Напряженное состояние грунтового массива

Предельное напряженное состояние грунта в данной точке соответствует такому напряженному состоянию, когда малейшее добавочное силовое воздействие нарушает существующее равновесие и приводит грунт в неустойчивое состояние: в массиве грунта возникают поверхности скольжения, разрывы, просадки и нарушается прочность между его частицами и их агрегатами. Такое напряженное состояние грунтов следует рассматривать как совершенно недопустимое при возведении на них сооружений.

Поэтому для инженерной практики весьма важно уметь оценить максимально возможную нагрузку на грунт, при которой он будет еще находиться в равновесии, т. е. не будет терять прочность и устойчивость.

Вопросы прочности (несущей способности), устойчивости и давления грунтов на ограждения и являются частными задачами общей теории предельного равновесия, начало которой положено еще трудами Кулона и Прандтля, но лишь в сороковых и пятидесятых годах XX в. отечественными учеными (В. В. Соколовским, С. С. Голушкевичем, В. Г. Березанцевым и др.) разработаны общие эффективные методы решения дифференциальных уравнений предельного равновесия (сформулированных Ф. Кеттером), а в последнее десятилетие получен ряд замкнутых и табулированных строгих решений (В. В. Соколовским и др.).

Механические процессы в грунтах. Рассмотрим механические процессы, возникающие в грунтах при действии местной постепенно возрастающей нагрузки. Пусть на поверхность грунта через жесткий штамп ограниченных размеров прикладывается нагрузка, и все время производятся наблюдения за осадками штампа.

В рассматриваемом случае механические процессы будут значительно более сложными, чем, например, описанные ранее при компрессионном сжатии, когда наблюдаются только затухающие деформации, так как любой элемент грунта в компрессионном приборе испытывает только нормальные напряжения без возможности бокового расширения.

При действии жеместной нагрузки произвольно выделенный элемент грунта испытывает кроме нормальных и касательные (сдвигающие) напряжения, которые при достижении определенной величины могут вызвать появление местных необратимых скольжений (сдвигов). Поэтому при действии местной нагрузки могут иметь место как затухающие деформации уплотнения так (при определенной величине внешней нагрузки) и незатухающие деформации переходящие при соответствующих условиях в пластическое течение, выпирание, просадку и т. п.

На рис. 1, а привела типичная кривая деформаций грунта при действии на его поверхность местной, возрастающей ступенями нагрузками. Рассмотрим ее несколько подробнее.

Рис. 24. Зависимость между деформациями и давлением при возрастании нагрузки на грунт: а - кривая деформаций при ступенчатом загружении; б - начальный участок кривой деформации; в - конец фазы уплотнения - начало фазы сдвигов; г - линии скольжения и уплотненное ядро при полном развитии зон предельного равновесия

Если ступени нагрузки малы и грунт обладает связностью, то первые участки на кривой деформаций будут почти горизонтальны (рис. 24, б,где начальный участок дан в несколько увеличенном масштабе), т. е, пока не превзойдена структурная прочность, грунт будет испытывать только упругие весьма незначительные по величине деформации и осадка штампа будет полностью восстанавливаться при разгрузке.

При последующих ступенях нагрузки (или даже при первой, когда будет превзойдена структурная прочность грунта) возникает уплотнение грунта под нагрузкой, т. е. уменьшение пористости грунта в некоторой его областипод нагруженной поверхностью.

Важно отметить, что, как показывают результаты непосредственных опытов, всегда существует некоторая величина внешнего давления, при котором грунт лишь уплотняется и приобретает большую сопротивляемость внешним силам.