За последние три десятилетия получили интенсивное развитие исследования свойств грунтов и возникающих в них процессов при действии динамических нагрузок [14]. Вибрации, сейсми- ка, удары и взрывы вызывают различный характер воздействий от длительно повторяющихся и плавно меняющихся во времени нагрузок до одиночных импульсов и ударных волн, при которых нагрузки на грунт возрастают практически мгновенно. Для воспроизводства таких нагрузок в лабораторных условиях применяются описанные выше (см. § 1.3) различного рода пульсаторы, вибростенды, маятниковые копры, падающие грузы, пневмопушки и др.

Сжимаемость грунтов при импульсных воздействиях. Особенности развития деформации в грунтах при динамических нагрузках наиболее широко исследовались С. С. Григоряном, Г. М. Ляховым, Н. Д. Красниковым и др.

Характер развития объемных деформаций трехфазного грунта при различных скоростях приложения и снятия нагрузки можно проследить на примере компрессионного сжатия грунта (рис. 1.52). При очень больших скоростях нагружения, или скоростях деформирования, не успевают развиться пластические необратимые деформации скелета грунта и наблюдается упругий характер деформирования (кривая 1). Уменьшение скорости нагружения и разгрузки приводит к более сложной зависимости в(о) (кривая 2). Ветвь нагружения имеет двойную кривизну, при относительно малых давлениях она обращена выпуклостью к оси давлений (влияние структурной прочности), а при более высоких давлениях — к оси деформаций. На участке раз

грузки характерно некоторое увеличение деформаций грунта с уменьшением нагрузки (иногда называемое последействием). Наличие такого участка обусловлено вязкими свойствами грунтов, т. е. ограниченной скоростью протекания их деформаций. Наконец, при 0 = 0 наблюдается горизонтальный участок восстановления во времени части деформаций («упругое» последействие). Такой характер диаграммы деформирования является наиболее общим. В зависимости от особенностей структуры и фазового состава грунтов некоторые из

 

Рис. 1.53. Характер сжимаемости водонасыщенных песчаных грунтов при динамических (/, 2) и статических (3) нагрузках

этих участков у ряда грунтов могут отсутствовать (рис. 1.53). При статическом загружении, т. е. при скорости нагружения, стремящейся к нулю, диаграмма е(сг) (см. кривая 3 на рис. 1.52) является обычной компрессионной кривой (см. рис. 1.25 и 1.26).

Из приведенных диаграмм видно, что с увеличением скорости нагружения наблюдается существенное уменьшение деформации. Причем снижение полной деформации с увеличением скорости нагружения обусловливается в основном уменьшением необратимой части деформации. При динамических воздействиях очень ярко проявляются вязкие свойства грунта в целом, его фаз и особенно скелета грунта.

Существенное влияние на процесс динамического деформирования оказывает степень водонасыщения грунта. При полном водонасы- щении (5 = 0) деформации малы и, например, при взрывах в полностью водонасыщенных песках имеют характер кривой 1, показанной на рис. 1.53. Даже небольшое количество защемленного газа существенно повышает сжимаемость водонасыщенного песка (кривая 2), приближаясь по мере увеличения содержания газа к сжимаемости песка при статическом загружении (кривая 3), но благодаря вязким свойствам скелета грунта меньше ее.

Виброкомпрессия грунтов. Вибрационные воздействия или часто повторяющиеся импульсы могут вызывать существенное уплотнение достаточно рыхлых несвязных грунтов. Как уже отмечалось, несвяз

ные грунты мало уплотняются при статических нагрузках. Если в основании сооружения залегали рыхлые несвязные грунты, то и после постройки сооружения со статическими нагрузками они остаются в рыхлом состоянии. Только динамические воздействия способны вызвать интенсивное уплотнение несвязного грунта, существенные осадки сооружений, а в ряде случаев потерю их устойчивости и разрушение.

Необходимым условием существенного уплотнения несвязных грунтов является разрушение их структуры динамическими воздействиями. Возможность разрушения структуры несвязных грунтов, т. е. возникновение взаимных смещений частиц и нарушение их устойчивости, в основном определяется: интенсивностью динамического воздействия, начальным статическим напряженным состоянием и плотностью сложения грунта.

Влияние этих факторов ярко отражается на результатах вибро- компрессионных испытаний песчаных грунтов. Испытания производятся в условиях невозможности бокового расширения грунта, помещая компрессионные приборы (см. рис. 1.22) на вибростолы (см. рис. 1.20), создающие инерционные воздействия различной интенсивности.

В результате испытаний строятся виброкомпрессионные кривые (рис. 1.54) связи коэффициента пористости е с ускорением колебаний г| — Л со² (А — амплитуда им — частота колебаний) при различных статических сжимающих напряжениях о. Первые виброкомпрессионные кривые были получены Д. Д. Барканом и О. А. Савиновым.

При отсутствии пригрузки (о = 0) рыхлый песок по мере увеличения ускорения колебаний уплотняется, приближаясь к своему максимально плотному сложению (е_ш1п ), причем каждой величине ускорения колебания соответствует своя предельно достигаемая плотность сложения. В этом случае, если начальный коэффициент пористости е, (рис. 1.54) меньше, чем в рыхлом состоянии (е_тах), то существенное разрушение структуры непригруженного грунта начинается после достижения ускорениями колебаний критического значения т]_КР и на виброкомпрессионной кривой отмечается характерный горизонтальный участок (аЬ на рис. 1.54).

При наличии статической нагрузки о на виброкомпрессионных кривых также наблюдается наличие горизонтальных участков, соответствующих отсутствию разрушения структуры и уплотнения грунта.

Таким образом, каждой величине статической нагрузки и начального коэффициента пористости соответствует своя величина критического ускорения колебания т]_кр, при достижении которого начинается разрушение структуры и уплотнение грунта.

С увеличением нагрузки о и уменьшением начального коэффициента пористости величина критических ускорений увеличивается. Как показали эксперименты (рис. 1.55), связь между критическим ускорением колебаний и статической нагрузкой близка к линейной (Н. Н. Маслов, О. А. Савинов). Такое влияние пригрузки объясня
ется тем, что при разрушении структуры динамические воздействия преодолевают силы трения между частицами, а статическая сжимающая нагрузка вызывает повышение давления в контактах между частицами, увеличивая, таким образом, сопротивление их смещению. В этом заключается полезная роль пригрузок, уменьшающих или полностью ликвидирующих возможность разрушения структуры даже рыхлых несвязных грунтов.

Другой не менее существенной особенностью виброуплотнения несвязных грунтов является наличие предела виброуплотнения зависящего от интенсивности статической нагрузки (см. рис. 1.54). При отсутствии статической нагрузки (о = 0) е_пр = е_т(_П . С увеличением статической пригрузки е_аР увеличивается, т. е. грунт меньше уплотняется.

В результате виброкомпрессионных опытов с песками была получена (П. Л. Иванов, Л. Ш. Горелик) связь конечного достигаемого значения коэффициента пористости е_к с интенсивностью статической нагрузки и ускорениями колебаний (рис. 1.56). В достаточно широком диапазоне ускорений колебаний (до 0,8^) зависимость коэффициента пористости от сжимающих напряжений в скелете грунта при постоянном ускорении колебаний может быть принята линейной. Полученные прямые дают связь критических ускорений колебаний с величинами о и е. В соответствии с обозначениями на рис. 1.56 ее можно представить в виде

е_к = е₀—'а_я[о(е₀) — а_я}, (1.43)

где а₂ — коэффициент уплотнения; о(е₀) — напряжения, которые при начальном коэффициенте пористости е₀ препятствуют разрушению структуры грунта динамическим воздействием интенсивностью ц; е_к — конечный коэффициент пористости при действующих в грунте напряжениях сг_д и ускорениях колебаний т],

Таким образом, статическая нагрузка не только снимает возможность разрушения структуры грунта, но и уменьшает уплот~ няемость несвязных грунтов при динамических воздействиях.

Влажность несвязных грунтов оказывает существенное влияние на их уплотняемость под действием динамических нагрузок. Лабораторные исследования и производственный опыт свидетельствуют о значительно лучшем уплотнении сухих и особенно водонасыщенных песков.

Виброползучесть грунтов. Характерным для уплотнения несвязных грунтов при вибрационных воздействиях или действии повторяющихся импульсов является ярко выраженное накопление объемных деформаций во времени. Это объясняется постепенным накоплением взаимных смещений частиц от каждого отдельного импульса. При увеличении частоты приложения импульсов или вибрациях взаимные смещения частиц накладываются и происходит процесс их непрерыв
ного смещения. Накопление деформаций во времени при постоянных ускорениях колебаний и напряжениях было названо виброползучестыо (П. Л. Иванов, 1960 г.) несвязных грунтов. Впервые исследовал уплотнение сухих песков во времени при вибрации Д. Д. Баркан.

Характер кривых виброползучести несвязных грунтов, т. е. изменения коэффициента пористости Ае во времени I, приведен на рис. 1.57 (П. Л. Иванов, Л. Ш. Горелик). Они удовлетворительно описываются экспоненциальной функцией (пунктир на рис. 1.57)

вида 1— ехр (—у^). Тогда, учитывая зависимость (1.43), уравнение виброкомпрессии при постоянном ускорении колебаний и сжимающем напряжении можно представить в виде

е (0 = е₀ — «а 1° (^ео) — °д][ 1 — ехр (— т* 01. 0 •⁴⁴)

где а₂ и у г — параметры виброползучести.

Ползучесть скелета несвязных грунтов наиболее ярко проявляется при относительно слабых вибрациях. С увеличением ускорений колебаний возрастает интенсивность деформаций виброползучестн. Кроме того, с увеличением частоты вибраций при постоянном ускорении колебаний увеличиваются скорости нарастания деформаций виброползучести.

Деформации сдвига при повторяющихся динамических воздействиях носят еще более ярко выраженный характер впброползучести. Опыты со штампами показали, что при небольших вибрационных воздействиях малозатухающие горизонтальные смещения наблюдаются при горизонтальных усилиях, в 3...4 раза меньших, чем сдвигающие. Причиной длительных смещений несвязного грунта при действии касательных напряжений по-видимому являются неравномерное распределение напряжений между частицами и различная устойчивость отдельных частиц грунта. Происходит смещение отдельных наименее устойчивых частиц грунта, изменение напряжен-

ного состояния рядом расположенных частиц, последующее их смещение и т. д.

В натурных условиях на ряде тепловых станций наблюдаются длительные (несколько лет) осадки фундаментов с динамическими нагрузками, расположенных на песчаных основаниях. Здание кузнечного цеха на песках в г. Горьком давало осадку (10...30 см) в течение семи лет без существенного затухания. Причиной таких длительных деформаций могут быть только объемные и сдвиговые деформации виброползучести нижележащих песчаных грунтов. Следует отметить, что сдвиговая виброползучесть очень слабо исследована. В последние годы начаты исследования (С. Р. Месчян) виброползучести глинистых грунтов. Особое значение этот вопрос приобрел в последние годы в связи с проектированием крупнейших турбоагрегатных блоков, очень чувствительных к ничтожным неравномерным осадкам фундаментов.

Прочность грунтов при динамических воздействиях. Прочность грунтов при одиночных импульсах исследовалась на приборах трехосного и одноосного сжатия с различным временем нарастания вертикальной нагрузки до разрушающей от медленного — статического («стандартная» прочность) до 0,05 с, а в некоторых исследованиях до 0,001 с (А. Казагранде и В. Шанон, Р. Уайтман и др.). В качестве критерия разрушения в основном принималось достижение определенной величины деформаций, образование в образцах плоскостей сдвига или результаты анализа записей напряжений и деформаций во времени.

Во всех опытах с различными грунтами от песков до глин отмечалось, что с уменьшением времени нагружения (с увеличением скорости загружения) прочность на сжатие увеличивается. Так, в глинистых грунтах при сравнении опытов со скоростью загружения 0,02 с с испытаниями при скорости загружения 10 мин прочность возрастала в 1,5...2 раза, причем меньшие значения получены для более прочных глин. В песчаных грунтах эффект влияния скорости загружения был значительно ниже и приращение прочности не превышало 15% от статической.

Наблюдаемое повышение прочности грунтов на сдвиг можно объяснить тем, что с уменьшением времени действия разрушающей нагрузки не успевают развиться деформации сдвига. Для разрушения грунта необходимо время, связанное с перестройкой его структуры и преодолением вязких структурных связей. С позиций понятия о длительной прочности (см. рис. 1.47) испытания при импульсных нагрузках располагаются в начальной пунктирной части кривой длительной прочности.

При повторяющихся импульсах и вибрациях все наблюдения и опыты показывают обратную картину — существенное в ряде случаев снижение сопротивления грунтов сдвигу.

В случае песчаных грунтов, для которых сопротивление сдвигу определяется зависимостью Кулона т = сг1§ф, многие годы бытовало представление, что уменьшение сопротивления сдвигу вызывается уменьшением угла внутреннего трения <р при вибрации. К сожалению, это ошибочное представление вошло в ряд учебников и нормативных документов. Ошибка заключалась в том, что не учитывалось изменение а в период действия вибрационных нагрузок.

В лаборатории^г механ :.ки грунтов Ленинградского политехнического института начиная с 1952 г. были поставлены многочисленные опыты по исследованию прочности песчаных грунтов при действии вибрационных и пульсационных нагрузок при различных схемах испытаний, отличительной особенностью которых являлся учет и измерение изменения напряженного состояния грунта при динамических воздействиях.

Рис. 1.58. Схема сдвиговых опытов со штампом и графики изменения предельного сопротивления грунта сдвигу при вертикальном вибрировании штампа: 1 — статика; 2, 3 —при вибрации; по расчету

 

При испытании вибрирующих штампов на свиг (рис. 1.58, а) учитывалось изменение нормальных напряжений по подошве штампа. Механический вибратор вертикального действия изменял напряжения в пределах ±Аа (рис. 1.58,6). Учет снижения сопротивления сдвигу по зависимости Кулона т = (о—Аа){§ф приводил к периодическому сдвигу и практически точному совпадению опытных и расчетных данных при сохранении неизменности <р, полученного из статических испытаний (рис. 1.58, в).

Другим примером могут быть опыты в динамическом стабилометре (П. Л. Иванов, В. А. Поспелов), в котором образцы песчаного грунта доводились до разрушения также с учетом всех дополнительных динамических напряжений (Д<71 и Доз на рис. 1.24). Из круга Мора (см. рис. 1.39) условие прочности Кулона выражается в форме $1Пф = (01 — (?з)/(сх1 + сгз). С учетом дополнительного действия динамических нагрузок в стабилометре зависимость Кулона приобретает вид

в, 4- Д^! — а₃ — Да„

Таким образом, в широком диапазоне ускорений колебаний (до 1 §) есть все основания считать, что угол внутреннего трения несвязных грунтов не изменяется. Поэтому при вибрационных и сейсмических воздействиях устойчивость сооружений на сдвиг или развитие областей пластических деформаций должны проверяться с учетом динамических составляющих напряжений при постоянных значениях угла внутреннего трения, полученного из обычных статических испытаний.

В общем виде условие отсутствия сдвига в несвязном грунте по какой-либо площадке можно представить в виде

X ± Ах (/) < [а — р (() ± Да (/)] Ф, (1.46)

где т и ст — касательные напряжения в скелете грунта по рассматриваемой площадке до приложения динамической нагрузки; Дт(^) и Дст(^) —дополнительные напряжения в период действия динамической нагрузки; р(1) — избыточное давление в поровой воде, возникающее в результате действия динамической нагрузки.

Необходимо отметить, что выше рассматривались только вибрации умеренной интенсивности. Это соответствует действию промышленных вибраций и сейсмики, при которых ускорения колебаний очень редко превышают 0,8 §. При больших ускорениях колебаний (например, вибропогружение свай, оболочек и др.) условие постоянства угла внутреннего трения, возможно, существенно нарушается.

В глинистых грунтах, особенно пластичной или текучей консистенции, наблюдаемое снижение их прочности при вибрационных воздействиях или повторяющихся импульсах можно объяснить не только изменением их напряженного состояния, но и временным уменьшением характеристики их прочности ср и особенно с (И. В. Проку- дин, X. 3. Расулов). Предполагается, что при динамических воздействиях молекулы связанной воды и ионы диффузного слоя приходят в движение и временно теряют ориентацию и связь с твердыми частицами, т. е. вода диффузного слоя в период действия вибраций ста-
яовится свободной. Внешне создается впечатление, что грунт как бы увлажняется и, например, из пластичной переходит в текучую консистенцию. В результате этих явлений тиксотропии его характеристики прочности уменьшаются, но после прекращения действия динамических нагрузок связи между частицами и поровой водой восстанавливаются и грунт приобретает первоначальные свойства. Одновременно с процессами тиксотропии снижение прочности глинистых грунтов возможно за счет повышения давлений в поровой воде в результа-

Рис. 1.60. Примеры разжижения несвязных водонасыщенных грунтов: авария Свирской плотины (а) при взрыве заряда ВВ в водохранилище (1935); погружение и опрокидывание зданий (б) и всплытие пустой цистерны (в) во время землетрясения в Ниагате (Япония, 1964 г.); образование гейзеров разжиженного грунта и конусов выноса песка (г)',

 

те их уплотнения. Поэтому динамические испытания глинистых грунтов обязательно должны вестись при уверенном контроле давлений в поровой воде.

В глинистых грунтах, особенно обладающих достаточно жесткими структурными связями, при вибрациях или длительно повторяющихся импульсах наблюдается снижение прочности с увеличением времени действия динамических нагрузок, т. е. проявляется усталостная прочность грунта. Как и при явлениях длительной прочности, происходит накопление «дефектов» структуры и падение прочности грунта, но более интенсивное, чем при статических нагрузках.

Разжижение водонасыщенных несвязных грунтов. Выше рассматривались особенности деформируемости и прочности сухих и маловлажных несвязных грунтов. В гидротехнической практике особый интерес представляют несвязные грунты, поры которых заполнены водой.

Характерной особенностью рыхлых водонасыщенных несвязных грунтов является их способность переходить в разжиженное состояние. Несвязный водонасыщенный грунт временно превращается в тяжелую вязкую жидкость. В результате земляные сооружения растекаются, тяжелые сооружения тонут в разжиженном грунте, а легкие всплывают (рис. 1.60). В природных условиях наблюдались многочисленные случаи разжижения значительных масс грунта.

В зависимости от характера силового воздействия явления разжижения проявляются в различной степени. При землетрясениях
они возникают на больших площадях неожиданно и протекают в течение нескольких минут, а иногда и секунд, нанося большой материальный ущерб и сопровождаясь в ряде случаев человеческими жертвами. С другой стороны, явления разжижения проявляются очень часто в сравнительно малых масштабах, например, при хождении людей или проезде транспорта по поверхности рыхлых водонасыщенных песков, при отрытии котлованов, колодцев и канав в этих грунтах и т. п. В ряде случаев разжижение несвязных грунтов приносит

пользу, например облегчает погружение свай или шпунтов вибраций или ударами.

Описания аварий и явлений разжижения приводились в первых работах К- Терцаги (1925—- 1930). На строительстве Свирской ГЭС сразу же после аварии в 1935 г. были поставлены первые лабораторные опыты Н. Н. Масловыми и Е. Д. Кадомским, результаты которых не были, к сожалению, в свое время опубликованы. Первые систематические лабораторные и полевые исследования непосредственно самого процесса разжижения водонасыщенных несвязных грунтов были проведены в ЛПИ в 1949 — 1950 гг. автором под руководством

В. А. Флорина. В дальнейшем в Советском Союзе проводились

многие годы широкие исследования в этом направлении в ЛПИ (В. А. Флорин, П. Л. Иванов), ЛИСИ, и МАДИ (Н. Н. Маслов), ВНИИГе (Л. А. Эйслер) и др. За рубежом такие исследования были начаты значительно позже, в 60—70-е годы. Исследования проводились в США (X. Б. Сид), Японии (И. Ишими, К- Ишихара) и ФРГ (Г. Гудехус).

Процесс разжижения наиболее наглядно может быть показан на примере условной модели несвязного грунта в виде рыхлоуложенных шаров (рис. 1.61, а). При разрушении структуры, например, путем сдвига верхнего ряда шаров они временно занимают положение, показанное на рис. 1.61, б, что приводит к потере контактов между шарами. Под действием собственного веса шары верхнего ряда стремятся опуститься в промежутки между шарами нижнего ряда, в результате чего образуется более плотная укладка (рис. 1.61, б). Так как пространство между шарами заполнено водой, то перемещение вниз шаров верхнего ряда происходит не сразу и зависит от скорости отжатая воды. Пребывание шаров в положении, показанном на рис. 1.61, б, иллюстрирует разжиженное состояние песка, так как при потере контактов не происходит передачи давлений от собственного веса шаров или внешней нагрузки и система шаров приобретает способность растекаться. В реальных несвязных грунтах под потерей контактов между частицами понимается не только отсутствие точек и плоскостей
соприкосновения одной частицы с другой, но и отсутствие передачи напряжений в этих контактах. Следует подчеркнуть, что при разрушении структуры и переходе в разжиженное состояние плотность укладки грунта или пористости не меняется, остается такой же, как и до разжижения, только меняется взаимное расположение частиц. Изменение пористости до величины п-₂ происходит в процессе переукладки частиц и сопровождается отжатием воды, что требует времени.

Переход реальных песчаных грунтов в разжиженное состояние можно наблюдать на поставленном впервые Е. Д. Кадомским в 1935 г. простом опыте. В наполненный водой сосуд (рис. 1.62) устанавливается пьезометр, представляющий стеклянную трубку, нижний конец которой обтянут сеткой, препятствующей попаданию в трубку частиц песка. Затем в сосуд тонкой струей насыпается сухой песок, который, осаждаясь, откладывается в воде с плотностью, близкой к минимальной. После заполнения сосуда песком производится удар по столу. Динамические воздействия вызывают разрушение структуры грунта, что приводит к переходу песка в разжиженное состояние; при этом гирька, установленная на поверхности грунта, тонет в нем, а легкие предметы, находящиеся внутри слоя песка, всплывают.

Вследствие перехода песка в разжиженное состояние давление в воде повышается и уровень ее в пьезометрической трубке поднимается. После достижения максимума происходит медленное падение давления и плавное снижение уровня воды в трубке до первоначального. Одновременно наблюдается снижение уровня грунта в сосуде, вызываемое уплотнением песка. Уменьшение давлений в воде происходит вследствие приобретения контактов между частицами и образования новой, более плотной структуры песка. После ряда ударов явления разжижения, и, как следствие, повышение давлений в воде прекращается. Увеличение интенсивности ударного воздействия может вновь вызвать повышение уровня воды в пьезометре, но при достижении песком максимально плотного состояния даже весьма большие динамические воздействия не могут привести к возникновению явлений разжижения.

Таким образом, весь процесс разжижения состоит из разрушения структуры, собственно разжижения несвязного грунта; уплотнения грунта.

В зависимости от характера воздействия, например при ударах, четко проявляется эта последовательность, а в других случаях при вибрационных воздействиях все происходит почти одновременно.

Явлениями разжижения водонасыщенных несвязных грунтов
будем называть явления полной или частичной потери грунтом его несущей способности и переход грунта в текучее состояние, возникающее в результате разрушения структуры и смещения частиц относительно друг друга, сопровождаемые образованием более плотной укладки частиц и уменьшением пористости.

Необходимыми условиями возникновения явлений разжижения являются: разрушение структуры, возможность уплотнения грунта-, полное или близкое к полному насыщение грунта водой. Невыполнение какого-либо из них приводит к невозможности возникновения явлений разжижения. Мероприятия по борьбе с разжижением основаны на нарушении тем или иным путем одного из данных условий.

Возможность разрушения структуры несвязных грунтов, т. е. возникновение взаимных смещений частиц и нарушение их устойчивости в основном определяются интенсивностью воздействий, в частности, динамических, начальным напряженным состоянием и плотностью грунта. Кроме того, возможность взаимного смещения частиц определяется наличием и прочностью связей между ними.

В случае полного разрушения структуры и полного разжижения грунта возникают максимально возможные избыточные давления в воде. Полностью разжиженную массу грунта условно можно представить в’виде суспензии, т. е. воды с взвешенными в ней частицами (см. рис. 1.61,6). При этом удельный вес разжиженного грунта складывается из веса частиц грунта и веса воды:

7р = Т ₈"* + Т«* С¹-⁴⁷)

где пит — объем пор и скелета грунта в единице объема.

Соответственно давление в воде полностью разжиженного грунта на глубине Н—г (рис. 1.63) будет

Р' = Тр(й —г), (1-48)

 

а избыточные давления в этом случае

 

Ртял ⁼ (Тр Т) 2) - Твзв 2), (1.49)

^гД^е Твзв — удельный вес взвешенного в воде грунта.

В ряде случаев возникает неполное разжижение грунта, названное частичным (П. Л. Иванов), при котором избыточные давления в воде не достигают предельного максимального значения. При этом часть сжимающих напряжений в скелете грунта сохраняется (рис. 1.63, б) и грунт обладает несущей способностью.

Сопоставляя наибольшее возможное при полном разжижении избыточное давление в воде р_тах с избыточным давлением, соответствующим состоянию частичного разжижения р, отношение

Я = р1рш* (I-⁵⁰)

можно назвать степенью разжижения, которое в случае непригру- женного слоя грунта будет

N ⁼ Р!Твзв 2).

Числовые значения этой величины могут изменяться от 0 до 1. При N — 1 имеет место полное разжижение грунта.

В результате разрушения структуры достаточно рыхлого водонасыщенного несвязного грунта возникает процесс его уплотнения, сопровождаемый отжатием воды из пор грунта, т. е. происходит процесс консолидации несвязного грунта.

Как показали, опыты с ударными и взрывными воздействиями (П. Л. Иванов), процесс переукладки частиц (уплотнения) возникает в нижней части разжиженного непригруженного слоя и постепенно

распространяется вверх. Уплотнение происходит под действием собственного веса частиц песка, а изменение пористости — в основном в месте контакта разжиженной и неразжиженной частей слоя, на смещающейся во времени границе г_{ (рис. 1.64). В результате в разжиженном состоянии остается дольше всего верхняя часть слоя.

Опыты также показали, что при полном разжижении вновь приобретаемая плотность скелета песка не зависит от интенсивности ударного воздействия, а определяется только величиной начальной плотности укладки грунта. Это объясняется тем, что уплотнение происходит только под действием собственного веса частиц и после действия ударной нагрузки. При переходе участка грунта в полностью разжиженное состояние увеличение интенсивности динамического воздействия вызывает только увеличение области грунта, захваченной разжижением, но не повышает приобретаемой после переукладки частиц плотности песка. Повышения плотности песка можно добиваться только повторным разрушением структуры грунта, т. е. путем нескольких последовательных ударных или взрывных воздействий.

Время консолидации (уплотнения) и пребывания грунта в разжиженном состоянии в основном определяется водопроницаемостью грунта, величиной изменения его пористости, длиной пути фильтрации отжимаемой из пор грунта воды и, в частности, мощностью зоны разжижения. С увеличением толщины разжиженного слоя, увеличением изменения пористости грунта и уменьшением его коэффициента фильтрации время пребывания его в разжиженном состоянии увеличивается.

Существовало неправильное представление, что только мелкозернистые пески обладают способностью переходить в разжиженное со-
стоянне. Более того, делались попытки только по гранулометрическому составу выделить грунты, способные и неспособные переходить в разжиженное состояние. Опыты показали, что состояние разжижения присуще всем рыхлым водонасыщенным грунтам любой крупности. Характер процесса разжижения и уплотнения не зависит от гранулометрического состава, но с увеличением крупности и, следовательно, водопроницаемости значительно уменьшается время пребывания его в разжиженном состоянии. При разрушении структуры небольших слоев крупнозернистых грунтов время пребывания в разжиженном состоянии настолько мало, что в них практически не наблюдается внешних проявлений разжижения, что и привело к неправильным представлениям.

Время пребывания грунта в разжиженном состоянии определяет его смещения и тем самым опасность явлений разжижения для целостности сооружения. В ряде случаев за короткий период существования разжижения смещения настолько малы, что могут быть безопасными для сооружения.

Если повторные ударные или взрывные воздействия производить до прекращения процесса переукладки частиц, вызванного предшествующими ударами, то наблюдается дополнительное повышение давлений в поровой воде. При первом ударе (взрыве) происходит разжижение верхних, менее пригруженных слоев грунта, что приводит к временному уменьшению напряжений от собственного веса в нижележащих. Вследствие этого последующий удар, произведенный до окончания процесса уплотнения грунта, легко разрушает структуру нижних слоев песка, и по мере приложения последующих ударных воздействий происходит распространение зоны разжижения в глубину слоя грунта. Этот процесс был назван (П. Л. Иванов) послойным разжижением грунта и ярко проявляется при повторяющихся импульсах и особенно вибрациях.

Методы оценки возможности разжижения несвязных грунтов основаны на анализе условий нарушения их структуры.

Из наиболее разработанных критериев следует отметить метод критических ускорений колебаний (О. А. Савинов, Н. Н. Маслов). По этому методу в качестве критерия невозможности возникновения явлений разжижения принимается условие

Лр ⁼ Лд ^ Лкр >

где т)р—расчетное ускорение колебаний; /е₃ > 1—коэффициент запаса.

Действующее в массиве грунта ускорение колебаний т]_д определяют или прогнозируют в зависимости от источника колебаний (вибрации фундаментов, землетрясения и др.) различными методами: путем решения динамических задач колебаний грунтов, на основании натурных наблюдений и др.

Критические ускорения колебаний г]_Кр определяют по результатам виброкомпрессионных испытаний, в частности непосредственно по виброкомпрессионным кривым (см. рис. 1.54).

Таким образом, при оценке возможности разжижения по методу критических ускорений колебаний ставится условие отсутствия ма
лейшего разрушения структуры грунта. В целом ряде земляных сооружений, особенно при устройстве дренажей или дренирующих пригрузок, могут быть допущены небольшие зоны разрушения структуры и частичного разжижения грунта, не приводящие к потере устойчивости. Поэтому требование, чтобы в любой точке земляной среды выполнялось условие % Сг|_{к р}, очень жесткое и в ряде случаев приводит к увеличению стоимости сооружений.

Оценка возможности перехода грунта в полностью разжиженное состояние и допустимости частичного разжижения песка может производиться на основе расчетов консолидации несвязных грунтов с учетом виброползучести их скелета [101. Кроме того, в полевых условиях применяются взрывы зарядов ВВ — так называемый способ взрывного зондирования [11].

Возможность возникновения опасных для устойчивости и прочности гидротехнических сооружений зон разжижения несвязных грунтов обусловливает необходимость применения ряда мероприятий по борьбе с этими явлениями.

Все используемые с этой целью в инженерной практике мероприятия по характеру их действия можно разделить на два вида: предотвращающие возможность возникновения разжижения и уменьшающие вредные последствия разжижения.

При характерных для гидротехнического строительства значительных по площади массивах несвязных грунтов наиболее эффективными из первой группы мероприятий являются уплотнение несвязных грунтов и устройство пригрузок. Обычно давление сооружения создает весьма большую пригрузку основания, поэтому наиболее опасными в отношении возможности разжижения являются не- пригруженные соседние краевые участки, в пределах которых только и имеет смысл уплотнение грунта (рис. 1.65, а) или устройство пригрузок (рис. 1.65, б). В земляных плотинах пригрузку или уплотнение целесообразно производить на участках подводной части откоса (рис. 1.65, д, з, и) и в местах близкого расположения кривой депрессии к поверхности низового откоса.

Одним из основных путей уменьшения смещения разжиженных масс грунта является ускорение процесса их консолидации. За короткий период пребывания в разжиженном состоянии не произойдет смещения грунта вследствие его растекания или выдавливания и будут наблюдаться только сравнительно небольшие осадки сооружений, образующиеся за счет уплотнения грунта.

С помощью устройства в теле земляного сооружения (рис. 1.65, в) или основании (рис. 1.65, г) горизонтальных и вертикальных дренажей можно регулировать время пребывания грунта в разжиженном состоянии. С уменьшением расстояния между дренами время разжижения существенно уменьшается. Дренирующая пригрузка (рис. 1.65, б, д, з, и) не только исключает возможность разжижения, но даже в случае их возникновения значительно уменьшает время пребывания грунта в разжиженном состоянии.

Уплотнение грунтов при трамбовании и укатке, оптимальная влажность. При возведении насыпных грунтовых сооружений и осо
бенно плотин грунты, как правило, уплотняются путем укатки или трамбования. Необходимо из укладываемых обычно комковатых карьерных грунтов создать монолитный грунтовый массив с заданными деформационными и прочностными характеристиками, определяемыми в значительной мере начальной плотностью укладки грунта, которая обычно задается проектом сооружения. Уплотняемость грунтов при

укатке или трамбовании существенно зависит от их влажности. Маловлажные глинистые грунты уплотняются плохо, для получения заданной плотности требуется

Рис. 1.65. Мероприятия по борьбе с явлениями разжижения: а — уплотнение; б — дренирующая пригрузка основания; в — горизонтальные дренажи в откосе; г — вертикальные дренажи в основании; д — пригрузка откоса; е — сваи; о/с — шпунтовые ограждения; з — упорные банкеты и пригрузки; и — снижение кривой депрессии и пригрузка

большое число ходок катка или ударов трамбовки, а иногда применяемым механизмам ее и не удается достигнуть. Сильно увлажненные грунты почти не уплотняются, при проходке катка поверхность грунта прогибается, а перед движущимся катком образуется характерная временная «волна» грунта, т. е. наблюдаются явные признаки только деформаций формоизменения без уплотнения грунта. К тому же переувлажненный грунт прилипает к рабочим органам механизмов и их работа в таких грунтах становится вообще невозможной. Таким образом, как показывает опыт уплотнения грунтов, имеется промежуточное значение влажности грунта, называемой оптимальной влажностью, при которой получается наибольший эффект уплотнения при наименьшей затрате работы грунтоуплотняющих механизмов (наименьшее число ходок или ударов).

Для предварительного определения оптимальной влажности в лабораторных условиях производят испытания грунта в специальном

уплотнителе (рис. 1.66, а), представляющем собой компрессионный стакан с испытываемым грунтом и штамп, передающий на грунт удар груза, падающего с определенной высоты (Р. Р. Проктор). Укладывая грунт различной влажности, производят определение плотности его скелета (сухого грунта) после одинакового числа ударов (Л/_уД) груза весом О, падающим с постоянной высоты к. В результате получают кривую ударного уплотнения грунта (рис. 1.66, б), на которой ярко видна величина оптимальной влажности ®_опт, при которой работа уплотнения А₁ (А — СкN_УЛ) приводит к достижению максимальной плотности скелета грунта. При увеличении затрачиваемой работы путем увеличения С или к оптимальная влажность обычно несколько уменьшается (рис. 1.66, б, аи’ и а.’"'_пт при Л₂ и Л₃).

Причиной слабого уплотнения маловлажного глинистого грунта является наличие большой связанности частиц и, как следствие, высокая прочность комьев грунта. Легкие катки не в состоянии их разрушить и обеспечить сплошность — монолитность грунта. При увлажнении пленки связанной воды утолщаются, возникает расклинивающий эффект (см. § 1.1), комки легче раздавливаются и грунт, содержащий большое количество незащемленного воздуха, легко уплотняется. При дальнейшем увлажнении, когда большинство пор заполняется водой, уплотнение такого грунта, требующее отжатия воды, за короткий период проходки катка или удара трамбовки не успевает происходить, и грунт прекращает уплотняться. На рис. 1.66, б пунктиром нанесена кривая связи плотности скелета грунта с влажностью при полном заполнении пор водой (5 = 0), правее которой вообще невозможна никакая плотность скелета грунта без отжатия воды, т. е. без одновременного изменения влажности грунта.

Величина оптимальной влажности зависит не только от свойств грунта, но и от параметров грунтоуплотняющих механизмов (удельное давление катка, вес и характер импульса трамбовки и др.). Поэтому оптимальную влажность для каждого механизма уточняют непосредственно на строительстве путем организации участка опытной укатки грунта различной влажности. Имеются также предложения воспроизводить при компрессионных испытаниях удельное давление и время действия (скорость проходки) катков, применяемых на строительстве (Б. Ф. Рельтов). В качестве самого первого приближения можно принять, что а>опт = — (0,02...0,04), где а>_р — влажность на границе раскатывания (пластичности).

Для приближения к оптимальной карьерные маловлажные грунты увлажняют либо непосредственно в карьере, либо на карте укатки путем их полива. Сильно влажные карьерные грунты иногда удается подсушить естественным путем, например, как это делалось на строительстве Ассуанской плотины временной отсыпкой нильского ила тонкими слоями на близлежащей к карьеру территории пустыни.

В последние годы для уплотнения больших толщ водонасыщенных грунтов стали применять тяжелые трамбовки массой до 40 т и даже 200 т, падающие с высоты 20...50 м (фирма «Менар», Франция). Уплотнение грунта на глубину до 11—35 м происходит в основном за счет сжатия в момент удара, содержащихся в водонасыщенном грунте, пузырьков защемленного газа и последующей длительной переукладки частиц грунта. После ударного воздействия длительное время за счет расширения газовых пузырьков происходит отжатие воды из пор грунта.