Menu

Определение напряжений от собственного веса грунта

Учет взвешивания грунта водой. Прежде чем переходить непосредственно к определению напряжений от собственного веса грунта, остановимся на определении самого веса грунта, находящегося ниже горизонта воды.

На грунтовые частицы, находящиеся в воде, действуют собственный вес этих частиц и архимедова сила — сила взвешивания. Архимедова сила равна равнодействующей гидростатического давления воды на частицу и направлена вверх, т. е. противоположно направлению действия собственного веса частиц.

В песчаных грунтах контакты между частицами «точечные» и на поверхность частицы действует полная эпюра гидростатического давления (рис. 3.1, а). В этом случае архимедова сила А численно равна весу воды в объеме частицы. Поэтому удельный вес взвешенного в воде грунта определится с учетом (1.15) и (1.17) как

Твзв = Рск^ — = Тск — Щ = 7СК — (1 — п) т = Чек — 7/(1 + «) (3.1)

или, если прибавить и отнять пу, то 7В3в=(Тск + пУ) — (« + пг)У, откуда, учитывая, что п + т = 1, получим

где 7Пас — удельный вес насыщенного водой грунта; у — удельный вес воды, остальное см. § 1.2. Во многих обычных грунтах величина 7ВЗВ немного больше или меньше 10 кН/м3.

В глинистых грунтах, особенно плотных и имеющих развитые цементационные связи, возможно, не происходит передачи гидроста
тического давления по «прикрытым» поверхностям контактов между частицами, окруженными пленками связанной воды (рис. 3.1, б). Тогда архимедова сила будет меньше, чем определяемая по зависимости (3.1), и будет иметь место так называемое частичное (неполное) взвешивание, т. е. увзв = 7ск — у, где а< 1. Однако, как показывают исследования Б. Ф. Рельтова, Г. М. Мариупольского и др., для подавляющего большинства глинистых грунтов имеет место практически полное взвешивание. Исключение составляют только очень плотные глины, в которых благодаря заполнению всех пор только связанной водой, возможно, даже вообще отсутствует взвешивание.

 

Рис. 3.1. Архимедова сила А при полном (а) и неполном (б) взвешивании частицы грунта

В практических расчетах всегда принимается полное взвешивание грунта, т. е. зависимости (3.1) и (3.2), тем более что принятие неполного взвешивания приводит к результатам «не в запас» прочности — устойчивости сооружений.

Напряжения от собственного веса грунта при его горизонтальной поверхности.

= 7гр2> ® X — ву — ЕТгр^>

[image]

В этом случае нет возможности бокового расширения грунта и все компоненты напряжении определятся по зависимостям:

2

°г — | Тгр (Ю ^2, Ох — Оу — Н(Тг, Хху — 1уг = Тгдс = 0. (3.3)

о

^ Ггр 1^1 М °Х ~ ~ ^ (гр 1 /*!•

а в случае / слоев толщиной Н1 каждый с удельным весом уГР г

[image][image]

В однородной толще грунта

На рис. 3.2 в качестве примера показана эпюра напряжений о2 в слоистой толще с различными удельными весами грунта (7ГР), причем ниже горизонта грунтовых вод (ГГВ) обязательно учитывается взвешивание грунта, принимая 7ГР = увзв, определяемое по зависимости (3.1). Естественно, что взвешивание грунта водой уменьшает напряжение от собственного веса грунта (примерно в 1,5...2 раза). Поэтому при подтоплении территорий пригрузка основания слоем грунта уменьшается и устойчивость сооружений снижается.

При понижении уровня грунтовых вод сжимающие напряжения в скелете грунта и всей нижележащей толщи увеличиваются (например, пунктирная линия эпюры напряжений на рис. 3.2). В результате происходит сжатие толщи грунта и осадки территории, особенно значительные в случае, если ранее грунт образовался и всегда находился под водой.

Следует учитывать, что при определении природных бытовых напряжений по зависимостям (3.3) не учитывается напряженное состоя

ние, созданное в процессе образования толщи грунта, например, влияние горообразовательных и других геологических процессов, наличие сильно сжимаемых или, наоборот, жестких линз и прослоек и др.

Учет открытия котлована. Если поверхность основания не плоская, а имеет соответствующий отрытому котловану трапецеидальный или прямоугольный вырез, то при определении напряжений от собственного веса можно использовать следующий приближенный прием. Вес вынутого грунта заменяют приложенной к плоской поверхости основания отрицательной внешней трапецеидальной или прямоугольной нагрузкой <7(х), интенсивность которой определяется распределением вынутой при отрытии котлована части грунта (рис. 3.3). Новые напряжения определяют, вычитая из напряженного состояния, соответствующего плоской поверхности основания, напряжения от нагрузки ^(х) (см. § 3.2). Конечно, этот прием не позволяет обеспечить выполнение граничных условий на поверхности котлована, нормальные и касательные напряжения по контуру которого должны быть равны нулю. Применяя метод конечных элементов (МКЭ), можно получить точное решение для любой формы выреза из полуплоскости, и даже полупространства. Однако в случае достаточно широких котлованов (ширина больше двух глубин) разница в оценке вертикальных смещений дна котлована по сравнению с приближенным приемом обычно не превышает 3%.

 

Рис. 3.2. Напряжения аг от собственного веса слоистой толщи грунта

[image]

Рис. 3.3. Приближенный метод учета отрытия котлована

Напряжения от собственного веса в грунтовых сооружениях. В простейшем, сугубо приближенном варианте в однородном достаточно распластанном земляном сооружении напряжения определяют по зависимостям (3.3). Таким образом, весь массив грунта разбивают на отдельные столбики, по вертикальным граням которых т = О (гипотетический грунт Н. М. Герсеванова). Линии равных напряжений будут повторять внешние контуры сооружения (рис. 3.4, а), а распределение напряжений по глубине будет по треугольнику.

При учете сложного напряженного состояния, развития областей пластических деформаций или нелинейности свойств грунтов приходится применять численные методы решения: метод конечных разностей (метод сеток), метод конечных элементов и др. Наиболее простые численные решения получаются в случае применения модели линейно деформируемого тела или заменой решения задачи при нелинейных свойствах материала последовательным решением ряда
линейных задач, меняя характеристики деформируемости грунта в каждом узле сетки или каждом элементе при использовании МКЭ в зависимости от напряженного состояния. Однако в случае однородных пологих откосов разница в напряжениях сг2 со схемой гипотетического грунта очень невелика (рис. 3.4, б). Во многих практических

[image]

Рис. 3.4. Линии равных напряжений ог от собственного веса грунта по схеме гипотетического грунта (а) и по численному линейному решению (б)

 

расчетах таких сооружений применение зависимостей (3.3) не приводит к большой погрешности в оценке их смещений и устойчивости.

В неоднородных плотинах разная деформируемооть отдельных частей оказывает влияние на их напряженное состояние. Так, например, в плотинах, имеющих центральное, более деформируемое глинистое ядро (рис. 3.5), происходит существенная разгрузка ядра с концентрацией напряжений в переходной зоне. Снижение напряжений в ядре в зависимости от соотношения деформативных свойств ядра и упорных призм может достигать 60%. В результате «зависания» ядра на упорных призмах возникает опасность образования ослабленных зон и даже нарушения сплошности ядра и образования трещин.

[image]

Рис. 3.5. Линии равных напряжений аг (а\ и ах (б) в плотине с центральным гли' нистым ядром, в строительный период (А. П. Троицкий)

 

При учете нелинейности свойств грунта существенное влияние оказывает учет постепенности возведения сооружения. В общем случае задача исследования напряженно-деформированного состояния сооружения, состоящего из различных нелинейно деформируемых грунтов, имеющего области пластических деформаций с учетом последовательности его возведения, процессов консолидации и явлений ползучести скелета грунта, является сложной и трудно осуществляемой при современном уровне развития ЭВМ. Еще больше осложнений вносит учет пространственной работы сооружений, возводимых в сравнительно узких каньонах. Эти направления в последние годы успешно развиваются в Советском Союзе благодаря работам Ю. К- Зарецкого, В. М. Лятхера, Л. Н. Рассказова, А. К- Бугрова, В. Н. Ломбардо, А. Л. Крыжановского и др.

Последние материалы

Заключение (Грунты)

При построении курса учитывалась необходимость его использования для различных гидротехнических специальностей и специализаций. В качестве основной части для студентов всех гидротехнических специальностей следует считать обязательным прочтение гл. 1—7. В гл. 8...

25-08-2013 Просмотров:4223 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Представления о решении задач нелинейной механики грунтов

На современном этапе развития нелинейного направления механики грунтов оформились два основных подхода к решению практических задач расчета грунтовых оснований и сооружений: нелинейно-упругий и упругопластический (А. К. Бугров, С. С. Вялов...

25-08-2013 Просмотров:7423 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Прочность грунтов при сложном напряженном состоянии

Для сред и материалов, обладающих сплошностью, предложено много различных условий прочности. Для оценки прочности грунтов наиболее широкое распространение получило условие Мора—Кулона (2.38), не содержащее промежуточного главного напряжения а2 и тем...

25-08-2013 Просмотров:4412 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Еще материалы

Геодезические работы при строительстве м…

На всех этапах строительства моста требуется высокая точность исполнения проекта, которая обеспечивается геодезическими работами. К ним, в частности, относятся создание геодезической разбивочной сети, разбивка мостовых опор на разных этапах их...

13-08-2010 Просмотров:20663 Инженерная геодезия. Часть 2.

Закономерности распространения упругих в…

В соответствии с рассмотренной спецификой мерзлых пород как твердых тел их механические свойства находятся в сложной зависимости от многих факторов. Следовательно, и скорости распространения упругих волн в мерзлых породах являются...

27-09-2011 Просмотров:6933 Электрические и упругие свойства криогенных пород

Влияние стока ливневых вод на эрозию поч…

Современный экологический кризис является следствием антропогенной деятельности. Эрозия и дефляция как основная причина деградации почвенного покрова возникла при не адаптированной к условиям природной среды хозяйственной деятельности, вследствие чрезмерной распашки территории...

03-06-2011 Просмотров:6057 Геоэкология