При визначенні напружень в підставах споруд масиву грунту зазвичай розглядають як півпростір 0 ≤ z <∞, ограниченное горизонтальной плоскостью z = 0. Грунт считают находящимся в сложном напряженно-деформированном состоянии и линейно-деформированном, поэтому для него справедливо основное положение закона Гука — линейность связи между напряжениями и деформациями .
Однак при дії зовнішніх сил з тисками, що перевищують структурну міцність грунту, виникають не тільки пружні, але і значно більшої величини залишкові (пластичні) деформації.
Напруження в масивах грунтів виникають як під дією зовнішніх навантажень, так і від власної ваги грунту. Знання напруг необхідно для розрахунків деформацій ґрунтів, що обумовлюють опади і переміщення будівель і споруд для оцінки міцності, стійкості ґрунтів і тиску на огорожі.
Без урахування розподілу напружень в грунті неможливо, наприклад, розрахувати опади насипів, підвалин мостів, акведуків, лотків, фундаментів штучних та інших споруд.
Розподіл напружень в ґрунтовій товщі залежить від наступних факторів: характеру і режиму навантаження масиву, інженерно-геологічних і гідрогеологічних особливостей майданчика будівництва, складу і фізико-механічних властивостей ґрунтів.
Тиск від навантаження, прикладеної до поверхні грунтового масиву, передається в грунті частинками або структурними агрегатами через точки контакту, розподіляючись в міру поглиблення в грунт на все більшу площу.
Щоб усвідомити характер розподілу напружень, зробивши припущення, уявімо собі грунт складається з однакових за формою і розмірами твердих частинок (що спрощує модель), покладених рядами один на одному, як показано на рис. 6.1.
Мал. 6.1. Приклад моделі дискретної середовища з однакових куль: а - схема укладання; б - схема передачі (розподілу) зовнішньої зосередженої сили на частинки грунту
Як видно з рис. 6.1. на II ряд діє вага частинок I ряду, а на III ряд - частинки I і II ряду і т.д. Згідно рис. 6.1, б, зовнішня зосереджена сила діє на одну частинку I ряду, яка в свою чергу впливає на дві частки П.
Таким чином, зі збільшенням глибини кількість твердих частинок, на які передається тиск, збільшується і в свою чергу відбувається розсіювання напружень (див. Рис. 6.1), тобто напруга від прикладеної зовнішньої сили розподіляється в масиві під деяким кутом.
При оцінці напружень, що діють в грунтах, реальні сили, прикладені до окремих грунтових частинок, замінюють уявними силами, розподіленими по всьому об'єму або перетину грунтового масиву.
Величину цих сил, віднесених до одиниці площі перетину масиву, і приймають умовно за величину напружень в грунті.
Формування напруг в ґрунтовій товщі відбувається не миттєво при додатку навантаження, а може розвиватися досить тривалий час. Це пов'язано зі швидкістю проектування деформацій і особливо сильно проявляється в глинистих ґрунтах, де процеси фільтраційної консолідації (консолідація - процес ущільнення грунту в міру віддалення води з його пор) і повзучості розвиваються дуже повільно.
Вивчення напруженого стану грунту можна проводити за двома напрямками:
- експериментальним шляхом, вимірюючи безпосередньо тиску в грунті за допомогою спеціального обладнання;
- теоретичним шляхом, використовуючи методи теорії пружності, так як тут ми маємо справу з об'ємним напруженим станом грунтів.
Робота грунту підстави істотно відрізняється від роботи матеріалу будівельної конструкції, споруд і т.д. Відмінності полягають в наступному:
- грунти мають малу міцність і велику деформованість в порівнянні з матеріалами конструкцій; міцність їх в десятки і сотні разів більше в порівнянні з грунтом підстави, а деформованість, навпаки, менше;
- деформація грунту в часі при постійному навантаженні зростає (наприклад, для глинистих ґрунтів процеси консолідації і повзучості) (рис. 6.2).
Мал. 6.2. Деформація грунту в часі
Як було сказано вище, деформація глинистих ґрунтів може тривати роками і навіть десятки років; - неоднорідність грунтів і їх властивостей в основі фундаментів, а отже, міцності і деформованості (поняття анизотропность), тобто неоднакові властивості ґрунтів в різних напрямках;
- неоднорідність напружень в ґрунтовій товщі в природних умовах і складність їх змін під дією зовнішнього навантаження;
- відмінність закономірностей зміни напруженого стану грунтів, однорідних за складом, але при різній величині зовнішнього навантаження (графік Герсеванова).
Робота підстав споруд розглядається стосовно плоскою, просторової, осесиметричної або контактної задачі в залежності від прийнятої розрахункової схеми.
За схемою плоскої задачі розраховуються стрічкові фундаменти, підстави підпірних стін, насипів, дамб, а також фундаменти плит водозливних гребель, шлюзів, сухих доків і т.д.
Таким чином, по цій схемі напруги розподіляються в одній площині, а в перпендикулярному напрямку вони будуть дорівнюють нулю або постійні (рис. 6.3).
Мал. 6.3. Схема до плоскої задачі
За схемою осьової симетрії (рис. 6.4) розраховуються фундаменти водонапірних веж, доменних печей, фабричних труб, днища резервуарів, газгольдерів і т.д.
Мал. 6.4. Схема до осесиметричної задачі
За схемою просторової задачі розраховуються фундаменти під окремі колони і суцільні фундаментні плити під сітку колон.