Оценка возможности выпора грунта из-под сооружения и потери устойчивости откосов грунтовых сооружений и естественных склонов во многих случаях является определяющей в процессе проектирования сооружений. Для гидротехнических сооружений, обычно воспринимающих большие давления воды и грунта, выполнение условий их устойчивости в значительной мере определяет их конструкцию, размеры, объемы и, как следствие, стоимость. В нормативных документах оценка и обеспечение устойчивости сооружений обычно называются проектированием по первому предельному состоянию.
Характер нарушения устойчивости. В общем случае нарушение устойчивости происходит путем образования области существенных смещений массивов грунта с появлением зоны его выпора или обрушения, полным или частичным нарушением структуры грунта, нередко последующими разрывами сплошности массива, образованием трещин, сплывов и др.
Потеря устойчивости основания может возникать при превышении вертикальной нагрузкой предельной несущей способности грунтов основания. В этом случае может наблюдаться как односторонний (рис. 7.1, а), так и двусторонний (рис. 7.1, б) выпор грунтов основания. При действии горизонтальных нагрузок потеря устойчивости возникает в результате сдвига сооружения по плоскости подошвы фундамента (рис. 7.1, в) (плоский сдвиг) или с захватом грунта основания (рис. 7.1, г) (глубинный сдвиг). Возможен промежуточный случай — частичный сдвиг (проскальзывание) сооружения по подошве с образованием в низовой части подошвы области выпора грунта, т. е. с частичным захватом грунтов основания (рис. 7.1, д) (смешанный сдвиг). При наличии слабой прослойки или подстилающих слоев основная часть поверхности сдвига может проходить по этим слоям или линзам (рис. 7.1, е).
Обрушение откосов возможно как в пределе самого откоса (рис. 7.1, ж), так и с захватом грунтов основания, т. е. с образованием области выпора. На расположение поверхностей скольжения оказывает влияние наличие менее прочных элементов грунтового сооружения (рис. 7.1, з) или слабых прослоек в основании (рис. 7.1, и).
Основные расчетные схемы и модели. Для оценки устойчивости применяют две основные расчетные модели.
Первая модель предполагает, что либо вся область выпора или обрушения (рис. 7.2, а), либо ее отдельные отсеки (рис. 7.2, б) являются жестким недеформируемым телом. Такую модель нередко называют моделью отвердевших отсеков обрушения или выпора. На всей поверхности скольжения выпора или обрушения принимается одновременное наличие состояния предельного равновесия грунта, т. е. по всей границе справедливость зависимости Кулона. Грунт за пределами отсеков обрушения также принимается недеформируемым.
В большинстве способов расчета форма поверхности скольжения (сдвига) отвердевших отсеков принимается заданной. Для условий плоской задачи наиболее часто используют плоские и круглоцилиндрические, а иногда ломаные поверхности сдвига (скольжения).
Вторая модель для оценки устойчивости грунтовых массивов основана на использовании решений теории предельного равновесия. В этой модели принимается, что одновременно во всех точках грунтовой среды имеет место предельное напряженное состояние, т. е. везде справедлива зависимость Кулона и везде имеется система поверхностей скольжения (рис. 7.2, г). В отличие от модели «отвердевших» отсеков в ней поверхности скольжения определяются из самой постановки и решения задачи. Методы оценки устойчивости оснований и откосов, основанные на модели теории предельного равновесия, кратко рассмотрены в гл. 9.
Таковы две основные и весьма противоположные по своим физическим предпосылкам модели, используемые для оценки устойчивости сооружений и склонов. Процесс нарушения устойчивости реальных грунтовых сред весьма сложен. Формирование области пластических деформаций и поверхностей сдвига происходит постепенно и сопровождается существенными деформациями объема и формы грунта. В то же время во многих случаях часть грунта остается недеформированной и выделяется в виде действительных отсеков, а иногда формируется ярко выраженная поверхность скольжения — сдвига, выше и ниже которой грунт далек от предельного напряженного состояния и даже после обрушения или выпора остается частично в ненарушенном состоянии.
Рис. 7.2. Расчетная модель монолитных отсеков обрушения (а—в) и модель теории предельного равновесия (г)
Поэтому в последние годы делаются попытки оценить устойчивость сооружений на основе более общих нелинейных моделей, в частности, упругопластической, т. е. на основе решения смешанной задачи. В отличие от рассмотренных такие модели позволяют для действующих нагрузок оценить развитие областей пластических деформаций, величины смещений сооружений, учесть деформации грунтов. Однако принципов или даже приемов, удовлетворительных для оценки степени устойчивости сооружений, по этим менее абстрактным моделям пока не имеется.
Основные практические, инженерные способы оценки устойчивости сооружений основаны на модели отвердевших отсеков обрушения при заданных очертаниях поверхностей сдвига. Развитию этих способов способствовала многочисленная плеяда исследователей, а число публикаций в этом направлении исчисляется сотнями. Можно отметить в качестве основных работы Г. Е. Паукера, С. И. Бельзецкого, Н. М. Герсеванова, В. Феллениуса, Г. Крея, К- Терцаги, Д. Тейлора, Р. Р. Чугаева, Н. Н. Маслова, М. Н. Гольдштейна, А. Скемптона, А. Бишопа, А. Л. Можевитинова. Некоторые из предложенных способов будут рассмотрены ниже в этой главе.
