Понятие об активном и пассивном давлении грунта

Давление грунта на подпорную стенку зависит от направления, величины и характера ее смещения.

Если подпорная стенка под действием давления грунта не имеет возможности смещаться (например, фундамент коробчатого сечения или стенка подземного резервуара), то давление, оказываемое на стенку со стороны грунта, называют давлением покоя (рис. 7.2). Оно может быть определено через коэффициент бокового давления:

                                   ,                                                       (7.1)

где s₀ – ордината давления покоя; g – удельный вес грунта; n – коэффициент Пуассона грунта; z – ордината точки, в которой определяется давление.

Эпюра давления грунта на стенку будет иметь вид треугольника, и при высоте стенки h равнодействующая эпюры давления покоя определится как

                                  .                                                      (7.2)

Рис. 7.2. Действие давления покоя на неподвижную

ограждающую конструкцию

Под действием давления грунта возможно смещение стенки в сторону от засыпки. При этом в грунте засыпки формируется область обрушения грунта, граница которой называется поверхностью скольжения, а сама область – призмой обрушения. Давление, которое испытывает стенка со стороны грунта в этом случае, называется активным давлением. Ордината активного давления обозначается s_а, а ее равнодействующая – Е_а.

Если под действием каких-то сил подпорная стенка смещается в сторону грунта, в засыпке образуются поверхности скольжения и формируется призма выпирания грунта. При этом давление грунта достигает максимального значения и называется пассивным давлением (отпором). Ордината пассивного давления обозначается s_р, а ее равнодействующая – Е_р.

Развитие в грунте засыпки активного и пассивного давления на подпорную стенку показано на рис. 7.3.

Рис. 7.3. Развитие активного и пассивного давления на подпорную стену: 1 – призма обрушения; 2 – призма выпирания

     Формирование активного, пассивного давления и давления покоя на ограждающую конструкцию может быть проиллюстрировано графиком, представленным на рис. 7.4.

Рис. 7.4. Формирование активного, пассивного давления

и давления покоя на ограждающую конструкцию

Как показывают эксперименты, для полного формирования призмы обрушения и развития активного давления на подпорную стенку требуются очень небольшие перемещения стенки. Напротив, образование призмы выпирания и развитие пассивного давления происходят при значительно больших значениях перемещений стенки.

  Согласно [9] принято, что при горизонтальных перемещениях подпорной стенки менее 0,0005h, где h - высота конструкции, давление грунта принимается равным давлению покоя.

  При горизонтальных перемещениях подпорной стенки более 0,0005h зависимость величин бокового давления грунта соответствует диаграмме на рис.7.4. Боковое давление грунта становится равным активному давлению, если величина горизонтального перемещения конструкции в направлении от грунта превышает 0,001h. Пассивное давление начинает действовать, когда величина горизонтального перемещения конструкции в направлении на грунт превышает 0,01h для влажных грунтов и 0,02h для водонасыщенных грунтов.

  Так как в пределах призмы обрушения и призмы выпирания возникает предельное состояние грунта, задача определения активного и пассивного давления на подпорную стенку решается методами теории предельного равновесия. При этом поверхности скольжения приобретают сложное криволинейное очертание вследствие трения грунта о стенку. Точное определение очертаний линий скольжения связано со значительными математическими трудностями. Точное решение для общего случая давления грунта на подпорную стенку было получено проф. В.В. Соколовским.

Ввиду сложности точного решения для многих практических задач вместо криволинейных поверхностей скольжения принимают плоские. Этот метод был предложен еще Ш. Кулоном (1773 г.). Метод Кулона основан на следующих допущениях:

- поверхности скольжения плоские;

- призма обрушения соответствует максимальному давлению грунта на подпорную стенку;

- трение грунта призмы обрушения о стенку отсутствует;

- стенка абсолютно жесткая.

При определении активного давления метод Кулона дает результаты, близкие к строгим решениям. При определении пассивного давления получается завышенный результат, причем погрешность возрастает с увеличением угла внутреннего трения грунта. В этом случае лучше пользоваться методами, основанными на предположении криволинейных поверхностей скольжения или на теории предельного равновесия.