Меню

  • На главную

Поиск

  • Исследования деформируемости грунтов

    Posted 7/31/2009 в 8:38:20 ПП

    Изучение деформационных свойств грунта, естественно, начинается с постановки простейших опытов по сжатию образцов, позволяющих установить соответствие между действующим в образце напряжением и возникшей в нем деформацией. Результаты такого рода экспериментов, называемых компрессионными (сжатие образца без возможности его расширения в боковые стороны), изображенные на плоскости переменных а, е (сжимающее напряжение и деформация). Характерной особенностью приведенного графика является наличие близкого к прямолинейному начального участка, за которым следует резкое искривление диаграммы, приводящее к почти полному прекращению роста деформации е при дальнейшем увеличении напряжения а.
    Другая схема эксперимента, предназначенного для выявления деформационных свойств уже не образца грунта, а массива в целом, состоит в измерении осадок жесткого штампа, вдавливаемого в грунт заданной нагрузкой. Наличие прямолинейных участков на приведенных диаграммах, естественно, приводит к мысли рассматривать грунтовую среду, подверженную действию сравнительно небольших напряжений, как линейно упругую. Такое предложение было сделано еще П. А. Миняевым в 1914 г. Дальнейшее развитие эта идея получила в работах Н. П. Пузыревского (1923, 1934) и особенно Н. М. Герсеванова (1930, 1933). Для того чтобы подчеркнуть не вполне упругий характер поведения грунта даже при малых напряжениях, проявляющийся при разгрузке, Н. М. Герсеванов ввел специальное название «линейно деформируемая среда». Идея оказалась весьма прогрессивной — она позволила применить хорошо развитый аппарат теории упругости для систематического количественного анализа разнообразных задач механики грунтов, установить, в какой мере получающиеся при этом результаты согласуются с реальностью, и дала возможность формулировки на этой основе практических рекомендаций.
    В грунтовом основании под жестким штампом (сооружением) даже при небольших нагрузках вблизи краев штампа из-за резкой концентрации напряжений развиваются области неупругого деформирования. Поэтому вопрос о применимости теории упругости должен быть решен прежде всего путем оценки влияния этих областей на поведение системы.
    B. А. Флориным (1936) было указано, что при размерах неупругих областей, составляющих некоторую небольшую долю размера штампа, их влияние несущественно, и, используя аппарат теории упругости, можно расчетным путем определять осадки сооружений. В дальнейшем решения задач теории упругости были широко использованы для разработки методов расчета осадок сооружений и прочности конструкций на упругом основании. В этой связи следует упомянуть работы Н. М. Герсеванова и А. Я. Мачерета (1935,, 1937), Н. Н. Маслова (1936, 1940), В. А. Флорина (1936, 1948, 1959, 1961), К. Е. Егорова (1938, 1949, 1960, 1961), В. Г. Ко-роткина (1938), О. Я. Шехтер (1939), Н. А. Цытовича (1941, 1963, 1967), М. И. Горбунова-Посадова (1946, 1949, 1953), Б. Н. Жемочкина и А. П. Синицына  (1947,  1962), А. А.  Ничипоровича  (1955, 1957),
    C. А. Роза (1959).
    Наряду с интенсивным применением теории упругости для решения прикладных задач механики грунтов продолжались исследования по установлению пределов применимости и обоснованию этого подхода. В теоретическом плане эти исследования сводились к следующему. По решению задачи в рамках теории упругости и экспериментально установленному соотношению, связывающему компоненты тензора напряжений в предельном состоянии (в частности, по условию Кулона), определялись очертания и размеры областей, в которых «нарушается» условие применимости упругой модели. На этой основе формулировались ограничения на нагрузку, при выполнении которых применение теории упругости должно приводить к удовлетворительным результатам. Вывод сводится к тому, что размеры «пластических» областей не должны превышать 0,25 а, где а — размер фундамента сооружения. Кроме того, был сделан ряд схематизации по учету влияния начального напряженного состояния грунтового основания, обусловленного его весомостью, а также неоднородности и анизотропии грунта на распределение напряжений и деформаций основания под сооружением, предназначенных для устранения наблюдающихся несоответствий (иногда значительных) между предсказаниями теории упругости и опытом. Эти схематизации сводились к тому, что вместо однородного упругого основания тем или иным способом в рассмотрение вводилось упругое основание конечной толщины, выбор которой позволял согласовать данные теории и опыта.
    По этому поводу следует отметить, кроме упоминавшихся работ Н. П. Пузыревского, работы В. А. Флорина (1938, 1949), Д. Е. Польшина (1939, 1961), В. Г. Березанцева (1960), Р. В. Серебряного (1961), М. И. Горбунова-Посадова (1962). Соответствующие выводы и рекомендации этих работ нашли отражение в ныне действующих нормах (1962).  Экспериментальные исследования, проводившиеся для установления применимости упругой модели при описании механического поведения грунтового основания, уже в тридцатых годах (X. Пресс, 1930; X. Р. Ха-кимов, 1939) выявили один весьма Существенный факт. Оказалось, что при фиксированной удельной нагрузке на жесткий штамп осадка последнего с изменением его размеров лишь в сравнительно узком диапазоне значений размера может быть согласована с предсказаниями теории упругости.   Таким образом, дальнейшие исследования деформируемости грунтовые оснований и массивов должны базироваться на построении согласующихся с опытом нелинейных моделей среды. К этому выводу приводят и экспериментальные факты, полученные в результате систематических лабораторных исследований деформируемости образцов грунта при сложных напряженных состояниях (А. И. Боткин, 1939, 1940; С. С. Вялов, 1956, 1959; М. Н. Гольдштейн, 1956; А. С. Строганов, 1956, 1964; И. В. Федоров, 1957, 1958; Г. М. Ломизе, 1959, 1961, 1965, 1966; С. С. Вялов и Е. П. Шушерина, 1964; И. Н. Иващенко, 1966; Г. М. Ломизе и А. Л. Кры-жановский, 1966, 1967, и др.). данные натурных наблюдений за осадками фундаментов и перемещениями поверхности грунта вокруг возведенных зданий и сооружений, а также наблюдения за осадками поверхности грунта при   исследовании   грунтовых   оснований   пробными нагрузками (Ю. М. Абелев, 1934, 1948; X. Р. Хакимов, 1938; И. И. Черкасов, 1958; К. Е. Егоров, 1960; Д. Е. Польшин и Н. Я. Рудницкий, 1960; В. П. Ушка-лов, 1962, и др.). Среди зарубежных работ этого направления следует отметить исследования X. Муса и X. Каля (DEGEBO, 1961, Н. 14).
    Опыты показали, что при нагружении грунта наблюдается нелинейность не только в объемной деформируемости (компрессия), но и при деформациях сдвига. При этом сдвиговые деформации обусловлены не только касательными, но и нормальными напряжениями, а объемная деформация определяется не только средним давлением — она существенно зависит от девиатора напряжений (эффект дилатансии). Последний эффект был обнаружен в опытах еще О. Рейнольдсом (1885), однако серьезное его изучение и использование в теоретических построениях началось много позднее.
    Попытки учета нелинейных эффектов в деформируемости грунтов делались путем замены упругих постоянных в модели линейно деформируемой среды некоторыми функциями инвариантов тензора напряжений (И. В. Федоров, 1957, 1958; Г. М. Ломизе, 1959, 1961, 1966; А. С. Строганов, 1961; С. С. Вялов, 1964—1966; X. А. Рахматулин, А. Я. Сагомонян и Н. А. Алексеев, 1964; Г. А. Гениев, 1965; И. Н. Иващенко, 1965; Г. М. Ломизе и И. Н. Иващенко, 1965, 1966; В. А. Иоселевич и Б. И. Дидух, 1966; А. Л. Крыжановский, 1966, и др.).
    Появление экспериментальных данных о деформационных свойствах грунтов при сложных напряженных состояниях позволило более рационально подойти к проблеме построения нелинейных моделей, приспособленных для описания специфики механического поведения материала, свойственной именно грунтовой среде. Были сформулированы полные математические модели, учитывающие поведение среды как в допредельных состояниях (состояния, при которых деформации ограничены и могут расти лишь с ростом напряжений), так и в предельном напряженном состоянии (состояние пластического теченил). Этим вопросам посвящены работы С. С. Григоряна (1959, 1960) и В. А. Иоселевича (1967), в которых были учтены основные экспериментально установленные существенные свойства деформируемости грунтов в рамках современных представлений о моделях механики сплошной среды.
    Отметим, что в настоящем параграфе речь идет только о моделях деформируемости, не учитывающих временных эффектов. Дальнейшая работа в рассматриваемом направлении, как нам представляется, должна быть связана с совершенствованием и детализацией математических моделей грунтовой среды и разработкой эффективных расчетных методов решения основных прикладных задач на основе таких моделей.