Основные расчетные модели грунтов.

Методы решения задач механики грунтов

Основными моделями механического поведения грунтов является модель дискретной среды и модель сплошной среды. В модели дискретной среды предпринимается попытка отобразить физические особенности грунта как совокупность отдельных частиц – шаров, дисков, балочек и т.д. Развитие данного направления связано с большими сложностями и пока еще не привело к созданию законченной теории деформирования грунтов. Современная механика грунтов основана на представлениях о грунтах как о сплошной однородной деформируемой среде. Однако представление о сплошности грунтов потребовало введения ряда упрощений.

Важным упрощением является понятие элементарного объема грунта – такого объема, линейный размер которого во много раз превышает линейный размер частиц или агрегатов, слагающих этот грунт. В данном случае понятия напряжений и деформаций относятся не к точке, а к площадкам, соответствующим элементарному объему. Другим важным упрощением реального строения грунта является его представление в виде тела, у которого свойства одинаковы по любому направлению, что дает точность, достаточную для инженерных целей.

Общим методом решения задач механики грунтов является решение краевых задач, то есть совместное решение уравнений равновесия, геометрических соотношений или получаемых из них уравнений неразрывности и физических уравнений при заданных краевых (начальных и граничных) условиях. Мерой количественной оценки напряженно-деформированного состояния массива грунтов являются напряжения, деформации и перемещения, возникающие от действия внешних (нагрузки) и внутренних (массовых) сил. Понятия о напряжениях, деформациях и перемещениях соответствуют понятиям механики сплошной среды.

 

В практике проектирования используют расчетные модели различной сложности, позволяющие раздельно проводить расчеты, например, несущей способности грунтов и деформаций грунтов основания. Это позволило распространить на расчеты оснований общие принципы расчетов по предельным состояниям:

I группа – по несущей способности (потеря устойчивости; хрупкое, вязкое или иного характера разрушение грунта; чрезмерные пластические деформации или деформации неустановившейся ползучести);

II группа – по деформациям (достижение состояния, затрудняющего нормальную эксплуатацию сооружения или снижающего его долговечность вследствие недопустимых перемещений – осадок, разностей осадок, кренов и т.д.).

Суть расчетов по I группе заключается в том, что предельная нагрузка на основание не должна превышать силу предельного сопротивления грунтов основания. По II группе совместная деформация сооружения и основания не должна превышать предельной для конструктивной схемы данного сооружения. В большинстве случаев определяющими являются расчеты по II группе.

Основными расчетными моделями грунтов являются: теория линейного деформирования – для расчетов конечных напряжений и стабилизированных осадок; теория фильтрационной консолидации – для расчетов развития осадок во времени; теория предельного напряженного состояния грунта – для расчетов несущей способности, прочности, устойчивости и давления грунта на ограждения.

Внедрение в проектную практику быстродействующих компьютеров позволяет использовать и более сложные расчетные модели, в первую очередь модели теории нелинейного деформирования.

Модель теории линейного деформирования (теории упругости грунтов) базируется на предположении, что при однократном нагружении (или разгрузке) зависимость между напряжениями и деформациями в грунтах линейна. При нагружении грунта рассматривается лишь его общая деформация без разделения на упругую и пластическую.

Модель теории фильтрационной консолидации базируется на предпосылке о неразрывности среды, т.е. считается, что уменьшение пористости грунта (его уплотнение) пропорционально расходу воды (оттоку из пор грунта). Скорость деформации грунта, в соответствии с теорией фильтрационной консолидации, будет находиться в прямой зависимости от скорости фильтрации в нем поровой воды. Скелет грунта принимается линейно деформируемым. Также используются и более сложные модели теории консолидации, учитывающие трехкомпонентный состав грунта, сжимаемость поровой воды, ползучесть скелета и др.

Модель теории предельно напряженного состояния грунта (теории предельного равновесия грунта), в отличие от двух предыдущих моделей, относится только к предельному состоянию. Состояние предельного равновесия в некоторой точке массива грунта будет соответствовать такому соотношению между напряжениями и деформациями, когда малейшее нарушение этого соотношения может привести к неограниченному росту пластических деформаций грунта (течению грунта). Решения теории предельного равновесия используют при расчетах устойчивости сооружений и оснований, откосов и склонов, определения давления грунта на ограждения.