3. Теорія граничного напруженого стану грунтів

Граничний напружений стан ґрунту в даній точці відповідає такому напруженому стану коли щонайменша додаткова силова дія порушує існуючу рівновагу і приводить ґрунт у нестійкий стан: в масиві ґрунту виникають поверх­ні ковзання, розриви, просідання і порушується міцність між його частинками і їх агрегатами. Такий напружений стан ґрунтів слід розглядати як абсолютно неприпустимий при зведенні на них споруд. Тому для інженерної практики важливо вміти оцінити максимально можливе навантаження на ґрунт, при якому він ще знаходитиметься у рівновазі, тобто не втрачатиме міцність і стійкості. Питання міцності (несучої здатності), стійкості і тиску ґрунтів на огорожі і є задачами загальної теорії граничної рівноваги.

3.1. Фази напруженого стану грунтів при навантаженні

Механічні процеси в ґрунтах. Розглянемо механічні процеси, що виникають у ґрунтах при дії місцевого поступово зростаючого навантаження. Хай на поверхню ґрунту через жорсткий штамп обмежених розмірів прикладається навантаження і весь час проводяться спостереження за осіданнями штампу. У даному випадку механічні процеси будуть значно складнішими, ніж, при компрес­ійному стисненні, коли спостерігаються тільки затухаючі деформації, оскільки будь-який елемент ґрунту в компресійному приладі випробовує тільки нормальні напруги без можливості бічного розши­рення.

При дії місцевого навантаження довільно виділений еле­мент ґрунту зазнає окрім нормальних і дотичні (зсувні) напруги, які досягши певної величини можуть викликати появу місцевих необоротних ковзань (зсувів). Тому при дії місцевого навантаження можуть мати місце як затухаючі деформації ущільнення, так і не­затухаючі деформації зсуву, перехідні за відповідних умов у пластичну течію випирання, просідання т.п.

На мал. 3.1а приведена типова крива деформації ґрунту при дії на його поверхню місцевого, зростаючого ступенями навантаження. Якщо ступені навантаження малі і ґрунт має зв'язність, то перші ділянки на кривій деформацій будуть майже горизон­тальними (мал. 3.1б), де початкова ділянка дана у збільшеному масштабі, тобто поки не перевищена структурна міцність, ґрунт буде зазнавати тільки пружні незначні по величині деформації і осідання штампу буде повністю відновлюватися при розвантаженні. Завжди існує деяка величина зовнішнього тиску при якому ґрунт лише ущільнюється і набуває великого опору зовнішнім силам.

Фази напруженого стану. Перша фаза напруженого стану ґрунту носить назву фази ущільнення. У будівельному відношенні такий стан ґрунту буде корисним, оскільки ґрунт у фазі ущільнення набуває більш щільну структуру і даватиме менші осідання. При ущільненні залежність між загальними деформаціями і питомим тиском (стискуючою напругою) з достатньою для практичної мети точністю може бути прийнятий лінійній.

Ущільнення ґрунту під навантаженням може продовжуватися ще при декількох ступенях навантаження, проте досягши деякої величини виникає все більше зсувів між частинками ґрунту, оскільки в окремих місцях опір зсуву долається, з'являються ковзання між частинками, поступово формуються окремі майданчики ковзання і зони зсувів.

Кінець фази ущільнення (крапка з на кривий мал. 3.1) і початок утворення зон зсувів, що виникають спочатку у країв площі навантаження, де зсувні напруги є найбільш характерними показниками механічних властивостей ґрунтів і відповідають початковому критичному навантаженню на ґрунт у даних умовах.

При подальшому збільшенні навантаження наступає друга фа­за - фаза зсувів, перехідна (залежно від граничних умов і величини навантаження) в пластичну або прогресуючу течію, випирання, просідання і подібні неприпу­стимі деформації підґрунтя. Залежність між деформаціями і напругами в цій фазі нелінійна.

У кінці фази ущільнення (початку фази зсувів) безпосередньо під штампом починає формуватися жорстке ядро обмежених зсувів частинок, яке розтискає ґрунт у боки, обумовлюючи значні осідання штампу. Це ядро повністю сформоване при досягненні грантом його максимальної несучої здатності, після чого залишається незмінним, але виникають додаткові пластичні області ядра (мал. 3.1, пунктирна лінія), які, міняючи своє положення як би вишукують більш слабкі місця у масиві ґрунту, тоді як жорстке ядро, залишаючись без змін, упроваджується в масив ґрунту. При виникаючому при цьому граничному напруженому стані переважають бічні зсуви частинок і формуються безпере­рвні поверхні ковзання, внаслідок чого товща ґрунту втрачає стійкість.

Поверхні ковзання. На другій фазі досягши граничної несучої здатності ґрунту (що відповідає закінченню формування жорсткого ядра і повному розвитку зон граничної рівноваги) можна розрізняти залежно від граничних умов (головним чином глибини закладення) і густини ґрунтів. Основні випадки з ха­рактерними поверхнями ковзання.

1. Фундаменти дрібного закладення, для яких при граничничному навантаженні на ґрунт характерне випирання ґрунту.

2. Фундаменти середньої глибини закладення, для яких при граничному навантаженні також спостерігається випирання, але крива поверх­онь ковзання має S-образний контур.

3. Фундаменти глибокого закладення, для яких досягши граничного навантаження не спостерігаються випирання ґрунту, але виникає зона граничних зсувів, яка досягає площини підошви фундаменту, деформуючи масив ґрунту розташований біля бічних граней фундаменту.

4. Фундаменти дуже глибокого закладення, коли нижче підошви фундаменту при навантаженні, що перевершує граничне, виникає просідання підґрунтя (швидко протікаючи місцеве осідання), звичайно абсолютно неприпустиму у підґрунтях споруд.

При значному осіданні або просіданні підґрунтя одиночний жорсткий фундамент або штамп після деформації, якщо не руйнуватиметься, приходить у новий стан рівноваги, відповідний новим граничним умовам (глибині закладення ущільнених підстилаючи ґрунтів і т. п.). Проте допускати дуже великі осідання і просідання навіть окремого фундаменту у жодному випадку не можна, оскільки звичайно фундаменти пов'язані (іноді жорстко) з іншими частинами споруди; такі осідання можуть привести споруду до руйнування.

Деформації ґрунтів у першій фазі - фазі ущільнення - завжди затухаючі; у другій фазі - фазі зсувів - вони незгасаючі і є результатом ряду наступних один за одним ковзань. На будь-якій кривій деформації у фазі зсувів можна розрізняти три ділянки: 1) несталої повзу­чості; 2) сталої повзучості, або пластичної течії, і 3) прогресуючої течії. Пластична течія завжди переходить у прогресуючу, тим швидше, чим більше зовнішній тиск, але досягши визначеної для кожного ґрунту величини деформації зсуву.

Якщо на кривих повзучості з'єднати течкі, відповідні часу настання прогресуючої течії, то отримаємо так звану криву тривалої міцності, що дозволяє визначити мінімальний тиск, при якому крива течії (після відповідної перебудови структури ґрунту) переходить у затухаючу. Цей тиск визначає так звану тривалу міцність ґрунтів.

Таким чином, при зростанні навантаження на ґрунт необхідно розрізняти, принаймні, дві характерні її величини, при досягненні яких різко змінюється поведінка ґрунту: першу, відповідну початку переходу фази ущільнення у фазу зсувів (т. е. у фазу зародження і розвитку зон граничного напруженого стану), і другу, коли вичерпується несуча здатність підґрунтя, закінчується формування жорсткого ядра і спостерігається повний розвиток зон граничної рівноваги, при якому навіть незначне збільшення навантаження приводить ґрунт до втрати міцності і стійкості або до розвитку прогресуючої течії.