Модели, отражающие механические свойства лессовых оснований

    Министерство  образования и науки Российской Федерации

    Федеральное агентство по образованию

    ГОУ ВПО АлтГТУ им. Ползунова И.И. 
 

    Кафедра ОФИГиГ 
 
 
 
 

    Реферат

    по  курсу «Основания и фундаменты» 
 
 
 

    Модели, отражающие механические свойства лессовых оснований 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

            Выполнил:

            студент ПГС-72                                                                                         Бочаров Н. А.

            Проверил:                                                                                                   Швецов Г.И. 
 
 
 
 
 
 
 

    Барнаул 2011

 

В настоящее время разработаны 3 типа механических моделей грунтовых  оснований, которые применяются  при расчете оснований и фундаментов, Каждая из предложенных моделей отражает определенные свойства того или иного грунта и не может быть применима для всех видов грунтового основания. Поэтому выбор расчетной модели является важным этапом, обуславливающим достоверность расчета основания зданий и сооружений.

    Расчет  оснований и фундаментов на всех грунтах, в том числе и лессовых, наше всего производится на базе моделей, учитывающих местные и общие деформации грунтов (II тип моделей). Наиболее распространенными моделями этого типа являются модель упругого полупространства, линейно-деформируемого полупространства, сжимаемого слоя конечной толщины и модель Черкасова-Клейна. Остановимся вкратце на характеристике указанных моделей.

    Модель  упругого полупространства имеет следующие свойства:

    1. Материал модели деформируется как под штампом, так и за его пределами (рис.1).

    2. Деформации материала модели имеют упругий характер и линейно связаны с напряжением.

    3. Вертикальные деформации материала модели развиваются одновременно с поперечными, их соотношение определяется коэффициентом Пуассона.

    При действии внешней нагрузки поверхность полупространства следует за перемещением штампа, при этом осадки затухают по мере удаления от места передачи давления. Механические свойства материала модели характеризуются модулем упругости Е* и коэффициентом Пуассона

    Осадка  жесткого штампа Sn определяется следующим уравнением:

    

 

    Осадка  материала модели за пределами штампа щ выражается зависимостью:

    

    где D - диаметр штампа;

    г - расстояние от центра штампа до точки, в которой определяется осадка поверхности полупространства.

    Модель  линейно-деформируемого полупространства в отличии от модели упругого полупространства учитывает как восстанавливающиеся. так и остаточные деформации грунтов. Это обуславливается тем, что большинству реальных фунтов основании для передачи внешнего явления свойственно развитие как упругих, так и остаточных деформаций.

 

      
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Рисунок 1 Модель упругого полупространства

    a – график вдавливания штампа,

    б - исходное положение штампа и поверхности модели

    в - деформация поверхности модели при нагружен штампа;

    г - положение поверхности модели после  разгрузки штампа (Р - среднее удельное давление, S,-восстанавливающая осадка штампа)

    При нагружении материал модели деформируется аналогично модели упругого полупространства, После снятия нагрузки поверхность модели не возвращается в исходное положение, а образуется остаточная воронка с криволинейным очертанием бортов (рис 3.2 )

    

    Рисунок 2 Модель однородного линейно-деформируемог полупространства

    a – график вдавливания штампа,

    б - исходное положение штампа и поверхности модели

    в - деформация поверхности модели при  нагружен штампа;

    г - положение поверхности модели после  разгрузки штампа (Р - среднее удельное давление, S, - полная осадка штампа, S„ – остаточная осадка штампа S,-восстанавливающая осадка штампа)

    Модель  характеризуется следующими параметрами: при нягружо- нии модуль полной деформации Нп и коэффициент Пуассона для  пол ной деформации \1ь при снятии нагрузки - модуль упругости Бй и  коэффициент Пуассона \„.

    Полная осадка круглого жесткого штампа S„ определяется по формуле:

    

    где S0 - остаточная осадка. .

    Осадка  поверхности грунта за пределами  штампа рассчитывается следующим образом:

    

    Модель  линейно-деформируемого полупространства широко применяется в практике проектирования оснований и рекомендуется СНи! I 2.02.01-83 для расчета.

    Модель  линейно-деформируемого слоя коне1шой  толщины при нагружении штампом  ведет себя как упругое полупространство, при этом деформации развиваются как под штампом, так и за его пределами (рис. 3.3). Степень распространения деформаций в стороны зависит от отношения толщины слоя Н к диаметру штампа D. При H/D=l модель имеет свойства упругого полупространства, при H/D=0 - свойства модели Вннклера. Эта модель также рекомендуется СНиП 2.02.01-83 к расчету и осадка определяется по формуле:

    

    где: Кс и Кт - коэффициенты, рекомендуемые  СНиПом;

    Кi и Ki-1 - коэффициенты, определяемые по СНиП в зависимости от формы фундамента, соотношения его сторон и глубины, расположения элементарного слоя;

    n - число слоев, различающихся по сжимаемости в пределах расчетной толщины слоя Н.

    Универсальная модель Черкасова-Клейна рассматривается  в виде упругого полупространства или  линейно-деформируемого слоя конечной толщины (рис. 3.4). Материал модели характеризуется восстанавливающимися общими деформациями (за пределами штампа) и остаточными местными деформациями (под штампом). Восстанавливающиеся деформации линейно связаны с действующими напряжениями, остаточные деформации - нелинейно.

    

    Рисунок 3 Модель линейно-деформируемого слоя конечной толщины

    a – график вдавливания штампа,

    б - исходное положение штампа и поверхности модели

    в - деформация поверхности модели при  нагружен штампа;

    г - положение поверхности модели после  разгрузки штампа (Р - среднее удельное давление, S,-восстанавливающая осадка штампа)

    

    Рисунок 4 И.И. Черкасова и Г.К. Клейна

    a – график вдавливания штампа,

    б - исходное положение штампа и поверхности модели

    в - деформация поверхности модели при нагружен штампа;

    г - положение поверхности модели после  разгрузки штампа (Р - среднее удельное давление, S, - полная осадка штампа, S„ – остаточная осадка штампа S,-восстанавливающая осадка штампа)

    Механические  свойства материала модели характеризуются тремя параметрами: числом твердости А, степенью уплотнения n, определяемыми на основе опытов, и коэффициентом упругой осадки К:

    

    Полная  осадка круглого жесткого штампа определяется из формулы:

    

    Осадка  поверхности точек за пределами загруженного участка находится из уравнения:

    

    Среди комбинированных моделей значительное распространение получила модель П.Л.Пастсрнака. По своим свойствам она близка к модели линейно-деформируемого слоя конечной толщины.

    Из  приведенного обзора механических моделей  следует, что в зависимости от вида расчетной модели формулы для определения модуля общей деформации могут существенно измениться.

    

    Для вычисления расчетной модели, наиболее полно отражающей механические свойства лессовых грунтовых оснований, нами совместно с трестом НовосибТИСИЗ проводились специальные эксперименты на лессовых грунтах . Опыты ставились в полевых условиях штампами площадью 5000 и 10000 см2 в шурфах на лессовых макропористых маловлажных и влажных суглинках.

    Штамповые испытания проводились в соответствии с существующей методикой \166\, дополнительно замерялись деформации поверхности лессового грунта за пределами штампов. Осадки поверхности грунтов замерялись индикаторами часового типа (мессурами), расположение и число которых определялось с расчетом наиболее точного установления характера и величины деформации грунта за пределами штампа. Результаты замеров сопоставлялись с расчетными для модели линейно-деформируемого полупространства, слоя конечной толщины. П Л.Пастернака и универсальной модели Черкасова-Клейна. Величина сжимаемой зоны основания, необходимая для параметров слоя конечной толщины, принимались на основе исследований К.Грубана и П А.Коновалова и составляла 1,2-1,5 ширины штампа.

    На  рис. 5 приведены кривые деформации поверхности грунта за пределами  штампа. Они свидетельствуют о  том, что затухание поверхности лессового грунта происходит значительно быстрее, чем это предусматривается, но анализируемым расчетным моделям. Величина зоны распространения деформаций поверхности составляет 0,5-0,7 диаметра штампа На рис. 3.6 они даны в виде полных (а), упругих (б) и остаточных (в) деформаций. При нагружении штампа поверхность грунта следует за ним с постоянным уменьшением осадок по мере удаления от штампа (рис. 6а). После снятия нагрузки деформации поверхности грунта почти исчезают и штамп поднимается вверх (рис.бв). Остаточные деформации проявляются лишь под штампом, в то время как осадки окружающей поверхности грунта являются восстанавливающимися. ДМШЛ" •. % '

    

    

    Рисунок 5. Кривые деформации поверхности груша за пределами штампа; а - маловлажного суглинка; б - влажного суглинка г/Ь - отношение расстояния от кромки штамп» к ширине штампа; 1 - модель ПЛ. Пастернака: 2 - опытные данные; 3 - модель И И Черкасова, Г.К Клейна; 4 - модель слоя ограниченной толщины, 5 - модель линейного деформируемого гюлупространства

    В модели Черкасова-Клейна общие деформации считаются упругими, поэтому опытные и теоретические кривые близки между собой. Модель слоя ограниченной толщины при нагружении деформируется как упругое тело, поэтому предусматривается интенсивное затухание осадок поверхности грунта за пределами штампа. Это обусловливает удовлетворительную сходимость опытных и теоретических кривых.

    

 

    Рис. 3 .6. Кривые деформации грунта под штампом  и за его пределами при нагруженин и снятии нагрузки

    Результаты  проведенных исследований свидетельствуют  о том. что механические свойства лессовых грунтовых оснований значительно сложнее тех. которые характеризуются существующими механическими моделями. Среди них можно выделить модели, которые более точно отображают механические свойства основании из лессовых грунтов. К ним следует отвести универсальную модель Черкасова-Клейна, линейно-деформируемого слоя конечной толщины и модель ПЛ. Пастернака. Первая не может быть принята для дальнейших расчетов ввиду ее нелинейности. Поэтому в качестве рациональной модели, как наиболее полно отражающей механические свойства оснований из лессовых грунтов, следует рекомендовать модель линейно-деформируемого сам конечной толщины. Но я эту модель нельзя признать во всех отношениях приемлемой. Дело в том. что эта модель, как и вое остальные, совершенно не учитывает структурно-текстурные особенности лессовых грунтов и построена на установленных закономерностях деформирования поверхности лессовых порох Поэтому разработка такой модели как истинно универсальной является настоятельной необходимостью дальнейших исследований. Тем не менее, если определять модуль общей деформации лессовых грунтов во результатам штамповых опытов, то расчет его величины следует производить на базе модели линейно- деформируемого слоя конечной толщины