Жүктеменің әсерінен кез келген топырақ, қатты жынысты қоспағанда, шөгеді. Шөгу жалпы алғанда екі себептен пайда болады: топырақты тығыздау — яғни оның қуыстарынан ауа немесе суды ығыстыру салдарынан көлемінің кемуі және топырақтың бүйірлік ығысуы — топырақтың қатты бөлшектері сырғуының нәтижесінде іргетас жиектерінің жанында орын алады.
Топырақтың тығыздалудан отыруы іргетас жүктемесінің әсерінен туындайтын серпімді және пластикалық деформациялардан тұрады, оларда жүктеме алынғанда топырақ ішінара бастапқы күйіне қайта келеді.
Топырақтың бүйірлік ығысу салдарынан шөгуі тек пластикалық деформациялардан тұрады, мұнда жүктеме алынғанда топырақ бастапқы күйіне қайта келмейді. Олар көбіне жер бетінің үстінен аз тереңдікте салынған шағын іргетастарда пайда болады. Сол сияқты, өте ылғалды және ішкі үйкеліс бұрышы кіші топырақта да бүйірлік ығысу орын алады.
Топырақтың рұқсат етілетін жүктемесі серпімді-пластикалық деформациялар аймағында қабылданатындықтан, шөгу есебі тек жүктеме әсерінен топырақ кеуектілігінің азаюы негізінде жүргізіледі, бұл ретте топырақтың бүйірлік ығысуынан болатын шөгулер еленбейді, өйткені олар елеусіз деп қабылданады.
Тығыздалудан болатын отыру топырақтың су өткізгіштігіне байланысты, өйткені ол табиғи топырақта әрқашан азды-көпті сумен толған қуыстар есебінен жүреді. Демек, жүктеме әсеріндегі топырақтың отыруы іс жүзінде гидродинамикалық құбылыс болып табылады, өйткені отыру процесі қуыстардан судың ығыстырылу жылдамдығына тәуелді, мұнда топырақтың су өткізгіштігі ең үлкен рөл атқарады.
Қиыршық тас пен құм сияқты байланыспаған топырақтардың кеуектері үлкен, сондықтан олардың су өткізгіштігі жоғары және фундамент жүктемесі әсер еткенде кеуектердегі су тез ығыстырылады. Сол себепті байланыспаған топырақта фундаменттің отыруы жүктеме әсерінен тез жүреді, көбінесе құрылыс кезінде немесе одан көп ұзамай. Осыған байланысты байланыспаған топырақта фундаменттің отыруы сирек есептеледі.
Когезиялық топырақтардың ұсақ қуыстары болады, олардың өткізгіштігі төмен және іргетас жүктемесінің әсерінен кеуектерден судың ығыстырылып шығуы өте ұзаққа созылуы мүмкін, кейбір ұсақ түйіршікті саздарда тіпті ондаған жылдарға дейін. Бұдан басқа, когезиялық топырақтың жалпы кеуектілігі когезиясыз топыраққа қарағанда едәуір үлкен болғандықтан, когезиялық топырақтың шөгуі әлдеқайда көп.
Порларының бір бөлігі ауамен, бір бөлігі сумен толтырылған байланысқан топырақта алдымен порлардағы ауаның сығылуы салдарынан шөгу пайда болады, бұл кезде су мөлшері тұрақты қалады, одан кейін судың порлардан ығыстырылуы салдарынан шөгу жүреді. Топыраққа іргетастың салмағы мен пайдалы жүктемесінің әсерінен болатын статикалық жүктеме кезінде осы шөгудің екі түрі де пайда болады, бірақ шөгудің уақыттық процесі әртүрлі.
Топырақтың шөгуін тудыратын басқа да себептер бар, мысалы, жер асты суы деңгейінің тұрақты төмендеуі, топырақ құрамының химиялық өзгерістері және топырақтағы басқа да бұзылулар.
Отырмауды зерттеу алдын ала есептеуден тұрады; ол топырақ үлгілерін зертханалық сынау және ғимаратты салу кезінде әрі одан кейін белгілі бір уақыт бойы жүргізілетін отырмауды бақылау негізінде орындалады.
Іргетастың орталық жүктелуі кезіндегі шөгу есебі
Табаны топырақтың бірнеше түрлі қабаттарынан тұратын жерде орналасқан іргетас табанын қарастырайық, мысалы, табанның астындағы H0, тиісінше H1 құм қабаты, қалыңдығы H2 сазды топырақ қабаты, қалыңдығы H3 ұсақ түйірлі саз қабаты, оның астында қалыңырақ тығыздалған қиыршық тас қабаты және жер асты суының деңгейі NPV (сур. 1а).
Отыруды есептеу үшін топырақтың өз салмағынан туындайтын кернеулер диаграммасын (сур. 1b-дегі сол жақ диаграмма) және іргетастан түсетін қосымша жүктеменің әсерінен туындайтын кернеулер диаграммасын (сур. 1b-дегі оң жақ диаграмма) салу қажет. Топырақтың өз салмағынан туындайтын кернеулер диаграммасын қабат қалыңдықтары Σ_H_ және олардың көлемдік салмақтары γ бойынша аламыз. Егер құмның көлемдік салмағы γ1, су астындағы құмдікі γ’1, су астындағы саздақ топырақтікі γ’2, су астындағы саздікі γ’3 болса, онда топырақтағы өз салмағынан туындайтын қысым кернеулері (сур. 1) былай болады
γ1 · H’; γ’1 · H’’; γ’2 · H2; γ’3 · H3;
Жүктеме әсерінен туындайтын кернеу диаграммасын біз белгілі әдістердің бірімен, мысалы, Steinbrenner немесе Newmark әдісі бойынша, іргетастың астындағы әртүрлі тереңдіктер үшін есептеу арқылы аламыз.
Егер P — іргетасқа түсетін жүктеме, A — оның топыраққа тірелетін ауданы, γ1 — жер бетінен төмен t іргетас салу тереңдігіндегі топырақтың көлемдік салмағы деп белгілесек, іргетастың меншікті жүктемесі P/A болады, ал сол тереңдіктегі топырақтың өз салмағы γ1t болады. Іргетас жүктемесінің әсерінен топыраққа қосымша жүктемені алу үшін, топырақтың өз салмағының қысымы γ1t іргетас жүктемесінен P/A шегерілуі керек, сонда топырақтың қосымша жүктемесі мынаған тең болады
p0 = P/A – γ1t.
Сол тереңдікте t топырақтың өз салмағынан туындайтын γ1t кернеуі де әсер етеді, сондықтан осы тереңдікте жалпы кернеу (P/A – γ1t) + γ1t, болады, мұнда γ1t кернеуі әсеріндегі топырақтың консолидациясы ғимарат салынғанға дейін орындалған.
Сур. 1. Іргетасқа орталық жүктеме түскендегі шөгу есебі
Алайда, егер іргетастың табанының үстіндегі іргетастың бір бөлігі топырақпен көміліп жатса (сур. 1c), үйінді топырақтың 2_Q_ жүктемесін ескеру керек, сондықтан бұл жағдайда қосымша жүктеме болады
_P+2_Q/A – γ1t.
Жолақ түріндегі іргетас үшін A = b x 1,0 m 1 m’ іргетасқа.
Отырықтылықты есептеу іргетас жүктемесінің әсер ету тереңдігіне дейінгі сығылмалы топырақтың барлық қабаттары үшін орындалады. Бұрын ғимарат жүктемесінің әсер ету шегі ретінде қарқындылығы ≥ 10% p0 кернеулер үстем болатын тереңдік қарастырылатын. Қазіргі кезде бұл шек қосымша жүктемеден түсетін pz кернеуі топырақтың өз салмағынан болатын кернеудің 20%-іне тең болатын тереңдікте деп қабылданады: pz = 0,2 ·γ_Σ_H. Осы тереңдіктен төмен отыру есептелмейді. Басқа бір ереже бойынша, отыруды іргетас ені b болатын жағдайда 2_b_ мен 3_b_ тереңдікке дейінгі қабаттар үшін есептеу ұсынылады. Егер соңында сур. 1a-дегідей қиыршықтас қабаты болса, ол отыру есебінде ескерілмейді, өйткені іргетас жүктемесі әсеріндегі оның отыруы мардымсыз және құрылыс кезінде орындалады.
Іргетас табанының астындағы z тереңдікте топырақтың өз салмағынан туындайтын қысым кернеуі pg бар (сур. 1b), мұнда көтеруші күштің әсері де ескерілген. Осы бастапқы қысым кернеуіне объект жүктемесінің сол тереңдіктегі әсерінен болатын қысым pz қосылады. Демек, іргетас табанының астындағы z тереңдіктегі кез келген бір M нүктесінде жалпы қысым кернеуі pn = pg + pz болады.
Қосымша жүктеменің әсерінен топырақ шөгеді және бүйірлік деформацияға ұшырайды. Егер бүйірлік деформациялар салыстырмалы түрде аз болғандықтан ескерілмесе, өйткені топырақтың серпімді-пластикалық деформациялар аймағындағы рұқсат етілген жүктемесі ескеріледі, онда шөгуді есептеу топырақтағы қарастырылып отырған нүкте аймағынан алынған бұзылмаған үлгімен едометрдегі сығымдылық сынағына негізделеді деп қабылдауға болады, осы сынақ арқылы топырақтың сығымдылық модулі Ms анықталады.
Гук заңы негізінде бізде
Δ_s_ = pz/Ms,
мұнда Δ_s_ — меншікті шөгу, қабат қалыңдығының бірлігіне шаққанда, pz — қосымша жүктеме салдарынан топырақтың z тереңдігіндегі кернеу.
Егер қабат қалыңдығы dz жеткілікті кіші деп алып, pz мен Ms тұрақты деп қабылдауға болатын болса, элементар шөгу былай болады
Δ_s dz_ = pz/Ms dz.
H қалыңдықтағы қабаттың жалпы шөгуі болады
Егер pZ және MS қалыңдығы H болатын қабат үшін тұрақты болса, онда
s = pz/Ms · H.
Шын мәнінде pz және Ms H1 қалыңдықтағы қабат үшін тұрақты емес, олардың орташа мәні M нүктесінде қабылданады.
Топырақтың сығылғыштық модулі Ms әр қабат үшін жеке-жеке зертханалық жолмен анықталады. Қалыпты консолидацияланған топырақ үшін Ms модулі бастапқы сығылу диаграммасынан анықталады, мұнда толық жүктеме σ2 = pg + pz; σ1 = pg = Σ_γt,_ қосымша жүктеме Δ_σ_ = σ2 – σ1 = (pg + pz) – pg, ал салыстырмалы сығылудың тиісті мәндері Δ_h2_/h және Δ_h1_/h, сондықтан
Алайда, егер мәселе қайта консолидацияланған сазға қатысты болса, онда сығылғыштық модулі екінші реттік сығылу диаграммасы бойынша анықталады. 2 суретіндегі мысалдан мынаны аламыз:
2-сур. Салыстырмалы сығылу диаграммасы негізінде топырақтың сығылғыштық модулін анықтау
Жоғарыдағыдан преконсолидацияланған саздың шөгуі қалыпты консолидацияланған топырақтың шөгуінен әлдеқайда аз болатыны шығады.
Іргетас қаттылығының шөгуге әсері
Іс жүзінде бір нүктенің шөгуі көршілес нүктенің шөгуіне тәуелсіз болатын толықтай серпімді іргетастар болмайтындықтан, шөгуді есептеу үшін серпімді және қатты іргетастар ажыратылады.
Икемді іргетастар, бұларға тас үйінділері мен үйілген топырақтар жатады, біркелкі жүктеме кезінде жекелеген нүктелерде әртүрлі шөгу туғызады. Сондықтан мұндай іргетастар үшін шөгуді есептеу бүкіл жүктелген аудан үшін емес, оның жекелеген нүктелері үшін жүргізіледі: төрт бұрыш нүктелері A, B, C және D, қабырғалардың ортаңғы нүктелері E, F, H және J және тік төртбұрыш ауданының орталық нүктесі G (сур. 3). Біркелкі жүктеме кезінде B, C және D нүктелерінің шөгуі A нүктесіндегідей, H нүктесінің шөгуі E нүктесіндегідей, J нүктесінің шөгуі F нүктесіндегідей, егер топырақ құрамы бірдей болса.
Сур. 3. Жүктелген алаңның жекелеген нүктелерінің отыруын есептеу
G жүктелген бетінің кез келген бір нүктесінің астындағы шөгуді есептеу үшін ABCD төрт кіші тік төртбұрышқа бөлінеді, ал G шөгуі бөлінген әрбір тік төртбұрыш тудыратын шөгулердің қосындысы ретінде алынады.
Қатты іргетастар серпімді іргетастар сияқты шөкпейді, өйткені оларда жеке нүктелердің шөгуі мүмкін емес. Сондықтан қатты іргетастардың шөгуі тұтас күйінде есептеледі, ал қаттылық дәрежесіне қарай шөгудің орташа мәні әртүрлі тәсілмен анықталады, өйткені іргетастың қаттылығы іргетас табанындағы қысымның таралуына әсер етеді.
a < 2_b_ болатын шаршы немесе шағын тік төртбұрыш түріндегі қатаң іргетастар үшін ортаңғы G нүктесінің шөгуі sG есептеліп, іргетастың жалпы шөгуі s = 3/4 sG қабылданады. Ұзынша тік төртбұрыш немесе жолақ түріндегі қатаң іргетастар үшін соңғы E нүктесінің, ортаңғы G нүктесінің және олардың арасындағы аралықтың жартысындағы M нүктесінің шөгуі, іргетас табанының ұзын осі бойымен есептеліп, орташа мәні қабылданады.
Ван Хамме отыруды «сипаттық нүкте P» бойынша есептеу дәлірек деп санайды, ол ортаңғы осьтерден мына қашықтықта орналасқан
ортаңғы осьтерден. Ван Хамме бойынша, іргетастың белгілі бір нүктелерінің шөгуі іргетас табанындағы кернеулердің таралу тәсіліне тәуелді емес. Бұл нүктелер үшін шөгуді іргетас табанындағы кернеулердің таралуы біркелкі деген жорамалмен есептеуге болады. Іргетас табанында кернеулердің таралуы біркелкі емес және табанның шеттеріне қарай өсетін бірқалыпты жүктемемен жүктелген қатаң іргетас табаны үшін соған қарамастан іргетас табанының шөгуі сипаттамалық P нүктесінің шөгуіне тең. Ұзындығы a, ені b тік төртбұрышты ауданның сипаттамалық P нүктесінің астындағы z тереңдіктегі, бірқалыпты p0 жүктемемен жүктелген кернеулерді Jelinek жасаған 1 кестесінің көмегімен есептеуге болады.
σzP кернеуі z тереңдікте, P сипаттамалық нүктесінің астында, σzP = (σz/p0)·p0, мұнда p0 — топырақтың қосымша жүктемесі.
Кест. 1. Нүкте P астындағы кернеулер үшін__σz/p мәндері, іргетас табанының тереңдігі z-тің b еніне қатынасына және a ұзындығының b еніне қатынасына байланысты_
Топырақ кеуектілік коэффициентінің өзгеруі негізіндегі шөгу есебі
Егер e0 деп топырақ қабатынан алынған бұзылмаған үлгінің кеуектілік коэффициентін, ал ei деп σ1 жүктемесі астында эодометрдегі сол үлгінің консолидациясы аяқталғаннан кейінгі кеуектілік коэффициентін белгілесек (сур. 4a), онда Δ_σ_ жүктемесінің әсерінен топырақтың бастапқы көлемінің кемуі кеуектіліктің азаюына, яғни топырақтың кеуектілік коэффициентіне сәйкес келеді
Δ_e_ = e0 – e1
Sl. 4. Топырақтың кеуектілік коэффициентінің өзгеруі негізіндегі шөгу есебі
Топырақ үлгісінің бастапқы көлемі
Арнайы шөгу Δ_s_, яғни топырақ көлемінің бірлігіне келетін шөгу 1+e0 болып табылады
Δ_s_ =(e0–e1) / (1+e0)
Қалыңдығы dz болатын элементар қабаттың шөгуі сур. 4b бойынша
Δ_s_ dz=(e0–e1) / (1+e0) dz
Қалыңдығы H болатын қабаттың шөгуі болады
Егер p деп топырақтың өз салмағынан z тереңдіктегі кернеуді, ол эдометрдегі σ0 жүктемесіне сәйкес келетінін, Δp деп объект салдарынан топырақтың қосымша жүктемесінен болатын кернеуді, ол эдометрдегі жүктеменің өсіміне Δ_σ_ сәйкес келетінін, p1 деп топырақтың өз салмағы мен қосымша жүктеменің әсерінен болатын толық кернеуді, ол эдометрдегі жалпы σ1 жүктемесіне сәйкес келетінін алсақ, алдыңғы үлгіні мына түрде жазуға болады
Егер топырақтың қосымша жүктемесінен болатын кернеу диаграммасының ауданын A деп белгілесек, A = Δ_pH_ (сур. 4b-дегі штрихталған аудан), мұнда Δ_p_ — қабаттың ортасындағы қосымша жүктемеден болатын кернеу
a=Δ_e_/Δ_p_, кеуектілік коэффициенті айырмасының қосымша жүктемеден туатын сәйкес кернеуге қатынасы Vc = (1+e0)/a, былай жазуға болады
яғни s = A/Vc [cm]
Егер топырақ бірнеше қабаттан тұрса, онда әр қабат үшін шөгу s есептеледі; жеке қабаттардың шөгулерінің қосындысы жалпы шөгуді Σ_s_ береді.