Для более четкого понимания водных и полуводных материалов и их поведения на них необходимо взглянуть в условиях, которые обычно неочевидны. Например, представления о так называемом плывуне в значительной степени формируются при наблюдении за погружающимися в него сооружениями или при наблюдении за его вытеканием через пустоты в крепях или обсадных трубах. Поведение песка и воды под давлением рассматривается во время или после оползня, когда ущерб уже нанесен или наносится, тогда как правильная точка зрения — это рассмотрение в статичных условиях, до того как оползень произойдет.
Ниже приводится цитата из отчета г-на Ч. М. Джейкобса, главного инженера газового тоннеля Ист-Ривер, построенного в 1892–1893 гг.:
«Мы обнаружили, что материал, который до того был плотным или жестким, под воздействием размыва приобрел консистенцию супа, и что гигантская полость шириной около 3 футов и глубиной 26 футов была вымыта вверх по направлению к руслу реки».
Это, пожалуй, было бы справедливым описанием значительной части материала этого класса, встречающегося при таких работах, если бы не применялся сжатый воздух. Автор полагает, что в мягком материале, окружающем подводные сооружения, вода, фактически содержащаяся в пустотах, нередко после периода длительного покоя полностью отрезана от источников своего давления, и контакт с этими источниками давления не возобновляется до тех пор, пока в сооружении не возникнет утечка; и даже когда через такой материал происходит небольшой поток или просачивание воды, он ограничивается определенными путями или каналами и в значительной степени исключается из общей массы.
Широкий принцип несущей способности грунта стал предметом слишком большого числа экспериментов и дискуссий, чтобы рассматривать его в работе, которая призвана быть описанием экспериментов, наблюдаемых данных и выводов из них. Автор, однако, придерживается мнения, что этому вопросу несущей способности грунта уделяется катастрофически мало внимания; что хотя в наших знаниях обо всех классах материалов для сооружений был достигнут прогресс, было сделано очень мало такого, что ведет к подлинному пониманию материала, на который опирается фундамент. Например, труднопостижимо, почему для мягкой глины иногда допускается нагрузка в 1 или 2 тонны на квадратный фут, в то время как нагрузка на плотный гравий ограничена 4–6 тоннами. Практические наблюдения автора убедили его в том, что зачастую гораздо безопаснее приложить четыре раза по 6 тонн на квадратный фут гравия, чем одну четвертую от 2 тонн на квадратный фут мягкой глины.
В связи с несущей способностью грунта автор также считает, что слишком мало изучены вопросы бокового давления грунта, и он хочет процитировать здесь некоторые эксперименты, описанные в книге [F], изданной в Англии в 1876 году, на которую недавно было обращено его внимание. Эта книга, судя по всему, предназначалась для молодежи, но интересно отметить следующие цитаты из главы под названием «Песок». Эта глава начинается со следующего утверждения:
«Во время лекции о Суэцком канале, прочитанной г-ном Джоном Х. Пеппером, которую он ежедневно читал в Политехническом институте в Лондоне, он иллюстрировал свое выступление несколькими экспериментами, призванными продемонстрировать определенные свойства песка, имеющие отношение к строительству Суэцкого канала; отмечалось, что хотя рассматриваемые свойства никоим образом не относятся к числу недавних открытий, сами эксперименты были новыми по форме и послужили для развлечения публики».
Далее следует цитата:
«Когда Суэцкий канал проектировался, многие пророчили предприятию беды из-за того, что песок пустыни будет наноситься ветром в канал, а другие опасались, что там, где канал проложен через песок, дно будет вытолкнуто вверх давлением на берега * * *.
Принцип бокового давления теперь можно наглядно проиллюстрировать, если взять американское деревянное ведро и, предварительно вырезав в дне большое круглое отверстие, заклеить его тонкой папиросной бумагой, которую следует тщательно приклеить так, чтобы частицы песка не высыпались через мелкие зазоры между бумагой и деревом * * *, и, установив его вертикально и быстро заполнив песком, его можно носить за ручку без малейшего опасения, что вес песка прорвет эту тонкую преграду. * * *
Пожалуй, одним из самых убедительных экспериментов является тот, который можно проделать с цилиндрической трубкой длиной 18 дюймов и диаметром 2 дюйма, открытой с обоих концов. Кусок папиросной бумаги тщательно приклеивается к одному концу так, чтобы после высыхания не осталось трещин или зазоров. Трубка заполняется сухим песком на высоту, скажем, 12 дюймов. В верхнюю часть вставляется сплошная деревянная заглушка длиной 12 дюймов и того же или почти того же диаметра, что и внутреннее сечение трубки, так чтобы она свободно перемещалась вверх и вниз, как поршень воздушного насоса. Трубка, песок и поршень, подготовленные описанным образом, теперь могут удерживаться помощником, а демонстратор, взяв кувалду, может приступить к методичным ударам по торцу поршня, и, хотя бумага немного выгнется, сила удара ее не порвет.
Если помощник, удерживающий трубку, позволяет ей дергаться или отскакивать после каждого удара молотка, бумага может порваться, поскольку при последующих ударах вниз загоняются воздух и песок, поэтому ее следует держать неподвижно, чтобы поршень каждый раз приходился всей плоскостью на песок.
Еще более убедительный и наглядный эксперимент можно показать с металлическим каркасом, сконструированным так, чтобы имитировать ведро, боковые стороны которого закрыты путем наклеивания листов папиросной бумаги изнутри поверх нижней части. Как было показано ранее, когда в ведро насыпается порция песка, бумажная обшивка на дне не рвется, но если используется достаточное количество материала, боковые стороны из папиросной бумаги выгибаются и обычно разрушаются в результате бокового давления, создаваемого частицами песка».
Автор провёл второй описанный эксперимент с помощью специального приспособления и обнаружил, что при закрытии папиросной бумагой дна 2-дюймовой трубы длиной 15 дюймов слой песка высотой около 12 дюймов выдерживает удар тяжелой кувалды, передаваемый через деревянный поршень, по меньшей мере один раз, а иногда два или три раза, в то время как сильные удары более легким молотком не оказывают никакого эффекта. То, что это в значительной степени не связано с инерцией, можно продемонстрировать тем фактом, что на верх деревянного поршня можно смело нагрузить более 200 фунтов. Это нельзя полностью объяснить и трением, поскольку удаление бумаги позволяет песку ссыпаться единой массой. Объяснение заключается в том, что давление передается в боковом направлении на стенки, а поскольку трение прямо пропорционально давлению, нагрузка или эффект от удара воспринимаются за счет пропорционального увеличения трения, и любые диафрагмы, которые выдерживают прямую нагрузку на дно, не будут испытывать значительного увеличения напряжений из-за еще большей нагрузки сверху.
Автор полагает, что эксперименты покажут склонность песка в песчаном домкрате скорее к разрыву стенок, чем дна, и что выток из отверстия на дне или вблизи него не замедляется и не ускоряется существенно обычным давлением сверху. Однако появление аномальных пустот приводит к тому, что песок смещается в них.
Важным выводом данной работы является то, что все отмеченные эксперименты и наблюдения убедительно указывают на факт передачи давления через грунт в боковом направлении, вероятнее всего, вдоль углов естественного откоса или почти параллельно им, либо в случае скальных или жестких материалов — вдоль линии, которая до проведения более убедительных экспериментов может быть принята в качестве среднего значения между горизонталью и вертикалью, или примерно под 45 градусами. Нет никаких оснований полагать, что это не так во всей массе земли: каждый кубический фут, ярд или миля поддерживается или, в свою очередь, поддерживает свой эквивалентный соседний элемент вдоль таких линий. Эта теория не нова, и ее область слишком обширна, чтобы охватить ее в рамках одной статьи, однако для практических целей и в тех ограниченных пределах, в которых мы неизбежно должны оставаться, автор считает возможным доказать ее истинность вне всяких споров. Несомненно то, что еще никто не обнаружил в грунте, свободном от давления воды или аномальных условий, каких-либо признаков большего давления у дна глубокой шахты или тоннеля по сравнению с зонами вблизи поверхности. Давления, возникающие из-за расширения выработок за пределы безопасных пределов, не должны рассматриваться как опровержение этого утверждения, поскольку все своды имеют пределы безопасности, особенно если бесполезный материал ниже теоретической внутренней линии свода поддерживается лишь частично или ему позволяют подвешиваться на естественном своде.
Автор также считает, что вопрос стесненных фундаментов в противовес уширенным фундаментам заслуживает подробного обсуждения в контексте безопасного и экономичного строительства, и предлагает без особых комментариев следующие наблюдения:
Он обнаружил, что в мягком грунте при погружении небольших открытых кессонов на глубину в несколько футов с последующей их зачисткой и бетонированием часто достигаются результаты, обеспечивающие гораздо лучшее сопротивление, чем при расширении фундамента на эквивалентную площадь, вчетверо или впятеро превышающую исходную.
Он установил, что небольшие стальные сваи и шпунтовые ограждения (от цилиндров диаметром 1 фут до шпунтовых ограждений со стороной 4 или 5 футов), погруженные всего на 1–2 фута ниже прилегающих выработок в обычном песке, надежно выдерживали нагрузки, в четыре или пять раз превышающие обычно допускаемые.
Он полагает, что короткие цилиндры, очищенные и заполненные бетоном, или шпунтовые ограждения из коротких стальных свай с зачисткой поверхности на разумную глубину и заливкой бетоном с горизонтальным армированием во многих случаях дадут столь же хорошие результаты, а в большинстве случаев — значительно лучшие, чем установка фундамента на эквивалентное число мелких длинных свай или на соразмерно увеличенную площадь фундамента. Идея заключается в том, что передача давления на стенки шпунтового ограждения не только сдержит боковой распор, но и перенесет нагрузку в массе на большую глубину, где сопротивление грунта боковому давлению будет более стабильным; то есть большая глубина фундамента достигается без повышенных чрезмерных нагрузок или необходимости проведения глубоких выемок.
Что касается несущей способности и трения на сваях, то автор считает, что хотя инженерная литература изобилует экспериментальными данными, относящимися к трению кессонов, в ней мало информации, показывающей реальную величину трения на сваях. Общепринятое допущение о несущей способности с последующим выведением из него значения бокового трения является ошибочным. Кроме того, не проводится различие — хотя его следует проводить четко — между чистым боковым трением на гладких поверхностях и трением, обусловленным давлением. Слишком часто несущая способность на неровных поверхностях, а также несущая способность за счет конусности свай и, наконец, сопротивление заклиниванию используются при определении так называемых формул бокового трения. Основным условием погружения кессона является сохранение его вертикальности; а заклинивание, которое является лишь иным способом выражения возросшей несущей способности, зачастую оказывается фатальным для успеха.
Автор полагает, что серия наблюдений за кессонами, погруженными вертикально в однородных грунтовых условиях при поверхностной гладкости, покажет пропорциональное увеличение среднего бокового трения на квадратный фут для каждого увеличения размера кессона, а также для увеличения глубины погружения вплоть до определенных пределов, где оно в конечном итоге может стать постоянным, как будет показано ниже. Определение фактического трения или коэффициента трения между поверхностями сваи и встречающимся материалом не представляет трудностей. В песке он составляет примерно 40% от давления для относительно гладкого железа или стали и 45% от давления для обычных деревянных поверхностей. Если, например, извлечь длинный стержень вертикально из формовочного песка, образовавшееся отверстие может сохраняться неопределенно долго, до тех пор пока в него не попадет вода или оно не высохнет. Это объясняется свойством песка образовывать горизонтальные своды над небольшими участками. Ту же операцию нельзя проделать на сухом песке, поскольку сводообразующие свойства, защищая сваю от чрезмерного давления из-за большой длины, не помешают рыхлому песку, непосредственно окружающему сваю, оказывать на нее постоянное давление, и именно от этого давления 45% могут быть приняты в качестве реальной величины бокового трения свай в сухом песке.
В мягких глинах или торфах, которые вытесняются при забивке, тенденция этого материала течь обратно в исходное пространство вызывает давление, трение от которого будет составлять измеряемый процент. В этом случае, однако, само трение между материалом и глинами или торфом обычно намного меньше 40%, и именно по этой причине сваи практически любой длины можно забивать в материалы такого характера без создания достаточного сопротивления, на которое можно было бы положиться, до тех пор пока в точке погружения не будет обнаружен надежный несущий грунт.
Если этот материал находится под водой и настолько мягок, что его можно считать полуводным, давление на квадратный фут будет возрастать обратно пропорционально глубине, и давление на площадь вскоре приблизится к постоянному значению и станет таковым за счет сопротивления, оказываемого боковым сводообразованием твердого материала; в то время как в крупных круглых кессонах или кессонных шахтах, где эффект горизонтального сводообразования практически уничтожен или, по крайней мере, неэффективен до достижения большой глубины, давление в таких условиях неизбежно варьируется пропорционально глубине и размеру кессона в полуводном материале. С другой стороны, в крупных кессонных шахтах, особенно квадратных в плане, давление наверху за счет твердого материала также будет увеличиваться пропорционально глубине, как уже объяснялось в связи с давлениями грунта на затяжку и подпорные стенки.
Автор считает, что давление на эти поверхности можно определить с разумной точностью по формулам, уже приведенным в настоящей работе, и с помощью этих давлений, умноженных на коэффициент трения, определенный простейшими полевыми экспериментами, можно получить результаты, весьма близкие к фактическому трению кессонов на заданных глубинах. Трение кессонов, которое обычно оценивается в пределах от 200 до 600 фунтов на кв. фут, часто принимается равным таковому для свай диаметром 12 дюймов или менее, в то время как давления на эти поверхности, как показано, никоим образом не сопоставимы.
Следующие примечания и наблюдения приводятся в связи с боковым трением и несущей способностью свай:
В распоряжении автора имеется копия официального чертежа, недавно предоставленного подрядчикам в связи с устройством фундамента под крупное общественное здание в Нью-Йорке. Эксперименты проводились на хорошем песке на глубине примерно 43 фута ниже уровня воды и 47 футов ниже отметки прилегающей выемки. В данном случае 16-дюймовая труба была погружена на указанную глубину, вычищена, после чего в нее был вставлен 14-дюймовый поршень, соединенный с 10-дюймовой трубой, и грунт на дне 16-дюймовой трубы был подвергнут нагрузке, близкой к 28 тоннам на кв. фут. После первоначальной осадки почти на 3 дюйма в течение длительного периода времени дальнейшей осадки не наблюдалось, несмотря на сохранение нагрузки в 28 тонн на кв. фут.
В ходе недавних работ по подведению фундаментов 14-дюймовые полые цилиндрические сваи длиной 6 футов погружались на глубину 6 футов обычным ручным молотом с выемкой грунта по мере погружения. Затем эти сваи заполнялись бетоном и в некоторых случаях подвергались нагрузке, приближающейся к 60 тоннам. После осадки в диапазоне от 9 до 13 дюймов дальнейшего оседания не происходило, хотя нагрузка поддерживалась в течение значительного времени.
При проведении других свайных работ автор наблюдал, как 10-дюймовая труба толщиной 3/8 дюйма, находившаяся на 4 фута ниже дна открытого цилиндра на глубине около 20 футов, выдерживала в гравии и песке нагрузку около 50 тонн при ее очистке до уровня в 2 фута от дна.
Он наблюдал, как другие цилиндрические сваи с опорным кольцом шириной не более ¾ дюйма, опирающиеся на гравий на глубине от 20 до 30 футов и очищенные практически до самого дна, выдерживали измеренную нагрузку в 60 тонн без осадки.
Что касается бокового трения в песке, то в его практике был случай, когда 14-дюймовая полая цилиндрическая свая, простоявшая 28 дней на глубине около 30 футов в песке, была очищена до дна и подвергнута гидравлическому давлению, измеряемому манометром, после чего была погружена на 2 фута в песок без регистрации какого-либо давления на манометре. Следует, однако, пояснить, что манометр мог выдерживать давление в 250 фунтов, что эквивалентно полному давлению в 7000 фунтов на поршень домкрата, без срабатывания; это соответствовало — если рассматривать все это как боковое трение — максимуму не более 78 фунтов на кв. фут, однако необходимо отметить, что сюда также входила несущая способность, и вполне вероятно, что в начале испытания давление было весьма далеким от 7000 фунтов.
Что касается скважин системы «Калифорнийская обсадная труба», пробуренных Управлением водоснабжения на Лонг-Айленде, то автору сообщали, что одна из таких труб диаметром 12 дюймов была погружена на глубину 850 футов. При выполнении этой работы грунт из-под башмака сваи вынимался пескососом, после чего свая погружалась гидравлическим давлением. Предполагая максимальную мощность домкратов в 100 тонн (что маловероятно), боковое трение не могло превышать 75 фунтов на кв. фут. В данном случае нельзя считать, что выемка материала из-под сваи избавила самое трение от части его сопротивления, так как операция заняла более 6 недель, и даже если избыточный материал был удален, можно не сомневаться, что большая его часть успела бы перераспределиться до завершения работ.