Давление грунта на подпорную стену.

Основные понятия и допущения

Давление грунта на ограждающую поверхность зависит от многих факторов:

способа и последовательности засыпки грунта;

естественного и искусственного трамбования;

физико-механических свойств грунта;

случайных или систематических сотрясений грунта;

осадок и перемещений стенки под действием собственного веса, давления грунта;

типа сопряженных сооружений.

Все это значительно осложняет задачу определения давления грунта. Существуют теории определения давления грунта, использующие предпосылки, позволяющие с разной степенью точности выполнять решения задачи. Отметим, что решение этой задачи выполняется в плоской постановке.

Теория Кулона, предложенная в 1776 г., основывается на рассмотрении предельного равновесия призмы грунта, Ограниченной прямолинейными плоскостями обрушения (выпирания). Более строгое решение о предельном равновесии показывает, что действительное очертание этих поверхностей скольжения является криволинейным. Однако величины активного давления грунта на вертикальные или близкие к вертикальным, жесткие, гладкие и шероховатые стенки, определенные по Кулону и по точной методике,различаются между собой на 2—3 % что, несомненно, можно считать удовлетворительным результатом с инженерной точки зрения. Пассивное давление грунта весьма существенно зависит от трения грунта о стенку, которое в реальных условиях всегда имеет место. Учет трения грунта о стенку с использованием зависимостей, вытекающих из теории Кулона, дает при φ = 15—20° существенную погрешность в сторону преувеличения по сравнению с имеющимся решением. Более точные результаты дает теория, предложенная СВ. Соколовским, построенная на основе общей теории предельного напряженного состояния сыпучей среды. Существуют различные интерпретации этой теории, в том числе и хорошо известная графическая трактовка С.С. Галушкевича.

В большинстве инженерных расчетов используются результаты, полученные на основании теории Кулона; в тех случаях, когда результаты следует уточнить, используются поправочные коэффициенты, вводимые на основании точных решений и экспериментальных данных. Различают следующие виды бокового давления грунта:

давление покоя (Eа), называемое также естественным (натуральное), действующее в том случае, когда стена (ограждающая поверхность) неподвижна или относительные перемещения грунта и конструкции малы (рис. 10.7);

активное давление (Eа) возникающее при значительных перемещениях конструкции в направлении давления и образования плоскостей скольжения в грунте, соответствующих его предельному равновесию (рис. 10.8). АБС — основание призмы обрушения, высота призмы — 1 м;

пассивное давление (Ер), появляющееся при значительных перемещениях конструкции в направлении, противоположном направлению давления и сопровождающееся началом «выпора грунта» (рис. 10.9). АБС— основание призмы выпирания, высота призмы —1м;

дополнительное реактивное давление (Еr), которое образуется при движении конструкции в сторону грунта (в направлении, противоположном давлению), но не вызывает «выпора грунта».

Рис. 10.7. Схема к понятию давления покоя

Рис. 10.8. Схема к понятию активного давления

Рис. 10.9. Схема к понятию пассивного давления

Наибольшей из этих нагрузок (для одного и того же сооружения) является пассивное давление, наименьшей — активное.

Соотношение между рассмотренными силами выглядит так:

Ea < Eo < Er < Ep (10.1)

Изменение давления грунта в зависимости от перемещения стены и представлено на рис. 10.10.

Рис. 10.10. Схема изменения давления грунта на подпорную стенку в зависимости от ее перемещения

Активное давление грунта вводится в качестве внешней нагрузки в расчетах на устойчивость сооружений на сдвиг и прочность гибких конструкций.
Пассивное давление учитывается как предельная реактивная сила при устойчивости и прочности сооружений, для которых горизонтальные перемещения являются допустимыми.

Боковое давление грунта в состоянии покоя принимают во внимание в том случае, когда устанавливают прочность уголковых и контрфорсных подпорных стен, массивных стен камер шлюзов, доков и т.п.

Для расчета подпорной стенки необходимо знать полное давление на любой участок, считая от поверхности земли. Рассматривая бесконечно длинную стенку с одинаковыми условиями по ее длине, приводим задачу к плоской. В этом случае рассматривается подпорная стенка протяженностью 1 м. Давление грунта, приходящееся на единицу высоты стенки шириной 1 м, называется интенсивностью давления, которая считается распределенной по высоте стенки по линейному закону.

 

 

Армирование грунтов

Укрепление откосов, насыпей и оврагов необходимо для предотвращения водной и ветровой эрозии. С помощью армирующих материалов легко решаются такие задачи, как укрепление слабых оснований земляного полотна, усиление дорожной одежды, возведение насыпей с откосами повышенной крутизны, строительство армогрунтовых подпорных стен.

 

Армирование грунтов и грунтовых насыпей представляет собой введение в грунтовые конструкции специальных элементов, которые позволяют увеличить механические свойства грунта. Армирующие элементы, работая в контакте с грунтом, перераспределяют нагрузку между участками конструкции, обеспечивая передачу напряжений с перегруженных зон на соседние менее загруженные участки. Такие элементы могут быть изготовлены из различных материалов: метал, железобетон структуры из стеклянных или полимерных волокон и т.д.

 

Наиболее эффективными и экономически выгодными для армирования грунтов являются геосинтетические материалы, обладающие высокой прочностью, устойчивостью к низким температурам и агрессивным средам, неподверженностью коррозии и гниению, низкой ползучестью (старением).

 

Одним из наиболее простых решений задачи укрепления грунтов является геотекстиль, который представляет собой нетканое полотно из синтетических полимерных волокон. Главной функцией геотекстиля является укрепление грунта. Хорошая водопроницаемость этого полотна позволяет свободно пропускать воду, однако не допускать вымывание грунтов. Геотекстиль получил широкое применение при создании ландшафта на слабых и техногенных грунтах, строительстве и возведении гидротехнических сооружений, автомобильных и железных дорог, аэродромов, туннелей, а также используется для предотвращения эрозии почвы.

Наиболее распространенным материалом при укреплении склонов и грунтов является применение геотекстиля дорнит. Дорнит представляет собой иглопробивное полотно, которое хорошо пропускает воду, осуществляя ее фильтрацию, и препятствует смешиванию слоёв грунта при устройстве дорожного полотна или фундаментов Применение геотекстильного полотна как материала для защиты и укрепления грунта дало возможность строить дороги, выдерживающие довольно высокие нагрузки, даже на слабом основании. Геоткань дорнит может применяться как самостоятельно, так и совместно с георешётками, которые являются не менее эффективным способом укрепления грунта.

 

Георешетка представляет собой гибкую ячеистую конструкцию из пластиковых лент, скрепленных между собой сварными швами. Георешетка применяется при организации противоэрозионной защиты насыпей и откосов повышенной крутизны, неизбежной при строительстве железнодорожных путей, автодорог, мостов, тоннелей, пешеходных переходов через магистрали. Этот материал незаменим и для укрепления прибрежных зон водоемов, в которых грунт особенно сильно подвержен водной эрозии. Основными достоинствами при укреплении ОТК Ёосов георешеткой является его высокая устойчивость к пресной и соленой воде, грунтовой среде и ультрафиолетовому излучению, что позволяет продлить срок службы конструкции. В транспортном и гидротехническом строительстве применение георешетки повышает надежность дорог и водоемов, что уменьшает затраты на дополнительное обслуживание обслуживания зон с нестабильной почвой.

 

Геосетк а представляет собой геосинтетический материал, широко применяемый для армирования и стабилизации строительных конструкций. Эффективность применения материала геосетки обеспечивается водостойкостью и долговечностью геосинтетика. Этот материал устойчив к воздействию химических соединений и ультрафиолета, не подвержен гниению и экологически безопасен.

 

На сегодняшний день геотекстиль «Стабитекс» является наиболее эффективным геосинтетическим материалом, который применяется для армирования слабых оснований при строительстве автомобильных и железных дорог. «Стабитекс» представляет собой геоткань, которая обладает высокой прочностью на растяжение, изготавливается из полиамида, поэтому она может выдерживать большие растягивающие нагрузки при незначительном удлинении.

 

18.Реологические свойства грунта: ползучесть и релаксация

Характер сопротивления грунтов внешним силам зависит от скорости приложения к ним этих сил. При быстром возрастании нагрузки сопротивление грунта будет наибольшим и в нем будут преобладать упругие деформации, при медленном возрастании внешних сил — сопротивление грунта будет меньшим, и он будет проявлять свойства ползучести и текучести.

 

Степень проявления упругости или ползучести в грунте зависит от отношения времени действия силы к так называемому времени релаксации, под которым понимается такой промежуток времени, в течение которого напряжение уменьшается на определенную величину, например, в е раз (е = 2,71).

 

Время релаксации различно у разных тел. Для скальных грунтов оно измеряется сотнями и тысячами лет, для стекла около ста лет, а для воды — 10-11 сек. Если продолжительность действия сил на грунт меньше периода релаксации, то будут развиваться в основном упругие деформации. Если же время действия силы на грунт превышает время релаксации, то в грунте возникают необратимые деформации ползучести и течения. Иными словами, в зависимости от отношения времени действия силы ко времени релаксации тело будет вести себя или как твердое, или как жидкое. Период релаксации является основной константой, объединяющей свойства твердых и жидких тел.

 

В современной физико-химической механике деление на жидко-образные и твердообразные тела производится на основе картины развития скорости деформации сдвига от величины действующего сдвигающего давления.

 

Для жидкости при действии сколько угодно малых напряжений за время, большее периода релаксации, устанавливается стационарное течение с постоянной вязкостью, не изменяющейся при возрастании напряжений. Для структурированных жидкостей (суспензий, высокодисперсных и высоковлажных илов, сапропелей) вязкость уже зависит от действующего касательного напряжения и поэтому называется эффективной.

 

Для твердообразных тел, к которым относятся дисперсные и скальные грунты, характерно наличие предельного напряжения сдвига, называемого пределом текучести и совпадающего с пределом упругости.

 

Для твердообразных тел говорят о пластической вязкости.

 

Н. Ф. Шведов (1889), а затем Бингам (1916) показали, что пластические тела характеризуются двумя параметрами: пределом текучести тел и пластической вязкостью.

Физический механизм ползучести очень сложен и зависит от большого числа факторов. В кристаллах ползучесть обусловлена движением дефектов структуры, двойникованием, трансляцией, диффузией; в поликристаллических телах и дисперсных глинистых грунтах, которые ползут при меньших давлениях, чем кристаллы, — квазивязким скольжением частиц относительно друг друга, переориентацией частиц в направлении, нормальном результирующему напряжению, и развитием микротрещин. Кинетика ползучести зависит от давления и температуры и осложняется различными структурными превращениями — уплотнением и упрочнением грунта на стадии затухающей ползучести и дилатансным разупрочнением на стадии течения.

 

Для составления прогноза ползучести сооружений необходимо знание двух величин — порога ползучести и эффективного коэффициента вязкости грунта и его изменения во времени. Порог ползучести (по Н. Н. Маслову) представляет собой такое касательное напряжение, при котором и выше которого деформация ползучести, имевшая до этого по своей величине и скорости практически пренебрегаемый характер, резко интенсифицируется.

 

Порог ползучести грунтов зависит от структуры и состава грунта, от температуры и давления и скорости действия давления. Для плотных пород порог ползучести выше, чем для малоуплотненных.

 

«Порог ползучести» определяется по данным длительных опытов на ползучесть идентичных образцов грунта, испытываемого при различных значениях касательного напряжения.

 

Ж. С. Ержанов (1964) отмечает, что скальные грунты (алевролиты, аргиллиты, песчаники, известняки) в условиях изгиба при нагрузках, не превышающих ~70% от разрушающих, четко обнаруживают свойство ползучести. Следовательно, порог ползучести у этих пород может достигать нескольких десятков кГ/см2. Из рассмотренных им пород специфическим поведением при ползучести обладали известняки, ползучесть которых затухала в 10—20 раз быстрее, чем у других пород. Такое поведение известняка, по-видимому, можно объяснить высоким углом внутреннего трения и высокой вязкостью, присущих кальциту, основному минералу, слагающему известняки.

 

Эффективная вязкость грунтов характеризует сопротивление их течению под действием внешних сил. Количественно вязкость определяется величиной касательной силы, которая должна быть приложена в единице площади сдвигаемого слоя, чтобы поддержать в нем ламинарное течение с постоянной скоростью относительного сдвига, равной единице.

 

Факторы, определяющие вязкость грунтов. Вязкость грунтов зависит от их структуры и текстуры, химико-минералогического состава, от температуры и величины касательных напряжений. Коэффициент вязкости для разных грунтов изменяется в очень широких пределах: от 102—104 пз для илов с нарушенной структурой до 1022 пз для известняка. С увеличением плотности грунтов их вязкость, а также порог ползучести возрастают.

 

Нарушение структурных связей в глине путем ее перемятая приводит к существенному уменьшению вязкости. Отношение наибольшей вязкости к наименьшей возрастает от менее дисперсных грунтов (суглинок лёссовидный, глина кембрийская) к более дисперсным (хвалынская глина).

С увеличением интенсивности касательных напряжений вязкость грунтов уменьшается, изменяясь от наибольшей вязкости по, характерной для практически неразрушенной структуры, до наименьшей вязкости, отвечающей структуре в состоянии максимального нарушения связей между частицами.

 

Зависимость вязкости скальных грунтов от касательного напряжения М. В. Гзовский аппроксимирует логарифмической зависимостью.

 

М. В. Гзовский (1963) по величине вязкости горных пород в природных условиях выделяет:

наименее вязкие породы (тощие глины, соли, гипсы, тонкослоистые алевролито-глинистые толщи);

слабовязкие породы (тонкослоистые известняково-мергелистые, песчано-глинистые, флишевые толщи);

сильно вязкие породы (слабо слоистые песчаниковые, конгломератовые, карбонатные, вулканогенные, в прошлом сильно дислоцированные и слабо метаморфизованные песчано-глинистые толщи);

наиболее вязкие породы (граниты, гнейсы, кристаллические сланцы);

 

Таким образом, петрографический состав является основным фактором, который определяет вязкость монолитных пород.

 

Глины, соли и мергели обусловливают относительно низкую вязкость грунтов, так как, присутствуя в виде прослоев, они снижают вязкость песчаных и известняковых толщ и способствуют их оползанию на склонах. Примером такого смещения являются деформации Дзора ГЭС (Армения), описанного Г. М. Ломизе (1945). Сооружение стало с некоторого момента времени обнаруживать осевое сжатие в результате давления толщи андезито-дацитов, сползавшей по слою глинистых туфов, кровля которых была наклонена к горизонту под углом порядка 8—9°. Геодезические наблюдения установили, что скорость смещения толщи в направлении ГЭС измерялась величиной 2—3 см/год.

 

Вязкость грунтов, так же как и жидкостей, зависит от температуры. Однако исследования вязкости грунтов в диапазоне температур, представляющих интерес для инженерной геологии (примерно от —40 до +80° С), не проводились и данных об изменении вязкости грунтов от температуры практически нет. Расчеты, выполненные по данным изучения ползучести глин в недренированных условиях при разных температурах, показали, что для иллита увеличение температуры от 20 до 26°С привело к уменьшению вязкости от 20•1012 до 0,7•1012 пз, т. е. почти в 30 раз.