Силы трения при погружении опускных колодцев

По мере опускания колодца на контакте его наружной поверхности с грунтом возникают силы трения, которые направлены в сторону, противоположную силам собственного веса колодца (реактивны по отношению к ним) и препятствуют погружению. Эти силы являются весьма существенными нагрузками, влияющими на выбор конструктивного решения. Точное определение этих сил и эпюр распределения их по поверхности колодца необходимы для расчета опускания и прочности колодца.

Современные опускные колодцы возводятся почти исключительно из железобетона, поэтому задача сводится к определению трения бетона по грунту в условиях вдавливания жесткого цилиндра в линейно деформируемое полупространство.

Исследователями проводились разные виды загружения опускных колодцев в разных гидрогеологических условиях проводились лишь косвенные наблюдения — определение момента срыва колодца при удалении грунта из-под ножа.

По поверхности колодца развивается полусухое трение скольжения, когда одна и та же номинальная поверхность бетонной стены поступательно перемещается по имеющей естественную влажность поверхности грунтовой стенки, образующейся в процессе погружения. В состоянии покоя силы трения несколько больше сил трения скольжения движения, поэтому в расчетах опускных колодцев рассматриваются критические силы срыва, равные силам трения при состоянии покоя.

Величина сил трения зависит от пористости, крупности зерен грунта и поверхности стен колодца.

Проведенные эксперименты выявили линейную зависимость величин сил трения от глубины расположения площадки трения от поверхности земли.

Механизм возникновения и проявления сил трения формируется под действием главных напряжений  и , вызванных не только давлением вышележащих слоев грунта, но и дополнительным вертикальным напряжением, возникающим в результате передачи на грунт давления силами трения по боковой поверхности. Такое «самовозбуждение», приводящее к увеличению главных напряжений под действием сил трения, развивается только в плотных грунтах, пористость которых меньше критической. В рыхлых грунтах в плоскости сдвига происходит уплотнение без увеличения главных напряжений и соответственно сил бокового трения.

Трение возникает при взаимодействии поверхностей и является результатом изменений, протекающих в поверхностном слое, и при различных видах разрушения поверхности. Поверхность бетонного колодца волниста, шероховата, но имеет большую жесткость, чем прилегающий грунтовый массив.

Изменения, происходящие в структуре грунта, различны в разных гидрогеологических условиях.

В скальных, крупнообломочных грунтах и плотных песках сопротивление трению возникает как результат царапания выступающих острых краев и его частиц по бетонной поверхности.

В песчаных грунтах отдельные песчинки при контакте с колодцем при его погружении изменяют свое взаимное положение относительно друг друга, и сопротивление трению в этом случае связано с перекатыванием частиц по поверхности скольжения. В начале погружения колодца при небольшой интенсивности прижимающего давления (  кг/см²) возможно трение между бетоном и песком. При больших давлениях сдвиг сопровождается захватом значительного слоя песка. Однако при соприкосновении грунтов с более гладкой поверхностью стен почти во всех случаях коэффициент трения и удельная сила трения уменьшаются (табл.16).

При применении гидравлических или гидропневматических подмывных устройств удельные силы трения в песчаных грунтах могут быть уменьшены на 25%.

В глинистых грунтах величина трения зависит от устойчивости водно-коллоидальных связей.

Влажность грунта оказывает значительное влияние на величину сил трения. С увеличением влажности коэффициент трения для глинистых грунтов уменьшается до двух раз и для песчаных — в полтора раза (табл. 17).

При длительных перерывах между погружением отдельных ступеней во влажных грунтах происходит явление засасывания, подобное «эффекту засасывания свай». При этом критическая сила трения может увеличиться на 20—30%.

Глинистые и отчасти пылеватые грунты, находящиеся в увлажненном состоянии (выше границы раскатывания), обладают способностью прилипать к стенам колодца. Явление липкости объясняется тем, что водно-коллоидные оболочки вокруг грунтовых частиц, находящихся под значительными молекулярными силами притяжения к поверхности частиц, при большой толщине оболочек вступают во взаимодействие с посторонней поверхностью. Липкость достигает максимума в определенном интервале влажности. При полной влагоемкости липкость грунтов резко уменьшается, а при дальнейшем повышении влажности может совершенно исчезнуть. Наличие свободной воды мешает прилипанию грунтовых частиц к колодцу. На степень липкости, помимо влажности, влияет гранулометрический и химико-минералогический состав грунта, сила первоначального придавливания и свойства бетонной поверхности колодца. При кренах участки контакта со стороны навала прилипают больше, чем с противоположной стороны. Наибольшей липкостью обладают солонцеватые глины и суглинки, содержащие гумус. Песчаные и легкие супесчаные грунты практически не обладают липкостью. При прилипании колодца сдвиг происходит по грунту.

Силы трения зависят от величины прижимающей силы и следуют распределению горизонтального давления грунта на стены. При односторонних пригрузках поверхности, например на косогорах, силы трения по высокой стороне будут больше, чем по низкой. Форма колодца в плане влияет на распределение сил трения по направлениям.

В прямоугольных колодцах по углам происходит их наибольшая концентрация.

Для управления равномерным погружением колодца наиболее удобна осесимметричная форма эпюры трения. От сил трения в стенах колодца возникают изгибающие моменты, имеющие максимумы в плоскостях перепада толщин стен.

 Рис. 14. Графики удельных сил трения колодна о грунт:
а — песчаный: 1 — пески гравелистые, крупные и средней крупности при ; 2 — то же, при ; 3 — то же, при ; пески мелкие и пылеватые соответственно при  и ; 4 — то же, при  и ; б — глинистые грунты: 1 — глины и суглинки соответственно при  и ; 2 — супеси, суглинки при  и глины при ; 3 — илы, суглинки при .

Интенсивность трения колодца о грунт разными авторами оценивается различно. В практике проектирования опускных колодцев наиболее распространены расчеты по графикам (рис. 14), предложенным институтом Фундаментпроект.

При наличии по глубине погружения колодца различных слоев грунта силы трения для каждого слоя определяют отдельно, затем вычисляют усредненное значение удельной силы трений по формуле

   т/м³,                    (2.53)

 где     — удельные силы трения в отдельных слоях;

 — толщина отдельных слоев.

Полную силу трения колодца о грунт Т находят по формуле

 ,

 где  — внешний периметр колодца.

В расчетах на всплытие удерживающую силу трения принимают с коэффициентом, равным 0,5. В круглых колодцах, погружаемых в тиксотропной рубашке, нормативные величины сил трения определяют как сумму сил трения в зонах ножа и рубашки, т. е.

  т.                                       (2.54)

 Силу трения стен колодца о грунт определяют по формуле

  т.                                  (2.55)

 Силу трения стен колодца в зоне тиксотропной рубашки вычисляют по формуле

  т,                                  (2.56)

 где  — нормативная удельная сила трения стен колодца в зоне тиксотропной рубашки; при расчете погружения принимается равной 0,1 т/м².

Эти силы образуются вследствие возможных навалов верхней части колодца, вывалов грунта в щель рубашки и засорения глинистой суспензии.

Силы трения стен о грунт в зоне тиксотропной рубашки при расчете на всплытие учитываются только при тампонаже полости по окончании погружения колодца. При тампонаже из мелкого щебня с песком удельная сила  т/м²; цементно-песчаным раствором —  т/м², но не более 0,5 Т0. При погружении опускных колодцев вибраторами во влажных грунтах удельная сила трения снижается на 20%.