/
Author: Нарбут Р.М.
Tags: строительство инженерия строительное проектирование механика грунтов грунты грунт
Year: 1972
Text
Р. М. НАРВУТ
РАБОТА
СВАЙ
В ГЛИНИСТЫХ
ГРУНТАХ
к
Р. М. НАРВУТ
РАБОТА
СВАЙ
В ГЛИНИСТЫХ
ГРУНТАХ
ИЗДАТЕЛЬСТВО ЛИТЕРАТУРЫ ПО СТРОИТЕЛЬСТВУ
ЛЕНИНГРАД 1972
624.155 : 624.. 131.225
3-2-6
57-72
В книге рассматриваются основные особенно-
сти глинистых грунтов и процессы, происходящие
при погружении в них свай (прочность, тиксо-
тропность и др.). Выявляются закономерности
увеличения сопротивления свай во времени и
пути их учета в инженерной практике.
Книга предназначена для инженеров-проекти-
ровщиков и научных работников.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Процессы, возникающие в глинистых грунтах,
сложны и пока полностью не изучены, поэтому свай-
ные фундаменты еще дороги и порой деформируются.
Среди этих процессов различают чисто физические,
физико-химические и др. Их проявление во многом
определяется способом погружения свай — обычным,
с помощью вибропогружателей, с использованием
электроосмоса, глинистых или полимерных обмазок.
В СССР ежегодно забивается до трех миллионов
свай, каждая из них должна обладать максимальной
несущей способностью и минимальной стоимостью.
Известно, что более половины указанного числа свай
погружается в глинистые грунты. Высокое качество
забивки возможно лишь в том случае, если строители
ясно представляют себе процессы, возникающие
в глинистых грунтах при внедрении в них свай. Дан-
ное требование вытекает из того неоспоримого факта,
что эти процессы определяют несущую способность
свай и порядок производства свайных работ. Неис-
пользование максимальной несущей способности свай
влечет за собой увеличение их длины, поперечных
размеров или количества. Все это не может не удо-
рожать стоимости строительства.
Между тем наблюдения показывают, что при уст-
ройстве свайных фундаментов строители далеко не
всегда используют имеющиеся возможности для по-
вышения несущей способности свай. Иногда на это
их толкают существующие, частью устаревшие, нор-
мативные указания или инструкции, что будет спе-
циально обсуждено ниже. Но основная причина та-
кого положения — отсутствие до недавнего времени
должного внимания со стороны строителей к процес-
сам, происходящим в глинистых грунтах при погру-
жении в них свай и их .«отдыхе». Сказывается и то,
что строители до сих пор недостаточно знают резуль-
таты исследований в области грунтоведения. Отметим
некоторые положения книги:
1. Согласно новейшим взглядам, глинистые грунты
представляют собой сложнейшие дисперсные системы.
Их главными компонентами являются обладающие
огромной удельной поверхностью органические и ми-
неральные частицы различной крупности, разного хи-
мического и минерального составов, качественно
неоднородная вода и воздух. При этом мельчайшие
частицы несут электрические заряды того или другого
знака в зависимости от среды.
3
Указанные и многие другие сведения из области физико-хи-
мии грунтов уже давно должны были бы заставить ученых-
строителей, ведущих исследования грунтов, учитывать их.
Между тем многие строители ее просто не знают. Исходя из
этих соображений описанию опытов по изучению кинетики
упрочнения глинистых грунтов авторы предпослали некоторые
сведения о грунтах, написанные с физико-химических позиций.
Это позволит лучше понять «игру сил», возникающую в глини-
стых грунтах при погружении в них свай и их «отдыхе».
2. Процессы, происходящие в глинистых грунтах при за-
бивке в них свай, описываются преимущественно как физико-
химические, что накладывает определенный отпечаток и на
изыскание путей повышения несущей способности свай.
3. Общеизвестно, что за последние годы благодаря успехам
советских ученых при производстве свайных работ широко ис-
пользуются вибропогружатели. Между тем процессы, происхо-
дящие при этом в глинистых грунтах, никем пока еще не изу-
чались так, как этого требуют интересы науки и практики. Дан-
ный вопрос является весьма актуальным, даже если учесть, что
у ряда исследователей уже накоплены материалы о снижении
несущей способности у вибропогруженных свай по сравнению
с той, которую имеют сваи, погруженные иными сваезабивными
агрегатами. Поэтому авторы высказывают лишь соображения
(§ 15) по указанному вопросу, особенностью которых, с одной
стороны, является то, что в их основе лежат представления
о физико-химической природе процессов, происходящих в гли-
нистых грунтах при вибропогружении свай, а с другой — то, что
авторы приводят программу исследований этих процессов. Ду-
мается, она сможет помочь тем, кто будет проводить экспе-
рименты.
Автор выражает глубокую благодарность д-ру техн, наук
А. А. Луге и канд. техн, наук В. П. Сипидину за ценные заме-
чания, сделанные по рукописи.
Вполне естественно, что данная книга, написанная с пози-
ций физико-химической механики дисперсных систем как пер-
вый опыт, не свободна от тех или иных недочетов, указания на
которые будут приняты с благодарностью.
В заключение отметим, что гл. 1 (§ 2, 3, 5, 7, 8), гл. II, гл. III
(§ 14) , гл. IV (§ 17—19) написаны I Б. М. Гуменским.| Введе-
ние, гл. I (§ 1, 4, 6), гл. III (§ 13, 15, 16), гл. IV (§ 20), гл. V,
гл. VI и заключение — Р. М. Нарбутом.
Глава I
ГЛИНИСТЫЕ ГРУНТЫ И ИХ НЕКОТОРЫЕ
СТРОИТЕЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ
§ 1. Факторы, определяющие прочность глинистых
грунтов
Возведение различных сооружений связано с использова-
нием грунтов* в одних случаях как основания, в других — как
среды для их возведения и в третьих — как материала.
Предметом нашего рассмотрения являются глинистые грун-
ты, которые относятся к связным, обладающим пластичностью,
т. е. способностью к изменениям формы без нарушения сплош-
ности в определенном диапазоне изменения влажности. Глини-
стые грунты часто причиняют строителям много неприятностей,
вызывая деформации, а иногда даже аварии построенных на
них сооружений. Для обеспечения прочности и надежности Со-
оружений, возводимых на глинистых грунтах, необходимо вы-
полнить целый ряд требований, главными из которых являются:
1) принятие правильного инженерного решения при выборе
типа возводимого сооружения в зависимости от характера ос-
нования и прочих местных условий;
2) правильный выбор и осуществление способа производства
работ;
3) выбор соответствующей расчетной схемы свайного фун-
дамента;
4) учет непрерывно протекающего изменения свойств глини-
стых грунтов.
Удовлетворить основные требования, предъявляемые к воз-
водимому сооружению, можно только в случае понимания при-
роды свойств глинистых грунтов и механизма протекающих
в них процессов, что необходимо для построения соответствую-
щей расчетной механической модели грунтов.
Свойства глинистых грунтов, их структура, текстура и сло-
жение (в том числе и скелет с его структурными связями, оп-
ределяющими соответствующее пространственное расположение
* Грунтами мы будем называть все рыхлые горные породы коры выветри-
вания литосферы несвязные (сыпучие) или связные, прочность связей которых
во много раз меньше прочности самих минеральных частиц.
5
частиц) формируются в процессе возникновения грунтов, начи-
ная с осадконакопления и кончая превращением осадка в по-
роду (процессы диагенеза). В связи с этим следует проводить
историко-геологический анализ формирования глинистых грун-
тов, а также изучение современных условий их залегания и со-
стояния, выявляя природу строительных свойств грунтов и про-
гнозируя изменение этих свойств в обстановке, создаваемой со-
оружением.
Строительные свойства глинистых грунтов определяются их
составом, состоянием и структурными особенностями. Глини-
стый грунт следует рассматривать как совокупность различных
твердых минеральных частиц, составляющих скелет грунта, и
пор между ними, заполненных жидкостью и газом.
Для твердой фазы характерным является высокая дисперс-
ность, обусловленная наличием глинистых частиц размером
меньше 0,005 мм. С увеличением дисперсности возрастает роль
электрических зарядов, действующих в зонах контакта между
частицами, на что также влияют минеральный состав глинистых
частиц, их форма и взаимное положение.
Вода в порах глинистых грунтов может быть свободной и
физически связанной. Последняя образует вокруг глинистых
частиц водные оболочки разной толщины, определяемой глав-
ным образом гидрофильностью минеральных частиц. Вследст-
вие этого контакты между отдельными частицами осущест-
вляются через водные оболочки и только в отдельных точках
возможно непосредственное соприкосновение частиц друг
с другом.
На прочность глинистых грунтов в значительной степени
влияет толщина водных оболочек, покрывающих глинистые ча-
стицы: чем толще водные оболочки, тем менее прочен глини-
стый грунт, и наоборот. При внешней нагрузке скелет будет
разрушаться там, где связи окажутся наиболее слабыми. При
увеличении нагрузки разрушение может достигнуть участков
с более прочными связями. Природа последних весьма сложна
и определяется комплексом действующих в грунте химических
и физических сил.
Наличие в грунте газообразной составляющей достаточно
сильно отражается на свойствах грунта и характере протекаю-
щих в нем процессов, которые представляют интерес со строи-
тельной точки зрения.
Газы (воздух), пар могут находиться в грунте в трех состоя-
ниях: защемленном (не имеющем непосредственной связи
с внешней атмосферой), свободном (имеющем непосредствен-
ную связь с внешней атмосферой) и растворенном в поровой
воде.
Следует отметить, что наличие в поровой воде даже очень
небольшого количества растворенного газа приводит при умень-
шении давлений в воде (например при отрытии котлована,
изъятии образца грунта из толщи основания на поверхность
и т. п.) или при повышении температуры к увеличению разме-
ров пузырьков газа, что существенно сказывается на деформи-
руемости грунтов, обусловливая сжимаемость поровой воды и
тем самым увеличивая упругость грунта.
Характерной особенностью глинистых грунтов является спо-
собность разупрочняться и приобретать свойства вязкой жидко-
сти в результате приложения любого механического воздейст-
вия, например вибрации. По прекращении этого воздействия
глинистые грунты со временем вновь упрочняются, иногда до
первоначальной прочности. Это явление получило название тик-
сотропных изменений.
Из весьма краткого обзора видно, что глинистые грунты яв-
ляются своеобразными сложными телами по сравнению с ис-
тинно твердыми и жидкими. Это следует учитывать при разра-
ботке расчетных моделей глинистых грунтов.
Непосредственное перенесение на глинистые грунты пред-
ставлений механики упругого, пластичного и сыпучего тела и со-
ответствующих приемов решения задач, к сожалению, пока не
может дать ответа на многие вопросы с требуемой строителями
точностью. Объясняется это тем, что глинистые грунты, пред-
ставляющие собой сложнейшие минерально-дисперсные обра-
зования, меняют свой состав, состояние и свойства во времени
и в процессе деформации. Следовательно, полученные точные
расчетные данные механики грунтов строители должны уметь
увязывать с кинетикой и физико-химическими особенностями
процессов, происходящих в глинистых грунтах, что в свою оче-
редь осуществимо, если прогнозирование деформации будет
проводиться на основании общих данных об условиях их зале-
гания, строения, литологического состава и физического со-
стояния.
§ 2. Степень дисперсности глинистых грунтов
и некоторые особенности глинистых частиц
Глинистые грунты представляют собой двухфазные (твердые
частицы + вода), трехфазные (твердые частицы + вода + воз-
дух) или четырехфазные (твердые частицы + вода+лед+воз-
дух) дисперсные системы, в которых весьма сложно сочетаются
минеральные и органические частицы различной величины и
формы, образующие твердую дисперсную фазу с водой, а точ-
нее, с поровым раствором и воздухом, составляющими диспер-
сионную среду.
Твердая фаза* глинистых грунтов состоит из частиц раз-
личной крупности, объединяемых в группы или фракции:
* Фаза — однородная часть системы, которая, обладая определенным ком-
плексом физических свойств, отделена резко выраженной поверхностью от
другой однородной части, имеющей иной комплекс этих свойств.
7
песчаные частицы
» »
пылеватые »
глинистые »
>1 мм
1—0,5 мм
0,05—0,005 мм
<0,005 мм
Некоторые исследователи границей между пылеватыми и
глинистыми частицами считают частицы <0,002 мм. Если час-
тицы <0,005 мм выделены при анализе по шкале Сабанина, то
они практически эквивалентны частицам <0,002 мм, выделен-
ным по шкале Стокса. В зависимости от количественного соот-
ношения фракций, определяемых гранулометрическим ана-
лизом, в строительной практике глинистые грунты получают
то или иное наименование. В табл. 1 в сокращенном виде при-
ведена классификация глинистых грунтов по В. В. Охотину.
Таблица 1
Классификация глинистых грунтов
по В. В. Охотину
Наименование грунтов
Содержание
глинистых
частиц мельче
0,005 мм в %
по весу
Глина тяжелая..................
Глина .........................
Суглинок тяжелый...............
» средний .................
» мягкий ..................
Супесь тяжелая.................
» мягкая ...................
Более 60
30—60
30—20
20—15
15—10
10—6
6—3
Примечание. Если в суглинистых и супесчаных
грунтах пылеватые фракции (размером 0,05—0,005 мм) преоб-
ладают над песчаными (размером 0,05—2,0 мм), то к наиме-
нованию грунта добавляется слово «пылеватый».
Поведение глинистых грунтов в системе сооружений при
взаимодействии с окружающей их водой (поровым раствором)
зависит от степени дисперсности глинистых частиц: выделяют
тонкодисперсные (0,002—0,0001 мм) и коллоидные (0,0001—
0,00001 мм) частицы. Чем мельче глинистые частицы и чем
больше их содержится в глинистом грунте, тем активнее он вза-
имодействует с водой. Это связано с тем, что с увеличением
степени дисперсности грунта резко возрастает его удельная по-
верхность, т. е. поверхность частиц в единице объема или веса
(табл. 2).
Величина удельной поверхности частиц для минералов из
группы монтмориллонита определяется величиной влажности
глинистого грунта. С помощью рентгена и электронного микро-
скопа было выявлено [12], что удельная поверхность частиц
>0,005 мм, взятых в количестве 24%, составила всего 0,11 м2/г,
8
а частиц <0,005 мм, взятых в количестве 76%, колебалась от
100 до 437 м21г в зависимости от влажности.
Глинистые частицы могут нести положительный или отрица-
тельный электрический заряд в зависимости от ряда условий.
Благодаря этому в глинистых грунтах при пропускании через
них постоянного электрического тока происходит электроос-
мос — перемещение воды и электрофорез — передвижение ча-
стиц.
Электроосмос используется, в частности, для ускорения и
снижения затрат энергии при погружении свай. Если забитую
сваю сделать анодом,
а забиваемую — катодом,
то на поверхности послед-
ней появится пленка
воды, служащая при по-
гружении смазкой. Благо-
даря этому уменьшается
трение сваи о грунт.
Итак, глинистые ча-
стицы — это сложные
электрические системы
(рис. 1). Их внутренняя
часть — ядро состоит из
аморфного или кристал-
лического коллоида, ча-
сто из глинистых мине-
ралов. На его поверхно-
сти располагается слой
молекул, названный двой-
Рис. 1. Схема строения частицы
ным электрическим слоем,
состоящий из внутренней
и внешней обкладок.
Первую из этих обкладок
лекулы, непосредственно примыкающие к молекулам ядра. На
рис. 1 они показаны несущими отрицательный заряд, что ха-
составляют недиссоциированные мо-
Таблица 2
Сопоставление степени дисперсности частиц
кубической формы и их поверхности
Длина ребра куба в мм Общая поверхность в сжа Удельная поверхность в \/см
10 6 6
1 60 610
0,01 60-102 6-103
0,001 60103 6 104
9
рактерно для глинистых частиц в воде. Ядро вместе с внутрен-
ней обкладкой называют гранулой. Ионы, расположенные за
внутренней обкладкой, т. е. на периферии, составляют внеш-
нюю обкладку. Ионы, соприкасающиеся с ионами внутрен-
ней обкладки, неподвижны, а те из ионов, которые находятся
на некотором расстоянии из-за ослабления электростатических
сил притяжения, обладают уже известной подвижностью, причем
тем большей, чем дальше они находятся от границы внутренней
обкладки. Там, где силы притяжения между ионами исчезают,
ионы внешней обкладки постепенно переходят в дисперсионную
среду (воду). Вследствие указанного строения, напоминающего
распределение ионов при их диффузии в растворах, слой ионов
внешней обкладки с неодинаковой плотностью называют диф-
фузным. Ионы этого слоя вступают в реакции обмена с ионами,
находящимися в дисперсионной среде, поэтому их и называют
обменными.
Замечание об изменении величины поверхности в зависимо-
сти от размеров частиц имеет тот смысл, что поверхность частиц
является своего рода ареной, где происходят различного рода
физические, физико-химические и другие процессы при взаимо-
действии частиц с водой. Среди этих процессов особо отме-
чается обменная адсорбция, сущность которой только что объ-
яснена. Пользуясь указанной способностью грунтов, можно ис-
кусственно регулировать их свойства, на чем и основано,
в частности, повышение несущей способности свай, обмазанных
полимерами [13], а также закрепление грунтов.
Интенсивность обменных реакций в грунтах определяется
способностью того или другого катиона сорбироваться грунтом.
Сумму же обменных катионов (т. е. катионов, находящихся
в диффузном слое), способных к вступлению в реакции обмена,
называют емкостью обмена и выражают в миллиграмм-экви-
валентах на 100 г абсолютно сухого грунта. Наибольшей (60—
100 мг-экв) емкостью обладают монтмориллонитовые грунты,
средней (8—20 мг-экв) — гидрослюдистые, меньшей (3—
15 мг-экв)—каолинитовые. Обменная способность глинистых
грунтов определяется минеральным составом, степенью дисперс-
ности глинистых частиц и другими факторами.
Реакции обмена характеризуют сцепление, сжимаемость,
пластичность и другие свойства глинистых грунтов, их поведе-
ние в сооружении. Скорость протекания этих процессов опреде-
ляется природой и свойствами поверхностных слоев глинистых
частиц, изменением которых можно в широких пределах регу-
лировать процессы взаимодействия соприкасающихся фаз, на-
пример в случае погружения свай с обмазками и т. д. Порой
это регулирование осуществляется введением в грунт весьма
малых количеств (П. А. Ребиндер их назвал гомеопатическими
дозами) некоторых поверхностно-активных веществ, концентри-
рующихся (адсорбирующихся) на поверхности раздела.
10
§ 3. Минеральный состав частиц глинистых грунтов
Песчаные и пылеватые частицы глинистых грунтов чаще
всего состоят из кварца, полевых шпатов, слюд и реже — из
кальцита, гипса и других минералов, которые легко и быстро
определяются с помощью бинокулярной лупы и поляризацион-
ного микроскопа.
Значительно сложнее минеральный состав глинистых частиц.
Чаще всего они состоят из особых минералов (глинистых или
Рис. 2. Схемы строения кристаллической решетки
а — монтмориллонита; б — каолинита
коллоиднодисперсных) и реже — из аморфных веществ (крем-
некислоты, гидратов окиси железа и алюминия, гумусовых ве-
ществ и др.).
Все глинистые минералы подразделяют на три группы: монт-
мориллонита, каолинита и гидрослюд, каждая из которых пред-
ставлена рядом минералов. Так, группа монтмориллонита вклю-
чает в себя монтмориллонит, бейделлит, контронит и др.
Глинистые минералы состоят из пакетов (рис. 2), количе-
ство которых может быть разным даже у одного и того же ми-
нерала в зависимости от ряда условий.
У минералов из группы монтмориллонита кристаллическая
решетка подвижная (разбухающая); при увлажнении состав-
ляющие ее пакеты раздвигаются, т. е. межпакетное расстояние
определяется влажностью, оно — переменная величина.
В одном из опытов [12] с туркменским бентонитом — глиной,
состоящей из частиц монтмориллонита и часто кристобалита,
межпакетные расстояния оказались соответственно равными:
11
8,6/12,55; 42,0/15,4; 55,1/18,78; 83,0/19,04; 120/19,41 и 320/19,41,
где числитель — влажность в процентах, а знаменатель — рас-
стояние между пакетами в ангстремах (А).
С увеличением межпакетных расстояний в частицах минера-
лов из группы монтмориллонита связь между пакетами ослабе-
Рис. 3-1. Частицы менее 0,001 мм
туркменского бентонита под элек-
тронным микроскопом X25000
Рис. 3-11. Частицы каолинита раз-
мером 0,4—0,8 мк под электронным
микроскопом X25000
вает, в результате образуется
дополнительное количество так
называемой физически связан-
ной воды (см. § 5), предопре-
деляющей сильное набухание
содержащих эти минералы гли-
нистых грунтов.
Внешне частицы монтмо-
риллонита — своеобразные че-
шуйки неправильных очерта-
ний, иногда имеющие вид рас-
плывчатых облаков (рис. 3-1).
Их толщина достигает вели-
чины порядка 0,003 мк, а раз-
меры поверхности превышают
толщину в 10—100 раз.
Иначе устроена кристалли-
ческая решетка у минералов
из группы каолинита, в кото-
рых расстояние между паке-
тами всегда равно 7,2 А (см.
рис. 2,6). В силу этого они
набухают меньше, чем мине-
ралы из группы монтморилло-
нита. По форме частицы као-
линита чаще всего имеют вид
(в плоскости снимка) доста-
точно хорошо выраженных ше-
стиугольников с оглаженными
краями (рис. З-П).
Кристаллическая решетка
у минералов из группы гидро-
слюд также неподвижна, в
этом отношении они схожи
с минералами из группы као-
линита; расстояние между пакетами в них равно лишь 10 А.
Гидрослюды чаще всего имеют форму пластинок в основном
изометрической, иногда удлиненной формы (рис. 4).
Свойства кристаллических решеток определяются особенно-
стями расположения на их поверхности радикалов — групп ато-
мов, входящих в состав тех или других химических соединений
и участвующих с ними в химических реакциях. Так, у каолинита
12
(см. рис. 2,6) с одной стороны располагаются группы ОН;
а с другой — атомы кислорода О+ Различие в знаке зарядов со-
прикасающихся слоев смежных пакетов обусловливает доста-
точно прочную связь между ними; благодаря этому кристалли-
ческая решетка становится жесткой. У раздвижных кристалли-
ческих решеток соприкасающиеся слои пакетов имеют радикалы
с одинаковыми зарядами. Так, у монтмориллонита по внешним
сторонам пакетов расположены атомы кислорода О+, что и
создает подвижность кристаллической решетки. Отмеченными
особенностями объясняется тот факт, что у каолинита молекулы
воды и обменные ионы не могут проникать внутрь кристалличе-
ской решетки, а у монтмориллонита — могут. Поэтому каоли-
нит набухает в воде мало,
а монтмориллонит — очень
сильно.
Форма частиц имеет боль-
шое значение, так как наряду
с другими факторами она оп-
ределяет характер и прочность
контакта (сцепления) их друг
с другом, т. е. характер и проч-
ность скелета глинистых грун-
тов в целом. В одних случаях
этот контакт происходит по
плоскостям спайности, в дру-
гих— по ребрам частиц, в
третьих — по их углам и т. п.
В каждом из перечисленных
случаев прочность контактов
различна, а следовательно,
Рис. 4. Частицы менее 0,001 мм гид-
рослюдистой иольдиевой глины под
электронным микроскопом X15000
различна и прочность структурных связей в глинистых грунтах.
Отсюда следует, что показатели прочностных свойств глинистых
грунтов зависят от особенностей строения составляющих их
частиц, формы последних, условий их контакта, числа и пло-
щади контактов в единице объема грунта. Эти особенности
в свою очередь определяются количественным соотношением
твердой, жидкой и газообразной фаз.
Наличие разных фракций в глинистых грунтах, смешанный
минеральный состав их частиц <0,005 мм, а также очень ма-
лые размеры глинистых минералов затрудняют определение по-
следних каким-либо одним методом. Обычно пользуются той
или другой комбинацией методов: рентгеноструктурного, терми-
ческого, химического анализов, электронного микроскопа и др.
Косвенными показателями, ориентировочно указывающими на
минеральный состав частиц <0,005 мм, могут служить показа-
тели физических и физико-химических свойств грунтов: гигро-
скопичность, пределы пластичности, «зыбкость» — способность
к тиксотропным изменениям и др.
13
Выше уже указывалось, что глинистые частицы могут со-
стоять также из аморфных веществ — кремнекислоты и др.
Кремнекислота появляется чаще всего как продукт выветрива-
ния силикатов и алюмосиликатов. Ее гель несет отрицательный
заряд, не набухает в воде и обладает цементирующей способно-
стью. Это свойство кремнекислоты нужно всегда иметь в виду,
когда обсуждается вопрос о сцеплении глинистых частиц в точ-
ках их контактов как о факторе, определяющем прочность гли-
нистых грунтов. В этом случае нельзя игнорировать сцепление
между зернами песка и пыли, обусловленное срастанием геле-
вых пленок кремнекислоты, которые образуются на поверхности
частиц в результате химического взаимодействия воды с ангид-
ридом кремневой кислоты SiOg.
Гидрат окиси железа является продуктом разложения раз-
личных минералов, содержащих окисное и закисное железо.
Гель гидрата окиси железа цементирует частицы грунтов. На
этом основан метод закрепления грунтов — ожелезнение.
Гидрат окиси алюминия возникает при выветривании алю-
мосиликатов и в результате гидролиза солей А1; он цементирует
пески в присутствии электролитов-оглиноземливание.
Гумусовые вещества по своему химическому составу весьма
своеобразны и потому по-разному влияют на проявление тех
или иных свойств глинистых грунтов, в состав которых они вхо-
дят. Их особенность состоит в том, что они являются типичными
гидрофильными коллоидами, т. е. с трудом отдают воду, хотя
связывают ее в большом количестве и потому способны сильно
набухать. Наличие гумусовых веществ в грунтах увеличивает
их пластичность, понижает связность. Отмеченной особенностью
гумусовые коллоиды, сосредотачивающиеся в гумусовых гори-
зонтах почв, а также в сапропелевых илах, в какой-то мере на-
поминают бентонитовые глины, широко используемые строите-
лями в качестве обмазок при погружении опускных колодцев,
и рекомендуются для обмазок свай [13].
Все это дает право считать, что гумусовые горизонты почв
и сапропелевые илы при известных условиях могут быть ис-
пользованы в строительстве.
Необходимо отметить также следующие особенности грунто-
вых коллоидов.
1. Способность к коагуляции — слипанию, образо-
ванию хлопьев и выпадению в осадок, называемый гелем, под
влиянием в одном случае действия раствора того или иного
электролита, в другом — взаимного действия коллоидов, несу-
щих заряд разного знака. Коагуляция обусловлена погашением
заряда глинистых частиц. Процесс, обратный коагуляции, т. е.
распад скоагулированных частиц — их микроагрегатов, назы-
вают пептизацией или диспергацией.
В состоянии геля частицы связаны друг с другом силами
притяжения, они образуют скелет — каркас различной степени
14
жесткости, способный сопротивляться сдвигу. В противополож-
ность гелю частицы в суспензии или коллоидном растворе не
сопротивляются сдвигу, они текут. Такое состояние частиц на-
зывают золем. Способностью к коагуляции глинистых частиц об-
ладают все соли, кислоты и основания, если их концентрация не
ниже порога коагуляции. Свертывающее действие оказывает
один из ионов электролита.
У отрицательно заряженных частиц, к которым относится
большинство органических и неорганических частиц <0,005 мм,
роль ионов-коагуляторов играют катионы, а ионов-стабилизато-
ров, поддерживающих частицы во взвешенном состоянии,—
анионы. У грунтовых же частиц, заряженных положительно
(гидроокиси Fe, Al) ионами-коагуляторами являются анионы
электролита, а ионами-стабилизаторами — катионы.
Осаждающая способность различных катионов в отношении
глинистых частиц неодинакова: чем выше их валентность и
больше атомный вес, тем значительнее их коагулирующая спо-
собность. Поэтому одновалентные катионы свертывают слабее
двухвалентных, а двухвалентные — слабее трехвалентных.
По коагулирующей способности в глинистой суспензии ка-
тионы располагаются в следующий ряд:
Li < NH4 < К < Na < Rb < Mg < Са < Sr < Fe < Al.
Следует отметить особое положение одновалентного водо-
родного иона Н, коагулирующая способность которого выше
коагулирующей способности остальных одновалентных катио-
нов; по этому признаку он приближается к двухвалентным ка-
тионам.
2. Степень обводненности грунтовых коллоидов при
коагуляции определяется их способностью связывать воду мо-
лекулярными силами, называемой гидрофильностью. Если эта
способность выражена слабо и проявляется лишь на поверхно-
сти частиц, то коллоиды называют гидрофобными. Результатом
коагуляции гидрофобных коллоидов является быстрое и резкое
разделение частиц и воды; первые свертываются в хлопья,
укрупняются. Если же в коллоидах взаимодействие частиц с во-
дой выражено сильно и они обладают, кроме наружного (по
поверхности) взаимодействия с ней, еще внутрипакетным погло-
щением, то такие коллоиды называют гидрофильными. Здесь
сближению частиц препятствуют тонкие упругие оболочки из
ориентированных диполей воды, образующиеся вокруг частиц,
что является фактором, определяющим устойчивость суспензий.
Коагуляция гидрофильных коллоидов протекает медленно,
в этом случае резкого разделения фаз не наблюдается, т. е.
вода отделяется от них с трудом.
От гидрофильных частиц вода отделяется с трудом, они
сжимаются медленнее, от гидрофобных — легче, они сжимаются
15
быстрее. Скорость вибропогружения свай, шпунта меньше в гид-
рофильных грунтах, нежели в гидрофобных.
3. Способность глинистых грунтов со време-
нем выделить часть своей воды, а также раствора
приводит к уменьшению толщины водных оболочек и упрочне-
нию грунтов. Этот процесс называют синерезисом коллоидов,
он влечет за собой изменение свойств грунтов, называемое ста-
рением.
§ 4. Структурные связи между частицами
глинистых грунтов
Основное требование, предъявляемое строителями к глини-
стым грунтам, заключается в том, чтобы они достаточно сильно
сопротивлялись действию внешних сил. Если это сопротивление
будет преодолено, то возникнут перемещения частиц и агрега-
тов глинистых грунтов и, как следствие, деформации последних.
Появлению деформации препятствуют имеющиеся между ча-
стицами и агрегатами связи, называемые структурными. Именно
они удерживают частицы и их агрегаты в определенных про-
странственных соотношениях, что обеспечивает сохранность ске-
лета (каркаса) грунтов. Когда связи нарушаются, взаимному
перемещению частиц и их агрегатов препятствуют силы сопро-
тивления сдвигу на их поверхности, необходимость преодоле-
вать вес и инерцию деформирующегося грунта и давление всех
вышележащих слоев. Очевидно, что, чем больше в грунте удель-
ная поверхность, тем большую роль играют структурные связи,
зависящие от поверхности раздела фаз, химической природы
твердых минеральных частиц, структуры и свойств веществ, за-
полняющих межчастичные пространства.
По своей природе силы, определяющие прочность связей
в глинистых грунтах, делятся на химические, обеспечивающие
связь между атомами, и физические, действующие в основном
между молекулами. Первые из них связывают атомы и обуслов-
ливают ионную и ковалентную связи, а вторые — силы Ван-дер-
Ваальса подразделяются на дипольные или ориентационные,
индукционные и дисперсионные. Промежуточными между хими-
ческими и физическими силами являются водородные связи.
Как правило, большинство из этих видов межатомного и меж-
молекулярного взаимодействия проявляет себя одновременно,
однако во многих случаях определяющую роль в связности гли-
нистых грунтов играет один из видов.
Ионная связь осуществляется в результате перехода одного
или нескольких электронов с внешней электронной орбиты од-
ного атома на внешнюю электронную орбиту другого. Атомы,
лишившиеся электронов, заряжаются положительно и стано-
вятся катионами. Атомы, присоединившие электроны, заря-
жаются отрицательно и становятся анионами. Это служит пред-
посылкой для возникновения электростатического притяжения
16
между катионами и анионами, которое и будет причиной обра-
зования молекулы.
Ионная связь характерна для неорганических соединений.
Ионы в молекулах не следует рассматривать как абсолютно
жесткие неизменные системы. Под воздействием внешнего элек-
трического поля (или полей соседних ионов) электроны и атом-
ное ядро могут несколько смещаться в противоположные сто-
роны. Данный процесс называется поляризацией. Особенно это
легко происходит в наружных наиболее удаленных от ядра
электронных оболочках. Для отрицательных ионов (С1~, Вг~)
характерна высокая поляризация, для положительных (К+,
Са2+, Na+ и др.) —незначительная.
Из работы [12] известно, что кристаллы большинства глини-
стых минералов имеют ионную связь и их особенность заклю-
чается в том, что на поверхности соединяющихся частиц наблю-
даются свободные электрические заряды. Эта связь возникает
при цементации глинистых грунтов веществами, выпадающими
из поровых растворов в виде тончайших пленок на поверхности
частиц или веществами, заполняющими поры.
Ковалентная связь характерна для химических элементов,
которые образуют одну или несколько пар электронов, являю-
щихся общими для соединяющихся атомов (т. е. они одновре-
менно входят в состав электронных оболочек двух атомов). По-
скольку при образовании ковалентной связи не происходит ни
потери, ни присоединения электронов к атомам, то молекулы
с ковалентной связью не содержат ионов. Она обладает повы-
шенной устойчивостью по отношению к действию внешних фак-
торов и в ряде случаев исключает появление свободных ионов
в растворах. Поэтому поверхности тел, состоящих из молекул
с ковалентными связями, могут быть электрически нейтраль-
ными. Ковалентная связь характерна для многих органических
соединений, в частности для естественных и искусственных вы-
сокомолекулярных соединений, играющих роль «мостиков»
между частицами грунтов.
Перейдем к рассмотрению физических сил. Всякая молекула
состоит из атомов, в которых имеются частицы как положи-
тельно (ядра атомов), так и отрицательно (электроны) заря-
женные.
В результате неравномерного распределения электрических
зарядов атомов в молекуле появляются полярные молекулы.
Полярные молекулы являются диполями, характеризующимися
определенным дипольным расстоянием между полюсами ди-
поля. Длина этого расстояния определяет степень полярности
молекулы: чем оно больше, тем резче выражение полярности.
Межмолекулярная связь возникает вследствие электростати-
ческого взаимодействия между частями двух молекул, несущих
различные по знаку заряды (дипольное взаимодействие). Такое
дипольное взаимодействие между полярными молекулами
17
приводит к наиболее устойчивому состоянию и носит название
ориентационного взаимодействия.
Не исключено взаимодействие между неполярными молеку-
лами в случае их легкой поляризуемости под влиянием сосед-
них ионов или молекул в момент сближения, что приводит к об-
разованию индуцированных диполей. Взаимодействие индуциро-
ванных диполей приводит также к взаимному приближению мо-
лекул, но более слабому, чем в первом случае, и носит название
индукционного взаимодействия.
В результате периодических колебаний электронных оболо-
чек и ядер атомов образуются мгновенные диполи, вызывающие
дисперсионные силы. Эти силы не зависят от температуры и
проявляются как полярными, так и неполярными молекулами.
Их доля среди физических сил значительна, за исключением тех
случаев, когда действуют сильные постоянные диполи.
Следует отметить, что физические или межмолекулярные
силы способствуют связности глинистых грунтов. Роль этих сил
(Ван-дер-Ваальса) повышается с ростом дипольного расстояния
между поверхностями твердых частиц, что имеет место в грун-
тах, подвергнутых значительному внешнему давлению, которое
трансформируется в точках контакта в большие контактные
напряжения. Силы Ван-дер-Ваальса огромны, но суммарное их
действие зависит от числа непосредственных точек контакта,
а таких контактов в грунте мало.
Прочность глинистых грунтов определяется и водородными
связями, занимающими промежуточное положение между хи-
мическими и физическими силами.
Водородная связь возникает в результате взаимодействия
двух сильно полярных связей, принадлежащих различным мо-
лекулам (или одной и той же молекуле). Она образуется во-
дородом только между электроотрицательными атомами (F, N,
О, Cl, S). Это объясняется тем, что водородный атом, вступаю-
щий в химическую связь за счет своего электрона, остается
в виде ядра без электронов и вследствие этого не только не
отталкивается от электронной оболочки другого атома, а, на-
оборот, притягивается к ней. Важной особенностью водородной
связи является малое расстояние между атомами, связанными
водородом.
Существуют мнения, что водородные связи между молеку-
лами полимеров и частицами грунтов собственно и обусловли-
вают их адгезию (прилипание). Прочность рассмотренных свя-
зей принято выражать через работу, затрачиваемую для пол-
ного их разрыва. Величины связей определяются следующими
значениями:
ковалентная связь.......... 50—200 ккал/моль
Ван-дер-Ваальсовы силы.....2—11 »
ионная связь............... 20—150 »
водородная связь...........5—8 »
18
Из приведенных данных видно, что наиболее прочными яв-
ляются химические связи, они в десятки, сотни раз прочнее фи-
зических сил и водородных связей. Химические силы действуют
на расстоянии порядка всего 1—2 А, в то время как силы Ван-
дер-Ваальса— на расстоянии 5А и более; кроме того, они обус-
ловливают взаимодействие не только между молекулами, но и
между коллоидными частицами.
Прочность глинистых грунтов зависит лишь от прочности
связей между их частицами, поскольку прочность самих частиц
всегда больше прочности связей между ними.
Характер структурных связей между частицами, определяю-
щий их прочность, обусловлен процессами первичного накопле-
ния твердого вещества и последующим его изменением в про-
цессе литогенеза, т. е. превращения осадка в породу (грунт).
Первичное накопление твердого вещества происходит различ-
ными путями. При образовании глинистых пород (грунтов) —
осаждением и свертыванием (коагуляцией) минеральных и ор-
ганических частиц менее 0,002 мм в коллоидных растворах и
суспензиях. Это вызывает возникновение коагуляционных струк-
турных связей, придающих глинистым грунтам способность
к проявлению ими пластичности. Их образование связывают
с действием сил Ван-дер-Ваальса.
В начале своего существования глинистый грунт (ил) с коа-
гуляционными связями имеет рыхлое сложение, однако со вре-
менем прочность его нарастает за счет увеличения молекуляр-
ных сил сцепления. В этом случае большую роль играют
процессы старения коллоидов, когда со временем происходит вы-
деление илом части содержащейся в нем воды, а точнее — кол-
лоидного раствора. Это явление влечет за собой упрочнение и
уменьшение объема глинистых грунтов, что связано с действием
сил молекулярного притяжения между частицами, которые спо-
собствуют их ориентации и сближению с одновременным умень-
шением толщины водных оболочек в местах контактов и выжи-
манием воды.
Возрастание прочности сопровождается трансформацией
свободной воды в физически связанную воду в порах грунта,
т. е. процессом, имеющим физико-химическую природу (§ 5).
Поскольку молекулярное притяжение частиц при коагуляции
происходит через находящиеся между частицами водные обо-
лочки, то их толщина будет предопределять прочность связей.
В случае достижения водными оболочками максимально воз-
можной толщины наступит полное экранирование молекуляр-
ного сцепления и в результате этого — разжижение грунта.
Если же толщина водных оболочек окажется минимальной,
что может быть, например, в твердых глинах, то последние бу-
дут обладать наибольшей прочностью. Следовательно, проч-
ность коагуляционных связей определяется влажностью грун-
тов, которая может меняться.
19
Другая характерная особенность коагуляционных связей за-
ключается в их обратимости: при известных условиях они мо-
гут исчезнуть и вновь появиться. Действительно, если глинистый
грунт, имеющий коагуляционные связи той или иной прочности,
начать механически разрушать, например вибрировать, то это
обусловит трансформацию физически связанной воды в свобод-
ную воду. Одновременно освободится и иммобилизованная вода,
частицы на период вибрации окажутся окруженными доста-
точно толстыми водными оболочками, в результате чего про-
изойдет разжижение грунта, т. е. снижение его прочности. Если
теперь прекратить вибрацию, то вновь начнется процесс транс-
формации воды, но уже в обратном направлении — свободная
вода будет трансформироваться в физически связанную, од-
новременно будет идти иммобилизация воды. Сказанное вызо-
вет со временем утонение водных оболочек, которое приве-
дет к упрочнению коагуляционных связей и грунта в целом.
В этом и заключается сущность обратимости явлений тиксо-
тропного разупрочнения и упрочнения.
В зависимости от степени прочности коагуляционных связей,
иначе говоря, от толщины водных оболочек, глинистые грунты
могут находиться в различном физическом состоянии — текучем,
пластичном и т. д.
Но наряду с коагуляционными структурными связями в гли-
нистых породах (грунтах) при известных условиях могут воз-
никать и жесткие необратимые кристаллизационные структур-
ные связи, которые называются так за то, что образованы
микро- и макрокристалликами минералов, выделившихся из по-
ровых растворов в процессе литогенеза. В этом случае имеют
место дегидратация, перекристаллизация коллоидов и другие
процессы, которые вызывают цементацию частиц в глинистых
грунтах.
Кристаллизационные связи подразделяют на водостойкие и
неводостойкие. Первые из них образованы кристалликами солей
слабо или вовсе нерастворимыми в воде, а вторые — кристалли-
ками солей, растворимыми в воде. Отсюда и появилось понятие
о засоленных грунтах. К этим грунтам, согласно ТУ на соору-
жение земляного полотна и дорожных сооружений автомобиль-
ных дорог в засушливых районах, принято относить такие
грунты, которые в пределах верхней метровой толщи содержат
в среднем 0,3% легкорастворимых солей: NaCl, СаС12, Na2SO4,
Na2CO3 и др.
Кристаллизационные связи возникают при действии химиче-
ских сил в результате непосредственного срастания (сцепления)
кристаллов друг с другом с образованием твердого тела, что
обусловливает высокую прочность, хрупкость и жесткость, ха-
рактеризующие их необратимость. Восстановление кристалли-
зационных связей возможно лишь при новообразовании заро-
дышей кристалликов из пересыщенного раствора.
20
Прочность кристаллизационных связей зависит от условий
выпадения осадка из раствора, иными словами, от образования
кристалликов солей. Если этот процесс происходит при очень
низком пересыщении (с малой скоростью), то возникают круп-
ные кристаллики, не сращивающиеся друг с другом. Если же
кристаллики образуются в условиях довольно высокого насы-
щения (с большой скоростью), то все они с момента возникно-
вения после некоторого индукционного перехода дают резкое
нарастание прочности вследствие образования каркаса, прони-
зывающего весь объем среды.
Таким образом, про глинистые грунты, в которых отме-
чаются одновременно коагуляционные и кристаллизационные
связи, можно говорить, что у них смешанные связи, количест-
венные соотношения которых могут изменяться в течение времени.
Прочность структурных связей в глинистых грунтах опреде-
ляется степенью (величиной) их влажности. Действительно,
если при данной влажности глинистый грунт имеет лишь коагу-
ляционные связи, то по мере ее уменьшения, из-за естественного
усыхания, в нем увеличится концентрация порового раствора.
Это явится предпосылкой к выпадению в осадок в первую оче-
редь труднорастворимых (карбоната кальция, гипса и др.), а во
вторую — легкорастворимых солей (NaCl и др.). Соли покры-
вают пленкой поверхность более крупных частиц, заполняют
поры в грунте и тем самым создают кристаллизационные связи.
Очевидно, что количество этих связей по мере уменьшения
влажности глинистых грунтов будет расти и достигнет макси-
мума при переходе последних в воздушно-сухое состояние,
когда дальнейшее уменьшение влажности исключено.
Иные условия наблюдаются с уменьшением влажности гли-
нистого грунта при сжатии его нагрузкой, поскольку в этом
случае поровый раствор отжимается вместе с находящимися
в нем ионами. Это исключает возможность образования кри-
сталлизационных связей теми путями, о которых говорилось
выше, когда речь шла о высыхании глинистых грунтов.
Если же влажность глинистых грунтов будет увеличиваться,
то это вызовет сначала уменьшение, а затем распад и даже ис-
чезновение их структурных связей, что приведет в конечном
счете к уменьшению прочности грунта (в зависимости от усло-
вий, в которых протекает этот процесс). Причины же, вызываю-
щие распад или исчезновение структурных связей, весьма
разнообразны, а главное непостоянны. Иногда достаточно изме-
ниться какому-нибудь одному фактору, обусловившему равно-
весное состояние глинистого грунта, как это вскоре же влечет
за собой изменение его прочности в ту или в другую сторону
в зависимости от обстановки, в которой находится грунт.
Именно в этом заключается причина неожиданных деформаций
и даже аварий сооружений, возможность возникновения кото-
рых до их появления нельзя и предсказать.
21
Все сказанное подтверждает тот факт, что изучение условий,
при которых может возникнуть распад или произойти исчезно-
вение связей, является основным вопросом для строителей, при-
ступивших к возведению сооружений.
Прямых способов определения характера структурных свя-
зей в глинистых грунтах нет. Он может быть определен кос-
венно— путем просмотра шлифов в поляризационный микро-
скоп, на основе анализа результатов водных и соляно-кислых
вытяжек из грунтов с учетом количества сухого остатка, а так-
же на основе данных кинетики тиксотропного упрочнения
грунта. Наличие в шлифах кристаллов растворимых в воде ми-
нералов свидетельствует о смешанном характере связей, а от-
сутствие— о том, что связи лишь коагуляционные. Большой су-
хой остаток является показателем того, что в грунте имеются
кристаллы легко (водная вытяжка) и трудно (солянокислая
вытяжка) растворимых солей.
В какой-то мере показателем характера структурных связей
в глинистых грунтах может быть их консистенция. Действи-
тельно, твердые грунты имеют смешанные связи, а текучие лишь
коагуляционные.
§ 5. Виды воды и воздуха в глинистых грунтах
Вода в глинистых грунтах классифицируется- следующим
образом:
Парообразная вода. Она передвигается как газ — из мест
с большей упругостью пара в места с меньшей упругостью; при
соответствующих температуре и давлении может конденсиро-
ваться и превращаться в другие виды воды.
Физически связанная вода. На поверхности заряженной гли-
нистой частицы дипольные молекулы адсорбируются и одновре-
менно ориентируются (рис. 5). Таких слоев ориентированных
диполей воды может быть несколько, при этом чем дальше от
поверхности отстоят диполи, тем слабее проявляется их ориен-
тирующая сила, которая под конец совсем исчезает. Различают
следующие виды физически связанной воды.
Адсорбированная и прочно связанная вода. Молекулы такой
воды прочно связаны с глинистыми частицами, т. е. строго
ориентированы. Некоторые исследователи называют эту воду
гигроскопической. Грунт, содержащий только ее, всегда является
воздушно-сухим.
Количество гигроскопической воды — величина переменная,
определяемая отношением веса воды, удаляемой из образца
воздушно-сухого грунта высушиванием при 100—105° С до по-
стоянного веса, к весу воздушно-сухого грунта. Так например,
для монтмориллонитовых глин величина гигроскопической
влажности находится в пределах 7-4-14%, для гидрослюди-
стых — 24-3%, для каолинитовых— 14-1,5%.
22
Рыхло (слабо) связанная вода. Ее дипольные молекулы
ориентированы слабо. Ее называют и диффузной водой, так
как она составляет диффузный слой в частице.
Прочно связанная вода перемещается в порах грунтов в виде
пара. Рыхло связанная вода передвигается от мест, где тол-
щина оболочки большая, к местам, где она еще больше, что
происходит до тех пор, пока молекулы воды не будут с одина-
ковой силой притягиваться к частицам. Физически связанная
вода образует вокруг глинистой частицы неразрывно связанную
Катионы
Минеральная
частица
Диффузионная
оболочка
Слой обязанной
бобы
Граничная фаза
Свободная бода
Осмотическая
1 зона I
Рис. 5. Схема электромолекулярного взаимодействия минеральной твердой
частицы грунта с водой (по Н. А. Цытовичу)
а — ориентация диполей воды; б — схема связанности воды
с ней водную оболочку. Другими словами, эту оболочку можно
рассматривать как деформирующуюся вместе с частицей под
влиянием напряжений, возникающих под действием нагрузки.
Этим определяется взаимодействие глинистых частиц с окру-
жающей их водой, или их гидратация.
В условиях природного залегания глинистые грунты дочет-
вертичного возраста, по-видимому, содержат лишь физически
связанную воду, в то время как четвертичные глинистые грунты
чаще всего содержат и свободную воду.
Физически связанная вода имеет ряд особенностей: она
удерживается в грунтах силами, превосходящими ускорение
силы тяжести в десятки тысяч раз; не оттекает в дренажные
сооружения; не полностью принимает участие в растворении,
труднее испаряется; ее плотность больше 1; температура за-
мерзания ниже 0°С.
23
Прочно связанная вода обладает свойствами твердого тела,
а рыхло связанная — свойствами битума различной вязкости.
Она придает глинистым грунтам свойство пластичности. Слои
диполей прочно связанной воды, «являясь как бы весьма тон-
кими кристаллическими (твердыми) пленками» (П. А. Ребин-
дер), могут иметь большую прочность на разрыв, называемую
поверхностной прочностью, которая измеряется усилием, необ-
ходимым для ее разрыва.
Наибольшей прочностью обладают адсорбционные слои вы-
сокомолекулярных соединений, поэтому именно среди них строи-
тели должны находить вещества для обработки грунтов, напри-
мер при погружении свай, с целью повышения их несущей спо-
собности.
Оболочки физически связанной воды определенной толщины,
определяемой влажностью грунтов, способны раздвигать до из-
вестного предела частицы и пакеты в частицах монтморилло-
нита. В этом заключается суть их расклинивающего действия.
Физически связанная вода весьма чутко реагирует па вся-
кого рода воздействия. Достаточно перемять глину, как в ней
тотчас изменится соотношение видов воды и, как следствие,—
показатели ее прочностных свойств.
Сказанное иллюстрируется следующими примерами. На од-
ном из строительств в Ленинграде экскаватором рыли котло-
ван в ленточных глинах. Экскаватор работал у края котлована
и с течением времени от собственных движений, вызывавших
вибрацию, стал быстро погружаться в глины, которые размяг-
чились из-за нарушения скелета—каркаса, т. е. разупрочнения
их структурных связей. Тогда на краю котлована поставили
клетку из шпал для экскаватора, надеясь, что она спасет поло-
жение, однако увидели, что при работе клетка вместе с экска-
ватором погрузилась в глины.
В некоторых случаях при производстве земляных работ при-
мерно в тех же условиях может и не происходить явлений раз-
мягчения. В частности, это наблюдается при использовании
гидравлических экскаваторов, которые работают спокойнее. От-
сюда напрашивается вывод о том, что существующие землерой-
ные машины (их типы) должны быть оценены с точки зрения
вызываемой ими вибрации. Эти сведения дадут возможность
строителям использовать в конкретной обстановке машины,
позволяющие учесть степень проявления способности глинистых
грунтов к размягчению и разжижению.
Наличие физически связанной воды в глинистых грунтах
дало повод дифференцировать понятие об их пористости и раз-
личать истинную, или геометрическую, пористость п — отноше-
ние объема пор к общему объему грунта (в %):
п= fl — — 100, (1)
\ А )
24
где 6 — объемный вес скелета;
А— удельный вес частиц;
активную пористость пакт — объем пор, свободный от физи-
чески связанной воды:
^акт
Те
(1 +0,01Гсв)
100,
(2)
где уе — объемный вес грунта во влажном состоянии, соответ-
ствующий влажности свободной воды;
№св — количество свободной воды, определяемое по кривой
кинетики сушки или другим методом.
В соответствии с ГОСТ 5179—64 влажностью грунта назы-
вается содержание в нем воды, удаляемой высушиванием при
100—105° С до постоянного веса, выраженное в процентах
к этому постоянному весу.
Гравитационная (свободная) вода. Она передвигается под
влиянием силы тяжести. А. Ф. Лебедев, создавший учение о ви-
дах воды в почвах, выделяет следующие ее виды:
Капиллярная вода. Заполняет только капиллярные поры,
расположенные выше уровня грунтовой воды. Различают собст-
венно капиллярную воду и подвешенную капиллярную воду.
Собственно капиллярная вода поднимается вверх от уровня
грунтовой воды по капиллярам под действием сил поверхност-
ного натяжения, возникающих на границе раздела воды и воз-
духа. Другими словами, собственно капиллярная вода непосред-
ственно связана с грунтовой водой, за счет которой она попол-
няется при испарении. В природных условиях капиллярной
водой является вода капиллярной зоны, располагающейся непо-
средственно над уровнем грунтовой воды. Она обычно обуслов-
ливает в этой зоне повышенную влажность. По своим свойст-
вам капиллярная вода характеризуется тем, что не вытекает
в дренажные сооружения и в очень мелких порах замерзает
при температуре ниже 0°С.
Подвешенная капиллярная вода не сообщается с грунтовой
водой; снизу она ограничивается поверхностью менисков, проти-
водействующих ее передвижению вниз. Эти мениски, по мнению
Лебедева, подвешивают ее (откуда и название этого вида воды).
Капиллярная вода постепенно перетягивается от более влаж-
ных участков к более сухим, а также от участков более песча-
ных к более глинистым.
Собственно гравитационная вода. В свою очередь может быть
подразделена на просачивающуюся воду, т. е. находящуюся
в состоянии падения сверху вниз, и воду потока грунтовых или
напорных вод, движущихся в водоносных слоях (горизонтах).
Иммобилизованная вода. Находится лишь в глинистых грун-
тах. Ее особенность состоит в том, что она как бы изолирована
от общего объема свободной воды оболочками физически свя-
занной воды и стенками замкнутых пор, как бы защемлена.
25
Прочно связанная вода обладает свойствами твердого тела,
а рыхло связанная — свойствами битума различной вязкости.
Она придает глинистым грунтам свойство пластичности. Слои
диполей прочно связанной воды, «являясь как бы весьма тон-
кими кристаллическими (твердыми) пленками» (П. А. Ребин-
дер), могут иметь большую прочность на разрыв, называемую
поверхностной прочностью, которая измеряется усилием, необ-
ходимым для ее разрыва.
Наибольшей прочностью обладают адсорбционные слои вы-
сокомолекулярных соединений, поэтому именно среди них строи-
тели должны находить вещества для обработки грунтов, напри-
мер при погружении свай, с целью повышения их несущей спо-
собности.
Оболочки физически связанной воды определенной толщины,
определяемой влажностью грунтов, способны раздвигать до из-
вестного предела частицы и пакеты в частицах монтморилло-
нита. В этом заключается суть их расклинивающего действия.
Физически связанная вода весьма чутко реагирует па вся-
кого рода воздействия. Достаточно перемять глину, как в ней
тотчас изменится соотношение видов воды и, как следствие,—
показатели ее прочностных свойств.
Сказанное иллюстрируется следующими примерами. На од-
ном из строительств в Ленинграде экскаватором рыли котло-
ван в ленточных глинах. Экскаватор работал у края котлована
и с течением времени от собственных движений, вызывавших
вибрацию, стал быстро погружаться в глины, которые размяг-
чились из-за нарушения скелета—каркаса, т. е. разупрочнения
их структурных связей. Тогда на краю котлована поставили
клетку из шпал для экскаватора, надеясь, что она спасет поло-
жение, однако увидели, что при работе клетка вместе с экска-
ватором погрузилась в глины.
В некоторых случаях при производстве земляных работ при-
мерно в тех же условиях может и не происходить явлений раз-
мягчения. В частности, это наблюдается при использовании
гидравлических экскаваторов, которые работают спокойнее. От-
сюда напрашивается вывод о том, что существующие землерой-
ные машины (их типы) должны быть оценены с точки зрения
вызываемой ими вибрации. Эти сведения дадут возможность
строителям использовать в конкретной обстановке машины,
позволяющие учесть степень проявления способности глинистых
грунтов к размягчению и разжижению.
Наличие физически связанной воды в глинистых грунтах
дало повод дифференцировать понятие об их пористости и раз-
личать истинную, или геометрическую, пористость п — отноше-
ние объема пор к общему объему грунта (в %):
п= fl — 100, (1)
\ А )
24
где 6 — объемный вес скелета;
А— удельный вес частиц;
активную пористость пакт — объем пор, свободный от физи-
чески связанной воды:
^акт
Те
(1 +0,01Гсв)
100,
(2)
где уе — объемный вес грунта во влажном состоянии, соответ-
ствующий влажности свободной воды;
— количество свободной воды, определяемое по кривой
кинетики сушки или другим методом.
В соответствии с ГОСТ 5179—64 влажностью грунта назы-
вается содержание в нем воды, удаляемой высушиванием при
100—105° С до постоянного веса, выраженное в процентах
к этому постоянному весу.
Гравитационная (свободная) вода. Она передвигается под
влиянием силы тяжести. А. Ф. Лебедев, создавший учение о ви-
дах воды в почвах, выделяет следующие ее виды:
Капиллярная вода. Заполняет только капиллярные поры,
расположенные выше уровня грунтовой воды. Различают собст-
венно капиллярную воду и подвешенную капиллярную воду.
Собственно капиллярная вода поднимается вверх от уровня
грунтовой воды по капиллярам под действием сил поверхност-
ного натяжения, возникающих на границе раздела воды и воз-
духа. Другими словами, собственно капиллярная вода непосред-
ственно связана с грунтовой водой, за счет которой она попол-
няется при испарении. В природных условиях капиллярной
водой является вода капиллярной зоны, располагающейся непо-
средственно над уровнем грунтовой воды. Она обычно обуслов-
ливает в этой зоне повышенную влажность. По своим свойст-
вам капиллярная вода характеризуется тем, что не вытекает
в дренажные сооружения и в очень мелких порах замерзает
при температуре ниже 0°С.
Подвешенная капиллярная вода не сообщается с грунтовой
водой; снизу она ограничивается поверхностью менисков, проти-
водействующих ее передвижению вниз. Эти мениски, по мнению
Лебедева, подвешивают ее (откуда и название этого вида воды).
Капиллярная вода постепенно перетягивается от более влаж-
ных участков к более сухим, а также от участков более песча-
ных к более глинистым.
Собственно гравитационная вода. В свою очередь может быть
подразделена на просачивающуюся воду, т. е. находящуюся
в состоянии падения сверху вниз, и воду потока грунтовых или
напорных вод, движущихся в водоносных слоях (горизонтах).
Иммобилизованная вода. Находится лишь в глинистых грун-
тах. Ее особенность состоит в том, что опа как бы изолирована
от общего объема свободной воды оболочками физически свя-
занной воды и стенками замкнутых пор, как бы защемлена.
25
Иммобилизованная вода соединяется с общим объемом свободной
воды лишь при нарушении каркаса (скелета) глинистого грунта.
Это имеет место при разминании, вибрации и других механиче-
ских воздействиях на грунт.
Гравитационная вода растворяет и разлагает минералы
грунтов, механически воздействует в виде потока на их зерна и
частицы и передает гидростатическое давление.
Вода в твердом состоянии — лед. Кристаллы его цементируют
частицы и превращают грунт в монолит.
Химически связанная вода. Подразделяется на конституцион-
ную, кристаллизационную и цеолитную воду, каждая из которых
с различной силой связана с кристаллической решеткой минера-
лов.
Третья фаза в глинистых грунтах — это воздух, который мо-
жет быть свободным, сообщающимся с атмосферой, защемлен-
ным — в виде пузырьков, не сообщающихся с атмосферой, и
адсорбированным поверхностью частиц. Практическое значение
для строителей имеет лишь защемленный воздух, поскольку под
нагрузкой он обычно приводит к возникновению упругих дефор-
маций, а остаточные появляются лишь в случае его исчезнове-
ния, например при растворении и т. п.
Значение воздуха в грунтах заключается также и в том, что
его присутствие обусловливает существование свободных поверх-
ностей воды между частицами. Вследствие этого в грунте про-
являются силы поверхностного натяжения.
§ 6. Физическое состояние глинистых грунтов
При строительной оценке глинистых грунтов важно знать их
физическое состояние или консистенцию, которая бывает теку-
чей, текуче-пластичной, мягкопластичной, тугопластичной, полу-
твердой и твердой. Для определения консистенции необходимо
располагать сведениями о так называемых пределах пластич-
ности и усадки, представление о которых вытекает из следующих
данных.
Если растертую в порошок глину замесить с водой, то можно
достичь такого положения, когда паста из текучего состояния
будет переходить в пластичное. Момент этого перехода назы-
вают границей текучести Н7Т или верхним пределом пластич-
ности. Эта влажность определяется условным стандартным ис-
пытанием искусственно замешенного с водой грунта до гус-
тоты, при которой стандартный балансирный конус весом 76 г
с углом при вершине, равным 30°, погружается в грунт от соб-
ственного веса на глубину 10 мм. По мере уменьшения этой
влажности в результате добавления сухого порошка паста ста-
новится пластичной, т. е. способной под влиянием внешнего
воздействия изменять свою форму — деформироваться без раз-
рыва и сохранять ее по прекращении этого воздействия.
26
Добавлением сухого порошка к пасте можно добиться такого
состояния, когда она потеряет способность к пластической де-
формации, т. е. не будет раскатываться в проволоку (жгут),
а станет полутвердой. Влажность, соответствующую этой кон-
систенции, называют пределом раскатывания в проволоку, или
нижним пределом пластичности Wp. Если полутвердая паста
будет сохнуть, уменьшаясь при этом в объеме, что часто сопро-
вождается образованием трещин, то со временем можно устано-
вить такой момент, когда она посветлеет, т. е. станет твердой.
Влажность, соответствующую переходу пасты из полутвердого
состояния в твердое, называют пределом усадки U7y. Поскольку
далее влажность может уменьшаться, то объем останется таким
же, каким был при 1ГУ. Переход глинистого грунта из одного
физического состояния в другое есть следствие изменения соот-
ношения различных видов воды.
В природных условиях глинистые грунты могут находиться
еще в скрыто пластичном и скрыто текучем состояниях, которые
обнаруживаются лишь при разрушении (перемятой) грунтов.
Их отличие заключается в том, что будучи нарушены—-первые
становятся пластичными, а вторые текут. Грунты в скрыто те-
кучем состоянии имеют естественную влажность больше предела
текучести 1ГТ, а в скрыто пластичном — меньше WT и больше 1ГР.
Скрыто текучее состояние свойственно многим глинам типа иоль-
диевых и илам.
В пределах влажностей между Н7Т и Н7Р глинистые грунты —
пластичные. Вычитая U7p из 1ГТ, можно найти число пластич-
ности Ф, в зависимости от которого глинистые грунты подразде-
ляются на следующие виды (табл. 3).
Таблица 3
Виды глинистых грунтов
Наименование грУнтов Показатели пластичности Содержание гли- нистых частиц в % по весу
число пластич- ности в % диаметр жгута из грунта в мм
Глина Суглинок Супеси Более 17 17—7 Менее 7 Менее 1 1—3 Более 3 Более 30 30—10 10—3
консистенции
грунта в природных условиях
Для определения
СНиП П-Б. 1—62 рекомендуют пользоваться показателем кон-
систенции В (по международным определениям, индекс текуче
Г— Гр
(3)
где W—природная весовая влажность в %.
27
В зависимости от величины В различают следующие виды
консистенции глинистых грунтов (см. табл. 4).
Консистенция глинистых грунтов может быть оценена по ре-
зультатам статического зондирования или пенетрации. В табл. 4
приводятся некоторые ориентировочные данные о сопротивлении
глинистых грунтов статическому зондированию, осуществляе-
мому конусом диаметром 36 мм с углом при вершине, равным
60°, пенетрационным испытаниям стандартным балансирным
конусом (ГОСТ 5184—61) и одноосному сжатию при отсутствии
дренирования. Определенные этими способами показатели кон-
систенции рекомендуется корректировать с результатами, полу-
ченными обычным (влажностным) методом.
Таблица 4
Определение консистенции суглинков и глин по результатам
статического зондирования и пенетрации
Консистенция Показатель консистен- ции В Сопротивле- ние погру- жению кону- са диаметром 36 мм и а = 60° в кГ/см? Глубина по- гружения стандартного конуса (ГОСТ 5184— 61) в образец в мм Одноосное сжатие в кГ/см?
Твердая Менее 0 100 Менее 2 Больше 4
Полутвердая 0—0,25 100—50 2—4 1—4
Тугопластичная .... 0,25—0,5 50—20 4—6 0,5—1
Мягкопластичная . . . 0,5—0,75 20—10 6—8 0,25—0,5
Текучепластичная . . . 0,75—1,0 Менее 10 8—10 —
Для глинистых грунтов от правильного определения консис-
тенции зависит установление применимости тех или иных рас-
четных теорий: сплошных (однокомпонентных) деформируемых
масс, фильтрационной консолидации и др.
§ 7. Структура, текстура и сложение
глинистых грунтов
Как известно, физико-механические свойства глинистых грун-
тов определяются многими факторами. Среди них важнейшими
являются структура, текстура и сложение. К сожалению, в эти
понятия многие специалисты в области механики грунтов и ин-
женерной геологии вкладывают разный смысл и разное содер-
жание, что порой влечет за собой ряд недоразумений, а иногда
и неприятных последствий. Более того, это затрудняет понима-
ние многих явлений в грунтах, описание которых приводится
в литературе, мешает правильной согласованной постановке ис-
следований грунтов при решении различных строительных задач.
Так, при характеристике структуры глинистых грунтов ис-
пользуются понятия: геологические (петрографические), колло-
28
идно-химические и почвенные. Часто смешиваются представле-
ния о структуре с представлениями о структурных связях и т. п.
Горные породы как грунты являются природными геологи-
ческими телами. Поэтому при описании и оценке их со строи-
тельной точки зрения единственно правильным будет использо-
вание понятий и характеристик, твердо установившихся в геоло-
гической науке и хорошо отражающих качества грунтов, важные
для строителей.
Каждый глинистый грунт характеризуется структурой, тек-
стурой и сложением.
Под структурой глин подразумевается их строение, определя-
емое размерами, формой и количественным соотношением частиц
глины, пыли, песка и органических остатков, являющихся их
компонентами.
В глинистых грунтах различают следующие основные виды
микроструктур.
Пелитовая* структура указывает на то, что глина в ос-
новном состоит из частиц <0,01 мм. В шлифе под микроскопом
все его поле обычно занимает масса из мельчайших частиц
глины, на фоне которых отмечаются редкие пылеватые и песча-
ные частицы. Глина с пелитовой структурой характеризуется
значительной гидрофильностью, большой способностью к набу-
ханию, сжимаемости; при высыхании она сильно упрочняется и
подвергается значительному уменьшению в объеме (усадке).
Глинистые грунты с алевритовой структурой, по сравнению
с глинами с пелитовой структурой, отличаются меньшей одно-
родностью, поскольку на фотографии их шлифов отмечается не
менее 10% частиц пыли и песка. Грунты с алевритовой структу-
рой, быстрее, нежели с пелитовой структурой, размокают и теряют
свою прочность при увеличении влажности, меньше сжимаются
и менее упрочняются при подсушивании.
Алевропелитовая структура характеризуется наличием
среди основной глинистой массы угловато-округлых зерен мине-
ралов размером от 0,01 до 0,1 мм в количестве от 5 до 50%.
Псаммопелитовая структура обусловлена наличием в
глинистой массе зерен песка размером более 0,1 мм в количестве
от 5 до 25%. Она свойственна и тем глинистым грунтам, которые
многие геологи называют песчаной или песчанистой глиной, т. е.
таким грунтам, в которых частиц <0,01 мм содержится не менее
50% (песчаная глина) или 70% (песчанистая глина), при этом
пыли в каждой из них до 5%, а песка >1 мм 5—25% (песчанис-
тая глина) и 25—50% (песчаная глина). Из этих данных видно,
что такие грунты будут мало гидрофильными, способными мало
сжиматься и слабо набухать.
* Названия структур даны по названиям их основных гранулометриче-
ских элементов; их корни заимствованы из греческого языка: псефит — галь-
ка, псаммит — песок, алеврит — пыль (мука), пелит — глина.
29
Фитопелитовая структура отличается от пелитовой тем,
что в глинистой массе грунта отмечаются еще и остатки рас-
тений различной сохранности.
Все сказанное относится к микроструктурам, исследуемым
под микроскопом. Однако изучение структуры глинистых грунтов
проводится и невооруженным глазом. В этом случае говорят
о макроструктурах, среди которых различают порфировидную,
конгломератовую и брекчиевидную. Их особенность состоит
в том, что в песчано-глинистой или пылевато-глинистой массе
грунтов встречаются щебенка, галька, гравий, хрящ, валуны или
камни каких-либо скальных или полускальных пород. Примером
грунта с подобного рода макроструктурой могут быть валунные
глины или суглинки, слагающие морены.
Изучение структуры глинистых грунтов позволяет судить
о степени их однородности и глинистости и высказать соображе-
ния о степени равномерности осадок сооружений и т. п.
Текстура—это пространственное размещение и взаимное
расположение частиц в грунте, возникшее в процессе его форми-
рования, в том числе и ориентировка частиц. Изучение текстуры
дает возможность определить неоднородность толщ, анизотроп-
ность свойств — неодинаковую сжимаемость, водопроницаемость,
сопротивление сдвигу в разных направлениях. Выделение типов
текстур в глинистых грунтах производится по ряду признаков:
по условиям отложения, их различной окраске и т. д.
К текстурам, связанным с условиями отложения, относятся:
слоистые (толстослоистые, тонкослоистые, ленточные и Др.);
массивные (неслоистые или скрытослоистые); беспорядочные.
К текстурам, связанным с диагенезом отложений, относятся
плотные и макропористые, в частности лёссовые грунты и т. д.
Обычно текстуру глинистых грунтов изучают визуально в ус-
ловиях их естественного залегания или на монолитах. Но в не-
которых случаях это можно осуществить лишь с помощью микро-
скопа. Последнее даст возможность говорить о макро- и микро-
текстурах глинистых грунтов.
При изучении глинистых грунтов различают еще их сложение,
под которым подразумевают консистенцию и характер структур-
ных связей, удерживающих частицы в определенных простран-
ственных соотношениях и обусловливающих возникновение ске-
лета, способного сопротивляться внешним воздействиям.
Сложение у глинистых грунтов может быть ненарушенное
(естественное) и нарушенное. В грунте с ненарушенным сложе-
нием сохраняется текстура и все то, что объединяется термином
сложение. В грунте же с нарушенным сложением и возникают
новые состояния, отличные от естественных.
Из сказанного видно, что в глинистых грунтах при перемятии
или вибрации нарушаются лишь текстура и сложение, а не струк-
тура. Поэтому такие грунты нужно рассматривать как грунты
с нарушенным сложением, а не с нарушенной структурой.
30
Изменение прочности глинистых грунтов при нарушении их
сложения и текстуры. В ряде случаев строителям важно знать,
как сильно будет отражаться нарушение сложения глинистых
грунтов, т. е. их структурных связей, текстуры на их прочности
Для этого используют понятие структурная прочность на раздав-
ливание, или чувствительность. Понятие о ней вытекает из опыта
на раздавливание двух образцов одного и того же глинистого
грунта: один из них с ненарушенным сложением (монолит),
а другой — с нарушенным сложением, перемятый, но имеющий
влажность и пористость, как у монолита. Отношение сопротив-
ления раздавливанию монолитного образца РМон к сопротивле-
нию раздавливанию образца с нарушенным сложением РНар и
называется коэффициентом структурной прочности на раздавли-
ние Лс.п., или чувствительностью Ч.
Метод определения не должен влиять на величину чувстви-
тельности, поэтому ее можно найти и с помощью конуса. Погру-
жая конус в монолит ймон и в образец с эквивалентной влаж-
ностью и пористостью, но с нарушенным сложением йНар и
замеряя в обоих случаях глубину погружения, можно по отно-
шению Ймон К Йнар определить Ч.
Наше предложение упрощает определение Ч и, что главное,
позволяет проводить его с большей частотой на образцах мень-
ших объемов по сравнению с используемыми при раздавливании
кубиков. Оно тем более заслуживает внимания, что в настоящее
время пенетрирование все больше и больше внедряется в прак-
тику исследований.
Считается, что чувствительность может быть характеристикой
прочности структурных связей. Но в этом случае Ч трудноопре-
делимая величина, поскольку она характеризует какую-то про-
межуточную, при этом неизвестную, степень разрушения и тик-
сотропного восстановления прочности структурных связей.
Отсюда следует, что величина Ч д,ля данного грунта — перемен-
ная, она определяется естественной влажностью, консистенцией
и другими факторами.
К. Терцаги предложил следующую градацию грунтов по ве-
личине их чувствительности:
Тип грунтов Чувствитель-
ность
Нечувствительные.................... Более 1
Низкой чувствительности............. 1—2
Средней » ............ 2—4
Чувствительные...................... 4—8
Сверхчувствительные................. 8—16
Плывунные...........................Менее 16
К числу нечувствительных глинистых грунтов относятся
грунты, которые в течение их геологической истории были пере-
отложены под большим давлением (чаще всего это морены). Для
многих глинистых грунтов величина чувствительности находится
в пределах от 2 до 4, для некоторых — в пределах от 4 до 9.
31
Однако встречаются и такие грунты (илы, ленточные глины и дру-
гие молодые отложения), у которых Ч достигает 50—60 и более.
В Норвегии разности плейстоценовых глин имеют 7 = 500 и более.
Изучая чувствительность, Е. Аккерман [2] и А. В. Скемптон
[73] пришли к выводу, что в грунтах с чувствительностью от 1
до 2 исходная прочность со временем восстанавливается пол-
ностью, в то время как в грунтах с чувствительностью от 4 до
16 — только частично. Это связано с наличием в первых грунтах
лишь коагуляционных связей, а во вторых еще и кристаллизаци-
онных, не восстанавливающихся во времени.
Исходя из этого, X. Гольдер [61] связывает эффективность
применения свай в различных грунтах с величиной чувствитель-
ности этих грунтов. По его мнению, нерационально применять
сваи трения в чувствительных глинах, так как в результате раз-
рушения структурных связей при забивке свай в глинах отме-
чается большое падение прочности по сравнению с исходной.
Более подробные рекомендации дает проф. Г. П. Чебота-
рев [58]. Он пишет: «Структурную прочность глинистых грунтов
следует определять испытаниями на сжатие в одноосном напря-
жении. Если будет установлено, что грунт не обладает структур-
ной прочностью (в глинистых грунтах это исключено, данный
взгляд ошибочный, Б. Г.) или если она выражена в слабой сте-
пени, то забивка в него свай не должна вызывать какого-либо
беспокойства в отношении возможного ослабления грунта. С дру-
гой стороны, если грунт относится к глинам с высоким значе-
нием коэффициента структурной прочности, то на него нельзя
полагаться как на надлежащую опору для висячих свай, полов
или других элементов сооружения в тех случаях, когда при за-
бивке свай стоек, опирающихся на более прочный подстилающий
пласт, структура глинистых грунтов нарушается. Глины, зани-
мающие при этом среднее положение, образуют промежуточную
группу. Применительно к ним пока не имеется достаточных
данных для приведения конкретных данных».
Величина чувствительности характеризует степень развития
структурных связей в грунте по сравнению с пастой. Если же
учесть, что изучение тиксотропии грунтов вообще связано с ис-
следованием процессов восстановления и разрушения их струк-
турных связей, то станет понятно, что в таком аспекте «чувст-
вительность» является важным показателем, характеризующим
этот процесс.
Следует подчеркнуть, что большая естественная влажность
глинистых грунтов еще не может служить критерием их малой
прочности. Интересны данные С. А. Роза [42], согласно которым
ленточные глины с естественной влажностью более 50% (е=1,4)
восприняли нагрузку до 6 кГ1см2, хотя будучи перемятыми они
текли.
Итак, в рассматриваемом вопросе играет роль не только и
даже не столько большая естественная влажность, сколько проч-
32
ность структурных коагуляционных связей, которые, кстати ска-
зать, характерны для слабых водонасыщенных глинистых грун-
тов. С этой точки зрения интересен рис. 6. На нем изображен
схематический геологический поперечный разрез части дельты
одной из наших рек. Из чертежа видно, что толща гальки с гра-
вием и мелкозернистым иловатым песком мощностью 5—6 м
лежит на иловатом полутекучем суглинке. Такое благоприятное
поведение «полутекучих» илов нужно объяснить тем, что они
сочетают в себе свойства твердого и жидкого тела. Пока их
структурные связи не нарушаются, они проявляют свойства твер-
Рис. 6. Схематический геологический разрез части дельты одной
реки
1 — иловатый «полутекучий» суглинок; 2 — галька с гравием и мелко-
зернистым иловатым песком; 3 — базальт трещиноватый
дого тела. Как только происходит нарушение связей, илы ведут
себя как вязкая жидкость.
В соответствии со СНиПом илами называются глинистые
грунты, которые в начальной стадии своего формирования обра-
зовались в виде структурного осадка в воде при наличии микро-
биологических процессов, обладающие в природном сложении
влажностью, превышающей влажность на границе текучести, и
коэффициентом пористости более 1,0 для супесей и суглинков
и более 1,5 для глин.
§ 8. Водные свойства глинистых грунтов
и их сжимаемость
Среди водных свойств глинистых грунтов выделяют полную
влагоемкость, водоподъемную способность, водопроницаемость,
набухание и др. Под полной влагоемкостью грунтов Wn подра-
зумевается все количество воды, которое они способны в данных
условиях поглотить и удержать во всех порах. Состояние полной
влагоемкости соответствует степени влажности G (коэффициент
зз
водонасыщенности /в), определяемой отношением объема пор,
заполненных водой, к общему объему пор и равной единице:
G = ^-=l, (4)
где W — природная весовая влажность в %;
Д — удельный вес грунта;
Д1 — удельный вес воды, равный единице;
в — коэффициент пористости* образца грунта природного
сложения и влажности.
Степень влажности G глинистых грунтов, в частности, имеет
следующее значение. В водонасыщенных грунтах при бойке свай
происходит преимущественно выпирание грунта, а уплотнение
ограничивается зоной, прилегающей к свае. В грунтах с коэф-
фициентом G меньше 1 происходит, наоборот, в основном уп-
лотнение, а не выпирание грунта.
При неполном водонасыщении грунт будет представлять
трехфазную систему частиц: твердые минеральные частицы, вода
и газы; при полном же водонасыщении неуплотненные грунты
при наличии в порах свободной воды представляют так называе-
мую грунтовую массу, для которой применима теория фильтра-
ционной консолидации грунтов.
Под водоподъемной способностью ГЛИНИСТЫХ Грунтов Лкап
понимается их способность поднимать по капиллярам воду. Эта
способность зависит от степени дисперсности глинистых грунтов,
минерального состава частиц, состава обменных оснований и
других факторов, определяющих наличие и количество тех или
других видов физически связанной воды, а следовательно, и раз-
меров просветов пор, по которым вода поднимается вверх. Оче-
видно, если все поры заполнены только физически связанной
водой, высота капиллярного поднятия воды йКап равна нулю.
Максимально возможная величина йкап в глинах—10 м.
Водопроницаемостью грунтов называется их способность про-
пускать сквозь себя воду. У глинистых грунтов она выражается
по-разному. Глины, если они не трещиноватые, практически
водонепроницаемы, в то время как супеси — проницаемы.
Передвижение (фильтрация) воды в грунтах зависит от ряда
факторов. Ойо может происходить под влиянием силы тяжести
или внешнего давления, приложенного к сжимаемому грунту, и
в этом случае называется гравитационным. Оно может возникать
также и под влиянием осмотических сил из зоны с большей кон-
центрацией солей в поровом растворе в зону с малой концентра-
цией. В этом случае оно называется осмотическим.
* Коэффициентом пористости грунта е называется отношение объема грун-
та к объему минеральной части грунта.
34
Передвижение (фильтрация) воды в глинистых грунтах про-
исходит лишь тогда, когда их активная пористость пакт (§ 5) —
значимая величина. Если же /гаКт равна нулю, т. е. когда все
поры грунта заполнены физически связанной водой, передвиже-
ния воды не происходит. Чтобы оно возникло, необходимо физи-
чески связанную воду трансформировать в свободную. Это про-
изойдет лишь при действии нагрузки на грунт. В соответствии
с этим появилось понятие о начальном градиенте в глинистых
грунтах. Опыты показали, что вода начинает в них фильтровать
лишь после того, как градиент превысит некоторую определен-
ную величину, которую и называют начальным градиентом. Его
величина для каждого грунта определенна.
Набухание и усадка глинистых грунтов проявляются в том,
что в первом случае при увлажнении они увеличивают свой
объем, а во втором из-за высыхания уменьшают. Набухание
объясняют утолщением водных оболочек глинистых частиц
в грунтах, поглощением воды внутрь кристаллических решеток
монтмориллонитовых частиц и другими причинами. В результате
уменьшается прочность структурных связей.
Набухание глинистых грунтов зависит от степени дисперс-
ности их глинистых частиц, состава глинистых минералов, об-
менных оснований и других факторов. Чем больше в грунте час-
тиц <0,005 мм, тем больше его набухание. Оно будет больше и
в том случае, если глинистые минералы представлены монтмо-
риллонитом, а не каолинитом или гидрослюдами.
Если доступ воды к набухающему грунту не ограничен, то
с течением времени (для каждого грунта разным) структурные
связи между его частицами (и агрегатами) настолько ослабнут
(или вовсе исчезнут, если они кристаллизационные), что грунт
начнет распадаться или размокать. Следовательно, размокание
можно рассматривать как конечную стадию набухания, в этот
момент грунт теряет прочность. К набухающим относят глинис-
тые грунты, для которых
где ет — коэффициент пористости образца грунта природного
сложения, соответствующей влажности на границе текучести.
Другая сторона набухаемости грунтов состоит в том, что при
этом развивается давление набухания, достигающее иногда 5—
10 кГ)см2 и более. Очевидно, что оно проявится лишь в случае
отсутствия условий для свободного увеличения объема грунтов,
например при проходке горных выработок, возведении тоннелей
и других подземных сооружений, где недоучет его может вы-
звать трудно ликвидируемые аварии.
В строительной практике приходится встречаться и с другой
разновидностью грунтов — просадочными глинистыми грунтами.
35
К просадочным относятся глинистые грунты, имеющие степень
влажности G^0,6 и
е — Ет
1 4 е
-0,1.
(6)
Как в набухающих, так и в просадочных глинистых грунтах ра-
бота свай будет иметь свои специфические особенности, рассмот-
рение которых выходит за рамки данной книги.
Сжимаемость глинистых грунтов. Природа сжимаемости гли-
нистых грунтов очень сложна из-за наличия в них физически
связанной и иммобилизованной воды, защемленного воздуха и
различных структурных связей. Сжимаемость вследствие боль-
шой пористости может быть весьма значительной и обычно рас-
Рис. 7. Кривые механического уплотнения грунтов
а — кривая консолидации; б — компрессионная кривая
тягивается во времени. Этот процесс называют консолидацией
глинистых грунтов. На рис. 7, а изображена кривая консолида-
ции (за 100% принимается сжатие за все время опыта при дан-
ной степени нагрузки Р = const).
В целом процесс сжимаемости глинистого грунта изобра-
жают в виде компрессионной кривой (рис. 7,6), которая в зави-
симости от характера структурных связей (коагуляционные или
смешанные) имеет различное очертание. Очевидно, до тех пор,
пока сопротивление сжатию будет обусловлено прочностью свя-
зей, грунт не станет сжиматься. Этому состоянию грунта соот-
ветствует на компрессионной кривой отрезок АВ. Но как только
прочность связей нарушится, грунт начнет интенсивно сжи-
маться; в работу вовлекутся частицы и окружающие их водные
оболочки, начнется перемещение частиц, в результате чего бу-
дет отжиматься вода и уменьшаться влажность и пористость
грунта. На графике этот процесс показан криволинейным участ-
ком ВС.
Глава II
ТИКСОТРОПИЯ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ
§ 9. Основные сведения
Под способностью глинистых грунтов к тиксотропным изме-
нениям (тиксотропией) понимается физико-химическое явление,
возникающее в грунтах под влиянием того или другого воздей-
ствия (перемятия, вибрации, ультразвука и др.) и состоящее из
двух протекающих один за другим процессов разупрочнения и
упрочнения. Разупрочнение происходит в результате нарушения
структурных связей грунтов и может выразиться как в виде их
разжижения (полной потери прочности), так ив виде некоторого
размягчения (частичного снижения прочности).
В определенных условиях причиной тиксотропных изменений
слабых водонасыщенных глинистых грунтов может быть и обыч-
ное их перемятие, вызванное, в частности, хождением рабочих
по котловану, вырытому в них. Это говорит о том, что резко вы-
раженная способность к тиксотропным изменениям слабых водо-
насыщенных глинистых грунтов требует грамотного (культур-
ного) отношения к ним со стороны строителей *. Именно явления
разупрочнения структурных связей наблюдаются при бойке (по-
гружении) свай, шпунта, оболочек и т. п.
Тиксотропное упрочнение глинистых грунтов, начинающееся
по прекращении на него воздействия, обусловлено развитием в них
новых структурных связей и образованием скелета (каркаса) как
в результате увеличения их количества в каждой единице объема,
так и в результате упрочнения их в каждой точке. Оно проис-
ходит для каждого глинистого грунта в различное время, в за-
висимости от ряда условий, т. е. можно говорить о кинетике тик-
сотропного упрочнения т (рис. 8).
Это имеет практическое значение. Так, после прекращения
бойки свай в глинистые грунты их несущая способность крайне
* Под этим имеется в виду комплекс мер: укладка бетонных подушек
должна следовать немедленно за вскрытием котлована; пазухи между стенкой
котлована и фундаментами должны сразу же заполняться мятой глиной, что-
бы не допускать попадания воды в котлован; должно быть исключено хожде-
ние рабочих по дну котлована и т. п.
37
и
<=ь и 1UU IUU JUU чии эии ми
Время* ч
Рис. 8. Кривые кинетики тиксо-
тропного упрочнения глин
1 — каолинитовая с аллофаном; 2—
каолиНитовая с гидрослюдой
мала вследствие нарушения структурных связей. Йо постепенно
из-за увеличения количества связей в каждой единице объема
грунта она увеличивается и через определенное время достигает
максимума.
Причина тиксотропных изменений глинистых грунтов связы-
вается с особенностями коагуляционных связей, осуществляемых
за счет сил молекулярного притяжения частиц через водные обо-
лочки, экранирующие эти силы. Оболочки не только снижают
прочность связей в местах сцепления частиц, но и обеспечивают
их легкую восстанавливаемость, полную обратимость и легко-
подвижность. Если прочность
грунтов обусловлена только коа-
гуляционными связями, то после
их разрушения она со временем
восстанавливается. Этого нельзя
сказать о глинистых грунтах, в
которых присутствуют кристал-
лизационные связи, даже тогда,
когда первоначальная прочность
восстанавливается частично.
Тиксотропные изменения мо-
гут происходить только при нали-
чии в грунтах глинистых частиц
(хотя бы в количестве 1,5—2%),
которые связывают грубодисперс-
ные частицы в каркас (скелет)
грунта [14]. Именно этим и объ-
ясняется отсутствие способности
к тиксотропным изменениям у чи-
стых песков, гравия и гальки. На
тиксотропности сказываются так-
же величина глинистых частиц (чем они мельче, тем содержа-
щие их грунты более тиксотропны) и минеральный состав
глинистых частиц (чем больше в глинистых грунтах монтморилло-
нитовых частиц, тем сильнее в них проявляется способность к тик-
сотропным изменениям по сравнению с грунтами, содержащими
каолинитовые и гидрослюдистые частицы).
К факторам, определяющим степень проявления способности
к тиксотропным изменениям глинистых грунтов, нужно отнести
состав обменных оснований и емкость обмена. Способность
к тиксотропным изменениям снижается по мере увеличения ва-
лентности обменных оснований глин. Увеличение емкости об-
мена вызывает увеличение способности к тиксотропным измене-
ниям. Так, для монтмориллонитовых глин с емкостью обмена от
60 до 100 мг-экв на 100 г грунта «тиксотропный предел» колеб-
лется от 700 до 1350, в то время как у каолинитовых глин с ем-
костью обмена от 3 до 15 мг-экв на 100 г грунта — от 70 до 95.
Гидрослюдистые глины занимают промежуточное положение.
38
Анализ данных по вибробурению грунтов различного гене-
зиса, состава и состояния, а также опыты в лаборатории свиде-
тельствуют о том, что тиксотропные изменения определяются еще
и консистенцией глинистых грунтов, которая, по нашим данным,
в определенных условиях может подавить действие минераль-
ного состава глинистых частиц. Объяснение этому факту нужно
искать в увеличении концентрации частиц в грунтах по мере
уменьшения их влажности в единице объема и, как следствие,
в больших возможностях для проявления сил молекулярного
притяжения.
Размягчение и разжижение глинистых грунтов происходят
благодаря свободной воде, появляющейся вследствие трансфор-
мации физически связанной воды и освобождения иммобилизо-
ванной воды из пор при разрыве структурных связей, т. е. при
разрушении скелета [14].
Методом непрерывной сушки в одном опыте [12] установ-
лено, что в монолитах нижнекембрийской глины вся вода была
физически связанной. Но при вибрации в вибростакане, поднятом
с глубины 16 м, она оказалась подобной вязкой жидкости, что
говорило о переходе физически связанной воды в свободную
воду, игравшую роль смазки. Как показали наблюдения, сво-
бодная вода тонкой пленкой покрывала поверхность глины в виб-
ррстакане при ее вибрировании, становясь постепенно глянце-
витой. Но глянцевитость исчезла — глина становилась матовой —
по окончании вибрации. Это свидетельствовало о том, что часть
свободной воды переходила (трансформировалась) в физически
связанную, часть же ее иммобилизовывалась. При этом глина на-
столько уплотнялась, что требовались большие усилия, чтобы
извлечь ее из вибростакана. Эти процессы наряду с одновременно
протекающим взаимодействием частиц и создают условия для
восстановления структурных связей и скелета (каркаса) грун-
тов. Следовательно, для возникновения у глинистых грунтов
способности к тиксотропным изменениям (что происходит при
вибропогружении свай, шпунта, оболочки, вибробурении, вибро-
уплотнении, бойке свай) необязательно наличие свободной
воды до их вибрации, бойки. Последняя появляется в результате
перехода физически связанной воды при вибрации, бойке, а так-
же вследствие освобождения иммобилизованной воды, находя-
щейся в ячеях скелета при его разрушении.
Приведенные данные имеют большое практическое значение
в случаях, когда по тем или другим причинам (малой погружа-
тельной способности вибраторов при вибропогружении, свайных
молотов при бойке свай и т. п.) глинистые грунты с трудом или
вовсе не переходят в разжиженное или даже размягченное состо-
яние. Опыты показывают, что этого можно достигнуть искусст-
венным путем, т. е. что процессы разжижения и размягчения
можно регулировать. Одним из таких путей является пропуска-
ние постоянного электрического тока, вызывающего электроос-
39
мос, звуковых волн, в том числе и ультразвука. В опытах
ЛИИЖТа показано, что электроосмос может сэкономить время
погружения свай до 40% • Все супеси, суглинки и глины при оп-
ределенных условиях временно способны размягчаться и даже
разжижаться, т. е. потенциально они тиксотропны.
Может оказаться так, что супеси, суглинки и глины, не обла-
дающие в данных условиях способностью к тиксотропным изме-
нениям, приобретают ее при изменении, например, влажности,
вида или величины нагрузки, времени действия и т. п.
В какой-то мере наш взгляд подтверждается высказывани-
ями других исследователей. Так, И. И. Горькова, В. Ф. Чепик и
К. Н. Рябичева [7], изучавшие природу плывунности песчано-
коллоидных пород, пишут: «.. .временная потеря прочности при
вибрации свойственна всем без исключения рыхлым породам от
песков до глин включительно».
§ 10. Общие сведения о показателях тиксотропии
глинистых грунтов
Впервые тиксотропия была рассмотрена в 20-х годах XX в.
Г. Фрейндлихом [55] и его учениками А. Шегвари и Е. Шалеком
и др., предложившими для ее изучения метод перевернутой про-
бирки. Суть метода заключается в том, что в пробирку наливают
суспензию и встряхивают. Затем она отстаивается в штативе.
После этого определяется время, прошедшее с момента встряхи-
вания до момента, когда содержимое пробирки теряет способ-
ность вытекать из нее,— время застудневания. Этот метод оце-
нивается по-разному. Одни (Жуков) считают, что он дает
достаточно хорошо воспроизводимые результаты, чем, очевидно,
и объясняется его широкое использование, в частности за рубе-
жом. Другие (Зуев) справедливо отмечают, что момент види-
мого перехода золя в гель (время застудневания) является
только одной из точек на кривой застудневания, за которой сле-
дует нарастание прочности геля. Отсюда видно, что этот пока-
затель является чисто качественной характеристикой тиксотроп-
ных изменений, к тому же не грунта, а его суспензии, что не
одно и то же.
Вероятно, так же должна быть аттестована предложенная
Е. Аккерманом [2] характеристика „предел затвердевания”, т. е.
влажность (в %), при которой помещенная в пробирку диамет-
ром 8 мм замешанная с водой навеска в 1 г после минутного
пребывания в покое еще едва течет под действием собственного
веса. Этот метод настолько условен (кстати сказать, отмечает
и сам автор), что рассматриваемая характеристика теряет свой
смысл.
Помимо предела затвердевания, Е. Аккерман ввел еще одно
понятие — тиксотропная консистенция между пластичной и теку-
чей формами консистенции.
40
Выше отмечалось, что все глинистые грунты потенциально
тиксотропны. При этом способность к тиксотропным изменениям
может проявиться практически при любой влажности. Весь во-
Рис. 9. Характер тиксотропного упрочнения в глинах разного ми-
нерального состава
прос в способе, которым она будет вызываться (вибрацией, пере-
мятием и т. п.). Поэтому нельзя согласиться с существованием
особой тиксотропной консистенции.
X. Б. Сид и С. К. Чен [71] оценивают способность глинис-
стых грунтов к тиксотропным
изменениям путем определения
чувствительности (§ 7).
На рис. 9 приведен типич-
ный график (по А. Скемптону
и Р. Норсею {73]), иллюстри-
рующий как чувствительность
глин разного минерального со-
става, так и зависимость тик-
сотропного изменения и вос-
становления их прочности. При-
обретенная чувствительность
(этот показатель предложен
А. Скемптоном в 1952 г.) оп-
ределяется как отношение
прочности сдвига глинистого
Рис. 10. Изменение величины приоб-
ретенной чувствительности в зависи-
мости от показателя текучести для
Laurentian глины (по Э. Моретто)
грунта, испытанного через
время t после перемятия, к прочности того же грунта, но испы-
танного немедленно после перемятия. Авторы отмечают, что
приобретенная чувствительность понижается с уменьшением
влажности глины (рис. 10), которую относительно пределов
пластичности WT и Wp они выражают через показатель конси-
стенции В [см. формулу (3)].
41
Из рис. 10 видно, что после 100 дней образец грунта при
влажности, практически близкой к Wp, не проявлял способности
к упрочнению.
X. Сид и К. Чен [71] предложили для определения процесса
упрочнения в уплотненных, частично насыщенных грунтах ввести
еще одно понятие — коэффициент тиксотропного упрочнения:
отношение прочности образца, испытанного через время t,
к прочности идентичного образца, испытанного немедленно после
уплотнения. По их мнению, проч-
дремя, ч
Рис. 11. Диаграмма тиксотроп-
ного упрочнения
ность частично насыщенных грун-
тов зависит от величины прилагае-
мого давления. Поэтому в зависи-
мости от величины бокового давле-
ния, применяемого в опытах на
трехосное сжатие, коэффициенты
тиксотропного упрочнения будут
различными. Одновременно отме-
чено, что чем больше степень водо-
насыщенности, тем больше и вели-
чина тиксотропного упрочнения.
Вникнув в смысл этих двух ха-
рактеристик, нельзя не прийти к вы-
воду об известной искусственности
их разделений и потому малой обо-
снованности. Для характеристики
относительного упрочнения во всех
случаях целесообразнее, вероятно,
пользоваться коэффициентом тиксо-
тропного упрочнения, понимая под
ним относительное упрочнение за
время t. Определяя его по кривым
кинетики, можно получить скорости
протекания упрочнения одного и
того же грунта за разные периоды
времени упрочнения. Кроме этого, коэффициенты тиксотропного
упрочнения служат для сравнения величины упрочнения различ-
ных грунтов за одно и то же время t.
Определенный интерес представляют косвенные данные, ха-
рактеризующие способность глинистых грунтов к тиксотропным
изменениям. Они основаны на тех или иных коррелятивных за-
висимостях, например на том, что коэффициент пористости
у монтмориллонитовых грунтов, у которых способность к тиксо-
тропии выражена резко, при всех прочих равных условиях
больше, нежели у гидрослюдистых и каолинитовых. У гидрослюд
и каолинов коэффициент пористости, как и способность к тиксо-
тропным изменениям, может быть одинаковым.
Среди первых советских исследователей явления тиксотропии
был А. И. Августиник [1], предложивший определять величину
42
тиксотропного упрочнения т по графику (рис. 11), где на оси
абсцисс откладывается время в ч, а на оси ординат
т = (7)
* о
здесь Ро — первоначальная нагрузка, равная 75 г; Pi—последу-
ющая нагрузка, от которой шарик через 20 ч погружается на ту
же величину.
Как видно из графика, получаемые этим методом данные
позволяют судить о нарастании упрочнения во времени. Однако
рассмотренный метод в настоящее время устарел, поскольку
есть возможность использовать аналогичные по способу опреде-
ления методы конического пластометра и сферического штампа
(см. ниже), которые дают возможность количественно оценивать
процесс нарастания тиксотропной прочности в глинистых грун-
тах.
Интересно предложение Л. С. Беркмана и А. И. Миклашев-
ского [4] определять зыбкость (вибровязкость), которая прояв-
ляется в том, что, будучи плотными на вид, образцы глинистого
грунта от весьма небольших сотрясений в определенных усло-
виях приобретают подвижность и растекаются. Показателем
зыбкости, являющимся показателем динамической прочности
грунтов, принят средний радиус основания деформированного
образца (в мм), измеряемый после его встряхивания (рис. 12)
в течение 20 сек на специальном приборе вибрационного дей-
ствия— зыбкомере с частотой вибрации площадки и образца,
равной 4000 кол. в минуту, при амплитуде вибрации 1 мм.
Керамические глинистые массы, в зависимости от своих осо-
бенностей, имеют следующие показатели зыбкости при радиусе
образца 8 мм и его высоте 20 мм:
Незыбкие массы......... 8—9
Слабо зыбкие массы .... 9—10
Зыбкие массы...........10—15
Очень зыбкие массы .... 15
Испытание на зыбкость, по сути дела, единственный метод,
в котором хотя и качественно, но измеряется динамическая проч-
ность грунта, правда, аттестующая одну сторону тиксотропии —
разупрочнение структурных связей.
Опыты Беркмана и Миклашевского интересны тем, что в них
явление тиксотропии впервые вызывалось вибрацией, на исполь-
зовании которой в настоящее время основано много различных
работ — вибробурение, вибропогружение свай, шпунта и др. Это
навело исследователей на мысль использовать вибрацию при
постановке лабораторных и полевых исследований тиксотропных
глин при вибробурении и вибропогружении свай.
Для изучения кинетики изменений прочности структурных
связей (пластической вязкости) весьма удобным оказывается
43
метод конического пластометра и метод шарового штампа
проф. Н. А. Цытовича [57].
В лабораторных условиях испытание по обоим методам осу-
ществляется на приборе (рис. 13), имеющем сменные наконеч-
Зыбкая масса (R=10 -15мм)
Очень зыбкая масса (R^15mm)
Рис. 12. Деформации образцов глинистых грунтов в зависимости от
степени их зыбкости
ники. В полевых условиях испытание проводится на специальной
установке (рис. 14), позволяющей замерять осадки шарового
штампа 5 при постоянной нагрузке Р. Для получения сравнимых
результатов на разных установках необходимым условием
44
является соблюдение отношения осадок штампа S к его диа-
метру D в пределах 0,1, т. е. — ^0,1.
Большое преимущество конического и сферического пласто-
метров, кроме простоты устройства, состоит также и в том, что
с их помощью можно быстро и легко учитывать любые относи-
тельные изменения прочности глинистых грунтов (с нарушенным
и ненарушенным сложением) под влиянием того или иного фак-
Рис. 13. Конический пластометр
тора, получать сравнительные данные для ряда исследуемых об-
разцов и изучать упрочнения во времени на одном образце.
При испытании сферическим штампом оказывается возмож-
ным также исследовать релаксационные свойства и тиксотроп-
ные изменения прочности образцов в широком диапазоне влаж-
ностей с построением кривых кинетики тиксотропного упрочне-
ния. При этом прочность глинистых грунтов может быть
выражена величиной мгновенного сцепления Смг, определяемой
через 5 сек, длительного изменения Сдл или любого промежуточ-
ного сцепления С — каждый раз через одно и то же время
после опускания штампа с нагрузкой на грунт. Как установлено
опытами, величина Сдл приблизительно равна С, найденной для
времени 24 ч.
Использовать величины Смг для выражения прочности не ре-
комендуется из-за большого разброса точек, которое с течением
времени в результате релаксации значительно снижается.
45
Величина длительного сцепления глинистых грунтов С по
методу шарового штампа вычисляется по формуле теории вязко-
пластичных сред с теоретически найденным А. Ю. Ишлинским
переходным коэффициентом
nDS
(8)
В результате проявления пластических свойств глинистыми
грунтами их деформация под штампом постепенно возрастает и
по истечении некоторого времени принимает постоянное значе-
ние, соответствующее величине длительного сцепления, по кото-
рой может быть определена предельная нагрузка. При испы-
Рис. 14. Установка для полевых испытаний связных грунтов по
методу шарового штампа проф. Н. А. Цытовича в разработке
АСиА БССР
а — для твердых глинистых грунтов; б — для слабых глинистых и тор-
фянистых грунтов; /, 5 — часть сферы диаметром «30—50 см\ 2 — домкрат;
3 — упоры; 4 — трубка к насосу с редуктором, поддерживающим постоян-
ное давление; 6 — шток с грузовой площадкой; 7 — штатив; 8—мессура
тании одного монолита сначала сферическим штампом, а затем—
на одноплоскостном срезном или трехосном приборе при неко-
торой величине внешнего давления оказывается возможным
построить диаграмму предельных напряжений при сдвиге.
Общим недостатком методов конического и сферического
штампов для исследования кинетики тиксотропии в строительных
целях является невозможность моделирования с их помощью
тех напряженных состояний в грунтах, которые будут иметь
место при возведении сооружений. Это очень важно, поскольку
именно при них протекает тиксотропное упрочнение, что, как
показывают исследования, имеет определяющее значение.
В связи с отмеченным, методы конического и сферического штам-
пов могут быть использованы в большинстве случаев только для
качественной характеристики возможного тиксотропного упрочне-
ния грунтов во времени в системе сооружения.
Исследования тиксотропных изменений глинистых грунтов
можно проводить и в стабилометрах, одометрах и сдвиговых
приборах. В них можно моделировать процесс тиксотропного
46
упрочнений путем создания в грунте соответствующего напря-
женного состояния, которое будет иметь место в условиях работы
сооружения. Наилучшими приборами для определения прочно-
стных характеристик грунтов являются стабилометры, обладаю-
щие значительно более широкими возможностями для модели-
рования реальных условий их работы, поскольку в этих приборах
можно искусственно создавать любые соотношения между глав-
ными напряжениями и поэтому использовать для количественной
характеристики тиксотропного упрочнения в грунтах.
К основным недостаткам этих приборов относится то, что
каждое измерение в них сопровождается разрушением образцов,
т. е. для получения кривых кинетики тиксотропного упрочнения
нужно большое количество образцов.
§ 11. Система избранных показателей тиксотропии
глинистых грунтов
Выше были приведены различные показатели тиксотропии
глин. Какими же из них нужно пользоваться? Прежде чем отве-
тить на этот вопрос, напомним, что тиксотропия — это явление,
состоящее из двух следуемых друг за другом процессов,— разуп-
рочнения и упрочнения глинистых грунтов. Поэтому ни один из
показателей не может охарактеризовать обе стороны тиксотро-
пии. В то же время в свете производства свайных работ важно
знать, как грунт будет разупрочняться при погружении свай и
как будет происходить его упрочнение при «отдыхе». Исходя из
этого, Б. М. Гуменский и Г. Ф. Новожилов [15] предложили си-
стему показателей для характеристики всех процессов, проте-
кающих при тиксотропии глинистых грунтов. В основу ее разра-
ботки были взяты следующие положения.
1. При изучении тиксотропных изменений нужно знать, чем
они вызваны — статическим или динамическим воздействием —
и каково время воздействия, поскольку меньшая по величине, но
действующая продолжительное время нагрузка может сильнее
нарушить сложение грунта, чем большая, но кратковременная.
2. Хотя все грунты потенциально тиксотропны, чтобы проя-
вилась их тиксотропия, необходимы определенные условия,
поскольку даже с высоко развитой способностью проявления тик-
сотропных изменений грунты в случае действия очень незначи-
тельных нагрузок, не вызывающих разрушения их структурных
связей, не проявят ее, оставаясь в то же время потенциально
тиксотропными.
Это говорит о необходимости всегда связывать возможность
проявления тиксотропных изменений с предполагаемой интен-
сивностью внешнего — статического или динамического — воздей-
ствия. Показатели же тиксотропии выявят их возможность
только относительно данного состояния и свойства грунта, вида
и интенсивности нагрузки, а не вообще.
47
Применительно к существующим стадиям инженерно-геоло-
гических исследований, проводимых при проектировании соору-
жений, различают два этапа в изучении грунтов. Первый соот-
ветствует предварительному обследованию, заключающемуся
в получении общих (качественных) представлений о способности
грунтов к тиксотропным изменениям, второй — детальному об-
следованию. Его цель получить количественные характеристики
степени проявления способности к тиксотропным изменениям
грунтов, которые к тому же моделировали бы их протекание
в природной обстановке в системе сооружения. Последнее даст
возможность составить прогноз поведения грунтов для опреде-
ленных конкретных условий.
На первом этапе допустимо применение методов, которые
лишь качественно характеризуют способность грунтов к тиксо-
тропии, не полностью моделируют природные условия. Это оп-
равдывается их простотой и возможностью использования в поле.
На втором этапе применяют аппаратуру, позволяющую соблюсти
условия, указанные выше для данного этапа исследований.
С учетом сказанного приводится табл. 5 [15], в которой све-
дены показатели применительно к этапам обследования грунтов,
характеру воздействия (статического или динамического) и осо-
бенности тиксотропных изменений (разупрочнения и упрочне-
ния). Все показатели подразделены на две группы.
Показатели, определяющие способность глинистых грунтов
к тиксотропному разупрочнению статической и динамической
нагрузками при предварительном обследовании. Для случая дей-
ствия статической нагрузки в качестве показателя выделена чув-
ствительность Ч, величина которой характеризует степень потери
прочности грунта и по данным Е. Аккермана, А. Скемптона и
других находится в следующей зависимости от консистенции В:
Показатель консистенции В . . . 0,5 1,1 2 3 4
Чувствительность глины Ч ... 3 8 42 150 1200
Из этих данных видно, что чем больше В, тем выше чувстви-
тельность, а чем выше чувствительность, тем больше потенци-
альная способность глин к тиксотропному разупрочнению. Не-
чувствительные грунты практически нетиксотропны относительно
статического воздействия.
Используя величину чувствительности как критерий способ-
ности грунта к тиксотропным изменениям, следует всегда учи-
тывать, что одного этого еще недостаточно для того, чтобы
можно было говорить о возможности тиксотропного разупроч-
нения при заданной нагрузке. Может быть так, что грунт с боль-
шой величиной чувствительности находится под действием на-
грузки, которая не вызывает разрушения его структурных связей.
Поэтому по отношению к этой нагрузке грунт не тиксотропен, но
достаточно увеличить время действия этой же нагрузки, как
груйт размягчится, т. е. в нем частично разрушатся структурные
48
Таблица
Показатели, определяющие способность глинистых грунтов к тиксотропным изменениям
Предварительные обследования Окончательные обследования Примечание
статическое воздействие динамическое воздействие статическое воздействие динамическое воздействие
Тиксотропное разупрочнение
Показатель чувствитель-
ности грунта и испытание
грунта любым методом, ис-
пользуемым для определе-
ния его прочности
Показатель зыбкости
грунта 3; испытание
грунта в зыбкомере
Кинетика тиксотропного
времени
Испытание грунта кониче-
ским пластомером, сфериче-
ским штампом или испыта-
ние на одноосное сжатие
Показатели позволяют выяснить
степень потенциальной способности-
грунта к тиксотропному разупроч-
нению
Предел структур-
ной прочности Ро',
испытание грунта
на компрессию,
сдвиг или трехос-
ное сжатие
Предел структурной
прочности грунта при дина-
мическом воздействии а *,
кр
испытание грунта шарико-
вым штампом на вибросто-
ле с регулируемыми пара-
метрами колебаний или в
вибросдвиговой установке
Тиксотропное упрочнение
упрочнения грунта во
Испытание грунта
шариковым штампом
на вибростоле с регу-
лируемыми параметра-
ми колебаний
Показатели позволяют выяснить
возможность протекания тиксо-
тропного разупрочнения грунта под
конкретной заданной нагрузкой»
(статической Р или динамиче-
ской а)
Показатели, позволяют выяснить
качественную картину процесса»
тиксотропного упрочнения грунта»
во времени и степень его потен-
циальной способности к упрочне-
нию
Кинетика тиксотропного упрочнения грунта
во времени
Испытание грунта Испытание грунта в виб-
на трехосное сжатие росдвиговой установке
Показатели позволяют количест-
венно оценить тиксотропное упроч-
нение грунта в конкретной обста-
новке с учетом его напряженного
состояния
Связи. Однако может быть и так, что разрушение структурных
связей будет вызвано увеличением не времени действия на-
грузки, а ее величины или характера. Это еще раз подтверждает,
что глинистые грунты всегда потенциально тиксотропны. И, оче-
видно, при их изучении во всех случаях необходимо учитывать
ту конкретную обстановку и факторы, которые могут вызывать
разупрочнение (впрочем, как и упрочнение).
Не останавливаясь на более подробном рассмотрении дан-
ного вопроса, описанного в работе [15], скажем несколько слов
о показателе, определяющем способность глинистых грунтов
к тиксотропному разупрочнению под действием динамической
нагрузки (вибрации).
Как известно, благодаря особенностям своего действия виб-
рация вызывает растягивающие и сжимающие напряжения
в местах контактов частиц и их агрегатов. Пока эти напряже-
ния невелики, они уравновешиваются силами сцепления между
частицами и грунт не разрушается. Но как только напряжения
превзойдут предел прочности структурных связей, частицы нач-
нут перемещаться друг относительно друга, чему будет способ-
ствовать свободная вода, возникающая за счет трансформации
физически связанной и освобождения иммобилизованной воды.
В результате произойдет разрушение скелета (каркаса) грунта
и он приобретет способность течь. Именно так себя вела при
вибробурении нижнекембрийская гидрослюдистая полутвердая
глина в Ленинграде [14], чего не было при действии статической
нагрузки. Это говорит о том, что в случае необходимости для
любых грунтов можно подобрать такое достаточно сильное ди-
намическое воздействие, которое обусловит очень быстрый их
переход в вязкотекучее состояние.
Показателем способности к тиксотропным изменениям в этом
случае будет зыбкость. Ее показатели (§ 10) качественно ха-
рактеризуют способность грунтов к потере прочности из-за на-
рушения их структурных связей. Чем выше показатель зыб-
кости, тем меньшей прочностью обладают структурные связи и
тем потенциально выше их способность к тиксотропному разуп-
рочнению. В то же время нужно подчеркнуть, что показатель
зыбкости еще не дает возможности предсказывать, проявится ли
разупрочнение при заданной динамической нагрузке. Очевидно,
в каждом конкретном случае необходимо хотя бы примерно
знать, какие по величине воздействия будет претерпевать грунт.
Установлено, что в сравнимых условиях прочность грунта сни-
жается тем интенсивнее, чем больше амплитуда колебаний.
В настоящее время установлено, что глинистый грунт при
вибрации разрушается так: первоначально (I стадия) все струк-
турные связи сохраняются, далее (II стадия) происходит их
разрушение, в результате грунт размягчается, и, наконец, на-
ступает разжижение (III стадия)—все структурные связи на-
рушены [46].
50
Считается, что эти стадии разделяются между собой двумя
критическими нагрузками: I и II стадии — нагрузкой акр, назы-
ваемой критическим ускорением, а II и III стадии — нагрузкой
ас, называемой ускорением связности.
Если сравнить акр данного грунта со значением ускорений
переменного поля ускорений, возникающего в нем при действии
вибрации во время или после постройки сооружения, то можно
сделать заключение о возможности разрушения структурных
связей под вполне определенной нагрузкой. Таким образом
можно решить вопрос о возможности тиксотропного разупрочне-
ния грунтов в конкретных условиях.
Однако сказанное было бы неполным, если бы мы не отме-
тили необходимость проведения опыта с учетом той вертикаль-
ной нагрузки, которую будет нести грунт, что можно восполнить
в опыте на вибросдвиговой установке [15].
Показателем, определяющим возможность тиксотропного раз-
упрочнения грунта под данной динамической нагрузкой а, слу-
жит величина акр [15]. Когда а<акр, разрушения структурных
связей, а следовательно, и грунта в целом не происходит. При
акр грунт тиксотропно разупрочняется. При этом каждому зна-
чению а, большему акр, соответствует определенная величина
снижения прочности грунта.
Наиболее полно нарастание тиксотропной прочности грун-
тов аттестуют их кривые кинетики, качественно и количественно
определяющие этот процесс (рис. 11). Из рассмотрения кривых
видно, что скорость нарастания тиксотропного упрочнения
уменьшается во времени, поэтому они имеют затухающий ха-
рактер. Едва ли нужно особо оговаривать, что для каждого
грунта будет своя кривая кинетики тиксотропного упрочнения,
определяемая его составом (гранулометрическим, минеральным,
химическим, обменных оснований), состоянием и другими фак-
торами (рис. 9).
Кривые кинетики тиксотропного упрочнения позволяют
решить ряд задач, в частности, определить первоначальную проч-
ность грунта сразу же после нарушения его структурных свя-
зей, его прочность через любой промежуток времени, коэффи-
циенты тиксотропного упрочнения Кт, а также время тиксотроп-
ного упрочнения.
Сопоставив Кт, определенные для одного и того же грунта,
но через различные периоды времени упрочнения, можно выя-
вить скорость этого процесса. Если же сопоставить величины Кт,
определенные для различных грунтов через одинаковый период
времени упрочнения, то можно выяснить относительную степень
их способности к тиксотропному упрочнению. Чем выше по аб-
солютной величине значение Кт, тем тиксотропнее грунт.
Как уже отмечалось, данные для построения кривых кине-
тики тиксотропного упрочнения можно определять с помощью
любых приборов, используемых для определения прочностных
51
свойств грунтов с учетом отмеченных выше их особенностей.
При динамическом воздействии на грунт, на который передана
вертикальная нагрузка, исследование лучше проводить на виб-
росдвиговой установке.
§ 12. Краткий обзор литературы о тиксотропии
глинистых грунтов *
Учение о тиксотропии глинистых грунтов в СССР во многом
основывается на взглядах и выводах П. А. Ребиндера и его со-
трудников, которые разработали основные положения об осо-
бенностях, выражаясь языком коллоидников, структуры, а пра-
вильнее, каркаса и пространственной сетки. Они выявили зна-
чение структурных связей, образующихся между частицами,
в зависимости от процессов первичного накопления твердого
вещества, в изучении чего в свое время большую роль сыграли
работы И. В. Попова и др. Как было показано выше, в глинистых
грунтах существуют коагуляционные и другие структурные
связи. П. А. Ребиндер и его сотрудники разработали методы
количественной оценки прочности структурных связей и тиксо-
тропного упрочнения [39].
В 1955—1960 гг. в б. Лаборатории гидрогеологических проб-
лем им. Ф. П. Саваренского, на кафедре инженерной геологии
Ленинградского института инженеров железнодорожного транс-
порта и в других организациях были проведены широкие иссле-
дования, цель которых состояла в выяснении природы процес-
сов, определяющих разупрочнение и упрочнение структурных
связей, т. е. механизма их возникновения и исчезновения. В ра-
ботах Б. М. Гуменского [11, 15] освещены некоторые вопросы
о тиксотропных изменениях глинистых грунтов при их вибра-
ции (опыты проводились не только в лаборатории, ио и в поле)
и впервые выяснена возможность тиксотропного упрочнения при
влажности, меньшей влажности предела раскатывания в про-
волоку.
Обратимся к зарубежной литературе. Работы Г. Фрейндлиха
и его учеников [55], вышедшие в свет в 1935 г., заложили основы
учения о тиксотропии глинистых грунтов и сделали верные, но
неполные выводы о характере и механизме структурообразо-
вания, если пользоваться терминологией коллоидников. Но
в дальнейшем зарубежные ученые не провели сколько-нибудь
значительных исследований, касающихся рассматриваемых воп-
росов.
При изучении современной зарубежной литературы легко
заметить, что все без исключения авторы — Е. Аккерман, Д. Бос-
* Этот обзор не претендует на полноту, он служит лишь фоном, позво-
ляющим лучше характеризовать уровень исследований, проведенных в СССР
и за рубежом.
52
велл, Г. Грин, И. Розенквист, X. Сид, А. Скемптон и др. [2,
9, 60, 66, 67, 71, 73] обходят или затушевывают вопросы при-
роды и механизма тиксотропных превращений, занимаясь лишь
внешней стороной этих вопросов, т. е. только фактами разруше-
ния и упрочнения грунтов. Так, Скемптон [73] в 1952 г. в опре-
делении тиксотропии — «тиксотропия есть результат постепен-
ного переустройства частиц под воздействием связывающих сил
в состояние увеличения механической стабильности» — также
оставил необъясненным термин «связывающие силы».
Едва ли нужно доказывать, что подобное игнорирование изу-
чения природы и механизма явлений не позволяет управлять
процессами образования структурных связей, оно не дает воз-
можности даже предположить ход их развития и тем более ре-
шить вопросы получения материалов (строительных и прочих)
с заранее заданными механическими свойствами и структур-
ными связями, которые поставлены и успешно разрешаются
в СССР.
Не менее интересны и следующие данные: Е. Аккерман [2],
отмечая, что приведение подвижных грунтов в текучее состоя-
ние осуществляется только в случае приложения энергии, ука-
зывает, что «.. .уложенные в откосы грунты с тиксотропной кон-
систенцией могут долгое время казаться устойчивыми, пока
внезапно вся масса грунта не перейдет в текучее состояние в ре-
зультате напряжений от перегрузки, избыточного порового дав-
ления или иных механических воздействий». Эти факторы мо-
гут вызвать переход грунтов в текучее состояние, но не объяс-
няют причин этого перехода.
Подобное объяснение причин тиксотропии дают Сид и
Чен [71]. Они пишут: «Различие в тиксотропном поведении раз-
личных глин может быть частично связано с различием в их по-
казателе текучести. Моретто, Скемптон и Норсей [73] наблю-
дали, что восстановленная тиксотропная прочность уменьшается
с уменьшением влажности ниже предела пластичности». Из этой
цитаты можно сделать вывод об интересной зависимости, полу-
ченной указанными исследователями, но принять ее за объяс-
нение «различия в тиксотропном поведении различных глин»
никак нельзя.
Упрощенный подход зарубежных исследователей к изучению
тиксотропии глинистых грунтов можно доказать и на ряде дру-
гих примеров. Так, те же Сид и Чен, рассматривая «эффект
перемятия на деформации уплотненных глин в опытах с по-
вторной нагрузкой», не приводят почти никаких сведений об
изучаемых ими глинах, за исключением того, что их предел те-
кучести составляет 37%, а предел раскатывания — 23% и
что они илистые. Тот же упрощенный подход виден и в избра-
нии перемятых грунтов (Сид и Чен) для получения пасты и
изучения ее поведения после размешивания в пробирке (Е. Ак-
керман) в качестве факторов, вызывающих тиксотропные изме-
53
нения глинистых грунтов. Нам представляется, что эти условия
опытов слишком своеобразны, чтобы можно было получить до-
статочно объективные данные для всестороннего изучения та-
кого сложного процесса, каким является тиксотропия глинистых
грунтов. Достаточно отметить, чтобы убедиться в справедли-
вости вышеизложенного, что перемятое — это весьма субъек-
тивный прием работы, при котором затраченные усилия все-
цело определяются индивидуальными особенностями исследова-
теля, а они никак не регулируются, чего нельзя сказать про
избранный в СССР метод — вибрацию, поддающуюся регулиро-
ванию и количественному учету. В какой-то мере это признают
и сами зарубежные исследователи, сопровождающие свои дан-
ные большим количеством оговорок об их условности, часть
которых уже была приведена.
Возможно, этим и нужно объяснить наличие взглядов, раз-
виваемых в зарубежной литературе, впрочем, разделяемых и не-
которыми советскими исследователями, о том что в природе
есть глинистые грунты, которые вообще ни при каких условиях
не проявляют способности к тиксотропным превращениям.
Нами уже была доказана неправильность этого взгляда.
Кроме того, интересно отметить следующие факты. В 1946 г.,
когда П. А. Ребиндер уже разработал и метод количественной
оценки процесса тиксотропного упрочнения, и учение о структу-
рах (термин коллоидников), известные зарубежные геологи
Г. Грин и Р. Уэлтман [9] считали несомненным лишь то, что эф-
фект тиксотропии связан с некоторой структурой тиксотропной
суспензии, которая, будучи нарушена, может спонтанно восста-
навливаться, авторы сомневались, «... что тиксотропия отно-
сится к таким явлениям, которые могут быть оценены количе-
ственно». Эти соображения полностью разделялись Прайс-Джон-
сом и Босвеллом [60].
Только с 1953 г. в США В. Лэмб [62] применил данные кол-
лоидной химии к вопросам грунтоведения. Американские иссле-
дователи высоко оценивают его работы и отмечают, что плодо-
творная идея Лэмба считать электрические силы компонентом
глинистой структуры позволяет относительно просто объяснить
тиксотропные процессы. Но, на наш взгляд, на фоне достиже-
ний советских исследователей воззрения В. Лэмба можно счи-
тать только первым шагом в разрешении теоретических вопро-
сов образования структурных связей в глинистых грунтах.
Резким контрастом по сравнению с зарубежными исследо-
ваниями являются работы советских ученых, представляющие
собой рациональное сочетание лабораторных и полевых иссле-
дований. К числу их относятся работы Б. М. Гумепского [Н, 14],
О. А. Савинова [46, 47], И. М. Горьковой [7] и ряда других авто-
ров, которые в тесной связи с природой отыскивают различного
рода закономерности, позволяющие правильно освещать рас-
сматриваемые вопросы.
Глава III
ПРОЦЕССЫ, ПРОИСХОДЯЩИЕ В ГЛИНИСТЫХ ГРУНТАХ
ПРИ ПОГРУЖЕНИИ И «ОТДЫХЕ» СВАЙ, И ИХ ВЛИЯНИЕ
НА НЕСУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ ПОСЛЕДНИХ
§ 13. К истории вопроса
Выше было сказано, какие сложные и различные по своей
природе процессы происходят в глинистых грунтах при различ-
ного рода механических воздействиях на них. Вполне понятно,
что забивка свай в глинистые грунты также должна рассматри-
ваться как механическое воздействие на них.
Систематическое изучение поведения свай, погруженных
в глинистые грунты, началось лишь в начале XX столетия, хотя
сваи известны с незапамятных времен. Сложность и специфич-
ность поведения забитых в различные глинистые грунты свай
затрудняют до настоящего времени достаточно полное решение,
связанное с определением их несущей способности.
Особенно много вопросов появляется у строителей в тех слу-
чаях, когда определенная по нормам предельная несущая спо-
собность свай не проявляется в натуре в момент окончания по-
гружения или по истечении некоторого короткого времени, а ре-
ализуется только через несколько недель или даже месяцев.
Эти вопросы, связанные с длительностью увеличения несущей
способности свай, получившего в литературе условное название
«засасывание», уже давно привлекали и привлекают внимание
многих исследователей в разных странах.
При испытании свай пробной нагрузкой заметное повыше-
ние их несущей способности через 2—3 недели после погруже-
ния впервые было обнаружено при постройке порта в г. Гете-
борге (Швеция) в 1898 г.
В СССР впервые объяснил причины увеличения несущей
способности свай во времени, по-видимому, Н. М. Герсеванов
в 1932 г. [6]. На основании наблюдений за погружением сваи
в мелкозернистые песчаные иловатые грунты он предположил,
что под действием ударов происходит изменение механических
свойств грунтов, вызываемое движением воды вдоль ствола
сваи, выдавливающейся из-под уплотняющихся слоев грунта.
В результате наступает разжижение окружающего грунта, ко-
торый служит смазкой, облегчающей погружение сваи. После
55
забивки грунт вокруг свай «успокаивается и вновь уплотня-
ется», увеличивая при этом поверхностное трение между грун-
том и сваей.
Однако больший научный и практический интерес представ-
ляют исследования, проведенные в 1933 г. С. Я. Боженковым
и А. А. Бирюковым [5] со сваями, погруженными в ленточные
глины (г. Ленинград). Ценность этой работы заключается
в том, что в ней впервые в мировой литературе описаны тща-
тельно проведенные обследования грунтов вокруг свай при их
откопке, впервые установлены зоны деформации околосвайного
пространства и сделаны важные выводы о поведении свай, по-
груженных в неоднородные водонасыщенные ленточные глины.
Лабораторное определение физико-механических свойств ото-
бранных монолитов показало, что глинистые грунты изменяют
свое естественное сложение, уплотняются вокруг свай вследст-
вие происходящей консолидации и отжатия воды; это приво-
дит к появлению в грунтах «более высоких строительных ка-
честв». На основании этих исследований впервые были состав-
лены нормы на производство свайных работ в СССР.
Выяснение особенностей различных зон деформации и их
общих размеров важно для изучения механизма процессов,
протекающих при погружении свай. Имеются опытные данные
о вредном влиянии забивки свай на близлежащие сооруже-
ния— здания, трубопроводы и т. п., получающие значительные
деформации [68].
Этими вопросами занимались различные исследователи как
у нас, так и за рубежом. Выяснению характера нарушения грун-
тов при бойке свай и особенностям протекающих при этом явле-
ний посвящены работы Н. П. Пузыревского, С. М. Рака,
В. К. Дмоховского, И. В. Яропольского, Б. М. Гуменского,
К. Терцаги, X. Сида и Л. Риза, О. Эйде, А. Камингса и многих
других (отметим, что приводимый ниже обзор проведенных
в этой области исследований не претендует на сколько-нибудь
достаточную полноту, так как его составление не является
целью данной книги).
Динамическое воздействие, передающееся на грунт при за-
бивке свай, приводит к нарушению его сложения и структур-
ных связей, что вызывает значительное снижение сопротивле-
ния их прониканию в глинистый грунт. Так например, в опытах
Камингса [74] установлено, что глинистые грунты у боковой по-
верхности сваи разрушаются примерно на 50%, а на расстоя-
нии около двух диаметров от оси сваи они сохраняют свое пер-
воначальное сложение. В этих же опытах с синей детройтской
глиной в нарушенном состоянии было определено, что со вре-
менем ее прочность постоянно повышалась. Главным фактором
в увеличении прочности глины автор считал процесс консолида-
ции, происходящий под воздействием перемещения поровой
воды в горизонтальном направлении.
56
Изучение кинетики упрочнения этой глины вокруг металли-
ческих свай с открытым нижним концом было выполнено под
руководством В. Хоузелла [74]. Однако отмеченное им при по-
гружении резкое проваливание свай из-за увеличения числа
ударов молота в минуту объяснялось уже тиксотропными явле-
ниями в глине.
Наиболее обстоятельно природа и общие закономерности
процесса увеличения несущей способности свай во времени
были изучены Сидом и Ризом в 1955 г. на основе специально по-
ставленных опытов [72]. В их работе, а также в более поздних
работах О. Эйде, Л. Содерберга, Т. Могами и Н. Кишида,
К. Ло и А. Стермака, О. Орджа и Б. Бромса описываются по-
левые наблюдения за появлением порового давления при бойке
свай и на основании этого проводится мысль, что рассасывание
возникающего, довольно значительного по своей величине, по-
рового давления является главным фактором в увеличении
несущей способности свай. Однако объяснить увеличение несу-
щей способности свай, забитых в мягкие глины, только рассеи-
ванием возникающего и существующего некоторое время избы-
точного порового давления авторам не удалось, так как отме-
чается значительное отставание скорости процесса упрочнения
грунта от скорости рассеивания порового давления [68]. Матема-
тические зависимости, предложенные Содербергом, базируются
па представлении о глинистом грунте как идеально упруго-
пластичном и вязком теле. Основным затруднением при поль-
зовании предложенными Содербергом зависимостями является
необходимость знания величины существующего порового давле-
ния,- с помощью которой решается идеальное уравнение консоли-
дации.
В качестве примера приведены данные [68] полевого экспе-
римента при погружении двух стальных свай А и В диаметром
9 см на глубину соответственно 13,8 и 14,5 м. Вторая свая была
расположена на максимально близком расстоянии (16,5 см)
Таблица 6
Поровое давление в пьезометрах, расположенных на разных расстояниях
от опытных свай А и В [68]
Номер пьезометра Глубина расположе- ния пьезо- метра в м Расстояние от сваи в м Поровое давление при забивке свай в кГ/см? Суммарное давление в кГ/см?
А в А в
к-1 0,75 0,15 0,15 0,50 0,25 0,75
К-4 0,75 0,20 0,35 0,53 0,11 0,64
К-2 0,05 0,12 0,12 0,88 0,39 1,27
К-5 1,05 0,20 0,45 1,10 0,12 1,22
К-7 1,05 0,50 0,50 1,00 0,15 1,15
К-8 1,05 0,66 0,66 0,37 0,34 0,71
К-9 1,05 1,25 1,25 0,19 0,18 0,37
К-10 1,05 2,50 2,50 0,01 0,01 0,02
от первой, что позволило выяснить влияние погружаемой сваи
на величину измеряемого порового давления, которое фиксиро-
валось в процессе бойки первой сваи молотом весом 160 кг,
сбрасываемого с высоты 0,75 м. Величина порового давления
измерялась одиннадцатью пьезометрами, установленными на
различном расстоянии от свай и различной глубине, как это
показано на рис. 15 и в табл. 6.
Для наблюдения за поведением грунтовой воды в процессе
испытания было установлено 3 пьезометра на расстоянии 6 м
от опытной площадки. Опытные сваи погружались в тяжелый
Рис. 15. Результаты измерения по-
рового давления на глубине 1,05 м
и различном расстоянии от сваи
время, ч
Рис. 16. Распределение порового
давления при забивке свай
а — положение пьезометров; б — кине-
тика изменения порового давления во-
круг опытных свай
однородный пластичный суглинок, механические свойства кото-
рого были определены в поле и лаборатории; средняя прочность
на сдвиг 0,28—0,56 кГ/см\ Гр=2О°/о, Г=40%, уе = 1,764-
1,87 т/л/3. Чувствительность глины колебалась от 4 до 6. Резуль-
таты измерения порового давления в течение времени показаны
на рис. 16.
Наблюдения показывают, что поровое давление начинает
возрастать в тот момент, когда острие сваи проходит около
ближайшего пьезометра. Влияние второй забитой сваи оказы-
вается очень незначительным.
В своих выводах по погружению опытных свай авторы от-
мечают, что величина максимального возникающего порового
давления зависит от отношения максимального порового дав-
Аи
ления к давлению уплотнения ----- и первоначального напря-
Р
женного состояния грунта и не зависит от размера и формы
сваи. Вокруг сваи образуется зона разрушения, в которой по-
ровое давление достигает максимального значения (кривая К-2
5?
йа рис. 16). При забивке соседней сваи происходит увеличенйё
этого порового давления. Вне зоны разрушения грунта вокруг
сваи поровое давление быстро падает с расстоянием. На рас-
стоянии, приблизительно равном 16 d, оно практически незна-
чительно. Как видно из приведенных данных, при погружении
свай следует считаться с возникновением порового давления
в грунте, непосредственно окружающем сваю.
В этой же работе [68] приводится попытка прогнозирования
величины возникающего порового давления и его влияния на
работу сваи, однако полученные результаты признаны самими
авторами как «безрассудные».
Несколько иную трактовку процессов, происходящих при
погружении свай в глинистые грунты, дает Б. М. Гуменский
[Ю, 14].
Основываясь на результатах вибробурения и исследовании
явлений, возникающих при погружении и отдыхе свай, он счи-
тает, что в общем случае их «засасывание» следует объяснять
рядом физико-химических и физических процессов, среди кото-
рых главными будут тиксотропные изменения. Они происходят
в области (зоне) деформации, где глинистый грунт при погру-
жении свай испытывает тиксотропное разупрочнение, сопровож-
дающееся разрушением структурных связей, освобождением
иммобилизованной воды и переходом физически связанной воды
в свободную. В процессе «отдыха» наблюдается обратный про-
цесс— трансформация свободной воды в физически связанную
с одновременным протеканием иммобилизации свободной воды.
Указанные факторы вместе с межчастичным взаимодей-
ствием создают необходимые условия для восстановления
структурных связей в грунте, т. е. для его упрочнения.
Возросший объем свайных работ в последние годы, вызван-
ный увеличением различных видов строительства, естественно,
не мог не отразиться на появлении новых материалов об упроч-
нении глинистых грунтов во времени, в зависимости от их не-
которых особенностей. Вышли в свет исследования, в которых
обсуждается влияние методов погружения свай на их несущую
способность [21, 33, 34, 45, 48 и др.]. Среди них отметим работу
Е. М. Перлея [33], в которой описывается испытание железобе-
тонных трубчатых свай через 20 суток после их «отдыха», за-
битых механическим молотом, дизель-молотом, вибромолотом
и вибропогружателем в пылеватые водонасыщенные супеси
средней плотности. Результаты испытания показали, что несу-
щая способность свай, погруженных вибропогружателем, при-
мерно на 35% меньше сопротивления свай, забитых молотом.
Несущая способность свай, погруженных вибрированием, в те-
чение длительного времени остается значительно меньше несу-
щей способности свай, забитых механическим способом. Не
обсуждая подробно эти данные, Перлей отмечает, что измене-
ние «структуры» (а точнее, прочности структурных связей)
59
глинистого грунта при вибрации намного больше, чем при
ударном способе погружения сваи. Однако по истечении
некоторого времени, это важно подчеркнуть, какая-либо раз-
ница в несущей способности свай, погруженных вышеуказан-
ными способами, исчезает. Таким образом, доказывается, что
способ погружения свай не играет приписываемой ему роли,
а основное значение принадлежит грунтам, в которые они по-
гружаются, и времени «отдыха».
Минимальное нарушение грунта происходит при погруже-
нии способом задавливания, когда реализуются силы поверх-
ностного трения и сопротивления острия. При этом по величине
усилия, необходимого для вдавливания, строители непосредст-
венно судят о величине несущей способности. Так, для вдавли-
вания полых железобетонных свай диаметром 78 см на глубину
12 м в суглинки * на Крюковом канале (Ленинград) требова-
лось усилие 105—135 т [21]. По истечении «отдыха» в семь меся-
цев при проведении статических испытаний нагрузка в 140 т
вызвала уже разрушение бетона. Таким образом, в этом случае
была полностью исчерпана несущая способность бетона, а не
грунта. Этот пример лишний раз показывает, какие возмож-
ности имеются у строителей для экономии средств и повышения
несущей способности свай.
Детальное обследование грунтов с отбором образцов из
области (зоны) деформации вокруг четырех трубчатых свай
диаметром 96 см, погруженных на глубину 18—24 м, было вы-
полнено А. М. Рукавцовым [45]. Сваи погружались в слой пыле-
ватого песка мощностью от 2,5 до 6,3 м, глубже залегали лен-
точные глины (с 6,4 до 11,0 м) и ниже -т- суглинок с гравием и
галькой. В опытных сваях вдоль боковой поверхности были
оставлены специальные отверстия, через которые грунтоносом
диаметром 50 мм отбирались образцы грунта на влажность,
при этом на различных расстояниях от сваи (в плане). Оказа-
лось, что влажность пристенного слоя грунта с длительностью
«отдыха» в 10 суток уменьшилась по сравнению с влажностью
до бойки свай. Однако автор не указал, куда исчезла вода. По-
этому следует предположить, что часть свободной воды с тече-
нием времени впиталась в бетонные стенки, чем и можно объ-
яснить уменьшение влажности. В этом отношении надо отме-
тить подобные опыты О. Орджа и В. Бромса [65], в которых,
чтобы исключить впитывание воды в бетон, боковая поверх-
ность свай обмазывалась битумом.
Кинетика увеличения несущей способности свай изучалась
П. Р. Тикуновым [51], погружавшим железобетонные сваи сече-
нием 30X30 см и длиной от 9 до 15 м в многослойные грунты,
состоящие из флювиогляциальных супесей, суглинков и черных,
очевидно, юрских глин. После погружения сваи испытывались
* К сожалению, автор не приводит сведений об этом суглинке.
60
динамическим способом несколько раз через различные сроки
(О, 2, 5, 8, 33 суток) и один раз статическим способом. Основной
вывод, сделанный Тикуновым, состоит в том, что увеличение со-
противления свай в этих грунтах во времени происходит нерав-
номерно: в течение первых двух суток после забивки сопротив-
ление достигает примерно 150%, а после 2—3 следующих су-
ток— 180% сопротивления сваи, определяемого непосредственно
после забивки. Сопротивление сваи по истечении 6 суток «от-
дыха» достигает 80% ее сопротивления, определяемого статиче-
ским нагружением примерно через месяц после забивки. На ос-
новании этих немногочисленных испытаний свай Тикунов реко-
мендует начинать испытания через 6 суток «отдыха».
Вопрос о продолжительности процесса «засасывания» свай,
а следовательно, и достижении ими максимальной несущей спо-
собности является одним из главных в рассматриваемой проб-
леме, так как правильно назначенные сроки испытания пробных
свай позволят строителю установить их действительную несу-
щую способность, соответствующую будущей работе в сооруже-
нии. Однако, несмотря на явную необходимость изучения дан-
ного фактора, специальных исследований по этому вопросу до
настоящего времени не проводилось. Поэтому в литературе име-
ются самые различные рекомендации о сроках испытания свай
в глинистых грунтах (табл. 7).
Как видно из таблицы, рекомендуемые сроки крайне разно-
образны и поэтому не могут служить ориентиром для определе-
ния необходимых сроков отдыха свай в различных грунтах.
Вполне очевидно также, что таблица не дает никакой возмож-
ности прогнозировать и правильно рассчитывать несущую спо-
собность свай во времени.
В рассматриваемом вопросе представляет интерес попытка
И. И. Прудентова [34] связать длительность «отдыха» полой же-
лезобетонной сваи с величиной удельного нормативного сопро-
тивления грунта по ее боковой поверхности. При расчете таких
свай автор рекомендует учитывать влияние длительности «от-
дыха» на их грузоподъемность для случая погружения в мягко-
пластичные грунты с коэффициентом консистенции В^0,5. При
этом автором даются дифференцированные значения сопротив-
ления грунта по боковой поверхности, в зависимости от конси-
стенции последнего (табл. 8).
Данные табл. 8 соответствуют «отдыху» свай свыше 3 меся-
цев; при «отдыхе» от 1 до 3 месяцев значение /нг- рекомендуется
уменьшить на 30%, а при «отдыхе» от 15 суток до 1 месяца —
на 50%.
В дальнейшем Г. Ф. Новожилов (27, 29] попытался разрабо-
тать метод прогнозирования скорости нарастания несущей спо-
собности свай; время тиксотропного упрочнения глинистого грун-
та он поставил в зависимость от числа его пластичности. Как
будет подробно показано ниже, эта попытка оказалась несосто-
61
глинистого грунта при вибрации намного больше, чем при
ударном способе погружения сваи. Однако по истечении
некоторого времени, это важно подчеркнуть, какая-либо раз-
ница в несущей способности свай, погруженных вышеуказан-
ными способами, исчезает. Таким образом, доказывается, что
способ погружения свай не играет приписываемой ему роли,
а основное значение принадлежит грунтам, в которые они по-
гружаются, и времени «отдыха».
Минимальное нарушение грунта происходит при погруже-
нии способом задавливания, когда реализуются силы поверх-
ностного трения и сопротивления острия. При этом по величине
усилия, необходимого для вдавливания, строители непосредст-
венно судят о величине несущей способности. Так, для вдавли-
вания полых железобетонных свай диаметром 78 см на глубину
12 м в суглинки * на Крюковом канале (Ленинград) требова-
лось усилие 105—135 т [21]. По истечении «отдыха» в семь меся-
цев при проведении статических испытаний нагрузка в 140 т
вызвала уже разрушение бетона. Таким образом, в этом случае
была полностью исчерпана несущая способность бетона, а не
грунта. Этот пример лишний раз показывает, какие возмож-
ности имеются у строителей для экономии средств и повышения
несущей способности свай.
Детальное обследование грунтов с отбором образцов из
области (зоны) деформации вокруг четырех трубчатых свай
диаметром 96 см, погруженных на глубину 18—24 м, было вы-
полнено А. М. Рукавцовым [45]. Сваи погружались в слой пыле-
ватого песка мощностью от 2,5 до 6,3 м, глубже залегали лен-
точные глины (с 6,4 до 11,0 м) и ниже -т- суглинок с гравием и
галькой. В опытных сваях вдоль боковой поверхности были
оставлены специальные отверстия, через которые грунтоносом
диаметром 50 мм отбирались образцы грунта на влажность,
при этом на различных расстояниях от сваи (в плане). Оказа-
лось, что влажность пристенного слоя грунта с длительностью
«отдыха» в 10 суток уменьшилась по сравнению с влажностью
до бойки свай. Однако автор не указал, куда исчезла вода. По-
этому следует предположить, что часть свободной воды с тече-
нием времени впиталась в бетонные стенки, чем и можно объ-
яснить уменьшение влажности. В этом отношении надо отме-
тить подобные опыты О. Орджа и В. Бромса [65], в которых,
чтобы исключить впитывание воды в бетон, боковая поверх-
ность свай обмазывалась битумом.
Кинетика увеличения несущей способности свай изучалась
П. Р. Тикуновым [51], погружавшим железобетонные сваи сече-
нием 30X30 см и длиной от 9 до 15 м в многослойные грунты,
состоящие из флювиогляциальных супесей, суглинков и черных,
очевидно, юрских глин. После погружения сваи испытывались
* К сожалению, автор не приводит сведений об этом суглинке.
60
динамическим способом несколько раз через различные сроки
(О, 2, 5, 8, 33 суток) и один раз статическим способом. Основной
вывод, сделанный Тикуновым, состоит в том, что увеличение со-
противления свай в этих грунтах во времени происходит нерав-
номерно: в течение первых двух суток после забивки сопротив-
ление достигает примерно 150%, а после 2—3 следующих су-
ток— 180% сопротивления сваи, определяемого непосредственно
после забивки. Сопротивление сваи по истечении 6 суток «от-
дыха» достигает 80% ее сопротивления, определяемого статиче-
ским нагружением примерно через месяц после забивки. На ос-
новании этих немногочисленных испытаний свай Тикунов реко-
мендует начинать испытания через 6 суток «отдыха».
Вопрос о продолжительности процесса «засасывания» свай,
а следовательно, и достижении ими максимальной несущей спо-
собности является одним из главных в рассматриваемой проб-
леме, так как правильно назначенные сроки испытания пробных
свай позволят строителю установить их действительную несу-
щую способность, соответствующую будущей работе в сооруже-
нии. Однако, несмотря на явную необходимость изучения дан-
ного фактора, специальных исследований по этому вопросу до
настоящего времени не проводилось. Поэтому в литературе име-
ются самые различные рекомендации о сроках испытания свай
в глинистых грунтах (табл. 7).
Как видно из таблицы, рекомендуемые сроки крайне разно-
образны и поэтому не могут служить ориентиром для определе-
ния необходимых сроков отдыха свай в различных грунтах.
Вполне очевидно также, что таблица не дает никакой возмож-
ности прогнозировать и правильно рассчитывать несущую спо-
собность свай во времени.
В рассматриваемом вопросе представляет интерес попытка
И. И. Прудентова [34] связать длительность «отдыха» полой же-
лезобетонной сваи с величиной удельного нормативного сопро-
тивления грунта по ее боковой поверхности. При расчете таких
свай автор рекомендует учитывать влияние длительности «от-
дыха» на их грузоподъемность для случая погружения в мягко-
пластичные грунты с коэффициентом консистенции В^0,5. При
этом автором даются дифференцированные значения сопротив-
ления грунта по боковой поверхности, в зависимости от конси-
стенции последнего (табл. 8).
Данные табл. 8 соответствуют «отдыху» свай свыше 3 меся-
цев; при «отдыхе» от 1 до 3 месяцев значение /Л рекомендуется
уменьшить на 30%, а при «отдыхе» от 15 суток до 1 месяца —
на 50%.
В дальнейшем Г. Ф. Новожилов (27, 29] попытался разрабо-
тать метод прогнозирования скорости нарастания несущей спо-
собности свай; время тиксотропного упрочнения глинистого грун-
та он поставил в зависимость от числа его пластичности. Как
будет подробно показано ниже, эта попытка оказалась несосто-
61
Таблица 7
Рекомендуемая продолжительность «отдыха» свай до начала
испытания статическим или динамическим способами
Авторы Год предло- жения Продолжительность «отдыха» глинистых грунтов в сутках
Супеси Суглинки Глины Илы
Ю. М. Абелев 1934 10
А. Миллер Инструкция по забивке 1937 3—30
и испытанию проб- ных свай 1938 10
В. К. Дмоховский . . 1940 10—15
А. А. Луга 1947 10
Н. Н. Богословский . . 1947 10—15
К. Терцаги 1948 2—3 30 30 30
Н. М. Герсеванов . . . 1948 2—3
А. В. Паталеев .... 1949 2—3
И. В. Яропольский . . 1954 7
Б. Д. Васильев .... Инструкция по испы- 1955 10—20 Более 20
танию свай и грун-
тов 1956 6
Р. Пек 1958 3
П. Р. Тикунов .... Б. М. Гуменский и 1961 6
Г. Ф. Новожилов . . 1961 5 15 25—30
В. Г. Березанцев и др. 1961 7—10
(желатель- но 15—20)
СНиП П-Б.5-62 . 1962 6
С. В. Нерпин 1963 20—25
А. П. Жолик 1964 Маловаж- Пластич-
ные 6 ные 20—25
А. И. Прудентов . . . 1966 Более 15 90—180
А. Е. Радугин .... Е. М. Перлей и 1966 5 20—25 30—35 50—80
Н. Я. Цукерман . . Г. М. Смиренский, 1969 15 25
Л. А. Нудельман и А. Б. Радугин . . . 1970 6—10 20—25 30—35 50—60
ятельной из-за того, что рекомендованная зависимость не учи-
тывала существующих представлений о состоянии глинистых
грунтов и других их особенностях.
Изложенное выше позволяет считать, что причины упрочне-
ния глинистых грунтов во времени рассматриваются исследова-
телями только с качественной стороны и этот процесс объяс-
няется по-разному. Одна группа исследователей (Герсеванов,
Рак, Пузыревский, Дмоховский, Терцаги и другие) придержи-
вается взгляда, что увеличение сопротивления свай объясняется
62
Таблица 8
Удельное нормативное сопротивление грунта по боковой
поверхности сваи при В > 0,5 и длительном «отдыхе»
Наименование грунта Консистенция грунта В . г/Л<-'
Супеси Суглинки и глины . . 0,5 < В < 0,75 0,75 < В < 1,0 • 0,5 < В < 0,75 0,75 < В < 1,0 В > 1,0 2,8 1,4 2,8 2,0 1,0
так называемым механическим рассасыванием водной пленки,
образующейся при забивке вдоль боковой поверхности сваи.
Другие исследователи (Сид и Риз, Содерберг, Боженков и
Бирюков, Ло и Стермак и многие другие) причиной увеличения
несущей способности свай во времени считают процессы консо-
лидации окружающих грунтов, которые связывают с рассеива-
нием возникающего при забивке порового давления. По мнению
некоторых исследователей, по скорости рассеивания избыточного
порового давления можно определять скорости возрастания не-
сущей способности свай во времени.
Наконец, третьяк группа исследователей (Хоузелл и др.),
к которой относятся и авторы данной работы, полагает, что ос-
новными процессами, происходящими в глинистых грунтах во-
круг свай, являются их тиксотропные изменения.
Изложенные выше данные говорят о том, насколько общими
являются в настоящее время представления о кинетике упроч-
нения глинистых грунтов вокруг свай. Необходимо дальнейшее
изучение кинетики увеличения несущей способности свай, при
этом в грунтах различного генезиса, состава и состояния; нужны
новые таблицы, которые позволили бы определить расчетным
путем несущую способность за любой период упрочнения лю-
бого вида свай. Это изучение должно включать в себя и учет
явления релаксации, чему до настоящего времени уделялось
очень мало внимания.
§ 14. О процессах разупрочнения глинистых грунтов
при бойке свай и их упрочнении при «отдыхе»
последних
Изучением деформации и напряженного состояния грунтов
вокруг забитых свай занимались очень многие исследователи.
Но в большинстве случаев они ограничивались описанием физи-
ческих явлений, происходящих при забивке.
Подробное изучение прочности и деформативных характери-
стик грунтов, находящихся в околосвайном пространстве, мы
63
находим в работе Боженкова и Бирюкова [5]. В ней приводятся
результаты опытов, полученные при откопке свай, забитых на
глубину до 15—17 м. Однако результаты этих уникальных ис-
следований рассматриваются авторами с физической точки зре-
ния без учета данных, относящихся к истинной природе явления,
происходящих в глинистых грунтах при погружении в них свай.
Уже неоднократно (10, 15 и др.] отмечалось, что, только
зная природу физико-химических процессов в грунтах, проте-
кающих во время и после погружения в них свай, можно ближе
подойти к их учету в инженерных расчетах.
При погружении сваи в глинистые грунты, независимо от
способа погружения и консистенции грунта, основными процес-
сами, как это было показано нами еще в 1947 г. [10], являются
тиксотропные изменения грунтов. Они влекут за собой разжиже-
ние глинистых грунтов при погружении свай из-за разрушения
структурных связей и их упрочнение в процессе «отдыха».
Основная причина этих изменений состоит в трансформации
физически связанной воды в свободную и освобождении иммо-
билизованной воды при воздействии различного рода динамиче-
ских сил. Появившаяся свободная вода покрывает пленкой *
сваю и тем самым снижает, а иногда полностью снимает трение
грунта о сваю, что и создает предпосылки для облегчения их по-
гружения.
В дальнейшем эти вопросы освещались в работах других ав-
торов. Следует отметить публикации Г. Ф. Новожилова, который
попытался рассмотреть процессы, происходящие в глинистых
грунтах при бойке и «отдыхе» свай, также с учетом того, что
они по своей природе скорее физико-химические, чем физиче-
ские.
Анализируя выдвинутые Новожиловым утверждения, следует
отметить некоторые вольные обращения с терминами, сущест-
венно искажающими картину изучаемых явлений.
Так, например, в результате тиксотропных изменений при
погружении свай наблюдается трансформация воды, а не грун-
та. При этом физически связанная вода не освобождается,
а трансформируется в свободную воду. Следовательно, нагрузка
всегда передается не на скелет, а на воду. Вызывает также со-
мнение бездоказательное утверждение об отсутствии полного
перемятия грунта вокруг свай, так как можно назвать ряд ра-
бот, в которых отмечается полное перемятие окружающих сваю
глинистых грунтов в зоне, расположенной на расстоянии, рав-
ном 1—2 диаметрам [65 и др.]. Авторы этих работ сравнивают
прочностные характеристики перемятых грунтов с естествен-
ными. В этом отношении следует обратиться также к работе
* Заметим, что ни о каком «интенсивном обводнении ствола сваи>/, как
полагают некоторые авторы [49], не может быть н речи. Едва ли водную плен-
ку толщиной в сотые, а возможно, и в тысячные доли миллиметра можно на-
звать обводнением.
64
Боженкова и Бирюкова [5], производивших откопку свай с фото-
фиксацией сложения грунтов вокруг них. Из рис. 17 видно, что
окружающий сваю грунт полностью разрушен.
В плане приводимых рассуждений небезынтересны взгляды
известного американского ученого Г. П. Чеботарева [58], кото-
рый пишет, что «структура (а правильнее структурные связи,
Б. Г.) глинистых грунтов в непосредственной близости от свай
сильно нарушается».
Вышеприведенное утверждение Г. Ф. Новожилова вызывает
сомнение еще и потому, что в статье, написанной им совместно
Рис. 17. Деформация ленточных глин у забитой
сваи (фото А. А. Бирюкова)
с Б. М. Гуменским [16], на основе наблюдений в шурфах и об-
следования отобранных монолитов в зонах, примыкающих к за-
битым сваям, указывалось, что грунт был полностью разрушен
перемятием при забивке свай.
Трансформация выражается в ориентации дипольных моле-
кул воды вокруг частиц, имеющих вокруг себя электрическое
поле, а не в мифическом «рассасывании водной пленки на свае».
Это также является доказательством физико-химической при-
роды этого процесса.
Подчеркнем еще раз, что при бойке свай не наблюдается
поднятия воды вдоль сваи, а водная оболочка образуется вслед-
ствие трансформации физически связанной воды в момент удара
свай забивным агрегатом по голове сваи, т. е. одновременно по
всей поверхности [12, 13]. Причиной повышения прочности струк-
турных связей в глинистых грунтах и, как следствие, постоян-
65
ного повышения трения * и несущей способности свай является
трансформация свободной воды в физически связанную воду,
а не ее иммобилизация.
Упрочнение глинистых грунтов в какой-то мере происходит
вследствие консолидации [72 и др.] из-за повышения эффектив-
ного давления, действующего между их частицами, что сопро-
вождается уменьшением влажности и уплотнением грунтов
в области деформации около сваи и, следовательно, их дополни-
тельным упрочнением (74 и др.]. При этом процессы консолида-
ции и тиксотропного упрочнения «в чистом виде» никогда не
протекают около свай. Такая оговорка делается исходя из того,
что консолидация предполагает уменьшение влажности и плот-
ности, а при тиксотропном упрочнении эти показатели грунтов
принимаются неизменными. Это означает, что тиксотропное уп-
рочнение влечет за собой восстановление и упрочнение коагу-
ляционных связей, а консолидация — их частичное разрушение
в результате уплотнения грунта. Уплотнению же грунта, в свою
очередь, препятствуют возникающие между частицами связи,
иными словами, консолидация и упрочнение грунта около сваи
частично затормаживают друг друга. Как известно, процесс кон-
солидации носит затухающий во времени характер.
В соответствии с принятой теорией фильтрационной консо-
лидации предполагается, что в случае приложения внешней на-
грузки на водонасыщенные грунты вначале происходит мгно-
венное сжатие, обусловленное сжимаемостью поровой воды,
затем начинается процесс фильтрационного уплотнения в резуль-
тате выжимания воды из пор грунта, к которому добавляется
процесс вторичной консолидаций или ползучести минерального
скелета грунта и тонких водоколлоидных оболочек твердых ча-
стиц, вызванный невосстанавливающимися сдвигами частиц и
водоколлоидных оболочек при весьма малых скоростях отжатия
воды.
Естественно, возникает вопрос, какова же доля участия
каждого из рассмотренных процессов в упрочнении грунтов
вокруг сваи. В литературе [71 и др.] на этот счет приводятся
лишь отдельные, порой противоречивые, данные, указывающие
на отсутствие закономерностей. Считается [29], что в начале
«упрочнения свай»** доминирует консолидация, а далее — тик-
сотропное упрочнение; в качестве доказательства приводится тот
факт, что при погружении сваи в моренные суглинки с водо-
насыщением 70% уплотнение окружающего грунта закончилось
* Многие авторы считают, что трение является причиной, а не следствием.
Это неверно. Повышение трения нужно объяснять проявлением сил молеку-
лярного притяжения, которые в период погружения свай перекрываются си-
лами, появляющимися при ударе (молотом и т. п.) или вибрации. Силы моле-
кулярного притяжения ориентируют диполи воды, тем самым упрочняя связи.
** Нельзя говорить об «упрочнении свай». Упрочняется грунт вокруг сваи,
а не свая.
66
практически одновременно с погружением за счет ликвидации
пор, ранее заполненных воздухом. Уплотнение почти не сопро-
вождалось ни выпиранием грунта, ни перемещением поровой
воды в стороны от сваи, так как влажность в области деформа-
ции сохранялась постоянной.
Соглашаясь с тем, что упрочнение структурных связей грун-
тов в какой-то мере обязано и их консолидации, мы должны от-
метить, что эта «мера» не может быть точно определена, по-
тому что одновременно с консолидацией протекают другие про-
цессы (вызывающие также упрочнение), отделить которые от
процессов консолидации пока
невозможно. Так как процесс
консолидации связан с филь-
трацией воды, то некоторые
авторы указывают на появле-
ние «избыточной» увлажнен-
ности пристенного слоя, проис-
ходящего, якобы, в результате
фильтрования, т. е. подъема
воды вдоль ствола сваи. Од-
нако эта «избыточная» увлаж-
ненность не была нами обна-
ружена ни при бойке сваи, ни
при откопке, когда на образ-
цах изучалась влажность грун-
тов [13].
Появление «избыточной»
увлажненности возможно в
случае откопки буронабивных
свай. Таким образом, появле-
ние влаги связано с водоце-
ментным отношением бетонной
Рис. 18. График изменения влаж-
ности вокруг буронабивной сваи
смеси и последующей миграцией воды от тела сваи в глини-
стый грунт по направлению к менее напряженной зоне. На это
обратили внимание Д. Мохан и С. Чандра [63], производившие
определение влажности вокруг буровых свай, погруженных
в черные хлопковые грунты с естественной влажностью 15—
20%. Результаты измерений влажности на различных глубинах
и расстояниях от сваи представлены на рис. 18.
Степень восстановления прочности структурных связей в гли-
нистых грунтах при погружении свай можно в какой-то мере
прогнозировать на основе изучения их характера, устанавливае-
мого по данным микроскопии, водных и солянокислых вытяжек,
т. е. о чем достаточно подробно говорилось в гл. 1.
В самом деле, если в грунте будут констатированы крис-
таллы тех или других минералов, обусловливающие кристалли-
зационные связи, то, очевидно, при всех условиях полного вос-
становления прочности структурных связей при «отдыхе» свай
67
ждать нельзя. Это обстоятельство и служит часто причиной по-
тери части несущей способности свай, что некоторыми специа-
листами расценивается как непригодность последних вообще,
Между тем дело здесь лишь в природе структурных связей.
При рассмотрении данных о тиксотропном упрочнении гли-
нистых грунтов возникает вопрос: не будет ли оно, достигнув
максимума, с течением времени падать, уменьшаться. В какой-то
мере на этот вопрос попытался ответить Новожилов [28]. Анали-
зируя собранный им литературный материал по 11 опытам по-
гружения свай, он пришел к выводу, что увеличение сопротив-
ления, получаемое сваями в процессе «отдыха», долговечно.
Считается, что в большинстве случаев явление засасывания свай
необратимо во времени и поэтому может учитываться в расче-
тах при проектировании свайных фундаментов. Нам представ-
ляется, что сказанное справедливо лишь для случая действия
статической нагрузки. Если же нагрузка будет динамической, то
в каждом конкретном случае на основе опытных работ следует
учитывать влияние ее характера (вибрации и др.), величины,
режима и т. п. Допустимо предположение, что динамическая
нагрузка может исключить эту «долговечность».
В плане сказанного любопытны данные А. В. Паталеева [32]
об испытаниях динамическим способом вновь забитых деревян-
ных свай при переустройстве моста через р. Неву (Ленинград)
и переиспытаниях деревянных же свай, забитых при постройке
этого же моста в 1828 г. и с тех пор работающих в системе со-
оружения. Оказалось, что за шесть суток сопротивление свай
увеличилось в 1,75 раза, а за 106 лет оно возросло лишь
в 2,5 раза по сравнению с сопротивлением, наблюдавшимся сразу
после бойки. Подобные результаты приводят и другие исследо-
ватели. Эти данные имеют практическое значение, так как они
доказывают возможность повышения статических нагрузок на
свайные фундаменты, находящиеся очень многие годы в эксплу-
атации, другими словами, доказывают возможность надстройки
таких сооружений. Но следует оговориться, что практика экс-
плуатации сооружений на сваях дает в то же время немало
примеров внезапного возникновения их осадок, причины кото-
рых весьма разнообразны. В одном случае они заключаются
в чрезмерном увеличении динамических нагрузок от проходя-
щего транспорта, в другом — в перегрузке свай и явлениях пол-
зучести грунтов, снижающих сцепление между сваей и грунтом,
и др. Чтобы исключить влияние этих факторов, строители ис-
пользуют клиновидные, конические, пирамидальные сваи с ост-
рием и принимают другие меры. Наконец, нельзя не отметить
того, что повышение несущей способности свай во времени из-за
упрочнения грунтов вокруг них оказывает определенное влия-
ние на организацию и технологию производства свайных работ
и выбор рационального оборудования для их производства.
Подводя итог сказанному, можно сделать следующие выводы.
68
1. Основной причиной разупрочнения глинистых грунтов прй
бойке свай является трансформация физически связанной воды
в свободную воду и освобождение иммобилизованной воды. Эти
процессы влекут за собой размягчение или даже разжижение
глинистых грунтов из-за разрушения структурных связей и рез-
кое снижение сил сопротивления сдвигу.
2. Основной причиной упрочнения структурных связей гл и-
нистых грунтов вокруг свай при их «отдыхе» также является
трансформация воды, но в данном случае уже свободной, в фи-
зически связанную, и иммобилизация свободной воды. Как след-
ствие этого, происходит постепенное повышение трения и несу-
щей способности свай.
3. Ни о каком рассасывании водной пленки на свае, как пи-
шут некоторые исследователи, не может быть и речи. Так назы-
ваемое рассасывание есть не что иное, как ориентация диполь-
ных молекул воды. Так этот процесс и надо именовать.
4. Наряду с процессом тиксотропного упрочнения грунтов
при «отдыхе» свай и повышением сил сопротивления сдвигу
происходит и их консолидация. Однако ее роль, по-видимому,
сугубо подчиненная. Сказать в настоящее время что-либо кон-
кретное о доле участия каждого процесса в упрочнении грунтов
из-за отсутствия достаточных опытных данных нельзя.
5. Процесс тиксотропного упрочнения глинистых грунтов во-
круг забитых свай необратимый. Однако это справедливо лишь
при действии статической нагрузки. При действии динамических
нагрузок в каждом отдельном случае ответ будет определяться
их характером, величиной, режимом и т. д.
§ 15. Соображения о процессах, происходящих
в глинистых грунтах при вибропогружении
в них свай
Опыт применения вибропогружателей различной конструк-
ции показывает, что погружение в глинистые грунты свай во
многих случаях затруднительно [3, 66].
Чтобы повысить эффективность вибропогружения, необхо-
димо иметь ясное представление о процессах, происходящих
при этом в грунтах.
В какой-то мере указанный вопрос рассмотрел Д. Д. Бар-
кан [3]. Он установил, что механические свойства вязкой среды,
какой является грунт во время вибрирования, характеризуются
коэффициентом вибровязкости v, существенно зависящим от
ускорения колебаний, от физических свойств грунта и, в част-
ности, от влажности. В самом общем виде зависимость между
коэффициентом вибровязкости и ускорением колебаний прини-
мается в следующем виде:
уцК = а, (9)
69
где т] — отношение ускорения колебаний к ускорению силы
тяжести;
Киа — эмпирические коэффициенты.
Принимая поле ускорения грунта в виде функции (х, у, z),
коэффициент вибровязкости можно представить следующим об-
разом:
v = У, ?)], (10)
т. е. задача об осадке вибрирующего тела сводится к вопросу
о погружении его в среду с переменным коэффициентом вибро-
вязкости.
Решение этой задачи Баркан ограничил рассмотрением та-
ких тел, как труб, свай, шпунтов, опускных колодцев, шахтных
крепей, у которых лобовое сопротивление погружению мало,
если его сравнивать с вибровязким сопротивлением, действую-
щим по боковым поверхностям. Он предположил, что действую-
щие по поверхности погружаемого тела силы вибровязкого со-
противления грунта зависят лишь от величины боковой поверх-
ности, приходящейся на единицу длины погружаемой части
тела, а не от формы последнего (цилиндрическая или иная).
Исходя из сказанного, он уподобил погружаемое тело беско-
нечно тонкой пластинке заданных размеров, рассматривая виб-
рируемый грунт как несжимаемую вибровязкую среду, а его
плотность с глубиной — как постоянную величину. Пользуясь
приведенными положениями, с помощью соответствующих мате-
матических выкладок и построений Баркан заключил, что урав-
нение вибровязкого движения грунта подобно уравнению тепло-
проводности, известному в *математической физике, с тем отли-
чием, что в первое из них введены постоянные коэффициенты.
Решая при определенных условиях указанное выше уравне-
ние, Баркан пришел к выводу, что «сопротивление грунта про-
порционально суммарному периметру погружаемого тела, глу-
бине погружения и скорости. С увеличением вибровязкости
и плотности грунта сопротивление последнего прониканию тела
также возрастает, хотя и менее интенсивно, чем при изменении
периметра и скорости погружения». Далее Баркан отмечает:
«Очевидно, что погружение в грунт возможно, если вес погру-
жаемого тела будет больше сил вибровязкого сопротивления
грунта». Затем автор приводит формулу, отображающую усло-
вие погружения свай, шпунта и других элементов подземных
конструкций в вибрируемый грунт.
Приведенные положения Баркана совершенно не учитывают
явлений, происходящих в грунтах при погружении в них свай.
Между тем известно, что свойства грунтов каждого проходимого
сваей слоя часто индивидуальны, что и наблюдается в природе.
Из сказанного допустимо предположить, что процессы, проис-
ходящие на разных расстояниях от погружаемого тела (вплане),
в момент его погружения также различны. Во всех же уравне-
70
ниях Баркан использует лишь одну характеристику грунта —
коэффициент вибровязкости, что едва ли правильно даже на
первом этапе исследований рассматриваемого вопроса. Кроме
того, при выводе уравнений он делает очень много предполо-
жений, допущений, пренебрежений. Все это характеризует под-
ход Баркана к решению рассматриваемой задачи как отвле-
ченный, «математизированный», лишенный твердой опоры из-за
недоучета всего того, что происходит в глинистых грунтах при
погружении в них свай *.
Высказанная точка зрения находит известное подтверждение
и в самой работе Баркана, из которой взяты вышеприведенные
положения. На стр. 39 [3] автор рассматривает случай несовпа-
дения своих теоретических изысканий с результатами опыта.
Он пишет: ... «скорость при глубине погружения 5 м должна
быть на 30% меньше скорости погружения, соответствующей
глубине 2 м. В действительности установившаяся скорость по-
гружения практически не зависит от глубины погружения».
Это несовпадение теории и опыта Баркан объясняет тем, «что
основные положения, на основе которых строится теория погру-
жения вибрирующих тел, в частности предположение о вибро-
вязких свойствах его, должно рассматриваться как первое при-
ближение к действительному состоянию грунта, подверженного
действию вибрации».
Теории вибропогружения свай посвящены работы Ю. И. Ней-
марка, И. И. Блехмана, М. Я. Кушуль и др. Но, по выражению
О. А. Савинова [47], «ни одна из существующих теоретических
работ не дает полного решения рассматриваемой задачи».
Для получения более правильного ответа на вопрос о воз-
можности возникновения тиксотропных изменений глинистых
грунтов при вибропогружении свай нужно прежде всего рас-
смотреть существо процессов, происходящих при этом в мас-
сиве глины.
Разумеется, что правильно представить эти процессы можно
лишь на основе соответствующих исследований. В лаборатории
вибропогружение свай исследовали И. Е. Руднева и Г. И. Фо-
мин [44]. Они изучили деформации глинистого** грунта вокруг
металлической трубчатой сваи диаметром 27,5 см с толщиной
стенок 65 мм, погруженной вибратором на глубину 0,6 м.
Опыты проводились в глинистом грунте нарушенного сложения
(с коэффициентом консистенции В = 0,25 и 0,32), уложенном
слоями высотой 15 см с цветными прослойками из каолина
в лоток диаметром 1,2 м и высотой 1,4 м.
* Возможно, в какой-то мере все это и закономерно, если учесть слож-
ность процессов, протекающих в грунтах. Но, очевидно, прежде чем решать
рассматриваемую задачу, нужно сначала представить себе, как могут проте-
кать, а еще лучше, как протекают эти процессы.
** Авторы не приводят, к сожалению, данных о грунте, ограничиваясь
указанием лишь на то, что он «глинистый».
71
По мнению исследователей, применение однородной пасты
позволяет получить более четкую картину деформируемости
основания при вертикальном погружении сваи. При этом отмеча-
ется, что в приготовленной грунтовой пасте «отсутствуют хруп-
кие цементационные связи» и она «только со временем приоб-
ретает определенную структурную прочность». Поэтому погру-
жение сваи выполнялось через две недели после укладки грунта
с целью выравнивания «влажности и плотности, а также для
образования структуры».* Через десять дней после погружения
Рис. 19. Линии разных плотностей в грунте, окружающем сваю
свая испытывалась пробной нагрузкой. После окончания испы-
таний производилась срезка грунта вертикальными плоскостями.
В характерных точках отбирались пробы для определения плот-
ности грунта. Линии равных плотностей для двух значений
h
относительного заглубления — =2,2 и 10 изображены на рис.
d
19, а и б.
Из приведенного рисунка видно, что образование области
уплотненного ядра под торцом сваи происходит при любых от-
носительных заглублениях. Ядро имеет параболическое очерта-
ние с высотой, примерно равной диаметру сваи. Вдоль боковой
поверхности образуется уплотненная зона, ширина которой
приблизительно равна толщине стенки.
К сожалению, авторы опытов ограничились лишь констата-
цией зримых процессов. Тому же, что происходит в массиве
* Очевидно, речь должна идти не о структуре, так как она в грунте уже
имелась, а о структурных связях.
грунта при вибропогружении сваи, они не уделили никакого
внимания.
Учитывая сказанное, мы позволим себе привести некоторые
соображения, в основе которых лежат физико-химические пред-
ставления о сущности процессов, происходящих в глинистых
грунтах при вибропогружении свай.
Итак, погружение свай в грунт влечет за собой уплотнение.
Спрашивается, какие условия должны быть налицо, чтобы это
уплотнение не вызывало выпирания грунта, что часто наблюда-
ется при забивке и вибропогружении свай.*
Первым из этих условий является наличие необходимого
объема пор в массиве глины, за счет уменьшения которого про-
исходит уплотнение. Отсюда важно знание истинной пористости
глины. При погружении свай вибрация вызывает дезориента-
цию дипольных молекул, т. е. переход физически связанной
воды в свободную и уничтожение структурных связей, обуслов-
ливающих освобождение иммобилизованной воды. Появившаяся
указанными путями свободная вода вместе с той свободной во-
дой, которая могла содержаться в глинистых грунтах, и явля-
ется одной из предпосылок для перехода их в вязкотекучее
состояние, что влечет за собой переход активной пористости
в истинную. Отмеченный процесс может быть значительно уско-
рен пропусканием постоянного электрического тока через ар-
матуру свай в грунт при вибропогружении.
Говоря о переходе грунта в вязкое состояние, следует пом-
нить, что вибрация, разрывая структурные связи и тем самым
понижая прочность грунтов, может вызвать значительное уп-
лотнение, вследствие чего возникает противоположный эф-
фект— повышение прочности.
Однако наличия вязко-текучего глинистого грунта еще мало,
чтобы создать благоприятные условия для быстрого погруже-
ния свай, исключая при этом выпирание вверх. Необходимо,
чтобы этот вязко-текучий грунт имел возможность быстро пере-
двинуться из одной части массива в другую.
Вытесняемый при вибропогружении сваи грунт, объем кото-
рого иногда достигает 3—5 л/3 и более от одной сваи, должен
разместиться в окружающем ее массиве. Это возможно лишь
тогда, когда массив является достаточно большим по объему,
а грунт — вязким по состоянию (переход в это состояние про-
исходит в течение нескольких минут). В данном случае обыч-
ное сжатие грунта с малым коэффициентом фильтрации не ха-
рактеризует сущности процесса.
Здесь происходят тиксотропные изменения глинистых грун-
тов, определяемые их консистенцией, прочностью структурных
связей, текстурой и другими особенностями.
* По данным НИИПС НКПС {5], отношение объема вынутого грунта
к объему погруженных свай колеблется от 0,4 до 0,7.
73
Допустим, что имеется массив глины, в который погружа-
ется вибратором шпунтина или обсадная труба, особенность
которых — незначительный объем и малое лобовое сопротив-
ление грунта по сравнению с тем, что наблюдается у свай зна-
чительного диаметра.
Примем объем массива глины равным 1 л/3, объем погру-
жаемого тела 0,04 л/3, истинную пористость 40%. Отсюда сле-
дует, что в этом массиве тело поместится, поскольку 0,4 л/3
занято порами, заполненными водой. Другими словами, после
погружения тела истинная пористость глины составит 36%, что
теоретически позволит погрузить еще несколько тел указанного
объема.
Однако реальны ли эти предположения? Чтобы ответить на
заданный вопрос, вспомним, что в порах глинистого грунта во
время вибрации появляется свободная вода вследствие транс-
формации физически связанной воды и освобождения иммоби-
лизованной. Эта свободная вода, как и та, которая была до
вибрации, должна начать уходить. Только в этом случае прои-
зойдет уплотнение глины и тело получит возможность в нее
погрузиться благодаря уменьшению объема ее пор.
В то же время известно, что коэффициент фильтрации глин,
определяющий скорость ее уплотнения, ничтожно мал. Если его
принять равным 8-10-11 см/сек, что вполне реально, то нетрудно
подсчитать, что погружение тела объемом 0,04 м3 на глубину
1 м будет продолжаться очень и очень долго. Между тем по-
гружение на указанную глубину вибратором свай происходит
«считанные минуты». Отсюда приходится делать допущение, что
коэффициент фильтрации глин во время вибрации несоизмеримо
больше того, который взят из опытов, проведенных по обычной
методике (при статической нагрузке), принятой в грунтоведе-
нии, т. е. больше 8-Ю-11 см/сек. Это допущение, по-видимому,
является единственным средством, позволяющим сколько-ни-
будь удовлетворительно объяснить существо рассматриваемого
явления — возможность быстрого погружения тела в глину. Од-
нако возникновение у глины большей фильтрующей способности
по сравнению с наблюдающейся в обычных условиях (для них
принят /С=8-10-11 см/сек) возможно лишь в случае образова-
ния в ней во время вибрации очень крупных трещин, через
которые вода, точнее суспензия, уходит в стороны от погружае-
мого тела.
Естественно возникает вопрос, насколько правдоподобно
предположение о возникновении подобного рода трещин при
погружении свай. Для случая бойки свай ответ на него дают
авторы исследований НИИПС НКПС [5], считающие, что в этом
случае вода циркулирует по трещинам, возникающим от «раз-
рыва» глинистых грунтов. «Сквозные трещины между сва-
ями,— пишут они,— наблюдались не только на поверхности кот-
лована, но и на глубине 4 м». В другом месте работы указано,
74
что «... в грунте между сваями при бойке в связном грунте появ-
ляются сквозные трещины, что... неоднократно обнаружива-
лось при раскопке свай».
Подобного рода трещины наблюдали и мы [12, 13] при рас-
копке свай, забитых в валунные суглинки (Ленинградская обл.)
при использовании полимеров и глинистых паст в качестве об-
мазок. Обнаруживали их и при откопке свай, обмазанных кар-
бамидной смолой (г. Уфа — опыты БашНИИстроя). Следова-
тельно, для указанного случая (забивка свай) сделанное допу-
щение оправдано наблюдениями в поле.
Допускается ли образование трещин, точнее их система,
при вибропогружении свай, сказать уверенно нельзя из-за от-
сутствия опытных данных. В то же время, по нашему мнению,
в тугопластичных, полутвердых и твердых грунтах это вполне
возможно и даже в первый момент — обязательно. В мягкоплас-
тичных грунтах и грунтах, близких к текучим, трещины, воз-
можно, и образуются, но вследствие изменения вязкости быстро
исчезают, заполняясь отжатым грунтом. Важно и то, что в ре-
зультате перехода грунта вокруг сваи в вязко-текучее или даже
разжиженное состояние отжимается не вода (поровый раствор),
а суспензия, иногда весьма концентрированная. Если это так,
то тогда возникает добавочный объем пустот в массиве около
погружаемой сваи, что и облегчает ее погружение. Наконец,
должно быть принято во внимание и то, что при вибропогру-
жении свай, в отличие от их забивки, по-видимому, в более зна-
чительном объеме грунта происходит трансформация физически
связанной воды в свободную. Это означает, что в рассматривае-
мом случае, особенно если образуются трещины, создаются бо-
лее благоприятные условия для погружения большего количе-
ства свай в тот же объем грунта. Другими словами, при
вибропогружении свай, по сравнению с их забивкой, в одних
и тех же условиях выпирание грунта должно наступать после
погружения большего количества свай.
Как видно из всего вышесказанного, для выявления истинной
картины при вибропогружении свай необходима постановка ла-
бораторных и натурных исследований, первоочередная про-
грамма которых, по нашему мнению, должна включить в себя
следующие вопросы:
1. Наблюдаются ли трещины (или система трещин) при
вибропогружении свай? Каковы их размеры, направление и
глубина распространения, каким грунтом они заполнены?
2. Какова физическая зона вибрации грунтов вокруг погру-
жаемых свай в зависимости от типа вибропогружателя, его
мощности, режима работы, размеров свай, их формы, мате-
риала и т. д.?
3. Как изменяются физико-механические свойства грун-
тов вокруг забитых свай на различном расстоянии от по-
следних?
75
4. Какие изменения наблюдаются в текстуре и сложении
грунтов в результате вибропогружения свай?
Едва ли нужно говорить о том, что данные о всех особен-
ностях грунтов до вибропогружения свай, в том числе и спо-
собности к тиксотропным изменениям в зависимости от указан-
ных выше факторов должны быть исчерпывающими, чтобы;
дать возможность правильно объяснить наблюдаемые явления.
В вопросе об изменении свойств глинистых грунтов вокруг
свай, погруженных виброспособом, до сих пор нет единства
мнений о характере процессов, происходящих в этих условиях.
Некоторые сведения об изменении прочностных и деформатив-
ных характеристик грунтов, подверженных тиксотропному раз-
жижению при вибрации, можно найти в другой работе Рудне-
вой [43]. Она исследовала глинистые пасты с коэффициентами
консистенции, равными 0,3 и 0,7 для нижнекембрийской гидро-,
слюдистой глины и 0,46 и 0,65 для бентонитовой (монтморилло-
нитовой) глины (табл. 9). Грунты помещались в металлические
цилиндры диаметром 210 мм и высотой 360 мм, слегка утрамбо-
вывались и выдерживались в течение 3—7 суток. Определение
сопротивления грунта сдвигу производилось на одноплоскост-
ном сдвижном приборе конструкции Савинова — Лускина до
вибрации, сразу после вибрации и затем через 10 и 20 дней
после вибрации по схеме открытого и закрытого сдвига. Про-
должительность вибрационного воздействия на грунт в опытах
изменялась от 20 мин до 1 ч при частоте колебаний со =
= 2800 кол!мин, амплитуде колебаний Д = 0,8 мм и ускорении
колебаний около 7 g.
На основании проведенных исследований Руднева [43] от-
мечает, что «.. .общая величина сопротивления сдвигу нижнекемб-
рийской и бентонитовой глин практически не изменяется от воз-
действия вибрационной нагрузки и не увеличивается по мере
отдыха».
По всей видимости, объяснение этому следует искать в усло-
Гранулометрический состав и другие
Наименование грунта Размер фракции в мм
1,0-0,5 0,5—0,25 0,25—0,10 0,10-0,05 0,05—0,01 0,01—0,002
Нижнекембрийская гидрослюдистая глина (суглинок) 2,1 1,0 2,4 4,8 31,6 33,1
Бентонитовая (монт- мориллонитовая) глина 1 — 2,6 8,6 35,0 19,8
76
виях испытания образцов грунтов. Испытание по схеме откры-
того сдвига предусматривает доведение процесса уплотнения
до полной стабилизации, т. е. сдвиг грунта осуществлялся
только после максимального уплотнения, которое возможно при
данном напряженном состоянии. Поэтому изменение свойств
грунта во времени может не проявиться, так как в процессе
уплотнения происходит восстановление первоначальных показа-
телей образца. Испытание по схеме открытого сдвига, по мне-
нию автора, наиболее применимо к работе основания под тор-
цом сваи из-за постепенности передачи нагрузки на возводимое
сооружение.
Помимо опытов на сдвиг, Рудневой были также исследованы
изменения сжимаемости грунтов до и после вибрации. На
рис. 20 изображены компрессионные кривые для нижнекемб-
рийской глины с коэффициентами консистенции В = 0,7 и 0,3,
а на рис. 21—для бентонитовой глины с В = 0,45 и 0,65.
Компрессионные испытания в нижнекембрийской глине по-
казали, что вибрация полностью разрушает структурные связи
и этот процесс сопровождается разжижением и переукладкой
глинистых частиц вследствие длительной вибрации. В резуль-
тате происходит значительное уплотнение глинистого образца,
что иллюстрируется кривой 2 на рис. 20.
После «отдыха» сжимаемость нижнекембрийской глины
уменьшается благодаря образованию более прочных структур-
ных связей по сравнению с исходной: на это указывает положе-
ние кривой 4 на рис. 20. Наиболее интенсивно данные процессы
протекают при более высоких значениях консистенции.
Исследуя сжимаемость бентонитовой глины при действии
вибрации, Руднева отмечала неполное разрушение ее сложения,
приводящее к некоторому увеличению пористости (кривые 2
на рис. 21, а и б). По мере «отдыха» в бентонитовой глине об-
разуется новое сложение, обладающее большей прочностью по
сравнению с исходной. При этом пористость уменьшается до
Таблица 9
характеристики исследованных грунтов
Пределы Число пластично- сти Ф Влажность при коэффи- циенте В
0,002—0,001 Менее 0,001 И'р т 0,3 0,45 0,65 0,7
8,3 16,7 17,5 28,3 10,8 21 — — 25
4,8 29,2 33,7 85,4 51,7 — 57 66 —
77
значений, равных исходной пористости грунта, а в образцах
более высокой консистенции — даже до меньших значений
(кривые 3 и 4 на рис. 21, а и б). Для бентонита уменьшение
сжимаемости после «отдыха» выявилось только лишь при коэф-
фициенте консистенции В = 0,45 (кривые 3 и 4 на рис. 21, б).
Рис. 20. Компрессионные кривые суглинка
1 — до вибрации; 2 — сразу же после вибрации; 3 — через 10 дней
после вибрации; 4 — через 20 дней после вибрации
Рис. 21. Компрессионные кривые бентонитовой глины
Обозначения кривых указаны па рис. 20
Следовательно, заключает автор, вибрация «при указанных
выше параметрах вызывает лишь незначительное и кратковре-
менное (в течение примерно нескольких суток) изменение проч-
ностных характеристик исследованных грунтов, после чего их
устойчивость и несущая способность свай, погруженных в эти
грунты, восстанавливается».
78
§ 16. Современное состояние вопроса об увеличении
сопротивления свай во времени
Известно, что при забивке свай в глинистые грунты из-за
разрушения структурных связей снижается прочность грунтов.
По прекращении забивки наступает «отдых» свай, в период ко-
торого происходит тиксотропное упрочнение структурных свя*
зей грунтов. Это влечет за собой повышение несущей способ-
ности свай, которое затухает во времени, иными словами, в ка-
кой-то период сопротивление свай имеет переменное значение.
Вопрос о времени тиксотропного упрочнения грунтов после
погружения в них свай крайне важный для строителей, по-
скольку, зная его, можно
сократить расходы на уст-
ройство свайных фундамен-
тов благодаря наиболее пол-
ному использованию скры-
тых возможностей грунтов.
Данный вопрос был спе-
циально рассмотрен Б. М.
Гуменским и Г. Ф. Новожи-
ловым [15] с позиций физи-
ко-химических представле-
ний о глинах и процессах,
происходящих в них при
забивке свай (в этом отли-
чие [15] от многочисленных
исследований прошлых лет).
На основе обобщения дан-
Продолжительность тиксотропного
упрочнения грунтов, сут
Рис. 22. График зависимости тиксотроп-
ного упрочнения глинистых грунтов от
времени
ных литературы и некоторых своих опытов авторы пришли
к следующим основным выводам.
1. Мнения и взгляды многочисленных исследователей по
рассматриваемому вопросу разноречивы, порой противоречивы
и, как правило, не обоснованы опытами.
2. Главным фактором, определяющим время тиксотропного
упрочнения грунтов, является количество частиц <0,005 мм:
чем оно больше, тем дольше протекает этот процесс. В супесях
он продолжается 5 суток, в суглинках—15 суток, в пылеватых
глинах — 25 суток и в жирных глинах — 30 суток и более
(рис. 22). По истечении этих сроков, но не ранее, можно произ-
водить определение истинного отказа свай или же их макси-
мальной несущей способности пробной статической нагрузкой,
т. е. с учетом максимального тиксотропного упрочнения.
3. Следовательно, приводимые в «Инструкции по испытанию
свай и грунтов» [19] указания о проведении испытаний свай
динамическим способом для глинистых грунтов через 6 суток
приводят к недоиспользованию их несущей способности на
20—30% и более. Этим подтверждается необходимость диффе-
79
ренцйрованного подхода при решении вопроса о сроках опре-
деления несущей способности свай, забиваемых в глинистые
грунты разного гранулометрического состава.
4. Время тиксотропного упрочнения глинистых грунтов оп-
ределяется и минеральным составом глинистых частиц, что
в свою очередь зависит от их генезиса и последующих процес-
сов диагенеза. Могут быть случаи, когда количество частиц
<0,005 мм в двух грунтах одинаково, а время их упрочнения
различно; это происходит потому, что частицы в одном из
них — монтмориллонитовые, а в другом — каолинитовые. По
этому вопросу каких-либо конкретных рекомендаций не сде-
лано из-за отсутствия необходимых данных. Детальному изуче-
нию он впервые подвергся в опытах авторов настоящей книги.
На основе анализа ряда литературных источников в дальней-
шем было показано [26], что приведенные в п. 2 зависимости
часто противоречат опытам. Так, в случае забивки свай в лег-
кие суглинки время увеличения сопротивления свай Т равня-
лось 14 суткам, а в случае забивки в ленточные глины— 12 сут-
кам и т. д. Это объяснялось тем, что при одинаковом грануло-
метрическом составе грунтов их свойства могут быть разными
из-за различия в минеральном составе и других особенностей.
Но среди этих особенностей консистенция, естественная влаж-
ность и способность к тиксотропии не упоминаются. Было
[26] предложено все особенности учитывать с помощью числа
пластичности Ф, которое «очень чутко реагирует па малейшие
изменения» в составе грунта.
Полагая, что этот показатель в интегральной форме харак-
теризует все свойства и изменения, Новожилов сопоставил Т
и Ф грунтов, в которые были забиты опытные сваи. Это сопо-
ставление показало, что между Т и Ф (в пределах от 5 до 50)
существует прямолинейная зависимость:
Т=КФ (11)
При этом «продолжительность периода увеличения сопро-
тивления свай Т является величиной постоянной для каждой
разновидности грунта» [26]. По мнению ее автора, зависимость
(11) с точностью до 1—2 суток позволяет определить Т для
данного грунта, спустя которое можно выявить «частичную не-
сущую способность свай».
На первый взгляд, приведенные соображения звучат убеди-
тельно, и кажется, что с помощью зависимости (11) действи-
тельно можно определить время Т. Однако на самом деле это
совсем не так. Два грунта с одинаковыми числами пластично-
сти могут иметь разную консистенцию и естественную влаж-
ность и потому время Т у них будет разное. Едва ли это поло-
жение нужно доказывать экспериментально.
Совершенно несостоятельно утверждение, что Т — величина
постоянная для данного грунта. Как она может быть постояп-
80
ной, если зависит от естественной влажности и консистенции
грунта, а эти характеристики по своей природе величины пере-
менные.
Показатели, входящие в формулу, подобную формуле (И),
должны в том или ином виде учитывать, как минимум, чувст-
вительность, консистенцию и естественную влажность. Эти фак-
торы в первую очередь определяют тиксотропное упрочнение.
Более того, для определения Т принципиально неверно связы-
вать Т с Ф, поскольку Ф определяется на пасте, в то время как
при определении Т нужно принимать во внимание ненарушен-
ное сложение грунта. Кроме того, Т следует находить из кри-
вой зависимости Т от только что указанных факторов. Любо-
бытно и то, что у Новожилова даже нет упоминания о консис-
тенции и естественной влажности.
Из сказанного видно, что ошибка автора формулы (11) за-
ключалась в недооценке консистенции, естественной влажности,
способности к тиксотропным изменениям, текстуры и ряда дру-
гих данных о грунтах.
После степени глинистости грунтов следующими факторами,
определяющими время Т, являются: их минеральный состав,
влияние которого, кстати, может подавляться [12], консистен-
ция, чувствительность (прочность структурных связей), естест-
венная влажность, определяющая показатели указанных харак-
теристик грунтов.
Не останавливаясь более подробно на этом вопросе, послу-
жившем для нас темой специальных исследований, описанных
в гл. VI, отметим, что только различие в текстуре ленточных
глин обусловило то, что на двух участках, сложенных ими, Т
в опытах бойки свай оказалось равным 12 и 25 суткам, о чем
указывается в [26].
При погружении сваи происходит перемятие грунта в око-
лосвайном пространстве, которое приводит к снижению его пер-
воначальной прочности по в ненарушенном сложении до неко-
торого значения оч (рис. 23), когда погружение сваи закончено.
По истечении времени t прочность тиксотропного упрочне-
ния достигает некоторого значения оь Если предположить, что
сваи погружены в глинистый грунт пластичной консистенции
лишь с коагуляционными связями, то можно допустить, что
через известный промежуток времени его первоначальная проч-
ность по полностью восстановится, как это схематически пока-
зано на рис. 23, б. Если же глинистый грунт будет иметь в своем
составе и кристаллизационные связи, нарушение которых явля-
ется необратимым процессом, то, очевидно, восстановления пер-
воначальной прочности не произойдет. Именно этим и нужно
объяснить те непонятные на первый взгляд явления, когда
прочность грунтов вокруг забитых свай в пластичном, а тем
более полутвердом состоянии не достигает своего первоначаль-
ного значения (рис. 23, а). Степень снижения прочности грунта
81
в результате нарушения его сложения можно оценить степенью
структурной прочности, или чувствительностью. Однако оценка
глинистых грунтов по их чувствительности может дать лишь
приблизительное представление о величине и времени их уп-
рочнения. Взаимная связь тиксотропного упрочнения и чувст-
вительности до настоящего времени полностью не установлена,
поэтому трудно давать какие-либо прогнозы относительно их
использования в инженерной расчетной практике. Это не оз-
начает полного отказа от исследований в этом направлении,
наоборот, проведение достаточного количества полевых и лабо-
Рис. 23. Схема тиксотропных изменений прочности грунта в около-
свайном пространстве при погружении свай
а — в обычный грунт; б — в идеально тиксотропный грунт
раторных экспериментов поможет установить эти зависимости
и в дальнейшем использовать их в практике.
Вопрос о привлечении чувствительности Ч как характерис-
тики степени упрочнения грунта после его перемятия тем или
другим способом также рассматривался в цитированных выше
работах. Однако из-за отсутствия достаточного количества экс-
периментальных данных полученная зависимость оказалась не
вполне отчетливой. Объясняется это, по-видимому, тем, что
чувствительность — слишком неопределенная величина, посколь-
ку характеризует какую-то промежуточную (при этом неизвест-
ную) степень разрушения и тиксотропного восстановления
прочности структурных связей грунтов. Нам представляется, что
одна чувствительность не может характеризовать степень уп-
рочнения грунта in situ, особенно, если учесть, что ее вели-
чина — переменная. Учитывая все сказанное о зависимости Т,
можно написать следующее уравнение:
T = f(W, В, Ч), (11*)
где Ч — чувствительность, определяемая по кривой зависимо-
сти cr=f(e) для образцов ненарушенного и нарушенного сложе-
ния при одинаковых влажности И? и консистенции В.
82
В тесной связи с рассматриваемым вопросом стоит вопрос
о степени увеличения несущей способности сваи в течение вре-
мени и определении ее предельного сопротивления по резуль-
татам ранних испытаний статическими или динамическими на-
грузками.
Учитывая, что, в конечном счете, строителей интересует пре-
дельное сопротивление РПр свай после окончания процессов
упрочнения глинистых грунтов Гпр, А. Е. Радугин [36, 37] пред-
ложил следующую зависимость:
Pt-Po
Ф(2,5//Тпр) ’
(12)
где Ро — расчетное сопротивление сваи при забивке;
Pt — расчетное сопротивление сваи при сроке «отдыха»
^7пр, полученное при повторном испытании этой
же сваи;
Ф(^/?пр)—интеграл вероятности, значения которого приведены
в табл. 10.
ф (t/Tnp) = ф (X) =
2
/2л
е 2dt.
Таблица 10
Значения интеграла вероятности Ф 2,5
пр
t
t
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,100
0,197
0,290
0,383
0,465
0,546
0,585
0,40
0,45
0,50
0,55
0,60
0,65
0,70
0,683
0,730
0,790
0,830
0,856
0,890
0,920
0,75
0,80
0,85
0,90
0,95
1,00
0,940
0,954
0,960
0,976
0,980
0,988
Предельные значения срока «отдыха» Тпр забитых железо-
бетонных свай приведены в табл. 11. При этом отмечается, что
при увеличении числа пластичности Ф и консистенции В повы-
шается предельный (оптимальный) срок «отдыха» свай и при
значении В = 0,8 и более ТПр следует принимать равным 40—
50 суткам. Для приблизительного прогнозирования предельной
несущей способности Радугин рекомендует формулу
(13)
83
где тПр — средние значения «степени упрочнения сваи» во вре-
мени для различных глинистых грунтов в зависимости от их
консистенции, определяемые по табл. 11.
Таблица 11
Средние значения степени упрочнения свай
во времени
Наименование грунтов Консис'генция тпр
Супеси Твердые 0,5
Пластичные 1,2
Текучие 2,5
Суглинки Твердые 0,8
и глины Тугопластичные 1,5
Мягкопластичные 2,8
Текучие 4,0
Несколько иной подход к решению поставленной задачи мы
находим в работе А. А. Бартоломея (1972 г.), который предло-
жил расчет осадок свайных фундаментов во времени осуществ-
лять, пользуясь феноменологической теорией наследственной
ползучести; грунт при этом рассматривается как однокомпонент-
ная система.
Сравнение расчетных осадок во времени с эксперименталь-
ными данными показало удовлетворительное совпадение прог-
нозируемой скорости осадок.
Глава IV
УВЕЛИЧЕНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ СВАЙ
ПО ДАННЫМ ПОЛЕВЫХ ОПЫТОВ
§ 17. Характеристика опытного участка
и его особенности
Для подтверждения обсуждаемых в данной работе законо-
мерностей, связанных с процессами, протекающими в глинистых
грунтах вокруг свай после их погружения, большое значение
приобретают полевые и лабораторные опыты. Приступая к ним,
авторы [16] вполне отдавали себе отчет в сложности и разнооб-
разии условий, в которых работают сваи в глинистых грунтах.
Сами сваи могут быть изготовлены из различных материалов,
иметь разные формы и размеры, погружаться в грунт различ-
ными способами. В свою очередь глинистые грунты, в которые
погружаются сваи, не менее разнообразны по своему составу,
структуре, текстуре, сложению, состоянию и свойствам. Поэтому
основной целью поставленных опытов и являлось изучение ки-
нетики увеличения несущей способности одиночной сваи с ост-
рием, погруженной в глинистый грунт забивкой.
Полевые опыты [16] проводились на территории геолого-гео-
дезической базы Ленинградского института инженеров железно-
дорожного транспорта (ЛИИЖТа) в Лужском районе Ленин-
градской обл.* Опытный участок располагался на окраинной-
части водораздела между реками Оредеж, Ящур и Черная и
представлял собой ровную местность, обязанную своим релье-
фом движению ледника.
Коренными породами на водоразделе являются отложения
верхнего и среднего девона, представленные песчаниками и пес-
ками, слагающими так называемые швентойские и староосколь-
ские слои [17]. Они залегают на разной глубине и имеют значи-
тельную мощность. На отложениях девона лежат толщи морен-
ного (валунного) суглинка и реже — глин с незначительным
количеством грубообломочного, в частности валунного, мате-
* Опыты были проведены по инициативе Б. М. Гуменского и под его ру-
ководством. В них приняли участие также студенты, проходившие учебную
геологическую практику. Среди них следует отметить М. Асанова, А. ПозД-
нова, Ю. Корягина, Ю. Васильева (сейчас они инженеры путей сообщения).
85
риала. Суглинки плотные, неоднородные, преимущественно ту-
гопластичные коричневого цвета. Их мощность приблизительно
3 м. Моренные отложения перекрываются слабоподзолистыми
почвами слоем мощностью до 1 м.
На участке, где проводилась забивка опытных свай, подзем-
ные, в том числе и грунтовые, воды не были обнаружены.
Чтобы сделать грунтовую среду однослойной, сваи забивали
непосредственно в моренные суглинки, поэтому почву снимали.
Схема расположения свай и геологический разрез опытного
участка показаны на рис. 24. В табл. 12 дана краткая харак-
МГ 1.100
нв 1.м
Сваи Гб N5
С кВ N4 Шурф N2
участок 1
Участок 2
ПочВенный V/7 7}
и супесчаный у////
спой
Моренный
суглинок
Девонские
пески
। । Очертание
l J шурфоВ
Рис. 24. Схематический геологический разрез по опытным участкам с ука-
занием месторасположения свай
теристика суглинков по результатам лабораторных исследова-
ний монолитов, отобранных в различных точках по глубине
в соответствии с рис. 25.
Таблица 12
Данные о гранулометрическом составе и показателях
пластичности моренных суглинков
W S Ч О S о S £ 3 5 8 9 1 Размер (мм) и содержание (%) фракций Предел Число пластич- ности Ф
20 2 2 0,5 0,5 0,25 0,25 0,10 0,10 0,05 0,05 0,002 0,002 0,001 Менее 0,001 текуче- сти \р т раска- тывания И'р
3,7 1.0 2,0 2,5 5,4 4,8 4,5 6,0 6,5 5,3 6,6 5,7 24,0 27,3 26,8 22,4 17,9 15,6 16,6 15,3 32,1 36,0 34,6 36,8 4,3 3,5 3,1 4,4 6,1 6,5 5,8 6,9 23,2 21,2 21,5 22,7 22,8 14,4 14,0 14,2 15,0 13,1 8,8 7,2 7,3 7,7 9,7
86
hi: го
С6 N6
C8.N5
0 Нести отбора монолитов
Рис. 25. Геологический разрез по шурфу, отры-
тому около забитой сваи
1 — гумусовый горизонт черного цвета, супесчаный мощ-
ностью 10 см; подзолистый горизонт сероватый, супес-
чаный мощностью 10—12 см; II — горизонт вымывания
супесчаный мощностью до 20 см; III — моренный сугли-
нок тугопластичный с примесью грубообломочного ма-
териала мощностью 1,6 м; IV — среднедевонские мелко-
зернистые пески, плотные
100
90
л Ц о X Qj й ‘Ъ в * в 1 80 10 60 50 40 30 20 Ю
ГпцнО Оь'Р о Песо* Гравий
N9 \'3
NQy j
0
0,001 0,002
0,01 0,05 0,1 1,0 2,0
Размер диаметров частиц lg d, мм
10
Рис. 26. Кривые однородности моренных суглинков
Из таблицы видно, что суглинки содержат глинистых частиц
от 9 до 11%, их число пластичности колеблется между 7,2 —
9,7 и они являются достаточно однородными грунтами. Рис.
26 подтверждает вышесказанное, так как изображенные на нем
кривые однородности почти налагаются друг на друга. Удель-
ный вес суглинков колеблется от 2,65 до 2,67 г!см\
Минеральный состав глинистых частиц был определен с по-
мощью рентгеноструктурного анализа, проведенного в литоло-
гической лаборатории ВНИИ геологии Арктики Н. В. Марго-
лисом, электронной микроскопии, термического и химического
анализов. Оказалось, что эти частицы сложены преимуществен-
но гидрослюдами и в незна-
чительной степени кварцем.
В пробах отмечалось при-
сутствие небольшого коли-
чества каолинита (<2%),
ничтожное количество орга-
нических веществ и окислов
железа (табл. 13).
Из данных табл. 13 мо-
жно подсчитать отношение
—— • Оно оказалось рав-
R2O3 е
ным 2,82, что в какой-то
мере также говорит о пре-
имущественном преоблада-
нии гидрослюдистого мине-
рала.
Результаты минераль-
ного анализа подтвержда-
Рис. 27. Форма глинистых частиц мо-
ренного суглинка (фото получено с по-
мощью электронного микроскопа)
ются и фотографиями, полученными с помощью электронного
микроскопа. Из рис. 27 видно, что все частицы можно разде-
лить на две группы: у одних из них резко очерчены грани, они
непрозрачны или полупрозрачны; другие имеют плохо выражен-
ное очертание, они почти прозрачны. Но на общем фоне частиц
гидрослюд видны и такие, которые имеют форму шестигранни-
ков, что, по-видимому, говорит об их принадлежности к группе
каолинита.
Таблица 13
Химический анализ частиц размером менее 0,001 мм
моренного суглинка
SiOa TiO2 Fe2O3 А!2О3 CaO MgO K2o 4- Са2О so3 Потери при про- каливании
49,10 0,96 11,82 22,03 0,36 2,59 5,11 Нет 8,04
88
В настоящее время приведенные данные подтверждаются
исследованиями [13], которые были проведены на площадке,
расположенной на расстоянии около 100 м от описываемого
опытного участка. Естественная влажность моренных суглинков
лежит в пределах от 10,3 до 11,5%- По своей консистенции, оп-
ределенной на основе визуального наблюдения, суглинки яв-
ляются тугопластичными, их степень водонасыщенности около
0,6—0,7.
§ 18. Определение продолжительности
увеличения несущей способности опытных свай
Для определения продолжительности тиксотропного упроч-
нения моренных суглинков было забито 10 деревянных свай
диаметром 10—12 см на глубину 1,5 м. Сваи забивали на двух
участках (6 — на одном и 4 — на другом), расположенных друг
от друга на расстоянии 20 м (рис. 24), их геолого-грунтовые и
гидрогеологические условия были достаточно одинаковыми.
Забивка производилась подвесным молотом весом 90 кг, па-
давшим с высоты 1 м. В качестве копра служил буровой станок
Д-5-15 с приспособленным к нему деревянным желобком, иг-
равшим роль направляющих. Это обеспечивало соосный удар
молота.
В табл. 14 приведены данные о количестве ударов, произ-
веденных для погружения свай на указанную выше глубину.
Из таблицы видно, что количество ударов в основном определя-
лось диаметром сваи. Время погружения последних составляло
от 20 до 40 мин.
В конце забивки каждой сваи определялся ее отказ. Для
этого отказы от 3—4 последних залогов (каждый из 5 ударов)
замерялись при высоте падения молота, равной 1 м. Из полу-
ченных данных вычислялся средний конечный отказ свай.
Исследование характера и величины нарастания несущей
способности свай во времени выполнялось путем повторных оп-
ределений ее динамическим способом (путем добивки) через
заданные промежутки.
Применяя такую методику для нахождения изменения со-
противления свай во времени, авторы руководствовались сле-
дующими соображениями:
1) невозможно в натурных условиях иметь две абсолютно
одинаковые сваи, которые бы характеризовались абсолютным
совпадением всех рассматриваемых показателей;
2) в случае применения повторных динамических испытаний
следует учитывать, что нарушение прочности первоначально
возникших структурных связей между грунтом и сваей проис-
ходит непосредственно после забивки. Поэтому вполне естест-
венно может оказаться и, как будет показано ниже, действи-
тельно наблюдается значительный разброс полученных данных
в величине отказа после добивки.
89
Таблица 14
Данные о погружении опытных свай в моренные грунты
СО id о 0 ж сх « X Время испытания свай динамическим
у aS о с Ф 3 способом в сутках
СО tr СО со ф со tr S 0 Ьй О 0 Л ш ГГ ГА ° 2 Полученные суммарные отказы
и £ СО ’S S 03 1-Г ш о ч о СОХО ? >» 0 к . о £ о от 5 ударов в мм
1 9
1 11,0 170 24 19 14
12,0 5 8 12 14
2 185 19 13 15 13 10
10,5 3 9 12 14
3 185 25 19 15 14 13
1 12,0 5 7 10 13
4 220 12 11 11 11 10
12,0 2 4 6 8 12 14
5 230 17 16 12 11 8 8 8
12,0 1 6 8 10 13 15
6 215 18 15 9 8 7 6 7
10,5 6 9 14
7 205 15 10 10 11
10,5 1 з 6 8 9
8 200 25 22 14 15 17 16
10,0 2 6 9 11 14
2 9 130 30
21 15 12 10 9
11,0 5 8 15
10 170 25 15 13 9
Первоначально предполагалось одну часть свай испытывать
ежедневно, а другую через 1, 2, 3 и 4 дня. Однако уже первые
опыты показали, что при ежедневных испытаниях наблюдается
большой разброс точек в получаемых данных. Учитывая это,-
в дальнейшем решили повторные испытания путем добивок про-
водить через 2 суток.
Отказ от каждого удара молота строго с высоты 1 м при
повторных динамических испытаниях каждой сваи измерялся
с помощью нивелира. Всего производилось пять ударов,
после чего вычислялся суммарный отказ сваи. Полученные ре-
зультаты изменения величины отказов в зависимости от продол-
жительности «отдыха» свай после их бойки приведены в табл. 14
и на рис. 28.
90
Анализ полученных данных, применительно к каждому из
двух избранных участков, где были забиты сваи, позволяет
сделать следующие выводы.
1. Увеличение несущей способности свай № 2, 3, 5, 6, 9 и
10, забитых в моренные суглинки, заканчивалось приблизитель-
но через 15 дней. За этот срок величина отказов в среднем
уменьшилась вдвое* несущая же способность увеличилась при-
мерно в 1,4 раза.
2. Характер кривых уменьшения отказов свай при повтор-
ных испытаниях в зависимости
дыха» после забивки был при-
мерно одинаков (рис. 28). Из
рисунка видно, что сразу пос-
ле забивки свай происходит
быстрое уменьшение отказов
во времени. К концу периода
уменьшение отказов с увели-
чением времени происходит
менее интенсивно.
Несколько отличные ре-
зультаты были получены для
свай № 7 и 8, увеличение не-
сущей способности которых
закончилось в среднем через
2 суток. В этом случае нагляд-
но проявляются те сложности,
с которыми встречается иссле-
дователь, проводящий экспе-
рименты в натурных условиях.
Возможные отклонения сред-
от увеличения времени их «от-
Лродолжительность omdb'ia cbau, сут
Рис. 28. Увеличение во времени со-
противления деревянных свай, заби-
тых в моренные суглинки
них данных от полученных при
большом количестве испытаний по условиям статистики должны
быть совершенно отброшены и считаться грубой ошибкой
опыта. Однако иногда все же целесообразно проанализировать,
почему они получаются, какие факторы приводят к таким ре-
зультатам. А для этого исследователь должен «заглянуть»
в грунт, окружающий пробную сваю, что и проделано в описы-
ваемых экспериментах.
После откопки шурфа вдоль погруженных свай было обна-
ружено, что сваи № 7 и 8 оказались забитыми в песок и только
лишь концы их на глубину 0,3 м находились в суглинке. Отме-
ченное некоторое увеличение их несущей способности, по-види-
мому, можно объяснить увеличением поверхностного трения
между сваей и песком после забивки.
Следует считать очевидным тот факт, что увеличение несу-
щей способности сваи во времени определяется прежде всего
тиксотропным упрочнением грунта, окружающего сваю, а не
грунта, находящегося под ее острием. Как будет показано ниже,
91
это подтверждается еще и тем, что зона нарушения грунта
под острием сваи сравнительно невелика, а следовательно, не-
значительно изменилась и прочность структурных связей, оп-
ределяющая последующее тиксотропное упрочнение грунта.
§ 19. Исследование области деформации вокруг
забитых свай
Рис. 29. Схема расположе-
ния слоев уплотненной обо-
лочки грунта вокруг сваи
Вокруг опытных свай по окончании процесса тиксотропного
упрочнения грунта был откопан шурф и сделано подробное
описание его стенок. Осмотр показал, что моренные суглинки
в этой области сильно деформирова-
лись и уплотнились. Вокруг каждой
сваи образовалась многослойная обо-
лочка. Она была особенно сильно уп-
лотнена по сравнению с окружающим
грунтом и в ней отчетливо наблюда-
лась вертикальная концентрическая
слоистость, образовавшаяся от выше-
лежащих грунтов, пробитых сваей при
погружении (рис. 29).
Первый слой, непосредственно при-
мыкающий к свае, состоял из матери-
ала гумусового горизонта подзолистой
почвы, второй слой — из сероватой су-
песи той же почвы, третий (внешний)
слой — из суглинка. Обследования так-
же показали, что толщина слоев по
длине сваи была переменной. Так, гу-
мусовый слой, непосредственно примы-
кавший к свае от поверхности до глу-
бины 0,85 м, имел значительную
толщину, а ниже,подлине сваи, утон^
чался, и оставался только «налет» черного цвета. Супесчаная
сероватая оболочка имела заметную толщину до глубины 1,2 м
от поверхности, а ниже также обнаруживалась лишь в виде
сероватого налета. Внешний слой из коричневого суглинка
с глубиной постепенно утолщался и достигал наибольших раз-
меров на глубине, где два первых слоя превращались в тонкие
цветные налеты. Общая толщина уплотненной оболочки по
длине сваи оставалась примерно одинаковой. На глубине 0,75 м
от поверхности средняя толщина слоев уплотненной оболочки
составляла соответственно 2 мм для гумусового слоя черного
цвета, 5 мм для супесчаного слоя и 5 мм для суглинка.
Проведенные исследования позволяют сделать вывод о том,
что причиной образования около поверхности сваи уплотненной
оболочки толщиной 1 см и более, а также всей уплотненной
зоны является воздействие острия сваи на окружающий грунт.
92
Раздвигая в процессе погружения глинистый грунт, острие фор-
мирует уплотненную зону в виде клина, которая под влиянием
сопротивления нижележащих слоев постепенно выталкивается
из-под острия сваи и размещается вокруг ее боковой поверхно-
сти, образуя концентрическую оболочку, толщина которой бу-
дет уменьшаться до тех пор, пока весь запас захваченного
грунта не израсходуется. Так повторяется с каждым слоем
грунта, пробиваемым сваей, независимо от глубины расположе-
ния; именно поэтому вокруг сваи в многослойном основании
и образуется многослойная оболочка.
Изучение рассматриваемого вопроса было проведено и
в опытах погружения свай с обмазкой-из бентонита [13], где
в качестве контрольных (без обмазки) забивались деревянные
и железобетонные сваи длиной 3 м. Осмотр свай и стенок шур-
фа при их откопке позволил установить, что толщина каждого
из слоев многослойной уплотненной оболочки на свае изменя-
ется по ее длине, постепенно утончаясь по мере удаления от
того слоя, из которого образовалась данная оболочка. Общая
же толщина оболочки по длине сваи остается постоянной.
Определенную роль в образовании уплотненной оболочки
играет шероховатость сваи: она может привести к образованию
на поверхности последней оболочки из грунта самого верхнего
горизонта толщиной, не превышающей толщину шероховатости.
По нашим наблюдениям [13], размер этой толщины для железо-
бетонных свай составляет 2—3 мм, а для деревянных — около
1—1,5 мм.
Для выяснения особенностей изменения показателей свойств
грунтов, вызванных забивкой свай, при их откопке из стенок
шурфов на различных глубинах и расстояниях от сваи № 5
были взяты монолиты (рис. 25). Монолиты № 9 и 10, отобран-
ные в 1,5 м от боковой поверхности сваи, приняли в качестве
эталонных, так как считалось, что на этом расстоянии влияние
забивки свай практически уже не сказывается.
Визуальный осмотр стенок шурфа и монолитов позволил
подметить некоторые особенности грунтов, находящихся на раз-
личных расстояниях от погруженной сваи. Так, грунт, располо-
женный в межсвайном пространстве (монолиты № 9 и 10),
обладал способностью распадаться на агрегаты размером 1—
2 см при откопке и надавливании рукой. При этом прочность
самих призматических агрегатов была значительно выше проч-
ности их связи между собой. Грунт же, находящийся вблизи
сваи, за уплотненной оболочкой, отличался высокой плотно-
стью и монолитностью и при аналогичном надавливании сжи-
мался, совершенно не распадаясь при этом на агрегаты. Сле-
довательно, при забивке сваи вокруг нее произошло полное
разрушение и перемятие глинистого грунта.
Степень изменения прочностных свойств грунтов в около-
свайном пространстве определялась при испытаниях монолитов-
93
образцов d = 4 см и h = 4 см на одноосное сжатие. Нагрузка
прикладывалась ступенями по 0,01 кГ1см2 после полного зату-
хания деформации от ее предыдущей ступени. Результаты ис-
пытаний каждого монолита приведены в табл. 15.
Опыты показали, что для образцов, взятых из ненарушен-
ной области и в непосредственной близости от сваи, зависимость
нагрузка — деформация носит различный характер (рис. 30).
Значительно перемятые и уплотненные грунты обладают мень-
шей сжимаемостью под нагрузкой и большей прочностью по
Рис. 30. Характер кривых нагрузка — деформация
для образцов моренного суглинка, отобранных на
разном расстоянии от сваи
сравнению с грунтами с нарушенным сложением или с грун-
том, подверженным меньшим нарушениям (соответственно
кривые /, 2 и <3, 4 на рис. 30). Наибольшей прочностью отлича-
Таблица 15
Физико-механические свойства грунтов деформированной
зоны вокруг свай
№ монолита Глубина взя- тия моноли- та в м Расстояние до монолита от поверхно- сти сваи в м Естественная влажность в % Объемный вес грунта, в г/см3 Объемный вес скелета грунта в г/см3 Прочность на одноосное сжатие в кГ/см? Коэффициент пористости грунта Водонасы- щен н ость в %
1 0,90 0,05 11,3 2,17 1,95 5,6 0,37 0,81
1а 0,90 0,25 11,5 2,19 1,97 4,4 0,36 0,85
2 0,90 0,40 10,7 2,14 1,93 4,0 0,38 0,75
3 0,90 0,70 11,2 2,07 1,86 2,8 0,44 0,68
9 0,90 1,50 11,3 2,07 1,87 2,4 0,41 0,70
6 1,40 0,05 11,0 2,22 2,02 5,6 0,32 0,91
5 1,40 0,25 11.1 2,16 1,95 3,6 0,37 0,81
4 1,40 0,40 11,2 2,06 1,86 2,4 0,44 0,68
10 1,40 1,50 10,1 2,09 1,90 2,4 0,41 0,66
8 1,70 — 10,8 2,22 2,00 6,0 0,34 0,85
7 1,70 0,10 11,7 2,13 1,91 2,8 0,40 0,78
94
ются грунты, расположенные у сваи. По мере удаления от нее
их прочность снижается и на некотором расстоянии стано-
вится равной прочности грунта в ненарушенной области
(рис. 31).
Плотность грунта около свай изменяется с той же законо-
мерностью, что и его прочность. Область деформирования
грунта, определенная исходя из данных изменения прочности
и объемного веса, имеет практически одинаковый характер и
размеры. Следует также отметить, что область деформирова-
ния грунта на разных глубинах от поверхности имеет разную
а)
Прочность, кГ/см2?^ 3,0 9,0 5,0
1,91 1,95 1,90 1,85 Объемней bei
\ { 7 7 скелета грунта.
N9
О
\ Ч!6\ J
W ON2N1K1
О\ Q О | О
?Д и,о
о
о
\°,96 1,9Щ9]
Ненарушенная \
N10 30На
о
2Л_|“ U60 Острие
jt_____ сбои.
-2,00
N9 N5 N6
«J Id> h / Ненарушенная о
2,021.95 1,86 30на 1^88
6,0 2,22
Пески
Рис. 31. Область деформирования грунтов вокруг сваи, забитой
в тугопластичный ненасыщенный моренный суглинок
ширину. Так, у острия сваи она составляет всего 5 d, а на вы-
соте 1 м от острия оказывается равной уже 20 d. Такое увели-
чение поперечных размеров области деформации по длине сваи,
начиная от ее острия, объясняется, по-видимому, тем, что по
мере погружения сваи образующийся уплотненный клин раз-
двигает грунт, который перемещается в стороны и вверх, вызы-
вая изменения в вышележащих слоях. Опытные данные также
показывают, что под острием сваи (монолит № 8) образуется
очень сильно уплотненная область, характеризуемая повышен-
ной прочностью по сравнению с грунтом, расположенным сбоку
от острия (монолит № 7).
Область уплотнения под острием в разных грунтах будет
различной, зависящей к тому же и от степени «обработки»
грунта основания молотом через сваю, от соотношения энергии
ударов молота и веса сваи и т. п.
95
Таким образом, при исследовании кинетики упрочнения свай
следует со всей внимательностью подходить к изучению окру-
жающего грунта и оценке геолого-гидрогеологических условий
на данной площадке, проводить откопку свай в целях их ви-
зуального осмотра и изучения факторов, которые могут повли-
ять на выводы, сделанные только при анализе опытных резуль-
татов статического или динамического испытания свай.
§ 20. Особенности некоторых изменений глинистых
грунтов в области деформации
Выше было показано, что при забивке в глинистые грунты
свая своим острием раздвигает их в стороны, слои при этом
изгибаются вниз (см. рис. 17). Грунты, вытесняемые сваей, пе-
ремещаются в стороны и вверх, переминая при движении вы-
шерасположенные толщи и тем самым разрушая их текстуру и
сложение, в том числе и структурные связи. Около же сваи
образуется уплотненная область. В зависимости от степени
водонасыщенности грунта и ряда других условий иногда на-
ряду с его уплотнением (имеющим известный предел) может
произойти выпирание, не совсем правильно называемое некото-
рыми специалистами выпучиванием.
Величины областей выпирания и деформации определяются
степенью водонасыщенности грунтов: чем она больше, тем
больше и эти области. Согласно данным С. М. Рака [38], для
случая забивки свай в лёссовидные суглинки (G = 0,3) попереч-
ные размеры области деформации не превышали 20 см от сваи.
При бойке же свай в моренные суглинки [16], степень водона-
сыщенности которых равна 0,7, зона деформации достигла ра-
диуса 10—12 d в каждую сторону (рис. 31).
Имеются сведения, указывающие на зависимость размеров
и характера области деформации от величины чувствительно-
сти грунтов. Так, по данным С. Я. Боженкова и А. А. Бирю-
кова [5], в малочувствительных ленточных глинах область де-
формации достигает размеров порядка 10 d, а величина об-
ласти уплотнения — около 3 d. В высокочувствительных глинах
область уплотнения, по данным Эйде, составляет всего 0,2 d,
а основной объем грунта нарушается незначительно. Таким об-
разом, поперечные размеры области деформации не превышают
2—3 d. Объяснение этому, очевидно, нужно искать в том, что
перемятый погружаемой сваей высокочувствительный грунт
очень сильно размягчается и потому легко вытесняется вверх,
т. е. выпирается. Следствием является то, что грунт вокруг свай
не вовлекается в работу, а значит не переминается. Во времени
процесс размягчаемое™ грунта происходит довольно быстро,
поэтому уплотнение не захватывает больших объемов.
Отмеченное выше должно приниматься во внимание при ре-
шении вопроса о забивке свай в глинистые грунты. Так напри-
96
мер, при забивке свай в слабые грунты типа ленточных глин
всегда нужно иметь в виду, что по окончании этой работы от
ленточных глин остается, как говорят, лишь одно название.
В процессе забивки их слоистость нарушается, происходит пе-
ремешивание слоев и возникает некий глинистый грунт. Сте-
пень его глинистости будет определяться гранулометрией от-
дельных лент.
Разноречивость мнений по вопросу о возможности забивки
свай в ленточные и им подобные глины, по всей видимости, и
объясняется различием в их составе, зависящим от генезиса.
В одни ленточные глины сваи забивать можно, и они (глины)
после забивки тиксотропно упрочнятся, в других же упрочне-
ние отсутствует. Весь вопрос состоит в том, что собой пред-
ставляют по составу, мощности, состоянию и свойствам отдель-
ные «ленты» в ленточных глинах. Некоторые исследователи для
изучения гранулометрического состава ленточных глин взятый
образец перемешивают, а затем в зависимости от количества
глинистых частиц ленточную глину именуют супесью, суглин-
ком. Это нельзя считать допустимым. Термин ленточная глина
говорит лишь о том, что называемые так глинистые отложения
имеют вид пачки тонких слоев (лент) и не более.
Из сказанного видно, что описанные процессы при забивке
свай отмечаются в ограниченном объеме грунта, который и яв-
ляется областью деформации. Если обобщить известные данные
об области и ее строении [5, 74 и др.], то в ней можно выделить
следующие зоны (рис. 29):
1 зона — плотно облегающая сваю оболочка толщиной 0,3—
1,75 см, в которой отчетливо можно проследить тонкую верти-
кальную слоистость из горизонтальных слоев вышележащих
грунтов, пробитых при забивке свай;
II зона — зона уплотнения, расположенная концентрически
с первой толщиной от 0,2 до 3 d с направлением слоев выпук-
лостью вверх. Грунт в этой зоне уплотнен и полностью пере-
мят;
III зона — переходная к грунту с ненарушенным сложением,
она начинается сразу же за второй зоной и имеет толщину от
2 до 10 d. Слои грунта направлены выпуклостью вниз. В этой
зоне по мере удаления от сваи грунт приобретает особенности,
характерные для его естественного залегания. За пределами
этой зоны грунт практически не претерпевает никаких измене-
ний, в нем могут наблюдаться временно лишь упругие дефор-
мации.
Под острием свай образуется уплотненная зона, величина ко-
торой зависит от размеров сваи, вида примененного сваебойного
оборудования и свойств грунта.
Ряд исследователей [67, 68, 74 и др.] установил, что размеры
области деформации растут по мере погружения сваи. Из ли-
тературы можно видеть, что состояние III зоны будет зависеть,
97
по-видимому, от текстуры и показателя консистенции В, а не
от степени водонасыщенности грунтов, как предполагалось ра-
нее [38].
Таким образом, проведенные в поле исследования со всей
отчетливостью показали, что при забивке свай вокруг них об-
разуется область деформации с зонами различной степени уп-
лотнения грунтов.
Изучение зоны деформации грунта в околосвайном простран-
стве оказывается весьма нужным для строителей. Знание осо-
бенностей этой зоны позволит лучше изучить процессы, проте-
кающие при погружении свай, и пути их регулирования в нуж-
ную для строителей сторону. Можно будет выяснить, какие
объемы грунтов при погружении свай вовлекаются в работу;
это позволит правильно решить вопрос о необходимой частоте
свай, забиваемых на единицу площади.
При возведении свайных фундаментов в городах знание про-
цессов, которые происходят в грунтах различного генезиса, со-
става, состояния и др. в околосвайном пространстве, позволит
выявить и степень опасности забивки свай в местах эксплуати-
руемых сооружений и, в случае необходимости, наметить пути
ее исключения и т. д.
Проведенные полевые опыты дали возможность также сде-
лать некоторые выводы о продолжительности времени тиксо-
тропного упрочнения тугопластичных моренных суглинков. По-
лученные результаты (см.- рис. 28) показали, что этот процесс
практически заканчивается через 14—15 суток.
Обобщая известные данные ряда исследователей [5, 31, 37,
51], можно утверждать, что продолжительность тиксотропного
упрочнения глинистых грунтов, в течение которого происходит
основное увеличение несущей способности, зависит от несколь-
ких факторов, среди которых наиболее важными являются сле-
дующие:
а) минералогический состав глинистой фракции грунта;
б) для грунтов с одинаковым минералогическим составом —
степень глинистости, т. е. количественное содержание глинис-
тых частиц. С увеличением глинистости возрастает как время
тиксотропного упрочнения, так и сама величина этого упроч-
нения;
в) для грунтов с одинаковым минералогическим составом и
степенью глинистости (т. е. для грунтов с одинаковым числом
пластичности) — показатель консистенции, с увеличением кото-
рого возрастает время упрочнения.
Для правильной оценки кинетики увеличения несущей спо-
собности свай, погруженных в глинистые грунты, огромное зна-
чение имеет метод ее определения, в некоторых случаях даже
влияющий на величину несущей способности свай. Широкое
применение динамического способа нельзя считать правильным,
так как при последовательном его осуществлении на одной свае
98
нельзя быть уверенным в полном восстановлении разрушенных
связей между грунтом и ее боковой поверхностью.
При таком контрольном испытании следует выполнять ряд
условий, среди которых отметим лишь одно: головы свай перед
испытанием должны быть в хорошем состоянии, что особенно
важно для железобетонных свай, у которых наблюдается раз-
рушение бетона с появлением продольных трещин. В этом слу-
чае необходимо бетонировать голову с установкой металличе-
ского наголовника, который после окончания срока схватыва-
ния должен быть обжат несколькими ударами молота, с целью
исключения возможных его остаточных деформаций. Проводить
испытание следует несколькими (не более 5—6) редкими уда-
рами молота, падающего с определенной фиксированной высоты.
Проведение испытаний с соблюдением технических условий
позволит правильно определить несущую способность погружае-
мых свай, которая в некоторых случаях может быть использо-
вана для корректировки запроектированных свайных фунда-
ментов.
Опыт забивки свай, накопленный за последнее время, и ре-
зультаты их испытаний свидетельствуют о том, что проектиров-
щики завышают длину свай в среднем на 1—2 м, что вызывает
дополнительное удорожание, связанное с необходимостью сру-
бания торчащих голов с помощью специально создаваемых ме-
ханизмов, а иногда даже вручную. Испытания таких «недоби-
тых» до проектной отметки свай показывают вполне достаточ-
ную их несущую способность. Обычно такое завышение проект-
ных длин свай обусловлено либо отсутствием достаточного изу-
чения геологического строения грунтов (зондированием, буре-
нием и т. п.), редким испытанием пробных свай, либо отсут-
ствием в распоряжении проектировщика свай различной длины
и сечений [48].
Исходя из этих соображений, необходимо критически рас-
смотреть существующие методы определения несущей способ-
ности свай (для выявления возможных скрытых запасов) и
в первую очередь динамический и статический методы испыта-
ния (метод зондирования), а также расчетный метод определе-
ния несущей способности свай, рекомендуемый СНиП П-Б.5—67.
Это тем более необходимо сделать, так как (§ 21—24) в рас-
четные формулы для определения несущей способности вхо-
дит так называемый коэффициент однородности *, величина
которого постоянно назначается равной 0,7 для всех случаев
жизни. Это не совсем верно, так как априорно можно утверж-
дать, что величины этого коэффициента должны быть различ-
ными в зависимости от численных показателей свойств грун-
тов, которые у разных грунтов различные.
* Не следует путать с коэффициентом однородности, определяемым по
кривой гранулометрического состава.
Глава V
ДЕФОРМАЦИИ И ПРОЧНОСТЬ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ
ВОКРУГ СВАЙ
§ 21. Определение несущей способности свай
расчетным методом
Проектирование и расчет свайных фундаментов, как из-
вестно [53], осуществляется после тщательного инженерно-геоло-
гического обследования участков застройки. Геологические раз-
резы, результаты статического и динамического зондирования,
прочностные характеристики грунтов, полученные в лаборато-
рии, а также другие данные, поступающие в распоряжение про-
ектировщика, позволяют ему назначить основные параметры
погружаемых свай, исходя из теоретического значения несущей
способности одиночной сваи, подсчитанного в соответствии с дей-
ствующими нормами СНиП П-Б.5—67.*
Однако основным критерием правильности определения не-
сущей способности свай являются данные статических и дина-
мических испытаний опытных (пробных) свай, погруженных на
строительной площадке. Объем и количество таких испытаний,
как правило, устанавливаются в каждом конкретном случае
с учетом особенностей конструкции возводимого сооружения,
режима его работы и других условий.
Многочисленные опытные определения несущей способности
свай, выполненные различными методами, говорят о том, что
данные по расчетным сопротивлениям, полученные при стати-
ческих испытаниях, являются наиболее достоверными, тогда как
результаты динамического испытания и зондирования, как по-
казано в литературе (49 и др.], пока что могут только прибли-
жаться к ним с той или иной степенью точности.
На стадии рабочего проектирования широко используется
метод определения несущей способности Р свай в соответствии
со СНиП П-Б.5—67* по следующей формуле:
Р = Кт (RHF + , (14)
где К, т— коэффициенты однородности грунта и условий ра-
боты;
F — площадь-брутто опирания на грунт сваи в м2\
100
Ru—нормативное сопротивление грунта под нижним
концом сваи, определяемое по табл. 16, в т/м2\
li — толщина гго слоя грунта, соприкасающегося с бо-
ковой поверхностью, в м;
fiH—нормативное сопротивление i-ro слоя грунта осно-
вания на боковой поверхности сваи, определяемое
по табл. 17, в т/м2;
и — периметр поперечного сечения сваи в м.
Как видно из формулы (14), расчетное сопротивление вися-
чей сваи, работающей на вертикальную нагрузку, вычисляется
Таблица 16
Нормативные сопротивления грунта под нижними концами
забитых свай /?н (СНиП П-Б.5—67*)
Глубина забивки сваи в м Нормативные сопротивления (т/м2) глинистых грунтов консистенции В, равной
Менее 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
3 700 400 300 200 120 100 60
4 830 510 380 250 160 125 70
5 880 620 400 280 200 130 80
7 970 690 430 330 220 140 85
10 1050 730 500 350 240 150 90
15 1170 750 560 400 280 160 100
20 1260 820 620 450 310 170 но
25 1340 880 680 500 340 180 120
30 1420 940 740 550 370 190 130
35 1500 1000 800 600 400 200 140
Таблица 17
Нормативные сопротивления грунта на боковой поверхности
забивных свай fj1
Средняя глубина расположения слоя грунта в м Нормативные сопротивления f? (т/м2) глинистых грунтов консистенции В, равной
Менее 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
1 3,5 2,3 1,5 1,2 0,5 0,2
2 4,2 3,0 2,0 1,7 0,7 0,3
3 4,8 3,5 2,5 2,0 0,8 0,4
4 5,3 3,8 2,7 2,2 0,9 0,5
5 5,6 4,0 2,9 2,4 1,о 0,6
7 6,0 4,3 3,2 2,5 1,1 0,7
10 6,5 4,6 3,4 2,6 1,2 0,8
15 7,2 5,1 3,8 2,8 1,4 1,0
20 7,9 5,6 4,1 3,0 1,6 1,2
101
как сумма сопротивлений грунтов под ее нижним концом и
по боковой поверхности.
Определение этим способом предельного сопротивления при-
ближенно, так как трудно разделить боковое и лобовое сопро-
тивления, которые проявляются в полной взаимосвязи. Сред-
ние опытные данные нормативного удельного лобового RH и
бокового сопротивлений сваи не всегда отвечают реальным
условиям и зависят от геологических условий площадки, кото-
рые могут сильно изменяться в процессе строительства.
При назначении нормативных величин Rn и f. проектиров-
щик должен учитывать возможное изменение влажности гли-
нистых грунтов в результате строительства сооружения, по-
скольку указанные параметры зависят только от консистенции
В. Поэтому становится понятно, как важно при определении
величины В соблюдать стандартность определения пределов
пластичности (U7T и W$). В настоящее время отсутствуют ме-
тоды расчета предельного сопротивления свай, в которых бы
учитывались прочностные характеристики грунтов, получаемые
в приборах на сдвиг и в стабилометрах. Отдельные попытки
создания таких методов расчета, к сожалению, не привели
к желаемым результатам, так как получаемые по этим методам
значения предельного сопротивления расходятся с данными на-
турных статических испытаний.
В связи с этим рассмотрим более внимательно зависимость
(14) и входящие в нее параметры. Не будем останавливаться
на значениях коэффициента условий работы т, величина кото-
рого принимается по соответствующей таблице СНиП П-Б.5—67*
в зависимости от способа погружения свай. Обратим внима-
ние на входящий в расчетную формулу коэффициент однород-
ности грунта К, принимаемый во всех без исключения случаях
равным 0,7. Произвольность назначения этой величины не вызы-
вает сомнения.
Нам представляется, что необходимость введения запаса
на случай возможной неоднородности грунтовой толщи должна
быть обоснована экспериментально. В районах массовой за-
стройки жилых кварталов в городах и поселках при проведении
тщательного инженерно-геологического обследования застраи-
ваемых площадок это нетрудно сделать, если имеется достаточ-
ное количество опытных испытаний свай. Практическое значе-
ние увеличения этого коэффициента весьма велико, поскольку
оно открывает большие возможности для выявления скрытых
дополнительных резервов неиспользованной несущей способно-
сти грунтов, окружающих сваю. Правильное назначение коэф-
фициента однородности К даст также возможность учесть
многие факторы, которые не нашли своего отражения при со-
ставлении нормативных табл. 16 и 17; важнейшими из них явля-
ются: объемный вес, пористость, угол внутреннего трения, удель-
ное сцепление и др.
102
В настоящее время появились исследования, в которых об-
суждается определение величины коэффициента К. Так, в ра-
боте А. П. Хамова [30] предполагается, что распределение ве-
личины отклонения несущей способности сваи от ее среднего
значения подчиняется закону нормального распределения. Зна-
чение коэффициента К при этом рекомендуется определять по
формуле
(15)
где
бПр = mt — предельное отклонение предельного
сопротивления испытанных свай
в проектируемом массиве, состоящем
из п2 свай;
п
2рпР
ср— -----
ПР п±
— среднее предельное сопротивление ni
испытанных сваи;
д / У (рср__р)2
+ |/ —пр 1— --------средняя квадратическая ошибка одно-
го испытания при определении Р;
t=f(n) —функция распределения вероятностей
в соответствии с критерием Шовене.
Следует отметить, что, принимая нормальный закон распре-
деления плотности вероятностей, допускают предположение
о возможности появления отрицательных значений функций,
в то время как прочностные характеристики грунтов, несущая
способность сваи есть величины существенно положительные,
т. е. не способные становиться меньше нуля. Поэтому кривая
распределения таких величин не распространяется в область
отрицательных значений, а ограничивается снизу некоторым
предельным минимумом, в качестве которого логично принять
нулевой отсчет. Принимать нормальный закон распределения
плотности допустимо в тех случаях, когда у нормального рас-
пределения коэффициент вариации мал (CVs)» т. е. вероятность
получения отрицательных значений настолько мала, что ею
можно пренебречь.
Как отмечается в работе А. А. Долинского и Р. А. Муллера
[18], чаще всего при определении прочности грунтов более точ-
ным оказывается асимметричный закон распределения плотно-
сти, и в этом случае логично воспользоваться кривой Пирсона
третьего типа. Отличительной особенностью этой кривой явля-
ется то, что значение нижнего предела и распространение функ-
ции связано с величиной отношения коэффициента асимметрии
Cs к коэффициенту изменчивости или стандарта Cv.
103
В работе [18] приводятся графики для определения коэффи-
Cs
циента однородности при различных отношениях — и различ-
ии
ных значениях доверительных вероятностей со = 0,999, .,.0,900.
На практике доверительной вероятностью задаются заранее.
Для вычисления коэффициента однородности проектировщик
должен иметь достаточное количество опытных данных для
того, чтобы подсчитать числовые характеристики распределения
вероятностей и с их помощью определить коэффициент одно-
родности грунта. В качестве исходного материала для расчетов
в первую очередь должны быть использованы результаты ста-
тических испытаний на площадке (правда, таких испытаний про-
водится одно-три). Для этих целей могут быть также дополни-
тельно привлечены результаты динамических испытаний, если
они не отличаются в значительной степени от статических зна-
чений предельного сопротивления.
Обычно вопрос о расчетном значении коэффициента одно-
родности возникает до проведения статических и динамических
испытаний свай. Как быть в этом случае? Результаты лабора-
торного определения прочностных свойств грунтов, полученные
на образцах, отобранных во время инженерно-геологического
обследования данной строительной площадки, по всей видимо-
сти, с таким же успехом могут быть использованы и для уста-
новления коэффициента однородности. Данные сдвиговых или
стабилометрических испытаний следует объединить в отдельные
группы (выборки), характеризующиеся одинаковыми или близ-
кими значениями влажности или плотности. При этом получен-
ные группы нужно рассматривать по глубине толщи горизонта,
в которую забиваются сваи. Анализ производят, пользуясь ме-
тодом математической статистики [35].
Ниже будут приведены общие формулы расчета коэффици-
ента однородности в соответствии с методикой, предложенной
в работе [18]. В этих формулах значения параметра X могут
принимать разные буквенные обозначения, в зависимости от
исходных данных. Последовательность расчета коэффициента
однородности при этом следующая.
1. Вычисляется среднее арифметическое значение признака
X, равное отношению суммы значений признака Хк У всех эле-
ментов тк совокупности к общему числу этих элементов п:
п
k=\
2. Определяются опытные центральные моменты по формуле
ms=4 2 (Хл - X)s, (17)
п k=\
где s= 1, 2, 3, 4 — порядок момента.
104
При s= 1 All=0;
при s = 2 получаем дисперсию Af2, которую в практических
вычислениях удобно находить по формуле
М2 = о2 = —1— Г У тkXl------1 ;
п — 1 k k п
при s = 3
mk^3k _3 Zj mk*k mk^k . 2 (Zj mk^k}3 ,
3 n П2 n3
при s = 4
mk^k __4 mk^k mk^k
। e mk^k (^j mk^kY___ 3 (S mk^kY
n3 n4
(18)
(19)
(20)
3. На основе полученных значений моментов устанавлива-
ется стандарт распределения (среднее квадратичное отклоне-
ние):
о=|Ли2; (21)
коэффициент вариации
коэффициент асимметрии
м
(22)
о3
(23)
4. Определяется коэффициент однородности при условии
Cs>0 по номограммам (рис. 32), построенным в координатах
K=f(Cv) *. Для данного значения Cv на соответствующем гра-
, 2CS
фике отыскивают кривую ---- и на оси ординат читают значе-
ние коэффициента однородности К. При Cs<0 показатель одно-
родности считается неудовлетворительным.
Полученные выше математические зависимости могут быть
использованы для установления закона распределения, отлич-
ного от распределения Пирсона. Как уже говорилось выше,
на практике широкое распространение получил нормальный
закон распределения. Поэтому необходимо уточнить, какие ус-
ловия должны быть выполнены, чтобы можно было воспользо-
* Номограммы (рис. 32) заимствованы из работы [18]. В зависимости от
конкретных обстоятельств в качестве доверительной вероятности принимают
со=0,95; 0,97; 0,99.
105
Рис. 32. Номограммы для определения коэффициента од-
нородности К по статистическим данным при доверитель-
ной вероятности со
ваться богатым арсеналом готовых табличных значений функ-
ций распределения, приводимых в справочной литературе.
Одним из главных условий является равенство нулю выраже-
ний (19) и (20), определяющих моменты соответственно
третьего и четвертого порядков. В действительности такое ра-
венство соблюдается очень редко: обычно появляются некото-
рые отличные от нуля значения. В этом случае приблизитель-
ным условием нормального распределения является удовлетво-
рение следующих неравенств [25]:
и
| Е | < 5
24п (и — 2) (и — 3)
(и +1)2(и + 3)(и + 5) ’
(24)
(25)
где Е — эксцесс распределения, определяемый по формуле
Е=М*-— 3, (26)
а4
здесь п — количество испытаний. Применение этого критерия
оправданно для небольшого количества испытаний (как пра-
вило, не превышающих 20).
Таблица 18
Расчет значения величины РПред Для определения среднего, дисперсии,
асимметрии и эксцесса (по данным А. П. Хамова [30])
к Рк ткРк пгкрк /лк^к 4 ткрк.
1 17,5 1 17,5 306,2 5 359,0 90103
2 19,0 1 19,0 361,0 6 859,0 130-103
3 22,5 1 22,5 506,2 11 390,0 256-1О3
4 25,3 2 50,6 1280,2 32 380,0 820-103
5 31,7 2 63,4 2010,0 63 720,0 2 010-Ю3
6 35,7 2 71,4 2548,0 91 000,0 3 240-Ю3
7 38,0 1 38,0 1444,0 54 870,0 2 074-Ю3
8 41,7 4 166,8 6956,0 290 040,0 12 112 103
9 46,7 2 93,4 4362,0 203 600,0 9 504-Ю3
10 51,0 1 51,0 2601,0 132 100,0 6 760-Ю3
11 51,5 1 57,5 3306,0 190 100,0 10 960 103
Сумма 18 650,1 26 578,6 1081,103 480-1О5
На примере, приведенном в работе [30], можно показать
правомерность использования нормального распределения Пир-
сона для определения коэффициента однородности. В табл. 18
помещены результаты математической обработки опытных зна-
чений предельной нагрузки РПр, полученных при испытаниях
107
18 трубчатых свай диаметром 780/660 мм с грунтовым ядром,
погруженных на глубину 6 м в мягкопластичные супеси. Исполь-
зуя суммы, получившиеся в последней строке таблицы, находим:
по формуле (16)
650^ = 36 2
18
26578,6 —
18
650’12 1 = 181,
по формуле (18)
М, = а2=——
2 18—1
среднее квадратичное отклонение по формуле (21)
о = 13,45.
Коэффициент асимметрии и эксцесс вычисляются по форму-
лам (23) и (26):
1 Г 1081 -103 _ 3-26578,6-650,1 . 2(650,1)3 ~
(13,45)3 L 18 182 + 183
_ 1 Г480-1О5 _ 4-1081-103-650,1
” (13,45)4 [ 18 182
6-26578,6 (650,1)2 _ 3 (650,1)41 _ 3
183 184
В качестве критерия согласия сравним найденные коэффи-
циент асимметрии и эксцесс с теоретическими квадратичными
отклонениями, определяемыми соответственно по (24) и (25):
6(18—1)
(18+ 1) (18 + 3)
0,48;
24-10(18 —2) (18 — 3)
(18+ 1)2(18 + 3) (18+5)
Мы видим, что найденные асимметрия и эксцесс во много
раз превосходят свои средние квадратичные отклонения. По-
этому нужно считать, что изучаемое распределение существенно
отличается от нормального.
Расчет по предлагаемому методу также приводит к неудов-
летворительному показателю однородности, так как величина
коэффициента асимметрии оказалась отрицательной, что ука-
зывает на правостороннюю асимметрию. Коэффициент однород-
ности в этом случае следует вычислять с использованием гамма-
функции Эйлера по специальным таблицам-
Определение несущей способности расчетным методом по
формуле (14) принято в проектной практике, так как указан-
ные выше табл- 16 и 17 и формула введены в СНиП. Поэтому
для получения наилучшей сходимости расчетных и опытных
108
данных следует шире использовать богатый опыт строительных
организаций, накопивших богатый материал по определению
несущей способности свай в самых различных регионах. Со-
ставление таких нормативных таблиц позволит избежать за-
трат, связанных с завышением или занижением несущей спо-
собности свайных фундаментов.
Заслуживает внимания опыт ленинградских строителей, ко-
торые проводят массовую застройку на слабых глинистых грун-
тах и одновременно с проведением испытаний накапливают
материал для составления региональных нормативных таблиц
Таблица 19
Нормативные сопротивления 7?и под нижним концом сваи
Глубина забивки свай от поверх- ности грунта в м Нормативные сопротивления (т/м2) глинистых грунтов консистенции В, равной
0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1
3 115 75 75 70 65 60 60 55
4 135 90 85 80 75 70 70 65
5 145 100 90 85 80 75 75 70
6 150 105 95 85 80 80 75 75
7 155 НО 95 90 85 80 80 75
8 160 115 100 95 90 85 80 80
9 160 115 105 95 90 85 85 85
10 165 120 105 100 95 90 85 85
12 170 125 110 105 100 95 95 90
15 175 130 115 ПО 105 100 100 95
Таблица 20
Нормативные сопротивления по боковой поверхности сваи
Средняя глубина располо- жения слоя грунта в м Нормативные сопротивления fV (т/м2) глинистых грунтов консистенции В, равной
0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2
1 1,0 0,9 0,7 0,6 0,5 0,4 0,4 0,3 0,3 0,2
2 1,9 1,6 1,3 1,1 1,0 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4
3 2,6 2,2 1,8 1,5 1,3 1,1 1,0 0,8 0,7 0,6
4 3,0 2,6 2,2 1,8 1,5 1,3 1,1 0,9 0,8 0,6
5 3,4 2,9 2,4 2,0 1,7 1,5 1,2 1,о 0,8 0,7
6 3,5 3,0 2,4 2,0 1,7 1,5 1,3 1,1 0,9 0,7
7 3,6 3,1 2,5 2,1 1,8 1,5 1,3 1,1 0,9 0,8
8 3,7 3,2 2,5 2,1 1,8 1,6 1,3 1,1 1,0 0,8
9 3,8 3,3 2,6 2,2 1,9 1,6 1,4 1,2 1,0 0,9
10 3,9 3,3 2,6 2,2 1,9 1,7 1,4 1,2 1,1 0,9
12 4,1 3,5 2,7 2,3 2,0 1,7 1,5 1,3 1,2 1,0
15 4,4 3,7 2,8 2,4 2,1 1,9 1,6 1,4 1,3 1,1
109
сопротивления слабых глинистых грунтов, данные по которым
отсутствуют в СНиП. В качестве примера в табл. 19 и 20 даны
нормативные сопротивления грунта основания в плоскости ост-
рия /?н и по боковой поверхности fiH свай, приведенные во Вре-
менных технических указаниях (ВТУ 401—01—388—71).
Таким образом, определение несущей способности расчет-
ным методом, рекомендованное СНиП П-Б.5—67*, может быть
значительно уточнено путем правильного определения коэф-
фициента К в соответствии с вышеуказанной методикой, а также
использования для этих целей специально разработанных тари-
ровочных свай, снабженных тензометрическими датчиками, фик-
сирующими боковое трение и сопротивление ее острия. Улуч-
шение расчетных методов может идти, кроме того, и по пути
создания региональных расчетных таблиц для определения со-
противления острия свай и сил трения по их боковой поверх-
ности.
§ 22. Определение несущей способности висячих свай
методом пробных нагрузок (статические
испытания)
Во всех случаях, когда возникают сомнения в надежности
погруженных свай, их подвергают статическим испытаниям.
Статический метод определения несущей способности сваи со-
стоит в постепенном ее нагружении и измерении соответствую-
щих осадок. Этот метод обеспечивает получение полной харак-
теристики зависимости осадок сваи от любой нагрузки, вплоть
до предельной.
При проведении статических испытаний загружение осу-
ществляется или путем укладки штучных грузов, или при по-
мощи гидравлических домкратов. Применение первого способа
возможно, если передаваемые на испытуемые сваи нагрузки не
превышают 100—200 т. Нагрузка, прикладываемая к голове сваи
возрастающими ступенями, достигает критического значения
при предельном развитии сдвигов грунта в зоне острия после
полной мобилизации сил трения по боковой поверхности сваи.
В этом случае при некоторой постоянной нагрузке Р возникает
прогрессирующее течение грунта, сопровождающееся незатуха-
ющей осадкой сваи, носящей иногда «провальный» характер.
Кривизна графика осадка — нагрузка определяется плотностью
и консистенцией глинистых грунтов, в которых испытываются
сваи.
Проведенная институтом Фундаментпроект [53] систематиза-
ция большого количества статических испытаний свай различ-
ной длины и диаметра в разных грунтовых условиях позволила
выделить пять характерных групп (типов) осредненных кривых
S = f(P), представленных на рис. 33. При испытании свай в плот-
ных суглинках и твердых глинах зависимость S = f(P) имеет
вид весьма пологой кривой Л что в некоторых случаях затруд-
110
няет установление предельного значения нагрузки. Аналогична
ей и кривая //, полученная при испытании свай, погруженных
в тугопластичные глины и твердые супеси при В<0. Отличи-
тельной особенностью работы свай в этих условиях является
минимальная осадка при предельных нагрузках, приближаю-
щихся к допускаемым по материалу сваи.
Кривые ///, IV и V, полученные при погружении свай в гли-
нистые грунты пластичной и мягкопластичной консистенции, от-
личающиеся значением величины В (последняя кривая отно-
сится к сваям, испытанным в суглинках и глинах, находящихся
в текучепластичном состоянии при В>0,75); эти кривые имеют
большую крутизну, указываю-
щую на значительное развитие
осадок при сравнительно не-
больших нагрузках.
При обработке полученных
экспериментальных кривых
S = f(P) и S = f(t) большие за-
труднения возникают при ус-
тановлении предельного сопро-
тивления свай. В настоящее
время существует много раз-
личных рекомендаций по опре-
делению предельного сопро-
тивления свай, которые хоро-
шо освещены в работе [53].
Институт Фундаментпроект
предлагает для обработки ре-
зультатов испытаний одиноч-
ных свай при загружении их
нагрузкой до 200 т принимать: масштаб графика S = f(P) —по
оси абсцисс в 1 см — 5 т нагрузки, по оси ординат в 1 см —
1 мм осадки; масштаб графика S = f(t)—по оси абсцисс
в 1 см — 5 мин, а по оси ординат в 1 см — 1 мм осадки. Пре-
дельные и расчетные сопротивления определяются в зависи-
мости от типа кривых S = f(P), приведенных на рис. 33.
В случае отсутствия на кривой S = f(P) (I тип) резкого
перелома, т. е. при сохранении почти прямолинейной зависимо-
сти между осадкой и нагрузкой, расчетная нагрузка принима-
ется равной предельной, умноженной на коэффициент однород-
ности грунта /С=0,7, если максимальная нагрузка при испыта-
нии Рмакс равна полуторной расчетной (предельной), или на
коэффициент /С=0,8, если РМакс больше предельной. Когда же
максимальная нагрузка меньше полуторной расчетной, испы-
тание повторяют.
Для кривой II типа предельной будет нагрузка в точке пере-
лома, когда осадки резко и непрерывно увеличиваются без при-
ложения дополнительной нагрузки, а наклон кривой приближа-
Рис. 33. Графики осадка — нагрузка
S=f(P) по данным испытаний свай
в различных грунтах
/ — суглинки и глина в твердом состоя-
нии (В<0); II— глины в тугопластичном
состоянии, супеси в твердом состоянии
(В<0); III — супеси в пластичном состоя-
нии; IV — супеси пластичные, суглинки
в тугопластичном состоянии; V — суглинки
(В>0,75)
111
ется к вертикали. Расчетная нагрузка условно принимается при
осадке 20 мм для зданий, малочувствительных к неравномер-
ным осадкам (каменных и др.), и при осадке 10 мм для зданий,
обладающих высокой чувствительностью (крупнопанельных
и др.). Расчетная нагрузка равняется предельной, умноженной
на ^=0,7 для кривой III типа и на К=0,6 для кривых IV и
V типов.
В результате проведения трудоемких и дорогостоящих испы-
таний свай статическими нагрузками собирается большой ин-
формационный материал, который, к сожалению, далеко не пол-
ностью используется в расчетной практике. В первую очередь
это относится к методике расчета деформаций сваи во времени.
Объясняется это, по всей видимости, отсутствием методов, по-
зволяющих определять необходимые расчетные параметры дли-
тельной прочности свай. Тем не менее необходимость в таких
расчетах имеется, поэтому можно использовать для прогнози-
рования длительных осадок и длительной прочности свайных
фундаментов аппарат теории ползучести [40, 41].
Создание реологической модели свайного фундамента поз-
волит выполнять расчеты свай с учетом любого характера при-
кладываемых нагрузок: длительно действующих статических
или мгновенно действующих динамических. Целесообразность
этого подтверждается еще и тем, что для определения дефор-
маций свай в настоящее время применяется модель расчета по
теории линейно деформируемого полупространства, которая не
учитывает вязкопластических свойств глинистых грунтов, обус-
ловливающих зависимости возможных деформаций грунтов не
только от величины действующих нагрузок, но и от времени их
действия.
Чтобы правильно оценить поведение сваи в результате
осадки от приложенной статической нагрузки в течение времени
и иметь возможность использовать полученные результаты
в других аналогичных условиях, необходимо смоделировать ос-
новные деформативные процессы, происходящие со сваями, по-
груженными в глинистые грунты.
Аналитическое выражение указанной модели может быть
представлено следующей функциональной зависимостью:
S = S(P, Р, S, О, (27)
где S — осадка;
Р — нагрузка;
Р — скорость нагружения;
S — скорость осадки;
t — время.
Полученное дифференциальное уравнение окажется справед-
ливым как для случая испытания в момент времени /, так и
для любого другого вида нагружения данной сваи в течение
времени fi.
112
Рис. 34. Реологическая
модель спаи
^к, п ~~ УпРУгий элемент;
/<к, п — вязкий элемент;
Тк>п — элемент трения
Для составления дифференциального уравнения, описываю-
щего общий характер осадки во времени, будет ли она носить
затухающий или, наоборот, прогрессирующий характер, необ-
ходимо составить реологическую модель сваи [40]. Модель вклю-
чает четыре элемента, соединенные последовательно и парал-
лельно, как показано на рис. 34.
В процессе испытания и во время последующей работы сваи
в грунте происходят упругие, полностью и практически мгно-
венно восстанавливающиеся деформации, которые отобража-
ются элементом £1,1, представляющим первую часть модели.
Работа этого элемента наиболее четко проявляется при испы-
тании сваи, погруженной в твердые и
тугопластичные глины и суглинки, и со-
ответствует случаю, указанному на рис.
33 (кривые 1 и II).
Вторая часть модели состоит из двух
идеально упругих элементов и одного
элемента сухого трения. В момент прило-
жения нагрузки элемент £2д полностью
воспринимает внешнее давление. В слу-
чае возможного разгружения сваи в ра-
боту вступает второй упругий элемент
£2,2, который препятствует полному вос-
становлению деформации сваи и, следо-
вательно, совместно с первым элементом
характеризует возникшие остаточные де-
формации. Последующее увеличение на-
грузки вызывает дополнительное увели-
чение напряжения по боковой поверхно-
сти сваи, которое приводит к сдвигу, при
этом в работу включается уже элемент сухого трения Г2,з. Проис-
шедший сдвиг в результате увеличения напряжения до предель-
ного состояния и превышения последнего вызывает в элементах
£2,1 и Е2}2 увеличение осадки всей сваи. Происходит серия микро-
срывов, наблюдающихся при последовательном нагружении сваи
внешними нагрузками.
Применение методики последовательного нагружения и раз-
гружения сваи при одной ступени нагрузки позволит значи-
тельно уменьшить или почти полностью исключить нарастание
остаточной деформации. Однако такой вид испытания чрезвы-
чайно растянут во времени, что не всегда желательно на прак-
тике. Более удобной является методика испытания, осуществ-
ляемая с постоянной скоростью нагружения (Р = const) или
с постоянной скоростью деформации (S = const).
Третья часть модели состоит из элемента сухого трения
Тзл и параллельно работающего нелинейного элемента Макс-
велла (£3,3—Кз.з). Деформации и напряжения, отображаемые
ими, характеризуют реологические свойства глинистых грунтов,
113
окружающих сваи. При испытании свай в глинистых грунтах
трудно достигнуть полного затухания деформации, что, собст-
венно, и описывает последовательно соединенный элемент Ез.з—
Кз,з- Пластические свойства грунтов определяются параметром
Кз,з. В действительности это интегральный коэффициент, вклю-
чающий как составную часть параметры пластичности и ре-
лаксации. Нагрузка, передаваемая на сваю, вызывает в этой
части модели сдвиг в элементе Тзд, который уравновешивается
пластическими деформациями вязко-упругого элемента. Нели-
нейный характер графика осадка — нагрузка описывается ма-
тематическим выражением для третьей части модели, в котором
параметры сил трения и пластичности могут быть выражены
следующим образом [64]:
ае
-bS
К = gS~h,
(28)
(29)
здесь a, b, с, d, f, g, h — постоянные, получаемые при интегри-
ровании дифференциального уравнения, составленного для эле-
мента в виде:
(S-Snp) \ + Nexp(-bS)-
— Q exp (— dS) + f;
M =
ab'exp (—6Snp) cd exp (—dSnp) .
E — b'SK E — dSK ’
(30)
aE . /n___ CE
E— bSK ’ ~ E — dSK ’
где Snp — предельная осадка, полученная по графику и соответ-
ствующая предельной нагрузке для данной сваи.
Работа третьего элемента характеризует также явления, про-
исходящие в предельном состоянии, т. е. после потери сваей
несущей способности. Поэтому в некоторых случаях для опреде-
ления предельной нагрузки можно использовать дифференци-
альные уравнения (30).
Однако описание приведенной модели не будет полным, если
мы не укажем элемент /<4,1, с помощью которого учитывается
эффект нарастания прочности грунта в течение «отдыха». Этот
элемент введен параллельно элементам 2 и 3; значения его па-
раметров устанавливаются путем сравнения нескольких после-
довательных испытаний сваи статической нагрузкой в течение
времени 6, где 0, 1, 2..., k — сутки, прошедшие
после погружения пробной сваи, испытанной в течение установ-
ленного срока «отдыха» k для данного вида глинистого грунта.
Деформация сваи, характеризуемая элементом Ка.ь должна
приниматься со знаком минус, так как упрочнение глинистого
114
грунта в течение времени способствует общему снижению
осадки. При проведении испытания сваи после окончания срока
«отдыха» параметр вязкости элемента можно принимать
равным нулю.
В связи со сказанным естественно возникает вопрос о мето-
дике проведения испытания свай в целях получения всех ин-
тересующих нас параметров. Выше отмечалось, что существую-
щая стандартная методика последовательного нагружения
ступенями не отвечает полностью всем требованиям, поставлен-
ным реологическими моделями. Правда, в этом случае общее
уравнение деформации можно получить в наиболее простом
виде, а именно:
S = Si -f- S2 4- S3, (31)
где
Для определения осадки S3 необходимо решить дифференци-
альное уравнение [70]:
^3,3
(32)
Коэффициент упругой вязкости Кз,з можно найти из урав-
нения, полученного после преобразования выражения [70],
Кз,з —
(P-T3A)ES
г dP
Е-----
dS
(33)
где
dS /
при
S = Snp.
В силу наших предположений о затухающем характере де-
формаций сваи необходимо также установить функцию затуха-
ния вязкого элемента, полученного X. Шафнером [70] в виде
(29). В этом выражении h и g — постоянные параметры, опре-
деляемые по логарифмическому графику
logS = log К (S). (34)
Граничные значения h=0 (ньютоновская жидкость), gh=\
принимаются для сыпучих тел. Для глинистых грунтов, облада-
ющих структурной вязкостью, в этом выражении величина бу-
дет соответственно находиться в пределах 0<Л<1. Для твер-
дых и тугопластичных глинистых грунтов по данным [70] h =
= 0,74-0,9.
115
Уравнение (32) следует рассматривать как математическую
модель сложных физико-химических процессов, протекающих
в глинистых грунтах вокруг свай в условиях их эксплуатации.
Подобие, устанавливаемое этим выражением, может быть ис-
пользовано для прогнозирования осадки сваи, происходящей
в течение длительного промежутка времени со скоростью зна-
чительно меньшей, чем скорость осадки пробной сваи в этом
же грунте.
Очень приблизительно осадку сваи во времени можно опре-
делить по формуле, предложенной А. П. Хамовым [30]:
где S/ — осадка за время /;
So — осадка за время / = /0;
/о — время выдержки стабилизированной осадки, харак-
терное для данного грунта при данной ступени на-
грузки;
а—безразмерный коэффициент, принимаемый ориентиро-
вочно для глинистых грунтов в пределах 0,2—0,3.
Целесообразно выбранная реологическая модель позволит
на основании экспресс-испытания делать заключения о дефор-
мации сваи независимо от скорости прикладываемой на-
грузки — медленной статической или мгновенной переменной.
Вопрос заключается. в том, какую методику принять для
испытания свай, погруженных в глинистые грунты. В последние
годы в практике испытаний некоторыми строительными орга-
низациями применяется методика, основанная на постоянной
скорости вдавливания S = const (особенно широко она исполь-
зуется при статическом зондировании грунтов).
Некоторым ее видоизменением по отношению к сваям явля-
ется методика, которую условно можно назвать испытанием
повторно возрастающей нагрузкой с постоянной скоростью де-
формации. Нагрузка прикладывается ступенями с последующей
разгрузкой после каждой ступени. Вдавливание происходит
с постоянной для данной ступени скоростью. После разгрузки и
стабилизации упругой деформации вновь прикладывается сня-
тая нагрузка, т. е. производится повторное нагружение. Про-
цесс желательно еще раз повторить. После стабилизации де-
формации при втором (третьем) цикле нагружения нагрузка
увеличивается до следующей ступени и т. д. Примерный график
зависимости осадка — нагрузка показан на рис. 35.
Другой методикой испытания свай является выдерживание
постоянной скорости нагружения Р = const. В этом случае на-
грузка при первом нагружении доводится до предельной или
до заранее заданного значения. После стабилизации деформа-
ции нагрузка снимается. Следующие циклы нагружения начи-
наются после стабилизации восстановившейся деформации.
116
Примерный график зависимости осадка — нагрузка изображен
на рис. 36.
В § 21 говорилось о раздельном определении несущей спо-
собности сваи по боковой поверхности и под ее нижним кон-
цом, которые используются для расчета ее несущей способно-
сти. Такое определение можно произвести, пользуясь резуль-
татами статических испытаний свай, способами Ван Вила [66],
Лапшина [22] или Главленинградстроя [49].
В способе Ван Вила принята гипотеза о.прямой пропорцио-
нальности между нагрузкой, площадью боковой поверхности и
основанием сваи. Как отмечается в работе [22], эта зависи-
мость, широко используемая в зарубежной практике, плохо под-
Нагрузка Р,т
Рис. 35. График испытания сваи по-
вторно возрастающей нагрузкой
испытания
повторной нагрузкой
Рис. 36. График
сваи
тверждается при испытаниях специально изготовленных тензо-
метрических свай.
В способе Лапшина предполагается одновременное вступ-
ление в работу боковой поверхности и острия сваи. Силы тре-
ния по боковой поверхности будут проявляться до тех пор, пока
не произойдет определенная осадка 50, характерная для дан-
ного вида грунта. В результате обработки графиков статиче-
ских испытаний свай после месячного отдыха, проведенных
Б. И. Далматовым и Ф. К. Лапшиным, были получены значения
предельных сдвигов осадок So свай для различных грунтов
г. Ленинграда, которые приведены в табл. 21 [49].
В показанном на рис. 37 случае эта осадка равняется или
не превосходит 1 см. поэтому, отбросив начальный участок кри-
вых, оставшиеся кривые аппроксимируют функцией S~aPb. ко-
торая характеризует работу острия сваи (жирная линия).
После этого определяют сопротивление грунта по боковой по-
верхности как разность общего сопротивления и сопротивления
острия сваи (рис. 37, б). Параметры а и b находят методом
математической статистики, при обработке осредненных кри-
вых, изображенных на рис. 37, а.
117
Для разделения сопротивления свай по способу Главленин-
градстроя требуется построить кривую упругой осадки сваи в
зависимости от нагрузки. При этом предполагается, что после
выхода из работы боковой поверхности упругие осадки возрас-
тают пропорционально увеличению нагрузок. На оси нагрузок
Р точка раздела сопротивления свай находится путем продол-
жения участка пропорциональности кривой до пересечения
с этой осью. Результаты разделения, полученные по методу
Нагрузка Р, т
Рис. 37. Определение раздельной
несущей способности сваи по
Ф. К. Лапшину [22]
а — построение кривой работы острия
сваи; б — разделение несущей способно-
сти сваи: 1 — кривая работы боковой по-
верхности сваи; 2—кривая работы ост-
рия сваи; 3—кривая статического испы-
тания сваи
Лапшина и Главленинградстроя, хорошо совпадают между со-
бой [49].
Раздельное определение сопротивления грунта по боковой
поверхности и на уровне острия может быть получено также и
Т а б л и ц а 21
Значение предельных сдвиговых осадок
Наименование грунта
Предельная сдвиговая
осадка So в мм
Супесь легкая пылеватая с гнездами песка, средней
плотности ........................................
Супесь легкая пылеватая, насыщенная водой, сред-
ней плотности ............... .................
Супесь пылеватая с растительными остатками, мягко-
пластичная .......................................
Суглинок тугопластичный..........................
» пылеватый с гравием, мягкопластичный
(морена) ......................................
Суглинок пылеватый слоистый, мягкопластичный . .
» » ленточный, мягкопластичный . .
Глина пылеватая ленточная, тугопластичная .......
» » » , мягкопластичная . . . .
3
5
7
8
10
15
18
22
25
118
непосредственно из опыта путем испытания специальной тен-
зометрической сван по методике, разработанной в Ленморнии-
проекте [20].
Подводя итог, можно сказать, что статическое испытание
свай остается пока единственным объективным источником на-
ших сведений о поведении свай под нагрузкой и их предельной
несущей способности. Получаемые при этом результаты оказы-
ваются в достаточной степени исчерпывающими и вполне до-
статочными для составления проекта свайных фундаментов.
Успехи, достигнутые в этом направлении, позволяют перейти
к следующему этапу методики испытаний в целях проведения
исследований длительной работы свай под нагрузкой и полу-
чения для расчетов необходимых показателей длительной проч-
ности грунтов, связанных с тиксотропным упрочнением и пол-
зучестью последних. Единственно возможным для изучения тик-
сотропного упрочнения глинистых грунтов вокруг сваи до сих
пор считается статический метод испытания.
Снижение трудоемкости при проведении подобного рода ис-
пытаний должно идти как по пути создания специальных стан-
дартных установок по примеру установок для статического
зондирования, так и по пути дальнейшего исследования резуль-
татов статического зондирования с последующим переносом по-
лученных закономерностей на сваи. Имеющиеся в настоящее
время по этому вопросу данные пока что могут лишь служить
отправными пунктами при изучении поведения свай в глинис-
тых грунтах.
При этом необходимо еще раз отметить важность проведе-
ния статических испытаний пробных свай в «предпроектный»
период, т. е. до составления рабочих чертежей. Только в этом
случае можно гарантировать исключение необходимости внесе-
ния коррективов в рабочие чертежи в период забивки свайного
поля или после контрольной проверки в период приемки выпол-
ненных работ.
Подчеркивая преимущества статического метода, не следует
забывать, что он по сравнению с другими методами (динами-
ческим и зондированием) отличается большой трудоемкостью,
большой продолжительностью испытаний и значительными за-
тратами денежных и материальных ресурсов.
§ 23. Динамический способ определения несущей
способности свай
В условиях массового строительства основным средством
контроля несущей способности свай является динамический ме-
тод испытания. Основные положения этого метода были изло-
жены Герсевановым в 1932 г. [6]. Метод основан на связи, су-
ществующей между энергией удара молота и величиной погру-
жения сваи в грунт. Энергия удара молота расходуется главным
119
образом на преодоление сопротивления грунта погружению
сваи, а также на упругие деформации молота и сваи и неиз-
бежные остаточные деформации.
Несущая способность забивных свай в соответствии с реко-
мендацией СНиП П-Б.5—67* определяется по формуле:
Р = Кт —
QH
е
(36)
где К—коэффициент однородности грунта;
т — коэффициент условий работы;
F— площадь поперечного сечения нетто в ж2;
п — коэффициент, зависящий от материала сваи и способа
забивки: для железобетонных свай квадратного сече-
ния, сплошных и с круглой полостью, а также для
полых свай круглого сечения с наконечником при за-
бивке с наголовником п= 150 т/м2\
Q — вес ударной части молота в т;
q — вес сваи и наголовника без учета коэффициента пере-
грузки в т;
е — отказ, погружение сваи от одного удара в см\
Н—расчетная высота падения ударной части молота в см.
Как видно из формулы (36), величина сопротивления сваи
не зависит от физико-механических свойств грунтов, пробивае-
мых ею. Однако в гл. I—III, на наш взгляд, убедительно по-
казано, что физико-механические и физико-химические про-
цессы, происходящие в глинистых грунтах при погружении свай,
существенным образом влияют на их несущую способность и,
следовательно, они должны учитываться при проведении по-
добного рода испытаний.
Определение предельного сопротивления одиночной сваи ди-
намическим методом дает менее точные результаты по сравне-
нию с испытанием статической нагрузкой. Анализируя причины
такого расхождения, Тикунов [52] отмечает, что точность дина-
мического метода в значительной степени зависит от качества
применяемых для расчета формул, т. е. правильности гипотез,
положенных в основу их вывода, а также степени учета в них
реальных условий, т. е. тех условий, в которых производится
бойка свай, и от способа замера отказа.
Таким образом, уточнение и совершенствование динамиче-
ского метода может быть достигнуто путем учета различных
факторов, до настоящего времени не принимаемых во внима-
ние.
Надежность получаемых результатов в значительной степени
определяется правильностью применения коэффициента и, ко-
торый в формуле Герсеванова зависит от условий забивки (ма-
териала сваи, конструкции наголовника, свойств грунтов и дру-
гих факторов) и находится из опыта путем сопоставления
120
сопротивления сваи, вычисленного по формуле, с величиной пре-
дельного сопротивления, устанавливаемого по результатам ис-
пытания сваи статической нагрузкой.
Однако разные авторы приводят различные значения коэф-
фициента и, которые колеблются в пределах от 50 до 900 т/м2.
Следовательно, необходимо внимательно рассмотреть возмож-
ные границы изменения переходного коэффициента п с учетом
«отдыха» сваи. Лучше всего для этих целей в одни и те же
сроки параллельно провести статические и динамические испы-
тания, позволяющие достаточно точно определить коэффициент
и, а далее с помощью этого коэффициента осуществить конт-
роль за несущей способностью погружаемых свай на данной
строительной площадке. К сожалению, подобные эксперименты
весьма трудоемки, поэтому нет возможности оценить кинетику
изменения коэффициента п. В этом отношении заслуживает
внимания применение комбинированного метода * испытаний
свай, проводимых по единой унифицированной методике.
Опыт Гидроспецфундаментстроя, треста № 101 Главленин-
градстроя и треста № 3 Мосфундаментстроя Главмосстроя по-
зволяет в настоящее время получить величину несущей спо-
собности сваи, определенную динамическим испытанием, отли-
чающуюся на 5—8% от той же величины, но определенной
статическим испытанием [49]. Однако такая методика приме-
нима лишь в случае достаточно большого объема статических
и динамических испытаний, которые проводятся одной органи-
зацией.
Как показано некоторыми исследователями [49], динамиче-
ский метод определения сопротивления свай дает хорошее сов-
падение с результатами статических испытаний, если:
1) учитываются упругие деформаци грунта и сваи;
2) выдерживается необходимый «отдых» или при недоста-
точном «отдыхе» учитывается упрочнение грунтов около свай;
3) остаточный «отказ» получается не менее 5 мм.
Формула (36) оказывается очень удобной для определения
несущей способности свай в процессе погружения. Поэтому
в последнее время некоторые исследователи попытались улуч-
шить существующую зависимость путем изменения значений ве-
личин п и F, входящих в формулу Герсеванова [52, 54].
При выводе формулы Герсеванов предполагал, что доля по-
лезной работы удара молота, которая затрачивается на погру-
жение и упругую деформацию сваи и оценивается условным
коэффициентом Ь, находится в зависимости от сопротивления
сваи Р и площади поперечного сечения F:
ь = ф (у-) , (37)
* Метод предложен лабораторией испытания конструкций и сооружений
треста Ленинградоргстрой.
121
следовательно, забитая свая воспринимает нагрузку в основ-
ном за счет работы острия свай.
Проведение специальных полевых испытаний позволило Ти-
кунову [52] дать несколько иную трактовку коэффициенту (37)
и принять его в виде функции, зависящей от отношения сопро-
тивления сваи Р к боковой поверхности S погружаемой в грунт
части длины сваи, т. е.
(38)
Однако Ю. Г. Чернышев [68] показал, что такое предполо-
жение не отражает полностью истинного характера явления,
так как учитывает сопротивление грунта только по боковой
поверхности. Между тем предельная нагрузка на сваю обуслов-
лена совместной работой грунта, окружающего сваю, и грунта,
находящегося под ее нижним концом. Поэтому он предложил
коэффициент b принимать в виде функции отношения предель-
ного сопротивления Р к некоторой приведенной поверхности
Fnp, учитывающей влияние как нижнего конца сваи, так и бо-
ковой поверхности, т. е.
b = ср
(39)
Определение Несущей способности свай при этом следует
производить по уточненной формуле Герсеванова, имеющей
следующий вид:
~Т~ _ 1 1 (40)
anF е h — + <7
2
где а — коэффициент, зависящий от относительного заглубле-
I
ния сваи — и принимаемый:
для забивных квадратных свай со стороной а
а = 0,35 + 0,025 — ;
а
(41)
для трубчатых свай
а = 0,70 + 0,1 —
d
(42)
здесь с — упругая часть отказа.
На современном этапе исследований средние значения вели-
чины коэффициента п можно принимать в соответствии с табл.
22, составленной авторами для глинистых грунтов различной
консистенции по литературным источникам. Следует огово-
риться, что эти данные требуют уточнения и могут служить
122
лишь ориентиром для дифференцированного пользования ди-
намической формулой.
Таблица 22
Изменения коэффициента п в зависимости
от консистенции глинистых грунтов
Консистенция грунтов Величина коэффициента п
(т/м2) для
глинистых грунтов суглинков
Твердые 150 - -
Полутвердые 200 —
Тугопластичные . . 200 —
Мягкопластичные 780 240
Текучепластичные 900 300
Вполне естественно возникает вопрос, насколько необходим
учет величины упругой части отказа с в динамической формуле.
Результаты опытных исследований [23] показывают, что с уве-
личением сопротивления сваи остаточная часть отказа умень-
шается, а упругая — увеличивается. Поэтому следует учиты-
вать упругую часть отказа в твердых и полутвердых глинах
и суглинках. В мягкопластичных и пластичных глинах, когда
сопротивление сваи мало, а остаточная часть по сравнению
с упругой велика, упругой частью можно пренебречь. Согласно
рекомендациям [23], при определении несущей способности сваи
с учетом упругой части отказа величину с нужно принимать
более 10% от е.
Для измерения в натуре полного отказа е, т. е. отказа с уче-
том упругих деформаций, используют приборы — отказомеры
различных систем. В качестве отказомера удобно применять
виброграф ВР-1, снабженный рычажным устройством, позволя-
ющим записывать отказы в случае необходимости с уменьше-
нием в 2—3 раза [56]. Однако в силу некоторых причин отказо-
меры еще не получили широкого распространения. Как пока-
зано в работах [24, 48], упругие деформации при забивке свай
можно определять, пользуясь результатами остаточных отказов
и без применения специальных устройств по формуле
2(12Н1 — 11Н2)
Нг-Н. ’
где Hi и Н2—высоты падения подвесного молота; /1
остаточные отказы от ударов молота соответственно с
Н{ и Н2.
Рекомендуется следующий порядок проведения динамиче-
ских испытаний свай подвесным молотом.
(43)
и I2 —
высот
123
1. Производят удар с высоты Н (/71 </7</У2). Отказ от
первого удара не учитывают, так как при этом происходит
сжатие прокладок и наголовника.
2. Производят 4 удара — один с высоты //2, два с /71 и снова
один с Н2. Высота падения молота Н2 должна быть больше Hi
в 2 раза.
3. Находят средние остаточные отказы от ударов молота
с каждой высоты и по формуле (43) определяют упругую часть
отказа. Для получения удовлетворительных результатов необ-
ходимо, чтобы остаточные отказы были не менее 5 мм.
При выполнении всех указанных условий (учет упругой
части отказа, точное определение параметров сваебойного обо-
рудования и др.) формулы (36) и (40) дают возможность оп-
ределить несущую способность свай с точностью, удовлетворя-
ющей практику. Проводя динамические испытания, следует об-
ращать особое внимание также на соблюдение постоянства
скорости удара, которое достигается путем сбрасывания под-
весного молота с высоты 1,2—1,8 м при отношении веса удар-
ной части подвесного молота к весу сваи 1,6—1,2 [48].
Описанное выше относилось к определению несущей способ-
ности свай е помощью испытания их молотами подвесными и
одиночного действия. Однако на стройках широкое распростра-
нение получило и другое сваебойное оборудование, также при-
меняемое для испытания свай. К нему относятся, например,
все виды дизель-молотов, парк которых с каждым годом расши-
ряется.
В связи с этим рассмотрим изменения, которые произойдут
с формулой (36), если мы будем пользоваться ею при испытании
подобного рода механизмами. Опытные результаты [30] пока-
зали, что входящая в формулу (36) величина энергии удара
дизель-молота есть величина переменная, зависящая от высоты
подъема ударной части, которая, в свою очередь, является также
величиной переменной, определяемой режимом подачи топлива
в камеру сгорания и изменением сопротивления грунта при по-
гружении. Сложность, возникающая при обработке полученных
результатов испытаний, несомненна, если учесть, что необходимо
тщательно производить фиксацию отказов, а их расшифровка
также представляет значительные трудности. В этом отношении
весьма эффективным оказалось предложение А. А. Ободов-
ского [48]. Сущность этого предложения заключается в прове-
дении испытаний «холодным» дизель-молотом, т. е. холостыми
ударами с последующим определением несущей способности
сваи по формуле (36), в которой величина QH заменяется раз-
ностью между фактической Н и «потерянной» /7П высотами па-
дения ударной части молота.
«Потерянная» высота определяется из выражения
нп = ; (44)
п
124
здесь работа сжатия Эс подсчитывается по формуле политропи-
ческого сжатия [48]:
эс =
РдУд
tlt — 1
О
где ра — начальное давление воздуха в ци-
линдре, равное 1,05 кГ/см\
va =-----ип и vn =--------начальный и рабочий объемы ци-
8—1 4 линдра;
D — диаметр цилиндра;
h — рабочий ход цилиндра (поршня);
е — расчетная степень сжатия;
Mi — показатель политропы сжатия, рав-
ный 1,37.
Если дизель-молоты имеют переменную степень сжатия, не-
обходимые сравнительные испытания следует проводить моло-
тами одиночного действия или дизель-молотами, после чего оп-
ределять потери, возникающие в механизме.
При проведении динамических испытаний для выявления
увеличения несущей способности свай в течение времени не-
обходимо выбирать те из них, у которых верхние части не по-
вреждены при забивке, так как очень важно получать отказы
от первых ударов молота. Испытание осуществляется тремя-
четырьмя ударами молота с обязательной фиксацией упругой
и остаточной частей осадки.
Следовательно, объективная величина несущей способности
свай, определяемая по динамической формуле, связана с целым
рядом факторов, которые должны приниматься во внимание. Во-
первых, надо дифференцированно вычислять значение коэффи-
циента п в зависимости от консистенции глинистого грунта; во-
вторых, в указанных выше случаях находить с помощью отка-
зомеров упругую часть отказов; в-третьих, точно определять
характеристики сваебойного оборудования, добиваясь макси-
мального соответствия режимов работы параметрам, указанным
в паспорте агрегата при проведении испытаний.
Динамический способ проведения опытных исследований ки-
нетики увеличения несущей способности свай во времени сле-
дует считать не совсем удовлетворительным, так как сопровож-
дающая испытание динамика удара молота приводит к наруше-
нию целостности окружающего сваю грунта и разрушению
образовавшихся структурных связей, последующее восстанов-
ление которых не всегда возможно и целиком определяется его
тиксотропными свойствами.
В условиях строительной площадки при массовом погруже-
нии сваи с помощью забивки возможно применение данного ме-
тода в качестве контрольного для последующей корректировки
расчетных отказов, замеряемых при погружении свай.
125
§ 24. Определение сопротивления свай
с помощью зондирования
Устройство свайных фундаментов требует новых прогрес-
сивных методов инженерных изысканий, позволяющих обосно-
ванно выбирать расчетные характеристики грунтов для их про-
ектирования. Одним из таких методов является зондирование*
(пенетрация) грунтов, моделирующее работу свай в грунте ес-
тественного сложения.
При определении сопротивления сваи вертикальной нагрузке
наиболее достоверным считается испытание погруженных в грунт
зондов статической нагрузкой, прикладываемой ступенями, ана-
логично испытанию пробных свай. В СНиП П-Б.5—67* под ста-
тическим зондированием понимается погружение конического
зонда диаметром 36 мм с углом при вершине 60° в грунт с по-
стоянной скоростью не более 0,5м/мин. Конструктивное устрой-
ство зонда позволяет раздельно определять величины лобового
и общего сопротивления грунта. Боковое сопротивление грунта
вычисляется как разность между общим и лобовым. По этому
принципу сконструированы и изготовлены зондировочные уста-
новки БашНиистроя (С-832), Фундаментпроекта (в серийном
производстве С-979), НИИОПСа и др. [48, 68].
Известны многочисленные предложения, рекомендующие
определять несущую способность свай по результатам статиче-
ского зондирования. Однако ввиду отсутствия опытных испыта-
ний в некоторых разновидностях грунтов расчетное сопротивле-
ние свай, найденное по данным статического зондирования, зна-
чительно отличается от фактической несущей способности свай.
В настоящее время расчетное сопротивление сваи по данным
статического зондирования вычисляется по формуле (14), в ко-
торой значения удельного лобового сопротивления RH и удель-
ного трения fH соответственно принимаются:
Ян = Aq\ (46)
Г = Df36, (47)
где А и D — переходные коэффициенты;
q— среднее значение сопротивления грунта прониканию
зонда, полученное из опыта на участке, расположенном в пре-
делах одного d выше и 4 d ниже отметки острия проектируемой
сваи (d — поперечный размер сваи), в кГ/см?^
* Под зондированием (пенетрацией) понимается полевой метод исследо-
вания песчаных и глинистых грунтов в инженерно-геологических целях, за-
ключающийся в непрерывной регистрации изменений сопротивления внедре
нию с глубиной при ударном или статическом способах погружения кониче-
ского зонда.
J26
fce — удельное статическое сопротивление боковой поверхно-
сти зонда * диаметром 36 мм. Значения коэффициентов А и D
зависят от консистенции глинистых грунтов и для разных се-
чений свай будут различными. В первом приближении они мо-
гут быть приняты в соответствии с табл. 23, составленной авто-
ром по литературным источникам. Однако приводимые значе-
ния переходных коэффициентов не окончательные и должны
быть уточнены в процессе накопления опытных данных**.
Таблица 23
Значения предельных коэффициентов А и D в зависимости
от консистенции В
Коэффициенты Поперечное сечение свай в см
20 X 20 30 X 30 40 X 40
Показатель консистенции В
0—0,5 0,5—0,75 0—0,5 0,5—0,75 0—0,5 0,5—0,75
А D 1,75 0,62 2,10 0,70 1,35 0,58 2,00 0,90 0,70 0,50 2,00 1,10
Некоторые авторы считают, что одной из главных причин
расхождений результатов расчета несущей способности по дан-
ным зондирования и испытаний свай является неправильный ме-
тод оценки бокового сопротивления свай. Это обстоятельство
привело к появлению 3-компонентной схемы расчета, предложен-
ной В. Д. Фаерштейном [48]. Однако с выдвинутыми им обос-
нованиями нельзя согласиться, ибо тогда придется признать
появление больших растягивающих напряжений в грунте в об-
ласти, расположенной выше острия сваи, что невозможно.
Имеются и другие предложения, но они носят большей
частью эмпирический и умозрительный характер и приводят
к улучшению сходимости результатов в каждом частном слу-
чае. Все эти соображения должны быть тщательно изучены при
исследованиях в полевых условиях и обобщены.
Остановимся на возможности применения ударного зонди-
рования в глинистых грунтах. Известно, что для глинистых
грунтов рекомендуется использовать только статическое зонди-
рование. Такое ограничение области применения ударного зонди-
рования не является обоснованным. Динамическое зондирование
можно использовать для инженерно-геологических исследова-
ний глинистых грунтов в той же мере, как и статическое. На-
* Для определения сил трения по боковой поверхности в некоторых уста-
новках конический зонд соединяется со штангой через короткую вставку, име-
ющую диаметр, равный диаметру зонда.
** СНиП П-Б.5—67* рекомендует в формуле (46) принимать значение
А = 05.
127
пример, для проектирования свайных оснований сооружений
Новосибирской ТЭЦ-4, площадка которой сложена мощной тол-
щей глинистых грунтов, прочность этих грунтов была исследо-
вана способом ударного зондирования*. Одновременно на спе-
циально выбранном опытном участке проводились динами-
ческие и статические испытания свай, результаты которых
сопоставлялись с данными зондирования [54].
Таблица 24
Результаты испытания свай динамическими и статическими нагрузками
в сопоставлении с данными динамического зондирования
Расчетная формула и метод испытания Предельная нагрузка на сваи в т
35 X 35 см, 1 = 8 м 30 X 30 см, / = 10 м 35 X 35 см, Z = 12 м 35 X 35 см, 1 = 16 м
СНиП П-Б.5 — 62 (формула 2) . . . СНиП П-Б.5 — 62 (формула 5) ди- намические испытания после от- 14,0 14,3 20,0 26,0
дыха 7—30 суток 38,0 36,4 69,3 134,0
Статические испытания Ударное зондирование по формуле 36,5 40,0 59,5 115,0
В. А. Дуранте То же, по формуле Г. К. Бонда- 38,5 33,0 62,0 137,0
рика 39,0 35,0 60,0 136,0
Результаты этих испытаний в сопоставлении с данными ди-
намического зондирования приведены в табл. 24. Из таблицы
видно хорошее совпадение величин РПр, определенных по удель-
ным сопротивлениям /?уд, рассчитанным по формулам В. А. Ду-
ранте и Г. К. Бондарика. Сходимость результатов можно значи-
тельно повысить, если при определении удельного сопротивле-
ния /?уд принимать значения W не по данным отдельного
зондировочного испытания, а как среднее значение N по ряду
зондировочных вертикалей, пройденных на исследуемой пло-
щадке в количестве, достаточном для статистического обобщения
по каждому из выделенных горизонтов.
§ 25. Работа горизонтально нагруженной сваи
В промышленном, транспортном и гражданском строитель-
стве встречаются конструкции, воспринимающие горизонтальные
нагрузки. Передача вертикальных и горизонтальных усилий,
а также моментов на свайный фундамент приводит к необхо-
* Ударное зондирование выполнялось стандартной установкой УБП-15 по
методике Гидропроекта. За показатель сопротивления зондированию 7?уд при
нимается приведенное число ударов N, необходимое для заглубления зонда
диаметром 74 мм с углом при вершине 60° в грунт на 10 см от молота весом
60 кг, падающего с высоты 80 см.
128
димости детального изучения взаимодействия сваи и окружаю-
щего грунта. Следует отметить, что исследований, направленных
на изучение работы горизонтально нагруженных свайных фун-
даментов из свай, оболочек и столбов, проведено значительно
меньше, чем исследований работы вертикально нагруженной
системы свая—грунт. Это обстоятельство вызывает большие
затруднения в разработке научно обоснованной методики рас-
чета, что в конечном итоге приводит к большому завышению
длины проектируемых свайных фундаментов.
По многим основным положениям расчета отсутствует един-
ство мнений, в связи с чем в проектной практике применяют раз-
личные расчетные схемы, при использовании которых получают
отличающиеся друг от друга значения допустимой горизонтальной
нагрузки при заданном перемещении. Объясняется это тем, что
в большинстве расчетных схем предполагается линейная зави-
симость между перемещением и нагрузкой, в то время как в дей-
ствительности зависимость горизонтального смещения у от ве-
личины Q носит явно выраженный нелинейный характер даже
при очень малых нагрузках. Для уточнения границ примени-
мости той или иной расчетной схемы с целью получения прием-
лемых условий сходимости значений, полученных в результате
теоретического расчета и эксперимента, следует классифици-
ровать свайные фундаменты по жесткости (абсолютно жесткие,
конечной жесткости и гибкие) в зависимости от величины от-
h
носительного заглубления— (й— длина сваи, d — ширина или
d
диаметр свай) или от соотношения глубины расположения ну-
левой точки 2о и длины сваи h (табл. 25).
Таблица 25
Классификация свайных фундаментов по жесткости
Расчетная схема Относительное заглубление h d Относительное положение нулевой ТОЧКИ п
Абсолютно жесткая <10 >0,65
Конечной жесткости 10—20 0,65 0,2
Гибкая >20 <0,2
Результаты опытов показывают, что характер упругой линии
и величины перемещений жесткой и гибкой свай в одних и тех
же грунтовых условиях при одинаковой горизонтальной на-
грузке существенно отличаются друг от друга. Перемещения же-
сткой сваи в грунте определяются преимущественно ее поворо-
том относительно некоторой точки, а деформация изгиба оси
имеет второстепенное значение. Для гибкой сваи, наоборот, ос-
129
новным фактором, определяющим ее смещение в грунте, явля«
ется кривизна изогнутой оси.
Общая картина деформации грунта вокруг свайного фун-
дамента может быть представлена достаточно полно на основа-
нии имеющихся в литературе описаний экспериментов и наших
исследований, проводившихся на моделях.
В результате горизонтального
ней грани сваи (рис. 38) в
Рис. 38. Схема работы сваи на го-
ризонтальную нагрузку
а — работа гибкой сваи; б — работа жест-
кой сваи
нагружения со стороны перед-
поверхностном слое на глу-
бину z образуется зона пла-
стических деформаций вслед-
ствие значительных перемеще-
ний сваи. В пределах этой зо-
ны грунт практически не ока-
зывает сопротивления переме-
щениям, реактивные усилия
грунта настолько малы, что не
снижают величины изгибаю-
щего момента от внешней го-
ризонтальной нагрузки. В этой
зоне в глинистых грунтах про-
исходит уплотнение без замет-
ного выпора на поверхность.
Осуществленная проверка
на выявление упругих и оста-
точных деформаций в этой зоне
показала наличие преимуще-
ственно остаточных деформа-
ций, которые и дают нелиней-
ный характер графика нагруз-
ка— деформация. Поэтому вся-
кого рода спрямление этой кривой даже в условиях сравни-
тельно небольших перемещений показывает на расхождение
с натурными замерами. Приходится сделать вывод, что все суще-
ствующие методы расчета, базирующиеся на упругой работе свай
в этой зоне, дают неверные результаты, отличающиеся на 30—
40% по сравнению с замеренными. Следовательно, в расчетах
необходимо исходить из нелинейной зависимости между дейст-
вующими нагрузками и перемещениями.
В существующих методах расчета свайных фундаментов грунт
рассматривают обычно как линейно деформируемую среду, для
которой применимы две расчетные схемы. Согласно первой грунт
рассматривают как упругое линейно деформируемое тело, свой-
ства которого характеризуются значениями модуля деформации
и коэффициента Пуассона; согласно второй — как упругое осно-
вание, характеризуемое значением коэффициента горизонтальной
жесткости среды С(х).
Нелинейность графика нагрузка—деформация приводит к не-
обходимости соответствующего выбора модуля деформации, что
130
является весьма сложной задачей. Во второй схеме напряжен-
ное состояние грунтовой среды и степень развития области пла-
стических деформаций зависят от вида функции коэффициента
горизонтальной жесткости среды С(х). Экспериментально уста-
новлено, что при малых нагрузках эпюра С(х) имеет выпуклое
очертание, а при возрастании горизонтальной нагрузки — посте-
пенно трансформируется в вогнутую кривую. Коэффициент гори-
зонтальной жесткости описывается функцией
/ у \П
С(х) = СЛ -М ,
\ h )
(48)
где Ch — коэффициент жесткости на глубине h.
Для расчета жестких свайных фундаментов можно восполь-
зоваться расчетными формулами, приведенными в работе [25].
Анализируя работу грунта вокруг свайного фундамента, не-
обходимо отметить зону активного давления со стороны задней
грани выше оси поворота или первой нулевой точки изгиба.
Величина этого давления находится обычными методами. В на-
туре глинистый грунт в мягкопластичном состоянии следует за
перемещением сваи, в случае тугопластичного состояния наблю-
даются разрывы сплошности, которые могут не приниматься во
внимание при расчете.
Специальные модельные испытания свай и натурные за-
меры напряжений в нижней части свайного фундамента (жест-
кого) показали, что предельное состояние наступает на глубине
раньше, чем в верхней зоне [25]. Для этой области нами полу-
чено аналитическое выражение, позволяющее определять пре-
дельное напряжение на уровне подошвы. Выражение имеет вид
апред _
h
р cos ф0 (cosф0И- V sin* 1 2 ф — sin2 ф0) (sin ф cos д
cos2 ф (1 — sin ф)
!- V1 — siп2фsi п2д)2
(49)
где р = уобЛо — интенсивность вертикальной нагрузки;
1 I । . . sin фо
— л + Фо + arcsin ——
2 \ 8Шф
фо — трение грунта о боковую поверхность сваи;
Ф — угол внутреннего трения грунта.
Полученные по формуле (49) значения оьпред сравниваются
с результатами расчета, выполненными по одной из существую-
щих методик (ВСН НО—64) с введением в расчетные формулы
коэффициента жесткости, изменяющегося по закону (48). В этом
случае можно получить нелинейный характер зависимости на-
грузка—перемещение.
Глава VI
О ВРЕМЕНИ УПРОЧНЕНИЯ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ
РАЗНОГО МИНЕРАЛЬНОГО СОСТАВА И РАЗНОЙ
КОНСИСТЕНЦИИ ПО ДАННЫМ ОПЫТОВ
С МОДЕЛЬНЫМИ СВАЯМИ
§ 26. Общие данные об опытах
В § 20 отмечалось, что время увеличения несущей способ-
ности свай, погруженных в глинистые грунты, в первую оче-
редь определяется степенью их глинистости. Однако приведен-
ные данные свидетельствуют [10, 15] лишь об общей закономер-
ности в рассматриваемом явлении, поскольку совершенно не
учитывают плотности, консистенции, минерального состава и
потому нуждаются в корректировке.
Кинетика процесса упрочнения глинистых грунтов различ-
ного состава, состояния и плотности играет огромную роль при
определении несущей способности свай, но, к сожалению, до
сих пор еще мало изучена.
В связи с отсутствием сколько-нибудь научно обоснованных
данных о зависимости времени упрочнения структурных связей
грунтов от различной степени глинистости, разного минераль-
ного состава (гидрослюдистые, каолинитовые и т. д.), консистен-
Таблица 26
Гранулометрический состав и физическая характеристика грунтов
Название грунтов Струк- тура глин Исходные показатели Гранулометрический состав (мм) в % Пределы пластичности
объемный вес в г/см' влажность в % консистен- ция В о 0,1—0,05 0,05—0,01 0,01—0,002 Менее 0,002 1ГТ •и Ф
Нижнекембрий- ская гидро- слюдистая глина Алеври- товая 1,76 1,78 1,79 22.0 26.3 32,2 0,00 0,50 1,00 5,2 7,4 34,6 22,8 25,0 32 21 11
Глуховецкий каолин Пелито- вая 1,78 1,80 1,81 37.0 47,5 54,0 0,00 0.50 1.00 0,5 4,5 18,3 18,0 58,7 56 37 19
Огланлинский бентонит То же 1.41 1 49 1,51 65,0 84,0 120,0 0.25 0.50 1,00 — 7,0 6,0 2,0 85,0 120 46 74
132
ции и плотности было решено выявить эти зависимости опытным
путем. В качестве объектов исследований были использованы:
нижнекембрийская глина, глуховецкий коалин и огланлинский
Нижнекенбрииская гпина
Рис. 39. Кривые термического анализа
Огланлинскии бентонит
бентонит. Данные об их гранулометрическом составе и пределах
пластичности приведены в табл. 26.
Минеральный состав частиц <0,005 мм изучался с помощью
рентгеноструктурного и термического анализов и электронной
микроскопии.
В нижнекембрийской глине рентгеноструктурный анализ вы-
явил гидрослюду в количестве около 60%, каолинит и незначи-
133
тельную примесь хлорита, в глуховецком же каолине — лишь као-
линит без каких-либо примесей.
Термический анализ, проведенный с помощью установки
ТУ-ТМ, подтвердил эти данные. Электронная микроскопия
(рис. 39) свидетельствует, что по форме глинистые частицы ниж-
некембрийской глины представляют собой пластинки часто не-
правильной формы; кое-где отмечаются пластинки шестиуголь-
ной формы каолинита. Это косвенно подтверждает результаты
ретгеноструктурного и термического анализов, т. е. то, что
в основном нижнекембрийская глина состоит из гидрослюд и
в меньшей степени из каолинита.
У глуховецкого каолина частицы имеют шестиугольную
форму, что, как известно, характеризует минерал каолинит, т. е.
и в этом случае электронная микроскопия подтверждает данные
рентгеноструктурного и термического анализов.
В огланлинском бентоните частицы имеют форму облаков,
у которых отсутствуют резко выраженные грани, они как бы
незаметно переходят друг в друга.
На общем фоне, образованном частицами монтмориллонита,
выделяются, хотя и очень редко, частицы другого минерала, по-
видимому, кристобаллита.
Данные рентгеноструктурного анализа подтвердили, что ог-
ланлинский бентонит состоит из монтмориллонита, кристобал-
лита и небольшой примеси кварца.
Определение минералогического состава исследуемых глин
производилось и при помощи окрашивания их солянокислым
бензидином; это дало следующие результаты: огланлинский
бентонит стал ярко-синим (васильковым), что характерно для
Данные хлористоаммонийной
Наименование грунта соз + HCO3 so; Са"
% мг-экв на 100 г породы % мг-экв на 100 г породы % мг-экв на 100 г породы
Глуховецкий каолин 0,2472 4,054 0,036 0,748 0,1630 8,143
Нижнекембрий- ская глина 0,2070 3,394 Н( ?т 0,1609 8,038
Огланлинский бентонит 0,1049 1,719 0,6985 14,543 0,4971 24,855
Примечание. Расчет сделан на воздушно-сухую глину после снятия легкораст
134
минералов группы монтмориллонита; глуховецкий каолин не
окрасился, что также вполне закономерно, так как минералы
из группы каолина не реагируют с солянокислым бензидином.
Каолиновый состав глуховецкого каолина был определен при
помощи метиленового голубого реактива, окрасившего глину
в фиолетовый цвет.
В плане рассматриваемого вопроса интересны данные хло-
ристоаммонийной вытяжки. Из табл. 27 видно, что и она под-
тверждает наличие каолинита в глуховецком каолине, в котором
в обменном комплексе преобладает Са (до 86%) при его емко-
сти обмена 9,448 мг-экв на 100 г породы. В какой-то мере о као-
линитовом составе этой глины говорит и малое (0,51%) количе-
ство гигроскопической воды, что, как известно, характерно для
каолинитовых глин. Попутно отметим, что глуховецкий каолин
не засолен, поскольку сумма легкорастворимых солей составляет
всего 0,04% (в спиртоводной вытяжке).
На гидрослюдистый состав нижнекембрийской глины ука-
зывает и ее небольшая емкость обмена— 13,042 мг-экв на 100 г
породы. В ее обменном комплексе преобладает Са (61%).
Из данных таблицы следует также, что огланлинский бенто-
нит содержит довольно большое количество обменного Na и Са,
что, очевидно, определяет его своеобразные свойства. Емкость
обмена бентонита, равная 51,243 мг-экв на 100 г глины, под-
тверждает, что коллоидно-дисперсные минералы, слагающие
его, относятся к группе монтмориллонита. Об этом можно, кроме
того, судить и по количеству гигроскопической воды, которой
в огланлинском бентоните оказалось 12,8%, в то время как
в нижнекембрийской глине — всего 1,25%.
Таблица 27
вытяжки из глин
Mg К' Na' Влага Сухой остаток после спирто- водной вытяжки Емкость обмена X
О/ /О мг-экв на 100 г породы % мг-экв на 100 г породы % мг-экв на 100 г породы % % мг-экв на 100 г породы
0,0087 0,719 0,0085 0,217 0,0085 0,369 0,51 0,04 9,448
0,0275 2,260 0,0350 0,896 0,0425 1,848 1,25 0,10 13,042
0,1146 9,424 0,0053 0,135 0,7611 33,091 8,72 — 51,243
воримых солей (спиртоводной вытяжкой).
135
§ 27. Условия проведения опытов
Кинетика упрочнения структурных связей опытных глин
различной консистенции и плотности изучалась путем погруже-
ния и последующего извлечения из них маломасштабных свай че-
рез разные промежутки времени (сваи вытачивались из бука диа-
метром 10 мм и длиной 200 мм с коническим острием).
Из подопытных растертых в порошок грунтов с дистиллирован-
ной водой приготовлялись пасты (замесы) со следующими вели-
чинами влажностей: №р, WT
и —Е, в опытах с бентонитом
2
один из замесов имел влажность немного выше И7Р.
Проведение опытов с пастами позволило исключить из рас-
смотрения влияние ряда факторов (текстуры и др.), так или
иначе сказывающихся на их результатах. Практически невоз-
можно получить грунты с ненарушенным сложением одного и
того же гранулометрического, минерального, химического соста-
вов, с одинаковым составом обменных оснований, но с разной
плотностью и консистенцией.
Наконец, как нам представляется, опыты с погружением свай
в пасты ближе моделируют явления, происходящие в натурных
условиях, если учесть, что при забивке свай нарушается сложе-
ние, текстура окружающих их грунтов.
Опыты проводились по методике, описываемой ниже. Пасты
из кембрийской глины с исходной влажностью U/=22; 26,3;
32,2%, из глуховецкого каолина с №^=37; 47,5; 53% и из оглан-
линского бентонита с Wz = 65; 84; 120% укладывались в ящики*
вручную с применением деревянной трамбовки.
При подготовке пасты к испытанию особое внимание обра-
щалось на сохранение одинакового постоянного объемного веса,
равного 1,76—1,78 г/см?, 1,80—1,81 г!см3 и 1,47—1,51 г/см? со-
ответственно для нижнекембрийской глины, глуховецкого као-
лина и огланлинского бентонита.
Сваи погружались в грунт под действием статической на-
грузки через специальный кондуктор, который служил направ-
ляющей и позволял выдерживать строго постоянное расстояние
между ними, равное 35 мм.
Для длительного испытания свай при одном значении влаж-
ности грунта подготавливалось от 20 до 30 свай, из которых
каждые 6 погружались в отдельный ящик размером 15Х15Х
ХЗО см в два ряда на глубину 150 мм\ последующие испытания
велись со сваями, расположенными попарно.
После задавливания свай в пасту из нижнекембрийской
глины ящики тщательно закрывали тонкой резиной и через
двое суток производили первое испытание. Оно заключалось
* Грунт помещался в полиэтиленовые мешки для предохранения от высы-
хания.
136
в определении начальной несущей способности сваи, а следова-
тельно, и начальной прочности окружающего их грунта. Сваи,
погруженные в каолин и бентонит, были испытаны немедленно
после укладки глинистой пасты.
Изменение порядка работ с каолином и бентонитом в дан-
ном случае было вызвано стремлением исключить всякое влия-
ние тиксотропного упрочнения, имевшего место за 2 суток. Таким
образом, в дальнейшем все опыты проводились по этой схеме,
что давало возможность более однозначно, рассматривать их
результаты.
Ввиду сложного характера исследуемого явления возник
вопрос о способе испытания свай в целях правильной оценки воз-
можного упрочнения грунта вокруг них. В связи с этим были
проведены специальные методические опыты, показывающие це-
лесообразность применения метода выдергивания вместо обыч-
ного метода испытаний пробной статической сжимающей вер-
тикальной нагрузкой. Поэтому ниже для сравнения несущей
способности свай используются величины предельных выдерги-
вающих усилий.
Допустимо предположить возможность возражений против
принятой методики испытания на том основании, что предель-
ная несущая способность висячих свай равна сумме сопротивле-
ния грунта как по боковой поверхности ствола сваи, так и под ее
острием.
Допустим, что сваи погружены (любым способом) в водонасы-
щенную глину, представляющую двухфазную систему и обла-
дающую достаточно высокой прочностью. В процессе внедрения
свай глина может тиксотропно разупрочняться и в последующем
восстанавливать свою прочность. При погружении свая вытес-
няет некоторый объем грунта, равный объему ее погруженной
части, в результате чего уровень поверхности вокруг нее повы-
шается. При этом окружающий грунт уплотняется и вокруг сваи
образуется зона повышенного давления, характеризуемого ве-
личиной, равной сумме внутреннего давления грунта и давления
поровой воды. По истечении некоторого времени происходит пе-
рераспределение внутреннего давления, приводящее к уменьше-
нию или даже полному рассасыванию порового давления, по-
явившегося в результате погружения. Как показывают натурные
измерения, этот процесс рассасывания заканчивается в большин-
стве случаев через двое-трое суток и потому не оказывает суще-
ственного влияния на увеличение несущей способности сваи в те-
чение времени. Таким образом, основным процессом следует счи-
тать тиксотропное упрочнение глинистого грунта, окружающего
сваю.
При кратковременном приложении вертикальной нагрузки
(а именно эти условия и имеют место при статических испыта-
ниях) под острием сваи образуется область избыточного гидро-
статического давления, которая не может мгновенно рассосаться.
137
Следовательно, остается предположить, что происходит пере-
распределение внутренних сил между острием и боковой поверх-
ностью. Относительное смещение сваи вызывает полную мобили-
зацию сил поверхностного трения, которое можно определить
путем замера усилия, необходимого для ее извлечения.
Величина поверхностного бокового трения при извлечении
сваи или при ее погружении оказывается примерно одинаковой
для цилиндрических свай. Если же испытываются сваи кониче-
ческой формы, то вполне естественно, что величина сопротивле-
ния при извлечении будет значительно меньше, чем при вдавлива-
нии. При этом величина сопротивления острия сваи при ее извле-
чении не может быть больше величины атмосферного давления
Рис. 40. Схема устройства стенда для определе-
ния выдергивающего усилия модельных свай
По-ft
при вакууме, образующемся под торцом сваи. В проводимых
опытах эта величина достаточно мала по сравнению с напряже-
ниями, возникающими в случае приложения к сваям выдерги-
вающих усилий.
Сопротивление выдергиванию сваи в значительной степени
зависит от скорости этого процесса, которая, как будет показано
ниже, может дать представление о характере протекающих
тиксотропных изменений в различных глинистых грунтах. Для
испытания был изготовлен специальный стенд, позволяющий
определять вертикальное выдергивающее усилие с измерением
перемещения свай от каждой ступени нагрузки с точностью
0,01 jwjw (рис. 40).
Выдергивающее усилие на сваи передавалось ступенями с по-
стоянной скоростью, зависящей от консистенции грунта. При
испытании свай в пастах с консистенцией В = 04-0,5 скорость
выдергивания v = 250 г!мин, а с консистенцией /3=1,0 она рав-
нялась 100 г/мин.
В зависимости от влажности уложенной пасты назначалось
время последовательных испытаний свай (табл. 28). Критерием
138
Таблица 28
Время последовательных испытаний модельных свай
Наименование грунта Влаж- Время испытания в сутках
ность D 0/ о /о /о /> л /3 /? /» t 10 /и /12 /13 /п
Нижнекем- 22 2 4 8 19 25 32 39 46
брийская 26,3 2 3 5 7 9 11 14 16 1.8 22 24 28 32 36 —
глина 32,2 2 4 8 15 19 26 32 40 47 54 61 68 78 85 92
Глуховецкий 37 0 1 3 5 9 15 24 39
каолин 45,5 0 2 9 12 19 26 54 84 100 114
53 0 1 4 11 22 33 46 57 72
Огланлинский 65 0 1 3 5 9 14 27 40
бентонит 84 0 1 5 12 19 32 47 53
120 0 1 2 4 12 29 95 103 —
правильности назначенных сроков испытания являлось постоян-
ство выдергивающей нагрузки в последних четырех опытах.
Данное замечание нужно понимать в том смысле, что участок
кривой должен перейти в прямую; это будет свидетельствовать
о постоянстве выдергивающей нагрузки, или предельного сопро-
тивления сваи.
§ 28. Результаты опытов и их обсуждение
Статистическая обработка полученных в опытах дискретных
величин (абсолютные значения перемещений от каждой ступени
нагрузки; предельные выдергивающие усилия в заданные интер-
валы времени) позволила установить сравнительно высокий коэф-
фициент корреляции, равный 0,82—0,85.
На рис. 41 изображены осредненные кривые зависимости
между перемещениями при выдергивании и приложенными на-
грузками для различных влажностей нижнекембрийской глины.
Известно, что состояние глинистых грунтов оценивается кон-
систенцией В. Для кривых /, 2 и 3 величина В оказалась соот-
ветственно равной 1; 0,5 и 0, т. е. сваи погружались в ниж-
некембрийскую глину текучепластичной, тугопластичной и по-
лутвердой консистенции. Указанные кривые позволили дать
приблизительную оценку степени упрочнения глины, окружающей
сваю. Так, кривые 1 и 2 до некоторого значения вертикального
перемещения, равного 0,4 см, почти совпадают, несмотря на раз-
личное состояние глины, а с увеличением выдергивающей на-
грузки, когда вертикальные перемещения сваи возрастают, ин-
тенсивно расходятся, что служит доказательством влияния кон-
систенции глины. Причем, чем больше выдергивающее усилие,
а следовательно, и перемещение, тем сильнее сказывается влия-
ние консистенции, что также характеризуется скоростью извле-
139
чения. Изменяется лишь время испытания сваи в глине задан-
ной консистенции. Кривая <?, относящаяся к опыту с влажностью
нижнекембрийской пасты на пределе раскатывания (В = 0), ука-
Рис. 41. Осредненные кривые зависимости между
перемещениями при выдергивании и приложенными
нагрузками для нижнекембрийской глины различных
влажностей
зывает на значительное увеличение сопротивления выдергива-
нию с самого начала опыта, которое сохраняется в течение всего
На ip узка Р, * г
Рис. 42. Кривые упрочнения глин
разного минерального состава при
одинаковой консистенции
1 — глуховецкий каолин; 2 — нижне-
кембрийская глина
эксперимента. Следовательно,
сваи, погруженные в глинистые
грунты твердой или полутвердой
консистенции, имеют повышен-
ную несущую способность по
сравнению с несущей способно-
стью свай, погруженных в пла-
стичную и мягкопластичную гли-
ну. Это общеизвестно и давно
доказано многочисленными ис-
пытаниями свай в натурных ус-
ловиях. В то же время нараста-
ние прочности глины, находя-
щейся в полутвердом и твердом
состояниях, происходит быстрее,
что очень важно для назначения
сроков испытания свай во вре-
мени.
Сопротивление выдергиванию
зависит от контакта глинистых
частиц, который может опреде-
ляться величиной консистенции.
140
Влияние минерального состава глин на их упрочнение при
одинаковой консистенции хорошо иллюстрируется рис. 42. Кри-
вые характеризуют зависимость перемещения свай от величины
выдергивающего усилия при их испытаниях соответственно в па-
стах глуховецкого каолина и нижнекембрийской глины мягко-
пластичной консистенции (# = 0,5). График показывает, что пре-
дельное усилие выдергиванию для пасты из нижнекембрийской
глины значительно выше,
чем из каолина.
На рис. 43 изобра-
жены кривые зависимо-
сти перемещения от при-
ложенных нагрузок при
извлечении свай из ог-
ланлинского бентонита
с величиной консистен-
ции В = 0,25 (кривая /)
и В = 0,5 (кривая 2). Как
видно из графика, зако-
номерность, отмеченная
выше для нижнекембрий-
ской глины, сохраняется
и здесь. Высокая пла-
стичность бентонита зна-
чительно увеличивает
предельную нагрузку.
Так, при одинаковых зна-
чениях вертикального пе-
ремещения, например
6 мм, предельные сопро-
тивления извлечению в
Выдергивающая нагрузка Р, кГ при в=0,25
Рис. 43. Кривые упрочнения огланлинского
бентонита, представленные в зависимости
нагрузка — перемещение при выдергивании
1 — В=0,25; 2 — £=0,5
глуховецком каолине, нижнекембрийской глине и бентоните при
В = 0,5 соответственно составляют 1, 5 и 12 кг (рис. 42 и 43).
Таким образом, приведенные кривые (рис. 41—43) полностью
подтверждают мнение о влиянии консистенции и минераль-
ного состава грунта на изменение несущей способности свай во
времени.
На основе полученных результатов мы попытались устано-
вить зависимость скорости выдергивания свай от консистенции.
Сравнивая между собой время выдергивания свай из паст раз-
личного минерального состава, но с одинаковой консистенцией,
следует отметить большую скорость выдергивания из глуховец-
кого каолина (/=14 мин), чем из нижнекембрийской глины и
бентонита (/ = 544-56 мин). Это также подтверждает наше мне-
ние относительно влияния минерального состава на упрочнение
глины с течением времени.
Наибольший интерес представляют зависимости между
предельной выдергивающей нагрузкой, являющейся функцией
141
Рис. 44. Кривые длительного
упрочнения глуховецкого као-
лина (5, 5, S), нижнекембрий-
ской глины (2, 4, 6) и оглан-
линского бентонита (/, 7) при
различных значениях конси-
стенции
/ — В =0,25; 2, 3 — В=<у, 4.
В=0,5; 6, 8 — В = \
прочности окружающей глины, и временем выдергивания свай
в пастах различной консистенции и разного минералогического
состава. Характерные кривые длительного упрочнения глины по-
казаны на рис. 44.
В результате проведенных опытов получены некоторые за-
кономерности, позволяющие учитывать влияние длительности
«отдыха» на несущую способность свай, погруженных в глини-
стые грунты. Это стало возможным благодаря выявлению ки-
нетики увеличения удельного сопротивления исследуемых гли-
нистых грунтов на боковой поверх-
ности сваи (f[, т/м2) в зависимости
от консистенции В при длительном
«отдыхе». Полученные значения f[
приведены в табл. 29 и на рис. 45.
Первоначально рассмотрим ре-
зультаты опытов, проводившихся с
нижнекембрийской глиной. Необхо-
димо отметить резкое (почти в 5 раз)
уменьшение удельного сопротивле-
ния при переходе глины из твердого
состояния в тугопластичное и незна-
чительное — при переходе из туго-
пластичного к текучему для времени
«отдыха», равного 4 суткам.
В последнем случае удельное со-
противление понизилось с 0,25 до
0,23 т/м2. Интересно и то, что при
В = 0 удельное сопротивление в зави-
симости от времени „отдыха", изме-
нявшегося от 4 до 46 суток, возросло
более чем в 2,5 раза (при 4 сутках —
2,20 т/м2, при 46 — 3,10 т/м2). Тот же
порядок цифр отмечается и при
В = 0,5. Действительно, если удель-
„отдыхе" в 4 суток определялось величи-
32 сутках „отдыха" оно оказалось рав-
7—
5,
ное сопротивление при
ной 0,25 т/уи2, то при
ним 1,0 т/уи2.
Значительно меньше на величину удельного сопротивления
влияет полутвердая консистенция. Так, при времени «отдыха»
4 суток удельное сопротивление составило 0, 23 t/jw2, через 32 су-
ток оно достигло 0,29 т/л/2, а через 46 суток — 0,43 т/уи2, т. е. воз-
росло лишь в 2 раза. Все это свидетельствует о влиянии конси-
стенции гидрослюдистой нижнекембрийской глины на величину
удельного сопротивления.
Для глуховецкого каолина (табл. 29) характерно уменьше-
ние удельного сопротивления в зависимости от величины В при
переходе глины из твердого состояния в тугопластичное.
При В = 0 и 4-суточном «отдыхе» удельное сопротивление
142
оказалось равным 3,4 t/jw2, а при В = 0,5 и том же «отдыхе»
оно составило 0,16 т/м2, т. е. уменьшилось более чем в 20 раз,
что объясняется строением глинистого минерала.
Совершенно отсутствует разница в величинах удельного со-
противления при переходе каолина из тугопластичного состояния
в пластичное; в том и в другом случае удельное сопротивление
равно 0, 16 т/лЛ
Рис. 45. Кривые кинетики увеличения удельного со-
противления грунта на боковой поверхности свай
при длительном «отдыхе»
1, 7, 8 — глуховецкий каолин; 2, 4, 6 — нижнекембрийская
глина; 3, 5 — огланлинский бентонит; 1, 2 — В=0; 3 — В =
=0,25; 4, 5 — £=0,5; 6, 8 — В=\
Обращает на себя внимание факт очень быстрого прекра-
щения тиксотропного упрочнения у полутвердого глуховецкого
Таблица 29
Кинетика увеличения удельного сопротивления грунта на боковой
поверхности маломасштабных свай при длительном «отдыхе» fT, т/м2
Время Нижнекембрийская глина Глуховецкий к аолин Огланлинский бентонит
упроч- нения Т, при консистенции В
сутки 0 0,5 1,0 0 0,5 1,0 0,25 0,5 1,0
4 1,20 0,25 0,23 3,4 0,16 0,16 2,12 0,42 0,10
8 2,10 0,35 0,23 3,5 0,19 0,19 2,60 0,53 0,11
19 2,40 0,75 0,27 3,5 0,22 0,19 2,60 0,53 0,13
32 2,90 1,03 0,29 3,5 3,5 0,32 0,19 2,60 0,74 0,13
39 3,00 — 0,41 — 0,19 — 0,74 ... —
46 3,10 — 0,43 — — 0,19 — 0,74 —
54 — — 0,47 — 0,35 0,19 0,80 0,14
143
каолина (при В = 0). Если при времени «отдыха» 4 суток удель-
ное сопротивление было равно 3,4 т/м2, то через 8 суток и
более оно увеличилось лишь на 0,1 т/м2 и стало равным
3,5 т/м2.
Дальнейшие наблюдения показали отсутствие влияния вре-
мени «отдыха» на нарастание удельного сопротивления на боко-
вой поверхности, что вполне закономерно и лишний раз доказы-
вает правильность развиваемого в работе взгляда о влиянии
консистенции на время упрочнения.
Несколько иначе протекает процесс нарастания удельного
сопротивления во времени глуховецкого каолина в его пластич-
ном состоянии (В = 0,5). В этом случае (см. табл. 29) происхо-
дит нарастание прочности, правда очень медленно (в течение
30 суток и более).
Так, если при времени «отдыха» 4 суток удельное сопротив-
ление было равно 0,16 т/м2, то при 8 сутках „отдыха" оно достигло
0,19 т/м2, при 19 — 0,22 т/м2 и при 32 сутках „отдыха" — 0,32 т/м2.
В дальнейшем для увеличения удельного сопротивления всего
лишь на 0,03 т/м2 потребовалось более 20 дней.
В плане рассматриваемого вопроса небезынтересно проана-
лизировать данные, относящиеся к изменению удельного сопро-
тивления у глуховецкого каолина прй изменении коэффици-
ента В от 0,5 до 1. Нельзя не заметить, что величина удельного
сопротивления в течение времени испытания (опыт продолжался
свыше 80 суток) практически оставалась равной 0,19 т/уи2. Не-
значительное увеличение удельного сопротивления в течение
4—8 суток (на 0,03 т/м2) можно не учитывать, так как оно мо-
жет быть отнесено за счет неточности измерения предельного
выдергивающего усилия.
Возвращаясь к данным табл. 29, обратим внимание на то,
что при времени «отдыха» 4 суток разница в удельном сопротив-
лении огланлинского бентонита при В = 0,25 и 0,5 примерно та-
кая же, как и нижнекембрийской глины, т. е. удельное сопротив-
ление бентонита в тугопластичном состоянии в 5 раз больше,
чем в пластичном. Были получены значения и по истечении
8—19 суток «отдыха». Так, при В = 0,25 удельное сопротивление
/7=2,6 т/м2, при В = 0,5 оно составило 0, 53 т/м2. Незначитель-
ное увеличение сил трения по боковой поверхности наблюдалось
только после 32 суток «отдыха» для бентонита при В = 0,5, когда
удельное сопротивление достигло значения 0,8 т/м2. В этом слу-
чае по истечении 54 суток удельное сопротивление увеличилось
в 2 раза по сравнению с начальным.
Характер изменения удельного сопротивления у огланлин-
ского бентонита при консистенции В =1,0 оказался подобным
характеру изменения у глуховецкого каолина с той лишь раз-
ницей, что удельное сопротивление при времени «отдыха» 4 су-
ток было равно 0,1 т/м2, а после 103 суток «отдыха» не превы-
шало 0,15 т/м2.
144
Сравнивая между собой данные, полученные для нижне-
кембрийской глины, глуховецкого каолина и огланлинского
бентонита, легко заметить разницу между ними. Резкое от-
личие в величинах удельного сопротивления в опытных глинах
связано с их различным вещественным составом не только гра-
нулометрическим (табл. 26), но и минеральным. По-видимому,
известное влияние на это оказала емкость обмена (см.
табл. 27), которая в огланлинском бентоните составила
51,24 мг-экв, в нижнекембрийской глине— 13,42 мг-экв, а в глу-
ховецком каолине всего 9,48 мг-экв.
Таким образом, подводя итоги анализа данных табл. 29,
следует отметить, что развиваемая в работе мысль о влиянии
консистенции и минерального состава глин на их удельное со-
противление на боковой поверхности полностью подтверждается
экспериментальными данными.
§ 29. Полученные закономерности и их особенности
Все приведенные данные и рассуждения, относящиеся к ним,
представляют тот интерес, что в какой-то мере указывают на за-
кономерность нарастания прочности во времени глинистых грун-
тов различного вещественного состава и разной консистенции.
Очевидно, эту закономерность можно использовать для опреде-
ления несущей способности свай после «отдыха».
Попытаемся установить, существует ли отмеченная закономер-
ность для маломасштабных свай в наших опытах. Для этого еще
раз вернемся к данным табл. 29, рис. 44 и 45. Из графиков
видно, что нарастание предельной нагрузки во времени проис-
ходит по экспоненциальной кривой, одним из параметров кото-
рой является консистенция грунта. Сравнив между собой кри-
вые, построенные для глуховецкого каолина, нижнекембрийской
глины и огланлинского бентонита при различных влажностях,
можно сделать вывод о том, что процесс нарастания прочности
протекает в них примерно одинаково и отличается лишь скоро-
стью нарастания.
Кривые, изображенные на рис. 44, показывают, что предель-
ная величина сопротивления свай, погруженных в пасту нижне-
кембрийской глины при WT и
-, в начальный момент ока-
зывается одинаковой (равной 1,5 кГ), в то время как при
U7P она увеличивается в четыре раза (6 кГ). Интенсивное нара-
стание предельной величины сопротивления выдергиванию для
глинистой пасты с влажностью Wp продолжается примерно
10—15 суток, после чего процесс нарастания прочности глины
практически прекращается. При продолжительности этой серии
опытов до 60 суток максимальное значение выдергивающего
усилия, равное 20 кГ, остается без изменения. Заметно медлен-
нее происходит нарастание прочности глинистой пасты на
145
пределе текучести. Период прекращения нарастания прочности
наступает примерно через 45—50 суток, а величина предельного
„сопротивления выдергиванию Рк достигает лишь 3,2 кГ (при на-
чальном значении сопротивления выдергиванию 7?о= 1,5 кГ).
Даже значительная продолжительность опыта (свыше 100 суток)
не показывает нарастания прочности грунта.
Как и следовало ожидать, некоторое промежуточное поло-
жение заняли результаты, полученные в опытах с нижнекембрий-
v v I №
окои глинои при влажности—-----
-. Процесс нарастания ее уп-
рочнения происходил интенсивнее, чем в случае влажности
глины на пределе текучести, и заканчивался примерно через
25—30 суток, т. е. протекал примерно так же, как и в опыте
с той же глиной, но имевшей влажность, равную №р. Однако ве-
личина минимального предельного сопротивления достигла лишь
6,2—6,5 кГ, а продолжительность опыта составила примерно
60 суток. Несмотря на большую продолжительность опыта за-
метного увеличения прочности глины не произошло.
При анализе данных, относящихся к испытанию глуховец-
v W7
кого каолина при влажности, равной мкр и—----- , выявилось
следующее (рис. 44). Нарастание прочности при влажности
глины на пределе раскатывания происходит в течение при-
мерно суток, в то время как у нижнекембрийской глины этот
срок равен 10—15 суткам. Начальная величина предельного со-
противления в этом случае составляет 11 кГ.
Следует отметить сравнительно быстрое затухание тиксо-
тропного упрочнения бентонитовой глины вокруг свай при
В=0,25, при этом наблюдается полная аналогия с характером
протекания процесса упрочнения в глуховецком каолине. Кри-
вые 1, 2 и 3 на рис. 44, относящиеся соответственно к огланлин-
скому бентониту, глуховецкому каолину и нижнекембрийской
глине, показывают одинаковый характер нарастания и после-
дующего затухания упрочнения в глинах тугопластичной кон-
систенции.
Отличительной особенностью поведения сваи, погруженной
в бентонит, является ее высокая начальная величина сопротив-
ления выдергиванию Pq, определенная сразу же после погруже-
ния. Так например, в бентоните Ро=12,5 кГ, в то время как
в нижнекембрийской глине и глуховецком каолине при той же
консистенции В = 0,5 оно оказалось в 8 раз меньше, т. е. со-
ставило 1,5 кг.
Подводя итог проведенному анализу полученных опытных
данных, следует подчеркнуть следующее. Упрочнение глинистых
грунтов вокруг свай происходит в течение длительного времени,
колеблющегося примерно от 2—5 до 45—50 суток в зависи-
мости от их консистенции и минерального состава. С изменением
консистенции от полутвердой до пластичной меняется и вели-
146
чина относительного упрочнения грунта т, определяемая как
разность конечного и начального Ро сопротивлений, отнесен-
ная к начальному сопротивлению.
Таблица 30
Относительное упрочнение нижнекембрийской глины, глуховецкого каолина
и огланлинского бентонита
Наименование грунта Консистенция W - В И- W — . т р Относительное упрочнение грунта Р — Р —* °- ро Время упрочнения Т, сутки
Нижнекембрийская гидро- слюдистая глина Глуховецкий каолин Огланлинский бентонит 0 0,5 1,0 0 0,5 1,0 0,25 0,5 1,0 2,5 2,4 0,63 1,0 2,27 0 0,40 1,00 0,85 12 30 50 2—5 45 70 2—5 5 Более 100
Полученные данные относительного упрочнения для опыт-
ных глинистых паст приведены в табл. 30, в ней же указано
ориентировочное время упрочнения. Из таблицы видно, что
при правильном назначении сроков испытания пробных свай
на строительных площадках можно значительно увеличивать
расчетные нагрузки на сваи. Например, в нижнекембрийской
глине полутвердой и тугопластичной консистенции несущая спо-
собность свай может быть увеличена в 2,5 раза по истечении
соответственно 12 и 30 суток. В глуховецком каолине полученные
значения немного ниже, но и они указывают на то, какие ре-
зервы прочности глинистых грунтов можно реализовать, зная
способность к тиксотропному изменению грунтов.
Далее рассмотрим, как определяется несущая способность
свай, погруженных в глинистые грунты по истечении некоторого
времени.
§ 30. Пути использования тиксотропного упрочнения
глинистых грунтов разного минерального
состава и разной консистенции
в инженерной практике
Ранее было показано, что нарастание прочности глинистых
грунтов подчиняется экспоненциальному закону. Процесс на-
растания удельного сопротивления по боковой поверхности сваи,
погруженной в глинистый грунт, протекает по такому же за-
кону (рис. 45). Поэтому конечное значение удельного сопротивле-
147
ния по боковой поверхности сваи fiT в некоторый момент вре-
мени Т (в период упрочнения) может быть представлено в виде
приближенного уравнения:
я = +ft — 2Z-F-)= ft (—Чй * <5°)
\ 1 + е~2пгТ / \ 1 + е~2 т /
где f* —нормативное удельное сопротивление по боковой по-
верхности сваи, принимаемое по табл. 16 и 17, в
m — коэффициент пропорциональности, характеризующий
скорость затухания процесса упрочнения грунта вокруг
сваи во времени;
Т — время упрочнения в сутках.
Значения коэффициента пропорциональности пг были полу-
чены путем математической обработки кривых, изображенных на
рис. 45. При выборе параметра пг ориентировочно можно руко-
водствоваться следующими значениями:
при 0 В <; 0,25 m = 0,0105 ч- 0,0220;
» 0,25 < В < 0,5 m = 0,0220 ч- 0,0480,
» В > 0,5 m = 0,0165.
Следует, конечно, помнить, что приведенные рассуждения от-
носятся к однородным глинистым пастам, поэтому пока трудно
с уверенностью утверждать, что предлагаемое числовое значе-
ние пг будет справедливо для глин иного генезиса, возраста, со-
става, состояния. По-видимому, общий характер зависимости
(50) сохранится, а числовые значения окажутся разными. Однако
даже в таком численном виде применение параметра пг для опре-
деления удельного сопротивления по боковой поверхности может
быть использовано для определения несущей способности сваи
в заданный момент времени.
В полевых условиях было обнаружено, что кембрийская
глина полутвердой консистенции чрезвычайно быстро (в течение
1—2 мин) восстанавливает первоначальную прочность после
прекращения вибрации при ее вибробурении. В связи с этим
нами были проделаны пенетрационные испытания паст из ниж-
некембрийской глины и глуховецкого каолина с влажностью №р.
В качестве пенетрометра была использована «игла Вика»
диаметром 1,5 мм, погружавшаяся с помощью постоянного груза
весом 300 г. Такой наконечник был выбран на основе опытов
В. Ф. Разоренова, показавшего, что при пенетрировании глинистых
водонасыщенных грунтов нарушенного сложения абсолютно без-
различно, каким типом наконечников пользоваться, так как
в качестве характеристики испытаний принимается величина
удельного сопротивления пенетрации /?, равная отношению уси-
лия пенетрации Р к квадрату глубины погружения наконечника h:
[кГ/см2]. (51)
148
Методика проведения эксперимента была следующей. Гли-
нистые пасты с влажностью на пределе раскатывания Wp укла-
дывались в металлический бюкс диаметром 150 мм и высотой
40 мм. Последовательные пенетрационные испытания иглой
осуществлялись на одном образце в заданные интервалы вре-
мени: в течение первых 10 мин игла погружалась через каждые
30 сек, затем в течение 5,5 ч — через каждые 15 мин. Средне-
статистические данные зависимости полученных значений глу-
бины погружения иглы
от времени испытания
показаны на рис. 46.
Как видно из гра-
фиков, значительная
часть тиксотропного
упрочнения падает на
первые минуты опыта
при его продолжитель-
ности в несколько ча-
сов. Таким образом, и
пенетрационные опыты
подтвердили вышепри-
веденный тезис — в по-
лутвердых глинистых
грунтах тиксотропное
упрочнение протекало
минуты, а не часы, и
тем более не сутки или
десятки суток. Эти дан-
ные говорят о том, что
Рис. 46. Результаты пенетрационных испытаний
тиксотропного упрочнения каолина и нижне-
кембрийской гидрослюдистой глины
1 — глуховецкого каолина; 2 — нижнекембрийской
гидрослюдистой глины
в процессе упрочнения
полутвердых грунтов целесообразно различать две стадии:
первую — начальную, которая протекает в течение 10—
15 мин и редко более; на нее падает примерно 70—80% от об-
щей величины упрочнения, в зависимости от консистенции;
вторую — можно назвать «замедленным» упрочнением; это
упрочнение протекает в течение длительного времени, измеряе-
мого десятками часов и более, но по своей абсолютной вели-
чине играет сугубо подчиненную роль в общей величине тиксо-
тропного упрочнения. В отдельных случаях, при решении чисто
производственных вопросов, с замедленным упрочнением можно
даже не считаться, и тогда, очевидно, оно будет составлять за-
пас прочности.
Еще раз подчеркиваем, что все приведенные рассуждения
справедливы для глинистых грунтов полутвердой консистенции.
В заключение необходимо отметить следующее. Помещенные
в главе данные являются первыми в своем роде (именно так
их нужно рассматривать читателю). Табл. 29 и 30 составлены
на основе специально проведенных опытов, в этом их ценность.
149
Имеющиеся в литературе данные по этому вопросу наибо-
лее полно и четко сформулированы в работе А. И. Прудентова
[34]. В § 13 приведена табл. 8, составленная по его данным,
в которой представлены значения удельного нормативного бо-
кового сопротивления полых свай с грунтовым ядром в глини-
стых грунтах с В 0,5 при длительном «отдыхе».
Сравнив между собой величины удельного сопротивления по
боковой поверхности (см. табл. 29), можно сказать, что данные,
полученные нами экспериментальным путем, позволяют учесть
минеральный состав и консистенцию глинистых грунтов, окру-
жающих сваи, в то время как данные табл. 8 учитывают только
их консистенцию. С другой стороны, из табл. 8 видно, что такой
важный в процессе упрочнения показатель, как время, изме-
ряется десятками суток, а пределы его колебания достигают 15,
30, 60 суток. Но наши и другие исследования показали, что
в большинстве случаев процесс тиксотропного упрочнения гли-
нистых грунтов полутвердой и тугопластичной консистенции за-
канчивается через 10—15 суток, а в грунтах пластичной и мягко-
пластичной консистенции через 30—40 суток.
Подводя итог, можно сделать следующие выводы:
1. Специально поставленные опыты подтвердили, что время,
в течение которого происходит нарастание несущей способности
свай, зависит от гранулометрического и Минерального составов,
обменных оснований грунтов, их состояния при условии сохра-
нения постоянства формы, размеров, глубины и способа погру-
жения свай.
2. Общий характер тиксотропного упрочнения глинистых
грунтов во времени подчиняется экспоненциальному закону,
наиболее четко проявляющемуся в грунтах полутвердой и туго-
пластичной консистенций. При этом наблюдается достаточно
резкая граница затухания исследуемого процесса во времени.
3. Средняя продолжительность увеличения прочности гли-
нистых паст полутвердой консистенции составляет 10—15 суток
и зависит от минерального состава грунта: тиксотропное упроч-
нение каолина и бентонита вокруг свай протекает быстрее, чем
в нижнекембрийской гидрослюдистой глине, но относительная
величина этого упрочнения у каолина ниже.
4. Увеличение прочности глинистых паст текучепластичной и
тугопластичной консистенций вокруг свай происходит в сроки
от 20—25 до 45—50 суток и также зависит не только от кон-
систенции В, но и от минерального состава грунтов. Величина
относительного упрочнения грунта с увеличением консистенции
В значительно снижается: в глуховецком каолине практически
по истечении 2,5 месяцев заметного нарастания прочности не
было зарегистрировано. То же относится и к огланлинскому
бентониту, в котором упрочнение при В=0,5 закончилось че-
рез 30—35 суток. В этом испытании наглядно проявляется влия-
ние строения кристаллических решеток глинистых минералов,
150
обусловливающее различные соотношения свободной и физиче-
ски связанной воды.
Большая способность бентонита к тиксотропии по сравнению
с каолином указывает на сравнительно медленное восстановле-
ние его коагуляционных связей в течение времени. В данном
случае несомненно играет роль и емкость обмена глины, кото-
рая у бентонита в 5,5 раза выше, чем у глуховецкого каолина.
5. Опытным путем установлено, что в процессе упрочнения
полутвердых глинистых грунтов можно выделить две стадии:
«начальное» и «замедленное» упрочнение. Первая стадия про-
текает достаточно интенсивно; в случае работы системы свая —
грунт процесс «начального» упрочнения зависит от способности
к адгезии рассматриваемой системы и заканчивается через 1—
2 суток после погружения в глуховецкий каолин и бентонит и
через 5—10 суток после погружения в нижнекембрийскую гид-
рослюдистую глину. Здесь также большую роль играет и ем-
кость обмена глинистых грунтов.
6. Ориентировочную оценку несущей способности свай с уче-
том длительного «отдыха» можно получить, пользуясь аналити-
ческими зависимостями (50). Необходимые коэффициенты, вхо-
дящие в эти зависимости, берутся в соответствии со СНиП
П-Б.5—67* и по ориентировочным данным, полученным нами.
Коэффициент пропорциональности, характеризующий ско-
рость затухания процесса упрочнения грунта вокруг сваи во
времени, в первом приближении принимается равным 0,0105—
0,048, где верхний предел — значение, взятое для глинистых
грунтов при В = 0.
§ 31. К оценке некоторых сторон исследований
работы свай
Описанные выше опыты с маломасштабными сваями, так же
как и пенетрационные исследования, со всей убедительностью
показали, какое огромное значение для определения несущей
способности сваи имеет минеральный состав глинистых частиц
и консистенция глинистых грунтов. Теоретическая разработка
новых методов расчета свайных фундаментов в настоящее
время может быть решена только путем совместного учета но-
вейших достижений в области геологии, грунтоведения и фи-
зико-химической механики грунтов.
Сказанное особенно убедительно, если вспомнить, что гово-
рилось об уровне исследований в области тиксотропии глини-
стых грунтов (см. гл. II). Едва ли требуется особо доказывать,
что в одних случаях без знания геологии и гидрогеологии уча-
стка строительства, в других — без данных о сопротивлении
сдвигу грунтов по дереву, железобетону, сталям различных ма-
рок нельзя правильно решать многие задачи, связанные
с работой свай и других элементов подземных конструкций.
151
Между тем в большинстве описаний условий опытов, поставлен-
ных для изучения этих вопросов, отсутствуют сколько-нибудь
подробные данные о грунтах, в которые погружаются сваи.
Игнорирование данных геологии и грунтоведения отрица-
тельно сказывается на исследовании вопросов, относящихся
к использованию виброметода в строительстве. Всем известно,
что изучение вопросов, связанных с более широким примене-
нием виброметода в строительстве, является комплексной зада-
чей. Это значит, что разработки новых конструкций вибро-
погружателей, совершенствование теории метода необходимо
проводить в тесной увязке с изучением свойств тех грунтов, в ко-
торые погружаются сваи и другие элементы подземных конструк-
ций. Одновременно должное внимание нужно уделять и изуче-
нию процессов, происходящих в грунтах при их вибрации.
Только при таком комплексном подходе могут быть найдены
рациональные решения указанной задачи.
Неудачи погружения сваи вибрированием до проектной глу-
бины и необходимость допогружения молотами можно пол-
ностью исключить, если строители будут знать основы физико-
химии грунтов. В одном случае этого можно избежать, исполь-
зуя электроосмос, в другом — применяя обмазки. Могут быть
применены и другие методы. Более того, использование данных
физико-химии грунтов позволит погружать сваи с помощью
обычного оборудования там, где в настоящее время применяют
вибраторы, и не снижать при этом темпов погружения.
При описании наблюдаемых явлений многие исследователи
забывают о грунтах, окружающих сваи, порой игнорируя их на-
звание, не говоря уже о генезисе, составе, состоянии.
Несомненно одно: поднятые в книге вопросы должны изу-
чаться совместно специалистами грунтоведами и физико-хими-
ками, как к этому призвал в 1948 г. В. А. Флорин на совещании,
посвященном путям развития механики грунтов (Ленинград).
Со стороны строителей должно быть «.. .не дилетантское,—
говорил он,— а самое современное и профессионально квалифи-
цированное разрешение ряда вопросов в этих областях знания».
Здесь полезно также привести другое высказывание В. А. Фло-
рина, которое не потеряло своего значения и в наши дни: «Было
бы совершенно бесполезным только высказывать суждения о не-
обходимости возможно полного использования современных фи-
зико-химических представлений при разработке и развитии рас-
четных моделей механики грунтов, так как это, очевидно, и без
того ясно для всех достаточно квалифицированных лиц, рабо-
тающих в этой области. Необходима конкретная постоянная
совместная работа по всем вопросам, в которых не имеется еще
ясности в настоящее время и которые будут возникать в даль-
нейшем, и не только в области собственно физико-химических
вопросов, но и в отношении целого ряда пограничных во-
просов».
152
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Отличительной чертой большинства исследований системы
грунты — сваи, проведенных до настоящего времени, является то,
что их авторы очень подробно освещают все, что относится
к сваям (форму, размеры, длину, площадь поперечного сечения,
способы производства работ, особенности использования свае-
бойного оборудования и т. п.), и очень скромно то, что отно-
сится к грунтам, в которые погружаются сваи и которые, по
сути дела, определяют их несущую способность. Чаще всего
указывается лишь название грунта и его физическое состояние.
Правда, в некоторых случаях исследователи приводят данные
об объемном весе грунта, сцеплении, угле внутреннего трения
и др., но при этом не делают никаких попыток использовать эти
данные для освещения интересующих их вопросов.
К сожалению, в этих работах почти отсутствуют сведения
чисто геологические, как-то: о генезисе пород, условиях их
залегания и т. д., значение которых во многих случаях уже в ка-
кой-то мере освещает условия погружения свай в толщу гор-
ных пород. В самом деле, геологам известно, что так называе-
мые коренные глинистые породы, являющиеся древними мор-
скими отложениями дочетвертичного возраста, в большинстве
являются твердыми и полутвердыми и реже тугопластичными.
Поэтому, будучи основаниями сооружений, они способны нести
значительные нагрузки. Например, нижнекембрийская глина
Ленинграда и его окрестностей — полутвердая. Ее естественная
влажность часто лежит в пределах 6—16%, объемный вес опре-
деляется величиной 2,0—2,1 г!см3 (иногда и больше); разраба-
тывается она лишь пневматическими молотками и т. д.
Как основания сооружений высоко должны оцениваться ко-
ренные глины и других возрастов. Но у них, в силу различия
в генезисе, есть свои особенности, игнорировать которые было
бы ошибкой строителей. Так например, черные юрские глины
Подмосковья и верхней Волги содержат много пирита, оказыва-
ющего вредное влияние на железобетонные конструкции, а глины
пермского возраста — большое количество легкорастворимых
в воде солей, т. е. они засолены. Это заставляет строителей осо-
бенно внимательно относиться к увлажнению последних, что,
как известно, связано с увеличением пористости, может повлечь
неравномерные осадки сооружений и т. д.
В случае строительства на широко распространенных более
молодых четвертичных отложениях следует учитывать характер
их образования, наличие сравнительно свежих и рыхлых отло-
жений, невыдержанность отдельных слоев по простиранию, бы-
строту смены в -вертикальном разрезе, а также малую мощ-
ность и в большинстве случаев ненарушаемость залегания слоев.
Из сопоставления приведенных данных видно, как резко от-
личаются между собой коренные породы и четвертичные отло-
153
жения. Но дело не только в различии возраста пород, который
влияет на их особенности в пределах группы, системы, отдела,
яруса, горизонта, слоя, но и в условиях их образования, т. е.
генезиса. В этом плане достаточно сопоставить всем известные
ледниковые прочные глины и слабые озерно-ледниковые ленточ-
ные глины, чтобы убедиться в справедливости сказанного.
Все это вместе взятое лишний раз подчеркивает, что без зна-
ния данных геологии в широком смысле этого слова нельзя
успешно решать задачи, относящиеся к изучению работы си-
стемы сваи—грунты. В данной работе показано, что процессы,
происходящие в глинистых грунтах при забивке свай, по своей
природе преимущественно физико-химические и среди них глав-
ным является тиксотропия. Поэтому в дальнейшем авторы ис-
следований системы свая — грунт, анализируя закономерности,
должны всегда учитывать физико-химическую природу глини-
стых грунтов и в соответствии с этим через корреляционную
связь между модулем деформации и физико-химическими пара-
метрами грунтов вводить в свои формулы показатели этих
свойств. Только в этом случае можно рассчитывать на то, что
в формулах найдет отражение существо интересующих нас яв-
лений в глинистых грунтах при погружении в них свай.
Авторы придерживаются того взгляда, что при исследова-
ниях работы системы свая—грунт должны быть изучены усло-
вия залегания последних, структурно-текстурные особенности,
их сложение, состояние и т. д. Эти исследования следует прово-
дить на весьма высоком научном уровне с использованием рент-
гена, химических, термических анализов, электронной микроско-
пии и т. д. В противном случае полученные результаты едва ли
могут быть научно обоснованы.
Нам представляется, что внимание исследователей при изу-
чении системы свая — грунт должно быть сосредоточено на ре-
шении, наряду с другими, следующих вопросов:
1. Изучение генезиса, состава, состояния и свойств гли-
нистых грунтов и их способности к тиксотропным измене-
ниям при забивке свай необходимо для составления региональ-
ных норм по определению времени тиксотропного упрочнения
грунта. Это даст возможность выявить запас его прочности.
2. Проведение специальных исследований по определению
фактической зоны глинистых грунтов, переходящих при вибро-
погружении сваи в тиксотропное состояние, и времени, необхо-
димого для упрочнения окружающих сваю грунтов.
3. Создание единой методики испытаний свай с привлечением
результатов статического зондирования, позволяющего прогно-
зировать длительные осадки свайных фундаментов.
4. Последовательное изучение работы одиночной сваи и вы-
яснение основных закономерностей в ее поведении в глинистых
грунтах, что позволит успешнее решить сложную задачу, свя-
занную с работой свайного фундамента с любым числом свай.
ЛИТЕРАТУРА
1. А. И. Августин ни к. Явление тиксотропии в глинах и керамиче-
ских массах. В сб.: «Литье фарфорово-фаянсовых изделий и капселей». Гиз-
местпром, 1939.
2. Е. Аккерман. Тиксотропия и текучесть мелкозернистых грунтов.
В сб.: «Проблемы инженерной геологии», вып. 1. Изд-во «Иностранная ли-
тература», 1958.
3. Д. Д. Барка н. Устройство оснований сооружений с применением
вибрирования. Машстройиздат, 1949.
4. А. С. Беркман, А. И. Миклашевский. Зыбкость керамических
масс, способы ее измерения и устранения.— «Стекольная и керамическая про-
мышленность», 1946, № 11—12.
5. С. Я. Боженков, А. А. Бирюков. Деформации в грунтах при
погружении свай. В сб. трудов НИИПС НКПС. Трансжелдориздат, 1937.
6. Н. М. Герсеванов. Определение сопротивлений свай. Госстрой-
яздат, 1932.
7. И. М. Горькова, К. Н. Рябичева, В. Ф. Ч е п и к. О природе
плывунности песчано-коллоидных пород. Труды лаборатории гидрогеологиче-
ских проблем им. Ф. П. Саваренского. Изд. АН СССР, т. 15, 1957.
8. Р. Е. Г р и м. Минералогия глин. Изд-во «Иностранная литература»,
1956.
9. Г. Г р и н, Р. Уэлтман. Тиксотропия. Бюро технико-экономической
информации ЦИМТ нефти. Технико-информационные сборники «Бурение».
Физико-химия глинистых растворов, Гостоптехиздат, 1947.
10. Б. М. Г у м е н с к и й. Забивка свай и тиксотропия грунтов.— «Тех-
ника железных дорог», 1950, № 3.
11. Б. М. Гуменский. Тиксотропия грунтов и влияние на нее неко-
торых факторов. Материалы технического совещания по вопросам внедрения
новой техники при инженерно-геологических и гидрогеологических исследо-
ваниях на железнодорожном транспорте. Изд. НТО железнодорожного
транспорта и Минтрансстроя СССР. Днепропетровск, 1957.
12. Б. М. Гуменский. Основы физико-химии глинистых грунтов и
их использование в строительстве. Стройиздат, 1965.
13. Б. М. Гуменский. Погружение свай с помощью обмазок из глин
и искусственных смол. Стройиздат, 1969.
14. Б. М. Гуменский, Н. С. Комаров. Вибробурение грунтов. Изд.
МКХ РСФСР, 1959.
155
15. Б. М. Гуменский, Г. Ф. Новожилов. Тиксотропия грунтов и
ее учет при проектировании и строительстве автомобильных дорог и мостов.
Автотрансиздат, 1951.
16. Б. М. Гуменский, Г. Ф. Новожилов. К вопросу о явлениях,
протекающих в глинистых грунтах при погружении в них свай. В сб.: «Во-
просы инженерной геологии Ленинградского экономического р-на». Изд.
ЦБТИ, 1960.
17. Б. М. Гуменский, И. В. Климовская. О геологии участка
долины р. Оредеж, расположенного в районе геобазы ЛИИЖТа, по данным
ВЭЗ, полученным студентами. В сб. трудов ЛИИЖТа, вып. 285. Изд-во
«Транспорт», 1968.
18. А. А. Д о л и н с к и й, Р. А. Муллер. Определение нормативных
и расчетных характеристик прочности грунтов. В сб. трудов Союзморнии-
проекта, вып. 20(86) Изд-во «Транспорт», 1968.
19. Инструкция по испытанию свай и грунтов. Изд. Минтрансстроя, 1956.
20. Инструкция по нестандартным испытаниям свай статическими нагруз-
ками. Изд. ЛО Ленморниипроекта, 1966.
21. А. И. Львов. Погружение полых железобетонных свай способом за-
давливания.— «Транспортное строительство», 1961, № 2.
22. Механика грунтов, основания и фундаменты. Доклад к XXIII науч-
ной конференции ЛИСИ. Изд. ЛИСИ, 1965.
23. Механика грунтов, основания и фундаменты. Доклады к XXIV науч-
ной конференции ЛИСИ. Изд. ЛИСИ, 1966.
24. Механика грунтов, основания и фундаменты. Доклады к XXV науч-
ной конференции ЛИСИ. Изд. ЛИСИ, 1967.
25. Р. М. Н а р б у т. Исследование работы фундаментов при действии
горизонтальной нагрузки. Труды ЛИИЖТа, вып. 241. Изд-во «Транспорт»,
1965.
26. Г. Ф. Новожилов. О продолжительности процесса увеличения
несущей способности свай трения, забитых в глинистые грунты различного
состава. Сб. трудов ЛИИЖТа, вып. 196. Изд-во «Транспорт», 1962.
27. Г. Ф. Новожилов. Увеличение несущей способности свай во вре-
мени. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн,
наук. Изд. ЛИИЖТа, 1965.
28. Г. Ф. Н о в о ж и л о в. О необратимости во времени явления заса-
сывания свай. Сб. трудов ЛИИЖТа, вып. 250. Изд-во «Недра», 1966.
29. Г. Ф. Новожилов. Явления, протекающие в глинистых грунтах
при погружении и отдыхе свай, и их влияние на процесс увеличения сопро-
тивления висячих свай во времени. Сб. трудов ЛИИЖТа, вып. 234. Изд.
ЛИИЖТа, 1965.
30. Основания, фундаменты и подземные сооружения. Труды НИИОПС.
Стройиздат, 1967.
31. Основания, фундаменты и подземные сооружения. Труды НИИОПС,
Стройиздат, 1968.
32. А. В. Паталеев, Расчет свай и свайных оснований. Изд. Министерства
речного флота СССР, 1949.
33. Е. М. П е р л е й, Н. Я. Цукерман. Трубчатые железобетонные
сваи и колодцы оболочки для помышленного и гражданского строительства.
Стройиздат, 1969.
34. А. И. П р у д е н т о в. Железобетонные сваи с грунтовым ядром. Строй-
издат, 1966.
35. Е. И. П у с т ы л ь н и к. Статистические методы анализа и обработки
наблюдений. Изд-во «Наука», 1968.
156
36. A. E. P а д у г и н. Исследование влияния «отдыха» свай на их не-
сущую способность — «Основания, фундаменты и механика грунтов», № 6,
1966.
37. А. Е. Р а д у г и н. Об увеличении несущей способности коротких
свай во времени.— «Основания, фундаменты и механика грунтов», № 2, 1969.
38. С. М. Р а к. Исследование работы свай. Машстройиздат, 1950.
39. П. А. Р е б и н д е р, Н. А. С е м е н е н к о. О методе погружения ко-
нуса для характеристики структурно-механических свойств пластично-вязких
тел. ДАН СССР, 1949, т. 64, № 6.
40. М. Ре й н е р. Реология. Изд-во «Наука», 1965.
41. А. Р. Р ж а и и ц ы н. Теория ползучести. Стройиздат, 1968.
42. С. А. Роза. Об оценке прочности по компрессионным кривым для
строительных целей. Труды совещания по инженерно-геологическим свойст-
вам горных пород и методам их изучения, т. 1. Изд. АН СССР, 1956.
43. И. Е. Руднева. Изменение свойств глинистых грунтов при вибра-
ционном воздействии. Труды ВНИИГСа, вып. 24. Стройиздат 1967.
44. И. Е. Руднева, Г. И. Фомин. Результаты испытания моделей
трубчатых свай на вертикальную нагрузку в пластичных глинистых грунтах.
Труды ВНИИГСа, вып. 24. Стройиздат, 1967.
45. А. М. Р у к а в ц о в. О несущей способности железобетонных труб-
чатых свай. Совещание-семинар по обмену опытом проектирования и соору-
жения свайных фундаментов. Уфимское книжное изд-во, 1964.
46. О. А. Савинов. Об экспериментальном исследовании свойств на-
сыпных грунтов как оснований под машины. В сб. трудов НИИ оснований
и фундаментов (Ленинградское отделение), № 1. Машстройиздат, 1949.
47. О. А. Савинов, А. Я. Л у с к и н. Вибрационный метод погруже-
ния свай и его применение в строительстве. Стройиздат, 1960.
48. Сборник докладов и сообщений по свайным фундаментам. Изд. Баш-
ниистроя. Уфимское книжное изд-во, 1968.
49. Свайные фундаменты в условиях слабых грунтов. Материалы к крат-
косрочному семинару ЛДНТП, ч. I и II. Изд. ЛДНТП, 1966.
50. Г. М. С м и р е н с к и й. Сооружение свайных фундаментов из корот-
ких забивных свай для гражданских зданий г. Рязани. Совещание-семинар
по обмену опытом проектирования и сооружения свайных фундаментов. Изд.
Башниистроя. Уфимское книжное изд-во, Г964.
51. П. Р. Т и к у н о в. Зависимость сопротивления сваи от продолжи-
тельности «отдыха» в грунте после забивки. В сб. трудов НИИОПСа, вып. 45.
Стройиздат, 1961.
52. П. Р. Т и к у н о в. Отказомер и его применение на свайных работах.
Изд. НИИОПСа АСиА СССР. Изд-во АН СССР, 1962.
53. Ю. Г. Т р о ф и м е н к о в, А. А. О б о д о в с к и й. Свайные фунда-
менты для жилых зданий. Стройиздат, 1964.
54. Труды Новосибирского института инженеров железнодорожного транс-
порта, вып. 63. Новосибирское книжное изд-во, 1967.
55. Г. Ф р е й н д л и х. Тиксотропия. Изд. ГОНТИ, 1939.
56. Фундаменты многоэтажных зданий в условиях сильно сжимаемых
грунтов. Материалы к краткосрочному семинару ЛДНТП, ч. I и II. Изд.
ЛДНТП. 1968.
57. Н. А. Ц ы т о в и ч. Механика грунтов. Изд-во «Высшая школа», 1968.
58. Г. П. Чеботарев. Механика грунтов, основания и земляные со-
оружения. Стройиздат, 1969.
59. И. В. Яропольский. Полевые и лабораторные исследования
устойчивости и прочности свай. Труды ЦНИИВТа, вып. 155. Госстройиздат,
1935.
157
60. D. A. В os veil. A preliminary exemination of the thixotropy of some
sedimentary rocks. The quarterly journal of the geological Society of London.
1949, vol. 104, p. 4, N 416.
61. H. O. Golder. A note on piles in sensitive clays. Geotechnique
N 4, 1957.
62. W. Lamb. The structure of inorganic soil. Proc. ASCE, vol. 79, 1953,
Separate N 315.
63. D. Mohan, S. Chandra. Frictional resistance of bored Piles in
expansive clays. Geotechnique N 3, 1961.
64. T. Muller, H. I. Schaffner. Durch Probelastung zu Wirtshaft-
lichcn Pfahlgriindungcn. Bauplanung Bautcchnik. Heft 3, 1967.
65. O. Orrje, В. В г о m s. Effect of Pile driving on soil Properties.
Proceed, of ASME. SM 5. 1967, v. 93, p. 1.
66. Proc. IV Int. Conf. Soil Meeh, vol II, London, 1957.
67. Proc. V Int. Conf. Soil Meeh. vol. II, Paris, 1961.
68. Proc. VI Int. Conf. Soil Meeh. vol. II, Montreal, 1965.
69. L. C. Rees, H. B. Seed. Pressure distribution along friction piles.
Proc. ASCE, vol. 55, 1951.
70. A. I. Schaffner. Ein rheologisches Modell zur Auswerfung von
Pfahlprobelastungen. Die Bautechnik. Ausgabe B. h. 4, 1966.
71. H. B. Seed, С. К. C h e n. Thixotropic characteristics of compacted
clays. Proc. ASCE. vol. 83 SM. 4, November 1957.
72. H. B. Seed, L. C. Rees. The action of soft clay along friction pi-
les Proc. ASCE, vol. 81, 1955.
73. A. W. S к e m p t о n, R. D. N о r t h e y. The sensitive of clays Geotech-
nique, N 1, 1952.
74. Transaction Amer. Soc. Civ. Eng. (ASCE) vol. 115, 1950.
Роман Михайлович НАРВУТ
РАБОТА СВАЙ В ГЛИНИСТЫХ ГРУНТАХ
Стройиздат, Ленинградское отделение
Ленинград, пл. Островского, 6
Редактор Л. В. Ассовская
Технический редактор Н. М. Орехова
Корректор И. И. Кудревич
Обложка художника Б. П. Кузнецова
Сдано в набор 29/11 1972 г. Подписано к печати 26/VI 1972 г.
М-23273. Формат 60х90’/1б бум. № 2. Бум. л. 5. Печ. л. 10.
Уч.-изд. л. 10,55. Изд. № 1450Л. Тираж 8 000 экз. Заказ. 552.
Цена 76 к.
Ленинградская типография № 4 Главполиграфпрома Комитета
по печати при Совете Министров СССР, Социалистическая, 14.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие.................................................. 3
Глава I. Глинистые грунты и их некоторые строительные осо-
бенности ........................................................5
§ 1. Факторы, определяющие прочность глинистых грунтов . .
§ 2. Степень дисперсности глинистых грунтов и некоторые особен
ности глинистых частиц....................................
§ 3. Минеральный состав частиц глинистых грунтов ....
§ 4. Структурные связи между частицами глинистых грунтов .
§ 5. Виды воды и воздуха в глинистых грунтах..............
§ 6. Физическое состояние глинистых грунтов...............
§ 7. Структура, текстура и сложение глинистых грунтов . . .
§ 8. Водные свойства глинистых грунтов и их сжимаемость . .
7
И
16
22
26
28
33
Глава II. Тиксотропия глинистых грунтов.......................
§ 9. Основные сведения..........................................—
§ 10. Общие сведения о показателях тиксотропии глинистых грунтов 40
§ 11. Система избранных показателей тиксотропии глинистых грун-
тов ............................................................47
§ 12. Краткий обзор литературы о тиксотропии глинистых грунтов 52
Глава III. Процессы, происходящие в глинистых грунтах при по-
гружении и «отдыхе» свай, и их влияние на несущую спо-
собность последних........................................55
§ 13. К истории вопроса...................................... —
§ 14. О процессах разупрочнения глинистых грунтов при бойке
свай и их упрочнении при «отдыхе» последних....................63
§ 15. Соображения о процессах, происходящих в глинистых грун-
тах при вибропогружении в них свай.............................69
§ 16. Современное состояние вопроса об увеличении сопротивления
свай во времени................................................79
Глава IV. Увеличение несущей способности свай во времени по
данным полевых опытов ... ....................85
§ 17. Характеристика опытного участка и его особенности .... —
§ 18. Определение продолжительности увеличения несущей способ-
ности опытных свай.............................................89
§ 19. Исследование области деформации вокруг забитых свай . . 92
§ 20. Особенности некоторых изменений глинистых грунтов в обла-
сти деформации................................................ 96
Глава V. Деформация и прочность глинистых грунтов . . . .100
§ 21. Определение несущей способности свай расчетным методом —
§ 22. Определение несущей способности висячих свай методом
пробных нагрузок (статические испытания).......................НО
§ 23. Динамический способ определения несущей способности свай 119
§ 24. Определение сопротивления свай с помощью зондирования 126
§ 25. Работа горизонтально нагруженной сваи...................128
Глава VI. О времени упрочнения глинистых грунтов разного ми-
нерального состава и разной консистенции по данным опы-
тов с модельными сваями..................................132
§ 26. Общие данные об опытах....................................—
§ 27. Условия проведения опытов...............................136
§ 28. Результаты опытов и их обсуждение.......................139
§ 29. Полученные закономерности и их особенности..............145
§ 30. Пути использования тиксотропного упрочнения глинистых
грунтов разного минерального состава и разной консистенции
в инженерной практике................................... 147
§ 31. К оценке некоторых сторон исследований работы свай . . .151
Заключение.................................................. 153
Литература....................................................155
159