Инженерно-геологические исследования грунтов

В начале XIX в. в строительной практике были заложены основы инженерно-геологического исследования грунтов. Вопрос статики сыпучих тел до второй половины XIX в. сводился в основном к определению давления на подпорные стены и к рассмотрению некоторых простейших задач устойчивости откосов и оснований. С середины XIX в. в статике сыпучих тел возникло направление, называемое теорией предельного равновесия. Некоторые простейшие решения были получены из условия, что земляная среда идеально сыпучая, а поверхности скольжения плоские.

В изучении прочности основания, т. е. предельной нагрузки, которая может быть передана от сооружения через фундамент основанию, ведущая роль принадлежит русским инженерам и ученым. В конце 40-х годов XIX в. в Кронштадте впервые в России были проведены испытания грунтов пробной нагрузкой. Такие же испытания вскоре были повторены при строительстве крупнейших инженерных сооружений: моста через Неву в Петербурге (1857) и Цепного моста через Днепр в Киеве (1853) с опорами, заложенными на большой глубине.

Начало разработке теории сопротивления грунтов и расчета устойчивости оснований положено предложенной в 1857 г. формулой Г. Е. Паукера. Она дает требуемую глубину заложения фундамента в сыпучих грунтах по условию устойчивости грунта. В формуле Паукера активное давление грунта в точке у края фундамента, направленное во внешнюю сторону, принималось равным пассивному его сопротивлению на той же глубине от поверхности земли. Формула Паукера получила широкое практическое применение, хотя в то время она не могла учесть всю сложность напряженного состояния грунта в условиях предельного его нагружения, и давала решения с большими запасами устойчивости.

В 1869 г. был опубликован труд В. М. Карловича "Основания и фундаменты", который положил начало самостоятельному развитию науки о грунтах и фундаментах сооружений в России [96]. Автор показал, что прочность грунта зависит от его состава и свойств. Он рассмотрел изменение прочности грунта в зависимости от изменения природных процессов, воздействующих на грунт.

На научное творчество В. М. Карловича большое влияние оказали работы профессора М. Н. Герсеванова, который исследовал глинистые породы, изучал способность глин уплотняться при высыхании, а также при нагрузке [97].

Для проверки формулы Паукера, с помощью которой определяется глубина заложения фундамента и находятся поверхности, по которым происходит скольжение песка, В. И. Курдюмов произвел специальные опыты путем вдавливания штампа в наполненный песком ящик [98]. Опыты Курдюмова впервые показали, что разрушение основания происходит в форме сдвига некоторого объема грунта по криволинейным поверхностям скольжения и далее в виде выпирания грунта из-под фундамента. Результаты исследований В. И. Курдюмова оказали решающее влияние на дальнейшее изучение работы грунтов в основаниях сооружений и на развитие теории устойчивости оснований.

В конце 80-х годов П. К. Янковский опубликовал работы, в которых вывел формулу для определения предельной вертикальной нагрузки на основание. Допуская взамен криволинейных плоские поверхности скольжения, он стремился получить результат, возможно ближе согласующийся с экспериментальными работами В. И. Курдюмова. Эти работы Янковского сыграли важную роль в дальнейшем развитии методов расчета прочности оснований [99, 100].

В конце XIX в. были поставлены опыты по определению сопротивления грунта посредством загружения большого штампа. Так, в 1876 г. инженер Ф. Г. Зброжек произвел испытание грунта вдавливанием штампа в камере кессона Литейного моста, строившегося в Петербурге. Позднее управление Рязано-Уральской железной дороги издало инструкцию по испытанию грунта посредством специальной рычажной установки.

К началу XX в. уже были созданы предпосылки для глубокого изучения вопросов, связанных с основаниями и фундаментами, что нашло отражение в ряде новых трудов и экспериментов. Например, С. И. Белзецкий, рассматривая условия предельного равновесия земляных призм, соответствующим образом представленных в грунте, получил формулу, учитывающую также и влияние ширины подошвы фундамента на устойчивость основания. Решение С. И. Белзецкого было развито Н. М. Герсевановым (сын М. Н. Герсеванова) применительно к случаю действия на фундамент не только вертикальных, но и горизонтальных сил [101].

В 1912-1914 гг. испытания сопротивления грунтов сдвигу выполнил П. А. Миняев. Он впервые показал возможность применения теории упругости к расчету напряжений в сыпучих грунтах [102]. Положения Миняева получили развитие в трудах советских ученых.

Исследования песчаных оснований В. И. Курдюмовым, мысли В. М. Карловича о характере сжимаемости грунтов, предложения петербургского академика Н. И. Фусса по применению линейного закона к расчету местных деформаций грунтов (1801), а также впервые проведенные в нашей стране испытания грунтов статической нагрузкой, появление расчетов заложения фундаментов и предложений по применению теории упругости к определению напряжений в грунтах справедливо можно считать истоками зарождения в нашей стране новой науки - механики грунтов.

Ведущая роль в изучении давления сыпучих тел на подпорные стены принадлежит русским ученым и инженерам второй половины XIX - начала XX в. Сюда относятся исследования Л. Ф. Николаи, Ф. Г. Зброжека, М. А. Ляхницкого, М. Н. Герсеванова, А. П. Прилежаева и др.

Исследования по теории сыпучей среды выполнены в начале XX в. при устройстве перемычек для гидротехнических работ, в частности "песчаных перемычек" С. Н. Багницкого. Теория и конструктивные особенности этих перемычек изложены в труде Л. В. Юргевича [103].

С давних пор свайные основания применяли как средство передачи нагрузки на слабые грунты и для возведения сооружений на местности, покрытой водой, а в XIX в. их начали применять для сооружений на крепких грунтах.

Во второй половине XIX в. широко развернулись исследования свайных оснований. Успешно были разрешены основные вопросы их теории, условий передачи ими нагрузки на грунт, конструкции свай и способов их погружения.

Первыми в этой области были работы П. К. Янковского [104] и Н. Лебединского [105]. В работе Янковского дана критика существовавших теорий сопротивления свай и отмечена неудовлетворительность формул иностранных авторов. Используя собственную практику свайных работ на болотистых участках строящихся Полесских железных дорог, автор изложил свой метод расчета, дающий более достоверные результаты. В работе Лебединского впервые показано влияние расстояния между сваями на их несущую способность.

Исследования русских инженеров были направлены не только на уточнение методов расчета свайных оснований, но и на совершенствование конструкций свай и методов сооружения свайных оснований.

В 1887 г. инженер Л. Белявин опубликовал одну из первых работ, посвященных систематическим наблюдениям над действием парового копра при забивке свай в Николаевском порту, а также выводам из изученного материала [106].

В XIX в. велись поиски негниющего материала для изготовления свай. В качестве такого материала применяли чугун. Однако чугунные сваи не получили распространения вследствие большого веса, высокой стоимости и трудности погружения. Во второй половине XIX в. применялись железные сваи, чему способствовало появление прокатных профилей. Эти сваи использовались при сооружении опор мостов, пристаней и набережных.

В конце XIX - начале XX в. впервые появились железобетонные сваи круглого сечения. В 1907 г. Н. А. Белелюбский впервые применил железобетонные сваи при сооружении опор моста на Екатерининской железной дороге. С 1910 г. железобетонные сваи назначались прямоугольного сплошного сечения, а затем - круглого кольцевого сечения. Вследствие того, что такие сваи обладали большим весом, вскоре перешли на системы составных свай из коротких элементов.

Эффективный для того периода способ изготовления бетонных свай был найден русским инженером А. Э. Страусом. Введенные впервые в практику строительства в 1899 г. эти так называемые набивные бетонные сваи изготовлялись в буровой скважине путем трамбования небольших порций бетона при одновременном подъеме обсадной трубы. А. Э. Страус предложил также устройство набивных железобетонных свай, где арматурный каркас устанавливался в скважине до бетонирования. Сваи Страуса получили значительное распространение в нашей стране и за границей.

В конце XIX в. был разработан и применен Н. Лебединским метод погружения свай с помощью подмыва струей воды. Затем начали применять способ подмыва с дополнительными ударами бабой или молотом. Этот способ, после некоторого перерыва, снова получил применение для погружения больших железобетонных свай.

Значительное развитие фундаментостроения, в частности теории свайных оснований, в первые десятилетия XX в. связано с именем Н. М. Герсеванова, производителя работ на строительстве Петербургского порта. Он выполнил большую работу по устройству набережных, опор углеперегружателей и других сооружений, которые внесли много нового в конструкции свайных фундаментов и методы их возведения. При постройке опор углеперегружателей Герсеванов устроил высокий свайный ростверк на железобетонных сваях и впервые высказал мысль о целесообразности применения подобной конструкции фундаментов для опор мостов вместо опускных колодцев и кессонов. При проектировании опор Н. М. Герсеванов впервые дал метод расчета высокого свайного ростверка.

В 1917 г. Н. М. Герсеванов опубликовал работу, в которой дал метод определения сопротивления свай статической нагрузке по результатам их забивки и вывел первую теоретически обоснованную формулу для определения допускаемой нагрузки на сваи с помощью так называемого динамического метода. Эта формула получила всеобщее признание и прочно вошла в практику проектирования свайных фундаментов [107]. Следует добавить, что в это же время инженер А. М. Годыцкий-Цвирко теоретически исследовал условия рационального использования свай под фундаментами опор мостов в зависимости от вида эпюр распределения давления на подошве [108].

В 1916 г. инженер 3. А. Якоби предложил метод расчета свайных оснований для системы наклонных и вертикальных свай. Для системы вертикальных свай этот метод дает результаты, не отличающиеся от результатов расчета по другим уточненным методам.

Русские инженеры путей сообщения провели важные исследования в области устройства кессонных фундаментов. Определяя сопротивление грунта давлению в камере кессона быка Литейного моста через Неву в Петербурге, инженер Ф. Г. Зброжек в 1876 г. получил данные для расчета кессонных оснований. Дальнейшее развертывание строительства мостов привело к созданию ряда оригинальных решений кессонов, выдвинутых русскими инженерами. Так, в 1896 г. при постройке мостов па Сибирской железной дороге инженер Е. К. Кнорре применил оригинальную конструкцию деревянных кессонов, ставшую известной под названием русской. Модель кессона получила большую золотую медаль на Всемирной выставке в Париже.

В 1899 г. на строительстве Китайско-Восточной железной дороги инженер А. Н. Лентовский впервые в мире предложил и осуществил конструкцию железобетонных кессонов. Этим было положено начало конструированию таких кессонов, которые в течение первого десятилетия XX в. получили широкое применение при возведении большого числа мостов. К 1913 г. в нашей стране было опущено 150 кессонов системы А. Н. Лентовского.

Исследование условий возникновения пучин земляного полотна железных дорог в зимнее время и изыскание эффективных мер борьбы с ними имели огромное технико-экономическое значение. В 1885 г. была опубликована работа инженера В. А. Штукенберга [109], в которой он изложил обоснованную теорию происхождения пучин. Впервые в мировой науке автор доказал, что зимнее пучение грунтов происходит не только за счет того количества воды, которое находилось в грунте до замерзания, но и за счет перемещения влаги к промерзающему грунту из нижележащих талых слоев.

В 1891 г. на совещательном съезде инженеров службы пути в Петербурге С. Г. Воислав доложил о поставленных в 1890-1891 гг. опытах по замораживанию образцов грунта, взятых из пучинистой выемки Николаевской железной дороги. Опыты подтвердили выводы В. А. Штукенберга.

Обобщение теоретических исследований и опытов в области пучино-образования было сделано инженером Л. П. Любимовым в 1898 г. [110]. По полноте изложения и всестороннему освещению вопроса его работа была лучшей для того времени работой о пучинах. В 1913 г. министерство путей сообщения издало инструкцию по борьбе с пучинами.

В районах вечной мерзлоты издавна применялись примитивные приемы устройства фундаментов для строительства. Даже в конце XIX в. строители точно не знали, можно ли строить здания и дороги на вечно-мерзлых грунтах по тем правилам, которые выработаны для районов, не имеющих вечномерзлых грунтов.

Теоретические и экспериментальные исследования строительства в условиях вечной мерзлоты усилились в связи с постройкой Сибирской, Забайкальской и позднее Амурской железных дорог. Инженер А. В. Ливеровский в 1900-1907 гг. впервые создал основы методики устройства в условиях вечной мерзлоты фундаментов различных железнодорожных сооружений. С этого времени в России, ранее, чем в других странах, производились систематические всесторонние исследования вечной мерзлоты.

По условиям залегания пород, характеру их разрушения, составу и строению исследователи определили влагоемкость вечномерзлых грунтов, а также величину их временного сопротивления сжатию, разрыву и дроблению. Оказалось, что временное сопротивление сжатию некоторых образцов после 20-кратного промораживания достигает лишь 25% величины сопротивления того же образца в сухом виде, что при увлажнении прочность пород снижается до 50-70%. Из многих печатных работ особо следует отметить труды Н. С. Богданова "Вечная мерзлота и сооружения на ней" и Л. Н. Пассека "Вечномерзлые грунты головного участка Амурской железной дороги".

Во второй половине XIX в. в строительной науке шел процесс создания единых методов исследования, главным образом стержневых систем, что выразилось в разработке аналитических, графических и графоаналитических способов расчетов. В начале XX в. эти проблемы стали отходить на второй план. В исследованиях по строительной механике на первое место выдвигались тонкостенные сплошные системы.

К началу XX в. выявилась внутренняя закономерная связь аналитических приемов расчета. Оказалось, что между внешней нагрузкой и внутренними усилиями в сооружении имеется строгая математическая зависимость, указывающая на единство явлений прочности. Ученые продолжали развивать принципы основных теорем строительной механики, распространяя их на расчеты сооружений новых типов. Строительная наука стала более мощной по силе обобщений вследствие тесной связи с математической теорией упругости. Это дало возможность дифференциации строительной механики на механику стержневых систем и механику тонкостенных и пространственных сооружений.

К 1914 г. - началу первой мировой войны - развитие строительной техники и науки достигло весьма высокого уровня.