Напружено-деформований стан масиву ґрунту

Фаза пружних деформацій характеризується рівнем напружень у скелеті ґрунту, що не перевищує міцність структурних зв’язків між мінеральними частинками ґрунту або, що те саме – структурної міцності ґрунту. Деформації ґрунту в цій фазі оборотні і є дуже малими, оскільки обумовлені стисливістю мінеральних часток. Рівень напружень, що відповідає кінцю цієї фази, має назву, «структурна міцність ґрунту» (Р_стр) і зазвичай не перевищує 5–10 % допустимих тисків на ґрунт.

Фаза ущільнення відповідає рівням напружень у ґрунті, в діапазоні яких процес його деформування задовільно підлягає закону ущільнення Терцагі. Лінійна залежність між деформаціями і напруженнями в цій фазі є необоротною. За розвантаження штампа з діапазону тисків, що відповідає фазі ущільнення, ґрунт деформується за лінійною залежністю, яка не збігається з вектором навантаження. За повного розвантаження штампа має місце незворотне (пластичне) осідання ґрунту, що відповідає нульовим напруженням по підошві. Повторне навантаження штампа до рівня напружень перед розвантаженням відбувається за графіком, що збігається із графіком розвантаження.

Навантаження, що перевищує цей рівень, відбувається за законом первинного навантаження. Таким чином, закон ущільнення Терцагі встановлює лінійну залежність між напругою і сумою пружної і пластичної деформацій ґрунту. Зазначена особливість закону ущільнення формулюється як принцип лінійної деформованості: за простого навантаження ґрунту в фазі його ущільнення сума пружної і пластичної деформацій лінійно залежить від діючої напруги. Коефіцієнтом пропорційності в цій лінійній залежності є модуль деформації ґрунту Е, названий так для розрізнення з модулем пружності, що характеризує деформацію пружного тіла. Модуль пружності ґрунту Еа визначається за графіком розвантаження і є коефіцієнтом пропорційності між пружною деформацією ґрунту і діючою напругою. Модуль деформації використовується в статичних розрахунках, а модуль пружності – в динамічних розрахунках ґрунтових основ.

Фаза зсувів характеризує початок утворення в ґрунті зон граничної рівноваги.

Зоною граничної рівноваги в ґрунті називають геометричне місце точок, в яких не задовольняються умови міцності Кулона–Мора. Спочатку ці зони утворюються по краях штампа, де має місце концентрація напруг. Руйнування ґрунту супроводжується великими зсувними деформаціями, що знайшло відображення в назві цієї фази – «напружено-деформований стан ґрунту». Ущільнення ґрунту в цій фазі практично не відбувається. Ґрунт вважається нестисливим, а коефіцієнт Пуассона в цій фазі є близьким до 0,5. Тиск на ґрунт, що відповідає початку фази зсувів, називають початковим критичним тиском – ^пР_кр.

Фаза випору є наслідком розвитку фази зсувів в області ґрунтового масиву, що є основою штампа з утворенням поверхонь ковзання, що відокремлюють основу штампа від ґрунтового масиву, який залягає нижче. Внаслідок цього просадки штампа відбуваються без збільшення навантаження за рахунок переміщення ґрунту основи з-під штампа по площинах ковзання та з виходом на поверхню грунтового масиву. При цьому навколо штампа відбувається здіймання (випору) ґрунту, що знайшло відображення в назві цієї фази. Безпосередньо під штампом у фазі випору утворюється конічна переущільнена зона, яка називається ядром жорсткості. Міцність цієї зони обумовлена бічними тисками навколишнього ґрунту, що знаходиться в стані пластичної течії, коли коефіцієнт бокового тиску в ґрунті у стані пластичної течії тяжіє до одиниці. Таким чином, жорстке ядро знаходиться (до вичерпання несучої здатності основи) у стані компресійного стиснення, яке є близьким до тривісного стиснення, що і визначає його високу міцність. У зонах пластичної течії недоущільнені ґрунти отримують додаткове ущільнення, а переущільнені – разущільнюються. Це явище називається дилатансією. Тиск, за яким настає фаза випору, має назву граничного критичного тиску – ^прР_кр.

Під час визначення напружень у масиві ґрунту використовуються закони механіки для пружного суцільного тіла, що дозволяє розглядати і вирішувати будь-які завдання визначення напружено-деформованого стану цього масиву.

Рівняння теорії пружності можуть бути застосовані до ґрунтів із певними обмеженнями:

– закон Гука в загальному випадку не можна застосувати, тому що у ґрунтах виникають значні залишкові деформації;

– лінійний зв'язок між напруженнями і загальними деформаціями є справедливим лише в певних межах;

– рівняння теорії пружності є справедливими тільки для масиву ґрунту, в якому відсутні області граничної рівноваги;

– рівняння теорії лінійно-деформованих тіл можна використовувати лише за одноразового навантаження основи;

– рівняння теорії лінійно-деформованих тіл відповідають початковому (непорушеному) і кінцевому (стабілізованому) статичному станам ґрунту і визначають повні напруги в скелеті ґрунту під дією зовнішніх сил.

Розподіл напружень у точках всередині ґрунтового масиву: σz – вертикальна нормальна напруга; σy – горизонтальна нормальна напруга, що діє у напрямі осі у; σx – горизонтальна нормальна напруга, що діє у напрямі осі x; τxy, τyx – дотичні напруги, що діють по гранях, паралельних осі z (τxy=τyx); τzx, τxz – однакові між собою дотичні напруги, що діють по гранях, па-ралельних осі y (τzx=τxz); τyz, τzy – однакові між собою дотичні напруги, що діють по гранях, паралельних осі x (τyz=τzy)