Определение напряжений в массиве грунта
Применимость решений теории упругости к грунтам
В инженерной практике напряжения в грунте определяют, используя решения теории упругости. Однако исследованиями установлено, что грунт в большинстве случаев не соответствует модели тела, изучаемого в теории упругости:
не является упругим телом;
не является сплошным телом.
Для выяснения пределов применимости решений теории упругости рассмотрим результаты эксперимента по определению перемещений фундамента под действием статической нагрузки.
Фазы напряженного состояния грунта
Если в грунт, обладающий структурной прочностью, вдавливать жесткий штамп, то в массиве грунта будут происходить перемещения, возрастающие по мере увеличения давления. Интегральным выражением деформаций грунта является осадка штампа, которая развивается в соответствии с кривой, приведенной на рис. 3 .17. На ней можно выделить четыре участка: ОА, AB,BC и CD, соответствующие четырем стадиям работы грунта под нагрузкой:
Фаза упругих деформаций.
Она соответствует участку ОА, на котором структурные связи еще не разрушены и грунт ведет себя как линейно деформируемое упругое тело.
Фаза уплотнения и местных сдвигов (участок АВ).
Когда давление под всей подошвой штампа превысит структурную прочность грунта, в основании начнут развиваться деформации уплотнения, которые при небольших напряжениях, возникающих обычно в основании сооружений (100 - 500 КПа), можно принять линейно возрастающими с увеличением давления. Одновременно в грунте под краями штампа, где возникает концентрация напряжений, будут развиваться пластические деформации (деформации сдвигов). Тем не менее, при указанных давлениях кривую на участке АВ можно принять за прямую (с допустимой погрешностью для практических расчетов).
Рис. 3.17. Испытание грунта штампом и график зависимости осадки штампа от нагрузки
Фаза развития интенсивных деформаций сдвигов и уплотнения (участок ВС).
При дальнейшем повышении давления рост пластических деформаций приведет к столь существенному искривлению графика, что его уже нельзя считать прямой линией. Зоны пластических деформаций развиваются в стороны и охватывают большую часть грунта под подошвой штампа и более глубокие слои. Этот участок соответствует развитию местных сдвигов. Тем не менее, грунт еще продолжает сопротивляться внешней нагрузке, только уже не является линейным телом.
Фаза выпора (участок CD).
При увеличении давления произойдет потеря несущей способности грунта. Пластические деформации охватывают весь грунт под подошвой штампа и на некоторой глубине. Эта фаза характеризуется резким увеличением осадки штампа с выпором грунта основания в стороны и вверх. Диаграмма еще более искривляется.
Основные допущения
Грунт является линейно деформируемым телом.
Это допущение справедливо для первых двух фаз работы грунта под нагрузкой.
Грунт испытывает одноразовое загружение (без разгрузки).
Диаграмма разгрузки штампа не совпадает с диаграммой нагрузки вследствие пластических деформаций грунта так же, как при компрессионных испытаниях. При повторной нагрузке диаграмма сжатия грунта будет уже иной: уменьшается пористость грунта, увеличивается его модуль упругости. Поэтому принимают, что в процессе строительства сооружения не происходит его разгрузки, что в большинстве случаев соответствует действительности.
3. Грунт считается сплошным изотропным телом.
Вследствие зернистости грунта установить истинное значение напряжений в какой-либо точке его массива с использованием теории упругости невозможно. Приходится ограничиваться определением средней интенсивности напряжения в исследуемой точке основания, условно принимая, что грунт является сплошным изотропным телом.
Таким образом, при определении напряжений в массиве принимают, что грунт является сплошным, изотропным, линейно деформируемым телом, испытывающим одноразовое загружение.