Предельное напряжённое состояние оснований

1. Фазы напряженного состояния грунта

Рассмотрим типичный график развития осадки фундамента по мере его нагружения статической нагрузкой (см. схему).

График развития осадки фундамента в зависимости от его степени нагружения.

По мере нагружения основания статической нагрузкой, развитие осадки происходит неравномерно. При давлениях Р < Р_н.кр. деформирование основания происходит линейно - I фаза – фаза уплотнения грунтов;

При давлениях Р_н.кр. < Р < Р_пр. деформирование основания происходит не линейно - II фаза – фаза сдвигов (фаза развития пластических деформаций).

• Р_н.кр. – начальная критическая нагрузка;
• Р_пр. – предельное давление на основание.

2. Развитие зон пластических деформаций и перераспределение давления по подошве фундамента

Ранее рассматривали распределение давления под подошвой жесткого штампа. В этом случае в краевых точках по подошве фундамента (штампа) возникают напряжения, стремящиеся к бесконечности. Но может ли грунт воспринять ∞ большие напряжения? Конечно, нет! (Как и для любого материала).

При больших напряжениях возникают пластические деформации (происходит перераспределение напряжений), так как материал в этом месте будет обладать большей податливостью. По мере нагружения основания (см. схему) эпюра напряжений под штампом начнет изменяться (почти до треугольной эпюры).

Изменение формы эпюры контактных напряжений под жёстким штампом в зависимости от степени увеличения нагрузки.

Как же развиваются при этом зоны сдвигов, зоны пластических деформаций?

Зоны пластических деформаций под жёстким фундаментом (штампом) возникают в краевых точках нагрузки. Затем увеличиваем нагрузку Р, оставляя q – const, – зоны пластических деформаций τ будут развиваться (см. рисунок).

Формирование поверхностей скольжения под жёстким штампом в момент предельного состояния.

Возникает момент, когда при дальнейшем нагружении зоны пластических деформаций сольются в одной точке. При этом напряженном состоянии грунта, под подошвой фундамента возникает переуплотненное треугольное ядро, оказывающие расклинивающий эффект, преобладают боковые смещения частиц грунта и формируются непрерывные поверхности скольжения, в результате толща грунта теряет устойчивость. (II фаза на графике заканчивающаяся выпором грунта). (Пример - Трансконский элеватор в Канаде – жёсткое сооружение, получившее крен под углом α=27° - см. пример во введении).

3. Поверхности скольжения

В зависимости от глубины заложения фундамента различают несколько основных случаев с характерными поверхностями скольжения.

а). Фундаменты мелкого заложения

Схема формирования поверхностей скольжения в момент предельного состояния для фундамента мелкого заложения.

Выпирание грунта с провальными осадками, часто при эксцентрической нагрузке – выпирание грунта в одну сторону.

б). Фундаменты средней глубины заложения

Схема формирования поверхностей скольжения в момент предельного состояния для фундамента средней глубины заложения.

Фундамент будет более устойчив (S - «образная» поверхность скольжения).

в). Фундаменты глубокого заложения

Схема формирования поверхностей скольжения в момент предельного состояния для фундамента глубокого заложения.

В данном случае окружающий грунт уплотняется по сторонам пластичных зон. При рыхлом состоянии грунта меньше вероятность выпирания, но при плотном грунте возможно и выпирание грунта.

Если деформацию фундаментов мелкого заложения обозначить (а), фундаментов средней глубины заложения (б) и фундаментов глубокого заложения (в), то совместную их работу можно представить на ниже приведенной схеме:

Графическое сопоставление работы фундаментов мелкого (а), средней глубины (б) и глубокого заложения (в).

Анализ графиков а), б), в) (см. рисунок) показывает:

1. С увеличением h/b несущая способность грунта, при одной и той же величине осадки, увеличивается.
2. Для фундаментов мелкого заложения требуется больший коэффициент запаса – поэтому они рассчитываются по I предельному состоянию (устойчивости), а фундаменты глубокого заложения – по II предельному состоянию (деформациям).