Глава 7. СОПРОТИВЛЕНИЕ ГРУНТОВ СДВИГУ
7.1. Испытания грунтов на плоский сдвиг
Сдвигом называется процесс смещения одной части рассматриваемого объема грунта относительно другой под воздействием внешних сил. Различают сдвиги общие и местные. Общим сдвигом является сдвиг всей рассматриваемой части грунта, на которую действует определенная сила. Местным сдвигом называется сдвиг одного из участков рассматриваемого объема грунта, на который действует определенная сила.

Внутренним сопротивлением, препятствующим сдвигу в идеально сыпучих грунтах, например, в чистом песке, является трение: в идеально связных (например, вязких дисперсных глинах) − сцепление, обусловленное внутренними структурными связями частиц. Природные грунты обладают обоими видами внутренних сил сопротивления.

Грунты оценивают по показателям их сопротивления сдвигу, которые являются основными прочностными показателями грунтов. Это – коэффициент внутреннего трения и коэффициент сцепления. Силы трения и сцепления направлены касательно к поверхности скольжения. Для определения показателей сопротивления грунта сдвигу производят испытания образца грунта по ряду методов: плоскостного среза, простого одноосного сжатия, трехосного сжатия, среза по цилиндрической поверхности, вдавливания.

Плоскостной срез производится на односрезном приборе, схема которого приведена на рис. 7.

Рис. 7. Прибор испытания грунта на сpез.
При определенном вертикальном давлении на образец увеличивают ступенями сдвигающую нагрузку до тех пор, пока не произойдет срез (что обнаруживается по непрерывному скольжению подвижной части прибора при достигнутой постоянной сдвигающей нагрузке). Вертикальную сжимающую силу и касательную силу, при которой произошел срез, замеряют. Затем опыт повторяют с таким же образцом, но при другой сжимающей силе и т. д. По полученным результатам определяют соответствующие напряжения и строят диаграмму предельных напряжений при сдвиге τ = f(σ) (рис. 8).


Рис. 8. Сдвиговая диаграмма: σ − нормальные напряжения;

τ − касательные напряжения.

Диаграмма для сыпучего грунта имеет вид прямой, проходящей через начало координат τ и σ под углом φ к оси вертикальных давлений. Тогда из диаграммы имеем

τ_i = σ_i lgφ. (7.1)

Угол φ называют углом внутреннего трения. lgφ = f_т, называют коэффициентом внутреннего трения. Укапанная зависимость для сыпучих грунтов установлена Кулоном в 1773 году и называется законом Кулона. Формулируется он так: предельное сопротивление сыпучих грунтов сдвигу есть сопротивление трения, прямо пропорциональное нормальному давлению. Скорость проведения опыта на сдвиг в песках не влияет на величину τ. Песчаный грунт при сдвиге достигает определенной пористости в зоне сдвига. Эта пористость называется критической. Она практически постоянна для данного песка независимо от того, был ли он уплотнен до начала опыта или нет.

7.2. Особенности испытаний водонасыщенных глинистых грунтов
Связные грунты (глинистые) при сдвиге проявляют себя иначе. Это обусловлено особенностями связей между частицами глинистого грунта. Частицы в таком грунте связаны пластичными (водно-коллоидными) связями и частично жесткими (кристаллизационными). Наличие водно-коллоидных связей обусловливает зависимость сопротивления сдвигу от влажности грунта. Эти же связи обусловливают пластичность грунта и, как следствие ее, влияние скорости сдвига на сопротивление сдвигу.

Ввиду зависимости сопротивления сдвигу от влажности грунта и скорости сдвига существуют два вида испытаний глинистого грунта: по закрытой системе (неконсолидированно-недренированные грунты) и по открытой системе (консолидированно-дренированные грунты).

В первом случае образец испытывают так, чтобы из пор не выдавливалась вода и не изменялась плотность – влажность. Такие условия испытания можно обеспечить лишь при быстром сдвиге. В результате быстрого сдвига получаются следующие кривые (рис. 9).

Рис. 9. Кривые сдвига неконсолидированных грунтов:

а − зависимость сопротивления грунта от влажности;

б − зависимость от вертикального давления.

Из диаграммы видно, что сопротивление сдвигу не зависит от давления.

Во втором случае глинистый грунт вначале уплотняют, а затем делают сдвиг при данном уплотняющем давлении и получают зависимость сдвигающих напряжений от нормальных давлений. В этом случае диаграмма сдвига будет иного характера, чем при быстром сдвиге (рис. 10).

Рис. 10. Кривая сдвига консолидированного грунта.

Из диаграммы видно, что сдвигающие напряжения зависят от величины нормального давления. При проведении испытаний по открытой системе влияние влажности на сдвигающие напряжения исключают следующим образом. Уплотняют образец наибольшим заданным давлением до полной стабилизации осадки, а затем, разгружая его до необходимых давлений, производят срез. И так как кривая разуплотнения практически параллельна оси давлений, то в определенном диапазоне давлений имеем одну плотность, а значит, и влажность, так как у водонасыщенных грунтов прямая зависимость е и W (см. главy 6).

Испытывая на сдвиг образцы определенного грунта в этом диапазоне давлений в соответствии с ветвью разгрузки компрессионной кривой, получают зависимость сдвигающих усилий только от нормальных давлений при одной и той же влажности.

Диаграмма сдвига, полученная при испытании грунта по открытой системе, имеет вид прямой в довольно большом диапазоне давлений. Уравнение ее выражает закон Кулона для связных грунтов:

τ_i = C + tgφσ_i, (7.2)

где С − коэффициент сцепления грунта.

Формулируется он так: предельное сопротивление связных грунтов сдвигу при завершенной их консолидации есть функция первой степени от нормального давления.

В формуле (7.2) иногда взамен параметра С используют параметр σ_r (см. диаграмму на рис. 8), который называется давлением связности. Тогда С = σ_rtgφ и уравнение (7.2) имеет вид

τ_i = (σ_i + σ_c) tgφσ, (7.3)

Давление связности − условное понятие, это эквивалентное давление, приложенное к сыпучему грунту и создающее в нем сопротивление сдвигу, равное сопротивлению в связном грунте, обусловленному только силами сцепления.

Результаты испытаний на сдвиг по закрытой системе используются при прогнозе прочности грунтов в условиях, когда устройство сооружения не изменяет существенно плотности − влажности (откосы каналов, дамб и др.). Результаты испытаний по открытой системе используют для прогнозирования прочности грунта для случаев, когда он под сооружением достиг полной консолидации.
7.3. Сдвиг в условиях трехосного сжатия
Опыты на трехосное сжатие производятся в стабилометре. Испытания на трехосное сжатие применяются для связных и сыпучих грунтов. Грунт при этом может быть обжат с боков любым заданным давлением, что хорошо отвечает работе грунта в природных условиях. Конструкция прибора изображена на рис. 11.


Рис. 11. Конструкция стабилометра.
В результате испытания грунта получают при заданной величине бокового давления σ'₂, σ"₂, σ'"₂ разрушающее осевое давление σ'₁, σ"₁, σ'"₁ для каждого образца грунта. По этим давлениям при помощи кругов Мора получают диаграмму предельных напряжений сдвига (рис. 12).

Из диаграммы сдвига получают показатели сопротивления грунта сдвигу: φ и С.

Кроме того, из результатов трехосного сжатия можно определить модуль общей (линейной) деформации Е_о и коэффициент относительной поперечной деформации μ_о:

, (7.4)

где ∆σ₁ − приращение осевого давления;

∆ε_z – приращение относительной продольной деформации ε_z.

, (7.5)

где S_i – осадка i-ой ступени нагрузки:

h – начальная высота образца.

, (7.6)

где Е_об – модуль объемной деформации.

, (7.7)

где ∆θ – приращение относительной объемной деформации θ.

θ = , (7.8)

где V и ∆V – объем образца и соответственно изменение объема.

Рис. 12. Диаграмма сдвига, полученная на стабилометре.

7.4. Полевые испытания грунтов
Кроме приведенных выше лабораторных испытаний, существуют полевые методы испытаний грунта. Они проводятся в скважинах и шурфах.

Так, существует метод лопастных испытаний грунтов. В скважину ниже конца обсадной трубы вдавливается и поворачивается лопастная крыльчатка. Замеряется максимальный скручивающий момент. По моменту и размерам лопастей на основании и формулы [11, с. 56] определяют сдвигающее напряжение τ, которое можно приближенно считать равным сцеплению грунта, τ ≈ С. Этот метод применяют для испытания пластичных глинистых грунтов, а также для илистых и водонасыщенных супесчаных грунтов и других, пробы которых взять трудно, не нарушив их структуру.

Существует метод шарового штампа, когда штамм, имеющий шаровую лобовую поверхность, задавливается в грунт. По нагрузке, осадке штампа и его геометрическим параметрам определяют на основании формулы [11, с. 57] сцепление С_ш, которое включает в себя и внутреннее трение.

Существуют методы испытания грунтов для определения их прочностных и деформационных характеристик путем задавливания или забивания в грунт конусного наконечника. Это так называемое статическое и динамическое зондирование грунтов.

Существуют методы полевых испытаний грунтов при помощи плоского штампа, который, в отличие от шарового штампа, нагружают ступенями (шаровый − одной нагрузкой).
Глава 8. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ В ГРУНТЕ
8.1. Напряженное состояние грунта
Нагрузка от сооружения и собственного веса грунта распространяется по грунтовому скелету. В точках контакта частиц скелета действуют элементарные силы. Направление действия их различно в зависимости от взаимного расположения частиц грунта. Существование этих элементарных сил, действующих на каждую частицу со сторон точек ее контакта с другими частицами, обусловливает наличие в частице внутренних сил, противодействующих внешним элементарным силам. Состояние грунта, при котором между его частицами и внутри частиц возникают элементарные силы, называется напряженным состоянием.

Показателем напряженного состояния грунта является напряжение. Напряжение − это сумма элементарных сил, приходящихся на единичную площадку, сориентированную в массиве грунта определенным образом. Различают напряжения, нормальные по отношению к рассматриваемой площадке и касательные. Установлено, что для условий плоской задачи в каждой точке напряженного массива существуют две взаимно перпендикулярные площадки, в которых касательные напряжения равны пулю. Нормальные напряжения, действующие на эти площадки, называют главными напряжениями. Одно из них будет наибольшим, второе – наименьшим нормальным напряжением. Для условий пространственной задачи таких пар нормальных напряжений будет три. В площадках, отличных по положению (в пространстве грунтового массива) от главных площадок, существуют и касательные напряжения.

Возьмем произвольную точку в грунтовом массиве и наметим в ней три взаимно перпендикулярные площадки, сориентированные независимо от направления главных напряжений (например, одну параллельно горизонтальной поверхности грунтового полупространства).

Напряженное состояние в этой точке можно отразить через нормальные и касательные по отношению к этим площадкам напряжения. Для определенности напряженного состояния в точке необходимо для каждой площадки указать три вектора напряжения. Вектор нормального напряжения достаточно указать один, а векторов, касательных к площадке, необходимо указать два взаимно перпендикулярных. Отсюда видно, что всего по трем площадкам, проведенным через одну точку, необходимо определить девять векторов напряжений (рис. 13).

Рис. 13. Напряжения в точке грунтового массива.
Легко доказать математически, что τ_zу = τ_ху, τ_zх = τ_ух,, τ_уz = τ_хz (закон парности касательных напряжении). Отсюда видно, что достаточно определить уже шесть напряжений вместо девяти, а остальные три найти по закону парности напряжений. Впервые эта задачи была решена Ж. Буссинеском (1885 г.).

В расчетной практике наибольший интерес представляют напряжения, действующие па площадках, параллельных плоскости, ограничивающем полупространство грунтового массива. Для одной такой площадки это напряжения:σ_z, τ_zx, τ_zу. Задача по определению этих напряжений была решена В. Кирпичевым и Н. Цытовичем. Из-за сложности определения этих трех напряжений обычно находят одно из них − перпендикулярное ограничивающей поверхности (σ_z). Это напряжение называют сжимающим. Под его воздействием происходит де-формация грунтов.

8.2. Напряжения при сосредоточенной и распределенной

нагрузках
При действии на поверхности грунтового полупространства одной сосредоточенной силы расчетная схема будет иметь вид, показанный на рис. 14.


Рис. 14. Схема к определению σ_z.
В результате математического расчета получено выражение

, (8.1)

где .

Приведенная формула широко применяется при расчете осадок фундаментов. Для облегчения расчетов на основании этой формулы составлена таблица [11, с. 79]. В ней по r/z находят значение К.

При действии нескольких сосредоточенных сил (рис. 15) используется физический принцип суперпозиций: действие суммы равно сумме действии. Тогда сжимающее напряжение в любой точке массива для площадок, параллельных ограничивающей плоскости, находится простым суммированием:

. (8.2)

Рис. 15. Действие нескольких сосредоточенных сил.
При действии равномерно распределенной нагрузки Р для прямоугольной ее формы из (8.1) получено решение для напряжений на угловой вертикали:

, (8.3)

где К_о = ∫(z/b, l/b) определяется по специальным таблицам [11, с. 82].

Для центра нагрузки σ_z определяется по аналогичной формуле, но коэффициент К_о увеличивается в четыре раза.
8.3. Метод угловых точек
Этот метод также основан на вышеприведенном принципе суперпозиций. Поэтому знание напряжения под углом прямоугольной площадки загрузки позволяет быстро вычислять напряжения для любой точки полупространства грунтового массива. На этой возможности основан метод угловых точек. Этот метод используется тогда, когда грузовая площадь может быть так разбита на прямоугольники, чтобы рассматриваемая точка для них стала угловой. Тогда на основе принципа суперпозиции напряжение будет равно сумме напряжений от прямоугольных площадей загрузки, для которых эта точка является угловой.

Рассмотрим три основных случая (рис. 16):

1. 
   точки вертикали проецируются на контур нагрузки;
   
2. 
   вертикаль лежит внутри прямоугольника;
   
3. 
   вертикаль расположена вне прямоугольника.
   

В первом случае расчет производится по формуле

; (8.4)

во втором случае – по формуле

; (8.5)

в третьем – по формуле

; (8.6)

Рис. 16. Различное расположение расчетной вертикали.

8.4. Эпюры и изобары
Напряженная зона грунта изображается:

1. 
   при помощи эпюp;
   
2. 
   при помощи изобар.
   

Эпюра − кривая распределения сжимающих напряжений в точках линии, расположенной в грунтовом полупространстве определенным образом. Наиболее часто используют эпюры напряжений для точек вертикали и горизонтали (рис. 17).

Рис. 17. Эпюры сжимающих напряжений.

Изобара − линия равных сжимающих напряжений, строящаяся на сечении грунтового полупространства (рис. 18). При этом используются приведенные выше формулы (8.3)...(8.6).


Рис. 18. Линии равных сжимающих напряжений.
Глава 9. ВИДЫ ОСНОВАНИЙ И ФУНДАМЕНТОВ,

ИХ ВЫБОР
9.1. Виды оснований и фундаментов
Основания сооружений делятся на два вида: естественные и искусственные. Если фундамент опирается на природный грунт, то такой грунт называют естественным основанием. Искусственным основанием называют грунтовое основание, полученное в результате улучшения свойств естественного грунта или его замены другим грунтом.

Фундаменты делятся на виды по следующим признакам (рис. 19, 28):

1) глубине заложения (неглубокого заложения и глубокого);

2) жесткости конструкции фундамента (жесткие, гибкие);

3) способу передачи нагрузки на грунтовое основание (с плоской подошвой, свайные);

4) массивности (облегченные, массивные);

5) относительному размеру площади, занимаемой фундаментом под сооружением (сплошной, полосовой, отдельный);

6) по материалу (железобетонные, бетонные, бутобетонные, каменные, деревянные, металлические);

7) способу изготовления (сборные, монолитные).

Рис. 19. Основные типы фундаментов: а − отдельный гибкий с плоской

подошвой неглубокий; б − полосовой монолитный неглубокий;

в − полосовой сборный неглубокий; г − сплошной неглубокий облегченный;

д − глубокий (опускной колодец) массивный.

Указанные виды фундаментов обладают своими особенностями. Фундаменты неглубокого заложения имеют глубину 1.5...3 м (реже 5...6 м) или отношение глубины заложения к ширине фундамента менее 1,5...2. При залегании слабых грунтов на большую глубину устраивают фундаменты глубокого заложения (опускные колонны, кессоны, сборные железобетонные оболочки), имеющие глубину 20...40 м (реже 70...80 м). В последнее время кессоны применяют сравнительно редко.

Жесткие фундаменты практически не имеют растягивающих напряжений (и скалывающих), гибкие − имеют. Жесткость и гибкость фундамента определяется материалом фундамента и его геометрией. В зависимости от материала сжимающие напряжения в фундаменте распределяются под определенным углом, называемым углом жесткости. Геометрия жесткого и гибкого фундамента отличается тем, что жесткие фундаменты вытянуты в вертикальном направлении, а гибкие − в горизонтальном.

Фундаменты с плоской подошвой передают нагрузку на грунт только подошвой. Устраиваемые при слабых грунтах свайные фундаменты передают нагрузку нижними концами свай, боковой поверхностью свай, а иногда и подошвой ростверка.

Облегченные фундаменты отличаются наличием в их теле пустот. Эти фундаменты позволяют увеличить полезную нагрузку на грунт, экономить материал. Массивные фундаменты позволяют бороться с передачей на грунт ударных и вибрационных нагрузок, а также увеличивают устойчивость высоких тяжелых сооружений (мостовых опор, дымовых труб, водонапорных башен и т. п.).

Сплошной фундамент устраивают при слабых грунтах и больших нагрузках, а также при необходимости устройства водонепроницаемого подвала. Полосовые (ленточные) и отдельные фундаменты устраивают при умеренной нагрузке и достаточной прочности основания.

Каменную кладку, буто-бетон, бетон применяют в жестких фундаментах, железобетон − в гибких. Деревянные фундаменты используют только под временные сооружения. Металлические фундаменты применяются редко. Это фундаменты на металлических сваях и др.

Сборные фундаменты устраивают из привозных блоков. Монолитные фундаменты изготовляют на месте строительства.

Выбор основания сооружения производят путем оценки прочностных и деформационных свойств каждого из слоев грунта, слагающих основание. В результате принимают естественное или искусственное основание. Естественное основание используют при достаточной прочности слоев грунта и допустимых осадках, в противном случае устраивают искусственное.

Выбор фундамента производят с учетом следующих факторов:

1) особенностей несущих конструкций сооружения;

2) особенностей передаваемых нагрузок;

3) наличия и расположения подземных конструкции в зданиях и около них;

4) особенностей инженерно-геологических условий;

5) технических возможностей строительной организации;

6) сезона строительства.

Фундамент стремятся конструировать таким образом, чтобы нагрузка от сооружения передавалась на грунт кратчайшим путем, а напряжения во всех сечениях фундамента были близки к предельным.

Под колонны стараются не применять более дорогие ленточные фундаменты и сплошные. Свайные фундаменты используют, когда это позволяет резко сократить объем земляных работ. При наличии в грунте камней свайный фундамент устроить нельзя. Из фундаментов глубокого заложения используют кессоны, если грунт насыщен водой, или находится в плывунном состоянии, или в нем имеются крупные камни.

9.2. Условия строительства

и варианты оснований и фундаментов
Фундамент может быть устроен различными способами в зависимости от природной обстановки на участке строительства.

Различают три основных типа водных условий строительства (рис.20):

1. 
   гравитационная вода находится на большой глубине;
   
2. 
   гравитационная вода достигает котлована (или будущего фундамента);
   
3. 
   гравитационная вода покрывает местность (акватория).
   

Рис. 20. Основные типы водных условий строительства фундамента.
Для возможности примерной схематизации всего многообразия инженерно-геологических условий строительных площадок в целях выбора вариантов фундирования грунты можно разделить на две условные категории: прочные и слабые.

Прочными можно считать такие грунты основания, которые обеспечивают надежную эксплуатацию проектируемого сооружения, то есть обладают достаточно высокой прочностью и малой сжимаемостью. К прочным грунтам относятся скальные и крупнообломочные грунты, пески (кроме пылеватых и мелких рыхлых песков), твердые, полутвердые и тугопластичные глины.

К слабым oтносят грунты, которые не могут служить для сооружений надежным основанием вследствие их большой деформируемости и возможности выдавливания из-под фундамента. К таким грунтам можно отнести неслежавшиеся насыпные грунты, илы, торфы и заторфованные грунты, рыхлые мелкие и пылеватые пески, текучие и текучепластичные глины, лессовые просадочные грунты.

В каждом из приведенных типов условий могут представиться четыре случая залегания слабых и надежных грунтов, захватывающих сжимаемую толщу (рис. 21).


Рис. 21. Варианты геологического сложения основания.

В результате надставляется 12 различных сочетаний условий строительства. Для каждого из этих сочетаний существуют свои наиболее предпочтительные способы устройства оснований и фундаментов.

I − 1. Наиболее простой недорогой случай устройства фундамента.

I − 2. Для передачи минимального давления на слабый грунт при возможности повышают отметку подошвы. Максимально облегчают сооружение для уменьшения площади подошвы. Переходят на свайный фундамент из висячих свай. Слабый грунт заменяют искусственным основанием.

I − 3. В этом случае понижают отметку подошвы до прочного слоя. Если слабый слой песчаный, то его уплотняют, если слабый слой глинистый, то его заменяют. Устаивают сваи-стойки или глубокие опоры.

I − 4. Этот случай весьма труден для строительства. При несвязных грунтах производят их глубокое уплотнение (вибрация, песчаные сваи) или силикатизацию. При любых видах слабого грунта уменьшают давление на него за счет уширения подошвы фундамента, снижения веса сооружения, применения висячих свай или глубоких опор.

II − 1. Так как в этом случае грунт прочный, то основное значение имеет производство работ. Поэтому при возможности поднимают отметку подошвы фундамента выше УГВ. При несвязных грунтах и большом заглублении котлована ниже УГВ используют открытый водоотлив, иногда устраивая ограждающий шпунт или замороженную стенку. Иногда применяют подводные работы (черпание, бетонирование).

II − 2. Повышают отметку подошвы фундамента выше УГВ и, если надо, уширяют его подошву. Устраивают водоотлив, доходят до проектной отметки, а затем устраивают висячие сваи. Улучшают свойства слабого грунта в пределах сжимаемой толщи, а затем устраивают фундамент, как в случае II − 1.

II − 3. В этом случае изменяют свойства слабого грунта, а затем действуют, как в случае II − 1; или копают до проектной отметки при водоотливе, а затем устраивают сваи-стойки или отдельные опоры до прочного слоя; или при возможности повышают отметку подошвы, облегчают конструкцию, расширяют подошву фундамента; или копают грунт до плотного слоя, и затем как в случае II − 1.

II − 4. Сложный случай. При возможности понижают УГВ глубинным водоотливом, открытым водоотливом с применением шпунтовой или замороженной стенки и приходят к условиям 1 − 4. Повышают отметку подошвы фундамента и приходят к 1 − 4.

III − 1. В этом случае устраивают обычный фундамент при помощи перемычек (ограждений) с откачкой воды из огражденной территории или фундамент устраивают в виде опускных колодцев, погружаемых с понтонов, льда, эстакад или искусственных островков. При плотном дне фундамент устраивают в виде опускаемых бездонных ящиков. Устраивают фундамент путем затапливания специального понтона или подводным бетонированием. Делают свайный фундамент на высоком ростверке. Создают искусственное основание в виде каменной наброски до отметки выше поверхности воды.

III − 2. Условия строительства весьма затруднены. При небольшой мощности плотных грунтов устраивают глубокие опоры различных видов.

III − 3. В данном случае сначала устанавливают возможность удаления или укрепления слабых грунтов для приведения к III − 1. При небольшой мощности слабого слоя можно также применить опускные колодцы, сваи. Иногда возможно устройство перемычек с последующим удалением слабого слоя в котловине.

III − 4. Трудные условия строительства. Чаще всего устраивают глубокие опоры: опускные колодцы, кессоны, сборные; железобетонные оболочки. При сооружениях, оказывающих на грунт небольшое давление, используют средства снижения давления: устраивают искусственные основания, расширяют подошву фундамента, применяют висячие сваи. Если слабый слой находится в текучем состоянии (ил), то используют предварительное отжатие из него воды путем отсыпки песка тонкими слоями. По мере уплотнения ила его пригружают гравием, и затем и каменной наброской.

<предыдущая страница | следующая страница>