Уявлення про перспективні методи розрахунку основ фундаментів з урахуванням нелінійних і реологічних властивостей
На сучасному етапі розвитку нелінійного підходу до вирішення завдань розрахунку грунтових підстав сформувалося в основному два напрямки - нелінійно-пружне і пружнопластичне.
Нелінійно-пружне напрямок базується на нелінійних залежностях між напруженнями і деформаціями (фізична нелінійність) і деформаціями і переміщеннями (геометрична нелінійність). У більшості існуючих розрахункових методів геометричний характер нелінійності ігнорується, що може бути визнано не зовсім справедливим при розгляді завдань зі значними навантаженнями і великими значеннями переміщень, можливими при настанні граничної рівноваги або при розрахунках підстав, складених слабкими грунтами.
У нелінійної теорії пружності використовують рівняння рівноваги, а також геометричні та фізичні співвідношення, причому перші два типи рівнянь тотожні застосовуваним в теорії пружності, а фізичні співвідношення нерідко використовують у вигляді узагальненого закону Гука, але зі змінними, залежними від рівня напруженого стану: модулем деформації Е і коефіцієнтом поперечної деформації v. Значення цих характеристик визначають, як правило, на підставі феноменологических (досвідчених) даних.
При вирішенні нелінійних задач методи інтегрування, що використовуються в класичній теорії пружності, незастосовні. Тому доводиться вдаватися до методу послідовних наближень, що заміняє інтегрування рішенням послідовності лінійних задач теорії пружності, званим методом пружних рішень.
Нелінійно-пружні рішення дозволяють отримувати більш достовірні результати в порівнянні з лінійно-пружними, проте не дають можливості враховувати в розрахунках режим зміни зовнішнього навантаження (траєкторію навантаження), реологію деформування, а також несоосность тензорів напруг і деформацій. Це, безсумнівно, накладає деякі обмеження на застосування нелінійних рішень до ґрунтових масивів.
Упругопластические підхід ґрунтується на роздільному описі пружних і пластичних деформацій різними фізичними залежностями. Згідно з такими уявленнями, використання диференціальних рівнянь, що зв'язують напруги з пластичними і повними деформаціями, спільно з процедурою покрокового (послідовного) завантаження грунтів відповідно до черговості зміни і додатки зовнішніх навантажень дозволяє враховувати режим (траєкторію) навантаження, а також прояв несоосности тензорів напруг і деформацій і деяку іншу специфіку роботи грунтів, що нездійсненно в рамках нелінійної теорії пружності. Однак і цей шлях вирішення інженерних завдань має недоліки. Зокрема, він не дозволяє враховувати нелінійність в пружною області деформування і реологічні процеси, що відбуваються в грунтах.
Процес деформування грунтів у часі розглядається в даний час з позицій теорії, званої теорією консолідації (ущільнення), побудованої на основі використання трифазної моделі ґрунтового середовища, що дозволяє враховувати і реологію деформування скелета грунту. Однак і ця теорія не вільна від деяких недоліків, тому що розглядає в основному водонасичені грунти в умовах лінійного деформування, що не завжди відповідає реальним умовам роботи ґрунтів у підставі багатоповерхових споруд.
Таким чином, в даний час склалася ситуація, при якому напружено-деформований стан грунтової середовища розглядається з позиції різних моделей (лінійно-пружної, нелінійно-пружного або упругопластічни), а загасання опади у часі оцінюється на основі теорії консолідації, яка передбачає інші вихідні передумови при побудові вихідних рівнянь, які використовуються для вирішення різних завдань. Тому має сенс побудова розрахункової моделі, яка представляла б собою синтез нелінійно-пружного і пружно теорій і дозволяла простежити процес деформування грунтів у часі.
В основу моделі слід покласти наступні вихідні передумови: справедлива гіпотеза про малість деформацій при кінцевій величині переміщень; зовнішнє навантаження змінюється в часі по деякому закону, причому характер її зміни є статичною, т. е. сили інерції не враховуються; скелет грунту має нелінійними і реологічні властивості, які визначаються на підставі феноменологических (досвідчених) даних.
Мал. 2.27. Графіки залежностей: а - деформацій від напружень; б - деформацій повзучості від часу; в - зовнішньої навантаження від часу
Мал. 2.28. Розбивка підстави сіткою методу скінченних різниць при плоскій (а) і просторової (б) завдання
нейності деформування зверне рівняння (2.50) в залежності Ламі, використовувані в теорії пружності. При інтегруванні системи рівнянь (2.50) виникають невизначені математичні труднощі, тому для отримання інженерних рішень в чисельному вигляді необхідно скористатися методом інтегральних оцінок, який дозволяє линеаризовать завдання у фізичній області. Суть методу полягає в фіксації процесів повзучості і змінюється режиму зовнішнього навантаження (рис. 2.27, в) у розглянутий період часу. Такий підхід перетворює нелінійні інтегродиференціальних рівняння (2.50) в нелінійні диференціальні для розглянутого інтервалу завантаження. Рішення в цьому випадку відшукується за допомогою методів кінцевих різниць, записаних для плоского або об'ємного елемента (рис. 2.28), і послідовних наближень, що дозволяють замінити нелінійну задачу багаторазовим рішенням систем нелінійних алгебраїчних рівнянь другого порядку починаючи з пружною області деформування. Результат вважається отриманим, якщо різниця між двома останніми ітераціями не перевищує заздалегідь заданій точності розрахунку в межах розглянутого часового інтервалу.
Мал. 2.29. Напружений стан в підставі жорсткого штампа при лінійному (1), нелінійному пружно-повзучого (2) підставах і результати дослідних даних (5)
Застосування методу розрахунку, що враховує нелінійні і реологічні властивості при деформації грунтових підстав, дозволяє не тільки більш повно враховувати реальні властивості підстав, але і простежити характер зміни напружено-деформованого стану в процесі стаціонарного (незмінного) і нестаціонарного (змінюваного) навантаження, тим самим дозволяючи знайти додаткові резерви несучої здатності підстав, що призведе до економії матеріальних засобів при будівництві та експлуатації основ і фундаментів.
Статті по темі. Підстави під фундаменти будівель та сооруженійТехніка безпеки при виробництві бетонних работФундаменти під промислове оборудованіеФундаменти спеціальних сооруженійФундаменти промислових зданійОснованія і фундаментиМетоди посилення основ і фундаментів при реконструкції сооруженійФундаменти при сейсмічних воздействіяхМетоди розрахунку фундаментів на динамічні дії від промислового і господарського оборудованіяУстройство фундаментів в районах розповсюдження вічній грунтів