Анализ исследований сдвиговых опытов ячеистых гидротехнических сооружений и их результаты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Анализ исследований сдвиговых опытов ячеистых гидротехнических сооружений и их результаты

Как известно, по классификации подпорные ячеистые сооружения относятся к типу облегченных бетонных, в которых роль балласта, необходимого для устойчивости, в основном выполняет грунт-заполнитель. Из ячеистых конструкций выполняют подпорные стенки, устои, плотины, причем и глухие и водосливные (по типу Сенкова и др.).

Ячеистые ряжевые плотины из срубов, заполненных землей, исторически нашли широкое применение в России, богатой лесом.

Современные ячеистые конструкции из монолитного бетона или в сборно-монолитной конструкции (в основном с использованием железобетонной опалубки) нашли применение как в условиях нескального, так и скального основания. Например, селезащитная плотина на р. Большая Алма-атинка высотой 40 м построена из монолитного бетона на нескальном основании.

На нескальном основании возведен также устой Киевской ГЭС на р. Днепр, сооружения гидроузла Феллуджа (Республика Ирак). На скальном основании построена водосливная плотина Константиновской ГЭС высотой 22,5 м на р. Ю. Буг (Украина), плотина на р. Тетерев (в сборно-монолитном исполнении из блоков), устой Днепродзержинской ГЭС (р. Днепр).

В 1950-60 годы в СССР эти сооружения широко использовались для возведения плотин и сооружений гидроэлектростанций районного значения. В те годы проводилось много работ и по исследованию этих конструкций, в том числе в МГМИ-МГУП.

Кроме того, ячеистые конструкции в виде круглых оболочек из шпунта широко использовались для строительства перемычек, а из железобетона - для причальных морских сооружений. Исследования таких конструкций проводил МИСИ (Левачев С.Н.), Дергачев П.В. (НИИГ-ВНИИГ) и другие.

Достоинством ячеистых конструкций, как известно, является экономия бетона, а также хорошая их устойчивость вследствие распластанности подошвы. Это подтверждают работы, проведенные различными авторами на моделях.

По нашим данным, основные исследования по изучению сдвига таких конструкций проведены для условий нескального основания. Для условий скальных оснований опытов по изучению сдвига таких сооружений мы не встречали [1].

В условиях скального основания их поведение при сдвиге, более понятно, чем на нескальном сдвиг здесь - плоский, и очевидно, он происходит практически без захвата основания даже в условиях полускальных оснований.

При этом не нашли должного отражения вопросы, имею-щие к вопросам устойчивости прямое отношение:

1) несущая способность сооружения, то есть, величина предельной сдвиговой силы на скальном основании;

2) резервы для повышения устойчивости ячеистых сооружений на сдвиг, связанные с передачей нагрузки от веса заполнителя каркасу, под которым коэффициент трения существенно выше, чем под засыпкой;

Результаты таких опытов в ясных условиях сдвига на жестком основании позволят легче, чем в условиях податливого основания, разобраться с дополнительными нагрузками на стены, возникающими в процессе сдвига, а также и с оценкой их возможного влияния.

Кроме того, полученные данные в последующем можно использовать для анализа поведения конструкции в более сложных условиях податливого основания, при котором сдвиг сопровождается и захватом части основания.

Цель данной работы - изучение имеющихся результатов по изучению сдвига таких сооружений и их анализ. Основной акцент в работе сделан на традиционные ячеистые подпорные сооружения, строящихся на реках.

Исследованию сдвига ячеистых подпорных сооружений посвящены работы Василевского Г.Н. [2], Кружалова Ю.М. [3], Алипова В.В [4], Зборовcкой М.И. [5] и других авторов [6, 7].

Василевский Г.Н. [2] проводил исследование Бузулукской плотины в 2-х масштабах 1:5 и 1:35, в том числе и на сдвиг рис. 1а.

Рис. 1. Схемы моделей ячеистых конструкций в сдвиговых опытах: а) Г.Н. Василевского; б) В.В. Алипова; в) М.И. Зборовской; г, д, е) Ю.М. Кружалова

подпорный ячеистый гидротехнический сдвиг

Здесь на модели изучался характер сдвига флютбета ячеистой конструкции высотой 5,5 м и шириной 6,0 м (одна секция и 2 боковые полусекции).

Как сообщает автор, в опытах выявлено, что:

коэффициент трения под флютбетом оказался таким же, как и в опытах со сплошной фундаментной плитой;

сдвиг наблюдался по поверхности грунта основания;

горизонтальные сдвигающие силы сдвига увеличивают боковое давление на стены.

сопротивление сдвигу не зависит от масштаба модели (для песчаных грунтов засыпки и основания).

Кружалов Ю.М. [3] на кафедре строительной механики МГМИ проводил сдвиговые испытания 4-х моделей ячеистой конструкции, три из них показаны на рис. 1-г, д, е.

Малая модель имела высоту 50 см и плановые размеры 25 х 25 см, выполнялась из оргстекла (при толщине стенок 1 см). Засыпкой служил песок (насыпной - с объемным весом = 1,45…1,5 г/см³ и уплотненный с = 1,75… 1,75 г./см³). Основание - песчаное, толщиной слоя 50 см.

В основании плотность грунта в разных сериях изменялась: без уплотнения и с уплотнением. В опытах менялась, как отмечает автор, также площадь опирания ячеек. В экспериментах использовалась пригрузка как заполнителя, так и самого корпуса грузами.

Вторая модель - 98 х 98 х 300 м с толщиной стен 4 см (внизу - башмаки шириной около 10 см) тоже испытывалась на сдвиг. В ней сдвигающая сила прикладывалась на уровне подошвы.

Третья модель - четырехячейковая 2 ряда с размерами ячеек 60 х 60 см при высоте 180 см. Здесь сдвигающая сила прикладывалась домкратами двумя методами:

а) у подошвы и примерно на уровне 1/3 высоты;

б) нагрузка от домкратов передавалась на подвижную стенку, а далее через слой песка - модели - на рисунке не приведена (имитировалось давление самого грунта).

Сдвиговые опыты (на малой модели) показали, что предельное смещение, при котором сдвиговая сила достигает максимальных значений, составляет примерно 12,3…14 мм.

На основе опытов получены коэффициенты сопротивления сдвигу k = P_пред / G, приведенные автором в специальной таблице, где G - суммарный вес конструкции; Р_пред - предельная сдвигающая сила (в расчетах определялась через суммарную вертикальную силу и коэффициент внутреннего трения по формуле P_пред = N tg ).

Опыты показали, что при расположении силы Р на уровне подошвы наблюдалась схема плоского сдвига.

При сдвиге модель получала небольшой крен - низовое ребро задней ячейки врезалось в основание, верховое приподнималось (задиралось).

Автор приводит графики зависимости горизонтальных (и вертикальных) перемещений 2-х точек - нижней и верхней от сдвиговых сил.

Потеря устойчивости наступала при перемещениях = (0,014…0,016), где Н - высота модели ячейки.

При повторном нагружении (после снятия сдвигающей силы) потеря устойчивости происходила при меньших смещениях = (0,004…0,008).

При разгрузке - снятии силы (наполовину от предельной до 0,5Р_пред величины возвратных перемещений (с гистерезисом) составляли 0,5…0,6 мм, что по отношению к высоте равно = (0,001) Н. Выявлено, что величина предельной силы P_пред - зависит от высоты её приложения.

Полученные в опытах величины предельной силы P_пред оказалась меньше расчетных и, что интересно, меньше, чем для массивных сооружений.

К наиболее существенным результатам этих опытов можно отнести следующее:

1) фактическая несущая способность ячеистых сооружений оказывается меньше, чем получаемая в расчетах;

2) величины предельных смещений составляют 12,3… 14 мм при относительных величинах = (0,014…0,016) Н, что, превышает величину среднего диаметра частиц люберецкого песка средней крупностью 0,22 мм в 56…70 раз.

3) упругая стадия работы сооружения наблюдается примерно в пределах смещений 1,0…1,2 мм, то есть примерно в 5…6 раза больших, чем средняя крупность песка, а по отношению к высоте при величинах = (0,004…0,008) Н.

4) зафиксированный в опытах плоский сдвиг на податливом основании при приложении сдвигающей силы на уровне подошвы, можно считать ожидаемым.

Алипов В.В. [4] (быв. НИС Гидропроекта) проводил опыты по сдвигу ячеек в грунтовых лотках (на песчаном основании) на одноячейковой (рис. 1-б) и трехячейковой моделях размерами 20 х 20 х 75 см. Использовались также модели с соотношением сторон 1:1,5 и 1:3. Кроме того, в большом грунтовом лотке опыты проводились на одноячейковой модели с внутренними размерами 40х40х150 см, а также на моделях секции ячеистой плотины. В качестве заполнителя использовался песок средней крупности различной плотности.

В лотке - изучалось горизонтальное давление на стенки каркаса (без фундаментной плиты) в статических условиях. Здесь также изучались и вопросы устойчивости сооружения, и в частности влияние конструкции фундаментной части сооружения на устойчивость (фундаментных уширений и анкерных плит).

Среди существенных результатов можно, на наш взгляд, выделить следующее.

При приложении сдвиговой горизонтальной нагрузки к ячеистой конструкции одновременно с развитием касательных напряжений под каркасом и подошве заполнителя происходит значительное перераспределение вертикальных контактных напряжений. Это проявляется в том, что под заполнителем они увеличиваются, под каркасом - снижаются.

Автор не дает комментариев о причинах этого явления. На наш взгляд, это связано с вертикальной врезкой каркаса в основание при сдвиге и появлением пассивного (отпорного) давления в заполнителе у его подошвы («зависанием» корпуса на грунтовом «столбе» - массиве).

Рис. 2. Вклад в несущую способность сдвигу ячеистой конструкцией сил трения под каркасом и заполнителем: а) - графики зависимости сил трения под каркасом и под подошвой заполнителя в зависимости от сдвиговой силы (величины сдвига); б) - схема сил и эпюры горизонтального давления заполнителя на стенки при сдвиге. Пунктиром Показаны исходные эпюры давления (до сдвига). Т_к, Т_яч - силы трения под каркасом и заполнителем

В работе в виде схем приводятся графики зависимости сил трения под каркасом и под заполнителем в зависимости от горизонтальных смещений - рис. 2а.

По данным Алипова эпюра горизонтального давления при сдвиге увеличивает свои значения, причем на высоту до 1,0…1,2а (а - плановый размер ячейки). При этом максимальное давление возникает у самой подошвы (см. рис. 2б). Величина этого давления напрямую связана с величиной смещения (и сдвигающей силы) и для задней стенки достигает величин, превышающих давление в статических условиях в 1,5…3 раза. Одновременно у передней стенки давление у подошвы падает практически до нулевых значений.

Для определения равнодействующей касательных напряжений в подошве заполнителя автор предложил эмпирическую формулу, в которой учитывается повышение напряжений под заполнителем, связанного с навалом грунта на низовую грань ячеистого каркаса.

(Отметим, что автором также проведены опыты на специальной рычажной установке, по изучению горизонтального и вертикального давления заполнителя с жестким днищем - на модели 20 х 20 см и высотой Н =75 м. На этом жестком подвижном перемещаемом в вертикальном направлении) днище устанавливалось 7 датчиков давления грунта. Выявлено, что давление на стенки на податливом основании, больше чем в условиях жесткого днища. Величина этого давления, как оказалось, зависит от последовательности (скорости) заполнения ячейки и силы нагружения каркаса).

В качестве комментариев, на наш взгляд, следует отметить:

1) причиной понижения напряжений под каркасом в процессе сдвига может являться «зависание» корпуса на самом заполнителе, возникающего в результате осадки каркаса, что зафиксировано у Кружалова Ю.М. [3] Очевидно, что такое «зависание» ячейки на грунтовом «столбе», определенно вызывает дополнительную пригрузку и передачу её на подошву заполнителя, что и показали опыты В.В. Алипова.

2) выявлен факт изменения формы эпюры Янсена у подошвы и получены величины и пределы изменения эпюр давления на стенки. Давление на заднюю стенку возрастает до 3-х раз, а на переднюю у подошвы - падает до нуля. Алгебраическое суммирование эпюр давлений на эти противоположные стенки свидетельствует о том, что в целом результирующее горизонтальное давление увеличилось. Как известно, оно связано с давлением вертикальным, что согласуется с зафиксированным в опытах Алипова повышением вертикального давления в заполнителе.

3) автором предложена формула для определения равнодействующей касательных сил в подошве заполнителя Т_яч (сила трения) в зависимости от прилагаемой горизонтальной нагрузки. Она по характеру эмпирическая, содержит 2 коэффициента, численные значения которых не приводятся, и потому её использование представляется проблематичным.

Но сам факт акцентирования внимания на этой силе, на наш взгляд, заслуживает внимания.

Следует добавить, что изучение этой силы целесообразно начать для определенных условий сдвига, например, на жестком основании, когда схема сдвига однозначно плоская, и когда в основании под каркасом и засыпкой известны коэффициенты трения, что позволит разделить нагрузки от каркаса и грунта. Важным является здесь знание и самой величины нагрузки, передаваемой грунтом непосредственно подошве заполнителя то есть величины степени зависания).

4) после определения равнодействующей касательных напряжений Т_яч в условиях скального основания можно перейти к корректировке её в условиях повышения степени податливости основания. Последнее можно реализовать, например, путем увеличения слоя грунта в основании;

5) величину дополнительного горизонтального давления на верховую (надвигающуюся) грань _х, возникающую при сдвиге, автор предлагает определять в зависимости от силы Т_яч по предлагаемой им эмпирической формуле. Последняя предполагает экспоненциальный характер затухания давлений от подошвы к вверху, но имеет множество специальных коэффициентов, что осложняет её использование. Для низких ячеек автор допускает линейное уменьшение этого дополнительно возникающего горизонтального давления _х от подошвы ячейки кверху и предлагает упрощенную формулу.

6) предложенная форма графика зависимости силы сопротивления каркаса и заполнителя от перемещений при сдвиге может быть полезна для полноты картины и выявления условий включения сил сопротивления самой засыпки в процессе сдвига.

М.И. Зборовская [5] на модели (см. рис. 1 в) исследовала поведение ячеистой штампа при сдвиге, состоящего из 12 ячеек высотой 5 см с внутренними размерами 6,5 х 6,5 см, заполненного люберецким песком с характеристиками: = 16 кН/м, = 28,8⁰, = 20⁰.

Основные выводы работы [5] сводятся к следующему:

1. В опытах (без моделирования собственного веса засыпки) при сдвигающей силе, равной расчетной (Р_расч = G х tg - вес модели, умноженный на коэффициент внутреннего трения tg ) получена картина сдвига, показывающая вхождение поверхности скольжения внутрь ячейки (как отмечает автор, аналогичная опытам С.Н. Левачева).

2. В специальных опытах с пригрузкой модели, моделирующей вес каркаса и вес засыпки, получена иная картина, свидетельствующая о работе этого составного ячеистого сооружения как единое целое, характеризуемой отсутствием смещений засыпки относительно стен в вертикальном направлении. Это наблюдалось для 2-х уровней приложения сдвигающей силы - на уровне верха штампа и на середине его высоты.

3. На податливом основании, по данным автора, ячеистая система «каркас-засыпка» работает по схеме смешанного сдвига при величине сдвигающей силы W = 0,8Р_расч. Схема плоского сдвига для условий опыта, т.е. податливого основания, с учетом специальной пригрузки каркаса и заполнителя, прикладываемой на основе использования законов моделирования, не реализуется.

В работах П.В. Дергачева [6, 7] изучалось поведение ячеистых конструкций, выполненных из шпунта, забитого в грунт основания. Обычно это конструкция выполнена из одной ячейки, часто круглой или схожей формы, заполненной грунтом.

В работах этого автора основное внимание уделялось изучению влияния величины заглубления каркаса в основание (забивки свай) на несущую способность сооружения.

Например, выявлено, что при заглублении ячейки в основание на глубину, равную половине высоты ячейки устойчивость её повышается в 3…5 раза (по сравнению с незаглубленной).

В этих работах также изучался изгибающий момент от сдвигающей горизонтальной силы (в том числе и реактивный), приводятся формулы для его определения, а также эпюры моментов по высоте ячейки, необходимые для оценки прочности конструкции.

На наш взгляд, хотя в последнее время такие ячеистые конструкции из шпунта не получили распространения, однако некоторые результаты их исследований могут быть использованы для совершенствования ячеистых сооружений.

Изучение результатов рассмотренных опытов и их анализ позволяет сделать следующие выводы.

1. На податливом основании в определенных условиях, например, при приложении силы на уровне подошвы, в опытах Кружалова наблюдалась схема плоского сдвига. В процессе сдвига модель получает небольшой крен, что приводит к перераспределению давлений в ячейке и под ней: давление под каркасом падает, а под заполнителем существенно возрастает.

2. Несущая способность ячеистого сооружения, полученная в опытах [2], оказалась ниже аналогичных массивных сооружений, что требует введения поправочных коэффициентов при использовании формул, относящихся к массивным сооружениям.

3. При приложении сдвигающей силы выше уровня подошвы в сопротивление, согласно опытам [5], включается основание, а поверхность сдвига заглубляется в основание, что должно повышать несущую способность сооружения.

4. Явления, происходящие на контакте ячейки с податливым основанием, изучены неплохо. В.В. Алипов предложил формулы для определения силы трения под заполнителем, а также давлений, дополнительно возникающих при сдвиге. Однако они сложны для использования и требуют совершенствования.

5. Важным вопросом при изучении механизма сдвига, на наш взгляд, является изучение явления перераспределения давлений в ячейках от основной нагрузки - веса заполнителя между стенками и основанием. Это позволит более точно увязать сдвиговые силы с вертикальными нагрузками.

Библиографический список

подпорный ячеистый гидротехнический сдвиг

1. Шарков В.П. Устойчивость ячеистых сооружений и способы его повышения. // Гидротехническое строительство. 2002. №2.

2. Василевский Г.Н. Исследование работы НИИГ по плотине Сенкова. Гидротехническое строительство, 1936, №8-9, С. 19-22.

3. Кружалов Ю.М. Лабораторные исследования устойчивости ячеистых систем. /Сб. трудов «Строительная механика». - М.: МГМИ, 1971. Т. ХХХ1V. С. 29-37.

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

5. Зборовская М.И. Анализ работы ячеистых конструкций на статические и температурные воздействия. Автореферат кандидатской диссертации. - М.: МГУП, 1995. 28 с.

6. Дергачев П.В. Об устойчивости ячеистых конструкций. Основания, фундаменты и механика грунтов. - М., 1959. №5. С. 10-13.

7. Дергачев П.В. К расчету устойчивости ячеистых конструкций. Основания, фундаменты и механика грунтов. - М., 1963. №2. С. 17-19.

Размещено на Allbest.ru