Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Механика грунтов основания и фундаменты. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 45 / 205 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 > Следующая >>>

блюдается значительное выпирание грунта в сторону наименьшего сопро тивления вверх. На графике S = f (р) возникают два резких перелома, со ответствующих фазе сдвига и фазе выпирания (рис. 4.1.2).

Таким образом, на графике S = f (р) можно отметить три характер

ных участка:

I – фаза уплотнения; II – фаза сдвигов; III – фаза выпирания.

При нагрузке, соответствующей границе раздела фазы уплотнения от фазы сдвигов в пределах сформировавшейся части зоны деформа ций, действие деформации уплотнения грунта начинает заканчиваться и уступает место развитию деформации сдвигов, что обусловливается началом явления нарушения прочности верхнего слоя грунта на контак те с неуплотняющимся грунтом, и наступает явление нарушения проч ности грунта, что вызывает формирование поверхности сдвига, направ ленной в сторону наименьшего сопротивления, и начало выпирания верхнего слоя грунта по сформировавшейся поверхности скольжения.

Первым ученым, опубликовавшим в 1930 г. работу о развитии в осно вании трех фаз деформации грунтов при возрастании нагрузки, был проф. Н.М. Герсеванов. Анализируя график S = f (p), он обосновал, что для расчета оснований необходимо пользоваться первой стадией уплот нения, так как она отражает линейный закон изменения осадки от на грузки.

4.2. УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ И СКЛОНОВ

Определение устойчивости массивов грунта имеет важное практи ческое значение при проектировании и устройстве земляных сооруже ний (насыпи, выемки, дамбы, земляные плотины и т.д.).

Откосом называется искусственно созданная поверхность, ограни чивающая природный грунтовый массив, выемку или насыпь.

4411

S = f (p)

Р, кПа

Р, к Н

Р, КПа

III

скала

Рис. 4.1.2. Характер развития деформаций грунтов при возрастании

нагрузки и отсутствии свободного формирования зоны уплотнения

III

Склоном называется откос, образованный природным путем и огра ничивающий массив грунта естественного сложения.

Выбор оптимальной крутизны откосов при проектировании насыпей и выемок позволяет избежать аварийных ситуаций и одновременно сни зить объемы земляных работ. Все это в конечном итоге позволяет суще ственно удешевить строительство.

Основными причинами потери устойчивости откосов и склонов явля ются:

– устройство недопустимо крутого откоса или подрезка склона, на ходящегося в состоянии, близком к предельному;

– увеличение внешней нагрузки;

– увеличение удельного веса грунта в призме обрушения в резуль

тате заполнения пор водой;

– влияние взвешивающего действия воды на грунты в основании;

– увеличение гидродинамического давления воды, выходящей через

поверхность откоса;

– снижение сцепления и трения грунта при его увлажнении, связан ное с поднятием уровня подземных вод, а также при разрыхлении вследствие промерзания и оттаивания;

– динамические воздействия при движении автотранспорта, забив ке свай, проявлении сейсмических сил и др.

Устойчивость откоса в идеально сыпучих грунтах (ϕϕ≠ 0; с = 0) мож но решить следующим образом. Пусть имеется откос с углом заложения «αα» при заданном значении расчетного угла внутреннего трения «

ϕϕ

» грунта, слагающего откос. Рассмотрим равновесие частицы «А», свобод но лежащей на поверхности откоса (рис. 4.2.1).

Поскольку грунт обладает только внутренним трением, устойчивость частицы обеспечена, если сдвигающая сила «Т» будет равна или меньше удерживающей силы трения «Т

». Задавшись весом частицы «P» и учи тывая, что коэффициент внутреннего трения грунта f = tgϕϕ, это условие можно записать в виде:

4422

б)

Рис. 4.2.1. Схемы к расчету устойчивости откосов сыпучего грунта:

а) сухого; б) фильтрующего воду

(4.2.1)

откуда

или . (4.2.2)

Таким образом, если угол заложения откоса равен или меньше угла

внутреннего трения грунта, то устойчивость откоса обеспечена.

В предельном состоянии условие (4.2.2) принимает вид

(4.2.3)

т.е. предельное значение угла заложения откоса в сыпучих грунтах рав но углу внутреннего трения грунта.

Такое значение «

» часто называют углом естественного откоса.

Гидродинамическое давление подземной воды учитывают путем

расчета фильтрационного потока, выходящего через поверхность отко са. Рассчитывают поверхность депрессионной кривой и положение ка сательной к ней в точке выхода воды через поверхность откоса. По на правлению касательной откладывают силу гидродинамического давления «D» (рис. 4.2.1б). Из гидравлики известно, что интенсивность гидродинамического давления на единицу поперечного сечения порис того тела составляет

D =

n.i, (4.2.4)

где

γγ

– удельный вес воды; n – пористость грунта; i – градиент напора.

В точке выхода воды через поверхность откоса действуют силы D и Р (рис. 4.2.1б), которые приводятся к равнодействующей R. Сила R откло нена от вертикали на угол

. Это равносильно повороту откоса, показан

ного на рис. 4.2.1б, на угол

. В таком случае устойчивый угол откоса на

ходят из условия

, (4.2.5)

где

γγ

– коэффициент надежности;

ϕϕ

– расчетный угол внутреннего

трения.

Обычно

γγ

принимают равным 1,1…1,2 в зависимости от класса со

оружения.

В отличие от сыпучих грунтов, предельный угол заложения откосов, сложенных связными грунтами, не является постоянным и меняется с увеличением высоты откоса. Расчеты показывают, что наиболее небла гоприятное напряженное состояние возникает у подошвы откоса в точ ке А (рис. 4.2.2). Именно здесь с увеличением высоты вертикального от коса начинает формироваться состояние предельного равновесия,

4433

j£a

tgtg

£a

,j¢£a

α ϕ

≤

tg(ϕ– β),

T = Psinαα, T = Pcos

αα

⋅

tgϕϕ, T ≤≤T ,

4444

захватывающее все большую область и приводящее к обрушению мас сива по некоторой поверхности АВ.

Тогда можно принять, что пре дельная высота вертикального от коса h

соответствует тому напря женному состоянию в точке А, при котором здесь выполняется условие предельного равновесия.

Максимальное главное напря жение в этой точке будет равно природному давлению, т.е.

σσ

= γγh0. Поскольку откос ограничен сво бодной вертикальной поверхно стью, минимальное главное на пряжение в точке А будет равно нулю, т.е.

σσ

= 0. Учитывая, что для идеально связных грунтов ϕϕ= 0 и с учетом условия предельного равнове сия, можно записать

= 2с/γγ, м. (4.2.6)

В данном случае h

– максимально возможная высота откоса. Для по

лучения устойчивого откоса обычно снижают сцепление, принимая его расчетное значение С

, учитывающее неоднородность грунта, и вводят

коэффициент надежности в пределах 1,1…1,2.

Грунт откоса, так же, как и склона, постоянно подвергается метеоро логическим воздействиям, которые могут снижать сцепление. В связи с этим незащищенный вертикальный откос может существовать лишь непродолжительное время.

4.3. ПРЕДЕЛЬНОЕ РАВНОВЕСИЕ ГРУНТОВ ОСНОВАНИЯ И ЕГО ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИЛОЖЕНИЕ ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ ДАВЛЕНИЯ ГРУНТОВ НА ОГРАЖДАЮЩИЕ КОНСТРУКЦИИ

При расчете сооружений, работающих на восприятие горизонтальных нагрузок, необходимо знать, что такое предельное равновесие, и, пользу ясь этим соотношением, вести расчет сооружения на устойчивость.

Предельным равновесием называется состояние сооружения, при ко тором отношение сдвигающих сил к удерживающим равно tg

(45о –ϕϕ/2).

Оно записывается следующим образом

(4.3.1)

где ϕ – угол внутреннего трения, а (45

–ϕϕ/2) – угол предельного равновесия.

Рис. 4.2.2. Cхема к расчету

устойчивости откоса грунта,

обладающего только сцеплением

(ϕ = 0; с ≠ 0)

),(

245tg

j-=

ϕϕ

σ σ

σσ

ϕϕ//22

Это состояние имеет место в том случае, когда незначительное пре вышение горизонтальной нагрузки вызывает незамедлительно потерю устойчивости основания. Условие предельного равновесия использует ся при расчете плотин, перемычек, подпорных стенок и др.

Давление грунта на подпорную балку называется активным давлением, а давление подпорной стенки на грунт носит название пассивного давления.

При горизонтальной поверхности засыпки горизонтальная площад ка грунта испытывает сжимающее давление, равное весу столба от по верхности до рассматриваемой площадки

σσ

γγ

z. (4.3.2)

Тогда при z = H в нижней части подпорной стенки

σσ

γγ

Н. (4.3.3)

Боковое давление грунта определяется из условия, что за подпорной стенкой сыпучий грунт находится в состоянии предельного равновесия

σσ

= tg2(45o–ϕϕ/2). (4.3.4)

Подставив значение

σσ

, получим

σσ

γγ

. z.

tg2(45o–ϕϕ/2). (4.3.5)

будет определено при σ

= γН

(4.3.6)

Эпюра давления грунта будет иметь вид треугольника. При опреде лении пассивного давления формула будет иметь следующий вид:

(4.3.7)

Активное давление определяется как площадь эпюры давления

(4.3.8)

4455

1/3H

– ϕ/2

зп

max

зa

max

Рис. 4.3.1. Cхема для определения активного и пассивного давления

сыпучего грунта на гладкую стенку

).(

max a

/245Htg

jgs-=

).(

max П

/245htg

jgs+=

)./245tgH1/2H1/2E jgs –(

o22

max a

=×=

max

σσ

γγ

ϕϕ

/2).

ϕϕ

/2).

ϕϕ

/2).

Под действием активного давления стенка может сместиться в гори зонтальном направлении и тем самым будет давить на грунт. Грунт бу дет оказывать сопротивление, которое носит название пассивного, в про тивоположность активному.

Пассивное давление определяется по формуле

(4.3.9)

Поскольку обычно за подпорной стенкой засыпается песок, пред ставленные выше выводы относятся к сыпучим грунтам.

Первым ученым, предложившим эту формулу, был француз Понселе.

Рассмотрим условие предельного равновесия при действии верти кальной нагрузки на фундамент.

Это условие возникает только в одном случае, когда работа внешних сил оказывается больше работы внутренних сил или находится на пре деле

или (4.3.10)

Условие предельного равновесия при действии вертикальной на грузки на фундамент не будет иметь места даже при наличии слабых грунтов в основании. Оно наступит только тогда, когда на незначитель ной глубине ниже подошвы фундамента залегает скала или неуплотня ющийся грунт, т.е. отсутствуют условия свободного формирования объ ема зоны деформаций.

При нагрузке Р

давление в грунте оказалось больше его структур ной прочности, и грунт начинает деформироваться в сторону наимень шего сопротивления.

В данном случае W

> Wгр, т.е. работа внешних сил больше работы

внутренних сил. Однако могут быть условия, когда скальный грунт за легает ниже, и тогда будет иметь место состояние предельного равнове сия, т.е. W

= Wгр.

4466

/245tgh1/2E

jg-=

o22

(

грф

гр

VRSP

×³×

1 – зона уплотнения; 2 – зона сдвига; 3 – зона выпирания

Рис. 4.3.2. Схема предельного равновесия при действии

вертикальной нагрузки на фундамент

Р, КПа

скала

En=1/2h2tg2(45o+/2).

 



Глава 5 ДЕФОРМАЦИИ ГРУНТОВ И РАСЧЕТ

ОСАДОК ОСНОВАНИЙ СООРУЖЕНИЙ

5.1. МЕХАНИЗМ ПРОЦЕССА РАЗВИТИЯ ДЕФОРМАЦИИ ГРУНТОВ В ПРЕДЕЛАХ ФАКТИЧЕСКОГО ОБЪЕМА ЗОНЫ ДЕФОРМАЦИИ

Механизм процесса развития деформации грунтов в пределах фак тического реально существующего объема зоны деформации можно се бе представить, если появляется возможность видеть и зафиксировать весь процесс формирования зоны деформации в натуре.

Выполненные исследования в полевых условиях характера развития деформации грунтов в основании под фундаментами различной площа ди, с действующими различными эффективными давлениями в преде лах зоны деформаций и с различным сопротивлением грунтов уплотне нию, позволили наглядно представить всю картину формирования объема зоны деформации и взаимодействия внешних и внутренних сил.

В пределах объема зоны деформации действует эффективное давле ние, вызывающее деформацию грунта. Являясь внешней силой, эффек тивное давление уменьшается от оси фундамента в стороны и по глубине.

Величина эффективного давления «Р

» под подошвой фундамента рав на разности между давлением «Р», передаваемым фундаментом на грунт основания, и структурным сопротивлением грунта уплотнению «Р

су

».

= Р – Рсу, кПа. (5.1.1)

Замеряя величину деформаций грунта в каждой точке зоны дефор мации с помощью фиксаторов или глубинных марок, можно определить эффективное давление, исходя из линейной зависимости «Р

» от де

формаций грунта.

Эффективное давление представляет только определенную часть полного давления. Следовательно, другая часть давления, передаваемо го подошвой фундамента на грунт, не вызывает его деформацию. Дав ление, которое поглощается грунтом без развития деформации, назы вается структурным сопротивлением грунта уплотнению (Р

су

, кПа).

Если рассматривается процесс, то необходимо иметь в виду наличие эффективного и реактивного давлений. При этом реактивное давление в каждой точке всегда меньше эффективного давления, а на границе зо ны деформации они равны нулю (рис. 5.1.1а).

4477

Внутренние реактивное давление в грунте при деформации «Rг » является показателем внутреннего сопротивления грунта уплотне нию. На границе зоны деформации внешние и внутренние силы равны нулю. За пределами границы зоны деформации грунт находится в природном состоянии.

Таким образом, в механике грунтов рассматривается механизм про цесса развития деформаций грунта, из которого исключается только давление, не вызывающее деформацию грунта.

Механизм процесса развития деформаций и формирования объема зоны деформаций под влиянием взаимодействия внешних и внутрен них сил можно изобразить наглядным путем, построив эпюры внешних и внутренних сил для каждого элементарного слоя зоны деформации в горизонтальных и вертикальных сечениях (рис. 5.1.2).

В процессе осадки фундамента в основании формируется уплотнен ное ядро треугольной формы, в пределах которого в горизонтальных се чениях грунт перемещается на одну и ту же величину, что свидетельст вует об одинаковых эффективных, а, следовательно, и реактивных давлений. Поэтому эпюры в горизонтальных сечениях в пределах ядра имеют прямые участки. Таким образом, построенные эпюры дают на глядную картину взаимодействия внешних и внутренних сил и позво ляют установить границу объема зоны деформаций, где .

4488

а)

б)

Р, к Н

Р, кПа

зона деформаций

гр

Pэ= R

гр

су

Рис. 5.1.1. Механизм процесса развития деформации грунтов

в пределах зоны деформаций:

а) силовые взаимодействия в пределах зоны деформаций; б) эпюры взаимодействия внешних и внутренних сил

вдоль оси фундамента

гр

RP =

5.2. ЗОНА ДЕФОРМАЦИЙ – ГЛАВНЫЙ ФАКТОР В СОВМЕСТНОЙ РАБОТЕ ОСНОВАНИЯ, ФУНДАМЕНТА И НАДФУНДАМЕНТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

В результате многочисленных экспериментальных исследований, выполненных различными авторами и в различных грунтовых услови ях, установлено следующее:

– в результате передачи нагрузки фундаментом на грунт основания имеет место процесс развития деформации уплотнения в пределах ог раниченного объема зоны деформаций;

– применяя специальную методику изучения характера формирова ния зоны деформации, можно ее увидеть, замерить и зафотографиро вать (рис. 5.2.1);

– объем зоны деформации зависит от целого ряда факторов, в пер вую очередь, от величины давления, передаваемого фундаментом на грунт основания, его площади и плотности грунта в сухом состоянии;

– объем зоны деформации существенным образом влияет на величи ну и характер развития осадки фундамента;

– чем слабее грунт, тем больше объем зоны деформации и тем боль ше осадка фундамента; чем плотнее грунт, тем меньше объем зоны де формации и тем меньше осадка фундамента при прочих равных усло виях.

4499

Р, к Н

III

Р, кПа

гр

Рис. 5.1.2. Эпюры взаимодействия внешних и внутренних сил

в пределах объема зоны деформаций:

1, 2, 3 – в горизонтальных сечениях;

I, II, III, IV – в вертикальных сечениях

Таким образом, объем зоны деформации, формирующийся в основа нии под фундаментом, существенным образом влияет на величину и ха рактер развития конечных осадок. Поэтому для исключения неравно мерного развития осадок фундаментов необходимо стремиться к тому, чтобы под всеми фундаментами здания объемы зон деформаций были бы одинаковыми и ограниченными по величине. Только в этом случае можно обеспечить нормальную эксплуатацию здания.

5.3. СУЩНОСТЬ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ ОСНОВАНИЯ, ФУНДАМЕНТОВ И НАДФУНДАМЕНТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Главным принципом, положенным в основу проектирования основания и фундаментов, является принцип учета совместной работы основания, фун даментов и надфундаментных конструкций, выражаемый неравенством:

, (5.3.1)

где S – осадка, определяемая расчетом;

– предельная деформация основания (см. табл. 6.3.1).

Сущность совместной работы основания, фундаментов и надфунда ментных конструкций заключается в следующем (рис. 5.3.1).

Вес здания или сооружения передается фундаментом на грунт ос нования. В результате этого под действием эффективных давлений «Р

», действующих в пределах зоны деформаций, и внутреннего реак

тивного сопротивления грунта при деформации «R

гр

» формируется

объем зоны деформации «V

», величина которого определяет осадку

фундамента «S».

5500

S = 15,94 см

= 102,0 см

Рис. 5.2.1. Результаты полевых исследований характера

формирования объема зоны деформации грунта

под фундаментом площадью А = 0,25 м

и давлении Р = 0,3 МПа

≤

<<< < Предыдущая 1 2 3 45 / 205 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]