При возрастании нагрузки

Пусть на поверхности грунта установлен жесткий штамп (модель фундамента), передающий на грунт возрастающее давление р (рис. 5.1). Под действием этого давления будет происходить перемещение поверхности грунта (осадка штампа) s, величина которого возрастает с увеличением давления. При этом в массиве грунта под штампом кроме сжимающих напряжений действуют и касательные (сдвигающие) напряжения.

Рис. 5.1. Схема опыта по испытанию жесткого штампа

Рассмотрим зависимость осадки штампа от давления (рис. 5.2, а).

На графике зависимости осадки штампа от давления по подошве можно выделить три характерных участка, соответствующих трем фазам напряженного состояния грунта при увеличении нагрузки.

Участок 0а соответствует I фазе напряженного состояния, называемой фазой уплотнения. Здесь зависимость между осадкой штампа и действующим давлением близка к линейной. При этом перемещение частиц грунта под фундаментом имеет преимущественно вертикальное направление и приводит к уменьшению пористости грунта, т.е. к его уплотнению. Развивающиеся в основании под краями штампа касательные напряжения не превышают предельных значений, т.е. ни в одной точке основания не возникает предельное состояние (рис. 5.3, а). В этой фазе деформации грунта со временем затухают (рис. 5.2, б), то есть скорость деформаций стремится к нулю (ds/dt → 0). Такой характер развития деформаций называется затухающей ползучестью. Практически это означает, что при строительстве здания деформации под фундаментами прекращаются вскоре после его возведения.

а) б)

Рис. 5.2. Зависимость осадки штампа от давления по подошве (а) и развитие осадки во времени при различном значении давления (б)

Наибольшее давление, соответствующее концу фазы уплотнения, называется начальной критической нагрузкой p _{нач. кр}. Эта нагрузка является абсолютно безопасной для основания.

При дальнейшем увеличении нагрузки график зависимости осадки штампа от действующего давления отклоняется от линейного (участок аb на рис. 5.2, а). Напряженное состояние основания переходит во II фазу, называемую фазой сдвигов. В точках под краями штампа, где имеет место концентрация напряжений, касательные напряжения становятся равными их предельным значениям. По мере роста нагрузки эти точки объединяются, и под краями штампа формируются зоны предельного равновесия, или зоны сдвигов (рис. 5.3 б). Зоной предельного равновесия в грунте называют геометрическое место точек, в которых не удовлетворяются условия прочности Кулона – Мора (формула (2.30)). В этих зонах возникают сдвиговые деформации, имеющие пластический характер. Траектории частиц грунта здесь отклоняются от вертикальных и направляются в стороны от штампа. По мере роста нагрузки зоны сдвигов увеличиваются и образуются замкнутые области предельного равновесия грунта. В этой фазе возможно постепенное увеличение деформаций со временем с постоянной скоростью (ds/dt = const), которое называется установившейся ползучестью. На практике это может привести к тому, что через какое-то время после окончания строительства деформации под фундаментами достигнут предельных значений и нормальная эксплуатация здания будет затруднена.

Концу фазы сдвигов соответствует нагрузка, называемая предельной критической нагрузкой р _{пред. кр}. Эта нагрузка соответствует полному исчерпанию несущей способности основания и переходу в III фазу – фазу разрушения и потери устойчивости. К этому моменту непосредственно под подошвой жесткого штампа формируется уплотненное ядро грунта, в котором перемещения частиц ограничены. Это ядро становится как бы продолжением штампа и перемещается вместе с ним, раздвигая грунт в стороны и обусловливая значительные осадки штампа (рис. 5.3, в). При этом осадки начинают расти с возрастающей скоростью (ds/dt → ∞), развивается прогрессирующая ползучесть (или пластическое течение) грунта (рис. 5.2, б).

После формирования жесткого ядра и полного развития зон предельного равновесия в грунте возникают непрерывные поверхности скольжения, выходящие на поверхность и отделяющие основание штампа от нижележащего грунта. Происходит потеря устойчивости грунта в основании, сопровождающаяся прогрессирующим пластическим течением, выпиранием грунта на поверхность или провальными осадками.

Рис. 5.3. Фазы напряженного состояния в грунте:

а – конец фазы уплотнения – начало фазы сдвигов; б – фаза сдвигов;

в – линии скольжения и уплотненное ядро при полном развитии зон

предельного равновесия;

1 – уплотненное ядро; 2 – зоны предельного равновесия;

3 – линии скольжения; 4 – выпор грунта

Если рассматривается одиночный штамп (фундамент), то после потери устойчивости основания он переходит в новое состояние равновесия, соответствующее новым граничным условиям. Однако, для фундаментов сооружения наступление состояния потери устойчивости даже одного фундамента недопустимо, так как это приводит к перегрузке и дальнейшей потере устойчивости других фундаментов и разрушению всего сооружения.

В зависимости от глубины заложения фундамента возможны несколько основных случаев с характерным развитием поверхностей скольжения:

1 - фундаменты мелкого заложения (d/b ≤ 0,5). В этом случае происходит выпирание грунта с провальными осадками, а при нагрузке, приложенной с некоторым эксцентриситетом – выпирание грунта в одну сторону (рис. 5.4, а);

2 - фундаменты средней глубины заложения (0,5< d/b ≤ 2). Такой фундамент более устойчив, и выпирание грунта чаще всего не происходит;

3 - фундамент глубокого заложения (d/b > 2). В этом случае происходит уплотнение окружающего грунта по сторонам зон предельного равновесия, а линии скольжения не выходят на поверхность и выпирание грунта не происходит.