«Давление, сопротивление и устойчивость грунта»

Что касается вопроса бокового трения кессонов и свай, то может оказаться интересным упомянуть эксперимент, который автор письма провел во время погружения крупных кессонов для Вильямсбургского моста. Эти кессоны имели длину около 70 футов и ширину 50 футов. Дно реки находилось примерно на 50 футов ниже среднего уровня приливной воды, и кессоны проникали в песок хорошего качества на глубину от 90 до 100 футов ниже этой отметки. Дважды производились расчеты для определения бокового трения в процессе опускания кессонов. При положении режущей кромки на глубине от 20 до 30 футов ниже дна реки расчеты показали, что боковое трение составляло от 500 до 600 фунтов на кв. фут. Автор письма согласен с господином Мимом в том, что при погружении кессонов сводчатое действие песка в значительной мере разрушается сжатым воздухом, который прорывается под режущей кромкой и фильтруется вверх через материал вблизи стенок кессонов.

Относительно бокового трения свай автор письма согласен с господином Мимом в том, что в определенных классах материалов оно представляет собой практически пренебрежимо малую величину. Автор письма вдавливал гидравлическим домкратом 9-дюймовые трубы в различных частях Нью-Йорка, и за счет установки самопишущего манометра на гидравлический домкрат удавалось очень точно определить боковое трение на сваю. В нескольких случаях показания манометра существенно не менялись от поверхности до погружения на глубину 50 футов. В этих случаях грунт изнутри трубы вычищался до уровня, отстоящего на 1 фут от нижнего конца сваи, так что показания манометра отражали только трение о внешнюю поверхность трубы плюс несущую способность, развиваемую ее нижней кромкой. Для 9-дюймовой трубы боковое трение по свае плюс площадь опирания нижнего конца трубы составляют, по-видимому, около 20 тонн независимо от глубины. После того как труба достигала достаточной глубины, ее заполняли бетоном, и после схватывания бетона домкрат снова устанавливали на нее и снимали показания манометра. Было обнаружено, что в обычных песках бетонированная стальная свая оседает на 3–6 дюймов, после чего останавливается, достигая полной грузоподъемности 60-тонного домкрата, и показывает по манометру реакцию от 70 до 80 тонн.

По мнению автора письма, в относительно плотных песках, расположенных на глубине от поверхности, не допускающей значительных боковых перемещений, можно без каких-либо затруднений получить реакцию в 100 тонн на кв. фут площади.

Франк Х. Картер, ассоциированный член Американского общества инженеров-строителей (в письме). Господин Мим внес большой вклад, имеющий высокую ценность, особенно в области изучения давлений воды в песке; какой именно результат был бы получен, если бы в эксперименте № 6 крупный щебень или аналогичный материал был заменен песком, остается неочевидным.

В последнее время среди некоторых инженеров как в Бостоне, так и в Нью-Йорке вошло в практику принимать, что давления воды на нижнюю поверхность днищ (инвертов) действуют только на половину площади. Тем не менее автор письма взял за правило сначала укладывать несколько дюймов щебня на дно мокрых выемок, чтобы преградить путь воде к бетону, укладываемому в основание. Помимо щебня под днищами, наблюдалось устройство неглубоких траншей, прорытых поперек выемки для обеспечения более совершенного водоотведения. Оба эти фактора, несомненно, способствуют свободному току воды, оказывающей давление на готовое днище после того, как дренажные канавы были закрыты по завершении работ. Поэтому автор письма с интересом ожидает повторения эксперимента № 6 с подачей воды на днище поршня, погруженного в крупный гравий или щебень.

Что касается арочного эффекта песка, автор письма считает, что господин Мим продемонстрировал важный принцип в небольшом масштабе. Однако приходится сожалеть, что ящик не был сделан более крупным, поскольку автору письма кажется небезопасным делать столь масштабные выводы на основе мелких экспериментов. Подобно тому как маленькие модели парусников не позволяют полностью выявить законы проектирования и управления крупных гоночных яхт, эксперименты в небольших песочных ящиках могут оказаться неспособными продемонстрировать законы, управляющие реальными давлениями на полноразмерные сооружения.

Уже некоторое время автор письма использует ход рассуждений, аналогичный авторскому, при допущениях о давлении грунта на своды тоннелей, за исключением того, что вертикальные силы, призванные удерживать вес грунта, приписывались сцеплению и трению вдоль того, что можно назвать стенками «выемки траншеи».

Автор письма не находит в данной работе доказательств утверждения автора о том, что давления грунта на борта сооружения, заглубленного в грунт, больше в верхней части траншеи, чем в нижней. То, что некоторые откосы являются «неустойчивыми сверху» (top-heavy), несомненно, является фактом, и автор письма часто слышал подобные выражения от опытных производителей работ по разработке траншей; однако в каждом известном ему случае местная специфика обусловливала эту верхнюю неустойчивость — будь то подмыв в нижней части траншеи, избыток насыпного грунта наверху или расположение вынутого из траншеи грунта слишком близко к краю выемки.

В течение ряда лет автор письма проводил масштабные наблюдения за глубокими траншеями и до сих пор не обнаружил свидетельств (за исключением водных материалов) тех давлений грунта, которых можно было бы ожидать исходя из известного естественного откоса материала после его обнажения воздействию атмосферных факторов; и именно эта последняя особенность может объяснить, почему шпунтованные траншеи держатся гораздо лучше, чем ожидалось. Если бы воздух имел свободный доступ к материалу, сцепление было бы разрушено, а теоретические давления развивались бы легче. При плотно зашпунтованных траншеях выветривание практически исключено, и крепь, которая на вид кажется совершенно недостаточно прочной, удерживает траншею практически без следов давления. В качестве примера можно привести случай из практики 1893 года, когда автор письма успешно разрабатывал канализационные траншеи глубиной от 10 до 14 футов в гравиезондах в центральной части Коннектикута без крепления; из-за производственных нужд на другом участке города несколько сотен футов траншеи оставались открытыми в течение трех дней, что привело к обрушению бортов. Атмосферные факторы разрушили сцепление, и борта траншей перестали стоять вертикально.

Недавно в окрестностях Бостона траншеи шириной 32 фута и глубиной от 25 до 35 футов, с тяжелыми зданиями по одну сторону, были укреплены прогонами размером 8 на 10 дюймов и распорками с шагом 10 футов в продольном направлении и от 3 до 5 футов по вертикали; это крепление, по-видимому, оказалось слишком слабым для давлений, которые теоретически можно было бы ожидать от естественного откоса материала. Какое именно давление возникает на бортах сооружений в этих глубоких траншеях после извлечения верхней забирки (при этом нижняя забирка остается на месте), является, разумеется, предметом предположений. Не вызывает сомнений тот факт, что происходит сводообразование материала, как и предполагал автор. Насколько этому может способствовать практически не нарушенное состояние материкового грунта, разумеется, определить невозможно. Практически повсеместно признано, что подконструкции и подпорные стены, рассчитанные по теориям Ренкина или аналогичным теориям, обладают дополнительным коэффициентом безопасности за счет излишне щедрых допущений в отношении давления грунта. Почти инженерной аксиомой является то, что подпорные стены обычно разрушаются исключительно по причине недостаточной несущей способности основания.

По вышеуказанным причинам, и особенно на основе наблюдений за влиянием давления грунта на деревянные элементы крепления, автор считает, что в хорошо осушенных, быстро разрабатываемых и тщательно раскрепленных траншеях теоретическое давление грунта, рассчитываемое по формулам Ренкина и Кулона, обычно не реализуется наполовину, а порой даже на одну треть или одну четверть.

Дж. К. Мим, чл. Американского общества инженеров-строителей (в письменном изложении).— Автор с большим интересом ознакомился с этой дискуссией и полагает, что она будет представлять общую ценность для профессионального сообщества. Тем не менее, к сожалению, несколько затронутых вопросов возникли из-за невнимательного чтения доклада либо непонимания его сути.

Переходя к детальному рассмотрению дискуссии, автор сначала ответит на критику г-на Гудрича. Он говорит:

«Автор считает, что при проектировании постоянных сооружений учет сводообразования не должен учитываться, по крайней мере, до тех пор, пока не будет получено больше информации. Он также считает, что проектирование временных сооружений с учетом этого фактора в некоторых случаях является откровенно опасным».

Если сводообразующие свойства грунта существуют, почему бы не признать их и не принимать во внимание? Проектирование крепления для сооружения, которое должно располагаться, например, на глубине от 200 до 300 футов в обычном сухом грунте, без учета этого явления было бы практически невыполнимым.

Г-н Гудрич переходит к демонстрации одной из опасностей учета такого явления, цитируя автора следующим образом:

«Приблизительно через час после удаления временной нагрузки автор слегка толкнул ящик ногой, чтобы сдвинуть часть обнаженного песка, в результате чего свод немедленно обрушился, а его днище упало на землю».

Он, как и многие другие критики этой теории, упускает разницу между той частью песка, которая выполняет роль так называемой «опалубки», и той, которая составляет несущий свод. Смещение любой значительной части этой «опалубки» закономерно приводит к обрушению, если только она не будет подхвачена; в таком случае пустота в «опалубке» заполняется материалом из несущего свода, который, в свою очередь, подпитывается вышележащим материалом, и так далее, до тех пор, пока окончательно не установится устойчивость каждого свода в отдельности. Однако это не означает, что в процессе установления этого равновесия напряжений в своде отсутствует сводообразование какого-либо вышележащего материала, а лишь то, что некоторые из так называемых сводов временно поддерживаются нижележащими. То есть, по сути, каждая зона вышележащего материала становится поочередно зависимым, независимым и, наконец, взаимозависимым сводом.

Если опыт г-на Гудрича привел его к обследованию какого-либо значительного числа тоннельных сводов или кирпичных коллекторов, он должен был заметить во многих из них продольные трещины в шелыгах сводов и, возможно, в других местах. Они возникают по трем причинам:

Первое. При проходке тоннелей происходит больший или меньший вынос породы, в то время как при обратной засыпке материал не сразу достигает своей окончательной плотности. Поэтому, приспосабливаясь к нормальным условиям, этот материал вызывает ударные нагрузки на ненагруженный бетон (или кладку) свода, и они имеют тенденцию вызывать его растрескивание.

Второе. Независимо от того, насколько плотно расклинцован кирпичный или иной свод, при выбивании «кружал» всегда неизбежна некоторая незначительная осадка. Это опять-таки приводит к толчку, или ударной нагрузке, во вред своду.

Третье. Однако наиболее частой причиной является то, что при проходке тоннелей, а также при обратной засыпке открытых выемок материал, подпирающий пятна свода, оказывается более или менее разрыхленным и поэтому поначалу недостаточно плотным, чтобы предотвратить расхождение пят при приложении нагрузки к своду. Это вызывает растрескивание, но как только пяты оказываются прижаты к плотному грунту, растрескивание обычно прекращается, если только давление не оказалось достаточно большим, чтобы вызвать обрушение.

Интересный пример этого был отмечен на ветке линии скоростного транспорта на Джоралемон-стрит в Бруклине, где самые разные чугунные тюбинги растрескались под шелыгой свода во время строительства; однако, несмотря на это, они выдерживали в течение более чем двух лет нагрузку, которая, по мнению г-на Гудрича, постоянно возрастала. Иными словами, потрескавшийся свод выдерживал большую нагрузку, чем та, которая расколола плиты во время строительства, согласно его теории, как отмечается в следующей цитате:

«Но сторонники существования такого явления должны в равной степени признать, что изменения влажности, вызванные движением воды, вибрацией и заметной вязкостью и т. д., со временем неизменно разрушат это явление».

Что касается правильности этой теории, г-ну Гудричу, вероятно, было бы очень трудно убедить натуралистов, которые знают, что многие животные живут в расширенных норах, устойчивость которых зависит от сводообразования грунта; более того, входы во многие из этих нор находятся под водой. Ему также было бы непросто убедить тех опытных шахтеров, которые после обвала всегда дожидаются, пока грунт осядет и уплотнится, прежде чем вести проходку — как правило, с видимой безопасностью — над местом обвала.

Автор цитирует следующее место из дискуссии г-на Гудрича:

«В любом случае никакое арочное действие не может проявиться до тех пор, пока не произойдет определенная осадка, приводящая частицы в более тесный контакт таким образом, чтобы внутренние напряжения сводились практически лишь к напряжениям сжатия, а напряжения сдвига находились в пределах, возможных для данного материала».

Далее:

«Следовательно, почти ничтожно малая осадка «опалубки» может стать причиной полного разрушения грунтового свода».

И далее:

«С другой стороны, полагают, что утверждение автора о «тенденции мраморных шариков к сводообразованию» * * * следует уточнить добавлением слов «лишь тогда, когда произошла определенная деформация, приводящая свод в действие»».

В значительной степени автор согласен с первой и последней цитатами, но не видит оснований разделять вторую, поскольку невозможно представить себе возведение какого-либо свода, который бы не давал хотя бы незначительной осадки при выбивании «кружал».

Что касается его критики по поводу отсутствия сводообразования в шариках или мраморных бусинах, он, по-видимому рассуждает так, будто движение шариков разрушит арочное действие. Автору крайне сложно представить, как шарики или бусины могли бы двигаться в стесненных условиях — так, как они были бы стеснены, если бы грунт состоял из них, а не из своих нынешних составляющих, и при прочих равных условиях. Тем не менее, г-н Гудрич может продемонстрировать правильность теорий автора, если повторит эксперимент автора № 3 с мраморными шариками, с дробью и с сухим песком. Ему также рекомендуется выполнить описанный автором эксперимент с песком и водой, причем гарантируется, что если он проследит за тем, чтобы шайбы были абсолютно герметичны перед заливкой воды в ящик, он сможет проделать это без обрушения свода; единственным обязательным условием является то, что днище должно быть наглухо расклинцовано, чтобы исключить высыпание какого-либо количества песка. Его также отсылают к двум фотографиям на таблице XXIV, иллюстрирующим первый эксперимент автора и показывающим, как увеличение нагрузки приводило к уплотнению материала свода и к сопутствующему опусканию фальш-днища. До тех пор пока обнаженный песок над этим фальш-днищем обладал достаточной сцепляемостью, чтобы предотвратить обрушение «опалубки», этот свод можно было бы безопасно нагружать вплоть до пределов прочности песка на сжатие.

Процитируем еще раз г-на Гудрича:

«Кроме того, причина, по которой автор делит пополам угол между вертикалью и углом естественного откоса материала при определении толщины замка, неочевидна. Это предположение оказывается абсурдным при доведении его до любого из предельных случаев: так, когда угол естественного откоса равен нулю, как в случае с водой, этот метод дает определенную толщину замка, в то время как в подобном случае абсолютно никакое арочное действие невозможно; а когда угол естественного откоса составляет 90°, как можно предположить для скального грунта, этот метод дает бесконечную толщину замка, что опять-таки представляется абсурдным».

Г-н Гудрич предполагает, что вода или жидкость имеет угол естественного откоса, равный нулю, что верно, но предположения автора относились исключительно к твердому материалу, а жидкость обусловливает принципиально иные условия давления, как показывает внимательное чтение доклада. В монолитной скале г-н Гудрич принимает угол естественного откоса равным 90°, для чего нет никаких оснований; то есть монолитная скала не имеет известного угла естественного откоса. Чтобы довести эти допущения до определенного вывода, мы должны принять для материала с углом естественного откоса 90° некий твердый материал, который обладает весом, но не создает распора, подобно вертикально уложенным блокам льда. В этом случае г-н Гудрич легко увидит, что над сооружением не возникнет никакого сводообразования и что требуемая толщина замка окажется бесконечной. Что касается другого случая, то представить себе твердое тело с нулевым углом откоса несколько затруднительно; водонасыщенный материал не отвечает этому условию, поскольку он представляет собой либо жидкость, либо комбинацию воды и твердого материала. Лучшей иллюстрацией, пожалуй, было бы предположение о материале, состоящем из железных опилок, в который вогнан мощный магнит так, чтобы опилки притягивались горизонтально в одном направлении. Тогда легко представить, что при проходке тоннеля в таком материале не возникло бы необходимости крепить кровлю; определенная толщина замка, указанная как точка пересечения двух углов по 45°, была бы лишь превентивной мерой и на практике не потребовалась бы.

Таким образом, видно, что оба эти условия могут быть реализованы на практических иллюстрациях: то есть для угла откоса 90° — материал, который обладает весом и не создает распора, а для угла откоса 0° — такой твердый материал, который создает распор, но не обладает весом.

Г-н Гудрич утверждает, что автор не привел никаких экспериментов в подтверждение своего утверждения о том, что распор свода больше в более сухом песке. Если г-н Гудрич проведет эксперимент, частично описанный как эксперимент № 3, с абсолютно сухим песком и с влажным песком, причем в масштабе, достаточном для исключения сцепления, он, вероятно, найдет достаточно оснований убедиться в правоте автора в этом предположении. В то же время автор основывал свою теорию в этом отношении на фактах, которые не являются полностью исчерпывающими, и открыт для того, что могут показать будущие крупномасштабные эксперименты. Тем не менее, весьма вероятно, что аналитическое и практическое рассмотрение английских экспериментов, упомянутых на страницах 379 и 380, окажется достаточным для окончательного подтверждения этого факта.

Автор вынужден заключить, что некоторая критика со стороны г-на Гудрича проистекает из не слишком внимательного чтения доклада. Например, он заявляет:

««Признано» (например, строка 2, стр. 357), в то время как автор, со своей стороны, даже не признавал правильности этих допущений».

Более внимательное чтение показало бы г-ну Гудричу, что это признание было сделано самим автором в отношении определенных давлений на тоннели или в их сторону, и если г-н Гудрич этого не признает, он выступает еще большим радикалом, чем автор.

И далее:

««И никто не может * * * сомневаться в том, что верхние элементы крепления нагружены сильнее нижних» — в этом автор решительно сомневается и это категорически отрицает».

К сожалению, г-н Гудрич не привел цитату полностью, а она звучит так:

«И никто, глядя на рис. 5, не может сомневаться» и т. д.

Взгляд на рис. 5 покажет, что в изложенных там условиях автор, вероятно, прав в своем утверждении применительно к данному конкретному случаю. Далее:

«Например, хорошо известная теория автора о том, что давление на подпорные стены достигает максимума вверху и снижается до нуля внизу, находится в абсолютном противоречии с результатами крупномасштабных экспериментов, проведенных автором на новой железобетонной подпорной стене близ парочной переправы Сент-Джордж на Статен-Айленде».

«Хорошо известная теория» автора о том, что «давление на подпорные стены максимально в верхней части и уменьшается до нуля в нижней», применима только к давлениям, создаваемым абсолютно сухим и нормально сухим материалом, и ему кажется, что эта так называемая теория способна к столь легкому доказательству путем простого наблюдения за любым креплением в глубокой траншее в грунте этого класса, что она должна быть принята как по меньшей мере более безопасная, чем старая теория, которой она противоречит. Что касается этой «хорошо известной теории» в материале, подверженном гидростатическому давлению, то внимательное чтение доклада, изучение рис. 12 и сопутствующего текста либо изучение таблицы 1 убедят г-на Гудрича в том, что, согласно анализу автора, это давление не уменьшается до нуля в нижней части, а в мягких грунтах может быть примерно постоянным по всей глубине, в то время как в исключительно мягких грунтах могут возникать условия, при которых оно возрастает к низу. Определение следует производить, беря твердый материал и высушивая его настолько, чтобы из него не текла и не сочилась вода. Когда этот материал затем уплотняется до состояния, в котором он находился бы в естественном залегании, можно измерить его угол естественного откоса, и он может оказаться равным целым 60 градусам. Затем следует отделить самые мелкие частицы от более крупного материала и взвесить последний для определения его пропорции. Вычтя это значение из общего объема, остаток можно отнести на счет «водной составляющей». Таким образом, видно, что для частично просушенного материала, в котором естественный угол откоса может составлять 60°, а процентное содержание воды или водной составляющей в водонасыщенном состоянии может составлять 60%, будет наблюдаться увеличение давления к нижней части.

Автор не знает точного характера экспериментов, проведенных на пароме Сент-Джордж г-ном Гудричем, но предполагает, что они представляли собой измерения давлений на поршни через отверстия в забирке. Он хочет еще раз заявить, что не может считать такие эксперименты убедительными и полагает, что они имеют лишь сравнительную ценность, поскольку подобные эксперименты в малой степени измеряют давление твердого материала, а лишь фиксируют всю или часть так называемой водной составляющей, то есть жидкости и очень мелкого материала, который течет вместе с ней. Так, хорошо известно, что во время строительства недавних тоннелей Гудзона и Норт-Ривер в иле проводились измерения давлений, некоторые из которых показали, что ил оказывал полное гидростатическое давление. В то же время У. И. Эймс, чл. Американского общества инженеров-строителей, заявил в публичной лекции, а недавно также и автору, что в 1890 году он выполнил несколько испытаний давления этого ила на воздухе при нормальном атмосферном давлении по заказу покойного В. Р. Хаттона, чл. Американского общества инженеров-строителей. Отверстие размером 12 на 12 дюймов было пробито сквозь кирпичную кладку и железную обделку сразу за шлюзом в северной трубе (на нормальном воздухе) и примерно в 1000 футах от нью-джерсийского берега. Было обнаружено, что ил стал настолько плотным, что не втекал в проем. Позже в проем были встроены 4-дюймовый воротник и поршень, и в течение периода, охватывающего по меньшей мере 3 месяца, постоянные наблюдения показывали, что на него не передается никакого давления; более того, отмечалось, что поршень часто двигали туда-сюда для вызова давления, но в течение всего этого периода никакой реакции получить не удалось. Из этого следует сделать вывод, что когда проходка с сопутствующими ей нарушениями прекращается, твердый материал, окружающий сооружения, стремится более или менее уплотниться и затвердеть в зависимости от того, является ли он более или менее пористым, образуя во многих случаях нечто вроде сплошного свода, отсекающего большую часть нормального и даже некоторую часть гидростатического давления.

То, что давление нормально сухого материала нельзя измерить через маленькие отверстия, может подтвердить любой, кто осмотрит такой материал за креплениями, обнаруживающими признаки тяжелого давления. Исследователь обнаружит, что если этот материал свободен от давления воды, бумага, слабо утрамбованная в небольшие отверстия, будет бесконечно долго удерживать материал, который в больших массах неоднократно заставлял крепления выгибаться, а доски забирки изгибаться и ломаться; и автор вновь повторяет, что такие эксперименты следует проводить в траншеях с горизонтальной забиркой, опирающейся на короткие вертикальные схватки и распорки, образующие горизонтальные секции, полностью изолированные и независимые друг от друга. Никаким иным способом подобные эксперименты не могут иметь реальной ценности (и даже в этом случае лишь при постановке в крупном масштабе) для окончательного определения давления грунта на траншеи.

Что касается вопросов об относительном распоре материалов при различных углах естественного откоса, о необходимости деления на тангенс и т. д., то они, по мнению автора, представляют собой не более чем решение задач простой геометрии.

Автор считает, что если г-н Гудрич выполнит — пусть даже в малом масштабе — некоторые из экспериментов, отмеченных автором, он убедится, что многие предположения, которые он в настоящее время не может поддержать, основаны на фактах, и его сотрудничество будет встречено с величайшим интересом. Среди экспериментов, которые ему предлагается поставить, — упомянутый в качестве эксперимента № 3 опыт с сухим песком, с помощью которого можно весьма убедительно показать, что дополнительная обратная засыпка приведет к увеличению арочной устойчивости на своде, который при более легкой нагрузке обрушился бы.

Автор признателен г-ну Гудричу за указание на некоторые ошибки омиссии и типографики (ныне исправленные), а также за его искреннее согласие с некоторыми допущениями, которые, как полагал автор, встретят наибольшее неодобрение.

Отвечая г-ну Пруйну и г-ну Грегори, автор исходил из того, что площадь поршня в эксперименте № 6 должна быть уменьшена только на величину фактического контакта материала с ним. Если этот контактирующий материал состоит из теоретических сфер, приводящих к контакту лишь в точках, то уменьшаемая теоретическая площадь должна быть пропорциональна только этой величине. Однако автор не считает, что такое условие существует на практике, а полагает, что площадь сокращается гораздо сильнее, чем от фактического теоретического контакта материала. На данный момент он не видит оснований сомневаться в точности выводов, сделанных на основе этого эксперимента.

Касательно вопроса о времени, требуемом для подъема поршня, он не считает позицию своих критиков абсолютно верной в этом вопросе; то есть следует либо признать, что площадь поршня отсечена от источника давления, либо она контактирует с ним через более или менее мелкие каналы с водой. Если она отсечена, то утверждение автора доказано без необходимости проведения эксперимента, и следовательно, является непреложным фактом, что подводный тоннель не испытывает гидростатического давления или выталкивающего действия воды. Если же, с другой стороны, вода контактирует через каналы, ведущие непосредственно к поршню и к камере чистой воды, любое увеличение давления в водяной камере неизбежно должно приводить к практически мгновенному увеличению давления на поршень, а потому реакция на последнем должна следовать почти немедленно. Во всех случаях во время экспериментов поршень не реагировал до тех пор, пока давление не возрастало примерно в два раза по сравнению с требуемым в чистой воде, поэтому автор должен сделать вывод либо о том, что эксперименты доказали это окончательно, либо о том, что его предположение доказано без необходимости проведения экспериментов. То есть давление практически не проявляет себя до тех пор, пока поршень не начнет движение.

Г-н Пруйн внес ценный вклад, представив данные, полученные в ходе специальных испытаний несущей способности и бокового трения полых стальных свай. Эти данные в значительной степени подтверждают испытания и наблюдения автора и рекомендуются к всеобщему вниманию.

Информация г-на Картера также представляет особый интерес для автора, поскольку многое в ней подтверждает его взгляды. Г-н Картер пока еще не принимает теорию возрастающего кверху давления, но если он исследует тяжелое крепление в глубоких траншеях в чистом песке или в материале с четко определенными углами естественного откоса либо поэкспериментирует с ним, то, вероятно, найдет немало такого, что поможет ему склониться к принятию этой точки зрения.

Автор сожалеет, что в настоящее время у него нет средств или приспособлений для дальнейших экспериментов с камерой поршня, однако он полагает, что в щебне нельзя получить надежных результатов со столь малым поршнем, поскольку возможно, что с поршнем будет соприкасаться лишь острие одного камня. Это закономерно оставило бы основание почти целиком открытым для зоны чистой воды. Тем не менее, он не считает, что на практике укладка щебня под лотки существенно изменит предельное давление, если только его поперечное сечение не занимает большую площадь.

Г-н Перри найдет на странице 369 следующее:

«Следует также отметить, что хотя площадь, подверженная давлению, уменьшается, давление на оставшуюся площадь соответствует полному гидростатическому напору, как это было бы видно по показаниям манометра».

Это, разумеется, зависит от пористости материала и сопротивления трения, с которым сталкивается вода при фильтрации через него.

Что касается дискуссии г-на Томсона, автор с сожалением отмечает два момента: (a) отсутствие конкретных данных во многих интересных случаях аварий определенных сооружений или креплений; и (b) тот факт, что он не во всех случаях отчетливо понимает доклад. Например, автор не выступал за отказ от нижнего крепления или забирки. Он наблюдал множество случаев, когда оно было или могло быть безопасно опущено, однако он хочет четко заявить, что ни при каких обстоятельствах не выступает за отказ от него в качественной работе; речь идет лишь о том, что в грамотно спроектированном креплении его прочность может снижаться по мере приближения к низу.

Вновь делается ссылка на схему на рис. 12, которая показывает, что в большинстве случаев кессонов при сочетанном гидростатическом давлении и давлении грунта нагрузка внизу может быть почти равной, а в некоторых случаях даже большей.

Автор также отдельно указывает на то, что на воздухе разница между гидростатическим давлением и давлением грунта отчетливо проявляется в том факте, что крепления требуются столь часто именно для удержания грунта, в то время как давление воздуха не пропускает воду.

Отсутствие конкретных данных особенно заметно в рассказе о всплытии 6-футового трубопровода в Торонто. Было бы чрезвычайно интересно с достоверностью узнать погонный вес трубы, а также была ли она правильно уложена в постель и засыпана грунтом. По всей вероятности, обратная засыпка над определенными участками была выполнена ненадлежащим образом, и поскольку труба подвергалась воздействию выталкивающего усилия почти в 1600 фунтов на фут при наличии, вероятно, всего 500 или 600 фунтов собственного веса для уравновешивания, нетрудно заметить, что этот случай не соответствовал общему предложению автора о том, что сооружения, заглубленные не полностью или лишь частично, должны иметь большой коэффициент безопасности против всплытия. Противоположностью опыту г-на Томсона в данном случае является тот факт, что тоннели под Ист-Ривер неоднократно подходили очень близко к поверхности, причем вышележащий материал был настолько жидким (из-за утечки сжатого воздуха), что их верхние поверхности временно оказывались в воде, однако не было ни единого случая их всплытия, хотя некоторые из них находились под воздействием чрезмерного выталкивающего давления.

Также представляет интерес отметить из документов, описывающих тоннель под Норт-Ривер, что при закрытых дверцах щита щит стремился подняться вверх, в то время как при открывании дверец для приема грунта щит удавалось опустить или удерживать внизу. Автор разделяет мнение тех, кто считает, что подъем щита при закрытых дверцах был обусловлен несколько большей плотностью подстилающего материала и никоим образом не был связан с плавучестью.

Что касается обрушения крепления в тоннеле, построенном на косоготре, автор полагает, что оно было обусловлено нахождением сооружения на сползающем косогоре, и если бы удалось выполнить обратную засыпку поверх этого тоннеля в очень больших объемах, эта засыпка привела бы к остановке сползания грунта на тоннель, и в дальнейшем работы велись бы безопасно. Это подтверждается заявлением г-на Томсона о том, что впоследствии тоннель удалось успешно провести, сместившись глубже в холм.

Что касается угла естественного откоса, г-н Томсон, судя по всему, считает его определение настолько непрактичным, что на него нельзя полагаться; и тем не менее все расчеты, относящиеся к давлению грунта, должны основываться на этом факторе. Автор полагает, что угол естественного откоса определить несложно и что наблюдения за обнаженными откосами в аналогичном грунте, эксперименты с ними и общий опыт в отношении таких грунтов позволят почти во всех случаях определить его с достаточно точными пределами, при которых потребуется добавить лишь небольшой запас прочности.

Инженеров отправляют в Европу изучать утилизацию сточных вод, очистку воды, транспортные проблемы и т. д., но редко направляют в соседний округ или штат посмотреть на обнаженный откос, который, возможно, разрешил бы сложную проблему креплений и привел бы к огромной экономии при проектировании постоянных сооружений.

Общие взгляды г-на Томсона, судя по всему, свидетельствуют о том, что большая часть материала, отмеченного в докладе, относится к неразрешимым проблемам, поскольку создается впечатление, что во многих случаях он считает инженера зависимым от его образованного предположения, подкрепленного, возможно, опытным предположением мастера или практика. Автор, напротив, считает, что каждая проблема, относящаяся к работам такого класса, поддается решению в разумно точных пределах и что недалек тот час, когда инженер, обладая данными обследования условий и образцами материалов, сможет решать свои задачи по давлению и сопротивлению грунта столь же точно, сколь мостовик, опираясь на свои знания строительных материалов, решает мостовые задачи.

Автор в ходе своего опыта сталкивался с решением или участвовал в решении многих задач, подобных следующим:

Какое различие в креплении следует делать для тоннеля в обычном, нормально сухом грунте при глубине до кровли в 20 футов по сравнению с тоннелем на глубине 90 футов?

Какое различие в креплении или в проектном решении постоянной конструкции следует предусматривать для шахты размером 5 на 5 футов с горизонтальной забиркой глубиной до 45 футов и, например, шахты размером 25 на 70 футов на ту же глубину, если предположить, что каждая из них раскреплена и забита горизонтальными досками с независимым креплением?

Какую поправку на прочность замкового соединения следует делать при условии, что круглая песчаная перемычка диаметром 30 футов должна удерживаться стальным шпунтом, обнаженным с внешней стороны на глубину 40 футов?

Какое среднее давление на квадратный фут площади требуется приложить для погружения секции кровельного щита размером 3 на 15 футов по сравнению с давлением, необходимым для продвижения всего кровельного щита с площадью в четыре раза большей?

На какую глубину можно было бы забить брус 12 на 12 дюймов при постепенно возрастающем давлении, например до 60 тонн, в нормальном песке?

Какое сопротивление трения следует принимать для полой гладкостенной стальной сваи, которая была забита через плотный песок и прошла в мягкий болотистый грунт, несущая способность которого практически нулевая?

Какую поправку на плавучесть следует делать для тоннеля диаметром 20 футов, верхняя часть которого заглублена на 20 футов в песок, над которым находится слой воды толщиной 40 футов?

Автор полагает, что большинство руководств умалчивает о решении задач, подобных приведенным выше, и именно из-за этого дефицита доступных данных он сосредоточил на них свои исследования. Убежденность в том, что результаты этих изысканий вместе с сопутствующими наблюдениями и экспериментами могут представлять интерес, побудила его изложить их в настоящем докладе.

Он хочет заявить о своем убеждении, что если бы задачи, подобные вышеуказанным, были выданы для точного решения — без опоры на обычную безопасную практику и без консультаций друг с другом — группе видных инженеров, занимающихся такими вопросами, результаты разошлись бы настолько сильно, что это убедило бы некоторых критиков этого доклада в том, что наибольшая опасность кроется скорее в неизученности подобных областей, нежели в публикации результатов исследований, которые могут показаться несколько радикальными.

Кроме того, если эти взгляды послужат стимулом для формирования интереса, дающего надежду на то, что со временем «давление, сопротивление и устойчивость» грунта в различных условиях будут известны с достаточно точными пределами и сведены в таблицы, автор сочтет, что его усилия не пропали даром.

ПРИМЕЧАНИЯ:

[H] «Боковые давления грунта и сопутствующие явления», Труды Американского общества инженеров-строителей, т. LIII, стр. 272.