Вводная часть
Задача расчета напряженно-деформированного состояния системы «ограждение котлована - массив грунта» является достаточно сложной, поскольку на результаты расчета влияет большое количество факторов, таких как:
· физические, прочностные и деформационные свойства грунтов;
· жесткость элементов ограждающей конструкции;
· процесс производства работ;
· нагрузки на бровке котлована;
· гидрологический режим площадки строительства.
Основная часть
Ввиду сложности задачи для её решения были разработаны упрощенные методики расчета, основанные на теории предельного напряженного состояния. Данная теория предполагает переход всей рассматриваемой зоны грунта (призмы обрушения) в предельное напряженное состояние. Это позволяет применять к элементам этой зоны уравнение предельного равновесия, известное как закон Кулона τ*=σ*tg(φ)+c. Также, вводится гипотеза о прямолинейности поверхностей скольжения, что значительно упрощает расчёты. Для расчета давления принимается, что грунт находится в активном предельном состоянии (вертикальное напряжение превышает горизонтальное), для реализации которого необходимо некоторое смещение ограждения по направлению давления грунта, которое обычно происходит вследствие конечной жесткости ограждающих конструкций и податливости грунта.
Активное давление – наименьшее возможное давление, пассивное – наибольшее. Активное давление реализуется при движении стенки от грунта (типичные подпорные стены), а пассивное – при движении стенки на грунт (устои мостов при наличии распора).
Аналитический подход применим в некоторых случаях и оправдывается опытом, но на данном этапе развития геотехники существуют новые более качественные методы оценки давления грунтов на ограждения, оценки устойчивости сооружений и возникающих в элементах сооружений усилий. Эти методы основываются на применении метода конечных элементов и способны учесть намного большее количество факторов, влияющих на основные результаты расчетов.
Рассмотрим, как изменяется напряженное состояние элемента грунта А за ограждением котлована. В состоянии природного залегания грунт на некоторой глубине h уплотнен вышележащим грунтом. Для простоты будем считать, что массив грунта однородный и изотропный. Тогда напряженное состояние будет соответствовать показанному на рисунке 1, на котором σ1=γh, σ3=K0*γh, где K0 – коэффициент бокового давления грунта в состоянии покоя.
В процессе разработки котлована напряженное состояние будет изменяться главным образом за счет изменения напряжения σ3, которое уменьшается за счет того, что с одной стороны элемента А (область разработки на рисунке 3) грунт вынимается и элементу больше некуда «упираться».
В то же время прочность грунта зависит от величины его обжатия – напряжения σ3. Данная зависимость выражается законом Кулона, рассмотренном подробно в статье 1 настоящего цикла. Следовательно, при уменьшении сдерживающего напряжения σ3 прочность грунта уменьшается, и он может перейти в состояние предельного равновесия (разрушиться). Данный процесс можно проиллюстрировать наглядно с помощью кругов Мора.
Круг 1 иллюстрирует исходное напряженное состояние. В процессе уменьшения напряжения σ3 от исходного значения до предельного круг все время приближается к предельной прямой и разрушается в положении 2, когда касается её. Такое предельное напряженное состояние грунта, при котором вертикальное напряжение больше горизонтального, называется активным. Если в процессе нагружения напряжение σ3 становится больше σ1 , то напряженное состояние в предельном состоянии (перед разрушением) называется пассивным.
Особенности деформирования грунтов, проявляющиеся в процессе разработки котлована, возможно учесть с помощью расчетов методом конечных элементов с применением модели упрочняющегося грунта Hardening Soil. Данная упругопластическая модель описывает нелинейное деформирование грунтов как при объемном уплотнении, так и при сдвиге. В качестве критерия прочности модель использует условие Мора-Кулона. Кроме того, модель учитывает увеличение жесткости грунта при обжатии и ряд других особенностей (дилатансия, переуплотнение). Использование этой модели требует предварительного определения специальных параметров грунтов, для чего необходимо проведение компрессионных и трехосных испытаний (с циклом разгрузки и повторного нагружения).
Параметры прочности определяются на основе стандартных сдвиговых испытаний, но только их использование не позволяет качественно оценить напряженно-деформированное состояние системы, а позволяет лишь оценить её прочность и устойчивость.
Таким образом, при наличии качественно выполненных лабораторных испытаний грунтов, можно с помощью расчетов достаточно точно оценить напряженно-деформированное состояние системы «ограждение - массив грунта» и сделать выводы об её устойчивости. Результат расчета перемещений системы с тремя уровнями анкерных креплений показан на рисунке 5.
При расчете сложных систем с учетом стадийности на каждом этапе изменяется напряженно-деформированное состояние системы. Стадийный подход позволяет учесть историю нагружения грунта. Эпюры давлений грунта на ограждение не являются линейными, как принято в аналитических расчетных схемах. Эпюра давления грунта на ограждение с анкерной системой крепления показана на рисунке 6.
В случаях сложных систем ограждений для наиболее точного расчета задача решается в пространственной постановке. Пример расчетной схемы системы ограждения котлована с подкосами приведен на рисунке 7.
Подобный анализ напряженно-деформированного состояния системы «ограждение котлована – массив грунта» позволяет полностью оценить возникающие деформации и усилия, что позволяет принимать наиболее экономичные и технически целесообразные конструктивные решения.
