РАЗДЕЛ 2
РАЗРАБОТКА И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДА "УСИЛЕНИЕ ОСНОВАНИЙ ФУНДАМЕНТОВ УПЛОТНЯЮЩИМИ ДАВЛЕНИЯМИ"
2.1. Разработка нового метода "Усиление оснований фундаментов уплотняющими давлениями"
Предложенный в данной работе метод усиления оснований фундаментов уплотняющими давлениями основан на способности грунта деформироваться под нагрузкой. Эти деформации происходят, главным образом, за счет изменения объема пор между частицами, так как сжимаемость самих частиц грунта, как обломков твердого тела, ничтожно мала.
Предположительная область применения метода это макропористые (недоуплотненные) грунты, обладающими низкими структурными связями, со степенью влажности не превышающей ?0,5 (в противном случае грунты должны обладать высоким коэффициентом фильтрации, необходимым для быстрого отжатия воды из пор грунта).
Суть предлагаемого метода заключается в следующем - в грунтовом массиве на требуемой глубине создается внутреннее уплотняющее давление с расчетной интенсивностью р, достаточной для образования уширения с требуемыми параметрами. В качестве рабочей среды для создания давления применяется материал (вещество) с низким или отсутствующим внутренним трением и коэффициентом бокового давления близким к единице. Как основной вариант рекомендуется применение в качестве рабочей среды воды, газа или пара, т.к. в этом случае главные напряжения в любой точке рабочей среды (в том числе и на контакте с грунтовым массивом) будут равны интенсивности создаваемого давления . Для исключения проникновения рабочей среды в поры грунтового массива давление рабочей среды на грунтовый массив передается через непроницаемую, легко деформирующуюся, упругоэластичную оболочку.
2.2. Теоретические предпосылки формирования уплотненной зоны вокруг источника внутреннего давления
Рассматриваемая задача по распределению напряжений в грунтовом массиве от действия внутреннего уплотняющего давления является осесимметричной и соответственно загруженная внутренним давлением поверхность представляет собой поверхность вращения, которая в процессе загружения и протекания деформаций изменяет свою форму и площадь. При этом в зависимости от различных параметров, таких как: начальная форма, диаметр и высота упругоэластичной оболочки; сжимаемость окружающего грунтового массива; растяжимость (деформативность) материала упругоэластичной оболочки; интенсивность давления и т.д. форма образующегося уширения может изменяться от практически цилиндрической до практически сферической. При соотношении высоты уширения к его диаметру более 10 решаемую задачу можно отнести к осесимметричным в плоскости Х-У, рассматриваемую в условиях плоской деформации вдоль оси Z, что является наиболее простым случаем. В остальных случаях необходимо рассматривать осесиметричную пространственную задачу.
Распределение напряжений в грунтовом массиве при заданных краевых условиях может быть сведено к решению дифференциальных уравнений равновесия, дополненных уравнениями совместности деформаций и физическими уравнениями в форме закона Гука. Такие задачи, как правило, решаются численными методами, так как получение для них замкнутых аналитических решений является весьма проблематичным. По этой причине представляют особый практический интерес аналитические решения, полученные с использованием только уравнений равновесия на основании упрощающих гипотез. К таким решениям относится широко известная в механике грунтов задача Буссинеска о распределении напряжений в упругом полупространстве от действия вертикальной сосредоточенной силы на граничной плоскости и ее приложения, использующие принцип суперпозиций и основанные на интегрировании решения Буссинеска. Такое же значение в механике грунтов имеет задача Фламана о распределении напряжений в полуплоскости при действии вертикальной силы на ее границе в условиях плоской деформации.
На основании вышеизложенного в качестве упрощающих гипотез приняты следующие:
а) нормальные напряжения на площадках, касательных к поверхности, загруженной уплотняющим давлением, являются главными напряжениями. По этой причине касательные напряжения на указанных площадках отсутствуют;
б) нормальные напряжения, лежащие в вертикальной плоскости, на площадках, нормальных к поверхности вращения соосной и подобной поверхности, загруженной уплотняющим давлением, равны нулю;
в) нормальные напряжения на площадках, касательных к поверхности вращения соосной и подобной поверхности, загруженной уплотняющим давлением, прямо пропорциональны косинусу угла видимости и обратно пропорциональны квадрату расстояния от загруженной поверхности до рассматриваемой.
Для случая осесимметричной задачи в условиях плоской деформации радиальные напряжения в точке грунтового массива, отстоящей от загруженной поверхности на расстоянии ?r можно определить по формуле
, (2.1)
где ?r - радиальные напряжения в рассматриваемой точке;
p - интенсивность внутреннего давления;
r - радиус уширения или поверхности, загруженной уплотняющим давлением (рис. 2.1);
?r - расстояние от загруженной поверхности до рассматриваемой точки.
В остальных случаях при рассмотрении осесимметричной пространственной задачи радиальные напряжения с некоторыми допущениями можно определять, пользуясь существующими интегральными решениями задачи Буссинеска.
Рис. 2.1. Схема для определения радиальных напряжений в точке, отстоящей на расстоянии ?r от загруженной поверхности, для случая осесимметричной задачи в условиях плоской деформации
Например, при форме образующегося уширения близкой к сферической радиальное напряжение с небольшой погрешностью можно определить по формуле
, (2.2)
где ? - коэффициент рассеивания напряжений в грунтовом массиве
(2.3)
В связи с тем, что при создании внутреннего уплотняющего давления минимальное сопротивление грунта (при условии отсутствия аномальных явлений в массиве грунта в виде карстовых полостей и т.п.) будет в направлении поверхности расчетное давление, создаваемое вн