О степени зависания грунта – заполнителя ячеек в условиях сдвига

Размещено на http://www.allbest.ru/

О степени зависания грунта - заполнителя ячеек в условиях сдвига

Б.М. Бахтин - д-р техн. наук, профессор

В.П. Шарков - канд. техн. наук, доцент

ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет природобустройства», г. Москва, Россия

В работе приводится новый подход и методика по определению степени зависания грунта-заполнителя на стенках ячеистых сооружений. Новизной является то, что этот параметр может определяться непосредственно из сдвиговых испытаний модели ячеистой плотины.

Объектом исследований является подпорное сооружение ячеистой конструкции на скальном основании (плотина, устой) (рис. 1).

Изучаемый параметр - степень зависания, влияющая на устойчивость такого сооружения сдвигу.

Сдвиг ячеистых сооружений изучался многими исследователями, однако, это явление изучалось в основном для условий нескальных оснований [1]. При этом изучаемый в данной работе параметр - степень зависания для них был практически неважным.

Проведем анализ условий устойчивости ячеистого сооружения на скальном основании (рис. 1):

Условие устойчивости сооружения сдвигу

W F_{т р} + F_сц , (1)

где W - сдвигающая сила (рис. 1);

F _{т р} - сила трения;

F _{с ц} - сила сцепления.

Рис. 1. Основные нагрузки на подпорное сооружение ячеистой конструкции при сдвиге: G_Б и G _гр - вес бетонного каркаса и грунта-заполнителя

Силу сцепления учитывать не будем, считая, что оно нарушено, F_сц = 0, тогда

W F_тр (1а)

Рассмотрим условие (1а) подробнее. Раскроем выражение сил трения, имея в виду, что они складываются из сил трения под каркасом и под засыпкой

W F_тр = F_Б + F_гр, (2)

F_Б, F_гр - силы трения под бетонным каркасом и грунтовой засыпкой. Разделение этих сил в условиях скального основания имеет смысл, поскольку здесь коэффициент трения под каркасом, как правило, больше чем под засыпкой:

f_Б (1,2…1,75) f_{гр .}

Сила трения под каркасом F_Б создается весом бетонного каркаса и частью веса грунта-заполнителя, «зависающего» на стенках

F_Б = f_Б G_б + f_Б m G_гр, (3)

где f_Б - коэффициент трения под бетонным каркасом;

G_б - собственный вес бетонного каркаса; Т - часть веса грунта-заполнителя, «зависающего» на стенках; G_гр - полный вес грунта-заполнителя; m - степень зависания грунта, m = Т/G_{г р} (см. рис. 2).

каркасом больше, а под засыпкой меньше рис. 2 [2]). Причина этого - передача грунтом свого веса каркасу.

Из выражения (5) видно, что для расчета силы трения F_тр необходимо, кроме веса каркаса и грунта (G_б и G_гр) знать:

коэффициенты трения в подошве f_Б и f_гр (принимают из справочников);

величину степени зависания m.

Величину m можно принять из графиков (рис. 3), построенных при различных коэффициентах k = 0,15…0,35, характеризующих свойства грунта - заполнителя [3, 4, 5].

Графики построены не для условий сдвига, а для условий покоя ячеистого сооружения, что ставит вопрос о их точности и правомерности использования.

Рис. 3. График для определения степени зависания m от высоты заполнителя Н/а

Остановимся на причине неточности этих графиков.

Рассмотрим процесс сдвига. При приложении к ячеистой конструкции сдвигающей силы под каркасом и засыпкой будут формироваться силы трения. При этом на заднюю грань напорной стенки давление заполнителя станет нарастать вследствие перехода грунта из состояния покоя в пассивное состояние (см. рис. 4).

На вторую стенку, наоборот, давление станет уменьшаться, вследствие перехода грунта из состояния покоя - в активное.

Можно с уверенностью предполагать, что давление в заполнителе у основания в целом увеличиться, так как рост пассивного давления на одну из стенок будет превышать величину падения давления - на другую.

Увеличится при этом и вертикальное давление, а значит, должна измениться и степень зависания.

Эпюра напряжений под заполнителем в процессе сдвига приобретет вид трапецеидальной вместо прямоугольной (рис. 4б).

Отсюда следует, что версия о неточности используемых в расчетной практике графиков на рис. 3 имеет под собой основу.

Рис. 4. Трансформация эпюры давления грунта при сдвиге:

а, б - распределение нагрузок под ячейкой в состоянии покоя и в процессе сдвига; в - графики связи сдвигающей силы и смещений. (Перекос напряжений под каркасом от момента силы W на рисунке не отражён)

Задачами настоящих исследований является:

изучить возможность получения величины степени зависания непосредственно из сдвиговых опытов;

рекомендовать методику определения этой величины для моделей различной сложности;

предложить план и методику исследований для проверки и уточнения графиков по определению уточненных значений степени зависания.

Рассмотрим условие устойчивости по формуле (2) для предельного состояния ячейки

W = F_Б + F_гр = f_Б G_б + f_Б m G_гр + f_{г р} (1 - m) G_{г р}. (2а)

Получив величину W из опытов, из уравнения (2а) после элементарных преобразований получим формулу для определения степени зависания

Степень зависания можно определить непосредственно из сдвиговых опытов. Это значит, что при этом можно обойтись без сложных измерительных устройств таких как у нас с Бахтиным Б.М. [1], у Латышенова А.Н. [3], у дру- гих - Янсена, Вятских Н.В., датчиков давления - Емельянова Л.М. и Кружалова Ю.М., Алипова В.В.

Как видно из формулы (6), на основе сдвигового опыта можно получить одну величину сдвигающей силы и соответствующую ей степень зависания. Она, как видно из графика рис. 3, будет соответствовать определенной высоте Н и плановому размеру «а» испытуемой ячейки (а также шероховатости стен).

То есть, эту формулу можно использовать для сооружений, в которых ячейки имеют одинаковые геометрические параметры (высоту и плановые размеры) - например, таких как на рис. 5.

разной высоты (рис. 6) необходимо знать несколько этих величин m.

Рассмотрим условие предельного состояния ячеистого сооружения на рис. 6.

W = f_Б G_б + f_Б m₁ G_{г р1} + f_{г р} (1 - m₁) G_гр1 + f_Б m₂ G_гр2 + f_гр (1 - m₂) G_гр2 + f_Б m₃ G_гр3 + f_гр (1 - m₃) G_гр3;

После упрощений получим

W = f_Б (G_б + m₁ G_гр1 + m₂ G_гр2 + m₃ G_гр3) + f_гр [(1 - m₁)

G_гр1 + (1 - m₂) G_гр2 + (1 - m₃) G_гр3]. (7)

Как видим, здесь требуется знать 3 величины степени зависания: m₁, m₂, m₃ - при трех высотах заполнения.

Для определения этих величин может быть использовано 2 подхода:

а) проведение сдвиговых опытов с простой моделью (одноячейковой - рис. 4 или трёхячейковой с одинаковыми высотами - рис. 5) при различной высоте их заполнения H и последующее определение из формулы (6) соответствующих им величин m.

Результатом таких опытов может являться график зависимости

m = f (H / R) (по аналогии с рис. 6в)

Для оценки точности этот график следует сравнить с используемым в расчетной практике (построенном для условий состояния покоя).

б) при наличии модели сооружения сложной формы, например, как на рис. 6, можно провести серии опытов с заполнением ячеек на 3 высоты (минимум), соответствующих 3-м характерным высотам ступенек сооружения: H₁, H₂ и H₃.

Цель серии опытов - получение трех значений W, а затем - из формулы (6) величины m.

грунт сдвиг сооружение ячеистый

Рис. 6. К определению степени зависания на модели ячеистого сооружения из сдвиговых опытов

Порядок и условия опытов могут быть следующими:

Во всех ячейках высота засыпки грунтом принимается одинаковой:

в первой серии - заполняют все 3 ячeйки на высоту H₃ и находят из опытов силу сдвига W, а по ней определяют степень зависания m₃ ;

во-второй - с заполнением 2-х ячеек на высоту H₂ как и в первой серии, получают m₂;

в-третьей серии - заполняется одна ячейка на полную высоту H₁ и определяется m₁;

Для повышения точности высоту заполнителя можно принимать и промежуточной, например, в первых сериях - 0,5 H₃ , во вторых - 0,75 H₂ и т.д.).

Результат этих опытов - построение графика m = f(H/R) - по аналогии с рис. 6б.

Считаем, что особое внимание должно уделяться опытам при малых высотах заполнителя, поскольку при сдвиге именно у подошвы происходят перераспределение давлений. Высота этой активной зоны по данным исследователей [6] составляет около (1…1,2) а.

При наличии модели сооружения для контроля точности нелишней будет серия опытов при заполнении всех ячеек на требуемую высоту (см. рис. 6). Это позволит получить полную сдвигающую силу W, дополнительно перепроверить точность определения всех опытных параметров, в том числе и величин m.

Отдельный интерес представляет при проведении опытов изучение составляющих трения не только при предельном состоянии сдвига, но и при различных допредельных величинах смещений модели.

Целью опытов здесь может являться получение отдельных графиков зависимости сил трения (под каркасом и под заполнителем) в зависимости от перемещения при сдвиге (например, графика зависимости сил трения под каркасом от перемещений F_Б = f (), рис. 4в).

Для полноты картины на основе сдвиговых опытов можно изучить также влияние:

1) шероховатости стен;

2) степени податливости основания;

3) уровень приложения сдвигающей силы;

4) пригрузки на грунт заполнитель.

Выводы

1. При изучении условия устойчивости ячеистой конструкции степень зависания грунта - заполнителя возможно получить непосредственно из сдвиговых опытов с моделью одиночной ячейки, выполненной с подобными геометрическими размерами

2. Сдвиговые опыты освобождают от использования сложных приборов, необходимых для замера степени зависания.

3. При наличии модели ячеистого сооружения число серий необходимых опытов оказывается не менее, чем число ступеней (каскадов) сооружения.

4. Полученные на основе сдвиговых опытов графики связи степени зависания с высотой (и др. параметрами) следует сравнить с таковыми для состояния покоя ячеистой конструкции, что позволит:

оценить исходные потенциальные возможности конструкции для сопротивления сдвигу;

дать оценку правомерности использования имеющихся графиков в расчетной практике.

Библиографический список

1. Шарков В.П. Об устойчивости ячеистых гидротехнических сооружений на скальном основании. //Гидротехнические сооружения. 2002. № 5. С.14-15.

2. Гидротехнические сооружения. Справочник проектировщика. - М.: Стройиздат, 1983. 543 с.

3. Латышенков А.М. Лабораторные исследования давления загрузки в ряжах. //Гидротехническое строительство. 1938. № 5.

4. Гидротехнические сооружения. /Под ред Н.П. Розанова. - М.: Агропромиздат, 1978.

5. Вархотов Т.Л. Сборные и сборно-монолитные ячеистые конструкции. - М.: Стройиздат, 1969.

6. Алипов В. В. Исследование давления грунтового заполнителя в железобетонных гидротехнических сооружениях ячеистой конструкции. - М.: ВНИИ ВОДГЕО. 1965. Вып 12. С. 89-103.

Размещено на Allbest.ru