книги / Механика грунтов, основания и фундаменты

торых других илах присутствуют растворимые минералы в составе порового раствора или в кристаллическом виде. Органические об­ разования в илах составляют от 2 до 12% массы.

Илы залегают на дне водоемов, непосредственно под водой либо под маломощным споем песчаных отложений или под торфом. Мощность ила может достигать 10 м, а иногда и нескольких десятков метров. В последнем случае с глубиной происходит уплотнение и упрочнение илов. Они постепенно переходят на глубине 30...50 м в нормальный глинистый грунт текучепластичной консистенции. С глубиной ил не только уплотняется, в нем обычно также уменьшается содержание органики.

Отличительной особенностью илов является то, что в ненару­ шенном состоянии они обладают небольшой структурной прочно­ стью. Передача на илы давлений, меньших структурной прочности, вызывает лишь упругие деформации скелета грунта. Структура илов легко разрушается при статических нагрузках, превышающих структурную прочность, и особенно при воздействии динамических нагрузок. Однако со временем водно-коллоидные связи в илах восстанавливаются и уплотненный илистый грунт упрочняется.

Ленточные глины (ленточные отложения) — это толща грун­ тов, состоящая из близкого к горизонтальному переслаивания тон­ ких и тончайших (несколько сантиметров и даже менее сантиметра) прослоев песка, супеси, суглинка и глины.

Суммарная мощность ленточных отложений может достигать 10 м и более.

Ленточные отложения широко распространены на северо-западе европейской части России. Они образовались в приледниковых озе­ рах во время оледенения Русской равнины.

Талыми водами в озера ледника выносились глинистые частицы

ималые обломки минералов, соответствующие размерам пыли

имелкого песка, причем в летнее время при интенсивном таянии поступал более крупный материал. В это время формировались песчаные и песчано-пылеватые прослои. В осеннее время при умень­ шении скоростей в потоках талых вод в озера поступали преимуще­ ственно мельчайшие пылеватые и глинистые частицы. В это время песчаный прослой закрывался по всей площади озера глинистым. Таким образом, пара прослоев соответствовала годичному циклу.

Вкатегорию особых грунтов ленточные глины попадают из-за своеобразия текстуры, из-за тонкой горизонтальной слоистости, которая создает особые свойства описываемых отложений. Слоис­ тая текстура вызывает анизотропию свойств. Очевидно, что водо­

проницаемость толщи вдоль прослоев значительно больше, чем в поперечном направлении. Различие в водопроницаемости в гори­ зонтальном и вертикальном направлениях может достигать 2...3 порядков.

В естественном состоянии ленточные отложения имеют высокую

51

пористость. Коэффициент пористости обычно равен 0,7...0,8 и нере­ дко превышает единицу. Грунты обычно находятся в водонасыщен­ ном состоянии. Естественная влажность wобычно равна 0,3...0,5, но может достигать и 0,7...0,8, тогда как влажность на пределе текуче­ сти wL не превышает 0,6...0,65. Следовательно, ленточные отложе­ ния находятся в скрытопластичном состоянии или даже в скрытоте­ кучем. Этому способствует тесное соседство песчаных и глинистых прослоев.

Высокое значение пористости и большая влажность ленточных глин свидетельствуют об их малой прочности и сильной дефор­ мируемости под нагрузками. Как и илистые грунты, ленточные глины в природном состоянии обладают некоторой структурной прочностью.

Торф и заторфованные грунты. Торфяные образования широко развиты в низинных болотно-лесных, тундровых, таежных районах (Беларусь, Прибалтика, Север, Западная Сибирь). Внешне торф представляет собой землистую массу от светлобурого до темно-бурого и черного цвета, пластичную во влажном состоянии.

Торфом называют органоминеральные отложения, не менее чем на 50% состоящие из остатков болотной растительности.

Стебли трав и камыша, ветви кустарников, стволы и корневища деревьев находятся в торфе в разных соотношениях и в различной степени разложения, что делает торфы неоднородными даже в пре­ делах одной залежи. Еще более разнообразны торфы различных болот.

Песчаные, пылеватые и глинистые грунты, содержащие в своем составе от 10 до 50% по массе органических веществ, называют заторфованными грунтами.

Состояние и свойства торфа и заторфованных грунтов в боль­ шой мере зависят от степени разложения органических остатков, переходящих в гумус, и относительного содержания в них неор­ ганических минералов. Содержание гумуса в торфе повышается с увеличением степени его разложения. Плотность торфа обычно не превышает 1...1,2 г/см3, а влажность достигает нескольких единиц. В природных условиях торф и заторфованные грунты, как правило, находятся в водонасыщенном состоянии.

Торфы относятся к наиболее сжимаемым грунтам. Из-за боль­ шого содержания в торфах связанной воды осадки оснований, сло­ женных торфом или содержащих включения заторфойанных грун­ тов, развиваются очень медленно. Несущая способность торфа и заторфованных грунтов также крайне невелика. Поэтому напла­ стования, содержащие заторфованные грунты, являются одним из наихудших типов оснований сооружений.

Засоленные грунты. Засоленные грунты широко представлены в Казахстане, Средней Азии, Азербайджане, на Украине и в север­ ных приморских районах.

52

Кэтой разновидности относятся крупнообломочные, песчаные

ипылевато-глинистые грунты, содержащие определенное количест­ во легко- и среднерастворимых солей.

Легкорастворимыми солями являются хлористые, сернокислые

икарбонатные соли натрия, калия и магния (галит NaCl, сода NaC03, мирабилит NaS04 и др,), среднерастворимыми — сульфат

кальция (гипс) CaS04-2H20 , ангидрит CaS04, кальцит СаС03

и др.

Основная опасность строительства на засоленных грунтах связа­ на с выносом солей фильтрующими водами (химическая суффозия), разрушением текстуры грунта и развитием вследствие этого нерав­ номерных просадок. Фильтрующая вода становится раствором вы­ мываемых солей и приобретает агрессивность по отношению к ме­ таллу и бетону.

Насыпные грунты. Интенсивная хозяйственная деятельность че­ ловека привела к образованию особой разновидности отложений — насыпных грунтов.

К насыпным относятся грунты природного цроисхождения с на­ рушенной естественной структурой, а также минеральные отходы промышленного производства, твердые бытовые отходы, образова­ вшиеся их отсыпкой или гидронамывом.

Как отмечает В. И. Крутов, ежегодный объем земляных работ на территории бывшего СССР составляет около 3 млрд, м . Это приводит к формированию больших регионов, сложенных насып­ ными грунтами. Функционирование города с населением 1 млн. жителей связано с образованием отходов, содержащих органику, которые ежегодно складируются в отвалы на территории около 40 га двухметровым слоем отсыпки. Таким образом, в результате горно-технической, инженерно-строительной и хозяйственной деятельности человека объемы образования и накопления насып­ ных грунтов стали соизмеримы с масштабами геологических явлений. г

Территории, занятые насыпными грунтами, обычно представля­ ют собой бывшие овраги, пруды, болота, поймы рек и т. п. Рельеф засыпаемых участков, как правило, сильно изрезан, поэтому мощ­ ность насыпных грунтов часто бывает весьма неравномерна. Кроме того, насыпные грунты могут подстилаться разновидностью других слабых грунтов.

В насыпных грунтах постепенно происходят различные физичес­ кие, физико-химические, биологические и другие процессы, приводя­ щие, с одной стороны, к их самоуплотнению, упрочнению, с дру­ гой — к распаду, разложению как структуры отдельных агрегатов, так и отдельных частиц, т. е. к разупрочнению. Поэтому насыпным грунтам в той или иной степени свойственны многие из тех особен­ ностей, которые были отмечены выше при рассмотрении других разновидностей структурно-неустойчивых грунтов.

53

Глава 3

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО­ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ МЕХАНИКИ ГРУНТОВ

3.1. Постановка задач в механике грунтов

Особенности грунтов оснований как объекта строительства. Из предыдущих глав курса следует, что в отличие от всех остальных материалов, с которыми приходиться иметь дело строителю, грун­ ты представляют собой тела естественного, реже искусственного происхождения со сложной историей образования и последующего изменения. Основной их отличительной особенностью является Бе­ сплотность (раздробленность, дискретность) строения, а во многих случаях, например, пылевато-глинистые грунты, очень мелкая раз­ дробленность (дисперсность) вплоть до. коллоидных размеров ча­ стиц. Многокомпонентный состав грунтов, их пористость, водонасыщенность, структурные связи между частицами, сложное взаимо­ действие различных компонент друг с другом приводят к особым свойствам этих материалов, существенно отличающимся от свойств конструкционных материалов.

Массивы грунтов, являющиеся основанием сооружений, форми­ руются в различных геолого-географических условиях, постоянно испытывают воздействие природных и техногенных процессов. Это порождает огромное многообразие их строения и состояния. В от­ личие от конструкционных материалов, состав которых подбирает­ ся технологами так, чтобы обеспечить необходимые свойства, грун­ ты каждой строительной площадки обладают своими свойствами, что требует каждый раз их самостоятельного изучения.

Протекающие в них процессы видоизменяют состояние и свойст­ ва грунтов. Они могут быть крайне медленными, так что к началу строительства массив грунтов может рассматриваться как находя­ щийся в равновесном состоянии. В других случаях (например, при строительстве на территориях, самоуплотнение которых продолжа­ ется) процессы, возникающие в результате строительства сооруже­ ний, будут накладываться на процессы, протекающие собственно

вмассиве грунтов.

Врезультате строительства сооружения начальное состояние

основания нарушается и в грунтах возникают новые процессы. Грунты (скальные, крупнообломочные, песчаные, пылевато-глинис­ тые) в разном состоянии по трещиноватости, плотности, влажности неодинаково реагируют на одни и те же нагрузки, и протекающие в них процессы будут приводить к различным результатам. Они могут вызывать смещения отдельных частиц, приводящие к их более плотной или более рыхлой упаковке (уплотнение и разуплот­ нение грунта), к возникновению в норовой воде разности напоров

54

и ее движению (фильтрация воды в грунте), к большим взаимным перемещениям одной части основания относительно другой (раз­ рушение грунтов основания).

Состояние и свойства грунтов в основании построенного соору-

;жения также могут меняться в процессе его эксплуатации (уплотне­ ние от нагрузок, передаваемых сооружением; изменение влажност­ ного режима при колебании уровня подземных вод; оттаивание вечной мерзлоты в основании и т. д.). Строительство новых соору­ жений рядом с существующими, ведение подземных работ, реконст­ рукция сооружений и т. п. будут приводить к дополнительным воздействиям на грунты основания уже построенных сооружений; В результате в грунтах могут вновь развиваться процессы, осложня­

ющие эксплуатацию сооружений.

Таким образом, грунты основания не только обладают особыми свойствами, но и постоянно (до строительства, во время строитель­ ства и в процессе эксплуатации сооружения) испытывают различ­ ного рода воздействия, изменяющие их состояние и свойства. Это вызывает необходимость разработки совершенно иного подхода к исследованиям, расчетам и проектированию оснований, чем при­ нятый в инженерной практике для конструкционных материалов. Сказанное в полной мере может быть отнесено и .к тем случаям, когда грунты являются материалом сооружения Или средой, в кото­ рой оно возводится.

Модели механического поведения грунта. Для надежного и эконо­ мичного проектирования сооружений необходимо уметь определять изменение напряжений в грунтах основания в результате строитель­ ства, оценивать, будет ли обеспечена прочность грунтов при таком изменении напряжений и какие в результате возникнут деформации основания. В конечном счете общая задача, как и в других дисцип­ линах конструкторского цикла, заключается в расчетах напряженнодеформированного состояния грунтов основания, взаимодейству­ ющего с сооружением, оценке их прочности и.устойчивостй.

Однако; из-за указанных выше особенностей поведения грунтов в основании сооружений обычный подход строительной механики для решения этой Задачи оказывается недостаточным, возникает необходимость разработки такой модели грунта, которая учиты­ вала бы основные особенности его деформирования, и такого ап­ парата анализа, который позволял бы прогнозировать происходя­ щие в грунтах основания процессы. Для этих целей могут быть использованы м одель дискретной среды или модель сплош ­ ной среды.

В первом случае делается попытка отобразить в расчетной моде­ ли физические особенности грунта как дискретного материала, представляя его в виде совокупности отдельных частиц — шаров, дисков, балочек и т. п. (работы Г. И. Покровского,,И. И. Канда­ урова, Р. Роу и др.). Однако развитие этого направления встречается Сгбольшими сложностями и пока еще не привело к созданию

55

законченной теории деформирования грунтов. Современная меха­ ника грунтов основывается на представлениях о грунтах как о сплошной однородной деформируемой среде.

Такая концепция сплошности вещества, хотя и противоречит представлениям об атомном (дискретном) строении материи, шля­ ется основным постулатом механики сплошной среды. Это обес­ печило разработку мощного математического аппарата с единым подходом к изучению всех твердых тел, жидкостей и газов.

Применительно к грунтам концепция сплошности была утвер­ ждена еще в 30-х годах нашего столетия классическими работами К. Терцаги, Н. М. Герсеванова, В. А. Флорина, Н. А. Цытовича и успешно развивается в нашей стране и за рубежом. Однако это потребовало введения ряда предпосылок, упрощающих реальное строение грунта, важнейшие из которых рассматриваются ниже.

Во-первых, вводится понятие элементарного объема грун ­ та, т. е. такого его объема, линейный размер которого во много раз превышает линейный размер частиц или агрегатов, слагающих этот грунт. Тогда понятия напряжений и деформаций относятся уже не к точке как в механике сплошной среды, а к площадкам, соответст­ вующим элементарному объему. Кроме того, размеры образца грунта для экспериментального определения характеристик его ме­ ханических свойств в предположении сплошности материала долж­ ны быть значительно больше линейного размера элементарного объема. Во-вторых, применение аппарата механики сплошной сре­ ды для расчетов напряжений и деформаций в массиве грунта оказы­ вается справедливым только в тех случаях, когда размеры массива и размеры площадок, через которые передаются нагрузки на мас­ сив, значительно больше размера элементарного объема грунта. .

В большинстве случаев (для песчаных и пылевато-глинистых грунтов) эти условия всегда выполняются. Действительно, легко подсчитать, что в 1 см3 песка бедней крупности будет содержаться порядка 50 тыс. отдельных частиц. Следовательно, площадки, к ко­ торым относятся напряжения и деформации, будут иметь размеры менее 1 см, а образец для испытания грунта, чтобы неоднородности отдельных частиц не влияли на его свойства, может иметь размеры

внесколько сантиметрово е другой стороны, при ширине фундамен­ та, например, 1 м точность определения напряжений и деформаций

восновании, сложенном такими песками, будет достаточна для инженерных расчетов.

Значительно осторожнее следует относиться к использованию модели сплошной среды в случае крупнообломочных и трещинова­ тых скальных грунтов. Здесь уже может потребоваться проведение испытаний с очень крупными образдши или даже переход к крупно­ масштабным полевым опытам.

Другим важным упрощением реального строения грунта являет­ ся представление его в виде изотропного тела, т. е. тела, у кото­ рого свойства образцов, вырезанных но любому направлению,

56

одинаковы. Это условие применимо не ко всем разновидностям грунтов (не являются изотропными ленточные глины, скальные грунты с системной трещиноватостью или слоистостью и т. п.). Однако применение аппарата механики анизотропных сред к рас­ четам таких грунтов связано с очень большими трудностями и во многих случаях с достаточной для инженерных целей точностью их можно рассматривать как изотропные тепа.

При проектировании ответственных сооружений используются и более сложные модели. К ним относятся модель двухком ­ понентного грунта (модель грунтовой массы, когда все поры практически заполнены водой и содержание газа в грунте относите­ льно невелико) и модель трехком понентного грунта (когда в грунте присутствуют все три компоненты: твердые частицы, жид­ кость и газы). Здесь уже принимаются во внимание различная деформируемость каждой компоненты, взаимодействие их между собой и изменение количественного содержания каждой компонен­ ты в единице объема грунта в процессе его деформирования.

Метода решения задач механики грунтов. М еханика грунтов является прикладной дисциплиной, призванной изучать

иколичественно описывать механические процессы, про ­ текаю щ ие в грунтах в результате строительства.

Состав задач, которые приходится при этом решать, очень ши­ рок и многообразен. Реакция различных видов грунтов на воздейст­ вия при строительстве также очень разнообразна. Тем не менее механика грунтов как научная дисциплина содержит единый мето­ дологический подход к решению всех этих задач независимо от вида

исостояния грунтов.

Общим методом механики грунтов, как и вообще механики сплошной деформируемой среды, является решение краевых задач, т. е. совместное решение уравнений равновесия, геом етричес­ ких соотнош ений или получаемых из них уравнений н ераз­ рывности и физических уравнений при заданных краевых (начальных и граничных) условиях.

Это позволяет определить напряженно-деформированное состо­ яние в любой точке массива грунта и в конечном счете оценить прочность грунта в этой точке, устойчивость массива и взаимодей­ ствующего с .ним сооружения и принять оптимальное решение о строительстве сооружения.

Уравнения равновесия и геометрические соотношения справед­ ливы при любом законе деформирования грунта. Поскольку имен­ но'физические уравнения устанавливают связь между напряжени­ ями и деформациями, т. е. определяют особенности напряженнодеформированного состояния грунта, их часто называют опреде­ ляющ ими уравнениями или уравнениями состояния.

В зависимости от сложности задачи (класса ответственности сооружения, особенностей деформирования грунтов и т. п.) решения механики грунтов могут быть и очень сложными, и относительно

57

простыми. Например, при проектировании оснований и фундамен­ тов реакторного отделения (АЭС или платформы для добычи нефти на шельфе из-за очень больших размеров сооружений, сложных нагрузок и воздействий, жестких технологических требований к экс­ плуатации этих сооружений, опасности аварийных последствий по­ требуются более сложные решения, чем при проектировании ос­ нований и фундаментов типового здания. Соответственно и уравне­ ния состояния для этих задач должны будут в разной мере учиты­ вать всю полноту процессов, происходящих в грунтах основания.

Правильный выбор вида уравнений состояния для конкретных условий является одной из основных задач механики грунтов. С этой целью проводятся эксперименты, выявляющие особенности деформирования грунтов под нагрузкой, и с использованием той или иной расчетной модели грунта дается математическое описание результатов этих экспериментов. Таким образом, уравнения состоя­ ния имеют феноменологический характер.

Мерой количественной оценки напряженно-деформированного состояния массива грунтов являются напряжения,, деформации и перемещения, возникающие в нем от действия внешних (нагруз­ ка от сооружения) и внутренних (массовых) сил.

С учетом изложенного выше, понятия о напряжениях, дефор­ мациях и перемещениях в грунтах соответствуют общим понятиям механики сплошной среды.

Тогда напряженно-деформированное состояние в точке массива вполне определено, если известны три компоненты нормальных (ах, оу, а2) и три пары касательных (Xxy=tyx, xxz=xzx, х^—х^) напряже­ ний, три компоненты линейных (гх, еу, sz) и три пары угловых (Ух£=Уух, Ухг=Уюс- Уу2 =Угу) деформаций и три компоненты перемеще­ нии (и, V, w). Поскольку грунты, как правило, очень плохо работают на растяжение, в механике грунтов в отличие от механикнсплошной среды сжимающие напряжения принимаются со знаком плюс, а рас­ тягивающие — со знаком минус.

При определении напряженно-деформированного состояния грун­ та часто пользуются понятиями главных напряжений и главных деформаций, не зависящих (инвариантных) от выбора положения осей координат х, у, z. Напомним, что главными нормальными напряжениями называются нормальные напряжения, отнесенные к главным площадкам, на которых касательные напряжения равны нулю. При этом всегда принимается, что 0!1><т2> п 3. Зная главные нормальные напряжения, можно определить и главные касательные напряжения, действующие на площадках, где они достигают наи­ больших значений:

(3.1).

Аналогичным образом можно определить и главные деформа­ ции. Связь между главными напряжениями, главными деформаци-

58

Рис. 3.1. Разложение тензора напряжений (а) на шаровой тензор (б) и девиатор напря­ жений (в)

ями и соответствующими компонентами напряжений и деформаций по осям х, у, z, а также положения главных площадок определяются по общим правилам механики сплошной среды.

Иногда бывает удобно (см. § 3.2 и гл. 8) общее напряженное или деформированное состояние в точке массива грунта разделить на две составляющие. Применительно к напряженному состоянию это показано на рис. 3.1. Тогда общее напряженное состояние (тензор напряжений), определяемое 9 компонентами напряжений (рис. 3.1, а), выразится как сумма гидростатического напряженного состояния (шаровой тензор), вызывающего изменение только объема грунта (рис. 3.1, б), и девиаторного напряженного состояния (девиатор напряжений), вызывающего только изменение его формы (рис. 3.1, в). Аналогично можно разделить и общее деформированное состояние в точке массива грунта.

Это позволяет использовать в описании поведения грунта при­ водимые ниже инвариантные (не зависящие от положения осей координат) характеристики его напряженно-деформированного со­ стояния:

среднее нормальное (гидростатическое) напряжение ат, вызыва­ ющее только изменение объема вырезанного из грунта элементар­ ного параллелепипеда, соответствующую ему среднюю линейную деформацию ет и общую объемную деформацию ег , равные

интенсивность касательных напряжений т,-— комбинацию на­ пряжений, следствием действия которых является только изменение формы элементарного параллелепипеда, характеризуемое интенсив­ ностью деформаций сдвига уь где

59

T i= -^ yi(^x-ffy)2+(ay-ffz)2-\-(Cz- a x)2+6(tiy+x1yz+ x\x) =

Приведенные выше инварианты напряжений и деформаций ис­ пользуются при описании результатов экспериментов для составле­ ния уравнений состояния ряда расчетных моделей грунтов.

3.2. Особенности деформирования грунтов

Особенности деформирования грунтов выявляются в результа­ те экспериментов, основные сведения о которых будут приведены в гл. 4. Здесь мы ограничимся только «мысленными» эксперимен­ тами, т. е. будем рассматривать некоторые воображаемые схемы нагружения грунта и с их помощью иллюстрировать его поведение под нагрузкой.

Линейные и нелинейные деформации. Пусть на поверхности грун­ та установлен штамп (или фундамент), передающий на грунт по подошве возрастающее давлениер (рис. 3.2, а). Под действием этого давления будет происходить перемещение поверхности грунта (осадка штампа) s, величина которого возрастает с увеличением р. Опыт показывает, что эта зависимость имеет весьма сложный хара­ ктер (рис. 3.2, б).

При изменении давления от 0 до некоторой величины осадка штампа будет близка к линейной (участок Оа). Дальнейшее увеличе-1

Рис. 3.2. Схемаопыта (а) и графикизависимостиосадкиштам­ па от давления по подошве р при нагружении (б) и при нагру­ жении—разгрузке (в):

1 — нагружение; 2 — разгрузка

60