книги / Прочность грунтов и устойчивость оснований сооружений
..pdfМ.В. Малышев
ПРОЧНОСТЬ
ГРУНТОВ
И УСТОЙЧИВОСТЬ ОСНОВАНИЙ СООРУЖЕНИЙ
2-е издание, переработанное и дополненное
Москва Стройиздат 1994
# Д К 624.131.439 + 624.131.537
Малышев М. В. Прочность грунтов и устойчивость оснований сооружений.— 2-е изд., перераб. и доп.— М.: Стройиздат, 1994.— 228 с.: ил.— ISBN 5-274-01781-9.
Изложены вопросы прочности грунтов, находящихся в условиях сложного напряженного состояния, и приведены инвариантные по отношению к нему параметры, характеризующие прочность. Описаны функциональные зависимости между напряжениями и деформациями для грунтов. Предложен инженерный метод расчета осадок фунда ментов, в котором используются эти зависимости. Рассмотрены спо собы нахождения несущей способности оснований с помощью решений задач теории предельного равновесия сыпучей среды и нелинейной теории упругости. Второе издание переработано и дополнено разде лами, посвященными геометрическому представлению условий проч ности, процессу нагрузки и разгрузки грунтов, мерам деформации, ко эффициенту бокового давления, влиянию шероховатости подошвы фундамента на несущую способность основания, предельному рав новесию сыпучего клина и др. Первое издание вышло в 1980 г.
Для научных и инженерно-технических работников научноисследовательских и проектных организаций и фирм.
Табл. 18, ил. 79, список лит.: 69 назв.
Федеральная целевая программа книгоиздания России
Рецензент — д-р техн. наук, проф. П, Л. Иванов.
Редактор — Г. А. Лебедева.
3304000000—427 |
© Стройиздат, 1980 |
КБ-3-552-1993 |
|
047 (01) — 94 |
|
© М. В. Малышев, 1994 с изменениями.
In the book are described the problems of soil strength in the complicate stress state and given independent parameters of the strength.
Showed the |
simple relationships |
between |
stresses |
and deformations |
-for soils. It |
is proposed the |
practical |
method |
of calculation the |
settlements of shallow foundations based on the non-linear relationships.
Considered |
the different |
methods |
of calculation' the bearing capacity |
||||
of |
the soil |
foundations |
by |
using |
the theories of limit equilibrium |
||
of |
loose |
medium and |
non-linear |
elasticity |
solutions. The practical |
||
methods |
of |
calculation |
are |
described. The |
book is adressed to the |
||
engineers |
and scientists. |
|
|
|
|
Посвящается светлой памяти моих родителей Маргариты Генриховны Малышевой и Вадима Михайловича Малышева в связи со столетием со дня их рождения, исполнившимся в 1993 году.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Обеспечение надежности сооружений — одна из основных задач проектиро вания и строительства. Для этого необходимо иметь данные не только о возво
димых сооружениях, но также о физических и особенно |
механических |
свойствах грунтов оснований этих сооружений — их прочности |
и деформируе |
мости, показатели которых могут изменяться с течением времени. Оптимальные результаты проектирования связаны с изысканием скрытых резервов, макси мальным использованием природных свойств грунтов и экономичным расхо дованием материалов.
Сейчас проектирование ведется исходя из двух предельных состояний. Если бы был составлен достаточно достоверный прогноз поведения и взаимо действия сооружений с их основаниями, охватывающий как строительный, так и эксплуатационный период, то, очевидно, в дальнейшем не потребовалось бы удовлетворять два различных критерия, связанные с достижением пре дельных состояний, а можно было воспользоваться лишь только одним. Таким явился бы в большинстве случаев деформационный критерий, поскольку разрешение сооружений часто вызывается деформациями оснований, хотя последнйе и не являются катастрофическими. Для того чтобы составить полный прогноз взаимодействия сооружений и их оснований, необходимы знания о процессе нагружения и связи напряжений с вызываемыми ими перемещениями
на всех |
этапах и в |
любой момент |
времени |
вплоть |
до разрушения основания, |
|||
а также о возможном изменении в |
этот |
период |
свойств |
и |
характеристик |
|||
грунтов. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Проблемы, которым посвящена эта |
книга, обширны, ими многие занимались |
|||||||
раньше, |
продолжают |
заниматься |
и сейчас. |
Но связанные |
с |
ними вопросы, |
к сожалению, все же пока еще близки к своему общему разрешению, хотя наше познание систематически углубляется, накапливаются факты и появляются новые отдельные решения. Однако, как это обычно бывает, чем глубже наши устремления, тем сложнее бывает получить существенный результат.
Предлагаемая вниманию читателя книга посвящена вопросам, связанным с определением несущей способности оснований и прочностных показателей грунтов при различных напряженных состояниях. В ней обобщается ряд ре зультатов исследований и разработок, проведенных нами ранее. Совершенно естественно, что в течение длительного периода времени взгляды автора на отдельные вопросы менялись и совершенствовались. По мере углубления в тот или иной вопрос первоначальные концепции, казавшиеся ясными, оказывались нуждающимися в дополнительных подтверждениях, дополнениях, а иногда и просто в изменениях. Таков естественный путь познания.
Книга вовсе не претендует на обстоятельный обзор и всеобъемлющее обоб щение вопросов, которым она посвящена. Точнее не вопросов, а проблем, за нимавших и продолжающих занимать и поныне многих исследователей не толь ко у нас, но и за рубежом.
Что касается обзорных работ, то кроме книги М. И. Горбунова-Посадова
(1967) следует назвать .публикации С. С. Григоряна и В. А. |
Иоселевича |
(1972), |
||||
В. Н. Николаевского [37], В. |
Г. Федоровского |
[50], |
а из |
зарубежных |
источ |
|
ников— статьи |
А. Весича |
[68], а также |
книги |
Е. |
Захареску |
(1961), |
А. Мысливца и 3. Кисела (1975), Ж. Коста и Г. Санглера |
[26], А. Кезди [65], |
|||||
3. Вилуна [69] |
и др. В этих работах дается как обзор состояния рассматриваемого |
вопроса, так и обстоятельный перечень литературных источников. Из более ран
4
них работ, где имеется обзор состояния вопроса, следует отметить широко известную книгу Н. А. Цытовича [53J.
Автор настоящей книги придерживается мнения, что составление обзорных работ по проблемным вопросам сейчас особенно необходимо в связи с тем, что число публикаций от года к году значительно "растет, работы выходят по рой в мало' известных изданиях и на разных языках, поэтому они часто труднодоступны. Такие обзорные работы должны составляться высококвали
фицированными специалистами |
и издаваться быстро, насколько это возможно. |
В данной книге такая задача |
не ставилась — обзоры лучше выпускать в виде |
специальных изданий.
Автор руководствовался исключительно практическими задачами, поэтому здесь не затронут ряд .сугубо теоретйческих работ, носящих часто незавершенный характер и нуждающихся в экспериментальной проверке, а также в логическом завершении. Цель настоящей книги состоит в основном в том, чтобы в система тизированном виде представить результаты, доведенные до возможности их практического использования. Естественно, что последние не рассматриваются изолированно от работ многих исследователей.
Мы неизменно - стремились получить решения, простые и удобные для практического применение, постоянно помня о прикладном значении механики грунтов. Все вопросы, которые освещены в книге, являются взаимосвязанными,
аизложение ведется на уровне, доступном для рядорого инженера.
Иеще одно замечание — при подготовке рукописи к печати мы считали необходимым дать большое количество ссылок на литературные источники. Однако в связи с ограниченным объемом книги, список литературы пришлось существенно сократить. Поэтому в ряде случаев ссылки на публиковавшиеся ранее работы, приведены непосредственно в тексте.
Автор с благодарностью помнит о советах, полученных от д-ра техн. наук
проф. М. М. Гришина, который еще более чем 50 лет назад предложил заняться темой, лежащей в основе этой книги и, был научным руководителем на самых первых, но очень важных этапах становления исследователя — в период студенчества и обучения в аспирантуре. Автор также постоянно помнит доброже лательное отношение и помощь член-корр. АН СССР проф. Н. А. Цытовича, контакт с которым обогащал многих специалистов знаниями и опытом. Трудно перечислить, как много нами почерпнуто от д-ра техн. наук проф. М. И. ГорбуноваПосадова — на первых этапах руководителя, а затем советчика и друга, обла давшего глубокими знаниями, высокой культурой и требовательностью к себе.
Автор всегда будет хранить благодарную память о рецензенте книги, д-ре техн. наук проф. П. Л. Иванове, который взял на себя этот нелегкий труд и дал ряд полезных советов к замечаний.
ВВЕДЕНИЕ
Исследования по определению несущей способности основа ний появились в середине прошлого столетия и связаны с именем Г. Е. Паукера, предложившего построить Константиновскую батарею одноименного форта в Кронштадте на песчаном основа нии. На это ему пришлось выслушать много возражений. Указывалось, что песок, сдавленный зданием форта, выдавится из-под сооружения в сторону, после чего оно погрузится в песок, а вследствие этого может получить значительные повреж дения. В подтверждение этим словам говорилось, что даже нога человека, идущего по песку, заметно в него погружается. Другой приводившийся пример — вдавливая тупой конец каран даша в песок» насыпанный в какой-либо сосуд, легко можно вдавить карандаш до дна сосуда [28]. Чтобы опровергнуть такие возражения, Паукер вывел формулу для определения не сущей способности оснований и с ее помощью доказал своим современникам возможность вопреки бытовавшему мнению стро ительства сооружений на песчаных грунтах.
большой вклад в исследование характера поведения песча ных оснований под нагрузкой внес вскоре после этого В. И. Курдюмов [29]. В результате его исследований, а также теоре тических решений, полученных У. Ренкиным (1857) и через зна чительное время — Л. Прандтлем (1921), появилась возможность более правдоподобной оценки несущей способности оснований сооружений в практических целях. Но несмотря на много численные теоретические и экспериментальные исследования, проводившиеся с тех пор в различных странах, ряд существен ных вопросов, связанных с определением несущей способности оснований, пока еще не получил такого разрешения, которое бы нас достаточно удовлетворило.
Под несущей способностью оснований далее будем понимать не давление и не напряжение, а усилие, и таким образом, размерность, придаваемая несущей способности, должна соответ ствовать размерности силы.
Потеря основанием его несущей способности происходит тогда, когда достигается предельная нагрузка, при которой:
усооружений, передающих основанию кроме вертикальной существенную по сравнению с ней сдвигающую нагрузку, возникает сдвиг сооружения, либо сопровождающийся значи тельными резко развивающимися и прогрессирующими во времени перемещениями с захватом части массива грунта основания, либо происходящий непосредственно по подошве сооружения;
усооружений, имеющих фундаменты неглубокого заложения
ипередающих основанию существенную вертикальную и горизон тальную нагрузки или только одну вертикальную нагрузку, происходит выпирание грунта из основания и связанное с этим
6
такое нарастание вертикальных перемещений, вследствие кото рых дальнейшая эксплуатация сооружений будет уже невоз можной;
у сооружений, имеющих фундаменты глубокого заложения, е увеличением нагрузки возникает значительно более резкое, чем при предшествующих ступенях нагружения нарастание осадок.
Историческое развитие вопроса об определении несущей способности оснований и устойчивости возводимых на них соору жений можно проследить по трем направлениям:
1) относительно строгие теоретические решения, основываю щиеся на использовании теории предельного равновесия сы пучей среды;
2) приближенные решения, именуемые часто инженерными, основанные на задании формы зоны разрушения в- грунтовом массиве, в которых отыскивается с применением экстремальныхпринципов положение наиболее опасной ограничивающей поверх ности;
3) экспериментальные исследования, связанные с нахожде нием как величин предельных нагрузок, так и формы зоны разру шения, а также характера деформирования грунта в основании.
Теория предельного равновесия сыпучих сред, взявшая свое начало от Ш. Кулона, У. Ренкина и позднее от Л. Прандтля [42], получила существенное развитие благодаря направлению, во гла ве которого стоял в наше время В. В. Соколовский, опубликовав ший первые статьи по предельному равновесию в 1939 г. и- обоб щивший их в фундаментальной работе «Статика сыпучей среды», вышедшей первым изданием в 1942 г. Несмотря на кажущуюся простоту расчетной схемы, которая обычно принимается в теории предельного равновесия в количестве однородной сыпучей среды, решение задачи связано с необходимостью интегриро вания системы уравнений второго порядка с сильной нелиней ностью. Из-за этого только очень ограниченный круг задач может быть решен в замкнутой форме, а остальные необходимые нам решения получаются численными методами. В. В. Соколовским был решен ряд практически важных задач статики сыпучей среды методом численного интегрирования основной системы уравнений, определяющей ее предельное равновесие. Второе и третье издания книги В. В. Соколовского [42] были пополнены по сравнению с первым изданием рядом новых интересных решений задач и оригинальных приемов, с помощью которых они могут быть более просто получены. Однакс* весьма конспективное изложение материала, особенно в двух последних изданиях этой книги, существенно затрудняет ее чтение.
В 1948 г. вышла работа С. С. Голушкевича, применившего графоаналитический прием для решения тех же задач предель
ного равновесия земляных |
масс, которые позднее |
рассмотрены |
и обобщены в работах В. |
В. Соколовского [11]. |
Соколовский |
7
и Голушкевич рассматривали плоскую задачу теории предель ного равновесия сыпучей среды, для которой сформулирована замкнутая система из трех уравнений относительно напряжений. Вопрос о деформировании предельно напряженной сыпучей среды в этих работах не обсуждался и кинематические решения авторами не приводятся.
Следует также отметить книгу М. Б. Харра [32], который излагает в доступной форме как постановку, так и метод реше ния задач теории предельного равновесия сыпучей среды, данной Соколовским и Голушкевичем. Этим же вопросам с детальным изложением метода решения задач теории предельного равновесия сыпучей среды Соколовского и практических рекомендаций посвящена глава в фундаментальной книге В. А. Флорина [52].
В. Г. Березанцев развил теорию предельного равновесия сыпучей среды применительно к осесимметричной задаче. В связи с тем, что исходная система оказывалась в этом случае незамкнутой (три уравнения для четырех неизвестных), Березан цев ввел предположение о полной сыпучести предельно напряжен ной сыпучей среды, т. е. когда промежуточное главное напряжение принимается равным одному из двух других главных напряжений. Последнее позволило ему уравнять число неизвестных и число уравнений в исходной системе, а следовательно, сделать задачу определенной. Им же в 1953 г. была опубликована работа, в ко торой дается решение осесимметричной задачи предельного рав новесия сыпучей среды [1]. Разрабатывавшиеся В. Г Березанцевым в течение длительного времени методы расчета были им обобщены в его книге [2].
Затем появились также интересные исследования, касающиеся теории предельного равновесия сыпучей среды. Их авторами
являются Л. М. Гольдштейн |
[32], А. С. Снарский [41], Ю. И. Со |
ловьев [32], П. И. Яковлев |
[55] и др. Ряд работ был опубликован |
и в зарубежной литературе. |
Как следует из сказанного, теория предельного* равновесия сыпучей среды была обстоятельно разработана для плоской, а затем и осесимметричной задач. Для других, более сложных, но практически также важных случаев пространственной задачи, теория предельного равновесия, по-суицеству, не развита. Это об стоятельство можно объяснить сложностью, вытекающей из не обходимости выявления, направлений, вдоль которых будет про исходить выпирание, а также привлечения дополнительных усло вий, которые сделали бы систему определенной, так как для нахождения шести компонентов напряжений имеется три уравне ния равновесия и одно уравнение предельного равновесия. Таким образом, требуется привлечение двух дополнительных условий, чтобы система уравнений, определяющая предельно напряженное состояние, была замкнутой.
В теории предельного равновесия сыпучей среды рассматри ваются такие напряженные состояния, при которых предельное
8
состояние наблюдается в любой точке рассматриваемого мас сива. В действительности же возможны и даже наиболее вероятны случаи, когда предельное равновесие будет иметь место отнюдь не во всех точках массива, а лишь в каких-то его областях или зонах. Если эти зоны имеют локальный характер, то общего нарушения устойчивости может и не быть.. Если же эти зоны оказываются сильно развитыми, то происходит общая потеря устойчивости основания. Последнее возможно при относительно небольшом заглублении фундамента в основание, когда происхо дит выпирание грунта из-под фундамента, хотя даже и в этом случае в основании находятся области с непредельным состоянием. Такой областью является, в частности, «упругое» ядро, наличие которого наблюдается под штампом, внедряемым в сыпучую среду.
Решение задачи в такой постановке приводит к необходи мости рассмотрения упругопластической задачи. При полной по становке упругопластической задачи можно проследить развитие областей пластической деформации как функцию увеличения на грузки, начиная от момента их образования и вплоть до полного разрушения основания.
М. И. Горбунов-Посадов обстоятельно рассмотрел [15, 32] последнюю стадию упругопластической задачи, соответствующую полному раскрытию областей пластической деформации, т. е. когда действующее на основание усилие совпадает с его несу щей способностью. В последнее время это интересное направле ние развивается А. К. Бугровым [6, 2 1], широко использующим численные методы расчета.
Одним из слабых мест теории предельного равновесия является малое развитие кинематической стороны в решаемых задачах, а также вопросов, связанных с предельными областями и их изменением в основании с увеличением нагрузок. Последнее приводит к необходимости решения задач со смещаю щейся границей.
Серьезного теоретического рассмотрения требует вопрос об эксцентричном приложении нагрузки и эксцентриситете, но не по лучаемом из условия возникновения предельно напряженного состояния во всем основании под сооружением, а о соответ ствующем действительному эксцентриситету. Однако в этом случае в основании смогут образовываться зоны с непредельным состоянием различной конфигурации, зависящей от относитель ного эксцентриситета.
Нарушение прочности грунта может происходить не повсе местно, а вдоль некоторой сравнительно узкой зоны, и тогда расположенный выше массив грунта сместится при выпирании как единое «жесткое» тело. На этом предположении основаны многие практические методы расчета устойчивости, причем в них принимается, что толщина этой предельной зоны ничтожна, т. е. зона вырождается в лйнию. Поэтому вторым из указанных
9
выше является направление, связанное с заданием формы по верхности разрушения грунтового массива в основании сооруже ния. Здесь имеется много разных предложений, основанных либо на однозначном задании положения границы, очерчивающей предельную область (как, например, у Паукера, Белзецкого, в методе ВНИИГ, рекомендовавшемся в нормах на проектиро вание оснований гидротехнических сооружений [46], и др.), либо на определении с помощью нахождения экстремума положения наиболее опасной кривой (например, широко практикующийся метод определения минимального коэффициента запаса устойчи вости на сдвиг в предположении существования круглоци линдрической поверхности скольжения). Мы не будем здесь приво дить перечисление таких методов и тем более их описание, так как это было сделано в свое время Е. Захареску [32], В. Г Березанцевым [2], К- Вайссом [32] и др.
Относительно простые расчетные схемы, которые обычно рассматриваются в строгих решениях, для приближения их к действительным условиям часто требуют значительных усложне ний. Эти сложности возникают не только из-за неоднородности свойств грунта по глубине и по простиранию, но и из-за наличия прослоек более слабых грунтов, чем остальные, наличия водо насыщенного грунта, в котором при нагружении возникает существенное поровое давление, изменяющееся во времени, наличия фильтрационного потока в основании гидротехнических сооружений, как установившегося, так и неустановившегося, и, наконец, из-за реологических свойств грунта, которые осо бенно проявляются при напряженном состоянии, приближаю
щемся к предельному. |
и расчетных случаев, связанных |
Все многообразие факторов |
|
с различным поведением грунта |
в зависимости от его состояния |
и плотности, заставляет не отказываться полностью, а наоборот, совершенствовать и применять в практических целях инженерные схемы и приближенные методы расчета, часто позволяющие с достаточной для практических целей точностью учитывать эти факторы и их влияние на конечные результаты расчета. Однако всегда должны оговариваться пределы применимости таких методов расчета.
Таким образом, рассмотрение, разработка и усовершенство вание практических методов и приемов расчета не потеряли, по нашему глубокому убеждению, своей актуальности и сейчас в связи с множеством тех усложняющих обстоятельств, с которы ми приходится встречаться в действительности.
В качестве практического результата каждого предложенного расчетного способа наиболее целесообразным является составле ние для часто встречающихся случаев таблиц, графиков, а также в необходимых случаях программ, позволяющих быстро и с не большой затратой труда оценить несущую способность основания. Только такой конечный результат может найти широкое ра£-
ю