Методы определения деформации грунтов

 

Определение жесткости грунта или модулей деформации необходимо для решения одной из основных теоретических задач фундаментостроения, которой является прогноз осадки фундаментов. Методы расчета осадки приведены в СП 50-101-2004 «Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений».

Модуль деформации рекомендуется определять с использованием лабораторных и полевых методов испытаний грунтов. Методика компрессионного и трехосного определения модулей деформации приведена в ГОСТ 12248-96. Методика полевого определения модуля деформации изложена в ГОСТ 20276-85 «Методы полевого определения характеристик деформируемости».

В приведенных ГОСТ рекомендуется определять модуль деформации, который учитывает как упругую, так и остаточную деформацию. Выделить из этих испытаний чисто упругий модуль деформации возможно только используя ветвь разгрузки зависимости «напряжение-деформация».

В то же время упругий модуль может быть измерен в лаборатории используя динамические трехосные испытания или резонантные испытания образцов в условиях одноосного сжатия. Однако это связано с отбором образцов и не всегда возможно или удобно при массовых и необходимом быстром их определении.

Деформации грунтов оснований зданий и сооружений определяются с использованием упругих параметров: модуля деформации Е; модуля сдвига G, модуля объемной деформации К и коэффициента Пуассона . В большинстве случаев основание является многослойным и модули упругости могут изменяться значительно от слоя к слою, возрастая, как правило, с глубиной.

Основными упругими параметрами являются модуль деформации и коэффициент Пуассона. Используя решения теории упругости остальные модули определяются с использованием выражений, которые приведены в таблице 1.[4]

Таблица 1 – Соотношение между модулями деформации

 

Модуль сдвига, G	Модуль упругости, E	Модуль M	Объемный модуль, К	Постоянная Ламе,	Коэффициент Пуассона,

 

Значения модуля деформации как функция глубины могут быть оценены из эмпирической корреляции результатов лабораторных испытаний образцов грунта ненарушенной структуры и результатов полевых испытаний.

Лабораторные методы. Модуль деформации или как его называют в механике сплошной среды – модуль Юнга является коэффициентом пропорциональности зависимости «деформация-напряжение», предложенной Гуком в виде

в котором каждому равному приращению одноосного напряжения соответствует пропорциональное возрастание деформации .

В таблице 2 приведены лабораторные методы определения модулей деформации.

 

Таблица 2 – Модули деформации

Тип испытаний	Описание	Диаграммы
Одноосное сжатие	Увеличение при постоянных . Траектория нагружения ОА. Определение модуля деформации, Е
Гидростатическое (всестороннее) сжатие	Увеличение , , равным образом. Траектория нагружения НСТ. Определение модуля объемной деформации, К
Простой сдвиг	После гидростатического нагружения остается постоянным, но два других напряжения изменяются , . Траектория нагружения SST. Определение модуля сдвига, G
Компрессионное сжатие	Увеличение при не-возможности бокового рас-ширения . Определение компрессионного модуля деформации, Ed
Стандартное трехосное сжатие	После гидростатического нагружения до , возрастает, а до разрушения. Траектория нагружения СТСТ. Определение касательного модуля деформации, Еt при сжатии
Стандартное трехосное расширение	После гидростатического нагружения до , возрастают, а . Траектория нагружения СТЕТ. Определение кассательного модуля деформации, Еt при расширении

 

Закон Гука был вначале разработан для описания однородных и изотропных материалов рассматривая упругое поведение металлов при растяжении. Грунты показывают линейно упругое поведение до относительно небольших нагрузок. Однако даже при этом при разгрузке в грунтах возникает остаточная деформация. Поэтому при нагружении до предела пропорциональности для грунтов также справедлива линейная зависимость Гука, однако при больших нагрузках деформации в грунтах нелинейно зависят от напряжений. Это особенно важно при проектировании высотных зданий, когда давление по подошве фундаментов может составлять 600-800 кПа.

Испытания образцов грунта в стабилометре позволяют определять касательный модуль деформации подобный модулю Юнга[5]. Подобие модуля деформации модулю Юнга позволяет использовать решения теории упругости при расчете осадки фундаментов.

Прессиометрические испытания. Используется несколько конструкций прессиометра. В ГОСТ 20276-85 приведены два метода испытаний радиальным и лопастным прессиометрами.

В радиальном прессиометре в ходе испытаний выполняется измерение расширения резиновой камеры при заданном давлении жидкости или воздуха, опущенную на заданную глубину в пробуренную скважину.

В лопастном прессиометре в грунт вдавливаются два жестких штампа прямоугольной формы, площадь которых зависит от глубины испытания и вида грунта.

Самозабуривающийся прессиометр включает режущую часть при помощи которой выполняется разбуривание грунта с одновременной промывкой водой и удалением грунта на поверхность. Считается, что самозабуривающийся прессиометр вносит меньшие изменения структуры грунта по сравнению с баллонным прессиометром. Результаты испытаний с использованием баллонного прессиометра, показываюи на то, что прессиометрический модуль деформации в начале возрастает с ростом радиального безразмерного отношения . Результаты испытаний самозабуривающимся прессиометром отличаются тем, что вначале высокие значения модуля деформации затем уменьшаются с ростом изменения объема без начального возрастания модуля. Прессиометрический модуль равен двойному значению модуля сдвига. Если грунт при разгрузке ведет себя упруго, то модуль деформации . По стандарту ASTM 4719 модуль деформации определяется с использованием выражения

где – коэффициент Пуассона, принимаемый равным 0,33; – изменение давления; – радиус скважины; – изменение радиуса от на средней точке прямолинейного участка прессиометрической кривой; – изменение в радиусе на выбранном прямолинейном участке прессиометрической кривой.

Заключение

 

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.

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.

Физические причины упругих деформаций: упругость минеральных частиц грунта; упругость воды; упругость замкнутых пузырьков воздуха. Физические причины остаточных деформаций: уплотнение грунта; сдвиги частиц грунта; разрушение частиц в точках контакта.

Определение жесткости грунта или модулей деформации необходимо для решения одной из основных теоретических задач фундаментостроения, которой является прогноз осадки фундаментов. Методы расчета осадки приведены в СП 50-101-2004 «Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений».

Модуль деформации рекомендуется определять с использованием лабораторных и полевых методов испытаний грунтов. Методика компрессионного и трехосного определения модулей деформации приведена в ГОСТ 12248-96. Методика полевого определения модуля деформации изложена в ГОСТ 20276-85 «Методы полевого определения характеристик деформируемости».

Список использованной литературы

1. Амарян Л.С. Прочность и деформируемость торфяных грунтов. - М.: Недра, 1969. - 192 с.

2. Бартоломей А.А. Механика грунтов – М.: АСВ, 2008.–302с.

3. Далматов Б.И. и др. Механика грунтов – М.-СПб.: АСВ. 2009. – 201с.

4. Ухов С.Б. «Механика грунтов, основания и фундаменты» [С.Б.Ухов и др.]. – М.: Высшая школа, 2007. – 565с.

5. Цытович Н.А. Механика грунтов. – М.: Высшая школа, 2006. – 288с.

[1] Бартоломей А.А. Механика грунтов – М.: АСВ, 2008. – С.105.

 

[2] Цытович Н.А. Механика грунтов. – М.: Высшая школа, 2006. – С.121.

 

[3] Ухов С.Б. «Механика грунтов, основания и фундаменты» [С.Б.Ухов и др.]. – М.: Высшая школа, 2007. – С.212.

 

[4] Цытович Н.А. Механика грунтов. – М.: Высшая школа, 2006. – С.201.

 

[5] Ухов С.Б. «Механика грунтов, основания и фундаменты» [С.Б.Ухов и др.]. – М.: Высшая школа, 2007. – С.308.