3.2. Две группы предельных состояний

Существует два основных принципа расчета оснований: по I и II группе предельных состояний.

Расчет по I группе предельных состояний заключается в удовлетворении условию

N₁≤

где N₁ - нагрузка на основание, определенная как нормативная нагрузка, умноженная на коэффициент γ_f надежности по нагрузке (γ_f>1); N_u - несущая способность основания; γ_с - коэффициент условий работы, зависящий от вида фунта, технологических условий строительства, размеров сооружения и т.д.; γ_n - коэффициент надежности (γ_n>1), принимаемый в зависимости от класса ответственности сооружения.

При расчете по I группе деформации основания и сооружения не рассматриваются. Такие расчеты выполняются для определения устойчивости откосов и подпорных стен; оценки устойчивости фундаментов на вертикальную, горизонтальную и моментальную нагрузки; определения несущей способности свай; при проектировании массивных фундаментов; рассмотрении скальных оснований и оценке несущей способности оснований в особых условиях строительства (сейсмически опасные районы, вечномерзлые грунты и т.п.).

Основная задача расчетов по I группе предельных состояний -установление и совершенствование методов определения несущей способности N_u. Основой аналитических методов определения несущей способности основания, как правило, является теория предельного равновесия. Понятие "предельное состояние" - основная категория этой теории. Под ним подразумевается такое напряженное состояние основания, при котором малейшее увеличение нагрузки или малейшее снижение прочности основания приводят к потере устойчивости массива грунта. Поскольку деформации основания не рассматриваются, основными характеристиками грунта, фигурирующими в расчетах, являются прочностные параметры и коэффициент трения по контакту грунта с конструкцией.

Предельное состояние грунта описывается, как правило, критерием Кулона - Мора:

τ=σtgφ+ с (3.1)

где с - удельное сцепление; φ - угол внутреннего трения.

Расчеты по I группе предельных состояний могут выполняться для стабилизированного и нестабилизированного состояний грунта. Под стабилизированным принято подразумевать некоторое конечное состояние покоя, в котором деформации грунта под приложенной нагрузкой уже завершились. Нестабилизированное состояние отвечает, соответственно, незавершившимся деформациям.

Исходное (природное) состояние грунта характеризуется параметрами прочности, определенными по результатам неконсолидированных испытаний. Если стабилизированное состояние наступило вследствие завершения деформаций уплотнения, принято использовать консолидированные характеристики прочности. Если же имели место деформации формоизменения и уменьшения пористости грунта не произошло, следует применять неконсолидированные параметры прочности.

При рассмотрении нестабилизированного состояния используют неконсолидированные характеристики. В механике грунтов распространен также подход, основанный на применении в задачах устойчивости принципа эффективных напряжений Терцаги.

Исходя из предположения о том, что сопротивление сдвигу может оказывать только структурный каркас (скелет) грунта, тотальные напряжения в выражении (3.1) заменяют эффективными:

τ=(σ-U)tgφ+ с (3.2)

где U - поровое давление.

В выражении (3.2) φ и с - консолидированные характеристики. Запись критерия прочности в форме (3.2) имеет весьма важные гносеологические последствия. В частности, на ней строится представление о роли порового давления как основного фактора, приводящего к потере устойчивости основания. Такой подход в настоящее время является общепринятым, несмотря на вполне обоснованную критику Н. Я. Денисова, Н. Н. Маслова, И. М. Горьковой и др., указывающих на подчиненную роль порового давления по отношению к основной причине потери устойчивости, заключающейся в нарушении прочности структурных связей в грунте.

В теории предельного равновесия в некоторых случаях используют иную характеристику прочности - расчетное сопротивление основания (R₀, R_у, R), определяемое из испытаний на одноосное сжатие (для скальных и полускальных грунтов) или эмпирических соотношений.

Расчет по II группе предельных состояний заключается в удовлетворении условию

S≤S_u; (ΔS/L)≤(ΔS/L)_u

где S - осадка фундамента (сооружения); ΔS/L - относительная неравномерность осадок. Индексом "u" отмечены соответствующие предельно допускаемые значения, определяемые условиями безопасной и комфортной эксплуатации здания (сооружения), а также технологическими требованиями в условиях различных производств.

Большое разнообразие грунтов привело к возникновению множества методов расчета осадок и, соответственно, моделей работы грунтов. Полное описание разработанных в отечественной и зарубежной науке моделей и методов расчета в рамках данного обзора не представляется возможным Тем не менее можно выделить и систематизировать основные направления развития теоретической базы механики грунтов.

Любая модель, претендующая на использование при описании явлений, происходящих в грунтах, должна:

1. обеспечивать соблюдение законов и принципов механики деформируемых сред, одним из разделов которой является механика грунтов;

2. отражать характерные особенности данного вида грунта, проявляющиеся в его поведении при воздействии различных факторов;

3) определять связь между напряжениями и деформациями.

Очевидно, что одним из условий успешного построения прикладной модели является достоверное определение физико-механических параметров, входящих в ее расчетный аппарат.

В связи с тем, что процесс деформирования грунта запаздывает по отношению к процессу нагружения, расчеты осадок при статическом (квазистатическом) нагружении могут осуществляться по двум направлениям:

• определение конечных осадок;

• определение осадок во времени.

Динамическое приложение нагрузки (ударное, вибрационное) в данном обзоре не рассматривается.