубине основания, опреде-
ляемый по таблице СНиП при условия замены Е на — V2 —
Учитывая выражение (170) и принцип независимости действия
сил, вертикальные напряжения от влияющего фундамента azp a
на нормали, проходящей через точку Л, определяют алгебраи-
ческим суммированием напряжений в угловых точках четырех
фиктивных фундаментов (с тем же давлением Pg), располагае-
мых так, чтобы точка А была для всех них угловой (рис. 82).
в ^«p.ej- (171)
176
Рис. 82. Схема к определению дополнительных вертикальных напряжений а
в основании рассчитываемого фундамента с учетом влияния соседнего фунда-
мента методом угловых точек:
о — схема расположена* рассчитываемого / и влияющего 2 фундаментов; б — схема
расположении фиктивных фундаментов с указанием анака напряжений Cj формуле
(171) под углом /-го фундамента.
Тогда вертикальные напряжения на любой глубине по вертикали,
проходящей через центр рассчитываемого фундамента, с учетом
влияния соседних фундаментов <гжр,п/ можно подсчитать по фор-
муле
*
ffxp, п/ = °яр “1“ ®хр, at* (172)
где k — число влияющих фундаментов.
ЗБ. Проектирование оснований
по первой группе предельных состояний
Расчет оснований по первой группе предельных состояний
(по несущей способности) заключается в обеспечении прочности
и устойчивости грунтов основания в период строительства и
эксплуатации здания или сооружения. Он обязателен в случаях,
когда:
на основание передаются значительные горизонтальные на-
грузки (подпорными стенками, фундаментами распорных кон-
струкций, гидротехническими подпорными сооружениями и др.),
в том числе сейсмические;
фундамент или сооружение в целом расположены на бровке
откоса или вблизи крутопадающего слоя грунта;
в конструкции самого земляного сооружения имеются от-,
косы, которые могут потерять устойчивость под действием соб-
ственного веса, фильтрационных и других нагрузок;
основание сложено водонасыщенными глинистыми и заторфо-
ванными грунтами (при степени влажности Sr 0,85 и коэффи-
циенте консолидации с* < 1 X 107 см’/год);
основание сложено скальными грунтами.
Несущую способность (предельное сопротивление) основания Fu
оценивают предельным давлением или предельной нагруз-
кой FB, которую она может воспринять.
177
Для нескальных оснований несущая способность соответствует
состоянию предельного равновесия грунта, когда даже при самом
незначительном увеличении напряжений грунт разрушается по
различным поверхностям скольжения (выдавливание из-под фун-
дамента, сползание откосов, сдвиг по контакту с подошвой фун-
дамента и т. д)
При расчетах в качестве критерия прочности принимается ус-
ловие Кулона, которое для состояния предельного равновесия,
грунта будет иметь следующий вид
Tup —AiptgVi + ci (173)’
Для основания, сложенного медленно уплотняющимися водо-.
насыщенными пылевато-глинистыми и биогенными грунтами (при*
степени влажности S, 0,85 и коэффициенте консолидации
св < 107 см*/год), предельное сопротивление основания должно
определяться с учетом возможного нестабилизированного со-
стояния грунтов за счет избыточного давления в поровой воде и
При этом формула (173) будет иметь вид
т.р = (аир —«Otgtpj-f-ci (174)
При высоких темпах возведения сооружения или интенсивного
нагружения его эксплуатационными нагрузками, при отсутствии
в основании дренирующих слоев грунта или дренирующих уст-
ройств допускается принимать (для запаса прочности) избыточное
давление в поровой воде, равное нормальному напряжению по
площадкам скольжения (и = о), или значения <Pi и cj. соответству-
ющие нестабилизированному состоянию грунтов основания
Методов расчета предельного давления Рпр (предельного со-
противления основания Fu) и устойчивости грунтов, основанных
на использовании условия (108) с теми или иными предположе-
ниями и упрощениями, много Поэтому при проектировании не-
обходимо сравнивать натурные условия работы основания с при-
нятыми в этих методах расчета и выбрать достоверную схему
Все методы расчета несущей способности грунтов основания
можно разбить на две группы
к первой относятся более строгие методы, по которым пре-
дельное давление и форму поверхностей скольжения в основании
определяют с помощью системы дифференциальных уравнений
предельного состояния,
ко второй — приближенные методы, в которых расположе-
нием поверхностей скольжения задаются заранее, а предельное
давление определяют из условия потери основанием устойчи-
вости
Эти методы позволяют решать следующие задачи, определе-
ние начальной критической нагрузки (предела пропорциональ-
ности) и расчетного сопротивления грунтов основания Я, предель-
ной критической нагрузки на грунт и предельного сопротивления
основания Fu, устойчивости откосов и массивов грунта, устой-
178
чивости сооружений на сдвиг; давления
грунтов на подпорные стенки и т. д.
Аналитическое определение начальной
критической (по формуле Н. П. Пузырев-
ского) и предельной критической нагру-
зок (по формуле В. Г. Березанцева), а так-
же расчетного сопротивления грунтов Я
было дано ранее. Давление грунтов на под-
порные стенки излагается в курсе «Теория
сооружений». Поэтому здесь рассмотрены
лишь приближенные расчеты несущей
способности н устойчивости грунтов на
сдвиг, наиболее применяемые в практике
проектирования.
Аналитические методы. Вертикальную
составляющую силы предельного сопро-
тивления основания Nu по СНиП реко-
мендуется определять аналитическим пу-
тем, если грунты ниже подошвы однородны
до глубины не менее ширины фундамента,
а интенсивность большей нз различных
меры фундамента при оп-
ределении предельного
сопротивления основания
в случае внецентренной
нагрузки по формуле (176)
вертикальных нагрузок с разных сторон фундамента не превы-
шает половины расчетного сопротивления R основания. В слу-
чае внецентренного приложения равнодействующей внешней на-
грузки F в расчет по условной схеме (рис. 83) принимается
только та часть площади фундамента, для которой можно при-
нять центральное приложение нагрузки и равномерное распреде-
ление напряжений р0 по подошве.
Формула для определения Nu имеет следующий вид:
Nu = Ь'Г (N^b’y, + NJUUd + NAfii). (175)
где bf и I* — приведенные соответственно ширина и длина фундамента, вычис-
ляемые по формулам, м,
b' = Ь - 2еь; Г = / - 2еь (176)
где еь иег — соответственно эксцентриситеты приложения равнодействующих
нагрузок в направлении поперечной и продольной осей фундамента, м; причем
буквой b или I обозначена сторона фундамента, в направлении которой предпо-
лагается потеря устойчивости основания; Nq\ N* — безразмерные коэффи-
циенты несущей способности, определяемые по таблицам СНиП 2.02.01—83
в зависимости от расчетного значения угла внутреннего трения <pj и угла наклона
к вертикали бь равнодействующей внешней нагрузки Fp в уровне подошвы фунда-
мента; Yj и Yj — расчетные значения удельного веса грунтов, кН/м*, находящихся
в пределах возможной призмы выпирания соответственно ниже кли выше по-
дошвы фундамента-; — расчетное значение удельного сцепления грунта, кПа;
d — глубина заложения фундамента со стороны наименьшей нагрузки (напри-
мер, со стороны подвала), м; Еу. Ес — коэффициенты формы фундамента,
определяемые по формулам
Е, = 1 - 0.25/Т); Е, = 1 1.5/ч; Е. = 1+ 0.3/п. (177)
179
где d = //ft, здесь I и b — соответственно джина н ширина подошва фундамента,
а в случае внецентренного нагружения — приведенные аначеиия Ъ' и Г на фор-
мулы (176) Если т] = l/b< 1, то в формулан (177) следует принимать 4=1.
Угол наклона к вертикали бо равнодействующей внешней
нагрузки на основание определяется иэ условия
tg в. = FJF„ (178)
где Рд в Fo — соответственно горнаонтальвая и вертисоспимяжициа
внешней нагрузки на основание Fv в уровне подошвы фундамента.
Расчеты по формуле (175) допускается выполнять, если со*
блюдается условие
tg 6е < 8!П ф|. (179)
В случае невыполнения условия (179) следует рассчитывать
фундамент на сдвиг по подошве (см расчет по схеме плоского
сдвига)
Графоаналитические методы. Используют для расчета несу*
щей способности оснований (устойчивости оснований и откосов)
в тех случаях, когда невозможно применить аналитические На-
пример, когда основание неоднородно по глубине, возможно воз-
никновение его нестабилизированного состояния, интенсивность
большей из неодинаковых боковых пригрузок превышает 0,5/?,
сооружение располагается на откосе или вблизи него Наиболее
универсальным и- простым является метод круглоцилиндрическнх
поверхностей скольжения, предложенный М М Гришиным По
этому методу значение несущей способности грунта основания
как предельного сопротивления грунта сдвигу непосредственно
не подсчитывают, а определяют соотношение моментов снл, удер-
живающих грунт от сдвига по поверхности скольжения, к мо-
менту сдвигающих сил Эго отношение оценивает несущую спо-
собность основания и называется коэффициентом надежности
(запаса) ?„ который должен быть не менее 1,2
Его значение определяют по выражению
Ь=Т»№» (180)
где т» Те — коэффициенты на формулы (130), учвлпакжим соответственно
вид состояние трунтов основания в класс сооружения.
Для оценки устойчивости грунта основания на сдвиг из про-
извольно выбранного на некоторой вертикали центра О вычер-
чивают дугу окружности радиусом г (для плоской задачи — круг-
лоцнлицдрическую поверхность скольжения), по которой можно
ожидать сдвиг (рис 84) Через точку или ребро подошвы фунда-
мента, а также через нижнюю точку земляного откоса можно
провести много таких поверхностей скольжения Поэтому поверх-
ность, для которой ожидаются наихудшие условия устойчивости
(минимальный коэффициент vJ, находят путем ряда последова-
тельных построений и определений.
180
Рис. 84. Схема к расчету устойчивости сооружения на
сдвиг по круглоцнлиндрнческнм поверхностям скольже-
ния в грунте
Принимают, что сооружение вместе с частью основания и
обратной засыпкой, ограниченное круговой поверхностью, пред*
ставляет собой твердое тело н вращается вокруг точки О. Тогда
все сдвигающие и удерживающие силы приводят к действующим
по кривой скольжения и определяют коэффициент запаса.
Нагрузки Go от сегмента грунта ABCD и от веса сооружения Я
переносят по направлению их действия на кривую скольжения.
Равнодействующую R раскладывают на нормальную N и каса-
тельную Т силы. (Нагрузку Go на линии кривой скольжения про*
ектируют только как нормальную силу.)
Удерживающими силами будут силы трения (равные нормаль-
ным силам JV, умноженным на коэффициент трения tg <pt) и сцеп-
ления с^, действующие по проведенной дуге круга длиной L,
а сдвигающими — касательные составляющие Т равнодейству-
ющих нагрузок.
Тогда, рассматривая относительно точки О отношение момен-
тов удерживающих н сдвигающих сил, получим коэффициент
устойчивости запаса отсеченной части основания с сооружением
и в = 4- О) tg <рт 4- ciM г (N + О) tg <pi 4- CfL #1814
Тв МСДв Tr Т • ' '
Для нахождения минимального коэффициента устойчивости
уона повторяют подобные построения и вычисления, приняв
центры вращения Olt О», 0| лежащими выше и ниже точки О
на той же вертикали» а также на вертикалях, расположенных
правее и левее исходной.
Если значение у“,п окажется недостаточным для обеспечения
устойчивости сооружения, то увеличивают глубину его заложения
181
о
Рис 85 Схема к расчету
устойчивости земляного от-
коса
Ряс 86 Схема к расчету на плос-
кий сдвиг гидросооружения
(заглубляя расчетные кривые скольжения и повышая тем самым
сопротивление сдвигу) или развивают фундамент, снижая на-
грузки и наклон равнодействующей
Метод круглоцилиндрнческнх поверхностей скольжения при*-
меняют также для приближенной оценки устойчивости откосов
земляных сооружений и крупных природных склонов Отсекаемой
кривой скольжения (радиусом г из взятого на некоторой верти-*
кали центра вращения О) земляное тело А ВС К (рнс 85) делят"
вертикальными плоскостями на несколько отсеков Нагрузку otf
веса грунта каждого отсека раскладывают на кривой скольжения
на нормальную Nt и касательную 7\ силы Тогда устойчивость
откоса оценивают коэффициентом у, по формуле, аналогичной
(181)
2j Nt tg<Fll + ciiL /1Я9Ч
()
Положение наиболее опасной кривой скольжения (минималь-
ный коэффициент надежности у™,п) находят так же, как н в пре-
дыдущем случае При недостаточной устойчивости откоса проекти-
руют более пологое его заложение и повторяют расчет
Устойчивость сооружения на плоский сдвиг по поверхности
основания (подошве фундамента) обязательно проверяют в случае
действия на сооружение значительных горизонтальных усилий
(рис 86), которые могут превысить предельное сопротивление
сил трения и сцепления в контактной плоскости Коэффициент
надежности при этом определяют по формуле
Т. _ = (Af-Pgy + Xtl + £1-- э. 1,2. (183)
где АГ и 7 — соответственно вертикальная и горизонтальная составляющие на-
грузок на грунт в наиболее невыгодном сочетании, V — гидростатическое н
гидродинамическое противодавление, Еа вм Еа я— соответственно активное и
пассивное давление грунта
182
При расположении на некоторой глубине под подошвой соо-
ружения слабой прослойки расчет на плоский сдвиг по плоскости
кровли слабого слоя грунта выполняют аналогично.
Зв. Расчет нескальных оснований
гидротехнических сооружений
Основания гидросооружений рассчитывают по двум группам
предельных состояний. По первой группе — для обеспечения об-
щей устойчивости системы сооружение — основание и склонов
(массивов) по несущей способности. При этом должно выполняться
условие, аналогичное (130),
(184)
где Тп и Лс — соответственно коэффициенты надежности и сочетания нагрузок,
принимаемые согласно СНиП по проектированию речных я гидротехнических
сооружений; уе — коэффициент условий работы, принимаемый в зависимости
от вида сооружения и основания равным 0,75 ... 1,15. Для сооружений на на-
скальных основаниях и для земляных откосов и склонов уо = 1.
По второй группе состояний — деформациям (перемещениям)
сооружений — для ограничения перемещений допустимыми пре-
делами, с целью обеспечения нормальной эксплуатации сооруже-
ния или назначения его строительного подъема по условию (131).
Расчет устойчивости оснований. Несущую способность (проч-
ность на сдвиг оснований и устойчивость гидросооружений)
рассчитывают по одной из следующих трех схем сдвига.
По схеме только плоского (без поворота) сдвига по горизонталь-
ной плоскости определяют устойчивость сооружений на основа-
ниях, сложенных песчаными, крупнообломочными и маловлаж-
ными глинистыми грунтами, если выполняется условие
ЛГ„ = с Б. (185)
а также для оснований из влажных глин при выполнении, кроме
предыдущего, следующих условий:
tgih-t8<Pi + -^->0.45; (186)
>4- (187)
В этих формулах No — число моделирования; 0^ и оср — соответственно
максимальное нормальное напряжение в угловой точке и среднее по подошве
сооружения; Ъ — размер стороны (ширина) прямоугольной подошвы сооруже-
ния, параллельной сдвигающей силе; Б — безразмерный критерий, для плот-
ных песков Б = 1, а для всех остальных грунтов Б " 3; tg — расчетное зна-
чение коэффициента сдвига; с° — коэффициент степени консолидации; — про-
должительность возведения сооружения; /ц, — расчетная толщина консолиди-
руемого глинистого слоя; сс — коэффициент уплотнения грунта.
За расчетную поверхность сдвига в зависимости от конструк-
ции сооружения принимают его плоскую горизонтальную подошву
183
Рис 87 Схема расчета несущей способности осно-
вания и устойчивости гидросооружений при сме-
шанном сдвиге
а—б — участок плоского сдакга. б. а — участок сдакга
с выпором грукта. б а а д-б — аока выпора
или плоскость, проходящую через подошву зубьев, или по кон-
такту сооружения с каменной постелью, или постели с грунтом
и т д
Расчетные значения несущей способности (предельное сопро-
тивление плоскому сдвигу) FUtUa и сдвигающей силы Ftta для
обеспечения устойчивости сооружения (184) определяют по фор-
мулам
F«, пл = Р tg <pi + 0,7Ея . 4- Fclt (188)
Fa>e = Г.-|-Еа Тл,
где Еа и Ел в — соответственно расчетные вначения пассивного давления
со стороны низовой грани сооружения и активного давления с верховой грани,
Тв и 7Я — соответственно горизонтальные составляющие расчетных активных
сил с этих сторон (за исключением активного давления грунта)
По схеме смешанного сдвига выполняют расчет устойчивости
сооружений на однородных основаниях, когда не соблюдаются
условия (185) (187) На участке основания а—б под частью Ьв
сооружения (рис 87) происходит плоский сдвиг, под частью со-
оружения Ь, а на участке б—в—г—д — сдвиг с выпором грунта
Поэтому силу предельного сопротивления по схеме смешанного
сдвига Fu, вм определяют как сумму сопротивлений по указанным
двум участкам по формуле
Fu.cm = (<rOptg<J>i +cI)ft,/4-tBpbiZ, (189)
где Тпр — предельное касательное напряжение на участке сдвига с выпором,
определяемое в зависимости от значения несущей способности Fu на этом участке,
подсчитанного методами предельного равновесия, и — соответственно
расчетные значения ширины участков подошвы сооружения, на которых проис-
ходит сдвиг с выпором и плоский сдвиг
Значение определяют по приведенным в СНнП П-16—76
графикам в зависимости от значения овр При эксфнтриситете
eN нормальной силы N в сторону нижнего бьефа в формуле (189)
вместо bi и Ь2 следует принимать 5*. ЬГ, Ь2 условного фундамента
(где b* = b — 2еЛГ, a = b\b*/b)
184
Расчет устойчивости оснований по схеме глубинного сдвига
необходим для сооружений, несущих только вертикальную на-
грузку, а также для несущих вертикальную и горизонтальную
нагрузки н расположенных на неоднородных основаниях, если
не выполняются условия (185) ... (187). Этот расчет допускается
вести только строго по методам, удовлетворяющим условиям
равновесия грунтовых оснований в предельном состоянии, либо
другими методами, результаты которых согласуются со строгими
решениями.
Расчет деформаций. Перемещения (осадки и горизонтальные
смещения) гидросооружения определяют с учетом всех составля-
ющих нормальных напряжений оХ1 ov, os. Это дает более точные
результаты по сравнению с рассмотренными ранее способами
определения осадок с учетом только осевых (вертикальных) сжи-
мающих напряжений.
Рекомендациями СНиП II-16—76 сложное напряженное состоя-
ние грунта в основании гидросооружений учитывают при опреде-
лении осадок в неявном виде посредством соотношения модулей
деформации грунта. В зависимости от видов сооружений и схем
расчета перемещений принимают различные значения модулей
(Е, Евр, Епр). За основные, исходные, принимают модули, полу-
чаемые наиболее распространенными, простыми и надежными
способами, в основном компрессионными испытаниями, реже —
полевыми штамповыми.
Несоответствие между напряженным состоянием грунта в ком-
прессионном приборе и в основании сооружения, а также разли-
чия в значениях модулей деформации, полученных при компрес-
сионных и штамповых испытаниях, учитывают при определении
расчетного модуля деформации /-го слоя основания Et по форму-
лам
Et = EiPmo; (190)
= («о
где Et — модуль общей деформации, определяемый по ветви первичного сжатия
компрессионной кривой; а> — коэффициент пористости грунта, соответствующий
напряжению от собственного веса грунта в средине /-го слоя; — то же, соот-
ветствующий суммарному напряжению от веса сооружения и природного давле-
ния; лц -= те — коэффициент, принимаемый равным 1 для сооружений, имею-
щих ширину менее 2и м иди площадь в плане менее 500 ы*. и равный 1,5 — для
больших сооружений.
Средний модуль общей деформации Еор слоистого основания
в пределах сжимаемого слоя определяют по формуле
, (192)
Latht
где а< — коэффициент, учитывающий уменьшение по глубине сжимающего дав-
ления (СНиГГ Il-15—74).
185
Влияние бытового (природного) давления на осадку (разуплот-
нение грунта дна котлована вследствие снятия нагрузки от веса
вынутого из котлована грунта) учитывают с помощью приведен-
ного модуля общей деформации всего сжимаемого слоя, его
определяют по формулам
₽ ₽ __________2*_______
=- “ г £ .
( 1 — у )°«<’ •
\ сб ср /
Ея „„ = , £«_.—£.ft~ft,
’ «i—
(193)
(194)
где <тв — среднее от внешних нагрузок напряжение по подошве сооружения,
— бытовое давление от веса грунта на уровне дна котлована до его выемки;
не, — коэффициенты пористости грунта, соответствующие напряжениям а®
и ох<, •, определяемые по ветви вторичного сжатия компрессионной кривой
Расчет осадок Выполняют в зависимости от того, каким из
двух видов представлено основание
1) основание сложено сравнительно быстро уплотняющимся
и водопроницаемым несвязным грунтом, а также связными грун-
тами при коэффициенте степени консолидации с® 4,
2) основание сложено плотными связными грунтами при с* <
<4, а также грунтами, склонными к ползучести
Для основания первого вида конечную осадку определяют
способом послойного суммирования осадок в пределах сжимаемого
слоя по формуле
(195)
где оЖр. t — нормальное напряжение в середине i-го слоя основания от внешних
нагрузок н пригрузок (без вычета бытового давления)
Для основания второго вида конечная осадка S складыва-
ется из осадки сооружения к моменту окончания процесса кон-
солидации Slr подсчитанной как для основания первого вида,
и осадки За, вызываемой деформациями ползучести грунта осно-
вания S,= Si + Sa Для грунтов с показателем текучести 0 <
< /г < 0,5 осадку ползучести допускается принимать равной
0,35Slf при значениях 1L >0,5 осадку St определяют по резуль-
татам исследований свойств ползучести грунта
Неконсолидированную осадку Sf к моменту времени t опре-
деляют по решениям одномерной, или плоской, задачи фильтра-
ционной консолидации с учетом поэтапного возведения сооруже-
ния При предварительных расчетах 3< бетонных ~и железобетон-
ных сооружений допускается подсчитывать по эмпирической фор-
муле, полученной статистической обработкой результатов на-
турных наблюдений
S, = S,(I
(196)
186
где Sf — конечная осадка сооружения к моменту окончания процесса консоли-
дации; е — основание натуральных логарифмов; t — время (в годах); р — коэф-
фициент размерностью I//. принимаемый по специальному графику в зависимости
от отношения толщины сжимаемого слоя к ширине фундамента.
Расчет крена. Крен i = tg <опоа бетонных и железобетонных
сооружений с прямоугольной подошвой на однородном и горизон-
тальном слоистом основании при внецентренном приложении
нагрузки и действии пригрузки определяют по формуле, аналогич-
ной <166), но с другими коэффициентами (приведены на графиках
СНиП-16—76).
Определение расчетных и предельных горизонтальных смеще-
ний бетонных и железобетонных гидросооружений. Определяют
для эксплуатационного периода по модели двухслойного неодно-
родного основания — сжимаемого (смещаемого) слоя ограничен-
ной толщины — вариационным методом по формулам, приведен-
ным в СНиП. Длина расчетного участка, на котором происходит
горизонтальное смещение» не ограничивается пределами подошвы
сооружения, а выходит за ее пределы на расстояние, определяемое
экспериментальными или натурными исследованиями.
Горизонтальные смещения определяют в зависимости от того»
каким из упомянутых выше двух видов грунтовых оснований
представлен смещаемый слой. Для однородного основания пер-
вого вида Ui определяют по формуле
иг = 6 (Q/26Ee), (197)
где Q — горизонтальная сила; й — длина расчетного участка; Е^ — модуль де-
формации, принимаемый для глинистых грунтов основания равным 1,2 Епр,
для песчаных — 1,5 О — функция, определяемая при mop — Не1В12 по фор-
муле «
«-О —O-rfO +"«2p)4-me»(3-2v)arctgjji-j. (198)
где — расчетная толщина смещаемого слоя, принимаемая равной 0,4 сум-
марной ширины подошвы и длины анкерного понура.
Для оснований второго вида, если касательные напряжения
т в основании по подошве сооружения больше касательных на-
пряжений порога ползучести» общее расчетное горизонтальное
смещение будет равно сумме для основания первого вида и
смещения за счет деформации ползучести £/t, которое допускается
принимать так же» как и при расчете осадки вследствие ползу-
чести.
Предельные горизонтальные смещения рассчитывают по
формуле
= -ЧЬяг- «-₽ (Я“Р+°-3"* Аг) ’ <199>
где Qnp — предельная сдвигающая сила; Нл — толщина сжимаемого слоя
грунта; E/j—модуль деформации грунта по глубине сжимаемого слоя Яа;
/тпр — толщина смещаемого слоя к моменту достижения сооружением пре-
дельного состояния, принимаемая равной Япр = 0.4 ... 0,3/та; ти—без-
187
раамерякй коэффициент. определяемой по результатам яспжтпкй грунтов т»
ходом сдвига штампов.
В результате расчета горизонтального смещения сооружения
принятой конструкции (с заданными шириной и длиной анкер-
ного понура) должно выполняться основное условие расчета по
деформациям (131)
U о I/..
Глава 10. ИСКУССТВЕННЫЕ ОСНОВАНИЯ
К искусственному основанию прибегают в случаях» когда грунт
слабый и проектировать фундамент на естественном основании
не представляется возможным, а применять сваи или фундаменты
глубокого заложения нецелесообразно по технико-экономическим
соображениям
Улучшение свойств слабых грунтов (повышение их прочности»
уменьшение сжимаемости и водопроницаемости) достигается:
уплотнением путем сближения частиц механическими или физи-
ческими воздействиями, т е увеличения массы грунта в единице
объема, закреплением, когда различными физико-химическими
средствами повышают структурную прочность на контактах ча-
стиц грунта природного сложения или заполняют поровое про-
странство между* ними каким-либо вяжущим материалом, пе-
реработкой с уплотнением (выемка» размельчение, увлажнение,
послойная укладка и уплотнение грунта) или о укреплением
(добавка в размельченный грунт вяжущих и других активных
веществ с последующим уплотнением смеси).
В соответствии с этим все методы устройства искусственных
оснований можно разбить на три группы: 1) механическое изме-
нение свойств грунтов основания (укатка, трамбование, гидро-
виброуплотнение ит д), 2) полная или частичная замена грунтов
основания или их переработка (грунтовые подушки, грунтовые
сваи, грунтовые покрытия под дороги, аэродромы и т д), 3) фи-
зико-химическое улучшение свойств грунтов основания (уплотне-
ние водопонижением, замачивание лессовых грунтов, силикати-
зация, цементация, обжиг, электроукрепление и т д)
Выбор метода устройства искусственного основания решают
в каждом конкретном случае на основе технико-экономического
сравнения в зависимости от следующих факторов физико-меха-
нических свойств грунтов, конструкции сооружения; наличия
специализированного технологического оборудования
37 . Принципы расчета искусственный оснований
Искусственные основания» так же как и естественные» рас-
считывают по двум группам предельных состояний: 1) по проч-
ности и устойчивости и 2) по деформациям.
188
Расчет по прочности. Заключается в назначении такого рас-
четного сопротивления грунта основания J?a.o и таких размеров
подошва фундамента, при которых среднее давление от сооруже-
ния Pop не превышало ба расчетного, т. е. выполнялось условие
ЛфСЯв-о- (200)
Расчет по устойчивости массива. Выполняют в случае слабых
оплывающих грунтов, не удерживающих откос и не воспринима-
ющих активное боковое давление от уплотненного массива, когда
возможен сдвиг внутри тела основания под влиянием вертикаль-
ной нагрузки. Устойчивость определяют на основе аналитических
решений теории предельного равновесия или приближенными
графоаналитическими методами, изложенными ранее.
По выбранному расчетному способу устанавливают необхо-
димые прочностные характеристики уплотненного грунта искус-
ственного основания (угол внутреннего трения <р и сцепления с),
при которых его устойчивость будет обеспечена. По этим харак-
теристикам, используя зависимость изменения их от плотности —
влажности, принимают необходимую плотность (коэффициент
пористости) грунта.
Расчет по деформациям. Заключается в определении такой
мощности искусственного основания, при которой суммарная оса-
дка SoyM (осадка массива основания £.<>+ осадка подстилаю-
щего природного грунта SH) не должна превышать предельно до-
пустимой осадки для сооружения SB
50yM = SB.o4-51I<S1!. (201)
Расчетное давление иа искусственное основание RK. о опре-
деляют в зависимости от придаваемой массиву основания плот-
ности н конечной влажности. В проектах необходимую плотность
грунта, обеспечивающую прочность н устойчивость массивов ис-
кусственных оснований, назначают и выражают через плотность
сухого грунта р0,в.0 (плотность скелета).
В зависимости от типа, назначения и ответственности со-
оружений, вида и метода уплотнения принимают для песков
Pd,B.о в 1.7 ... 1,9 т/м®, а для глинистых грунтов pd,B.о =
= 1,65 ... 1,75 т/м8. Тогда для назначенной pdtB. о коэффициент
пористости уплотненного грунта искусственных оснований ев. о,
учитывая, что плотность твердых частиц р, при уплотнении оста-
ется неизменной, можно подсчитать по формуле
®в. о ~ (p*/Pd. . о) — 1 • (202)
Для предварительных расчетов при назначении ев. о можно
пользоваться таблицами СНиП, принимая ев. о как для грунтов
плотных или средней плотности (а для глинистых — меньшее из
приведенных в таблицах СНиП).
189
Конечную влажность (при степени водонасыщенности = 1)
искусственного основания для водонасыщенных грунтов можно
определить исходя из формулы
= pjoou о/еж о = 1.
где а»ж о — конечная влажность уплотненного водонасыщенного грунта, долм
единицы
Тогда
о = е. о/Р. (203)
Для иеводонасыщенных уплотняемых грунтов конечную влаж-
ность можно назначать равной оптимальной влажности уплот-
нения Шопт (при минимальной затрате работы на уплотнение)?
Для глинистых грунтов шопт «nip-Ь (0,01 0,03), а для пе-
сков в зависимости от метода уплотнения шопт = (0,8 . 1,0) Sr
После определения ев 0 и шв о находят по таблицам СНиП
соответствующее этим значениям табличное расчетное сопро-
тивление ₽0, а с его помощью по формуле (137) — предваритель-
ные размеры подошвы фундамента.
С учетом полученной предварительной ширины фундамента и
минимального его заложения (с последующими уточнениями)
определяют расчетное давление на грунт искусственного основа-
ния J?B о и окончательные размеры фундамента (см § 30)
Расчет мощности по деформациям Мощность искусственного
основания по деформациям (осадке) можно определить путем
подбора, так как в формуле (201) приходится оперировать двумя
неизвестными SB о и SH, зависящими от одной переменной —
мощности искусственного основания Яв о
Кардинальным решением будет улучшение грунта в пределах
всей сжимаемой (или деформируемой) толщи под сооружением
/70Ж Тогда его осадка будет незначительна она будет соответ-
ствовать уплотнению лишь самого массива основания Однако
из экономических соображений допускают Яв о < Яож с учетом
выполнения условия (131), а для расчета мощности вместо под-
бора применяют графоаналитический способ, строя по глубине
деформируемой зоны эпюры SoyM = 5В о + SH и откладывая
не ScyM значение SB Глубина, на которой выполняется условие
ScyM — SB, и будет искомой мощностью искусственного основания.
38 Поверхностное н глубинное уплотнение
грунтов механическими способами
Поверхностное уплотнение Его выполняют путем укатки
грунтов гладкими и кулачковыми катками, виброкатками, виб-
роплитами н трамбованием легкими и тяжелыми трамбовками,
а в некоторых случаях с помощью подводных и поверхностных
взрывов Уплотнить укаткой или трамбованием грунт можно
только тогда, когда он находится в маловлажном и влажном состоя-
190
нии (при степени водонасыщения S, < 0,7). Это объясняется тем,
что разовые динамические усилия от катка или трамбовок дейст-
вуют очень короткое время, за которое в водонасыщенных грунтах
возникает большое поровое давление, а эффективное (уплотняю-
щее) напряжение в скелете остается очень малым. В результате
грунт теряет устойчивость и выпирает из-под катка или трам-
бовки. Наибольшая эффективность уплотнения достигается при
оптимальной влажности.
Укатку выполняют путем прохода несколько раз по одному
и тому же месту самоходных или прицепных катков. Толщина
укатываемых слоев оптимальной влажности зависит от вида грунта
и применяемого оборудования. Так, гладкие катки уплотняют
слои толщиной 0,1 ... 0,26 м в плотном теле, кулачковые — 0,2 ...
0,35 м, виброкатки — 0,3 ... 0,5 м.
Поверхностным трамбованием в зависимости от массы трам-
бовки и высоты ее сбрасывания можно уплотнить основание на
глубину 1,6 ... 3,6 м. Трамбовки изготавливают из железобетона
в виде усеченного конуса с подошвой диаметром до 1,8 м, массой
2 ... 7 т и низким расположением центра тяжести. В верхней
части делают металлическую петлю для подвешивания трам-
бовки на тросе к стреле крана (на базе экскаватора, крана или
копра). Трамбовку сбрасывают с высоты 4 ... 8 м и трамбуют ею
по одному месту б ... 10 раз до отказа. Отказом считается достиже-
ние постоянного размера понижения поверхности грунта от од-
ного удара. Ориентировочно за отказ для глинистых грунтов мо-
жно считать понижение на 1 ... 2 см, а для песчаных — на 0,5 ...
1 см.
Толщина уплотненного слоя о зависит от диаметра по-
дошвы трамбовки d, вида грунта и связана с диаметром зависи-
мостью
Ни. о = М (204)
где k — коэффициент. принимаемый для песка равным 1.ББ, дли суглинка —
1.4Б, для лёссовидных супесей — 1.3. для насыпных глинистых грунтов — 1.2.
для глин — 1.0.
При этом массу трамбовки выбирают с таким расчетом, чтобы
статическое давление на грунт от нее превышало 0,015 МПа
для песчаных грунтов и 0,02 МПа — для глинистых.
Заданная проектная плотность (расчетная ра — рзд — 1,65 ...
1,75 т/м*) должна быть достигнута трамбованием на уровне по-
дошвы уплотненного слоя. В связи с тем что плотность убывает
с глубиной, плотность сухого грунта у поверхности трамбования
должна быть значительно большей. Распределение плотности по
высоте утрамбованной толщи искусственного основания показано
на рисунке 88. В результате трамбования понижение поверхности
основания может достигать 40 ... 60 см. Это значение на практике
служит критерием целесообразности применения метода трам-
бования тяжелыми трамбовками. Трамбование считается целесо-
191
ностн сухого грунта (р^) по глу-
бине (Лг) основания при уплотме
ним тяжелыми трамбовками
1 — до уплотнения. i — после уплот-
нения Л — отметка поверхности после
трамбования
образным, если понижение по-
верхности котлована от трамбовав
массой 2 4 т превышает для
песков 5 см, а для глин — 8 см
Необходимое значение пониже-
ния при трамбовании А//, на
которое «не добирают» при отры-
тии котлованы и траншеи, можно
подсчитать по формуле
ДЯ = + »1 Н. о,
(205)
где «0 — коэффициент пористости грунт»
природного сложения, ej о — миннмаль*.
кый коэффициент пористости искусствен-
ного основания у поверхности грунта*
определяемый на формулы (202), о —
коэффициент пористости на подошве ис-
кусственного основания, соответствующий
проектной плотности сухого грунта
Трамбование проводят через 12 24 ч после увлажнения
грунта до оптимальной влажности водой, взятой в расчетном
объеме Если поверхность еще остается влажной, то ее покры-
вают сухим грунтом, кирпичным боем или негашеной известью
слоем 5 10 см
Глубинное уплотнение грунтов. Его применяют при устройстве
искусственных оснований мощностью более 3,5 м (предельная
глубина, достигаемая поверхностным трамбованием) и в тех слу-
чаях, когда использование грунтовых подушек связано с боль-
шими трудностями (например, в слабых водонасыщенных оплы-
вающих грунтах)
Принцип глубинного уплотнения состоит в том, что в одних
случаях в грунт на необходимую глубину внедряется уплотнитель
(трамбовка, инвентарная свая), который раздвигает грунт в сторо-
ны, уплотняя его вокруг себя и тем самым уменьшая объем его по-
рового пространства на объем проделанной скважины Если стенки
скважины не обваливаются, ее после извлечения уплотнителя
заполняют грунтом с послойным уплотнением В грунтах, не удер-
живающих вертикальные стенки скважин, скважины выполняют
внедрением пустотелых металлических свай с раскрывающимся
наконечником При извлечении такой сваи с одновременным на-
полнением ее грунтом или другим материалом наконечник рас-
крывается, и трамбуемый грунт заполняет скважину, дополни-
тельно уплотняя окружающий слабый грунт При устройстве
таких свай рядом друг с другом получается неоднородно уплот-
ненный на большую глубину (до 20 м) массив искусственного
192
основания, кая бы армированный грунтовыми сваями. Однако
деформируемость этих свай и уплотненного межсвайного грунта
примерно одинакова, поэтому и считают такой массив основанием,
а не свайным фундаментом.
В других случаях применяют уплотнитель в виде гидровибра-
тора или электроимпульсного рабочего органа, опускаемого
одновременно с подмывом. Он перерабатывает грунт по смежным
вертикалям и уплотняет его.
Грунтовые сваи (из местного материала) устраивают в проса-
дочных лёссовых грунтах (см. § 35), песчаные — в водонасыщен-
ных глинистых, рыхлых песчаных, заторфованных; известковые
и шлаковые — в водонасыщенных глинистых и илистых грунтах.
Грунтовые сваи работают и как вертикальные дрены, отводя
отжимаемую воду из насыщенных ею грунтов на поверхность.
Поэтому даже слабые водонасыщенные глинистые и илистые грунты
быстро уплотняются и упрочняются в основании.
Проектирование песчаных свай состоит в подсчете необходи-
мого их числа, назначения, диаметра и глубины заложения.
Отношение Q площади сечения песчаных свай Лев к площади
уплотняемого основания Ао можно определить из схемы их раз-
мещения в плане (рис. 89) и постоянства массы сухого уплотня-
емого между ними грунта
Q = AeJAo = (е. - »_<.)/(! + е.), (206)
где в| и «и. 0 — коэффициенты пористости грунта естественного сложения и уп-
лотненного грунта между сваями.
Общее число песчаных свай п в искусственном основании пло-
щадью Ло, превышающей площадь фундамента (во все стороны)
не менее чем на 0,2 его ширины, составит
п = QXq/co, (207)
где ® — площадь сечения инвентарной сваи, используемой для устройства пес-
чаных свай.
Расстояние L между сваями при схеме их расположения по
вершинам равностороннего треугольника
(208)
Рн. о ~
(1 + F); V. р — соответствен-
L — de. 1/ —,
У 2ИЗ (Р..О-Р)
где de8 — диаметр песчаной сваи;
плотность уплотненного грунта,
______Ра
14-ei_ _
но влажность в плотность грунта до уплот-
нения.
Глубину уплотнения слабых водо-
насыщенных глинистых грунтов при-
нимают равной сжимаемой под фун-
даментом толще, но не менее чем две
Рис. 89. Схема размещения в
плане песчаных свай
ширины прямоугольного и трех-че-
тырех— ленточного фундамента.
193
Опыта показали, что расчетное сопротивление уплотненного
песчаными сваями глинистого грунта составляет 0,2 0,3 МПа.
Стоимость искусственного основания, устроенного глубинным
уплотнением песчаными сваями, в 2 2,5 раза меньше стоимости
устройства железобетонных свай Для такого искусственного
основания не требуются лимитируемые материалы, такие как
металл, цемент, дерево Они не подвержены влиянию агрессив-
ных грунтовых вод и блуждающих токов
Известковые сваи изготавливают по той же технологии, что
и грунтовые В заторфованных и лёссовых грунтах, сохраняю-
щих в течение некоторого времени вертикальные стенки, извест-
ковые сваи можно выполнять без инвентарных труб Негашеную
известь засыпают в скважину слоями по 1 1,5 м с уплотнением
трамбовкой массой 350 450 кг параболоидной формы При
этом диаметр сваи увеличивается на 20 % за счет дополнительного
уплотнения грунта вокруг скважины При гашении извести объем
ее в зависимости от химического состава увеличивается до двух
раз и грунт подвергается дальнейшему значительному обжатию
Кроме того, за счет выделения большого количества теплоты при
гашении часть воды порового пространства водонасыщенных
грунтов испаряется, что ведет к их быстрому уплотнению и упроч-
нению структурных связей грунта вблизи свай вследствие физико-
химических процессов Так, после взаимодействия с водой проч-
ность на сжатие* известковых свай составляет 1 2,5 МПа Поэ-
тому их успешно применяют при возведении гражданских и
промышленных сооружений (например, в Риге, Барнауле, Ново-
кузнецке и др )
Глубинное гидровиброуплотнение применяют для сыпучих
грунтов (пески, насыпные грунты), когда их необходимо уплот-
нить на глубину более 1,5 м Оно основано на совместном воздей-
ствии вибрации, которая нарушает контакты между частицами
и побуждает их к инерционному передвижению, и воды, которая
облегчает это передвижение, взвешивая частицы, и уменьшает
вследствие подмыва лобовое сопротивление погружаемых в грунт
вибраторов
Для такого рода уплотнения используют высокочастотные
вибраторы Их применяют для уплотнения бетона (вибробу-
лавы) Для уплотнения грунта на большую глубину приме-
няют мощные вибраторы специальной конструкции Подмыв
песка под опускаемым вибратором и водонасыщение грунта
осуществляются через специальные трубки-иглы диаметром 19
25 мм с перфорированной отверстиями нижней частью длиной
30 60 см На специальных гидровиброустановках вода насосной
установкой подается под давлением 0,5 МПа через специальные
сопла мощной вибробулавы, подвешенной к стреле Vpana, пере-
мещающегося на гусеничном ходу
В комплект установки входит также передвижная электро-
станция, если нет другого источника питания
194
Включенной гидровибратор погружается по вертикали на за-
данную глубину под действием собственного веса Одновременно
происходит подмыв грунта через нижние сопла Затем воду пе-
реключают на верхние сопла и извлекают вибратор с остановками
через каждые 30 40 см по высоте на время, необходимое для
уплотнения песка (40 120 о в зависимости от глубины залега-
ния, вида песка и мощности вибратора) Ввиду малого радиуса
распространения колебаний песок уплотняется в пределах не-
большой по площади области Поэтому для уплотнения всей пло-
щади искусственного основания необходимо погружать гидро-
вибратор по некоторой сетке вертикалей, определяемой экспери-
ментальным путем.
Для глубинного уплотнения несвязных грунтов можно исполь-
зовать другие методы, основанные на применении колебаний
Например, уплотнение рыхлых песков взрывами под водой (метод
В А Флорина—П Л Иванова), использование пневмопульса-
ционных установок, работающих от компрессора (метод Д А Тро-
фимова-Яковлева), электроискровой метод (предложен Г М Ло-
мизе) и др В последнее время разработаны технология и устрой-
ства для применения перечисленных методов при уплотнении пы-
леватых грунтов (пылеватых песков и лессовидных супесей и
суглинков)
39 Замена слабых грунтов (грунтовые подушки)
Грунтовые подушки широко применяют для замены сильно
сжимаемых, набухающих и просадочных грунтов в основаниях
фундаментов в пределах всей или только части сжимаемой толщи
Материалом для грунтовых подушек служат крупные и средней
крупности пески без глинистых и органических примесей (тогда
подушки называют песчаными} или местный переработанный гли-
нистый грунт (собственно грунтовые подушки) Первые исполь-
зуют обычно в гражданском и промышленном строительстве,
так как они имеют большую несущую способность, чем подушки
из глинистых грунтов, и отличаются хорошей дренирующей спо-
собностью, что улучшает упрочнение окружающих водонасыщен-
ных грунтов Грунтовые подушки в качестве искусственных осно-
ваний применяют при строительстве на лёссовых просадочных
грунтах Наиболее часто их используют при устройстве гидро-
технических сооружений, так как уплотненный глинистый грунт
подушки служит также и хорошим противофильтрационным экра-
ном, снижающим интенсивность и неравномерность деформаций
нижележащей непереработанной природной толщи
Песчаные подушки отсыпают в котлован с предельно крутыми
откосами (или с креплением его стенок) слоями толщиной 15
20 см с уплотнением укаткой, трамбованием, вибрированием до
плотности р^ = 1,65 1,7 т/м* При уплотнении песка тяжелыми
трамбовками толщину отсыпаемого слоя увеличивают до 2 м
195
б
Рис 90 Схема влектроосушення грунтов с помощью водопонизительной уста-
новки
I — делрессноммая жрмвая прв водолоянжяяяк, 3 — жглофкльтры-катодм. 1 — метал*
лкчесжве стержни-аноды, 4 — тожопроаоды. 4 — коллектор, 4 — насосы. 7 — трубы для
отвода воды • — генератор, 9 — гвбжке патрубки
заполненные оболочками связанной воды и потому не участвовав-
шие в фильтрации В результате коэффициент фильтрации грунта
увеличивается в 10 100 раз, свободная вода передвигается
к катоду и откачивается Описанное явление получило название
электроосмоса Коллоидные же частицы грунта, заряженные от-
рицательно, переносятся к аноду в направлении, противополож-
ном движению воды, что препятствует кольматации сетки игло-
фильтра Такое явление называют электрофорезом
Возможно совместное использование электроосмоса, верти-
кальных песчаных дрен и известковых свай для ускорения про-
цесса уплотнения и упрочнения глинистых грунтов
Закрепление силикатизацией Применяют для маловлажных
и водонасыщенных песков, просадочных лессовых грунтов и от-
дельных видов насыпных грунтов Оно заключается в нагнетании
в грунт под давлением через скважины-инъекторы на глубину до
15 м раствора силиката натрия (жидкого стекла), который цемен-
тирует поровое пространство в грунте и значительно повышает
прочность структурных связей между частицами
В песчаных грунтах с коэффициентом фильтрации 2 .
80 м/сут (независимо от степени водонасыщения) применяют двух-
растворный способ вначале инъецируют силикат натрия Na,O х
198
x nSiO„ а затем раствор соли хлористого кальция СаС1в Соль
ускоряет процесс образования нерастворимого в воде гидрогеля
кремниевой кислоты nSiOamHBO, который, затвердевая, цементи-
рует грунт Выпадающая из раствора гидроокись кальция Са(ОН)в
также участвует в упрочнении, связывая своей аморфной массой
мелкие частицы грунта В результате силикатизации песчаный
грунт приобретает прочность в 1,5 5 МПа, водонепроницаемость
и устойчивость к агрессивным средам
Для закрепления мелкозернистых, пылеватых песков и плыву-
нов с коэффициентом фильтрации 0,5 б м/сут применяют
однорастворный способ В этом случае нагнетается лишь один
раствор, близкий по вязкости к вязкости воды и с заранее за-
данным замедленным периодом гелеобразования, из жидкого
стекла и отвердителя (ортофосфорной или серной кислоты с до-
бавками сернокислого алюминия и других реагентов)
В маловлажных лёссовых просадочных грунтах (коэффициент
фильтрации 0,1 2 м/сут) силикатизацию проводят только раст-
вором жидкого стекла плотностью 1,13 г/см*, так как лессовые
грунты содержат достаточное для реакции закрепления коли-
чество солей кальция После закрепления лессовые грунты дости-
гают прочности 1,6 2 МПа, полностью теряют способность
к просадкам и становятся водонепроницаемыми
Радиус закрепления грунтов вокруг скважины зависит от
коэффициента фильтрации и вязкости растворов и колеблется от
1 м в крупных и средних песках до 0,3 0,4 м в мелких, пылева-
тых песках и в просадочных грунтах
Для увеличения радиуса закрепления применяют газовую
силикатизацию, заключающуюся в последовательном нагнета-
нии через инъекторы жидкого стекла и углекислого газа, исполь-
зуемого в качестве отвердителя Реакция отвердения протекает
не более 2 3 мин, тогда как при других способах она длится от
десятков минут до нескольких часов (основное нарастание проч-
ности происходит за первые 10 сут и продолжается до 3 мес)
Объем закрепления при газовой силикатизации увеличивается
по сравнению с объемом при обычной однорастворной силикатиза-
ции на 75 % в эоне аэрации и до 40 % в водонасыщенных грунтах
Возрастают также (до 2 раз) показатели прочности при сжатии
и водостойкость грунта
Закрепление смолизацией В грунт через инъекторы вводят
водный раствор карбамидных, фенолформальдегидных и других
синтетических смол в смеси с отвердителями (кислотами, кислыми
долями) При затвердевании они придают грунту водонепрони-
цаемость, морозостойкость и высокую прочность (1 5 МПа
на раздавливание) Способ рекомендуется для закрепления сухих
и водонасыщенных песчаных грунтов с коэффициентом фильтра-
ции 0,5 0,25 м/сут при наличии глинистых частиц в песке не
более 2 % и pH водной вытяжки <7,6 Несмотря на достигаемую
более высокую, чем при силикатизации, прочность грунта, этот
199
способ из-за высокой стоимости в настоящее время можно при-
менять в исключительных случаях
Электрохимическое закрепление. Такое закрепление водо-
насыщенных глинистых грунтов достигается при длительном элект*
роосмотическом водопонижении В результате химических про-
цессов происходит реакция ионного обмена и электрохимическое
изменение состава, толщины и состояния сольватных оболочек
глинистых частиц Кроме того, под действием постоянного тока
разрушаются электроды, и продукты их разрушения, химически
соединяясь с глинистыми частицами, увеличивают прочностные
показатели грунта
Значительное повышение эффективности электрохимического
закрепления грунтов достигается путем подачи через иглофильтры
водных растворов солей многовалентных металлов, которые ко-
агулируют глинистые частицы в агрегаты, сцементированные ге-
лями солей железа и алюминия Прочность на сжатие закреплен-
ных глин составляет до 4 МПа
Цементация Цементацию применяют для закрепления трещи-
новатых и кавернозных скальных пород, крупнообломочных грун-
тов и рыхлых крупно- и среднезернистых песков с коэффициен-
том фильтрации >>80 м/сут Процесс заключается в нагнетании
под давлением в предварительно пробуренные скважины или за-
битые трубы цементной суспензии — цементного молока (цемент
марки 400 и более 4* вода при водоцементном отношении 0,4
10) или цементного тампонажного раствора (цемент 4- вода 4-
4- мелкий песок, глина и другие заполнители) Выходя из инъек-
тора, раствор заполняет пустоты и трещины грунта, затвердевает
и превращает грунт в водонепроницаемый и прочный монолит
Радиус закрепления грунта вокруг инъектора составляет 0,2
1,5 м, а по трещинам размером не менее 0,2 мм цементное молоко
проникает на значительно большее расстояние Следует отметить,
что степень проникновения молока в трещины и поры грунта за-
висит от тонкости помола цемента, оно возможно только в том
случае, если размер зерен цемента в 4 5 раз меньше размера
трещин
Различают поверхностную и глубинную цементацию По-
верхностную цементацию применяют для создания искусственного
прочного основания на глубину до 6 м ниже подошвы сооруже-
ния Глубинную используют для устройства на значительно
ббльшую глубину вертикальных противофильтрационных за-
вес
В зависимости от глубины цементации, состояния и прочности
трещиноватой скалы, способа бурения труб-инъекторов сква-
жины делают диаметром 30 200 мм Расстояния между скважи-
нами при сплошной (поверхностной) цементации и между* рядами
скважин двух- и многорядных завес устанавливают в зависимости
от удельного водопоглощения по глубине скважины (в последнем
случае обычно 2 3 м и более) Нижним пределом для приме-
200
Рве. 91. Установка
для бктумвзацнк грун-
тов:
I — коты) f — neoog
f — обсадная труба; 4 —
кмктор; 4 — тампон]
< — генератор тока
нения цементации считают удельное водопоглощение 0,05 л/мин
на 1 м глубины скважины при напоре 1 м.
В результате цементации песчаный грунт приобретает проч-
ность до 3,5 МПа.
Глинизация и битумизация. Эти способы применяют для
уменьшения водопроницаемости трещиноватых скальных пород.
При глинизации так же, как и при силикатизации, через погру-
жаемые в грунт инъекторы диаметром 25 ... 35 мм нагнетают
водную суспензию бентонитовой набухающей глины с содержа-
нием не менее 60 % монтмориллонита. Предварительно в инъектор
под давлением нагнетают 10... 20 л воды. Это необходимо для
его промывки с целью лучшего заполнения пор грунта глинистым
раствором.
Битумизацию применяют при агрессивности и больших ско-
ростях движения грунтовых вод (100 м/сут и более), когда не-
возможно использовать цементацию из-за выноса раствора водой
или его коррозии. Битум же химически стоек против любой агрес-
сии, даже при больших скоростях течения воды хорошо при-
липает к стенкам трещин и каверн и, заполняя их, делает водо-
непроницаемыми.
Битумизация заключается в нагнетании через скважины
разогретого до температуры около 200 °C битума. Установка
для битумизации (рис. 91) состоит из котла / для разогрева би-
тума, насоса 2 для его нагнетания в скважину, закрепленную
в верхней части обсадной трубой 3» ннъектора #, генератора тока 6.
201
Генератор служит для поддержания битума в нагретом состоянии
путем пропускания тока через провод, проходящий в инъекторё
и закрепленный на специальных изоляторах Для предотвращения
подъема битума по затрубному пространству между инъекторов^
и стенками скважины устраивают тампон 5 По окончании нагие»
тания оборудование скважины не демонтируют, чтобы можно было'
вновь нагнетать битум, если обнаружится значительная течь.
Для этого включают электроподогрев, битум в скважине разогре-
вается, плавится, и производят добавочное его нагнетание в ту же
скважину
41. Улучшение свойств лёссовых
просадочных грунтов
Свойства лёссовых грунтов улучшают (устраняют их проса-
дочиость) в пределах всей просадочной толщи или только ее верх-
ней части, если возможная расчетная суммарная деформация
основания (осадка + просадка + послепросадочное уплотнение)
не превышает предельной для проектируемого здания или соору-
жения При этом следует учитывать противофильтрационный
экранирующий эффект верхнего, уплотненного под подошвой
сооружения слоя грунта, существенно снижающий деформацию
оставшейся подстилающей просадочной толщи вследствие огра-
ниченного ее увлажнения
Устранение просадочных свойств лёссовых грунтов дости-
гается путем уплотнения тяжелыми трамбовками, вытрамбовы-
вания котлованов, устройства грунтовых подушек, глубинного
уплотнения грунтовыми сваями, предварительного замачивания
(обычно оказывается эффективно для нижних слоев), путем устрой-
ства подводных взрывов, применения химического или термиче-
ского способов закрепления
Уплотнение тяжелыми трамбовками Осуществляется с по-
верхности дна котлована по технологии, изложенной выше Массу
трамбовки, ее диаметр, высоту сбрасывания и число ударов
принимают с таким расчетом, чтобы иа нижней границе уплотнен-
ной зоны (на глубине около 3 м) обеспечивалась заданная плот-
ность грунта, при которой устраняются его просадочные свойства
В интервале нагрузок от фундаментов гражданских и промышлен-
ных зданий и сооружений просадочность лёссового грунта устра-
няется обычно при плотности ptf = 1,6 т/м*
На площадках с грунтовыми условиями первого типа по про-
садочности уплотнение тяжелыми трамбовками применяют для
устранения просадочных свойств грунтов только в пределах глу-
бины сжимаемой толщи под фундаментом, а на площадках с грун-
товыми условиями второго типа также и для создания маловодо-
проницаемого экрана толщиной не менее 1,5 м под всем зданием
или сооружением (На практике за уплотненной тяжелыми трам-
бовками толщей грунта также утвердилось название «подушкам )
202
Грунтовые подушки. Выполняют путем замены наиболее про-
садочного верхнего слоя грунта или всей просадочной толщи
переработанным и уплотненным, ранее вынутым из котлована
лёссовым грунтом. Их применяют в тех случаях, когда нельзя
использовать тяжелые трамбовки: при необходимости получения
в основании уплотненного слоя толщиной более 3 ... 3,5 м; когда
степень влажности просадочных грунтов S, > 0,7; при располо-
жении котлована на расстоянии менее 10 м от зданий и соору-
жений.
Проектирование подушек из лёссового грунта и назначение
их основных размеров аналогичны проектированию грунтовых
подушек из песка и обычных глинистых грунтов.
Вытрамбовывание котлованов. Применяют под отдельные (столб-
чатые) фундаменты сельскохозяйственных и складских соору-
жений и одноэтажных промышленных зданий на грунтах первого
типа по просадочности. Котлованы не отрывают, а вытрамбо-
вывают на необходимую глубину падающей с высоты 6 ... 8 м
по направляющей штанге трамбовкой массой 1,5 7 т. Для вы-
трамбовывания одного котлована в грунтах оптимальной влаж-
ности на глубину 1 ... 1,5 м обычно требуется 12 ... 20 ударов.
Затем в котлован укладывают враспор (без опалубки) монолитный
бетон или устанавливают сборный фундамент, имеющий форму и
размеры котлована. В результате под котлованом и его наклон-
ными стенками образуются зоны уплотненного грунта, позволяю-
щие рассматривать их как искусственное основание.
Достоинство таких фундаментов состоит в повышении их
несущей способности не только за счет уплотнения грунта осно-
вания, но и реактивного бокового отпора грунта стенок, что
очень важно при действии на фундамент горизонтальных усилий
или моментов.
Уплотнение оснований грунтовыми сваями. Целесообразно
применять при влажности грунтов, близкой к оптимальной, и
степени влажности не более 0,75 на всю мощность просадочной
толщи (от 10 до 24 м). Уплотнение достигается путем пробивки
скважин специальным конусовидным наконечником на буровой
штанге станка ударно-канатного бурения (или специальной полу-
автоматической машины) с созданием вокруг скважины уплот-
ненных зон и последующим послойным заполнением ее местным
грунтом и трамбованием тем же снарядом.
Скважины пробивают друг от друга на расстоянии Z, при кото-
ром уплотненные зоны смыкаются, образуя массив искусственного
основания толщиной, превышающей на 2,5d (d — диаметр сква-
жины) глубину проходки скважин. При этом верхняя часть мас-
сива на высоту (4 5) d разуплотняется (так называемый буфер-
ный слой) за счет частичного выпирания, поэтому перед воз-
ведением фундамента ее срезают или доуплотняют.
Число, шаг и размеры свай назначают из условия достижения
требуемой плотности искусственного основания, при которой
203
Рис 92 Схемы уплотнения лессовых грунтов предварительным замачиванием:
а — в» мелкого котломаа б — и обвалованного участка, а — черев скважины в шурфы,
а — черев траншей, д — черев скважины с дополнительно! пригрузке! насыпью
полностью устраняется просадка от нагрузки фундамента и соб-
ственного веса массива Размеры уплотняемой площади в плане
определяют из условия обеспечения несущей способности уплот-
ненного массива и подстилающего его грунта при возможной
просадке окружающего грунта природной структуры
Уплотнение просадочных оснований предварительным зама-
чиванием Этот процесс происходит под действием увеличиваю-
щегося собственного веса замачиваемого грунта ^результате рез-
кого снижения его прочности при увлажнении При этом уплот-
няются только нижние слои просадочной толщи, где природное
давление от замоченного грунта превышает начальное просадоч-
ное давление Верхние же слои остаются в недоуплотненном со-
стоянии вследствие недостаточной нагрузки от собственного веса
Поэтому возведенное на таком основании сооружение при повтор-
ном увлажнении может получить просадку из-за уплотнения
толщи в пределах напряженной под фундаментом зоны
Таким образом, предварительное замачивание эквивалентно
переводу толщи лёссовых грунтов из II типа по условиям про-
садки в I тип
Учитывая сказанное, для устранения просадки грунтов 11 типа
в верхней части деформируемой зоны под будущим фундаментом
предварительное Замачивание следует применять в комбинации
с другими способами
Замачивайие осуществляют в пределах застраиваемой пло-
щади путем устройства отдельных карт (чеков) из мелких котло-
ванов (рис 92, а) или из обвалованных участков (рис 92, б),
для чего снимают растительный слой на глубину 0,4 0,8 м
Для ускорения фильтрации воды в грунт на дне котлована жела-
тельно отсыпать дренирующий слой из песка толщиной до 10 см
или устраивать скважины по сетке от 4x4 до 7x7 мдиаметром
14 18 см и глубиной 0,5 0,7 м от мощности просадочной
толщи (рис 92, а) Для сохранения скважин длительное время
204
в работоспособном состоянии их заполняют песком, доменным
шлаком. После окончания замачивания дренирующий материал
из верхней части скважины удаляют на глубину не менее 2 м и
тампонируют ее жидким лёссовым грунтом.
Для упрочнения основания закрытой оросительной сети из
труб замачивание ведут через траншеи (рис. 92, а), размеры кото-
рых зависят от технологии укладки трубопроводов. Процесс
продолжают до полного увлажнения расчетной толщи проса-
дочных грунтов и условной стабилизации просадок от собствен-
ного веса, на что обычно требуется 1 ... Змее.
Комбинированный способ упрочнения. Применяют для лёссо-
вых грунтов, когда уплотнение просадочной толщи предваритель-
ным замачиванием не может снизить ее расчетную суммарную
деформацию до предельной (или меньше ее) для проектируемого
сооружения. Тогда для доуплотнення верхней части толщи в пре-
делах глубины напряженной зоны от будущего сооружения при-
ходится прибегать к комбинации предварительного замачивания
с другими способами упрочнения.
Предварительное замачивание, ликвидируя просадочную спо-
собность нижней толщи, одновременно увлажняет верхние слои
до оптимальной влажности уплотнения (ее расчетное значение до-
стигается подсушиванием грунта путем его выдерживания необ-
ходимое время после впитывания воды).
Конкретное назначение способа устранения просадочности
верхних слоев будет зависеть от мощности зоны необходимого
доуплотнення я. Если она не превышает 3 м, то доуплотнить
замоченный массив после его подсыхания можно трамбованием
дна котлована тяжелыми трамбовками. При большей мощности
зоны доуплотнення можно устроить грунтовую подушку. Непо-
средственно в процессе предварительного замачивания доу-
плотнить грунт можно с помощью взрыва и пригрузки на-
сыпью.
Уплотнение просадочных грунтов с применением взрыва.
Возможно двумя способами. Первый способ (предложен И. М. Лит-
виновым) заключается в том, что в массиве грунта на необходимую
глубину пробуривают скважины и размещают в них вертикально
небольшие заряды взрывчатого вещества. После предварительного
замачивания грунта заряды взрывают. Мощность и число заря-
дов рассчитывают таким образом, чтобы происходил не выброс
грунта, а только его разрушение, измельчение и уплотнение.
Массив взрываемого грунта ограничивают со всех сторон верти-
кальными прорезями.
По второму способу (предложен X. А. Аскаровым н 3. Ядга-
ровым) заряды взрывчатого вещества располагают под водой го-
ризонтально по поверхности уплотняемого грунта. Образующаяся
взрывная волна, направленная в основном вниз за счет при-
грузки буферным слоем воды, уплотняет грунт на глубину
3 5 м.
205
Уплотнение с помощью прнгрузкп насыпью (рис. 92, д). Такое
уплотнение с одновременным замачиванием основания было пред-
ложено Н. Н. Фроловым и использовано в процессе предваритель-
ной подготовки основания напорного бассейна одной из ГЭС
в Таджикистане (1955 г.) и на одном из участков в Голодной
степи (1956 г.).
В Таджикистане на кратковременно замоченной (из обвало-
ванных карт-чеков) 22-метровой сильно просадочной толще лёссо-
вого грунта были возведены методом отсыпки в воду 8-метровые
насыпи дамб небольшого участка подводящего канала ГЭС. С тор-
цов участок канала был огражден дамбами и в нем поддерживалась
вода для замачивания основания насыпей. Кроме того, толща
основания под дамбами увлажнялась фильтрационной водой из
карт на самих дамбах. В результате такого непрерывного замачи-
вания просадка массива основания (а также значительная часть
послепросадочной деформации) под расчетным давлением от экви-
валентного веса насыпи полностью закончилась в строительный
период. Построенный на месте снятых дамб железобетонный на-
порный бассейн к настоящему времени получил лишь незначи-
тельную осадку в результате послепросадочных фильтрационных
и пластических деформаций ползучести.
Термическое закрепление (обжиг). Применяют для маловаж-
ных сильнопористых грунтов обязательно в пределах всей про-
садочной толщи. Оно заключается в термической обработке грунта
при температуре выше 800 °C, при которой он теряет просадочные
свойства, становится неразмокаемым и приобретает прочность
около 10 МПа.
Термическую обработку проводят через пробуренные на глу-
бину до 15 ... 20 м скважины диаметром 10 ... 20 см путем сжи-
гания в устье скважины горючего. Горючее и сжатый воздух по-
даются через специальную форсунку, заделанную в проб-
ку из жаропрочного бетона, которая герметизирует сква-
жину.
В результате такой термической обработки в течение 5
10 сут в грунте вокруг скважины образуется укрепленный (по-
добный кирпичной свае) массив конусообразной формы диаметром
поверху 1,5...*2,5 м (в зависимости от воздухопроницаемости
грунта), а диаметром понизу 0,2 ... 0,4 м. Скважины размещают на
таком расстоянии одна от другой, при котором закрепленные зоны
грунта вокруг них сливаются.
Следует отметить, что при термической обработке грунта
его пористость и фильтрационная способность увеличиваются.
Поэтому когда толщина просадочного грунта больше технически
возможной глубины термической обработки, такой способ за-
крепления неприемлем из-за возможной просадки неза-
крепленных нижних слоев вследствие фильтрации через них
воды.
206
Термический способ дорогостоящ, требует сложного контроля
качества работ и поэтому применяется только для ответственных
сооружений в промышленном и гражданском строительстве или
для закрепления оснований уже существующих аварийных зданий.
42. Искусственные основания при строительстве
на заторфованных грунтах и торфах
В зависимости от типа заторфованного основания, степени
заторфованности, глубины залегания и мощности заторфованных
грунтов, от свойств и толщины минеральных слоев грунта, под-
стилающих или покрывающих их, а также от конструкции соору-
жения и предъявляемых к нему эксплуатационных требований
применяют следующие методы улучшения свойств торфов (искус-
ственных оснований): предварительное уплотнение по всей тер-
ритории, предназначенной к застройке (временная или постоян-
ная нагрузка земляными насыпями, в том числе с устройством
дренажа, временное или постоянное водопонижение); частичное
или полное выторфовывание с последующей подсыпкой (намывом)
и планировкой площади местным (незаторфованным) грунтом;
устройство песчаных, гравийных (щебеночных) и подушек из
других непучинистых грунтов и материалов.
Предварительное уплотнение. Предварительное уплотнение
торфов на небольшую глубину (1 ... 1,5 м) можно провести водо-
понижением путем прокладки осушительных каналов глубиной
не менее 1 ... 1,5 м. Общая осадка торфяной залежи при пониже-
нии уровня грунтовых вод на 1 м может составить 16 ... 20 %
первоначальной (до осушения) ее мощности. При этом прочность
осушенного торфа возрастает примерно в 2 ... 2,5 раза, достигается
более равномерная и более быстрая осадка возводимого сооруже-
ния, наиболее благоприятные условия для ведения работ.
Уплотнять торф водопонижением на большую глубину можно
иглофильтровыми установками с применением электроосмоса или
вакуумирования.
Предварительное уплотнение заторфованных грунтов и тор-
фов нагрузкой насыпями выполняют послойной отсыпкой (или
намывом) грунтов, желательно песчаных, для ускорения стабили-
зации осадки нагружаемого водонасыщенного торфяного основа-
ния. Для основания песчаная насыпь (или только поверхностный
песчаный слой под ней) служит дренирующим материалом.
Для ускорения осадки торфяного основания под насыпью
устраивают также песчаные вертикальные дрены, диаметр кото-
рых (d > 30 см) и расстояние между ними (1,5 ... 3 м) обосновы-
вают расчетом (рис. 93, а). Применяют также продольные дре-
нажные прорези (траншеи), заполненные песком, как под телом
насыпи, так и вдоль подошвы откоса, а также интенсивное водо-
понижение иглофильтрами с электроосмосом или вакуумирова-
нием. Фильтровые звенья иглофильтров должны достигать ми-
207
Рис 93 Схемы устройства искусственных оснований на торфах
а и б — ускорение уплотнения торфа под насыпью с помощью песчаных вертикальных
дрен, а — с помощью вакуумирования; / — крупнозернистый песок, 2 — насыпь, 3 —
торф, 4 — минеральное дно, S — вертикальный дренаж 6 — кривая депрессии 7 —
водонепроницаемый уплотненный слой груитаз в — иглофильтры, 9 — дополнительное
Давление, создаваемое вакуумом
нерильного дна болота или быть погружены в него, если коэффи-
циент фильтрации кф минеральных грунтов больше или хотя бы
равен Иф торфов
Вакуумирование особенно эффективно для уплотнения торфя-
ной залежи под насыпью, которая вместе с уплотненным по ее
подошве слоем торфа 3 (рис 93, а) служит как бы водо- и воз-
духонепроницаемым экраном для вакуумируемого основания
В результате такого экранирования создаваемый иглофильтрами
вакуум существенно увеличивает дополнительную нагрузку на
торфяную залежь за счет атмосферного давления, передаваемого
через тело насыпи, т е насыпь как бы втягивается в торфяное
основание
Выторфовывание Частичное или полное выторфовывание
заключается в удалении торфа из оснований и в замене его мине-
ральным грунтом Выемку торфа можно осуществлять экскава-
торами, земснарядами, а также взрывами на выброс и другими
способами Выторфовывания можно достичь, интенсивно отсыпая
насыпь на болотах со степенью разложения торфа более 75 %,
в которые насыпь погружается на минеральное дно под действием
собственного веса, выжимая при этом торф в стороны
208
Для замены сильно сжимаемых заторфованных грунтов,
уменьшения давления на нижележащие слои и повышения в не-
обходимых случаях отметки подошвы фундамента применяют
песчаные подушки из крупных и средней крупности песков. Они
также выполняют роль дренажа, способствуя ускорению уплот-
нения нижележащих и окружающих торфов. Плотность песчаных
подушек назначают в зависимости от предъявляемых к ним требо-
ваний и применяемых средств уплотнения, но не менее pd =
= 1,65 т/м’. Проектируют подушки в эаторфованных грунтах
и торфах изложенными выше приемами, как и для других слабых
грунтов.
Для гидросооружений мелиоративных систем на торфах, пере-
дающих на основания небольшие давления (до 0,05 ... 0,06 МПа),
учитывая, что водонасыщенный торф при степени разложения
до 45 % способен длительное время держать вертикальные от-
косы и воспринимать существенное боковое давление (распор),
А. М. Силкин (1974 г.) предложил песчаные подушки обжатого
профиля (с вертикальными откосами) и упростил метод расчета
их несущей способности.
Глава 11. СВАЙНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ
43. Виды свайных фундаментов,
типы и конструкции свай
Сваи — это погруженные вертикально или наклонно в грунт
или формируемые в буровых скважинах тонкие стержни из проч-
ного материала, которые передают нагрузки от сооружения на
глубокие, более плотные слои грунта.
Сван могут быть одиночными — под отдельно стоящие опоры
(башмаки), в виде куста (несколько свай под отдельным фун-
даментом), лент (под ленточными фундаментами в один, два
ряда) и свайных полей (большое число свай под развитым в плане
тяжело нагруженным фундаментом). Для передачи и распреде-
ления нагрузки от сооружения на сваи последние поверху объеди-
няются плитой, называемой ростверком.
Сваи вместе с ростверком образуют свайный фундамент с грун-
товым основанием ниже уровня концов свай.
Свайные фундаменты могут быть с низким и высоким рост-
верком. Подошва низкого ростверка соприкасается с грунтом или
заглублена ниже его поверхности (рис. 94), а подошва высокого
ростверка располагается над поверхностью грунта (рис. 95).
Сваи классифицируют по положению в вертикальной пло-
скости, по способу передачи нагрузки на грунт, по условиям из-
готовления и погружения, по материалу, размерам и форме попе-
речного и продольного сечения, по способам армирования.
209
Ряс. 94. Смйкый фундамент с низким ростверком и вертикальными железобетон*
кыми сваями
Рис. 96. Козловый свайный фундамент с высоким ростверком к наклонными
винтовыми сваями:
1 — вмжтзвые сван с жмззобвтоввым стволом я — 540 мм: 2 — суглвяхв и главы пла*
ствчвыа; 9 — суглввож пластевмыВ; 4 — горввовт макашальао возможного размыва
По положению вертикальной плоскости сваи могут быть
вертикальные и наклонные. Последние применяют в случаях,
когда вертикальные сваи не могут обеспечить допустимых смеще-
ний фундамента при действии горизонтальных усилий. Наклон-
ные сваи могут быть наклонены в одну сторону, если равнодей-
ствующая сил наклонена к вертикали от 5 до 10 ... 15°, или в раз-
ные стороны (так называемые козловые фундаменты) при больших
углах отклонения равнодействующих. Их применяют, как пра-
вило, при высоких ростверках, особенно в условиях действияевна-
копеременных нагрузок. В этих случаях сваи могут работать
на изгиб, центральное и внецентренное сжатие и на растяжение
(выдергивание).
210
По способу передачи нагрузки на грунт основания сваи раз-
деляют на сваи-стойки и висячие сваи. Сваи-стойки нижними кон-
цами достигают прочных, практически несжимаемых грунтов
(скала, гравелистые, крупнопесчаиые и очень плотные мало-
влажные глинистые грунты) и передают на них всю нагрузку.
Висячие сваи не достигают прочных слоев (как бы висят в слабых
грунтах) и передают основную часть нагрузки за счет сопро-
тивления уплотненного ими окружающего грунта (по боковой по-
верхности сваи), а меньшую часть — вследствие сопротивления
уплотненного грунта под их концами.
По способу изготовления и погружения различают сваи го-
товые, выполненные на заводах или полигонах, а затем погру-
жаемые в грунт, и набивные, изготавливаемые на месте путем
заполнения бетоном (с арматурой или без нее) предварительно
выполненных буровых полостей, а также комбинированные (на-
пример, в монолитный бетон нижней уширенной части втапли-
вают сверху готовую железобетонную сваю).
Готовые сваи погружают ударами молотов различного свае-
бойного оборудования; вибрацией устанавливаемых на головах
свай вибраторов; вдавливанием под действием статической на-
грузки; завиичиваиием специальными механизмами (кабеста-
нами); подмывом струями воды под нижний конец, а также соче-
тая эти способы. В практике строительства готовые сваи часто на-
зывают забивными.
По материалу сваи бывают деревянными, железобетонными,
бетонными, комбинированными, металлическими и грунтовыми.
Деревянные сваи обычно применяют в районах, где лес яв-
ляется местным материалом. Их заглубляют ниже самого наиниз-
шего уровня грунтовых вод. В противном случае (в зоне пере-
менной влажности) они быстро загнивают и выходят из строя.v
Размеры деревянных свай несколько ограниченны, поэтому их
несущая способность не превышает 40 т.
Деревянные сваи изготавливают из прямоствольных бревен
преимущественно хвойных пород диаметром 18 ... 36 см и длиной
4,5 12 м. Если нет длинномера, допускается сращивать сваи
по длине с одним стыком с помощью деревянных накладок, ме-
таллических муфт и хомутов. В тех случаях когда необходимо
получить большее поперечное сечение свай, их делают пакетными,
клееными. Бревна должны быть обязательно очищены от коры,
сучков, утолщений, наплывов н сохранять природную сбежи-
стость. На верхнюю комлевую часть бревна, срезанную строго
перпендикулярно оси, надевают металлическое кольцо (бугель)
для предохранения головы сваи от раскалывания. Нижнюю,
более тонкую часть бревна заостряют на три или четыре канта,
а при забивке в плотные или с твердыми включениями грунты
надевают на острие стальной башмак.
Металлические (стальные) сваи делят на трубчатые из стан-
дартных стальных труб, шпунтовые из стального шпунта и из
211
профилей торгового сортамента (двутавры, швеллеры и т. д.).
Вследствие высокой стоимости и дефицитности металла примене-
ние стальных свай ограниченно. Обычно их используют как обо-
лочки для набивных и комбинированных свай н в качестве шпун-
товых креплений стенок котлованов.
В настоящее время наибольшее распространение получили
железобетонные забивные сваи. По форме они могут быть призма-
тическими, трапециевидными, конусовидными и пирамидаль-
ными. По форме поперечного сечения их разделяют на сплошные
квадратные, квадратные с круглой полостью, сплошные прямо-
угольные, полые цилиндрические (или трубчатые). По способу
армирования сваи изготавливают с ненапрягаемой продольной
арматурой, с предварительно напряженной стержневой, прово-
лочной или прядевой продольной арматурой.
По длине сваи делят на цельные и состоящие из отдельных
секций. Нижний конец полых свай может быть закрытым, откры-
тым и с камуфлетной пятой.
Призматические сваи изготавливают в соответствии с уста-
новленным сортаментом из армированного бетона марки не ниже
200 сечением от 20х 20 до 45 Х45 см и длиной до 20 м.
Трубчатые сваи подразделяют на два вида: диаметром 80 см
и меньще — собственно трубчатые; диаметром свыше 80 см —
сваи-оболочки, которые по условиям устройства относят к опуск-
ным колодцам вынужденного погружения (фундаменты-опоры
глубокого заложения).
Трубчатые сваи имеют ряд существенных преимуществ по
сравнению с призматическими. Ввиду малой массы они могут быть
погружены в грунт с применением сравнительно легкого обору-
дования и на большую глубину; их форма позволяет удобно осу-
ществить стыкование отдельных секций по высоте (с помощью
фланцевых и других неметаллических закладных частей или с по-
мощью свариваемых стальных манжет); после заполнения нх
внутренней полости бетоном (с арматурным каркасом или без
него) получается свая большого сечения и большой несущей спо-
собности.
Трубчатые сваи диаметром до 60 см имеют закрытые концы,
а диаметром свыше 60 см — открытые. Их изготавливают центри-
фугированием из армированного бетона марки не ниже 400 в виде
секций. Длина труб 4 8 м, толщина стенок 8 ... 12 см. Трубы
соединяют болтами или путем сварки. Болтовой стык обычно
применяют при наращивании секции в процессе вертикального
погружения, сварной — при укрупнительиой сборке в горизон-
тальном положении. Применять полые сваи с открытым концом
можно в том случае, когда образующееся в ее полости грунтовое
ядро настолько плотно, что его можно использовать вместо^бетон-
ного заполнения.
Пирамидальные сваи имеют сплошное сечение н заканчиваются
плоским ножом. Размер в оголовке 40 x 40 см, в ноже 20 x 20 см,
212
Рис. 96. Сваи А. Э. Страусса (без уширенной пяты):
/, 2 — соответствен я о начало я конец бурения ствола сваи; J — ааполнеиие ствола бето-
ном с трамбованием; 4, S — трамбование с постепенным навлечен нем обсадно* трубы;
S — готовая свая
что составляет конусность приблизительно Г. Армируют их
четырьмя продольными рабочими стержнями или одним цен-
трально расположенным предварительно напряженным стержнем.
Ножевую часть сваи и оголовок усиливают введением двойных
сеток.
Бетонные буронабивные сваи впервые были предложены рус-
ским горным инженером А. Э. Страуссом в 1899 г. (рис. 96). В за-
висимости от современной технологии изготовления их можно
разделить на три основные группы:
устраиваемые в сухих и маловлажных связных грунтах, не
требующих крепления стенок скважины;
изготавливаемые в несвязных, слабых и обводненных грунтах,
стенки скважин которых приходится удерживать от обрушения
избыточным давлением воды или глинистого раствора;
сооружаемые в аналогичных грунтовых условиях с крепле-
нием стенок с помощью обсадных неизвлекаемых или инвентарных
труб (сваи А. Э. Страусса и Е. П. Хлебникова, рис. 97).
В сухих и маловлажных грунтах, например в лёссовых, устраи-
вают буронабивные сваи диаметром 40 ... 120 см на глубину до
30 м с помощью буровых агрегатов вращательного бурения с пе-
риодической выдачей грунта на поверхность. Для увеличения
несущей способности набивных свай, повышения эффективности
их работы на выдергивание в'необходимых случаях специальным
приспособлением — буровым уширителем с раскрывающимися
ножами в нижней части или по длине ствола делают уширения.
Бетонируют сваи методом «вертикально перемещающейся
трубы> (способ ВПТ), в которую через приемную воронку из авто-
бетоносмесителя или накопительного бункера падают бетонную
213
Рис. 97. Сваи Е. П. Хлебникова (с уширенной пятой):
/ — напало в жнмд буранмя ствола сван; 3 — напало бураняя ушнрпинн; 9 — конец
бурения уширения; 4 — установка каркаса арматуры ствола сваи; Л — подводное бето-
нмроваяяе сваи; б — готовая свая
смесь. По мере бетонирования бетонолитную трубу извлекают из
скважины. При этом уплотнение бетона в скважине можно выпол-
нять трамбованием или вибраторами, устанавливаемыми на трубе.
Бетонная свая в вертикальной плоскости получается неправиль-
ной формы, так как.в слабых прослойках грунта бетон тела сваи
раздается в стороны.
Устраивать набивные сваи бурением скважин с креплением
стенок обсадными трубами можно в любых геологических и гидро-
геологических условиях. Наиболее целесообразно их использо-
вать, если работы ведут при большой глубине воды на аква-
тории и рядом с существующими сооружениями.
Обсадные трубы погружают в процессе бурения принудительно
вдавливанием в забой скважины гидродомкратами, путем за-
бивки или вибропогружения. Скважины диаметром 88 ... 120 см
бурят вращательным или ударным способом. Секции обсадных
труб наращивают специальными стыками (используя станки
«Беното», «Като» и др.) или с помощью сварки, следуя за забоем
скважины или опережая ее, до проектной отметки. После ушире-
ния пяты (при необходимости), зачистки забоя и установки арма-
турного каркаса скважины бетонируют литой бетонной смесью
с осадкой конуса 16 ... 26 см методом ВПТ или (в сухих грун-
тах) используя контейнер специальной конструкции.
Для изготовления вертикальных и наклонных буронабивных
бетонных свай в извлекаемых оболочках применяют специальные
отечественные и зарубежные установки.
Набивные сваи изготавливают не только в буровых скважинах,
но также путем забнвкн и извлечения металлических оболочек.
В нашей стране в последние годы из свай этого типа обычно при-
меняли трамбованные. Такие сваи устраивают путем забивки
214
инвентарной стальной трубы диаметром 35 ... 40 см, опирающейся
на железобетонный башмак, оставляемый в грунте после забивки
трубы. Забивку трубы и трамбование укладываемого бетона вы-
полняют специальным копром, молот которого соединен с трубой
серьгами. После забивки трубы на проектную глубину и подачи
в нее бетона производят молотом частые (70 ... 80 в минуту)
удары вверх-вниз. При ударе вверх труба извлекается на 4 ... 5 см,
и бетон из нее выходит в скважину, а при ударе вниз на 2 ... 3 см
она осаживается, и бетон уплотняется. Таким образом, труба по-
степенно извлекается из скважины, а бетон трамбуется. Такие
сваи были применены, например, на строительстве высотного
здания на Комсомольской площади в Москве.
При установке на обсадную трубу вибраторов получают сход-
ную по описанной выше технологии вибросваю, когда забивают
и выдергивают трубу, уплотняя бетон вибропогружателем. Вместо
«теряемого» железобетонного башмака иногда применяют трубы
с раскрывающимся нижним острием.
Сваи Франки изготавливают забивкой обсадной трубы диа-
метром 46 см, которую внизу на 0,8 ...1м заполняют сухой бетон-
ной смесью, образующей при трамбовании пробку. Трубу по-
гружают ударами трамбовки (с небольшой высоты) по бетонной
пробке, увлекающей за собой вниз и обсадную трубу. После
забивки трубу подвешивают к копру, а трамбовку сбрасывают
с большой высоты, пробка выбивается, и внизу сваи в результате
втрамбовывания бетонной смеси образуется уширение. Дальней-
шее заполнение трубы бетоном также ведут трамбованием и одно-
временно постепенно извлекают ее.
Уширения пяты в набивных сваях для повышения их несущей
способности в весьма плотных грунтах можно добиться камуфлет-
ными взрывами. Для этого на забой скважины опускают неболь-
шой рассчитанный заряд взрывчатого вещества, скважину запол-
няют литым бетоном на высоту, препятствующую его выплески-
ванию, и производят взрыв. Образовавшаяся при этом уширенная
полость заполняется бетоном, в который утапливают (с одновре-
менной добивкой) готовую трубчатую или призматическую сваю
большего диаметра, чем пройденная ранее скважина.
Винтовые сваи относятся к стальным и железобетонным труб-
чатым сваям с уширенной пятой. Они имеют на конце винтовую
металлическую лопасть (1,25 витка диаметром, равным 3 ... 3,5
диаметра сваи), позволяющую погрузить сваю путем завинчивания.
Диаметр таких свай 0,45 ... 1 м, диаметр лопасти — до 3 м, глу-
бина погружения — до 50 м. Их применяют, когда нужно пройти
значительную толщу слабых грунтов (кроме глин текучей конси-
стенции, илов и торфов) без крупных включений и достигнуть проч-
ного грунта. Плавность погружения (без сотрясений) дает воз-
можность применять винтовые сваи вблизи существующих соору-
жений. Обычно эти сваи используют также в качестве анкер-
ных.
215
Комбинированные сваи, по экономический соображениям, со-
ставляют по длине из двух различных материалов. Обычно комби*
нируют деревянную часть, забиваемую ниже горизонта воды,
с бетонной или железобетонной верхней частью. Особенно тща-
тельно и надежно нужно выполнять стык.
Ростверки обычно выполняют из монолитного бетона и же*
лезобетона. Для зданий массового строительства в последнее
время применяют и сборные железобетонные ростверки в виде
рандбалок, насаженных с помощью оголовков на головы сваи,
с непучинистой подсыпкой.
При использовании монолитного бетона (марок 100 ... 160)
толщину ростверка назначают конструктивно минимальной: 0,6 ...
0,7 м в фундаментах зданий и 1,5 ... 2 м в фундаментах опор мостов.
Железобетонные ростверки рассчитывают на продавливание и из-
гиб, поэтому они имеют меньшую толщину, чем бетонные. Подошву
низкого ростверка заглубляют с таким расчетом, чтобы не ска-
зывалось пучение грунта. Отметку подошвы высокого ростверка
назначают с учетом специальных требований, связанных, на-
пример, с ледовым режимом водоема, о эксплуатационными осо-
бенностями сооружения и др.
Размеры ростверков в плане зависят от размера сооружения,
числа и размещения свай. Сваи распределяют по подошве рост-
верка рядами или в шахматном порядке равномерно или не-
равномерно с учетом внецентренности нагрузки. Расстояние
между осями вертикальных свай принимают не менее трех диаме-
тров (сторон) свай, а для наклонных — не менее 1,5 диаметра.
При этом в плоскости нижних концов наклонных свай должно быть
выдержано расстояние, также равное не менее трем диаметрам.
Ось первого ряда располагают от края ростверка в фундаментах
зданий на расстоянии, равном 0,7 диаметра сваи, а в ростверке
опор мостов — на расстоянии до ближайшей грани сваи не менее
0,25 м.
Головы железобетонных свай заделывают в бетон ростверка
не менее чем на 20 диаметров стержней арматуры периодического
профиля и не менее чем на 40 диаметров при гладкой арматуре.
В фундаментах опор мостов головы железобетонных свай заводят
в бетон ростверка нр менее чем на два диаметра сваи при 4». <
< 0,6 м и не менее чем на 1,2 м, если диаметр сваи больше.
44. Принципы проектирования
свайных фундаментов
Свайные фундамента (ростверк — сваи — грунт в межсвай-
ном пространстве) и нх основания рассчитывают согласно СНиП
2.02.03—85 «Свайные фундамента. Нормы проектирования» по
двум группам предельных состояний:
1) по прочности конструкции свай и ростверков; по несущей
способности грунта основания свайных фундаментов и свай;
216
по устойчивости (несущей способности) фундаментов в целом,
если на них передаются горизонтальные нагрузки или их основа*
ния ограничены откосами или сложены крутопадающими слоями
грунта, т. е. в случаях, когда возможен глубокий сдвиг фунда*
мента по контактной поверхности на уровне острия свай;
2) по осадкам оснований фундаментов из висячих свай; по
перемещениям свай вместе с грунтом оснований от действия вер*
тикальных, горизонтальных нагрузок и моментов; по образова-
нию или раскрытию трещин в элементах бетонных и железобетон-
ных конструкций фундаментов.
Несущую способность Fw, ов одиночной сваи определяют как
наименьшее из значений, вычисленных по условию прочности ма-
териала сваи и удерживающего ее грунта. Наиболее экономичны
сваи, прочность которых по материалу и грунту близки.
Несущая способность FUt св одиночной сваи по грунту склады-
вается из сопротивления грунтов под нижним концом (лобового
сопротивления) NR и сопротивления по боковой поверхности
(трения) Nf:
(210)
Сопротивление грунта по боковой поверхности зависит от
упругой осадки сваи вместе с окружающим грунтом, а в конечном
счете — от сжимаемости грунта под концом сваи. Чем податливее
грунт под сваей, тем ббльшая часть нагрузки приходится на тре-
ние, что характерно для висячих свай. Для сваи-стойки, опираю-
щейся на несжимаемые грунты, характерно то, что силы трения
не проявляются из-за отсутствия осадки, и несущая способность
обусловлена лишь лобовым сопротивлением.
По условию прочности материала сваи в низких ростверках
рассчитывают на осевое усилие как центрально сжатый стержень,
в высоких ростверках — на осевую силу, изгибающий момент и
поперечную силу. Несущую способность сваи по материалу вы-
числяют методами строительной механики.
Расчетная схема висячей сваи при совместной ее работе с окру-
жающим грунтом приведена иа рисунке 98.
При погружении сваи грунт вытесняется из-под ее торца
в результате симметричного сдвига в стороны, и вокруг сваи
образуется цилиндрический объем уплотненного грунта диаме-
тром, равным около 5 ... 6 диаметров сваи. При этом по боковой
иповерхности сваи в уплотненном грунте возникают силы сопро-
тивления трению, обеспечивающие значительную часть общей
несущей способности сваи. Под торцом сваи также формируется
уплотненное ядро глубиной около 1,5 ее диаметра, способное
воспринять повышенное давление.
Силы трения, воспринимая нагрузку от боковой поверхности
ствола сваи, передают эту нагрузку на большую площадь ниже-
лежащих слоев и распределяют ее по ней. На уровне плоскости ост-
217
Рис. 98. Схема передачи суммарной
нагрузки на плоскость уровня ниж-
него конца сван от ее боковой поверх-
ности и торца
рия сваи они в сумме с усилием,
воспринимаемым торцом сваи,
создают напряженный массив,
ограниченный с боков усечен-
ным конусом, а снизу — вы-
пуклой криволинейной поверх-
ностью (на схеме показана
штриховой линией). Так как в
настоящее время еще нет до-
статочно строгих методов рас-
чета напряжений и деформаций,
возникающих вокруг свай и
под ними, то прибегают к при-
ближенным приемам.
Принимают, что давление
Рс„ в плоскости торца одиноч-
ной сваи распределяется рав-
номерно; площадь эпюры реак-
тивных давлений определяют,
предположив, что силы трения
передаются под углом а =
= Фи «р/4. где Фп ор — осред-
нейное значение угла внутрен-
него трения слоев грунта, про-
ходимых сваей.
Предельная несущая способность сваи исчерпывается тогда,
когда сопротивление по ее боковой поверхности становится
предельным, а под торцом образуются развитые области сдвига.
Свая получает резкую осадку (срыв сван).
Удельное предельное сопротивление трению по боковой по-
верхности сваи f определяют опытным путем. Фактически трение
происходит не между материалом сваи и окружающим грунтом,
а между грунтом и тонким слоем грунтовой «рубашкиэ, сформи-
ровавшейся по боковой поверхности сваи при погружении. По-
этому расчетное значение f для свай из разных материалов прини-
мают одинаковым.
Предельное сопротивление грунта R под нижним концом сваи
можно получить аналитически с помощью приближенных реше-
ний задачи предельного равновесия грунтов при осевой симме-
трии деформации (для случая цилиндрической ограждающей
поверхности и конического штампа). Однако в практике проекти-
рования пользуются другим способом.
В таблицах СНиП 2.02.03—85 даны значения расчетного со-
противления грунта R под нижним концом сваи и сопротивле-
ния f по боковой поверхности. Эти значения получены йутем
статистического обобщения результатов многочисленных натур-
ных испытаний и опыта работы свай под нагрузкой в различных
грунтовых условиях.
218
Ряс. 99. Схема передачи Давления на грунт, расположенный ннже
острия свай, в аависмыостн от расстояния между иным:
а — при с > 1г, б - при с < 1г.
В фундаментах со сваями-стойками каждая свая работает са-
мостоятельно, и полная несущая способность такого фундамента
равна сумме несущей способности входящих в него свай.
При работе сваи в фундаменте из висячих свай ее несущая
способность отличается от несущей способности одиночной сваи.
Эго объясняется тем, что при расположении свай в кусте близко
друг от друга (на расстоянии с < 2г) (рис. 99, б) грунт между
ними из-за сильного уплотнения выделяется из окружающего
массива и дает осадку вместе со сваями как одно целое. А так как
периметр такого свайно-грунтового массива меньше суммы пери-
метров отдельных свай, то сопротивление по боковой поверхности
уменьшается. Лобовое же сопротивление под концами свай воз-
растает из-за увеличения площади опирания, так же как возра-
стают и напряжения ниже торцов свай из-за суммирования их
в результате наложения напряжений от отдельных свай. Поэтому
при одинаковой нагрузке на сваю осадка фундамента из близко
расположенных свай всегда больше осадки одиночной сваи, а его
несущая способность меньше суммы несущей способности входя-
щих в него свай. Вот почему фундамент из висячих свай прихо-
дится проверять расчетом на осадку.
Установлено, что для полного использования несущей спо-
собности свай расстояние между ними целесообразно принимать
с 2г (рис. 99, а). Эго должно составлять (как установлено
"выше) больше 6 диаметров свай. Однако по мере роста расстояния
между сваями приходится повышать жесткость и размеры рост-
верка, что для многих сооружений оказывается нерационально,
а иногда и невыполнимо. Поэтому ростверк проектируют ком-
пактным в плане, обычно принимая расстояние между сваями,
равным 3 ... 6 диаметрам сваи, и заведомо не учитывают полную
несущую способность свай вследствие их совместной работы.
219
Несущую способность одиночной сваи FUt св по грунту можно
определить несколькими способами: расчетом по формулам СНиП,
по экспериментальным данным испытаний статической нагрузкой,
по результатам производственных испытаний динамической на*
грузкой.
Допустимую расчетную нагрузку на сваю Гов, т, для обеспече-
ния надежной ее работы принимают меньше несущей способности
сваи £ж,ев:
^*ов = ^u.cb/Yj» (21 1)
где ув — коэффициент надежности; если несущая способность сваи определена
расчетом. yg = 1.4; по результатам полевых испытаний сван yg — 1,26; для вы-
соких мостовых ростверков в зависимости от числа свай yg = 1,4 ... 1,76.
Число свай п в фундаменте определяют по выражению
(212)
где N — расчетная нагрузка от сооружения на ростверк; Q — вес ростверка.
Если расчетная нагрузка приложена с эксцентриситетом, то
во избежание неравномерной осадки сооружения сваи следует
размещать в плане по подошве ростверка таким образом, чтобы
равнодействующая постоянных нагрузок проходила возможно
ближе к центру тяжести плана свай. Размеры ростверка в плане
поверху назначают больше, чем размеры сооружения понизу на
величину обрезов (так же, как и для фундаментов на естественном
основании).
45. Расчет свай и ростверков
по первому предельному состоянию
Расчетную нагрузку сваи по несущему ее грунту определяют
по расчетным характеристикам грунта основания свай (СНиП
2.02.03—85).
Забивные и набивные сваи-стойки. Расчетную нагрузку за-
бивной или набивной сваи-стойкн по грунту, опирающейся на
практически несжимаемую породу, подсчитывают по формуле
F0B = Fи,са/У/ (Vc/Y<) ЛЛ, (213)
где А — площадь опирания сыи на грунт, м*; уе — коэффициент условий ра-
боты сваи в грунте, принимаемый равным 1; R — расчетное сопротивление грунта
под нижинм концом сваи-стойки, принимаемое для скальных, крупнообломочных
и глинистых твердой консистенции грунтов (при опирании на них забивных
свай) R = 2000 т/м*, а для набивных свай и свай-оболочек с заполнением бетоном,
подсчитываемое с учетом глубины заделки Ла в невыветрелый скальный грунт
(не менее 0,5 м) по формуле
(214)
где — нормативное сопротивление скалы сжатию в водонасыщенном состоя-
нии; yg = 0,4 — коэффициент безопасности по грунту; d* — наружный диаметр
сваи.
220
Висячие сваи. Расчетную нагрузку висячей сваи по грунту,
работающей на осевое сжатие, определяют как сумму сопротивле-
ния грунта основания под нижним концом сваи и на ее боковой
поверхности по формуле
(п \
+ (215)
где А — площадь опирания на грунт сваи или ее уширенной пяты; U — наруж-
ный периметр поперечного сечения сваи, м; R — расчетное сопротивление грунта
под нижним концом сваи, определяемое по таблице СНиП; — толща i-го слоя,
учитываемого при работе трения по боковой поверхности сван, м; — расчет-
ное сопротивление /-го слоя грунта по боковой поверхности сваи, определяемое
по таблице СНиП; Те — 1 — коэффициент условия работы сваи; ув — коэффи-
циент надежности, равный 1,4; YCf я и yCj f— коэффициенты условий работы грунта
соответственно под нижним концом и на боковой поверхности сваи, учитывающие
влияние способа погружения.
Расчетную длину сваи /у, по которой учитывают силы трения,
принимают от отметки подошвы низкого ростверка до иижиего
торца сваи, не считая наконечника или острия. В случае залега-
ния под ростверком весьма слабых грунтов расчетную длину сваи
на треиие принимают от отметки кровли первого несущего слоя.
Для сплошных, полых свай и свай-оболочек с закрытыми
концами или заполненными грунтовым ядром, забиваемых моло-
тами, коэффициенты уе,я и yCtf принимают равными 1. Для
других видов свай и способов их погружения эти коэффициенты
назначают по таблице СНиП в пределах Уе,л “ 0,7 1,2 и
Ус,0,5... 1.
При осадке во времени околосвайного слабого или неуплот-
ненного насыпного грунта сваи будут нагружаться дополнитель-
ными силами трения по боковой поверхности, направленными
вертикально вниз. Такое явление называют негативным (на-
гружающим) трением, оно учитывается специальными рекомен-
дациями СНиП.
Сваи, работающие на выдергивание. Расчетную нагрузку
свай, работающих на выдергивание за счет сил сопротивления
грунта, действующих по боковой поверхности, определяют по
формуле
F., „ = U £ (216)
где ув — коэффициент условий работы; для свай, погружаемых на глубину ме-
нее 4 и, уе » 0,6, а на глубину 4 м и более уе “ О»8-
Сваи и сваи-оболочки, работающие на выдергивание, прове-
ряют расчетом на растяжение в наиболее опасном сечении и на
прочность заделки в ростверк как железобетонные элементы.
Железобетонные ростверки. Железобетонные ростверки свай-
ных фундаментов рассчитывают по прочности материала, как
221
Рис. 100. Расчетная схема
свайного фундамента по ус-
ловию устойчивости основа-
ния
Рис. 101. График зависимости осадки сван от
нагрузки:
/ — кривая 3 — f (Рсв) сравиктельио слвбыа
грунтов; 3 — то жв. для плотных грунтов, когда си-
лы трения ив превзойдены; 3 — секущие для опре-
деления точки переломе кривой S — f (Рсв), соот-
ветствующе! срыву свви
обычные конструкции с плитами на опорах в местах заделки голов
свай согласно СНиП на проектирование железобетонных кон-
струкций.
Расчет основания всего свайного фундамента по условию
прочности выполняют, как для фундамента глубокого заложения
(см. § 49). Устойчивость свайного фундамента при действии на
него значительных горизонтальных сил или расположенного
на откосе проверяют по схеме одностороннего глубинного сдвига
по поверхностям скольжения как проходящим через концы свай,
так и пересекающим сваи (рис. 100). В последнем случае учиты-
вают также сопротивление свай срезу.
46. Определение несущей способности свай
испытанием статической
и динамической нагрузками
Подсчитанная по приведенным выше приближенным формулам
несущая способность свай для конкретной строительной пло-
щадки может отличаться от действительной. Поэтому на участке
строительства в местах сооружения фундаментов необходимо про-
вести испытания пробной нагрузкой до 1 % общего числа свай
(ио не менее двух, если их число меньше 100). При этом исполь-
зуют те средства погружения, которые предусмотрены в проекте.
Испытание статической нагрузкой. Проводят обычно с по-
мощью гидравлических домкратов или платформ с тарированным
грузом, закрепленных на голове сваи. К свае проектных разме-
ров, погруженной на необходимую глубину, прикладывают на-
грузку ступенями (по 1/10 ... 1/15 ожидаемой предельной на-
грузки) и после стабилизации иа каждой ступени измеряют
осадки. По • результатам измерений строят график приращения
осадки от нагрузки (рис. 101). На графике находят точку перелома
кривой осадка — нагрузка, характеризующую начало срыва
222
сваи. Соответствующая этой точке предельная нагрузка и будет
Fи, св*
Если сваю не удалось довести до срыва, а ее осадка состав-
ляет Д > 20 мм, то предельную нагрузку можно вычислить
по условию проектирования свайных фундаментов по деформа-
циям. Установлено, что осадка одиночной сваи SOB от расчетной
нагрузки в 5 ... 10 раз меньше осадки свайного фундамента, т. е.
можно принять SCB — £SU, ср, где £ — коэффициент перехода
от предельной средней осадки фундамента здания или сооруже-
ния Su.Cp к осадке одиночной сван, принятый в СНиП £ — 0,2.
Поэтому предельную несущую способность сваи FB,eB находят,
откладывая на графике по оси осадок значение Д (если при расчете
получают 5ев > 40 мм, следует откладывать SBB — 40 мм) и по
кривой осадка — нагрузка определяют на оси г нагрузку, соот-
ветствующую этой осадке.
Расчетную нагрузку на сваю определяют из условия
F--^-&F--
где ув — коэффициент условий работы, равный 1; Тп — коэффициент надежности,
равный 1.25; — коэффициент безопасности по грунту, принимаемый в зависи-
мости от условий проведения испытаний н обработки результатов равным 1 ... 1,4.
Испытание динамической нагрузкой. Динамический метод
определения несущей способности сваи основан на зависимости
между величиной ее погружения и энергией разового удара
молота или работы вибропогружателя в течение 1 мии. Величина
погружения в этом случае в строительной практике называется
отказом сван, который и является показателем сопротивления
сваи вертикальной нагрузке. Теоретически эту зависимость из
условия сохранения энергии впервые еще в 1917 г. установил
Н. М. Герсеванов. Энергию падающего молота QH он выразил
уравнением
QH - F^e + Qh + aQH.
где Q — вес ударной части молота; Н — высота падения молота; Fu, вв — пре-
дельное сопротивление сваи нагрузке; е — отказ (таким образом. Fu, св е — ра-
бота. затрачиваемая на преодоление сопротивления грунта погружению сваи);
Qh — энергия, расходуемая иа упругие деформации сваи, выражаемая через
величину «подскока» h молота; aQH — потеря энергии на нагрев, остаточные де-
формации к другие вредные сопротивления.
Приняв ряд упрощающих допущений, Н. М. Герсеванов вы-
разил FU>OB в следующем виде:
fи. „ - - . <218)
где А — площадь поперечного сечения сваи; q — вес сваи и наголовника; Ау —
коэффициент восстановления удара, зависящий от материалов соударяющихся
молота и наголовника, для стали (молот) к дерева (вкладыш) Л, — 0,45; п —
коэффициент, зависящий от материала сваи, определяется опытным путем.
223
С некоторыми коррективами эта формула рекомендуется СНиП
для вычисления предельной несущей способности сваи по расчет-
ному отказу е, при котором свая получает заданную несущую
способность.
При фактических (измеренных) остаточных отказах в 0,2 см
предельное сопротивление сваи FttlOB составляет
р ____ пАМ ГЛ। ~ 4 Эр Фи 4-(я 4- 11 721 Чч
Р-..-----j-[У 1 + -я---------- «J• <21’)
Где nt A, q — то же, что в формуле (218); М — коэффициент, принимаемый при
забивке молотом М =« 1, а при вибрировании в зависимости от вида грунта М «
» 0,7...1,3; Эр — расчетная энергия удара молота или вибропогружателя,
принимаемая в зависимости от технических характеристик используемого обору*
дования; Qa — полный вес молота или вибропогружателя; в — коэффициент вос-
становления удара [см. k? в формуле (218)]; qt — вес псдбабка (при вябропогру-
жении qt — О).
Если остаточный отказ окажется е < 0,2 см, то для погруже-
ния свай следует применять молот с возможно большей энергией
удара. Если заменить сваебойное оборудование нельзя, FM,eB
определяют по другой формуле СНиП.
Расчетную нагрузку на сваю подсчитывают по формуле (215)»
принимая ус = 1, уп == 1,4; у* в 1.
Динамические испытания проводят после так называемого
отдыха свай в песчаных грунтах не менее чем через 3 сут после
их забивки, а в глинистых — не менее чем через 6 сут.
Динамический метод используют для контроля глубины за-
бивки свай в процессе строительства. С этой целью в проектах,
кроме типа оборудования для погружения сваи, указывают зна-
чение расчетного отказа е, полученное из уравнения (219) путем
решения его относительно а:
пАЭр_______
1 Йв + 0 + Л
(220)
Расчетный отказ, подсчитанный по этой формуле для заданной
проектной нагрузки на сваю FeB, служит контрольной цифрой
для строителей. В конце погружения сваи, когда ее отказы близки
к расчетному, их измеряют специальными отказомерами после
каждого удара молота (одиночного действия), или после десяти
ударов (одного залога) дизель-молота, или через каждую минуту
работы вибропогружателя.
47. Расчет свайных фундаментов в их оснований
по второму предельному состоянию
Расчет осадки свайного фундамента из висячих свай. Ведут
как для условного фундамента на естественном основании ме-
тодами, изложенными выше. Размеры условного свайно-грунто-
вого фундамента (рис. 102) определяются:
224
Рис. 102. Схемы определения границ условного фундамента при рас-
чете осадок свайных фундаментов:
а — при вертикальных сваях; б — при наклонных смяв: л — вря верхнем,
очень слабом слое
снизу — горизонтальной плоскостью А Б, проходящей через
нижние концы свай и служащей подошвой условного фундамента;
с боков — вертикальными плоскостями АВ и БГ, отстоя-
щими от наружных граней крайних рядов вертикальных свай
на расстоянии а = I tg (<рп ср/4) (из предположения передачи
сил трения под углом <PiiCp/4 от боковой поверхности крайних
свай). Прямые с этим углом наклона проводят от верха крайней
сваи или от поверхности первого, более прочного слоя грунта,
силы трения которого учитывают в расчете. При наличии наклон-
ных свай плоскости АВ и Б Г проходят через их нижние концы;
сверху — поверхностью планировки грунта ВГ.
В собственный вес условного фундамента Q включается вес
свай, ростверка и вес грунта в объеме условного фундамента
(Ьусл X ^усл) 0 Ч*
Естественное основание свайного фундамента должно удовле-
творять расчетам по I и II группам предельных состояний. Среднее
давление по его подошве, принимаемое равномерно распределен-
ным по всей площади подошвы, не должно превышать расчетного
сопротивления грунта R (подсчитанного для глубины погружения
свай и ширины фундамента Ьуол).
Расчет перемещений голов свай и углов их поворота. Расчет
перемещения голов свай U и углов их поворота 6 на совместное
действие вертикальных и горизонтальных нагрузок и моментов
сводится к проверке соблюдения условий
U <5ии6<еи> (221)
где Stt и 6и — предельно допускаемые соответственно горизонтальное переме-
щение головы сваи, м, и угол ее поворота, рад, устанавливаемые заданием на
проектирование сооружения.
Расчет перемещений выполняют с учетом деформативности
ствола сваи и окружающего грунта. Грунт рассматривают как
упругую линейно-деформируемую среду, характеризуемую коэф-
фициентом постели ktt т/м*, определяемым опытным путем или
по рекомендациям СНиП.
225
Для расчета горизонтальных перемещений и углов поворота
сваи используют решение И. В. Урбана, полученное для гибкой
шпунтовой стенки. Оно реализовано и приведено в СНиП в удоб-
ной для использования форме.
48. Особенности расчета свайных фундаментов
в просадочных лессовых грунтах
При проектировании свайных фундаментов в просадочных
грунтах следует учитывать возможность полного замачивания
грунтов основания, которое приводит к резкому снижению их
несущей способности и большим неравномерным деформациям.
При строительстве гражданских и промышленных зданий и
сооружений СНиП 2.02.03—85 рекомендует просадочную толщу
прорезать сваями полностью. Если это в конкретных условиях
нецелесообразно, то для площадок I типа по просадочности до-
пускается заглубление нижних концов свай не менее чем на 1 м
в слой грунта с относительной просадочностью ея/ < 0,02 при
давлении 0,3 МПа. Для свай под малоэтажные здания IV класса
по капитальности последнее условие можно не выполнять, если
обеспечивается расчетная несущая способность свай по грунту
основания.
При расчете свай по несущей способности грунта основания
сопротивления Я просадочных грунтов под нижним концом
сваи и на ее боковой поверхности f можно принимать:
а) если возможно кратковременное местное или аварийное
замачивание основания или подъем уровня грунтовых вод, то,
как и для непросадочных грунтов, по таблице СНиП 2.02.03—85,
т. е. по показателю текучести грунта lL, соответствующего этому
показателю для лёссового грунта, замоченного до Sr 0,8, lL
определяют по формуле
у _ (0.9еу№/?а) (2221
L wl — и’р ’ ' '
где Yj и — удельный вес соответственно твердых частиц грунта и воды; е --
коэффициент пористости просадочного грунта; wp и wL — влажность просадоч-
ного грунта соответственно на границах раскатывания и текучести, доли еди-
ницы; при /£ < 0.4 следует принимать = 0,4;
б) если возможно только местное кратковременное замачива-
ние части грунта в пределах длины сваи, найденные значения R
и f нужно умножить на дополнительный коэффициент условий
работы = 1,4:
в) если замачивание просадочных грунтов основания невоз-
можно. то значения Ruf принимают как для маловлажных грун-
тов: при естественной влажности w < wP принимают щР,
считая, что w повысится до этого значения вследствие нарушения
условий испарения построенным зданием; в случае w > wP
принимают природную влажность грунта
226
При грунтовых условиях II типа по просадочности, если ожи-
даемая просадка превышает предельно допустимую для проек-
тируемого здания, необходимо учитывать влияние нагружающего
трения по боковой поверхности свай на уменьшение их несущей
способности по выражению
Fc. - Fc. - k g f,l,), (223)
где Fcb — несущая способность свай с учетом возможного развития нагружаю-
щего трения; Ркл — несущая способность свай, полученная статическими испы-
таниями с локальным замачиванием (т. е. замачиванием грунта вокруг сваи,
в том числе и под ее нижним концом, по площади радиусом, равным 5 диаметрам
свай-, пока грунт в этом объеме не достигнет S, > 0.8). при котором негативное
трение не может проявиться, а при отсутствии таких испытаний — определяе-
мая расчетом; k — коэффициент, учитывающий влияние негативного трения.
k 1,4; у,. — коэффициент условий работы сваи, равный I; U — периметр уча-
стка ствола сваи, расположенного в пределах слоев грунта, проседающих под
действием собственного веса при замачивании; Л' — расчетная глубина, до ко-
торой суммируют силы бокового трения проседающих слоев, принимаемая рав-
ной глубине, на которой просадка под действием собственного веса равна пре-
дельно допустимой для проектируемого здания.
Для сооружений оросительных систем на просадочных грун-
тах ВСН П-23—75 рекомендуют использовать сваи преимуще-
ственно для водопроводящих сооружений, в которых вода пере-
мешается по трубопроводам и лоткам (анкерные и промежуточные
опоры трубопроводов насосных станций, дюкеров, опоры акве-
дуков, сборных железобетонных лотков, водонапорных башен
и т. д.). Разрешается применять висячие сван, полностью распо-
лагающиеся в просадочных грунтах, но при соответствующем
обосновании путем расчета по предельным состояниям.
На стадии технического проекта, а также при подготовке
рабочих чертежей гидросооружений IV класса по капитальности
расчетную нагрузку висячей сваи FCB определяют по формуле
(185), но с другими показателями сопротивления грунта (/?„ под
нижними концами свай и fn по боковой поверхности, приведен-
ными в таблице ВСН П-23—75).
Расчет одиночной сваи и свайного фундамента по деформациям
основания на стадии технического проекта, а для сооружений
IV класса по капитальности и при подготовке рабочих чертежей
выполняют, как для условного свайно-грунтового фундамента
(см. рис. 102). Однако угол передачи напряжений силами трения
На основание принимают не а = <рср/4, а а = Г 30*. Для оди-
ночной сваи этот фундамент на отметке острия сваи будет иметь
круглую подошву радиусом
г — lQ tg а 4 и площадь Луся = л (/0 tg а 4- -^-)2 >
где 19 — длина сваи в грунте; DOB — диаметр сваи.
227
При подготовке рабочих чертежей свайного фундамента для
гидротехнических сооружений I—III класса по капитальности
расчетную нагрузку висячих свай и их деформации определяют
по результатам полевых испытаний статической нагрузкой с пол-
ным замачиванием всей толщи просадочных грунтов из карт»
диаметр которых составляет не менее половины глубины проса-
дочной толщи.
Глава 12. ФУНДАМЕНТЫ ГЛУБОКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ
49. Принципы проектирования фундаментов
глубокого заложения
Фундаменты глубокого заложения применяют для передачи
больших вертикальных и горизонтальных нагрузок на глубоко
залегающие прочные слои грунта» когда использование свай
неэффективно или невозможно из-за имеющихся в толще грунтов
валунов и других препятствий.
Различают следующие типы фундаментов глубокого заложе-
ния: 1) опускные колодцы из сборных железобетонных оболочек
(колодцы-оболочки) и массивные опускные колодцы; 2) кессон-
ные фундаменты; 3) буровые опоры. Фундаменты последнего
типа по существу представляют собой монолитные бетонные или
железобетонные буровые сваи большого диаметра (с уширением
пяты или без него), устраиваемые под защитой глинистого раствора
или с помощью обсадных труб, извлекаемых при бетонировании.
Технология их изготовления была рассмотрена выше.
Массивные опускные колодцы, применявшиеся еще в глубокой
древности (например, в Индии за 2000 ... 2500 лет до нашей
эры с их помощью сооружали фундаменты храмов), позволяют
устраивать фундаменты глубокого заложения значительных раз-
меров в плане. Они погружаются под действием собственного веса
по мере выемки грунта из внутренних полостей. При наличии
в грунте препятствий (валунов, погребенных деревьев) применяют,
но сравнительно редко (и только в водонасыщенных грунтах)
кессонные фундаменты (кессоны).
В последнее время массивные опускные колодцы больших
поперечных сечений и кессоны используют наряду с конструк-
цией «стена в грунте» лишь для устройства заглубленных частей
зданий и сооружений (подземных гаражей, отстойников, водо-
заборных сооружений, насосных станций и т. д.). В фундаменто-
строении они уступили место облегченным фундаментам из оди-
ночных (или групп) колодцев-оболочек и буровых свай-столбов.
Расчет фундаментов глубокого заложения. Ведут* также по
двум группам предельных состояний: 1) по прочности грунтов
оснований и материала фундамента; 2) по деформациям (осадкам
и трещи неустойчивости).
228
Ввиду сложности определения «критического» предельного
давления на основание фундаментов глубокого заложения и их
осадок имеются лишь приближенные приемы расчетов для отдель-
ных случаев, которые приводятся в специальной литературе.
Среднее давление по подошве фундамента глубокого заложе-
ния для сравнения с расчетным сопротивлением грунта осно-
вания определяют с учетом сил трения, действующих по боковой
поверхности фундамента. При действии на фундаменты значи-
тельных горизонтальных нагрузок максимальное и минимальное
напряжения под краями подошвы подсчитывают с учетом заделки
фундамента в грунт.
Среднее давление по подошве Рср от суммы вертикальных
сил N определяют по формуле
Л>₽ = (Е * - Т)МФ. (224)
где Лф — площадь подошвы фундамента при условии Рвр < Яд; Т — сумма
сил трения, равная Т = т1/ (а — 2,6 м); т — средняя удельная сила трения
грунта по боковой поверхности фундамента, принимаемая в среднем т > 0,02 ...
... 0,03 МПа: U — периметр горизонтального сечения фундамента; d — глубина
ааложення. Принимается, что трение изменяется от 0 (на поверхности) до зна-
чения х на глубине примерно 5 м. ниже значение т считают постоянным. Поэтому
в формуле для Т из полной высоты d вычитают 2,5 м.
Расчет заделки отдельного фундамента в грунте. При действии
горизонтальных сил выполняют с учетом поворота фундамента
в грунте и возникновения реактивного давления по его подошве
и боковой поверхности. Если фундамент состоит из нескольких
колодцев-оболочек, гибкостью которых нельзя пренебречь, рас-
чет ведут с учетом изгиба оболочек методами, применяемыми для
расчета высоких свайных ростверков согласно СНиП 2.02.03—85.
50. Опускные колодцы
Массивный опускной колодец представляет собой открытую
сверху и снизу железобетонную (реже бетонную) толстостенную
конструкцию, стенки которой в нижней части оканчиваются ско-
сами-ножами. Погружаются колодцы в грунт под действием соб-
ственного веса по мере разработки и удаления грунта изнутри
(рис. 103). Имеются примеры опускания колодцев на 70 м ниже
уровня воды (свыше 40 м в грунте), и это еще не является пре-
делом. После достижения необходимой глубины внутренние поло-
сти полностью или частично (с устройством только нижней по-
душки и верхнего перекрытия) заполняют бетоном, а сам колодец
входит в конструкцию фундамента.
При устройстве под сооружением одного колодца его очерта-
ния в плане назначают в соответствии с поперечным размером
сооружения. Чтобы он легче погружался в грунт, выбирают
симметричную форму в плане: круглую, овальную, прямоуголь-
ную (с закругленными углами). При больших в плане размерах
229
Рис. 103. Массивный опускной колодец
колодца его разделяют внутренними перегородками, не дости-
гающими низа, на отдельные шахты (ячейки). Наружные стенки
толщиной 1,5 2,5 м (из бетона) или I 1,25 м (из железо-
бетона) выполняют вертикальными или с наружными уступами,
расширяющимися книзу для уменьшения трения о грунт при
опускании колодца (рис. 104). Нижняя часть стены, имеющая
скосы с режущей частью в виде металлических ножей, называется
консолью. На случай переоборудования колодца в кессон (для
преодоления встретившихся на некоторой глубине препятствий)
в нижней части стенок предусматривают пазы 5 (см. рис. 104)
для устройства герметичного перекрытия (рис. 105, в).
На сухом месте массивный колодец изготавливают и опускают
на предварительно спланированной и утрамбованной площадке,
при этом его. у ста на вл ива ют ножом на подкладки-коротыши.
При опускании на местности, покрытой водой глубиной не
более 5 м, колодец можно изготовить и опустить на предвари-
тельно отсыпанном искусственном островке (см. рис. 103). Если
островок сильно стесняет русло реки, а также при большой глу-
бине воды его опускают с постоянных или с плавучих подмостей.
Разрабатывают и удаляют грунт из шахт при погружении
колодца грейферами, эрлифтами или гидроэлеваторамн. При вы-
соком расположении уровня грунтовых вод грунт вынимают без
водоотлива.
Для снижения сил трения, чтобы можно было быстро погру-
зить или выправить положение колодца, между его наружной
230
Рис. 104. Здание осушительной насосной станции на круглом опу-
скном колодце 015,4 м:
/ — опускной колодец; 3 — наружная гцдронволяцнн; 3 — подводный бетон
Днища; < — нож: 6 — пае для переоборудования в кессон; б — уступ*бавкетка
Рис. 105. Конструктивные детали
а — разделение колодцев на ячейки; б
форма стоек
массивных опускных колодцев:
• конструкция коясолей я ножей; • —
Рис 106 Схемы к расчету консоли колодца
в — 1-с расчетное положение — магнб консоль внутрь» 0 — 2 е расчетное по-
ложение — нагиб консоли наружу. • — реакжня по скоменноА плоскости кон-
соли (консоль нагибается наружу)
поверхностью и грунтом создают «тиксотропную рубашку» из
бентонитовой глины толщиной 5 10 см Глинистый раствор
вводят с помощью трубок в зазор, образованный уступами наруж-
ной поверхности стенок
Когда колодец достигнет проектной глубины, подводным бето-
нированием методом ВПТ выполняют опорную плиту фундамента
Затем из колодца откачивают воду, и дальнейшие работы ведут
насухо
Рассчитывают колодцы на строительные нагрузки по приня-
тым из конструктивных соображений размерам для наиболее не-
выгодных сочетаний нагрузок, возникающих в процессе изготов-
ления и опускания Так, проверяют возможность погружения
колодца под действием собственного веса, рассчитывают стенки на
изгиб в горизонтальной плоскости опущенного до проектной
отметки колодца и на растяжение для случая защемления в грунте
его в верхней части при опускании, рассчитывают также колодец
на изгиб под действием собственного веса при снятии с подкладок
и консоли на изгиб и сжатие в вертикальной плоскости Расчет
консоли выполняют для двух положений а) колодец опущен
до проектной отметки, грунт под ножом подобран и консоль изги-
бается внутрь колодца (рис 106, а), б) колодец находится на поло-
вине проектной глубины, консоль опущена на глубину /, равную
своей высоте, и изгибается наружу (рис 106, б, а)
51 Колодцы-оболочки и буровые опоры-столбы
Колодцы-оболочки и буровые опоры-столбы по конструкции,
условиям работы в грунте и технологии их устройства сходны
со свайными фундаментами
Колодцы-оболочки Колодцами-оболочками называют железо-
бетонные конструкции кольцевого сечения диаметром 1 6 м,
опускаемые вертикально с предварительным извлечением грунта
изнутри
232
Появление в современном строительстве мощных вибрацион-
ных машин, позволяющих погрузить на значительную глубину
элементы больших размеров, широкое изготовление заводским
способом железобетонных оболочек и малые сроки возведения
сделали колодцы-оболочки главным видом фундаментов глубокого
заложения. В настоящее время в нашей стране на фундаментах
из сборных железобетонных колодцев-оболочек построены сотни
мостов через большие реки. С помощью мощных вибропогружате-
лей удается достичь глубины погружения колодцев-оболочек более
чем на 50 м и даже забуривать их в скальные породы.
Наиболее эффективно применение колодцев-оболочек диаме-
тром до 3 м (включительно) с последующим заполнением бетоном
марки М150 или без заполнения (при утолщенных стенках).
Оболочки изготавливают в виде секций длиной 6 10 м со стен-
ками толщиной 12 20 см из бетона марки не ниже 400 как с
обычной, так и с предварительно напряженной арматурой
(рис. 107).
Нижние секции выполняют с металлическими наконечниками-
ножами. Конструкцию ножа 3 верхнего рисунка применяют при
погружении в верхний слой скального грунта. Для нескальных
грунтов ограничиваются наконечником (см. узел Б) без цилиндри-
ческой нижней части (как для скальных пород). Верхний конец
нижней секции и концы промежуточных секций для стыкования
при наращивании снабжены либо фланцами (для соединения
Рис. 107. Железобетонная оболочка-колодец:
1 — секция оболочки; 2 — спиральная арматура; 3 — нож; 4 — флакцевыЯ стык; 4 —
продольная арматура; 6 — упорное кольцо; 7 — диафрагмы; I ... 10 — соедините ль-
ныа детали
233
ка местности, не покрытой водой: х
X — изготовление секций; б — погружении оболочек: • — ааполнеиме оболочек беговом;
* “ бетонирование плиты ростверка; б — бетонирование тела опоры; / — опалубка сек-
ции: 2 — гусеничный кран грузоподъемностью б ... 10 т; J — портальный край: 4 —•
вибропогружатель; 5 — каркас; в — эрлифт; 7 — погружаемая железобетонная оболочка;
в — батомолитная влита; р — тампонажный слой на подводного бетона; 10 — желаво-
бетонная мига ростверка; 11 — бетон ааполяемкя оболочки; 1» — тело опоры
на болтах), либо стальными манжетами (для соединения свар-
кой)
Возводят фундаменты из колодцев-оболочек следующим обра-
зом (рис 108) Готовые нижние секции оболочек на месте погру-
жения устанавливают кранами в направляющее устройство
Оболочки опускают мощными (иногда спаренными) низкочастот-
ными вибропогружателями с возмущающей силой 40 300 т по-
следовательно с наращиванием по высоте (на болтах или сваркой)
или уже собранными сразу на полную глубину (зависит от глу-
бины воды, высоты направляющих устройств и грузоподъемности
крана)
Через каждые 3 5 м погружения грунт из колодца-обо-
лочки вынимают Чтобы можно было для этой цели использовать
грейферы и гидрожелонки, вибропогружатель снимают При
разработке грунта гидроэлеваторами и эрлифтами, трубы которых
вводят через отверстие в наголовнике, необходимость в снятии
вибратора отпадает Прочные грунты удаляют на глубину не
менее чем на 1 2 м ниже оболочки, а слабые — не более чем
на 0,5 1 м для предотвращения их интенсивного наплыва
внутрь оболочки
Рис 109 Опора моста на фундаменте с опорами столбами из колодцев оболо
чек, погруженных в нескальные грунты (фасад и вид по оси моста)
/ — крупный лесок 2 — межморенные тугоплвстмчные н твердые глины
235
Когда колодец-оболочка достигнет проектной отметки, вна-
чале подводным бетонированием с помощью вертикально пере-
мещающейся трубы укладывают подушку толщиной 2.5м,
а после откачки воды из полости заполняют ее бетоном либо пол-
ностью, либо только по периметру стен с целью их утолщения
Опоры-столбы. Опорами-столбами обычно называют верти-
кальные фундаменты глубокого заложения, заделанные нижней
частью в скалу и соединенные с ней забетонированными армиро-
ванными сердечниками Такой фундамент моста со столбами-
опорами из колодцев-оболочек показан на рисунке 109 Для
заделки в скалу разработку скальной породы ведут через оболочку
станками ударно-канатного бурения, чтобы получить полость
диаметром, равным ее внутреннему диаметру
К буровым опорам-столбам относят такие, диаметр несущих
элементов которых (вертикальных и наклонных) более 1,6 м.
Буровые столбы с опиранием на скальные породы можно также
устраивать в предварительно пробуренных скважинах, установив
в них готовые железобетонные цилиндрические или призматиче-
ские элементы сплошного сечения соответствующего размера
с последующим заполнением зазора шириной 5 10 см, остаю-
щегося между стенкой скважины и этими элементами, песчано-
цементным раствором
52 Кессонные фундаменты
В современном строительстве кессонные фундаменты (кессоны)
применяют в следующих случаях
когда подземное сооружение возводят в непосредственной
близости от существующих зданий и сооружений и есть опасность
выноса или выпирания водонасыщенного грунта из-под подошвы
их фундамента,
если подземное сооружение или фундамент строят в сильно
обводненных грунтах, когда устройство опускного колодца тре-
бует больших затрат на водоотлив, и если экономически выгоднее
применить кессон,
когда при погружении опускного колодца встретились пре-
пятствия в виде валунов, топляков (погребенных деревьев) и
требуется переоборудование его в кессон,
при проходке горизонтальных туннелей в водонасыщенных
грунтах
По способу опускания кессоны делят на опускаемые с поверх-
ности земли и из котлованов, островные, погружаемые с искус-
ственных островов, отсыпанных на акватории, наплавные, опу-
скаемые с воды путем затопления кессонной камеры, заранее
изготовленной с запасом плавучести
Собственно кессон (рис ПО) состоит из жесткой железобе-
тонной (реже металлической) круглой или прямоугольной ко-
робки, имеющей потолок 7 и боковые стенки-консоли 5, надкес-
236
сонного строения (или кладки)
8 и шлюзового аппарата 2,
установленного на шахтной
трубе 4. В рабочую камеру 6,
где находятся люди, непрерыв-
но по трубам 3 с компрессор-
ной станции / нагнетается сжа-
тый воздух под давлением,
превышающим давление столба
воды Я, чтобы отжать воду и не
допустить ее в, рабочее про-
странство кессона. Шлюзовой
аппарат служит для сообщения
наружного пространства с ра-
бочей камерой кессона для
транспортировки людей и гру-
зов, а также разработанного
грунта (без понижения в ней
давления).
Под действием собственного
веса постепенно возводимой
кладки по мере разработки
грунта кессонный фундамент
Рис. ПО. Кессон:
/ — жоипрессорная станцня; 1 — шлюао*
во* аппарат; 8 — трубы; 4 — шахтная
труба; 8 — стяяка-консолъ; б — рабочая
камера; 7 — потолок; I — мадкоссояяое
строаим
опускается до проектной отмет-
ки. Затем камеру заделывают бетонной или бутобетонной кладкой,
шахтные трубы и шлюзовые аппараты демонтируют и заполняют
бетоном также шахтные колодцы. В итоге получается массивный
фундамент глубокого заложения, на котором возводят надфун-
даментную конструкцию.
Форма и размеры кессона в плане соответствуют очертанию
фундамента или будущего подземного сооружения. Рабочую
камеру делают высотой не менее 2,2 м. Низ стенок-консолей обо-
рудуют металлическими ножами такой же конструкции, как
и в опускных колодцах. В потолке оставляют отверстия для уста-
новки шахтной трубы, патрубков для присоединения трубопрово-
дов для подачи сжатого воздуха, воды, электроэнергии. Наиболь-
шее давление, при котором людям разрешается работать в кес-
соне, 0,4 МПа, что соответствует заглублению кессона под уро-
вень воды примерно на 40 м.
Грунт в рабочей камере разрабатывают гидромониторами,
а пульпу удаляют гндроэлеваторамн, эрлифтами или землесосами,
минуя шлюзовые аппараты. В последнее время достигнуты полная
автоматизация и телеуправление кессонных работ. В результате
необходимость присутствия людей в кессоне при его опускании
отпадает.
Расчет кессонов. Кессоны рассчитывают на строительные
нагрузки (горизонтальное давление воды и грунта снаружи, тре-
ние о грунт, реакция грунта на консоль при заглублении ножа.
237
собственный вес. давление сжатого воздуха) при наиболее не*
выгодных комбинациях перечисленных усилий для двух основных
расчетных положений кессона
когда кессон находится на проектной отметке при снижен-
ном на 25 50 % полном давлении в камере (так называемая
форсированная посадка кессона), проверяют усилие в консоли
при ее изгибе в месте заделки в потолок,
при положении кессона на поверхности грунта (перед началом
опускания), когда он находится на фиксированных подкладках;
проверяют потолок кессона на изгиб от собственного веса его
консольных и центральной частей
Глава 13 УСТРОЙСТВО КОТЛОВАНОВ
ПОД ФУНДАМЕНТЫ И СООРУЖЕНИЯ
Проектирование котлована под фундаменты неглубокого за-
ложения включает его горизонтальную и вертикальную привязку
к местности, определение размеров котлована понизу и поверху,
составление плана с указанием размеров, основных осей, абсо-
лютных отметок дна и бровок, назначение уклона и размеров
откосов, берм и подъездных путей, а также конструкции крепле-
ния стенок котлована
При устройстве котлована на местности, не покрытой водой,
выполняют следующие виды работ разбивку котлована и фунда-
мента на местности, разработку и транспортировку грунта,
крепление стен котлована и его осушение, подготовку основания,
кладку фундамента и его гидроизоляцию, засыпку пазух грунтом,
планировку местности и устройство отмостки
При производстве работ необходимо предусматривать и вы-
полнять мероприятия по предотвращению затопления котлована
поверхностными и подтопления грунтовыми водами, нарушения
природного сложения грунтов дна котлована, случайного повре-
ждения имеющихся на участке действующих подземных инженер-
ных коммуникаций, промерзания грунтов зимой, по обеспечению
безопасности расположенных рядом с котлованом строений и ра-
ботающих на бровках механизмов
Перед началом работ по возведению фундамента и нулевого
цикла осуществляется приемка котлована и грунтов основа-
ния, что оформляется специальным актом на скрытые работы
в присутствии заказчика, проектировщиков, производителя работ
и представителей других заинтересованных организаций
53 Назначение размеров котлованов
и разбивка их на местности
Назначение размеров Для сплошных фундаментов, нижних
(подвальных) строений зданий, а также при большом числе от-
дельных, часто расположенных фундаментов устраивают один
238
общий котлован. Для ленточных фундаментов и под инженерные
коммуникации отрывают траншеи.
Глубину котлована устанавливают исходя из проектной от-
метки подошвы фундамента, принятого способа подготовки осно-
вания и назначенного строительного подъема дна котлована в слу-
чае ожидаемой существенной осадки сооружения. Для предохра-
нения рабочего слоя основания от нарушения природной струк-
туры на дне котлована оставляют защитный слой грунта, уда-
ляемый только непосредственно перед возведением фундамента.
Толщину защитного слоя назначают в зависимости от размеров
котлована, грунтовых и погодных условий, применяемых земле-
ройных механизмов. Эти данные указывают в проекте.
Размеры котлована по дну определяются внешними габари-
тами фундамента или сооружения понизу, размерами прифунда-
ментных устройств с наружных сторон (дренажи, временные во-
доотводные канавы, водосборные колодцы, инженерные коммуни-
кации и т. д.), необходимыми для удобства работ и складирования
материалов зазорами между гранями фундамента и откосами
котлована. Дно котлована (поверхность защитного слоя) выпол-
няют с уклоном в сторону стенок для отвода атмосферные осадков,
а для их сбора по его периметру делают водоотводные канавы
с уклоном к колодцам-приямкам (зумпфам).
Размеры котлована поверху устанавливают суммированием
размеров его понизу и заложений (вертикальных проекций в пре-
делах глубины котлована) обоих откосов или стенок с учетом
толщины креплений, берм, спусков для транспорта и других
устройств.
Разбивка на местности. Заключается в переносе на строитель-
ную площадку главных осей фундаментов или сооружения, кон-
тура котлована поверху и его ограждений (горизонтальная раз-
бивка), а также в определении вертикальных отметок основных
частей и элементов фундаментов (вертикальная разбивка).
Горизонтальную разбивку выполняют геодезическими угло-
мерными инструментами с привязкой к реперным или другим,
заранее закрепленным на местности знакам (например, к город-
ским квартальным красным линиям), указанным в проекте. Поло-
жение на строительном участке главных осей сооружения закреп-
ляют створными столбиками. Так, главную продольную ось
акведука или моста закрепляют четырьмя створными знаками —
по два на каждом берегу. Затем приступают к разбивке второсте-
пенных, поперечных осей опор. После закрепления всех осей
детально разбивают котлованы, их крепления и фундаменты
каждой опоры.
Для закрепления на время производства работ выполненной
на местности разбивки фундамента вокруг него на расстоянии не
менее 2 м от границ будущего котлована (чтобы не мешать движе-
нию механизмов и складированию материалов) делают строитель-
ную обноску (рис. 111). Обноска состоит из чисто оструганных
239
Рис 111 Схема устройства обноски
/ — главные раабнвочкые модульные
осн. 2 — фундамент, 3 — ограждение
котлована, 4 — доски обноски 3 —
габаритные (граничные) оси фунда-
мента, f — столбика
осей По положению этих осе
досок, прибитых горизонтально на
ребро на высоте около 1 м к забн*
тым в грунт стойкам Положение
разбивочных осевых н граничных
линий фундамента на ребрах об*
носки закрепляют путем забивки
гвоздей или делая пропилы, а на
боковую поверхность досок несмы-
ваемой краской наносят необхо-
димые пометки По гвоздям или
пропилам на противоположные
доски обноски натягивают гори-
зонтальные проволочные расчал-
ки, показывающие расположение
соответствующих разбивочных
с помощью отвесов определяют в
процессе работ правильность пространственного положения фун-
дамента в котловане и ведут разбивку самого фундамента и
надфундаментных конструкций
Вертикальную разбивку сооружения проводят нивелировкой,
для чего на площадке устраивают один или несколько основных
реперов с привязкой к геодезической сети, а также необходимое
число вспомогательных реперов и сторожков При вертикальной
разбивке обычно пользуются условными отметками, отсчитывае-
мыми от условно принятой нулевой отметки (для зданий — это
отметка уровня чистого пола первого этажа), которую указывают
в проекте Положение нулевой отметки переносят нивелиром
на отдельные столбы обноски
54 . Крепление стенок траншей и котлованов
Технология выемки котлованов и траншей с креплением сте-
нок или без него, а также приемы осушения котлованов изла-
гаются в курсе «Организация и технология гидромелиоративных
работ», а методы расчета ограждений — в курсе «Теория соору-
жений» Поэтому здесь лишь кратко рассмотрим меры по обеспе-
чению устойчивости стенок котлованов и траншей и применяемые
конструкции их крепления с точки зрения техники безопасности
и эффективности производства работ
Устойчивость стенок котлованов обеспечивается за счет при-
дания им соответствующих уклонов и применения различного
вида креплений
Котлованы глубиной до 1,5 2 м, по бровкам которых на-
грузка отсутствует, можно устраивать с вертикальными стенками
без креплений в маловлажных связных грунтах Такие котло-
ваны отрывают, когда возведение фундаментов и засыпку пазух
проводи i в сжатые сроки сразу же после отрывки Хорошо держат
вертикальные откосы выемок даже большой глубины лессовые
240
маловлажные грунты, однако при увлажнении они резко теряют
устойчивость и обрушаются.
Котлованы глубиной до 5 м в маловлажных однородных грун-
тах при надежном обеспечении отвода поверхностных вод устраи-
вают с наклонными стенками. Наибольшую крутизну откосов сте-
нок принимают в зависимости от вида и состояния грунтов и
глубины выемки по СНиП на производство земляных работ. Для
более глубоких котлованов через каждые 5 м по высоте откоса
устраивают горизонтальные участки — бермы, а крутизну отко-
сов обосновывают расчетами на устойчивость, исходя нз проч-
ностных свойств грунтов, слагающих откосы. В этом случае,
хотя и удается избежать крепления наклонных стенок, существенно
возрастает объем земляных работ (выемка котлована).
Крепление закладными деталями. Под сравнительно неболь-
шие фундаменты в неустойчивых грунтах при отсутствии грунто-
вых вод, когда невозможно выполнить котлован с откосами, его
стенки делают вертикальными н крепят досками или инвентар-
ными деревянными щитами на распорках — так называемыми
закладными креплениями. Подобные крепления можно применять
в устойчивых грунтах и при небольшом (до 1 м) подпоре грунтовых
вод. Их изготовляют полностью нз дерева (рис. 112) или в соче-
тании с металлическими двутавровыми и швеллерными балками
(рис. 113). Если грунты при разработке котлована способны дер-
жать вертикальные откосы хотя бы короткое время, закладные
крепления устанавливают после выемки котлована сразу на пол-
ную глубину. В малоустойчивых грунтах крепления монтируют
по мере отрытия котлована в несколько приемов. Толщину досок,
наибольшее расстояние между стойками, сечения стоек и распорок
Рис. 112. Деревянное закладное крепле-
ние:
а — раарез; б — план: в. а я д — схемы Для
расчета соответственно досок, стоек я распо-
рок; 1 — доски крепления: 2 — стоЯкя; t —
распорки
241
1 — клвнья. i — доски крепления. 3 — скоба я » И мм, 4 — болт я — 12 мм (ра^
меры дамы в метрах)
рассчитывают по прочности их материала (см рис 112, в—д)
на активное давление грунта и временные нагрузки на бровках
При сложных геологических и гидрогеологических условиях,
в глубоких выработках, а также на стесненных участках котлован
крепят шпунтовыми стенками (рис 114), стенками из упрочнен-
ного различными способами (силикатизацией, цементацией, за*
моражнванисм) грунта или применяют специальные конструкции
242
Направление забивши
Рис. 114. Конструкция деревянной шпунтовой стенки:
I — маячные сван; 7 — направляющие брусья: i — пре*
меиные вкладыши; 4 — шпунтовый брус; 5 - металлические
болты
(например, «стена в грунте», опускные колодцы и т. д.). В этих
случаях стенки выполняют, как правило, до начала разработки
грунта в котловане.
Крепление шпунтовыми ограждениями. Шпунтовое ограждение
обычно делают, если уровень грунтовых вод находится выше дна
котлована и возможен наплыв грунтов в процессе его разра-
ботки и осушения.
Шпунтовое крепление состоит из отдельных вертикальных
элементов — шпунтнн, погруженных вплотную друг к другу (за-
бивкой или вибрацией) ниже дна котлована, и системы обвязок,
маячных свай, схваток, распорок нлн анкеров, обеспечивающих
прочность и устойчивость шпунтовой стенки и правильное погру-
жение шпунтнн. Глубина погружения шпунта ниже дна котлована
(защемление) диктуется условиями устойчивости ограждения и
расположением водоносного слоя.
На рисунке 115 приведены различные схемы устройства шпун-
товых ограждений. По первой схеме (рис. 116, а) шпунтовую
стенку устраивают, если водоупор залегает на большой глубине,
недоступной для забивки шпунта. Ограждение в этом случае
не прорезает водоносный слой, и вода поступает в котлован в ос-
новном через дно. Ввиду возможного при этом сравнительно
небольшого заглубления котлована такое ограждение устраивают
свободно стоящим (защемленным в грунт лишь инжней частью).
В других случаях шпунтовую стенку заглубляют в водоупор и
полностью перекрывают таким образом водоносный горизонт
(рис. 115, б, в). Тогда вода может поступать в котлован в неболь-
шом количестве, только через неплотности в стенке. Такая схема
предпочтительнее, так как значительно упрощается водоотлив
из котлована. Устройство котлована в верхней части с откосными
243
Рис. 115. Схемы устройства шпунтовых ограждений котлованов:
а—в — варианты устройства; / — шпунт; 9 — обваака; 9 — распорка; 4 —
анкер вал свал; 6 - аикарваа тага; С — водоупор
20^5
Рис. 116. Профили металлического шпунта:
ШП-Г л П1П4 — плоска!; ШК-1 в ШК-2 — корытвыВ; ШД-В — ветоаыДг Л-IV
к Л-V — типа «Л а реев»
стенками (до уровня грунтовых вод) и применение распорок
(рис. 115, б) позволяют уменьшить длину и сечение шпунта.
По другой схеме устойчивость шпунтового ограждения обес-
печивается анкерными креплениями на поверхности (рис. 115, а).
По материалу шпунт может быть деревянным, металлическим
и железобетонным.
Деревянный шпунт применяют в слабых грунтах без примеси
камней и погребенных деревьев, для ограждения котлованов глу-
биной до 4 ... 5 м, так как сортамент деревянных шпунтов огра-
ничен длиной 6,5 ... 6,5 м. Для обеспечения большей водонепро-
ницаемости соединения шпунтовой стенки и ускорения работ
поперечное сечение шпунтов из досок или брусьев выполняют
с прямоугольными гребнем и пазом. Нижнюю часть шпунтины
заостряют со скосом со стороны гребня, вследствие чего заби-
ваемая гребнем вперед между направляющими схватками она
пазом насаживается на гребень ранее погруженной шпунтины и
плотно прижимается к ней. Недостаток деревянного шпунта
состоит в том, что многократное его использование невозможно.
Металлический шпунт применяют для ограждения глубоких
котлованов, а также в труднопроходимых грунтах. Малая тол-
щина стенок и высокая прочность позволяют немного заглублять
его даже в слабые скальные породы. Его можно использовать
многократно.
Замковые соединения профилей металлического шпунта (см.
рис. 116) обеспечивают повышенную по сравнению с деревянным
водонепроницаемость, способны выдерживать значительные рас-
тягивающие усилия и позволяют (при повороте их до 10°) устраи-
вать криволинейные в плане ограждения котлованов. Металличе-
ский шпунт погружают в направляющих, состоящих из парных
схваток по маячным сваям, путем забивки нлн вибрации. При из-
влечении шпунта целесообразно применять вибропогружатели.
Способ «стена в грунте» . Прогрессивный и весьма эффектив-
ный метод фундаментостроеиия, получающий все более широкое
распространение. Сущность его состоит в разработке грейферами,
драглайнами и специальными ковшовыми н фрезерными агрега-
тами узких и глубоких траншей по периметру будущего сооруже-
ния с устройством в них под защитой глинистой суспензии (пред-
отвращающей обрушение траншеи) стенок из монолитного бетона
нлн сборных железобетонных панелей. После того как материал
стенкн приобретет необходимую прочность, из огражденного бу-
дущего котлована (или подземной конструкции) выбирают меха-
низмами грунт.
Наибольший эффект достигается, когда устраиваемые способом
«стена в грунте» подземные стены не носят временного характера,
а входят в сооружение как постоянные конструктивные элементы
(при возведении глубоких подземных этажей зданий, различного
рода подземных хранилищ, резервуаров, тоннелей, переходов,
подпорных стенок и т. д.). Особенно целесообразен этот способ
245
при заглублении стен сооружений в водоупорные грунты Это
позволяет не применять специальные меры осушения
Преимущество способа «стена в грунте» — возможность ис-
пользования его в стесненных условиях, особенно при плотной
городской застройке Например, в Москве этим способом по-
строена подземная восьмиэтажная автостоянка размером в плане
154 x 54 м и с заложением монолитных железобетонных стен
в грунте на глубину 27 м Толщина стен и несущих колонн, вы-
полненных также способом «стена в грунте», составляет 0,7 м
Способ «стена в грунте» можно эффективно использовать
в гидротехническом строительстве Он позволяет устраивать про-
тяженные подземные стены в качестве противофильтрационных
завес вдоль каналов, бассейнов, выемок, берегов водоемов и т д
В этом случае заполнителем траншеи служат нетвердеющие
пластичные местные материалы с малым коэффициентом филь-
трации (глины, заглинизированный грунт и др ) или синтетиче-
ские пленки с обратной засыпкой грунтом Такие завесы препят-
ствуют притоку грунтовых вод внутрь огражденного контура или
фильтрации воды из каналов и водоемов
Способом «стена в грунте» выполнены противофильтрационное
ограждение канала-водовода в Голодной степи, противофильтра-
ционная завеса водохранилища Киевской гидроаккумулирующей
электростанции (длина 3,6 км, ширина 0,5 м, глубина 20 м) и
завесы на ряде других гидроэлектростанций
Практика показывает, что применение способа «стена в грунте»
вместо традиционных приемов значительно удешевляет стоимость
работ благодаря снижению их трудоемкости, объема земляных
работ, а также уменьшению расхода бетона и стали, сокращению
времени строительства и площадей, занятых под застройку
Искусственное замораживание грунтов Применяют для ограж-
дения глубоких котлованов в большой толще водонасыщенных
грунтов, когда забивка шпунтов затруднена (например, в граве-
листых грунтах с включением валунов), а глубинный водоотлив
нецелесообразен (в плывунах, глинистых грунтах) Грунты также
замораживают, чтобы была возможна проходка в них подземных
выработок (например, железнодорожных и гидротехнических тон-
нелей, метро)
Для создания водонепроницаемой, ограждающей котлован
стенки из замороженного грунта вокруг него на расстоянии около
2 м от будущей бровки через всю толщу водонасыщенных грунтов
проходят с обязательным забуриванием на 1 2 м в водоупор
буровые скважины Их располагают по замкнутому контуру
ня расстоянии 1,5 3 м одна от другой В скважины на всю
глубину забивают замораживающие колонки нз стальных труб
0 100 200 мм В каждую колонку (имеющую1 герметически
заваренный на конус ннжннй башмак) вводят питательную трубку
небольшого диаметра, немного не достигающую ее дна, и короткую
выводную трубку По питательной трубке в колонку поступает
246
охлаждающий рассол хлористого кальция температурой минус
20 ... 25 °C. Поднимаясь по колонке вверх, он охлаждает при-
мыкающий к ней грунт и замораживает его со скоростью примерно
2 ... 3 см по радиусу в сутки. Поглотивший у грунта тепло рассол
по выводной трубке насосом подается в холодильную аммиачную
или углекислотную машинную установку, где охлаждается и
вновь накачивается в замораживающие колонки.
В течение времени активного замораживания (40 ... 70 сут)
вокруг колонок образуются цилиндры замерзшего грунта, кото-
рые, срастаясь с соседними, образуют общую замороженную
стенку. После отрытия котлована она работает как подпорная
стенка из льдогрунтового материала. Стенка практически водо-
непроницаема и при определенной рассчитанной толщине и кон-
фигурации может иметь прочность, достаточную для восприятия
активного давления находящихся за ней талого грунта и воды.
При значительной глубине котлована колонки в плане распола-
гают в несколько рядов или для уменьшения толщины стенки
проектируют ее с контрфорсами.
Проектирование замораживаемой стенки включает определение
ее размеров по условиям статической работы, объема заморажива-
емого грунта н требуемого для этого холода, а также размеров,
количества, порядка размещения замораживающих колонок и
мощности холодильной установки.
В5. Осушение котлованов
При заглублении дна котлована ниже уровня грунтовых вод
возникает необходимость в осушении котлована на время устрой-
ства фундамента. Осушение может быть достигнуто двумя спосо-
бами водоотлива: открытым водоотливом, когда поступающая
в разрабатываемый котлован и скапливающаяся на его дне вода
удаляется насосами, и глубинным или грунтовым водоотливом —
искусственным водопонижением. В последнем случае на стро-
ительном участке заранее путем откачки из системы пробуренных
по периметру будущего котлована скважин понижают уровень
грунтовой воды до отметки ниже дна котлована и поддерживают
его таким в течение всего периода строительства. В результате
полностью предотвращается поступление грунтовой воды в от-
рываемый насухо котлован. Кроме того, как уже отмечалось ранее;
в результате водопонижения грунт существенно уплотняется
и упрочняется, что повышает устойчивость откосов котлована.
Открытый водоотлив. Это более простой и дешевый способ»
чем глубинное водопонижение, однако его применение щраничп-
вается случаями, когда фильтрующие воды не в состоянии нару-
шить структуру грунтов основания сооружения и откосов котло-
вана (разрыхлить гидродинамическим взвешиванием и вымыва-
нием мельчайшие частицы грунта). Для супесей и песчаных
грунтов в зависимости от их гранулометрического состава пределы
247
3
Рис. 117. Схема открытого водоотлива:
1 — водосборная кавава; 3 — вумпф; 8 — васос; 4 — пригрузка
вв гравия; S — вормавввый уровавв грунтовых вод; в — уро-
вень воды при откачке
применимости метода ограничиваются заглублением дна котло-
вана на 3 ... 5 м ниже уровня грунтовых вод.
Для осушения котлована, заполненного водой (разработанного
подводным способом или в предварительно устроенных вертикаль-
ных ограждениях), насосы устанавливают на перемычках или
на бровке котлована. Если же глубина воды в котловане пре-
вышает высоту всасывания насосов (5 ... 7 м), то их опускают
в котлован по мере понижения в нем воды по специальным на-
клонным рамам-кося кам. Монтируют насосы на плотах, пон-
тонах или устанавливают внутри котлована на специальных пло-
щадках.
При проходке котлована одновременно с водоотливом грунт
в котловане разрабатывают наклонными ярусами высотой по
0,8 ... 1 м. Каждый ярус грунта предварительно осушают, устра-
ивая по периметру котлована водосборные канавы, глубиной на
0,3 ... 0,5 м превышающей высоту яруса. В пониженной части
из деревянного шпунта или сруба устраивают водосборный коло-
дец (зумпф) размерами в плане не менее 1,5х 1,5 м и глубиной до
3 м, из которого постоянно откачивают воду, поступающую из
канав (рис. 117).
Подачу насосов, их тип и число определяют по ожидаемому
притоку воды в осушенный котлован. Для безаварийной работы
устанавливают не менее двух насосов и предусматривают
резервные.
Глубинный водоотлив. Осуществляют с помощью двух основ-
ных видов устройств: иглофильтровых установок и фильтровых
колодцев с глубинными насосами.
В практике мелиоративного и гидротехнического строительства
обычно применяют легкие иглофильтровые установки (ЛИУ)
и эжекторные иглофильтры (ЭИ). Иглофильтровые установки
используют в неслоистых грунтах, имеющих коэффициенты филь-
трации 1 ... 50 м/сут. Установки ЛИУ позволяют понижать уро-
вень грунтовых вод одной ступенью (ярусом) до 4 ... 5 м от оси
насосов. При необходимости понижения на бблъшую глубину
устраивают многоярусные иглофильтровые установки.
248
Для усиления эффекта водопонижения в сложных гидрогеоло-
гических условиях: при малой водопроницаемости (коэффициент
фильтрации менее 1 м/сут), низкой водоотдаче и неоднородном
сложении грунтов применяют электроосмос и вакуумирование.
Проектирование водопонижающих установок заключается
в определении притока воды к ограждаемому котловану и подборе
соответствующего этому притоку по мощности насосного оборудо-
вания, в установлении числа иглофильтров, глубины их погру-
жения и размещения в плане. Этот материал излагается в курсе
«Организация и производство гидромелиоративных работ», а рас-
четные формулы, вспомогательные схемы, графики и таблицы
приводятся в соответствующих справочниках и специальной
литературе.
56. Устройство котлованов фундаментов
на местности, покрытой водой
При устройстве фундаментов н подводных частей зданий
и сооружений на местности, покрытой водой (на акватории), слож-
ность состоит в необходимости достичь дна водоема сквозь толщу
воды. Наиболее часто в гидротехническом строительстве эта
задача решается ограждением места работ перемычками с после-
дующим осушением огражденного котлована. В некоторых слу-
чаях можно применять ограждения в виде бездонных ящиков,
в других — для опускания подводной части сооружения на дно —
используют плавучие понтоны. Для устройства на акватории
сооружений и фундаментов можно использовать опоры глубокого
заложения (буровые опоры, опускные колодцы, кессоны), сваи,
каменную наброску, а также применять способы подводного бето-
нирования конструкций.
Перемычки. Эго временные напорные гидросооружения, под
защитой которых ведут работы по осушению, разработке котло-
вана и возведению подводной части сооружения. В зависимости
от глубины и скорости течения воды, стесненности фарватера
реки, размеров котлована и условий выполнения работ перемычки
могут быть следующих видов: грунтовые, из однорядной или
двухрядной деревянной шпунтовой стенки с грунтовым заполне-
нием, однорядные и ячеистые из металлического шпунта, ряжевые
и др. Условия их применения и устройство излагаются в курсе
«Организация и технология гидромелиоративных работ».
Бездонные ящики. В качестве ограждения котлованов приме-
няют в тех случаях, когда подошва сооружения не заглубляется
в грунт дна (при скальных и полускальных породах) или тре-
буется удалить лишь небольшой слой наносов подводным способом
перед опусканием ящика. Они представляют собой конструкции
из водонепроницаемых стенок и внутренних креплений, обеспечи-
вающих прочность и устойчивость стенок к внешнему давлению
воды.
249
При глубине воды до 5 ... 6 м применяют деревянные ящики.
Их изготавливают непосредственно над местом опускания на под-
мостях, зимой — на льду или на берегу с последующей буксиров-
кой к месту погружения. После опускания ящика для сокращения
притока воды в месте его контакта с дном водоема следует об-
сыпать низ ящика песком и уложить по периметру грунт или
бетон в мешках. При создании надежного сопряжения стен ящика
с дном и при водонепроницаемом основании после откачки воды
из ящика в нем можно вести работы по кладке фундамента насухо.
При фильтрующих грунтах основания и если нельзя обеспечить
надежное примыкание ящика ко дну, вначале проводят подводное
бетонирование фундаментной подушки, а после осушения ведут
работы насухо. По окончании работ стенки ящиков разбирают
для повторного использования.
Понтоны. Представляют собой плавучие конструкции в виде
деревянных или железобетонных, реже металлических ящиков
с водонепроницаемыми стенками и днищем.
Деревянные понтоны делают со съемными стенками, демонти-
руемыми после возведения фундамента, а днище остается под
сооружением. Железобетонные понтоны полностью входят в со-
став сооружения. Иногда всю подводную часть сооружения (ГЭС,
насосной станции) выполняют в виде понтона. Посадить понтон
на дно водоема можно путем частичного заполнения его бетоном
или кладкой, после чего сооружение окончательно надстраивают.
При неровной поверхности скального дна или при больших на-
грузках от сооружения на слабых нескальных грунтах понтоны
опускают на заранее приготовленную каменную распределитель-
ную отсыпку.
Глав* 14. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И УСТРОЙСТВО
ОСНОВАНИЙ И ФУНДАМЕНТОВ
НА ЛЁССОВЫХ ПРОСАДОЧНЫХ ГРУНТАХ
Условия строительства и эксплуатации зданий и промышлен-
ных сооружений на лёссовых грунтах значительно отличаются
от условий строительства и работы гидросооружений ороситель-
ных систем на просадочных территориях.
Если существенное увлажнение лёссовых оснований зданий
и промышленных сооружений обычно носит случайный и кратко-
временный характер, например при авариях водонесущих сетей,
то замачивание просадочных оснований гидросооружений неиз-
бежно и связано с обильной и длительной фильтрацией воды
через массив основания. В результате этого просадочные реформа-
ции, вызываемые замачиванием лёссовых грунтов, проявляются
в основаниях гидросооружений более интенсивно и неравно-
мерно, захватывают большие объемы и продолжаются длительное
время.
250
Кроме того, вследствие постоянного и длительного фильтра-
ционного увлажнения грунта под каналами и гидросооружениями
в их основаниях развивается дополнительный вид деформации —
послепросадочное уплотнение, которое не успевает проявиться
при кратковременном замачивании лёссовых оснований промыш-
ленных зданий, а потому и не учитывается при проектировании
последних.
Многие способы устройства искусственных оснований и при-
емы проектирования, применяемые для гражданских и промыш-
ленных зданий, по технико-экономическим показателям непри-
менимы для сетевых гидросооружений оросительных систем,
имеющих более низкую капитальность, сравнительно малые на-
грузки, требующие небольшого объема работ и денежных затрат
и разбросанных по большой, обычно безводной в строительный
период территории. Поэтому проектирование каждого из упомя-
нутых видов сооружений регламентируется различными нормами:
СНиП 2 02.01—83 для гражданских и промышленных зданий
и сооружений, ВСН 11-23—75 — для оросительных систем на
просадочных грунтах.
57. Проектирование оснований
и фундаментов зданий и промышленных сооружений
иа просадочных грунтах
По СНиП 2.02.01—83 все строительные площадки, сложенные
просадочными грунтами в зависимости от возможности проявления
и размера просадки от собственного веса, по грунтовым условиям
подразделяют на два типа: I) когда просадка грунтов от собствен-
ного веса отсутствует или не превышает 5 см: просадка массива
в основном возможна лишь от внешней нагрузки; 2) в дополнение
к просадке массива основания от внешней нагрузки возможна
просадка от собственного веса грунта, превышающая 5 см.
Размер просадки грунтов при интенсивном замачивании опре-
деляют методом послойного суммирования просадок (формула 147)
каждого из п слоев, на которые разбита просадочная толща НяЬ
по выражению
S.z- (225)
i=l
где ।— относительная просадочность i-ro слоя грунта, определяемая по фор-
муле (20); hi — толщина t-го расчетного-слоя; Лм/, / — коэффициент, принимае-
мый при ширине фундамента Ь > 12 м t I, а при м вычисляемый
по формуле
*... । - 0.5 4-1.5 (Р - Р„. ,)/Р„ (226)
где Р — среднее давление под подошвой фундамента. кПа; f — начальное
просадочное давление с-го слоя. кПа; Ра — давление, равное 100 кПа; при Зм<
< b < 12 м коэффициент i определяют по Интерполяцни между значениями
*•1, ь полученными при Ъ =? 3 м и Ь — 12 м.
251
Мощность просадочной толщи H9i принимается до такой
глубины, где действующее полное давление ож = ож< + сгр < Pat
(начального просадочного давления, при котором e,GJ = 0,01).
В процессе эксплуатации зданий и промышленных сооружений
могут возникнуть следующие виды замачивания, которые могут
привести к дополнительным просадочным деформациям:
местное (локальное) замачивание основания случайного харак-
тера, вызывающее просадку на ограниченной площади в пределах
части просадочной толщи;
интенсивное замачивание грунтового массива основания сверху
в результате технологических утечек воды по большой площади
в течение длительного времени, сопровождающееся промачива-
нием всей просадочной толщи и полным проявлением просадки
под действием суммарного давления от сооружения и собственного
веса грунта;
подъем уровня грунтовых вод, вызывающий просадку нижних
слоев грунта основания под нагрузкой только от собственного
веса вышележащих слоев грунта или в сумме с давлением от
сооружения;
медленное повышение влажности (обычно до близкой к влаж-
ности на границе раскатывания) лёссового основания в результате
нарушения природных условий испарения грунтовой влаги вслед-
ствие застройки и асфальтирования территории и постепенного
накопления воды* при инфильтрации ее в грунт с поверхности;
одновременное сочетание отдельных из перечисленных выше
видов замачивания.
При местном замачивании в грунтовом массиве под источником
замачивания образуется увлажненная зона, близкая по форме
в поперечном сечении к усеченному эллипсу (рнс. 118, а), а при
интенсивном замачивании сверху по большой площади — в виде
трапеции (рис. 118, б). В пределах ширины В степень влажности
близка к полному водонасыщен ню, а на участках L изменяется
от полного водонасыщения до естественной влажности.
Основания зданий и сооружений, возводимых на просадочных
грунтах в условиях, когда не ожидается замачивания н подъема
уровня грунтовых вод, проектируют, как на обычных непросадоч-
ных грунтах,, но с учетом ожидаемого медленного увеличения
влажности грунтов по перечисленным выше причинам.
Если же увлажнение просадочного основания по ряду причин
возможно (ожидается один из первых трех видов замачивания),
то необходимо предусматривать специальные мероприятия, исклю-
чающие вредное влияние просадок иа эксплуатационную пригод-
ность зданий и сооружений.
К мероприятиям, обеспечивающим надежную работу зданий
и промышленных сооружений на просадочных грунта/, относятся
следующие:
а) устранение просадочных свойств грунтов путем их уплот-
нения и закрепления методами, изложенными в § 38 41;
252
б) прорезка фундаментами просадочного грунта путем за-
глубления самих фундаментов, устройства свайных фундаментов
из забивных, набивных, буронабивных и других свай, применения
столбов или лент из закрепленного химическим, термическим
и другими способами грунта;
в) комплекс мероприятий, включающий частичное устранение
просадочных свойств грунтов, а также конструктивные и водо-
защитные мероприятия.
Перечисленные мероприятия выбирают в зависимости от типа
грунтовых условий по просадочности, вероятности замачивания
основания, возможной просадки, технологической взаимосвязи
проектируемых зданий и сооружений с соседними объектами
и коммуникациями.
Водозащитные мероприятия применяют, как правило, на пло-
щадках со вторым типом грунтовых условий по просадочности
для снижения вероятности замачивания грунтов оснований,
контроля состояния водопроводящнх сетей, возможности свое-
временного их ремонта и предотвращения утечек воды. Водо-
защитные мероприятия включают: компоновку генерального плана
н планировку застраиваемой территории с максимальным обеспе-
чением естественного стока поверхностных вод; устройство под
зданием и сооружением мало- и водонепроницаемых экранов из
уплотненного грунта или полимерных пленок, а вокруг здания —
тщательной засыпки пазух котлованов и отмосток шириной не
менее 1,5 м; прокладку внешних и внутренних водопроводящих
коммуникаций в водонепроницаемых железобетонных каналах-
лотках с уклоном не менее 0,02 в сторону выпуска аварийных вод
н отвод последних за пределы зданий и в ливнесточную сеть.
Примыкание каналов к фундаментам здания должно быть герме-
253
тичным и выполнено с учетом неравномерной просадки канала
и фундамента.
Конструктивные мероприятия применяют только при стро-
ительстве зданий и сооружений на площадках со вторым типом
грунтовых условий по просадочности, возводимых с использова-
нием комплекса мероприятий, перечисленных в пункте «вж.
Конструктивные мероприятия направлены на безопасное вос-
приятие неравномерных просадок грунтов оснований и включают
три основные группы: 1) повышение прочности и общей про-
странственной жесткости зданий и сооружений; 2) увеличение
податливости зданий и сооружений путем применения гибких
податливых (разрезных, шарнирных) конструкций, малочувстви-
тельных к неравномерным просадкам; 3) обеспечение нормальной
эксплуатации зданий и сооружений при ожидаемых неравномер-
ных просадках в сочетании с мероприятиями первой или второй
группы для сооружений, оборудованных специальными техноло-
гическими устройствами.
Расчетные сопротивления R просадочных грунтов. При назна-
чении разме;. подошвы фундаментов и сооружений R опре-
деляют в зас* -г и мости от возможности замачивания и вида его
источника, ширины и глубины заложения фундаментов и проч-
ностных характеристик лёссовых грунтов соответствующей влаж-
ности ио формуле (132).
Если нет угрозы* замачивания (за исключением медленного
повышения влажности грунта из-за нарушения условии испаре-
ния). расчетное сопротивление R подсчитывают по прочностным
характеристикам грунтов <р и с при влажности на границе раска-
тывания 1ГР. а если естественная влажность W > UFP, то при
природной влажности W
Если замачивание просадочных грунтов возможно, их расчет-
ное сопротивление R устанавливают в зависимости от применя-
емых мероприятий по обеспечению надежной работы основа-
ния:
при исключении просадок от фундаментной нагрузки путем
снижения давления на грунт R не должно превышать значения
начального просадочного давления Ряг,
при комплексе водозащитных и конструктивных мероприятии,
рассчитанных на возможные просадки, значение R подсчитывают
по формуле (132), подставляя ф и с для лёссовых грунтов в водо-
насыщенном состоянии.
Для предварительного назначения размеров фундаментов
СНиП рекомендуют пользоваться табличными значениями расчет-
ных сопротивлений Rn. Эти же значения можно принимать для
окончательного назначения размеров фундаментов производ-
ственных. сельскохозяйственных и других малочувствительных
к неравномерным осадкам зданий и сооружений III класса,
в которых не предусмотрен мокрый технологический про-
цесс.
254
Рис 119 Расчетная схема для определения крене» и разности просадок фунда
ментов в пределах деформируемой зоны
/ — фундамент Ф-1. 2 — фундамент Ф-2, 3 — всточннк замачивания, 4 - граница у»,
лаж венной воны грунта, в — вкжнян граница деформируемой воны
Расчет оснований на просадочных грунтах по деформациям
Ведут исходя из выполнения условия
-f- <. SUt (227)
где Sp — деформация лессового грунта природной влажности под нагрузкой Р
от проекпгоуемого сооружения, определяемая как для обычных непросадочных
грунтов, — просадка, вызванная совместным воздействием нагрузки Р
(только от собственного веса грунта либо в сумме с давлением от сооружения)
и увлажнения водой
Просадку лессового основания, разность просадок и крены
отдельных фундаментов следует определять с учетом неравномер-
ного увлажнения просадочных грунтов в стороны от источника
замачивания при наиболее неблагоприятном расположении его
по отношению к рассчитываемым фундаментам Например, при
расчетной схеме, приведенной на рисунке 119» замачивание осно-
вания под фундаментами 1 и 2 водой из источника увлажнения 3
происходит в пределах ограниченной глубины соответственно Д/ц
и АЛ^, определяемой по выражению
ДЛ-Л+Лди-Л.-;^, (228)
где Ля — глубина расположения источника замачивания от планировочной от-
метки, х — расстояние от края источника замачивания до рассматриваемой точки,
Р — угол распространения воды в стороны от источника замачивания, принимав
мын равным для лессов и лессовидных супесей 35°, а для лессовидных суглин-
ков 50е, Лд — коэффициент, учитывающий возможное увеличение угла распро
странения воды в стороны вследствие слоистости грунтов основания, принимае-
мый для неоднородных лессовых толщ в зависимости от характера напластова
кия слоев с разными коэффициентами фильтрации в пределах kp = 0,7 2
Длину опасного участка 1П9 на котором можег проявиться
неравномерная просадка грунта при аварийном замачивании
из водонесущих сетей (и в пределах которого не следует распола-
255
гать фундаменты ответственных сооружений), определяют по
формуле
- (Л 4-ЛдаФ - (229)
По этой же схеме легко определить разность осадок и крен
отдельных фундаментов вследствие просадки грунта при неравно-
мерном распространении замачивания в основании под краями
фундаментов 1 и 2 в пределах глубин от ДА[ до ДЛ] и от ДЛд до AAJ
соответственно.
Просадку грунтов под действием собственного веса
определяют с учетом вида источника замачивания.
При интенсивном замачивании грунта (на площади шириной В
больше мощности просадочной толщи H9t) определяют максималь-
ную просадку в средней части замачиваемой площади; про-
садку отдельных точек х поверхности грунта ж замачиваемой
и примыкающей к ней площади на криволинейных участках г
изменения ее значения.
При местном замачивании (ширина площади замачивания
В* < Я,!), когда максимальная просадка не может проявиться,
подсчитывают возможную просадку SJ/. f в центре замачиваемой
площади (которая зависит от ширины замачиваемой площади Bw),
Sii. , ~ /-^-(2—. (230)
а также просадку отдельных точек поверхности грунта
на криволинейных участках изменения ее значения по общей для
максимальной и возможной просадок формуле
« O.SSSTi* в [1 + cos (лх/г)], (231)
где х — расстояние от центра замачиваемой площади или начала горизонталь-
ного участка просадки грунта до точки, в которой определяется величина про-
садки (в пределах 0 < х < л); г — расчетная длина криволинейного участка
просадки грунта от его собственного веса, подсчитываемая по формуле г =
-* Н (0.5 4- tg 0).
Если под зданием или сооружением устроен маловодопроница-
емый экран, то максимальные и возможные просадки грунта от
их собственного веса определяют с учетом возможного повышения
влажности грунта ниже экрана для двух наиболее характерных
случаев замачивания (рис. 120):
непосредственно через маловодопроницаемый экран, например
через уплотненный грунт (рис. 120, а);
из источников, расположенных в стороне off экрана
(рис. 120, б).
Согласно схеме (см. рис. 120), определяют разность просадок
фундаментов, просадки отдельных точек основания под ними
256
А Б В Г Д L
JZ,C 1Z,0 IZ'O JZ.O .IZ.B
Рис. 120. Расчетные схемы для определения просадок фундаментов от собствен-
ного веса грунта при замачивании:
а — мерса уплотнчэмый грунт; 0 — эа пределам уплотжаааого грунта; 1а а 16 — Истом-
ин км аамачивання; 3 — уплотненный грунт (маловодопроимцаемый акран); 3 — лЗссо-
вмдная супесь; 4 — лессовидный суглинок; й — лйссовидиаи глина; / — линии просадки
при наличии экрана; // — то же, при отсутствии экрана
и их крены, возникающие под действием собственного веса грунта,
с учетом возможного расположения источника замачивания по
отношению к фундаментам и значений н Sh, g.
58. Методы устройства оснований
и гидросооружений оросительных систем
на просадочных грунтах
При проектировании лёссовых оснований гидросооружений
учитывают перечисленные выше виды ожидаемого замачивания,
что н в основаниях гражданских и промышленных сооружений.
Однако замачивание в этом случае вызывается другими причинами
и носит несколько иной характер. Например, местное кратковре-
менное замачивание случайного характера может произойти
вследствие раскрытия стыков и швов, перелива через борта лотко-
вых каналов, при периодической работе мелких и временных
оросителей, нарушениях водонепроницаемости конструкций соору-
жений и т. д. При этом необходимо учитывать уменьшение про-
садки в результате частичного промачивания толщи, увлажнения
грунта не до полного водонасыщения и малой ширины источника
замачивания. Под каналами же и сооружениями значительных
257
размеров происходит интенсивное и длительное замачивание
с постоянной фильтрацией воды через массив основания. В этом
случае проявляется не только максимальная просадка, но я
происходит дополнительная послепросадочная деформация»
которая может нарушить нормальную эксплуатацию сооружения
или привести к потере им командования над орошаемой пло-
щадью.
Чаще всего встречается одновременное сочетание отдельных
видов замачивания, например длительное интенсивное промачива-
ние массива под каналом в пределах увлажненного контура
и медленное увеличение влажности выше канала и сбоку от него
с подъемом уровня грунтовых вод. Такое неравномерное увлаж-
нение грунтового массива в пределах сравнительно узкой при-
канальной полосы приводит к резко неоднородной просадке осно-
вания с образованием ленточных грунтовых блоков, разбитых
зияющими, параллельными каналу и даже пересекающими его
просадочными трещинами с большими перепадами высот.
Учитывая специфику ирригационного строительства на лёссо-
вых просадочных грунтах, основания гидросооружения и каналы
оросительных систем проектируют, применяя следующие основные
принципы (мероприятия) по Обеспечению надежной и долговремен-
ной работы сооружений.
]. Предотвращение замачивания основания сооружений.
Возможно в основном для водопроводящих сооружений (каналы
в железобетонных лотках, трубопроводах, противофильтрацион-
ных одеждах, экранах и т. д.), причем, как показал опыт, этот
принцип более или менее надежен лишь для гражданских и про-
мышленных сооружений, в которых нет мокрых процессов. Осно-
вания же гидротехнических сооружений оросительных систем
в конечном итоге оказываются неизбежно замоченными поливной
или другой сторонней водой. Поэтому это мероприятие применяют
как противофильтрационное, т. е. исключающее потери воды.
2. Применение искусственных оснований — предварительное
устранение просадочных свойств основания сооружения в пре-
делах всей просадочной толщи или только ее верхней части, если
расчетная суммарная деформация нижней части основания до-
пустима и не нарушит нормальную эксплуатацию сооружения.
3. Применение сооружений так называемой противопросадоч-
ной конструкции, способных воспринимать большие и неравно-
мерные просадочные деформации основания без существенного
снижения эксплуатационной пригодности сооружения.
4. Использование свайных фундаментов, в основном для водо-
проводящих сооружений, в которых вода перемещается по трубо-
проводам и лоткам.
5. Устройство временных простейших сооружений на период
проявления основных (просадочных и части послепросадочных)
деформаций с последующей их заменой капитальными сооруже-
ниями (после стабилизации просадок), а также инвентарных
258
выправляемых сооружений (с возможностью восстановления про*
ектного пространственного положения и проектных отметок после
просадки).
6. Комбинация вышеперечисленных приемов. Наиболее
целесообразно сочетание устройства искусственного основания
на минимально необходимую глубину (например, подушек толщи*
ной 2 ... 3 м, выполненных поверхностным трамбованием тяже-
лыми трамбовками) и сооружения на нем противопросадочной
конструкции или возведение временного облегченного сооружения
с последующим (после окончания просадки и демонтажа этого
сооружения) поверхностным трамбованием его замоченного
основания и строительство более тяжелого капитального соору-
жения.
Возможны сочетания и других мероприятий, например при-
менение свай под опоры лотковых каналов, акведуков, дюкеров
с предварительным замачиванием их оснований; устройство кана-
лов в выштампованных поверхностными взрывами ложах (сочета-
ние искусственного основания и противофильтрационных меро-
приятий); комбинация методов уплотнения (например, предвари-
тельного замачивания) и переработки (подушки) лёссового грунта,
рассмотренных выше.
Предварительное устранение просадочных свойств грунтов
(искусственные основания). Основное мероприятие при строитель-
стве каналов и гидросооружений на просадочных грунтах. Наи-
большее распространение получили методы уплотнения грунтов
предварительным замачиванием и устройство подушек из уплот-
ненного лёссового грунта.
Предварительное замачивание оснований гидросооружений
как самостоятельное мероприятие целесообразно применять для
легких сооружений (с давлением по подошве, равным начальному
просадочному давлению), возводимых на мощных толщах сильно
просадочных грунтов. Для сооружений с большими давлениями
на основание предварительное замачивание сочетают с дополни-
тельной нагрузкой от веса временной насыпи (см. рис. 92, д),
с доуплотнением (после замачивания) верхней непросевшей части
основания тяжелыми трамбовками или устройством на необходи-
мую глубину подушки из переработанного и уплотненного лёссо-
вого грунта.
«Подушки» из уплотненного местного лёссового грунта как
самостоятельное мероприятие по устранению просадки применяют
в основаниях гидросооружений в зависимости от следующих двух
схем инженерно-геологических условий и размеров канала:
1) подушку проектируют для сооружений на сравнительно
крупном канале (расход более 3 м3/с) на просадочной толще
небольшой мощности (до 10 12 м), подстилаемой водоупором
или водонасыщенными грунтами, отток грунтовых вод из которых
затруднен. В этом случае под «подушкой» за сравнительно корот-
кий срок вся оставшаяся непереработанной просадочная толща
259
будет полностью увлажнена в результате быстрого подъема уровня
грунтовых вод и ее деформация проявится полностью;
2) подушку проектируют под сооружение на небольшом ка-
нале (расход не более 3 м*/с) на значительной толще (20 ... 30 м
и более) грунтов, подстилаемых водопроницаемыми отложениями
с глубоким расположением грунтовых вод и хорошо обеспеченным
их оттоком. В этом случае развитая в плане подушка будет слу-
жить для нижней просадочной толщи основания маловодопрони-
цаемым экраном. В результате под подушкой будет неполное
водонасыщение (а следовательно, проявление лишь части про-
садочной деформации, неопасной для сооружения), причем в тече-
ние продолжительного времени, соизмеримого с периодом работы
сооружения.
Устройство временных сооружений. Устройство простейших
конструкций на время просадки с последующей заменой капиталь-
ными сооружениями применяют при отсутствии воды в строитель-
ный период, когда замачивание канала и первоначальный пропуск
по нему воды для ускоренного сельскохозяйственного освоения
орошаемых земель или проезд транспорта без временных соору-
жений невозможны.
Для этого рядом с местом будущего капитального сооружения
делают обводной канал, на котором и устанавливают временное
сооружение. Одновременно с транзитным пропуском через него
воды замачивается и основание постоянного сооружения, рас-
положенного на оси канала. Временное сооружение выполняют
из дешевых местных или привозных материалов и конструкций
полигонного и индустриального изготовления (асбестоцементных,
железобетонных и пластмассовых труб, железобетонных пере-
гораживающих диафрагм-оголовков с патрубками для насадки
гибких шлангов-перепадов, полиэтиленовых пленок и прорези-
ненных тканевых надувных конструкций и др.), которые можно
повторно использовать после просадки и прекращения работы
сооружения.
Стоимость таких временных сооружений с учетом периоди-
ческой их рихтовки и выравнивания пространственного положения
в десятки раз меньше стоимости капитальных сооружений и вос-
становления их после просадочных деформаций. Устройство
таких сооружений позволяет значительно сократить сроки стро-
ительства и ускорить сельскохозяйственное освоение земель.
В результате повышается н окупаемость капиталовложений.
59. Проектирование оснований гидросооружений
на лёссовых просадочных грунтах
Основания гидротехнических сооружений оросительных си-
стем на просадочных грунтах по первой группе предельных
состояний, т. е. по несущей способности грунтов, рассчитывают
по общепринятым методикам, как и для непросадочных грунтов.
260
При этом используют прочностные характеристики лёссовых
грунтов в ожидаемом их состоянии по водонасьпценности.
Обязательное условие расчета просадочных оснований гидро-
сооружений по второй группе предельных состояний — по де-
формациям — в общем виде выражается формулой
Зоуи e -f~ Swt — Заве *$«•» (232)
где Зсум — расчетное суммарное значение вертикальной деформации просадоч-
ного основания сооружения; Sp — осадка грунта естественной влажности в пре-
делах сжимаемой (активной) толщи под нагрузкой Р от сооружения; S9i — про-
садка лёссового основания в пределах глубины увлажненной просадочной толщи;
— послепросадочное уплотнение лёссового основания при длительной филь-
трации через него воды вследствие суффозионных и пластично-ползучих дефор-
маций грунта; S-rf — избыточная (по отношению к предельной для проектируе-
мого сооружения) деформация основания, устраняемая путем различных методов
ликвидации просадочности; Su — предельная для проектируемого сооружения
деформация, назначаемая в зависимости от типа сооружения, его конструкции
и метода подготовки основания по таблице ВСН П-23—76.
В таблице ВСН П-23—75 предельные значения просадки
и послепросадочной деформации ввиду различного характера их
проявления и воздействия на эксплуатируемое сооружение даются
раздельно. Осадка маловлажного лёссового грунта при небольших
нагрузках от гидросооружений находится в пределах точности
расчетов, а осадка влажных грунтов, хотя и составляет несколько
сантиметров, при строительстве обычно не выявляется и компен-
сируется лишь некоторым увеличением объема бетонных работ,
поэтому в таблице ее предельное значение не нормируется. Исходя
из этого, расчетное значение любого из видов вертикальной де-
формации просадочного основания в формуле (200) можно опре-
делять и сравнивать с предельной как раздельно, так и суммарно
с другими в зависимости от принятой технологической схемы
строительства и эксплуатации сооружения (т. е. порядка наложе-
ния на просадочное основание расчетных воздействий: нагрузки,
замачивания, подсыхания грунта, повторных нагружений или
замачиваний, длительного фильтрационного увлажнения).
При определении просадки основания необходимо учитывать,
что она может проявляться повторно в следующих случаях:
когда повторное увлажнение захватывает новую, ранее не увлаж-
нявшуюся часть просадочной толщи; когда оно происходит с воз-
росшей степенью увлажнения (повышенной водонасыщенностью
грунта); когда протекает при возросшей интенсивности давления.
В соответствии с принятой технологической схемой строитель-
ства сооружения следует проводить и лабораторные испытания
лёссовых грунтов для получения необходимых расчетных харак-
теристик относительного сжатия слоев грунта для каждого вида
расчетной деформации.
Расчет уплотнения грунтов предварительным замачиванием»
При этом учитывают, что за время замачивания в массиве лессо-
вого основания происходит не только просадка, но частично
261
и послепросадочная деформация. Тогда вертикальная деформация,
толщи грунта в процессе, предварительного замачивания
выразится формулой
л* л>
•Sj/ — Se/, g -J- РэЗ»/ -= £ gh/ “V Р ij . (233)
/=| i — l
где \fijr и — соответственно просадка и относительная просадочность
грунта при предварительном замачивании (при бытовом давлении); h”t и —
мощность и число расчетных слоев в пределах увлажненной толщн грунтов;
***<»« 11 — деформация и относительное сжатие грунта при послепросадочном
уплотнении; ht и л3 — мощность н число расчетных слоев в пределах зоны раз-
вития послепросадочной деформации; Щ — коэффициент, учитывающий характер
развития послепросадочной деформации в период предварительного замачивания,
определяемый пи опытным данным. Например, для просадочных грунтов Ваш-
ской долины и Голодной степи при замачивании из карт со скважинами или
шурфами продолжительностью 2 мсс 0.75. а без них Pi 0.45.
При строительстве сооружения на основании, уплотненном
только предварительным замачиванием, верхние слои толщи
после впитывания воды замачивания несколько подсушивают,
чтобы можно было вести работы.
После повторного увлажнения вследствие пропуска воды
по каналу сооружение получит общую деформацию, которую
можно подсчитать по формуле
S' = Л + S'„ -f (1 - р3) S„, - S tpjitye -Hl - p .) S„t. (234)
где Sp — осадка сооружения в период строительства на подсушенном после
предварительного замачивания основании; — просадка сооружения, воз-
веденного на подсушенном основании; ер ||Я — относительное сжатие увлажнен-
ного (после подсушивания) грунта при изменении нагрузки в расчетном слое
от o'R до <т'д ф (тяр, где — природное давление водонасыщенного грунта;
агр — сжимающее давление; н — соответственно мощность н число рас-
четных слоев грунта в пределах сжимаемой под сооружением зоны; ус — коэф*
^нциеит условий работы грунта под сооружением, принимаемый по таблице
Если окажется, что предварительное замачивание не снизило
оставшуюся деформацию до допустимой для данного сооружения
S„ (т. е. S' >• S„), то оно как самостоятельное протнвопосалочиое
мероприятие неэффективно, и верхнюю иедоуплотненную часть
основания следует дополнительно упрочнить на необходимую
глубину подходящим для этого способом. Мощность доуплотня-
емой верхней толщи можно найти подбором по условию выпол-
нения расчета по деформациям, выраженному формулой (200).
Проектирование подушек из переработанного или уплотнен-
ного тяжелыми трамбовками лёссового грунта. При проекти|?ова-
нии подушек используют расчетные приемы, рассмотренные ранее.
Для подушек под сетевые гидросооружения с небольшим давле-
нием на грунт (0,05 0,15 МПа) из условий исключения просадок
262
допускается несколько более низкая плотность их тела, но не
менее pd = 1,5 ... 1,55 г/см* (в зависимости от степени ответствен*
ности сооружения и передаваемого нм давления).
При учете снижения деформации находящейся под подушкой
просадочной толщи вследствие экранирующего эффекта подушки
(вторая схема ее работы) ее толщину и размеры в плане назначают
минимально возможными для создания необходимых условий
маловодопроводности ее тела по специальным формулам и табли-
цам, приведенным в ВСН 11-23—75.
Глава 15. УСТРОЙСТВО ФУНДАМЕНТОВ
В ОСОБЫХ УСЛОВИЯХ
К особым условиям устройства фундаментов и сооружений
относят условия их строительства на основаниях, сложенных
толщей структурно неустойчивых грунтов (просадочных, набуха-
ющих, вечномерзлых, торфов, нлов, ленточных глин, рыхлых
сыпучих и некоторых других). Неустойчивые грунты под влиянием
некоторых дополнительных физических (замачивание, осушение,
оттаивание) и механических (нарастание степени и скорости
нагрузки, динамические нагрузки) воздействий коренным образом
изменяют свою структуру и дают значительные и неоднородные
вертикальные и горизонтальные деформации. Это приводит к экс-
плуатационной непригодности сооружения и авариям.
Особыми для устройства фундаментов и сооружений являются
также и обычные грунтовые условия, когда на фундаменты и со-
оружения действуют особые динамические нагрузки — сейсмиче-
ские (в сейсмоопасных районах), вибрационные и ударные (фун-
даменты под машины).
60. Основные принципы устройства фундаментов
и сооружений в особых грунтовых условиях
Основной принцип проектирования и строительства зданий
и сооружений в особых грунтовых условиях — принятие мер,
направленных на снижение влияния деформаций, сказывающихся
на эксплуатационной пригодности сооружений.
Если в процессе проектирования оснований и фундаментов
окажется, что ожидаемые расчетные деформации основания не-
допустимы или его несущая способность недостаточна, а увеличе-
ние размеров и глубины заложения фундаментов нецелесооб-
разно, следует рассмотреть возможность применения следующих
решений:
1) других видов фундаментов, обеспечивающих допредельные
деформации в данных грунтовых условиях (свайные фундаменты,
опоры глубокого заложения);
2) мер по предохранению грунтов оснований от возможных
изменений их строительных свойств как в период возведения,
263
так и при эксплуатации зданий и сооружений (предохранение от
замачивания, оттаивания, осушения и т. д.), а также от изменения
нагрузок на фундаменты по сравнению с проектными;
3) предварительной подготовки оснований (устройства искус-
ственных оснований);
4) конструктивных мероприятий, снижающих чувствитель-
ность зданий, сооружений н технологического оборудования
к ожидаемым повышенным н неравномерным деформациям осно-
ваний;
5) строительных мероприятий, уменьшающих влияние дефор-
маций основания на надфундаментные конструкции;
6) комбинации из нескольких перечисленных выше меропри-
ятий.
Строительные мероприятия (пункт б) заключаются в регули-
ровании интенсивности и длительности загружения медленно
консолидирующихся грунтовых оснований, в последовательности
возведения различных по нагрузкам частей сооружения, в не-
укоснительном соблюдении технологии проходки котлована
и в предохранении грунтов его дна от различных нежелательных
воздействий.
61. Устройство фундаментов зданий
и гидромелиоративных сооружений
на водонасыщенных биогенных грунтах
При проектировании и устройстве оснований и фундаментов
на биогенных грунтах (торфах) следует учитывать специфические
особенности заторфованиых грунтов: нх водонасыщенность, силь-
ную сжимаемость, медленное протекание осадок во времени,
анизотропию и существенное изменение под нагрузкой прочно-
стных, деформационных и фильтрационных свойств.
Следует также учитывать сильную агрессивность грунтовых
вод в торфе по отношению к материалам фундаментов и подземных
частей сооружений и принимать специальные меры для их защиты
от этого воздействия.
Непосредственное опирание фундаментов зданий на естествен-
ные основания, сложенные сильно заторфованными грунтами
и торфами, не допускается независимо от толщины слоя таких
грунтов н расчетной деформации основания.
Если толщина слоя торфа ниже отметки подошвы фундамента
не превышает 2 м, то его следует заменить песчаной подушкой.
Пои большей толщине сильно заторфованиых грунтов целесо-
образно применять свайные фундаменты с заглублением свай не
менее чем на 2 м в минеральные подстилающие слои.
Для оснований, сложенных грунтами с меньшей степенью
заторфованности, в зависимости от глубины залегания, толщины
слоев и свойств этих грунтов, а также от особенностей конструк-
ции здания (сооружения) можно применять различные варианты
264
перечисленных выше мероприятий по обеспечению нормальной
эксплуатации сооружений.
Такие заторфованные основания можно устраивать:
без проведения специальных мероприятий (на слабо заторфо-
ванных грунтах при расчетной осадке меньше предельной);
с применением только строительных и конструктивных меро-
приятий;
с применением специальных мероприятий (временная или
постоянная нагрузка, в том числе с устройством дренажа, времен-
ное или постоянное водопонижение, частичное или полное вы-
торфовывание, устройство подсыпок и подушек и т. д.).
Гидромелиоративные сооружения, а также дорожные насыпи
для уменьшения объема и сроков работ необходимо стремиться
возводить с сохранением торфа в качестве основания.
Земляные насыпи из местного (минерального) грунта в зависи-
мости от вида болота, степени разложения в нем торфа, размеров
насыпи, продолжительности и степени сжатия оставляемого под
насыпью слоя торфа можно устраивать путем послойной отсыпки
на поверхность болота (если степень разложения торфа до 75 %)
или путем выдавливания с погружением насыпи на минеральное
дно болота (если степень разложения более 75 %).
Гидротехнические сетевые сооружения на торфах можно воз-
водить на естественном основании (при степени разложения торфа
до 45 %) с проведением строительных и конструктивных меро-
приятий для восприятия повышенных деформаций; с заменой
торфов в основании минеральным грунтом (выторфовывание,
подушки); на предварительно уплотненных водопонижением или
загрузкой заторфованных основаниях; на сваях, погруженных
в минеральное дно болота (только водотранспортирующие соору-
жения, для которых можно допустить отрыв от их подошвы торфа
в межсвайном пространстве в результате его осадки при осуше-
нии); на разгрузочных плитах (при мощности торфа под ними более
1,5 м), снижающих напряжение по их подошве до несущей способ-
ности торфа.
При расчете водонасыщенных заторфованных оснований по
несущей способности н по деформациям необходимо учитывать:
скорость приложения нагрузки на поверхность заторфованного
грунта и возникающие при этом гидродинамические силы;
изменение напряжений в скелете грунта вследствие процесса
консолидации;
анизотропию прочностных и фильтрационных свойств торфов.
62. Устройство фундаментов на вечномерзлых
и набухающих грунтах
Согласно действующим Нормам проектирования
СНиП II-18—76 вечномерзлые грунты можно использовать в ка-
честве основания зданий и сооружений, соблюдая один из двух
принципов:
265
принцип I — мерзлое состояние сохраняется в процессе стро-
ительства и в течение всего срока эксплуатации сооружения,
принцип II — применяется оттаивание вечномерзлых грунтов
до начала возведения или допускается оттаивание их на расчетную
глубину в процессе эксплуатации здания или сооружения.
Эти принципы проектирования и строительства применяют
в зависимости от конструктивных и технологических особенностей
зданий и сооружений, инженерно-геокриологических условий
и возможности изменения свойств грунтов основания в требуемом
направлении
Принцип / применяют, когда сохранение мерзлого состояния
основания из твердомерзлых в природных условиях грунтов или
понижение температуры пластично-мерзлых грунтов на весь срок
существования сооружения целесообразно в технико-экономиче-
ском отношении Сохранение грунтов основания в мерзлом со-
стоянии и соблюдение их расчетного теплового режима обеспечи-
ваются следующими способами 1) устройством холодных под-
полий высотой не менее 1 м с естественной циркуляцией
воздуха, отводящего тепло от нижнего перекрытия, 2) укладкой
охлаждающих труб и каналов, установкой саморегулирующихся
охлаждающих грунт устройств, в которых циркулирует фреон
или керосин, 3) заложением фундаментов ниже расчетной зоны
оттаивания или ее ограничением путем использования малотепло-
проводных материалов (например, дерева) непосредственно под
подошвой фундамента
Основной тип фундаментов, применяемых при строительстве
по принципу I — с сохранением мерзлого состояния грунтов, —
свайные Можно применять также столбчатые сборные железо-
бетонные и монолитные бетонные фундаменты
По способу погружения в вечномерзлый грунт сваи могут быть
буроопускными, опускными и бурозабивными (см § 43)
По первому из перечисленных выше способов строительства
возводят гражданские и промышленные здания с небольшими
тепловыделениями Второй способ используют для промышленных
сооружений, для которых характерны довольно значительные
нагрузки на пол первого этажа, когда устройство мощных несущих
конструкций нижцего перекрытия нецелесообразно или невоз-
можно, а также для больших по площади инженерных сооружений
(например, бетонных и особенно земляных плотин, основание
и тело которых или отдельные противофильтрационные элементы
поддерживаются в мерзлом состоянии) По третьему способу
в основном устраивают небольшие по опорной площади и сечению
фундаменты сооружений (например, опоры мостов, эстакад)
Чтобы грунты основания не оттаяли, опоры должны иметь не-
большую площадь, подвергающуюся солнечному нагреву, а фунда-
менты — небольшое поперечное сечение. Кроме того, фундаменты
должны быть достаточно заглублены, а также надежно заанкерены
в мерзлый грунт во избежание выпучивания.
266
Расчет оснований и фундаментов при использовании вечно-
мерзлых грунтов по принципу 1 выполняют: по несущей способ-
ности — для твердомерзлых грунтов; по несущей способности
и деформациям — для пластично-мерзлых и сильнольдистых
грунтов.
При проектировании основании по первой группе предельных
состояний (по несущей способности грунтов) расчетную нагрузку
F на столбчатый фундамент или на висячую сваю определяют по
формуле
f (235)
\ /
где Ye — коэффициент условий работы грунтового основания, принимаемый
равным 1,1 ... 1.2 в зависимости от заглубления в мерзлый грунт, его темпера-
туры и вида фундамента; 1,2 — коэффициент надежности, устанавливаемый
проектной организацией в зависимости от ответственности сооружения: R —
расчетное сопротивление мерзлого грунта под нижним концом сван или подош-
вой столбчатого фундамента, определяемое по приложению 6 СНиП 11-18—76;
А — площадь поперечного сечении сваи или подошвы фундамента, см1;
расчетное сопротивление мерзлого грунта или грунтового раствора сдвигу по
поверхности смерзания фундамента для середины Лги слоя вечномерзлого грунта,
определяемое по тому же СНиП; Лсм. /— площадь поверхности смерзания t-ro
слоя вечномерзлого грунта с боковой поверхностью сваи или с нижней ступенью
башмака фундамента.
Осадку основания столбчатого фундамента на пластично-
мерзлых грунтах определяют обычными способами, как для
линейно-деформируемой среды, а осадку свайных фундаментов -
по данным полевых испытаний свай путем вдавливания под дей-
ствием статической нагрузки.
Принцип // строительства на вечномерзлых грунтах целесооб-
разен, когда сохранить мерзлоту под сооружением невозможно
или экономически невыгодно. В этом случае в соответствии с ре-
зультатом расчета основания по деформациям следует предусма-
тривать мероприятия по уменьшению деформации оттаявшего
основания или приспосабливать конструкцию сооружения к вос-
приятию повышенных деформаций.
Уменьшения деформаций основания можно достичь:
предварительным искусственным электро- или гидрооттаива-
нием вечномерзлого грунта на расчетную глубину до возведения
сооружения (при необходимости с уплотнением или закреплением
оттаявшего грунта);
полной или частичной заменой льдонасыщенного мерзлого
грунта песчаным или крупнообломочным грунтом из карьеров;
увеличением глубины заложения фундаментов или прорезкой
сильносжимаемых слоев с опиранием фундамента на малосжима-
емые глубокие слои или скалу.
Глубину предварительного оттаивания, а также мощность
заменяемых мерзлых грунтов талым определяют расчетом основа-
ния по деформациям. Размеры участка в плане, в пределах кото-
267
рого будет проводиться предварительное оттаивание грунта или
его замена, должны выходить за контуры сооружения на рассто-
яния, равные половине толщины слоя оттаиваемого или заменя-
емого грунта.
При устройстве на пучинистых грунтах деятельного слоя
вечномерзлых оснований, а также в условиях пучинистых талых
грунтов необходимы мероприятия по предохранению фундаментов
в мелкозаглубленных сооружений (например, сетевых гидро-
мелиоративных) от выпучивания при промерзании оснований.
Устойчивость фундаментов к выпучиванию при строительстве
на вечномерзлых грунтах будет обеспечена, если сила пучения
окажется меньше действующей на фундамент вертикальной на-
грузки F в сумме с массой самого фундамента 6$ и силами трения
талого и мерзлого грунтов, действующими по соответствующей
боковой поверхности фундамента,
F„----И- с ytP (F + О,) + + Ui^hr, (236)
где Ту и Y/p — соответственно коэффициенты перегрузка для касательных сил
пучения и постоянных нагрузок на основание, равные Т/ == 1.2 ... 1,4 и
— 0.9; уе — коэффициент условий работы грунта, равный 0.9 ... 1; ijj — среднее
нормативное в пределах мощности Ла активного слоя (в смысле пучения) значе-
ние сил пучения, при отсутствии опытных данных принимаемое tJ=0,6...
0,8 МПа; т" — средняя длительная прочность смерзания грунта по глубине Лм
заделки фундамента в слой вечной мерзлоты; т* — предельное трение по поверх-
ности фундамента в талом слое Лц.; и t/B — периметры соответственно в
пределах оттаивающего я вечномерзлого грунта.
Из формулы (236) можно определить необходимую глубину
заделки фундамента в слой вечной мерзлоты для обеспечения
устойчивости к выпучиванию.
Заанкеренный в вечной мерзлоте фундамент под действием
сил пучения может работать на растяжение. Действующее в этом
случае на уровне подошвы активного слоя растягивающее уси-
лие ЛГР, на которое проверяют рассматриваемое сечение фунда-
мента, можно определить по формуле
JVp = T,„T:tM.-(G. + F), (237)
где Ga — масса части фундамента, расположенной выше подошвы активного
слоя грунта.
Борьба а выпучиванием фундамента сводится к увеличению
нагрузки на него, уменьшению его поверхности (периметра {/J
в пределах деятельного слоя и увеличению поверхности в пределах
вечномерзлого слоя (заанкериванию в нем фундамента), а также
к уменьшению сил пучения.
Для снижения сил пучения применяют: осушение грунтов<для
уменьшения подтока воды к фронту промерзания; отепление
грунтов возле фундаментов (теплоизолирующие отмостки и про-
268
кладки); устройство непучинис-
тых засыпок из сухого гравия
или гальки с ограждением этих
засыпок от заиливания дере-
вянными стенками; засыпку из
слоя засоленного глинистого
грунта, обладающего низкой
температурой замерзания, или
из гмдрофюбного (водоотталки-
вающего) материала; обмазку
фундаментов специальными мас-
тиками и т. д.
Набухающие грунты в слу-
чае их использования в качестве
оснований требуют выполнения
специальных мероприятий,
ограничивающих их специфи-
ческую способность набухать
Рис. 121. Схема для расчета подъема
оснований при набухании грунта:
/ — отметка плянирпикн; 2 — отметка по-
доиты фундамента; 3 — нижняя граница
набуханий; 4 — границы Г-гу слон
при замачивании и давать усадку при последующем понижении
влажности. Кроме того, следует учитывать дополнительное го-
ризонтальное давление на заглубленные части зданий и соору-
жений. которое возникает при набухании грунта. Это давление
определяют но формуле
ГГ' =
(238)
где ус — коэффициент условий работы грунта, равный 0,85; — коэффициент,
зависящий от интенсивности набухания, принимаемый равным I 1,4; л™ях —
максимальное горизонтальное давление, определяемое в лабораторных усло-
виях.
Основания из набухающих грунтов рассчитывают по деформа-
циям в соответствии с общими требованиями, а при необходимости
также по несущей способности.
При расчете по деформациям определяют послойным суммиро-
ванием и дополнительные деформации (подъем основания) в ре-
зультате набухания или усадки отдельных слоев грунта
основания по соответствующим формулам:
А„ - Ё Л,(239)
i=l
S*-Дем. ЛД». (240)
где esw< f — относительное набухание грунта i-ro слоя, определяемое компрес-
сионными испытаниями при замачивании образца, обжатого суммарным давле-
нием пСум в середине рассматриваемого слоя (рис. 121). подсчитываемым по вы-
ражению
асум — °zp 4" °tg 4"
(241)
269
где ad — дополнительное давление, вызываемое влиянием массы неувлажнеш
ной части массива, расположенной за пределами площади замачивания, равно|
a2,ad = М (* + <*)• (242)
здесь kg — 0 ... 1,07 — коэффициент, принимаемый по таблице 6 приложения 2
СНиП 2.02.01—83 в зависимости от конфигурации в плане замачиваемой пло-
щади и относительной глубины расчетного слоя грунта; / (239) — коэффи-
циент условий работы t-го слоя грунта; < — 0,8 при Осум 0,05 МПа,
kBW< 0,6 при осум--- 0,3 МПа, а при промежуточных значениях псум значе-
ние Ля|л t находят по интерполяции; е№1 ,— относительная линейная усадка
грунта t-го слоя, определяемая в компрессионном приборе под давлением, рав-
ным сумме природного и дополнительного давлений от фундамента при измене-
нии влажности грунта от наибольшего возможного значения до наименьшего;
kXft s 1,3 коэффициент условной работы грунта при усадке.
Нижнюю границу зоны набухания (см. рис. 121) при ин-
фильтрации воды в грунты основания принимают на глубине, где
суммарное давление равно давлению набухания грунта ан, а при
накоплении влаги за счет конденсации при экранировании поверх-
ности и изменения водно-теплового режима грунта — на глубине,
определяемой опытным путем или принимаемой равной 5 м.
Нижнюю границу зоны усадки при отсутствии опытных данных
также принимают на глубине 5 м.
Если окажется, что расчетная деформация основания больше
предельной для проектируемого здания или сооружения, то
необходимо следующее:
снизить или полностью исключить возможные деформации
набухания (предварительное замачивание грунта через скважины
в пределах всей или части толщи);
устроить компенсирующие песчаные подушки для устранения
неравномерности набухания;
полностью или частично заменить слой набухающего грунта
другим, ненабухающим; прорезать набухающий слой фундамен-
тами или сваями;
предусмотреть меры, предохраняющие или ограничивающие
замачивание грунтов оснований;
применять такие конструкции зданий или сооружений, которые
могут воспринять ожидаемые деформации.
Предельные деформации, вызываемые набуханием грунтов,
допускаются для подъема фундаментов равными 0,25 предельных
значений максимальных и средних осадок, а для выгиба — 0,5
предельных значений (табл.приложения 4 СНиП 2.02.01—83).
63. Устройство фундаментов
в других сложных грунтовых условиях
На илах. Основания зданий и сооружений, возводимых на
илах, проектируют с учетом специфических особенностей этих
грунтов, заключающихся в чрезмерной сжимаемости4 (лавино-
образно нарастающей с повышением скорости увеличения на**
грузки); длительности протекания осадок, большой изменчивости
270
под нагрузкой прочностных, деформационных, фильтрационных
и реологических показателей; значительной тиксотропии при
действии динамических нагрузок.
Различают следующие, наиболее часто встречающиеся случаи
использования илов в качестве оснований: 1) илы слагают верхний
слой дна водоема и подстилаются глинистыми или песчаными
грунтами; 2) слои ила залегают между глинистыми или песча-
ными грунтами.
В первом случае на поверхности дна создают намывом через
воду песчаный слой, обеспечивающий медленное, постепенное
и равномерное увеличение по большой площади (существенно
превосходящей площадь подошвы будущего сооружения) на-
грузки на ил от массы песка и свободный выход воды из уплотня-
емого слоя.
Толщину отсыпаемого слоя песка определяют расчетом по
несущей способности основания с учетом слоя намытого песка.
Для сокращения срока уплотнения ила в нем устраивают дренаж-
ные скважины и прорези, заполняемые песком, картоном и дру-
гими сильнофильтрующнми материалами. После отсыпки песчаной
подушки устраивают гравийную или каменную наброску, также
укладываемую слоями небольшой толщины по всей площади по-
душки, а на подушке уже возводят постоянные сооружения.
В зависимости от глубины водоема и толщины донного слоя
ила, подстилаемого глинистым грунтом, можно заменить ил дру-
гим, более прочным грунтом, прорезать ил сваями нлн устроить
каменную наброску.
Во втором случае, когда слой ила заключен между глинистыми
или песчаными грунтами, необходимо расчетом проверить устой-
чивость (несущую способность) и сжимаемость такого многослой-
ного основания. Если несущая способность или осадка подобного
основания окажется недопустимой для проектируемого здания
нлн сооружения, то следует предусмотреть уплотнение основания
методами, применяемыми для уплотнения заторфованных грунтов.
Сокращение срока уплотнения слоя ила при этом может быть
достигнуто путем повышения его температуры: через систему
забитых вертикальных металлических электродов пропускают
переменный электрический ток.
На ленточных озерно-ледниковых глинистых грунтах. Фунда-
менты на таких грунтах необходимо возводить, строго соблюдая
меры сохранения их природного сложения при устройстве котло-
вана и подземной части здания.
В ненарушенном состоянии эти грунты служат достаточно
хорошим основанием, так как допускают строительство зданий
с расчетным давлением до 0,2 ... 0,25 МПа. Однако в результате
ярко выраженной тонкослоистой текстуры горизонтального за-
легания, а также высокого содержания коллоидных фракций,
резкой анизотропии (особенно по водопроницаемости) они легко
разрушаются при вскрытии котлована напорными водами, тиксо-
271
тропно разжижаются под динамическими воздействиями, легко
набухают и сильно пучннятся. I
В связи с перечисленными особенностями ленточных глнн^
существенно затрудняющими возведение на них фундаментов]
применяют следующие мероприятия:
при открытии котлованов обеспечивают надежный отвод по-
верхностных н дождевых вод; при открытом водоотливе уровень
воды в колодцах и в водосборных канавах, располагаемых по перй-
метру котлована, всегда поддерживают на 0,3 ... 0,4 м ниже
отметки его дна; при глубинном водопоннжеиии с помощью игло-
фильтров в течение всего периода производства работ стабили-
зируют уровень грунтовых вод на 0,5 м ниже отметки выработки
котлована; недобирают землеройными механизмами дно котлована
на глубину 0,3 ... 0,4 м, а оставшийся защитный слой снимают
непосредственно перед кладкой фундамента; не допускают про-
мораживания дна котлована, а если это случилось, заменяют
весь промерзший слой грунта;
при возведении фундамента устраивают подготовку из круп-
ного песка или гравия слоем толщиной 10 ... 15 см, причем совер-
шенно не допускается его трамбовка; не разрешается также
при складировании и подаче строительных материалов сбрасывать
их в котлован;
для зданий и сооружений предусматривают конструктивные
решения по приспособлению их к повышенным деформациям.
На засоленных грунтах. Засоленные грунты при использова-
нии их в качестве оснований, особенно для гидротехнических
сооружений, требуют учета специфических особенностей взаимо-
действия с водой. Эти особенности заключаются в образовании
суффозионной осадки при длительной фильтрации через них
воды; в изменении в процессе выщелачивания солей физико-
механнческих свойств с постепенным снижением прочностных
характеристик; в набухании засоленных глин в случае их замачи-
вания; в агрессивном воздействии на материал подземных частей
сооружений грунтовой воды с растворенными в ней солями.
При расчете оснований, сложенных засоленными грунтами,
определяют суммарную вертикальную деформацию, состоящую
из осадки уплотнения грунта от фундаментной нагрузки и суффо-
зионной осадки цод нагрузкой от фундамента н собственного веса
грунта. Если засоленные грунты оказываются также и просадоч-
ными или набухающими, то нужно прогнозировать (путем расчета)
и суммировать эти дополнительные деформации.
Осадку уплотнения грунта под нагрузкой определяют, как
для обычных незасоленных грунтов, а суффозионную осадку —
как послепросадочную деформацию для лёссовых оснований.
При расчетных суммарных осадках, превышающих значение
и неравномерность деформаций, допустимых для проектируемого
здания или сооружения, предусматривают мероприятия по пред-
отвращению или замедлению фильтрационного увлажнения осно-
272
ваний (глинистые, силикатные, битумные, цементные водоне-
проницаемые завесы), а также по снижению растворяющей способ-
ности грунтовых вод (искусственное насыщение фильтрационного
потока солями). В случае необходимости применяют искусствен-
ное закрепление или уплотнение засоленных грунтов; конструк-
тивные мероприятия или прорезку толщи засоленных грунтов
и опирание фундаментов на незасоленные слои.
64. Фундаменты при динамических нагрузках
Фундаменты в сейсмических районах. В районах проявления
сейсмической активности в 7, 8 и 9 баллов, оцениваемой по картам
сейсмического районирования (СНиП II А. 12—69 «Строительство
в сейсмических районах»), основания и фундаменты должны быть
рассчитаны по I группе предельных состояний — по несущей
способности на действие особой сейсмической нагрузки. Сейсмич-
ность конкретной площадки уточняют в зависимости от геологи-
ческого строения. При неблагоприятных грунтовых условиях
(увлажненные или оттаявшие вечномерзлые песчаные и глинистые
грунты, высокое стояние грунтовых вод) она может быть повы-
шена на 1 балл.
Помимо выбора благоприятной в сейсмическом отношении
строительной площадки и обеспечения устойчивости оснований
и фундаментов к действию сейсмических нагрузок, сейсмостой-
кость здания и сооружения достигается применением специальных
конструктивных мероприятий, соответствующих строительных
материалов и качественным выполнением строительно-монтажных
работ.
Конструктивные мероприятия должны предусматривать:
снижение сейсмических нагрузок путем применения рациональных
конструктивных схем и объемно-планировочных решений (сим-
метричное и равномерное распределение масс и жесткостей),
облегченных конструкций, максимально снижающих массу про-
ектируемых зданий и сооружений; устройство равнопрочных
(монолитных или сборных) железобетонных основных несущих
конструкций и стыков; возможность развития в узлах и конструк-
циях пластических деформаций при обеспечении общей устойчи-
вости сооружения.
Сейсмические нагрузки являются инерционными силами, воз-
никающими при свободных колебаниях сооружений, возбужден-
ных землетрясениями. Расчетную схему сооружения при определе-
нии этих нагрузок обычно принимают как систему с конечным
числом степеней свободы, распределенные массы которой (в том
числе и массы временных нагрузок) заменяют сосредоточенными
силами, приложенными в центрах масс соответствующих элемен-
тов. В этих же точках прикладывают и сейсмические силы.
Так как сейсмические силы могут иметь любое направление,
выбирают самое невыгодное для фундамента или сооружения
273
расчетное направление (обычно горизонтальное, совпадающее
с продольной или поперечной осью сооружения, с учетом направ-
ления опасного присоединения инерционных сил от грунтовых
засыпок, воды в верхнем бьефе напорных сооружений и т. д.).
Расчетное значение сейсмической нагрузки соответству-
ющее Z-му тону собственных колебаний сооружения, статически
приложенной к точке k сосредоточения веса Q*, определяют по
формуле
F л = Шъ. (243)
где kc — коэффициент сейсмичности, характеризующий интенсивность земле-
трясения. равный отношению наибольшего сейсмического ускорения к ускорению
свободного падения, принимается при расчетной сейсмичности соответственно
в 7, 8 и 9 баллов равным 0.025; 0,05 и 0,1; — коэффициент динамичности, со-
ответствующий i-й форме собственных колебаний проектируемого сооружения,
определяемый по формуле Йс =" в которой 7\ — период собственных коле-
баний сооружения; — коэффициент /-Й формы собственных колебаний соору-
жения. Значения Tt и т)и определяют расчетом на собственные колебания мето-
дами динамики сооружений.
Расчетные сопротивления грунтов при проектировании осно-
ваний и фундаментов на сейсмические нагрузки определяют
умножением их на коэффициент условий работы у0. Для скальных,
твердомерзлых н маловлажных крупнообломочных, плотных пес-
чаных и глинистых грунтов принимают уо = 1,2; для рыхлых
водонасыщенных песков, влажных глинистых и оттаявших мерз-
лых грунтов ус = 0,7; для всех остальных грунтов 1.
При расчете фундаментов следует дополнительно проверять
сооружения на опрокидывание и сдвиг по подошве с учетом сей-
смических воздействий. Закладывать фундаменты нужно на одной
глубине и делать их возможно более жесткими и прочными, пре-
имущественно ленточными, сплошными железобетонными или
с противосейсмнческимн поясами. По конструкции они должны
быть железобетонными.
В зданиях повышенной этажности для понижения общего
центра массы глубину заложения фундаментов (устраиваемых
в виде перекрестных лент, сплошной плиты или коробчатых кон-
струкций) увеличивают путем устройства подвальных этажей.
При неблагоприятных грунтах рекомендуются специальные меры
по устройству надежного основания (водопонижение, уплотнение
и закрепление грунта), заанкеривание здания на сваях, заделыва-
емых в прочные грунты.
В последнее время в практику антисейсмического строитель-
ства внедряют экспериментальные фундаменты со специальными
сейсмоамортизаторамн — рессорами, с помощью которых здание
свободно подвешивают на железобетонные стулья ленточных
фундаментов.
Фундаменты под машины. При работе машин в результате дей-
ствия неуравновешенных масс их двигающихся частей возникают
динамические нагрузки, передаваемые на фундамент. Эти динами-
274
чес кие воздействия вызывают колебания и дополнительные не-
равномерные осадки фундаментов и грунтов основания, что может
при чрезмерном возбуждении колебаний нарушить нормальную
эксплуатацию машин, конструкцию соседних сооружений и вредно
влиять на людей, работающих в подверженных вибрации зданиях.
Поэтому основания и фундаменты под машины проектируют
с учетом вызываемых ими динамических воздействий в соответ-
ствии со СНиП 11—Б.7—70 «Фундаменты машин с динамическими
нагрузками».
В зависимости от характера динамического воздействия все
машины можно разделить на три основные группы:
1) уравновешенные с вращающимися уравновешенными мас-
сами (турбогенераторы, электродвигатели, центробежные на-
сосы и т. п.);
2) с кривошипно-шатунными механизмами, поршневые и не-
уравновешенные машины с частотой вращения менее 500 мин'1
(поршневые компрессоры, дизели, паровые, дробильные машины,
лесопильные рамы и т. п.);
3) ударного действия (механические кузнечные молоты, копры
и т. п.).
Практически даже в машинах первой группы возникают не-
уравновешенные центробежные силы инерции, передаваемые на
фундамент, так как полного совпадения центра массы враща-
ющихся частей с геометрической осью вращения не наблюдается.
По конструкции фундаменты под машины бывают массивные
(жесткие), стеновые — в виде поперечных или продольных стен,
связанных ригелями, и рамные — с нежестким верхним стро-
ением. Наиболее распространены (особенно в практике водохозяй-
ственного строительства) массивные фундаменты, основы расчета
которых и рассматриваются ниже.
Проектирование фундаментов под машины с динамическими
нагрузками состоит из расчета основания, заключающегося в про-
верке соответствия среднего статического давления от фундамента
расчетному сопротивлению грунта основания; расчета отдельных
элементов фундамента на прочность; определение амплитуд коле-
баний фундамента или отдельных его элементов.
Основание рассчитывают из условия
о.р < Те.дЯ. (244)
где — среднее давление на основание но подошве фундамента от собствен-
ного веса и размещенного на нем оборудования; R — расчетное сопротивление
грунтов основания, определяемое по формуле (132); ус, д— коэффициент условий
работы, учитывающий динамический характер передаваемых нагрузок, для
машин первой группы ус, д 0.8. для второй ус. д = 1 и третьей (молоты) ус,д ==
= 0,4.
Как правило, условие (244) легко удовлетворяется, так как
статическое давление от фундамента и машины невелико, а вызы-
ваемая нм осадка несущественна. Поэтому расчет осадок чаще
275
всего не выполняют. Следует лишь во избежание виецентренного
сжатия и возникновения дополнительных вращательных колеба-
ний фундамента стремиться располагать общий центр его массы
и массы машины на одной вертикали с центром тяжести подошвы.
Расчет массивных фундаментов на колебания сводится к вы-
полнению условия, чтобы наибольшая расчетная амплитуда коле-
баний обреза фундамента не превышала допустимой
At < Дм|. (245)
Предельно допустимая амплитуда колебаний Aui зависит от
типа машины: для машин первой группы Аи = 0,1 0.2 мм
(соответственно при п > 750 и п < 500, об/мин; для машин второй
группы Аи = 0,1 0,25 мм; для молотов Аи — 0,8 1,2 мм.
Колебания фундаментов при действии на них динамических
сил могут быть вертикальными, горизонтальными, вращательными
и вращательными с одновременным сдвигом. Соответственно этому
следует определять и амплитуды At.
Расчеты базируются на следующих допущениях: система
машина — фундамент рассматривается как абсолютно твердое
тело с общим центром масс; грунт основания считается линейно-
деформнруемым телом, его инерционные свойства не учитываются.
Упругие свойства грунта выражаются обобщенными показате-
лями — коэффициентом упругого равномерного Cz и неравномер-
ного Cw сжатия и упругого равномерного сдвига Сх, которые
более надежно определять опытным путем. При отсутствии данных
испытаний Сг как основную упругую характеристику оснований
допускается принимать по нормативным таблицам в зависимости
от расчетного давления (С2 — 2000 7000 т/м3 для R — 0,1
0,5 МПа), а другие коэффициенты определять по выражениям
Cw = 2С„ Сх = 0,7С2.
В практике проектирования в зависимости от группы машин,
частоты вращения вращающихся частей, положения двигающихся
частей отдельные расчетные амплитуды колебаний А не опреде-
ляют, как не имеющие значения. Например, для фундаментов
машин первой группы (с вращающимися частями) с частотой вра-
щения п > 1000 мин-1 расчет любых колебаний вообще не обяза-
телен. Для низкочастотных машин (п < 1000 мин-1) и машин вто-
рой группы с горизонтальным скольжением движущихся частей
рассчитывают лишь амплитуды горизонтальных колебаний Ах.
В качестве примера приведем наиболее простую формулу
для определения амплитуды вертикальных колебаний Az фунда-
ментов вертикальных машин
= <246)
где Fs — вертикальная составляющая возмущающих сил машины; Ме — сум-
марная масса фундамента и машины; А — площадь подошвы фундамента; <» —
угловая скорость вращения машины, рад/с, равная <о — 0,106 лОб. где лов —
частота вращения машины.
276
Анализ формулы (246) показывает, что для уменьшения ам-
плитуды колебаний фундамента необходимо снижать его массу,
одновременно увеличивая площадь подошвы, т. е. делать фунда-
мент распластанным, или повышать жесткостную характеристику
грунта Сг (закреплять, уплотнять грунт).
Кроме перечисленных выше необходимо соблюдать следующие
правила:
отделять фундаменты машин с динамическими нагрузками от
смежных фундаментов здания сквозным зазором ве менее 10 см
без заполнения;
назначать минимальную глубину заложения фундамента (без
учета влияния его вибраций на конструкции здания), обеспечива-
ющую, однако, размещение в нем технологических выемок, шахт,
а также надежную заделку анкерных болтов крепления машин;
для уменьшения амплитуд колебаний и повышения экономич-
ности делать общие фундаменты (плиту) под несколькими маши-
нами (агрегатами);
для уменьшения вибраций фундаментов предусматривать при-
менение виброизоляторов (амортизаторов) из стальных пружин
и резиновых элементов;
помимо общего и местного армирования, выполняемого по рас-
чету, предусматривать конструктивное армирование массивных
и стеновых фундаментов в виде сеток (с размером сторон 20 ...
30 см из арматурных стержней диаметром 12 ... 16 мм), укладыва-
емых по подошве фундамента, по боковым и верхней граням,
а также по контуру вырезов и приямков (сетка с шагом 16 ...
25 см из арматуры диаметром 10 ... 12 мм).
ПРИЛОЖЕНИЕ
Укрупненные единичные расценки на земляные работы, устройство
фундаментов и искусственных оснований
Стоимость
Наименование работ я конструкций на единицу измерения, Р--к.
Земляные работы
Разработка грунта в котлованах и траншеях под фундаменты:
при глубине выемки до 1,5 м и ширине I м, м1
при глубине котлована >1,5 м — на каждые последующие
0.5 м глубины выемки стоимость земляных работ повышается
на 8 %
при ширине выемки >1 м стоимость земляных работ уве*
лнчивается на 7 %
при разработке мокрых налипающих грунтов вводится по-
правочный коэффициент К~ 1.25
при разработке грунта из-под воды К — 1,4 2—80
Водоотлив на 1 м8 грунта котлована:
при отношении мощности слоя мокрого грунта (ниже УГВ)
к общей глубине котлована:
до 0,25 0—40
до 0.5 !—00
до 0,75 1—80
свыше 0,75 2—50
Крепление стенок котлованов и траншей. Крепление досками
при глубине выемки до 3 м 0—65
>3 м 0—93
Шпунтовое деревянное ограждение, м1 ограждения 9—50
Ограждение котлована стенкой из замороженного грунта, м8
стенки (мерзлого грунта) 28—00
Обратная засыпка пазух котлованов с уплотнением грунта,
м8 обратной засыпки 0—75
Искусственные основания
Устройство грунтовых подушек на просадочных грунтах по-
слойной укаткой, м8 подушки 3—70
Песчаные подушки, м8 подушки 8—40
То же, щебеночные и грунтовые II—70
Уплотнение дна котлованов тяжелыми трамбовками диаметром
1,3 ... 1,5, 100 м8 площади дна JI— 50
Удаление торфа с разработкой траншей к котлованов под на-
сыпи на болотах, 100 м8 торфа 78—00
Предварительное замачивание лёссовых грунтов нз поверх-
ностных карт, м8 замачиваемой площади 0—40
278
П^оляиш
Навмяжпаяве работ я конструкция
Стоимость
на «линину
»ирання.
То же. через скважины 1—20
Предварительное замачивание с глубинными взрывами, м*
грунта 0—80
Термическое закрепление (обжиг) лёссовых грунтов, м* за-
крепленного грунта 16—60
Силикатизация лёссовых грунтов однорастворным способом,
м* грунта 30—60
Силикатизация песков двух растворным способом, м* 36—50
Уплотнение лёссовых грунтов грунтовыми сваями, м* уплот-
ненного грунта 4—26
Уплотнение грунтов песчаными сваями, пог. м скважины 1—20
Цементация песчаных грунтов, пог. м скважины 27—00
Устройство фундаментов
монолитные
Фундаменты бутовые непрерывные я столбчатые, кладка стен
подвалов, м* кладки 2!—60
То же, бутобетонные 23—30
Фундаменты бетонные ленточные, м* кладки 28—00
То же, отдельные 30—60
Фундаменты железобетонные ленточные, м* кладки 32—30
Железобетонные отдельные под колонны, м* 36—20
сборные
Башмаки стаканного типа для промышленных зданий, м* кон-
струкции 45—60
Трапецеидальные блоки ленточных фундаментов 48—20
Бетонные стеновые блоки фундаментов, м* блока 40—60
свайные
Деревянные сваи (с забивкой) при длине до 7 м, м* сваи 72—60
То же. при длине сваи >7 м 89—80
Призматические железобетонные забивные сваи длиной до 9 м,
м* сваи 136—00
То же, длиной >9 м 134—00
Буронабивные бетонные сван, м» скважины 142—00
Фундаменты из свай-оболочек D ~ 100 ... 140 см, пог. м сван 26—00
Трубчатые забивные железобетонные сваи D => 60 см. пог. м
сваи 20—00
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Адсорбционный слой 10. 11
Активная пористость 41
Анизотропия 23
Анкон 11
Архимеда закон 26
Влажности граничные 30
начальная просадочная 32
Влажность 24
Внезапное разжижение песков 89
Вода прочиосвязанная 13, 14
в твердом состоянии 13, 16
гравитационная 13, 15
капиллярная 13, 15
кристаллизационная 13, 16
рыхлосвязанная 13, 14
Водоотлив открытый 247
глубинный 248
Водопроницаемость 40
Высота фундамента 3
Газ 8, 16
Гидравлический градиен фильтрации
Гидродинамическое давление 41
Гидрослюда 10
Глинистые минералы 9
Глинистые частицы 8, 9
Глубина заложения фундамента 3.
Градиент фильтрации начальный 43
Гранулометрический состав 25
Грунт 7
нескальный. 7, 81
скальный 7, 80
Грунтовые подушки I9S
Гумус 12, 103
Давление остаточное 60
набухания 34
нейтральное 60, 61
общее 60
остаточное поровое 60
отрицательное 61
эффективное 60
Деформации ущ>угие 45
остаточные 45
Деформируемость грунтов 43
Диффузный слой II
Дилатансия 71
Зондирование 80
Катион 10, II
Компоненты грунтов 8
Колодцы—оболочки 228, 232
Компрессионные испытания 55
кривые 55, 56, 58
Консистентность 29
Консолидация 62
Контракция объема 35
Коэффициент фильтрации 41
безопасности 220
надежности 220
перегрузки 151
постели 47
Пуассона 45
пористости 27
сочетания 151
сжимаемости 56
условий работы 152, 22!
Кривые ползучести 99
длительной прочности 99
Критические нагрузки 134
Критический коэффициент пористости
Лбссы 92
Миграция воды 40
Мнкроагрегатный состав 25
Минеральные частицы 8, 9
Модули деформации 45, 46
сдвига 45, 46
Набухаемость 33
Напряжения в грунтовом массиве 108
от внешних нагруаок 111
природные 108
Недоуплотненные образцы 74
Нормально уплотненные образцы 74
Обрез фундамента 3
Опускные колодцы 228, 229
281
Осадки 65, 66, 166
конечная 65, 66, 166
Основание 3, 142
естественное 4
искусственное 4
Переуплотненные образны 74
Плотность грунта 2b
Плотность сухого грунта 26
Плотность твердых частиц 24
Плотность эффективная 26
Плывунность 36
Плывуны истинные 90
Подошва фундамента 3
Показатели прочности 71
сжимаемости 55
Ползучесть затухающая 99
прогрессирующая 99
установившаяся 99
Предел длительной прочности 99, 100
Просадочность 30
Прочность грунтов 68
Пучин истость 38
Размокаемость 37
Размягчаемость 37
Растворимость 38
Расчетное сопротивление 152
Релаксация напряжений 62, 67, 68
Ростверк 209
Свая 209
Сдвиг 68
консолнднроэанно'дренированный 76
консолидированно-недренироваиныА
75
неконсолиднрованно-недренирован*
ный 75
Сдвиговая трансляция 70, 71
Силикатизация 198
Сжимаемая (активная) эона 169
Стабилометр 52, 76
Степень влажности 28
консолидации 65
разложения торфа 103
зольности торфа 103
Структура грунтов 17
Структурные связи 18
водно*коллоидные 19
Структурная прочность сжатия 50
Твердые частицы 8
Текстура грунтов 21
Тиксотропность 36
Торф 83, 102
Угол видимости 123
Угол внутреннего трения 70
Удельное сцепление 70
Удельный вес грунта 28
сухого грунта 29
твердых частиц 29
Уравнение предельного равновесия 79
Усадочность 35
Фильтрация 40
Фракция 25
Фундамент 3, 139
фундаменты жесткие 140, 157
гибкие 140, 165
глубокого заложения 140, 228
кессонные 236
ленточные 141
неглубокого заложения 153
сваные 141, 209
смешанные 141
сплошные 141
столбчатые 141
Число пластичности 30
Шпунтовые ограждения 243
Электросоосмос 198
Эпюра напряжения 109. 119, 120,
УКАЗАТЕЛЬ ЛИТЕРАТУРЫ
Веселов В. А. Проектирование оснований и фундаментов. — М.: Строй-
нздат, 1978.
В я л о в С. С. Реологические основы механики грунтов. — М.: Высшая школа,
1978.
Гольдштейн М. Н. Механические свойства грунтов. — М.: Стройнздат,
1979.
Гольдштейн М. Н., Царьков А. А., Черкасов И. И. Механика
грунтов, основания и фундаменты.—М.: Транспорт, 1981.
Далматов Б. И. Механика грунтов, основания и фундаменты. — М.: Строй-
издат, 1981.
Далматов Б. И. я др. Проектирование фундаментов аданнй и промышлен-
ных сооружений. — М.: Высшая школа, 1986.
Сергееве. М. Грунтоведение. — М.: Изд. МГУ, 1983.
Иванов П. Л. Грунты и основания гидротехнических сооружений. — М.:
Высшая школа, 1985.
Костерив Э. В. Основания и фундаменты. — М.: Высшая школа, 1978.
Маслов Н. Н. Основы инженерной геологии н механики грунтов. — М.:
Высшая школа, 1982.
Силкин А. М. Сооружения мелиоративных систем в торфяных грунтах. —
М.: Агропромиэдат, 1986.
Ф р о л о в Н. Н. Проектирование оснований и фундаментов сооружений гидро-
мелиоративных систем. — М.: Колос, 1983.
Цытович Н. А. Механика грунтов. — М.: Высшая школа, 1979.