Модели механического поведения грунта.

Глава 5. Экспериментально-теоретические предпосылки механики грунтов.

Постановка задач в механике грунтов.

В механике на основании модельного представления свойств тел формулируется математический аппарат для прогноза их напряженно-деформированного состояния. В природе существуют твердые, жидкие и газообразные тела. Соответственно для указанных сред разработаны разделы механики твердого, жидкого и газообразного тел.

Грунт является многофазной средой, включающей в общем случае твердые частицы, в порах которых могут содержаться жидкость и газ, а иногда и лед. В отличие от конструкционных материалов (металл, бетон), наиболее очевидной для грунта будет дискретная модель. Дискретную модель строили Н.Н. Иванов (1925), Г.И. Покровский (1934), Р. Роу (1962), И.И. Кандауров (1966). Однако для перехода к напряжениям в массиве авторы использовали функции вероятностей в виде того или иного закона распределения, что вносило в расчеты элемент произвола. По этой или другим причинам дискретная модель пока не используется в расчетах.

Применительно к грунтам разработан раздел механики, называемый механикой грунтов. Применение к сложной грунтовой среде классической механики идеализированных тел требует специального обоснования. Определяющим фактором в этом вопросе является соответствие постулатов механики закономерностям деформационных и прочностных свойств грунтов.

Особенности грунтов оснований как объекта строительства.

Из предыдущих глав курса следует, что в отличие от всех остальных материалов, с которыми приходится иметь дело строителю, грунты представляют собой тела естественного, реже искусственного (техногенного) происхождения со сложной историей образования и последующего изменения. Основной их отличительной особенностью является несплошность (раздробленность, дискретность) строения, а во многих случаях, например, глинистые грунты, очень мелкая раздробленность (дисперсность) вплоть до коллоидных размеров частиц. Многокомпонентный состав грунтов, их пористость, водонасыщенность, структурные связи между частицами, сложное взаимодействие различных компонент друг с другом приводит к особым свойствам этих материалов, существенно отличающимся от свойств конструкционных материалов.

Массивы грунтов, являющиеся основанием сооружений, формируются в различных геолого-географических условиях, постоянно испытывают воздействие природных и техногенных процессов. Это порождает огромное многообразие их строения и состояния. В отличие от конструкционных материалов, состав которых подбирается технологами так, чтобы обеспечить необходимые свойства, грунты каждой строительной площадки обладают своими свойствами, что требует каждый раз их самостоятельного изучения.

Протекающие в них процессы видоизменяют состояние и свойства грунтов. Они могут быть крайне медленными, так что к началу строительства массив грунтов может рассматриваться как находящийся в равновесном состоянии. В других случаях (например, при строительстве на территориях, самоуплотнение которых продолжается) процессы, возникающие в результате строительства сооружений, будут накладываться на процессы, протекающие собственно в массиве грунтов.

В результате строительства сооружения начальное состояние основания нарушается, и в грунтах возникают новые процессы. Грунты (скальные, крупнообломочные, песчаные, глинистые) в разном состоянии по трещиноватости, плотности, влажности неодинаково реагируют на одни и те же нагрузки, и протекающие в них процессы будут приводить к различным результатам. Они могут вызывать смещения отдельных частиц, приводящие к их более плотной или более рыхлой упаковке (уплотнение и разуплотнение грунта), к возникновению в поровой воде разности напоров и ее движению (фильтрация воды в грунте), к большим взаимным перемещениям одной части основания относительно другой (разрушение грунтов основания).

Состояние и свойства грунтов в основании построенного сооружения также могут меняться в процессе его эксплуатации (уплотнение от нагрузок, передаваемых сооружением; изменение влажностного режима при колебании уровня подземных вод; оттаивание вечной мерзлоты в основании и т. д.). Строительство новых сооружений рядом с существующими, ведение подземных работ, реконструкция сооружений и т. п. будут приводить к дополнительным воздействиям на грунты основания уже построенных сооружений. В результате в грунтах могут вновь развиваться процессы, осложняющие эксплуатацию сооружений.

Таким образом, грунты основания не только обладают особыми свойствами, но и постоянно (до строительства, во время строительства и в процессе эксплуатации сооружения) испытывают различного рода воздействия, изменяющие их состояние и свойства. Это вызывает необходимость разработки совершенно иного подхода к исследованиям, расчетам, проектированию и устройству оснований, чем принятый в инженерной практике для конструкционных материалов. Сказанное в полной мере может быть отнесено и к тем случаям, когда грунты являются материалом сооружения или средой, в которой оно возводится.

Модели механического поведения грунта.

Для надежного и экономичного проектирования сооружений необходимо уметь определять изменение напряжений в грунтах основания в результате строительства, оценивать, будет ли обеспечена прочность грунтов при таком изменении напряжений и какие в результате возникнут деформации основания. В конечном счете, общая задача, как и в других дисциплинах конструкторского цикла, заключается в расчетах напряженно-деформированного состояния грунтов основания, взаимодействующего с сооружением, оценке их прочности и устойчивости.

Однако из-за указанных особенностей поведения грунтов в основании сооружений обычный подход строительной механики для решения этой задачи оказывается недостаточным, возникает необходимость разработки такой модели грунта, которая учитывала бы основные особенности его деформирования, и такого аппарата анализа, который позволял бы прогнозировать происходящие в грунтах основания процессы. Для этих целей могут быть использованы модель дискретной среды или модель сплошной среды.

В первом случае делается попытка отобразить в расчетной модели физические особенности грунта как дискретного материала, представляя его в виде совокупности отдельных частиц - шаров, дисков, балочек и т. п. (работы Г. И. Покровского, И. И. Кандаурова, Р. Роу и др.). Однако развитие этого направления встречается с большими сложностями, и пока еще не привело к созданию законченной теории деформирования грунтов. Современная механика грунтов основывается на представлениях о грунтах как о сплошной однородной среде.

Такая концепция сплошности вещества, хотя и противоречит представлениям об атомном (дискретном) строении материи, является основным постулатом сплошной среды. Это обеспечило разработку мощного математического аппарата с единым подходом к изучению всех твердых тел, жидкостей и газов.

Одним из важных постулатов механики твердого тела является допущение о сплошности тела. Это допущение позволяет рассматривать в пределах элементарной площадки напряжения одинаковыми и оперировать их средними значениями. Если рассматривать тела на молекулярном или на микроуровне, то все они являются дискретными. Однако все конструкционные материалы (сталь, бетон, древесина и пр.) принято рассматривать как сплошные. Это объясняется наличием бесчисленного количества элементарных частиц (на молекулярном уровне), кристаллов (на микроуровне), расположенных в пределах элементарной площадки, что позволяет рассматривать указанные материалы как стохастические среды, в которых при бесконечном множестве частиц в их точках контакта формируются надежные с точки зрения теории вероятности усредненные усилия, позволяющие рассматривать в пределах элементарной площадки напряжения неизменными.

Герсеванов Н.М. (1948) показал, основываясь на указанных рассуждениях, что грунты можно также рассматривать формально сплошными телами, так как под подошвой реального фундамента содержится не меньше грунтовых частиц, чем кристаллов в сечении, например, элемента металлической фермы.

Применительно к грунтам концепция сплошности была утверждена еще в 30-х годах нашего столетия классическими работами К. Терцаги, Н. М. Герсеванова, В, А. Флорина, Н. А. Цытовича и успешно развивается в нашей стране и за рубежом. Однако это потребовало введения ряда предпосылок, упрощающих реальное строение грунта, важнейшие из которых рассматриваются ниже.

Во-первых, вводится понятие элементарного объема грунта, т. е. такого его объема, линейный размер которого во много раз превышает линейный размер частиц или агрегатов, слагающих этот грунт. Тогда понятия напряжений и деформаций относятся уже не к точке как в механике сплошной среды, а к площадкам, соответствующим элементарному объему. Кроме того, размеры образца грунта для экспериментального определения характеристик его механических свойств в предположении сплошности должны быть значительно больше линейного размера элементарного объема. Во-вторых, применение аппарата механики сплошной среды для расчетов напряжений и деформаций в массиве грунта оказывается справедливым только в тех случаях, когда размеры массива и размеры площадок, через которые передаются нагрузки на массив, значительно больше размера элементарного объёма грунта.

В большинстве случаев (для песчаных и глинистых грунтов) эти условия всегда выполняются. Действительно, легко подсчитать, что в 1 см³ средней крупности будет содержаться порядка 50 тыс. отдельных частиц. Следовательно, площадки, к которым относятся напряжения и деформации, будут иметь размеры менее 1 см, а образец для испытания грунта, чтобы неоднородности отдельных частиц не влияли на его свойства, может иметь размеры в несколько сантиметров. С другой стороны, при ширине фундамента, например, 1 м точность определения напряжений и деформаций в основании, сложенном такими песками, будет достаточна для инженерных расчетов.

Значительно осторожнее следует относиться к использованию модели сплошной среды в случае крупнообломочных и трещиноватых скальных грунтов. Здесь уже может потребоваться проведение испытаний с очень крупными образцами или переход к крупномасштабным полевым опытам.

Другим важным упрощением реального строения грунта является представление его в виде изотропного тела, т. е. тела, у которого свойства образцов, вырезанных по любому направлению, одинаковы. Это условие применимо не ко всем разновидностям грунтов (не являются изотропными ленточные глины, скальные грунты с системной трещиноватостью или слоистостью и т. п.). Однако применение аппарата механики анизотропных сред к расчетам таких грунтов связано с большими трудностями и во многих случаях с достаточной для инженерных целей точностью их можно рассматривать как изотропные тела.

При проектировании ответственных сооружений используются и более сложные модели. К ним относятся модель двухкомпонентного грунта (модель грунтовой массы, когда все поры практически заполнены водой и содержание газа в грунте относительно невелико) и модель трехкомпонентного грунта (когда в грунте присутствуют все три компоненты: твердые частицы, жидкость и газы). Здесь уже принимаются во внимание различная деформируемость каждой компоненты, взаимодействие их между собой и изменение количественного содержания каждой компоненты в единице объема грунта в процессе его деформирования.

В механике твердого тела на основе практики сформировались три теории: упругости, пластичности и ползучести.

12345Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: