«Давление, сопротивление и устойчивость грунта»

АМЕРИКАНСКОЕ ОБЩЕСТВО ИНЖЕНЕРОВ-СТРОИТЕЛЕЙ

ОСНОВАНО В 1852 ГОДУ

ТРУДЫ

Доклад № 1174

ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА, СОПРОТИВЛЕНИЕ И УСТОЙЧИВОСТЬ. [A]

Автор: Дж. К. Мим, чл. Американского общества инженеров-строителей

С обсуждением доклада приняли участие Т. Кеннард Томсон, Чарльз Э. Грегори, Фрэнсис В. Перри, Е. П. Гудрич, Фрэнсис Л. Пруйн, Франк Х. Картер и Дж. К. Мим.

В заключительном обсуждении работы автора «Крепление траншей и тоннелей с практическими формулами для расчета давления грунта» [B] были отмечены некоторые небольшие эксперименты, касающиеся сводообразующих свойств песка. В настоящей работе предлагается вновь вернуться к вопросу давления грунта, но рассмотреть его более подробно, описать некоторые дальнейшие эксперименты и выводы из них, а также рассмотреть сопротивление и устойчивость грунта применительно к свайным работам и фундаментам, а также давление на субаквальные (подводные) сооружения в мягком грунте и их плавучесть.

Для того чтобы эта работа была самодостаточной, в некоторых случаях потребуется по существу включить часть материалов из предыдущей работы, и автор просит снисхождения у читателей, которые это заметят.

Fig. 1.

Эксперимент № 1. — Поскольку эксперименты с песком в ящиках, описанные в предыдущей работе, проводились в небольшом масштабе, к ним могут возникнуть претензии, поэтому автор провел данный эксперимент в масштабе, достаточном для того, чтобы сделать результаты гораздо более убедительными. Как показано на рис. 1, были построены деревянные устои шириной 3 фута, расстоянием между ними 3 фута и высотой около 1 фута, которые были доверху заполнены песком. Затем поперек устоев были возведены деревянные стены шириной 3 фута и высотой 4 фута; поверх их торцов на расстоянии примерно 2 футов от каждого устоя были установлены прочно сколоченные и раскрепленные рамы. Фальшднище, выполненное с возможностью свободного скольжения вверх и вниз между устоями и слегка выступающее за пределы стен с каждой стороны, было плотно подперто снизу вплотную к нижним краям боковых стенок, в результате чего образовался ящик размером 3х4х7 футов (последний размер не имеет значения). Болты длиной 44 дюйма с длинной резьбой были пропущены снизу через фальшднище и через сосновые шайбы размером 6х15х2 дюйма до гаек наверху. Ящик был заполнен обычным крупным песком из траншеи с максимально возможным уплотнением песка. Концы были затянуты на шайбах, которые, в свою очередь, опирались на уплотненный песок. После этого подпорки из-под фальшднища были выбиты, и было отмечено следующее:

Как только подпорки были удалены, днище опустилось почти на 2 дюйма, как показано на рис. 1 на Пластине XXIV, вследствие первоначального уплотнения песка под действием сводообразующих напряжений. Было измерено расстояние от нижней поверхности шайб до верха фальшднища, которое составило 41 дюйм (рис. 1). Спустя примерно три-четыре часа, поскольку свод не был разрушен, было решено испытать его под большей нагрузкой, и на него поместили четырех человек, а еще четверо встали на пятки свода, как показано на рис. 2 на Пластине XXIV. Под этой дополнительной нагрузкой около 600 фунтов днище опустилось еще на 2 дюйма, то есть почти на 4 дюйма в общей сложности, вследствие дальнейшего сжатия песчаного свода. Примерно через час после снятия внешней нагрузки автор толкнул ящик ногой с такой силой, чтобы сместить часть обнаженного песка, после чего свод немедленно обрушился, и днище упало на землю.

Обращаясь к рис. 2, можно отметить, что если бы вместо обычного песка блок, заключенный в области A U J V X, состоял из замороженного песка, нет никаких оснований полагать, что он не удержался бы сам, образовав идеальный свод при удалении всего материала ниже линии V E J. По сути, сам процесс замораживания при проходке тоннелей в мягком грунте основан на этом хорошо известном принципе.

Fig. 2.

Fig. 3.

Следовательно, если вместо удаления массы J E V разрешить ей оставаться на месте и опираться на вышележащую массу, необходимо признать за этой массой в ее нормальном состоянии те же сводообразующие свойства, которые она имела бы в замороженном виде, за исключением, разумеется, того, что следует предусмотреть большую толщину замка свода для компенсации большей тенденции к сжатию во влажном и сухом песке по сравнению с замороженным при измерении обоих в стесненных условиях.

Если на рис. 2 E V J = φ = угол естественного откоса, и если предположить, что AJ — линия, делящая пополам угол между углом естественного откоса и перпендикуляром — определяет в месте пересечения со средней вертикалью (A, рис. 2) высоту, необходимую для обеспечения достаточной толщины замка свода, можно заключить, что этот песчаный свод будет самонесущим. То есть предполагается, что арочный эффект реализуется практически в пределах зоны A N₁ V E J N A, разгружая тем самым нижележащую конструкцию от напряжений, вызванных весом или распором любого вышележащего материала, а часть материала ниже V E J представляет собой, вероятно, мертвый вес для любой нижележащей конструкции и при поддержке снизу образует естественную опалубку для расположенного выше естественного свода. Вероятно также, что материал в зонах X N₁ A и A N U не увеличивает несущую способность свода, особенно в тех материалах, где сцепление не может учитываться как фактор. Это подтверждается тем фактом, что в описанном эксперименте на поверхности песка образовалась четко выраженная трещина примерно в точке U₁ и простиралась, по-видимому, на значительную глубину, предположительно до точки N, где линия пяты пересекается с линией откоса из точки A.

Plate XXIV, Fig. 1.—Initial Settlement in 3-Ft. Sand Arch, Due to Compression of Material on Removing Supports from Bottom.

Plate XXIV, Fig. 2.—Final Settlement of Sand Arch, Due to Compression in Excess Loading.

В этом эксперименте песок был хорошим, острым, содержал некоторое количество гравия и был взят непосредственно из прилегающей выемки. При свободном ссыпании в кучу он принимал угол естественного откоса около 45 градусов. Следует отметить, что этот материал при испытании был уплотнен не так сильно и не обладал таким же сцеплением, как песок в его нормальном ненарушенном состоянии в массиве, и по этой причине считается, что приведенная здесь глубина замка свода является абсолютно безопасной для всех условий, за исключением чрезвычайных, таких как неоднородный материал и другие случаи, которые могут потребовать специального рассмотрения.

Возвращаясь к области A N₁ V J N A на рис. 2, следует отметить, что хотя она является самонесущей, по крайней мере некоторая часть ее нижней части должна получать перво-начальную поддержку от нижележащей «опалубки», и автор принял волевое допущение, что нижняя половина этой зоны воспринимается конструкцией, в то время как верхняя половина полностью от нее не зависит, и, делая такое предположение, он считает, что закладывает в расчет дополнительный коэффициент безопасности. Таким образом, область, которая, как предполагается, воспринимается подземной конструкцией, глубина которой достаточна для пересечения линий VA и JA ниже поверхности, представляет собой нижнюю половину A N₁ V E J N A или ее эквивалент A V E J A плюс область V E J, то есть A V J A, причем угол A V J равен...

.

Нельзя предполагать, что эти линии распора или передачи давления (A N, D K и т. д.) будут прямыми, однако для целей расчета они будут приняты в качестве таковых; также предполагается, что они действуют вдоль и параллельно линиям естественного откоса, и что распор грунта будет поэтому определяться соотношением между радиусом и тангенсом этого угла, умноженным на вес затронутого материала. Мертвый вес на плоскости V J, обусловленный вышележащим материалом, определяется формулой, в которой

l — пролет или габаритная ширина проема = V J, W — вес единицы объема материала и W₁ — вес на погонный фут.

.

Применение вышесказанного к тоннелям с полоткими сводами или круговым тоннелям весьма просто, за исключением того, что вопрос бокового распора также следует рассматривать как фактор. Распор на боковую стенку тоннеля в сухом песке с пологим углом естественного откоса неизменно будет больше, чем в очень влажном песке или глине, имеющих гораздо более крутой откос, и по той же причине распор свода в более сухом песке больше, следовательно, нагрузка на тоннельную конструкцию не должна быть столь великой, так как материал является плотным и сцепление не учитывается как фактор. Это можно проиллюстрировать, обратившись к рис. 3, из которого видно, что чем положе положение «подкосов», упирающихся в замки W₁, W₂, и W, тем больше будет боковой распор в точках A, C и F. Это также можно проиллюстрировать, предположив, что сводообразующий материал состоит из кубов полированного мрамора, установленных вертикально один над другим вплотную в виде колонн. В этом случае боковой распор отсутствовал бы полностью, но вместе с тем не развивались бы и сводообразующие свойства, и над кровлей тоннеля, вероятно, потребовалось бы достичь неопределенной высоты, прежде чем возникло бы трение, достаточное для того, чтобы разгрузить конструкцию от какой-либо части ее нагрузки. И наоборот, если предположить, что вышележащий материал состоит из крупных шаров для боулинга, сцепляющихся друг с другом с некоторой степенью регулярности, видно, что верхние шары образуют свод над «опалубкой», создаваемой шарами, которые поддерживаются непосредственно кровлей сооружения, разгружая тем самым конструкцию от любой нагрузки, кроме обусловленной этой «опалубкой».

Если теперь провести линию AB на рис. 4 так, чтобы она образовывала с AC угол β, который будет рассмотрен ниже, и предположить, что она определяет зону давления на AC, а также провести линию CF, образующую с CG угол α, упомянутый выше, то GF может быть в некоторой степени уменьшена вследствие увеличения GC до CB, поскольку боковой распор выше линии BC незначительно уменьшил вышележащую нагрузку. Автор принимает произвольное предположение, что это уменьшение GF должно составлять 20% от BC = F D₁. Если затем провести линию B D₁, то считается, что весь материал в пределах зоны A B D₁ G C A создает прямое давление на конструкцию G C A или в ее сторону, причем вертикальные линии представляют собой ординаты давления от веса, а горизонтальные линии (скорректированные определенными коэффициентами) — абсциссы давления от распора. Крайнее измерение этой зоны давления, несомненно, ближе по форме к кривой, чем к приведенным прямым линиям, и поэтому на графике проведена кривая A R T I D ₂, которая дает графическое и приближенное безопасное значение зоны, в которой любая вертикальная ордината, умноженная на вес, дает давление на кровлю в данной точке, а любая горизонтальная линия, или абсцисса, деленная на тангенс угла естественного откоса и умноженная на вес на фут, дает давление на стену в этой точке.

Fig. 4.

Практический вывод из всего этого допущения заключается в том, что материал в зоне F E C B B₁ образует с эквивалентной противоположной зоной свод, реагирующий на грань C B B₁, и что, как отмечалось ранее, нижняя половина веса этой зоны (или ее эквивалент B D₁ G B) принимается на себя конструкцией, в то время как верхняя половина является самонесущей, как показано линией B Ɑ I D Ⅳ (или, для абсолютной безопасности, кривой линией); следовательно, если пропустить тяжи от забирки внутри тоннеля в точку за пределами линии F B₁, как показано линиями 5, 6, 7, 8, 11, 12, 13 и т. д., то внутреннее крепление этого тоннеля можно было бы опустить, или сам тоннель был бы разгружен от всех нагрузок, в то время как эти тяжи воспринимали бы какую-то большую часть, по крайней мере, веса в зоне, ограниченной кривой D Ⅱ I T G; кроме того, тоннельная конструкция указанных приблизительных размеров воспринимала бы максимальную нагрузку при расположении поверхности земли между D Ⅳ и F, за пределами которой давление оставалось бы постоянным для всех глубин.

При расчете давления на циркульные своды арочная зона должна быть сначала графически преобразована в прямоугольный эквивалент, как в правой половине рис. 4, с последующим выполнением расчета, как указано выше.

В качестве частичного подтверждения того, что в обычном грунте (не в водонасыщенном) давления ни в коем случае не превышают значения, полученные вышеописанными методами, приводится ряд примеров; весьма вероятно, что с аналогичными примерами или опытом сталкивался каждый инженер, занимающийся проходкой тоннелей в мягких грунтах:

При строительстве тоннельного коллектора Бэй-Ридж на 62-й и 64-й улицах в Бруклине арочное деревянное крепление, показанное на рис. 1 на Пластине XXVI, использовалось на протяжении более чем 4 000 футов, то есть на двух третях из всех 5 800 футов, предусмотренных контрактом. Внешняя ширина проема, измеренная по лежню, в среднем составляла около 19 футов для круглого коллектора диаметром 14½ футов и 19½ футов для коллектора диаметром 15 футов. Сегменты арочного крепления в поперечном сечении представляли собой северную сосну хорошего качества размером 10х12 дюймов с подрезкой торца на 2 дюйма для создания опорной поверхности под распор. Они устанавливались с шагом 5 футов по осям и опирались на лежни размером 6х12 дюймов из того же материала, что указан выше. Предел прочности этого материала поперек волокон в сухом и хорошем состоянии, согласно данным испытаний Лесного департамента США, составляет около 1000 фунтов на сжатие. Некоторые испытания [C], проведенные в 1907 году г-ном Э. Ф. Шерманом для плотины на реке Чарльз в Бостоне, шт. Массачусетс, показывают, что в желтой сосне, выдержанной в воде в течение двух лет, трещины начинали образовываться при нагрузках от 388 до 581 фунта на кв. дюйм, а просадки на ¼ дюйма фиксировались при нагрузках от 600 до 1000 фунтов. Поскольку лежни тоннеля, описанные в этой работе, подвергались периодическому увлажнению и постоянно находились во влажной атмосфере, их ни в коем случае нельзя было приравнивать к сухому материалу. Если бы на эти лежни действовала полная нагрузка, указанная выше, они испытывали бы напряжение около 25 тонн каждый, что составляет почти половину их предельной прочности. Лишь в одном или двух случаях на участках длиной 100 футов в одном случае и 200 футов в другом, где имелись крупные зоны плывуна, достаточные для возникновения полуводного давления, либо линзы такого же материала, вызывающие эксцентричную нагрузку, эти лежни проявляли признаки тяжелого давления, а во многих случаях они находились в столь хорошем состоянии, что их можно было извлечь и использовать вторично и третично. В поле зрения автора попали два особенно интересных случая: в первом из них вследствие обрушения внутреннего крепления нагрузка от целой секции длиной 25 футов и шириной 19 футов в течение нескольких часов удерживалась ребрами, установленными с шагом 5 футов. Минимальное поперечное сечение этих ребр составляло 73 кв. дюйма, и они находились под напряжением, как указано выше, в 50 000 фунтов, что почти достигало фактического предела прочности лежня в месте опирания ребра. При осмотре этих лежней после восстановления внутреннего крепления не было обнаружено никаких признаков того, что они подвергались каким-либо необычным напряжениям.

Plate XXV, Fig. 1.—Normal Slopes and Strata of Newly Excavated Banks.

Plate XXV, Fig. 2.—Normal Slopes and Strata of Newly Excavated Banks.

В другом случае на протяжении более чем 700 футов отметка дна коллектора находилась на 4 фута ниже уровня воды в плотном песке. При разработке грунта в нижней части траншеи воду приходилось откачивать со скоростью более 300 галлонов в минуту, и требовалось устраивать сплошное шпунтовое ограждение траншеи между лежнями для укладки секции основания. Несмотря на предельную аккуратность, некоторая часть грунта неизбежно терялась, что выражалось в небольшой просадке лежней и ослаблении клиньев в опорах, поддерживающих арочные крепи. Во время этих работ по устройству основания два рабочих с каждой стороны постоянно занимались подтяжкой клиньев и прокладок над арочными крепями. Тот факт, что эти крепи ослабли (без соразмерной осадки кровли), невозможно объяснить никакой другой теорией, кроме той, что арочный эффект был настолько совершенен, что он разгрузил крепление от большей части нагрузки, а обычный рыхлый материал удерживался на месте за счет сводообразования или заклинивания друг с другом 2-дюймовых 3-футовых досок забирки в кровле, расположенных в виде сегментного свода. Материал выше этой кровли представлял собой крупный плотный песок, проходка в котором без потерь грунта была затруднена; он беспрепятственно пропускал воду после каждого дождя до завершения дренажных работ на соседнем водоеме, причем рабочие неизменно отказывались возобновлять работу до прекращения притока воды.

Вышеизложенное относится только к материалам, обычно встречающимся в грунтах, не являющихся субаквальными и не классифицируемых как водные или полуводные материалы. Эти условия будут рассмотрены ниже.

Fig. 5.

Fig. 6.

Далее автор переходит к вопросу давлений на грани крепей траншеи или подпорных стен в материале того же характера, что и описанный выше. Ссылаясь на рис. 2, было бы неразумно полагать, что после прохождения линии R F J характер напряжений, обусловленных распором материала, изменится, если заменить материалом крепь в зоне W V J R или если, как на рис. 3, полотно брезента раскатывается вдоль линий E G и AO и если при разработке этого участка между гранями брезента устанавливаются временные распорки; нет никаких оснований полагать, что при правильно отрегулированных весах в точках W или W₂ не может быть достигнуто точное равновесие сил и условий. Или же, если, как на рис. 5, грань PQ закреплена шпунтом и анкерована тяжами к поверхности с натяжением последних, создается несомненно устойчивое состояние, безупречное как в теории, так и на практике; кроме того, глядя на рис. 5, никто не усомнится в том, что верхние элементы крепежа нагружены сильнее, чем нижние. Предполагается, что тенденция материала смещаться в сторону подошвы заставляет его заклиниваться между гранью шпунта, с одной стороны, и некоторой плоскостью между шпунтом и плоскостью естественного откоса, с другой стороны, и что сопротивление этой тенденции вызывает развитие распорного усилия вдоль или параллельно линиям A N, B M и т. д. (рис. 2), которые считаются линиями естественного откоса или близкими к ним кривыми. Поскольку распор максимален в материале непосредственно у грани AO (рис. 6) и равен нулю в плоскости естественного откоса CO, можно произвольно принять, что линия BO, делящая этот угол пополам, делит эту область на две: в одной из них вес полностью переходит в распор, а другая представляет собой зону нулевого распора или зону чистого весового давления на плоскость естественного откоса. Называя эту линию BO линией пяты свода, распор в зоне A O B определяют как ее вес, деленный на тангенс угла P Q R = φ, который является углом естественного откоса; то есть распор в любой заданной точке R = R Q ÷ tan φ.

Автор предлагает для материалов с углами естественного откоса круче 45° рассчитывать зону давления указанным выше способом, однако вычислять распор как для угла 45 градусов.

При расчете изгибающего момента, действующего на стену или крепи, принимается вес массы, умноженный на вертикальное расстояние от ее центра тяжести до подошвы, или приближенно:

Площадь A O B × объемный вес × ⅔ высоты,

где h — высота,

W= weight per cubic foot of material = 90 lb., and

P — давление на погонный фут (по вертикали),

then

.

Когда угол естественного откоса φ меньше 45°, этот результат должен быть уменьшен делением на tan φ; то есть h = ⅓ h³ tan β ÷ tan φ.

На рис. 1 и 2 на Пластине XXV показаны недавно разработанные откосы гравия и песка, которые при общем угле откоса 45° находились в процессе «оползания», то есть происходило непрерывное соскальзывание частиц песка, и полезно отметить, что со временем под воздействием погодных условий эти откосы в конечном итоге приняли бы крутизну около 33 градусов. Тем не менее они типичны как демонстрация нормального откоса свежевыемчатого песчаного материала и крутизны, которую можно использовать в обычных расчетах. Ступени на Пластине XXV отражают различные характеристики грунта в непосредственной близости. На рис. 2 на Пластине XXVI [D] можно видеть типичный откос гравия и песка; на нем отчетливо видна четко очерченная линия откоса песка в сочетании с проявлением когезионных свойств гравия.

Следующими вопросами для рассмотрения являются более сложные проблемы, касающиеся водонасыщенных или субаквальных грунтов. Автор провел ряд экспериментов, которые кажутся убедительными и показывают, что, за исключением чистых плывунов или полностью водных сред, как описано далее, давление грунта и воды действуют независимо друг от друга.

Для лучшего понимания масштаба и цели данной работы автор делит перенасыщенные или субаквальные материалы на три класса:

Класс А. — Плотные материалы, такие как крупный и мелкий гравий, смеси гравия и песка, крупный песок и мелкий песок, в котором нет большой доли мелких фракций, таких как суглинок, глина или чистый плывун.

Класс В. — Полуводные материалы, такие как мелкие пески с большой примесью глины и т. д., чистые глины, илы, торфы и т. д.

Класс С. — Водные материалы, такие как чистые плывуны, в которых твердые частицы измельчены до такой степени, что являются аморфными и фактически находятся во взвешенном состоянии, масла, ртуть и т. д.

Здесь следует отметить, что термин «плывун» настолько расплывчатый, что остро нуждается в точной дефиниции. Многие инженеры называют плывуном любой песок, который перемещается под воздействием движущейся воды. Автор считает, что этот термин следует применять только к материалу, настолько разжиженному («супообразному»), что его свойства практически идентичны свойствам воды в статическом состоянии, при этом подразумевается, что любой материал может терять устойчивость под воздействием воды при достаточно высоких скоростях фильтрации, и что данная работа рассматривает именно статическое или близкое к нему состояние.

Четкое понимание плотных материалов, отнесенных к Классу А, приведет к лучшему решению задач, связанных с материалами Класса В, поскольку настоящие эксперименты в значительной степени относятся именно к Классу А.

Описанные ниже эксперименты проводились с различными материалами, однако основным типом служил мелкий песок в том состоянии, в котором он обычно встречается в выемках: с пористостью менее 40% и содержанием очень мелких фракций менее 10%.

Fig. 7.

Эксперимент № 2. — Первый из этих экспериментов, который в данной серии будет именоваться № 2, был простым и проводился для демонстрации того, что этот материал не течет легко при обычных условиях, если они не сопряжены с движением воды с высокой скоростью. Использовалось ведро диаметром 12 дюймов, в которое было вложено другое ведро диаметром 9 дюймов. В дне внутреннего ведра было прорезано отверстие размером 6х6 дюймов. На дно большего ведра сначала насыпали слой песка толщиной около 3 дюймов, и оно было частично заполнено водой. Затем внутреннее ведро снабдили фальшднищем и частично заполнили влажным песком, установив его на песчаную засыпку в большем ведре. Оба ведра были залиты водой, а груз W на коромысле (рис. 7) перемещали до тех пор, пока он не уравновесил вес внутреннего ведра в воде, причем расстояние от груза W до точки опоры было зафиксировано. После этого фальшднище удалили, и внутреннее ведро, опираясь на песок в большем ведре, было частично заполнено песком, а оба ведра — водой; условия при взвешивании оставались абсолютно теми же, за исключением того, что фальшднище было убрано, обеспечивая контакт песка через квадратное отверстие размером 6х6 дюймов. Нетрудно понять, что если бы песок обладал водными свойствами, которые иногда приписывают песку под водой, то песок во внутреннем ведре вытек бы через квадратное отверстие в дне, позволяя поднять ведро любым грузом, превышающим фактический вес ведра за вычетом его плавучести, как это происходило бы в случае заполнения водой вместо смеси песка и воды. Однако было обнаружено, что груз, расположенный на расстоянии более девяти десятых от первоначального расстояния до точки опоры, не мог поднять внутреннее ведро. Тем не менее при принудительном подъеме внутреннего ведра вода немедленно выжимала песок через дно, оставляя отверстие, по форме и размерам практически точно совпадающее с донным проемом, как показано на рис. 1 на Пластине XXVII. Следует отметить, что в каждом случае песок засыпался небольшими горстями и тщательно перемешивался с водой, но не уплотнялся трамбовкой, после чего ему давали выстояться в течение некоторого времени перед проведением экспериментов для приобретения плотности, характерной для обычных условий. Из рис. 1 на Пластине XXVII видно, что песок обладал достаточной устойчивостью, чтобы ведро можно было положить на бок на момент фотографирования, хотя оно было извлечено из воды чуть менее чем за 3 минуты.

Plate XXVI, Fig. 1.—Types of Arch Timbers Used in Bay Ridge Tunnel Sewer.

Plate XXVI, Fig. 2.—Normal Slope of Loose Sand, Gravel, and Cemented Gravel, in Close Proximity.

Эксперимент № 3. — Для демонстрации того, что сводообразующие свойства песка не разрушаются в субаквальных условиях, был изготовлен небольшой песочный ящик емкостью около 1 куб. фута, аналогичный описанному в Эксперименте № 1. Дно ящика было вырезано, за исключением выступа шириной ¾ дюйма с двух сторон; ниже и снаружи первоначального дна было установлено фальшднище с пропущенными через него болтами, закрепленными на шайбах поверх песка, которым ящик был частично заполнен. Одна из стенок ящика имела стеклянную переднюю панель для наблюдения за условиями насыщения. Затем ящик с песком был залит водой, и после завершения насыщения и затяжки гаек и шайб ящик был приподнят над полом. Каких-либо тенденций к выпадению днища обнаружено не было, что наглядно доказало, что сводообразующие свойства не были утрачены при водонасыщении песка.

Следующие три эксперимента были призваны показать относительное давление на любую заданную площадь поверхности, соприкасающуюся с водой в одном случае или со смесью песка и воды — в другом.

Fig. 8.

Эксперимент № 4. — Аппаратура для этого эксперимента состояла из 3-дюймовой трубы длиной около 4 дюймов, соединенной с ¾-дюймовой изогнутой трубкой («гуськом»), возвышающейся на 17 дюймов над верхом чаши, показанной на рис. 8 и на рис. 2 на Пластине XXVII. Свободный резиновый клапан должен был садиться на верхнюю обработанную кромку чаши и быть пригружен достаточно для балансировки напора воды, соответствующего 17-дюймовому напору в изогнутой трубке. Затем чашу предполагалось заполнить песком и зафиксировать разницу, если таковая имеется, между весом, необходимым для удержания клапана в закрытом положении при том же напоре воды, протекающей через песок. Результаты этого эксперимента оказались неопределенными из-за трудности одновременного обеспечения плотного контакта по всей площади песка и по кромке чаши. Так, временами для удержания воды на неопределенно долгое время было достаточно усилия менее 1 фунта, в то время как в других случаях требовалось 2 или 3 фунта по сравнению с приблизительным давлением в 4½ фунта, необходимым для удержания чистой воды. Кроме того, порой вода вообще не протекала через трубку даже спустя несколько часов и после увеличения напора путем присоединения более длинной резиновой трубки. Учитывая эти обстоятельства, данный эксперимент не приводился бы здесь, если бы в нем неожиданно не обнаружился один интересный факт. Для предотвращения прекращения тока воды, упомянутого выше, на дно чаши сначала засыпали гравий, после чего клапан притирали и плотно прижимали при заполнении трубы. При освобождении клапана давление воды неизменно вымывало всю массу песка, как показано на рис. 2 на Пластине XXVII. При этом обеспечивалось насыщение песка водой в каждом эксперименте, который повторялся бесчисленное количество раз неизменно с тем же результатом. Пористость песка составляла около 40%. Вывод из этого эксперимента заключается в том, что давление воды действует на песок, а не сквозь него, и что любые избыточные пустоты, возникающие вблизи поверхности, на которую действует давление воды, будут заполняться песком, за исключением, разумеется, тех случаев, когда существующие естественные поры позволяют воде передавать через них давление.

Plate XXVII, Fig. 1.—Experiment Showing Properties of Sand.

Plate XXVII, Fig. 2.—Sand Pushed up from Bowl by Water Pressure Through Goose-Neck.

Если слой песка над конструкцией достаточно велик для развития арочного эффекта, конструкция, на которую передается давление, должна быть в значительной степени разгружена от гидростатического давления воды на те зоны песка, которые не образуют пустот, действующих за пределами свода. Это подтверждается двумя следующими экспериментами:

Эксперимент № 5. — Здесь использовалась та же аппаратура, что и в Эксперименте № 2 (рис. 7), за исключением того, что внутреннее ведро имело сплошное дно. Внутреннее и внешнее ведра были наполнены водой, и было зафиксировано положение, при котором груз уравновешивал внутреннее ведро на высоте около 3 дюймов от дна внешнего ведра. Это расстояние было измерено, после чего дно большего ведра засыпали песком так, чтобы при плотной посадке на песок внутреннее ведро занимало такое же относительное положение, как и в воде. Приложение того же груза не приводило к подъему внутреннего ведра. Например, в первой части эксперимента груз находился на расстоянии 12 дюймов от точки опоры, в то время как на следующем этапе груз на конце штанги не оказывал никакого эффекта, и для подъема ведра потребовалось приложить значительное внешнее усилие. Однако сразу после освобождения груз на расстоянии 12 дюймов удерживал ведро над песком. Никаких попыток вдавить ведро в песок не предпринималось; песок выравнивали по уровню, устанавливали на него ведро, поворачивали его один-два раза для обеспечения контакта, после чего давали постоять некоторое время перед проведением эксперимента. Задача установления зависимости между песками с различной пористостью не ставилась, был установлен лишь общий факт на основе достаточного числа экспериментов, заключающийся в том, что для подъема ведра в песке с пористостью 40% требовалось более чем вдвое большее усилие, чем для подъема ведра только в воде.

Fig. 9.

Эксперимент № 6. — Аппаратура для этого эксперимента в основном представляла собой гидравлическую камеру диаметром около 8 дюймов и высотой 1 фут со съемной крышкой, содержащей втулку с соответствующим сальником, через который свободно перемещался вверх и вниз поршень диаметром 2½ дюйма; вся установка напоминала цилиндр и поршень крупного гидравлического домкрата, как показано на рис. 1 на Пластине XXVIII. Сразу под втулкой и над камерой имелся входной штуцер диаметром ½ дюйма, соединенный с медной трубкой, а через нее — с насосом высокого давления. К системе прилагался манометр для измерения давления в камере, как показано на рис. 9. Цель эксперимента заключалась в проверке разницы давлений на любой объект, погруженный в чистую воду, и на тот же объект, погруженный в песок под водой. Нетрудно понять, что при создании давления воды в этой камере давление (по показаниям манометра), необходимое для подъема поршня, будет определяться весом поршня за вычетом его выталкивающей силы плюс трение поршня в сальнике.

Plate XXVIII, Fig. 1.—Apparatus for Measuring Loss of Pressure in Subaqueous Materials.

Plate XXVIII, Fig. 2.—Raising Roof of Battery Tubes, in Brooklyn, by "Bleeding" Sand Through Displaced Plates.

Теперь, если по какой-либо причине площадь нижней поверхности поршня, на которую действует давление воды, уменьшится, для подъема этого поршня неизменно потребуется соразмерное увеличение давления. Следовательно, если обнаружится, что для подъема поршня, погруженного в чистую воду, требуется, например, 10 фунтов, а для подъема в песке — 20 фунтов, можно сразу предположить, что площадь поршня уменьшилась на 50% вследствие его погружения в песок (исключая вопрос трения самого песка о поршень). Чтобы определить величину этого трения, автор установил на ножках столик над дном камеры, позволяя поршню свободно перемещаться через отверстие в его центре. Через этот столик были пропущены трубки (как показано на фрагменте рис. 9). Вся эта конструкция помещалась в камеру с установленным поршнем, а пространство выше заполнялось песком и водой. Таким образом видно, что при свободном конце поршня в чистой воде разница между давлением, необходимым для подъема поршня в чистой воде и в описанном случае окружения песком, измеряла бы трение песка о поршень. Однако после нескольких таких испытаний стало очевидно, что трение слишком незначительно для точного определения манометром, регистрирующим целые фунты; то есть при соприкосновении поршня с вертикальным слоем песка высотой 6 дюймов трение 25 фунтов на кв. фут потребовало бы увеличения показаний манометра всего на 1,8 фунта. Поэтому предполагается, что трением столь малого поршня в песке можно пренебречь как существенным фактором в проведенных экспериментах.

Поршень погружали в чистую воду, и было установлено, что для его подъема требуется давление около 4 фунтов. Затем крышку снимали, на дно камеры насыпали слой песка толщиной около 2 дюймов, после чего устанавливали поршень и засыпали его песком на высоту около 6 дюймов, добавляя воду для полного насыщения песка. Установке давали постоять до восстановления устойчивости, характерной для обычного залегающего на месте песка, после чего устанавливали крышку с сальником над поршнем, подсоединяли систему и запускали насос. Серия из четырех экспериментов, продолжавшаяся в течение двух-трех дней, дала следующие результаты:

Испытание 1. — Поршень начал перемещаться при давлении 25 фунтов. Давление постепенно падало до 7½ фунтов, при достижении которого он, по-видимому, вышел из песка, и оставалось на уровне 7½ фунтов до конца испытания.

Испытание 2. — Поршень погрузили обратно в песок без снятия крышки и оставили в покое примерно на 2 часа. Никаких попыток уплотнить песок или проверить его состояние вокруг поршня не предпринималось, однако предполагалось, что прошло достаточно времени для приобретения им определенной степени стабильности. Поршень начал двигаться при давлении чуть выше 20 фунтов, и как только за поршнем скапливался карман воды, давление немедленно падало до 9 фунтов и оставалось на этом уровне до выхода поршня из песка.

Испытание 3. — Поршень погрузили в песок и забили ударами без ожидания достижения песком определенной стабильности. В этом случае начальное давление по манометру составило 17½ фунтов, которое немедленно падало до 8 фунтов, как только поршень смещался на расстояние, достаточное для скопления воды под ним.

Испытание 4. — Крышку снова сняли, установили поршень, уплотнили вокруг него песок примерно до такого же состояния, какое он имел бы в грунте на глубине; затем установили крышку и через час запустили насос. Зарегистрированное давление составило 25 фунтов и удерживалось в течение нескольких секунд до начала перемещения поршня. Поршень в конце концов сдвинулся без повышения давления, и после подъема на дюйм или два давление постепенно снизилось до 10 фунтов и оставалось на этом уровне до выхода поршня из песка.

Сумма и среднее значение этих испытаний показывают соотношение: 22 фунта для поршня в песке против примерно 8½ фунтов сразу после скопления объема воды под ним, что очень близко соответствует песку с пористостью 40%, какова и была характеристика песка, применявшегося в данном эксперименте.

Выводы из этого эксперимента представляются абсолютно окончательными для иллюстрации давления воды на тоннель, погруженный в песок (как на верхний свод, так и на бока или дно), а равно и выталкивающего эффекта на днище тоннеля в тех же условиях.

Хотя аппаратуру следовало бы спроектировать и построить в гораздо больших масштабах для точного измерения давлений песков и грунтов с различными характеристиками, она представляется убедительной в демонстрации принципа и достаточно близкой к теоретическому значению для использования в практических целях при проектировании сооружений от гидростатического давления при их заглублении в песок или грунт.

Следует тщательно отметить, что фильтрационное сопротивление (трение) воды в песке, которое всегда выступает крупным фактором в субаквальном строительстве, здесь практически сведено к нулю, поскольку для воздействия на основание поршня давление воды должно передаваться всего на 6–8 дюймов, в то время как в тоннеле при частичном погружении это расстояние может составлять много футов и являться существенным фактором.

Следует также отметить, что хотя площадь, подверженная давлению, уменьшается, давление на оставшуюся площадь соответствует полному гидростатическому напору, что эквивалентно давлению по манометру, требуемому для удержания воды, за исключением, разумеется, случаев его большего или меньшего снижения за счет трения.

По имеющимся у автора сведениям, аналогичные эксперименты с использованием схожей аппаратуры проводились на глинах и торфах, показав значительно более высокие результаты; так, в одном случае давление составило 40 фунтов до начала перемещения поршня.

Ниже частично приводятся анализ и объяснение вышеописанных экспериментов и заметок:

Широко известно, что если поместить свинцовый брусок в гидравлический пресс и подвергнуть достаточному давлению, он продемонстрирует свойства, в некоторой степени схожие со свойствами мягкой глины или плывуна под давлением. Он будет выдавливаться через одно или несколько отверстий при том же давлении. Это объясняется тем, что пустоты практически отсутствуют, а давление настолько велико по сравнению с молекулярным сцеплением, что последнее фактически нивелируется. Теоретически верно также то, что при бесконечно высоком давлении твердый камень может перейти в жидкое состояние. Если поместить в цилиндр гидравлического пресса некоторое количество булыжников, оставив зазор между верхом камней и поршнем, и заполнить это пространство вместе с порами водой под большим прощением, то на стенки цилиндра будут действовать два давления: одно практически пренебрежимо малое в местах контакта с камнями, сдерживающее тенденцию камней к качению или скольжению наружу, а второе обусловлено давлением воды на площадь, не занятую контактами с камнями. Тот факт, что эту площадь контакта следует вычитать из площади давления, можно наглядно показать на другом цилиндре со вставленными в него деревянными стержнями (рис. 10). Взглянув на этот рисунок, нетрудно заметить отсутствие гидростатического давления на те участки стенок цилиндра, с которыми соприкасаются торцы стержней, причем потеря давления на стенки вследствие этого равна наименьшей площади поперечного сечения стержня или трубки в точке контакта или между ними.

Следуя этой логике, на рис. 11 обнаруживается, что эквивалентная площадь может быть вычтена по наименьшей площади непрерывного контакта булыжников, как показано пунктирными линиями в правой половине рисунка. Возвращаясь к процессу: если после приложения давления выполнить в цилиндре отверстие, вода немедленно вытечет под давлением, позволяя поршню прийти в соприкосновение с булыжниками. Если бы истечение воды регулировалось так, чтобы остановить его в момент, когда и камень, и вода находятся под прямым давлением, оказалось бы, что давления полностью независимы друг от друга. Например, гидростатическое давление было бы одинаковым в каждой точке, в то время как давление на камень передавалось бы через линии контакта и вдоль них. Если бы этот контакт был организован достаточно качественно и покрывал 40% площади, можно было бы ожидать, что камень независимо от воды выдержит 40% давления, которое выдерживала бы сплошная каменная масса полной площади. Если бы это давление после удаления воды было колоссально увеличено, это в конечном итоге привело бы к раздавливанию камня в монолитную массу; а при бесконечном увеличении давления была бы достигнута некоторая теоретическая точка, упомянутая выше, в которой камень в конце концов перешел бы в жидкое состояние и приобрел свойства жидкости.

Fig. 10.

Fig. 11.

Те же общие рассуждения применимы и к чистому песку, представляющему собой, по сути, уменьшенные булыжники. При вдавливании поршня в сухой песок он будет смещаться во все существующие аномальные пустоты, но именно вытесняться в эти пустоты, а не впрессовываться в них в буквальном понимании слова; и хотя он вытекал бы из отверстий в стенках или дне, позволяя поршню опускаться подобно песчаному домкрату, он не вытек бы из отверстия в верхней части поршня, за исключением столь аномально высоких давлений, при которых масса теоретически становится жидкоподобной. Если поменять местами положение цилиндра и поршня, направив поршень вертикально вверх и обеспечивая дренирование песка в отверстие в нем или сквозь него, то образовавшаяся от оттока песка пустота заполняется песком, вытесненным движущимся вверх поршнем, а не песком сверху.

Именно знание этого принципа позволило подрядчикам успешно поддомкратить кровлю протяженного участка чугунных тоннельных обделок на Джоралемон-стрит в Бруклине в рамках реконструкции тоннелей линии Баттери на этом участке. Способ производства работ, частично показанный на рис. 2 на Пластине XXVIII, заключался в прорезании участка кровли площадью 4х10 футов, через который бурились шпуры и производился выпуск («дренирование») песка с приложением тяжелого давления снизу посредством гидравлических домкратов. Путем тщательного регулирования обеих этих операций участки кровли указанных размеров в конечном итоге были подняты на требуемую высоту в 30 дюймов и надежно раскреплены в этом положении за одну смену.

Если в цилиндр с песком залить избыточное количество воды и приложить давление, вода при истечении через отверстие будет выносить с собой некоторое количество песка в зависимости от скорости потока; наблюдение этого факта легко может создать ошибочное впечатление, будто песок, подобно воде, вытекает под давлением, что, как отмечалось ранее, побудило многих инженеров и подрядчиков называть «плывуном» любой песок, вытекающий через отверстие вместе с водой.

Песок в своем естественном залегании всегда содержит некоторое количество мелких фракций, и если их объем значительно меньше процента пористости, они не оказывают существенного влияния на давление, создаваемое песком как с водой, так и без нее, как указано выше. Однако если количество этих мелких фракций значительно превышает пористость, это позволяет происходить большему первичному сжатию в сухом состоянии и обусловливает развитие определенного гидравлического эффекта при водонасыщении. Если основой материала является песок, а засыпка представляет собой так называемый плывун в объеме, превышающем пористость, давление вызовет гидравлическое действие плывуна, и поведение поршня будет напоминать работу поршня в чисто водяной среде.

Именно здесь автор желает выразить протест против рассмотрения полуводных масс, таких как песчаная пульпа, жидкий бетон и т. д., в качестве среды, оказывающей гидростатическое давление за счет своего веса в массе, а не удельного веса базовой жидкости. Например, вновь прибегая к иллюстрации кубов и сфер, можно предположить, что кубический резервуар был частично заполнен небольшими кубиками из полированного мрамора, уложенными вертикально в колонны. Когда этот резервуар заполнен жидкостью вокруг стопок кубов, на стенки не будет никакого давления, кроме давления воды при 62.5 фунтах. Однако дно будет сопротивляться комбинированному давлению, обусловленному водой и весом кубов. Предположим также, что резервуар заполнен небольшими сферами, такими как мраморные шарики, и в него залита вода. Давление на дно, создаваемое весом твердых частиц, снижается за счет потери веса шариков в воде, а также за счет тенденции шариков образовывать свод над дном, и хотя давление на стенки увеличивается на эту величину распора, давление воды остается равным давлению жидкости при 62.5 фунтах; и трудно постичь, почему некоторые инженеры при расчете распора водных масс говорят о нем как о жидкости с удельной массой, скажем, 120 или 150 фунтов на куб. фут; с тем же успехом они могли бы ожидать закрепления сферических медных поплавков перед переборкой и полагать, что гидростатическое давление на эту переборку уменьшится из-за того, что фактический объем и вес воды непосредственно перед переборкой уменьшились. Те, кто имеет опыт связывания узких глубоких опалубок для бетона с помощью тонкой проволоки или болтов и быстрого заполнения их жидким бетоном, должны понимать, что никогда не развиваются такие давления, которые соответствовали бы жидкостям с плотностью 150 фунтов на куб. фут. Если твердый материал в любой жидкости взбалтывается так, что он фактически находится во взвешенном состоянии, он не может увеличивать давление, а если ему позволить осесть, он действует как твердое тело независимо от содержащейся в нем воды, хотя вода может несколько изменить свойства материала, увеличивая или изменяя его сцепление, угол естественного откоса и т. д. То есть, по сути, те частицы, которые прочно опираются на дно и соприкасаются с верхом твердого материала, не испытывают никакой плавучести от воды, в то время как те частицы, которые не соприкасаются со дном напрямую или через другие частицы, теряют ровно столько веса за счет плавучести. Если при этом вертикальная глубина земляных частиц или песка над дном настолько мала, что арочным эффектом на стенки можно пренебречь, полный вес частиц, контактирующих напрямую или опосредованно со дном, действует как давление на дно, в то время как полное давление воды действует через пустоты или на них, либо передается через материал, контактирующий со дном.

Обращаясь теперь к таким материалам, как глины, торф и другие мягкие или пластичные материалы, бессмысленно предполагать, что они не обладают сопротивлением давлению и сводообразующими свойствами. Например, свод из мягкой глины больших размеров при условии, описанном в начале этой работы, несомненно, устоял бы, если бы стержни, поддерживающие внутреннюю поверхность свода, были заанкерены на шайбы, покрывающие достаточную площадь.

Тот факт, что сжатый воздух вообще может применяться при проходке тоннелей, свидетельствует о том, что полуводные материалы обладают сводообразующими свойствами, а тот факт, что «прорывы» обычно происходят при небольшой толще породы над выработкой, служит дополнительным доказательством этого.

Когда давление воздуха используется для удержания воды на забоях большой площади, приходится прибегать к раскреплению. Это снова показывает, что, хотя для удержания воды требуется полное гидростатическое давление, давление грунта в известной степени от него не зависит.

В торфяных или болотистых материалах условия несколько иные, но достаточно близкие к мягким глинистым или илистым пескам, чтобы отнести их к той же категории в обычной практике. Несомненно верно, что в этот материал можно забивать сваи на неопределенную глубину, и столь же верно, что действие сваи заключается скорее в вытеснении, чем в уплотнении, о чем свидетельствует тот факт, что участки тоннелей под Норт-Ривер проходились на большие расстояния без открытия дверей щита или выемки какого-либо материала. Случай заполнения болот или топей, заставляющий их опускаться в точке засыпки и подниматься в других местах, легко объясняется тем фактом, что вода заперта в порах материала, что допускает смещение, но не сжатие.

Применение вышесказанного к давлениям над тоннелями в материалах класса А заключается в том, что песок или твердое вещество фактически принимаются за ряд колонн, основания которых находятся в столь тесном контакте с кровлей тоннеля, что вода не может оказывать давление на тоннель или выталкивающую силу на песок в точке контакта, и что если эти колонны достаточно глубоки, чтобы их верхние части полностью или частично поддерживались арочным или клиновым действием, давление любой воды на их поверхности не передается на тоннель, а единственным водяным давлением является то, которое действует на тоннель между предполагаемыми колоннами или через пустоты.

Пусть l = внешняя ширина тоннеля, d = глубина покрытия, а именно: DW = глубина от воды до кровли, DE = глубина от грунта до кровли, DX = глубина почвенного покрова, необходимая для сводообразующей устойчивости, то есть:

,

где φ = угол естественного откоса, и DW > DE > DX. Тогда давление на любой квадратный фут кровли, как VP, в основании любой вертикальной ординаты, как 9 на рис. 2, = VO, WE = вес 1 куб. фута грунта (90 фунтов), WW = вес 1 куб. фута воды (62.5 фунта), мы имеем VP = VO × WE + DW × WW × 0.40 = VO × 90 + DW × 62.5 × 0.4 = VO 90 + DW × 25. И для горизонтального давления: Ph = горизонтальное давление на любой абсциссе (10), рис. 2, = A10 при глубине воды DW1 равно

.

Единственный серьезный вопрос вызывает то, на какой именно глубине песок теряет способность образовывать свод, однако в целях безопасности автор принял эту точку равной F, как указано выше, = DX, хотя он полагает, что крупномасштабные эксперименты показали бы ее близость к 0.67·DX, выше которой размещение дополнительной обратной засыпки облегчит нагрузку на конструкцию.

Таким образом, для DE < DX мы имеем вес общей призмы грунта плюс воду в пустотах, плюс дополнительное давление воды над призмой грунта, то есть:

Давление на квадратный фут в основании любой вертикальной ординаты = VP

VP = DE × 90 + DE × 62.5 × 0.40 + (DW - DE) × 62.5.

Тем, кто может утверждать, что вода, действующая через столь неглубокую призму грунта, будет оказывать полное давление на всю площадь тоннеля, можно ответить, что вода не может поддерживать давление по всей площади без одновременного создания выталкивающей силы для песка, который ранее предполагался находящимся в виде колонн; в этом случае имеется общий вес воды плюс вес призмы грунта за вычетом его выталкивающей силы в воде, то есть

VP = DW × 62.5 + DE × (90 - 62.5),

что при сравнении с предыдущим методом представляется менее надежным по своим рассуждениям.

COMBINED EARTH AND WATER PRESSURES.

Fig. 12.

Далее рассматривается вопрос давления на стенку или раскрепленную траншею для материалов класса А. Давление песка сначала рассчитывается независимо, как показано на рис. 6. Приведение этого к базису в 100 фунтов для каждого деления шкалы, измеренного по горизонтали, как показано, дает линию BO на рис. 12, измеряющую внешний предел давления за счет грунта, причем горизонтальное расстояние в любой точке между этой линией и вертикальной гранью равно давлению на эту грань, деленному на тангенс угла естественного откоса, который в данном случае принимается равным 45°, что равно единице. Если проведена линия давления воды CF, она показывает относительное давление воды. Чтобы привести ее к масштабу горизонтального измерения в 100 фунтов, проведена линия CE, представляющая давление воды в масштабе, то есть таким образом, чтобы каждое горизонтальное измерение шкалы давало давление на грань в этой точке; и, допуская 50% для пустот, деление этой площади пополам дает линию CD, между которой и вертикальной гранью любое горизонтальное измерение определяет давление воды. Продолжение этих областей давления там, где они перекрываются, дает линию BD, которая представляет собой полное давление на грань, измеренное по горизонтали.

Далее рассмотрим вопрос о выталкивающей силе в материалах класса А. Если погруженное сооружение прочно опирается на дно из более или менее плотного песка, его плавучесть, как показывают эксперименты, будет составлять лишь процент от его плавучести в чистой воде, соответствующий пустотам в песке. На практике, однако, попытка продемонстрировать это условие потерпит неудачу из-за того, что в таком сооружении вода практически сразу проникает под кромку и днище и вызывает подъем сооружения, и испытание может быть проведено только путем измерения разницы подъема в тяжелой воде конструкции, как показано в эксперименте № 5. Ибо если конструкция, более легкая, чем вытесненная вода, засыпана песком достаточно глубоко, чтобы исключить приток больших объемов воды снизу, она не всплывет. Что это происходит не полностью из-за трения твердого материала о боковые поверхности, было продемонстрировано наблюдениями за подводными сооружениями, которые всегда склонны опускаться, а не подниматься во время или после нарушения окружающего грунта.

Ниже приводится цитата из работы Чарльза М. Джейкобса, чл. Амер. о-ва инж.-строит. (M. Am. Soc. C. E.), о проходке тоннелей Пенсильванской железной дороги под Норт-Ривер: [E]

«Во время строительства и облицовки тоннелей наблюдалась значительная осадка, составившая в среднем 0.34 фута между линиями переборок. Эта осадка постоянно уменьшалась после завершения строительства и, судя по всему, была вызвана почти исключительно нарушениями окружающих материалов в ходе строительных работ. Ил весит около 100 фунтов на куб. фут * * * и содержит около 38% воды. Было обнаружено, что всякий раз, когда этот материал нарушался за пределами тоннелей, за этим следовало смещение тоннелей».

Это по существу подтверждает наблюдения, сделанные в тоннелях Баттери, согласно которым за осадкой конструкции следовало нарушение внешнего материала, хотя теоретически трубы обладали плавучестью в водянистом материале.

Автор, тем не менее, настоятельно рекомендует во всех случаях применения подводных сооружений, лишь частично засыпанных твердым материалом, использовать избыточное утяжеление для компенсации возможных случайных воздействий вибрации, колебаний и т. д., которым такие сооружения могут подвергаться и которые в конечном итоге могут позволить струям воды проложить себе путь снизу.

С другой стороны, он настаивает на том, что для площадей оснований глубоко погруженных сооружений, таких как тоннели или подвалы, сопротивляющееся давление должно приниматься лишь незначительно превышающим давление, соответствующее давлению воды через пустоты.

Вопрос давления и т. д. в материалах класса B, или полуводных материалах, будет рассмотрен далее. Из этих материалов, как уже показано, существует два типа: (a) песок, в котором так называемый плывун значительно превосходит любые нормальные пустоты, и (b) пластичные и вязкие материалы. Автор полагает, что эти материалы следует рассматривать как смеси твердых и водянистых частиц, причем в первом случае плывун, или водная часть, находящаяся фактически во взвешенном состоянии, может рассматриваться как вода, и следует сделать вывод, что действие здесь будет аналогично действию песка и чистой воды, придавая свойствам воды больший вес, чем существует на самом деле. Если, например, обнаружится, что такая смесь содержит 40% чистой воды, автор оценил бы ее давление на сооружение или против него как (a) давление влажного песка, стоящего под крутым углом естественного откоса, и (b) давление чистой воды, принимая допущение в 60% от общего объема, причем сумма этих двух результатов дает общее давление. До получения более точных данных путем крупномасштабных экспериментов это предполагаемое значение в 60% от общего объема для водной части может приниматься для всех условий полуводных материалов, за исключением, конечно, случаев, когда твердые и водные частицы могут быть четко определены, а давления вычисляются так, как описано на предыдущих страницах.

Что касается вопроса чистой воды в плывунах (если таковой существует) и других водных материалов класса C, таких как вода, нефть, рцеть и т. д., то уже было показано, что их следует рассматривать как жидкости с их нормальным удельным весом; то есть при расчете давления воздуха, необходимого для их вытеснения, в качестве фактора следует учитывать только их удельный вес, а не общий вес на единицу объема, включая любые примеси, которые они могут содержать в нерастворенном виде.