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 грунтов. При этом в практике проектирования для конкретных случаев используются расчетные модели грунта разной сложности.

Для широкого круга задач строительства оказалось возможным выделить те, где основной является оценка несущей способности (прочности и устойчивости) грунтов. Напротив, в других задачах наиболее важным будет прогноз деформаций основания и сооружения. Наконец, в некоторых задачах необходимы и оценка несущей способности, и прогноз деформаций грунтов. Однако эти расчеты можно проводить раздельно, что позволило распространить на расчеты оснований общие принципы расчетов по предельным состояниям:

· расчет по несущей способности (потеря устойчивости; хрупкое, вязкое или иного характера разрушения грунта; чрезмерные пластические деформации или деформации неустановившейся ползучести);

· расчет по деформациям (достижение состояния, затрудняющего нормальную эксплуатацию сооружения или снижающего его долговечность вследствие недопустимых перемещений – осадок, разности осадок, кренов и т. п.).

Существо расчетов по первой группе предельных состояний заключается в том, что расчетная нагрузка на основание не должна превышать силу предельного сопротивления грунтов основания. По второй группе предельных состояний совместная деформация сооружения и основания не должна превышать предельной для конструктивной схемы данного сооружения.

Такой подход обусловил возможность использования наиболее простых расчетных моделей грунтов: для расчетов конечных напряжений и стабилизированных осадок – теории линейного деформирования грунта; для расчетов развития осадок во времени – теории фильтрационной консолидации грунта; для расчетов несущей
способности, прочности, устойчивости и давления грунта на ограждения – теория предельного напряженного состояния грунта.

 

Модель теории линейного деформирования грунта

Применимость этой модели к грунтам была впервые обоснована трудами Н. П. Пузыревского, К. Терцаги, Н. М. Герсеванова, В. А. Флорина, Н. А. Цытовича. Эта модель наиболее распространена в инженерной практике благодаря своей простоте и возможности использования хорошо разработанного математического аппарата теории упругости для описания напряженно-деформированного состояния грунтов.

Теория линейного деформирования грунта базируется на предположении, что при однократном нагружении (или разгрузке) зависимость между напряжениями и деформациями в грунтах линейна. Кроме того, при нагружении рассматривается лишь общая деформация грунта без разделения ее на упругую и пластическую составляющие. Первое допущение обеспечивает возможность использования для расчетов напряжений в массиве грунта аппарата теории упругости, а второе – при известных напряжениях рассчитывать конечные деформации основания. Использование теории линейного деформирования грунта всегда требует установления предела ее применимости.

Уравнения состояния модели теории линейного деформирования записываются в виде обобщенного закона Гука:

; ;

; ;

; .

 

где  – модуль общей линейной деформации;  – коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона); Ɛ_x, Ɛ_y, Ɛ_z– относительные деформации при действии напряжений по трем осям σ_x, σ_y, σ_z; τ_xy, τ_yz, τ_zx – пары касательных напряжений, действующих по взаимно перпендикулярным площадкам; γ_xy, γ_yz, γ_zx – углы сдвига или угловые деформации в соответствующих координатных плоскостях.

Теорию линейного деформирования иногда называют теорией упругости грунтов. Формально это справедливо, так как она использует математический аппарат теории упругости. Однако нужно иметь в виду, что это сходство чисто формальное, так как теория линейного деформирования рассматривает общие деформации, не разделяя их на упругие и пластические. Кроме того, нагружение и разгрузка грунта в теории линейного деформирования происходят по разным законам и описываются различными по величине характеристиками деформируемости грунта.

 

Модель теории фильтрационной консолидации

В наиболее простой постановке теория описывает деформирование во времени полностью водонасыщенного грунта (грунтовой массы). Принимается, что полное напряжение, возникающее в элементе грунта от приложенной нагрузки, разделяется на напряжения в скелете грунта (эффективные напряжения) и давление в поровой воде (поровое давление).

В различных точках массива грунта под действием нагрузки возникают разные значения порового давления. Вследствие этого образуется разность напоров в поровой воде и происходит ее отжатие в менее нагруженные области массива. Одновременно под действием эффективных напряжений происходят перекомпоновка частиц и уплотнение грунта.

Математическое описание этого процесса базируется на основной предпосылке о неразрывности среды, сформулированной академиком Н. Н. Павловским еще в 1922 г., т. е. считается, что уменьшение пористости грунта (его уплотнение) пропорционально расходу воды (оттоку воды из пор грунта). Следствием этого является важное положение о том, что скорость деформации грунта будет находиться в прямой зависимости от скорости фильтрации в нем поровой воды. Поэтому основной характеристикой грунта, определяющей время протекания процесса фильтрационной консолидации, является коэффициент фильтрации. В теории фильтрационной консолидации скелет грунта принимается линейно деформируемым.

Следует отметить, что в инженерной практике используются и более сложные модели теории консолидации, учитывающие трехкомпонентный состав грунта, сжимаемость поровой воды, ползучесть скелета и другие процессы, возникающие в грунте при его деформациях. Такие модели описаны в трудах Н. М. Герсеванова, В. А. Флорина, М. А. Био, Ю. К. Зарецкого, З. Г. Тер-Мартиросяна и других ученых.

 

Модель теории предельного напряженного состояния грунта

Данная модель относится только к предельному состоянию, т. е. к такому напряженному состоянию, когда в массиве грунта от действующих нагрузок сформировались значительные по размерам замкнутые области, в каждой точке которых устанавливается состояние предельного равновесия. Потому теорию предельного напряженного состояния часто называют теорией предельного равновесия грунта.

Теория предельного равновесия грунта позволяет определить предельную нагрузку на основание (его предельная несущая способность), но при этом невозможно определить деформации грунта. Решения теории предельного равновесия используются также для
общих расчетов устойчивости сооружений и оснований, откосов и склонов, определения давления грунта на ограждения. В основе современных решений теории предельного равновесия лежат фундаментальные работы В. В. Соколовского.

 

Теории нелинейного деформирования грунтов

Теории нелинейного деформирования грунтов применяются для расчетов напряженно-деформированного состояния и оценки прочности оснований и грунтовых сооружений, когда связь между напряжениями и деформациями существенно нелинейна, поэтому они часто называются теориями пластичности грунтов.

Значительное распространение в инженерной практике получила деформационная теория пластичности, основанная на теории малых упругопластических деформаций академика А. А. Ильюшина. В наиболее простом виде эта теория исходит из допущения, что объемная и сдвиговая деформации зависят только соответственно от среднего нормального напряжения и интенсивности касательных напряжений, т. е. ; . Однако деформационная теория пластичности не учитывает некоторые процессы, происходящие в грунте. Более точные решения можно получить с помощью теории пластического течения. Однако это приводит к усложнению экспериментов для определения параметров уравнения состояния и расчетного аппарата анализа. Теорию пластического течения применяют при решении сложных задач гидротехнического строительства.

Различные модификации теорий нелинейного деформирования грунтов представлены в работах Ю.К. Зарецкого, А.Л. Гольдина, С.С. Вялова, А.Л. Крыжановского, В.Г. Федоровского, В.И. Соломина, В.Г. Николаевского и др.

Вопросы для самоконтроля:

1. Механика грунтов (основные понятия, определения, этапы становления механики грунтов).

2. Состав грунтов.

3. Форма, размеры, взаимное расположение и структурные связи частиц грунта.

4. Основная классификация грунтов.

5. Структурно-неустойчивые грунты.

6. Основные расчетные модели грунтов.

Тест к разделу 1

 

1. Основание – это:

а) часть грунта, расположенная непосредственно под фундаментом;

б) рыхлые горные породы каменной оболочки Земли;

в) область грунта, воспринимающая давление от сооружения;

г) подземная часть сооружения.

2. Слой грунта, на который непосредственно опирается подошва фундамента, называется:

а) слабый;

б) надежный;

в) несущий;

г) подстилающий.

3. Фундамент – это:

а) часть сооружения, предназначенная для опирания несущих стен;

б) подземная часть сооружения, предназначенная для передачи нагрузки от сооружения грунту;

в) подземная конструкция, предназначенная для создания подвального помещения здания;

г) любая конструкция, расположенная ниже спланированной поверхности земли.

4. Автором первой фундаментальной работы по механике грунтов считается:

а) Кулон (Франция, 1773);

б) Винклер (Франция, 1867);

в) Дарси (Франция, 1856);

г) Буссинеск (Франция, 1885).

5. Структура грунта может быть:

а) слоистая, сотообразная, однородная;

б) порфировидная, зернистая, хлопьевидная;

в) слитная, зернистая, слоистая;

г) зернистая, сотообразная, хлопьевидная;

д) слоистая, порфировидная, слитная.

6. Текстура грунта может быть:

а) слоистая, сотообразная, однородная;

б) порфировидная, зернистая, хлопьевидная;

в) слитная, зернистая, слоистая;

г) зернистая, сотообразная, хлопьевидная;

д) слоистая, порфировидная, слитная.

7. Поперечный размер глинистых твердых частиц составляет:

а) 10 мм;

б) 0,05 мм;

в) 0,05  2 мм;

г) < 0,005 мм;

д) 0,05  1мм.

8. Поперечный размер песчаных твердых частиц составляет:

а) 10 мм;

б) 0,05 мм;

в) 0,05  2 мм;

г) < 0,005 мм;

д) 0,05  1мм.

9. Виды воды, содержащейся в грунте:

а) защемленная, физически связанная, пленочная;

б) свободная, незащемленная, химически связанная;

в) химически связанная, физически связанная, свободная;

г) кристаллизационная, физически связанная, гравитационная.

10. Газовая составляющая грунта может быть представлена:

а) свободным газом в порах, газом, растворенным в воде;

б) атмосферным воздухом;

в) физически связанным газом, поровым пространством;

г) водяным паром, инертными газами.

11. Скальный грунт – это:

а) техногенные грунт, перемещение и укладка которого осуществляются с помощью средств гидромеханизации;

б) техногенный грунт, перемещение и укладка которого осуществляются с использованием транспортных средств, взрыва;

в) грунт, состоящий из одного или нескольких минералов, имеющих жесткие структурные связи цементационного типа;

г) грунт, состоящий из отдельных минеральных частиц (зерен) разного размера, слабосвязанных друг с другом;

д) грунт, состоящий из кристаллитов одного или нескольких минералов, имеющих жесткие структурные связи кристаллизационного типа.

12. Дисперсный грунт – это:

а) техногенные грунт, перемещение и укладка которого осуществляются с помощью средств гидромеханизации;

б) техногенный грунт, перемещение и укладка которого осуществляются с использованием транспортных средств, взрыва;

в) грунт, состоящий из одного или нескольких минералов, имеющих жесткие структурные связи цементационного типа;

г) грунт, состоящий из отдельных минеральных частиц (зерен) разного размера, слабосвязанных друг с другом;

д) грунт, состоящий из кристаллитов одного или нескольких минералов, имеющих жесткие структурные связи кристаллизационного типа.

13. Полускальный грунт – это:

а) техногенные грунт, перемещение и укладка которого осуществляются с помощью средств гидромеханизации;

б) техногенный грунт, перемещение и укладка которого осуществляются с использованием транспортных средств, взрыва;

в) грунт, состоящий из одного или нескольких минералов, имеющих жесткие структурные связи цементационного типа;

г) грунт, состоящий из отдельных минеральных частиц (зерен) разного размера, слабосвязанных друг с другом;

д) грунт, состоящий из кристаллитов одного или нескольких минералов, имеющих жесткие структурные связи кристаллизационного типа.

14. Насыпной грунт – это:

а) техногенный грунт, перемещение и укладка которого осуществляются с помощью средств гидромеханизации;

б) техногенный грунт, перемещение и укладка которого осуществляются с использованием транспортных средств, взрыва;

в) грунт, состоящий из одного или нескольких минералов, имеющих жесткие структурные связи цементационного типа;

г) грунт, состоящий из отдельных минеральных частиц (зерен) разного размера, слабосвязанных друг с другом;

д) грунт, состоящий из кристаллитов одного или нескольких минералов, имеющих жесткие структурные связи кристаллизационного типа.

15. Структурно-неустойчивые грунты – это:

а) грунты, способные изменять свои структурные свойства под влиянием внешних воздействий;

б) грунты с различными структурными связями, образованные в результате деятельности человека;

в) грунты с криогенными структурными связями;

г) естественные грунты, измененные и перемещенные в результате производственной деятельности человека.

16. Общие деформации грунта рассматривает:

а) теория фильтрационной консолидации;

б) теория линейного деформирования грунта;

в) теория предельного напряженного состояния грунта;

г) теория нелинейного деформирования грунтов.

17. Разделение напряжений, возникающих в грунте, на напряжения в скелете грунта и поровое давление характерно для:

а) теории фильтрационной консолидации;

б) теории линейного деформирования грунта;

в) теории предельного напряженного состояния грунта;

г) теории нелинейного деформирования грунтов.

18. Для общих расчетов устойчивости оснований, откосов и склонов, определения давление грунта на ограждения используется:

а) модельтеории фильтрационной консолидации;

б) модельтеории линейного деформирования грунта;

в) модельтеории предельного напряженного состояния грунта;

г) модельтеории нелинейного деформирования грунтов.

 

Перечень рекомендуемой литературы и Интернет-ресурсов

 

Основная литература

1. Далматов, Б. И. Механика грунтов, основания и фундаменты включая специальный курс инженерной геологии: учебное пособие для вузов / Б.И. Далматов. – М.: Лань, 2017.

2. Малышев, М. В. Механика грунтов. Основания и фундаменты (в вопросах и ответах): учебное пособие / М. В. Малышев, Г. Г. Болдырев. – М.: Издательство АСВ, 2015.

3. Цытович, Н. А. Механика грунтов / Н. А. Цытович. – М.: Ленанд, 2014.

 

Дополнительная литература

 

1. Швецов, Г. И. Инженерная геология, механика грунтов, основания и фундаменты / Г. И Швецов. – М.: Высшая школа, 2010.

2. Мангушев, Р.А. Механика грунтов/ Р.А. Мангушев, В.Д. Карлов, И.И. Сахаров – М.: Издательство АСВ, 2015

3. Ухов, С.Б. Механика грунтов, основания и фундаменты /
С.Б. Ухов, В.В. Семенов, В.В. Знаменский, З.Г. Тер-Мартиросян, С.Н. Чернышев. – М.: Высшая школа, 2010.

4. СП 22.13330.2011  «Основания зданий и сооружений». Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*. –М.: Минрегион России, 2011.

5. ГОСТ 25100-2011. Грунты. Классификация. – М., 2012.

 

Интернет-ресурсы

 

1. http://www.geoteck.ru – ООО «Геотек» Геотехническая продукция, учебные курсы, проектирование, публикации.

2. http://www.know-house.ru – Информационная система по строительству.

3. http://www.gpntb.ru – Государственная публичная научно-техническая библиотека России.

4. http://www.docinfo.ru – «Медиа Сервис» информационное агентство, документация, электронные сборники.

5. https://www.ofmg.ru – Журнал «Основания, фундаменты и механика грунтов».

6. http://www.sciteclibrary.ru – Научно-техническая библиотека.