4. Деформації грунтів і розрахунок осідань фундаментів

4.1. Види деформацій грунтів і причини, що їх обумовлюють

Визначення деформації ґрунтів під дією зовнішніх сил має значення для практики проектування фундаментів споруд. Чинниками, що визначають довговічність споруд є не напруги у ґрунті (якщо вони не ся­гають граничних величин), а деформації підґрунть, їх осідання, під якими розуміють звичайно вертикальні зсуви ґрунту. Рівномірне осідання усієї споруди не викликає додаткових напруг в його конструкціях, але різниця осідань окремих частин підґрунтя особливо позначається на міцності фундаментів і будов. А оскільки різ­ниця осідань буває тим більшою, ніж більше абсолют­не осідання, то важливо знати величини абсолютних осідань і різниці осідань окремих частин споруд.

Ґрунти є багатофазними системами частинок, деформації яких залежать як від загальної зміни їх об'єму (ущільнення, набрякання і ін.), так і від деформації усіх компонентів (фаз), що складають ґрунти (повзучість скелета, стисливість порової води, а також включень пари і газів і ін.), і їх взаємодії. На практиці в одних випадках мають першорядне значення пружні деформації, наприклад при розрахунку на динамічні навантаження (включаючи і сейсмічні дії) і при розрахунку гнучких фунда­ментів на спільну роботу їх з підґрунтям, що стискається, в інших - непружні (ущільнення і набрякання) - при розрахунку, головним чином, масивних фундаментів по граничних деформаціях (для визначення величини повного осідання підґрунть і загасання осідань у часі), а іноді - чисто залишкові (при утворенні колій на вдосконалених ґрунтових дорогах) і т.п.

4.2. Пружні деформації грунтів і методи їх визначення

Умови виникнення пружних деформацій в ґрунтах. Хоча пружність є загальною властивістю всіх тіл природи, але ґрунти можна розглядати як пружні тіла лише за певних умов. При дії місцевого навантаження (більшого структурної міцності ґрунту) і однократному завантаженні і розвантаженні в ґрунті спостерігатимуться як залишкові, так і пружні деформації, причому залишкові деформації часто у багато разів перевищують по величині пружні деформації; при багатократній дії навантаження і розвантаження ґрунт поступово приходить у пружно-ущільнений стан, що характеризується постійністю (для дан­их умов навантаження) його пружних властивостей.

Якщо збільшити навантаження на ґрунт понад того, при якому ґрунт прийняв пружно-ущільнений стан, то у ґрунті знов виникнути значні залишкові деформації, які при достатньо великому числі циклів завантаження і розвантаження приведуть ґрунт до нового пружно-ущільнененого стану, але з більшим модулем пружності (меншим нахилом до осі тиску кривої деформацій ґрунту при розвантаженні). Зрозуміло що таке збільшення ступенів навантаження можна проводити лише до відомої величини, поки не бу­де перевищена межа фази ущільнення ґрунту і не наступить фаза розвитку зсувів.

Якщо ґрунт має зв'язність, то до навантаження, не руйнуючого структурних зв'язків, і при малих переміщеннях частинок і струк­турних елементів ґрунтів він поводитиметься як пружне тіло на що указує безпосередній досвід передавання пружних коливань: вібрації, сейсмічних хвиль, струсів і пр.; якщо при циклічному навантаженні структурні зв'язки будуть зруйновані, то ґрунт тільки після відповідних циклів навантаження і розвантаження прийде у новий пружно-ущільнений стан.

З методів визначення пружних деформацій ґрунтів розрізняються метод загальних пружних деформацій, коли враховуються пружні переміщення не тільки точок, що лежать під навантаженій поверхні, але і тих, що лежать зовні неї; метод місцевих пружних деформацій, коли враховуються лише деформації безпосередньо у місці додання навантаження, а загальні пружні деформації масиву ґрунту не розглядаються; деякі узагальнені методи враховують як загальні деформації, включаючи і пружні, так і місцеві, але залишкові деформації, що відновлюються.

Метод загальних пружних деформацій базується на строгих рішеннях теорії пружності для пружного напівпростору і для пружного шару обмеженої кінцевої товщини, що лежить на нестискаємому підґрунті. Отримані рішення будуть також справедливі і для визначення загальних деформацій (пружних і залишкових) напівпростору і шару обмеженої товщини, що лінійно деформується. Деформації пружного напівпростору при дії місцевого навантаження виникають не тільки безпосередньо під навантаженням (по його підошві), але розповсюджуються у бік на значні відстані, утворюючи «пружну лунку». У реальних ґрунтових умовах «пружна лунка» під навантаженням має значно менше розповсюдження, ніж за рішенням теорії пружного напівпростору. Останнє, мабуть, слід пояснити тим, що у роботу ґрунту під навантаженням включається практично далеко не весь масив ґрунту (напівпростір), а лише обмежена його область.

Метод місцевих пружних деформацій враховує лише пружні деформації безпосередньо у місці додавання навантаження і базується на гіпотезі Фусса – Вінклера, згідно якої тиск у даній крапці прямо пропорційний лише місцевому осіданню ґрунту в цій точці. Висловленому положенню відповідає модель підґрунтя, утвореного вертикальними, не зв'язаними між собою пружинами (мал. 4.1), осідання яких буде строго пропорційне тиску. Сусідні пружини (що знаходяться зовні площі завантаження) не випробовуватимуть тиску. Звичайно така модель є умовною і може застосовуватися лише в особливих випадках.

Рис. 4.1. Модель місцевого пружного підґрунтя.

Для конструкцій, що мають постійну площу підошви і зазнаючи однаковий діапазон зміни зовнішнього тиску (наприклад, для залізничних шпал), метод місцевих пружних деформацій буде повністю застосовний. Для фундаментів споруд, особливо займаючи велику площу у плані, необхідно враховувати наступне: метод місцевих пружних деформацій можна застосовувати лише з відомим наближенням при товщині шару ґрунту, що стискається, менше ширини фундаментної смуги, що спирається на ґрунт, і до­статньо точно - при товщині шару ґрунту не перевищуючої однієї чверті ширини смуги, тобто для тонкого шару ґрунту, що стискається. При ґрунтах, що сильно стискаються, з малим модулем деформації вказані межі дещо роззуються.

Узагальнені методи визначення деформацій ґрунтів враховують як загальні пружні, так і місцеві непружні деформації грунтів.