Виды деформаций грунтов

Свойства грунтов – виды деформаций грунтов

Тел: +7 (495) 728-94-19
Тел: +7 (963) 659-59-00
Москва, Олонецкий пр. д. 4/2

выполняем работы по г. Москве
и всей Московской области

Библиотека

Бурение скважин

Общие сведения о грунтах
структуры и текстуры грунтов
составные элементы грунтов
формирование структуры
Расчетное сопротивление грунтов
Виды деформаций грунтов
Изменение свойств при вибрациях
разжижение при вибрациях
Лессовые просадочные грунты
Свойства илистых грунтов

Библиотека

ООО «Буровики»:

Контакты
Рекомендательные письма
Допуски и Лицензии
Цены и сроки, прайс лист
Написать письмо

Виды деформаций грунтов

1 400 рублей за метр. Подробнее
Почему стоит заказать именно у нас

Действие внешних сил на тело вызывает его перемещения. Если тело совершает поступательное движение или вращается без изменения относительного расположения частиц, то оно не деформируется; такие перемещения не вызывают, никаких внутренних напряжений. Только перемещения отдельных частиц тела связаны с возникновением в нем напряженного состояния. Если нагрузку, грунтов приложенную к деформируемому телу, снять, то одни частицы тела возвратятся в прежнее положение, а другие останутся в положении, полученном при действии нагрузки, т. е. наблюдаются упругие и остаточные деформации. В твердых телах, например в металлах, величина остаточных деформаций незначительна, и ими часто можно пренебречь, т. е. рассматривать такие тела как упругие.

В грунтах же при действии внешних сил возникают как упругие, так и остаточные деформации, причем остаточные деформации часто в десятки раз превосходят упругие. Существенным отличием грунтов от упругих тел является то, что при действии внешних нагрузок остаточные деформации всегда сопутствуют упругим, даже при незначительных нагрузках. Сумма остаточных и упругих деформаций составляет общую деформацию. В одних случаях особо важное значение приобретает общая деформация грунтов, в других — упругая и, наконец, остаточная.

Различные виды деформаций грунтов обусловливаются различными физическими причинами, вызывающими их. Упругие деформации могут быть двух родов: упругие изменения объема (деформации сжатия-растяжения), что наблюдается при периодической сжимающей или растягивающей нагрузке и разгрузке, и упругие искажения формы без изменения объема, происходящие главным образом при мгновенных нагрузках. Так как упругие деформации распространяются со скоростью звука, то компрессионных изменений грунта практически за время действия мгновенных нагрузок (за исключением вибраций) не возникает, ибо для их развития требуется достаточный промежуток времени.

Деформации уплотнения и набухания, которые следует отнести к неупругим деформациям, требуют значительного времени для своего развития и обусловливаются компрессионными свойствами грунтов. Виды деформаций грунтов и причины, их обусловливающие набухания грунтов являются необратимыми, поскольку кривая уплотнения не совпадает с кривой набухания, что происходит вследствие нарушения структуры грунта в процессе его консолидации.

Деформации ползучести обусловлены взаимными сдвигами частиц, причем в зависимости от того, какой процесс при данной нагрузке преобладает — упрочнение или сдвиг, ползучесть может быть затухающей или установившейся с постоянной скоростью деформирования.

Чисто остаточная деформация грунтов возникает вследствие разрушения структуры и излома частиц будет существенным фактором для сооружений, возводимых из грунта. В результате действия повторных нагрузок остаточная деформация накапливается, и, например, в грунтовых дорогах образуются колеи, ухудшающие .проходимость.

Рассмотренные физические причины, обусловливающие характер тех или иных видов деформаций грунтов, в естественных условиях могут существовать в многообразном сочетании. В одних случаях основное значение будут иметь одни причины, в других — другие; иногда же на деформации будут влиять одновременно несколько причин.

Виды деформаций грунтов, их влияние на выбор фундамента

Выбор фундамента под строительство загородного дома зависит, прежде всего, от вида грунта, на котором планируется возведение дома.

Поэтому в самом начале строительства еще при проектировании необходимо учесть данный фактор. Если рассматривать виды деформации грунтов, то необходимо разделить их по составу грунта. То есть отличительной чертой грунтов будет материал, из которого он образован.

Поэтому все грунты делятся на

Песчаные;
Суглинки и супеси;
Скальные;
Глинистые;
Крупноблочные;
Лесс;
Плывуны;
Насыпные;
С органическими примесями.

Чаще специалисты, чтобы не делать такую большую разбивку по типам, делят все грунты на две категории:

К первой категории относятся скальные и крупноблочные грунты, отличающиеся большим коэффициентом твердости и прочности. Ко второй категории относятся все остальные типы грунтов. Это грунты, состоящие из рыхлой породы, которая легко поддается рыхлению.

Но о какой бы категории грунта мы не говорили, все равно в основе всех расчетов будет лежать только один показатель – это деформация грунтов. Данный показатель определяется внешними силами, которые действуют на грунт, создавая внутри него перемещение частиц.

И здесь необходимо отметить, что создаваемое напряжение внутри грунта обеспечивает его деформацию. То есть нагрузка, к примеру, фундамента на грунт, создает напряжение, полученное за счет перемещения частиц грунта. Если нагрузку снять, то некоторые частицы вернутся в свое первоначальное положение, а часть останется в новом положении.

Так вот первый вариант с возвращенными частицами называется упругая деформация. А второй вариант с оставшимися частицами называется остаточная деформация. Если рассмотреть твердые тела, такие как металл, то обычно их остаточная деформация незначительна. Поэтому ее часто не учитывают при проведении расчетов на нагружаемость конструкций из металла.

Некоторые виды грунтов перед стройкой нуждаются в дополнительном укреплении

То же самое нельзя сказать про грунты. Обычно практически в любых грунтах остаточная деформация преобладает над упругой в несколько десятков раз. Поэтому данный показатель должен быть учтен при проведении расчетов фундаментной нагрузки.
Виды деформаций грунта, а это, как было сказано выше упругая и остаточная, постоянно сопровождают друг друга.

Соответственно, чтобы получить полную или, как говорится, общую деформацию, необходимо сложить два вида деформации. Правда, не всегда общая деформация берется за расчетную. В каких-то случаях все же приходится брать за основу только упругую деформацию. В каких-то только остаточную.

Упругая деформация грунта

Если рассматривать основные виды грунта и их особенности в отдельности, то необходимо сказать, что каждый из них делится на подгруппы. Так упругая деформация делится на деформацию сжатия-растяжения, то есть изменения объема, и на деформацию изменения формы без изменения объема.

Первая обычно возникает при нагрузке, которая периодически дает сжатие и растяжение. То есть, происходит то нагрузка, то разгрузка грунта. Вторая деформация появляется только в случае мгновенной нагрузки.

Обычно при упругих деформациях не происходит компрессия грунта, потому что нагрузка действует мгновенно. Правда, сюда нельзя отнести вибрацию, которая все же создает компрессионные изменения в грунтах.

При закладке фундаментов можно часто наблюдать уплотнение грунта в одном месте и набухание в другом. Такой вид деформации нельзя отнести к упругим, потому что для их появления необходим определенный промежуток времени. К тому же данные процессы являются необратимыми.

Также необходимо отметить деформацию ползучести, где в структуре грунта появляются сдвиги частиц относительно друг друга. Такая деформация может со временем остановится, тогда она носит название затухающей. Если сдвиг продолжается в течение продолжительного времени, то такая деформация носит название установившейся. Обычно скорость такой деформации не меняется во времени.

Остаточная деформация грунта

И все же остаточная деформация будет считаться основным показателем, который будет влиять на выбор вида фундамента для загородного дома. Она обычно появляется при изломе грунта и разрушении структуры самих частиц.

Часто можно простым взглядом обозревать появление на поверхности грунта остаточной деформации, если нагрузка повторяется не один раз. К примеру, появление колеи на проселочных дорогах. Периодические нагрузки становятся причиной, от которой остаточная деформация просто накапливается.

Физических причин, по которым будут возникать те или иные виды деформаций грунта, могут быть различны. Часто сочетание причин вызывают деформацию. Но без какой-либо нагрузки деформации возникнуть не могут.

А возведение фундамента дома – это чистая нагрузка на грунт. Тем более бетон, из которого возводят фундамент, имеет достаточно большую массу. Вот вам и большая нагрузка.

Укрепления грунтов

Вот что может получиться, если не учитывать особенности грунтов

В строительстве давно научились избегать последствий от появившихся деформаций. Такие технологии давно наработаны, и опыт имеется большой. Во многих регионах методам укрепления грунтов уделяется очень большое внимание.

Во-первых, необходимо отметить, что искусственное укрепление грунтов необходимо только для того, чтобы повысить несущую способность самих грунтов. Во-вторых, все виды укрепления делятся на несколько способов:

Цементация;
Силикатизация или химический;
Электрохимический;
Электрический;
Механический;
Термический.

Есть еще несколько способов, но они очень редко используются в строительстве загородных домов.

Первый способ самый распространенный, потому что не требует больших затрат как денежных, так и трудовых. Заключается он в том, что вначале в грунт забивают сваи. Сваи должны быть полыми. Внутрь заливается очень жидкий цементный раствор. Пока цемент не засох, убираются сваи. Обычно этот способ укрепления используется в песчаных грунтах.

Химический способ основан на заливке в сваи химических растворов. Также используется в грунтах песчаных и лессовых. Технология заливки химических растворов идентична технологии заливки цементного раствора. Единственное отличие – это состав самого раствора.

Химические растворы изготавливаются на основе жидкого стекла. А вот добавки могут быть любыми, все зависит от типа грунта. К примеру, в песчаные грунты заливают раствор жидкого стекла и хлористого кальция, а в пылевидные песчаные грунты лучше всего заливать раствор на основе жидкого стекла и фосфорной кислоты. А вот в лессовые грунты обычно заливают просто жидкое стекло.

Термическое укрепление грунта основано на пропускании через слои грунта раскаленных газов. Обычно газы проходят через трубы, относящиеся к категории жаропрочных. К тому же газы обязательно мешаются с воздухом. Этим способом достигается обжиг внутренних слоев грунта, то есть повышается показатель прочности.

А вот электрический способ применяют в основном в глинистых грунтах, где есть повышенное содержание влаги. Постоянный электрический ток пропускается через грунт. Тем самым добивается осушение глины, что ведет к ее уплотнению. Следствие – способность грунта к пучению сходит к минимуму.

Электрохимический способ совмещает в себе не только обработку грунта постоянным током, но также введением в его слои через катод, который представляет собой полую трубу химических растворов. Последние являются катализаторами, с помощью которых процесс укрепления сильно возрастает. Обычно к таким растворам относят, например, водный раствор хлористого кальция.

Механические способы давно известны в строительстве и пришли в настоящее время из далеких веков. Их несколько, но основных способов всего три, которые до сих пор используются, это:

Обычно подушку изготавливают из более прочных материалов, которые укладываются послойно, и также утрамбовываются. Часто подушки изготавливают из щебня или того же бетона.

Траншея под фундамент

Грунтовые сваи – более сложный процесс, который связан с использованием специальной техники.

Предварительно сваи забиваются в грунт, затем они удаляются. В образовавшиеся полости засыпают более прочный грунт. Кстати, и в этом случае приходится проводить послойную утрамбовку.

Вытрамбовывание котлована – менее трудоемкий процесс, потому что не связан с заменой грунта на более прочный. Обычно утрамбовку производят специальной трамбовкой достаточно большой массы, которую подвешивают на подъемный кран.

Поднимая трамбовку на предельную высоту, сбрасывают на дно котлована. При ударе происходит остаточная деформация грунта. Такую процедуру выполняют несколько раз на одно и то же место.

В промышленном строительстве, когда размеры котлованов достигают больших размеров, часто используют способ уплотнения дна котлована. В данной ситуации обычно используется спецтехника, такая как кулачковые и гладкие катки, вибромашины, виброплиты, трамбующие машины.

В загородном строительстве больше всего используется метод замены слабого грунта на более прочный. Обычно более прочным материалом является крупнозернистый песок или щебень. Вырытый под фундамент котлован или траншеи засыпаются песком, который обязательно утрамбовывают, не забывая при этом его поливать. Такой грунт называется подушкой.

Как видно из этой статьи, виды укрепления грунтов различны. Какой именно необходим для строительства вашего загородного дома, подскажет только точный анализ грунтов. И только после этого можно будет решать проблемы, связанные с выбором самого фундамента. А это в свою очередь отразится на экономии, затратах и выплатах работникам, которые будут заниматься заливкой фундамента. Как обычно, все упрется в финансы.

Виды деформаций грунтов и физические причины, их обуславливающие.

В результате строительства сооружения, даже если прочность грунта обеспечена, возникают деформации основания. Как правило, они имеют неравномерный характер и вызывают перераспределение усилий в конструкциях сооружения. При определенных условиях это может затруднить нормальную эксплуатацию сооружения, а в некоторых случаях даже привести к его аварии.

Количественное прогнозирование деформаций системы «сооружение – основание» представляет собой одну из наиболее сложных задач механики грунтов.

Первая стадия строительства всегда заключается в отрытии котлована под сооружение. При этом происходит разгрузка грунта ниже поверхности дна котлована на величину γd, где γ – удельный вес грунта, d – глубина котлована, и в соответствии с этим подъем дна котлована. Естественно, что чем глубже котлован, тем интенсивнее проявляется разгрузка грунта, причем величина подъема дна будет неравномерной по ширине котлована – наименьшей вблизи подошвы откоса и наибольшей в среднем сечении. Выберем некоторое сечение и обозначим величину подъема через r (риc. 7.1, а).

Следующую стадию строительства – возведение сооружения – можно условно разделить на два этапа: первый – когда нагрузка от строящегося сооружения достигает величины γd, соответствующей весу извлеченного грунта, и второй – когда после завершения строительства нагрузка возрастет еще на величину p–γd, где р – среднее напряжение под подошвой построенного сооружения.

Рис. 7.1 – Этапы строительства и эксплуатации сооружения, соответствующие им нагрузки и деформации основания

На первом этапе увеличение нагрузки вызовет осадку основания в рассматриваемом сечении на величину s₁ от положения дна котлована, определенного его подъемом (рис. 7.1, б). Возрастание нагрузки на втором этапе приведет к дальнейшему увеличению осадки s₂ уже от нового положения дна котлована (рис. 7.1, в).

Наконец, после завершения строительства в процессе эксплуатации сооружения возможны дополнительные воздействия (надстройка сооружения, изменение состояния грунтов основания, строительство новых сооружений вблизи построенного и т. п.). Эти воздействия приведут к дополнительным деформациям основания построенного сооружения. Например, строительство соседнего сооружения вызовет дополнительную местную нагрузку на основание р’, которая приведет к развитию дополнительной неравномерной по длине построенного сооружения осадки s₂ (рис. 7.1, г).

Полная деформация в некотором вертикальном сечении сооружения, отсчитываемая от проектного уровня подошвы фундамента, для рассматриваемого примера будет равна

(7.1)

причем каждая составляющая этой деформации при известных значениях нагрузок на каждом этапе строительства и известных закономерностях деформирования грунта при его нагружении и разгрузке может быть определена.

Важно отметать, что приведенный пример сильно упрощает реальную обстановку строительства. Здесь не учитывались многие факторы, имеющие место в действительности и оказывающие влияние на деформации грунтов основания. К ним прежде всего относятся: пространственная жесткость сооружения и возможность передачи различных нагрузок на основание через отдельные фундаменты; неоднородность напластования и свойств грунтов в пределах пятна застройки; скорость приложения нагрузок в процессе строительства и длительность развития осадок грунтов и т. п. Все эти факторы приводят к значительному усложнению рассматриваемой картины, поэтому проблема прогноза деформаций оснований сооружений в целях инженерного проектирования основывается сейчас на ряде упрощающих предпосылок.

Под абсолютными перемещениями понимают осадку основания отдельного фундамента s и горизонтальное перемещение фундамента (или сооружения) u. К относительным перемещениям относят средние осадки основания сооружений, относительную разность осадок двух фундаментов, крен фундамента и т. п. Относительные деформации могут быть найдены при определенных для различных фундаментов или сечений значениях абсолютных перемещений. Поэтому основные методы, рассматриваемые здесь, посвящены определению величины абсолютных перемещений оснований отдельных фундаментов.

Расчет оснований фундаментов по деформациям в настоящее время производится исходя из условия

(7.2)

где s – совместная деформация (осадка, горизонтальное перемещение и т. п.) основания и фундамента (сооружения), определенная расчетом; s_u — предельное значение этой величины, устанавливаемое соответствующими нормативными документами или требованиями проекта.

Правила проектирования фундаментов сооружений в соответствии с условием (7.2) будут приведены в следующем семестре. Здесь же рассматриваются способы определения левой части этого неравенства.

Выше неоднократно отмечалось, что опытная зависимость между осадками поверхности грунтового основания и действующими нагрузками s=f(p) имеет нелинейный характер.

Было установлено, что в некотором интервале нагрузок, соответствующем фазе уплотнения грунта в основании, эта зависимость близка к линейной и развитие осадок во времени всегда имеет затухающий характер. В качестве максимального значения среднего давления р под подошвой фундамента, соответствующего границе фазы уплотнения, в настоящее время принимается расчетное сопротивление грунтов основания R. Это обосновывает возможность использования математического аппарата теории линейного деформирования грунтов для расчетов напряжений и деформаций оснований при p≤R. Процесс строительства сооружения при этом рассматривается как одноразовое нагружение грунтов основания, вызывающее их общее деформирование без разделения на восстанавливающуюся и пластическую составляющие деформаций грунтов.

Несмотря на определенные недостатки, такой подход существенно упрощает математический аппарат расчетов деформаций.

Таким образом, одной из важнейших предпосылок методов расчета деформаций грунтов является ограничение среднего давления под подошвой фундамента условием p≤R.

Другой важной предпосылкой расчетов деформаций грунтов является введение понятий о стабилизированных и нестабилизированных (развивающихся во времени) перемещениях. Во многих случаях для инженерной практики представляют интерес только наибольшие (конечные, стабилизированные) перемещения, а время, в течение которого происходит стабилизация деформаций, не имеет существенного значения. Такое ограничение в постановке задачи также приводит к значительному упрощению расчетов.

В то же время не всегда удается ограничиваться определением только конечных величин осадок. Поясним сказанное на примере. Пусть имеется сооружение (рис. 7.2, а), фундамент 1 которого расположен на водонасыщенных глинистых, а фундамент 2 – на песчаных грунтах. Пусть также характеристики деформационных свойств грунтов, действующие нагрузки и размеры фундаментов таковы, что конечные осадки s₁ и s₂ будут практически одинаковы и равны s_∞ (рис. 7.2, б). Однако, поскольку время развития осадок водонасыщенных грунтов связано со скоростью фильтрации воды в грунте, а процессы фильтрации в глинистых грунтах протекают существенно медленнее, чем в песчаных, характер кривых s = f(t) для этих фундаментов будет совершенно различным. Может оказаться так, что осадка фундамента 2 стабилизируется в течение срока строительства t, а осадка фундамента 1 к этому времени достигнет лишь некоторой доли конечной величины. Тогда к моменту окончания строительства разность осадок этих фундаментов Δs_t, может оказаться существенно больше, чем предельная для данного типа сооружения величина Δs_u. При этом сооружение может перестать соответствовать предъявленным к нему требованиям нормальной эксплуатации или даже претерпеть аварию, не достигнув времени стабилизации осадок обоих фундаментов.

Рис. 7.2. Схема сооружения и развитие осадок разных фундаментов во времени

В этом случае расчетом должен быть получен прогноз развития осадок каждого фундамента во времени и проведен анализ неравномерности деформаций сооружения для наиболее опасных периодов его строительства и эксплуатации. Такие расчеты выполняются в соответствии с теорией фильтрационной консолидации грунтов.

Наконец, может возникнуть и еще более сложная ситуация, когда требуется учесть поэтапность возведения сооружения. Простейший случай такой задачи был рассмотрен в начале параграфа (подъем дна котлована при его разработке и последующая осадка при строительстве сооружения). Может также понадобиться определить осадку сооружения при p>R. Подобные задачи достаточно точно решаются с помощью нелинейной механики грунтов.

Дата добавления: 2015-01-29 ; просмотров: 149 ; Нарушение авторских прав

Деформации грунта, их причины и виды

РЕФЕРАТ

На тему: Деформации грунта, их причины и виды

Читайте также:

II. Физические характеристики участников коммуникации
Анализ инженерно-геологических условий, анализ инженерных свойств грунтов.
Введение Задача курса механики грунтов.
Величины, физические величины
Виды деформаций, причины возникновения и способы устранения.
Влияние свойств грунтов, размеров фундамента и глубины заложения на величину предельной нагрузки грунтовых оснований.
Внешнее и внутреннее строение костей, их химический состав. Физические и механические свойства костей; их функции.
ВОДООТЛИВ И ПОНИЖЕНИЕ УРОВНЯ ГРУНТОВЫХ ВОД
Вопрос 50. Инфляция: сущность, виды, причины, последствия

ПРОВЕРИЛ: Лобанова Г.С. доцент, к.т.н.

ВЫПОЛНИЛ: студент группы МТТ-310 Корзунов В.К.

Содержание

1. Деформации грунта, их причины и виды.. 4

2. Методы определения деформации грунтов. 13

Список использованной литературы.. 20

Введение

При рассмотрении деформации грунтов необходимо разделить грунты по составу. Все грунты делятся на[1]:

· Суглинки и супеси;

· С органическими примесями.

Чаще специалисты, чтобы не делать такую большую разбивку по типам, делят все грунты на две категории:

Деформации грунта, их причины и виды

Итак, создаваемое напряжение внутри грунта обеспечивает его деформацию. То есть нагрузка, к примеру, фундамента на грунт, создает напряжение, полученное за счет перемещения частиц грунта. Если нагрузку снять, то некоторые частицы вернутся в свое первоначальное положение, а часть останется в новом положении.

Упругая деформация грунта. Если рассматривать основные виды грунта и их особенности в отдельности, то необходимо сказать, что каждый из них делится на подгруппы. Так упругая деформация делится на деформацию сжатия-растяжения, то есть изменения объема, и на деформацию изменения формы без изменения объема.

Остаточная деформация грунта. И все же остаточная деформация будет считаться основным показателем, который будет влиять на выбор вида фундамента для загородного дома. Она обычно появляется при изломе грунта и разрушении структуры самих частиц.

Под постоянным давлением от массы сооружения грунты в основании его фундамента постепенно уплотняются (сжимаются) и происходит смещение в вертикальной плоскости, называемое осадкой сооружения. Кроме давления от собственной массы, осадка может быть вызвана и другими причинами: карстовыми и оползневыми явлениями, изменением уровня грунтовых вод, работой тяжелых механизмов, движением транспорта, сейсмическими явлениями и т.п. При коренном изменении структуры пористых и рыхлых грунтов происходит быстро протекающая во времени деформация, называемая просадкой.

В случае когда грунты под фундаментом сооружения сжимаются неодинаково или нагрузка на грунт различная, осадка имеет неравномерный характер. Это приводит к другим видам деформаций сооружений: горизонтальным смещениям, сдвигам, перекосам, прогибам, которые внешне могут проявляться в виде трещин и даже разломов.

Смещение сооружений в горизонтальной плоскости может быть вызвано боковым давлением фунта, воды, ветра и т.п.

Высокие сооружения башенного типа (дымовые трубы, телебашни и т.п.) испытывают кручение и изгибу вызываемые неравномерным солнечным нагревом или давлением ветра.

Для изучения деформаций в характерных местах сооружения фиксируют точки и определяют изменение их пространственного положения за выбранный промежуток времени. При этом определенное положение и время принимают за начальные.

Кручение относительно вертикальной оси характерно в основном для сооружений башенного типа. Оно определяется как изменение углового положения радиуса фиксированной точки, проведенного из центра исследуемого горизонтального сечения.

Грунты обладают как упругими, так и остаточными свойствами, что хорошо видно по результатам компрессионных испытаний (см. рисунок 1). Как видно из представленного рисунка, после разгрузки обратная ветвь компрессионной кривой (к.к.) не возвращается в исходное положение. В результате, на оси ординат легко определяются два участка значений коэффициента пористости с упругими и остаточными свойствами.

Рисунок 1 – Проявление в грунте как упругих, так и остаточных свойств

Таким образом, в общем случае, грунты при деформировании обладают как упругими, так и остаточными свойствами.

Физические причины упругих деформаций[2]:

· упругость минеральных частиц грунта;

· упругость замкнутых пузырьков воздуха.

Физические причины остаточных деформаций:

· сдвиги частиц грунта;

· разрушение частиц в точках контакта.

Для различных грунтов соотношения между упругими и остаточными деформациями различны. Так для песчаных грунтов упругость практически не проявляется, а вот для глинистых грунтов, упругие свойства могут быть весьма значительны.

Чаще всего, практически в строительстве рассматриваются линейные деформации, т.е. до напряжений, равных R (см. рисунок 2). В этом случае правомерно в расчётах механики грунтов использовать аппарат теории упругости и инженерные методы расчёта осадок.

Рисунок 2 – Зависимость осадки основания от прикладываемого давления при постоянном статическом нагружении

При многократном нагружении основания общие деформации грунта стремятся к некоторому пределу (см. рисунок 3).

Рисунок 3 – Проявление упругих свойств грунта при многократном приложении и снятии нагрузки

При большом числе циклов нагружения появляются лишь упругие деформации, т.е. грунт приобретает упруго – уплотненное состояние. (Имеет практическое значение для строителей дорог, насыпей и т.д.)

При уплотнении оснований (см. график на рисунке 4) скорость осадки фундамента (сооружения) зависит прежде всего от скорости отжатия воды из пор грунта (фильтрационная консолидация).

Рисунок 4 – Принципиальные отличия деформации во времени для сыпучего и связного грунтов

Затем возникают осадки реологического характера (ползучесть скелета грунта). Такие осадки (деформации грунта во времени) могут для связных глинистых грунтов продолжаться сотни лет (пример: Пизанская башня в Италии). Для песчаных грунтов деформации могут стабилизироваться уже в период возведения здания, т.е. примерно через 3…5 лет.

Экспериментальная зависимость осадки (S) (деформации) основания от размеров (в) подошвы фундамента (при прочих равных условиях) в общем случае, может быть представлена в виде графика на нижерасположенном рисунке.

Полученную графическую зависимость S=S(в) можно условно разделить на ряд участков[3]:

· При в 0,5 м – увеличение активной сжимаемой зоны – увеличение деформации в целом.

· При в > 7 м (А > 50 м2) осадки меньше теоретических, т.к. активная сжимаемая зона уходит в более плотные нижние слои грунта (проявляется, как правило, возрастание модуля деформации с глубиной).

Рисунок 5 – График зависимости осадки от ширины подошвы фундамента (при прочих равных условиях)

Рисунок 6 – Схема изменения глубины сжимаемой толщи в зависимости от ширины подошвы фундамента (при прочих равных условиях)

В данном случае рассматривается задача определения осадки слоя грунта толщиной (h), нагруженного сплошной равномерно распределённой нагрузкой интенсивностью (Р). Сжимаемый слой (h) подстилается практически не деформированным слоем (скалой, щебнем и т.д.). Расчетная схема, представленная на рисунке, соответствует практической задачи сжатия слоя грунта от нагрузки в виде насыпи, плотины и т.п.

Рисунок 7 – Расчётная схема для определения осадки слоя грунта толщиной h при сплошной равномерно распределённой нагрузке

Дата добавления: 2015-08-12 ; просмотров: 6633 . Нарушение авторских прав

Виды деформаций в грунтах и процессы, происходящие в них под действием внешних нагрузок. Физические причины деформаций.

Грунт обладает как упругими, так и остаточными деформациями. Упругие деформации возникают за счет: сжатия воздуха в грунтах, отжатия воды из пор грунта, деформации пленочной воды. Остаточные деформации возникают за счет: разрушения грунтовых агрегатов, взаимного смещения грунтовых частиц, разрушение самих частичек грунта.

В реальных грунтах деформации никогда не происходят мгновенно, а развиваются во времени, причем чем более дисперсным является грунт, тем большее время потребуется для стабилизации деформаций.

Процесс деформирования грунта, развивающийся во времени даже при постоянном напряжении, называется ползучестью.

В зависимости от вида грунта, его состояния и действующего напряжения ползучесть может протекать с уменьшающейся или с возрастающей скоростью.

В первом случае говорят о процессе затухающей, во втором – незатухающей ползучести (рис. 3.4).

В обоих случаях деформация в любой момент времени складывается из условно-мгновенной деформации γ₀, возникающей сразу после приложения нагрузки и иногда рассматриваемой как упругая (γ₀≈γ e ), и деформации ползучести, развивающейся во времени γ (t): (1)

Для затухающей ползучести деформация γ (t) возрастает с уменьшающейся скоростью и стремится к некоторому конечному пределу γ_к. В случае незатухающей ползучести кроме условно-мгновенной деформации различают еще три стадии: I – затухающей (неустановившейся) ползучести, где скорость деформации уменьшается;

II – установившегося течения с примерно постоянной скоростью деформации;

III – прогрессирующего течения, где скорость деформации начинает возрастать, что со временем обязательно приводит к разрушению грунта.

Отметим, что обозначения на рис. 3.4 и в формуле (1) относятся к деформациям сдвига. Однако все рассмотренные закономерности остаются справедливыми и для других случаев нагружения образца.

Уплотнение грунта связано с уменьшением его пористости. В то же время в водонасыщенных грунтах все поры заполнены водой. При нагрузках, обычных для строительства промышленных и гражданских сооружений, во многих случаях вода, как и частицы скелета грунта, может считаться практически несжимаемой. Поэтому уплотнение водонасыщенного грунта возможно только при отжатии части воды из его пор.

Процесс уплотнения грунта, сопровождающийся отжатием воды из пор, называется фильтрационной консолидацией (иногда просто консолидацией).

Монолитные скальные грунты при нагрузках, возникающих в результате строительства промышленных и гражданских сооружений, могут рассматриваться как практически недеформируемые тела.

Объемные деформации крупнообломочных и однородных по гранулометрическому составу песчаных грунтов в значительной степени обусловливаются упругим сжатием частиц, а по мере увеличения нагрузки – пластическим разрушением контактов между ними, поэтому они обычно бывают невелики. В неоднородных песках будут развиваться значительные деформации уплотнения. В водонасыщенных песчаных грунтах это сопровождается отжатием воды из пор. Поскольку размеры пор в песчаных грунтах относительно велики, процесс консолидации в них протекает значительно быстрее, чем в глинистых грунтах. Сдвиговые деформации в крупнообломочных и песчаных грунтах происходят за счет взаимного перемещения частиц с учетом разрушения контактов.

Наиболее сложно развивается процесс деформирования в глинистых грунтах. Объемные деформации в них связаны с более плотной переупаковкой частиц, окруженных пленками связанной воды, с уменьшением объема пор, отжатием поровой воды и упругим сжатием защемленных пузырьков воздуха, а сдвиговые – главным образом с взаимным перемещением и перекомпоновкой частиц, окруженных гидратной оболочкой. Интенсивность проявления деформаций в глинистых грунтах в большой мере зависит от характера структурных связей и величины действующих нагрузок. Даже слабоуплотненные водные осадки глинистых грунтов с водно-коллоидными связями при небольших нагрузках, не превышающих структурную прочность, могут проявлять упругие свойства, т. е. почти полностью восстанавливаться после снятия нагрузки. Дальнейшее увеличение нагрузки вызывает постепенное разрушение структурных связей и интенсивное уплотнение грунта. Разрушенные водно-коллоидные связи со временем восстанавливаются, и после уплотнения глинистого грунта может наблюдаться его упрочнение.

Размеры пор в глинистых грунтах крайне малы, поэтому процесс консолидации в них протекает очень медленно. Деформации могут не стабилизироваться в течение многих месяцев, лет, даже десятилетий. Также медленно могут развиваться и процессы ползучести, связанные с взаимным смещением частиц, окруженных водными плешами, поворотом, изгибом и разрушением отдельных частиц.

Очень сложные процессы происходят при деформировании структурно-неустойчивых грунтов. Здесь уже кроме перечисленных выше факторов большое значение имеет изменение физической обстановки (оттаивание мерзлых грунтов, обводнение лёссовых просадочных грунтов, разложение органических включений в торфах или насыпных грунтах и т. п.).

ВИДЫ ДЕФОРМАЦИЙ ГРУНТОВ И ПРИЧИНЫ, ИХ ОБУСЛОВЛИВАЮЩИЕ

Определение деформаций грунтов под действием внешних сил имеет огромное значение для практики проектирования фундаментов сооружений.

Факторами, определяющими долговечность сооружений, собственно говоря, являются не напряжения в грунте (если они не до- стигают предельных величин), а деформации оснований, их осадки, под которыми понимают обычно вертикальные смещения грун- товых оснований. Однако равномерная осадка всего сооружения не вызывает дополнительных напряжений в его конструкциях, но разность осадок отдельных частей основания Особенно сказывается на прочности фундаментов и над фундаментных строений. А так как разность осадок оснований, как показывают соответствующие наблюдения в натуре, как правило, бывает тем больше, чем больше абсолютная осадка оснований, то важно знать как величину абсо- лютной осадки, так и разности осадок отдельных частей сооруже- ний.

За последние десятилетия на базе развития теории расчета осадок грунтовых оснований (главным образом отечественными учеными) И статистической обработки результатов многочисленных замеров осадок и разности осадок различного рода сооружений нд различных напластованиях грунтов оказалось возможным разработать наиболее прогрессивный метод расчета фундаментов по предельным деформациям оснований, который при полной гарантии безопасности дает и. значительный экономический эффект.

Этот метод, в настоящее время широко применяемый в отечественной проектной практике, базируется на обязательном соблю- дении следующих основных условий:

Зрасч =S^ SnpJ I ASpac4 Sj ASnp,’

анализа результатов многочисленных наблюдений за осадками оснований сооружений и регламентируемых соответствующими нормами СНиПа.

Грунты, как было рассмотрено ранее (см. гл. II, § 4), являются сложными многофазными системами частиц, деформации которых зависят как от общего изменения их объема (уплотнения, набухания и пр.), так и от деформируемости всех компонентов (фаз), составляющих грунты (ползучести скелета, сжимаемости поровой воды, а также включений паров и газов и пр.), и их взаимодействия.

Различные виды деформаций грунтов и причины, их вызывающие, систематизированы нами в табл. 24.

Таблица 24 Главнейшие физические причины деформаций грунтов

Вид деформаций Причины деформаций

изменения объема Молекулярные силы упругости твердых частиц,

а также тонких пленок воды и замкнутых пузырьков воздуха

искажения формы Молекулярные силы упругости, искажение струк

уплотнения Уменьшение пористости (компрессионные свой

набухания Расклинивающий эффект как результат действия

электромолекулярных сил ползучести Взаимные сдвиги частиц

чисто остаточные Разрушение структуры, излом частиц

На практике в одних случаях имеют первостепенное значение упругие деформации, например при динамических нагрузках (включая и сейсмические воздействия) и при расчете гибких фундаментов на совместную работу их со сжимаемым основанием, в других — неупругие (уплотнения и набухания) — при расчете, главным образом, массивных фундаментов по предельным деформациям оснований (для определения величины полной осадки грунтовых оснований и затухания осадок во времени), а иногда — чисто остаточные (при образовании колей на усовершенствованных грунтовых покрытиях и дорогах) и т. п.

§ 2. УПРУГИЕ ДЕФОРМАЦИИ ГРУНТОВ И МЕТОДЫ ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Условия возникновения упругих деформаций в грунтах. Хотя упругость w является общим свойством всех тел природы, но грунты, представляющие собой сложные дисперсные природные образо

для вертикальных перемещений точек, лежащих на ограничивающей полупространство плоскости (z=0) при действии на полупространство сосредоточенной силы Р [см. гл. Ill, § 1, формула (III.3)]:

где коэффициент упругого полупространства

Отметим, что если рассматривается линейно деформируемое полупространство, то модуль упругости грунта Е следует заменить на модуль общей деформации (упругой и остаточной) Е₀, а коэффициент Пуассона у —на коэффициент общей относительной поперечной деформации ц₀.

При действии на ограничивающую упругое полупространство плоскость местной равномерно распределенной по площадке F нагрузки р осадки любой точки определятся путем интегрирования выражения для вертикальных перемещений точки упругого полупространства от действия элементарной сосредоточенной силы pd^dr (рис. 89),

Обозначив координаты рассматриваемой точки через хну и используя формулу (Ш.З), получим

мы площади подошвы и местоположения рассматриваемой точки (легко табулируемый).

Выражение (V:3) показывает, что осадки однородного упругого (или линейно деформируемого) полупространства прямо пропорциональны (со’/С — коэффициент пропорциональности) удельному давлению на грунт р и корню квадратному из площади У F.

Важно отметить, что опыты в натуре по изучению осадок грунтовых оснований для площадей от 0,5 до 15 м 2 на однородном водонасыщенном заиленном песке мощностью около 12 м (опыты X- Р. Хакимова, 1939 г. и др.), а также опыты «Фундаментстроя» (Д. Е. Польшина и др.) на лёссовидных однородных суглинках с площадями от 0,25 до 8 м 2 в пределах линейной связи между давлением и осадкой дают следующую эмпирическую зависимость:

Таким образом, теоретическая формула (V.3) при внешнем давлении, не превышающем практического предела пропорциональности, для грунтов, однородных на достаточную глубину, в общем виде полностью подтверждается опытами (хотя коэффициент пропорциональности А в некоторых случаях несколько отличается от теоретического ш’/С).

Однако зависимость осадки от величины площади загрузки, как показывают опыты в природных условиях, при большом диапазон изменения площадей выражается более сложной зависимостью.

Так, на рис. 90 приведена обобщенная кривая средних результатов многочисленных опытов по изучению осадок
грунтовых оснований (примерно средней их уплотненности) при одном и том же давлении на грунт, но при разной величине площади загрузки. На этой кривой можно, различать три области: область / — малых площадей загрузки (примерно до 0,25 л*?), где при средних давлениях грунты находятся преимущественно в фазе сдвигов, причем наблюдается уменьшение осадки е увеличением площади (как раз обратное тому, что дает теория упругости для фазы ли-
нейных деформаций); область II—при площадях от 0,25-^0,50 до 25-1-50 м 2 (для однородных грунтов средней плотности, а для слабых грунтовки до больших величин), где осадки строго пропорциональны V F и соответствуют при средних давлениях на грунт фазе уплотнения, т. е. весьма близки к теоретическим-, область III — для площадей, больших 25-1-50 м 2 , где осадки меньше теоретических, что можно объяснить возрастанием модуля упругости (уменьщением деформируемости) грунтов с глубиной. Конечно, для очень

Рис. 90. Зависимость осадки природных грунтов от размеров площади загрузки

рыхлых и очень плотных грунтов указанные пределы будут несколько иными.

Приведенные данные могут служить для установления пределов применимости теоретических решений, полученных для однородных массивов, к реальным грунтам, что имеет особо важное значение при разработке рациональных методов расчета осадок оснований сооружений.

Основной зависимости осадки от величины площади загрузки и действующего внешнего давления (формула (V.3)] для удобства дальнейшего использования придадим иной вид (ставший в настоящее время уже общепринятым), введя отношение длины к ширине сторон прямоугольной площади загрузки а — 1/Ь_(а следовательно, l — ab и F = ab 2 ) и обозначив через со величину со’У а:

где © — коэффициент формы площади подошвы и жесткости
фундамента (одинаковый для всей площади загрузки или различный для разных ее точек);

в— ширина прямоугольной площади подошвы или диаметр

круглой;
р — удельное давление на грунт;

Е, ц — модули упругости (деформируемости) полупространства.

Для облегчения расчетов приведем в табл. 25 ряд значений коэффициента формы © для круга и прямоугольников с различным отношением сторон a=ilib (где I — длина, b — ширина прямоуголь-
ной площади подошвы).

Отметим, что формула (V.4) используется обычно и для опытного определения по результатам полевой пробной нагрузки (площадкой в 5000 см 2 ) модуля общей деформации грунта Е₀ кГ/см 2 .

Придав обозначениям для модулей общей деформируемости букву «о» в индексе, из формулы (V.4) получим

где а₀ — коэффициент относительной сжимаемости грунта;

Р — коэффициент, характеризующий боковое расширение грунта (функция р₀).

Коэффициент р определим исходя из следующего. Как известно из курса сопротивления материалов, относительная деформация e_z линейно деформируемой элементарной призмы при действии сжимающих напряжений по трем взаимно перпендикулярным направлениям будет равна

А так как в условиях невозможности бокового расширения грунта при сплошной нагрузке

Множитель, стоящий в скобках, обозначают обычно р, т. е.