Предельное напряжение растяжения грунта лира: особенности и значения

НАПРЯЖЕНИЕ, ПЕРЕДАВАЕМОЕ ГРУНТУ ПО ПОДОШВЕ ФУНДАМЕНТА

Это напряжение не остается по глубине постоянным, а в некоторой области
грунтовой толщи рассеивается. Для решения задач о распределении напряжений
применяют уравнения теории упругости, рассматривая грунты как тела однородные,
изотропные и линейно-деформируемые, подчиняющиеся закону Гука. Для оснований
гражданских и промышленных зданий назначают такую величину допустимых
напряжений, при которой в грунте не возникают пластические (остаточные)
деформации.

Изменение напряжений σ по различным вертикальным (z) и горизонтальным (x)
сечениям характеризуется эпюрами σ_z и σ_x (рис. 2). Как видно из рисунка, напряжения в
грунтовой толще изменяются, как непрерывные функции от σ_max до σ_min как по
вертикальному, так и по горизонтальному направлению.

В напряженной зоне грунта имеются точки с одинаковыми напряжениями, через
которые можно провести линии (т.н. кривые равных напряжений). Например, линии,
проходящие через точки с одинаковым вертикальным напряжением σ_z, называются
изобарами. В сжимаемой толще можно провести какое угодно число изобар (в
зависимости от того, какие по величине напряжения соединяются линиями). Например,
если к поверхности грунта приложена распределенная полосовая нагрузка
интенсивностью p, то семейство изобар будет выглядеть следующим образом:

Семейство изобар принято называть «луковицей напряжений». Построение
«луковиц напряжений» полезно при оценке напряженного состояния в основаниях
сооружений: подобное изображение наглядно иллюстрирует изменение напряжений в
грунте под нагрузкой.

Определение предельного напряжения растяжения грунта «Лира»

Предельное напряжение растяжения грунта «Лира» — это важный параметр, используемый в геотехнике для определения показателей прочности грунта. Этот параметр позволяет оценить максимальное напряжение, которое может быть применено к грунту в процессе его растяжения без разрушения.

Определение предельного напряжения растяжения грунта «Лира» может быть осуществлено с помощью специального устройства – пружинной динамометрической головки «Лира». Головка «Лира» позволяет с легкостью измерять усилие, необходимое для растяжения грунта, и регистрировать его изменения.

Процедура определения предельного напряжения растяжения грунта с помощью головки «Лира» состоит из следующих шагов:

1. Поместите головку «Лира» на поверхность грунта и закрепите ее.
2. Начинайте медленно нагружать головку «Лира», увеличивая усилие до тех пор, пока не произойдет разрушение грунта.
3. Зафиксируйте значение усилия на момент разрушения грунта.

Полученное значение усилия будет представлять собой предельное напряжение растяжения грунта «Лира». Оно обозначает максимальную силу, приложенную к грунту, при которой он еще сохраняет свою целостность.

Определение предельного напряжения растяжения грунта «Лира» является важной информацией для проектирования и расчета инженерных сооружений, таких как фундаменты, дамбы, дорожные покрытия и прочие геотехнические конструкции. Знание этого параметра позволяет предсказывать поведение грунта и его деформацию в процессе эксплуатации этих сооружений

В целом, определение предельного напряжения растяжения грунта «Лира» является важной составляющей геотехнических исследований и позволяет получить надежные данные о прочности грунта для успешной проектирования и строительства инженерных сооружений

Основные прочностные характеристики грунта

Схема испытаний грунта в зависимости от его исходного состояния.

1. Гранулометрический состав почвы – доля частиц разного размера, которые образуют данную почву (выражается в процентном отношении). Размер частиц у каждой породы свой: у глинистых пород – миллиметры, у крупнообломочных пород – сотни и десятки сантиметров.
2. Объемная масса – это величина массы земли, объем которой 1 куб. см. Важным условием является то, что масса должна определяться, при естественной влажности и пористости земли.
3. Объемная масса является одной из главных характеристик, которая определяет прочность грунтов. Она зависит от влажности и пористости земных пород. Также рассчитывается объемная масса твердой фазы, то есть масса единица земли, но без массы воды.
4. Естественная влажность – количество воды в почве при естественных условиях. Влажность сильно варьируется в зависимости от исследуемой породы. Величина влажности может сделать одну и ту же породу разной прочности. От естественной влажности напрямую зависит устойчивость основания.
5. Пористость грунтов. Если рассмотреть эту характеристику со стороны физики, то ее можно определить как отношение объема пор почвы ко всему его объему, соответственно, пористость выражается в процентах. Пористость является основной характеристикой плотности основания, от которой напрямую зависят прочностные характеристики.
6. Пластичность грунтов – тоже важный фактор при определении прочностных характеристик грунта. Пластичность является показателем того, какую нагрузку почва может выдержать без разрыва сплошности. Также пластичность означает сохранение полученной формы после оказания на почву внешнего воздействия. Пластичность зависит от влажности и состава земли.
7. Клейкость или липкость грунтов – способность почвы при определенном количестве воды в нем прилипать к инструментам и строениям.
8. Набухание и усадка почвы. Если в грунте увеличить содержание воды, то он увеличится в объеме – это набухание, а если уменьшить, то его объем станет меньше – это усадка.

Схема нарушения структуры грунта основания при промерзании за счёт сил пучения и при оттаивании за счёт снижения прочностных свойств из-за обильного водонасыщения основания.

Пожалуй, это самые необходимые характеристики прочности грунтов. При строительстве нужно учитывать каждый фактор по отдельности и их совокупность. Если один показатель в норме, это совсем не означает, что другой тоже будет соответствовать строительным стандартам. Перед началом строительства обязательно должен быть проведен комплекс геолого-геодезических работ. После разведочных работ вы получаете геолого-геодезическое заключение, на основании которого можно осуществлять расчетные работы.

Инженерно-геологические изыскания дают вам комплексную картину и характеристики района или необходимого вам участка под строительство. Данные изыскания – трудоемкий процесс, который требует много времени и конкретную информацию. Основная задача изыскания – определение геологического разреза, уровня вод и отбор почвы.

Данные изыскательные работы невозможно избежать перед началом строительства, только на основании полученных фактов вы сможете приступить к строительству дома своей мечты.

Когда проводят исследование

Исследование прочностных характеристик грунтов проводится в ходе геолого-разведывательных работ перед строительством здания

Особенно это важно для высотных многоэтажных построек, которые имеют значительный вес и должны выдерживать большие ветровые нагрузки

Забор грунта для испытаний на приборах называют монолитом. Его берут из шурфов – скважин, глубина которых равна глубине фундамента будущего дома. Пробу грунтов берут через каждые 1-2 м вдоль всей глубины шурфа. В качестве образцов для исследований берут пробы с неразрушенной внутренней структурой грунта (без перекапывания, рыхления и др.).

Испытания на приборах проводят на образцах в сухом и водонасыщенном (намокшем) состоянии, а также на предварительно уплотнённых образцах или без их предварительного уплотнения.

Геодезическая разведка . Так выглядит проба грунта

УСЛОВИЕ ПРОЧНОСТИ ДЛЯ СЫПУЧИХ И СВЯЗНЫХ ГРУНТОВ

1. Для сыпучих грунтов (различного рода пески, крупнообломочные грунты,
галечники). Зависимость σ – τ принимается прямой, проходящей через начало координат и
наклонной к оси нормальных напряжений σ под углом внутреннего трения φ (рис. 5).

Из графика можно записать
следующую зависимость:

τ = σ · tgφ

Указанная зависимость – условие прочности грунта (закон Кулона) для сыпучих
тел: сопротивление сыпучих грунтов сдвигу есть сопротивление трения, прямо
пропорциональное нормальному давлению.

2. Для связных грунтов (пылевато-глинистые грунты) прямая σ – τ не проходит
через начало координат, а отсекает отрезок c на оси τ, так как в связных грунтах,
обладающих сцеплением между частицами, при отсутствии нормального давления (σ = 0)
сопротивление грунта сдвигу больше нуля, что обусловливается силами сцепления (рис. 6).

Общее сопротивление сдвигу
связного грунта можно
выразить уравнением:

τ = σ · tgφ + c

Таким образом, сопротивление связного грунта сдвигу складывается из
сопротивления трения, пропорционального нормальному давлению, плюс сцепление, не
зависящее от давления.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ, ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ПРИ ПОДГОТОВКЕ ЛЕКЦИИ:

1. Бартоломей А.А. Механика грунтов: Учеб. издание/ АСВ, Москва, 2004;
2. Малышев М.В., Болдырев Г.Г. Механика грунтов. Основания и фундаменты (в
   вопросах и ответах) / Учебное пособие. – М.: Издательство Ассоциации
   строительных вузов, 2004;
3. Тер-Мартиросян З.Г. Механика грунтов/ Учебное пособие. – М.: Издательство
   Ассоциации строительных вузов, 2005;
4. Цытович Н.А. Механика грунтов (краткий курс): Учебник для строит. вузов. – М.:
   Высш. шк., 1983.
5. Проектирование фундаментов зданий и подземных сооружений: Учеб. пособие/ Под
   ред. Б.И. Далматова; 2-е изд. – М.: Изд-во АСВ; СПб.: СПбГАСУ, 2001.

Что же это все значит

Из вышесказанного следует, что при описании поведения слабых водонасыщенных глинистых грунтов необходимо учитывать их переменную во времени прочность (при нагружении, консолидации и после ее завершения). Сделать это вручную невозможно (хотя стоит отметить различные варианты аналитических методик, в т.ч. в Пособии по проектированию автодорог на слабых грунтах), только путем численного моделирования с типом поведения Undrained A. Тогда все многообразие состояний грунта от текучего до твердого можно описать всего двумя цифрами прочности, эффективной: c’ ф‘ при использовании численных методов и определении избыточного порового давления (подробнее об этом читайте в следующем посте).

Например, глину с конкретными характерными влажностями можно моделировать этими значениями эффективной прочности:

ОБЩАЯ ЗАВИСИМОСТЬ МЕЖДУ ДЕФОРМАЦИЯМИ И НАПРЯЖЕНИЯМИ. ПРИНЦИП ЛИНЕЙНОЙ ДЕФОРМИРУЕМОСТИ

В основу теории распределения напряжений в грунтах кладётся зависимость между
относительными деформациями ε и нормальными напряжениями.

В общем случае (согласно опытам) зависимость между деформациями и
напряжениями для грунтов будет нелинейной:
σ

Однако в определенном интервале напряжений (при не очень больших изменениях
внешних давлений – порядка 1÷3 кг/см2) с достаточной для практических целей
точностью зависимость между деформациями ε и нормальными напряжениями σ может
приниматься линейной (спрямлённый участок оа на кривой, рис. 1).

Сформулируем принцип линейной деформируемости для грунтов: при небольших
изменениях давлений грунты можно рассматривать как линейно-деформируемые тела, то
есть зависимость между общими деформациями и напряжениями для грунтов может быть
принята линейной: σ = Е · ε.

Виды прочности грунта

Длительная прочность – ПГ при длительном действии нагрузки. Характеризуется кривой длительной прочности. Она зависит, в основном от прочности структурных связей грунта.

У грунтов с крепкими кристаллизационными и конденсационными связями прочность до их разрушения снижается до 70-90% от начальной (для большинства скальных грунтов до 60-80%). При наличии самых слабых структурных связей (коагуляционных) длительная прочность уменьшается до 20-60% от начальной.

В глинистых грунтах длительная ПГ зависит также от их влажности и консистенции. У глинистых грунтов пластичной консистенции прочность с течением времени при постоянной нагрузке снижается сравнительно быстро, и длительная ПГ для текучепластичных глин составляет от 20-40% до 50-60% для тугопластичных глин от начальной прочности. У мёрзлых грунтов длительная ПГ составляет 15-50% от начальной прочности, длительная ПГ льда уменьшается до нуля. При сжатии прочность снижается в меньшей мере, чем при сдвиге и тем более при растяжении. В условиях сложного напряжённого состояния, чем больше среднее нормальное напряжение, тем в меньшей степени снижается прочность. С ростом температуры снижение ПГ идет интенсивнее.

Контактная прочность – характеристика твёрдости породы, определяемая при вдавливании штампа в необработанную поверхность образца и составляющая, например, для песчаников 3,5 – 18,0 МПа, для сланцев 3,0 – 7,0 МПа.

Мгновенная прочность – ПГ при мгновенном приложении нагрузки.

Прочность грунта на сжатие – разрушение грунта при сжатии. Проводится в условиях свободного бокового расширения (такое испытание называется простым или одноосным сжатием) или при его ограничении. Она характеризуется пределом прочности на одноосное сжатие R_с и равно частному от деления максимальной разрушающей нагрузки на площадь поперечного сечения образца до испытания. По величине R_с приближённо оценивается несущая способность свай. Она прямо пропорциональна предельной расчётной величине прочности на одноосное сжатие. Величина R_с используется также для определения устойчивости массива грунтов, в котором происходит подземная выработка, величин его смещения, нагрузок на крепь и параметров крепи. По значению R_с вычисляют коэффициент крепости по Протодьяконову.

Предел прочности на одноосное сжатие в лабораторных условиях изучают на образцах правильной (кубической или цилиндрической) и неправильной форм. Между пределом прочности на одноосное сжатие для образцов правильной R_с и неправильной R_с.н. формсуществует эмпирическая взаимосвязь R_с=5,3 R_с.н. Предел прочности на одноосное сжатие зависит от трещиноватости грунта, размера, формы и характера упаковки слагающих грунт частиц, прочности структурных связей между частицами, степени насыщения грунта водой или льдом.

Стандартная прочность – ПГ (песчаных и глинистых), оцениваемая методом медленного сдвига после предварительного полного их уплотнения при давлении, соизмеримом с давлением, создаваемым инженерным сооружением.

Структурная прочность – ПГ, обусловленная структурными связями между компонентами грунта, преимущественно твёрдыми. Она зависит от вида компонент и их физической природы, отвечает величине нагрузки, при которой начинается деформирование грунта. Различают структурную прочность при сжатии и сдвиге. Структурная ПГ при сжатии ориентировочно определяется по формуле: σ_стр=2с cosφ /(1-sinφ), где φ – угол внутреннего трения; с – сцепление.

Прочность грунта фильтрационная – сопротивление грунтов, главным образом песчаных, разрушению при действии на них фильтрационного потока.

Прочность остаточная – минимальное касательное напряжение при данной величине деформации, которое грунт выдерживает без деформирования и разрушения.

Прочность пластическая – предельное сопротивление сдвигу глинистых грунтов, определяемое по результатам лабораторных пенетрационных исследований по формуле: Р_m=K_aPh2, где K_a – константа конуса, равная 0,959 при угле вершины конуса 30; Р – усиление пенетрации; h – глубина погружения конического наконечника под действием усилия Р.

Как определяют прочность?

Для определения прочности любого материала его подвергают воздействию нагрузки и отслеживают наличие и размер деформаций после нагружения. В зависимости от деформационных свойств, материал может выдерживать определённую нагрузку без изменений размеров и  формы или деформироваться под воздействием внешних сил.

Виды грунтов

Почва или грунт – это материалы, у которых есть определённая прочность и стойкость к деформациям. Плотная почва (глина) хорошо держит нагрузку и не деформируется. Сыпучий грунт (песок) нагрузки не выдерживает, сдвигается и вызывает разрушение стен строения. Кроме того, способность не деформироваться под нагрузкой зависит от состояния грунта (насыщенности водой, промерзания). Какие нагрузки должен выдерживать грунт под фундаментом здания?

Немного истории

В прошлом веке, когда перед инженерами были поставлены задачи обосновать расчетом строительство различных, часто сложных объектов, одной из проблем было использование на практике общепринятой теории К. Терцаги. Согласно этой теории, в грунте могут возникать полные напряжения (называемые тотальными), эффективные напряжения в скелете и избыточное поровое давление (называемое нейтральным). Зависимость между этими показателями простая – полные напряжения складываются из эффективных и нейтральных:

σ=σ′+U

В то время в условиях массового строительства не было возможности использовать лабораторные приборы с измерением порового давления и, конечно, не было доступных программ на подобие Plaxis, Midas, Z-soil, FEM-Models, RS и пр. Однако в этих условиях была разработана гениальная теория, которую мы теперь знаем как теорию «плотности-влажности Н.Н. Маслова», в которой влажность является эквивалентом порового давления. Вполне вероятно, что Н.Н. Маслов не является единственным автором, поскольку основные принципы и подходы в механике грунтов разрабатывались многими людьми, но, по всей видимости, именно Маслов внедрил этот метод в практику. Причем внедрение было на столько эффективным, что до сих пор во многих документах прописана эта теория, особенно в области дорожного строительства. Но вот странно, об этом знают не все те, кто пользуется этими документами…

Суть теории плотности-влажности

Одним из нормативных документов, реализующих эту теорию, является ГОСТ Р 54476-2011 «Грунты. Методы лабораторного определения характеристик сопротивляемости сдвигу грунтов в дорожном строительстве».

Суть опытов заключается в проведении серии испытаний с образцами, которые были выдержаны под разными нагрузками разное время и, соответственно, имеют различную плотность и влажность. Путем несложных построений и преобразований получают кривые зависимости трения и сцепления от влажности.

По сути, известные всем характеристики грунтов в приложении СП 22.133330-2016 и есть результат табличного представления этой теории (е – определяет пористость, а IL – влажность или консистенцию).

Сам Н.Н. Маслов работал не только в дорожной отрасли, но и принимал участие в гидротехническом и других видах строительства, в том числе за рубежом. За многолетний опыт им были накоплены статистические наблюдения огромного числа испытаний, на основе которых была составлена таблица прочностных характеристик глинистых грунтов, опыт использования которой самим Масловым и его коллегами превышает 30 лет.

Собственно, ничего нового в изложенном нет, однако эта информация наглядно показывает, что российский инженер-геотехник хорошо знает, что текучая глина имеет низкие трение и сцепление, а твердая – очень высокие. А зависит это все от влажности. Однако, ни в одной зарубежной программе этой самой влажности в привычном нам понимании нет. Начинающий пользователь программ, например, Plaxis или Midas, задаст закономерный вопрос: а как же программа будет понижать или повышать характеристики, если влажность не является исходным параметром?!

И здесь стоит вернуться к теории К. Терцаги, которая разработана за рубежом и используется повсеместно на сегодняшний день. А, как было указано ранее, эта теория целиком и полностью основана на поровом давлении.

Что влияет на прочность грунта?

Что влияет на деформационные характеристики грунтов:

• Гранулометрический состав грунта (размер его частиц). Чем мельче частицы, тем выше плотность и ниже деформационные свойства.
• Пористость почвы (чем плотнее почва, тем выше её прочностные характеристики и ниже способность деформироваться под нагрузкой).
• Влажность грунта (намокание грунта снижает характеристики прочности).
• Колебания подземных вод (подъём их уровня снижает прочностные свойства грунта).

Определение деформационных свойств грунтов требует профессиональных знаний и геологических расчетов.

Прочностные и деформационные характеристики грунтов
обновлено: Февраль 26, 2018
автором: zoomfund

ФАЗЫ ДЕФОРМАЦИЙ ГРУНТА ПОД ФУНДАМЕНТОМ

Закономерность нарастания осадок с постепенным увеличением статической
нагрузки характеризуется графиком:

Этот график имеет три характерных участка (oa, ab и bc на графике, рис. 4).

Начальный участок о имеет пологое очертание и согласно принципу линейной
деформируемости может быть заменён прямой. Деформация на участке прямой
называется фазой уплотнения (рис. 5).

Рис. 5. Фаза уплотнения

В фазе уплотнения
происходит более плотная
укладка частиц грунта за счёт
уменьшения объёма пор. Ни в
одной точке основания
касательные напряжения по
своей величине не превосходят
сил внутреннего сопротивления грунта сдвигу, то есть повсюду существует состояние
устойчивого равновесия грунта (τ пр).

Второй участок ab графика характерен значительной кривизной, где линейная
зависимость σ – S нарушается. Здесь темп нарастания деформаций значительно
опережает темп нарастания нагрузок. Обусловлено это тем, что как только нагрузка
преодолеет значение σ₁ (рис. 4), в некоторых зонах «1» (рис. 6) возникнут напряжения,
характеризуемые состоянием предельного равновесия (τ = τ_пр), возникнут пластические,
остаточные деформации. По мере дальнейшего возрастания нагрузки области
пластических деформаций расширяются, образуя зоны «2». Когда нагрузка достигает некоторого значения σ₂ (рис. 4), пластические деформации распространяются на всю
область основания (зоны «3»). Деформация на участке ab называется фазой сдвигов (рис.
6).

Рис. 6. Фаза сдвигов

Конечный участок bc соответствует моменту нарушения равновесия грунта (τ >
τ_пр) и выпирания его из-под фундамента. Деформация на участке bc называется фазой
выпирания (рис. 7).

Рис. 7. Фаза выпирания

Таким образом, при возрастании нагрузки на грунт необходимо различать две
характерные её величины, при достижении которых резко меняется поведение грунта:
— первую, соответствующую началу перехода фазы уплотнения в фазу сдвигов –
то есть фазу зарождения и развития зон предельного напряженного состояния;
— и вторую, когда исчерпывается несущая способность грунтового основания и
наблюдается полное развитие зон предельного равновесия, при котором даже весьма
незначительное увеличение нагрузки приводит грунт к потере прочности и устойчивости
(к разрушению).

НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ГРУНТА

Если к поверхности грунта основания приложить нагрузку p, в нём возникнет
напряженное состояние:

Полные напряжения по граням элемента σ’ и σ» можно разложить на нормальные
составляющие σ_z и σ_xи касательные (сдвигающие) τ (рис. 2,а).;

Нормальные напряжения сжимают элемент, а касательные «перекашивают»
(поворачивают) его. Если представить, что элемент состоит из шаровых зёрен грунта,
связанных в точках контакта, то нормальные напряжения сжимают зёрна и усиливают
связи между ними, а касательные стремятся вызвать относительный сдвиг зёрен, т.е.
разрушить грунт (рис. 2,б).

В том случае, когда касательные усилия превзойдут сопротивление зёрен в точках
контакта, произойдет относительный сдвиг частиц (Δx и Δz на рис 2,в). Эти деформации
являются необратимыми и свидетельствуют о разрушении грунта в данной точке.
Причиной разрушения являются касательные напряжения τ, которые превзошли величину
внутреннего сопротивления грунта сдвигу.

деформированная схема

Разработка методов расчета на прочность

Нет. «Автоматически» Лира (Скад) считает линейно. Для того чтобы выиграть в лотерею нужно по крайней мере купить билет; для того, чтобы выполнить расчет по деформированной схеме нужно как минимум задать необходимые данные и включить соответствующие опции.

Результаты разные, потому, что методы расчета принципиально разные — приближенный по определению линейный по МКЭ и условно точный — предельного равновесия при ручном счете. Деформированная схема тут непричем.

Чуйствую — это никогда ни кончиться! Природа человеческая такова!

Г-н Хворобьевъ — Вы человек имеюший большой опыт в расчетах реальных конструкций по линейной схеме и нелинейной ( термин моделирование, как и Вы сами говорили наиболее уместен здесь. Сейчас, лучше понимая проблемы нелинейности, полностью с Вами согласен — расчет и исследование).

Но остается вопрос, если позволите, нравственного понятия. Стоит ли толкать «молодежь и подростков» на скользкий путь малоизученной и крайне опасной нелинейности — себя угробят и людей погубят! Может быть не стоит эту тему так сильно развивать в непросвещенных кругах?

Кстати, смотрю к расчетному сопротивлению стали по пределу текучести С255 в нелинейной постановке можно для центрально растянутых стержней накинуть еще приблизительно 200кг/см2 (неплохо для экстремального варианта). Горева пока найти не могу, но вопрос поведения металла в центрально-сжатых и внецентренно- сжатых элементах — для меня тоже крайне любопытен!

Здравствуйте. Помогите пожалуйста разобраться с расчетом в SCAD по деформированной схеме, а точнее, как произвести расчет по деформированной схеме. Спасибо

Обычно я считаю как все — сначала линейно, а потом проверяю по СНиП. Большого опыта расчета реальных конструкций с учетом нелинейности я не имею, но иногда проверяю таким образом адекватность инженерных расчетов. Чаще всего оказывается что инженерные методы (СНиП) дают очень большие запасы в части общей устойчивости. В случаях простых, схематичных, все просто напросто сходится со СНиП.