Испытания грунта в приборе трехосного сжатия (стабилометре). €

Испытание грунта в приборе 3х осного сжатия (стабилометре) отвечает его работе в природных условиях и даёт наиболее надёжные результаты в определении его прочностных и деформационных свойств.

Р1- вертикальное давление

Р2- Боковое давление

Основные положения методики заключаются в следующем. В начале опыта создается гидростатическое равновесие главных напряжений. Затем ступенями образец грунта загружается вертикальной нагрузкой, при которой боковое давление сохраняется постоянным. Испытание проводится до разрушения образца. В результате каждого опыта определяются основные характеристики сжимаемости: модуль общей деформации и коэффициент поперечного расширения (коэффициент Пуассона).

Таким образом, образец грунта в стабилометре будет находиться в объемно-напряжённом состоянии.

Если вырезать из образца грунта элементарный параллелепипед с гранями перпендикулярно главным нормальным напряжениям Р₁ и Р₂, то такой образец будет испытывать лишь сжатие со всех сторон без возможности разрушения. Однако параллелепипед грунта ориентированный под углом α по своим граням будет испытывать кроме сжимающих усилий Рα еще касательные усилия τ_α (касательные напряжения).

Именно касательные напряжения τ_α вызывают смещение отдельных частиц грунта относительно друг друга и приводят к разрушению образца грунта в целом. В момент такого разрушения или предельного состояния грунта определяются его прочностные и деформационные свойства. Проведение испытаний или доведение образца грунта до разрушения (предельного состояния) зависит от соотношения значений главных нормальных напряжений и условий испытаний. Преимущество стабилометров с непрерывным нагружением осевой нагрузки (мм/мин) заключается в том, что эти испытания позволяют определить следующие параметры прочности: критическое значение угла внутреннего трения,φ; пиковое значение угла внутреннего трения,φmax; остаточное значение угла внутреннего трения, φrest;угол дилатанции, ψ, силу сцепления с. Испытания при статическом нагружении дают только критическое значение угла внутреннего трения, φ, и силы сцепления с. В тоже время, в отличие от компрессионных приборов, испытания в стабилометре можно провести в условиях близких к природным, учитывая начальное напряженное состояние в естественном массиве грунта Боковое давление, которое не регулируется в одометре, в стабилометре принимается равным горизонтальным напряжениям на глубине отбора монолита грунта, а вертикальные напряжения задаются равными бытовым (от собственного веса вышележащих слоев грунта).

17 Фазы напряженного состояния грунта при беспрерывном возрастании нагрузок (зависимость S=f(p)) – 112

Предельное напряжённое состояние оснований

Фазы напряженного состояния грунта

Рассмотрим типичный график развития осадки фундамента по мере его нагружения статической нагрузкой (см. схему).

1 фаза-линейного деформирования, При увеличении нагрузки осадка происходит линейно.

2 фаза-фаза сдвигов, 3 фаза-пластического течения

Фазы напряженного состояния. Первая фаза напряженного состояния грунта носит название фазы уплотнения. В строительном отношении такое состояние грунта будет полезным, так как грунт в фазе уплотнения приобретает более плотную структуру и будет давать меньшие осадки.

При уплотнении зависимость между общими деформациями и удельным давлением (сжимающим напряжением) с достаточной для практических целей точностью может быть принята линейной.

Уплотнение грунта под нагрузкой может продолжаться еще при нескольких ступенях нагрузки, однако при достижении ее некото­рой величины возникает все больше скольжений (сдвигов) между частицами грунта, так как в отдельных местах сопротивлении сдвигу преодолеваются и скольжение между частицами постепенно формируются в отдельные площадки скольжения и зоны сдвигов. Конец фазы уплотнения и начало образования зон сдвигов, возникающих первоначально у краев площади загрузки, где сдвигающие напряжения наи­большие, являются характернейшими показателями механических свойств грунтов и соответствуют начальной критической нагрузке на грунт в данных условиях загружения. При дальнейшем увеличении нагрузки наступает вторая фа­за— фаза сдвигов, переходящая в пластическое или прогрессирующее течение, выпирание, просадку и подобные недопустимые деформации.

График развития осадки фундамента в зависимости от его степени нагружения.

По мере нагружения основания статической нагрузкой, развитие осадки происходит неравномерно. При давлениях Р< Р_н.кр. деформирование основания происходит линейно - I фаза – фаза уплотнения грунтов;

При давлениях Р_н.кр.<Р< Р_пр. деформирование основания происходит не линейно - II фаза – фаза сдвигов (фаза развития пластических деформаций).

-Р_н.кр. – начальная критическая нагрузка;

-Р_пр. – предельное давление на основание.

18 Теоретические, фактические и расчетные эпюры напряжений под подошвой жестких фундаментов (контактная задача). – 113

Решения Буссинеску для круглого жёсткого штампа

Контактным называют давление по подошве фундамента

Для определения контактного напряжения совместно решается два уравнения:

Дифференциальное уравнение изогнутой оси балки;

Физическое уравнение связей между действующим давлением и осадкой.

E_бJ_б(d⁴s/dx⁴)=q_x­p_x;

где: E_бJ_б-жесткость балки

S – прогиб балки

Распределение напряжений на подошве фундамента

(Контактная задача)

Этот вопрос имеет особое значение для гибких фундаментов, рассчитываемых на изгиб.

Если известно Рконт, то загружая этой величиной фундамент, можно легко определять усилия в конструкции тела фундамента.

Из курса сопротивления материалов известно, что напряжения для сжатых конструкций при прямолинейной эпюре определяются по обобщенной формуле:

smax, min =(N/F) +-(M/W) - но здесь не учитывается работа сжимаемого основания.

Аналитическое решение по определению значений величин контактных напряжений, получено Буссинеску в виде зависимости:

Расчётная схема для решения задачи Буссинеску.

Анализируя аналитическую зависимость (см. приведённую выше формулу и схему), можно записать, что

При ρ = r → Рρ = ∞

При ρ = 0 → Рρ = 0,5Р_ср

и построить теоретическую эпюру контактных напряжений. Фактически же, грунт под подошвой фундамента, при давлениях, стремящихся к бесконечности (краевые точки) разрушаясь, приводит к перераспределению напряжений, возникает практическая эпюра (см. приведенную схему). Однако в данной методике также не учитываются свойства грунта основания.

При дальнейших исследованиях было установлено, что эпюра контактных напряжений под подошвой фундамента будет зависеть от его гибкости (Г) - обобщённой характеристики, учитывающей деформативные свойства основания.

Р = f(Г)

Понятие гибкости (Г) было введено профессором Горбуновым-Посадовым М.И.

Е₀ – модуль деформации грунта;

ℓ – полудлина фундамента (балки);

Е₁ – модуль упругости материала фундамента;

h₁ – высота фундамента.

Эпюры контактных напряжений под подошвой фундамента в зависимости от его гибкости. Крайняя правая схема на данном рисунке показывает, что для абсолютно жёстких фундаментов (Г=0), в целях аппроксимации, принята не фактическая седлообразная эпюра контактных напряжений, а прямоугольная (использование аппарата теории упругости к грунтам).

Форма эпюры контактных напряжений зависит и от ширины подошвы фундамента Р = f(b) и при прочих равных условиях (m_v – const; N – const) и может быть представлена на следующей схеме:

Эпюры контактных напряжений под подошвой фундамента в зависимости от его ширины.

Форма эпюры контактных давлений зависит и от степени нагружения фундамента Р = f (N) и при прочих равных условиях (m_v – const; F - const) может быть представлена на следующей схеме:

Эпюры контактных напряжений под подошвой фундамента в зависимости от степени нагружения.

Таким образом, приведённые примеры дают наглядную картину изменения величины и формы эпюры контактных напряжений в зависимости от поэтапного нагружения (увеличение веса сооружения в процессе его строительства), что значительно осложняет решение поставленной задачи.