Под действието на натоварване всяка почва, с изключение на твърда скала, се сляга. Слягането по принцип възниква по две причини: уплътняване на почвата, т.е. намаляване на нейния обем вследствие изтласкване на въздуха или водата от порите ѝ, и странично изстискване на почвата покрай ръбовете на основата вследствие плъзгането на твърдите почвени частици.
Слягане на почвата вследствие на уплътняване се състои от еластични и пластични деформации, предизвикани от натоварването на основите, при които при разтоварване почвата се връща частично в първоначалното си състояние.
Слягането вследствие на странично изтласкване на почвата се състои само от пластични деформации, при които при разтоварване почвата не се връща в първоначалното състояние. Те възникват най-често при малки фундаменти, изградени на малка дълбочина под повърхността на терена. Също така до странично изтласкване на почвата се стига при силно влажна почва и когато ъгълът на вътрешно триене е малък.
Тъй като допустимото натоварване на почвата се приема в зоната на еластично-пластични деформации, изчисляването на слягането се извършва само на базата на намаляването на порьозността на почвата под натоварване, като се пренебрегват сляганията вследствие на страничното изтласкване на почвата, за които се приема, че са незначителни.
Слягането вследствие на уплътняване зависи от водопропускливостта на почвата, тъй като то се извършва за сметка на порите, които в естествената почва винаги са повече или по-малко изпълнени с вода. Следователно слягането на почвата под натоварване е всъщност хидродинамично явление, тъй като процесът на слягане зависи от скоростта на изтласкване на водата от порите, в който водопропускливостта на почвата има най-голяма роля.
Некохерентните почви като чакъл и пясък имат големи пори, поради което тяхната пропускливост е голяма и водата от порите под натоварването на фундамента бързо се изтласква. Поради това при некохерентна почва слягането под натоварването на фундамента става бързо, най-често още по време на строежа или малко след това. Затова слягането на фундамента в некохерентна почва рядко се изчислява.
Кохерентните почви имат ситни пори, тяхната пропускливост е малка и изтласкването на водата от порите под действието на натоварването на основите може да продължи много дълго, при някои дребнозърнести глини — и десетилетия. Освен това, тъй като общата порьозност на кохерентната почва е значително по-голяма от тази на некохерентната, слягането на кохерентната почва е много по-голямо.
При кохерентна почва, чиито пори са частично запълнени с въздух, а частично с вода, най-напред настъпва слягане вследствие на сгъстяването на въздуха в порите, докато съдържанието на вода остава постоянно, а след това слягане вследствие на изтласкването на водата от порите. При статично натоварване на почвата вследствие на действието на тежестта и полезното натоварване на фундамента настъпват и двата вида слягане, но времевият процес на слягане е различен.
Съществуват и други причини, които предизвикват слягане на почвата, като трайно понижаване на нивото на подземните води, химични промени в състава на почвата и други нарушения в почвата.
Изследването на слягането се състои от предварителен разчет на слягането, който се прави въз основа на лабораторно изпитване на проби от почвата, и наблюдение на слягането, което се извършва по време на строителството на обекта и известно време след това.
Изчисляване на слягането при централно натоварване на фундамента
Нека разгледаме основа, фундирана в почва, която се състои от няколко различни слоя, например слой пясък H0, съответно H1 под основата, слой глинеста почва с дебелина H2, слой финозърнеста глина с дебелина H3, под който има уплътнен чакъл с по-голяма дебелина на слоя, при ниво на подземните води NPV (фиг. 1a).
За изчисляване на слягането е необходимо да се нанесат диаграмата на напреженията вследствие на собственото тегло на почвата (лявата диаграма на фиг. 1b) и диаграмата на напреженията вследствие на действието на допълнителното натоварване от фундамента (дясната диаграма на фиг. 1b). Диаграмата на напреженията вследствие на собственото тегло на почвата получаваме от дебелината на слоевете Σ_H_ и техните обемни тежини γ. Ако обемната тежина на пясъка е γ1, на пясъка под вода γ’1, на глинеста почва под вода γ’2, на глина под вода γ’3, натисковите напрежения в почвата от собственото тегло на почвата ще бъдат (фиг. 1)
γ1 · H’; γ’1 · H’’; γ’2 · H2; γ’3 · H3;
Диаграмата на напреженията вследствие на действието на натоварването получаваме чрез изчисление по някоя от известните методи, например по Steinbrenner или Newmark, за различни дълбочини под фундамента.
Ако означим с P натоварването на фундамента, A неговата площ на опиране в земята, γ1 обемното тегло на почвата на дълбочината на фундиране t под повърхността на терена, специфичното натоварване на фундамента е P/A, докато собственото тегло на почвата на същата дълбочина е γ1t. За да се получи допълнителното натоварване на почвата вследствие на натоварването на фундамента, трябва да се извади налягането от собственото тегло на почвата γ1t от натоварването на фундамента P/A, така че допълнителното натоварване на почвата възлиза
p0 = P/A – γ1t.
На същата дълбочина t действа и напрежението γ1t вследствие на собственото тегло на почвата, така че на тази дълбочина действа общо напрежение (P/A – γ1t) + γ1t, при което консолидацията на почвата под напрежение γ1t е извършена преди строежа на обекта.
Фиг. 1. Изчисляване на слягането при централно натоварване на основа
Ако обаче една част от основата над фундаментната пета се засипва с пръст (фиг. 1c), трябва да се отчете натоварването от насипната почва 2_Q_, така че в този случай допълнителното натоварване е
_P+2_Q/A – γ1t.
За основа с ивичен (ленточен) характер е A = b x 1,0 m на 1 m’ основа.
Изчислението на слягането се прави за всички пластове на свиваемата почва до дълбочината на действие на натоварването от фундамента. По-рано се е смятало за граница на действие на натоварването от съоръжението дълбочината, до която действат напрежения с интензитет ≥ 10% p0. Днес се приема, че тази граница е на дълбочината, където напрежението от допълнителното натоварване pz е равно на 20% от напрежението от собственото тегло на почвата: pz = 0,2 ·γ_Σ_H. Под тази дълбочина слягане не се изчислява. Според едно друго правило се препоръчва изчисление на слягането за пластове до дълбочина 2_b_ до 3_b_, като b е ширината на фундамента. Ако в края се намира чакълен пласт като на фиг. 1a, той не се взема предвид при изчислението на слягането, тъй като неговото слягане под натоварването от фундамента е незначително и се извършва по време на строителството.
На дълбочина z под основата съществува напрежение на натиск pg поради собственото тегло на почвата (фиг. 1b), като е отчетено и влиянието на подемната сила. Към това начално напрежение на натиск се прибавя натискът pz поради действието на натоварването на обекта на същата дълбочина. Следователно в някаква точка M на дълбочина z под основата действа общо напрежение на натиск pn = pg + pz.
Под действие на допълнителното натоварване почвата се сляга и се деформира странично. Ако страничните деформации се пренебрегнат, тъй като са относително малки, понеже допустимото натоварване на почвата е в зоната на еластично-пластичните деформации, може да се приеме, че изчисляването на слягането се извършва въз основа на опита за свиваемост в едометър, с ненарушена проба, взета в областта на наблюдаваната точка в почвата, чрез който опит се определя модулът на свиваемост на почвата Ms.
Въз основа на закона на Хук имаме
Δ_s_ = pz/Ms,
където Δ_s_ е специфично слягане на единица дебелина на слоя, pz е напрежението в дълбочина z на почвата вследствие на допълнителното натоварване.
Ако предположим достатъчно малка дебелина на слоя dz, така че да могат да се приемат pz и Ms за постоянни, елементарното слягане ще бъде
Δ_s dz_ = pz/Ms dz.
Общото слягане на пласт с дебелина H ще бъде
Ако pZ и MS са постоянни за слой с дебелина H, ще бъде
s = pz/Ms · H.
Всъщност pz и Ms не са постоянни за слой с дебелина H1, а се приема тяхната средна стойност в точка M.
Модулът на свиваемост на почвата Ms се определя лабораторно за всеки пласт поотделно. За нормално консолидарана почва модулът Ms се определя от диаграмата на първичната компресия, където общото натоварване σ2 = pg + pz; σ1 = pg = Σ_γt,_ допълнителното натоварване Δ_σ_ = σ2 – σ1 = (pg + pz) – pg, а съответните стойности на относителната компресия са Δ_h2_/h и Δ_h1_/h, т.е.
Обаче ако става дума за преконсолидирана глина, модулът на свиваемост се определя от диаграмата на вторичната компресия. От примера на фиг. 2 имаме за:
Фиг. 2. Определяне на модула на свиваемост на почвата въз основа на диаграма на относителната компресия
От горното следва, че слягането на преуплътнената глина ще бъде много по-малко от слягането на нормално уплътнената почва.
Влияние на коравината на фундамента върху слягането
Макар на практика да не съществуват напълно еластични основи, при които слягането на една точка да е независимо от слягането на съседна точка, за изчисляване на слягането се различават еластични и твърди основи.
Еластичните основи, под които се разбират каменни насипи и насипни тела, при равномерно натоварване предизвикват в отделни точки различни слягания. Поради това при тези основи изчислението на слягането не се извършва за цялата натоварена площ, а за отделни нейни точки: ъгловите точки A, B, C и D, средните точки на страните E, F, H и J и средищната точка G на правоъгълната площ (фиг. 3). При равномерно натоварване слягането на точките B, C и D е същото като на т. A, слягането на точка H е същото като на точка E, а на т. J — същото като на т. F за почва от един и същ състав.
Сл. 3. Изчисляване на слягането на отделни точки от натоварена повърхност
За изчисляване на слягането под някоя точка G от натоварената повърхност се разделя правоъгълникът ABCD на четири по-малки правоъгълника и слягането G се получава като сбор от сляганията, причинени от всеки от разделените правоъгълници.
Твърдите основи не слягат по същия начин като еластичните, тъй като при тях не е възможно слягане на отделните точки. Затова слягането на твърдите основи се изчислява като цяло, като според степента на твърдост средната стойност на слягането се определя по различен начин, понеже от твърдостта на основата зависи разпределението на налягането в основното дъно.
За твърди основи с форма на квадрат или по-малък правоъгълник, при които a < 2_b_, се изчислява слягането sG на средната точка G и се приема общото слягане на основата s = 3/4 sG. За твърди основи с форма на удължен правоъгълник или ивица се изчислява слягането на крайната точка E, средната точка G и точката M на половината от разстоянието между тях по дългата ос на основната стъпка, след което се приема средната стойност.
Van Hamme счита, че по-точен е изчислителният метод за слягането на „характерната точка P“, която се намира на разстояние от средните оси
от средните оси. Според Ван Хаме слягането на определени точки от основата е независимо от начина на разпределение на напреженията в основното дъно. За тези точки слягането може да се изчисли при предположението, че разпределението на напреженията в основното дъно е равномерно. За твърда фундаментна пета, натоварена с равномерно натоварване, при която разпределението на напреженията в основното дъно е неравномерно и нараства към ръбовете на петата, въпреки това слягането на фундаментната пета е равно на слягането на характерната точка P. Напреженията на дълбочина z под характерната точка P на правоъгълна повърхност с дължина a, широчина b, натоварена с равномерно натоварване p0, могат да се изчислят с помощта на таблица 1, изработена от Йелинек.
Напрежението σzP на дълбочина z под характерната точка P е σzP = (σz/p0)·p0, където p0 е допълнително натоварване на почвата.
Табл. 1. Стойности σz/p за напреженията под характерната точка P в зависимост от отношението на дълбочината z към ширината b и от отношението на дължината a към ширината b на основната стъпка
Изчисляване на слягането въз основа на промяната на коефициента на порьозност на почвата
Ако означим с e0 коефициента на порьозност на ненарушена проба, извлечена от почвения пласт, а с ei коефициента на порьозност на същата проба след завършване на консолидацията в едометъра под натоварване σ1 (фиг. 4a), намаляването на първоначалния обем на почвата под действие на натоварването Δ_σ_ съответства на намаляването на порьозността, т.е. на коефициента на порьозност на почвата
Δ_e_ = e0 – e1
Фиг. 4. Изчисляване на слягането въз основа на промяната на коефициента на порьозност на почвата
Началният обем на почвената проба е
Специфично слягане Δ_s_, т.е. слягане на единица обем на почвата 1+e0 е
Δ_s_ =(e0–e1) / (1+e0)
Слягането на елементарния слой с дебелина dz е според фиг. 4b
Δ_s_ dz=(e0–e1) / (1+e0) dz
Слягането на слой с дебелина H ще бъде
Ако приемем, че p е напрежението на дълбочина z от собственото тегло на почвата, което съответства на натоварването σ0 в едометъра, Δp е напрежението от допълнителното натоварване на почвата вследствие на обекта, което съответства на прираста на натоварването Δ_σ_ в едометъра, p1 е общото напрежение под действието на собственото тегло на почвата и допълнителното натоварване, което съответства на общото натоварване σ1 в едометъра, предишната формула можем да запишем във вид
Ако означим с A площта на диаграмата на напреженията от допълнителното натоварване на почвата, A = Δ_pH_ (заштрихованата площ на фиг. 4b), където Δ_p_ е напрежението от допълнителното натоварване в средата на слоя
a=Δ_e_/Δ_p_, отношението на разликата на коефициента на порьозност към съответното напрежение от допълнителното натоварване Vc = (1+e0)/a, можем да запишем
тоест s = A/Vc [cm]
Ако почвата се състои от няколко слоя, се изчисляват сляганията s за всеки слой; сборът от сляганията на отделните слоеве дава общото слягане Σ_s_.