Аналитические методы расчета просадок грунтов от собственного веса

Аналитические методы расчета просадок грунтов от собственного веса основываются на учете форм и размеров увлажнённой зоны, взаимодействия увлажненного и неувлажненного массивов грунта, выражающегося в возникновении в грунте арочного эффекта.

При длительном замачивании просадочного грунта непрерывно увеличиваются размеры увлажненной зоны по глубине и в плане, и в связи с этим изменяются основные физико-механические характеристики грунта. В пределах сформировавшейся увлажненной зоны влажность грунта непосредственно под замачиваемой площадью близка к полному водонасыщению, а за пределами ее уменьшается до естественной.

В соответствии с изменением влажности в пределах увлажненной зоны изменяются прочностные и деформационные характеристики грунта, причем сцепление и модуль деформации при водонасыщении просадочных грунтов уменьшаются в 1,5—10 раз, а угол внутреннего трения в 1,1— 1,3 раза.

Изменением основных физико-механических характеристик грунтов в пределах увлажненной зоны определяется характер напряженного состояния в массиве грунта. В первоначальный период замачивания, когда просадка грунта отсутствует, вертикальные сжимающие напряжения  в пределах средней части увлажненной зоны за счет повышения объемного веса грунта несколько увеличиваются. В дальнейшем, с момента появления просадки грунта и нарушения установившегося природного равновесия между напряженным состоянием и сжимаемостью грунта, распределение вертикальных напряжений изменяется  вследствие того, что в процессе просадки массив грунта, расположенный в пределах  увлажненной зоны, перемещается вниз, а окружающий увлажненную зону грунт, имеющий естественную влажность и более высокие прочностные характеристики и малую сжимаемость, практически остается в покое. В этих условиях относительному смещению увлажненного массива грунта будут препятствовать силы сцепления и трения как в самом увлажненном массиве, так и в областях изменения влажности.

Так как  силы трения и сцепления стремятся удержать смещающуюся часть массива в первоначальном положении, то вертикальные напряжения снижаются в смещающейся части и повышаются в массиве грунта, окружающем увлажненную зону.
Вследствие этого происходит перераспределение вертикальных напряжений от собственного веса грунта.

Перераспределение напряжений в замоченной толще лессовых грунтов при просадке их от собственного веса за счет тормозящего влияния сил трения и сцепления можно отождествлять с арочным эффектом.

На характер напряженного состояния грунта в увлажненной зоне существенное влияние оказывают возникающие при просадке горизонтальные перемещения грунта в зонах горизонтального разуплотнения. При этом массив грунта теряет сплошность и в нем образуются просадочные трещины. В результате этого взаимодействие увлажненной части массива с неувлажненной будет происходить только в нижней его части, начиная с глубины, до которой проходят просадочные трещины. Выше глубины развития просадочных трещин напряженное состояние грунта после их появления восстанавливается до природного. В соответствии с этим можно выделить два характерных состояния изменения вертикальных напряжений в увлажненной зоне грунта.

1-е состояние характеризуется тем, что сплошность массива грунта, расположенного над увлажненной зоной, не нарушена и взаимодействие увлажненной части массива грунта с неувлажненной происходит в пределах всей глубины замачивания, что должно учитываться при решении вопроса о возможности появления просадок грунтов при ограниченных размерах увлажненной зоны.

2-е состояние возникает при нарушении сплошности массива грунта, расположенного выше увлажненной зоны, и образовании в нем просадочных трещин, по которому должны определяться вертикальные напряжения при расчете возможных величин просадок с учетом формы и размеров увлажненной зоны.

Для случая плоской задачи, т. е. при замачивании из протяженного источника, вертикальные напряжения от собственного веса грунта в увлажненной зоне рассчитывают при произвольной ее форме в поперечном сечении. При этом принимается, что вдоль границы увлажненной зоны выполняется условие предельного состояния.

Решение задачи расчета средних вертикальных напряжений при ограниченных источниках замачивания, имеющих в плане форму квадрата, прямоугольника, круга, эллипса, получено по аналогии с плоской задачей. Как показывают наблюдения за распространением воды от этих источников, а также за просадками грунтов, области повышенной влажности и зоны развитии просадок в плане при замачивании грунтов из квадратных источников имеют форму, близкую к кругу, а при прямоугольных — к эллипсу. Поэтому все перечисленные выше формы источников замачивания ограниченных размеров в плане могут быть сведены к одной общей — эллиптической форме.

Расчет просадок лессовых грунтов от собственного веса с учетом формы и размеров увлажненной зоны начинается с определения возможности их проявления. Для этого вначале в соответствии с возможной формой и размерами увлажненной зоны по приведенным выше формулам определяют средние вертикальные напряжения в увлажненном грунте при отсутствии просадочных трещин. Далее полученные напряжения сопоставляют с величиной начального просадочного давления. При этом принимается, что если в пределах слоя толщиной более 2 м средние вертикальные напряжения оказываются больше величины начального просадочного давления,  то просадка грунта от собственного веса возможна.