книги из ГПНТБ / Абелев М.Ю. Слабые водонасыщенные глинистые грунты как основания сооружений 8-й междунар. конгресс по механике грунтов и фундаментостроению

давление равно нулю, и вся нагрузка воспринимается скелетом грунта. При давлениях, больших структурной прочности сжатия, поровое давление принимает значе­ ния меньшие, чем по теории фильтрационной консолида­ ции. Разница между теоретическими и наблюдаемыми значениями порового давления равна величине струк­ турной прочности грунтов или немного больше ее.

Опыты также показали, что при статическом прило­ жении нагрузки к грунту до тех пор, пока давление не превысит структурной прочности сжатия грунта, послед­ ний практически не деформируется, поровое давление равно нулю (или начальному природному поровому дав­ лению), и все давление, переданное на грунт, восприни­ мается его скелетом (эффективное напряжение). После «нарушения» структуры грунтов, т. е. когда давление превысит величину структурной прочности сжатия, воз­ никает определенное поровое давление. Возникшее во всех опытах поровое давление в образцах водонасыщен­ ных глинистых грунтов с ненарушенной структурой было меньшим, чем величина приложенного к грунту внешне­ го нормального давления. Разница между измеренным поровым давлением и величиной приложенного внешнего давления была равна или меньше величины структурной прочности сжатия грунта.

При расчетах уплотнения сильносжимаемых водона­ сыщенных глинистых грунтов, обладающих структурной прочностью сжатия, по теории фильтрационной консоли­ дации принимаем, что в начальный момент времени (^=0) часть внешней нагрузки сразу же воспринимает­ ся скелетом грунта (эффективные напряжения). Поро­

вое	давление	в	начальный	момент уплотнения	(^=0)
при	воздействии		нагрузки q	будет равно
			u = q — р с т р ,
где	и — поровое давление в начальный момент консоли­
	дации в кгс/см2;
Рстр—структурная прочность сжатия данного					грунта
	в	кгс/см2.

При высоких значениях величины структурной проч­ ности сжатия и небольших внешних нагрузках эта по­ правка иногда составляет 30—60% принятых по тео­ рии фильтрационной консолидации значений порового давления и значительно лучше согласуется с данными натурных наблюдений.

92

Приведенные выше результаты исследований убеди­ тельно показывают, что структурные свойства сущест­ венно определяют прочностные и деформативные харак­ теристики сильносжимаемых водонасыщенных глини­ стых грунтов, в силу чего их необходимо учитывать при расчетах консолидации грунтов основания.

Однако в механике грунтов этому вопросу уделялось мало внимания. Исключение составляют работы В. А. Флорина [52], в которых впервые не только была

рассмотрена качественная	сторона этого	явления,	но
и сделана попытка учесть	структурность	грунтов	при
расчете консолидации.

В. А. Флорин предложил метод расчета уплотнения глинистых грунтов с учетом структурной прочности, ос­ новываясь на следующих допущениях: 1) структура грунта резко (мгновенно) разрушается, когда сжимаю­ щие напряжения достигают определенной величины; 2) в момент разрушения структуры происходит мгновен­ ное изменение коэффициентов уплотнения и фильтра­ ции; 3) до разрушения структуры грунта он имеет опре­ деленный коэффициент уплотнения, больший нуля.

В случае приложения нагрузки, большей минималь­ ной нагрузки, при которой происходит потеря структур­ ной прочности, в грунте постепенно, по слоям (в зависи­ мости от их удаления от дренажной поверхности) про­ исходит резкое разрушение структуры. Таким образом, когда в процессе консолидации в нижних слоях эффек­ тивные напряжения превысят структурную прочность, закончится разрушение структуры во всех слоях грунтов.

Следует отметить, что предложенный учет структур­ ной прочности грунтов очень условен. Наиболее удовлет­ ворительные результаты получаются при применении предложенного расчета для слоя водонасыщенных лёс­ совидных макропористых грунтов толщиной до б—7 м.

Компрессионные испытания сильносжимаемых грун­ тов многих видов (см. табл. 1.11) убедительно показыва­ ют, что для большинства из них до момента нарушения структуры коэффициент сжимаемости практически ра­ вен нулю, и применять метод расчета, предложенный В. А. Флориным, для всех слабых грунтов нельзя.

Для решения задач консолидации слабоструктурных (по Н. А. Цытовичу) водонасыщенных глинистых грун­ тов с учетом их структурных свойств требуется разра­ ботка новой методики расчета.

Г лава	II
РАСЧЕТ ФУНДАМЕНТОВ		СООРУЖЕНИЙ
НА	СЛАБЫХ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ		ГЛИНИСТЫХ
ГРУНТАХ

1. О РАСЧЕТЕ ФУНДАМЕНТОВ ПО	ПРЕДЕЛЬНЫМ
состояниям
В настоящее время в СССР фундаменты		рассчиты­
вают по двум предельным состояниям — по		деформаци­
ям и устойчивости. К размерам	и заложению	фундамен­

тов сооружений предъявляются такие требования, что­ бы, воспринимая нагрузки от данного сооружения, фун­ даменты не теряли устойчивости, а их осадки были меньше, чем допускаемые для данного сооружения при его эксплуатации. Однако, как показала практика, недо­ статочно знать только величину осадки фундаментов со­ оружений, необходимо знать также, как эта осадка про­ текает во времени. При длительной осадке, как известно из предыдущего, успевают проявиться пластические де­ формации материала конструкций сооружений (напри­ мер, кирпичное здание часто имеет прогиб в кладке), а при «быстрых» осадках возникают трещины. Именно поэтому при проектировании фундаментов необходимо знать, как будет затухать осадка фундаментов во вре­ мени.

Современное проектирование оснований и фундамен­ тов предусматривает совместную работу сооружений и оснований. К сожалению, для решения этого вопроса мало что сделано — грунты часто исследуют вне зависи­ мости от возводимых сооружений, а конструкции соору­

жений проектируют без учета свойств				грунтов	основа­
ния.	В некоторых	работах	(Б. И.	Далматов	[20],
П. П.	Щагин, Д. Н.	Соболев	и др.)	делается попытка

расчета сооружений с учетом каких-то выборочных свойств грунтов основания (наиболее часто с учетом ко­ эффициента постели). Однако и эти методы следует признать пока очень условными.

Устойчивость фундаментов обычно определяют по формулам В. Г. Березанцева и В. В. Соколовского. По

94

этим формулам исходя из прочностных характеристик грунтов основания рассчитывают максимальную вели­ чину давления, при котором основание теряет устойчи­ вость. Подобные методы могут быть использованы при расчетах устойчивости оснований в процессе консолида­ ции грунтов, если известна изменяемость параметров прочности грунтов (угла внутреннего трения и сцепле­ ния) во времени в процессе консолидации. Для прибли­ женных расчетов могут использоваться и другие методы расчета устойчивости основания (например, сдвиг по кругло-цилиндрическим поверхностям).

Очень сложной проблемой является определение оса­ док фундаментов, расположенных на слабых водонасы­ щенных глинистых грунтах. Наибольшее признание по­ лучили расчеты осадок по методам суммирования, экви­ валентного слоя (метод Н. А. Цытовича), методам К- Е. Егорова и Б. И. Далматова. Однако перечислен­ ные методы применяются для расчета осадок сооружений без учета специфики сжимаемости слабых водонасыщен­ ных глинистых грунтов основания. Между тем, наблюде­ ния за различными сооружениями, построенными в Мо­ скве, Ленинграде, Архангельске, Риге, Кемерове, Талли­ не и других городах, показывают, что в большинстве случаев осадки фундаментов сооружений отличаются от расчетных значений. Причина расхождения кроется, ве­ роятно, в том, что в существующих методах расчета оса­ док не учитывается ни структурная прочность сжатия грунтов, ни переменность значений модуля общей дефор­ мации грунтов оснований в зависимости от их напря­ женного состояния, ни влияние начального градиента напора на процессы уплотнения грунтов.

Рассмотрим сущность расчета осадок фундаментов по методу суммирования.

Расчет осадок фундаментов методом суммирования

заключается в следующем. По теории упругости (теории линейно-деформируемых тел) определяют распределение вертикальных напряжений под центром жесткого фунда­ мента по глубине z. Изменение вертикального давления' по глубине устанавливается из предположения, что под подошвой фундамента действует «дополнительное» дав­ ление, • равное фактическому давлению под подошвой фундамента, уменьшенному на величину природного давления (о"д0п"=а—yh). Глубина сжимаемой зоны опре­ деляется из предположения, что так называемое допол-

95

нительное давление	уменьшается с глубиной и начиная
с величины, меньшей	20% природного давления, уже не

вызывает сжатия лежащих ниже грунтов. Расчет осадок по методу суммирования с использованием решений теорий упругости допустим при давлении под фундамен­ том, меньшим условной величины «нормативного давле­ ния» Ra, при котором под краями фундаментов возника­ ют зоны «пластических» деформаций, распространяю­ щихся на глубину, равную 0,25 ширины фундамента.

Такие основные положения метода суммирования вы­ зывают ряд возражений при расчете осадок фундамен­ тов на слабых водонасыщенных 'глинистых грунтах.

Во-первых, согласно этому методу распределение вер­ тикальных напряжений по глубине не зависит от деформативных свойств грунтов основания и одинаково для илов и полускальных грунтов. Так, опыты В. Н. Голубкова, В. Б. Швеца, М. Г. Ефремова, П. А. Коновалова, В. В. Михеева, А. Аликониса и др. показали, что верти­ кальные напряжения в малосжимаемых грунтах рас­ пространяются в натуре на меньшую глубину, чем при расчетах по теории линейно-деформируемых тел. Между тем, опыты, проведенные автором совместно с Н. С. Ря­ зановым [5], а также опыты Г. К. Кравцова, Г. Л. Коффа и др. (более подробно см. п. 4 данной главы) проде­ монстрировали, что у слабых водонасыщенных глини­ стых грунтов вертикальные напряжения под центром жестких штампов и фундаментов распространяются на большую глубину, чем при расчетах по теории упру­ гости.

Во-вторых, не всегда правильно принимать, что сла­ бые водонасыщенные глинистые грунты под подошвой фундамента сжимаются только под действием «дополни­ тельного давления». Это определяется тем, что некото­ рые виды подобных грунтов (характеризующихся явле­ нием начального градиента напора при фильтрации) не испытывают полного сжатия под действием природного давления, так как вода, заполняющая поры, не может при данных напорах (поровых давлениях) переместиться до дренажной поверхности. Поэтому в грунтах природ­ ного залегания, у которых не окончился процесс литификации, поровое давление (особенно для слоев, располо­ женных на большой глубине) может оказаться не рав­ ным нулю, и величина природного давления в этом случае должна определяться величиной фактических

96

эффективных напряжений, действующих па данной глу­ бине в данное время.

В-третьих, глубина сжимаемой зоны под фундамен­ том на слабых водонасыщенных глинистых грунтах бу­ дет большей (при прочих равных условиях), чем на малосжимаемых. Это определяется тем, что при верти­ кальных напряжениях, равных 20% природного давле­ ния, малосжимаемые грунты практически не будут сжи­ маться, а сильносжимаемые грунты могут существенно

деформироваться.	Именно	поэтому более правильно
в качестве нижней	границы	сжимаемой толщи прини­

мать такую глубину под подошвой фундамента, на ко­ торой давление от фундамента равно структурной проч­ ности сжатия грунта на этой глубине.

В-четвертых, применение теории упругости в расче­ тах ограничивается «нормативным давлением», при ко­ тором под краями фундамента возникают зоны пласти­ ческих деформаций. Эта формула для расчета норматив­ ного давления получена путем модификации формулы Н. П. Пузыревского и имеет серьезные недостатки. Как

формула, так и само явление развития		пластических зон
под краями	фундаментов на слабых	водонасыщенных
глинистых	грунтах экспериментально	не проверены,

а результаты расчетов, проведенных по этой формуле, существенно отличаются от практических данных.

В связи с этим Н. А. Цытович предложил в 1967 г. метод расчета осадок фундаментов по эквивалентному слою с учетом структурной прочности сжатия и началь­ ного градиента напора [55].

Необходимость учета начального градиента напора при расчете осадок фундаментов на водонасыщенных глинистых грунтах определяется следующим. Водонасыщенный грунт будет сжиматься только в том случае, ес­ ли из него под действием напора будет отжиматься вода, полностью заполняющая поры (при допущении несжи­ маемости поровой воды).

Градиент напора определяется отношением напора в данной точке грунтового массива, вызванного внешней нагрузкой, к длине пути фильтрации (до дренажа). На­ пряжения, обусловленные внешней нагрузкой фундамен­ та, уменьшаются с глубиной (эпюра ог). При опреде­ ленной величине нагрузки начиная с некоторой глубины сжимаемой зоны основания фильтрация поровой воды прекращается, т. е. порового давления в этих слоях не-

7—1

97

достаточно, чтобы создать градиент напора, превышаю­ щий величину начального градиента напора для грунтов этого слоя основания.

Данное явление приводит к тому, что в некоторых глинистых грунтах основания, находящихся в природном залегании, поровое давление не уменьшается со време­

нем по	законам			фильтрационной консолидации,			а дей­
ствует	в	грунтах		в	течение длительного срока.		Такое
давление		названо		нами		«ос­
таточным		поровым			давлени­
ем».
Остаточное			поровое			дав­
ление	наблюдалось				в	ряде
лабораторных			и	натурных
опытов. Так, при строитель-
1955 t		I960 г				І965г

Рис. II.1. Графики изменения осадки земляной плотины и порового давления в середине слоя ила во времени

/ — поровое давление; 2 — осадка

Рис. 11.2. Схема для расчета осадок по методу эквивалент­ ного слоя с учетом структурной прочности сжатия и начального градиента напора грунтов ос­ нования

стве Каховской земляной плотины на пятиметровом слое лиманного ила (е=1,87; W=82%; F T = 80%) в толще илов были установлены пьезодинамометры, измеряющие поровое давление как в период строительства, так и пос­ ле его окончания (рис. II.1). Строительство земляной плотины было закончено в 1957 г., а осадка ее по данным

геодезических		наблюдений		прекратилась		(стабилизиро­
валась) в	1960	г. Однако		до	настоящего	времени	вели­
чина остаточного			порового		давления	достигает	0,3—
0,5 кгс/см2	и не		изменяется		в течение	последних	лет.

Остаточное поровое давление может возникнуть под действием собственного веса залегающих выше грунтов. Например, в городе Волжском толщина слоя илов со-

98

ставляла около 10 м. Сверху илы были пригружены слоем водонасыщениого песка толщиной б л и насыпны­ ми грунтами. Измерения, проведенные в середине слоя илов, показали, что природное поровое давление состав­ ляет 0,3—0,65 кгс/см2. Аналогичные данные были нами получены при исследовании восьмиметрового слоя реч­ ных илов Архангельска. Природное поровое давление в их толще было равно 0,3—0,4 кгс/см2. Исследования толщи засоленных илов оз. Сиваш показали, что на глу­ бине 3,5—4,5 м от поверхности природное поровое давле­ ние равно 0,1—0,15 кгс/см2.

Таким образом, можно сделать вывод, что при нагружении водонасыщениого глинистого грунта в основании фундамента грунт сжимается только в такой зоне (на такую глубину), где градиент напора, возникающий в поровой воде от давления фундамента, больше, чем начальный градиент напора.

Сущность расчета осадок по методу эквивалентного слоя грунта с учетом начального градиента напора и структурной прочности сжатия заключается в следу­ ющем.

В зависимости от формы фундамента и коэффициен­ та бокового расширения грунта определяют величину эквивалентного слоя. Под центром фундамента строят треугольную эпюру, высота которой равна удвоенной толщине эквивалентного слоя. На этой эпюре от оси z по горизонтали откладывают величину структурной

прочности	сжатия грунта. Если последняя постоянна
в пределах	двойной высоты эквивалентного слоя, то ли­
нию эпюры	проводят параллельно оси г. Если двойная

высота эквивалентного слоя охватывает несколько слоев глинистых грунтов с различной величиной структурной прочности сжатия, то для каждого слоя по горизонтали откладывают присущую ему величину структурной проч­ ности сжатия.

Начальный градиент напора учитывают следующим образом. От точки пересечения линии эпюры структур­ ной прочности сжатия с поверхностью проводят наклон­ ную линию под углом а, тангенс которого равен началь­ ному градиенту напора (рис. 11.2).

Осадку определяют по формуле

где q — среднее давление под подошвой фундамента

вкгс/см2;

Рстр—структурная прочность сжатия грунтов основа­

ния в	кгс/см2;
hs — толщина эквивалентного слоя				в см;
і0— начальный градиент напора;
а0— коэффициент		относительной		сжимаемости
в см2/кгс;
ув — удельный вес воды в			кгс/см3.
Наблюдения	за осадками		сооружений, построенных

на слабых водонасыщенных глинистых грунтах, и сопо­

ставление их с осадками,	рассчитанными	по формуле
(II.1), показали, что для	подавляющего	большинства

сооружений расчетные и опытные значения осадок сов­

		падают.
		Измерение					распреде­
		ления	вертикальных						на­
		пряжений			в	основании
		жестких		штампов				на оз.
		Сиваш		(см. п. 4				данной
		главы)	показало, что вер­
		тикальные				напряжения
		распределяются					на глуби­
		ну, большую,				чем рассчи­
		танная	по		существующим
		методам		теории				упругос­
		ти. Иными			словами,				пло­
		щадь эпюры				напряжений
	Рис. П.З. Расчетная схема для оп­	в действительности							боль­
	ределения осадки с учетом природ­	ше, чем по методу послой­
	ного порового давления	ного суммирования. Это
	/ — эпюра осадочных давлений; 2—эпю­
		может	быть			вызвано не­
	ра природного давления; 3—эпюра при­
	родного давления за вычетом порового	доучетом свойств грунтов,
	давления	складывающих основание.
		Для	уточнения					расчета

автор рекомендует видоизмененную методику расчета осадок фундаментов на слабых водонасыщенных глинис­

тых грунтах		в зависимости			от свойств		последних.
Так,	если	слабые	глинистые			грунты	основания	имеют
структурную		прочность		сжатия		менее	0,1 кгс/см2,	а при
фильтрации		через них		воды	наблюдается явление			на­
чального	градиента		напора,		осадку следует рассчиты­
вать по следующей			методике (рис. П.З).
При заложении			фундаментов на глубину до 2 м оса-

дочное давление следует принять равным фактическому давлению (без уменьшения на величину давления при­ родного) .

При заложении фундаментов на глубину больше 2 м осадочное давление о следует принять равным

	о = а	— о		-4- р
	ОС	2	П Р	1	^ Ш , 0 С Т 2 '
где ог и оП р—напряжение и				природное			давление под
	фундаментом			на	глубине		z;
Pw,ост	— остаточное		поровое давление для					данно­
	го слоя	на	глубине			z.
Величину	остаточного		порового			давления,		которое

иногда называют «природным поровым давлением», оп­ ределяют непосредственным измерением датчиками, установленными в основании на различной глубине или приближенно путем аналитического расчета по формуле

где Шф—коэффициент неоднородности грунта (условно

тф =0,4) .

Глубина сжимаемой (активной) зоны определяется толщиной слоя, где напоры, возникающие в поровой во­ де от воздействия нагрузки на фундамент, меньше на­ чального градиента напора на данной глубине слоя.

Можно принять, что распределение вертикальных напряжений под центром фундамента подчиняется за­ конам линейно-деформируемых тел. Однако не следует использовать величину «нормативного давления», полу­ ченную из модифицированной формулы Пузыревского, в качестве критерия этого максимального давления под фундаментом данного размера и формы, до которого можно применять расчеты по теории линейно-деформи­ руемых тел. Вероятно, более оправданно считать, что теория линейно-деформируемых тел применима для оп­ ределения изменения вертикальных напряжений по глу­ бине лишь до такого давления, при котором осадка опытных штампов резко возрастает. Для сильносжима­ емых водонасыщенных глинистых грунтов за него можно

принять давление, при котором осадка	штампа		за оче­
редную ступень нагружения в 3 раза	превысит		осадку
за предшествующую ей равную ступень		приращения
давления (при осадке штампа больше	40	мм).	Кроме
того, максимальное давление может	быть	определено

101