Деформируемость грунтов

Вводная часть

В данной статье будет рассмотрен важный вопрос о деформировании грунтов под нагрузкой.

Деформируемость дисперсных (нескальных) грунтов под нагрузкой на несколько порядков превышает деформируемость конструкционных материалов. Поэтому при строительстве сооружений всегда возникают их осадки, предельная величина которых ограничена действующими нормативными документами.

Основная часть

Наиболее простым способом изучения деформирования грунта под нагрузкой является компрессионное испытание. Схема компрессионного опыта и зависимость вертикальной деформации от вертикального напряжения показана на рисунке 1.

Рисунок 1 Схема испытания грунта в компрессионном приборе

В ходе опыта образец находится в условиях невозможности бокового расширения. Форма образца меняется только за счет сжатия в вертикальном направлении. Зависимость деформации от напряжения, как видно из графика, не является линейной. Это значит, что модуль деформации грунта меняется при изменении напряжений. В ходе инженерно-геологических изысканий обычно определяется секущий модуль деформации в диапазоне 0,1-0,2МПа, хотя в основании многоэтажных зданий грунт испытывает большие напряжения, а значит имеет больший модуль деформации. Однако модуль деформации растет вместе с ростом напряжений, поэтому брать для расчета модуль при конечной нагрузке на основание нельзя. Обычно в рамках изысканий компрессионный модуль приводится к штамповому с помощью переходных коэффициентов. Значение штампового модуля можно использовать при расчетах осадки методом послойного суммирования.

Другим способом изучения деформируемости грунтов является их испытания в приборах трехосного сжатия. Схема прибора и график зависимости вертикальной деформации от вертикального напряжения показаны на рисунке 2.

Рисунок 2 Схема испытания грунта в приборе трехосного сжатия

В условиях трехосного сжатия у грунта есть возможность бокового расширения, что больше соответствует его поведению в реальном массиве. Зависимость деформации от напряжения является также нелинейной и говорит о зависимости модуля деформации от напряжений.

Принципиальная разница графиков 1 и 2 заключается в том, что в случае компрессионного сжатия скорость роста деформаций со временем уменьшается и модуль увеличивается, а в случае трехосного сжатия скорость роста деформаций, наоборот, нарастает и модуль уменьшается. Данный факт говорит о целесообразности разделения двух процессов деформирования грунтов – затухающей объемной и прогрессирующей сдвиговой деформации.

Если в приборе трехосного сжатия увеличить боковое давление, то жесткость и прочность грунта (предельное касательное напряжение) возрастет. Данный эффект показан на рисунке 3.

Рисунок 3 Рост жесткости и прочности грунта при увеличении бокового давления

Еще одной особенностью деформирования грунтов является принципиально разное поведение при нагружении и разгрузке. Так как грунт является упругопластическим материалом, то после разгрузки он никогда не возвращается в исходное состояние. Модуль деформации грунта при разгрузке может в 3-9 раз превышать модуль деформации при нагружении. Этот модуль называется модулем упругости, поскольку грунт разгружается практически по прямой линии. Разница модулей видна на рисунке 4 в виде разного наклона прямых, соответствующих процессам нагрузки и разгрузки.

Рисунок 4. Деформирование грунта в приборе трехосного сжатия с ветвью разгрузки

Заключительная часть

Подводя итог, отметим основные закономерности деформирования грунтов:

1) Модуль деформации не является постоянной величиной, а зависит от действующего уровня напряжений;

2) Процесс деформирования грунтов при объемном сжатии и при сдвиге принципиально различается;

3) Модуль упругости грунта, проявляющийся при снятии напряжений, значительно превышает модуль деформации при первичном нагружении.