Основания сооружений на песке

Чистый кварцевый песок представляет собою грунт, вполне не сжимаемый, но легко размываемый водою, причем чем мельче песок, тем легче он размывается.

Сухой песок, при насыпании его в кучу или отрывании в нем выемки, обсыпается, образуя откосы в 30—35° к горизонту; этот угол называется углом естественного откоса песка.

Влажный песок, особенно слежавшийся в грунте, способен держать и вертикальные откосы, но лишь при известной ограниченной их высоте или в течение не очень продолжительного времени, по прошествии которого крутые откосы обваливаются. Весьма мелкий песок, разжиженный водою, держит лишь откосы в 10—20 и даже менее; такой песок носит название плывуна.

Если на поверхность песка производит давление какой-нибудь тяжелый предмет, то он станет погружаться в песок, выпирая вокруг себя некоторое его количество в виде валика (фиг. 31), причем чем более давление, приходящееся на единицу поверхности песка, тем глубже предмет погрузится в него. Однако после погружения тяжелого предмета на некоторую глубину дальнейшее погружение его и выпирание песка прекращаются; это объясняется тем, что при известной глубине погружения в песок тяжелого тела наступает момент равновесия между давлением этого тела и противодействием песка выпиранию из-под подошвы тела.

В 50-х годах прошлого столетия профессор Паукер сделал попытку определения глубины заложения основания сооружений в песчаном грунте; исходя из теории равновесия между призмами обрушения CAB (фиг. 32) и сопротивлении EDBF при наиболее невыгодных условиях (при наибольшем горизонтальном давлении P и наименьшем сопротивлении R), Паукер вывел следующее выражение для наименьшей глубины заложения подошвы фундамента h:

где: H — высота столба песка, соответствующая данной нагрузке на основание, т. е. Ff = P/b, P — нагрузка на 1 кв. единицу поверхности основания, a b — вес 1 куб. единицы песка и ф — угол естественного откоса песка.

Точно такую же формулу дал и английский инженер Ранкин, выведя ее на основании теории равновесия бесконечно малых элементов сыпучего тела. Формула эта выведена Паукером и Ранкиным в предположении, что от тела может отколоться вертикальный слой ACLK, наиболее важный для сохранения равновесия.

Профессор Янковский, заметив неточность результатов, даваемых формулою Паукера, ввел в нее поправку: он принял за призму сопротивления не трапецию EDBF, а весь треугольник GDB, причем глубина заложения основания в песке выразилась формулою

Однако после поверки этой формулы профессорами Kypдюмовым и Янковским на опытах, произведенных в механической лаборатории Института инженеров путей сообщения, оказалось, что и она не соответствует результатам, получаемым на практике, вследствие чего ими была выведена новая формула, в которой было принято во внимание пренебрегавшееся ранее трение песка по раздельной плоскости призм обрушения и сопротивления. При этом вторая формула Янковского выразилась в следующих двух видах:

Здесь H — высота столба песка, соответствующая нагрузке на единицу площади основания, h — глубина заложения основания (подошвы фундамента), b — ширина фундамента и ф — угол трения песка.

Формула (3) определяет глубину заложения основания в песке при условии возможности откалывания от фундамента наиневыгоднейшего для устойчивости слоя, а из формулы (4) определяется глубина заложения основания в том случае, если такого отслаивания фундамента произойти не может.

Результаты произведенных опытов подтвердили достаточную верность второй формулы Янковского, которая дает глубины заложения оснований в песке в 8—12 раз меньшие, чем формула профессора Паукера; однако, имея в виду, что одни лабораторные опыты не могут служить надежною поверкою формулы и что эта формула выведена для совершенно сухого песка, на практике следует ее применять с некоторым поправочным коэффициентом т (большем единицы), увеличивая его для тех случаев, когда песчаное основание может быть пропитано водою.

Временные правила и нормы проектирования и возведения сооруженный изд. 1929 г. дают формулу Паукера в виде:

где h — искомая глубина заложения в метрах, n — давление на грунт, g — вес единицы объема грунта и в — угол естественного откоса грунта, s — коэффициент запаса, обычно принимаемый равным 1, но в отдельных случаях повышаемый до 1,25, напр., при слабом грунте, сильном подпоре грунтовых вод и т. п.

При наличии плотного бетонного пола в подвале коэффициента S может быть снижен до 0,75.

Предельные величины Л для песчаных и глинистых грунтов и допускаемых напряжений, равно как и величины угла ф даны b таблице характеристики грунта.

Из всего вышесказанного видно, что глубина заложения поверхности основания в песке зависит от нагрузки, приходящейся на единицу поверхности подошвы, сооружения, от ширины фундамента (если он не способен расслаиваться по вертикальным плоскостям), от угла естественного откоса и удельного веса песка.

Чистый песок в слое, толщиною более 4 м, вообще представляет прекрасное естественное основание для самых тяжелых сооружений.

Если горизонт грунтовых вод лежит ниже глубины промерзания грунта, то эта последняя не имеет значения при определении глубины заложения песчаного основания, так как в песке вода не задерживается, вследствие чего промерзание песка не может вызвать в его массе движения, вредно отзывающегося на устойчивости сооружения.

Если песчаное основание пропитано грунтовыми водами, то это обстоятельство необходимо принимать в соображение при определении глубины заложения подошвы фундамента, которая в этом последнем случае должна быть опущена ниже уровня промерзания грунта; в то же время, как было сказано выше, угол естественного откоса пропитанного водою песка меньше, чем сухого, а потому и определенная по формуле Янковского глубина заложения основания в этом случае будет больше, чем при сухом песчаном грунте. Наконец, в случае, если песчаное основание может подвергаться размыву жильною, ключевою или даже имеющею значительную скорость грунтовою водою, необходимо принять меры для ограждения его от такого размыва.

С этою целью ограждают основания сплошною стенкою из шпунтовых досок, забиваемых до водонепроницаемого слоя (фиг.33); если в каком-нибудь месте основания под самым фундаментом, в пределах ограждения шпунтовым рядом, будет открыт ключ, то его или заглушают, или выводят посредством колена из керамики или чугуна за пределы основания, или, наконец, ограждают это место поперечными шпунтовыми стенками, смыкая их с продольными (фиг. 34), которые на участке между поперечными прерываются: в этом случае здесь в фундаменте устраивается разгрузная арка.

Предельная нагрузка па плотный песчаный грунт прежде принималась 1—1,5 кг на 1 кв. см (0,1—0,6 пуда на 1 кв. дюйм), но по Schmitt'y она может быть увеличена до 30—4,0 кг на 1 кв. см (1,2—1,6 пуда на 1 кв. дюйм), а Hatte до 10,5 кг на 1 кв. см (4 пуда на 1 кв. дюйм) поверхности основания (при отсутствии воды).