Фазы напряженного состояния грунта
Пусть на поверхности грунта, обладающего структурной прочностью, установлен жесткий штамп, загружаемый нагрузкой N (рис. 6.1, а). Под действием этой нагрузки в массиве грунта происходят перемещения, величина которых будет возрастать по мере увеличения давления на основание. Вследствие развития в грунте дополнительных напряжений сверх ранее существовавших (от действия собственного веса грунта) он будет деформироваться. Интегральным выражением деформаций является осадка штампа S. При увеличении нагрузки осадка развивается в соответствии с кривой 1, приведенной на рис. 6.1, б.
На ней можно выделить четыре участка: ОА, АВ, ВС и СD. Участок ОА соответствует нагрузке, при которой возникающие в грунте под основной частью подошвы штампа напряжения не превышают структурную прочность грунта. При таких напряжениях развиваются преимущественно упругие осадки и осадки, связанные с затухающей ползучестью. Вследствие неравномерности распределения давления по подошве жесткого штампа напряжения под его отдельными частями (под краями), как правило, будут превышать рstr. Это приведет к перераспределению давления. Так как под основной частью штампа р<рstr, деформации будут возрастать примерно пропорционально изменению нагрузки. Эту фазу напряженного состояния грунтов в основании штампа называют фазой упругих деформаций, хотя одновременно с ними развиваются в небольших зонах пластические деформации и деформации уплотнения. Последнее обстоятельство приводит к тому, что в пределах и этой фазы между нагрузкой и осадкой нет строгой линейной зависимости.
Рис. 6.1. Схема испытания грунта штампом (а) и графики зависимости осадки штампа от нагрузки (б и в).
Когда давление под всей подошвой штампа превысит структурную прочность грунта, в основании станут развиваться деформации уплотнения, которые в пределах сравнительно небольших напряжений, возникающих обычно в основании сооружения, как показывают компрессионные испытания, можно принять линейно возрастающими с увеличением давления. Если бы в пределах изменения нагрузки, соответствующей участку АВ кривой 1 (см. рис. 6.1, б), деформации уплотнения развивались в одном и том же объеме, указанный участок кривой был бы прямолинейным. Однако это не так. При давлении, незначительно превышающем структурную прочность грунта, уплотнение развивается лишь в зоне, непосредственно примыкающей к подошве штампа. По мере увеличения нагрузки грунт будет уплотняться во все большей зоне, так как в пределах все большего объема напряжения σ будут превышать структурную прочность грунта. Одновременно в грунте под краями штампа, где происходит концентрация напряжений, будут развиваться пластические деформации (деформации сдвигов), усугубляя криволинейность участка АВ.
Тем не менее при сравнительно небольших давлениях, обычно возникающих под подошвой фундаментов сооружений, кривую 1 на участке АВ можно с некоторым приближением принять за прямую. Эту фазу напряженного состояния грунтов в основании называют фазой уплотнения и местных сдвигов.
При еще большем давлении зоны пластических деформаций, развиваясь в стороны, будут приводить к уплотнению грунтов и по сторонам от этих зон, вследствие чего радиус кривизны кривой 1 на участке ВС станет меньше. Этот участок соответствует значительному развитию местных сдвигов, поэтому фазу напряженного состояния в основании, соответствующую участку ВС, назовем фазой развития интенсивных деформаций сдвигов и уплотнения, в т. ч. по сторонам от зон пластических деформаций.
Наконец, при воздействии некоторой нагрузки N на сравнительно неглубоко заложенный фундамент произойдет резкая осадка его с выпором грунта из основания в стороны и вверх (см. далее рис. 8.1). На кривой осадок появится практически вертикальная линия СВ, соответствующая фазе выпора.
Таким образом, для грунтов, обладающих структурной прочностью, можно приближенно выделить четыре фазы напряженного состояния, в условиях которых последовательно преобладают деформации: 1) упругие; 2) уплотнения и местных сдвигов; 3) интенсивных местных сдвигов и уплотнения по сторонам от зон пластических деформаций; 4) выпирания.
Поскольку структурная прочность грунта под подошвой часто незначительна, зависимость между средним давлением штампа и его осадкой (при небольшом развитии пластических деформаций), а, следовательно, между напряжениями и деформациями, принято считать линейной.
При определении напряжений в массиве грунта используются законы механики для упругого сплошного тела. Насколько грунты удовлетворяют данным требованиям?