Фазы напряженного состояния грунтов при возрастании нагрузки. Предельное напряженное состояние грунта в данной точке массива соответствует такому напряженному состоянию

ТЕОРИЯ ПРЕДЕЛЬНОГО НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ

ГРУНТА И ЕЕ ПРИЛОЖЕНИЯ

Общие положения

Предельное напряженное состояние грунта в данной точке массива соответствует такому напряженному состоянию, когда малейшее увеличение внешнего воздействия может нарушить равновесие, при этом сопротивление грунта сдвигу в рассматриваемой точке равно предельному для данного грунта значению. Грунт приходит в неустойчивое состояние - в массиве возникают поверхности скольжения, разрывы, нарушается прочность связей между частицами грунта и их агрегатами. Это может привести к выпору грунта из-под фундаментов и большой осадке последних, к сползанию массы грунта в откосах. Возведение сооружений на грунте, находящемся в предельном напряженном состоянии, недопустимо. Поэтому важно правильно оценить максимально возможную нагрузку на грунт, при которой он еще будет находиться в равновесии, без потери устойчивости.

Вопросы прочности (несущей способности, устойчивости грунта в основании сооружений, устойчивости грунта в откосах, давления грунта на ограждение) являются частными задачами общей теории предельного равновесия, предложенной более 225 лет назад Ш.Кулоном. Опытами, проведенными В.И.Курдюмовым, была раскрыта сущность процесса деформирования грунтов при потере ими устойчивости в основании штампа. В 40 - 50 гг. ХХ века В.В.Соколовским, С.С.Голушкевичем, В.Г.Березанцевым разработаны общие методы решения дифференциальных уравнений предельного равновесия.

Фазы напряженного состояния грунтов при возрастании нагрузки

По мере увеличения нагрузки, передаваемой на грунт жестким штампом, мы различаем три фазы напряженного состояния грунта, причем для каждой фазы напряженного состояния грунта затухание деформаций будет происходить по-разному (рис.4.1, 4.2):

а) первая фаза – фаза уплотнения, деформации линейные;

б) вторая фаза – местные пластические деформации сдвигов в краевых участках штампа;

в) при увеличении нагрузки местные сдвиги переходят в пластическое или прогрессирующее течение, выпирание, просадку и подобные недопустимые деформации основания.

Рис.4.1. Зависимость между давлением и деформациями при воздействии нагрузки на грунт: а – кривые деформации при ступенчатом загружении; б – начальный участок кривой; в – конец фазы уплотнения – начало фазы сдвигов; г – линии скольжения и уплотненное ядро при полном развитии зон предельного равновесия

Первая фаза (уплотнение) характеризуется постепенным затуханием деформации. Скорость деформации с течением времени уменьшается, приближаясь к нулю: (см. рис.4.2,а). Важно отметить, что в конце фазы уплотнения и в начале фазы сдвигов непосредственно под штампом начинает формироваться жесткое ядро ограниченных смещений частиц, которое в дальнейшем и разжимает грунт в стороны, обусловливая значительные осадки штампа. Это ядро полностью сформировывается при достижении грунтом его максимальной несущей способности и остается после этого неизменным.

Вторая фаза (сдвигов) характеризуется продолжением уплотнения и, кроме того, возникновением и развитием в грунте местных пластических деформаций в краевых участках фундамента. Это не есть признак разрушения основания в целом, а лишь свидетельство возрастания роли бокового смещения частиц в общей величине деформации. При этом скорость деформации приобретает некоторое постоянное для данной нагрузки значение: (см. рис.4.2,б)

Рис.4.2. Скорости деформации при различных формах напряженного состояния

Деформации, однако, не будут нарастать бесконечно, т.к. напряжения с течением времени перераспределяются под штампом и происходит затухание осадки. При передаче этих деформаций конструкциям сооружения могут возникнуть изменения, опасные для устойчивости последних, поэтому давление на грунт следует назначать из условий допустимых для данного сооружения деформаций.

Во второй фазе при достижении предельной несущей способности грунта и после окончания формирования жесткого ядра и полного развития зон предельного равновесия в зависимости от глубины заложения фундамента, плотности сложения грунта можно различить несколько характерных поверхностей скольжения (рис.4.3).

1. Фундаменты мелкого заложения h/b < 1/2 (кривая 1). Характерно выпирание грунта.

2. Фундамент средней глубины заложения h/b равно от 1/2 до 2. Выпор грунта наблюдается, но обертывающая кривая поверхности скольжения имеет S-образную форму (кривая 2).

3. Фундамент глубокого заложения h/b равно от 2 до 4. При предельной нагрузке наблюдается выпирание грунта, но возникающие зоны предельных сдвигов достигают плоскости подошвы фундамента (кривая 3).

4. Фундаменты очень глубокого заложения h/b > 4. При предельной нагрузке возникают просадки.

Рис.4.3. Поверхности скольжения и деформаций в грунте под фундаментом при полном развитии зон предельного равновесия: а – обертывающие линии скольжения при различной глубине заложения; б – деформации грунта (ползучесть) в фазе сдвигов; 0а₁-0а₄ – неустановившаяся ползучесть dS/dt®0; а₁b₁-а₄b₄ – установившаяся ползучесть dS/dt®const; b₁с₁-b₄с₄ – прогрессирующее течение dS/dt®¥

Третья фаза (выпирание) соответствует развитию пластических деформаций по сплошным поверхностям скольжения, в грунте вокруг штампа появляются трещины, происходит разрушение основания. Обычно этот процесс завершается просадкой фундамента и выпором грунта: (рис.4.2,в).

Следовательно, по мере увеличения нагрузки на грунт можно определить два критических значения ее: первая критическая нагрузка соответствует началу возникновения местных пластических сдвигов, вторая - развитию сплошных поверхностей пластических деформаций, течению грунта и выпиранию его из-под штампа. Безопасная нагрузка на основание должна быть определена в зависимости от рода сооружения. Различают три основных случая назначения величины давления на грунт:

1. В пределах первой фазы деформации, до наступления пластических сдвигов. При этом величина деформаций будет незначительна.

2. В пределах начала второй фазы деформаций, т.е. с допущением развития местных пластических деформаций при условии, что общая величина осадки не превзойдет допустимой для данного рода сооружения; так проектируют обычного типа фундаменты гражданских и промышленных зданий и сооружений.

3. С превышением предела прочности грунта, т.е. по третьей фазе деформаций, с допущением постепенного выпирания грунта из-под сооружения. Так проектируют некоторые земляные сооружения - плотины, насыпи, перемычки, возводимые на слабых основаниях, причем иногда специально допускают увеличение давления, вызывающее погружение насыпей в процессе осадки до прочного подстилающего слоя.

Основной современный метод расчета оснований - это расчет по допустимым для данного сооружения деформациям, с ограничением глубины зон развития пластических сдвигов, т.е. по начальной стадии второй фазы (рис.4.4).

Рис.4.4. Установление расчетной нагрузки на грунт (S £ S_пр, z £ z_доп)