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?