Визначення напружень в грунтах
В будь-якій точці грунтового масиву виникає система напружень, спричинена власною вагою вищележачих шарів грунту – природні напруження та прикладеного до поверхні грунтового масиву зовнішнього навантаження – додаткові напруження. Дослідженням встановлено: грунт в більшості випадків не є пружним тілом (залишкові деформації в грунті значно більші від пружних – компресійна крива рис. 4.2); грунту не властива строга лінійна залежність між напруженнями і деформаціями (компресійна крива рис. 4.2). Крім того, в більшості випадків грунт є несуцільним (дисперсним) тілом (п. 1.2). В зв‘язку з цим виникає питання, в яких випадках допустимо використовувати рішення теорії пружності, для визначення напружень в грунтах. Для вияснення цього розглянемо переміщення фундамента від дії статичного навантаження.
1
.
Фази
напруженого стану грунтів.
Нехай на поверхні грунту встановлено
жорсткий фундамент (рис. 7.1), завантажений
навантаженням
.
Під дією цього навантаження в масиві
грунту відбуваються переміщення,
величина яких буде збільшуватись по
мірі збільшення тиску
(p=N/A)
на грунт основи. Графік залежності
осідань фундаменту
від тиску
під його підошвою має
вигляд (рис.
7.2). На кривій
можна виділити чотири ділянки. Перша
відповідає навантаженню, при якому
напруження, що виникають в грунті під
основною частиною фундамента не
перевищують структурну міцність грунту
.
Цю фазу називають фазою пружних
деформацій, хоч одночасно з ними під
краями фундаменту, де відбувається
концентрація напружень, розвиваються
пластичні деформації і деформації
ущільнення. Остання обставина призводить
до того, що в межах цієї фази між осіданням
і тиском немає строгої лінійної
залежності.
П
ри
подальшому збільшенні тиску, внаслідок
нерівномірності його розподілу по
підошві фундаменту напруження під
краями будуть перевищувати структурну
міцність. Це призведе до перерозподілу
тиску. Коли тиск під всією підошвою
фундаменту перевищить структурну
міцність грунту, в основі стануть
розвиватися деформації ущільнення. При
тисках, які незначно перевищують
структурну міцність грунту, ущільнення
розвивається лише в зоні, яка безпосередньо
прилягає до підошви фундамента. По мірі
збільшення тиску грунт буде ущільнюватись
у все більшій зоні, оскільки в межах все
більшого об‘єму напруження будуть
перевищувати структурну міцність
грунту. Одночасно в грунті під краями
фундаменту будуть розвиватися деформації
зсувів, поглиблюючи криволінійність
ділянки
.
Проте при порівняно незначних тисках
(0,1…0,5мПа),
які зазвичай виникають під підошвою
фундаментів, криву
можна з деяким наближенням прийняти за
пряму. Цю фазу напружено-деформованого
стану грунту називають фазою ущільнення.
В цій фазі грунт ущільнюється, а його
будівельні властивості покращуються
(безпосередньо під
підошвою фундаменту формується грунтове
ядро). Залежність між деформаціями
грунту і напруженнями носить приблизно
лінійний характер. Для цієї ділянки
можна застосувати принцип лінійної
деформованості грунтів.
П
ри
подальшому збільшенні тиску зони зсувних
деформацій поширюючись в сторони, будуть
призводити до ущільнення грунту і по
сторонах від цих зон, внаслідок чого
вигин кривої на ділянці
стане більшим. Ця ділянка відповідає
значному розвитку локальних зсувів,
тому цю фазу напружено-деформованого
стану грунту в основі фундаменту
називають фазою локальних зсувів.
Залежність осідань від тиску на цій
ділянці нелінійна.
При подальшому збільшенні тиску зони
локальних зсувів розширюються і в
момент, коли досягають ширини фундаменту,
відбувається різке осідання фундаменту.
На кривій появляться майже вертикальна
крива ділянка
,
що характеризує цю фазу, яка називається
фазою випирання.
Таким чином, четверта фаза абсолютно недопустима для експлуатації будівель і споруд. Вони можуть експлуатуватись в першій і другій фазі (в третій - при умові, що фактичні осідання фундаментів не перевищують їх допустимі значення).
2
.
Розподіл
тиску під підошвою фундаментів.
Знання закономірностей розподілу
напружень під підошвою фундаментів
(контактних напружень) необхідне для
розрахунків цих конструкцій. Якщо
відомий розподіл "контакних напружень"
по підошві фундаменту, то без особливих
зусиль можна знайти величину розрахункових
згинальних моментів і поперечних сил
в тілі фундаменту за допомогою звичайних
рівнянь статики. Величина "контакних
напружень» суттєво залежить від
жорсткості фундаменту. Наведені вище
залежності будуть справедливі для
визначення напружень у масиві грунту,
починаючи з деякої, незначної, глибини
нижче підошви фундамента. Ці залежності
одержані з умови, що навантаження на
грунт передається через гнучкий
фундамент, тобто деформації цього
фундаменту слідують за деформаціями
грунту. Реальні фундаменти мають різний
струпінь жорсткості. Тому одержані
формули непридатні для визначення
напружень безпосередньо під підошвою
фундаменту.
Із сказаного випливає, що задача визначення контактних напружень не є окремою задачею, а входить до складу загальної задачі визначення напружень у грунтах при різній жорсткості фундаменту (споруди). Тобто розв’язок задачі може бути одержаний на основі вивчення напружено-деформованого стану системи “фундамент-основа”, або, точніше, - системи “споруда-фундамент-основа”. В результаті одержують загальну картину напружень у цих системах, серед яких можуть бути виділені контактні напруження.
Розглянемо якісну картину розподілу контактного тиску під фундаментами різної жорсткості (рис. 7.13). Якщо фундамент абсолютно гнучкий, то найбільші вертикальні напруження виникають під центром завантаженої площадки, внаслідок чого поверхня грунту отримує найбільші осідання в центрі, а найменші в кутових точках. В абсолютно жорсткому фундаменті навпаки концентра-ція напружень відбувається під краями (фази напружено-деформованого стану грунту п. 7.1). Із збільшенням тиску їх величина незрівнянно зростає. Проте такого тиску грунти сприймати не можуть і, внаслідок його перерозподілу, фактична епюра контактних напружень має сідлоподібний вигляд (рис. 7.13).
Виходячи з практичного досвіду і численних експериментальних досліджень епюри в більшості випадків приймають лінійними рис. 7.14
для центрально завантаженого фундаменту
(7.27)
для позацентрово завантаженого фундаменту
,
де (7.28)
- усереднена питома вага фундаменту і
грунту на його обрізах.