Фазы напряженного состояния грунтов

Рассмотрим явления, которые возникают при действии постепенно возрастающей местной нагрузки, прикладываемой на части поверхности массива, ограниченного горизонтальной плоскостью. Пусть нагрузка прикладывается к штампу отдельными ступенями и т. д., причем для каждой ступени нагрузки производится наблюдение за деформациями грунта до полного их затухания. Назовем скоростью деформаций грунта отношение величины деформации за некоторый промежуток времени к величине этого промежутка времени. Тогда в процессе возрастания нагрузки на штамп скорость деформаций будет меняться, причем можно различать несколько характерных фаз напряженного состояния грунта под штампом.

Проф. Н. М. Герсеванов в 1930 г. предложил рассматривать при нагрузке на штамп, возрастающей ступенями, три фазы напряженного состояния грунтов под штампом:

1) фазу уплотнения (затухающих деформаций, когда скорость деформации стремится к нулю);

2) фазу сдвигов (когда скорость деформации приобретает постоянное значение);

3) фазу выпирания (значительных, преимущественно боковых смещений масс грунта).

Последняя фаза, для которой характерна прогрессивно возрастающая скорость деформации, получила также название фазы прогрессирующего течения. В этой фазе возникают весьма большие деформации оснований, вызывающие аварии сооружений вследствие потери ими устойчивости.

Итак, можно рассматривать не три фазы напряженного состояния грунтов, возникающие под фундаментами при постепенном возрастании нагрузки на грунт, а две фазы:1) фазу уплотнения и локальных сдвигов и 2) фазу развития значительных сдвигов,

Первая фаза (уплотнения) характерна тем, что при загрузке штампа некоторой ступенью нагрузки скорость деформаций с течением времени уменьшается, приближаясь к нулю. Уменьшение скорости деформаций для различных горных пород происходит по-разному. В массивных горных породах (скальных) деформации первой фазы затухают со скоростью распространения упругих волн. Для этих грунтов первая фаза напряженного состояния будет главным образом фазой упругих деформаций. В рыхлых же горных породах (минеральные грунты, почвы) в первой фазе напряженного состояния при нагрузке, не превышающей для данного грунта в данных условиях загружения определенного предела, происходит уменьшение пористости грунта, т. е. его уплотнение. В строительном отношении такое состояние грунта будет полезным, так как грунт приобретает более плотную структуру и при последующей загрузке дает меньшие осадки. Если изобразить ход осадки грунта во времени, то для первой фазы напряженного состояния наблюдается постепенное затухание деформаций (осадок), т. е. с течением времени деформации уменьшаются, и грунт приходит к стабилизованному состоянию. Для массивных пород и скелетных грунтов (песков) такая стабилизация произойдет очень быстро, и изменение деформаций изобразится кривой, близкой к ломаной линии. Процесс уплотнения грунтов является весьма сложным и обусловливается как выжиманием воды из пор водонасыщенных грунтов и гидратных оболочек их твердых частиц, так и вторичными эффектами, вызываемыми сдвигами твердых частиц, т. е. ползучестью скелета грунта. Первый род уплотнения называется фильтрационной консолидацией, второй — вторичной консолидацией. Обычно эти два процесса при уплотнении происходят одновременно и разделить их можно лишь измеряя поровое давление в процессе уплотнения. Если изменение порового давления будет равно нулю, то можно считать, что процесс фильтрационной консолидации закончился; если же приращение деформации и после этого продолжается, то его следует отнести за счет ползучести скелета. В фазе уплотнения ползучесть будет затухающей, неустановившейся. Важно отметить, как показывают результаты непосредственных опытов, что всегда существует некоторая величина внешнего давления, при которой грунт лишь уплотняется и приобретает большую сопротивляемость внешним силам. В первой фазе зависимость между напряжениями и общими деформациями (осадкой) с достаточной для практических целей точностью может приниматься линейной. При дальнейшем увеличении нагрузки кривая зависимости осадки от нагрузки становится явно криволинейной и, как показывают опыты, происходят некоторые локальные сдвиги у краев фундамента.

Под подошвой фундамента в определенных условиях начинает формироваться уплотненное ядро: наступает вторая фаза — фаза развития значительных сдвигов.

Уплотненное ядро образуется в тех случаях, когда положение равнодействующей давлений заметно отличается от положения, соответствующего переходу грунта под фундаментом в непрерывное предельное состояние. Причем давления, возникающие по поверхности жесткого ядра, приводят соседние с ядром массы грунта в это состояние. При возникновении второй фазы несущая способность грунта еще не исчерпана, и на грунт можно передавать некоторую добавочную нагрузку.

Рассмотрим типичный график развития осадки фундамента по мере его нагружения статической нагрузкой (см. схему).

График развития осадки фундамента в зависимости от его степени нагружения.

По мере нагружения основания статической нагрузкой, развитие осадки происходит неравномерно. При давлениях Р < Р_н.кр. деформирование основания происходит линейно - I фаза – фаза уплотнения грунтов;

При давлениях Р_н.кр. < Р < Р_пр. деформирование основания происходит не линейно - II фаза – фаза сдвигов (фаза развития пластических деформаций).

· Р_н.кр. – начальная критическая нагрузка;

· Р_пр. – предельное давление на основание.