Напряжение и деформация грунтов

Работа грунта в основании зданий и сооружений отличается от работы материалов, из которых эти здания и сооружения создаются. По сравнению с камнем, металлом, бетоном грунты имеют во много раз большую деформативность и низкую прочность. Грунты могут только сжиматься под воздействием внешних факторов, но не способны растягиваться.

Зависимость деформации грунтов от нагрузки

Особенностью грунтов оснований является рост деформации при постоянной нагрузке с течением времени. Причин у этого явления две, консолидация и ползучесть. Консолидация выражается в постепенном отжиме воды и уплотнении частиц грунта, а ползучесть присуща всем грунтам. При этом в песчаных грунтах преобладает консолидация, а в пылевато-глинистых - оба процесса. Следствием ползучести грунтов являются следующие свойства:

Мгновенной называют прочность, которой обладает грунт при кратковременном воздействии нагрузки в начале ее приложения. Результатом наблюдений за грунтами, точнее, за осадками жестких штампов в основании грунта, стала фиксация катастрофического увеличения осадки при значительной деформации и потери прочности грунта.

Зависимость деформации грунтов от их свойств

Динамические нагружения или виброползучесть грунтов приводят к увеличению деформаций. В результате опытов с осадками жестких штампов на поверхности грунта выяснилось, что по мере возрастания внешней нагрузки грунт поначалу сохраняет структурную прочность. Давление по краям штампа может превышать эту величину. Под нагрузкой частицы грунта смещаются вниз, осадки носят упругий характер, при этом осадка пропорциональна нагрузке.

На следующем этапе нагрузка превышает показатель структурной прочности, под краями штампа образуются зоны деформации сдвигов. Грунт уплотняется под подошвой штампа, зависимость между нагрузкой и осадкой остается почти линейной.

При возрастающей нагрузке зоны пластической деформации грунта по краям штампа разрастаются вглубь и в стороны, зависимость окончательно перестает быть линейной. Этот этап деформации называют фазой развития сдвигов и уплотнения грунта около зон пластических деформаций.

Последующее нарастание нагрузки формирует уплотненное ядро, расположенное прямо под штампом. Ядро перемещается вместе со штампом, расклинивая и расталкивая грунт в сторону наименьшего сопротивления (вверх и в стороны). Грунт теряет устойчивость, резко возрастает осадка штампа, происходит выпор грунта из-под подошвы штампа.

В случае с заглубленными фундаментами деформация грунта не столь выражена. Под действием внешней постоянной нагрузки под заглубленным штампом также образуется уплотненное ядро, но грунт не выпирает. Этому препятствуют внешние слои грунта. При увеличении нагрузки частицы на глубине перемещаются вниз и в стороны, уплотняя окружающий грунт. Свидетельством потери устойчивости фундамента является нарастание осадки по мере его вдавливания в нижние слои. В силу невысокой структурной прочности грунта зависимость между осадкой и давлением под подошвой штампа считается линейной.

Рассматривая последовательную нагрузку и разгрузку штампа при нагрузке ниже той, что влечет за собой пластические деформации, можно заметить, что осадка штампа постепенно увеличивается. Многократное повторение этих циклов приводит к накоплению остаточных деформаций.