Структурно-фазовая деформируемость грунтов

Под действием нагрузок, передаваемых сооружением, грунты основания могут испытывать большие деформации.

В грунтах, как и в любых дисперсных телах, внешняя нагрузка передается от одной частицы к другой лишь через точки контакта частиц, которые в большинстве случаев расположены незакономерно или по некоторой структурной сетке. Поэтому применение к грунтам общей теории напряжений, разработанной для сплошных упругих тел, требует особого рассмотрения.

При действии внешней нагрузки отдельные фазы (компоненты) грунтов по-разному сопротивляются силовым воздействиям и по-разному деформируются, что является главнейшей особенностью напряженно-деформированного состояния грунтов.

При общем рассмотрении изучается напряженно-деформированное состояние как грунта в целом (квазисплошное и квазиоднородное тело), так и отдельных его фаз во взаимодействии между собой.

Общая зависимость между деформациями и напряжениями. Рассмотрим общий случай зависимости относительной деформации от величины нормального напряжения для грунтов в целом. Подобное рассмотрение будет полностью справедливо для начального и конечного состояний грунта, когда отсутствует перераспределение фаз в единице объема. При рассмотрении промежуточных состояний необходимо учитывать процесс консолидации, ползучесть скелета и пр.

В самом общем случае зависимость  при значительных напряжениях будет нелинейной. Её можно представить в виде:

,                                     (2.14)

где  и   - коэффициенты, определяемые опытным путем;

 - напряжение, не превосходящее начальной прочности структурных связей ();  - действующее нормальное напряжение, обуславливающее деформации грунта при частичном или полном нарушении структурных связей;  - параметр нелинейности, также определяемый опытным путем;  - принимается равной обратной величине модуля нормальной упругости грунта Е.

Природа коэффициента  значительно сложнее. Если рассматривать только стабилизированные напряжения то , где параметр  также определяется опытным путем.

Если рассматривать деформации грунта при давлениях, больших структурной прочности сжатия, то зависимость примет вид:

,                                              (2.15)

где  - некоторый общий коэффициент пропорциональности в простейшем случае равный .

Даже представленная общая зависимость в такой простой форме еще очень сложна для применения на практике.

Деформируемость отдельных фаз грунта. НДС скелета грунта, а также однокомпонентных и квазиоднородных грунтов будет строго описываться вышеприведенными уравнениями лишь при =0 и , когда процесс перераспределения фаз грунта в единице обьема не начался или уже закончился; для промежуточных же отрезков времени НДС грунтов будет зависеть от времени.

Исследования показывают, что изменения во времени НДС скелета грунта (а также однокомпонентных и однофазных грунтов в целом) являются результатом реологических свойств скелета грунта – его ползучести при нагрузке.

Деформируемость скелета дисперсных грунтов (при закончившемся процессе консолидации) вполне описывается линейной (в отношении напряжений) теорией наследственной ползучести Больцмана – Вольтера.

                      (2.16)

и при непрерывном загружении

               (2.17)

где  - ядро ползучести, характеризующее скорость ползучести при постоянном напряжении, отнесенную к единице действующего давления.

Принцип линейной деформируемости. При небольших изменениях давлений (0,3-0,5 МПа) можно рассматривать грунты как линейно деформируемые тела, т. е. с достаточной для практических целей точностью можно принимать зависимость между общими деформациями и напряжениями для грунтов линейной. Указанный принцип линейной деформируемости является одним из основных в механике грунтов, на нем базируются почти все инженерные расчеты напряжений и деформаций естественных грунтовых оснований.