Деформация грунтов и осадка фундаментов

Введение

Еще в I в. до н. э. римский архитектор и инженер Витрувий в трактате «Десять книг об архитектуре» подчеркивал важность устройства надежных фундаментов, включая свайные. По мере увеличения веса возводимых сооружений, строители стали уделять вопросам фундаментостроения и оценке деформации грунтов в основании все большее внимание. Первой капитальной теоретической работой по механике грунтов следует считать теорию Кулона (1773 г.) о давлении грунтов на подпорные стенки. В современной постановке теория предельного равновесия грунтов развита советскими исследователями В. В, Соколовским, В. Г. Березанцевым, М. В. Малышевым и др.

Разработка вопросов оценки деформаций грунтов и расчета осадки фундаментов, начатая за рубежом К. Терцаги, получила в нашей стране в связи с огромным строительством значительное развитие в трудах Н. М. Герсеванова, Н. А. Цытовича, В. А. Флорина, Н. Н. Маслова, М. Н. Гольдштейна, К. Е. Егорова, Б. И. Далматова и многих других отечественных ученых. Исследования ползучести грунтов освещены в работах С. С. Вялова, С. Р. Месчана, Ю. К. Зарецкого, А. Я. Будима и др.

Выполнено много работ по оценке свойств и деформируемости структурно неустойчивых грунтов. Деформациям вечно-мерзлых грунтов посвящены работы Н. А. Цытовича, С. С. Вялова и др.; лессовых грунтов — работы Ю. М. Абелева, Н. Я. Денисова, А. К. Ларионова и др.; торфянистых грунтов — работы Л. С. Аморяна, Н. Н. Морарескула и др. Деформируемость грунтов при динамических воздействиях исследовалось Д. Д. Барканом, П. Л. Ивановым, Н. Н. Масловым и др. Многочисленные исследования посвящены оценке совместной работы несущих конструкций сооружений с деформируемым основанием. Этим вопросом, в частности, занимались Б. Д. Васильев, С. И. Клепиков, Д. Е. Польшин, А. Б. Фадеев и др.

Эти и многие другие работы, выполненные советскими учеными, послужили основой для создания теории расчета и норм проектирования оснований по предельным состояниям.

За последние 30 лет фундаменты на естественном основании во многих случаях вытеснены свайными фундаментами. В настоящее время возводятся все более высокие здания и тяжелые сооружения. Кроме того, в промышленных зданиях часто устанавливается уникальное оборудование, не допускающее сколько-нибудь ощутимых взаимных смещений. То и другое заставляет предъявлять особые требования к основаниям и фундаментам, что обусловливает удорожание строительства, так как нагрузку от фундаментов приходится передавать на более плотные грунты. Однако при правильном прогнозе совместной деформации грунтов и конструкций возводимого сооружения можно найти решение, обеспечивающее требуемую надежность. Поэтому перед специалистами стоят задачи разработки методов прогноза с требуемой точностью совместной деформации надземных конструкций и основания.

Наиболее сложно решаются вопросы передачи нагрузки на основание при реконструкции зданий и предприятий. Строителям все чаще приходится заглублять различное оборудование в грунт и даже устраивать подземные этажи. В таких случаях грунты не только воспринимают давление от сооружений, но и сами создают нагрузку на боковые поверхности заглубленных в грунт конструкций, т. е. являются средой, в которой приходится возводить такие конструкции. Это расширяет задачи, решаемые при устройстве подземных частей сооружений.

Таким образом, при проектировании и возведении фундаментов и заглубленных в грунт частей сооружений инженер-строитель должен правильно оценивать инженерно-геологические условия площадки строительства, уметь решать задачи не только с позиции совместной работы сооружений с основаниями, но и в части оценки грунтов как среды, в которой возводятся конструкции.

1. Физические свойства грунтов. Фазовый состав грунтов. Характеристика твердой фазы Свойства твердой фазы (скелета грунта) зависят от гранулометрического, минералогического состава и формы частиц.

Гранулометрический состав. В природных грунтах размер зерен изменяется в очень широком диапазоне — от долей микрона до нескольких сантиметров. Совокупность частиц определенных размеров называют фракцией. В инженерной практике выделяют четыре основные фракции:

— крупнообломочную — размер частиц более 2 мм;

— песчаную — размер частиц 2…0,05 мм;

— пылеватую — размер частиц 0,05…0,005 мм;

— глинистую — размер частиц менее 0,005 мм.

Дополнительно выделяют нередко и другие фракции, например, коллоидную с размером частиц менее 0,001 мм.

В некоторой степени учитывается и содержание глинистых минералов, так как в большинстве случаев размер частиц из таких минералов менее 0,005 мм. Частицы крупнее 0,05 мм обычно имеют остроугольную или округлую форму, а более мелкие глинистые — пластинчатую, иногда игольчатую. Песчаные частицы подразделяются, в свою очередь, на: крупные, средние и мелкие, а пылеватые — на крупные и мелкие.

Крупные частицы грунта разделяют просеиванием через сита. Частицы мельче 0,1 мм определяют по скорости падения идеализированных шарообразных частиц в воде. В этом случае размеры частиц, указанные выше, следует рассматривать как их гидравлический диаметр (по шкале Сабакина). При использовании шкалы Стокса принимают, что глинистые частицы имеют гидравлический диаметр менее 0,002 мм.

Разделение частиц грунтов по категориям обуславливается тем, что грунты, состоящие из частиц одной категории, обладают специфическими свойствами. Грунт, состоящий только из галечных частиц (щебня), весьма водопроницаем, имеет жесткий скелет и высокую несущую способность. Грунт только из гравелистых частиц также обладает большой водопроницаемостью, сравнительно жестким скелетом и достаточно высокой несущей способностью. В некоторых случаях при динамических воздействиях он может уплотняться. Оба эти грунта не обладают связностью (сыпучи); капиллярное поднятие в них отсутствует.

Песчаные частицы слагают различные по крупности пески, которые обладают водопроницаемостью, не пластичны, имеют сравнительно жесткий, мало сжимаемый при действии статической нагрузки скелет.

По гранулометрическому составу различают песок:

— гравелистый (частиц крупнее 2 мм более 25% по массе);

— крупный (частиц крупнее 0.5 мм более 50%);

— средней крупности (частиц крупнее 0,25 мм более 50%);

— мелкий (частиц крупнее 0,1 мм 75% и более);

— пылеватый (частиц крупнее 0,1 мм менее 75%).

В зависимости от плотности сложения пески способны существенно уплотняться при динамических воздействиях. Они характеризуются небольшой высотой капиллярного поднятия (до 0,5 м) и в сухом состоянии являются сыпучими телами.

Грунт, состоящий только из глинистых частиц, практически водонепроницаем, во влажном состоянии характеризуется высокой пластичностью, может обладать большой сжимаемостью при действии статической нагрузки, при динамических воздействиях не уплотняется, но может снижать прочность. После прекращения динамических воздействий прочность грунта постепенно частично или полностью восстанавливается, т. е. он обладает специфическими тиксотропными свойствами. Такой грунт при изменении содержания в нем воды меняет объем, набухает при увлажнении и получает усадку при высыхании. Все эти свойства, характерные для глины, особенно ярко проявляются, когда она содержит некоторое количество, весьма мелких коллоидных частиц и состоит из минерала монтмориллонита.

Пылеватые частицы составляют пылеватый грунт, который имеет все недостатки песка и глины. Пылеватый грунт слабо водопроницаем, плохо отдает воду и обладает свойствами плывунности — перемещается вместе с водой даже при малой скорости ее движения. Капиллярное поднятие в нем развивается быстро и достигает обычно 2…3,5 м.

В природных условиях образования в состав одного грунта обычно входят частицы различных категорий.

Процентное отношение выделенных в данном объеме грунта фракций к его общей массе называется гранулометрическим составом. Грансостав исследуют в основном двумя методами.

Содержание крупных фракций определяют ситовым методом, т. е. путем просеивания грунта через стандартные сита, имеющие отверстия определенных размеров. Взвешивая раздельно остатки грунта на ситах, получают массу каждой фракции, которые выражают в процентах к общей массе всех фракций.

Содержание мелких фракций, которые невозможно просеять, исследуется ареометрическим методом, который основан на изменении плотности водной суспензии по мере выпадения из нее минеральных частиц.

В результате анализа — ситового и ареометрического — определяется количественное содержание в грунте всех фракций, выраженное в процентах по отношению к общей исследуемой массе. Результаты представляют либо в виде стандартной таблицы, либо графически в виде кривой гранулометрического состава грунта.

Данные гранулометрического состава используют для определения разновидностей несвязных грунтов — крупнообломочных и песчаных.

Для связных глинистых грунтов — супесей, суглинков и глин — характерен свой гранулометрический состав, в частности, определенное содержание частиц глинистой фракции. Однако согласно действующим стандартам разновидности глинистых грунтов устанавливаются в первую очередь по числу пластичности, а данные таблицы носят вспомогательный характер.

По кривой грансостава можно также оценить однородность грунта. Чем круче кривая, тем однороднее грунт. Количественно это оценивается коэффициентом неоднородности (степенью неоднородности).

Минералогический состав также играет определенную роль, оказывая влияние на физико-механические свойства грунтов.

Крупные фракции, образовавшиеся в основном в результате физического выветривания (т.е. без изменения химического состава) из различных генетических типов скальных пород, по общим физическим и механическим свойствам мало отличаются друг от друга.

В то же время на мелкие частицы существенно влияет их минералогический состав. Так, присутствие в глинистых грунтах минерала монтмориллонит обеспечивает свойство набухания, т. е. увеличения грунта при замачивании. Это вызвано тем, что кристаллическая решетка монтмориллонита имеет подвижную молекулярную структуру, куда проникают молекулы воды, обуславливая тем самым указанное свойство. В результате строительные конструкции подвергаются дополнительному давлению до 0,5 МПа, а при высыхании такие грунты дают усадку.

Кристаллическая решетка другого глинистого минерала — каолинита — имеет неподвижную молекулярную структуру, и грунты с большим содержанием каолинита практически не набухают.

Форма твердых частиц грунтов очень разнообразна: шарообразная, пластинчатая, листообразная и тонкоигольчатая. Крупные фракции (диаметром более 0,05 мм) имеют округлую или остроугольную форму, а мелкие и мельчайшие частицы глинистых грунтов — пластинчатую или игольчатую.

2. Механические свойства грунтов. Стабилометрический метод исследования деформируемости и прочности грунтов. Типы стабилометров деформация грунт фундамент осадка Механические свойства твердых горных пород обычно характеризуют механической прочностью, твердостью и крепостью.

Механической прочностью твердых горных пород называют их способность сопротивляться разрушению под действием напряжений, возникающих под нагрузкой.

Различают механическую прочность на сжатие, растяжение, изгиб, срез и удар. Для инженерно-геологических целей наибольший практический интерес представляет испытание твердых пород на сжатие.

Прочность на сжатие характеризуют пределом прочности на сжатие, или временным сопротивлением сжатию R_сж, под которым понимают величину напряжения, вызывающего разрушение образца при одноосном сжатии.

У некоторых полускальных пород (мертели, аргиллиты и др.) под влиянием увлажнения происходит уменьшение прочности. Это свойство называют размягчаемостью породы и характеризуют коэффициентом размягчаемости, который представляет собой отношение пределов прочности на сжатие после и до насыщения водой. Чем ниже коэффициент размягчаемости, тем больше снижается прочность породы при насыщении водой.

Для изверженных пород коэффициент размягчаемости практически равен единице. Осадочные породы, породы с глинистым или легко растворимым в воде цементом обладают низким коэффициентом размягчаемости (меньше 0,5). Определение коэффициента размягчаемости, как правило, производят только для полускальных пород с глинистым или другим слабым цементом. Предел прочности породы определяют путем раздавливания образцов правильной геометрической формы (куб, цилиндр) под прессом. Образцы цилиндрической формы высверливают на сверлильных станках с помощью специальных коронок. Образцы кубической формы изготовляют при помощи специальных дисковых пил.

Расчет и проектирование фундаментов зданий и сооружений производятся на основе механических характеристик грунтов, определяемых с помощью полевых и лабораторных исследований. Внешняя нагрузка, передаваемая на основание через фундаменты зданий, приводит к уплотнению грунта. Процесс уплотнения включает деформации твердых частиц скелета грунта и уменьшение объема пор. При относительно небольших давлениях деформации твердых частиц незначительны, и уплотнение происходит в основном из-за уменьшения пористости. Основные закономерности этого деформирования подчиняются закону уплотнения — изменение коэффициента пористости пропорционально изменению давления.

Многих недостатков в сдвиговых и компрессионных приборах удается избежать, исследуя прочность и деформируемость грунтов в более совершенных прибо;

рах — стабилометрах или приборах трехосного сжатия.

Ниже приведена схема и общий вид прибора стабилометра, который представляет собой толстостенный цилиндр с помещенным внутри образцом грунта в резиновой оболочке. Образец грунта окружает вода, поэтому при приложении вертикальной нагрузки или давления Р₁, со стороны воды на образец грунта будет действовать боковое давление Р₂.

Схема испытаний образца грунта в стабилометре в условиях объёмного напряжённого состояния.

Таким образом, образец грунта в стабилометре будет находиться в объемно-напряжённом состоянии.

Если вырезать из образца грунта элементарный параллелепипед с гранями перпендикулярно главным нормальным напряжениям Р₁ и Р₂, то такой образец будет испытывать лишь сжатие со всех сторон без возможности разрушения. Однако параллелепипед грунта, ориентированный под углом б по своим граням будет испытывать кроме сжимающих усилий Р_б еще касательные усилия ф_б (касательные напряжения).

Именно касательные напряжения ф_б вызывают смещение отдельных частиц грунта относительно друг друга и приводят к разрушению образца грунта в целом. В момент такого разрушения или предельного состояния грунта определяются его прочностные и деформационные свойства.

Проведение испытаний или доведение образца грунта до разрушения (предельного состояния) зависит от соотношения значений главных нормальных напряжений и условий испытаний.

В практике исследований используется большое число стабилометров различной модификации и размеров в зависимости от решения поставленной задачи, предназначенные для исследования мелкодисперсных грунтов и крупнодисперсных грунтов.

Напряжённое состояние в элементарном образце грунта (в данной точке) весьма наглядно отображается при помощи эллипса напряжений, построенного на осях главных напряжений.

В этом случае любая точка на эллипсе (за исключением точек, расположенных на его осях) будет испытывать как нормальные Р_б, так и касательные напряжения ф_б или полные напряжения Р_полн., величина которых будет изменяться в пределах от Р₂ до Р₁.

Р₁? Р_полн? Р₂

x²/P²+y²/P²=1 — общее уравнение эллипса Наиболее просто напряжённое состояние в точке грунта М может быть выражено кругом Мора (сопротивление материалов). Круг Мора (достаточно изобразить его половину) строится на оси абсцисс Р с диаметром, равным разности величин главных нормальных напряжений Р₁ — Р₂. Тогда ордината любой точки М на круге Мора будет определять величину касательных напряжений ф_б в этой точке.

Круг Мора — графическое представление изменений напряжений в точке грунта в зависимости от ориентации рассматриваемой площадки Положение точки М или угол наклона рассматриваемой площадки будет определяться углом б. Рассмотрим граничные изменения угла б:

— при б=0° точка М будет расположена на оси Р в точке, соответствующей напряжению Р₁ (горизонтальная площадка), касательные напряжения здесь будут равны 0, а следовательно разрушение невозможно;

— при б=90° точка М также будет расположена на оси Р в точке, соответствующей напряжению Р₂ (вертикальная площадка), касательные напряжения здесь будут равны 0, а следовательно разрушение невозможно.

Поскольку предельное состояние (разрушение в грунте) возникает от действия касательных напряжений, то оно может произойти тогда, когда точка М (ее положение) коснется прямой Кулона, прямой предельного состояния грунта. В процессе испытаний оставляем неизменным Р₂ и увеличиваем Р₁. Максимальное значение Р₁ будет, когда круг Мора коснется прямой Кулона. ф_пр=P*tgц — уравнение, описывающее предельное сопротивление грунта сдвигу для песчаного грунта, т. е. процесс разрушения.

Может быть применена и другая методика испытаний. В процессе испытаний оставляем неизменным Р₁ и уменьшаем (сбрасываем боковое давление) Р₂. Минимальное значение Р₂ будет, когда круг коснется прямой Кулона. Данная методика испытаний также схематично представлена в правой части рисунка.

Из представленной схемы в момент предельного состояния, когда точка М круга Мора коснется прямой Кулона (точка В на левом рисунке), можно записать, что треугольник ОВС — прямоугольный, ВС — радиус, тогда:

sin ц=BC/OC BC= Р₁— Р₂/2 OC= Р₁— (Р₁— Р₂)/2= Р₁+Р₂/2;

sin ц=(Р₁— Р₂)2/2(Р₁+Р₂)= Р₁— Р₂/Р₁+Р₂

sin ц= Р₁— Р₂/Р₁+Р₂ ;

уравнение, описывающее предельное сопротивление грунта сдвигу при трёхосном напряжённом состоянии (для сыпучих грунтов).

Для связных грунтов необходимо подобным образом испытать не менее двух образцов с различной величиной главных напряжений Р₁— Р₂; Р₁— Р₂

Определим давление связности Р_е (суммарно заменяющее действие сил сцепления).

Р_е=C*ctg ц Выполняя аналогичные геометрические построения, что и в предыдущем случае, для прямоугольного треугольника О’В’С получим:

sin ц= BC/OC= (Р₁— Р₂/2) / C*ctg ц + Р₂+(Р₁— Р₂/2)= Р₁— Р₂/ Р₁+Р₂+2C*ctg ц

sin ц= Р₁— Р₂/ Р₁+Р₂+2C*ctg ц — уравнение, описывающее предельное сопротивление грунта сдвигу при трёхосном напряжённом состоянии (для связных грунтов).

Наиболее совершенными в настоящее время разработано много модификаций приборов трехосного сжатия. Наиболее совершенными в настоящее время являются стабилометры, позволяющие испытывать образцы кубической формы, к каждой грани которых можно прикладывать независимо друг от друга нормальные напряжения и регулировать величину любого напряжения по заданному закону. Нормальные напряжения, прикладываемые к граням образца, обычно считают главными. Поэтому такие приборы называют приборами с независимо управляемыми главными напряжениями и деформациями.

За рубежом широко применяются стабилометры, в которых исследуются образцы грунта в виде полых цилиндров. Изменение главных напряжений в этих приборах создается путем независимого изменения внутреннего и внешнего давлений в цилиндрическом полом образце и осевого давления по торцам. Модификацией стабилометров такого типа являются приборы, позволяющие создавать деформацию кручения образца.

Приборы этих двух типов довольно сложны в изготовлении и в настоящее время используются в основном для исследовательских целей.

В производственной практике нашли применение более простые по конструкции стабилометры, в которых два главных напряжения одинаковы.

3. Напряжения в грунтовых сооружениях и основаниях. Распределение напряжений в основаниях сооружений от сосредоточенной силы Для оценки несущей способности оснований и расчета осадки основания необходимо уметь определять напряжения в различных точках основания от внешних нагрузок. Для расчета фундаментов важно знать характер распределения напряжений по его подошве, а для расчета осадок нужно иметь сведения о характере распределения напряжений в толще основания, так как осадка — это следствие деформации толщи грунта.

Для теоретического определения напряжений в грунтах оснований используют решения, полученные в результате изучения закономерностей деформирования линейно деформируемого однородного упругого тела. В действительности грунт не является линейно деформируемым сплошным упругим телом, так как он имеет зернистую структуру и состоит из грунтовых частиц, поры между которыми заполнены водой и газом, а его деформации не находятся в прямопропорциональной зависимости от давления. Однако эти два обстоятельства мало сказываются на распределении напряжений, поскольку размеры частиц грунта все же очень малы по сравнению с размерами фундаментов, а в пределах относительно небольших давлений, часто наблюдающихся в строительной практике, зависимость деформаций от напряжений можно считать условий линейной. Поскольку к основаниям в основном прикладываются вертикальные нагрузки, наиболее важными являются вертикальные нагрузки, наиболее важными являются вертикальные напряжения, возникающие в основании.

При действии нескольких сосредоточенных сил напряжения в какой-либо точке основания определяют сначала от каждой силы в отдельности по формуле

у_zp=kF/z²

а затем суммируют их на основании принципа независимости действия сил.

В грунтах оснований помимо напряжений от внешней нагрузки, которые образуются от веса зданий и сооружений, дополнительно действуют и напряжения от собственного веса грунта, которые можно найти из следующего выражения:

у_zg= Уг_i h_i

где n — количество пластов; г_i — удельный вес грунта i-го слоя; h_i — высота пласта i-го слоя грунта.

Для водопроницаемых грунтов, находящихся ниже уровня подземных вод, при определении удельного веса следует учитывать взвешивающее действие воды. На водонепроницаемые грунты (глины и суглинки в твердом состоянии), залегающие ниже уровня подземных вод, будет дополнительно действовать гидростатическое давление от столба воды, находящегося над данным слоем.

Изменение напряжений в толще основания принято изображать с помощью эпюр.

Рассмотрим распределение напряжений в упругом невесомом массиве, ограниченном сверху горизонтальной плоскостью и бесконечно простирающемся в остальных направлениях (так называемое упругое полупространство). К плоской поверхности массива приложена сосредоточенная нормальная сила Р. Среда, заполняющая полупространство, рассматривается как однородная (имеет одинаковые механические свойства во всех точках) и изотропная (одинаковые свойства по всем направлениям в каждой точке). В такой постановке задача о напряженном состоянии впервые была решена Ж. Буссинеском (1885 г.) и носит его имя. Почти одновременно Фламан решил задачу о напряженном состоянии упругой, однородной и изотропной бесконечно тонкой невесомой пластины с горизонтальной верхней границей (плоское напряженное состояние). Это решение пригодно также, если полупространство загружено линейной нормальной нагрузкой интенсивностью q для распределения напряжений в плоскостях, перпендикулярных к линии загружения (плоское деформированное состояние).

В задаче Буссинека, так же как у Фламана, напряжения вблизи точки приложения сосредоточенной силы стремятся к бесконечности и поэтому вокруг этой точки возникает некоторая ограниченная область, в которой материал переходит в состояние пластического течения. Вне этой области напряжения в среде не превосходят нигде предела упругости. Очевидно, распределение напряжений в массиве симметрично относительно оси z. На верхней граничной плоскости полупространства или на линейной границе полуплоскости напряжения должны всюду равняться нулю, за исключением точки О, в которой действует вертикальная сила Р.

Приводим соответствующие этим условиям формулы Буссинека для определения напряжений:

у_z=3P/р*z³/R⁵

у_r=3P/р*[z³/R⁵-1−2v/3R (R+z)]

у_и=(1−2v)P/2р*[z/R³-1/R (R+z)]

ф_rz=ф_zR=3P/2р*z²r/R⁵

По формуле Фламана сжимающие напряжения в точках полуплоскости, расположенных вдоль оси z, убывают пропорционально z, (по гиперболической зависимости):

у_z=2/р*Р/z 0,7*Р/z

По формулам Буссинеска и Фламана напряжения у_z не зависят от упругих постоянных и одинаковы во всех упругих телах. Следовательно, напряжения у_z статически определимы и могут быть получены непосредственно из уравнений равновесия.

В формулы для определения у_r и у_и входит коэффициент Пуассона, но нет модуля Е. Это означает, что у_r и у_t зависят только от соотношения между продольными и поперечными деформациями по главным направлениям. Абсолютные значения этих деформаций не оказывают на них влияния. Натурные измерения показали, что распределение напряжений у_z в массивах связного грунта может быть более или менее близким к полученным по формулам, тогда как в песчаных массивах наблюдаются заметные отклонения от этих решений. Кроме того, во всех грунтах распределение напряжений у_r и у_и обычно значительно отличается от упругого. Чтобы получить распределение напряжений, более близкое к наблюдаемому в различных грунтах, ряд исследователей предложили такую формулу:

у_z=KPz^m/R^m+2

где К=m/2р, m=2?4 для глин и 4?6 для песков в зависимости от однородности степени анизотропии отложения. Параметр m можно назвать коэффициентом концентрации напряжений, так как при его увеличении напряжения в горизонтальных сечениях пласта, несущего сосредоточенную нагрузку, распределяются менее равномерно.

В случае плоской задачи в зависимости от рода грунта напряжения определяют по формулам:

у_z=BP*cos^mи/R

у_x=BP*cos^m-2и sin²и/R

ф_rz= BP*cos^m-1и sin и/R

Для глинистых грунтов 2

В — коэффициент, зависящий от m:

m…2 3 4 5 6

В…0,5 0,64 0,75 0,85 0,94

Чем быстрее растет плотность грунта с глубиной, тем больше значения m и коэффициента В.

4. Устойчивость откосов. Подпорные стены. Условие залегания и трещиноватость скальных пород (грунтов) При разработке грунта, устройстве насыпей (дамбы, земляные плотины, дорожное полотно и т. д.) и выемок (котлованы, траншеи, каналы и т. п.) и в ряде других случаев возникает необходимость в устройстве откосов.

Откосом называется искусственно созданная поверхность, ограничивающая природный грунтовый массив, выемку или насыпь.

Откосы нередко подвержены деформированию в виде обрушений, оползней, осыпаний и оплываний. Обрушения имеют место при потере массивом грунта опоры у подножия откоса. Оползни и оползания характеризуются перемещением некоторого объема грунта. Осыпание происходит при превышении силами сдвига сопротивления несвязного грунта на незакрепленной поверхности. Оплыванием (сплывом) называется постепенная деформация нижней части обводненного откоса или склона без образования четких поверхностей скольжения.

Основными причинами потери устойчивости откосов являются:

· устройство недопустимо крутого откоса;

· устранение естественной опоры массива грунта из-за разработки траншей, котлованов, подмыва откосов и т. д.;

· увеличение внешней нагрузки на откос, например, возведение сооружений или складирование материалов на откосе или вблизи него;

· снижение сцепления и трения грунта при его увлажнении, что возможно при повышении уровня подземных вод;

· неправильное назначение расчетных характеристик прочности грунта;

· влияние взвешивающего действия воды на грунты в основании;

· динамические воздействия (движение транспорта, забивка свай и т. п.), проявление гидродинамического давления и сейсмических сил.

Нарушение устойчивости откосов часто является результатом нескольких причин, поэтому при изысканиях и проектировании необходимо оценивать вероятные изменения условий существования грунтов в откосах в течение всего периода их эксплуатации.

Рис. 1. Характерные виды деформаций откосов: а — обрушение; б — сползание; в — оползень; г — оползень с выпором; д — оплывание; 1 — плоскость обрушения; 2 — плоскость скольжения; 3 — трещина растяжения; 4 — выпор грунта; 5 — слабый прослоек; 6,7—установившийся и первоначальный уровни воды; 8 — поверхность оплывания; 9 — кривые депрессии

Различают три основных типа разрушения откоса:

· разрушение передней части откоса. Для крутых склонов (б > 60°) характерно сползание с разрушением передней части откоса. Такое разрушение чаще всего возникает в вязких грунтах, обладающих адгезионной способностью и углом внутреннего трения;

· разрушение нижней части откоса. На сравнительно пологих откосах разрушение происходит таким образом, что поверхность

· скольжения соприкасается с глубоко расположенным твердым слоем. Такой тип разрушения чаще всего возникает в слабых глинистых грунтах, когда твердый слой расположен глубоко;

· разрушение внутреннего участка откоса. Разрушение происходит таким образом, что край поверхности скольжения проходит выше передней части откоса. Такое разрушение также возникает в глинистых грунтах, когда твердый сдой находится сравнительно неглубоко.

Таким образом, основными причинами нарушения устойчивости земляных масс являются эрозионные процессы и нарушение равновесия. Эрозионные процессы в механике грунтов не рассматриваются, так как они более подробно рассмотрены в инженерной геологии.

Рис. 2. Типы разрушения откосов: а — разрушение передней части откоса; б — разрушение нижней части откоса; в — разрушение внутреннего участка откоса Основными элементами открытой разработки карьера, котлована или траншей без крепления откосов является высота Н и ширина l уступа, его форма, крутизна и угол естественного откоса б. Обрушение уступа происходит чаще всего по линии ВС, расположенной под углом и к горизонту. Объем ABC называется призмой обрушения. Призма обрушения удерживается в равновесии силами трения, приложенными в плоскости сдвига.

Нарушение устойчивости земляных масс часто сопровождается значительными разрушениями мостов, дорог, каналов, зданий и сооружений, расположенных на оползающих массивах. В результате нарушения прочности (устойчивости природного склона или искусственного откоса) формируются характерные элементы оползня.

Устойчивость откосов анализируется с помощью теории предельного равновесия или путем рассмотрения призмы обрушения или сползания по потенциальной поверхности скольжения как твердого тела.

Подпорные стены — одно из широко распространенных видов строительных конструкций, используемых в гидротехническом, гидромелиоративном и дорожном строительстве.

Они используются в различных областях строительства для ограждения откосов, насыпей и выемок, при невозможности выполнения откосов с требуемыми уклонами; террас, располагаемых по генплану в различных уровнях; отдельных приподнятых или заглубленных по требованиям технологии участков, внутри или вне сооружений.

Также используются они для крепления котлованов, траншей, устройства водовыпусков, искусственных водоемов, водобойных колодцев и т. д.

Подпорными стенами называются сооружения, предназначенные для ограждения грунта или сыпучих тел от обрушения.

Подпорные стены по конструктивному решению подразделяются на массивные, тонкостенные и парусного типа. Массивные подпорные стены имеют примерно одинаковые размеры по высоте и ширине.

Устойчивость массивных подпорных стен на сдвиг и опрокидывание обеспечивается их собственным весом. Устойчивость тонкостенных подпорных стен обеспечивается собственным весом стены и фунта, вовлекаемого конструкцией стены в работу, либо механика грунтов защемлением стен в основание (гибкие подпорные стены и шпунтовые ограждения).

В последнем случае возникает напряженное состояние грунта в заглубленной части шпунтов.

Массивные и тонкостенные стены можно устраивать с наклонной подошвой или с дополнительной анкерной плитой, обеспечивающей устойчивость стены при сдвиге. Гибкие подпорные стены и шпунтовые ограждения можно выполнять из деревянного, железобетонного и металлического шпунта специального профиля. При небольшой высоте используются консольные стены; высокие стены заанкеривают, устанавливая анкеры в несколько рядов.

В последнее время используются мягкие подпорные стенки парусного типа. Грунт засыпки поддерживается парусом, работающим на растяжение и передающим осевую сжимающую силу сваями, а растягивающую силу — анкерными плитами.

Скальные и полускальные горные породы характеризуются жесткими связями между составляющими их частицами. По своим механическим свойствам они резко отличаются от мягких — сыпучих и связных грунтов и приближаются к твердым телам, изучаемым в сопротивлении материалов, почему иногда и называются твердыми горными породами.

Грунт (горные породы) подразделяются на скальные и рыхлые (по классификации, принятой в строительных нормах и правилах, — нескальные).

К скальным относятся изверженные, метаморфические и осадочные породы с жёсткой связью между зёрнами, залегающие в виде монолитного или трещиноватого массива. Массив горных пород — участок земной коры, характеризующийся общими условиями образования и определёнными инженерно-геологическими свойствами слагающих его горных пород. Массивы отличаются особенностями залегания и степенью нарушенности (трещиноватостью и блочностью) слагающих горные породы, минералогическим составом, текстурой и пористостью горных пород, наличием жидких (вода, нефть, рассолы) и газообразных (метан и др.) включений, их связью c твёрдыми составляющими, a также показателями геомеханического (действующие силы, напряжения и деформации гравитационного, тектонического и техногенного происхождения) и физического (эрозионные процессы и др.) состояния.

Особенностью массива горных пород как среды действия прикладываемых сил, напряжений, развития деформаций, сдвижений и разрушений является его неоднородность: деформации сосредотачиваются преим. в ослабленных элементах структуры массива (в трещинах и др.), в меньшей мере деформируются блоки монолитной породы, ограниченные трещинами. Разрушение пород происходит, как правило, c образованием в направлениях максимальных значений касательных напряжений сдвиговых поверхностей скольжения, формирующихся в виде зон образования и согласного поворота примыкающих друг к другу призмообразных элементарных породных блоков. Сопротивление этому сдвигу обусловлено сопротивлением разрушению горных пород при оформлении блоков, a также сопротивлением разрыхлению при их повороте. B случаях близкой взаимной ориентировки максимальных касательных напряжений и протяжённых поверхностей ослабления массива развитие деформаций и разрушения происходит приемлемо в плоскости этого ослабления. B зависимости от горно-геологических условий и характера проектируемых горных работ поведение и свойства горной породы массива приближённо отображают механическими закономерностями различных идеализируемых классических сред. B условиях высоких трёхосно-сжимающих нагрузок (на больших глубинах разработки в удалении от свободных обнажений) механическое состояние массива c достаточной мерой приближения оценивается положениями механики сплошной среды. Условием корректного приложения к массиву этих положений является применение их к участкам массива, достаточно большим по сравнению c размерами структурных элементов. При масштабном соотношении этих размеров не менее чем 15−20-кратном неоднородность массива приближённо рассматривают как квазиоднородность. Механические свойства массива в расчётах его сопротивления и деформаций характеризуют соответствующими показателями монолитной породы, скорректированными коэффициентами структурного ослабления, зависящими от меры нарушенности массива (частоты и связности трещин) и от вида и уровня напряжённого состояния. B условиях высоких трёхосно-сжимающих напряжений и при значительном превышении размеров нагруженных зон массива по сравнению c размерами структурных элементов значения коэффициента структурного ослабления массива близки к единице. B условиях, близких к одноосному или двухосному напряжённому состоянию (в нешироких целиках и вблизи выработок), значимость структурных ослаблений (трещин, контактов) преобладает и значения коэффициента структурной ослабленности значительно меньше единицы. Mассив горной породы в этом случае является дискретноблочной средой, устойчивость которой оценивается расчётом сцепления и трения контактов взаимно смещающихся монолитных блоков породы. Для количественной оценки влияния структурных ослаблений массива горных пород на его устойчивость, деформации, перемещения и взаимодействие c инженерными сооружениями в различных условиях используют ряд методов. Среди них — механические испытания породных образцов c естественными ослаблениями или системой искусственно созданных поверхностей нарушения сплошности породы на прессах и специальных установках (стабилометрах) c определением при различных видах и уровне напряжённого состояния либо показателей сцепления и трения по поверхностям, либо паспорта прочности породы. Применяются и натурные испытания породы без извлечения её из массива путём искусственного нагружения оконтуренного в массиве блока c помощью нагрузочных устройств (домкратов, гидроподушек, прессиометров и др.).

Для выяснения характера расположения пластов, их мощности, положения уровня грунтовых вод, оказывающих большое влияние на состояние и свойства грунта (горных пород), на месте строительства производят исследование его путём бурения, шурфования, зондирования и геофизических методов. Улучшение свойств грунта (горных пород) достигается введением цементирующих и вяжущих веществ, механическим уплотнением, осушением, обжигом, замораживанием и др.

Скальные и полускальные горные породы в большинстве случаев являются вполне надежным основанием для сооружений, и только некоторые из них — сильно трещиноватые, выветрелые, с ослабленными структурными связями — требуют специального изучения перед использованием их в качестве оснований сооружений.

Заключение

В течение многих веков методы проектирования и строительства основывались почти целиком на практическом опыте и эмпирических правилах. В те времена все грунты обычно делились на два вида: «мало сжимаемые» или «плотные» и «сильно сжимаемые» или «слабые». У первых сопротивление нагрузке было достаточно высоким, чтобы сооружения, стоящие на них, существовали благополучно, не испытывая сколько-нибудь заметных деформаций. Ко вторым относили грунты, на которых уже под небольшими давлениями происходили опасные по величине и неравномерности перемещения фундаментов, приводившие к значительным деформациям сооружений и даже к их разрушению.

Самыми прочными грунтами являются скальные горные породы, и, естественно, древние строители выбирали для тяжелых сооружений такие участки, на которых эти породы выступали на поверхность или залегали неглубоко под ней. Все сохранившиеся до нашего времени крупные сооружения древности также были построены на прочных, в основном скальных, грунтах.

Когда же приходилось строить на слабых грунтах, на последние укладывали сплошные слои мало влажного грунта, которые уплотняли по мере отсыпки ногами прогонявшихся вперед и назад стад скота, а поверх этой так называемой подушки устраивалось многослойное мощение из камня или высушенных на солнце обожженных кирпичей, связанных с помощью битума. Однако подобное усиление слабых оснований нередко оказывалось недостаточным, и тяжелые здания разрушались из-за больших неравномерных осадок.

Фундаменты мостов при неглубокой воде устраивались в виде опиравшихся прямо на дно отсыпок из крупного камня или корзин с мелким камнем. Естественно, что мосты на таких опорах существовали недолго — до первого серьезного паводка. Поэтому строители предпочитали устраивать временные плавучие мосты — переправы.

Список используемой литературы

1. Ю. И. Соловьев, «Механика грунтов», учебник для вузов ж.-д. транспорта, Москва, 2007

2. М. Н. Гольдштейн, А. А. Царьков, И. И. Черкасов, «Механика грунтов, основания и фундаменты», Москва, «Транспорт», 1981

3. Г. П. Чеботарев, «Механика грунтов. Основания и земляные сооружения», Москва, URSS, 2008

4. Б. А. Ягупов, «Строительные конструкции. Основания и фундаменты», Москва, «Стройиздат», 1991

5. Е. М. Сергеев, «Грунтоведение», 3 изд., Москва, 1971

6. Н. Н. Маслов, «Основы механики грунтов и инженерной геологии», 2 изд., Москва, 1968