книги / Механика грунтов

(А. Г. Родштейн1, Т. Ф. Липовецкая2 и др.) получали парабо­ лическое распределение давлений по подошве. Однако рассмат­ ривать это распределение как общую закономерность для пе­

сков	совершенно	неправильно, так как в п л о т н ы х и с р е д ­
ней	п л о т н о с т и	песках и в случае малозаглубленных фунда­

ментов наблюдается другой характер распределения давлений по подошве.

Влияние величины внешнего давления и боковой пригрузки на характер распределения контактных давлений хорошо иллю­

стрируется	опытами Пресса3 с жестким			штампом		размером
60X60 см,	приведенными в табл. 25.				Т а б л и ц а		25
Результаты опытов по определению давлений				под жестким штампом
	при центральной		нагрузке
Грунт	Распределение давлений при глубине заложения фундамента в см
	0	|	30		|	30
Песок	Параболическое	Седлообразное (при			Параболическое
					при больших
(сухой)	/^макс^ЬЗб р0	малых	нагрузках)
					нагрузках
		^ш=0,93 Ро
					Рмакс— Ы 5/?0
Глина А	Седлообразное(при	Седлообразное (при
(сухая)	малых нагрузках):	малых	нагрузках):
	Рш= 0,98 р 0;	/?ш=0,98р0;			Параболическое ~
	/?макс==Ь23 р0	/?макс= 1>2/?0			(при	больших	на
					грузках)
Глина В	Седлообразное:	Седлообразное:			Рмакс=1>13,/?0
(И7=32%)	Тш=0	/?щ=0,97 /?©;
	Тмакс= 1 >26р0	Риакс—1 >23р0

П р и м е ч а н и е . В табл. 25 обозначены: р0—среднее давление; Рш—давление под центром штампа; р макс — максимальное давление.

Данные табл. 25 показывают, что параболическое распре­ деление давлений наблюдается только в случае установки штам­ па на поверхность сухого песка или при больших нагрузках на грунт, когда имеются боковые выпоры грунта на поверхность. Во всех же остальных случаях распределение давлений имеет седлообразный вид.

1 А.	Г.	Р ' о д ш т е й н . Контактные	напряжения под жесткими фунда­
ментами	на	песчаном основании, изд.	Водгео, 1952.
2 Т.	Ф.	Л и п о в е ц к а я . Экспериментальные исследования распределе­

ния напряжений по подошве жестких штампов, расположенных на песчаном

основании. Известия	ВНИИГ. т. 49. 1953.
3 Р г е з з . 2еп1г.	Дег ВаиуегугаИшгд, Н. 41, 1934,

VД	Отметим, что в приведенной ра­
	нее сводке результатов наблюдений
	контактных давлений Э. Шультце
	(1961 г.) из 12 рассмотренных слу­
	чаев только два имели не седло­
	образное распределение давлений,

причем автор сводки считает их слу­

чайными и менее достоверными.

Приведем

еще

результаты

опы­

тов Бюргера 1 по определению дав­

лений по подошве устоя моста, воз­

веденного

на

гравелистом

песке.

Месдозы для

измерения

давлений

были заложены во время постройки

в местах, указанных

на

рис. 119, а.

ОЛ

На рис. 119, б изображены эпю­

ры распределения давлений по осям

'

РазрезЛ

л%

А, В и С, причем кружки соответ­

ствуют величинам,

полученным й

г

результате

наблюдений,

а

сплош­

г з

ные линии — теоретическим кривым.

уРазрез В л

от

Из рассмотрения

рис.

119

можно

сделать вывод, что измеренное рас­

пределение

давлений

по

подошве

фундамента при

б о л ь шо й

пло ­

ща д и з а г р у з к и

для

гравелисто­

го песка также имеет седлообраз­

РаарезС Л[

ный вид, и экспериментальные дан­

У

ные весьма близки к расчетным, по­

лученным по теории линейно-дефор-

Р ис.

119.

Распределение кон­

мируемого полупространства.

Приведем

некоторые результаты

тактных

давлений

под

мосто­

непосредственных наблюдений в на­

вым

устоем на

гравелистом

песке

туре контактных давлений по дан­

(А. Г. Родштейна,

С. Я-

ным отечественных

исследователей

Эйдельмана,

С. С.

Вялова

и

др.).

А. Г. Родштейн в результате многолетних испытаний на стен­ де и наблюдений в натуре убедительно показал, что для песков плотных и средней плотности, не говоря уже о суглинках и гли­ нах, во всех без исключения случаях при средних давлениях (меньших предельных) для заглубленных фундаментов получа­ ются эпюры только с е д л о о б р а з н о г о о ч е р т а н и я с боль­ шими или меньшими отступлениями у краев фундаментов. Для примера на рис. 120 показано распределение контактных давле-

1 В и г д е г .	Бег* Ваи <1ег пеиеп НетЬгйске Ъе1 ЬийшдзпаГеп, МаппЬеоп.
01е Ваи*есЬтк,	Н. 38, 1931; Н. 45, 1932.

ний под фундаментом здания гостиницы «Украина» в Москве, полученное в результате непосредственных измерений контакт­

ных давлений при помощи электротензометрических		датчиков
(с величиной недобора порядка 25—30%) под	фундаментом
размером 48,5X61 м на песчаном основании1.	во	ВНИИГ
Весьма интересные результаты получены

(С. Я. Эйдельманом и др.) при исследовании контактных дав­ лений по подошве гидротехнических сооружений Каховского гидроузла, возведенного на песчаном основании2. Наблюдения проводились в течение 5 лет при помощи струнных динамомет­ ров мембранного типа, заложенных на глубину 10 см под бетон-

Рср кГ/см 2 Поперечная ось

Рис. 120. Эпюры контактных давлений под фундаментом здания гостиницы в Москве

ной подготовкой. Подробное описание наблюдений дано в Из­ вестиях ВНИИГ, т. 63. Здесь мы приведем только результаты наблюдений контактных давлений под плотиной (рис. 121). На рис. 121,а для секции 8 приведена теоретическая кривая рас­ пределения контактных давлений, полученная при расчете как для жесткого штампа на линейно-деформируемом основании с учетом противодавления и замеренная кривая для той же сек­ ции, а на рис. 121,6 даны результаты измерения контактных давлений для трех секций.

Следует отметить, что общий характер распределения кон­ тактных давлений близок к теоретическому, однако на его

очертание влияет и ряд местных					факторов:	начальное	распре­
	1 А.	Г. Р о д ш т е й н.		Лабораторные	и натурные	исследования	реактив­
ных	давлений под жестким фундаментом. Труды координационных совеща­
ний	по	гидротехнике,	вып.	III. Госэнергоиздат, 1962.
	2 С.	Я. Э й д е л ь	м а н .	Контактные	напряжения	в основании	бетонных

гидротехнических сооружений Каховского гидроузла. Известия ВНИИГ, г. 63, 1960.

деление плотности грунта под подошвой, очередность бетони­ рования блоков, забивка шпунтов, порядок пригрузки и пр.

Отметим результаты экспериментального определения кон­ тактных давлений под фундаментами на связных грунтах (пре­ имущественно глинистых).

Р’ис. 121. Эпюры контактных давлений в основании плотины

а — для секции 8; 1 — расчетная эпюра;		2 — по	данным
замера с учетом противодавления на	1 октября		1956	г \б —
для секций 2, 5 и 8 по данным замера	на	1 октября		1955	г.*

А. Т. Мартишюс под руководством проф. К. И. Василяускаса проделал серию опытов по определению контактных давле­ ний под жестким квадратным штампом размером 40X40 см при помощи пружинных динамометров, вмонтированных в штамп1. Результаты одной серии опытов для штампа 40X40 см, заглубленного на 20 см в суглинок, показаны на рис. 122. где пунктиром приведена теоретическая кривая распределения кон­ тактных давлений. Автор опытов указывает, что даже при на­ грузках, превышающих примерно в 3 раза расчетные сопротив­ ления грунта по НиТУ 6—48, получены седлообразные эпюры распределения давлений.

1 А. Т. М а р т и ш ю с . К вопросу распределения реактивных давлений грунта под жестким квадратным фундаментом. Труды Каунасского политех­ нического института, т. IX, 1958.

Рис. 122. Распределение контактных давлений под жестким штампом на суглинке

а — поперечный	разрез; б — разрез	по диагонали
Наконец приведем некоторые результаты			опытов проф.
С. С. Вялова1* с очень	с в я з н ы м	грунтом	(вечномерзлая,

ленточная глина с наличием ледяных прослоек). Для этого вида грунтов седлообразное распределение давлений наблю­ далось у незаглубленных штампов даже при малых нагруз­ ках при предварительном обжатии основания и лишь в от дельных случаях для необжатого грунта при первой ступени

загружения (рис. 123,в)

очертание эпюры

было

а)

6)

б)

параболическим. Одна­

с т а д 1

ко уже при следующих

Р'6

ОГО1

<5Щ~Щ

нагрузках

очертания

эпюры

(наиболее

ти­

пичными

являются

р

я д

И Д И Н

эпюры

на рис. 123,а)

становятся седлообраз­

ными,

и

эта

форма

эпюр

сохраняется до

' ■

•

р

щ

р ч

р

т

!

стадии

незатухающих

деформаций

грунта

под

штампом

и

даже

до

фазы

прогрессиру­

ющего

течения

(до

предельной

нагруз­

ки).

Рис. 123. Эпюры контактных давлений под

жестким штампом на мерзлом глинистом

1 С. С. В я л о в .

Реоло­

грунте при различных

нагрузках

{р кг/см2)

на штамп

гические свойства и несущая

способность

мерзлых

грун­

а — грунт

предварительно

обжат;

б — грунт

силь­

тов.

Изд-во

АН СССР, 1959.

но

уплотнен

(повторное

игпытание);

в — гпунт

не обжат

’

Некоторые выводы

Описанные результаты наблюдений получили полное объяс­ нение в теоретических исследованиях В. А. Флорина, согласно

которым х а р а к т е р	р а с п р е д е л е н и я			д а в л е н и й	по
п о д о ш в е ш т а м п а о п р е д е л я е т с я не в ид о м					т о г о
или иног о г рунт а,	а	с т е п е н ь ю	р а з в и т и я п л а с т и ­
ч е с к и х д е ф о р м а ц и й ,		зависящей от	ряда	факторов.

Для малых площадей загружения пластическое выдавлива­ ние в рыхлых грунтах возникает при малой величине нагрузки (особенно если нет боковой пригрузки); в таких случаях на­ блюдается параболическое распределение давлений, переходя­ щее при больших нагрузках в треугольное и типа острия стрелы.

При больших площадях загружения и особенно при нали­ чии боковой пригрузки для всех плотных и связных грунтов характерно седлообразное распределение давлений, близкое к решениям теории линейно-деформируемых тел с учетом ре­ альной жесткости фундаментов.

Таким образом, многочисленные опыты и наблюдения в на­ туре показывают, что при расчете фундаментов, возводимых на любых грунтах (исключение составляют лишь незагдубленные фундаменты на рыхлых сухих песках), следует принимать с е д л о о б р а з н о е очертание эпюры контактных давлений, до­ статочно близко отвечающее реальной действительности.

Необходимо также отметить, что, согласно наблюдениям Гидропроекта и НИИ оснований, расчетная схема линейнодеформируемого слоя ограниченной толщины на несжимаемом основании дает более близкое схождение расчетных и опытных данных.

ВОПРОСЫ ПРОЧНОСТИ, УСТОЙЧИВОСТИ И ДАВЛЕНИЯ ГРУНТОВ НА ОГРАЖДЕНИЯ

§ 1. НЕКОТОРЫЕ ОБЩИЕ ЗАВИСИМОСТИ

Вводные замечания

Вопросы прочности, устойчивости и давления грунтов на ограждения имеют первостепенное значение в практике про­ ектирования сооружений при определении их размеров, удов­ летворяющих условиям безопасности, долговечности и эконо­ мичности. Как показывают новейшие теоретические исследова­

ния,	все	эги вопросы являются частными задачами одной и
той	же	о б ще й т е о р и и п р е д е л ь н о г о р а в н о в е с и я

г р у н т о в .

Вопросы прочности грунтов имеют непосредственное отно­ шение к оценке их несущей способности в основаниях соору­ жений, так как дают возможность теоретически определить величину опасных напряжений для данного грунта в данных условиях его загружения.

Иногда строители при назначении допускаемых давлений на грунт ограничиваются лишь данными одного бурения и литоло­ гическими разрезами напластований грунтов, не учитывающими их физического состояния, которое имеет первостепенное зна­ чение для оценки несущей способности оснований. Если обра­ титься к нормам допускаемых давлений на грунты, принятым в различных странах, то мы встретим много неясных и противо­ речивых положений1. Как убедительно показал А. А. Луга2, формальное использование нормативных расчетных сопротив­ лений, базируясь только на пористости и грубых пределах кон­ систенции без учета установленных ими ограничений и, доба­

вим, теоретической оценки несущей способности		грунтов,	при­
водит к аварийным просадкам до одного	и более	метров.	В то
1 Н. И. Л у щ и х и н. Вопросы классификации	грунтов	оснований	соору­

жений в практике изыскательских и строительных работ. Сб. ВИОС, № 7,

1937,	стр.	41.
2 А. А.		Л у г а . Некоторые вопросы строительных свойств связных грун­
тов.	Труды	ВНИИТС, вып. 45, 1962.

же время уже сейчас есть ряд решений механики грунтов, которые могут осветить этот сложный вопрос и поставить его разрешение на научную основу.

Следует считать определенно установленным, что несущая способность грунтов зависит, во-первых, от физических свойств грунтов основания (их плотности, сопротивления сдвигу и пр.) и, во-вторых, от свойств возводимых сооружений, их жесткости и чувствительности к осадкам. Если величина внешней на­ грузки превзойдет определенный для данного грунта предел, то возникнут значительные деформации, часто неравномерные, что может вызвать появление трещин и других нежелательных деформаций сооружений, вплоть до полного их разрушения.

Однако недопустимые деформации сооружений могут воз­ никать и вследствие общей потери устойчивости массива грунта, на котором возведены сооружения. Задачи определения усло­ вий устойчивости массива грунта и современные методы рас­ чета давления грунтов на сооружения также основываются на строгой теории предельного равновесия.

П р е д е л ь н о е	р а в н о в е с и е	грунта в данной точке со­
ответствует такому	напряженному	состоянию, когда малейшее

добавочное воздействие может нарушить равновесие. Такое на­ пряженное состояние характеризуется также тем, что сопротив­ ление сдвигу в рассматриваемой точке равно предельному для данного грунта значению1.

Фазы напряженного состояния грунтов

Рассмотрим явления, которые возникают при действии по­ степенно возрастающей местной нагрузки, прикладываемой на части поверхности массива, ограниченного горизонтальной пло­ скостью. Пусть нагрузка прикладывается к штампу отдель­ ными ступенями р ь р2, Рз и т. д., причем для каждой ступени нагрузки производится наблюдение за деформациями грунта до полного их затухания. Назовем скоростью деформаций грун­ та отношение величины деформации за некоторый промежуток времени к величине этого промежутка времени. Тогда в процес­ се возрастания нагрузки на штамп скорость деформаций будет меняться, причем можно различать несколько характерных фаз напряженного состояния грунта под штампом.

Проф. Н. М. Герсеванов в 1930 г.2 предложил рассматри­

вать	при		нагрузке	на штамп,		возрастающей	ступенями,		три
1 Перед изучением				настоящей главы рекомендуется возобновить				в памяти
§ 4	главы II.				Опыт	применения теории	упругости	к	опре­
2	Н.	М.	Г е р с е в а н о в .
делению		допускаемых		нагрузок	на грунт на основе экспериментальных ра­
бот.	Труды		МИИТ, вып. XV,		1930.

фазы напряженного состояния грунтов под штампом:			1) фа з у
у п л о т н е н и я (затухающих деформаций, когда		скорость		де­
формации стремится к нулю); 2)	ф а з у с д в и г о в	(когда		ско­
рость деформации приобретает постоянное значение)			и 3)	ф а­
зу в ы п и р а н и я (значительных,	преимущественно		боковых

смещений масс грунта). Последняя фаза, для которой характер­ на прогрессивно возрастающая скорость деформации, получила также название фазы п р о г р е с с и р у ю щ е г о т е ч е н и я 1. В этой фазе возникают весьма большие деформации оснований, вызывающие аварии сооружений вследствие потери ими устой­ чивости.

Широко поставленные в СССР в сороковых и главным обра­ зом в пятидесятых годах текущего века исследования этого сложного вопроса показали, что во многих случаях первая и вторая фазы (по Герсеванову) накладываются одна на другую, так как и при относительно небольших нагрузках на грунты в них возникают не только у п л о т н е н и я , но и л о к а л ь н ы е с д в и г и (еще не нарушающие прочности и устойчивости осно­ вания), и, как правило, в грунте под штампом начинает форми­ роваться у п л о т н е н н о е я д р о (ядро о г р а н и ч е н н ы х с м е ще н и й частиц грунта), которое после сформирования со­ вершенно меняет последующую картину деформации основа­

ния 2.	пластичных
С другой стороны, длительные -исследования
мерзлых грунтов установили3, что фаза сдвигов	в с е г д а пе­

реходит в фазу прогрессирующего течения, причем чем больше внешнее давление на грунт, тем скорее пластическое течение (установившееся в фазе сдвигов) переходит в прогрессирую­ щее. Опыты автора с сотрудниками в МИСИ подтвердили это положение и для немерзлых пластичных глинистых грунтов.

Итак, можно рассматривать не три фазы напряженного сос­ тояния грунтов, возникающие под фундаментами при постепен­ ном возрастании нагрузки на грунт, а д в е фазы: 1) ф а з у у п л о т н е н и я -и л о к а л ь н ы х с д в и г о в и 2) ф а з у р а з ­ в и т ия з н а ч и т е л ь н ы х с д в и г о в , что вытекает напосредственно из исследований, проведенных под руководством про­ фессоров В. Г. Березанцева, С. С. Вялова и автора.

П е р в а я

ф а з а

(уплотнения)

характерна

тем,

что

при

загрузке

штампа

некоторой

ступенью

нагрузки

скорость

де-

1 Н. А.

Ц ы т о в и ч.

Исследование упругих и пластических деформаций

мерзлых грунтов. Труды КОВМ АН СССР, т. 10. Изд-во АН СССР, М.,

1940.

2 В. Г. Б е р е з а н ц е в , В. А. Я р о ш е н к о , А. Г. П р о к о п о в и ч ,

И. Ф.

Р а з о р е н о в ,

Н.

Н. С и д о р о в .

Исследование

прочности

песчаных

оснований. Труды ВНИИТС, вып.

28.

Гострансиздат, М.,

1958.

3

С. С.

В я л о в .

Реологические

свойства

и несущая

способность

мерз­

лых

грунтов.

Изд-во

АН

СССР,

М., 1959.

формаций с течением времени уменьшается, приближаясь к нулю. Уменьшение скорости деформаций для различных гор­ ных пород происходит по-разному.

Вмассивных горных породах (скальных) деформации пер­ вой фазы затухают со скоростью распространения упругих волн. Для этих грунтов первая фаза напряженного состояния будет главным образом фазой упругих деформаций.

Врыхлых же горных породах (минеральные грунты, почвы)

впервой фазе напряженного состояния при нагрузке, не пре­ вышающей для данного грунта в данных условиях загружения определенного предела, происходит уменьшение пористости

грунта, т. е. его у п л о т н е н и е . В строительном отношении такое состояние грунта будет полезным, так как грунт при­ обретает более плотную структуру и при последующей за­ грузке дает меньшие осадки.

Если изобразить ход осадки грунта во времени, то для первой фазы напряженного состояния наблюдается постепен­ ное затухание деформаций (осадок), (рис. 124,а), т. е. с тече­ нием времени деформации уменьшаются, и грунт приходит к стабилизованному состоянию. Для массивных пород и скелет­ ных грунтов (песков) такая стабилизация произойдет очень

быстро, и изменение деформаций	изобразится	кривой, близкой
к ломаной линии (см. рис. 124,6,	пунктирная	линия).

Рис. 124. Фазы напряженного состояния грунта под штампом

Л — фаза	уплотнения	и локальных	сдвигов; б — фаза развития значительных сдви-
^	гов (при	достижении	максимальней несущей способности)