книги / Механика грунтов, основания и фундаменты.-1

Рис. 6.16. Схемы для определения активного ^ а м я и -

- при равномерно распределенной нагрузке; б — при местной нагрузи; в — длж слухи засыпан связным грунтом

ющего внутренним трением и сцеплением, условие предельного равновесия (6.3) может быть представлено в виде

Аналогично предыдущему можно получить значение ординаты активного давления связного грунта на глубине z в виде

Напомним, что связный грунт обладает способностью держать вертикальный откос высотой ho, определяемый по формуле (6.51):

, 2сcos р ho=---------

yfl-sing>)

Она может быть преобразована к виду

ytg(45°-fl»/2)

Отсюда следует, что в пределах глубины hoот свободной поверх­ ности засыпки связный грунт не будет оказывать давления на стенку. Максимальная ордината эпюры активного давления связ­ ного грунта в соответствии с (6.72) определится как

Характер эпюры активного давления приведен на рис. 6.16, в. Можно заметить, что учет сцепления грунта приводит к уменьше­ нию активного давления. Значение результирующей силы Ел попрежнему определяется как площадь треугольной эпюры стж, име­

.181

ющей высоту h—Ло и максимальную ординату of**. Использу приведенные выше рассуждения, несложно учесть действие нагрузки на поверхности засыпки и для случая связного грунта.

Учет наклона, шероховатости задней грани стенки н наклона поверхности засыпки. Этот случай является уже достаточно общим. Рассмотрим предельное равновесие призмы обрушения ОАВ соглас­ но расчетной схеме, представленной на рис. 6.17, а. Здесь б — угол наклона задней грани стенки к вертикали; а — угол наклона повер­ хности засыпки к горизонтали (знак плюс соответствует восходя­ щей, минус — нисходящей засыпке); со — угол отклонения равно­ действующей Ел от нормали к стенке за счет трения грунта о стенку (для стенок с повышенной шероховатостью принимается равным <р; для мелкозернистых водонасыщенных песков и при вибрационных нагрузках со=0; в остальных случаях со=0,54<р, где ср — расчетное значение угла внутреннего трения).

На призму обрушения ОАВ в предельном состоянии действуют следующие результирующие силы: собственный вес грунта Pv реак­ тивный отпор стенки Еш, реактивный отпор массива грунта R ниже поверхности скольжения АВ, отклоняющийся от нормали на угол ср. Отметим, что значение угла наклона поверхности скольжения в к горизонтали пока еще неизвестно и принимается произвольно. Определив из геометрических соображений величину Pg и зная направление остальных усилий, можно, построив треугольник сил, определить величины Еа и R для принятого значения в (рис. 6.17, б). Тогда

Теперь необходимо найти такое значение угла 0, при котором активное давление будет максимальным. Используя правило экст­ ремума dEJdd=0, окончательно получим

182

В более сложных случаях применяются и другие методы, в част­ ности графический метод К. Кульмана, позволяющий решать зада­ чу при произвольном очертании поверхности грунта засыпки и лю­ бых схемах загружения. Этот метод подробно рассмотрен в учеб­ никах Б. И. Далматова и П. Л. Иванова.

Определение активного давления при ломаной форме задней грани стенки и неоднородных грунтах засыпки. В этом случае стенка и грунты засыпки разделяются по горизонтали на отдельные участ­ ки, в пределах которых угол наклона стенки и физико-механические характеристики грунтов (у, (р, с) постоянны. При этом следует учитывать, что ниже уровня подземных вод значение удельного веса грунта принимается с учетом взвешивающего действия воды.

Построение эпюры активного давления выполняется, начиная с верхнего участка стенки, причем для каждого участка использует­ ся соответствующее из приведенных выше решений. Влияние выше­ лежащих грунтов засыпки при определении активного давления в пределах каждого участка, расположенного ниже, учитывается как равномерно распределенная нагрузка q.

Пример такого построения показан на рис. 6.18. Равнодейст­ вующая эпюры активного давления Еа{на каждом участке определя­ ется как площадь этой эпюры, а точка ее приложения соответствует центру тяжести эшоры.

Определение пассивного давления. Как указывалось выше, пас­ сивное давление возникает при перемещении стенки в сторону грун­ та засыпки. Характерный пример такого случая показан на рис.

6.19, а. Под действием активного давления справа от стенки она стремится переместиться влево. Этому соответствует пассивное давление грунта, расположенного слева от стенки. При движении вертикальной гладкой стенки на грунт главные напряжения меняют­ ся. Теперь уже ах=а i=trn является максимальным, a az=a^=yz при отсутствии пригрузки на поверхности засыпки слева — минималь­ ным главным напряжением

.183

выпирания, выходящая из точки А', наклонена к вертикали под углом п/4+ф/2. Это позволяет определить ширину призмы выпира­ ния по поверхности засыпки как ?=h'tg(45° + q>l2).

Повторяя теперь все математические выкладки, приведенные при определении активного давления, можно получить необходи­ мые параметры пассивного давления для рассмотренных выше случаев.

Напомним, что погрешность определения пассивного давления в предположении плоской поверхности скольжения возрастает с уве­ личением угла внутреннего трения грунта засыпки <р. При <р<10° эта погрешность еще невелика. При больших значениях (р для определения пассивного давления следует использовать строгие решения теории предельного равновесия.

Определение активного и пассивного давления методами теории предельного равновесия. Эти решения получены В. В. Соколовским путем численного интегрирования дифференциальных уравнений теории предельного равновесия для случая горизонтальной поверх­ ности засыпки однородным сыпучим грунтом. Учитываются также угол наклона и шероховатость задней грани стенки.

Ординаты эпюры активного давления вычисляются по фор­

184

безразмерные коэффициенты, определяемые по табл. 6.4 и 6.5 в за­ висимости от значений угла внутреннего трения грунта <р, угла наклона грани стенки к вертикали £ и угла трения грунта о стенку о) (см. рис. 6.17). Более полные данные об этих коэффициентах приведены в учебниках Н. А. Цытовича.

Т аблица 6.4. Значения коэффициента qo для определения активного давленая

Построив эпюры активного и пассивного давления по приведен­ ным выше формулам, легко определить значения их равнодейству­ ющих Ел и Ер.

Расчет устойчивости подпорных стенок. Расчет устойчивости под­ порных стенок при соответствующих кинематических схемах про­ изводится на плоский сдвиг, глубинный сдвиг и опрокидывание аналогично тому, как это было рассмотрено в конце § 6.3 при расчетах устойчивости фундаментов. При расчетах методом круг­ лоцилиндрических поверхностей скольжения для отыскания на­ иболее опасной поверхности скольжения следует руководствовать­ ся правилами, изложенными в § 6.4. Необходимо иметь в виду, что в этих расчетах активное давление всегда относится к группе сдвигающих, а пассивное — к группе удерживающих воздействий на стенку.

185

6.6.Длительная устойчивость откосов, склонов

иудерживающих конструкций

Общие положения. Грунты являются реологической средой. Ре­ ологические свойства грунтов проявляются в виде ползучести, рела­ ксации напряжений и снижения прочности при длительном воздей­ ствии нагрузок. Эти свойства характерны для связных (глинистых, мерзлых, полускальных) грунтов и практически отсутствуют в сы­ пучих грунтах. Снижение прочности грунтов во времени приводит к постепенному уменьшению устойчивости массивов горных пород и оснований сооружений.

Длительная устойчивость откосов и склонов. Известно много случаев, когда стоявшие незыблемо откосы и склоны, казалось бы, без видимых причин вдруг переходили в интенсивное движение и теряли устойчивость. История содержит много фактов катаст­ рофических последствий оползней. Прогрессирующий, постепенный характер развития оползневого процесса часто проявляется в об­ разовании и развитии специфических трещин «заколов» вблизи бровки склонов. Так, трещины «заколов» на высоком оползневом уступе в районе Одессы появляются, как правило, за 5...7 лет до очередного обрушения берегового уступа и обычно оказываются своеобразными предвестниками грядущего оползня.

Подобная ситуация наблюдалась в 1994 г. на территории реч­ ного порта г. Ульяновска. Экстренные мероприятия позволили стабилизировать активизирующийся оползень.

Физическое и теоретическое представление. Деление склонов и от­ косов на устойчивые и неустойчивые условно. Устойчивый в насто­ ящий момент склон может перейти в неустойчивое состояние в тече­ ние определенного времени. Возможные причины потери равновес­ ного состояния описаны выше.

Следует отметить, что часто наблюдаемое медленное движение оползневого склона не обязательно должно заканчиваться полной потерей устойчивости с переходом к катастрофической фазе. Подав­ ляющее большинство склонов и откосов (до 90%) многие десятиле­ тия могут находиться в фазе глубинной ползучести, не переходя в катастрофическую фазу.

Это не означает, что такие склоны безопасны. Под воздействием медленно движущихся оползневых склонов и откосов деформиру­ ются и выходят из строя сооружения, возводимые на склонах: железные и автомобильные дороги, газопроводы и напорные трубо­ проводы, подпорные стены, опоры мостов и т. д. Характерным' примером здесь может являться левобережный склон р. Москвы, служащий упором метромоста.

При оценке длительной устойчивости окосов и склонов возника­ ют две проблемы. Первая — оценить устойчивость на заданный

186

период времени, т. е. произвести расчет по первой группе предель­ ных состояний с учетом реологических свойств грунтов (длительная прочность и т. д.) и изменения других обстоятельств и ответить на вопрос, когда (или никогда) склон перейдет в неустойчивое состоя­ ние. Вторая — прогнозировать скорости и . величины оползневых смещений на заданный период времени в соответствии с положени­ ями расчетов по второй группе предельных состояний. Современное состояние науки и экспериментальной практики позволяет теорети­ чески решать указанные выше проблемы.

Тем не менее не следует абсолютизировать теоретические и ин­ женерные оценки устойчивости откосов и склонов.

Крайне важным в этой проблеме является тщательный анализ инженерно-геологической ситуации, опыт наблюдения за динами­ кой развития оползневых процессов в сходных геологических усло­ виях региона. В ответственных случаях необходимо организовывать натурные наблюдения на запроектированных и строящихся объек­ тах и при фиксации опасных тенденций применять экстренные ин­ женерные мероприятия по предотвращению потери устойчивости горных масс.

Длительная устойчивость ограждающих конструкций. В качест­ ве бграждаюгцих конструкций на оползневых склонах, территори­ ях набережных часто использовались подпорные стенки гравита­ ционного типа. В последнее время все чаще применяются ко­ нструкции из буронабивных свай и столбов, заделанных в коренные породы.

Поскольку подпорные конструкции служат для поддержания в равновесии потенциально неустойчивых откосов грунтов, опи­ санные выше реологические процессы могут проявиться в изме­ нении условий взаимодействия подпорной конструкции и грунто­ вого массива. Взаимодействие грунтов засыпки, медленно движу­ щихся оползневых масс с ограждающими и противооползневыми конструкциями носит сложный пространственно-временной ха­ рактер.

Р. Пек (1948) привел данные обследования состояния под­ порных стен различного вида в США. Было обнаружено, что в результате длительной деформации откосов из числа обследо­ ванных сооружений 18% полностью разрушены, 53% находились в состоянии прогрессирующего смещения, 4% имели незначи­ тельные смещения и лить у 11% сооружений смещения стаби­ лизировались. А. Скемптон описывает случай обрушения в 1941 г. в результате ползучести глинистого откоса подпорной стены в Канзал Грин, построенной в 1912 г. Скорость смещения составляла от 6 мм в год в начале наблюдений (1929) до 457 мм в год перед разрушением. Известны примеры длительных смещений береговых устоев мостов, подпорных сооружений на

187

авто- и железнодорожных магистралях, на гидротехнических объектах.

Количественная оценка этих процессов может быть выполнена с двух позиций. Первая'— оценить длительную устойчивость огра­ ждающей конструкции, взаимодействующей с нагружающим мас­ сивом (грунт засыпки, оползневое тело и т. д.), произведя расчет по первому предельному состоянию. Вторая — оценить величины сме­ щений ограждающей конструкции, взаимодействующей с грунто­ вым массивом, т. е. выполнить расчет по второму предельному состоянию.

Решением таких сложных задач занимаются специализирован­ ные организации, в том числе Гидропроект, ВНИИГ, ВСЕГИНГЕО, МГСУ и др.

ГЛАВА 7

ДЕФОРМАЦИИ ГРУНТОВ И РАСЧЕТ ОСАДОК ОСНОВАНИЙ СООРУЖЕНИЙ

7.1.Значение вопроса. Основные положения

Врезультате строительства сооружения, даже если прочность грунта обеспечена, возникают деформации основания. Как правило, они имеют неравномерный характер и вызывают перераспределение усилий в конструкциях сооружения. При определенных условиях это может затруднить нормальную эксплуатацию сооружения, а в неко­ торых случаях даже привести к его аварии.

Количественное прогнозирование деформаций системы «соору­ жение — основание» представляет собой одну из наиболее сложных задач механики грунтов. Поясним это с помощью примера, заимст­ вованного из учебника П. Л. Иванова (рис. 7.1).

Первая стадия строительства всегда заключается в отрытии котлована под сооружение. При этом происходит разгрузка грунта ниже поверхности дна котлована на величину yd, где у — удельный вес грунта, d -~ глубина котлована и в соответствии с этим подъем дна котлована. Естественно, что чем глубже котлован, тем интен­ сивнее проявляется разгрузка грунта, причем величина подъема дна будет неравномерной по ширине котлована — наименьшей вблизи подошвы откоса й наибольшей в среднем сечении. Выберем некото­ рое сечение и обозначим величину подъема через г (рис. 7.1, а). В § 4.2 указывалось, что процесс разгрузки развивается по закону упругого деформирования, а величина г может быть определена по ветви разгрузки компрессионной кривой.

188

Важно отметать, что приведенный пример сильно упрощает реальную обстановку строительства. Здесь не учитывались многие факторы, имеющие место в действительности и оказывающие вли­ яние на деформации грунтов основания. К ним прежде всего от­ носятся: пространственная жесткость сооружения и возможность передачи различных нагрузок на основание через отдельные фун­ даменты; неоднородность напластования и свойств грунтов в пре­ делах пятна застройки; скорость приложения нагрузок в процессе строительства и длительность развития осадок грунтов и т. п. Все эти факторы приводят к значительному усложнению рассматрива­ емой картины, поэтому проблема прогноза деформаций оснований сооружений в целях инженерного проектирования основывается сейчас на ряде упрощающих предпосылок.

Под абсолютными перемещениями понимают осадку основания отдельного фундамента s и горизонтальное перемещение фундамен­ та (или сооружения) и. К относительным перемещениям ло СНиПу относят средние осадки основания сооружений, относительную раз­ ность осадок двух фундаментов, крен фундамента и т. п. Относи­ тельные деформации могут быть найдены при определенных для различных фундаментов или сечений значениях абсолютных пере­ мещений. Поэтому основные методы, рассматриваемые в насто­ ящей главе, посвящены определению величины абсолютных переме­ щений оснований отдельных фундаментов.

Расчет оснований фундаментов по деформациям в настоящее время производится исходя из условия

(7.2)

где s — совместная деформация (осадка, горизонтальное перемеще­ ние и т. п.) основания и фундамента (сооружения), определенная расчетом; su— предельное значение этой величины, устанавлива­

емое соответствующими нормативными документами или требова­ ниями проекта.

Правила проектирования фундаментов сооружений в соответ­ ствии с условием (7.2) будут приведены в гл. 9. Здесь же рас­ сматриваются лишь способы определения левой части этого не­ равенства.

Выше неоднократно отмечалось, что опытная зависимость меж­ ду осадками поверхности грунтового основания и действующими нагрузками s= f(p) имеет нелинейный характер.

Однако в некотором интервале нагрузок, соответствующем фа­ зе уплотнения грунта в основании, эта зависимость близка к ли­ нейной и развитие осадок во времени всегда имеет затухающий характер. В качестве максимального значения среднего давления р под подошвой фундамента, соответствующего границе фазы уп­ лотнения, в настоящее время принимается расчетное сопротивление

190