Величины бокового давления, принимаемые при проектировании крепления котлованов в пластичной глине
Эпюра распределения бокового давления Терцаги—Пека, приведенная на рис. 16.11, основывается частично на результатах натурных наблюдений, выполненных в чикагском метрополитене. Однако главным образом ее построение базируется на следующих общих соображениях. Предполагается, что максимально возможная величина сопротивления грунта сдвигу, равная половине его прочности на сжатие в одноосном напряженном состоянии qu, достигает своего полного значения, согласно уравнению Ренкина—Резаля (10.3), при угле внутреннего трения, равном нулю, по всей поверхности скольжения. В этом случае, в соответствии с общей теорией клина Терцаги предполагается, что по глубине котлована имеет место перераспределение величин бокового давления, при котором у самого дна они сильно уменьшаются, и что теоретически установленная Ренкиным зона растяжения у верха котлована не только полностью исчезает, но даже заменяется здесь более высокими сжимающими напряжениями, чем оставшиеся в нижней зоне. В то же время в этом анализе полностью исключается возможность передачи сдвигающих напряжений от части бокового давления на глину, залегающую ниже уровня дна котлована, так как общее боковое давление все еще предполагается соответствующим тому же значению по Ренкину—Резалю.
В приведенных рассуждениях множество сомнительных и противоречивых предположений. Ранее было показано, что соответствие между расчетными величинами, полученными по указанной выше методике, и данными, замеренными в натуре, существует в действительности только на некоторых определенных глубинах котлованов. Вместе с тем использование с рассматриваемой целью метода, иллюстрируемого рис. 16.11, для меньших глубин приводит к опасным решениям, а для больших глубин — к неэкономичному проектированию.
По этой причине взамен эпюры по рис. 16.9 предлагается эпюра распределения бокового давления, показанная на рис. 16.12. Она предназначается как для пластичных глин в их естественном состоянии, так и для глин, которые по своей природе обладают некоторой структурной прочностью, а отсюда и хрупкостью. Было установлено, что пластичным глинам в консолидированно-равновесном состоянии отвечают в широком диапазоне условий как приближенные значения Kn=0,5. Чеботарев рассматривает консолидированно-равновесное состояние пластичных грунтов как состояние, отвечающее началу нарушения его прочности и исключающее возможность применения для анализа теории прочности твердых тел.
Вместе с тем структурные хрупкие глины на начальном этапе своей работы ведут себя подобно твердым телам, но в результате деформации, связанной со строительными работами, структура их нарушается и они становятся пластичными. Для таких структурных глин значения, полученные при использовании метода проектирования исходя из величины давления грунта в состоянии покоя, отвечают их максимальным возможным пределам. До сих пор не удалось получить данных натурных наблюдений, которые свидетельствовали бы о реальном проявлении в пластичных глинах арочного эффекта, подобного показанному на рис. 10.23, и об увеличении связанного с ним давления грунта на верхнюю часть стенок котлована, что имеет место в песках. По этой причине рекомендации, представленные на рис. 10.12, основываются на постоянном значении коэффициента бокового давления грунта в состоянии покоя, принимаемом равным Ky=Kn=0,5, и на частичной передаче бокового давления сдвигающими напряжениями на грунт, расположенный ниже уровня дна котлована. Действие этого эффекта в случае мягких пластичных глин несколько неопределенно, отсюда и ограничения, приведенные на рис. 16.12. Предполагают, что действие этого эффекта проявляется в полной мере только при устройстве временного ограждения в твердых глинах. Его влияние должно несколько снижаться применительно к постоянным ограждениям в глинах с полутвердой консистенцией. При глинах с пластичной консистенцией им полностью пренебрегают (d=0), подобно тому как поступили, согласно рекомендации Бруггена, голландские инженеры при проектировании роттердамского туннеля. Допускаемые напряжения в элементах рассматриваемой конструкции не должны сколько-нибудь превосходить значения, принятые для таких постоянных сооружений.
Рис. 16.13 иллюстрирует очередность работ, принятую на подходах к роттердамскому туннелю. Вначале экскаваторы вскрыли широкую траншею вплоть до уровня залегания грунтовых вод, что снизило затраты, облегчив разработку этой части выемки и уменьшив требуемое количество шпунта. Затем в качестве искусственного основания бетонного тела туннеля в толщу грунта были опущены до песчаного слоя и забетонированы набивные сваи системы Франки — этап 1. Скважины для свай на уровнях выше отметки — 41 фут были заполнены песком (на схеме не показаны).
Затем был забит до песчаного слоя металлический шпунт Ларсена нового профиля IV — этап 2. После этого выемка грунта из котлована была продолжена. По достижении намеченного уровня производилось крепление стенок котлована с обеспеченной жесткостью системы распорок в поперечном направлении (этапы 3—5). Тем временем со стороны реки у шпунтовой стенки в песке были установлены колодцы (на схеме не показаны) и была начата откачка из грунта воды для снятия противодавления на слой глины, уложенный между шпунтовыми стенками. Вслед за завершением работ этапа 8 было начато бетонирование самого туннеля с прямоугольным сечением. Ряды распорок, по мере того как бетон достигал их уровня, удалялись один за другим.