Любая вышележащая нагрузка, например поезд на E F a, вновь увеличит давление не только по причине веса, но и от толчков и вибрации.
Для сопротивления боковому давлению постели кладки лучше всего выполнять груботесаными. Для вертикальных нагрузок наилучшими являются постели, обработанные молотком (бучардованные).
Плечо рычага сопротивления значительно увеличивается за счет устройства уклона (откоса) стены с лицевой стороны, как в точке A D. Центр тяжести тогда проецируется по горизонтали в точку m′, но расстояние D m′ значительно больше, чем F m.
Рис. 134.
При неизменном объеме кладки за счет уменьшения верха и увеличения основания прочность существенно возрастает.
Когда подпорные стены подвергаются ударам или давлениям в особых направлениях, им можно существенно помочь с помощью контрфорсов, непосредственно противостоящих таким усилиям, как на рис. 134.
Прирост прочности, достигаемый таким образом за счет небольшого объема кладки, весьма велик.
Все устои, устойные крылья и боковые стены водопропускных труб подпадают под категорию подпорных стен.
Когда положение лицевой стороны стены не позволяет устроить контрфорсы, как на рис. 134, ее можно заанкерить (сделать «ласточкин хвост») в грунт; при этом последний плотно утрамбовывается вокруг кладки, как на рис. 135.
Рис. 135.
277. Вес различных грунтов и камней приведен в следующей таблице.
Name of material. Weight per cubic foot.
Brick, common 97 to 125
Brick, stock 115 to 135
Brickwork, (average,) 90 to 95
Chalk, 144 to 166
Granite, 164 to 187
Marble, 111 to 117
Mortar, (hair,) dry 80 to 86
Puzzolano, 160 to 178
Slate, 157 to 180
Stone, (average,) 140 to 150
Clay, (common,) 110 to 125
Clay and gravel, 150 to 170
Earth, common, 95 to 126
Gravel, 100 to 110
Quick-lime, 50 to 55
Quartz sand, 170 to 175
Common sand, 88 to 93
Shingle, 88 to 92
Earth, loose 90 to 95
Stone work, (hewn,) in wall, 160 to 175
Stone work, (unhewn,) in wall, 125 to 140
ГЛАВА XII. ФУНДАМЕНТЫ.
278. Фундаменты можно разделить на четыре класса.
Those on firm, dry land.
Those on unfirm dry land.
Those on solid bottom, under water.
Those on unfirm bottom, under water.
Фундаменты на твердом сухом грунте требуют лишь заглубления на достаточную глубину, чтобы находиться вне зоны действия морозного пучения: от одного фута в Южных штатах до двух-трех футов в Средних и четырех-пяти футов в Северных штатах. Первый ряд должен состоять из мелких плоских камней, уложенных насухо, но тщательно подогнанных вручную на дно; поверх этого слоя следует начинать кладку на растворе или цементе. Цель первого ряда мелких камней — распределить вес вышележащей кладки на грунт как можно более равномерно. Все валуны и округлые камни должны тщательно удаляться из фундамента.
Слабые грунты подготавливаются путем забивки свай, на которые укладывается платформа, несущая кладку, либо путем укладки нижних рядов непосредственно на головы свай. Песчаные сваи изготавливаются либо путем забивки и извлечения деревянной сваи и заполнения образовавшегося отверстия песком, либо путем выкапывания траншей и заполнения их песком. Приложенный вес таким образом распределяется по всей поверхности боковых сторон и дна, а не приходится только на дно. Когда вес тяжелого сооружения передается на несколько мелких опорных точек, их можно сделать быками и устоями ряда обратных арок, благодаря чему вся поверхность под сооружением начинает участвовать в восприятии нагрузки. Фундаменты на податливых, песчаных и влажных грунтах могут быть закреплены шпунтовым ограждением по периметру всего сооружения, благодаря чему грунт удерживается от расползания. Фундаменты на суше обычно не доставляют инженеру больших хлопот; однако работы, выполняемые под водой, требуют всей науки и терпения, которыми он владеет.
279. Можно выделить три метода устройства фундаментов под водой:
By driving piles.
By coffer-dam.
By caisson.
В очень мелководных местах, где не возникает опасности сужения русла, можно засыпать каменную наброску из рыхлого камня до достижения поверхности и на ней начинать нижние ряды кладки. Это называется «каменной наброской».
ЗАБИВКА СВАЙ.
Целью этой операции является уплотнение естественным образом слабых грунтов основания, поскольку сваи, забитые густо, препятствуют уплотнению, которое могло бы произойти под тяжелым сооружением. Сваи могут работать на сопротивление либо за счет трения о грунты, через которые они забиты, либо за счет опирания на прочный подстилающий слой, залегающий на слишком большой глубине, чтобы до него можно было докопаться. Сваи, забитые в глину, иногда действовали как проводники для воды, которая, просачиваясь вдоль боковой поверхности древесины, вызывала осадку, которой в противном случае не произошло бы.
Опыт показал, что при наличии хорошего подстилающего слоя расстояние в четыре фута от центра до центра является достаточно близким для восприятия самых тяжелых нагрузок.
Тот факт, что свая отказывается погружаться дальше, не означает, что она достигла слоя, достаточно прочного для восприятия требуемой нагрузки; ибо хотя она может опираться на твердое дно или сопротивляться погружению за счет бокового трения, когда нагрузка находится на свае в течение некоторого времени, она может оказаться слишком слабой, чтобы выстоять. В некоторых случаях сваи отказывались погружаться в грунт от удара бабы весом 1500 фунтов при падении с высоты двадцати футов при первоначальной забивке, а впоследствии уходили на три фута от удара бабы весом 1000 фунтов.
Следующая формула, показывающая сопротивление, которое должна оказывать свая, приведена Вейсбахом в «Механике машиностроения» (Mechanics of Engineering, т. I, стр. 285). Во-первых, когда баба остается на свае после удара:
P s = G′2 × H
G + G′.
И во-вторых, когда баба не остается на свае:
P s =(G′
G + G′)2 × GH
Пример. — Свая весом пятьсот фунтов забита на два фута сорока ударами бабы весом 1000 фунтов, падающей с высоты шести футов. Требуется определить вес, который может безопасно выдерживать свая без дальнейшего погружения.
Обозначения в приведенной выше формуле следующие:
G = the weight of the pile.
G′ = the weight of the ram.
H = the fall of the ram.
s = penetration per blow.
P = the weight in lbs.
Погружение за один удар составит 2 / 40, или 0,05 фута; а формула для второго случая:
(1000
1000 + 500)2 × 500 × 6
.05 = 48,000 lbs.
Из которого лишь одна десятая или одна двенадцатая часть является максимальной нагрузкой, которую следует постоянно прилагать к свае. Самым надежным испытанием несущей способности сваи является ее временное нагружение, когда это позволяют время и место.
Перроне считал пятьдесят тонн, или 112 000 фунтов, не слишком большой нагрузкой для двенадцатидюймовой сваи и допускал двадцать пять тонн для сваи диаметром девять дюймов.
Чтобы острие сваи не было разрушено при соприкосновении с твердым грунтом, на нижний конец иногда надевают железный башмак; а чтобы голова не раскалывалась, на верх набивают железное кольцо.
Сила удара, наносимого бабой, зависит от веса бабы (или молота) и от скорости, с которой она ударяет о сваю; скорость зависит от высоты, с которой она падает. Поскольку скорости свободно падающих тел пропорциональны времени, а пройденные расстояния — квадратам времени, мы имеем следующие правила, а из них — следующую таблицу.
Зная скорость тела, найти расстояние, с которого оно должно упасть:
(Velocity in feet per second
8)2 = space in feet.
Таким образом, чтобы тело приобрело скорость в двести футов в секунду, оно должно упасть с высоты:
(200
8)2 = 625 feet.
Зная пройденное при падении расстояние, найти скорость:
√height in feet × 64.3 = velocity in feet per second.
Таким образом, скорость тела, падающего с высоты двадцати футов, составит:
√20 × 64.3 = 36 feet per second.
Количество движения (импульс) есть произведение веса на скорость; поэтому для нахождения силы удара, наносимого бабой заданного веса, падающей с заданной высоты, мы сначала находим скорость по второму правилу. Кроме того, зная вес бабы и найдя скорость, необходимую для получения любого требуемого эффекта, легко найти высоту, и наоборот.
Examples.—Suppose we have a ram weighing 2,000 lbs. and wish to strike a blow of 25,000 lbs.; the velocity must be
25000
2000 = 12½ feet per second;
а для приобретения этой скорости высота падения должна быть (по первому правилу):
(12½
8)2 = 2.43 feet.
Далее, если у нас есть копер, допускающий высоту падения в пятнадцать футов, и мы хотим нанести удар в 18 000 фунтов, мы сначала находим скорость (по второму правилу) следующим образом: —
√15 × 64.3 = 31 feet per second nearly,
откуда вес:
18000
31 = 581 lbs.
Конструкция обычного копра слишком хорошо известна, чтобы нуждаться в описании.
Система забивки свай мистера Несмита заключается в погружении сваи в грунт большим количеством ударов, следующих один за другим в быстром темпе. Сваи забивались его копром в сухом доке Соединенных Штатов в Бруклине (шт. Нью-Йорк) следующим образом: свая была погружена на пятьдесят семь футов молотом весом 4500 фунтов; она была забита на сорок два фута за семь минут тремястами семьюдесятью тремя ударами.
ВИНТОВАЯ СВАЯ МИТЧЕЛЛА.
Винтовая свая Митчелла представляет собой чугунную колонну, вокруг нижней части которой имеется спиральный фланец. Ее ввинчивают в грунт, и она оказывает большое сопротивление вертикальному давлению благодаря большой полученной опорной поверхности.
АТМОСФЕРНАЯ СИСТЕМА ДОКТОРА ПОТТСА.
280. Все методы устройства фундаментов в сложных условиях должны уступить вышеописанному способу, который заключается в откачке воздуха из полого чугунного цилиндра; при этом давление на поверхность грунта снаружи цилиндра выдавливает грунт непосредственно под сваей внутрь ее; в то же время свая погружается в образовавшееся отверстие как под действием собственного веса, так и под воздействием атмосферного давления снаружи. Грунт удаляется из внутренней части сваи; и когда она погружена на необходимую глубину, внутреннее пространство заполняется бетоном.
Очень успешное применение вышеуказанной системы было осуществлено на Гудвинских отмелях в устье реки Темзы (Англия). Эти пески меняют свое положение при каждом сильном шторме и в то же время настолько плотны, что стальной стержень удавалось забить кувалдой всего на восемь футов; а заостренный стержень диаметром три дюйма при погружении на глубину тринадцать футов требовал сорока шести ударов бабы весом сто фунтов, падающей с высоты десяти футов, чтобы погрузить его на один дюйм. Но полая свая диаметром два с половиной фута была погружена на семьдесят восемь футов со скоростью десять футов в час в течение некоторого времени. В случае встречи с коренной породой свая может быть превращена в водолазный колокол, и препятствие удалено.
Свая отливается секциями длиной десять или двенадцать футов и соединяется фланцами со стыками на цементе.
При строительстве моста в Рочестере (Англия) свая такого рода была нагружена тридцатью тоннами железных рельсов, что вызвало осадку в три четверти дюйма. После удаления рельсов и откачки воздуха свая одним движением опустилась на шесть с половиной футов. Затем на сваю было уложено сто тонн рельсов, и осадка вновь составила три четверти дюйма. (Это небольшое опускание было обусловлено сжатием грунта.)
Сваи, поддерживающие мост через Шеннон на Мидлендской и Великой западной железной дороге (Англия), были погружены по этой системе; они имеют диаметр десять футов и заполнены бетоном.
После забивки деревянных свай их срезают на надлежащем уровне для укладки нижних рядов кладки. В некоторых случаях на головы свай укладывают квадратные деревянные наголовники, а поверх них — дощатый настил. В других — пространства между сваями заполняют цементом и бетоном.
КОФЕРДАМ.
281. При устройстве фундаментов в воде глубиной от пяти до двадцати пяти футов иногда используется приспособление, называемое «кофердамом» (перемычкой). Оно образуется путем забивки двойного или тройного ряда свай вокруг фундамента; эти ряды делаются водонепроницаемыми либо с помощью шпунтованных прямоугольных свай, либо с помощью круглых свай, к которым крепится дощатая обшивка. Пространство между рядами свай освобождается от воды и плотно забивается глиной или другим водонепроницаемым материалом. Внутренняя часть перемычки затем осушается насосами, и кладка укладывается так же, как на суше. Толщина перемычки зависит от глубины воды; давление на нижнюю часть, разумеется, намного больше, чем на верхнюю. Если рассматривать ее как массив, сопротивляющийся своим весом опрокидыванию от давления воды, то толщину было бы легко рассчитать. Так, если глубина воды составляет двадцать футов, полное гидростатическое давление на каждый погонный фут перемычки составляет 20 × 1 × 10 × 62½ = 12 500 фунтов; и поскольку вес воды возрастает в порядке членов арифметической прогрессии, как и давление, его можно выразить элементами треугольника, высота которого равна глубине; а поскольку центр тяжести треугольника находится на расстоянии двух третей высоты от вершины, давление можно рассматривать как сосредоточенное на одной трети глубины от дна; и плечо рычага вышеуказанных 12 500 фунтов составляет:
20
3 = 6.67 feet;
а разрушающее усилие составляет 83 375 фунтов. Сопротивление глиняной плотины высотой двадцать футов и толщиной десять футов составит
20 × 10 × 110 × 10
2 = 110,000 lbs.
Определение толщины таким способом сделало бы плотину при большой глубине воды весьма массивной; и обычно лучше раскреплять внутреннюю сторону против грунта, а когда кладка позволяет — против нее.
Плотина следующей толщины оказалась совершенно надежной:—
Depth of water. Thickness.
6 feet. 3 feet.
10 feet. 5 feet.
15 feet. 8 feet.
20 feet. 12 feet.
25 feet. 14 feet.
Наилучшая форма для большого кессона — круглая или эллиптическая, поскольку давление в таком случае воспринимается во всех точках более равномерно, чем при наличии в плане плоских сторон и углов.
Для поддержания плотины в сухом состоянии во время проведения работ вдоль одной из ее сторон устанавливаются насосы, нижние концы которых помещаются в траншею или колодец, осушающие дно.
Быки Викторианского моста в Монреале (Канада) возведены с помощью кессонов. Поскольку некоторые быки находятся на небольшой глубине и на скальном основании, которое не позволяло забивать сваи, кессоны для них строились секциями, доставлялись вплавь к месту работ и закреплялись якорями.
УСТРОЙСТВО ФУНДАМЕНТА С ПОМОЩЬЮ КЕССОНА.
282. На глубокой воде кессон становится весьма дорогостоящим из-за размеров и длины свайного омоноличивания и требуемого количества связей. В таких случаях прибегают к кессону, который представляет собой просто ящик, в котором возводится кладка, после чего он опускается на проектное место. Способ погружения кладки с помощью кессона лучше всего показать на примере.
Предположим, мы хотим погрузить бык длиной тридцать футов, высотой двадцать футов и шириной шесть футов при глубине воды двадцать футов.
Пусть днище кессона состоит из двух рядов брусьев сечением 12×12 дюймов, прочно скрепленных под прямым углом друг к другу. Пусть ряды кладки имеют толщину два фута. Примем вес кубического фута камня равным ста шестидесяти фунтам, кубического фута дерева — тридцати и воды — шестьдесят двум фунтам на кубический фут.
Каждое плавающее тело будет погружаться до тех пор, пока оно не вытеснит количество воды, равное его собственному весу.
Если днище имеет ширину десять футов и длину тридцать пять футов, оно будет весить
35 × 10 × 2 × 30 = 21,000 lbs.
один ряд кладки весит
30 × 6 × 2 × 100 = 57,600 lbs.
one course of side timbers, 12 × 12, which are laid upon the sides of the raft,
(2 × 35 + 2 × 8) × 30 = 2,580 lbs.
Теперь нагрузим днище одним рядом кладки и тремя рядами боковых брусьев, и мы получим
Stone 57,600 lbs.
Bottom of caisson 21,000 lbs.
Three side courses 7,740 lbs.
In all: 86,340 lbs.
что, разделенное на 62, дает 1392; что, разделенное на площадь днища кессона, дает
1392
350 = 3.98
или почти четыре фута глубины, на которой будет плавать кессон. При этом борта остаются на один фут выше поверхности воды.
Уложив второй ряд кладки и еще три боковых ряда брусьев, мы получаем
Floor 21,000 lbs.
Two courses masonry 115,200 lbs.
Six side courses 15,480 lbs.
In all 151,680 lbs.
что, разделенное на 62 и на 350, дает почти ровно семь футов; при этом верх остается на один фут выше поверхности.
Таким же образом мы действуем до тех пор, пока кессон не сядет на дно, которое было предварительно подготовлено либо забивкой свай, либо дноуглублением. По достижении дна борта снимаются, а кладка остается на основании. Кессон в любой момент может быть опущен на дно путем заполнения водой и поднят снова посредством откачки. Кладка может укладываться либо с барж или плотов на месте работ, либо на берегу. Направляющие сваи необходимы для обеспечения правильного спуска и предотвращения опрокидывания.
При укладке камня под водой следует помнить, что погруженная в воду кладка теряет почти 62/100 своего веса и, следовательно, более подвержена повреждениям от ударов, чем находящаяся над поверхностью.
ГЛАВА XIII. ВЕРХНЕЕ СТРОЕНИЕ.
283. Ничто так не способствует успешному выполнению любой задачи, как правильное представление о том, что требуется. Мистер У. Б. Адамс дает следующее определение того, каким должно быть хорошее верхнее строение:—
«Основными требованиями к верхнему строению пути являются: чтобы он был хорошо дренирован, особенно в непосредственной близости от подстилающего слоя; чтобы вес и разрушающая способность локомотивов и подвижного состава рассматривались как исходные данные для расчета; чтобы прочность, твердость и вязкость рельсов, а также неподвижность подстилающего слоя соответствовали тяжелейшей работе, которой подвергнется железная дорога; чтобы подстилающий слой имел площадь опорной поверхности, пропорциональную воспринимаемой нагрузке и характеру рельса и балласта; и достаточно прочное сцепление с грунтом для предотвращения расшатывания или бокового смещения от боковых толчков паровозов и поездов; чтобы рельсы обладали достаточной вертикальной и поперечной жесткостью, заложенной либо в них самих, либо в их скреплениях, для предотвращения любого прогиба; и имели достаточную твердость поверхности, чтобы не расслаиваться и не разрушаться под воздействием движущихся нагрузок; а также имели достаточную ширину или площадь поверхности катания для уменьшения сминающего действия колес.