Искусство
Языки
Языкознание
Вычислительная техника
Информатика
Финансы
Экономика
Биология
Сельское хозяйство
Психология
Ветеринария
Медицина
Юриспруденция
Право
Физика
История
Экология
Промышленность
Энергетика
Этика
Связь
Автоматика
Математика
Электротехника
Философия
Религия
Логика
Химия
Социология
Политология
Геология
1Тема 13-17. Фазы напряженного состояния грунта
 Скачать 1.79 Mb.
|
                                       Тема 13. Критические нагрузки на грунт. Начальная критическая нагрузка на грунт. Предельная нагрузка для сыпучих и связных грунтов. Влияние свойств грунтов, размеров фундамента и глубины заложения на величину предельной нагрузки грунтовых оснований.Критические нагрузки на грунт. Фазы напряженного состояния грунта  При приложении к грунту нагрузок в нем начинают происходить процессы уплотнения, которые можно разделить на 3 фазы: 1 Фаза уплотнения. Работа грунта на протяжении этой фазы происходит в условиях обеспеченной прочности. Грунт уплотняется на некоторое значение А. 2 Фаза местных сдвигов. В краевых зонах происходит локальное нарушение прочности грунта. При дальнейшем увеличении )на границе между 1 и 2 фазами Рз= Рпр называется предельной. 3 Фаза выпирания. Если увеличение нагрузки продолжается, то при достижении Р5 = Ркр - критическая нагрузка в грунтах. Начинает преобладать сдвигающее напряжение  . Под сооружениями образуются поверхности скольжения, по которым грунт смещается, и происходит выпирание грунта из-под нагруженной площадки, сопровождающееся ее погружением.Были рассмотрены механические явления, возникающие в грунтах при возрастании на них местной нагрузки, причем установлены (при давлениях на грунт, больших структурной прочности) две критические нагрузки: 1—нагрузка, соответствующая началу возникновения в грунте зон сдвигов и окончанию фазы уплотнения, когда под краем нагрузки между касательными и нормальными напряжениями возникают соотношения, приводящие грунт (сначала у ребер подошвы фундаментов) в предельное напряженное состояние, и 2 — нагрузка, при которой под нагруженной поверхностью сформировываются сплошные области предельного равновесия, грунт приходит в неустойчивое состояние и полностью исчерпывается его несущая способность. Величину первой нагрузки назовем начальной критической нагрузкой, еще совершенно безопасной в основаниях сооружений, так как до ее достижения грунт всегда будет находиться в фазе уплотнения, а вторую, при которой исчерпывается полностью несущая способность грунта,— предельной критической нагрузкой на грунт в данных условиях загружения. Начальная критическая нагрузка на грунт. Формула Н.П. Пузыревского. Рассмотрим действие равномерно распределенной нагрузки р на полосе шириной b (рис. 4.6) при наличии боковой пригрузки q=γh (где γ – плотность грунта и h – глубина залегании нагруженной поверхности).  Рис 4.6. Схема действия полосообразной нагрузки Вертикальное сжимающее напряжение (давление) от собственного веса грунта при горизонтальной ограничивающей поверхности σ1 гр. Примем дополнительное допущение о гидростатическом распределении давлений от собственного веса грунта, а именно σ2 гр.  Для произвольной точки М (рис. 4.6), расположенной на глубине z и характеризуемой углом видимости α, найдем главные напряжения с учетом действий собственного веса грунта как сплошной нагрузки:  Подставим выражения в уравнение предельного равновесия:  если принять z=0, т.е. ни в одной точке грунта не будет зон предельного равновесия, начальным критическим давлением на грунт будет: Это и есть формула проф. Н.П. Пузыревского для начальной критической нагрузки на грунт. Определяемое по ней давление можно рассматривать как совершенно безопасное. Предельная нагрузка для сыпучих и связных грунтов. Вторая критическая нагрузка, это предельная нагрузка, соответствующая полному исчерпанию несущей способности грунта и сплошному развитию зон предельного равновесия, что достигается для оснований фундаментов при окончании формирования жесткого ядра, деформирующего основание и распирающего грунт в стороны. Впервые эта задача для невесомого грунта (сыпучего), нагруженного полосовой нагрузкой была решена Прандтлем и Рейснером (1920-1921): пред   Рис. 4.7. Сеть линий скольжения в грунте при полосообразной нагрузке и боковой пригрузке без учета собственного веса грунта Отметим, что в частном случае для идеально связных грунтов (φ=0 и с≠0) предельная нагрузка для условий плоской задачи (при полосообразном загружении), по Прандтлю, будет равна:  или  Для осесимметричной пространственной задачи (круг, квадрат) предельная нагрузка в случае идеально связных грунтов (по А. Ю. Ишлинскому, 1947)  В случае водонасыщенных глинистых грунтов и нестабилизированного их состояния (когда внутреннее трение не реализуется) предельная нагрузка на грунт под круглыми и равновеликими им квадратными фундаментами, по А. С. Строганову,  Нормативное сопротивление и расчетное давление Если допустить под подошвой центрально нагруженного фундамента шириной b развитие зон предельного равновесия на глубину zmax=1/4b, то несущая способность основания остается обеспеченной. При этом осадки во времени затухают и стремятся к постоянной величине, а зависимость s=f(p) оказывается достаточно близкой к линейной. Следовательно, при этих условиях для расчётов деформации основания можно использовать формулы теории линейного деформирования грунтов.  Рис. 6.1. Зависимость конечной осадки от нагрузки Нормативное сопротивление грунта основания Rн соответствует наибольшему среднему сжимающему напряжению под подошвой фундамента при котором по подошве фундамента допускается развития областей предельного состояния на глубину равную b/4.  γ/ –удельный вес грунта засыпки выше подошвы фундамента у' и ниже этого уровня – γ. Одним из основных условий определения размеров фундаментов является требование p≤RН, где р – расчетное давление под подошвой фундамента. Выражение (4.8) часто представляют в виде трехчленной формулы:  (1)здесь Mγ, Mq, Mc– некоторые функции от угла φ.  Значения этих коэффициентов приведены в нормативных документах. Дальнейшие исследования позволили еще дальше отодвинуть практический предел среднего напряжения под подошвой фундамента, где так же допустим расчет осадок с учетом линейной деформации грунтов оснований. Эта величина, получила название расчетного сопротивления грунта R. В этом случае формула (1) имеет несколько более сложный вид (учет подвальных помещений, учет неоднородности грунта и т.п.) и будет рассмотрена в курсе «Основания и фундаменты».  Влияние свойств грунтов, размеров фундамента и глубины заложения на величину предельной нагрузки грунтовых оснований. Приведенные выше решения справедливы при относительно небольших глубинах заложения фундаментов и однородном строении основания, поэтому в практических расчетах обычно используют инженерные способы, в той или иной мере учитывающие строгие решения теории предельного равновесия. Некоторые виды грунтов, являясь структурно неустойчивыми (оттаивающие вечномёрзлые, лессовые просадочные при замачивании, слабые структурные), обладают особенностями деформирования, связанными с резкими изменениями их физического состояния и структуры. Разработаны специальные методы расчета осадок вечномёрзлых грунтов при их оттаивании, просадок лёссов при замачивании, устанавливаются предельные скорости загружения слабых глинистых и заторфованных грунтов из условия сохранения их структурной прочности и т. д. Прежде чем приступить к расчету необходимо знать: 1) геологическое строение места строительства с указанием мощности (толщины) отдельных слоев грунта, уровня грунтовых вод и физико-механических свойств грунтов основания на всю активную зону сжатия ( коэффициенты пористости, сжимаемости, плотности всех элементов грунта, характеристики прочности (угол внутреннего трения, сцепление), а также для связных грунтов- коэффициент фильтрации, структурной прочности, начального градиента напора и для плотных и вязких глин-параметров ползучести); 2) размеры и форму фундамента (по предварительным расчетам) и чувствительность сооружений (разрезных, жестких рамных, массивных и т.п.) к неравномерным осадкам: 3) данные о глубине заложения фундамента и нагрузке на грунт от надфундаментных конструкций. Расчетная схема системы «сооружение-основание» или «фундамент-основание» должна выбираться с учетом наиболее существенных факторов, определяющих напряженное состояние и деформации основания и конструкций сооружения (конструктивной схемы сооружения, особенностей его возведения, геологического строения и свойств грунтов основания, возможности их изменения в процессе строительства и эксплуатации сооружения и т.д.). Рекомендуется учитывать пространственную работу конструкций, геометрическую и физическую нелинейность, анизотропию, пластические и реологические свойства материалов и грунтов, развитие областей пластических деформации под фундаментом. Допускается использовать вероятностные методы расчета, учитывающие статистическую неоднородность оснований, случайную природу нагрузок, воздействий и свойств материалов конструкций. Тема 14. Устойчивость свободных откосов и склонов. Причины нарушения устойчивости. Метод круглоцилиндрических поверхностей скольжения. Оползни скольжения и оползни разжижения. Меры борьбы с оползнями. Активное и пассивное давление грунта на ограждение. Устойчивость свободных откосов и склонов. Причины нарушения устойчивости. Анализ устойчивости массивов грунта имеет очень большое практическое значение при проектировании земляных сооружений: насыпей, выемок, дамб, земляных плотин, больших вскрышных котлованов, имеющих иногда глубину 100 м и более, и других подобных сооружений. Задача устойчивости массивов грунта является частной задачей общей теории предельного напряженного состояния грунтов, но имеет весьма существенные особенности, обусловленные спецификой движения масс при нарушении их устойчивости. Расчеты устойчивости массивов грунта относятся к специальному разделу статики, и мы изложим здесь лишь некоторые основные положения, позволяющие оттенить сущность рассматриваемых задач, и дадим наиболее важные приемы их решения, применяемые в проектной практике. Главнейшими причинами нарушения устойчивости земляных масс будут: 1 — эрозионные процессы и 2 — нарушение равновесия. Эрозионные процессы, протекают, как правило, весьма медленно, незаметно; зависят они от внешних метеорологических и физико-геологических условий, а также от свойств поверхности массива грунта и обычно не рассматриваются в механике грунтов. Изучение же условий устойчивости массивов грунта и их нарушений — прямая задача механики грунтов. Нарушение равновесия массивов грунта может происходить внезапно со сползанием значительных масс грунта — такие нарушения равновесия называют оползнями. Этот вид нарушении равновесия встречается наиболее часто и происходит в различного рода откосах и природных склонах как при увеличении действующих на массив нагрузок, так и при уменьшении внутренних сопротивлений. Причины нарушения устойчивости. 1) Увеличение крутизны откоса (подмыв берегов реки) 2) Увеличение нагрузки на откос (строительство на бровке) Увеличение нагрузок может иметь место при возведении сооружений на откосах и склонах при давлении от них, превосходящем некоторый предел, и при изменении веса слоев грунта (его возрастании) при насыщении их водой в условиях продолжительных дождей и паводков, а также вследствие подвешивания капиллярной влаги при понижении уровня грунтовых вод. 3) Обводнение грунтов (уменьшение механических характеристик: С; и увеличение объемного веса грунта) Уменьшение сопротивлений происходит как при всяком разрушении естественных упоров массивов грунта, так и при уменьшении эффективного трения (при наличии порового давления) и сил сцепления (при увлажнении и набухании грунтов). 4) Деятельность строителей (устройство котлованов, выработок с вертикальными стенками) Можно различать следующие основные виды оползней: 1 – оползни вращения (с возникающими криволинейными поверхностями обрушения) (в движение приходит весь массив грунта в целом, характерно для грунтов, обладающих трением и сцеплением); 2 – оползни скольжения (по зафиксированным поверхностям) (осыпь) (характерно для песчаного грунта) 3 – оползни разжижения (грязевые потоки перенасыщенных водой грунтов по выработанным руслам и тальвегам) (для водонасыщенных грунтов при динамических воздействиях). Для установления некоторых понятий рассмотрим две элементарные задачи: 1) устойчивость откоса идеально сыпучего грунта Пусть для первого случая имеем откос сыпучего грунта, на котором свободно лежит твердая частица М (рис. 4.15,а).  Рис. 4.15. Схемы сил, действующих на частицу откоса идеального сыпучего грунта (а) Разложим вес частицы Р на две составляющие: нормальную N к линии откоса ab и касательную Т. Сила Т стремится сдвинуть частицу к подножию откоса, но ей будет противодействовать сила трения Т', пропорциональная нормальному давлению, т. е. T'=fN (где f — коэффициент трения). Проектируя все силы на наклонную грань откоса, имеем Р sin α — f Р cos α = 0, откуда tgα=f, а так как коэффициент трения f=tgφ, то окончательно получим α = φ. (4.11) Таким образом, предельный угол откоса сыпучих грунтов равен углу внутреннего трения грунта. Этот угол носит название угла естественного откоса. Понятие об угле естественного откоса относится только к сухим сыпучим грунтам, а для грунтов связных глинистых оно теряет всякий смысл, так как у последних в зависимости от их увлажненности угол откоса может меняться от 0 до 90° и зависит также от высоты откоса. 2) устойчивость идеально связного массива грунта. Рассмотрим условия равновесия идеально связного грунта (φ=0;с≠0). Примем приближенно, что нарушение равновесия при некоторой предельной высоте h произойдет по плоской поверхности скольжения ас, наклоненной под углом α к горизонту (рис.4.15,б). Рис. 4.15. Схемы сил, действующих на вертикальный массив связного грунnа (б) Составим уравнение равновесия всех сил, действующих на оползающую призму abc. Действующей силой здесь будет вес Р призмы abc. Принимая во внимание, что согласно рис. 4.15, б стороны призмы bc=h ctg α, получим  Силу Р разложим на нормальную и касательную к поверхности скольжения ас. Силами, сопротивляющимися скольжению, будут лишь силы сцепления с, распределенные по плоскости скольжения ac= h/sin α. Так как в верхней точке с призмы abc давление будет равно нулю, а в нижней а — максимальным, то в среднем следует учитывать лишь половину сил сцепления, что элементарным путем позволяет прийти к решению, совпадающему для рассматриваемого случая со строгим решением теории предельного равновесия. Составим уравнение равновесия, взяв сумму проекций всех сил на направление ас и приравняв ее нулю:  откуда (T3)Определим значение высоты h=h0, соответствующей максимальному использованию сил сцепления. Очевидно, при этом sin2α=l и α = 45°. Тогда, полагая sin 2α=1 в выражении (T3) и решая его относительно h0, получим h0=2c/γ Таким образом, массив связного грунта может иметь вертикальный откос h0 определенной высоты. При высоте, большей h0, произойдет сползание призмы abc. Отметим, что в природных условиях грунты обладают не только сцеплением, но и трением, и задача устойчивости откосов становится значительно более сложной, особенно при строгой ее постановке. Метод круглоцилиндрических поверхностей скольжения. Метод круглоцилиндрических поверхностен скольжения широко применяется на практике, так как дает некоторый запас устойчивости и основывается на опытных данных о форме поверхностей скольжения при оползнях вращения, которые на основании многочисленных замеров в натуре принимают за круглоцилиндрические, при этом самое невыгодное их положение определяется расчетом. Принятие определенной формы поверхностей скольжения и ряда других допущений (о чем будет сказано ниже) делает этот метод приближенным.  Рис. 4.18. К расчету устойчивости откоса по круглоцилиндрическим поверхностям скольжения: а —схема действия сил; Допустим, что центр круглоцилиндрической поверхности скольжения оползающей призмы находится в точке О (рис. 4.18, а). Уравнением равновесия будет ΣМ0 = 0. Для составления уравнения моментов относительно точки вращения О разбивают призму скольжения ABC вертикальными сечениями на ряд отсеков и принимают вес каждого отсека условно приложенным в точке пересечения веса отсека Рi с соответствующим отрезком дуги скольжения, а силами взаимодействия по вертикальным плоскостям отсека (считая, что давления от соседних отсеков равны по величине, а по направлению противоположны) пренебрегают. Раскладывая далее силы веса Pi на направление радиуса вращения и ему перпендикулярное, составляют уравнение равновесия, приравнивая нулю момент всех сил относительно точки вращения:  Сокращая это выражение на R, получим  Здесь L — длина дуги скольжения АС; φ, с — угол внутреннего трения и сцепление грунта; Ti и Ni — составляющие давления от веса отсеков, определяемые графически или вычисляемые по замерам углов αi:  За коэффициент устойчивости откоса принимают отношение момента сил удерживающих к моменту сил сдвигающих, т. е.  или  (4.14)Однако решение поставленной задачи определением коэффициента устойчивости для произвольно выбранной дуги поверхности скольжения не заканчивается, так как необходимо из всех возможных дуг поверхностей скольжения выбрать наиболее опасную. Последнее выполняется путем попыток, задаваясь различными положениями точек вращения О.  Рис. 4.18. К расчету устойчивости откоса по круглоцилиндрическим поверхностям скольжения: б – положение опасных дуг скольжения; Для ряда намеченных центров дуг поверхностей скольжения (Ol О2; О3 — рис. 4.18, б) определяют необходимое по условию устойчивости сцепление, соответствующее предельному равновесию заданного откоса, по выражению, вытекающему из соотношения (у2), а именно:  (4.15)Далее, из всех возможных центров скольжения выбирают тот, для которого требуется максимальная величина сил сцепления. Этот центр принимают за наиболее опасный и для него по формуле (4.14) вычисляют коэффициент устойчивости η. Обычно считают, что при значении η≥ 1,1 – 1,5 откос будет устойчивым. Формула (4.14) будет справедлива лишь для тех случаев, когда дуга поверхности скольжения во всех своих частях является ниспадающей в сторону возможного смещения откоса или когда все отсеки кривой скольжения располагаются по одну сторону от направления вертикального радиуса О А (рис. 4.18, в).  Рис. 4.18. К расчету устойчивости откоса по круглоцилиндрическим поверхностям скольжения: в – схема сил, действующих по поверхности скольжения Если обозначить сдвигающие силы, направленные в сторону скольжения (сдвига), Т i сдв , а сдвигающие силы, направленные в сторону, противоположную направлению смещения (например, Т4 и Т5 по рис. 4.18, в), и удерживающие откос от скольжения, Тiуд то формула (4.14) примет такой вид:  По выражению (4.14') и следует определять коэффициент устойчивости откосов и склонов при расчетах по методу круглоцилиндрических поверхностей скольжения. Однако, как показывают соответствующие расчеты, метод круг-лоцилиндрических поверхностей скольжения дает в ряде случаев несколько завышенный запас, а главное – в нем не учитываются усилия, действующие на вертикальные грани отсеков, что делает весь расчет приближенным и вызывает необходимость принятия дополнительных допущений. Некоторые усовершенствования и упрощения расчетов по методу круглоцилиндрических поверхностей скольжения (введение переменности масштаба, но в прежней постановке задачи) внесены проф. Г. И. Тер-Степаняном и проф. М. Н. Гольдштейном, причем коэффициент устойчивости рекомендуется определять по выражению  где А и В — коэффициенты, зависящие от геометрических размеров сползающего клина, выраженные в долях от высоты откоса h; значения этих коэффициентов по вычислениям М. Н. Гольдштейна, приведены в таблицах. Из выражения (4.16)  По формулам (4.16) и (4.16') и данным таблиц легко вычисляют значения коэффициента устойчивости откоса η и предельную высоту откоса h при принятом коэффициенте устойчивости. Для грунтов связных с незначительным углом внутреннего трения (при φ<5–7°) при залегании на некоторой глубине ζ грунта плотного сложения (см. рис. 4.18, б — дуга поверхности скольжения А'С) расчет производится в предположении выпирания основания за пределами откоса. Оползни скольжения и оползни разжижения. Оползни скольжения имеют место при зафиксированных поверхностях скольжения, например у прислоненных откосов, когда при строительстве грунты укладывают на поверхность уже существующих уплотнившихся откосов земляных сооружений или когда природные склоны или насыпи при нарушении равновесия оползают по фиксированной поверхности скальных или других плотных пород. Прислоненный откос Ei Ti c Qi Поверхностьскальной породы Ni Еi - оползневое давление Порядок расчета устойчивости откоса: 1 Разбиваем откос на ряд призм и рассматриваем равновесие каждой призмы с учетом бокового давления грунта. 2 Расчет начинаем с первого элемента (с верху). Если все элементы устойчивы, то откос устойчив. Оползни разжижения имеют место в горных областях при катастрофическом выпадении дождей или при весьма быстром таянии снегов. Они представляют собой грязекаменные и водокаменные потоки, которые называют обычно селями. Сели делятся на связные (структурные) и турбулентные (неструктурные) потоки. Связными (структурными) считают такие селевые потоки, при движении которых не происходит заметного перемешивания оползающих масс в ядре потока. Структурные потоки дают только положительную аккумуляцию и не образуют размывов. Турбулентные грязекаменные и водокаменные сели, в которых происходит значительное перемешивание грунтовых масс, имеют широкое распространение в горных местностях. Вопрос о движении селевых потоков рассматривается на базе гидрологических расчетов и теории движения вязких жидкостей, составляя специальную область расчетов, выходящую за рамки курса механики грунтов. Меры борьбы с оползнями. Нарушение устойчивости земляных масс часто сопровождается значительными разрушениями дорог, мостов, жилых и промышленных зданий и других сооружений, расположенных на оползающих массивах, а иногда и человеческими жертвами, что вызывает необходимость разрабатывать и осуществлять активные меры борьбы с оползнями и другими нарушениями устойчивости земляных масс. Меры борьбы с этими нарушениями (оползнями, селями и др.) устанавливают на основе тщательного изучения природных физико-геологических условий, уяснения основных причин неустойчивости и аналитических расчетов предельного равновесия рассматриваемых массивов грунта. Основными мерами по увеличению устойчивости массивов грунта и борьбе с оползнями будут: 1) восстановление и усиление естественных упоров оползающих масс (укрепление берегов от размывов, устройство волнобойных сооружений, применение удерживающих подпорных стен, ограждений, направляющих селевые потоки, и пр.); 2) регулирование водного режима грунтовых масс (осушение оползневых участков, устройство поверхностного водоотвода и спрямление водотоков, применение глубинного горизонтального и вертикального дренажей и пр.); 3) уменьшение градиента нагрузок (уполаживание откосов по расчетам, базирующимся на опытном определении сопротивления грунтов сдвигу; уменьшение внешних нагрузок и пр.). Активное и пассивное давление грунта на ограждение. Вопросы давления грунтов на ограждения являются важнейшими в инженерных расчетах и решают их на базе теории предельного напряженного состояния грунтов и общих методов решения ее задач: аналитического (В. В.Соколовского, В. Г. Березанцева, Г. К. Клейна и др.), графо-аналитического (С. С. Голушкевича и др.) и графического (впервые предложенного Кулоном и развитого Понселе, Ребханом, И. П. Прокофьевым и др.). Подпорные стенки сооружают в случаях, когда необходимо поддержать массив грунта в равновесии.  Рис. 4.20. Некоторые виды подпорных стенок На рис. 4.20 показаны некоторые случаи применения подпорных стенок: подпорная стенка как упор откоса грунта, равновесие которого невозможно без ограждения (рис. 4.20,а); подпорная стенка как набережная (рис. 4.20,6); подпорная стенка как ограждение подвального помещения здания (рис. 4.20,в). Во всех этих случаях, а также и в ряде других (шпунтовые стенки, крепление котлованов и пр.) ограждения, удерживающие слои грунта в равновесии и воспринимающие его давление, работают как подпорные стенки.
2. Поверхности скольжения. |