Фазы напряженного состояния грунтов при возрастании нагрузки

Механические процессы в грунтах.Рассмотрим механические процессы, возникающие в грунтах при действии местной постепен­но возрастающей нагрузки. Пусть на поверхность грунта через жесткий штамп ограниченных размеров прикладывается нагрузка и все время производятся наблюдения за осадками штампа.

В рассматриваемом случае механические процессы будут зна­чительно более сложными, чем, например, описанные ранее при компрессионном сжатии, когда наблюдаются только затухающие деформации, так как любой элемент грунта в компрессионном при­боре испытывает только нормальные напряжения без возможнос­ти бокового расширения.

При действии же местной нагрузки произвольно выделенный элемент грунта испытывает, кроме нормальных, и касательные (сдвигающие) напряжения, которые при достижении определенной величины могут вызвать появление местных необратимых сколь­жений (сдвигов). Поэтому при действии местной нагрузки могут иметь место как затухающие деформации уплотнения, так (при определенной величине внешней нагрузки) и незатухающие де­формации сдвига, переходящие при соответствующих условиях в пластическое течение, выпирание, просадку и т. п.

Рис. 61. Зависимость между деформациями и давлением при воз­растании нагрузки на грунт:

а — кривая деформаций при ступенчатом загружении; б — начальный уча­сток кривой деформации; в — конец фазы уплотнения — начало фазы сдвигов; г — линии скольжения и. уплотненное ядро при полном развитии зон предельного равновесия

На рис. 61, а приведена типичная кривая деформаций грунта при действии на его поверхность местной, возрастающей ступеня­ми нагрузки. Рассмотрим ее несколько подробнее.

Если ступени нагрузки малы и грунт обладает связностью, то первые участки на кривой деформаций будут почти горизонталь­ны (рис. 61, б, где начальный участок дан в несколько увеличен­ном масштабе), т. е. пока не превзойдена структурная прочность, грунт будет испытывать только упругие весьма незначительные по величине деформации и осадка штампа будет полностью восста­навливаться при разгрузке.

При последующих ступенях нагрузки (или даже при первой, когда будет превзойдена структурная прочность грунта), возникает уплотнение грунта под нагрузкой, т. е. уменьшение пористости грунта в некоторой его области под нагруженной поверхностью.

Важно отметить, что, как показывают результаты непосредст­венных опытов, всегда существует некоторая величина внешнего давления, при котором грунт лишь уплотняется и приобретает большую сопротивляемость внешним силам.

Фазы напряженного состояния. Первая фаза напряженного сос­тояния грунта носит название фазы уплотнения. В строительном отношении такое состояние грунта будет полезным, так как грунт

в фазе уплотнения приобретает более плотную структуру и будет давать меньшие осадки.

Как указывалось ранее (см. § 5, гл. II), при уплотнении зависимость между общими деформациями и удель­ным давлением (сжимающим напряже­нием) с достаточной для практических целей точностью может быть принята линейной.

Уплотнение грунта под нагрузкой может продолжаться еще при несколь­ких ступенях нагрузки, однако при до­стижении ее некоторой величины воз­никает все больше скольжений (сдви­гов) между частицами грунта, так как в отдельных местах сопротивления сдвигу преодолеваются, появляются скольжения между частицами, посте­пенно формирующиеся в отдельные площадки скольжения и зоны сдвигов.

Конец фазы уплотнения (точка с на кривой рис. 61, а) « начало образо­вания зон сдвигов, возникающих пер­воначально у краев площади загрузки (рис. 61, в), где сдвигающие напряже­ния наибольшие, являются характернейшими показателями меха­нических свойств грунтов и соответствуют начальной критической нагрузке на грунт в данных условиях загружения.

При дальнейшем увеличении нагрузки наступает вторая фаза — фаза сдвигов, переходящая (в зависимости от граничных условий и величины нагрузки) в пластическое или прогрессирующее тече­ние, выпирание, просадку и подобные недопустимые деформации основания.

Зависимость между деформациями и напряжениями в этой фа­зе нелинейная.

Важно отметить, что в конце фазы уплотнения (начале фазы сдвигов) непосредственно под штампом начинает формироваться жесткое ядро ограниченных смещений частиц (что можно устано­вить непосредственно фотографированием смещений по методу проф. В. И. Курдюмова, см., например, рис. 62 — результаты опы­та проф. Биареза), которое в дальнейшем и разжимает грунт в

Рис. 62. Форма жесткого ядра в сыпучем материале при вдав­ливании штампа (по опытам Биареза)

стороны, обусловливая значительные осадки штампа. Это ядро, как показали опыты В. Г. Березанцева и В. А. Ярошенко с песча­ными грунтами, полностью сформировывается при достижении грунтом его максимальной несущей способности, после чего оста­ется неизменным, но возникают добавочные пластические области ядра (см. рис. 61, г, пунктирная линия), которые, меняя свое по­ложение, как бы выискивают более слабые места в массиве грунта, в то время как жесткое ядро, оставаясь без изменения, внедряет­ся в массив грунта.

При возникающем при этом предельном напряженном состоя­нии грунта преобладают боковые смещения частиц и формируются непрерывные поверхности скольжения, в результате чего толща грунта теряет устойчивость.

Поверхности скольжения. Во второй фазе при достижении пре­дельной несущей способности грунта (что соответствует окончанию формирования жесткого ядра и полному развитию зон предельно­го равновесия) можно различать в зависимости от граничных условий (главным образом глубины заложения) и плотности грун­тов несколько основных случаев с характерными поверхностями скольжения (рис. 63, а).

1. Фундаменты мелкого заложения (при Н/Ь << *—\ , для кото-

рых при предельной нагрузке на грунт характерно выпирание грун­та (рис. 63, а, линия /).

2. Фундаменты средней глубины заложения ^тгри Н/Ь =--н 2- \,

для которых при предельной нагрузке также наблюдается выпира­ние, но обертывающая кривая поверхностей скольжения имеет 3-образное очертание (рис. 63, а, линия 2).

3. Фундаменты глубокого заложения (при Н/Ь=2-=-4), для которых при достижении предельной нагрузки не наблюдается выпирания грунта, но возникающая зона предельных сдвигов достигает плоскости подошвы фундамента, деформируя массив грунта, расположенный у боковых граней фундамента (рис. 63, а, линия 3).

4. Фундаменты очень глубокого заложения (при Н/Ь>4), когда ниже подошвы фундамента при нагрузке, превосходящей предель­ную, возникает просадка основания (быстро протекающая местная осадка), обычно совершенно недопустимая в основаниях сооруже­ний.

Интересно отметить, что при значительной осадке или просадке основания одиночный жесткий фундамент или штамп после дефор­мации основания, если не разрушится, приходит в новое состояние равновесия, соответствующее новым граничным условиям (глуби­не заложения, уплотненности подстилающих грунтов и т. п.). Одна­ко допускать очень большие осадки и просадки даже отдельного фундамента ни в коем случае нельзя, так как обычно фундаменты связаны (иногда жестко) с другими частями сооружения; такие осадки могут привести сооружение к разрушению.

Деформации грунтов в первой фазе — фазе уплотнения — всегда затухающие; во второй же фазе — фазе сдвигов — они, как правило, незатухающие и представляют собой результат ряда следующих друг за другом скольжений.

Рис. 63. Поверхности скольжения и деформации в грунте под фундаментом при полном развитии зон предельного равновесия:

а — обертывающие линии скольжения (/, 2, 3) при раз личной глубине заложения; б — деформации грунта (пол­зучесть) в фазе сдвигов

На любой кривой (рис. 63, б) деформаций фазы сдвигов мож­но различать три участка: 1) Оах; Оа2 и т.д. — неустановившейся ползучести; 2) афи а2Ь2 и т. д., для которого скорость деформации ёз/а'{ = соп51, — установившейся ползучести или пластического тече­ния и 3) Ь\С\\ Ь2с2 и т. д. — прогрессирующего течения, для которо­го йз/ё^оо, причем пластическое течение, как установлено непо­средственными опытами, всегда переходит в прогрессирующее

118 тем скорее, чем больше внешнее давление, но при достижении опре­деленной для каждого данного грунта величины деформаций сдвига.

Если на кривых ползучести (рис. 63, б) соединить точки Ьи Ь2 и т. д., соответствующие времени наступления прогрессирующего течения, то получим так называемую кривую длительной прочности, позволяющую определить минимальное давление, при котором кри­вая течения (после соответствующей перестройки структуры грун­та) переходит в затухающую. -Это давление определяет так назы­ваемую длительную прочность грунтов.

Таким образом, при возрастании нагрузки на грунт необходимо различать по крайней мере две характерные ее величины, при до­стижении которых резко меняется поведение грунта: первую, соот­ветствующую началу перехода фазы уплотнения в фазу сдвигов (т. е. в фазу зарождения и развития зон предельного напряженного состояния), и вторую, когда исчерпывается несущая способность грунтового основания, заканчивается формирование жесткого ядра и наблюдается полное развитие зон предельного равновесия, при котором даже весьма незначительное увеличение нагрузки приво­дит грунт к потере прочности и устойчивости.