Влияние уплотнения или боковой деформации грунта в засыпке на его боковое давление

В соответствии с теорией упругости между боковым давлением σ3, постоянными E и v, характеризующими материал, а также относительной деформацией е упругого тела существует зависимость

Здесь E — модуль Юнга, a v — коэффициент Пуассона. В приведенных уравнениях знак плюс используется для того, чтобы обозначить растяжение или расширение, а знак минус соответствует сжатию. Это правило распространяется как на напряжение о, так и на относительные деформации е.

Рассмотрим элемент грунта кубической формы, показанный в сечении на рис. 10.10. Размер каждой стороны кубика принимается равным единице. Предположим, что поверхность грунта, как показано на рис. 10.10, а, подверглась осадке величиной — ε1. В соответствии с выражением (10.26) при невозможности бокового расширения этот тип деформации должен вызвать в грунте боковое сжимающее напряжение — Δσ3. Реактивное давление элемента грунта на ограничивающее препятствие, т. е. боковое давление грунта, следовательно, будет увеличиваться. В действительности в период уплотнения грунта наблюдается противоположная зависимость (см. рис. 10.8). Отсюда следует, что к грунту, который подвергается уплотнению, не могут быть применены законы теории упругости. Этот факт может считаться очевидным, но физические причины, обусловливающие наблюдаемые величины бокового давления в состоянии покоя или консолидированно-равновесном состоянии, остаются еще неясными. Их можно аргументировать, как это сделал А.Е. Бреттинг, тем, что «внутреннее трение грунта в любой момент, возможно, будет полностью мобилизовано вследствие значительной деформации, претерпеваемой глиной в текучей консистенции при консолидации». Это утверждение можно, вероятно, иллюстрировать с помощью рис. 10.10, в. В результате консолидации высота кубического элемента уменьшится на величину — ε1, а длина диагоналей nа, mb, he и hd сократится соответственно до nа', mb', he' и hd'. Элемент квадратной формы efhg, выделенный на схеме жирными линиями, в результате деформации приобретает ромбовидную форму, обозначенную пунктирными линиями. Эту «внутреннюю» деформацию можно только связать с межчастичными смещениями и межчастичными касательными напряжениями s, показанными на нижней схеме рис. 10.10, в. Горизонтальная равнодействующая этих касательных напряжений +Δσ3 будет уменьшать полное боковое давление, вследствие чего скелет грунта, испытывающий внутренний сдвиг, будет уменьшать избыточное поровое давление. При этом остается необъяснимым отсутствие какой-либо очевидной зависимости общего вида между измеренными величинами отношений Kn и значениями угла внутреннего трения φ различных грунтов, определяемого в лаборатории различными методами. Медленные (S) испытания дают приблизительно одинаковое значение φ=30° для большинства глин, илов и рыхлых песков. Согласно выражению (10.8) и рис. 10.4, соответствующая величина Kn при полной мобилизации внутреннего трения будет равна КA=0,33. Однако действительные непосредственные измерения показывают, что величина Kn почти во всех случаях оказывалась заметно выше и, вообще, довольно близка к K=0,5. Соответствующее значение φ будет приблизительно равно 19° (tg φ=0.35). Такую величину φ иногда получают для некоторых глин в опытах с предварительной консолидацией и быстрым сдвигом образцов (Qc'), но никогда — для песков при любом методе их испытания. Чеботарев и Уэлч выдвинули гипотезу о том, что на величину коэффициента Kn бокового давления грунта в состоянии покоя не могут оказывать никакого влияния ни сцепление, ни зацепление слагающих его частиц, так как их полная мобилизация возможна лишь при наличии смещения частиц, и что величина Kn зависит только от составляющей трения скольжения, потому что она является полностью активной еще до начала любого перемещения. Эта гипотеза могла бы приобрести значение, если бы было обнаружено, что коэффициент трения скольжения для различных минералов одинаков. Однако такое утверждение было впоследствии опровергнуто самими авторами, которые установили огромное разнообразие этих показателей применительно к различным грунтам.

Уравнение, предложенное Яки:

оказывается подкрепленным многими экспериментальными данными; так, при =30° Kn =0,5. Однако основные предпосылки, на которых базируется вывод этой зависимости, представляются порочными. Они справедливы для напряженного состояния толщи грунта по осевой линии дамбы с откосами, образующими с горизонтом угол ф, но с удалением от осевой линии горизонтальные касательные напряжения уже изменяются. Утверждение Яки о том, что эти предпосылки соответствуют условиям, имеющим место в толще бесконечной массы грунта, ограниченной горизонтальной поверхностью, к сожалению, не могут быть приняты.

Следовательно, проблема удовлетворительной числовой корреляции между измеренными величинами бокового давления грунта в состоянии покоя и замеренными показателями, характеризующими физические свойства этого грунта (φ, v и любые другие, еще не установленные), до сих пор ожидает дальнейших теоретических и экспериментальных исследований.

Теперь оценим возможное влияние на боковое давление грунта его бокового расширения, которое вызывает переход грунта из состояния покоя в активное состояние. Как показано на рис. 10.10,б, вынужденная боковая относительная деформация +ε3, например, в результате податливости подпорного сооружения в боковом направлении в соответствии с выражением (10.26) будет вызывать растягивающие боковые напряжения +Δσ3 в грунте. Следовательно, исходя из теоретических представлений можно было в этом случае ожидать уменьшения бокового давления грунта на податливые стенки. Данные наблюдений по этому вопросу привели к следующим выводам.

Терцаги выдвинул в отношении глин предположение, что для полной мобилизации сопротивления их сдвигу и для уменьшения бокового давления, соответствующего переходу от состояния покоя в активное состояние, необходимо весьма ощутимое расширение грунта, вызванное, например, смещением подпорной стенки во внешнюю сторону, равным 5% ее высоты. Это предположение, по-видимому, основывается на данных лабораторных испытаний глинистых грунтов на сдвиг, подвергающихся перед разрушением значительно большей деформации сдвига, чем пески. Так как пока еще не выполнено никаких соответствующих непосредственных наблюдений, это предположение было, по-существу, лишь гипотезой, не подтвержденной последующими испытаниями на моделях и в натуре. Прежде всего, очевидно, необходимо делать различие между пластичными и хрупкими глинами.

Под «пластичными глинами» подразумевают глины, которые, не обладая хрупкой внутренней структурой, характеризуются величиной коэффициента структурной прочности S, близкой к единице, а их относительные деформации при разрушении в период испытаний на сжатие в одноосном напряженном состоянии приближаются к 20%. Большинство тщательно перемятых и повторно уплотненных естественных глин попадает в эту категорию. Сюда относятся, например, грунты обратной засыпки с высоким содержанием глинистых частиц, укладываемые за стенку гидравлическим способом и испытывающие в последующем консолидацию.

Эксперименты, проведенные в Принстонском университете, показали, что такие пластичные глины не уменьшают при расширении развиваемого ими бокового давления. Это, а также данные, полученные с помощью испытаний в камерах, находятся в противоречии с выводом Терцаги, основанным на чисто теоретическом использовании для этой проблемы традиционных представлений о зависимости между напряжениями и деформациями. Терцаги считает, что для обеспечения перехода глины, находящейся за подпорной стенкой, из состояния покоя в активное состояние необходимо перемещение этой стенки от грунта, равное 5% ее высоты. Чеботарев объясняет это расхождение, утверждая, что сами термины «в покое», «статическое» или «консолидированно-равновесное» подразумевают предельное по прочности грунта состояние с уже зарождающимся его разрушением во всех тех случаях, когда дело касается засыпки из пластичных глинистых грунтов или вообще глинистых грунтов с нарушенной структурой. При отсутствии тех или иных элементов, которые могли бы препятствовать боковой деформации грунта в засыпке и вследствие этого уменьшать боковое давление в связанной с ними зоне, величины активного давления таких глинистых грунтов весьма близки к величинам их давления в состоянии покоя. Пока мы не располагаем экспериментальными данными, способными полностью опровергнуть эту гипотезу, и необходимы дальнейшие исследования, которые подтвердили бы или видоизменили ее в той или иной степени. Вопрос имеет огромное практическое значение, так как в случае окончательного подтверждения указанной гипотезы определение бокового давления при проектировании сооружений будет значительно упрощено. Вопрос о поведении естественных глин с ненарушенной хрупкой внутренней структурой представляет собой в этом отношении более сложную проблему, особенно если они характеризуются высокими показателями коэффициента структурной прочности. Измерения, проведенные в Чикагском метрополитене, показали, что даже незначительное боковое перемещение подпорной стенки оказывается достаточным, чтобы уменьшить боковое давление такого грунта, которое, как полагают, достигает при этом активной величины. Дальнейшее смещение стенок (более 1% высоты подпорного сооружения) снова увеличивает боковое давление.