Mechanika gruntów 8 Naprezenie w gruncie docx.docx

(3070 KB) Pobierz

20

 

Mechanika gruntów 8

Naprężenie w gruncie

            Stan naprężenia w gruncie

        Naprężenie to jest rozumiane jako wartość graniczna siły działającej na nieskończenie mały element pola przekroju ciała do wymiaru tego pola:

                                                                                               C:\Users\Romuald\Desktop\MPG8\1 001.jpg

          Gdy pole A jest nieskończenie małe, uzyskuje się naprężenie w danym punkcie.  Jest to jednak umowne rozumowanie, bo grunt ma budowę molekularną. Umownie zaten zakłada się, że mamy do czynienia z powierzchnią bardzo małą, gdzie naprężenie jest stałe lub zmienia się w sposób ciągły.

     Na rysunku poniżej przez ciało sztywne poprowadzono przekrój a-a. Jak widać dla określenia  naprężenia należy podać nie tylko jego wartość, kierunek i zwrot, ale też kierunek płaszczyzny, na którą  ono działa. Naprężenie jest wartością tensorową.

    

C:\Users\Romuald\Pictures\2010-10-14 2\2 001.jpg

     Każde naprężenie można rozłożyć na dwie składowe: prostopadłą do płaszczyzny przekroju (naprężenie normalne) i w płaszczyźnie przekroju (naprężenie styczne).

     Zakłada się, że ośrodek gruntowy jest sprężysty, w którym można stosować zasadę superpozycji, tj. sumuje się poszczególne siły.

(Rysunki niżej wg Wiłuna)

C:\Users\Romuald\Pictures\2010-10-14 3\3 001.jpg

 

       Obliczając wartości naprężenia w gruncie, należy uwzględnić ciężar własny gruntu. Naprężenie od ciężaru wyżej leżących warstw oznacza się symbolem σγ z i zwie się naprężeniem pierwotnym (lub geostatycznym).

       Zgodnie z zasadą superpozycji naprężenie całkowite σz jest sumą naprężenia pierwotnego   σγ z i naprężenia od obciążenia zewnętrznego σqz :

 

C:\Users\Romuald\Pictures\2010-10-14 4\4 001.jpg

    W przypadku gdy naprężenie zewnętrzne przykłada się w wykopie naprężenie pierwotne należy zmniejszyć o odciążenie wywołane wykopem (delta sigma gamma zet);

C:\Users\Romuald\Pictures\2010-10-14 5\5 001.jpg

    Jeszcze jeden rysunek na ten temat wg Wiłuna:

C:\Users\Romuald\Pictures\2010-10-14 6\6 001.jpg

 

 

 

Wyznaczanie naprężeń pierwotnych (geostatycznych)

            Najczęściej oblicza się wartość pionową tego naprężenia σγ z :

C:\Users\Romuald\Pictures\2010-10-14 7\7 001.jpg

Poniżej zwierciadła wody gruntowej uwzględnia się wypór i ewentualnie filtrację.

 

      W niektórych wypadkach (rys. niżej) konieczne jest też wyznaczenie składowych poziomych naprężenia, co wykonuje się ze wzoru:

                                                                                  σγ x = σγ y = K0 σγ z      gdzie:

                 K0 – współczynnik parcia bocznego w spoczynku,

                 σγ z -  pionowa składowa naprężenia pierwotnego.

                                                                                         

Wartości współczynnika K0 zależą od gruntu i jego historii naprężenia i wynosi od 0,2 do 0,6 dla gruntów normalnie skonsolidowanych i 0,8 do 2,0 dla gruntów prekonsolidowanych.

C:\Users\Romuald\Pictures\2010-10-14 8\8 001.jpg

 

 

C:\Users\Romuald\Pictures\2010-10-14 9\9 001.jpg

 

Naprężenie od sił zewnętrznych

Rozkład naprężenia w gruncie od pionowej siły skupionej

           Rozwuiązanie problemu podał Boussinesq dla półprzestrzeni sprężystej jednorodnej izotopowej, bez ciężaru własnego gruntu, zakładając prostolinijny i radialny rozkład  naprężenia.

C:\Users\Romuald\Pictures\2010-10-14 9\9 001.jpg

       Przyjmuje się naprężenie radialne w punkcie M o współrzędnych R, β :

C:\Users\Romuald\Pictures\2010-10-14 11\11 001.jpg

C:\Users\Romuald\Pictures\2010-10-14 12\12 001.jpg

C:\Users\Romuald\Pictures\2010-10-14 13\13 001.jpg

 

 

 

 

C:\Users\Romuald\Pictures\2010-10-14 15\15 001.jpg

C:\Users\Romuald\Pictures\2010-10-14 16\16 001.jpg

    Jeżeli w powyższym finalnym wzorze  zamiast Q i z podstawimy 1, a pozostałą część oznaczymy jako cz , to otrzymamy następujący wzór:

                                                                                           σ z = Qcz/z2

Wtedy wartości cz możemy odczytać z nomogramu, jak niżej:     

C:\Users\Romuald\Pictures\2010-10-14 17\17 001.jpg

 

Jak widać, wartości współczynnika największe gdy r/z = 0, a więc w pionie pod punktem przyłożenia siły. Wraz ze wzrostem r lub z naprężenia szybko maleją. Miejsca o jednakowej wartości naprężeń na rysunku zwiemy izobarami naprężeń.

       Są w literaturze także wzory do wyliczenia naprężeń poziomych normalnych radialnych i obwodowych, np. u Wiłuna.

C:\Users\Romuald\Pictures\2010-10-14 18\18 001.jpg

C:\Users\Romuald\Pictures\2010-10-14 19\19 001.jpg

 

 

 

 

 

 

Autorzy Marek Obrycki i Stanisław Pisarczyk na naprężenia normalne podają podobny nomogram jak przedstawiono wyże, oznaczają jednak współczynnik cz jako Kr.. Wówczas wzór na σ z = QKr/z2  :

C:\Users\Romuald\Pictures\2010-10-14 20\20 001.jpg

 

Rozkład naprężeń w gruncie od obciążenia ciągłego

      W tym przypadku naprężenia można wyznaczyć stosując zasadę superpozycji, dzieląc obszar obciążony na mniejsze elementy. Za wystarczającą dokładność przy tym podziale uważa się gdy Ri => 2Li

C:\Users\Romuald\Pictures\2010-10-14 21\21 001.jpg

C:\Users\Romuald\Pictures\2010-10-14 22\22 001.jpg

W dalszej kolejności, posługując się wzorami już przedstawionymi wyżej, całkujemy z obszaru A gdzie działa siła obciążenia ciągłego:

C:\Users\Romuald\Pictures\2010-10-14 23\23 001.jpg

C:\Users\Romuald\Pictures\2010-10-14 24\24 001.jpg

         

    Powstały różne metody określania naprężeń, np.: Steinbrennera, metoda punktów środkowych, metoda punktów narożnych i metoda pól wpływowych Newmarka

. Metody te przedstawia się poniżej.

 

Metoda pól narożnych

W metodzie tej istnieje możliwość aby naprężenie pionowe wyznaczyć z poniższego wzoru, który określa naprężenie pod narożem obszaru obciążającego. Jeżeli jest konieczność wyznaczenie naprężenie w jakimkolwiek innym punkcie, możemy powierzchnię podzielić na mniejsze i zastosować zasadę superpozycji.

 

C:\Users\Romuald\Pictures\2010-10-20 25\25 001.jpg

 

C:\Users\Romuald\Pictures\2010-10-20 26\26 001.jpg

 

C:\Users\Romuald\Pictures\2010-10-20 27\27 001.jpg

 

Metoda punktów środkowych

Metodą tą można wyznaczyć naprężenie na dowolnej głębokości pod środkiem obciążonego obszaru, posługując się zamieszczonym niżej nomogramem i zamieszczonym pod nim wzorem.

C:\Users\Romuald\Pictures\2010-10-20 28\28 001.jpg

σz = η0q

           η0 - odczytujemy z powyższego nomogramu.

 

σz  możemy odczytać także przez superpozycję naprężeń pod wspólnym narożem 4 prostokątów o bokach L/2 i B/2.

 

Metoda pól wpływowych Newmarka

Metodą tą można wyznaczyć naprężenia pod dowolnym kształtem powierzchni obciążającej. Metodę budowy nomogramu pól podano w literaturze (np. Szymański str. 119). Tu podam tylko sposób posługiwania się nomogramem.

       W nomogramie każde pole, powstałe z podziału płaszczyzny promieniami i okręgami, wskazuje na równy wpływ z każdego pola naprężenia pionowego, pod punktem, który ustawiliśmy w środku kół nomogramu.

      Wykreślenie nomogramu wykonuje się wg wzoru i zasady podanej w literaturze.

       Współczynnik wpływu jednego pola wynosi:

                                                                                    Ww = η’/m = 1/nm

gdzie m – ilość odcinków powierzchni kół,

          n – ilość promieni.

 

C:\Users\Romuald\Pictures\2010-10-20 29\29 001.jpg

 

C:\Users\Romuald\Pictures\2010-10-20 30\30 001.jpg

   W ten sposób wyznaczyliśmy naprężenie pionowe σz pod interesującym nam punktem obciążenia. Na nomogramie w tym celu musimy narysować kontur pola obciążenia w skali 1: (z/zn). Skala zn podana jest na nomogramie. Potem oblicza się ilość pól, które obejmuje obrys pola obciążenia. Pola mieszczące się w obrysie tylko częściowo liczymy jako ½ pola. W ten sposób mamy określony Ip do wzoru powyżej.

     Tok postępowania (z Wiłuna):

1, Ustalamy pod jakim punktem fundamentu i na jakiej głębokości chcemy znać naprężenia w gruncie.

2. Odcinek z narysowany na nomogramie dzielimy na ilość części w zależności od głębokości, na której chcemy znać naprężenia. Np. jeżeli na 6 metrach, to na 6 części.

3, Rysujemy fundament w skali takiej, że jeden podzielony odcinek z z jest = jednemu metrowi.

4. Zarys fundamentu, narysowany w skali jak wyżej, ustawiamy tak, by punkt pod którym chcemy znać naprężenia był w środku nomogramu.

5. Liczymy pola w zarysie obrysu fundamentu. Pola częściowo w obrysie liczymy jako ½ pola.

6. Obliczamy naprężenie z wzoru, mnożąc ilość pól razy wskaźnik Ww, który zależy od ilości pól w nomogramie i przez obciążenie ciągłe q.

 

Rozkład naprężeń kontaktowych pod fundamentami sztywnymi

    W rozpatrywanych wyżej przypadkach rozkład naprężeń rozpatrywano przy założeniu, że  obciążona powierzchnia jest podatna i ugina się razem z odkształceniem gruntu. Może to mieć miejsce pod nawierzchnią tłuczniową, w podłożu nasypu lub pod cienką warstwą betonową, gdy ta ma małą sztywność. Gdy fundamenty są sztywne (murowane, betonowe, żelbetowe…) rozkład naprężeń w poziomie posadowienia nie jest równomierny. Ta nierównomierność sięga na głębokość równą połowie szerokości fundamentu.

Dla sztywnego kołowego fundamentu rozkład naprężeń w poziomie posadowienia wyznacza się ze wzoru: 

C:\Users\Romuald\Pictures\2010-10-20 31\31 001.jpg

Z powyższego wzoru wynika, ze przy krawędzi fundamentu (mianownik = 0), wtedy naprężenie będzie nieskończenie wielkie. Jednak naprężenie to nie może przecież przekroczyć pewnej wartości krytycznej, więc grunt usuwa się spod krawędzi, a naprężenia przejmuje częściowo grunt znajdujący się dalej na zewnątrz. Zmienia to rozkład naprężeń w poziomie posadowienia. Na rysunku linią ciągłą pokazano faktyczny rozkład naprężeń, przerywaną teoretyczny. Naprężenia są w kształcie odwróconego siodła.

Przy dalszym zwiększaniu obciążenia gruntu naprężenia wzrastają bardziej ku środkowi fundamentu, krzywa przyjmuje kształt paraboli.

    Tak więc rozkład naprężeń w gruncie na poziomie posadowienia zależy od wytrzymałości gruntu, jego obciążenia i od wymiarów fundamentu. Przy fundamentach wąskich rozkład naprężeń jest przeważnie paraboliczny, a przy szerokich siodłowy. W obliczeniach przyjmujemy naprężenia średnie (równomierne).

C:\Users\Romuald\Pictures\2010-10-20 32\32 001.jpg

Naprężenia pionowe pod sztywnym fundamentem na pewnej głębokości pod nim wyznacza się jako średnie w obrębie prostokąta znajdującego się pod obszarem obciążanym. Wzór matematyczny jest w literaturze, ale praktyczniej jest posłużyć się nomogramem, z którego odczytujemy współczynnik ηs , przez który mnożymy wartość obciążenia i otrzymujemy naprężenia.

C:\Users\Romuald\Pictures\2010-10-20 33\33 001.jpg

 

C:\Users\Romuald\Pictures\2010-10-20 34\34 001.jpg

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Metoda punktu znamiennego

    Metodę tą stosuje się w przypadku budowli znacznych wymiarów posadawianych na płycie. Uwzględnia się wtedy podatność podłoża i wyznacza się średnie naprężenia metodą punktu znamiennego. Punkt ten M znajduje się w ten sposób, że od środka (osi) wyznacza się odległości 0,37 a i 0,37 b (a, b – wymiary płyty). W przecięciu tych linii (patrz rysunek) jest punkt znamienny M. Dla powstałych z podziału 4 prostokątów, dla wspólnego punktu M w ich wspólnym narożu, oblicza się  naprężenia, które się sumuje.

C:\Users\Romuald\Pictures\2010-10-20 35\35 001.jpg

Punkt znamienny M

 

Naprężenia pod nasypami

      Naprężenie w podłożu nasypu jest równe sumie naprężeń od obciążenia równomiernego pasmowego i od dwóch pasmowych prostokątnych trójkątów.

C:\Users\Romuald\Pictures\2010-10-20 35\35 001.jpg

C:\Users\Romuald\Pictures\2010-10-20 38\38 001.jpg

C:\Users\Romuald\Pictures\2010-10-20 39\39 001.jpg

C:\Users\Romuald\Pictures\2010-10-20 37\37 001.jpg

 

Graficzna interpretacja naprężenia

Naprężenia główne

           W każdym punkcie ciała są 3 wzajemnie prostopadłe płaszczyzny, w których wartość naprężeń stycznych równa się zeru. Płaszczyzny te nazywamy głównymi, zaś naprężenia normalne do nich nazywamy naprężeniami głównymi. Z trzech jest σ1 największe naprężenie główne, σ2 pośrednie naprężenie główne i σ3 najmniejsze naprężenie główne.

    W geostatyce płaszczyzna główna poprowadzona przez  punkt jest pozioma i wszystkie pionowe do niej (przez ten punkt) są też główne.

     Naprężenia styczne we wszystkich płaszczyznach prostopadłych do siebie są równe.

 

...

Zgłoś jeśli naruszono regulamin