Длительные деформации сооружений вследствие ползучести глинистых грунтов

Несмотря на то, что с явлением ползучести глинистых грунтов человек был знаком с незапамятных времен по визуальным наблюдениям за разного рода деформациями (осадками, подвижками, кренам) древних построек и естественных склонов, оно стало предметом научного исследования только в последнем столетии в связи с бурным развитием строительства. Внимание ученых и специалистов к явлению ползучести в глинистых грунтах было вызвано тем, что в ряде случаев оно становилось причиной недопустимо больших деформаций, нарушавших возможность нормальной эксплуатации сооружений и дорог. На явление ползучести глинистых грунтов одним из первых обратил внимание В. Карлович в 1869 г. в книге «Основания и фундаменты» и указал на необходимость его учета, а И.В. Мушкетов в конце прошлого века отметил проявление оползней берегов р. Волги лишь по истечении года с момента начала сползания. В дальнейшем, в особенности после выхода в свет известной книги К. Терцаги, исследование длительных деформаций глинистых грунтов стало одним из важнейших проблем механики грунтов.
Ползучесть глинистых грунтов в природе проявляется в виде длительных осадок, кренов и горизонтальных подвижек сооружений, фундированных на этих грунтах, а также медленного сползания глинистых масс по естественным склонам и откосам сооружений из грунтовых материалов. Классическим примером, иллюстрирующим проявление деформации ползучести в глинах, может служить осадка замечательного памятника архитектуры — Пизанской башни (Италия), строительство которой было начато в 1174 г. и окончено в 1350 г. Высота башни 54,5 м, масса 44 486 т, площадь подошвы кольцевого фундамента 28 м2, а давление на основание равно 0,51 МПа. В результате длительной осадки глин, залегающих в виде линз в толще песчаного основания, башня осела и наклонилась на одну сторону к моменту окончания строительства на 2,1 м. Наиболее интересным является то, что после окончания строительства, в течение почти шести столетий, она продолжала оседать примерно с постоянной скоростью, равной 2 мм в год. В настоящее время средняя осадка сооружения составляет более 1,5 м, а наклон — 5,58 м.
В докладах международных конгрессов по большим плотинам, механике грунтов и фундаментостроению, в трудах региональных конференций и симпозиумов, а также во многих других публикациях приведено чрезвычайно много примеров длительных осадок гидротехнических, транспортных, промышленных, гражданских И других сооружений по причине ползучести глинистых грунтов.
С этой точки зрения представляют большой интерес осадки земляной плотины Фресно (Калифорния), основание которой сложено (без четкой слоистости) органическими и песчаными глинами, мелкими, крупными и глинистыми песками. Уплотнение этой плотины практически закончилось через 4300 дней после начала строительства. Плотина возводилась со скоростью 0,09 м в день. За четырнадцать лет эксплуатации осадка плотины достигла 2,5 м. He менее интересным является и длительная деформация ядра каменно-земляной плотины Чарвакской ГЭС высотой 168 м, описанная М.Н. Ледневым и Д.А. Жигаревым в 1978 г. Максимальная строительная осадка ядра этой плотины составила 8,4 м, а скального основания 0,06—0,09 м. В заключительный период строительства наблюдались дальнейшее нарастание поперечного расширения ядра и боковых призм, а также общее смещение ядра (на 0,9 м) и низовой призмы в сторону нижнего бьефа под давлением воды.
Представление о характере деформаций длительного сдвига глинистых грунтов дают результаты наблюдений за смещениями их в естественных склонах, откосах выемок, а также сооружений, возведенных на этих грунтах.
Один из характерных случаев сдвиговой ползучести глинистых грунтов рассмотрен Н.Н, Масловым в 1936 г. на примере горизонтального смещения каменной гравитационной плотины Гробуа (Франция, Бургундия), основание которой (длина 550 и высота 28,3 м) было сложено достаточно плотными, но трещиноватыми глинами лейаса мощностью от 2 до 10 м. При заполнении водохранилища (строительство плотины было начато в 1838 г.) на 12—13 м у строителей появились подозрения о возможности ее прогиба в сторону нижнего бьефа. При напоре 17,5 м между телом плотины и башней водоприемника появились трещины и подтвердились подозрения строителей о прогибе плотины в плане во времени вследствие ее сдвига под действием напора воды. После опорожнения водохранилища указанные выше трещины закрылись, а плотина постепенно возвратилась в исходное положение. После каждого цикла заполнения и опорожнения водохранилища постепенно накапливался остаточный прогиб. Чтобы спасти сооружение от гибели, был уменьшен напор, а ниже по течению реки была построена другая плотина для создания обратного давления на плотину. В приведенном примере сдвиговая ползучесть глинистого грунта имела упругопластическую природу. Аналогичные деформации (до разрушения сооружения в 1895 г.) были обнаружены у каменной плотины Бузей (Франция), где ось плотины (длина 520 м, высота 22 м) на участке 120 м изогнулась в сторону нижнего бьефа на 0,37 м в результате ползучести тонкой прослойки глины, расположенной на глубине 3 м и от ее подошвы.
Для выяснения характера распределения деформаций сдвига — горизонтального смещения грунта по глубине основания, представляют интерес наблюдения Р. Петерсона и др. за деформациями низового откоса и основания земляной плотины под действием напора воды. Установлено, что под действием сдвигающих сил горизонтальные деформации основания по глубине затухают, а деформации низового откоса практически пассивно «следят» за смещением основания. Это является доказательством того, что под действием сдвигающих сил глинистые грунты подвергаются скашиванию — деформации простого сдвига, впервые описанного Г.И. Покровским в 1933 г.
Очень интересным является также случай медленного движения массива грунта по склону в сторону головных сооружений ДзораГЭС (Армения), исследованный Г.М. Ломизе в 1945 г. Шестидесятиметровая толща, залегающая на элювии третичных пелитовых туфов, перемещалась со средней скоростью 2 см в год. В результате этого головные сооружения ГЭС были сильно деформированы. Ликвидация создавшегося положения для дальнейшей нормальной эксплуатации ГЭС потребовала выполнения сложных и дорогостоящих работ. Сопоставляя угол наклона подстилающей поверхности (8°30') с минимальными значениями углов внутреннего трения породы (14°), Н.Н. Маслов пришел к выводу, что этот случай является ярким примером проявления пластического течения масс грунта.
Примеров длительных, медленно протекающих деформаций глинистых грунтов в основаниях, естественных склонах и откосах земляных сооружений чрезвычайно много. Мы ограничимся приведенными выше примерами, поскольку они, на наш взгляд, дают полное представление о проявлении ползучести глинистых грунтов в натуре.