книги / Сопротивление грунтов (некоторые лекции по курсу Механика грунтов )

Обрушение, как показано на рис. 7.11, происходило в несколько стадий: сначала по поверхности a–b, затем – по c–d и e–f; наконец – по g–f–d–b–h. Процесс приближения опасности обрушения склона люди, как и в Кургане, визуально не ощущали, поскольку здесь также не было сделано должной организации склона.

Рис. 7.11. Последовательность обрушения склона (г. Днепропетровск, 1987). Этапы обрушения: 1-й – a-b; 2-й – c-d; 3-й – e-f; 4-й – g-f-d-b-h

Судя по последовательности и характеру обрушения, анализ устойчивости следовало вести по смешанной схеме метода КЦП для 9-этажного дома и по схеме прислоненного откоса для здания школы.

6 Способы борьбы с оползнями

Устойчивость откосов, прежде всего, должна быть обеспечена расчетом – путем учета всех факторов, сопутствующих возможному его обрушению: веса и реальных характеристик прочности грунта, гидродинамического давления воды, сейсмических и динамических воздействий в самом неблагоприятном сочетании воздействий и свойств грунта.

Выше было показано, что если устойчивость выбранного вначале откоса не отвечает нормативным требованиям, очертание его меняют

внужном направлении, добиваясь гарантированного уровня надежности. В случае невозможности изменить его очертание прибегают к различным способам – устройству подпорных стен, удерживающих свайных конструкций анкерного типа.

При проектировании откосов необходимо оценивать, какой вклад

вкоэффициент устойчивости откоса вносит тот или иной фактор. Например, выше расчетом было показано, что влияние потока воды в его теле в пределах 15–20 %; решающее же значение имеет крутизна откоса. Поэтому удаление воды из откоса (устройством дренажа перед отко-

241

сом либо водоприемных скважин перед ним) могли бы повысить устойчивость откоса на указанные 15–20 %.

В случае реального или ожидаемого обрушения откоса используют ряд защитных мероприятий по повышению устойчивости. Наиболее эффективными из них являются:

–выполаживание или создание уступчивого по высоте профиля откоса с устройством горизонтальных площадок (берм с дорожками и др.);

–пригрузка низовой части откоса инертным грунтом;

–одерновка, мощение камнем, укладка бетонных плит на поверхности склона;

–регулирование гидрогеологического режима склона – устройством нагорных канав, водосбросных скважин, с удалением воды в дренажные системы;

–наиболее серьезные меры – сооружение защитных стенок, свайных рядов, анкерных устройств, выполняемых по специальному проекту, который разрабатывается применительно к конкретной инженерногеологической ситуации, специфики грунтов, сейсмичности района, экономических факторов и др.;

–посадка на откосе и вокруг него растительности, особенно крупных деревьев, корни которых армируют поверхностные слои грунтов, увеличивая несущую способность грунтов на сдвиг и повышающих устойчивость откосов.

Эффект армирующего воздействия корневой деятельности растений и крупных деревьев на устойчивость откосов, склонов иллюстрируют примеры из статьи И.Б. Рыжкова и др. [9]:

–малый склон с параметрами Н = L = 8 м, имеющий без учета рас-

тительности недостаточную устойчивость (kst = 0.96), при учете растительности увеличил kst до 1.23;

–средний по размерам склон Н = 12 м, L = 32 м, имеющий без учета растительности kst = 1.09, увеличил ее до kst = 1.13;

–и только в большом по размерам и неустойчивом склоне Н = 60 м, L = 160 м устойчивостьвозросла незначительно: с kst = 0.591 до kst = 0.593.

Список литературы

1.СП 12-135–2003. Свод правил по проектированию и строительству. Безопасность труда в строительстве. Отраслевые типовые инструкции по охране труда. – М., 2003.

2.Соколовский В.В. Статика сыпучей среды. – М.: Гостехиздат, 1954. – 343 с.

3.СП22.13330.2011, 2016. Основания зданий и сооружений (акт.

ред. СНиП 2.02.01–83*). – М., 2016.

242

4.Феллениус В. Статика грунтов. – М.: Стройиздат, 1933. – 186 с.

5.Терцаги К. Теория механики грунтов. – М.: Стройиздат, 1961. –

507 с.

6.Котов М.Ф. Механика грунтов примерах. – М.: Высшая школа, 1968. – 272 с.

7.Тейлор Д.В. Основы механики грунтов. – М.: Стройиздат, 1960. –

345 с.

8.Швец В.Б. Обеспечение устойчивости сооружений на оползневых склонах, сложенных просадочными грунтами // Основания, фундаменты и механика грунтов. – 2001. – № 6. – С. 11–15.

9.Рыжков И.Б., Арсланов А.А., Мустафин Р.Ф. О количественной оценке древесно-кустарниковой растительности при расчетах устойчивости склонов // Основания, фундаменты и механика грунтов. – 2014. –

№3. – С. 21–25.

243

Лекция восьмая ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ

1 Представления о влиянии воды

Вода как неотъемлемая часть грунта оказывает влияние на все его свойства. Грунт, кроме воды, содержит твердые частицы, воздух, растворимые и нерастворимые соли, органику, а сама вода может быть свободной, пленочной, в виде льда или пара. Даже простое добавление воды ухудшает свойства грунтов, например, глинистый грунт переходит из твердого в пластичное, далее в текучее состояние. Если же в грунте находятся растворимые соединения, добавление воды сверх какого-то уровня коренным образом меняет его структуру, приводит к просадкам (лессы, просадочные грунты) или, напротив, к набуханию грунтового массива (набухающие грунты).

Вода всегда вносит дополнительные сложности в ведение строительных работ. Почти на каждой площадке есть уровень подземных вод (УПВ). Подземная вода может затопить котлован, вызвать вынос (суффозию) мелких частиц из массива грунта, поднять дно котлована. В целом к числу вопросов, относящихся к обсуждаемой проблеме, относятся:

–расчеты водопритоков в котлован;

–оценка устойчивости оснований и откосов котлована;

–оценка возможности проявления суффозионных процессов;

–оценка барражного эффекта и необходимости противофильтрационных завес;

–расчеты дренажей, размеров и зоны влияния депрессионной во-

ронки;

–расчеты давления подземных вод на заглубленные сооружения;

–расчеты оседания земной поверхности.

Очевидно, что вода может двигаться только по порам, размеры которых соизмеримы с размерами преобладающих частиц.

Что может вызвать движение воды? Прежде всего, это разность уровней воды Η с одной и другой части массива – градиент напора I = Η / L, где L – длина пути фильтрации.

Кроме того, движение воды может быть вызвано:

– приложенным к грунту давлением, которое вначале вызывает образование давлений в грунте и в порах грунтовой воды (поровое давление); с течением времени давление в воде постепенно уменьшается, вызывая образование осадок, по-разному протекающих во времени;

244

–разностью потенциалов электрического поля, которое может быть как естественным, так и искусственно созданным (например, в зоне влияния ЛЭП или электротранспорта);

–электроосмотическим давлением, создаваемым при промерзании грунта растущим кристаллом льда, что приводит к пучению грунтов.

Каждое из этих проявлений воздействия воды рассматриваются

всоответствующих разделах науки об основаниях и фундаментах. Существуют направления науки, изучающие особенности воздействия воды на просадочные или набухающие грунты, на промерзающие грунты. Отдельным направлением является электроосмотическая фильтрация в грунте.

Как и в других случаях (теория распределения напряжений или прочности), для определения законов движения воды в грунте используют давно известные закономерности науки о движении воды – гидравлики. Но если гидравлика изучает движение воды преимущественно в трубах, то в грунтах поры стали рассматривать как трубки, размер которых примерно соответствует размерам пор. Основы фильтрации в грунтах были заложены в 1920–30-е гг. (Н.Н. Павловский [1]).

В гидравлике давно установлено, что движение воды может быть как ламинарным (если отдельные слои водного потока не пересекаются между собой), так и турбулентным.

Критерий, который разделяет эти два вида движения, – число Рей-

нольдса Re (Osborne Reynolds, 1842–1912). Одна из формул для Re вклю-

чает скорость движения воды u, пористость n, эффективный диаметр час-

тиц d10 и вязкость воды [2]:

Если полученное в конкретных условиях соотношение между значениями этих характеристик по формуле (8.1) меньше Re, движение воды подчиняется ламинарному режиму (Henry Darcy, 1803–1858):

где u = Q/А – скорость движения воды, отношение расхода воды Q к площади сечения А рассматриваемого элемента (образца грунта). А если выше

Re, то турбулентному режиму (Antoine de Chézy, 1718–1798):

В формулах (8.1) и (8.2) I – градиент напора; k – коэффициент фильтрации (см/с; м/сут), который связан с принятым в других областях науки коэффициентом проницаемости С соотношением k = а С γw / μ,

245

где – коэффициент вязкости; γw – удельный вес воды; а – коэффициент размерности: при k в см/с а = 1, при k в м/сут а = 864.

Многочисленные исследования показали, что турбулентный поток может образоваться только в крупнозернистых материалах (каменной наброске, крупном щебне), поэтому в песчаных и глинистых грунтах в фильтрационных расчетах используют исключительно формулу Дарси (8.2).

образца, а вода может двигаться только по порам, занимающим часть площади, существует понятие об истинной скорости движения воды u' = u/n, где n – пористость. Истинная скорость нужна при расчетах возможности образования опасного явления – суффозии, выноса мелкозернистых частиц движущимся потоком воды.

Формула (8.1) означает линейную связь между напорами I и скоростями движения воды u. Поэтому соответствующий график u – I должен иметь вид линии, проходящей через начало координат (рис. 8.1).

В действительности, такая связь выполняется в дисперсных грунтах – песках, супесях (рис. 8.1, прямая а), а тангенс наклона прямой линии и есть коэффициент k.

246

В глинах же наблюдается так называемый «порог фильтрации», характеризуемый начальным градиентом напора Iн. При I ≤ Iн фильтрации воды незначительна или не происходит (рис. 8.1, прямая б), а при превышении Iн фильтрация идет также по линейному закону, но при градиенте, превышающем Iн, и меньшем значении k. Уравнение Дарси (8.2) в этом меняется так:

Причина почти неощутимой фильтрации при I ≤ Iн следующая: глинистый грунт можно представить в виде линзообразных частиц микроскопического размера, окруженных пленками прочно и рыхло связанной воды, причем чем меньше размер частиц, тем выше эффект этих пленок. Притяжение пленок к частицам чаще всего объясняют электрическим притяжением – за счет разных знаков электрического заряда на поверхности частиц и молекул воды, которые рассматриваются как диполи.

Если прочно связанная вода является как бы частью самой частицы, то рыхло связанная вода меняет свои характеристики (вязкость) в зависимости от внешних факторов (температуры, давления, электрического потенциала).

При относительно небольшом давлении рыхло связанная вода способна противостоять напору, но при превышении Iн пленки такой воды уносятся под действием избыточного напора, и глина становится проницаемой.

2 Понятие об электроосмотической фильтрации

Известно, что на пленочную воду можно воздействовать полем постоянного электрического тока с энергией Е. Например, если к показанному на рис. 8.2 грунту приложить слева анод с положительным зарядом, а справа катод с зарядом отрицательного знака, тогда пленки рыхло связанной воды (а при большом заряде даже прочно связанной) будут двигаться в направлении катода, а на месте анода образуется зона иссушения. Такое дви- жение воды под действием электрического тока называ-

247

где Iэ – градиент электрического поля (градиент напряжения dЕ/dL); kэ – коэффициент электроосмотической фильтрации, в 10–100 раз превышающий обычный k.

Таким образом, коэффициент электроосмотической фильтрации численно равен скорости фильтрации при градиенте напряжения dЕ/dL = 1. Очевидно, что чем меньше размеры частиц грунта (в идеале – жирная глина), тем выше эффект электроосмоса. В песках же такой эффект практически неощутим.

фольге постоянный ток (~6 В), и эффект проявится сразу же – свая быстро погрузится намного больше.

Электроосмос широко используется на практике – при осушении грунтов, при введении в малопроницаемый грунт закрепляющих растворов, для облегчения погружения свай, для борьбы с липкостью глинистых грунтов, которые затрудняют работу землеройных машин. В каждом из таких случаев требуется постоянный электрический ток с нужными параметрами. Об этом можно многое узнать из книги Б.А. Николаева [6].

3 Статическое давление воды

Сзаконом Архимеда все знакомы: на пустой стакан, опускаемый

вводу, снизу действует сила G = Vγw, равная объему погруженной в воду части стакана V, умноженному на удельный вес воды γw. Несмотря на то, что в реальном грунте вода занимает не все пространство в объеме погруженного в грунт ниже УПВ (обозначение WL), а лишь часть его

впорах, эффект проявления архимедовой силы тот же.

Такое же воздействие воды иллюстрирует пример подземного сооружения в виде колодца (аналога перевернутого стакана), находящегося в земле на глубине h ниже УПВ (рис. 8.4).

248

Устойчивость водоупорного слоя будет обеспечена, если выполняется условие

Если условие (8.6) не выполняется после устройства котлована, предусматривают откачку воды из водопонизительных скважин по периметру, пригрузку дна котлована и др.

В случае, когда фундамент или его часть уже сооружены, в правую часть формулы (8.6) должны войти постоянные и временные нагрузки, другие удерживающие силы (трения, сопротивления свай и анкеров на выдергивание и др.), причем удельный вес грунта γ и толщина слоя h принимают на нижнем, а высоту напора z – на верхнем уровне доверительной вероятности (для z – с учетом возможного превышения уровня воды). Это учитывается введением коэффициентов надежности по нагрузке: для постоянной γf1 = 0.9 и для временной нагрузок γf2 = 0.85; для удерживающих сил трения, свай, анкеров и др. – γf3 = 0.65, для воды – γfw = 1.2 [7].

4 Гидродинамическое давление

Гидродинамическое давление σw – это давление движущейся в порах воды. Если, как показано на рис. 8.6, при движении воды в элементарной трубке длиной L происходит падение напора воды с Н1 до Н2, тогда возникает вопрос, на что расходуется соответствующее падение энергии. Очевидно, что напору препятствует взаимное трение песка и воды и, как следствие, возникает гидродинамическое давление, которое определяется формулой

250