Условия работы грунтов. Фазы напряженно-деформированноrо состояния

РАБОТА ГРУНТОВ В ОСНОВАНИЯХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Работа грунтов в основаниях зданий и сооружений имеет некоторую специфику по сравнению с работой материалов, из которых выполняют строительные конструкции, в том числе и фундаменты.

Грунты оснований обладают малой прочностью и большой деформативностью. Прочноcть грунтов в сотни и тысячи раз меньше прочности камня, бетона, железобетона и металла, деформативность - в десятки тысяч раз больше деформативности упомянутых материалов. Грунты оснований способны воспринимать только сжимаюшие и сдвигающие усилия и практически не работают на растяжение.

К особенностям работы грунтов оснований следует отнести возрастание деформаций во времени при постоянной нагрузке, т. е. после прекращения загружения. Это явление объясняется консолидацией и ползучестью. Консолидация характеризуется постоянным отжатием воды из пор в процессе уплотнения частиц грунта, ползучесть присуща скелету грунта. для песчаных оснований преобладающим будет первый процесс, для пылевато-глинистых оба процесса протекают одновременно. В большей или меньшей степени ползучесть присуща всем видам грунтов.

Явление ползучести достаточно полно объясняет такие свойства грунтов, как релаксация(уменьшение напряжений при фиксированной деформации) и упругое последействие – частичное восстановление остаточных деформаций после снятия нагрузки; этим явлением связаны понятия ,мгновенная, временная и длuтельная прочность (рис. 2.1). Прочность, которой обладает грунт в начале приложения при кратковременном действии нагрузки, называют мгновенной прочностью. При увеличении времени временная прочность уменьшается и в пределе при t→∞ стремится к длительной прочности, которую часто называют пределом прочности.

Наблюдения за осадками жестких штампов, расположенных на грунтовом основании под действием внешних нагрузок, показали, что по достижении грунтом значительной деформации наступает потеря прочности сопровож-

дающаяся выпором грунта из-под подошвы штампа, приводящая к катастрофическому нарастанию осадки.

Деформации грунтов оснований зависят не только от приложенной нагрузки, но и от особенностей свойств грунтов. Следует отметить явление существенного нарастания деформаций в приложенной нагрузки, но и от особенностей свойств грунтов.

Следует отметить явление существенного нарастания деформации в присутствии различного вида динамических нагружений, которое часто называют виброползучестью грунтов.

Рассмотрим зависимость осадки жесткого штампа, установленного на основании, сложенном из грунтов, обладающих структурной прочностью, от действия возрастающей с постоянной скоростью внешней нагрузки (рис. 2.2).

На графике можно выделить четыре характерных участка: ОА, АБ, БВ и ВГ.

На первом участке ОА напряжения не превышают структурной прочностu, которая обусловлена наличием кристаллизационных связей. Под краями штампа вследствие концентрации напряжений давление может превышать структурную прочность грунта. Внешняя нагрузка, приложенная к штампу, вызывает перемещение частиц грунта в основном вниз, и зона деформации по глубине превышает ширину подошвы штампа (рис. 2.3, а). Осадки на этой стадии нагружения носят в основном упругий характер, поэтому этот участок на графике называют фазой упругих деформаций. На этом участке осадка пропорциональна приложенной нагрузке, т. е. эта зависимость линейна.

При дальнейшем увеличении нагрузки давления под подошвой штампа превысят значение структурной прочности, а под краями штампа будут образовываться пластические зоны деформации или деформации сдвигов 1 (рис. 2.3).

Эта фаза деформирования сопровождается уплотнением грунта под подошвой штампа и называется фазой уплотнения и локальных сдвигов. Несмотря на то что на этом участке зависимость между осадкой и нагрузкой имеет нели­нейную зависимость (участок АБ на рис. 2.2), эта нелинейность незначительна и в практических расчетах ею пренебрегают, заменяя участок кривой АБ прямой линией.

При возрастании нагрузки на участке БВ зоны пластических деформаций развиваются в стороны и вглубь, вовлекая в пластическое деформирование все большие объемы грунта (рис. 2.3, в). Кривизна линии БВ еще более возрастает. эту фазу называют фазoй развития значительных сдвигов и уплотнения грунта по сторонам от зон пластических деформаций.

Дальнейшее нарастание нагрузки приводит к формированию под штампом уплотненного ядра 3, которое, перемещаясь вместе со штампом, способствует расклиниванию грунта и развитию областей сдвига, что приводит к перемещению грунта в сторону наименьшего сопротивления - в стороны и вверх (рис. 2.3, г) по поверхности скольжения 2. Это вызывает резкую осадку штампа с выпором грунта из-под его подошвы в результате потери устойчивости грунта. На графике эта фаза соответствует линии ВГ, приближающейся к вертикальной линии, и называется фазой выбора.

Для фундаментов глубокого заложения характер деформирования под действием внешней нагрузки имеет несколько иной характер (рис. 2.4), так как выпору грунта из-под подошвы препятствуют вышележащие слои грунта. Поэтому частицы грунта, перемещаясь в стороны и вниз, уплотняют окружающий грунт и явной потери устойчивости грунтов не происходит. О потере устойчивости основания фундамента судят по значительному нарастанию осадки вследствие вдавливания фундамента вместе с уплотненным ядром в нижележащие слои грунта.

Для большинства грунтов структурная прочность невысока, поэтому при незначительном развитии зон пластических деформаций зависимость между осадкой штампа и средним давлением под подошвой фундамента на участке ОБ (см. рис. 2.2) обычно принимается линейной.

При последовательном нагружении и разгружении штампа до значения внешней нагрузки, не влекущей за собой появления значительных зон плаcтических деформаций, кривые нaгрузки и разгрузки не совпадают, причем вторичное нагружение увеличивает осадку на ∆s (рис. 2.5). Полная ocaдкa при однократном цикле нагружение - разгружение будет складываться из двух состaвляющих: упруго восстанавливающейся S_r,s и остаточной S_el- многократное повторение циков загружение - разгружение вызывает постепенное накопление остаточных деформаций, а восстанавливающаяся деформация стремится к уп­ругой и при динамических воздействиях приводит к образованию замкнутой петли гистерезиса 1.