Деформации грунта, их причины и виды
РЕФЕРАТ На тему: Деформации грунта, их причины и виды
Екатеринбург Содержание
Введение. 3 1. Деформации грунта, их причины и виды.. 4 2. Методы определения деформации грунтов. 13 Заключение. 19 Список использованной литературы.. 20 Введение
При рассмотрении деформации грунтов необходимо разделить грунты по составу. Все грунты делятся на[1]: · Песчаные; · Суглинки и супеси; · Скальные; · Глинистые; · Крупноблочные; · Лесс; · Плывуны; · Насыпные; · С органическими примесями. Чаще специалисты, чтобы не делать такую большую разбивку по типам, делят все грунты на две категории: 1. Сцементированные; 2. Несцементированные. К первой категории относятся скальные и крупноблочные грунты, отличающиеся большим коэффициентом твердости и прочности. Ко второй категории относятся все остальные типы грунтов. Это грунты, состоящие из рыхлой породы, которая легко поддается рыхлению. Но о какой бы категории грунта мы не говорили, все равно в основе всех расчетов будет лежать только один показатель – это деформация грунтов. Данный показатель определяется внешними силами, которые действуют на грунт, создавая внутри него перемещение частиц.
Деформации грунта, их причины и виды
Итак, создаваемое напряжение внутри грунта обеспечивает его деформацию. То есть нагрузка, к примеру, фундамента на грунт, создает напряжение, полученное за счет перемещения частиц грунта. Если нагрузку снять, то некоторые частицы вернутся в свое первоначальное положение, а часть останется в новом положении. Соответственно, чтобы получить полную или, как говорится, общую деформацию, необходимо сложить два вида деформации. Правда, не всегда общая деформация берется за расчетную. В каких-то случаях все же приходится брать за основу только упругую деформацию. В каких-то только остаточную. Упругая деформация грунта. Если рассматривать основные виды грунта и их особенности в отдельности, то необходимо сказать, что каждый из них делится на подгруппы. Так упругая деформация делится на деформацию сжатия-растяжения, то есть изменения объема, и на деформацию изменения формы без изменения объема. Первая обычно возникает при нагрузке, которая периодически дает сжатие и растяжение. То есть, происходит то нагрузка, то разгрузка грунта. Вторая деформация появляется только в случае мгновенной нагрузки. Обычно при упругих деформациях не происходит компрессия грунта, потому что нагрузка действует мгновенно. Правда, сюда нельзя отнести вибрацию, которая все же создает компрессионные изменения в грунтах. При закладке фундаментов можно часто наблюдать уплотнение грунта в одном месте и набухание в другом. Такой вид деформации нельзя отнести к упругим, потому что для их появления необходим определенный промежуток времени. К тому же данные процессы являются необратимыми. Также необходимо отметить деформацию ползучести, где в структуре грунта появляются сдвиги частиц относительно друг друга. Такая деформация может со временем остановится, тогда она носит название затухающей. Если сдвиг продолжается в течение продолжительного времени, то такая деформация носит название установившейся. Обычно скорость такой деформации не меняется во времени. Остаточная деформация грунта. И все же остаточная деформация будет считаться основным показателем, который будет влиять на выбор вида фундамента для загородного дома. Она обычно появляется при изломе грунта и разрушении структуры самих частиц. Часто можно простым взглядом обозревать появление на поверхности грунта остаточной деформации, если нагрузка повторяется не один раз. К примеру, появление колеи на проселочных дорогах. Периодические нагрузки становятся причиной, от которой остаточная деформация просто накапливается. Физических причин, по которым будут возникать те или иные виды деформаций грунта, могут быть различны. Часто сочетание причин вызывают деформацию. Но без какой-либо нагрузки деформации возникнуть не могут. Под постоянным давлением от массы сооружения грунты в основании его фундамента постепенно уплотняются (сжимаются) и происходит смещение в вертикальной плоскости, называемое осадкой сооружения. Кроме давления от собственной массы, осадка может быть вызвана и другими причинами: карстовыми и оползневыми явлениями, изменением уровня грунтовых вод, работой тяжелых механизмов, движением транспорта, сейсмическими явлениями и т.п. При коренном изменении структуры пористых и рыхлых грунтов происходит быстро протекающая во времени деформация, называемая просадкой. В случае когда грунты под фундаментом сооружения сжимаются неодинаково или нагрузка на грунт различная, осадка имеет неравномерный характер. Это приводит к другим видам деформаций сооружений: горизонтальным смещениям, сдвигам, перекосам, прогибам, которые внешне могут проявляться в виде трещин и даже разломов. Смещение сооружений в горизонтальной плоскости может быть вызвано боковым давлением фунта, воды, ветра и т.п. Высокие сооружения башенного типа (дымовые трубы, телебашни и т.п.) испытывают кручение и изгибу вызываемые неравномерным солнечным нагревом или давлением ветра. Для изучения деформаций в характерных местах сооружения фиксируют точки и определяют изменение их пространственного положения за выбранный промежуток времени. При этом определенное положение и время принимают за начальные. Кручение относительно вертикальной оси характерно в основном для сооружений башенного типа. Оно определяется как изменение углового положения радиуса фиксированной точки, проведенного из центра исследуемого горизонтального сечения. Действие внешних сил на тело вызывает его перемещения. Если тело совершает поступательное движение или вращается без изменения относительного расположения частиц, то оно не деформируется; такие перемещения не вызывают, никаких внутренних напряжений. Только перемещения отдельных частиц тела связаны с возникновением в нем напряженного состояния. Если нагрузку, грунтов приложенную к деформируемому телу, снять, то одни частицы тела возвратятся в прежнее положение, а другие останутся в положении, полученном при действии нагрузки, т. е. наблюдаются упругие и остаточные деформации. В твердых телах, например в металлах, величина остаточных деформаций незначительна, и ими часто можно пренебречь, т. е. рассматривать такие тела как упругие. В грунтах же при действии внешних сил возникают как упругие, так и остаточные деформации, причем остаточные деформации часто в десятки раз превосходят упругие. Существенным отличием грунтов от упругих тел является то, что при действии внешних нагрузок остаточные деформации всегда сопутствуют упругим, даже при незначительных нагрузках. Сумма остаточных и упругих деформаций составляет общую деформацию. В одних случаях особо важное значение приобретает общая деформация грунтов, в других — упругая и, наконец, остаточная. Различные виды деформаций грунтов обусловливаются различными физическими причинами, вызывающими их. Упругие деформации могут быть двух родов: упругие изменения объема (деформации сжатия-растяжения), что наблюдается при периодической сжимающей или растягивающей нагрузке и разгрузке, и упругие искажения формы без изменения объема, происходящие главным образом при мгновенных нагрузках. Так как упругие деформации распространяются со скоростью звука, то компрессионных изменений грунта практически за время действия мгновенных нагрузок (за исключением вибраций) не возникает, ибо для их развития требуется достаточный промежуток времени. Деформации уплотнения и набухания, которые следует отнести к неупругим деформациям, требуют значительного времени для своего развития и обусловливаются компрессионными свойствами грунтов. Виды деформаций грунтов и причины, их обусловливающие набухания грунтов являются необратимыми, поскольку кривая уплотнения не совпадает с кривой набухания, что происходит вследствие нарушения структуры грунта в процессе его консолидации. Деформации ползучести обусловлены взаимными сдвигами частиц, причем в зависимости от того, какой процесс при данной нагрузке преобладает — упрочнение или сдвиг, ползучесть может быть затухающей или установившейся с постоянной скоростью деформирования. Чисто остаточная деформация грунтов возникает вследствие разрушения структуры и излома частиц будет существенным фактором для сооружений, возводимых из грунта. В результате действия повторных нагрузок остаточная деформация накапливается, и, например, в грунтовых дорогах образуются колеи, ухудшающие проходимость. Рассмотренные физические причины, обусловливающие характер тех или иных видов деформаций грунтов, в естественных условиях могут существовать в многообразном сочетании. В одних случаях основное значение будут иметь одни причины, в других — другие; иногда же на деформации будут влиять одновременно несколько причин. Грунты обладают как упругими, так и остаточными свойствами, что хорошо видно по результатам компрессионных испытаний (см. рисунок 1). Как видно из представленного рисунка, после разгрузки обратная ветвь компрессионной кривой (к.к.) не возвращается в исходное положение. В результате, на оси ординат легко определяются два участка значений коэффициента пористости с упругими и остаточными свойствами.
Рисунок 1 – Проявление в грунте как упругих, так и остаточных свойств
Таким образом, в общем случае, грунты при деформировании обладают как упругими, так и остаточными свойствами. Физические причины упругих деформаций[2]: · упругость минеральных частиц грунта; · упругость воды; · упругость замкнутых пузырьков воздуха. Физические причины остаточных деформаций: · уплотнение грунта; · сдвиги частиц грунта; · разрушение частиц в точках контакта. Для различных грунтов соотношения между упругими и остаточными деформациями различны. Так для песчаных грунтов упругость практически не проявляется, а вот для глинистых грунтов, упругие свойства могут быть весьма значительны. Чаще всего, практически в строительстве рассматриваются линейные деформации, т.е. до напряжений, равных R (см. рисунок 2). В этом случае правомерно в расчётах механики грунтов использовать аппарат теории упругости и инженерные методы расчёта осадок.
Рисунок 2 – Зависимость осадки основания от прикладываемого давления при постоянном статическом нагружении
При многократном нагружении основания общие деформации грунта стремятся к некоторому пределу (см. рисунок 3).
Рисунок 3 – Проявление упругих свойств грунта при многократном приложении и снятии нагрузки
При большом числе циклов нагружения появляются лишь упругие деформации, т.е. грунт приобретает упруго – уплотненное состояние. (Имеет практическое значение для строителей дорог, насыпей и т.д.) При уплотнении оснований (см. график на рисунке 4) скорость осадки фундамента (сооружения) зависит прежде всего от скорости отжатия воды из пор грунта (фильтрационная консолидация).
Рисунок 4 – Принципиальные отличия деформации во времени для сыпучего и связного грунтов
Затем возникают осадки реологического характера (ползучесть скелета грунта). Такие осадки (деформации грунта во времени) могут для связных глинистых грунтов продолжаться сотни лет (пример: Пизанская башня в Италии). Для песчаных грунтов деформации могут стабилизироваться уже в период возведения здания, т.е. примерно через 3…5 лет. Экспериментальная зависимость осадки (S) (деформации) основания от размеров (в) подошвы фундамента (при прочих равных условиях) в общем случае, может быть представлена в виде графика на нижерасположенном рисунке. Полученную графическую зависимость S=S(в) можно условно разделить на ряд участков[3]: · При в < 0,5 м деформации очень большие (возможен выпор грунта или достижение I предельного состояния); · При в ≈ 0,5 м - малая сжимаемая толща (осадки малы); · При в > 0,5 м – увеличение активной сжимаемой зоны – увеличение деформации в целом. · При в > 7 м (А > 50 м2) осадки меньше теоретических, т.к. активная сжимаемая зона уходит в более плотные нижние слои грунта (проявляется, как правило, возрастание модуля деформации с глубиной).
Рисунок 5 – График зависимости осадки от ширины подошвы фундамента (при прочих равных условиях)
Рисунок 6 – Схема изменения глубины сжимаемой толщи в зависимости от ширины подошвы фундамента (при прочих равных условиях)
В данном случае рассматривается задача определения осадки слоя грунта толщиной (h), нагруженного сплошной равномерно распределённой нагрузкой интенсивностью (Р). Сжимаемый слой (h) подстилается практически не деформированным слоем (скалой, щебнем и т.д.). Расчетная схема, представленная на рисунке, соответствует практической задачи сжатия слоя грунта от нагрузки в виде насыпи, плотины и т.п.
Рисунок 7 – Расчётная схема для определения осадки слоя грунта толщиной h при сплошной равномерно распределённой нагрузке
|
