Размещено на http://www.allbest.ru

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТРАНСПОРТНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ЧЕЧУГА Олександр Сергійович

УДК 625.745.2

УДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДУ ПРОЕКТУВАННЯ КРУГЛИХ ВОДОПРОПУСКНИХ ТРУБ НА АВТОМОБІЛЬНИХ ДОРОГАХ

05.22.11 - автомобільні шляхи та аеродроми

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2010

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Національному транспортному університеті Міністерства освіти і науки України, м. Київ.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Петрович Володимир Васильович

Національний транспортний університет Міністерства освіти і науки України, доцент кафедри будівництва та експлуатації доріг, м. Київ.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, доцент

Гамеляк Ігор Павлович

Національний транспортний університет Міністерства освіти і науки України, професор кафедри дорожньо-будівельних матеріалів і хімії, м. Київ.

кандидат технічних наук, доцент

Шилін Ігор Володимирович

Автомобільно-дорожній інститут Державного вищого навчального закладу „Донецький національний технічний університет” Міністерства освіти і науки України, доцент кафедри будівництва та експлуатації доріг, м. Горлівка.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного транспортного університету за адресою: 01103, Україна, м. Київ, вул. Кіквідзе 42.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук, доцент В.І. Каськів

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи.

Станом на початок 2009 року на автомобільних дорогах загального користування України налічувалось близько 130 тис. штук водопропускних труб (основна кількість яких, понад 80 % є залізобетонні труби). Ці споруди займають до 90 % від загальної кількості штучних споруд на дорогах. Це пояснюється, в першу чергу, більш економічною ефективністю застосування труб порівняно з малими мостами, а також тими перевагами, що дає для автомобільних доріг влаштування земляного полотна без розривів, тобто збільшення безпеки, швидкості і комфортабельності руху.

Із збільшенням кількості труб на дорогах, особливе значення набувають питання забезпечення надійності і довговічності їх роботи в процесі експлуатації, так як має місце велика кількість деформацій, а також випадки повного руйнування труб під насипами як існуючих автомобільних доріг, так і доріг, які будуються.

Дорожня наука в останні десятиліття активно розвивала напрямки впровадження нових матеріалів та технологій, що, безумовно, є пріоритетним напрямком розвитку народного господарства. Між тим, дослідження в області взаємодії земляного полотна з водопропускними трубами відносяться до середини минулого сторіччя і були присвячені, в основному, оцінці загальної чи місцевої стійкості.

Досвід експлуатації малих штучних споруд і великомасштабні польові обстеження останніх років показали, що побудовані за застарілими нормативами земляне полотно і труба згодом втрачають свої споживчі якості, що призводить до утворення дефектів та руйнувань.

Аналіз наявних розрізнених даних по об'єктам із деформаціями і проектним розробкам показав, що сьогодні проектувальники не володіють надійним апаратом теоретичної оцінки міцності і розрахунку тиску на водопропускні труби, обмежуючись у своїй роботі, як правило, альбомами типових рішень минулого сторіччя. Технологічні прийоми створення конструкції земляного полотна недостатньо пов'язані з будівництвом водопропускної труби, що завжди було проблемним фактором при подальшій роботі цього об'єкта.

Актуальність теми зростає у зв'язку з якісним і кількісним ускладненням умов будівництва та експлуатації сучасних автомобільних доріг (зростання осьових навантажень, швидкостей руху і вантажопідйомності), зміною структури і властивостей ґрунтів внаслідок дії природних факторів і зовнішніх навантажень, а також процесом старіння конструкції труби і земляного полотна.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Проведені в роботі дослідження співпадають з напрямками досліджень згідно “Тематичного плану Національного транспортного університету” і плану “Науково-дослідних та дослідно-конструкторських робіт Державної служби автомобільних доріг України (Укравтодор)”.

При виконанні роботи автор приймав участь у держбюджетних та госпдоговірних науково-дослідних роботах:

· держбюджетна тема К.03-15-1 “Удосконалення принципів і методів врахування регіональних, гідрогеологічних та гідравлічних умов і підвищення на їх основі ефективності і якості проектування, будівництва та експлуатації доріг”, номер держреєстрації 0100U003716, виконавець - Національний транспортний університет;

· госпдоговірна тема № 129 “Провести натурні обстеження та комп'ютерне моделювання роботи системи “насип - водопропускна труба - основа”, номер держреєстрації 0100U006478, виконавець - Транспортна академія України;

· держбюджетна тема К.03-15-1 “Удосконалення технологій проектування, будівництва та експлуатації доріг з урахуванням екологічних заходів покращення стану довкілля”, номер держреєстрації 0104U003336, виконавець - Національний транспортний університет;

· госпдоговірна тема №138-07/421 “Розробити рекомендації з оптимізації системи “насип - водопропускна труба - основа”, номер держреєстрації 0107U007877, виконавець - Національний транспортний університет.

Мета і задачі дослідження.

Метою роботи є удосконалення методу проектування круглих залізобетонних водопропускних труб на автомобільних дорогах на основі моделювання напружено-деформованого стану конструкції "насип - труба - основа" з врахуванням дії транспорту.

Для досягнення мети були поставлені такі завдання:

- узагальнити теоретичні засади та практичний досвід експлуатації залізобетонних труб на автомобільних дорогах;

- розробити математичну модель процесу взаємодії круглої залізобетонної труби з ґрунтом середовища на яке діє зовнішнє навантаження;

- провести числове моделювання та виконати аналіз експериментальних даних з метою підтвердження достовірності запропонованої моделі;

- удосконалити метод проектування круглих залізобетонних водопропускних труб на автомобільних дорогах;

- розробити методику проектування круглих залізобетонних водопропускних труб з урахуванням їх конструктивних особливостей, властивостей ґрунтів насипу та зовнішнього навантаження.

Об'єкт дослідження - круглі залізобетонні водопропускні труби на автомобільних дорогах.

Предмет дослідження - напружено-деформований та граничний стан земляного полотна з урахуванням наявності в ньому водопропускної труби при дії зовнішнього навантаження.

Методи дослідження. У рамках дисертаційної роботи застосовувались положення теорії пружності; методи математичного та числового моделювання, результати польових та експериментальних досліджень для підтвердження адекватності запропонованої математичної моделі.

Наукова новизна отриманих результатів:

- розроблена математична модель процесу взаємодії круглої залізобетонної труби з ґрунтом середовища під дією зовнішнього навантаження, що дає можливість встановити реальні силові фактори та оцінити напружено-деформований стан насипу, який є визначальним при розрахунку труб на міцність;

- удосконалено метод проектування круглих залізобетонних водопропускних труб на автомобільних дорогах, який дозволяє врахувати дію різних видів зовнішнього навантаження та різні умови роботи труби у тілі насипу.

Достовірність отриманих результатів.

Достовірність отриманих результатів дисертації ґрунтується:

- теоретичними передумовами, які базуються на фундаментальних положеннях теорії пружності і пластичності, механіки твердого деформованого тіла, механіки ґрунтів та інженерної геології;

- відповідністю результатів теоретичних і числових розрахунків з даними експериментальних досліджень і польових обстежень конструкції “насип - труба - основа”.

Практичне значення одержаних результатів.

Практична цінність роботи полягає в розробленні методики проектування круглих залізобетонних водопропускних труб на автомобільних дорогах з розробкою рекомендацій з моделюванням напружено-деформованого стану їх роботи.

Розроблені та впроваджені на галузевому рівні, в організаціях, які входять у сферу управління Державної служби автомобільних доріг України (УКРавтодор) "Рекомендації по підвищенню міцності і стійкості системи “насип - водопропускна труба - основа” та рекомендації Р В.2.3-218-02070915-736:2008 "Рекомендації з оптимізації системи “насип - водопропускна труба - основа”.

Особистий внесок здобувача.

Особистий внесок здобувача полягає у розроблені математичної моделі взаємодії круглої залізобетонної водопропускної труби з ґрунтом середовища та зовнішнім навантаженням, а також методу розрахунку цих споруд на автомобільних дорогах.

У публікації [2], написаній у співавторстві, автором особисто виконано аналіз та теоретичні розрахунки, а також розроблено розрахункову схему. У [4] автором виконано аналіз застосування геосинтетичних матеріалів.

Апробація результатів дисертації.

Основні положення дисертаційної роботи були представлені: на науковій конференції професорсько-викладацького складу, аспірантів, студентів та структурних підрозділів університету Національного транспортного університету № LXII-LXV у 2006 - 2009 рр.

Також результати роботи апробовано на таких науково-технічних конференціях: VII-й Міжнародний науково-практичний семінар “Діагностика, довговічність та реконструкція мостів і будівельних конструкцій”. - Вінниця, 26 - 27 червня 2008 р. ХІ Міжнародна наукова конференція “Актуальні проблеми будівництва та інженерії довкілля”. - Львів, Львівська Політехніка. - 13 - 14 грудня 2007 р. Науково-практична конференція “Дорожні покриття та сучасні методи будівництва і ремонту автомобільних доріг” Вплив метеорологічних факторів на надійність дорожніх одягів. - Харків, НТК ХНАДУ, 2009 р. Науково-технічна конференція “Енергозбереження в галузях національного господарства” - Вінниця, ВНТУ. - 27-29 жовтня 2009 р.

Публікації. залізобетонний труба автомобільний дорога транспорт

Автором опубліковано 6 статей у фахових виданнях рекомендованих ВАК України, у тому числі чотири за результатами дисертаційної роботи та 4 тези науково-технічних конференцій.

Матеріали дисертаційних досліджень використано при розробці нормативного документу: Р В.2.3-218-02070915-736:2008. Рекомендації з оптимізації системи “насип - водопропускна труба - основа”.

Структура та об'єм дисертації.

Дисертація включає вступ, чотири розділи, висновки, сім додатків, список використаних джерел із 114 найменувань. Загальний обсяг дисертації викладений викладений на 225 сторінках. Основний текст ілюструється 66 рисунками і містить 9 таблиць.

основний Зміст РОботи

У вступі викладена актуальність обраної теми, критично проаналізований стан справ з даного предмету дослідження, показаний зв'язок з науковими програмами, сформульована мета та завдання досліджень, наведено основні наукові результати, показане практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі виконано аналіз сучасних норм проектування водопропускних труб, умови роботи та деформацій труб у конструкції "насип - труба - основа" та наліз стану труб на автомобільних дорогах України.

Аналіз сучасних норм проектування труб засвідчив неоднозначність рекомендацій різних нормативних документів, які пов'язані з визначенням зовнішнього тиску на водопропускні споруди (труби, колектори тощо) або штучні споруди (тунелі, підпірні стінки тощо) від дії власної ваги ґрунту та зовнішнього нормативного навантаження.

Що стосується транспортного будівництва, якщо взяти залежності, що наведені у нормах 1962 року, 1984, 2006 та 2010 роках то можна зробити висновок, що за майже 50 років ніяких кардинальних змін в області проектування круглих залізобетонних водопропускних труб на автомобільних дорогах не відбулось. Хоча у ДБН В.2.3-15:2009 введено розрахунки на одиночне навантаження НК (НК-80 і НК-100 чотиривісний колісний екіпаж з осьовим навантаженням Р відповідно 20 тс (196 кН) та 25 тс (245 кН)), розрахункові залежності і коефіцієнти для цих двох навантажень - НК-80 і НК-100 - залишились однаковими. Різниця між результатами розрахунків отриманими за різними довідниками і нормативними документами у суміжних галузях сягає 3 рази, що є недопустимим при розрахунку споруд. Нові ж сучасні державні будівельні норми (2010 р) на проектування мостів і труб не містять розрахункових залежностей (від зовнішнього навантаження) для розрахунку водопропускних труб на автомобільних дорогах.

Досвід експлуатації водопропускних труб і результати проведених польових обстежень, виконаних автором, свідчать, що всі види деформацій, які спостерігаються на ділянках доріг із водопропускними трубами можна розділити на три основні групи:

1) деформації, які визначаються умовами статичної роботи труби в конструкції "насип - труба - основа";

2) деформації, які визначаються гідравлічними умовами споруди;

3) деформації, які визначаються властивостями матеріалів.

Аналіз всіх видів деформації водопропускних труб на автомобільних дорогах свідчить, що найбільш поширеними є деформації першої групи. Це пояснюється тим, що умова взаємодії труби з оточуючим її ґрунтовим масивом та основою, мають складний і, значним чином, невизначений характер, що завжди створювало великі труднощі для правильного розуміння процесів, що відбуваються в конструкції, і вибору найбільш достовірної розрахункової схеми і методу розрахунку.

Проблема розрахунку труб, укладених тим чи іншим способом у землю, вже давно привертає до себе увагу численних дослідників, що присвятили їй велике число робіт і створили ряд різних методів розрахунку. Проблемою займались вітчизняні науковці М.М. Давіденков, Г.М. Покровський, І.С. Федоров, І.Г. Купцов, П.М. Зельовіч, А.Л. Брік, Н.В. Денисов, С.І. Мальчинов, В.А. Ярошенко та ін., зарубіжні У.Д. Ренкін, А. Марстон, Є. Андерсон, І.Є. Спенглер, К. Терцагі, Т. Уотсон, Д. Шенглер, А. Яєськелайнен та ін. Ці дослідження послужили основою для створення загальної теорії визначення тиску на підземні споруди. Перш за все, це роботи Г.К. Клейна, Н.К. Снітко, М.О. Цитовича, В.В. Соколовського, Ю.М. Айвазова, В.Г. Піскунова, О.О. Рассказова, В.Й. Заворицького, В.Г. Березанцева, В.С. Виноградова, А.Г. Камерштейна, Й. Янсена, К. Терцагі, А. Марстона, І.Є. Спенглера, Ф.С. Балсона та ін.

Складність проблеми полягає у великій кількості чинників, що впливають на величину і розподіл навантажень, що передаються на трубу, а також чинників, від яких залежить несуча здатність труби. На відміну від наземних конструкцій розрахункова схема підземної споруди, зокрема труби, що знаходиться у земляному середовищі, повинна відображати взаємодію цієї споруди з оточуючим її ґрунтом, оскільки вони працюють спільно. Ґрунт є не тільки навантаженням, але також і середовищем, в якому протікають деформації труби, і передається тиск від автотранспорту, що рухається. Крім того, це середовище саме деформується разом із спорудою.

У розділі розглянуті аналітичні методи визначення навантажень, які діють на водопропускні труби, а також досліджені два підходи щодо визначення напружено-деформованого стану підземних споруд: на основі теорії граничної рівноваги сипучого середовища і на основі теорії пружності. Аналіз теоретичних досліджень у цій області показав, що існуючі розрахункові схеми, які базуються на гіпотезі сипучого тіла, не в змозі достатньо повно описати процеси, які виникають в системі. Більш прогресивним порівняно з вище описаним напрямком є застосування теорії пружності.

Із вищенаведеного можна зробити висновок, що на сучасному етапі розвитку транспортного комплексу (з його великовантажними автомобілями та автопоїздами, із значним зростанням інтенсивності та вантажообігу, з відповідним зростанням навантажень на дорожню конструкцію і штучні споруди на автомобільних дорогах) виникла необхідність в удосконаленні проектування конструкції "насип - труба - основа", що повинно призвести до підвищення надійної і безвідмовної роботи водопропускних споруд на автомобільних дорогах та, зокрема, до покращення відповідної нормативної бази.

У другому розділі розглянуто теоретичні основи та розроблено математичну модель конструкції "насип - труба - основа".

Для розрахунку зовнішнього навантаження на труби, у дорожній галузі, згідно із нормативними документами, існує дві "моделі тимчасових навантажень від рухомого складу":

· модель 1 - що моделює навантаження від рухомого складу за схемою АК;

· модель 2 - за схемою одиничного колісного навантаження НК.

Результати виконаного аналізу свідчать, що для труб має більш несприятливий ефект колісне чотиривісне зосереджене навантаження НК-100 і НК-80, які були прийняті для подальших розрахунків.

Існуючі формули не дають однакових результатів і не співпадають з точними розв'язками теорії пружності від дії зовнішнього навантаження. Причому на малих глибинах (до 1,0 м) призводять до несподіваних результатів - зусилля від зовнішнього навантаження без врахування ваги ґрунту більші від зусиль, які були прикладені (це без врахування коефіцієнтів надійності по навантаженню та інших повишаючих коефіцієнтів).

Тому у подальших розрахунках приймались залежності, що базуються на розрахунку зусиль на основі рішень Буссінеска.

З цією метою, розподілене навантаження від дії колеса НК-80 (НК-100) приймали як суму великої кількості зосереджених навантажень qdо (рис. 1).

Рис. 1. Схема для розрахунку дії зовнішнього навантаження на трубу

Вертикальне напруження можна виразити залежністю:

. (1)

Розв'язок інтегралу (1) має вигляд:

, (2)

де а - половина ширини площадки навантаження, м.

У подальших розрахунках напруження від ваги зовнішнього навантаження використовували формулу (2).

Як було відмічено у розділі 1, розрахункові залежності базуються на теорії сипучого тіла, також аналіз теоретичних досліджень у цій області показав, що існуючі розрахункові схеми, які базуються на гіпотезі сипучого тіла, не в змозі достатньо повно описати процеси, які виникають в конструкції "насип - труба - основа". Тому, на нашу думку, більш прогресивним напрямом розрахунку цієї системи є застосування теорії пружності з врахуванням нормальних сил, що діють по кільцю труби. Для цього розрахунки краще вести у полярній системі координат. Розрахункова схема для знаходження напружень від власної ваги ґрунту наведена на рис. 2.

Рис. 2. Розрахункова схема напружено-деформованого стану

При розрахунках тиску від ваги ґрунту величину h для вертикального тиску приймають до верху кільця, а для розрахунку горизонтального тиску до його середини. Проте і за теорією пружності і за теорією граничної рівноваги сипучого середовища різниця між вертикальним і горизонтальним напруженнями відрізняється на коефіцієнт бокового тиску, хоча і за різними формулами.

Компоненти напруженого стану у полярних координатах мають вигляд:

,

, (3)

,

де - питома вага грунту, кН/м³;

- коефіцієнт бокового тиску.

Згідно із С.П. Тимошенко, якщо відома функція напружень , то компоненти напружень виражають наступним чином:

, , . (4)

У роботі прийнята функція напружень, що відповідає також і рівнянням нерозривності деформацій, у вигляді:

. (5)

Підставивши (5) у (4) отримано:

;

; (6)

,

де , , , , , , - коефіцієнти компонентів напруження.

Повні напруження будуть як сума виразів (3) і (6):

;

; (7)

.

Базуючись на працях О.І. Сегаля і М.В. Малишева та з врахуванням (7) у роботі розроблено математичну модель розрахунку напружено-деформованого стану конструкції "насип - труба - основа":

, (8)

де , - нормальні радіальні і тангенціальні напруження по контуру труби;

- запропоновані автором коефіцієнти, що враховують вплив зовнішнього навантаження;

р₁, р₃, t₃ - коефіцієнти, що враховують жорсткість системи, геометричні параметри труби, властивості матеріалів труби і ґрунту тощо;

, - згинаючі моменти і нормальні сили;

, - радіальні і тангенціальні переміщення;

R - радіус труби;

s - товщина стінки труби;

н₀, Е₀ - коефіцієнт Пуассона і модуль деформації матеріалу труби.

Граничні умови:

М М_гр, (9)

де М_гр - несуча здатність перерізу стінки труби на згин або на згин при стисканні.

N N_гр, (10)

де N_гр - гранична величина нормальних сил.

_гр,

_гр, (11)

де _гр, _гр - граничні радіальні і тангенціальні переміщення діаметра труби (граничний прогин) із умови неможливості подальшої експлуатації.

У третьому розділі наведено результати натурних обстежень, а також експериментального, математичного та числового моделювання конструкції "насип - труба - основа".

У ході виконання натурних досліджень було проведене обстеження ряду об'єктів на дорогах у гірській і пересіченій місцевості. Усього було обстежено близько 200 споруд. В основному це були круглі і прямокутні залізобетонні труби під насипами висотою 6 м і вище, а також труби діаметром 1,5-2,0 м під насипами висотою 4-6 м.

У результаті польових обстежень водопропускних труб, в рамках досліджень та виконання двох госпдоговірних тем, за характером наявних на них деформацій можна згрупувати у 3 групи: споруди, де спостерігається осідання в основі труби, при цьому ланки труби не зруйновані; об'єкти зі зруйнованими ланками труби без порушення загальної стійкості насипу, явища просідання в основі труби не спостерігаються; споруди, на яких мають місце як руйнування ланок труб, так і осідання в основі.

Як правило, деформації труб виявляються до кінця відсипки насипу чи в перші місяці після її закінчення, причому найбільших розмірів деформації досягають у початковий період експлуатації, потім швидкість розвитку деформацій зменшується і система досягає досить стійкої граничної рівноваги. Деформаціям піддається більша кількість ланок, що іноді складає 44-67 % усієї кількості ланок труби.

Для аналізу характеру зміни напруженого стану конструкції "насип - труба - основа" та його адекватності теоретичним розрахункам, у роботі використані результати експериментальних досліджень виконаних керівником роботи к.т.н. В.В. Петровичем і А.С. Литвиненком під керівництвом проф. В.Й. Заворицького (рис. 3).

Рис. 3. Ізоклінне поле отримане поляризаційно-оптичним методом

Дослідження напружено-деформованого стану конструкції "насип - труба - основа" виконували поляризаційно-оптичним методом. Встановлено, що результати експериментальних досліджень, з моделюванням одновічкової круглої труби, адекватні теоретичним дослідженням і числовому моделюванню та вказують на значний вплив труби на перерозподіл напружено-деформованого стану ґрунтового масиву навколо неї на відстань від контуру труби довжиною, яка приблизно дорівнює діаметру труби.

Математичне моделювання виконували на основі отриманої математичної моделі (8). Було виконано серію розрахунків дослідження роботи конструкції "насип - труба - основа".

Розрахунки виконували у програмі Mathcad.

Було виконано дослідження впливу жорсткості основи системи та наявності фундаменту, а також впливу обхвату труби спланованим ложем або фундаментом, також розрахунки велись для таких вихідних даних: а) з врахуванням зовнішнього навантаження - НК-80 і НК-100 та без нього; б) ґрунт основи: супісок, суглинок; в) ґрунт засипки: пісок, супісок, суглинок та їх варіація; г) труба із залізобетонним фундаментом та без нього; д) діаметр труби, м: 0,75; 1,00; 1,25; 1,50; е) висота засипки (насипу), м: 0,50; 1,00; 1,50; 1,75; 2,00; 2,50; 5,00; 6,00; 10,00; 12,00.

Деякі характерні результати розрахунків наведені на рис. 4-7.

Рис. 4. Залежність згинального моменту від модуля деформації основи та радіуса труби при жорсткій основі

Рис. 5. Залежність згинального моменту від модуля деформації основи та радіуса труби при нежорсткій основі



Рис. 6. Залежність згинальних моментів від висоти насипу та кута обхвату при жорсткій основі

Рис. 7. Залежність згинальних моментів від висоти насипу та кута обхвату при нежорсткій основі

За результатами розрахунків встановлено: що раціональним кутом обхвату труби при нежорсткій основі є кут 180 в незалежності від висоти насипу і діаметра труби. При жорсткій основі раціональним є кут обхвату близький до 90 і при цьому ґрунт засипки немає значення; при одній і тій же висоті засипки труби з меншим діаметром знаходяться у кращому НДС (всі компоненти менші) порівняно із трубами більших діаметрів. Наприклад, для супіску напруження на трубу діаметром 0,75 м без врахування навантаження складає 2,33 тс/м², а для діаметра - 1,5 м - 3,29 тс/м²; при нежорсткій основі зусилля в трубі залежать від її діаметра і зростають з його збільшенням (зростання не пропорційне), при жорсткій основі зусилля змінюються різкіше, але значення їх менші ніж при нежорсткій основі.

Наступним етапом роботи було виконання числового моделювання на основі методу скінчених елементів (МСЕ), що дозволило отримати достатньо близькі до аналітичних чисельні рішення розподілу напружень під дією розподілених і зосереджених сил без виведення аналітичних залежностей.

У роботі було виконано аналіз та обґрунтування граничних умов та форми і кількості елементів дискретизації розрахункової області на основі розрахунків на тестових задачах, зокрема для розрахунку зусиль від зовнішнього навантаження використовували задачу Фламана.

Для розрахунку були прийняті прямокутні елементи з розміром сторін 10Ч10 см для плоскої моделі.

Результати проведених за МСЕ розрахунків добре узгоджуються з результатами моделювання на фотопружних моделях. Як відмічалось раніше, поляризаційно-оптичний метод вимірювання напружень, внаслідок складності одержання умов подібності, дає тільки якісну характеристику силових полів навколо отворів, але отримані фотографії (рис. 8 а) і отримані ізолінії напружень (рис. 8 б) дають однакову якісну картину, що служить одним із факторів підтвердження адекватності запропонованої моделі розрахунку конструкції "насип - труба - основа".

Рис. 8. Результати а) отримані поляризаційно-оптичним методом; б) за допомогою МСЕ (напруження у₁ у суглинку, висота засипки труби 10 м, діаметр труби 1,50 м)

Перевірку адекватності розробленої математичної моделі виконували порівнянням результатів розрахунків та відомих результатів експериментів на натурних моделях (рис. 9-12).

Рис. 9. Залежність тиску ґрунту від зміни навантаження в перерізі 0°

Рис. 10. Залежність тиску ґрунту від зміни навантаження в перерізі 30°

Рис. 11. Залежність тиску ґрунту від зміни навантаження в перерізі 45°

Рис. 12. Залежність тиску ґрунту від зміни навантаження в перерізі 60°

Коефіцієнт кореляції тиску ґрунту за розрахунками в порівнянні з експериментальними даними отриманими Р.І. Бергеном, М.І. Фроловим і Ю.А. Тевелевим склав 0,99 для перерізів від 0° до 60°, а для перерізу 90° - 0,96.

Четвертий розділ присвячений розробці рекомендацій з практичного використання результатів дослідження.

За тематикою дисертаційної роботи в період протягом 10 років було виконано дві держбюджетних і дві госпдоговірних тем, результати яких були направлені на удосконалення роботи водопропускних труб як на конкретних об'єктах, так і їх роботи в цілому.

Одним із напрямків останніх років була робота над удосконаленням нормативної бази дорожньої галузі. Тому певні результати наукових досліджень лягли в основу галузевого документу Р В.2.3-218-02070915-736:2008 "Рекомендації з оптимізації системи “насип - водопропускна труба - основа”. Ці рекомендації призначені для розрахунку зусиль, які діють у конструкції "насип - труба - основа", вибору раціональних технологічних рішень (на основі аналізу напружено-деформованого стану) при проектуванні і будівництві (перебудові) залізобетонних збірних або монолітних водопропускних труб з метою оптимізації (зменшення напружень і деформацій, кращий перерозподіл навантажень на трубу тощо) роботи цієї конструкції.

У роботі удосконалено метод проектування круглих залізобетонних водопропускних труб на автомобільних дорогах та, на його основі, розроблено відповідну методику.

Вихідними даними для розрахунку є: категорія автомобільної дороги в насипу якої запроектовано водопропускну трубу (відповідно нормативне зовнішнє навантаження); висота насипу; вид ґрунту насипу й основи; тип фундаменту або його відсутність; діаметр труби та інші характеристики труби (товщина стінки, довжина ланки тощо); коефіцієнти надійності по навантаженню згідно з нормативними документами.

За методикою, згідно з вихідними даними розраховують допоміжні коефіцієнти і величини, потім, за розробленою математичною моделлю, розраховують навантаження (напруження) на трубу, зусилля в її ланках та розрахункові деформації. Порівнюють отримані значення моментів з нормативними. При перевищені отриманих результатів над нормативними, приймають рішення про покращення НДС конструкції "насип - труба - основа" шляхом заміни ґрунту обсипки, зменшення діаметра труби (з відповідними гідравлічними розрахунками її пропускної здатності) або застосування армуючих елементів у тілі насипу.

При забезпеченні міцності труби, виконують розрахунки основи.

Розроблена інженерна методика проектування круглих залізобетонних водопропускних труб з урахуванням їх конструктивних особливостей, властивостей ґрунтів насипу та зовнішнього навантаження, дозволяє раціонально розробити проект круглої залізобетонної труби з врахуванням зміни напружено-деформованого стану конструкції "насип - труба - основа", підвищити міцність конструкції та збільшити строк її експлуатації.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведене теоретичне обґрунтування і нове вирішення наукової задачі, що полягає в удосконаленні методу проектування круглих залізобетонних водопропускних труб на автомобільних дорогах на основі аналізу напружено-деформованого стану конструкції "насип - труба - основа".

1. На підставі аналізу та узагальнення методів проектування, практичного досвіду експлуатації і польових обстежень залізобетонних водопропускних труб на автомобільних дорогах встановлено: що у конструкції “насип - труба - основа” переважають деформації, які виникли від впливу ґрунтового масиву і зовнішнього навантаження; більш прогресивним напрямом розрахунку цієї конструкції є використання положень лінійно-деформованого середовища замість положень теорій граничної рівноваги; сучасні державні будівельні норми на проектування мостів і труб не в повній мірі містять розрахункові залежності для розрахунку водопропускних труб і потребують удосконалення у цій частині.

2. На основі положень лінійно-деформованого середовища розроблена математична модель процесу взаємодії круглої залізобетонної труби з ґрунтом середовища та зовнішнім навантаженням, що дає можливість встановити реальні силові фактори та оцінити напружено-деформований стан насипу, який є визначальним при розрахунку труб на міцність.

3. На підставі реалізації розробленої математичної моделі встановлено зміну напружено-деформованого стану конструкції “насип - труба - основа” при різних конструкціях водопропускних труб з моделюванням різних умов їх роботи.

4. З метою оцінки адекватності запропонованої математичної моделі проведено числове моделювання на обчислювальному комплексі SCAD, що дозволило отримати епюри головних напружень, які виникають у конструкції “насип - труба - основа” і, за якісною оцінкою, співпадають із напруженнями отриманими при експериментальних дослідженнях цієї конструкції за поляризаційно-оптичним методом.

5. Удосконалено метод проектування круглих залізобетонних водопропускних труб на автомобільних дорогах, що дозволяє враховувати: навантаження від власної ваги ґрунту при його різних видах; різні умови роботи водопропускної труби у тілі насипу (вид і товщина обсипки труби, умови обпирання тощо); дію різних видів зовнішнього навантаження.

6. На підставі запропонованого методу розроблена інженерна методика проектування круглих залізобетонних водопропускних труб з урахуванням їх конструктивних особливостей, властивостей ґрунтів насипу та зовнішнього навантаження, що дозволяє раціонально розробити проект труби з врахуванням зміни напружено-деформованого стану конструкції “насип - труба - основа”, підвищити міцність конструкції та збільшити строк її експлуатації.

Результати наукових досліджень знайшли своє впровадження на галузевому рівні у Рекомендаціях по підвищенню міцності і стійкості системи “насип - водопропускна труба - основа” та рекомендаціях Р В.2.3-218-02070915-736:2008 “Рекомендації з оптимізації системи “насип - водопропускна труба - основа”.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В РОБОТАХ

1. Чечуга О.С. Методика проектування круглих залізобетонних водопропускних труб на автомобільних дорогах // Автошляховик України. - 2010. - № 4 - С. 43-45.

2. Чечуга О.С. Необхідність внесення змін в нормативні документи з проектування водопропускних труб під насипами автомобільних доріг / О.С.Чечуга, М.П. Кузьминець // Автошляховик України. - 2009. - № 5, № 6. - С. 45-48. С. 40-41.

3. Чечуга О.С. Розрахунок зусиль в системі "насип - водопропускна труба - основа" на основі теорії пружності / О.С. Чечуга // Автомобільні дороги та дорожнє будівництво. - 2008. - Вип. 74. - С. 101-106.

4. Чечуга О.С. Методи регулювання водно-теплового режиму за допомогою геосинтетиків / В.Я. Савенко, В.В. Петрович, О.С. Чечуга // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. - 2004. - Вип. 68. - С.247-250.

АНОТАЦІЇ

Чечуга О. С. Удосконалення методу проектування круглих водопропускних труб на автомобільних дорогах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.11 - автомобільні шляхи та аеродроми. - Національний транспортний університет, Київ, 2010.

Проведений аналіз умов роботи та деформацій круглих залізобетонних водопропускних труб на автомобільних дорогах.

У дисертації наведене теоретичне обґрунтування і нове вирішення наукової задачі, що полягає в удосконаленні методу проектування круглих залізобетонних водопропускних труб на автомобільних дорогах на основі застосування при розрахунках положень теорії пружності та аналізу напружено-деформованого стану конструкції "насип - труба - основа".

Встановлено, що сучасні державні будівельні норми на проектування мостів і труб не в повній мірі містять розрахункові залежності для розрахунку водопропускних труб під насипами автомобільних доріг і потребують удосконалення у цій частині. У роботі отримано рішення, що базується на точних розв'язках теорії пружності, для визначення зусиль від зовнішнього навантаження і дії власної ваги ґрунту.

Обґрунтована та розроблена математична модель розрахунку зусиль в конструкції "насип - труба - основа" на основі положень теорії пружності, що дозволяє визначати, окрім сил, що діють на водопропускну трубу, ще й зусилля в елементах труби і її переміщення.

Виконано експериментальне, математичне та числове моделювання конструкції "насип - труба - основа", яке свідчить про співпадіння результатів розрахунків, що дозволило розробити низку інженерних пропозицій для покращення напружено-деформованого стану і умов роботи конструкції.

Розроблено методику розрахунку круглих залізобетонних водопропускних труб на автомобільних дорогах з урахуванням їх конструктивних особливостей та інженерно-геологічних і ґрунтових умов.

Ключові слова: автомобільна дорога, водопропускна труба, деформація, напруження, переміщення, граничний стан.

Чечуга А. С. Усовершенствование метода проектирования круглых водопропускных труб на автомобильных дорогах. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.11 - автомобильные дороги и аэродромы. - Национальный транспортный университет, Киев, 2010.

Опыт эксплуатации водопропускных труб и результаты проведенных полевых обследований свидетельствуют о большом количестве их деформаций, установлено, что на трубах преобладают деформации, которые возникли от силового воздействия грунтового массива и внешней нагрузки. Наблюдается следующая тенденция: количество трещин увеличивается от краев трубы к ее середине, при увеличении диаметра трубы и на постоянных водотоках; раскрытие трещин может достигать 10 мм, а проседание отдельных звеньев трубы 1/25 высоты насыпи. При этом нарушаются условия пропуска воды и значительно возрастают эксплуатационные расходы на содержание труб и дорожной конструкции вцелом. Учитывая, что водопропускные трубы являются самым массовым видом искусственных сооружений на автомобильных дорогах, обеспечение нормальной и продолжительной их работы является важной и актуальной задачей.

В диссертации представлено теоретическое обоснование и новое решение научной задачи, состоящей в усовершенствовании метода проектирования круглых железобетонных водопропускных труб на автомобильных дорогах на основании применения при расчетах положений теории упругости и анализа напряженно-деформированного состояния конструкции "насыпь - труба - основание".

Установлено, что современные государственные строительные нормы на проектирование мостов и труб не в полной мере содержат расчетные зависимости для расчета водопропускных труб под насыпями автомобильных дорог и требуют совершенствования в этой части. В работе получено решение, базирующееся на точных решениях теории упругости, для определения усилий от внешней нагрузки и действия собственного веса грунта.

Рассмотрены аналитические методы определения нагрузок, действующих на водопропускные трубы, а также исследованы два подхода относительно определения напряженно-деформированного состояния подземных сооружений: на основании теории предельного равновесия сыпучей среды и на основании теории упругости.

Теоретический анализ моделей пространства и основных положений теории предельного равновесия и теории упругости показывает, что существующие расчетные схемы, базирующиеся на гипотезе сыпучего тела, не в состоянии достаточно полно описать процессы, возникающие в конструкции “насыпь - труба - основание”. Более прогрессивным направлением расчета этой конструкции является применение теории упругости, на основании которой в работе получена зависимость для определения давления на трубы от внешней нагрузки.

На основании решений М.В. Малышева для коллекторов углубленных под высокими насыпями хвостохранилищ, получены новые коэффициенты и разработана новая математическая модель работы круглых железобетонных водопропускных труб под насыпями автомобильных дорог.

Результаты экспериментальных исследований работы конструкции "насыпь - труба - основание" поляризационно-оптическим методом, с моделированием одноочковой круглой трубы, адекватные теоретическим исследованиям и числовому моделированию и указывают на значительное влияние трубы на перераспределение напряженно-деофрмованого состояния грунтового массива вокруг нее на расстояние от контура трубы длиной, примерно равной диаметру трубы.

Адекватность теоретических и экспериментальных исследований и численного моделирования позволяют при проектировании конструкции "насыпь - труба - основание" применять численное моделирование, которое наиболее доступно, с моделированием критических состояний конструкции и разработкой мер по улучшению её напряженно-деформированного состояния.

Результаты теоретических исследований, полученные в работе позволили усовершенствовать метод проектирования водопропускных труб на автомобильных дорогах, а именно: учитывать реальные (нормативные) физико-механические характеристики грунта и материала сооружения; получать усилия с учетом совместного действия грунта и внешней нагрузки; получать компоненты напряженно-деформированного состояния по всему сечению трубы.

Полученные результаты позволили разработать ряд инженерных решений, направленные на улучшение напряженно-деформированного состояния конструкции "насыпь - труба - основание".

Ключевые слова: автомобильная дорога, водопропускная труба, деформация, напряжение, перемещение, предельное состояние.

Chechuga A. The improvement of circular culverts designing method on roads. - Manuscript.

Thesis for the degree of candidate of technical sciences, specialty 05.22.11 - roads and airfields. - National Transport University, Kiev, 2010.

The analysis of working conditions and deformations of circular concrete culverts on highways is made.

The theoretical substantiation and the new solution of scientific problem consisting in improvement of a designing method of circular reinforced concrete culverts on highways on the basis of application at calculations the positions of the elasticity theory and the analysis of stress-strain state of a construction "an embankment - a culvert - the basis" are presented in dissertation.

It is established that modern state building norms on designing of bridges and pipes not fully contain calculation dependences for the calculation of culverts under highway embankments and need the improvement in this area. The decision based on exact solutions of the elasticity theory, for determining of the forces from external loads and action of a soil own weight is received in the paper.

The mathematical model of forces calculation in a construction "an embankment - a culvert - the basis" on the basis of the elasticity theory positions is proved and developed, allowing to define, except the forces acting on the culvert, also the forces in pipe elements and its movement.

The experimental, mathematical and numerical modeling of a construction "an embankment - a culvert - the basis", demonstrate the convergence of simulation results that has allowed to develop a number of engineering proposals for the improvement of the stress-strain state and system operating conditions.

The design procedure of round concrete culverts on highways taking into account their design features and engineering-geological and soil conditions is developed.

Keywords: road, culvert, strain, stress, displacement, the limit state.

Размещено на Allbest.ru

...