Реологические свойства почв реферат

Реологические методы для характеристики структурного состояния почв

Рубрика: Технические науки

Дата публикации: 05.05.2016 2016-05-05

Статья просмотрена: 334 раза

Библиографическое описание:

Сaйлaубeкулы, Рустeм. Реологические методы для характеристики структурного состояния почв / Рустeм Сaйлaубeкулы. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2016. — № 9 (113). — С. 284-287. — URL: https://moluch.ru/archive/113/28799/ (дата обращения: 11.12.2021).

Реологические исследования различных почв [1, 2], проведенные в цикле нагрузка-разгрузка, по характеру восстановления сопротивления деформации позволили выделить следующие типы деформационного поведения почв: тиксостабильность, тиксотропность, тиксолабильность, реопексия (рис. 1). Прямая ветвь фиксирует деформационное поведение почвы, характер разрушения ее структуры, обратная ветвь дает представление о способности почвы восстанавливать сопротивление деформации.

Рис. 1. Типы реологических кривых: а — тиксостабильность, б — тиксотропность, в — тиксолабильность, г — реопексия; сплошная линия — прямая ветвь реологической кривой, пунктирная — обратная

Тиксостабильная система обладает равными скоростями разрушения и восстановления структурных связей — обе ветви реологических кривых, практически совпадают (рис. 1а) [1]. На тиксостабильные структуры не сказывается действие деформирующей силы, механическое воздействие не оказывает влияния на величину предельного напряжения сдвига. Признаком равновесия системы служит неизменность величины касательного напряжения в потоке жидкости при изменении скорости потока. Критерием достижения равновесного состояния системы служит совпадение экспериментальных точек на восходящем и нисходящем участках реологической кривой. Состояние тиксостабильности обусловливается наличием в почве в преобладающем количестве коагуляционно-конденсационных структурных связей [3]. Реологические кривые подобного типа характерны для типичного мощного чернозема при влажности верхней границы пластичности.

Кривые следующего типа (рис. 1б) характеризуют типичную тиксотропию, обусловленную образованием коагуляционной структуры. Исследование петель гистерезиса на почвенных образцах [3, 4] показали, что если система восстанавливает сопротивление деформации в интервале Р_к2 — Р_к_m то это характеризует наиболее полное проявление тиксотропии и наличие смешанных структур конденсационно-коагуляционного типа. Изменение петли гистерезиса в обе стороны приводит к уменьшению тиксотропии. Если петля гистерезиса сужается, то это свидетельствует об усилении влияния конденсационных (кристаллизационных) структур, система приближается к тиксостабильности, и наоборот расширение петли гистерезиса влево от Р_к1 говорит о разрастании коагуляционной структуры малой прочности, система из состояния тиксотропии переходит в тиксолабильность.

Тиксолабильные структуры при механическом воздействии разрушаются, но не восстанавливаются вновь по прекращении деформации. В тиксолабильной системе разрушение структурных связей происходит в очень узком диапазоне изменения напряжений. Иногда точки Р_к₁ и Р_к2 совпадают, так как коагуляционная структура непрочна и быстро разрушается. Восстановление структурных связей в тиксолабильной системе происходит очень медленно, практически только после полного снятия напряжения. Проявление тиксолабильность наблюдали для орошаемого содового солончака при влажности верхней границы пластичности.

При реологических исследованиях почв был получен еще один тип реологических кривых (рис. 1г.), образующих петлю противоположную гистерезису — петлю реопексии. При снятии напряжения происходит увеличение сопротивления деформации. Исследования Л. П. Абруковой показали, что их проявление на реологических кривых свидетельствует о преобладании в исследуемых почвах прочных конденсационно-кристаллизационных связей внутри агрегатов. Как и Н. И. Горбунов, Л. П. Абрукова считает, что проявление на реологических кривых петель реопексии связано со сложным процессом перераспределения структурных связей. При увлажнении и деформации происходит ослабление внутриагрегатных, главным образом, когезионных сил сцепления. Последнее приводит к разрушению прочносцементированных агрегатов, увеличению количества микроагрегатов и усилению межагрегатных, главным образом, адгезионных сил сцепления. Результатом процесса разрушения агрегатов является увеличение числа контактов в единице объема и, следовательно, увеличение вязкости почвы.

Почвы легкого гранулометрического состава при реологических исследованиях петель реопексии не дают. Они проявляют типичную дилатансию. На начальной стадии деформации почв обычно в состоянии максимального набухания на кривой зависимости эффективной вязкости от напряжения сдвига появляется дилатантный пик увеличения вязкости системы, который образуется вследствие расслоения дисперсной системы на твердую и жидкую фазы, при увеличении скорости деформации этот пик исчезает [4]. При снятии напряжения восстановление сопротивления деформации может идти двояко: либо по типу тиксостабильности и реопексии, что свидетельствует о ложной дилатансии, вызванной наличием прочно сцементированных агрегатов, либо по типу тиксотропии, что характеризует истинную дилатансию, которая проявляется за счет грубодисперсной фракции песка. Дилатантное поведение характерно для грубодисперсных (опесчаненных) почв, где проявляется истинная дилатансия. В большинстве случаев в почвах проявляется ложная дилатансия, обусловленная наличием в почве прочно сцементированных агрегатов.

Реологические исследования, выполненные для ряда почв в широком диапазоне изменения влажности В. В. Абруковой [4], позволили создать классификацию почвенных реологических кривых и ввести в описание физических свойств почвы вид прямой ветви реологической кривой.

В. В. Абрукова выделяет четыре основный вида деформационного поведения почв (рис. 2).

Рис. 2. Виды почвенных реологических кривых

Деформации 1-го вида (рис. 2–1) присущи почвам с хорошо развитой коагуляционной структурой и проявляется в особых условиях увлажнения и однородности агрегирования.

Деформации 2-го вида характеризуются реологической кривой (рис. 2–2) с клювообразным изгибом в области перехода от течения с ненарушенной структурой к разрушенной, пластическое течение разрушенной структуры осуществляется при меньших напряжениях сдвига, чем само разрушение структуры. Деформации 2-го вида свидетельствуют о наиболее неблагоприятных в технологическом отношении структурных свойствах почвы вследствие резкого падения прочности при достижении определенной величины напряжения сдвига. Диапазон влажности для проявления данного свойства может быть узким и широким в зависимости от сочетания дальней и ближней агрегации почв.

Кривые 3-го и 4-го вида характеризуют дилатантное поведение системы (рис. 2–3, 2–4). Б первом случае (3-й вид) реологическая кривая начинается с уступа или ступеньки, Р_к2 может быть значительно ниже Р_к1. Дилатансия в зависимости от гранулометрического состава может быть вызвана опесчаненностью или высоким содержанием водопрочных микроагрегатов и сочетается с тиксотропным или тиксолабильным поведением почвы.

Во втором случае (4-й вид) реологическая кривая также начинается со ступеньки, но Р_к₁ не превышает Р_к2. Дилатансия (ложная) вызвана неводопрочными или менее водопрочными, в первом случае микроагрегатами, и сочетается с реопектичным восстановлением структуры почвы.

Предлагаемая В. В. Абруковой [4] классификация прямых ветвей реологических кривых позволяет выделить четыре вида деформационного поведения почв разной степени оструктуренности:

слитые и бесструктурные почвы,
неоднородно агрегированные почвы,
дилатантные опесчаненные почвы,
хорошо агрегированные почвы.

Для каждого вида деформационного поведения почв характерна особая форма прямой ветви реологической кривой. Важное значение для характеристики структурного состояния почв имеет величина удельной мощности предельного разрушения структуры АБ. Прочность структуры дисперсной системы пропорциональна произведению числа контактов между частицами на прочность каждого контакта. Для количественных исследований межмолекулярных сил, возникающих между агрегатами, наиболее удобно изучать удельную мощность предельного разрушения структуры. Для вычисления удельной мощности предельного разрушения структуры необходимо экспериментально получить полную реологическую кривую. Площадь, ограниченная реологической кривой и осью скоростей деформации (рис.3) в интервале напряжений сдвига от 0 до Р_m, численно равна величине мощности S = S_m + ΔS, необходимой для поддержания стационарного потока в системе.

Рис. З. Схема определения удельной мощности предельного разрушения структуры

Мощность эта складывается из двух частей: удельной мощности Бш, расходуемой на поддержание ньютоновского течения и удельной мощности ДБ, требующейся при том же градиенте для предельного разрушения структуры. Удельная мощность предельного разрушения структуры определяется как площадь треугольник ОАР.

Величина удельной мощности предельного разрушения структуры характеризует прочность структурных связей и их тип. Однако вследствие недостаточности экспериментальных данных и их стандартизации к настоящему времени нет четких классификационных градаций типа структурных связей по величине удельной мощности предельного разрушения структуры.

Возникающие под действием сил капиллярной контракции (когда нет в системе свободной воды) вторичные когезионно-адгезионные молекулярные связи способствуют упрочнению структурных элементов и значительному росту ДБ. С увеличением содержания физической глины ДБ увеличивается. Величина ДБ зависит от содержания гумуса, степени солонцеватости, механического состава и влажности почв.

Если нагрузки на почву превышают ДБ, то техника будет тонуть на поле, если же они будут меньше прочности структурных связей, то обработка почвы возможна и в условиях повышенной влажности.

Прочность структуры, ее реологические свойства и тип структурных связей зависят от многих факторов: концентрации твердой фазы или, соответственно от влажности почвы, минералогического состава, температуры почвы, состава поглощенных катионов, наличия органического вещества.

Абрукова В. В., Манучаров A. C. Некоторые особенности деформации почв при реологических исследованиях. Почвоведение, 1985, № 6, с. 89–95.
Абрукова Л. П. Изучение тиксотропных свойств почв с применением ротационного вискозиметра РВ-8. Почвоведение, 1970, № 8, с. 83–90.
Горбунов Н. И., Абрукова Л. П. Реологические свойства и минералогический состав слитых почв. Почвоведение, 1974, № 8, с. 74–85.
Абрукова В. В. Связь реологических свойств почв со структурными характеристиками. М., 1988, 128с.

Источник

Реологические свойства грунтов и их учет

РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ И ИХ УЧЕТ

10.1. Сущность реологических явлений в грунтах

Область науки, рассматривающая изменения во времени напряженно-деформированного состояния различных материалов, называется реологией. Основные явления, определяющие реологические свойства грунтов, – ползучесть, релаксация и длительная прочность.

Под ползучестью понимается деформируемость скелета грунта во времени. Релаксация – уменьшение напряжений в грунте при некоторой фиксированной деформации. Длительная прочность – прочность грунта при длительном действии нагрузки [36].

Все эти явления имеют единую физическую природу. Деформирование грунта всегда связано с взаимными смещениями частиц, развитием процессов разрушения одних связей между ними и возникновением других. В зависимости от преобладания того или иного процесса изменяется характер деформирования во времени. Более сложным и ярко выраженным он будет у глинистых грунтов, обладающих как обратимыми водно-коллоидными, так и хрупкими цементационными структурными связями.

У несвязных песчаных грунтов, частицы которых взаимодействуют главным образом посредством трения, реологические процессы проявляются в меньшей степени, хотя иногда, особенно для мелких и пылеватых песков, их также нужно учитывать.

При изучении реологических свойств грунтов выявлены случаи аварийного деформирования сооружений после некоторого, иногда длительного периода их нормальной работы. При этом сооружения были запроектированы со значительными коэффициентами запаса. В литературе описаны случаи длительного нарастания осадок оснований зданий, воспринимающих главным образом вертикальные нагрузки. Еще чаще встречаются длительные смещения подпорных стен, устоев мостов, зданий и сооружений на склонах; известны случаи медленных длительных смещений (течения) даже пологих склонов.

В настоящее время проектирование оснований часто ведется без учета фактора времени. Косвенно он учитывается введением коэффициентов к нагрузкам и показателям свойств грунтов, а также общего коэффициента надежности (запаса). При таком подходе важно иметь представление о реологических свойствах грунтов.

Область расчетов и проектирования с явным учетом фактора времени расширяется, что отмечено и в действующих нормах. При таком подходе становится необходимой количественная оценка реологических свойств грунтов соответствующими зависимостями и показателями.

10.2. Экспериментальные данные о реологических

В рассмотренной ранее схеме работы основания фундамента (см. рис.6.2) учитывались общие деформации и осадки при данной нагрузке без учета характера их нарастания во времени. Представим теперь, что для каждой ступени нагрузки фиксируется развитие осадки во времени. При этом в зависимости от общей нагрузки возможны следующие случаи (рис.10.1) [38].

Рис.10.1 — Развитие осадки во времени при различных нагрузках

1) При небольших нагрузках кривые зависимости

осадки от времени быстро выполаживаются, т. е. скорость нарастания осадки уменьшается, приближаясь к нулю: .

2) При росте нагрузки в пределах кривая вначале имеет такой же характер, как в предыдущем случае, но затем скорость нарастания осадки становится постоянной (), т. е. зависимость будет линейной.

3) При еще больших суммарных нагрузках кривая включает участки первого (ав) и второго (вс) типов, а затем интенсивность нарастания осадки резко увеличивается (), что соответствует переходу основания в стадию разрушения.

Во всех трех случаях имеет место некоторая начальная осадка , протекающая довольно быстро по отношению ко всему времени деформации. Ее называют условно-мгновенной, она зависит от величины нагрузки.

Если основание сложено водонасыщенным грунтом, то основной причиной развития деформаций во времени после приложения нагрузки является фильтрация воды в порах под действием возникающей разности напоров. Она приводит также к перемещениям твердых частиц – скелета грунта, что уже связано с проявлением их реологических свойств.

Но деформации ползучести, оказывая влияние на фильтрационную консолидацию, продолжаются и после ее окончания, когда давление в порах грунта рассеивается. Поэтому для водонасыщенных грунтов показанные на рис.10.1 осадки обусловлены эффектом консолидации фильтрационной (первичной) и вторичной, связанной только с деформациями ползучести «в чистом виде». Важно, что и для последних три указанных и проиллюстрированных на рис.10.1 случая имеют место. Они имеют названия, соответственно ползучести затухающей, установившейся и незатухающей или прогрессирующего течения, при которой .

Рассмотрим основные установленные опытами закономерности деформаций ползучести при сжатии и сдвиге.

Ползучесть грунтов при сжатии проще всего изучать компрессионными испытаниями тонких образцов неводонасыщенных глинистых грунтов. Возникающее при этом поровое давление малое и проявляются свойства ползучести скелета грунта. Быстро протекающую часть деформации относят к мгновенной, а остальную к деформации ползучести. Обычно испытывают несколько одинаковых образцов, нагружая их различными не изменяющимися во времени нагрузками. В зависимости от свойств грунта длительность опытов может исчисляться неделями, месяцами и даже годами (рис.10.2).

Рис.10.2 — Кривые ползучести суглинка

Ползучесть при таких испытаниях, как и при всестороннем (гидростатическом) сжатии, всегда затухающая. Как показали многочисленные эксперименты [35, 36], кривые ползучести удовлетворительно описываются уравнением

, (10.1)

где — начальный коэффициент пористости; — коэффициент мгновенной сжимаемости; — коэффициент сжимаемости во времени с учетом ползучести; — параметр ползучести.

Выражение (10.1) можно записать для деформации:

. (10.2)

Из (10.2) видно, что при получаем мгновенную деформацию:

. (10.3)

Чем меньше значение параметра , тем медленнее развиваются деформации ползучести. При значениях имеем

, (10.4)

т. е. выражение для обычной спрямленной компрессионной кривой с коэффициентом сжимаемости . Оно справедливо также для закончившейся (стабилизированной) деформации при и любом значении параметра ползучести.

Из (10.2) следует, что если построить графики ползучести неводонасыщенного грунта в полулогарифмической системе координат «» при различных давлениях , то будет получена серия прямых с разным наклоном (рис.10.3).

Следовательно, полученные зависимости для деформаций ползучести можно описать уравнением вида

, (10.5)

где — параметр ползучести, рассчитываемый по прямой при данном давлении. Например, при из рис.10.3 имеем

. (10.6)

Для водонасыщенных глинистых грунтов деформации ползучести

Рис.10.3 — Представление кривых для ползучести в полулогарифмических координатах

развиваются главным образом после окончания фильтрационной консолидации. Объективно его можно установить, фиксируя степень рассеивания порового давления или рассматривая изменение скоростей деформаций. Нужно также отделить начальную или мгновенную деформацию от фильтрационной, т. е. установить момент начала фильтрационной консолидации.

Для решения этих задач можно использовать графические приемы Тейлора – для определения деформации, соответствующей началу фильтрационной консолидации, и Казагранде– для определения време-

ни окончания фильтрационной консолидации и соответствующей деформации. Приемы эти исходят из анализа экспериментов и основаны на представлении результатов опыта в координатах «» и «» (рис.10.4).

Параметр ползучести определяется аналогично (10.6) для участка вторичной консолидации:

, (10.7)

где — время окончания фильтрационной консолидации.

Рис.10.4 — Представление графика консолидации водонасыщенного грунта: а – определение ; б – определение и

Рассмотрим ползучесть при сдвиге и связанную с ней длительную прочность грунтов. Как и при сжатии, в момент приложения нагрузки (здесь постоянных касательных напряжений) отмечается быстрое нарастание деформации сдвига, рассматриваемой как условно-мгновенная; далее идет медленное нарастание деформации ползучести.

В зависимости от величины приложенных касательных напряжений для сдвига также может иметь место затухающая, установившаяся и прогрессирующая ползучесть. Действительно, пока напряжение малое, скорость деформации уменьшается, стремясь к нулю (рис.10.5, а, напряжение ). При некотором напряжении затухающая ползучесть переходит в установившуюся, а при еще большем установившаяся ползучесть при переходит в прогрессирующую, что приводит к разрушению грунта. Чем больше напряжение, тем быстрее наступает разрушение.

По опытным данным такого типа можно построить график зависимости разрушающих касательных напряжений от времени (рис.10.5, б). Этот график называется кривой длительной прочности грунта. Асимптотическое значение , к которому приближается кривая при , называют предельно длительной прочностью грунта (или пределом длительной прочности).

Прочность, получаемую при обычных относительно кратковременных лабораторных испытаниях, называют стандартной; она близка к условно-мгновенной прочности.

Рис.10.5 — Ползучесть при сдвиге (а)

и кривая длительной прочности (б)

Рис.10.6 — Кривая релаксации

Остановимся еще на явлении релаксации напряжений. Если быстрым загружением придать образцу грунта некоторую деформацию и закрепить его в таком состоянии, чтобы деформация не изменялась, то с течением времени напряжения в грунте уменьшаются. Процесс уменьшения (расслабления) напряжений обусловлен медленной внутренней перестройкой сложения грунта с разрушением одних связей и

возникновением других, т. е. релаксация имеет ту же природу, что и ползучесть.

По результатам опыта можно построить кривую уменьшения напряжения во времени (рис.10.6), причем некоторая часть первоначального (мгновенного) напряжения сохраняется в течение очень длительного времени.

10.3. Реологические модели

Для наглядного выявления и описания закономерностей ползучести удобно использовать реологические модели. Они применяются также для вывода соотношений, связывающих напряжения, деформации и их скорости. Такие соотношения называются уравнениями состояния.

Реологические модели составляют из простейших моделей – элементов, отображающих определенное фундаментальное свойство грунтов. Такие элементарные модели, по существу, уже использовались ранее, отображая упругие (модель Гука), пластические (модель Кулона) и вязкие (модель Ньютона) свойства грунтов. Они лежат в основе теорий линейно-деформируемой среды, предельного равновесия и теории фильтрационной консолидации грунтовой массы.

На схемах перечисленные модели изображаются пружиной, элементом трения и демпфером – цилиндром, заполненным вязкой жидкостью, в которой может перемещаться дырчатый поршень (рис.10.7).

Закономерности деформирования этих элементов имеют хорошо известный вид. Для упругого элемента – это закон Гука:

. (10.8)

Для пластического элемента при , т. е. деформация отсутствует, пока напряжение не достигло некоторого предела, а далее неограниченно нарастает, т. е. при .

а б в

Рис.10.7 — Простейшие модели-элементы: а – Гука; б – Кулона;

в – Ньютона

Для вязкого элемента соблюдается пропорциональность напряжения и скорости деформации, т. е.

, (10.9)

где — коэффициент вязкости (динамическая вязкость).

Различные комбинации приведенных элементов позволяют отобразить некоторые реологические свойства грунтов.

Соединяя упругий и вязкий элементы последовательно и параллельно, получаем соответственно модели Максвелла и Кельвина (рис.10.8, а, б), которые обе являются вязко-упругими, но деформируются во времени по-разному. Выясним это различие.

Рис.10.8 — Реологические модели Максвелла (а), Кельвина (б),

Бингама-Шведова (в) и вязко-упруго-пластическая (г)

При последовательном соединении элементов напряжение постоянное, а деформации и скорости складываются. Поэтому, дифференцируя (10.8) и складывая с (10.9), получаем выражение для скорости деформации модели в целом, т. е. ее уравнение состояния

. (10.10)

При постоянной деформации и начальном условии при решение уравнения (10.10) имеет вид

, (10.11)

где — время релаксации.

Смысл времени релаксации ясен из (10.11): при ; т. е. — это время, за которое напряжение уменьшается в раз (рис.10.9, а).

Рис.10.9 — Изменение напряжений, деформаций и скоростей

деформаций в моделях: а – Максвелла; б – Кельвина;

в – Бингама-Шведова

Если время действия нагрузки превышает время релаксации, то любой материал проявляет вязкие свойства и течет подобно жидкости, например, для льда сек; такой же порядок у глинистого грунта текучей консистенции.

Из (10.10) при имеем , т. е. при постоянных напряжении и вязкости скорость деформации также постоянная. Таким образом, модель Максвелла — это модель релаксирующей среды с незатухающей установившейся ползучестью. Следует отметить, что в отличие от реальных грунтов (см. рис.10.6) напряжения в этой модели релаксируют полностью.

Рассмотрим модель с параллельным соединением этих же эле-

ментов (рис.10.8, б). Напряжения в элементах складываются, что дает уравнение состояния:

. (10.12)

Интегрирование уравнения (10.12) при постоянном напряжении и начальном условии при дает следующее выражение для деформации:

. (10.13)

Согласно (10.13) деформация возрастает от нуля до конечного стабилизированного значения . Величина называется временем запаздывания деформаций.

Из (10.12) видно, что при напряжение остается постоянным, следовательно, при параллельном соединении упругого и вязкого элементов получаем модель нерелаксирующейся среды с неустановившейся затухающей ползучестью.

Если в момент времени при деформации произведена разгрузка, то из (10.12) следует выражение для деформации

. (10.14)

Таким образом, после снятия нагрузки деформация уменьшается, постепенно приближаясь к нулю (рис.10.9, б).

В обеих проанализированных моделях деформации вызываются любой сколь угодно малой нагрузкой. Свойство большинства грунтов деформироваться, если нагрузка превышает некоторое значение, отображается вязко-пластической моделью Бингама-Шведова (рис.10.8, в) с параллельным соединением вязкого и пластического элементов.

Уравнение состояния при :

где — постоянная пластического элемента; для глинистых грунтов — начальное сопротивление сдвигу или порог ползучести.

При деформация отсутствует () (рис.10.9, в).

Последовательное соединение данной модели с упругим элементом дает модель вязко-упруго-пластической среды (рис.10.8, г), позволяющую учесть упругие деформации при . В общем, увеличивая число элементов и по-разному их комбинируя, можно приблизить реологические свойства модели к свойствам реальных грунтов. Однако при этом сами модели уплотняются, утрачивая простоту и наглядность. Поэтому «применительно к реальным грунтам реологические модели могут служить скорее для иллюстрации тех или иных свойств, а не для создания расчетных схем, на основе которых можно было бы создавать соответствующую теорию» [36, 37].

10.4. Линейная теория наследственной ползучести

Для описания явлений ползучести Л. Больцман предложил использовать интегральное уравнение вида

. (10.15)

Здесь первое слагаемое дает мгновенную деформацию, второе – постепенно нарастающую, определяемую некоторой функцией . Она называется ядром ползучести уравнения (10.15).

Рассмотрим предпосылки и получение интегрального уравнения (10.15), выяснив смысл его ядра ползучести на примере продольной деформации при простом одноосном сжатии.

Пусть в момент времени к образцу грунта приложено нормальное напряжение . Тогда деформацию сжатия в любой момент времени можно записать в виде

, (10.16)

где — модуль мгновенной деформации для момента времени ; — деформация ползучести при сжатии единичным напряжением к моменту времени .

Функцию называют мерой ползучести.

Если в момент времени действует постоянное напряжение

, то для общей деформации в момент при линейной теории сле-

дует принять

. (10.17)

Если же приложенное напряжение растет, то для приращения времени приращение напряжения составит и деформация от него будет

При сложении деформаций от всех приращений напряжений с момента до момента суммарная деформация к моменту будет равна

. (10.18)

Складывая ее с деформацией по (10.17), получим

. (10.19)

Интегрируя (10.19) по частям, принимая ; и учитывая, что и соответственно , окончательно будем иметь:

. (10.20)

Сравнивая уравнения (10.20) и (10.15), видим, что они совпадают при и . С учетом определения по (10.16) очевидно, что ядро ползучести с точностью до постоянной представляет скорость изменения деформации от постоянного единичного напряжения.

Ядро ползучести определяется экспериментально и аппроксимируется различными формулами. Наибольшее применение получило экспоненциальное ядро:

, (10.21)

где — параметры.

Уравнение (10.15) при этом записывается в виде

. (10.22)

Деформация грунта с ядром (10.21) при постоянном напряжении равна:

Заменяя переменную и интегрируя, получаем

. (10.23)

В начальный момент мгновенная осадка , а для стабилизированной осадки при имеем:

где и — соответственно мгновенный и длительный модули деформации.

Уравнения, аналогичные (10.15), можно записать для всех компонент тензора деформации. В них войдут коэффициенты Пуассона:

— для мгновенной части поперечной деформации:

— для деформации ползучести.

Изменяющаяся величина зависит как от свойств грунта в момент времени, так и от продолжительности действия нагрузки, т. е. промежутка , в течение которого нарастали деформации.

Для деформации сдвига (10.16) принимаем в виде

, (10.24)

где — модуль сдвига в момент ; — мера ползучести при сдвиге.

Модуль сдвига, как и модуль продольной деформации, изменяется во времени. Они связаны зависимостью

. (10.25)

В теории ползучести доказано, что при постоянстве коэффициента поперечной деформации

напряженное состояние грунта, как ползучей среды, совпадает с решениями теории упругости при одинаковых граничных условиях. Если же напряжения известны и экспериментально установлено ядро ползучести, то на основе уравнений вида (10.22) можно найти деформации для любого момента времени, а по ним как горизонтальные, так и вертикальные перемещения (осадки) основания. Например, если в ряде точек по глубине основания найдены для заданного момента времени вертикальные деформации , то осадка определится интегрированием по всей глубине активной зоны основания или, приближенно, суммированием

. (10.26)

Глубина активной зоны устанавливается по обычным правилам.

10.5. Учет деформаций ползучести при сдвиге

Учет сдвиговых деформаций ползучести особенно важен для сооружений, воспринимающих значительные горизонтальные нагрузки от веса грунта и воды. Возникающие в основании таких «подпорных» сооружений касательные напряжения с течением времени могут привести к развитию и накоплению деформаций ползучести. Известны длительные смещения подпорных стен, набережных со скоростью до 1 см/год, так что за несколько десятков лет смещения достигали 50…80 см. Аналогично могут развиваться деформации грунтов откосов и склонов.

Раньше была показана возможность расчета деформаций и смещений на базе наследственной теории ползучести в соответствии с (10.26). Известны и другие подходы для решения задач длительной устойчивости и деформаций подпорных сооружений и склонов, имеющие инженерный характер и включающие различные допущения без их строгого обоснования. Наиболее широкая из таких концепций была разработана для глинистых грунтов и названа им физико-технической теорией ползучести. Она получила широкое применение на практике [38].

Маслова базируется на модели Бингама-Шведова (см. рис.10.8, 10.9) с интерпретацией пластической постоянной как порога ползучести, связанного с сопротивлением грунта сдвигу. Последнее представляется в трехчленной форме:

, (10.27)

где — угол внутреннего трения при неконсолидированном и недренированном состоянии и естественной влажности ; — сцепление связности, имеющее водно-коллоидную природу и обратимый характер; — жесткое структурное сцепление необратимого (хрупкого) тела.

По соотношению и значимости составных частей в (10.27) выделяются три типа грунтов, в разной мере подверженных деформациям ползучести:

1. Жесткие прочные грунты с преобладающим влиянием кристаллизационных связей и структурного сцепления. Такие грунты можно считать мало подверженными деформациям ползучести.

2. Пластичные грунты, у которых трение практически не проявляется, структурное сцепление отсутствует () и прочность определяется только сцеплением связности. Эти грунты в наибольшей мере подвержены ползучести, причем в связи с возможностью уменьшения сцепления связности при изменении состояния грунта порог ползучести для них принимается равным нулю, так что любое касательное напряжение приводит к развитию деформаций – как для идеально вязкой жидкости.

3. Скрытопластичные грунты – общий случай, когда имеют значение все слагаемые в (10.27). Для таких грунтов условием развития ползучести будет превышение напряжением порога ползучести, принимаемого по (10.27) без сцепления связности по указанной выше причине:

. (10.28)

Основное уравнение для скоростей деформаций сдвига можно получить исходя из предположения о движении грунта под действием касательных напряжений в некотором слое под подошвой подпорного сооружения (рис.10.10).

Рассмотрим смещение двух точек на границах слоя . За время точки 1 и 2 сдвинутся соответственно на и , так что сдвиг будет равен

Рис.10.10 — Схема определения смещений подпорного сооружения

Поделив на , получаем

Переходя к пределу при и , получаем равенство производных

. (10.29)

Поэтому в уравнении (10.14) модели Бингама-Шведова можно записать

. (10.30)

Уравнение (10.30) записываем в дифференциалах и используем для прогноза скоростей деформаций сдвига и смещений за определенное время:

. (10.31)

Найдем скорость горизонтального смещения подпорного сооружения при вертикальной нагрузке , ширине подошвы от распределенной горизонтальной нагрузки в условиях плоской задачи (рис.10.10). Распределение нормальных и касательных напряжений в основании от действующих по подошве нагрузок принимаем по теории линейно-деформируемой среды. Для касательных напряжений по оси симметрии () имеем:

. (10.32)

По определению порога ползучести по (10.28) следует учесть изменение нормального напряжения по глубине основания, так что :

, (10.33)

где — среднее для рассматриваемого слоя грунта вертикальное сжимающее напряжение.

Для деформации ползучести при сдвиге также используется понятие активной зоны, где такие деформации имеют место. Нижнюю границу активной зоны определяем из условия

Подставляя (10.32) и (10.33) в уравнение (10.31), интегрируем от до , учитывая, что на нижней границе активной зоны деформации отсутствуют, т. е. при . Тогда для подошвы сооружения, т. е. при получаем следующее выражение для скорости смещения:

. (10.34)

В практических расчетах учитывается также изменение со временем коэффициента вязкости в соответствии со следующим соотношением:

, (10.35)

где и — начальный и конечный коэффициенты вязкости; — параметр зависимости (сек-1).

Рассмотренная теория имеет достоинства простоты исходных положений и увязанности их с сопротивлением грунтов сдвигу при учете его физической природы. Она может применяться для расчета смещений подпорных сооружений, откосов и склонов на основе методов плоских или круглоцилиндрических поверхностей. При этом вдоль опасных поверхностей выявляется зона, в которой касательные напряжения превышают порог ползучести, и по (10.31) определяются скорости смещений. Вариант этой теории разработан для прогноза длительных осадок сооружений на маловлажных глинистых грунтах, в частности, лессах и лессовидных грунтах.

В связи с важностью в расчетах по данной теории порога ползучести и коэффициента вязкости грунта они должны определяться экспериментально по методикам, описанным в технической и нормативной литературе [39]. Предварительные ориентировочные расчеты по рассмотренной теории можно выполнить с использованием справочных данных.

10.6. Расчет осадок с учетом ползучести

Рассмотрим наиболее простой случай неводонасыщенных грунтов, которые могут считаться условно-однородной квазиоднофазной системой. В этом случае для одномерной задачи осадки рассчитывают по приведенным ранее соотношениям с использованием экспериментально определенных параметров ползучести.

Пусть определяется осадка слоя грунта мощностью при давлении на момент времени . По формуле (10.5) осадка за счет ползучести равна

. (10.36)

Для получения общей осадки к значению по (10.36) следует прибавить осадку, рассчитанную обычным способом по «стандартному» модулю деформации или коэффициенту сжимаемости.

По теории наследственной ползучести общую осадку в момент времени определяем на основе (10.23):

. (10.37)

В рамках рассмотренной выше физико-технической теории ползучести устанавливать нарастание длительной осадки рекомендуется на основе уравнения

, (10.38)

где — относительная деформация компрессионного сжатия при уплотняющем давлении (модуль осадки по ); — коэффициент вязкости как функция времени, определяемая по (10.35).

Если принять по (10.35), проинтегрировать (10.38) от до , то осадка слоя грунта мощностью Н в условиях одномерного сжатия равна

. (10.39)

Формула (10.39) использована для расчета длительных осадок основа-

ний, сложенных лессовым грунтом.

Приведенные соотношения можно использовать для приближенной оценки длительных осадок на заданное время в условиях плоской или пространственной задачи. В качестве основы следует принять схему послойного суммирования с условным ограничением сжимаемой толщи. Для каждого расчетного слоя при соответствующем давлении определяем параметр ползучести по (10.6) и рассчитываем осадку ползучести на момент времени :

, (10.40)

где — толщина расчетного слоя; — срок (длительность) строительства.

Если считать, что осадка , рассчитанная обычным способом по «стандартному» модулю деформации или коэффициенту сжимаемости, соответствует окончанию периода строительства, то общая осадка равна

. (10.41)

Перейдем к водонасыщенным грунтам. Для них использование приведенных соотношений (исключая (10.39)) возможно только при условии полного завершения процесса фильтрационной консолидации. Для условий одномерного сжатия слоя грунта мощностью сплошной нагрузкой общая осадка для момента времени приближенно равна

, (10.42)

где — стабилизированная осадка фильтрационной консолидации; — осадка ползучести; — коэффициент относительной сжимаемости; — время окончания фильтрационной консолидации.

Более общие и строгие методы расчета длительных осадок водонасыщенных грунтов предполагают учет ползучести скелета грунта, сжимаемости поровой воды, степени уплотненности и структурности грунтов. Соответствующие решения и условия их применения приведены [40].

ОСНОВЫ НЕЛИНЕЙНОЙ МЕХАНИКИ ГРУНТОВ

11.1. Линейная и нелинейная механика грунтов.

Рассмотренные ранее закономерности и основанные на них методы решения задач механики грунтов представляют собой классическую механику грунтов, сформировавшуюся в ХХ в. В ее основу положена теория предельного напряженного состояния, базирующаяся на линейном условии прочности Кулона-Мора, и теория линейно-деформируемой среды, исходящая из пропорциональности напряжений и деформаций, т. е. закона Гука.

Разработанные на базе указанных теорий методы позволили решать широкий круг задач, относящихся не только к предельному состоянию по несущей способности, лежащему вне пределов допустимой работы оснований, но и к предельному состоянию по деформациям. Однако постепенно все больше выявлялась недостаточность этих теорий. Основные причины такого положения следующие:

1. Обоснование возможности применения теории линейно-деформируемой среды к расчетам оснований связано с рядом условий, основное из которых – ограничение действующих на основание нагрузок (). Если эта ограничивающая величина (расчетное сопротивление основания) оказывалась значительно меньше предельной нагрузки, устанавливаемой по теории предельного равновесия, то весь интервал работы основания в пределах выпадал из рассмотрения методами двух названных.

2. Деформации и перемещения, рассчитанные методами теории линейно-деформируемой среды, во многих случаях не совпадали с действительными. Недостаточная точность методов расчета особенно проявлялась при проектировании ответственных сооружений с жесткими ограничениями на осадки и их неравномерность.

3. Экспериментальные исследования грунтов все в бóльшей мере показывали, что линейные зависимости деформаций от напряжений, сопротивления сдвигу от давления и другие являются только аппроксимацией нелинейных по своей сути закономерностей. Это относится и к лабораторным испытаниям образцов малых размеров, и к крупномасштабным опытам в лотках, полевых условиях, и к натурным испытаниям.

Как и в любой научной области, первоначально возникающие трудности преодолевали введением эмпирических поправок, экстраполяциями опытных данных, различными инженерными приемами в рамках разработанных теорий. Это можно проследить на методах расчета осадок по теории линейной деформируемой среды. В них часто используются обоснованные опытом положения и приемы, иногда противоречащие исходным предпосылкам теории. Например, при расчете осадки слоистого основания распределение напряжений принимается как для однородного грунта и в то же время учитывается различие деформативных характеристик отдельных слоев или даже однородного слоя значительной мощности, если используются результаты компрессионных испытаний.

Рис.11.1 — К аппроксимации графика ломаной кривой

Интервал () особенно велик для глубокозаложенных фундаментов. Для них было предложено аппроксимировать зависимость двумя линейными участками (рис.11.1), рассчитывая общую осадку суммированием по формуле Шлейхера:

, (11.1)

используя на каждом участке соответствующие деформативные характеристики и давления:

Здесь и — коэффициенты линейно-деформируемого полупространства для грунта в стадиях уплотнения и сдвига соответственно.

На основе формулы (11.1) предложено также учитывать нелинейность деформирования и ползучесть грунта, рассматривая модуль деформации как функцию нагрузки и времени.

был предложен метод определения осадки в стадии сдвигов с учетом влияния зон предельного равновесия. Общая осадка представлялась в виде суммы

, (11.2)

где составляющая рассматривалось как нелинейное дополнение к , определяемой по теории линейно-деформируемой среды.

Приближенный прием для определения осадки за пределом линейной зависимости предложен и рекомендован в Пособии к СНиП 2.02.01-83:

, (11.3)

где — осадка основания при ; — предельное сопротивление основания; — напряжение от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента.

Формула (11.3) представляет собой экстраполяцию осадки при с учетом того, что при осадка неограниченно растет, т. е. . Применение формулы целесообразно, если осадка при оказывается значительно меньше предельно допустимой ().

Можно привести и другие приемы учета нелинейных эффектов в грунтах. Некоторые из них получили довольно широкое применение.

Однако охарактеризованное направление не решило проблем механики грунтов по совершенствованию и повышению точности ее методов. Это связано с невозможностью описать и учесть сложные свойства и поведение грунтов, оставаясь в рамках линейных теорий. Поэтому в механике грунтов происходит переход к построению общих теорий и разработке на их основе методов расчета, учитывающих нелинейность закономерностей, характеризующих поведение грунта. Это — второе и основное направление развития механики грунтов, в котором используются методы, разработанные в теориях нелинейной упругости, пластичности, в строительной механике.

При расчете конструкций различают физическую, геометрическую и конструктивную нелинейности.

Физическая нелинейность обусловлена нелинейным характером зависимости деформаций и напряжений. Геометрическая имеет место, когда перемещения конструкции вызывают значительное изменение ее геометрии – формы и размеров. В механике грунтов учет геометрической нелинейности приводит к необходимости рассматривать так называемые конечные деформации, которые, в отличие от малых, нелинейно зависят от перемещений.

Конструктивная нелинейность возникает вследствие изменений расчетной схемы при монтаже конструкции и ее работе. Примером может служить изменение расчетной схемы шпунтового крепления котлована при разработке грунта, установке дополнительных распорок, бетонировании тампонажной подушки.

В общем для грунтов оснований в их взаимодействии с фундаментными и другими конструкциями присущи все перечисленные виды нелинейности. Но главной для формирования напряженно-деформированного состояния грунта следует считать физическую нелинейность. Ее учету посвящено наибольшее число работ в данной области механики грунтов.

11.2. Особенности нелинейного деформирования грунтов

Ранее было показано, что модель грунта как линейно деформируемой среды основана на линеаризации реальной нелинейной зависимости деформации от напряжения в ограниченном его интервале (). Деформативные характеристики грунта в этом интервале принимаются постоянными. Они относятся к общим деформациям, без разделения их на обратимые (упругие) и необратимые (остаточные или пластичные). Не учитываются характеристиками раздельно объемные и сдвиговые деформации, имеющие различное значение в работе грунта под нагрузкой с доведением его до предельного состояния. Поэтому разработаны схемы испытаний, позволяющие разделять эти виды деформации при различных вариантах нагружения. Последовательность изменения нагрузки с ее описанием в тех или иных координатах называется траекторией нагружения. Объемные деформации устанавливаются при гидростатическом, а сдвиговые – при девиаторном нагружении [40].

В первом случае определяется зависимость между средним нормальным напряжением и объемной деформацией:

, (11.4)

где — объемная деформация; — среднее гидростатическое напряжение.

Рис.11.2 — Зависимости между деформациями и напряжениями:

а – объемная деформация; б – деформация сдвига

При девиаторном нагружении устанавливается зависимость

, (11.5)

где — интенсивность деформаций сдвига, определяемая через главные деформации выражением

; (11.6)

— интенсивность касательных напряжений. Через главные напряжения определяется по формуле

. (11.7)

Характер зависимостей (11.4) и (11.5) показан на рис.11.2. Из него видно, что с увеличением объемная деформация возрастает, но стремится к некоторой постоянной величине. Напротив, увеличение интенсивности касательных напряжений приводит к неограниченному росту интенсивности деформаций сдвига, т. е. к разрушению грунта.

Таким образом, разрушение грунта связано с развитием деформаций сдвига.

В общем это согласуется с рассмотренным ранее представлением о стадийности работы оснований при росте областей сдвига, хотя здесь разделение деформаций на объемные и сдвиговые имеет более четкий смысл, чем ранее на деформации уплотнения и сдвига. Но как и ранее, здесь учитываются общие деформации, равные сумме упругих и пластических (отмечаемых соответственно индексами «е» и р«), т. е.

; (11.8)

. (11.9)

В механике деформируемого твердого тела обычно считают : при всестороннем сжатии имеют место только упругие деформации. Считается также, что объемные деформации вызываются шаровым тензором напряжений, а сдвиговые, т. е. формоизменение – девиатором напряжений; взаимодействие между объемными деформациями и формоизменением считается отсутствующим.

Из-за дискретности грунта его деформирование имеет более сложный характер. Так, при девиаторном нагружении плотного песчаного грунта к моменту разрушения происходит некоторое увеличение его объема (дилатансия). Наоборот, при сдвиге образца песка рыхлого сложения отмечается его дополнительное уплотнение с уменьшением объема – отрицательная дилатансия или контракция.

При гидростатическом обжатии грунта большим давлением в межчастичных контактах могут возникнуть концентрации напряжений, приводящие к разрушению. Однако обычно создаваемые в опытах не чрезмерно большие всесторонние давления уплотняют и упрочняют грунт.

Сказанное выше иллюстрируется на рис.11.3. Кривая зависимости имеет максимум в точке а и дилатансия проявляется участком аb, на котором объемная деформация уменьшается, так что и плотность сложения также уменьшается при росте (рис.11.3, а). Влияние среднего напряжения на зависимость показано на рис.11.3, б: если , то одинаковое значение приводит к большей величине . Значит, гидростатическое обжатие до некоторых пределов упрочняет грунт.

Приведенные закономерности деформирования грунтов объясняют важное значение траектории нагружения при испытаниях грунтов. Только с ее учетом возможна объективная интерпретация испытаний, соответственно сопоставимость результатов обеспечивается лишь при одинаковых или близких траекториях нагружения.

Рис.11.3 — Зависимость (а)

и влияние среднего напряжения на зависимость (б)

В качестве примера на рис.11.4 показаны траектории нагружения в координатах «» и «» для четырех различных методик испытания в стабилометрах, применяемых при определении деформативных и прочностных характеристик грунтов:

1. Увеличение вертикального напряжения при невозможности бокового расширения с фиксацией распора (компрессия).

2. Двухэтапное испытание с всесторонним обжатием на первом этапе и раздавливанием на втором путем увеличения при постоянном боковом давлении .

3. То же с раздавливанием при постоянном среднем напряжении в образце:

4. То же с раздавливанием за счет снижения бокового давления при постоянном вертикальном.

Значения и представляют собой инварианты напряжений при плоской деформации, которые можно здесь использовать в силу осевой симметрии, когда и .

В общем случае траекторию нагружения показывают в координатах «» (рис.11.5).

На приведенные зависимости (рис.11.2, 11.3) влияет также вид напряженного и деформированного состояния, оцениваемый параметром Лоде, определяемым по соотношению (11.9), (11.10) для напряжений и аналогичным для деформаций:

Рис.11.4 — Траектории нагружения в различных методиках

Рис.11.5 — Траектория нагружения:

. (11.10)

Для всех показанных на рис.11.4 методик испытаний на стабилометре с раздавливанием образцов всегда и соответственно , если же , , при плоской деформации . Поскольку при всевозможных соотношениях главных напряжений и деформаций параметры и

изменяются в интервале [-1; +1], их удобно использовать для характеристики и классификации различных видов напряженных и деформированных состояний.

Разгрузка грунта, т. е. уменьшение и обнаруживает наличие упругих и пластических деформаций, причем с увеличением доля пластической в общей деформации сдвига возрастает. При некотором предельном для данного грунта значении возникает состояние неограниченного пластического деформирования, называемого течением грунта. Таким образом, указанную ранее стадийность работы грунта в основании фундамента, справедливую также для отдельного образца грунта, можно уточнить так: по мере роста нагрузки грунт переходит из линейно-упругого в нелинейно-деформируемое пластическое состояние и далее в состояние текучести, т. е. предельное.

Результаты испытаний на стабилометрах удобно представить на общем графике, совместив зависимости

; (11.11)

; (11.12)

, (11.13)

как это показано на рис.11.6. Такой график называют паспортом деформирования и прочности грунта для данного вида напряженно-деформированного состояния. Линейная зависимость (11.11) на рис.11.6 соответствует октаэдрической теории прочности Мизеса-Боткина, поскольку среднее напряжение равно нормальному напряжению на окта-

Рис.11.6 — Паспорт деформирования и прочности грунта

эдрической площадке, равнонаклоненной к осям главных напряжений, а интенсивность пропорциональна октаэдрическому касательному напряжению, т. е.

(11.14)

представляет собой условие прочности, в отличие от условия Кулона-Мора, учитывающее все три главных напряжения. В некоторых случаях оно используется для песчаных и крупнообломочных грунтов наряду с условием Кулона-Мора.

На основе обобщения экспериментальных данных предложены различные формулы для нелинейной зависимости (11.13).

Например, для песчаных грунтов можно использовать формулу

. (11.15)

Для глинистых грунтов предложена формула

. (11.16)

В формулах (11.15), (11.16) — экспериментально-определяемые параметры закона деформирования.

11.3. Решение нелинейных задач механики грунтов

на основе деформационной теории пластичности

Решаемые механикой грунтов задачи при всем своем многообразии всегда требуют изучения и количественного описания протекающих в грунтах механических процессов и соответственно определения напряженно-деформированного состояния в каждой точке массива грунта.

Общий метод теоретической механики грунтов, как и механики деформируемого твердого тела, состоит в постановке и решении краевых задач, т. е. в совместном решении статических, геометрических и физических уравнений при заданных начальных и граничных условиях.

Как уже отмечалось, физические уравнения – это уравнения состояния. В теории линейно-деформируемой среды они записываются в виде обобщенного закона Гука:

, (11.17)

аналогично и для других компонент нормальных и сдвиговых деформаций.

В случае разгрузки уравнения состояния имеют этот же вид, но включают уже другие характеристики , иллюстрирующие только упругую, восстанавливающую часть деформаций, что свойственно процессу разгрузки грунта.

Уравнениям (11.17) можно придать другую форму, используя модуль сдвига и модуль объемной деформации :

(11.18)

При этом в уравнениях (11.17) можно разделить деформации формы и объема, записав уравнения в виде

. (11.19)

В форме, разрешенной относительно напряжений, будем иметь

. (11.20)

В предположении линейной деформируемости характеристики и постоянны и связаны с выражениями

. (11.21)

Если обратиться к зависимостям, показанным на рис.11.2, то можно увидеть, что при значительном изменении напряженно-деформированного состояния спрямление криволинейных зависимостей может привести к ошибкам. Поэтому необходимо считать величины и переменными, т. е. функциями и .

Ограничившись учетом только этого вида физической нелинейности, рассмотрим задачу о напряженно-деформированном состоянии полуплоскости в координатах. На поверхности по полосе шириной приложена равномерно распределенная нагрузка. В линейной постановке для данной задачи имеется аналитическое решение. Здесь для выявления особенностей нелинейного решения рассмотрим подход с применением численного метода конечных разностей и уравнений в перемещениях Ламе. Такой подход был основным в начале развития нелинейной механики грунтов, при этом рассматривалось и развитие деформаций во времени [41].

В линейной теории упругости уравнения Ламе имеют вид

(11.22)

где — горизонтальное и вертикальное перемещения; — объемные силы; — параметр Ламе.

Параметр связан с модулями сдвига и объемной деформации:

Уравнения (11.22) получаем следующим образом: в уравнения равновесия подставляем напряжения, выраженные через деформации, которые, в свою очередь, выражаются через перемещения. Например, подставляя в (11.20) деформации по формулам Коши, для условий плоской задачи получаем

(11.23)

Подставляя эти значения в уравнение равновесия

при постоянных значениях и , получаем первое из уравнений (11.22), аналогично и для второго.

Если же параметры деформируемости и сами зависят от напряжений, то при вычислении входящих в уравнения равновесия частных производных появляются производные также от , .

Тогда первое из уравнений (11.22) примет вид

(11.24)

Рассмотрим особенности численного решения уравнений (11.22) и (11.24) методом конечных разностей.

Предположим, что из грунтового массива-основания вырезана полоса с высотой и шириной настолько большими, чтобы в этой полосе можно было ожидать полного затухания возмущений от приложенной нагрузки р , т. е. вызванных ею изменений напряженно-деформированного состояния основания. Размеры эти могут быть уточнены в ходе расчетов.

На границах выделенной области следует задать граничные условия. При достаточных размерах области по бокам и снизу перемещения отсутствуют, т. е. на . На верхней границе условия очевидны в напряжениях: на и ; на — соответственно . Для решения уравнений в перемещениях эти граничные условия следует также записать в перемещениях.

Выделенная область разбивается сеткой с шагом по соответствующим координатам ; пересечения линий сетки называются узлами (рис.11.7). Частные производные функций заменяем приближенными конечно-разностными соотношениями. Например, для перемещения

(11.25)

Аналогично и для других производных.

Рис.11.7 — Представление деформируемой области основания

В итоге дифференциальные уравнения (11.22) или (11.24) заменяются системой линейных алгебраических уравнений. Граничные условия в виде фиксированных значений переменных или их производных делает систему определенной. Она решается методами линейной алгебры. Для каждого узла сетки определяются перемещения, а по ним деформации и напряжения.

Если задача решается в линейной постановке с использованием уравнений (11.22), то полученное решение будет и окончательным. Точность решения будет связана с размерами области и шагом разбиения, т. е. густотой сетки и может быть повышена изменением последних.

При решении в нелинейной постановке с использованием уравнений (11.24) положение иное. Действительно, на основе зависимостей, показанных на рис.11.2, можно задаться некоторыми значениями и , рассчитав соответствующее значение . Но как выбрать интервалы и , влияющие на определение параметра? Для первоначального расчета этот выбор произволен. Можно определить эти начальные значения на основе «технических» деформативных характеристик , понимаемых как постоянные параметры, по формулам (11.21).

При определенных таким образом постоянных значениях система (11.24) дает решение такое же, как и (11.22). Оно должно рассматриваться как первое приближение нелинейного решения. Ко второму приближению можно перейти, получив для каждого узла сетки значения , далее по ним деформации и по соотношениям (11.23) напряжения. Вычислив по ним значения , можно для каждого узла найти новые значения и конечно-разностные выражения для их производных. После второго решения устанавливается новое напряженно-деформированное состояние и новые значения и т. д.

Охарактеризованная итерационная процедура известна в теории пластичности как метод упругих решений. Итерации заканчиваются, когда разность корректируемых параметров на предыдущем и последующем этапах расчета оказывается в пределах заданной точности.

Численный метод конечных разностей нашел широкое применение в механике грунтов еще с 40-х годов ХХ в. при решении задач теории предельного равновесия, затем теории фильтрационной консолидации, а с 70-х годов – при решении нелинейных задач механики

грунтов. Однако в дальнейшем в рассматриваемой области бóльшее распространение получили решения на основе метода конечных элементов и вариационных принципов теорий упругости, пластичности и ползучести. Примеры решения задач этим методом можно найти в литературе [41].

Учет нелинейности в рамках деформационной теории пластичности основывается на использовании уравнений состояния в виде функциональных зависимостей, связывающих напряжения и деформации. Вторым вариантом теории пластичности, позволяющим при сложных нагружениях получить более точные решения, является теория пластического течения, в которой напряжения связываются с приращениями деформаций дифференциальными соотношениями. Для простых нагружений (когда все компоненты тензора напряжений возрастают пропорционально одному параметру) обе теории дают одинаковые результаты. Однако решения в этой теории оказываются более сложными; сложнее и экспериментальное определение уравнений состояния.

Поэтому теорию пластического течения применяют в особо сложных задачах взаимодействия сооружений с грунтом, например, в гидротехническом строительстве. Такое же положение с нелинейной теорией ползучести, обобщающей рассмотренную в предыдущей главе линейную теорию наследственной ползучести с учетом геометрической нелинейности.

11.4. Значение методов нелинейной механики грунтов

Методы нелинейной механики грунтов и получаемые с их помощью решения включают следующие компоненты, являющиеся одновременно условиями реализации этих методов:

1. Результаты тщательных экспериментальных исследований механических свойств грунтов с учетом таких особенностей их деформирования, как взаимовлияние деформаций объема и формы, дилатансии, траектории нагружения, вида напряженного состояния и других эффектов.

2. Методы и аппарат механики сплошной среды, прежде всего нелинейной теории упругости, теории пластичности и ползучести.

3. Численные методы с их реализацией на ЭВМ.

Результаты, получаемые в нелинейных решениях, как правило, не отменяют установленные ранее закономерности взаимодействия

конструкций и грунтов в качественном отношении.

Замкнутые аналитические решения в нелинейной механике удается получить лишь для немногих частных задач.

В то же время методы нелинейной механики грунтов позволяют:

– решать задачи определения напряженно-деформированного состояния оснований и массивов грунтов любой сложности;

– повысить точность определения напряжений, деформаций, осадок фундаментов, контактных напряжений по их подошве, сблизив результаты расчета с данными опытов и натурных наблюдений;

– объяснить расхождение результатов, получаемых по линейной теории с экспериментальными данными по характеру изменения

напряжений и деформаций по глубине и в плане;

– проводить численное моделирование, устанавливая степень влияния различных геотехнических факторов на необходимые проектные параметры.

Таким образом, применение методов нелинейной механики грунтов поднимает ее на более высокий уровень. Однако использование и этих мощных методов не отменяет того, что в процессе расчетов и проектирования инженер имеет дело с идеализированной действительностью – ее моделью или расчетной схемой. Реальные геологические условия и свойства грунтов в них не могут быть полностью учтены. Поэтому принятие проектных решений требует особого внимания к выбору модели и анализа влияния неучитываемых его факторов.

Вопросы для самопроверки

1. Что представляет собой деформируемость грунтов?

2. Как понимать напряженно-деформируемое состояние грунтов (НДС)?

3. Записать закон Гука в условиях ГДС.

4. Какие физические характеристики рассматриваются при трехосном испытании грунтов?

5. Что представляют собой компрессионные испытания грунтов?

6. Что представляют собой компрессионные кривые?

7. Что показывает коэффициент сжимаемости, модуль деформации при компрессионных испытаниях и в условиях трехосного сжатия?

8. От каких физических свойств грунта зависит водопроницаемость?

9. Что представляет собой фильтрация воды в грунте?

10. Запишите закон фильтрации. От каких факторов зависит коэффициент фильтрации?

11. Что представляет собой механическая модель водонасыщенного грунта?

12. Покажите схематически эффективное и нейтральное давления.

13. Изобразите графически закон Кулона для песчаных и глинистых грунтов.

14. Какую зависимость описывает закон Кулона для несвязных и связных грунтов?

15. От каких факторов зависят прочностные характеристики грунтов?

16. Что представляют собой консолидированный и неконсолидированный сдвиги?

17. Назовите основные методы испытаний для определения механических свойств грунтов.

18. Покажите схематически испытания грунтов на сдвиг при плоском срезе и в стабилометре.

19. Покажите графически различие в методах испытаний грунтов в компрессионных приборах и стабилометре.

20. Объясните основные достоинства испытаний грунтов на трехосное сжатие.

21. Проиллюстрируйте графически отличие в методах испытаний грунтов в компрессионном приборе и стабилометре.

22. Приведите схему испытаний грунтов штампом.

23. Покажите графические зависимости, получаемые при испытаниях штампом.

24. От каких факторов зависит модуль деформации при испытаниях штампом?

25. В чем состоит отличие испытаний грунтов статическим и динамическим зондированием?

26. Покажите графики испытаний грунтов статическим и динамическим методами.

27. В чем заключается испытание грунтов методом вращательного сдвига (крыльчаткой)?

28. Назовите основные преимущества испытания грунтов методом крыльчатки.

29. Покажите в системе координат распределение напряжений в грунте.

30. Покажите схематически действие нагрузок на грунтовое основание (задача Буссинеску).

31. Какие напряжения возникают в грунтовом основании при действии вертикальной сосредоточенной нагрузки?

32. Какое решение теории упругости получено Фламаном?

33. В чем заключается применение метода угловых точек при определении напряжений в грунтовом основании?

34. Как определяются напряжения в упругом полупростанстве при плоском приложении нагрузки?

35. Как влияют форма и размер фундамента на напряженное состояние под его подошвой?

36. Покажите графически эпюры напряжений от собственного веса грунта.

37. От каких факторов зависит распределение напряжений под подошвой фундамента?

38. Какие модели используются для решения задачи при определении напряжений в грунтовом основании?

39. Какие факторы влияют на осадку (деформацию) грунтового основания?

40. Какие методы существуют для определения осадки?

41. От каких факторов зависит степень консолидации?

42. Покажите эпюры консолидации в зависимости от расположения слоев и их водопроницаемости в грунтовых основаниях.

43. Покажите схематически разрушение грунтового основания в зависимости от нагрузки, угла наклона приложения нагрузки и т. д.

44. Покажите графически предельные круги напряжений для связного и идеально связного грунтов.

45. В каких случаях возникают предельные критические нагрузки, действующие на грунтовое основание?

46. От каких факторов зависит расчетное сопротивление грунта?

47. Покажите схематически минимальные и максимальные предельные напряженные состояния грунтовых оснований

48. Назовите наиболее характерные теории предельного равновесия, принятые в расчетных формулах.

49. Назовите общие положения, характеризующие устойчивость откосов.

50. Какие упрощенные методы используются при расчете и проектировании откосов?

51. Покажите схемы, используемые при расчете устойчивости откосов.

52. Назовите основные причины, вызывающие нарушение устойчивости откосов.

53. Какие факторы следует учитывать при расчете устойчивости откосов?

54. Назовите мероприятия способствующие повышению устойчивости откосов и склонов.

55. Какие схемы и методы существуют для упрощенных расчетов призмы обрушения или смещения откосов?

56. Что понимают под терминами реология, релаксация, длительная прочность?

57. Чем вызвано изучение вышеназванных процессов?

58. Как изменяется осадка во времени при различных нагрузках?

59. От каких факторов зависит ползучесть грунтов?

60. Что такое релаксация грунтов и от каких факторов она зависит?

61. Покажите основные реологические модели.

62. В каких случаях следует учитывать деформации сдвига?

63. Какие соотношения рассматриваются для оценки осадки?

64. В каких случаях не следует использовать метод линейно-деформируемой среды?

65. Покажите графические зависимости между напряжениями и деформациями, которые используются в теории линейно-деформируемой среды.

66. Какие уравнения на основе деформационной теории пластичности применяются при решении задач механики грунтов?

67. Какие составляющие послужили аналогом для применения теории пластичности в уравнениях, связывающих напряжения и деформации?