Фазы напряженно-деформированного состояния грунта - раздел Механика, МЕХАНИКА ГРУНТОВ Фазы Напряженно-Деформированного Состояния Грунтаизучаются С Целью Установлен...
Фазы напряженно-деформированного состояния грунтаизучаются с целью установления расчетных моделей деформирования грунтового основания, приемлемых для инженерных расчетов его прочности, устойчивости, сжимаемости, горизонтальных и угловых перемещений. В связи с этой проблемой традиционно рассматривается график
(рис. 4.1) испытания грунтового основания штампом, изображающий зависимость осадки штампа от средних напряжений, действующих по его подошве.
Рис. 4.1. Фазы напряженно-деформированного состояния грунта:
Рстр – структурная прочность; начРкр – начальное критическое давление; предРкр – предельное критическое давление; R – расчетное сопротивление грунта; 0 – фаза упругой работы; I – фаза уплотнения; II – фаза сдвигов; III – фаза выпоров; 1 – основание в допредельном
состоянии; 2 – зоны сдвигов; 3 – линии скольжения; 4 – зоны выпоров
Предполагается, что в этом опыте отсутствует избыточное (по сравнению с атмосферным) поровое давление. Такие опыты называются опытами по дренированно-консолидированной схеме, а получаемые в таких опытах осадки называются стабилизированными (конечными). Предполагается также, что скорость нагружения в опыте достаточно мала, в результате чего деформации ползучести скелета грунта, если они имеют место при данном уровне нагружения, в основном успевают проявиться. По этой причине скорость нагружения в таких опытах регламентируется стандартами. Например, в штамповых опытах устанавливается (в общем случае, субъективный) критерий стабилизации осадки 0,01 мм за 2 часа. Анализ стабилизированных графиков испытания основания штампом позволяет выделить следующие фазы напряженно-деформированного состояния грунта: 0 – фаза упругих деформаций; I – фаза уплотнения; II – фаза сдвигов; III – фаза выпора. Кратко охарактеризуем напряженно-деформированное состояние грунта в каждой из выделенных фаз.
Фаза упругих деформацийхарактеризуется уровнем напряжений в скелете грунта, не превышающим прочность структурных связей между минеральными частицами грунта или, что то же самое, структурной прочности грунта. Деформации грунта в этой фазе обратимы и пренебрежимо малы, т. к. обусловлены сжимаемостью минеральных частиц. Уровень напряжений, соответствующий концу этой фазы, называется структурной прочностью грунта Рстр и обычно не превышает 5 – 10 % допустимых на грунт давлений.
Фаза уплотнениясоответствует уровням напряжений в грунте, в диапазоне которых процесс его деформирования удовлетворительно подчиняется закону уплотнения Терцаги. Линейная зависимость между деформациями и напряжениями в этой фазе не является обратимой. При разгрузке штампа из диапазона давлений, соответствующего фазе уплотнения, грунт деформируется по линейной зависимости, не совпадающей с ветвью нагрузки. При полной разгрузке штампа имеет место необратимая (пластическая) осадка, соответствующая нулевым напряжениям по подошве. Повторное нагружение штампа до уровня напряжений, достигнутых перед разгрузкой, происходит по графику, совпадающему с графиком разгрузки. Нагружение выше этого уровня происходит по закону первичной нагрузки. Таким образом, закон уплотнения Терцаги устанавливает линейную зависимость между напряжением и суммой упругой и пластической деформации грунта. Указанная особенность закона уплотнения формулируется как принцип линейной деформируемости:при простом нагружении грунта в фазе его уплотнения сумма упругой и пластической деформаций линейно зависит от действующего напряжения. Коэффициентом пропорциональности в этой линейной зависимости является модуль деформации грунта Е, названный так в отличие от модуля упругости, характеризующего деформацию упругого тела. Модуль упругости грунта Еа определяется по графику разгрузки и является коэффициентом пропорциональности между упругой деформацией грунта и действующим напряжением. Модуль деформации используется в статических расчетах, а модуль упругости – в динамических расчетах грунтовых оснований.
Фаза сдвиговхарактеризует начало образования в грунте зон предельного равновесия. Зоной предельного равновесия в грунте называют геометрическое место точек, в которых не удовлетворяются условия прочности Кулона-Мора. Первоначально эти зоны образуются по краям штампа, где имеет место концентрация напряжений. Разрушение грунта сопровождается большими сдвиговыми деформациями, что нашло отражение в названии рассматриваемой фазы напряженно-деформированного состояния грунта. Уплотнение грунта в этой фазе практически не происходит. Грунт считается несжимаемым, а коэффициент Пуассона в этой фазе близок к 0,5. Давление на грунт, соответствующее началу фазы сдвигов, называют начальным критическим давлением –начРкр.
Фаза выпораявляется следствием развития фазы сдвигов в области грунтового массива, являющегося основанием штампа, с образованием поверхностей скольжения, отделяющих основание штампа от нижележащего грунтового массива. В результате этого осадки штампа происходят без увеличения нагрузки за счет перемещения грунта основания из-под штампа по плоскостям скольжения с выходом на поверхность грунтового массива. При этом вокруг штампа происходит поднятие (выпор) грунта, что нашло отражение в названии этой фазы. Непосредственно под штампом в фазе выпора образуется коническая переуплотненная зона, называемая ядром жесткости. Прочность этой зоны обусловлена боковыми давлениями со стороны окружающего грунта, находящегося в состоянии пластического течения. Как известно, коэффициент бокового давления в грунте в состоянии пластического течения стремится к единице. Таким образом, жесткое ядро находится до исчерпания несущей способности основания в состоянии компрессионного сжатия, близкого к трехосному сжатию, что и определяет его высокую прочность. В зонах пластического течения недоуплотненные грунты получают дополнительное уплотнение, а переуплотненные – разуплотняются. Это явление называется дилатансией. Давление, при котором наступает фаза выпора, называется предельным критическим давлением – пред Ркр.
В соответствии с охарактеризованными выше фазами напряженно-деформированного состояния грунта применяются следующие его расчетные модели, таблица 4.1.
Таблица 4.1
Расчетные модели грунта в соответствии с фазами напряженно-деформированного состояния
| Уровень напряжений Р
| Расчетная модель
| Характеристики модели
| Методы анализа
|
| Р ≤ Рстр
| Упругая среда
| Модуль упругости
| Теория упругости
|
| Рстр < Р <начРкр
| Линейно-деформируемая неупругая среда
| Модуль деформации при нагрузке и модуль упругости при разгрузке
| Теория упругости анизотропной среды
|
| начРкр ≤ Р < предРкр
| Упругопластическая среда
| Функциональная зависимость деформаций от напряжений
| Теория пластичности
|
| Р ≥ предРкр
| Дилатирующая среда
| Модули дилатансии (дилатации и контракции)
| Дилатансионная теория
|
Все темы данного раздела:
МЕХАНИКА ГРУНТОВ
Учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям 27010265 «Промышленное и гражданское строительство» и 27010965 «Теплогазоснабжение и вентиляция
Пьянков, С. А., Азизов З. К.
П 87 Механика грунтов : учебное пособие / С. А. Пьянков, З. К. Азизов ; Ульян. гос. техн. ун-т. – Ульяновск : УлГТУ, 2008. – 97 с.
ISBN 5-89146-700-0
Выписка из ГОС ВПО
ОПД.Ф.07
Механика грунтов:
состав, строение и состояние грунтов; физико-механические свойства грунтов основания; распределение напряжений в грунтовом массиве; расчет о
Образование грунтов (генезис).
Континентальные отложения:
· элювиальные (форма зерен угловатая);
· делювиальные (перемещенные атмосферными водами и силами тяжести, напластования н
Структура, текстура и структурные связи грунта.
Следует различать структуру грунта, т. е. взаимное расположение частиц грунта и характер связи между ними и текстуру грунта, т. е. сложение грунта в массиве.
Под структуро
Состав грунтов.
Грунты состоят из: твердых частиц; воды в различных видах и состояниях (в том числе льда при нулевой или отрицательной температуре грунта); газов (в том числе и воздуха).
Вода и газы наход
Свойства твердых частиц.
Твердая минеральная масса состоит из первичных зерен скелета грунта (обломков горных пород и минералов) и вторичных частиц, служащих цементирующим веществом грунта. С
Свойства воды.
Свойства всех разновидностей грунтов, особенно песчаных, пылеватых и глинистых, самым существенным образом зависят от состава и содержания в них воды. В грунте различают кристаллизационную, или хим
Свойства газа.
Содержание воды и газа в грунте зависит от объема его пор: чем больше поры заполнены водой, тем меньше в них содержится газов. В самых верхних слоях грунта газообразная составляющая представлена ат
Структурно-неустойчивые грунты
Структурно-неустойчивыми называют такие грунты, которые обладают способностью изменять свои структурные свойства под влиянием внешних воздействий с развитием значительных осадок, п
Мерзлые и вечномерзлые грунты.
Грунты всех видов относят к мерзлым грунтам, если они имеют отрицательную температуру и содержат в своем составе лед.
Вечномерзлыми называют грунты, которые находятся в мерзлом состоянии н
Лёссовые грунты.
Лёссовые грунты по своей структуре и составу значительно отличаются от других видов грунтов. У лёссовых грунтов размер пор значительно превышает размер твердых частиц, такие грунты по-другому назыв
Слабые водонасыщенные грунты.
К слабым водонасыщенным грунтам относят илы, ленточные глины и другие виды глинистых грунтов, характерными особенностями которых являются их высокая пористость в природном состоянии, насыщенность в
Торфы и заторфованные грунты.
Торф – это органический грунт, образовавшийся в результате естественного отмирания и неполного разложения болотных остатков. Состав болотных остатков в них – не менее 50%.
Песчаные пылеват
Основные расчетные модели грунтов
Требования к расчетным моделям
Точность прогнозов в механике грунтов в большой степени определяется тем, с какой полнотой в уравнениях состояния отражаются особенности деформирования грунт
Основные характеристики физических свойств грунтов, отбор образцов
Физические свойства грунтов характеризуют их физическое состояние в условиях природного (ненарушенного) залегания.
Исследование свойств грунтов предусматривает получение м
Условия работы грунтов в массиве. Основные законы и свойства, механические характеристики
Механическими называются те свойства грунтов, которые характеризуют их поведение под нагрузкой.
Под действием передаваемых сооружением вертикальных или наклонных сил в массиве основ
Физические представления
Так как грунт состоит из твердых частиц и пор, которые частично или полностью заполнены водой, теоретически при его сжатии должны уменьшаться объемы всех трех компонентов – твердых частиц, воздуха
В полевых условиях с помощью штампов.
Выполняя отбор проб для испытания грунтов, мы нарушаем его структуру и, следовательно, нарушаем его свойства. Поэтому производят полевые испытание грунта штампами: большого и малого диаметра.
Закон сопротивления сдвигу для различных грунтов, характерные зависимости. Угол внутреннего трения и угол естественного откоса, трение и сцепление
Сдвиг – процесс изменения расположения частиц грунта под действием внешних сил.
Грунты в основании сооружений, а также при неодинаковых отметках их поверхности испытывают
Предельное сопротивление грунтов сдвигу есть функция первой степени нормального напряжения.
τ = σ · tgφ + c, (3.6)
где τ – сопротивление сдвигу; σ – нормальное напряжение (давление)
Коэффициент фильтрации
Водопроницаемость связана с уплотнением грунта, так как при уплотнении из грунта в первую очередь извлекается влага.
В строительстве фильтрационные свойс
Влияние подземных вод на строительные свойства грунтов и на фундаменты
На различной глубине от поверхности земли встречаются грунты, пропитанные водой. Эти воды называются грунтовыми, а верхняя поверхность их – уровнем грунтовых вод.
Влияние грунтовых вод на устойчивость и прочность основания
Изменение уровня грунтовых вод после возведения сооружения может резко понизить прочность основания и вызвать серьезные деформации сооружения в следующих случаях:
· при наличии в грунте ле
Агрессивность грунтовых вод
Грунтовые воды, способные разрушать цементные бетоны и растворы, называются агрессивными. Агрессивность их зависит от химического состава растворенных в них солей и кислот. Эти вещества попа
Влияние физических и механических характеристик на строительные свойства грунтов
Характерные свойства грунтов длительное время воспринимать внешние нагрузки при деформациях оснований, не препятствующих нормальной эксплуатации зданий и сооружений, называют их строительными св
Доказательство применимости теории упругости к грунтам (постулаты теории упругости).
1. Деформации пропорциональны напряжениям
Рис. 4.2. За
Определение напряжений в массиве грунта при действии единичной вертикальной силы N, приложенной к границе грунтового основания.
Решение задачи Буссинеска. Основано на следующих гипотезах (впоследствии подтвержденных точными решениями):
а) нормальные напряжения на площадках, касательных к сферическо
Определение напряженийσzпри действии местного равномерно распределенного давления (метод угловых точек).
Если закон распределения давления по поверхности изотропного линейно-деформируемого полупространства известен, то элементарное суммирование можно заменить интегрированием.
Линейные и нелинейные деформации.
В общем случае грунтам свойственна нелинейная деформируемость, причем в пределах фаз I и II, в некотором начальном интервале изменения напряжений она достаточно близка к линейной.
Метод послойного суммирования
В большинстве практических случаев основание сложено по глубине разнородными грунтами, представленными в материалах инженерно-геологических изысканий инженерно-геологическими элементами (ИГЭ). Мето
Порядок расчета
1. Строим расчетную схему.
2. Разбиваем грунтовый массив ниже подошвы фундамента шириной b на элементарные слои, исходя из следующих условий:
· мощность любого элементарног
Допущения при расчете по этому методу
1. Линейная зависимость между напряжениями и деформациями.
2. Осадки рассматриваются, исходя из maxPz – под центром фундамента.
3. Не учитывается, как правило, с
Затухание осадки во времени
Затухание осадки грунтов во времени (их консолидация) является сложным процессом, на который оказывают влияние водопроницаемость, структура, поровое давление, ползучесть скелета грунта, сжимаемость
Реология и нелинейная механика грунтов
Реология как наука, изучающая вопросы течения материалов, имеет три основных направления исследований: медленно развивающихся во времени деформаций – деформаций ползучести; расслабл
Длительная прочность грунта и релаксация напряжений
Если образец грунта подвергать деформациям сдвига, осевого сжатия или растяжения при различных нагрузках, то можно отметить, что чем большая нагрузка приложена к образцу, тем скорее наступает стади
Деформации ползучести грунта при уплотнении
Если деформацию образца водонасыщенного грунта в одометре или осадку слоя грунта без возможности бокового расширения изобразить во времени кривой в полулогарифмической системе координат, то она буд
Вопросы нелинейной механики грунтов
Ранее отмечалось, что близкая к линейной зависимость при небольших давлениях наблюдается в пределах фазы упругих деформаций и фазы уплотнения и местных сдвигов. Если давление по подошве жестких фун
Виды неравномерных осадок сооружений
Причины развития неравномерных осадок в сооружении.
Равномерная осадка сооружений обычно никаких трудностей не вызывает.
(Известны отечественные с
Причины развития неравномерных осадок выпирания
Данные осадки возникают за счет появления зон пластических деформаций оснований и выдавливания грунта в стороны (рис. 5.25).
При давлении Р = R глубина зон п
Причины развития неравномерных осадок разуплотнения
Sразупл. – развивается под действием нагрузки, не превышающей величину природной, т. е. нагрузки, равной весу вынутого грунта при откопке котлована. Эт
Причины развития неравномерных осадок расструктуривания
Наибольшее влияние на развитие общих осадок могут оказать осадки расструктуривания, Sрасстр., вызванные нарушением структуры грунтов основания при отрывке котлованов и устройстве
Причины развития неравномерных осадок в период эксплуатации
1. Уплотнение грунтов после начала эксплуатации Sэкспл. сооружения:
· деформации ползучести грунта и процесс фильтрационной консолидации;
Особенности деформирования различных типов грунтов
Особенности деформирования грунтов по-разному проявляются у различных видов грунтов и существенно зависят от состояния грунта и интенсивности действующих нагрузок.
Монолитные ска
Мероприятия по повышению устойчивости сооружений, откосов и склонов
Первое основное направление – это уменьшение суммарных активных воздействий на сооружение, способных вызвать нарушение их устойчивости.
Примерами таких мероприятий в рассмотренных на рис.
Общие положения.
Ограждающие конструкции предназначены для того, чтобы удерживать от обрушения находящийся за ними грунтовый массив. Характерным примером ограждающей конструкции является подпорная стенка – к
Определение активного давления на вертикальную гладкую стенку при горизонтальной поверхности засыпки.
Рассмотрим простейший случай, когда засыпка представлена идеально сыпучим грунтом (рис. 6.8). Поскольку принято, что стенка имеет абсолютно гладкую грань, т. е. трение грунта о стенку отсутствует (
Учет нагрузки на поверхности засыпки.
При наличии на поверхности сплошной равномерно распределенной нагрузки интенсивностью (рис. 6.9, а) выражение (6
Учет наклона, шероховатости задней грани стенки и наклона поверхности засыпки.
Этот случай является общим. Рассмотрим предельное равновесие призмы обрушения ОАВ согласно расчетной схеме, представленной на рис. 6.9, а. Здесь
Определение активного давления при ломаной форме грани стенки и неоднородных грунтах засыпки.
В этом случае стенка и грунты засыпки разделяются по горизонтали на отдельные участки, в пределах которых угол наклона стенки и физико-механические характеристики грунтов (
Определение пассивного давления.
Как указывалось выше, пассивное давление возникает при перемещении стенки в сторону грунта засыпки. Характерный пример такого случая показан на рис. 6.12, а. Под действием активного давления справа
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Механика грунтов – научная дисциплина, изучающая напряженно-деформированное состояние грунтов, условия их прочности, давление на ограждения, устойчивость грунтовых массивов и др. В механике грунтов
Новости и инфо для студентов