Расчёт консолидации относится к одной из сложных задач механики грунтов, что связано с существенным преобразованием свойств грунта в процессе отжатия воды и уплотнения. Разберём на примерах некоторые особенности этого расчёта.
1. Осадка, вычисленная без учёта порового давления, меньше, чем определённая в результате расчёта консолидации
Сравним результаты двух расчётов осадки насыпи или дамбы. Стадии расчёта в SiO 2D для каждого варианта показаны ниже. В одном случае нагрузка от сооружения сразу передаётся на грунтовое основание и вызывает осадку, а в другом — нагрузка частично передаётся на поровую воду, вызывает избыточное поровое давление, которое после рассевания приводит к перераспределению напряжений от веса сооружения на грунтовое основание.
Стадии расчёта для двух вариантов: слева – дренированный расчёт НДС справа – частично недренированный расчёт «Консолидация – нагружение»
Теоретически можно ожидать близкие результаты по обоим вариантам, поскольку внешняя нагрузка (вес насыпи или дамбы) одинаковая, разница только во времени передачи нагрузки на скелет грунтов основания. В одном случае это происходит быстро, а в другом — требуется время на создание и рассеивание избыточного порового давления.
Можно ожидать меньшую осадку после консолидации (правый вариант) из-за неполного рассеивания избыточного порового давления, поскольку расчёт «Консолидация – рассеивание» был выполнен по критерию «до 1 кПа» (подробнее: см. Руководство пользователя).
Однако результаты оказались на первый взгляд нелогичными:
Результаты расчёта осадки: слева – в одну стадию: тип «НДС» справа – в несколько стадий: тип «Консолидация – нагружение» + «Консолидация – рассеивание»
Осадка для варианта с дренированным нагружением и быстрой передачей напряжений оказалась меньше, чем для варианта с длительным нагружением во времени. Разберёмся, с чем это связано.
Консолидация грунта — это процесс перехода из так называемого нестабилизированного состояния в стабилизированное. С точки зрения сопротивления грунта сдвигу, в начальный момент времени, когда производится нагружение слабого основания (отсыпка, возведение), в порах возникает избыточное поровое давление, которое не позволяет задействовать силы внутреннего трения. По мере рассеивания избыточного порового давления в процессе консолидации поровое давление снижается, и силы трения достигают своего максимума, грунт считается стабилизированным.
Таким образом, в начальный период строительства в грунтовом основании существуют два важных фактора:
На рисунке ниже показаны два рассматриваемых варианта на момент отсыпки только первой части сооружения. Слева — дренированное нагружение, а справа — расчёт в режиме «Консолидация – нагружение» (частично недренированное). Схематично показана область избыточного порового давления в виде эллипса-шарика.
Области сдвигов в основании первого слоя отсыпки: слева – для дренированного расчёта «НДС» справа – для расчёта «Консолидация – нагружение»
Цветовая схема на рисунке показывает области развития девиаторных деформаций, то есть показывает зоны сдвигов. Характерно, что для правого варианта наличие области избыточного порового давления (шарика) не только не даёт сжаться грунтовому основанию от веса насыпи, но и предопределяет характер развития сдвиговых деформаций — раздавливание и отжатие грунтов в стороны от насыпи под её подошвой.
Вариант, показанный слева, то есть дренированное нагружение, при отсутствии избыточного порового давления демонстрирует обратный характер — области сдвиговых деформаций направлены в основание насыпи.
На этапе завершения отсыпки картина областей сдвига для рассматриваемых вариантов так же будет различная:
Области сдвиговых деформаций в одной шкале на момент завершения строительства: слева – для дренированного расчёта (НДС) справа – для консолидационного расчёта