АРМИРОВАННЫЕ ГРУНТОВЫЕ ПОДУШКИ КАК ОСНОВАНИЯ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ
ГИДРОМЕЛИОРАТИВНЫЙ ИНСТИТУТ
На правах
рукописи
САХАРОВА Светлана Ильинична
УДК 624.15:075.8
АРМИРОВАННЫЕ ГРУНТОВЫЕ ПОДУШКИ
КАК ОСНОВАНИЯ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ
СООРУЖЕНИЙ МЕЛИОРАТИВНЫХ
СИСТЕМ В ТОРФАХ
05.23.07 — гидротехническое и мелиоративное строительство
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
МОСКВА 1990
Работа выполнена в Московском ордена Трудового Крас­
ного Знамени гидромелиоративном институте.
Научный руководитель — кандидат технических наук, до­
цент А. М. Силкин.
Официальные оппоненты: доктор технических наук, про­
фессор Л. С. Амарян, кандидат технических наук, доцент
Г. М. Каганов.
(Ведущая организация — Роогнпроводхоз.
Защита состоится
. 1990 г. Б «
час. .по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова, д. 19, ауди­
тория 2 ^ " . ^ У-/
..J
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке инсти­
тута. Просим Вас (Принять участие в защите и на.править
Ваш отзыв по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишниковаа, 19,
МГМИ, ученый совет. Автор-оферат разослан « » . . . .
1990 г.
Ученый секретарь
специализированного сопста —
А. М. Бутко
0Б1ПАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Акуталыюсть проблемы. При строительстве сооружений иа торфах проекти­
ровщики стараются перенести сооружение так, чтобы строить на минеральном
грунте. Л если это не удается, то устраивают свайные фундаменты или идут иг
полное выторфонывание и устройство песчаной подушки трапецеидального сече­
ния, не передающей допол1штельных напряжений на торф. Однако такие подушки
требуют относительно больших объемов земляных работ, что делает их эхоном!'.чгски нецелесообразными при мощности торфа более 1,5...2,0 м. С целью уменьшения
объемов работ на кафедре «Основания и фундаменты» МГМИ была обоснована
возможность устройства и предложена методика расчета подушек с зертихальныки
боковыми гранями и шириной, равной ширине подошвы фундамента сооружения.
Такие подушки были названы подушками рационального сечения. Они экономиче­
ски целесообразны для сетевых гидротехнических сооружений при мощности торфа
в основании до 4...5 м, то есть практически во всех случаях, так как 90% болот имеюг
максимальную мощность не более 4...5 м. Однако при нагрузках от сооружения
более 60 КПа их деформации могут превышать допустимые.
Существенно С1Ц1жает деформируемость и повышает несущую способность
армирование грунта таких подушек, не приводя к замспюму увеличению стоимо­
сти. Армирование грунтовых подуш'ек позволитувеличить надежность н уменьшить
деформации основания гидротехнических сооружений мел]1оративных систем в
торфяных м.тшвах. Армированные грунтовые подушки целесообразно приме1!ять в
качестве оснований центрально нагруженных фундаментов неподпорных гидротех­
нических сооружений мелиоративных систем в торфяных грунтах (под фундамеаты
опор акведуков и мостой, ленточные фундаменты насосных станций и т.д.).
Применение оснований в виде подушек из армированного груита сдерживает
отсутствие метода расчета осадок таких подушек и определения их расчетных
деформационных характеристик.
Пелью работы является: исследование напряженно - деформированного состо­
яния армированных грунтовых подушек рационального сечения как оснований
шдротехннческих сооружений мелиоративных систем в торфяных грунтах. В задачу
входило: проанализировать существующие методы расчета несущей способности
грунтовых подушек и осадок сооружений, построенных на них; проанализировать
существующие конструкции из армированного грунта, характер их работы и имею­
щиеся методы расчета; выявить качественную картину работы армированных грун­
товых подушек рационального сечения и влияние схемы армирования (чис;;а
армирующих прослоек и их расположения в теле подушки) на несущую способность
и деформируемость подушек; на основании экспериментальных и теоретических
исследований напряженно - деформированного состояния подушек разработать
метод расчета осадок сооружений, устраивае.мых на них; выявить факторы, влияю­
щие на деформационные характеристики грунта подушек, и дать рекомендации по
назначению расчетных деформацио1гных характеристик.
Hav^^нaя новизна работы состоит в следующем:
- исстедована качественная картина напряженно-деформированного состог!ия армированных rpyirroBbix подушек рационального сечения в торфах;
- обоснована расчетная схема армированной грунтовой подушки 1?зциоиальюго сечения как основания гидротехнического сооружения, дан метод определения
)Садок сооружений, построенных на таких подушках;
- разработаны алгоритм п программа расчета осадок гидротехнических соору­
жений в торфах на армированных подушках рационального сечения (в допредель­
ном состоянии) с помощью ЭВМ;
- установлена зависимость модуля деформации грунта подушки от ее размеров
и формы;
- предложена методика расчета несущей способности грунтовых подушек в
торфах с учетом особенностей работы грунтовой подушки и окружающего ее торфа.
Практическая ценность. Разработана методика расчета осадок гидротехни';еских сооружений в торфах на армированных грунтовых подушках рационального
ссчеииг, а также методика определения модуля деформации грунта подушки, кото­
рая позволяет существенно повысить точность расчета осадок как ирмирован1п»х,
так и неармированных подушек. Для некоторых сочетанийдеформационных харак­
теристик грунта подушки и торфа по результатам расчетов на ЭВМ построены
графики для безмашинного расчета осадок подушек.
Рне.чрение результатов. Разработаны Рекомендации по определению дефор­
мационных характеристик и проектированию армированных грунтовых подушек
рационального сечения в торфяно.м массиве.
Апробация работы. Различныеэтапы исследований были обсуждены и получи­
ли одобрение на пяти научно-технических конферС1Щиях Московского гидромели­
оративного института (1984, 1985, 1987, 1988, 1989 гг.), результаты работы в целом
- на заседании секции инженерно-строительных изысканий Научно-технического
Совета Госстроя РСФСР (1989 г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы i
печатных работ.
Обтем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, спискг
литературы из 88 наименовании и 5 приложений. Работа представлена на 29С
страницах, ВТОМ числе 112 страниц машинописного текста, 100 рисунков, 27табли1
и 51 страница приложений.
Солепжание работы
В первой главе дан обзор существующих методов расчета грунтовых подушек
анализ работы гидротехнических сооружений, построенных на подушках, предло
жен метод расчета несущей способности подунгек.
Учитывая, что торф способен воспршшмать некоторые боковые распоры
возникающие в теле подушки, Б.И.Далматов предложил устраивать подушки обжа
того поперечного сечения. Он разработал метод расчета несущей способности таки:
подушек. Расчетные формулы выведены в предположении, что когда нагрузка с
сооружения на подушку превысит ее несущую способность, в подушке образуете!
призма обрушения. Между подушкой и торфом в ыыслетюм представлении прохо
днт бесконечно тонкая подпорная стенка высотой, рав1юй высоте призмы обруше
ния. Сползанию призмы обрушения препятствует призма выпирания торфа
Призма обрушения оказывает на «стенку» активное давление, а торф - пассивное
распределенное по гидростатическому закону. Недостатком метода, на наш взгляд
является то, что пассивное давление торфа определяется по схеме образовани
• призмы выпирания, как в минеральном грунте, в то время как при надвигани!
подпорной стенки на торф такая призма не образуется. Другим недостатком MI
считаем то, что Б.И.Далматов не дает рекомендаций по учету взвешивающег
действия грунтовой воды. С учетом взвешивающего действия воды несущая спо
Рис. 1. Расчетная схема к определению несушей способности грунтовой
подушки (плоская задача).
1 - торф,
1
-
^
о
2 - грунт подушки,
*^
3 - армирующие просиюйки,
V
Э
4 - MiiHcpxibHoe дно болота.
i, n, n+1 - номер;» участков
подушки.
V
Рис. 2. Расчетная схема армированной подушки (плоская зада
собность подушки 3 неосушенном торфяном массиве получается кичтожио малой
или даже отрицательной. Таким образом, для оснований гадротехкнчссхих соору­
жений этот расчет неприменим.
Учитываяспеш1фику деформируемости торфа, И.Н.Морарескул призму обру­
шения уподобил штампу, передающему боковой распор как нагрузку на торф. Торф
воспринимает эту нагрузку и не разрушается, благодаря сопротнилениго срезу. За
несущую способность Н.И.Морарескул принимает ту нагрузку на подушку, которая
зызывает боковое расширение ее на определенное (заданное) з!;аченке. При задан­
ном боковом расширения система «подушка - торф», как правило, еще не теряет
свою несущую способность. Кроме того, Н.Н.Ь{орарескул рассматривал только
«низкие» подушки, у которых призма сползает в нк-дний угол поду!;1к:1. У «зьтсоких»
подушек плоскость сползания BuxqjirHa боковую грань. 3 этом случае иссуиия
способность подушки, определенная по методике Н.К.Морарескула, получается
неправдоподобно малой.
Мы считаем, что д^тя оценки несущей способност:;; торфа нравнльнег принят:,
не предельное сопротивление торфа сдвигу г, а несущую слособ1!ость торфа по
формуле, обоснованной СС.Корчуновым
где Р- несущая способность торфя1юй залежи; А - сопротивление торфа при
сх(атии; В - сопротивленце торфа срезу по периметру п нагруженной площадк]! F площадь нагруженной площадки.
Рассматривая в плоской задаче равновесие призмы обрушения ЛВС (pnc.i),
получаем формулу для определения несущей способности подушки:
Рп " 1/Ь К К tii^P + / fg? -V 2В)1(1ф - tspn> -т-п
Гф1,
(2)
где.'^^Л (M-cJl^'pn, I = А (k^c) + 2Btg^n; т-'уз^с; n = (b+€fyn/2.
Наиболее опасное положение n^iocKOCTii сползания АС, которое определяет
несущую способность подушки, находят решением квадратного уравнения
G?g'V -^ Dtg^
^ J " 0.
(3)
где G--" К- п; D " -ЗГ8фп(К-п);
J - -г. lg'<Pn -11£фп - 2 3 ,
Ана10гичным образом выведены формулы для определения несущей способ­
ности осесимметричных подушек. Результаты расчета по предлагаемой методике i:
сравнение нх с экспериментальными данными позволяют сделать вывод, что подуаки обладают значительной несущей способностью при сравнительно большой дгформируемости. Поэтому определяющим расчетом грунтозых подущ'ех з торфах
является расчет по деформаш1ям.
Одним из наиболее перспективных путей уменьшения деформируемости по­
душек и повышения надежности работы сооружений па подушках является, на наш
взгляд, армирование грунта подушек.
Во второй главе рассмот1кны вопрсхы улучшения свойств грунтов армнрованнем. Улучшение свойств грунтов различными видами арматуры (из полосовой
стали, полимерных сеток, геотекстиля и т.д.) - новое направление, нплучипшее
распространение в практике строительства (в основном зарубежной) в последние
десятилетия. Название это направление получило в работах Л.Видаля, но результа­
там которых был официально признан и запатентован новьн! вид материала «армированный грунт». Армированный грунт находит применение в подпорных
стенах, дамбах, плотинах, автомобильных дорогах на слабых грунтах, и основаниях
фун.дамент01; гидро1ехнических и других сооружений. Анализ литературы но воп­
росу армирования грунтовых оснований показывает, что исс^тедования вы11о;П1ялксь, в ооювиом, на мелкоразмерных моделях, не учитывали всего ко.мплекса
факторов, влияющих на несущую способность и деформируемость основания. В
литературе отсутствуют рекомендации но расчету осадок ар.мированных оснований
с числом простоек ар.матуры более !, а также осадок подушек pamuiiuun.noro
сечения с длиной армнруюи;их элементов рашюй ширине подошвы фундамента.
Поэто.чу для (Нфсделения осадок сооружений на армированных i рунтовых подуш­
ках рационального сечения а торфах необходимо разработать снециальиын метод
расчета осадок и назначения расчетнь1х дефор.мационных харак|ерисгик, коюрый
учигызал бы специфику работы подушки, армирующих прослоек и окружающего
торфа. Так как торф существенно отличается посвои.мфизико-механически.м свой­
ствам от минеральных грунтов, имеющиеся в литературе даннь1е об арми[)ованных
основаниях нельзя механически переносить на армированные грунювые подушки
в торфах. Для изучения дефорьшруемости, несущей способное! и и напряжен но-де­
формированного состояния армированных фунтовых подушек «торфах необходи­
мо провести специальные исследования.
Вч:)етьсй г.т.тве описываются лабораторные исстедованим армированных по­
душек рационального сечения,которые проводились с целью изучения качествен­
ной карпшы нанряжетю-дефор.чирозанного сосгояния таких подушек, в.тияния
схемы армирования (чиста армирующих нростоек и их расположения втелеподун]ки) на несущую способность и деформируемость подушек, а также с целью изучения
влиянии жесткости основания, подстилающего подушку, на работу подушки; дано
описание качестветнюй картины напряженною состояния подушек, полученной
методом фотоупругости.
Исследования моделей армированных песчаных подушек проводились па спе­
циальном стенде с лотком из орггтекла. Раз.меры лотка 6I>UIH выбраны из условия
рассмотретшя плоской задачи так, чтобы влияние боковых стенок на напряженнодефор.мирозапное состояние- подушки и окружающего ее торфа бьию мшшмальпым. Длина лотка составляет 54 см; высота - 70 см; ширтша - 20 см. Для выявления
влияния жесткости основания, подстьитающет'о подушку, на картину ее деформиру­
емости часть опытов была проведена в лотке, имеющем размеры; д-тина - SO ем;
ширина - 20 см; высота - 30 см. В этих опытах подушка опиралась на жесткое дно
лотка, в остальном методика зкспериментов в обоих лотках одинакова. Но UTiipinje
лотки разделены на две камеры: в одном номсщаетса испытуемая модель, другая
заполнена водой, которая подпитывает модель, имитируя грунтовые воды. Лоток
размещается на металлическом столе с нагрузочной системой, позволяющей пере­
давать на модель подушки нагрузку ступенями, начиная с 0,01 МПа, через жесткий
штамп размером 10 х 10 см, который соединяегся с наг-рузочной системой. Модели
подутнек имели стедующие размеры: площадь принималась равной площади штам­
па - 10X 10см, а высота подушек-30см. Грунт подушек-песок средней крупности.
Для наблюдепня за деформациями в грунте подушки и в торфе у передней стенки
лотка устраивали цветную сетку с размерами ячеек 2 х 2 см в песке - из чертюго
глинистот грунта, измельченного в порошок, в торфе - из мелкото белого песка.
Для уменьшения трения песка н торфа о стенки лотка стенки смазыпал:) машинным
маслом. Для изготовления модели применяли осоковый низинный торф карушеимон структуры со степенью разложения Ddfn 25% ; зольностью ,4 = !!,07%,;
влажностью ш = 560%; плотностью частиц ps = !,55 г/с . В качестве арматуры
использовали тонкую хлопчатобумажную сетку, имеющую размерив плане 10х 10
см. Плотность сухого укладываемого песка подушки доводили как MHiuiMyi.! до pj
- !,6 г/см, что соответствует требованиям, предъявляемым х плотности грунта
подушек п основании реальных сооружений. Загружение моделей осушесталяли
степенями по 10...20 КПа. Каждую постедующуго ступень нагрузки прикладывали
через 1...2 суток. Осадки штампа замеряли прогибомером ЛИСИ с ценой деления
0,01 мм. Общую картину деформирования подушхк скнм.^ли на кальку -! &:0тофафмровали.
Лабораторными нсс1едпваниями подушек с числом npoaiocx арматуры п •*!,
2, 3, 5 установлено, что деформируемость и несущая способность армиро!!аи1!ых
пояун!ек сущсстисгню зависит от числа армирующих прослоек: чем больше просгоек арматуры, тем меньше деформируемость и nuuie несущая с1юсоб:юсть подушки.
Однако >:ссушая способность и деформируемость подушек заиисят не только от
числа армирующих проатоек, но и от их расположения з теле подушки. Были
испытаны модели подушек с одной прослойкой арматуры, расположенной на рас­
стоянии X = 2, 4, 6, 10, 12, 15 и 22,5 см от верха подушки. Оптичаль!(ым располо­
жением прослойки арматуры как для подушки ма жестком оснпзании, так и для
полушки на сжимаемом основании, является х = 10 см (.г / 6л = I), так как з этом
случае деформации подушки наименьшие. Форма армированных подушек, кото­
рую они приобретают в процессе деформирования,также зависит от чиста армиру­
ющих прос-тоех, их расположе1шя и от величины нагрузки. При расположении
арматуры на расстоянии друг от друга х< Ь tgpn, призма обрушения не образуется.
Если проапойки арматуры расположены на расстоят1и у.> Ь tg(f>n, то формируется
бочкообразмостьн поверхностя скольжения внутри каждого участка, заключенного
между прослойками арматуры, то есть каждый участок арм1!ро11а1!1юй подуи!хи
работает как неармнрованная подушка. При этом поверхности скольжения близки
по форме к плоскости. Угол нак,10на плоскости скольжения между прослойками
арматуры равен углу наклона плоскости скольжения в неармироваш'ой подушке,
имеющей такое же отношение высоты к ширин» h„/bn, что и часть зрмирозангюй
подушки, заключенная между прослойками. Характер деформируемости подушки
и торфа на песчаном основании аналогачек характеру их деформируемости ка
жестко.м основании. В армированных подушках, как и в неармированных, на грани­
це песка подушки и торфа не происходит разрывов и сдвигов их относительно друг
друга. Даже при разрушении подушки практически симметричны относительно
вертикальной оси. Лабораторные эксперименты показ;1ли также, что армирование
ускоряет процесс стабилизации осадок.
Для выявления качествешюй картины напряженного состояния подушек были
исследованы фотоупругае модели армированной и нерамнрованной подушек раци­
онального сечения, в которых торф и песок полушки моделировхти пласти)1ами из
эпоксидной смолы. Соотношение модулей деформации песка подушки и торфа
учитывхти соотношением толшин атастииок (для торфа - 1,5 мм; для песка - 8 мм).
Арматуру моделировали перфорированной металлической фольгой. С(хтавные ча­
сти моделей ск-'1еипали зпоксидным клеем. За характеристику напряженного состо­
яния принимай систему изохром - линий максимальных касателынлх напряжений,
Нами отмечено, что наблюдается совпадение характера изохром .тля ['еармиромн-
ной подушки в целом и для каждого из участков армированной подушки, что
подтверждает вывод о тем, что каждый участок армированной подушки работает
как отдельная неармнрозаппая. подушка, для которой верхняя прослойка япляется
штампом, а нижняя - основанием. Изгаб изохром на уровне арматуры и смещение
их ближе к границе «торф-подушка» ухазмвает на уменьшение при армировании
лодушки напряжений в окружающем торфе. Внутри же самой подушки происходит
некоторая кош1ептрация напряжений. Деформируемость подушки обусловлена, в
основном, податливостью торфа, поэтому из-за снижения боковых распоров, пере­
дающихся на торф, деформации подушки уменьшаются.
?? метдертой главе дан расчет напряженно-деформированного состояния поду­
шек а условиях плоской и осесимметричной задачи, и также рекомендации по
определению деформационных характеристик грунта подушки и торфа.
Выявленная лабораторными исследованиями качественная картина работы
армированных грунтовых подушек рационального сечения в торфах дает возмож­
ность применить при расчеге |:апряженно-деформированного состояния таких подушех метод, разработа1[пый С.Г.Юрчепко для пеармированпых подушек
pa;ii:ona;;L.nG.''a сечения, считая деформации хахсдого участка подушки отдельно.
При этом приняты следуloaiue допущения:
1. Напряженно-деформированное состояние подушки и торфа рассматривает­
ся 1; с-.адии полной стабилизации;
2. Грунт подушки 1". поддерживающий ее торф деформируются линейно;
3. Сцепление между штампом и грунтом подушки, между армирующими про­
слойками и грунтом подушки, а также между грунтом подушки и минеральным дном
болота иде;!льное;
4. Трение и.меет место с обеих сторон проаюйки арматуры и обеспечивает
идеальную симметрию усилий;
5. Все растягивающие (касательные) напряжения в сечении, где расположена
арматура, воспринимаются арматурой, а сама арматура нерастяжима;
6. Усилия, нормальные к армирующей прослойке, воспринимаются как арма­
турой, так и ipyHTOM. Причем нормальные напряжения, возникающие на верхней
поверхности арматуры, равны нормальным напряжениям па нижней поверхности
арматуры;
7. Нагрузка, передаваемая прослойкой арматуры на нижележащий участок
подушки, принимается равномерно распреде-1епной;
S. При расчете деформации подушки минеральное дно болота принимаем
недес*)ормируемым;
9. Полная осадка сооружения находится как сумма осадок участков подушки,
на которые подушку делят прослойки арматуры, и осадки от сжимаемости грунтов
минерального диа, которая определяется как осадка шбкого фундамента на естест­
венном основании.
Учитывая сделанные допущения, задачу о расчете деформаций армированной
грунтовой подушки рационального сечения, устроетшй в торфяном массиве, мож­
но рассматривать как задачу теории упругости. Таким образом, задача свелась к
расчету п +1 неармированной подушки на жестком основании при линейных зави­
симостях между напряжениями и деформациями под действием равномерно распре­
деленной нагрузки, где п - число армирующих прослоек.
Так же, как при разработке упомянутого выше метода расчета, введены безйзмеркые системы хоорднн.ат XiOjZi (рнс.2>, з которых единицей длины является
< = Ьп / 2 (половина ширины подушки), тогда высота i-ro участка подушки А,- 'hnilbn, где Am- фактическая высота i-ro участка подушки. Фактические перемедемия Ui и Vi находят умножсмием соотвсгстзуюип1х безразмерных перемещений
а Ьп 12. Так как методика расчета каждого из участков подушки одинакова.
ассматриааем расчет одно.'-о (любого) из участков. В дальнейшем индексы, обозачающие но.мер участка подушки, опускаем. Горизонтальные U и иертикальные V
еремещения заданы в виде рядов с неопределенными коэффициентами Л/ и Лу:
(4)
/'••
J->
Перемещения должны удовлетворять стедующим граничным условиям,
1. На грани[(есред (грунта подушки и торфа) перемещения равны, деформация
ро;'сходнт6ез образования разрывов и сдвигов одной среды относительно другой,
^ecTbUn (± 1,Z) = UT (ИХ) ; Vn (±1,Z) = Ут (il,Z). Индексы <-n<> и"«т» обозначают
^ответственно грунт подушки и торф.
2. Основания участков считаем недеформируемымп, а сцепление грунта по/шки и торфа с основаниями участков - идеальным. И результате при Z = О всюду
n - 0 ; U T = 0 ; V„ = 0 ; VT="O.
З.При X - О вследствие симметрии Un = 0.
А. Сцепление подошвы сооружения (фундамента) и армирующих прослоек с
lyiiTOM идеальное, тогда при Z=» h всюду U = 0.
5. На достаточно большом расстоянии от начала координат деформашт долны затухать, то есть при х -«со должно U -«О; V-»0
6. При Z = h и I X I s i Чу—Р.
7. П р и г = Ь и | х | > 1 (jy=0.
8-. При Z •= h и IX! > ! r^z " 0.
Граш1чные уатовия выполняются, если выражения перемещений Oj и К; приinibis виде:
Uj==(h-z)z%(x),
K/-z'VjW.
.x'j при \х\^1 :
!Кх) = \
<5)
\
.х-'-'
при \х\<. I.
(
I/A;2'J'2 при \х\>
<pi(x)'
//x'J*^ при IX I > /.
I.
Неопределенные козффициепты Л/и В/в выражениях перемещений (4) пол­
ают из условия минимума потенциальной энергии, приравнивая приращение
ергии работе внешних сил. После преобразований получают систему линейных
авненийдля определения коэффициентов Л/ и BJ:
2 щЛ/ + Е йЛ = о
\'
(6)
/-1
/-1
где
f^ л ,п ,2[\-^)
dUi dVi , dUi 3Ui. „ , , .
(8)
r' л гп , 2'i DVi dUi
dVi 3Ui. ^ , , ,
/.vrfi't/s;
£/ = j ' / p - / ' F i </xrfy.
Подставизв <7> выражения t//и Vj no (5) и интефяруя, получают окончатель­
ные зыражения для коэффициентов системы уравнений (6). Подставив в известные
из теории упругости зависимости напряжений от деформаций выражения псргмегцений £/ и V <4), получили формулы для расчета напряжений в любой точке
рассматриваемого участка подушки и окружающем его массиве торфа:
ах = Л(Д Л / ^ -г Д й / ^ ) + 2 G ^ :
Aci^yf ^ i ^ y f ) ^ - 2 GJz^ .
(8)
;'-!
/-I
...?£//
>i
"^
/.,
''•*
Для определения значения перемещений верхнего участка армированной по­
душки и и V зада!от N - число членов в рядах (4). Далее по формулам при числснныл
значениях коэффициентов kj; Ij; tj; Sj и принятых параметрах Р, h, En, Ет, vn, vi
подсчитывают коэффициенты системы уравнений (6). Посте решения системь;
уравнений и определения коэффициентов Aj и Bj по формулам (4) подсчитывают
безразмерные перемещения. Для перехода к размерным перемешенияи следует
безразмерные перемещения умножить на Ьп/2. Для определения значений переме­
щений второго и последующего участков подущки, заключенных между прослой-
10
;ами арматуры, расчет ведут точно также, как и для верхнего участка подушки (до
lepsoii прослойки арматуры), ио параметр Р - среднее контактное давление, переаваемое армирующей npocioiiKoii на нижележащий участок подушки, определяют
оформуле (8)яляаг как среднее контактное давление по подошве вышележащего
частка подушки плюс давление от грунта вышележащего участка подушки:
Л=
CTzi-l+}'i-iAi-i.
(9)
Определив последовательно перемещения V верха каждого из участков армиованной подушки описанным выше методом и осадку минерхчьного дна, подстнающего подушку, lu , ожидаемое значе1Н1е осадки сооружения, располагаемого на
рмированной грунтовой подушке рационального сечения, определяют как сумму
ерсмещенин:
.v= К/+Кг + ...+^'п+^+ш
(Ю)
Аналогичным образом, используя безразмерные цил1Н1дрическне системы корд1Н1ат ZiOiRi, 3 которых единицей длины является радиус подушки, получают
ормулы для расчета iiepeMeiuofHM и напряжений в осесимметрлчноп армнрованзй подушке.
Для расчета осадок отдельных участков плоской и осесиммртричной армироНН1ЫХ подушек составлена программа расчета расчета на персональном компьюреП1>АВЕЦЕС-1839.
Для определения перемещений по предлагаемой методике необходимо знать
эдули деформации грунта подушки Е„ и торфа Ег, а также коэ1}х|)ициенти боко(го расширения грунта подушки Vn и торфа vr- Модуль деформации торфа реко^ндуется определять штамповыми испытаниями, к о э ф ф и ц и е н т
VTабиломегрнческимн испытаниями образце» торфа. Коэффициент бокового расирения грунта армирова]и10м подушки Е„ реко.чендуется нршшмать как для
армированной подуи1кн (поданным С.Г.Юрчеикодля неарьшроваиних песчаных
|Дyшeкr,J= 0,495).
Определение модуля деформации грунта подушки Еп затрудняется особыми
ловями деформнровання, не соответствующими ни одному из существующих
,1ндартных способов его определения. Для неармирозанных подушек значение
I определяли ио результатам испытаний подушек в нолевых условиях и принимали
стояиным для всех подушек (из того же грунта, s том же торфяном массиве)
зависимо от нх размеров и формы. При таком подходе к назначошю модуля
формации грунта подушки £„ , для получения достоверного его значащи, размеI испытуемой подушки должны быть близки к размерам подушки под проектируым сооружением. Это делает испытания дорогостоящими, трудоемкими и не
;гда осуществимыми. Иа основе анализа результатов полевых исследований аррованных и неармирозанных песчаных подушек в торфяных грунтах мы пришли
ыводу, что для определения модуля дефор.мации грунта подушки целесообразиспользопать подушку рационального сече1Н1я под круглый штамп площадью
DO см . При этом высота подушки должна быть не менее 1,5 Ьп, чтобы устранить
тяние минерального дна и прослоек торфа с различными характеристиками иа
[юрмирусмость экспериментальной подушки. При переходе к Е„ основания релого сооружения необходимо цвести поправочные коэффициенты, учитываюе влияние на модуль деформации грунта подушки ее размеров и формы. Модуль
II
деформации грунта осесимметричной подушки рациои;ъпыюго сечения в оснозапии
С0С1ру:ксния Ег. равен;
Еп-Einzhmr/hr.,
"
(11)
л грунта подушкн, работающей в условиях плоской задачи,
lAhu
4uh,.:
где Eium -модуль деформации грунта подушки, испытанной круглым штампом
Лг. iimm- сысота подушкм 3 осноканин сооружения и подушки, испытанной штам
пом;а'=/п / Ьп.
Зависимости (iO) и (11) справедливы при отношении Лп/6/i г 1.Уподушек1
меньше;"; относительной высотой эта зависимость нами не обнаружена, ДЛИ НИ;
необходимо проводить специалы!ыеопрсде,1енияЯ/1. Сравнение модулей деформа
ЦИК грунт.1 подушки, полученных j^cncpHMCHTinbiio, с модулями деформации
определенными по предлагаемой метоликс, и результаты статистической обработк!
показали, что предлагаемая методика позволяет определить модуль деформацш
грунта г!одушки с точностью не менее 9% и повысить точность расчета осадо!
подушек рационального сечения з торфяных грунтах до 8%.
В пятой главе рассматриваются полевые иссаедования крупноразмерных мо
делей армированных грунтовых подушек рационального сечения в торфах с цельк
проверки предлагаемого метола рпсчета их деформаций. Было испытано 6 осесим
кетричныл подушек диаметром 0,80 м, высотой 2,4 м: исармированная, с 1, 2, 3, и 5 прослойками арматуры. Подушки устраивали из песка средней крупности. Пр,
устройстве подушек была достигнута плотность сухого грунта 1,66...1,78 г/см"
Контроль уг^псткенг'К грунта проводили методом радиоактивного каротажа. В ка
честве арматуры использовалн круглые в плане деревянные решетки из досо
ширинок 100 мм, толщиной 22 мм, расстояние между элементами решетки в свет
• 7,5 см. Диаметр рсшеткл равен диаметру устраиваемой подушки. Осадки штамп;
армирующих прослоек и минерального дна фиксировались с помощью специ;1льны
марок, соединенных с двумя прогибомерами каждая. Приложение нагрузок велос
ступенями по 25 КПа. За критерий условной стабилизации принята скорость осадх
штампа, не превышающая 0,1 мм за 2 часа. Опыт продолжался до исчерпани
возможностей оборудования по осадкам. Аяа^тогичным образом была испытан
подушка с одной прослойхой арматуры, работающая в условиях плоской задач!
Подуиха имела размеры: ширину -0,80 м; длину - 4,50 м; высоту - 2,4 и. В качеств
армирующей прослойки использовали решетку из досок толщиной 22 мм, ширино
120 V.V., имеющую в плане те же размеры, что и подушка.
Полезые испытания подтвердили, что армирование подушек снижает их дс
формируемость, ускоряет процесс стабилизации осадок. Раскопки поперечно!
сечения армированной подушки, работавшей в условиях плоской задачи, подтве[
дкли характер деформирования армированных подушек, выявленный в лаборатс
рии. Расчеты на ЭВМ показали, что рассеивание напряжени!! в неармированны
подушках и ка участках армированных с hni I Ъп<1 идет неопр;1вда11но быстро. Эт
противоречит теории лине!1но деформируемой среды. В этом случае мы рассматр!
ваем участок полушки как линейно деформируемый слой конечной толщины,
вертикальные нормальные напряжения, действующие на прослойку арматуры и »
12
шнеральное дно подушки рекомендуем определять по таблицам М.И.Горбукова1осадоза для определения контактных (ка границе раздела сжимаемого и иесжиаемого слоев) вертикальных нормальных напряжений Стг. При подстановке этих
апряжении в расчет деформаций по предлагаемой методике значеяия расчетных
садок подушки и отдельных ее участков совпадают с натурными. По результатам
татнстической оценки относительные отклонения рассчитанных осадок от зкспгиментальных определяются дозерите;1ьным кнтерва.лом - 0,037 5 а s 9,073 с
овернтельной Еероятностью а ~ 0,95.
8 шестой главе дан рекомендуемый порядок проектнропакия армированных
зуктовых подушек в торфах и расчет экономической эффективности.
Рекомендуется следующий порядок проектирования армированной подуски.
J. Длину /п и ширину Ьп грунтовой подушки при!шма!От равной соответственно
1иие и ширине подошвы фундамента сооружения.
2. Высоту подушки hn принимают равной разности отметок подошвы сооруения (фундамента) и минерально.'^) дка болота.
3. Расстояние между армирующими прослойками hni назначают в зависимости
г нагрузки Р, передаваемой сооружением на подуику:
Р S 60 КПа - армирование подушки не требуется:
60 КПа <Я S 80 КПа - Л„, ° Ь„:
80 КПа <Р S 150 КПа - h„r 0.75bn;
150 КПа <Р S ЗСО КПа - hnr 9,50bn:
4. Число армирующих прослоек п определяют по формуле
n^fhn/
hni)- J.
.
(13)
а затем полученное значение п округляют до ближайшего целого числа.
5. Материалом для армирующих прослоек служат деревянные решетки, котоле долговечны при расположении их под уровнем фунтовых вод. В случае распс)ження армирующих прослоек в зоне переменной влажности необходимо
)едусмотреть их обработку методом пропиточной консервации или обмазку антиптиками.
5. Расстояние между элементами решетки в плане принимают не более ширины
емента решетки. Длину и ширину армирук5щей решетки принимают раиной
ответственно длине и ширине фунтовон подушки.
6. Определяют величину ожидаемой осадки каждого из участков, на которые
мирующие прослойки делят подушку, по формулам, приведенным s четвертой
?.ве диссертации. При этом, если hni / bn< I, то среднее контактное давление по
доише участка подушки Ои опредеяляют как для линеЙ1Го деформируемого слоя
нечкой толщины (по М.И.Горбуноау-Посадову). Расчет ведут на ЭВМ по разраганной профамме или по методике безмашинного расчета.
9. Сравнивают среднее контактное давление, передаваемое подушкой на миральное дно болота, Рм.д. с расчетным сопротивлением фунта минерального дна
Л, (определенным по формуле ClfnO 2.02.01-83).
!0. При соблюдении условия Рм.д- < Лл.д.определяют ожидаемую осадку йиэальпого дна болота, рассматривая подушку как гибкий фундамент на естественч основании.
13
1!. По формуле (!0) определяют полную осадку сооружения к срапнипают ее
с предельно допустимо» для данного сооружении осадкой.
Для оценки экономической эффективности армированных грунтовых поду>
шек рационального сечения в торфах принято сопоставление прямых затрат на
устройство основания и фундамента под фундаментные балки насосной станции по
проекту, разработанному институтом Моспшроводхоз, с полным выторфовывани ем II опираниом фундамента на минеральное дно болота и прямых затрат на устрой­
ство фундамента на армированной песчаной подушке рационального сечения под
фулдаменгные балки для той же насосной станции. Затраты на устройство одного
фундамента под фундаментные балки по 5 варианту составляют 341 руб., по 2
варианту - 36 руб. Таким образом, устройство фундамента под фундаментные балки
насосной станции на армированной песчаной подушке рационального сечения в 9,4
раза дешевле, чем устройство фундамента с полным выторфовыванием и опираннем
его на минеральное дно болота.
ВЫВОДЫ
1. Показано, что фунтовые подушки находят применение в качестве оспоюннй гидротехнических сооружений на торфах. Наиболее экономичными являются
подушки рационального сечения, однако они обладают значительной деформируе­
мостью. Уменьшить деформируемость можно армированием грунта подушек. Это
подтвердили и наши исследования.Кроме того, армирование грунтовых подушек в
торфяных массивах повышает предел пропорциональной зависи.чости осадки 1юдушхк от нагрузки н уменьшает время стабилизации осадок, что увеличивает на­
дежность гидротехнического сооружения, построенного на [юдушке.
2. Предложена методика расчета несущей сгюсобности грунтовых подушек в
торфах с учетом особенностей работы грунтовой подушки и окружающего ее торфа.
3. Выявлена качественная картина напряженно-деформированного состояния
армированных грунтовых подушек рационального сечения в торфах и обоснована
расчетная схема армированной грунтовой подушки как основания гидротехниче­
ского сооружения.
4. Разработана методика расчета напряжений и деформаций в армированной
грунтовой подушке (в допредельном состоянии) с учетом схемы армирования и
формы подушки в плане <плсская и осесимметричпая задачи).
5. Составлена блок-схема алгоритма к программа расчета на ЭВМ осадок
гадротехнических сооружений в торфах на армированных грунтовых подушках
рационального сечения.
6. Разработана методика определения модуля деформации грунта подушки с
учетом ее размеров и формы, которая позволяет повысить точность расчета осадок
гидротехнических сооружений на грунтовых подушках рационального сечения до
8%. Сравнение модулей деформации грунта подушки, полученных эксперимен­
тально, с модулями деформации, определенными по предлагаемой методике, и
результаты статистической обработки показали, что предлагаемая методика расчетг
позволяет определить модуль деформации грунта подушки с точностью не менее
9%7. Для некоторых сочетаний деформационных характеристик грунта подушк!:
и торфа по результатам расчетов на ЭВМ построены графики для безмашинногс
определени!! осадок подушек и отдельных их участков, на которые прослойки
арматуры делят подушку.
14
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах;
1. Юрчемко С.Г., Сахарова С И . Лабораторные исследоаанка моделей арми­
рованных песчаных подушек рационального сечения з торфяных грунтах.//Совме­
стная работа грунтовых оснований и засипок с конструкциями гидротехнических
сооружений. М.: МГМИ, 19S5, -сЛ0...16,
2. Сахарова СМ., Пашков В.А. Исследование армированных грунтовых поду­
шек с помощью фотоупругих моделей.// Исследование, проектирование и строи­
тельство гидротехнических сооружений.М.: МГМИ, 1986, - с. I02...!0S.
3. Снлкпн A.M., Сахароза С И . Расчет несущей способности осесимметричных
грунтовых подушек з торфах.// Исследование гидротехнических соо|)ужений и
водохозяйственных комплексов. М.: МГМИ, !988, - С.92...99.
4. Сахарова С И . Рекомендации по определению деформационных характери­
стик искусственных (песчаных) грунтов и проектирование арми|)оаанных грунто­
вых подушек в торфяных массивах. М.: НПО «Стронизысхания», 1990,- 55 с.
5. Силкин A.M., Сахарова С И . Расчет несущей способности грунтовых поду­
шек в торфах.// Мелиоращ1я и водное хозяйство. 1990, N8,-с 5(., 52.
15