Для вычисления напряжений в массиве грунта применяются уравнения теории упругости (линейно-деформируемого тела). Упругое тело характеризуется тем, что в нем упругие деформации линейно зависят от напряжений и отсутствуют остаточные (пластические) деформации. Для упругого тела справедлив закон Гука:
(3.1)
где - относительные деформации;
- модуль упругости.
Линейно-деформируемое тело формально подчиняется тоже закону Гука, однако, как указывалось во введении, вместо модуля упругости E в нем используется модуль общей деформации E 0, который учитывает не только упругие, но и остаточные деформации, присущие реальному грунтовому основанию:
. (3.2)
Уравнения механики сплошных сред справедливы для всех случаев, когда: а) напряжения не вызывают появления в грунтах областей пластических деформаций, б) достигнута стабилизация напряжений и вызванных ими деформаций грунта.
В механике грунтов рассматриваются два случая распределения напряжений: 1) от нагрузок, передаваемых через гибкие фундаменты или насыпи; 2) от нагрузок, передаваемых через жесткие фундаменты.
|
|
Действие сосредоточенной силы (основная задача). При этом рассмотривается действие сосредоточенной силы Р, приложенной перпендикулярно к ограничивающей полупространство плоскости (рис. 3.1). Полупространство считается однородным в глубину и в стороны и линейно деформируемым.
Задача заключается в определении всех составляющих напряжений σz, σy, σx, τzy, τzx, τxy, а также перемещений wz, wy, wx для любой точки полупространства, имеющей координаты z, x, y или R и β.
Поставленная задача для упругого (следовательно, и любого линейного деформируемого) полупространства впервые была полностью решена проф. Ж. Буссиненском (1885 г.), а определение напряжений для площадок, параллельных ограничивающей полупространство плоскости – проф. В. Кирпичевым и Н.А. Цытовичем (1923 –1934 гг.). Здесь для примера приводится вывод только формулы вертикальных сжимающих напряжений σz для площадок, параллельных ограничивающей плоскости, как наиболее часто используемых в расчетной практике. Вывод формул для остальных составляющих напряжений τzx, и τzx можно найти в специальной литературе.
Для точки М (рис. 3.1), определяемой полярными координатами R и β, находится величина нормального напряжения σR, действующего по направлению радиуса R, а затем по формулам перехода – и все составляющие напряжения для площадки, проведенной через точку М, параллельно ограничивающей плоскости.
Для упрощения вывода (окончательный результат которого полностью совпадает с решением Буссинеска) принимается как постулат, что напряжение σR пропорционально cos β и обратно пропорционально квадрату расстояния от точки приложения сосредоточенной силы R2.
|
|
Тогда
, | (3.3) |
где А – некоторый коэффициент, определяемый из условия равновесия.
Рис. 3.1. Схема действия сосредоточенной силы.
Для составления уравнения равновесия проводится полушаровое сечение с центром в точку приложения сосредоточенной силы (рис. 3.2). Величина напряжений, нормальных к полушаровой поверхности, определяется выражением (3.3) и будет изменяться от нуля у ограничивающей плоскости до максимума по оси Z, но для выделенного элементарного шарового пояса с центральным углом dβ может приниматься постоянной.
Условием равновесия является сумма проекций всех сил на вертикальную ось, равная нулю:
, | (3.4) |
где dF - поверхность элементарного шарового пояса, равная:
.
Подстановкой выражения для dF и σR в уравнение (3.4), находится:
После интегрирования и подстановки пределов, имеем:
откуда находится неизвестный коэффициент пропорциональности А:
Подстановкой формулы (3.7) в формулу (3.3) находится выражение для радиальных напряжений:
|
Рис. 3.2. Схема радиальных напряжений
при действии сосредоточенной силы.
Из геометрических соотношений можно найти величину радиальных напряжений , отнесенных к площадке, параллельной ограничивающей плоскости и составляющей с ней угол β:
. |
Принимая во внимание, что =z/ R и подставляя значение из выражения (3.8), можно получить
. | (3.9) |
Тогда
, |
или, учитывая (2.9),
. | (3.10) |
Поскольку из геометрических соотношений
, |
то
. (3.11) |
Таким образом, для практических расчетов имеем выражение для определения сжимающих напряжений для площадки, параллельной ограничиваюшей плоскости:
, где . | (3.12) |
Для облегчения расчетов служит таблица 7П значений коэффициентов , применяемых в формуле для вертикальных сжимающих напряжений в массиве грунта, нормальных к площадкам, параллельным ограничивающей полупространство плоскости.
Нагрузки, передаваемые через гибкие фундаменты или насыпи. В этом случае нагрузки следуют деформациям поверхности массива и сжимающие напряжения на поверхности массива равны интенсивности нагрузки.
Как показано выше, в случае сосредоточенных сил, нормальных к поверхности полупространства,вертикальное сжимающие напряжение в точке М от одиночной силы Р (рис. 3.3) вычисляется по формуле Буссинеска (3.11).
Рис. 3.3. Напряжения на площадке, параллельной поверхности полупространства.
При нескольких сосредоточенных нагрузках, если Р1 ≠ Р2 ≠ Р3 ≠ … ≠ Рi ≠ … ≠ Рn, сжимающее напряжение в любой точке массива для аналогичных площадок может быть найдено простым суммированием:
, | (3.12 а) |
то же при условии Р1 = Р2 = Р3 = … = Рi = … = Рn,
(3.12 б) |
Линейная (погонная) равномерно распределенная нагрузка, нормальная к поверхности. Вертикальное сжимающее напряжение в точке М вычисляется по формуле:
. | (3.13) |
Обозначения указаны на рис. 3.4 значения коэффициента приведены в табл. 8П.
Рис. 3.4. Расчетная схема к формуле (3.13).
Нагрузка, равномерно распределенная по гибкой полосе. Вертикальное сжимающее напряжение в точке М вычисляется по формуле:
. | (3.14) |
Рис. 3.5. Расчетная схема к формуле (3.14).
Обозначения указаны на рис 3.5; значения коэффициента К3 приведены в табл. 9П. Значение угла β2 принимается со знаком плюс для всех точек М, лежащих вне пределов границ загруженной полосы, и со знаком минус для точек М, лежащих в этих границах.
|
|
Для точек, расположенных в осевой плоскости загруженной полосы, где β1 = β2 = β, формула (3.14) принимает вид:
. | (3.15) |
На рис. 3.6 показаны линии равных напряжений в линейно деформируемом массиве в случае плоской задачи.
Нагрузка, распределенная по гибкой полосе по закону треугольника. Вертикальное сжимающее напряжение в точке М вычисляется по формуле Цытовича:
. | (3.16) |
Рис. 3.6. Линии равных напряжений в линейно деформируемом массиве в случае плоской задачи: а – изобары σz; б - распоры σу; в – сдвиги τzx.
Обозначения указаны на рис. 3.7, значения коэффициента К4 приведены в табл. 10П.
Рис. 3.7. Расчетная схема к формуле (3.16).
Любая нагрузка по гибкой полосе, меняющаяся по закону прямой. При любых нагрузках, меняющихся по закону прямой – треугольной трапецеидальной, прерывистой прямоугольной и других, вертикальное сжимающее напряжение может вычисляться по формуле:
, | (3.17) |
где - функция относительных величин ;
а – длина треугольной части эпюры нагрузки;
b – длина прямоугольной части эпюры нагрузки;
s – глубина рассматриваемой точки.
Величина J определяется по графику Остерберга (рис. 1П) как алгебраическая сумма коэффициентов, соответствующих нагрузке слева и справа от вертикали, проходящей через рассматриваемую точку.
Нагрузка, равномерно распределенная по прямоугольной площади. Сжимающее напряжение σz в любой точке, лежащей под центром тяжести загруженного прямоугольника, стороны которого равны, может быть вычислено по формуле Лява:
, | (3.18) |
где , остальные обозначения указаны на рис. 3.8.
Значения коэффициента К5 (в СНИПе он обозначается как α) берут из табл. 11П в зависимости от значения отношений и .
Для вычисления напряжений в любой точке М, расположенной под нагруженным прямоугольником в его пределах или вне его контура, применяется метод угловых точек. Метод основан на том, что напряжение под углом загруженного прямоугольника на глубине z составляет 1/4 от величины напряжения под его центром на глубине z/2. Поэтому для вычисления угловых напряжений можно применить формулу:
|
|
. | (3.19) |
Значения коэффициента К5 можно взять по табл. 11П, а величина m принимается равной , но не как в случае центрально напряжения.
При использовании метода угловых точек любая точка М рассматривается как угловая для четырех сходящихся углами загруженных прямоугольников, а напряжение вычисляется как алгебраическая сумма напряжений от каждого их этих прямоугольников. При этом могут иметь место два принципиальных случая:
1.Точка расположена в контуре загруженного прямоугольника (рис. 3.9 а). В этом случае напряжение в точке М на глубине равно сумме напряжений в этой точке от нагрузки, переданной на отдельные прямоугольники:
σz=σ1І + σ2 І І + σ3 І І І + σ4 ІV. (3.20)
2.Точка расположена вне контура загруженного прямоугольника (рис. 3.9 б). В этом случае прямоугольник ABCD достраивают с таким расчетом, чтобы точка М * стала угловой (прямоугольник HBEM’). Вычисление сводятся к определению напряжения от прямоугольника НВЕМ’ за вычетом напряжений от «фиктивных» (достроенных) прямоугольников AHFM’ и СЕМ’G.
Для определения напряжений под загруженной площадью любой конфигурации может быть применен метод элементарного суммирования.
Рис. 3.8. Расчетная схема к формуле (3.18). | Рис. 3.9. Расчетные схемы для определения напряжений: а – под центром загруженного прямоугольника; б – в точке, расположенной вне контура загруженного прямоугольника |
Для этого загруженную площадь делят на элементы, а распределенную нагрузку на каждый элемент заменяют сосредоточенным элементарными нагрузками, что позволяет использовать при расчете формулы для сосредоточенной нагрузки.
Сжимающее напряжение в точке М на глубине z можно определить согласно выражению:
, (3.21) |
где n – число элементов, на которые разделена загруженная площадь.
Влияние на распределение напряжений анизотропии полупространства. Многие типы глинистых и песчаных грунтов характеризуются анизотропией свойств. Проявлением анизотропии является неравенство модулей деформации, вычисленных по вертикальному Еz и горизонтальному Er направлениям. В неясно слоистых грунтах отношение обычно не превышает 1,2 – 1,5; в отчетливо слоистых оно может достигать 2 – 2,5.
Вертикально сжимающее напряжение в точке М от сосредоточенной силы Р с учетом анизотропии грунта можно вычислить по формуле:
. | (3.22) |
Значения коэффициента К6 приведены в табл. 12 П.
Сопоставление значений коэффициентов К в табл. 12П и табл. 7П показывает, что при < 1 наблюдается концентрация напряжений по сравнению с изотропным полупространством. При > 1 в зависимости от значения коэффициента бокового расширения может наблюдаться как концентрация, так и рассеивание напряжений. Концентрация напряжений возрастает с увеличением коэффициента бокового расширения.
При действии линейной нагрузки интенсивностью р в аналогичных условиях для вычисления вертикальных напряжений применяется формула:
. | (3.23) |
Значения коэффициента К7 приведены в табл. 13П.
Влияние на распределение напряжений неглубоко залегающего жесткого или слабого слоя. Наличие на небольшой глубине от поверхности нажимаемого жесткого слоя (скальных или полускальных грунтов) приводит к увеличению (концентрации) сжимающих напряжений по оси нагрузки. Для случая действия местной равномерно распределенной нагрузки (в условиях пространственной задачи) нормальные напряжения на контакте двух слоев могут быть вычислены по формуле:
. | (3.24) |
Значения коэффициента К8 приведены в табл. 14П.
При наличии на некоторой глубине слабого слоя величину максимального сжимающего напряжения на контакте двух слоев при действии полосообразной равномерно распределенной нагрузки можно вычислить по формуле:
. | (3.25) |
Значения коэффициента К9 приведены в табл. 15П. Величина V в таблице представляется собой параметр, характеризующий соотношение свойств двух контактирующих слоев:
, (3.26) |
где Е1, Е2, μ1, μ2 – деформация показатели для отдельных слоев.
Распределение напряжений в массиве грунта изображается с помощью линий напряжений (изобар) или с помощью эпюр, как это показано на рис. 3.10.