Особенности деформирования грунтов.

Под действием напряжений, возникающих в грунтах от различных факторов, грунты могут испытывать деформации объема и формоизменения, упругие и остаточные деформации, проявлять свойства линейной и нелинейной деформируемости, текучести и ползучести, изменять свою прочность от длительности воздействия нагрузки. Грунты в зависимости от их состава, состояния и характера приложенных внешних воздействий могут проявлять указанные деформации в различных соотношениях, что и определяет рациональную область применения к ним Механики различных сред.

Особенности деформирования грунтов выявляются в результате экспериментов. Здесь мы будем рассматривать некоторые воображаемые схемы нагружения грунта и с их помощью иллюстрировать его поведение под нагрузкой.

Линейные и нелинейные деформации.

Рис. 5.2. Схема опыта (а) и графики зависимости осадки штампа от давления по подошве р при нагружении (б) и при нагружении – разгрузке (в):

1 – нагружение;

2 – разгрузка.

 

Пусть на поверхности грунта установлен штамп (или фундамент), передающий на грунт по подошве возрастающее давление p (рис. 5.2, а). Под действием этого давления будет происходить перемещение поверхности грунта (осадка штампа) s, величина которого возрастает с увеличением р. Опыт показывает, что эта зависимость имеет весьма сложный характер (рис. 5.2, б).

При изменении давления от 0 до некоторой величины р₁ осадка штампа будет близка к линейной (участок Оа). Дальнейшее увеличение давления () вызывает все большее значение осадки, и зависимость становится существенно нелинейной (участок абв). При р=р₂ происходит резкое увеличение осадки, свидетельствующее об исчерпании несущей способности грунта.

Если теперь перейти от зависимости между давлением под штампом и перемещениями поверхности грунта к анализу зависимости между напряжениями и деформациями в элементарном параллелепипеде, вырезанном из основания, то очевидно, что и эта зависимость окажется нелинейной.

Таким образом, в общем случае грунтам свойственна нелинейная деформируемость, причем в некотором начальном интервале изменения напряжений она достаточно близка к линейной.

Упругие и пластические деформации. Усложним опыт и в процессе нагружения штампа при достижении некоторых значений давления р будем производить разгрузку (рис. 5.2, в). Тогда можно заметить, что при любом значении р, даже в пределах линейной деформируемости (р ≤ р₁), разгрузка не вызывает полного восстановления осадок поверхности грунта.

Следовательно, при любом значении давления общая осадка грунта может быть разделена на восстанавливающуюся (упругую) s^e и остаточную (пластическую) s^p.

При этом, как правило, s^p ≥ s^e. Переходя к деформациям, это условие можно записать в виде (5.7)

Объемные и сдвиговые деформации. Представим себе, что мы вырезали элементарный параллелепипед из основания штампа и для каждого значения р рассчитали все компоненты напряжений, действующих по его граням. Тогда, по аналогии с рис. 5.1, можно составить программу раздельных испытаний двух образцов того же грунта в режимах гидростатического и девиаторного нагружений. В результате испытаний получим графики, представленные на рис. 5.3.

Рис. 5.3. Зависимости между напряжением и деформацией грунта:

а) – объёмная деформация;

б) – сдвиговая деформация.

 

Характер кривых на рис. 5.3 свидетельствует о том, что с увеличением среднего нормального напряжения σ_m объемная деформация ε_v возрастает, но стремится к некоторой постоянной величине. В то же время увеличение интенсивности касательных напряжений τ_i, не может происходить беспредельно и вызывает все большее возрастание сдвиговых деформаций γ_i, приводящее, в конечном счете, к разрушению грунта.

Отсюда можно сделать важный вывод о том, что разрушение грунта происходит под действием сдвиговых напряжений, поэтому главной формой разрушения в механике грунтов считается сдвиг. Гидростатическое обжатие вызывает уплотнение, а, следовательно, и увеличение прочности грунта. Этот вывод имеет большое практическое значение при решении инженерных задач.

Из-за дискретного строения грунта действительный характер его деформирования будет значительно сложнее. Так, при сдвиге (девиаторное нагружение) песчаного образца плотного сложения к моменту разрушения отмечается некоторое увеличение его объема, называемое дилатансией. При сдвиге же песчаного образца рыхлого сложения, напротив, происходит его дополнительное уплотнение (контракция), т. е. в действительности объемная деформация грунта будет зависеть не только от среднего нормального напряжения, но и от интенсивности касательных напряжений: . В свою очередь сдвиговая деформация зависит также не только от интенсивности касательных напряжений, но и от среднего нормального напряжения: . Такое перекрёстное влияние гидростатического и девиаторного нагружения на развитие объёмных и сдвиговых деформаций учитывается при построении теорий нелинейного деформирования грунтов.

Можно было бы показать, что разгрузка образца (уменьшение σ_m и τ_i) от любого уровня напряжений, как и в опыте со штампом, обнаруживает наличие упругих и пластических деформаций, причем с увеличением интенсивности касательных напряжений τ_i, доля пластических деформаций в общей деформации сдвига , будет возрастать. При некотором предельном для данного грунта значении τ_i, (τ_i = const на рис. 5.3, б) возникнет состояние неограниченного пластического деформирования , что часто называется течением грунта.

Таким образом, сдвиговое разрушение грунта и полная потеря им прочности вызываются неограниченным развитием пластических деформаций, т. е. течением грунта. Такое состояние называется предельным.

Если теперь вернуться к схеме на рис. 5.2, то можно заключить, что по мере увеличения давления р грунт под штампом переходит из упругого состояния (правильнее говорить: из линейно деформируемого состояния, так как наличие петли гистерезиса при разгрузке не позволяет рассматривать грунт как упругое тело) в пластическое (нелинейно деформируемое) состояние и, наконец, при р = р₂ в текучее (предельное состояние). Поэтому в зависимости от интенсивности действующей нагрузки различают два напряженных состояния: допредельное (р<р₂) и предельное (р=р₂).

Ползучесть грунта. Рассмотренные выше особенности деформирования грунтов соответствуют их стабилизированному состоянию. Это означает, что каждая точка на кривых, представленных на рис. 5.2 и 5.3, отображает равновесное состояние грунта, при котором все процессы деформирования от действия данной нагрузки или напряжения уже завершились.

Однако в реальных грунтах деформации никогда не происходят мгновенно, а развиваются во времени, причем, чем более дисперсным является грунт, тем большее время потребуется для стабилизации деформаций.

Процесс деформирования грунта, развивающийся во времени даже при постоянном напряжении, называется ползучестью.

В зависимости от вида грунта, его состояния и действующего напряжения ползучесть может протекать с уменьшающейся или с возрастающей скоростью.

В первом случае говорят о процессе затухающей, во втором - незатухающей ползучести (рис. 5.4).

 

 

Рис. 5.4. Кривые затухающей (а) и незатухающей (б) ползучести грунта.

 

В обоих случаях деформация в любой момент времени складывается из условно-мгновенной деформации γ_о, возникающей сразу после приложения нагрузки и иногда рассматриваемой как упругая (γ_о ≈ γ^е), и деформации ползучести, развивающейся во времени γ (t):

. (5.8)

Для затухающей ползучести деформация γ (t) возрастает с уменьшающейся скоростью и стремится к некоторому конечному пределу γ_k. В случае незатухающей ползучести кроме условно-мгновенной деформации различают еще три стадии: I - затухающей (неустановившейся) ползучести, где скорость деформации уменьшается; II - установившегося течения с примерно постоянной скоростью деформации; III - прогрессирующего течения, где скорость деформации начинает возрастать, что со временем обязательно приводит к разрушению грунта.

Отметим, что обозначения на рис. 5.4 и в формуле (5.8) относятся к деформациям сдвига. Однако все рассмотренные закономерности остаются справедливыми и для других случаев нагружения образца.

Понятия затухающей и незатухающей ползучести в грунтах связаны с понятием предела длительной прочности, т. е. таким напряжением (или соотношением напряжений), до превышения которого деформация грунта имеет затухающий характер, и разрушение не происходит при любом значении времени воздействия нагрузки. При превышении предела длительной прочности грунта возникает незатухающая ползучесть, которая рано или поздно приведет к его разрушению.

Фильтрационная консолидация грунта. В предыдущих случаях грунты рассматривались как сплошные тела. Это допустимо при анализе стабилизированного состояния для всех видов грунтов, при расчетах ползучести скальных грунтов, нескальных грунтов в неводонасыщенном состоянии, т. е. при Sr ≤ 0,8 (трехкомпонентных грунтов), а также мерзлых грунтов.

Деформирование полностью водонасыщенных грунтов (грунтовой массы) происходит значительно сложнее. Уплотнение грунта связано с уменьшением его пористости. В то же время в водонасыщенных грунтах все поры заполнены водой. При нагрузках, обычных для строительства промышленных и гражданских сооружений, во многих случаях вода, как и частицы скелета грунта, может считаться практически несжимаемой. Поэтому уплотнение водонасыщенного грунта возможно только при отжатии части воды из его пор.

Процесс уплотнения грунта, сопровождающийся отжатием воды из пор, называется фильтрационной консолидацией (иногда просто консолидацией).

Консолидацию слоя полностью водонасыщенного грунта при действии равномерной нагрузки интенсивностью р удобно представить в виде простейшей механической модели Терцаги - Герсеванова (рис. 5.5). Здесь сосуд с несжимаемой водой, дырчатым поршнем и пружиной имитирует некоторый объем грунта, причем пружина с определенной жёсткостью соответствует сжимаемому скелету грунта, отверстия в поршне - диаметру пор в грунте, а вода - поровой жидкости. Эта модель в общем виде учитывает дискретность грунта и позволяет рассматривать раздельно напряжения, возникающие в скелете грунта и поровой жидкости.

Рис. 5.5. Механическая модель процесса консолидации водонасыщенного грунта при одноосном сжатии.

 

В момент приложения нагрузки р (при t = 0) поровая вода еще не успевает отжаться через отверстия, скелет грунта еще не деформируется, поэтому вся нагрузка воспринимается только водой. В результате в начальный момент в воде возникает избыточное (поровое) давление u_w, равное приложенной к поршню нагрузке (u_w0 = р). Напряжение в скелете грунта (эффективное напряжение) а в этот момент равно нулю ().

Избыточное давление в воде приводит к ее отжатию через поры грунта (отверстия в поршне) в области с меньшим давлением. Поршень опускается, все сильнее сжимая скелет грунта (пружину) и создавая в нем увеличивающееся эффективное напряжение. Поскольку в любой момент времени должно выполняться условие равновесия системы , с увеличением эффективного напряжения поровое давление уменьшается.

Когда пружина сожмется до такой степени, что полностью воспримет внешнюю нагрузку (), поровое давление упадет до нуля (u_wk = 0) и дальнейшее отжатие воды прекратится. Это означает, что к моменту времени t_k консолидация грунта завершилась, его уплотнение прекратилось и наступило стабилизированное состояние.

Таким образом, в соответствии с рассмотренной моделью в процессе консолидации грунта эффективное напряжение постепенно возрастает от 0 до p, а поровое давление соответственно уменьшается от р до 0.

Изложенное выше полностью относится и к элементарному объему грунта, выделенного из основания, при любой схеме его загружения. Тогда напряженное состояние этого объема в любой момент времени можно представить в виде

, (5.9)

где σ_mt - среднее полное нормальное напряжение, определяемое по формуле (5,2); - среднее эффективное напряжение; u_wt, - поровое давление.

При неполном водонасыщении грунта (если в грунте содержатся защемленные пузырьки воздуха или воздух частично растворен в воде), сжимаемость воды становится соизмеримой со сжимаемостью скелета грунта. Тогда уже в начальный момент времени часть внешнего воздействия будет восприниматься скелетом грунта, а часть - поровой водой, т. е. при t = 0 поровое давление , а эффективное , где β ≤ 1 -коэффициент начального порового давления, зависящий от степени водонасыщения грунта.

Физические процессы при деформировании грунтов. Изложенные выше особенности деформирования по-разному проявляются у различных видов грунтов и существенно зависят от состояния грунта и интенсивности действующих нагрузок.

Монолитные скальные грунты при нагрузках, возникающих в результате строительства промышленных и гражданских сооружений, обычно могут рассматриваться как практически недеформируемые тела. Однако трещиноватая скала и тем более разборный скальный грунт уже обладают некоторой деформируемостью. У трещиноватых скальных грунтов сдвиговые деформации связаны, прежде всего, с соотношением направлений действия усилий и плоскостей трещин, и представляют значительно большую опасность, чем объемная деформируемость. Разрушенные структурные связи в скальных грунтах со временем не восстанавливаются.

Объемные деформации крупнообломочных и однородных по гранулометрическому составу песчаных грунтов в значительной степени обусловливаются упругим сжатием частиц, а по мере увеличения нагрузки - пластическим разрушением контактов между ними, поэтому они обычно бывают невелики. В неоднородных песках будут развиваться значительные деформации уплотнения. В водонасыщенных песчаных грунтах это сопровождается отжатием воды из пор. Поскольку размеры пор в песчаных грунтах относительно велики, процесс консолидации в них протекает значительно быстрее, чем в глинистых грунтах. Сдвиговые деформации в крупнообломочных и песчаных грунтах происходят за счет взаимного перемещения частиц с учетом разрушения контактов.

Наиболее сложно развивается процесс деформирования в глинистых грунтах. Объемные деформации в них связаны с более плотной переупаковкой частиц, окруженных пленками связанной воды, с уменьшением объема пор, отжатием поровой воды и упругим сжатием защемленных пузырьков воздуха, а сдвиговые - главным образом с взаимным перемещением и перекомпоновкой частиц, окруженных гидратной оболочкой. Интенсивность проявления деформаций в глинистых грунтах в большой мере зависит от характера структурных связей и величины действующих нагрузок. Даже слабоуплотненные водные осадки глинистых грунтов с водно-коллоидными связями при небольших нагрузках, не превышающих структурную прочность, могут проявлять упругие свойства, т. е. почти полностью восстанавливаться после снятия нагрузки. Дальнейшее увеличение нагрузки вызывает постепенное разрушение структурных связей и интенсивное уплотнение грунта. Разрушенные водно-коллоидные связи со временем восстанавливаются, и после уплотнения глинистого грунта может наблюдаться его упрочнение.

Размеры пор в глинистых грунтах крайне малы, поэтому процесс консолидации в них протекает очень медленно. Деформации могут не стабилизироваться в течение многих месяцев, лет, даже десятилетий. Также медленно могут развиваться и процессы ползучести, связанные с взаимным смещением частиц, окруженных водными пленками, поворотом, изгибом и разрушением отдельных частиц.

Очень сложные процессы происходят при деформировании структурно-неустойчивых грунтов. Здесь уже кроме перечисленных выше факторов большое значение имеет изменение физической обстановки (оттаивание мерзлых грунтов, обводнение лёссовых просадочных грунтов, разложение органических включений в торфах или насыпных грунтах и т. п.).

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: