Модели механического поведении грунта

Для надежного и экономичного проектирования сооружений необходимо уметь опредлять изменение напряжений в грунтах основания в результате строительства, оценивать, будет ли обеспечена прочность грунтов при таком изменении напряжений и какие в результате возникнут деформации основания. В конечном счете общая задача, как и в других дисциплинах конструкторского цикла, заключается в расчет напряженно-деформированного состояния грунтов основания, взаимодействующего с сооружением, оценке их прочности и устойчивости.

Однако из-за указанных выше особенностей поведения грунта в основании сооружений обычный подход строительной механики для решения этой задачи оказывается недостаточным, возникает необходимость разработки такой модели грунта, которая учитывала бы основные особенности его деформирования, и такого аппарата анализа, который позволял бы прогнозировать происходящие в грунтах основания процессы. Для этих целей могут быт использованы модель дискретной среды или модель сплошной среды.

В первом случае делается попытка отобразить в расчетной модели физические особенности грунта как дискретного материале, представляя его в виде совокупности отдельных частиц – шаров, дисков, балочек и т. п. (работы Г. И. Покровского, И. И. Кандаурова, Р. Роу и др.). Однако развитие этого направления встречается с большими сложностями и пока еще не привело к создании законченной теории деформирования грунтов. Современная механика грунтов основывается на представлениях о грунтах как о сплошной однородной деформируемой среде.

Такая концепция сплошности вещества, хотя и противоречит представлениям об атомном (дискретном) строении материи, является основным постулатом механики сплошной среды. Это обеспечило разработку мощного математического аппарата с единым подходом к изучению всех твердых тел, жидкостей и газов.

Применительно к грунтам концепция сплошности была утверждена еще в 30-х годах прошлого столетия классическими работами К. Терцаги, Н. М. Герсеванова, В. А. Флорина, Н. А. Цытовича и успешно развивается в нашей стране и за рубежом. Однако это потребовало введения ряда предпосылок, упрощающих реальное строение грунта, важнейшие из которых рассматривают ниже.

Во-первых, вводится понятие элементарного объема грунта, т. е. такого его объема, линейный размер которого во много pаз превышает линейный размер частиц или агрегатов, слагающих этот грунт. Тогда понятия напряжений и деформаций относятся уже не к точке как в механике сплошной среды, а к площадкам, соответствующим элементарному объему. Кроме того, размеры образца грунта для экспериментального определения характеристик его механических свойств в предположении сплошности материала должны быть значительно больше линейного размера элементарного объема. Во-вторых, применение аппарата механики сплошной среды для расчетов напряжений и деформаций в массиве грунта оказывается справедливым только в тех случаях, когда размеры массива и размеры площадок, через которые передаются нагрузки массив, значительно больше размера элементарного объема грунта.

В большинстве случаев (для песчаных и глинистых грунтов) эти условия всегда выполняются. Действительно, легко подсчитать, что 1 см³ песка средней крупности будет содержаться порядка 50 тыс. отдельных частиц. Следовательно, площадки, к которым относятся напряжения и деформации, будут иметь размеры менее 1 см, а образец для испытания грунта, чтобы неоднородности отдельных частиц не влияли на его свойства, может иметь размеры в несколько сантиметров. С другой стороны, при ширине фундамента, например, 1 м точность определения напряжений и деформаций в основании, сложенном такими песками, будет достаточна для инженерных расчетов.

Значительно осторожнее следует относиться к использованию модели сплошной среды в случае крупнообломочных и трещиноватых скальных грунтов. Здесь уже может потребоваться проведение испытаний с очень крупными образцами или даже переход к крупномасштабным полевым опытам.

Другим важным упрощением реального строения грунта является представление его в виде изотропного тела, т. е. тела, у которого свойства образцов, вырезанных по любому направлению, одинаковы. Это условие применимо не ко всем разновидностям грунтов (не являются изотропными ленточные глины, скальные грунты с системной трещиноватостью или слоистостью и т. п.). Однако применение аппарата механики анизотропных сред к расчетам таких грунтов связано с большими трудностями и во многих случаях с достаточной для инженерных целей точностью их можно рассматривать как изотропные тела.

При проектировании ответственных сооружений используются и более сложные модели. К ним относятся модель двухкомпонентного грунта (модель грунтовой массы, когда все поры практически заполнены водой и содержание газа в грунте относительно невелико) и модель трехкомпонентного грунта (когда в грунте присутствуют все три компоненты: твердые частицы, жидкость и газы). Здесь уже принимаются во внимание различная деформируемость каждой компоненты, взаимодействие их между собой и изменение количественного содержания каждой компоненты в единице объема грунта в процессе его деформирования.

Дата добавления: 2014-01-05