Модуль деформации грунта физический смысл – Тема 15. Виды деформаций грунтов и физические причины, их обуславливающие. Осадки слоя грунта при сплошной нагрузки (основная задача).

2.4. Определение модуля деформации грунта

Одной из важнейших характеристик грунта является модуль общей деформации, который используется для расчета осадок зданий и сооружений. Модуль деформации можно определить по данным компрессионных испытаний, испытанием штампа статической нагрузкой в полевых условиях, с помощью прессиометров и по данным физических характеристик грунта.

Определение модуля деформации по данным компрессионных испытаний. Относительные вертикальные деформации определяются по формуле

(2.21)

или

. (2.22)

Приравнивая правые части этих равенств и учитывая, что

,

получаем

. (2.23)

Если обозначить , то

или . (2.24)

Следует отметить, что модуль деформации, определенный по данным компрессионных испытаний, часто значительно отличается от действительного, т.к. извлечение грунта из глубины для компрессионных испытаний приводит к изменению его напряженного состояния.

Определение модуля деформации по данным испытания грунта статической нагрузкой в шурфе или скважине.Наиболее точные значения модуля деформации можно получить по данным испытания штампа размером более 5000 см2в полевых условиях (рис.2.13).

Рис.2.13. Испытания грунта статической нагрузкой в шурфе:

а – схема установки;

б – зависимость осадки от нагрузки;

1 – шурф;

2 – жесткий штамп;

3 – платформа;

4 – нагрузка

а б

Модуль общей деформации определяется по формуле

, (2.25)

где w – коэффициент, принимаемый для круглых жестких штампов равным 0,8; d – диаметр штампа; Р – приращение нагрузки; S – приращение осадки штампа при изменении давления на P.

Формула (2.25) применима в пределах линейной зависимости графика “осадка - нагрузка”.

Определение модуля общей деформации по результатам испытания сваи-штампа с учетом изменения свойств грунтов в результате забивки свай.

Для кустов свай

, (2.26)

где P – нагрузка на сваю-штамп, кН; S – осадка сваи-штампа при этой нагрузке, см; l – длина сваи, см; w0 – безразмерный коэффициент, табулированный в зависимости от отношения сторон куста сваи, коэффициента бокового расширения грунта 0, приведенной ширины куста, приведенной границы активной зоны (см.А.А.Бартоломей и др. "Прогноз осадок свайных фундаментов". М.: Стройиздат, 1994).

Для ленточных свайных фундаментов

, (2.27)

где 0 – безразмерная величина, табулированная с учетом закономерностей передачи нагрузки по боковой поверхности и в плоскости острия, коэффициента бокового расширения грунта 0, приведенной ширины свайного фундамента и приведенной глубины расположения границы активной зоны (принимается по таблицам вышеуказанной монографии).

Модуль общей деформации можно определить и другими методами:

а) по данным испытания грунтов в приборах трехосного сжатия (стабилометре):

, (2.28)

где 1 – приращение осевого давления; z – приращение вертикальных деформаций;

б) по данным прессиометрических испытаний. В пробуренную скважину опускается резиновый цилиндр (рис.2.14), заполненный жидкостью. По мере увеличения давления в цилиндре увеличивается и его диаметр. По отношению P/d и соответствующим формулам определяется общий модуль деформации;

Рис.2.14. Испытания грунта в скважине с помощью прессиометра:

1 – прессиометр;

2 – резиновая оболочка

в) по данным таблиц СНиП в зависимости от физических характеристик грунта (табл. I.1, I.3 приложения I).

2.4. Определение модуля деформации грунта

Одной из важнейших характеристик грунта является модуль общей деформации, который используется для расчета осадок зданий и сооружений. Модуль деформации можно определить по данным компрессионных испытаний, испытанием штампа статической нагрузкой в полевых условиях, с помощью прессиометров и по данным физических характеристик грунта.

Определение модуля деформации по данным компрессионных испытаний. Относительные вертикальные деформации определяются по формуле

(2.21)

или

. (2.22)

Приравнивая правые части этих равенств и учитывая, что

,

получаем

. (2.23)

Если обозначить , то

или . (2.24)

Следует отметить, что модуль деформации, определенный по данным компрессионных испытаний, часто значительно отличается от действительного, т.к. извлечение грунта из глубины для компрессионных испытаний приводит к изменению его напряженного состояния.

Определение модуля деформации по данным испытания грунта статической нагрузкой в шурфе или скважине.Наиболее точные значения модуля деформации можно получить по данным испытания штампа размером более 5000 см2в полевых условиях (рис.2.13).

Рис.2.13. Испытания грунта статической нагрузкой в шурфе:

а – схема установки;

б – зависимость осадки от нагрузки;

1 – шурф;

2 – жесткий штамп;

3 – платформа;

4 – нагрузка

а б

Модуль общей деформации определяется по формуле

, (2.25)

где w – коэффициент, принимаемый для круглых жестких штампов равным 0,8; d – диаметр штампа; Р – приращение нагрузки; S – приращение осадки штампа при изменении давления на P.

Формула (2.25) применима в пределах линейной зависимости графика “осадка - нагрузка”.

Определение модуля общей деформации по результатам испытания сваи-штампа с учетом изменения свойств грунтов в результате забивки свай.

Для кустов свай

, (2.26)

где P – нагрузка на сваю-штамп, кН; S – осадка сваи-штампа при этой нагрузке, см; l – длина сваи, см; w0 – безразмерный коэффициент, табулированный в зависимости от отношения сторон куста сваи, коэффициента бокового расширения грунта 0, приведенной ширины куста, приведенной границы активной зоны (см.А.А.Бартоломей и др. "Прогноз осадок свайных фундаментов". М.: Стройиздат, 1994).

Для ленточных свайных фундаментов

, (2.27)

где 0 – безразмерная величина, табулированная с учетом закономерностей передачи нагрузки по боковой поверхности и в плоскости острия, коэффициента бокового расширения грунта 0, приведенной ширины свайного фундамента и приведенной глубины расположения границы активной зоны (принимается по таблицам вышеуказанной монографии).

Модуль общей деформации можно определить и другими методами:

а) по данным испытания грунтов в приборах трехосного сжатия (стабилометре):

, (2.28)

где 1 – приращение осевого давления; z – приращение вертикальных деформаций;

б) по данным прессиометрических испытаний. В пробуренную скважину опускается резиновый цилиндр (рис.2.14), заполненный жидкостью. По мере увеличения давления в цилиндре увеличивается и его диаметр. По отношению P/d и соответствующим формулам определяется общий модуль деформации;

Рис.2.14. Испытания грунта в скважине с помощью прессиометра:

1 – прессиометр;

2 – резиновая оболочка

в) по данным таблиц СНиП в зависимости от физических характеристик грунта (табл. I.1, I.3 приложения I).

5. Общие положения о деформациях в грунте. Модуль деформации грунтов. Определение модуля деформации грунта.

6. Сопротивление сдвигу неконсолидированных и консолидированных грунтов. Сопротивление грунтов при трехосном сжатии.

Рис.2.23. Кривые предельных сопротивлений сдвигу связных глинистых грунтов в условиях закрытой системы (неконсолидированно-недренированных): а) зависи­мость сопротивления сдвигу от влажности; б) кривые сдвига при быстром срезе

Для неконсолидированного состояния полностью водонасыщенных связных грунтов, когда полного уплотнения от данной нагрузки еще не дос­тигнуто, часть сопротивления сдвигу грунта, зависящая от величины нор­мального давления, будет меньше, так как на скелет грунта передается лишь эффективное давление σ, равное разности между полным давлением σ и нейтральным и. В данном случае значение сопротивления сдвигу полностью водонасыщенного связного грунта при незавершенной консолидации будет промежуточным между сопротивлением сдвигу, соответствующим началь­ной влажности грунта, и сопротивлением, соответствующим стабилизиро­ванному его состоянию:

τпред = tgφ(σ-и) или τпред = tgφσ+с

где и - нейтральное (поровое) давление, соответствующее данной степени консолидации; с - эффективное сцепление.

Н.Н.Масловым был предложен метод учета неполной консолидации пылевато-глинистых грунтов, который сводится к испытанию образцов грун­та на неконсолидированный сдвиг через различные промежутки времени после приложения давлений одной и той же интенсивности. После сдвига из области среза берут пробы грунта для определения его влажности. По этим манным можно построить график зависимости предельного сопротивления грунта сдвигу от влажности. Серия таких испытаний при различных давле­ниях Рn дает возможность построить графики кривых предельного сопротивления сдвигу как функции влажности (рис.2.24,а). Пользуясь этими данными, можно построить график зависимости предельного сопротивления сдвигу от давления для любой влажности (рис.2.24,б), а по полученным характеристикам - график зависимости удельного сцепления и угла внутреннего трения от влажности (рис.2.25).

Сопротивление грунтов сдвигу при трехосном сжатии

Испытания грунта на трехосное сжатие обычно проводят в стабилометрах (рис. 2.12, а), где цилиндрический образец грунта 1, заключенный в резиновую оболочку 2, предварительно подвергают всестороннему сжатию с интенсивностью рз путем повышения давления в жидкости 3, заполняющей полость прибора. Затем через шток 4 к поршню 5 прикладывают вертикальную нагрузку F, создавая на грунт давление р1 (после суммирования с рз). Давления p1 и р3 вызывают в образце главные напряжения σ1 и σ3. Увеличивая σ1 можно достигнуть разрушения образца либо в виде сдвига по наклонной поверхности, либо в виде существенного расширения в стороны в результате уменьшения высоты.

Рис. 2.13. Круги Мора, построенные по результатам испытания образцов грунта на сжатие в стабилометре

Зная главные напряжения в момент разрушения образца, строят круг напряжений Мора (рис. 2.13). Проводя несколько таких испытаний при различных значениях σ3, находят огибающую кругов Мора. На участке напряжений σ1 возникающих в основаниях сооружений, огибающую можно принять в виде касательной прямой, как при испытании грунтов на прямой сдвиг. Эта прямая для связных грунтов пересекается с осью σ левее начала координат и отсекает на ней отрезок ре.

Тема 15. Виды деформаций грунтов и физические причины, их обуславливающие. Осадки слоя грунта при сплошной нагрузки (основная задача).

Виды деформаций грунтов и физические причины, их обуславливающие.

В результате строительства сооружения, даже если прочность грунта обеспечена, возникают деформации основания. Как правило, они имеют неравномерный характер и вызывают перераспределение усилий в конструкциях сооружения. При определенных условиях это может затруднить нормальную эксплуатацию сооружения, а в некоторых случаях даже привести к его аварии.

Количественное прогнозирование деформаций системы «сооружение – основание» представляет собой одну из наиболее сложных задач механики грунтов.

Первая стадия строительства всегда заключается в отрытии котлована под сооружение. При этом происходит разгрузка грунта ниже поверхности дна котлована на величину γd, где γ – удельный вес грунта, d – глубина котлована, и в соответствии с этим подъем дна котлована. Естественно, что чем глубже котлован, тем интенсивнее проявляется разгрузка грунта, причем величина подъема дна будет неравномерной по ширине котлована – наименьшей вблизи подошвы откоса и наибольшей в среднем сечении. Выберем некоторое сечение и обозначим величину подъема через r (риc. 7.1, а).

Следующую стадию строительства – возведение сооружения – можно условно разделить на два этапа: первый – когда нагрузка от строящегося сооружения достигает величины γd, соответствующей весу извлеченного грунта, и второй – когда после завершения строительства нагрузка возрастет еще на величину p–γd, где р – среднее напряжение под подошвой построенного сооружения.

Рис. 7.1 – Этапы строительства и эксплуатации сооружения, соответствующие им нагрузки и деформации основания

На первом этапе увеличение нагрузки вызовет осадку основания в рас­сматриваемом сечении на величину s1 от положения дна котлована, определенного его подъемом (рис. 7.1, б). Возрастание нагрузки на втором этапе приведет к дальнейшему увеличению осадки s2 уже от нового положения дна котлована (рис. 7.1, в).

Наконец, после завершения строительства в процессе эксплуатации сооружения возможны дополнительные воздействия (надстройка сооружения, изменение состояния грунтов основания, строительство новых сооружений вблизи построенного и т. п.). Эти воздействия приведут к дополнительным деформациям основания построенного сооружения. Например, строительство соседнего сооружения вызовет дополнительную местную нагрузку на основание р', которая приведет к развитию дополнительной неравномерной по длине построенного сооружения осадки s2 (рис. 7.1, г).

Полная деформация в некотором вертикальном сечении сооружения, отсчитываемая от проектного уровня подошвы фундамента, для рассматриваемого примера будет равна

(7.1)

причем каждая составляющая этой деформации при известных значениях нагрузок на каждом этапе строительства и известных закономерностях деформирования грунта при его нагружении и разгрузке может быть определена.

Важно отметать, что приведенный пример сильно упрощает реальную обстановку строительства. Здесь не учитывались многие факторы, имеющие место в действительности и оказывающие влияние на деформации грунтов основания. К ним прежде всего относятся: пространственная жесткость сооружения и возможность передачи различных нагрузок на основание через отдельные фундаменты; неоднородность напластования и свойств грунтов в пределах пятна застройки; скорость приложения нагрузок в процессе строительства и длительность развития осадок грунтов и т. п. Все эти факторы приводят к значительному усложнению рассматриваемой картины, поэтому проблема про­гноза деформаций оснований сооружений в целях инженерного проекти­рования основывается сейчас на ряде упрощающих предпосылок.

Под абсолютными перемещениями понимают осадку основания отдельного фундамента s и горизонтальное перемещение фундамента (или сооружения) u. К относительным перемещениям относят средние осадки основания сооружений, относительную разность осадок двух фундаментов, крен фундамента и т. п. Относительные деформации могут быть найдены при определенных для различных фундаментов или сечений значениях абсолютных перемещений. Поэтому основные методы, рассматриваемые здесь, посвящены определению величины абсолютных перемещений оснований отдельных фундаментов.

Расчет оснований фундаментов по деформациям в настоящее время производится исходя из условия

(7.2)

где s – совместная деформация (осадка, горизонтальное перемещение и т. п.) основания и фундамента (сооружения), определенная расчетом; su — предельное значение этой величины, устанавливаемое соответствующими нормативными документами или требованиями проекта.

Правила проектирования фундаментов сооружений в соответствии с условием (7.2) будут приведены в следующем семестре. Здесь же рассматриваются способы определения левой части этого неравенства.

Выше неоднократно отмечалось, что опытная зависимость между осадками поверхности грунтового основания и действующими нагрузками s=f(p) имеет нелинейный характер.

Было установлено, что в некотором интервале нагрузок, соответствующем фазе уплотнения грунта в основании, эта зависимость близка к линейной и развитие осадок во времени всегда имеет затухающий характер. В качестве максимального значения среднего давления р под подошвой фундамента, соответствующего границе фазы уплотнения, в настоящее время принимается расчетное сопротивление грунтов основания R. Это обосновывает возможность использования математического аппарата теории линейного деформирования грунтов для расчетов напряжений и деформаций оснований при p≤R. Процесс строительства сооружения при этом рассматривается как одноразовое нагружение грунтов основания, вызывающее их общее деформирование без разделения на восстанавливающуюся и пластическую составляющие деформаций грунтов.

Несмотря на определенные недостатки, такой подход существенно упрощает математический аппарат расчетов деформаций.

Таким образом, одной из важнейших предпосылок методов расчета деформаций грунтов является ограничение среднего давления под подошвой фундамента условием p≤R.

Другой важной предпосылкой расчетов деформаций грунтов является введение понятий о стабилизированных и нестабилизированных (развивающихся во времени) перемещениях. Во многих случаях для инженерной практики представляют интерес только наибольшие (конечные, стабилизированные) перемещения, а время, в течение которого происходит стабилизация деформаций, не имеет существенного значения. Такое ограничение в постановке задачи также приводит к значительному упрощению расчетов.

В то же время не всегда удается ограничиваться определением только конечных величин осадок. Поясним сказанное на примере. Пусть имеется сооружение (рис. 7.2, а), фундамент 1 которого расположен на водонасыщенных глинистых, а фундамент 2 – на песчаных грунтах. Пусть также характеристики де­формационных свойств грунтов, действующие нагрузки и размеры фун­даментов таковы, что конечные осадки s1 и s2 будут практически одинаковы и равны s (рис. 7.2, б). Однако, поскольку время развития осадок водонасыщенных грунтов связано со скоростью фильтрации воды в грунте, а процессы фильтрации в глинистых грунтах протекают существенно медленнее, чем в песчаных, характер кривых s = f(t) для этих фундаментов будет совершенно различным. Может оказаться так, что осадка фундамента 2 стабилизируется в течение срока строительства t, а осадка фундамента 1 к этому времени достигнет лишь некоторой доли конечной величины. Тогда к моменту окончания строительства разность осадок этих фундаментов Δst, может оказаться существенно больше, чем предельная для данного типа сооружения величина Δsu. При этом сооружение может перестать соответствовать предъявленным к нему требованиям нормальной эксплуатации или даже претерпеть аварию, не достигнув времени стабилизации осадок обоих фундаментов.

Рис. 7.2. Схема сооружения и развитие осадок разных фундаментов во времени

В этом случае расчетом должен быть получен прогноз развития осадок каждого фундамента во времени и проведен анализ неравномерности деформаций сооружения для наиболее опасных периодов его строительства и эксплуатации. Такие расчеты выполняются в соответствии с теорией фильтрационной консолидации грунтов.

Наконец, может возникнуть и еще более сложная ситуация, когда требуется учесть поэтапность возведения сооружения. Простейший случай такой задачи был рассмотрен в начале параграфа (подъем дна котлована при его разработке и последующая осадка при строительстве сооружения). Может также понадобиться определить осадку сооружения при p>R. Подобные задачи достаточно точно решаются с помощью нелинейной механики грунтов.

Осадки слоя грунта при сплошной нагрузки (основная задача).

P кг/см2

в

б

S

h

h

F

г

а

скала

P

Р1-собственный вес грунта до приложения нагрузки.

Р21+Р – новая нагрузка (эп. Р –const)

Слой грунта будет испытывать только сжатие, без возможности бокового расширения. Это аналогично компрессионному сжатию грунта.

e

e1

e2

p1 p p2 p кг/см2

–коэффициент сжимаемости (tg угла наклона секущей)

Из сжимаемого слоя грунта вырезаем столбик, площадью основания F.

Допускаем, что в пределах призмы а,б,в,г объем твердых частиц грунта в процессе деформации остается неизменным, т.к.:

  1. Частицы грунта переместиться ни вправо, ни влево они не могут (деформация сжатия грунта без возможности бокового расширения – компрессия).

  2. Считаем, что частицы грунта не сжимаемы (кварц и т. д., их деформации сравнительно малы).

S = h - h

Объем твердых частиц в единице объема

;

V тверд. частиц то же после

до деформ. деформации

Отсюда: ;- эта формула не удобна

Из компрессионной зависимости известно:

e1 - e2 = m0p; - коэффициент относительной сжимаемости.

Тогда: ;

S = hmvp

В практике этот расчет можно использовать при значительных площадях загружения (плотины, насыпи и т.д.).

About Author


admin

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о