ВИДИ ДЕФОРМАЦІЙ ГРУНТІВ І ПРИЧИНИ, ЇЇ ОБумовлюють
Визначення деформацій грунтів під впливом зовнішніх сил має значення для практики проектування фундаментів споруд.
Факторами, що визначають довговічність споруд, власне кажучи, є не напруги в ґрунті (якщо вони не досягають граничних величин), а деформації основ, їх опади, під якими розуміють зазвичай вертикальні зміщення грунтових основ. Однак рівномірна осідання всієї споруди не викликає додаткових напруг у його конструкціях, але різниця осадів окремих частин основи Особливо позначається на міцності фундаментів і над фундаментними будовами. Оскільки різниця осад основ, як показують відповідні спостереження в натурі, зазвичай, буває тим більше, що більше абсолютна осаду основ, важливо знати як величину абсолютної опади, і різниці осад окремих частин споруд.
За останні десятиліття на базі розвитку теорії розрахунку осад грунтових основ (головним чином вітчизняними вченими) і статистичної обробки результатів численних вимірів осад і різниці осад різного роду споруд нд різних напластування грунтів виявилося можливим розробити найбільш прогресивний метод розрахунку фундаментів за граничними деформаціями підстав, який при повній гарантії безпеки дає в. значний економічний ефект.
Цей метод, що на даний час широко застосовується у вітчизняній проектній практиці, базується на обов'язковому дотриманні таких основних умов:
Зр =S^ SnpJ I ASpac4 Sj ASnp,'
аналізу результатів численних спостережень за опадами основ споруд та регламентованих відповідними нормами СНіПу.
Ґрунти, як було розглянуто раніше (див. гл. II, § 4), є складнимибагатофазними системами частинок, деформації яких залежать як від загальної зміни їх обсягу (ущільнення, набухання та ін.), так і від деформованості всіх компонентів (фаз), складових ґрунти (повзучості скелета, стисливості порової води, а також включень парів та газів тощо) .), та їх взаємодії.
Різні види деформацій ґрунтів та причини, що їх викликають, систематизовані нами в табл. 24.
Таблиця 24 Найголовніші фізичні причини деформацій ґрунтів
Вид деформацій Причини деформацій
зміни об'єму Молекулярні сили пружності твердих частинок,
а також тонких плівок води та замкнутих бульбашок повітря
Спотворення форми Молекулярні сили пружності, спотворення струк
Зменшення пористості (компресійні свій
набухання Розклинювальний ефект як результат дії
електромолекулярних сил повзучості Взаємні зрушення частинок
чисто залишкові руйнування структури, злам частинок
На практиці в одних випадках мають першорядне значення пружні деформації, наприклад при динамічних навантаженнях (включаючи і сейсмічні впливи) і при розрахунку гнучких фундаментів на спільну роботу їх зі стиснутою основою, в інших – непружні (ущільнення та набухання) при розрахунку, головним чином, масивних фундаментів за граничними деформаціями основ (для визначення величини повного осідання ґрунтових основ і загасання осад у часі), а іноді чисто залишкові (при утворенні колій на вдосконалених ґрунтових покриттях і дорогах) тощо.
§ 2. ПРУГІ ДЕФОРМАЦІЇ ГРУНТІВ І МЕТОДИ ВИЗНАЧЕННЯ
Умови виникнення пружних деформацій у ґрунтах. Хоча пружність w є загальною властивістю всіх тіл природи, але ґрунти, що являють собою складні дисперсніприродні образи
для вертикальних переміщень точок, що лежать на площині, що обмежує напівпростір (z=0) при дії на напівпростір зосередженої сили Р [див. гол. Ill, § 1, формула (III.3)]:
декоефіцієнт пружного напівпростору
Відзначимо, що якщо розглядається лінійно деформований напівпростір, то модуль пружності грунту Е слід замінити на модуль загальної деформації (пружної та залишкової) Е0, а коефіцієнт Пуассона у - коефіцієнт загальної відносної поперечної деформації ц0.
При дії на обмежуючу пружний напівпростір площину місцевої рівномірно розподіленої по майданчику F навантаження р осадки будь-якої точки визначаться шляхом інтегрування виразу для вертикальних переміщень точки пружного напівпростору від дії елементарної зосередженої сили pd^dr\ (рис. 89),
Позначивши координати точки, що розглядається через хну і використовуючи формулу (Ш.З), отримаємо
ми площі підошви і розташування розглянутої точки (легко табульований).
Вираз (V:3) показує, що опади однорідного пружного (або лінійно деформованого) напівпростору прямо пропорційні (з'/С - коефіцієнт пропорційності) питомому тиску на грунт р і кореню квадратному з площі F.
Важливо відзначити, що досліди в натурі з вивчення осад ґрунтових основ для площ від 0,5 до 15 м 2 на однорідному водонасиченому замуленому піску потужністю близько 12 м (досліди X-Р. Хакімова, 1939 і ін.), а також досліди «Фундаментбуду» (Д. Є. Польшина та ін.) на лесоподібних однорідних суглинках з площами від 0,25 до 8 м 2 у межах лінійного зв'язку між тиском та осадкою дають таку емпіричну залежність:
Таким чином, теоретична формула (V.3) призовнішньому тиску, що не перевищує практичної межі пропорційності, для ґрунтів, однорідних на достатню глибину, у загальному вигляді повністю підтверджується дослідами (хоча коефіцієнт пропорційності А в деяких випадках дещо відрізняється від теоретичного ш'/С).
Однак залежність опади від величини площі завантаження, як показують досліди в природних умовах, при великому діапазоні змін площ виражається більш складною залежністю.
Так, на рис. 90 наведена узагальнена крива середніх результатів численних дослідів з вивчення осад грунтових основ (приблизно середньої їх ущільненості) при тому самому тиску на грунт, але при різній величині площі завантаження. На цій кривій можна розрізняти три області: область / — малих площ завантаження (приблизно до 0,25 л*?), де при середніх тисках ґрунти знаходяться переважно у фазі зрушень, причому спостерігається зменшення опади е збільшенням площі (якраз протилежне тому, що дає теорія пружності для фази лі- нійних деформацій); область II-при площах від 0,25-^0,50 до 25-1-50 м 2 (для однорідних ґрунтів середньої щільності, а для слабких ґрунтовки до великих величин), де опади суворо пропорційні V F і відповідають при середніх тисках на ґрунт фазі ущільнення,т. е. вельми близькі до теоретичних, область III - для площ, великих 25-1-50 м 2 , де опади менше теоретичних, що можна пояснити зростанням модуля пружності (зменшенням деформованості) грунтів з глибиною. Звичайно, для дуже
Мал. 90. Залежність осідання природних ґрунтів від розмірів площі завантаження
пухких і дуже щільних ґрунтів зазначені межі будуть дещо іншими.
Наведені дані можуть служити для встановлення меж застосовності теоретичнихрішень, отриманих для однорідних масивів, до реальних ґрунтів, що має особливо важливе значення при розробці раціональних методів розрахунку осад основ споруд.
Основній залежності опади від величини площі завантаження та діючого зовнішнього тиску (формула (V.3)] для зручності подальшого використання надамо інший вигляд (що став у даний час вже загальноприйнятим), ввівши відношення довжини до ширини сторін прямокутної площі завантаження а - 1/Ь_( отже, l — ab і F = ab 2 ) і позначивши через зі величину со а:
в-ширина прямокутної площі підошви або діаметр
круглий; р - питомий тиск на ґрунт;
Е, ц - модулі пружності (деформованості) напівпростору.
Зазначимо, що формула (V.4) використовується зазвичай і для дослідного визначення за результатами польового пробного навантаження (майданчиком 5000 см 2 ) модуля загальної деформації ґрунту Е0 кг/см 2 .
Надавши позначенням для модулів загальної деформованості букву «о» в індексі, з формули (V.4) отримаємо
де а0 - коефіцієнт відносної стисливості ґрунту;
Р - коефіцієнт, що характеризує бічне розширення ґрунту (функція р0).
Коефіцієнт р визначимо виходячи з наступного. Як відомо з курсу опору матеріалів, відносна деформація ez лінійно деформованої елементарної призми при дії стискаючих напруг за трьома взаємно перпендикулярними напрямками дорівнюватиме
Оскільки в умовах неможливості бічного розширення грунту при суцільному навантаженні
Множник, що стоїть у дужках, зазвичай позначають р, тобто.
Оскільки за формулою (П.5') а0 =, то з виразу (н2) отримаємо формулу (П.З?'):
Деформації пружного напівпростору при дії місцевого навантаження виникають не тільки безпосередньо під навантаженнямїї підошві), але поширюються в сторони на значні від неї відстані, утворюючи «пружну лунку» (рис. 89). Досліди, однак, показують, що в реальних ґрунтових умовах «пружна лунка» під навантаженням має значно менше поширення, ніж у вирішенні теорії пружного напівпростору. Останнє, мабуть, слід пояснити тим, що в роботу ґрунту під навантаженням включається практично далеко не весь масив ґрунту (напівпростір), а лише обмежена його область.
Викладене положення, а також у ряді випадків практики фактичне неглибоке залягання скельних порід, що не стискаються, спонукало ставити і вирішувати задачу 1 про напруги і деформації пружного шару обмеженої товщини, що підстилається недеформованим скельною основою. Вирішенню цього завдання присвячено ряд робіт як вітчизняних вчених (М. І. Горбунова-Посадова, О. Я. Шехтер, К. К. Єгорова та ін.), Так і зарубіжних (Маргера, Совінця та ін.).
. М. І. Горбунов-Посадов отримав рішення розглянутої задачі методом наближеного інтегрування загального рівняння деформацій та визначення значень ряду коефіцієнтів мть, середніх для всієї площі завантаження при різній глибині шару стисливого ґрунту h, вираженої в частках від ширини навантаження Ь