Основные понятия и допущения
Давление грунта на ограждающую поверхность зависит от многих факторов:
- способа и последовательности засыпки грунта;
- естественного и искусственного трамбования;
- физико-механических свойств грунта;
- случайных или систематических сотрясений грунта;
- осадок и перемещений стенки под действием собственного веса, давления грунта;
- типа сопряженных сооружений.
Все это значительно осложняет задачу определения давления грунта. Существуют теории определения давления грунта, использующие предпосылки, позволяющие с разной степенью точности выполнять решения задачи. Отметим, что решение этой задачи выполняется в плоской постановке.
Теория Кулона, предложенная в 1776 г., основывается на рассмотрении предельного равновесия призмы грунта, Ограниченной прямолинейными плоскостями обрушения (выпирания). Более строгое решение о предельном равновесии показывает, что действительное очертание этих поверхностей скольжения является криволинейным. Однако величины активного давления грунта на вертикальные или близкие к вертикальным, жесткие, гладкие и шероховатые стенки, определенные по Кулону и по точной методике,различаются между собой на 2—3 % что, несомненно, можно считать удовлетворительным результатом с инженерной точки зрения. Пассивное давление грунта весьма существенно зависит от трения грунта о стенку, которое в реальных условиях всегда имеет место. Учет трения грунта о стенку с использованием зависимостей, вытекающих из теории Кулона, дает при φ = 15—20° существенную погрешность в сторону преувеличения по сравнению с имеющимся решением. Более точные результаты дает теория, предложенная СВ. Соколовским, построенная на основе общей теории предельного напряженного состояния сыпучей среды. Существуют различные интерпретации этой теории, в том числе и хорошо известная графическая трактовка С.С. Галушкевича.
В большинстве инженерных расчетов используются результаты, полученные на основании теории Кулона; в тех случаях, когда результаты следует уточнить, используются поправочные коэффициенты, вводимые на основании точных решений и экспериментальных данных. Различают следующие виды бокового давления грунта:
- давление покоя (Eа), называемое также естественным (натуральное), действующее в том случае, когда стена (ограждающая поверхность) неподвижна или относительные перемещения грунта и конструкции малы (рис. 10.7);
- активное давление (Eа) возникающее при значительных перемещениях конструкции в направлении давления и образования плоскостей скольжения в грунте, соответствующих его предельному равновесию (рис. 10.8). АБС — основание призмы обрушения, высота призмы — 1 м;
- пассивное давление (Ер), появляющееся при значительных перемещениях конструкции в направлении, противоположном направлению давления и сопровождающееся началом «выпора грунта» (рис. 10.9). АБС— основание призмы выпирания, высота призмы —1м;
- дополнительное реактивное давление (Еr), которое образуется при движении конструкции в сторону грунта (в направлении, противоположном давлению), но не вызывает «выпора грунта».
Рис. 10.7. Схема к понятию давления покоя
Рис. 10.8. Схема к понятию активного давления
Рис. 10.9. Схема к понятию пассивного давления
Наибольшей из этих нагрузок (для одного и того же сооружения) является
пассивное давление, наименьшей — активное.
Соотношение между
рассмотренными силами выглядит так:
Ea < Eo < Er < Ep (10.1)
Изменение давления грунта в зависимости от перемещения стены и представлено на рис. 10.10.
Рис. 10.10. Схема изменения давления грунта на подпорную стенку в зависимости от ее перемещения
Активное давление грунта вводится в качестве
внешней нагрузки в расчетах на устойчивость сооружений на сдвиг и прочность
гибких конструкций.
Пассивное давление
учитывается как предельная реактивная сила при устойчивости и прочности
сооружений, для которых горизонтальные перемещения являются допустимыми.
Боковое давление грунта в состоянии покоя принимают во внимание в том случае, когда устанавливают прочность уголковых и контрфорсных подпорных стен, массивных стен камер шлюзов, доков и т.п.
Для расчета подпорной стенки необходимо знать полное давление на любой участок, считая от поверхности земли. Рассматривая бесконечно длинную стенку с одинаковыми условиями по ее длине, приводим задачу к плоской. В этом случае рассматривается подпорная стенка протяженностью 1 м. Давление грунта, приходящееся на единицу высоты стенки шириной 1 м, называется интенсивностью давления, которая считается распределенной по высоте стенки по линейному закону.
