Рис. 188.
Диаграмма напряженно-деформнрованного со стояния образца песка (испытания в условиях одноосного и двухосного сжатия, а также и условиях разгрузки и повторного нагруже ния):
1 — при одноосном сжатии; 2 — при двухосном сжатии; з — упругие деформации; 4 — пластиче ские деформации; 5 — разгрузка и последующее на гружение; 6 — образец грунта; 7 — дополнительное уплотнение; 8 — частицы песка; о2 — нагрузка п;
основание, или сжимающие напряжения; е — де формация
нагрузки первоначальное состояние песка восстанавливается лишь в самоп незначительной степени. При снятии нагрузки процесс саморегулирования пес чинок почти полностью прекращается, что объясняется тем, что в его дефор мации преобладает составляющая еост. Если затем песок подвергнуть новому нагружению, при том же характере и величине нагрузки, то будет иметь место незначительное дополнительное уплотнение и несколько большая деформация е2, чем деформация е1? которая была при начальном нагружении. Лишь прило жение более высоких и иначе направленных напряжений вызовет новое саморе гулирование опирания отдельных зерен или частиц и дальнейшее увеличение деформаций.
В с в я з н ы х г р у н т а х , состоящих из большого числа небольших но размерам частиц с значительной суммарной площадью поверхности, сравни тельно большая часть содержащейся в порах воды удерживается силами молекулярного притяжения на поверхности частиц грунта, так что эта связан ная (абсорбционная) вода временно воспринимает значительные сдвиговые напряжения и тем самым препятствует непосредственному взаимному сопри косновению частиц. Следствием этого являются, с одной стороны, наличие сцепления частиц грунта и, с другой стороны, его большая по сравнению с су хим песком деформируемость и незначительное внутреннее трение. Оба эти свойства связных грунтов при больших напряжениях теряются, так как при длительно действующих больших нагрузках силы сцепления уже не могут воспрепятствовать взаимному смещению частиц. Дальнейшее деформирование связных и несвязных грунтов при значительной степени сжатия протекает одинаково.
Таким образом, в процессе деформирования грунтов упругие свойства
и накопление потенциальной энергии не играют существенной роли. Связанный
спроявлениями упругости закон суперпозиции, применяемый в науке о сдвиже нии горных пород к взаимному наложению влияний очистных выработок, для напряженно-деформированного состояния грунтов неприменим, как это
можно видеть из рис. 188, |
на |
котором показаны зависимости деформаций |
от напряжений, полученные |
при |
испытаниях грунтов на сжатие без ограниче- |
Рис. 189.
Схема перераспределения частиц в слое грунта, находящегося под действием вызванных подработкой сдвижений и деформаций:
а — при деформировании слоя связного водонасыщенного грунта над очистной выработкой, имеющей площадь полной подработки; б — кубическая и ромбическая упаковка частиц в слое несвязного грунта: 1 — поровая вода; 2 — поры; з — частицы песка; 4 — укладка частиц до начала воздействия подработки.
ния боковой деформации (кривая 1) и при испытаниях в стабилометре образ цов в жесткой оболочке, т. е. с ограничением боковой деформации (кривая 2). Обе кривые показывают нелинейную зависимость, но в первом случае эта зави симость больше, а во втором — меньше линейной.
В части мульды сдвижения земной поверхности, расположенной над очист ной выработкой, где имеет место кривизна вогнутости, слой грунта над дейст вием горизонтального сжатия при изгибе может выдавливаться вверх и вниз, т. е. расширяться в вертикальном направлении (увеличение толщины слоя),
вто время как в краевой зоне мульды, где имеет место кривизна выпуклости,
вгрунте возникают горизонтальные деформации растяжения, сопровожда ющиеся соответствующим сжатием в вертикальном направлении в зоне опор ного давления и уменьшением толщины слоя грунта. В процессе такой дефор мации изгиба отдельные частицы в слое связного грунта, подстилаемые абсорб ционной водой и минеральными примесями и обволакиваемые свободной норо вой водой, условно изображенные на рис. 189 в виде шариков, перемещаются таким образом, что горизонтальные расстояния между центрами соседних
шариков в зоне растяжения увеличиваются, а вертикальные — уменьшаются; в зоне сжатия, наоборот, горизонтальные расстояния между шариками умень шаются, а вертикальные — увеличиваются. Между краем мульды и ее центром все слагающие грунт частицы перемещаются в горизонтальном направлении,
причем величина этих перемещений изменяется так, как показано стрелкамивекторами и штрихпунктирной кривой на рис. 189. Если представить себе взаимное расположение частиц в грунте в виде шариков, плотно уложенных в упаковку кубической формы, то в области растяжения произойдет «разрыхле ние» частиц в горизонтальном направлении, сопровождающееся уменьшением толщины слоя на Ай1? а в области сжатия — уплотнение, в результате которого шарики-частицы перераспределяются («ромбическая укладка») и часть из них выдавится вверх, так что толщина слоя увеличится на А ( п р и чистой дефор мации сдвига по горизонтали без искривления слоя толщина его должна была бы уменьшиться на Ah2). При переходе от кубической укладки шариков к ром бической, когда соединяющая центры шариков линия из отвесного положения переходит в наклонное под углом 60° к горизонту, в области сжатия может про исходить заметное горизонтальное смещение точек земной поверхности, которое зависит от той глубины, на которую распространяется захваченный процессом сдвижения слой грунта.
Обобщая сказанное, можно сделать следующие выводы относительно поведения грунтов под давлением:
на связанные между собой частицы песчаного грунта перемещаются пла стически (саморегулирование опирания);
объем грунтового массива не является постоянным (плотность и объем пор грунта могут изменяться);
кривые зависимости деформаций от напряжений в грунте при нагрузке и разгрузке не совпадают (малая зона упругости);
после снятия нагрузки первоначальная плотность грунта не восстанавли вается (наличие остаточных деформаций);
деформации грунта не пропорциональны напряжениям; деформациям сдвига в связных грунтах препятствуют, с одной стороны,
сцепление между частицами, обусловленное наличием абсорбционной воды* и, с другой стороны, трение между частицами.
11.3.
Давление грунта на стенку фундамента
Если при подработке здания или сооружения оно оказывается на участке зем ной поверхности с кривизной выпуклости, стенки его фундаментов разгружа ются; если же в этом месте возникает кривизна вогнутости, то кроме обычного давления грунта, имеющего место при недеформированном основании сооруже ния, на стенки фундаментов начинает действовать добавочное давление (рис. 190). В экстремальном случае, т. е. при достаточно сильном искривлении слоя грунта, давление на стенку фундамента может в области растяжения уменьшиться до активного давления грунта Еа или в области сжатия увели читься до пассивного давления грунта Ер.
Активное давление грунта имеет место при возникновении в области рас тяжения трещин земной поверхности. Эти трещины глубиной от 1 до 3 м, иду щие наклонно в направлении к очистной выработке (рис. 191), возникают в случае, если при кривизне выпуклости деформации растяжения грунта пре-
Схема сил давления грунта, действующих на стенку фундамента при деформации изгиба слоя грунта:
а — при кривизне |
выпуклости; |
б — при |
кривизне |
вогнутости; 1 — фундамент; 2 — консолирование; |
3 — провисание; 4 |
— поверхность |
отрыва; |
у — угол |
наклона; а — величина обжатия |
вышают предельную величину, равную 5—7 мм/м, при которой превышается предел прочности грунта на разрыв. Клин разрыхленного и нарушенного грун та у трещины может сместиться или опуститься по второй поверхности разрыва к главной трещине, если сила собственного веса этого клина превысит силу трения по противоположно падающей поверхности разрыва. В результате такого сползания или осадки грунтового клина на расстоянии от 30 до 60 м от главной трещины образуется обратная (или откосная) трещина. Поскольку разведочными работами установлено, что главная трещина идет до глубины, не превышающей нескольких метров, надо полагать, что при расстоянии между трещинами более 10 м должна существовать зона расслоения большой глубины или должно сказываться влияние более глубоких трещин. В ре зультате процесса сдвижения на линии главной трещины остается уступ высо той в несколько дециметров или же между линиями обеих трещин образуется канавообразное углубление. Слой мергеля, залегающий под слоем песчаного грунта и подстилаемый песком-плывуном, при растяжении от изгиба может разломиться по плоскостям трещин на отдельные блоки, которые будут погру жаться в слабый подстилающий слой, вследствие чего у края мульды сдвиже ния может возникнуть ряд уступов (рис. 192). При этом ширина уступов будет зависеть от расположения систем трещин в подстилающем слое. Такого рода уступы весьма опасны для транспортных сооружений и жилых зданий [262].
Для специалистов, занимающихся вопросами сдвижения горных пород, представляет особый интерес, как дополнительная нагрузка на строительные сооружения, п а с с и в н о е д а в л е н и е г р у н т а , само название кото рого, заимствованное из механики грунтов, говорит о том, что это давление грунта возникает вследствие перемещения в песчаном грунте подпорной стенки и является своего рода пассивной реакцией грунта, препятствующей его дефор мированию. Поскольку в зоне влияния подземных горных разработок грунт представляет собой активный элемент сдвижения, в науке о защите подрабаты ваемых сооружений может иметь место и обратный случай, когда грунт в своем движении воздействует на неподвижную стенку фундамента. Так, например,
Рис. 191.
Схема образования трещин и уступов на зем ной поверхности в области выхода на поверх ность линии угла разрыва и скольжение грун тового клина по поверхности откола под дей ствием активного давления грунта:
1 — трещина на земной поверхности; 2 — грунтовый клин; з — откосная трещина; 4 — главная трещина; 5 — уступ; 6 — впадина; 7 — выработка; (5 — угол разрыва
в случае, изображенном на рис. 193, в грунте происходят направленные слева направо горизонтальные сдвижения vx, величина которых в этом направлении убывает; встречая на своем пути левую стенку фундамента, смещающийся грунт оказывает на нее давление, уплотняясь при этом на величину их1 — VXM - С другой стороны, поскольку жесткий фундамент вместе со средним участком грунта основания (точка М) переместится, не деформируясь, на VXM , с правой стороны фундамента его стенка отодвинет давящий на нее грунт обратно на
VxM — Vx2 .
В области сжатия при кривизне вогнутости давление грунта на стенки фундамента достигает максимального значения, если под действием возраста ющей нагрузки полностью исчерпано сопротивление грунта сдвигу и по дости жении предела его прочности на сдвиг происходит срез грунта по двум системам плоскостей скольжения, образующим с направлением главного горизонталь ного напряжения угол, равный 45° — р/2. По теории разрушения горных пород Кулона — Мора эти плоскости скольжения возникают в грунте тогда, когда отношение касательного и нормального напряжений для несвязного грунта составляет
lgp = 7T
иП
или для связного грунта
. |
Т — С |
tg !>= - 5— .
ип
(378)
(379)
где р — угол внутреннего трения грунта; с — его сцепление, или сопротивление
сдвигу |
при |
нормальном напряжении, равном |
нулю. Графически уравнение |
|
т = / (о, р, с) |
описывается так называемой линией разрыва Кулона |
(рис. 194)1*. |
||
По |
Мору можно определить предельное |
горизонтальное |
напряжение |
|
ор = стгтах, вызывающее разрушение в любой точке грунта (на глубине z), лежащей в области сжатия, если предварительно вычислить вертикальное сжимающее напряжение для рассматриваемой точки слоя грунта по формуле oz = yz при плотности грунта у = 1,8 т/м3, а затем из точки на оси напряже-
1 В отечественной литературе изображенный на рис. 194 график обычно называют паспортом прочности грунта (или горной породы), а касательную к изображенным на нем полуокружностям — огибающей кругов Мора (примеч. переводчика).