книги / Основы прикладной геомеханики в строительстве

Для торфа хорошее соответствие экспериментальным данным дает ядро ползучести Г. И. Покровского *

Как показывают соответствующие опыты **, при испытании грун­ тов, содержащих органические включения, при малых нагрузках [порядка 0,05—0,10 кгс/см2 (~0,5-^1,0* 104 Па) при #> 50% и по­ рядка 0,1—0,2 кгс/см2 при #=25-М 0% ] имеют место восстанавли­ вающиеся деформации (как упругие, так и структурно-обратимые), а при больших нагрузках (при р > р стр)— необратимые структур­ но-остаточные.

В общем случае полная деформация этого вида грунтов sn со­ стоит из суммы восстанавливающейся sB и остаточной S0CT дефор­

Восстанавливающаяся деформация характеризуется коэффи­ циентом, аналогичным коэффициенту линейно деформируемого по­ лупространства:

Остаточные деформации, по И. И.Черкасову ***, определяют по теории размерностей, исходя из степенной зависимости

где р — внешнее давление, кгс/см2 (Па); А — коэффициент, анало­ гичный числу твердости, кгс/см2 (Н/м2); D — диаметр круглой пло­ щадки; п — степень упрочнения (безразмерный параметр). Тогда величина полной относительной осадки сжимаемого грунта при действии местной нагрузки определится выражением

где to— коэффициент формы.

Для органических грунтов с постоянным пределом упрочнения <Jo (преодолев который могут возникать остаточные деформации уплотнения), мы с полным основанием можем приравнять 0Острук-

* Бронин Б. Н., Морарескул Н. Н. К вопросу учета реологических свойств скелета при консолидации торфяных грунтов. — Труды Первой Балтийской кон­ ференции по механике грунтов, ч. 2. Гданьск (ПНР), 1975.

**См. сноску на с. 76, п. 2 и 3.

***Черкасов И. И. Механические свойства грунтовых оснований. М., 1958.

ния штампа, иногда значительные, что обусловливает не только со­ противление грунта сжатию (вдавливанию по площади F штампа), но и сопротивление срезу по периметру П. Пренебрегать этим при расчете грунтов с растительными остатками (торфов, илов и пр.) не представляется возможным.

С учетом сказанного осадка штампа будет определяться выра­ жением *

фов, илов и других грунтов, содержащих растительные ос­

татки) является основным их прочностным показателем.

Согласно результатам многочисленных опытов, предельное со­ противление сдвигу рассматриваемого вида грунтов, содержащих растительные остатки, зависит (при данном их ботаническом со­ ставе, степени разложения и влажности) также от уровня нормаль­ ных сжимающих напряжений, скорости возрастания и времени дей­ ствия нагрузки.

При давлениях, не превышающих структурной прочности сжа­ тия /?стр, предельное сопротивление сдвигу торфов, илов и подоб­ ных грунтов практически не зависит от величины внешнего дав­ ления (рис. 2.15); при уменьшении же скорости нагружения на­ блюдается уменьшение сопротивления сдвигу (вследствие релак­ сации напряжений, рис. 2.16), приближающееся при очень медлен­ ном загружении к постоянной минимальной величине — предельно

* По-видимому, формула (2.67) была впервые опубликована у нас проф. М. К. Пигулевским в его работе «Физико-механические свойства рыхлых дорож­ ных материалов». Л., 1929.

гих торфов (например, лесного), по тем же данным, этот предел значительно выше.

Так как уплотнение грунтов, содержащих органические (расти­ тельные) остатки, происходит медленно [например, компрессион­ ное уплотнение торфа при одной ступени нагрузки (р — = 0,1-—0,2 кгс/см2) до стандартной условной стабилизации дефор­ маций (0,01 мм/сут) занимает несколько суток], то определение методом прямого среза предельного сопротивления сдвигу такого вида грунтов требует очень большого времени.

В 1947 г. автором настоящей главы был предложен метод опре­ деления сил сцепления дисперсных связных и вязких пород (тор-

С

1

фянистых, илистых, лёссовых, глинистых, твердомерзлых и силь­ нольдистых вечномерзлых и др.) с помощью шаровой пробы (ша­ рового штампа (см. [48]). Этот метод позволяет определять изме­ няющуюся во времени величину сцепления связных вязких пород (мгновенную, установившуюся предельно длительную и промежу­ точные значения для любого времени от начала загружения) в бо­ лее короткий срок, причем результаты получаются весьма близки­ ми к данным соответствующей полевой пробной нагрузки.

Величина сцепления вычисляется по результатам замера осад­ ки St шарового штампа (в лабораторном приборе или в полевой установке в шурфе) при одной ступени нагрузки на шаровой штамп Р по формуле, вытекающей из теории пластично-вязких тел:

раторных опытах до 30—100 см в полевых в зависимости от при­

шение величины твердости к пределу текучести.

Для получения сопоставимых данных, как вытекает из теоре­ тических соображений, необходимо в опытах давать такую нагруз­ ку на шаровой штамп, чтобы величина отношения осадки к диамет­

ру шарового штампа была больше 0,005 и меньше 0,1; тогда имеет место инвариантность получаемых данных.

На рис. 2.18 показана кривая изменения сил сцепления илисто­ го грунта во времени, характеризующая релаксацию (расслабле­ ние) их с течением времени.

Определение величины предельно длительного сцепления про­ изводится по экспериментально получаемой предельно установив­ шейся осадке 5ДЛ, требующей нескольких (2—10 ч) наблюдений, что, однако, в десятки раз меньше времени установившейся осадки стандартного (Е = 2500 см2) плоского штампа при пробной нагруз­ ке (30—40 дней).

Если ограничиться точностью порядка 5—10%, то, как показали опыты в Якутском институте мерзлотоведения АН СССР, доста­ точно замерить осадку шарового штампа лишь через 30 мин от на­ чала загружения s30' Тогда приближенно можно принимать

Получаемое в результате испытания грунта шаровым штампом сцепление необходимо рассматривать как некоторую эквивалент­ ную величину сэ, характеризующую не только сцепление грунта, но в известной мере для пластичных и вязких грунтов и их внутрен­ нее трение. Для вычисления предельной нагрузки на рассматривае­ мые грунты пред р,ф будут справедливы формулы теории идеаль­ но связных сред (при<р=0):

для плоской задачи

для пространственной осесимметричной задачи при круглой или квадратной площади

где q — боковая пригрузка, кгс/см2 (Па); са— эквивалентное сце­ пление, определяемое по формуле (2.69), в данном случае — пре­ дельно длительное.

Расчеты показывают, что вычисление предельной нагрузки на •связные грунты по формулам теории предельного равновесия (на­ пример, для плоской задачи по формуле Л. Прандтля, или по та­ булированному решению В. В. Соколовского, или же по графикам функций сопротивления В. Г. Березанцева для осесимметричной задачи) и по вышеприведенным формулам идеально связной сре­ ды (2.71), (2.72) дает практически одинаковые результаты.

Так, например [49, с. 180], сопоставления величин предельной нагрузки на грунт, полученные автором по решению плоской за­ дачи для фундамента с боковой пригрузкой q= 0,25 кгс/см2 на мас­ сиве грунта, характеризуемого величиной эквивалентного сцепления са=2,3 кгс/см2, вычисленных по формуле (2.71), т. е. при ф=0, н для того же грунта в предположении, что <pi= 10°, а также при

пред ркр= 12,1 кгс/см2;

по формуле Прандтля (с учетом tpi и ci),

предркр= 12,3 кгс/см2;

при <рг и соответствующем с2

пред ркр— 11,8 кгс/см2.

Приведенные данные (точно так лее как и ряд других) под­ тверждают высказанное выше положение о практической примени­ мости формул (2.71), (2.72) для непосредственного определения предельной нагрузки на связные (в том числе и органо-минераль­ ные) грунты по величине только их эквивалентного сцепления

Отметим, что, согласно данным Н. Ф. Чертоляса (МИСИ), ме­ тод шарового штампа (шаровой пробы Н. А. Цытовича) с успехом может применяться для оценки не только сцепления и несущей спо­ собности связных грунтов (как было нами показано выше), но и для определения угла внутреннего трения ф и модуля их деформа­ ции Е0 с использованием в последних случаях некоторых добавоч­ ных зависимостей *.

Метод шарового штампа можно рекомендовать для широкого применения на практике как наиболее удобный, быстрый и самый дешевый способ определения показателей механических свойств торфов, заторфованных грунтов, илов и других связных грунтов.

* Чертоляс Н. Ф. Оценка прочностных и деформационных свойств связных грунтов вдавливанием шарового штампа. Канд. диссертация, выполненная в Но­ восибирском инженерно-строительном институте и защищенная на специализиро­ ванном Ученом совете МИСИ, 1977.

ГЛАВА 3

НЕКОТОРЫЕ ЗАДАЧИ ПРИКЛАДНОЙ ГЕОМЕХАНИКИ И МЕТОДЫ ИХ РЕШЕНИЯ

В этой главе на примере решения конкретных задач приклад­ ной геомеханики показаны возможности применения количествен­ ных методов механики сплошной среды совместно с физическими уравнениями напряженно-деформированного состояния при прогно­ зировании геомеханических процессов в геологической среде с уче­ том взаимодействия этой среды с сооружениями, а также и других факторов.

Диапазон требований к изменениям в геологической среде для обеспечения нормальных условий эксплуатации сооружений и ус­ пешной инженерной деятельности людей настолько велик, что возникает необходимость учета влияния многочисленных факторов на характер взаимодействия сооружений с окружающей геологи­

блоками не должна превышать 0,2—0,3 мм как в плане, так и по высоте.

Изменение напряженно-деформированного состояния массивов горных пород может быть вызвано колебанием уровня грунтовых вод, изменением режима влажности и температуры грунтов осно­ ваний, динамическими воздействиями (виброползучесть, взрыв), колебаниями атмосферного давления, а также приливными воздей­ ствиями гравитационного поля Луны. С другой стороны, величина деформаций (осадки) земляных плотин и дамб под действием сил гравитации достигает 1—3%, например для Рогунской плотины вы­ сотой 320 м это составляет 6—10 м. Конечно, в этом случае учет микродеформаций теряет свой смысл.

Очевидно, охватить все многообразие задач прикладной геоме­