Фазы деформации грунта под фундаментом

Лекция 3. ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В ГРУНТЕ ФАЗЫ ДЕФОРМАЦИЙ ГРУНТА ПОД ФУНДАМЕНТОМ

Скачать:

в рамках общей темы «Напряженное состояние грунтов в допредельном и предельном состояниях»

Решение задачи определения напряжений в грунте необходимо для установления условий прочности и устойчивости грунтов и определения их деформаций (например, осадок). При решении вопроса о распределении напряжений в грунтах в Механике грунтов применяют теорию линейно-деформируемых тел. То есть для определения напряжений могут быть применены уравнения и зависимости теории упругости, базирующиеся на линейной зависимости между напряжениями и деформациями (закон Гука). Однако при применении закона Гука для грунтов необходимо условиться об ограничениях, поскольку в грунтах возникают не только упругие, но значительные остаточные деформации.

ОБЩАЯ ЗАВИСИМОСТЬ МЕЖДУ ДЕФОРМАЦИЯМИ И НАПРЯЖЕНИЯМИ. ПРИНЦИП ЛИНЕЙНОЙ ДЕФОРМИРУЕМОСТИ

В основу теории распределения напряжений в грунтах кладётся зависимость между относительными деформациями ε и нормальными напряжениями.

В общем случае (согласно опытам) зависимость между деформациями и напряжениями для грунтов будет нелинейной: σ

Однако в определенном интервале напряжений (при не очень больших изменениях внешних давлений – порядка 1÷3 кг/см 2 ) с достаточной для практических целей точностью зависимость между деформациями ε и нормальными напряжениями σ может приниматься линейной (спрямлённый участок оа на кривой, рис. 1).

Сформулируем принцип линейной деформируемости для грунтов: при небольших изменениях давлений грунты можно рассматривать как линейно-деформируемые тела, то есть зависимость между общими деформациями и напряжениями для грунтов может быть принята линейной: σ = Е · ε.

НАПРЯЖЕНИЕ, ПЕРЕДАВАЕМОЕ ГРУНТУ ПО ПОДОШВЕ ФУНДАМЕНТА

Это напряжение не остается по глубине постоянным, а в некоторой области грунтовой толщи рассеивается. Для решения задач о распределении напряжений применяют уравнения теории упругости, рассматривая грунты как тела однородные, изотропные и линейно-деформируемые, подчиняющиеся закону Гука. Для оснований гражданских и промышленных зданий назначают такую величину допустимых напряжений, при которой в грунте не возникают пластические (остаточные) деформации.

Изменение напряжений σ по различным вертикальным (z) и горизонтальным (x) сечениям характеризуется эпюрами σ_z и σ_x (рис. 2). Как видно из рисунка, напряжения в грунтовой толще изменяются, как непрерывные функции от σ_max до σ_min как по вертикальному, так и по горизонтальному направлению.

В напряженной зоне грунта имеются точки с одинаковыми напряжениями, через которые можно провести линии (т.н. кривые равных напряжений). Например, линии, проходящие через точки с одинаковым вертикальным напряжением σ_z, называются изобарами. В сжимаемой толще можно провести какое угодно число изобар (в зависимости от того, какие по величине напряжения соединяются линиями). Например, если к поверхности грунта приложена распределенная полосовая нагрузка интенсивностью p, то семейство изобар будет выглядеть следующим образом:

Семейство изобар принято называть «луковицей напряжений». Построение «луковиц напряжений» полезно при оценке напряженного состояния в основаниях сооружений: подобное изображение наглядно иллюстрирует изменение напряжений в грунте под нагрузкой.

ФАЗЫ ДЕФОРМАЦИЙ ГРУНТА ПОД ФУНДАМЕНТОМ

Закономерность нарастания осадок с постепенным увеличением статической нагрузки характеризуется графиком:

Этот график имеет три характерных участка (oa, ab и bc на графике, рис. 4).

Начальный участок о имеет пологое очертание и согласно принципу линейной деформируемости может быть заменён прямой. Деформация на участке прямой называется фазой уплотнения (рис. 5).

Рис. 5. Фаза уплотнения

В фазе уплотнения происходит более плотная укладка частиц грунта за счёт уменьшения объёма пор. Ни в одной точке основания касательные напряжения по своей величине не превосходят сил внутреннего сопротивления грунта сдвигу, то есть повсюду существует состояние устойчивого равновесия грунта (τ τ_пр) и выпирания его из-под фундамента. Деформация на участке bc называется фазой выпирания (рис. 7).

Рис. 7. Фаза выпирания

Таким образом, при возрастании нагрузки на грунт необходимо различать две характерные её величины, при достижении которых резко меняется поведение грунта:
— первую, соответствующую началу перехода фазы уплотнения в фазу сдвигов – то есть фазу зарождения и развития зон предельного напряженного состояния;
— и вторую, когда исчерпывается несущая способность грунтового основания и наблюдается полное развитие зон предельного равновесия, при котором даже весьма незначительное увеличение нагрузки приводит грунт к потере прочности и устойчивости (к разрушению).

Источник

Фазы напряженного состояния грунтов при возрастании нагрузки

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.

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

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)

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Учение о фазах напряженного состояния грунта и представление о пластических зонах в основаниях сооружений.

При возведении здания или сооружения наблюдается постоянное возрастание давления по подошве фундаментов. При таком характере воздействия в грунтовом основании, как и во всяком твердом теле, возникает напряженно-деформирующее состояние, которое адекватно интенсивности приложенной внешней нагрузки, причем возникает оно не только в точках контакта подошвы фундамента сооружения и грунта основания, но и на значительной глубине.

Распределение напряжений как под подошвой фундамента, так и на значительной глубине необходимо знать, так как прочность и устойчивость сооружений зависит от сопротивления (R) грунта, не только примыкающей к подошве, но и глубоколежащего.

I — фаза нормального уплотнения (линейной деформации) (уплотнение грунта);
II — фаза сдвигов (пластических деформация) (сдвиг);
III — фаза выпирания грунта (Течение грунта).

Т.е. выделяют 2 состояния грунта:

1-Допредельное состояние (до Рпр)

От Рнач до Ркрит – фазы сдвига.

При предельном состоянии грунт теряет свою несущую способность.

R – Расчетное сопротивление основания

Из-за концентрации напряжений под краями фундамента в начале фазы сдвигов (II) происходит разрушение грунта в локальных областях, т.е. происходят местные потери устойчивости. По мере роста внешней нагрузки нарушается линейная зависимость между осадкой и давлением. При дальнейшем возрастании давления под подошвой фундамента формируется уплотненное ядро и при малейшем увеличении внешней нагрузки приведет к исчерпанию несущей способности, т.е. при дальнейшем увеличении нагрузки давления под подошвой штампа превысят значение структурной прочности, а под краями штампа будут образовываться пластические зоны деформации или деформации сдвигов.

Фазы напряженно-деформированного состояния в основании фундамента при возрастании давления по подошве: а — уплотнение; б, в — сдвиг; г — выпор грунта.

Во второй фазе под краями фундамента формируются области пластических деформаций (разрушения грунта), которые развиваются в сторону и в глубину (см. рис. 6.6,б), Pcr,1 R области (зоны) локального разрушения грунта развиваются в ширину и в глубину основания, при этом под подошвой фундамента формируется уплотненное ядро в виде клина (см. рис. 6.6,г). В определенный момент времени краевые области разрушения грунта основания смыкаются на глубине и в результате расклинивающего действия уплотненного ядра устанавливается такое состояние, при котором малейшее увеличение нагрузки приводит к потере несущей способности.

Под большими напряжениями возникают пластические деформации (происходит перераспределение напряжений), так как материал в этом месте будет обладать большей податливостью. Эпюра напряжений под штампом начнет изменяться, почти до треугольной эпюры. Зоны пластических деформаций возникают в крайних точках нагрузки. Затем увеличивая нагрузку Р, зоны пластических деформация (Тау) будут развиваться.

Момент, когда при дальнейшем нагружении зоны пластических деформаций сольются в одной точке. При этом напряженном состоянии грунта преобладают боковые смещения частиц и формируются непрерывные поверхности скольжения, в результате толща грунта теряет устойчивость. (II фаза на графике).

При Р_пр происходит выпор грунта из-под подошвы фундамента, т.е. развитие пластических деформаций в огромной области.

Т.е. При некотором предельном для данного грунта значения Тау, возникает состояние неограниченного пластического деформирования, что называется течением грунта.

Папиллярные узоры пальцев рук — маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Источник