4. Условия предельного равновесия и несущая способность грунтов

Если площадку ограниченных размеров загружать равномерно распределенной нагрузкой, то в ее основании возникают деформации различного характера. На рис 3.21 был показан возможный характер развития этих деформаций во времени в зависимости от уровня действующих напряжений. Кривая а характеризует деформации, которые стабилизируются после достижения определенной конечной величины. Отношение приращения деформации к приращению времени стремится к нулю. Физический смысл протекающих деформаций заключается в преобладании процесса уплотнения грунта под нагрузкой за счет уменьшения пористости при незначительных местных деформациях сдвига. Кривая б показывает процесс развития незатухающих деформаций постоянных во времени, т.е. при приложении некоторой нагрузки отношение приращения деформации к приращению времени стремится к постоянной величине. Деформации происходят как за счет уменьшения пористости, так и за счет сдвига частиц грунта. Кривая в характеризует процесс незатухающих, прогрессирующих деформаций грунта под нагрузкой. Отношение приращения осадки к приращению времени стремится к бесконечности, осадка протекает с преобладанием деформаций сдвига частиц грунта и перемещения их в стороны.

Деформации уплотнения, которые характеризует кривая а, обычно вызывают осадку наземных конструкций; они были подробно рассмотрены в предыдущей главе.

Деформация сдвига, характер которых виден на кривой в и частично на кривой б, характеризуют предел устойчивости и прочности грунтов при их разрушении. Деформации сдвига представляют собой взаимные перемещения частиц грунта, происходящие без изменения объема под действием напряжений сдвига, возникающих от внешней нагрузки. Траектории перемещения частиц в процессе их сдвига образуют траектории скольжения и поверхности скольжения, по которым происходит разрушение грунта. Обычно в дисперсных телах, какими являются грунты, деформации сдвига проявляются пластическими течениями или ползучестью материала, происходящими с разрушением кристаллизационных и коллоидных связей, в отличие твердых материалов, например скальных пород, которых деформация сдвига сопровождается скалыванием.

Устойчивостью в механике грунтов называют состояние устойчивого равновесия грунтовых масс при воздействии внешних нагрузок. Теория предельного равновесия рассматривает следующие практические задачи механики грунтов: определение несущей способности естественных оснований; расчет давления грунтовых масс на ограждающие конструкции; расчет устойчивости откосов и оползневых склонов.

4.1. Понятие о фазах напряженного состояния грунта

Рассмотрим диаграмму зависимости деформаций грунтового основания от напряжений при действии местной нагрузки, передаваемой на грунт посредством жесткого штампа (рис. 4.1). При изменении напряжений от 0 до некоторого значения мы наблюдаем пропорциональное практически линейное приращение деформаций S (участок кривой о-а). В этой фазе напряженного состояния грунта, которая носит название фазы уплотнения, соотношения между деформациями и напряжениями подчиняются закономерностям теории линейно-деформируемых сред. Процесс деформаций грунта в первой фазе напряженного состояния происходит в основном за счет изменения пористости.

Затухающий характер деформаций во времени виден на рис. 3.20 (кривая а). При этом, как показали исследования М.И. Горбунова-Посадова (1962) и В.Г. Березанцева (1960), в фазе уплотнения под штампом образуется уплотненное ядро.

Рис. 4.1. Диаграмма зависимости деформаций от напряжений

при действии местной нагрузки

Вторая фаза напряженного состояния (участок кривой б-в) характеризуется криволинейным характером изменения деформаций S при увеличении напряжений σ. Характер развития деформаций во времени показан на рис. 3.21 (кривая в). Вторая фаза напряженного состояния – это фаза сдвигов, переходящая в пластическое или прогрессирующее течение, потерю устойчивости основания и разрушение грунта. Зависимосить между деформациями и напряжениями в этой фазе нелинейная.

Форма и направленность поверхностей скольжения частиц грунта при его разрушении, которое проявляется в виде выпирания грунта на поверхность или его выдавливании в стороны, зависят от физико-механических свойств грунтов, а также от боковой пригрузки и глубины заложения штампа-фундамента.

Промежуточной фазой напряженного состояния является переход от фазы уплотнения грунта под действием напряжений к его разрушению (криволинейный участок а-б рис. 4.1). В промежуточной фазе заканчиваются деформации уплотнения, завершается процесс формирования уплотненного ядра под штампом и начинают преобладать деформации сдвига частиц под действием бокового отжатия грунта уплотненным ядром. Характер деформаций в промежуточной фазе напряженного состояния показан на рис. 3.21 (кривая б).

Промежуточная фаза характеризует предел несущей способности грунта, т.е. границу, после которой при увеличении напряжений начинается процесс его разрушения. Участок кривой а-б (см. рис. 4.1) может иметь различную кривизну и протяженность в проекциях к координатным осям в зависимости от типа и состояния грунта, условий и скорости загружения штампа.