ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 116
Скачиваний: 0
В соответствии с зависимостью ( I I I . 5) вертикальная проекциякасательных составляющих давления по верхней четверти .перимет ра трубы будет
(Ш . 6)
т. е. существенная доля суммарной вертикальной нагрузки.
Однако характер распределения касательных давлений в значи тельной степени зависит от состояния наружной поверхности кон струкции (например, при абсолютно гладкой поверхности касатель ные составляющие давления будут отсутствовать) и физических свойств грунта (сцепления и угла внутреннего трения), поэтому нужно проверить практическую возможность реализации приведен
ной на рис. 27, в эпюры. |
|
|
|
|
|
|
Как было отмечено, интенсивность результирующих |
радиаль |
|||||
ных давлений по всему |
периметру |
гибкой |
трубы близка |
к интен |
||
сивности вертикального |
давления |
ц, |
а это |
значит, |
что |
эпюра qi |
с максимальным значением qa=i5° |
= 0,5 q реальна при |
коэффициен |
||||
те трения грунта по поверхности трубы, равным не менее 0,5. Так как применяемые для защиты металла труб различные антикорро зионные покрытия могут давать значительную шероховатость по верхности, такая величина коэффициента трения весьма вероятна.
Что касается внутренних сил сопротивления сдвигу в самом грунте, то в соответствии с теорией предельного равновесия сыпу чей среды максимально возможная интенсивность касательных со ставляющих давления может быть:
|
|
( I I I . 7) |
где |
ф — угол внутреннего трения грунта; |
|
|
с — удельное сцепление. |
|
|
Учитывая, что угол внутреннего трения для песчаных грунтов, |
|
как |
правило, больше 26,5° (tg 26,5° = 0,5), а |
в глинистых грунтах |
действуют к тому же силы сцепления, нужно |
признать, что и с точ |
|
ки зрения предельного состояния грунта эпюра касательных состав ляющих давления qt .реальна.,
Если тем не менее касательные силы давления полностью не проявятся из-за проскальзывания вертикальных элементарных призм грунта по поверхности трубы, то произойдет некоторое пере распределение напряжений внутри окружающего трубу грунтового массива и увеличение радиальных составляющих давления [9], что в конечном счете только улучшит условия работы конструкции и по этому может не учитываться.
Таким образом, схема вертикального давления грунта, принима емая в виде нагрузки, равномерно распределенной по горизонталь ной проекции поперечного сечения трубы, отвечает возможностям физического взаимодействия грунта с поверхностью сооружения.
50
Что касается интенсивности вертикального давления, то опреде лять его нужно как результат совместного действия собственного веса грунта насыпи и подвижных нагрузок.
Бели предположить, что наличие в насыпи водопропускной тру бы не отражается на характере напряженного состояния грунтово
го массива, окружающего конструкцию, |
то |
интенсивность |
верти |
|
кального давления |
от с о б с т в е н н о г о |
в е с а г р у н т а |
засыпки |
|
составит: |
|
|
|
|
|
|
|
|
( I I I . 8) |
где Y — объемный вес |
грунта засыпки (удельная сила |
веса); |
|
|
Н — высота слоя грунта засыпки от верха трубы до подошвы рельса |
или вер |
|||
ха дорожного |
покрытия. |
|
|
|
Однако экспериментально установлена |
и теоретически обоснова |
|||
на зависимость вертикального давления на трубу от ее поперечной |
||
жесткости, |
а точнее — от разницы в деформируемости |
конструкции |
и грунта, |
окружающего ее с боков. В общем случае |
давление не |
равно весу грунта над трубой, что |
может быть учтено введением |
|
к |
правой части уравнения ( I I I . 8) |
соответствующего коэффициен |
та |
С, т. е. |
|
( I I I . 9)
Исследованиями, основанными на различных расчетных моде лях грунтовой среды, установлено, что для жестких труб, попереч ные деформации которых незначительны, величина коэффициента концентрации вертикального давления С больше 1 и при опреде ленных условиях может достигать 2, а для гибких труб, и в том чис ле для гофрированных, она меньше 1,
Так, описывая полевые опыты, проведенные в 1925 г. Американ ской ассоциацией железнодорожных инженеров (AREA), А. А. Гер цог отмечает [5], что вертикальное давление на гофрированные ме таллические трубы диаметром от 0,61 до 1,22 м при высоте засыпки
10,5 м над верхом конструкции |
составляло |
немногим более 50% |
от веса столба грунта над сооружением, а |
для железо^бетонных |
|
труб в тех же условиях— около |
150%. |
|
Останавливаясь на теоретической стороне вопроса, А. А. Герцог приводит методику определения коэффициента концентрации дав ления грунта на трубы, разработанную А. Марстоном. В основу методики положена предпосылка, что разная деформируемость кон струкции и окружающих ее боковых призм грунта приводит к не равномерной осадке вышележащего грунта. Вследствие этого насту пает состояние предельного равновесия засыпки, расположенной над трубой, сопровождающееся образованием вертикальных каса тельных к сооружению плоскостей скольжения в грунте, распро страняющихся от верха конструкции до некоторого уровня равной осадки. Возникающие по плоскостям скольжения силы трения на правлены таким образом, что в жестких трубах они увеличивают, а в гибких уменьшают вертикальное давление на трубу в сравнении с величиной Я.
Применительно к жестким трубам теория давления А. Марсто- |
|
на была в дальнейшем развита в работах А. Фельми, Г. К. Клейна, |
|
Н. М. Виноградова, П. М. Зелевича |
и др. Что касается давлений на |
гибкие трубы, то рекомендации на |
этот счет, как правило, предус |
матривали коэффициент С равным 1,0.
Различные допущения и противоречия метода расчета давлений на трубы, основанного на теории предельного равновесия сыпучей среды, заставили искать другие решения этой задачи, позволяющие оценивать работу грунта в допредельной стадии.
Приведенное Г. К. Клейном [9] решение Г. Н. Савина для упру гой плоскости с круглым отверстием, подкрепленным упругой шай бой,, позволяет определять коэффициент концентрации вертикаль ного давления на трубу лри различных соотношениях модулей де формации и коэффициентов Пуассона грунта насыпи и материала помещенной в нее трубы. Однако несмотря на то, что для гибких конструкцией коэффициент С получается, как правило, меньшим 1,0, в практических расчетах рекомендуется его во всех случаях татаже принимать равным 1,0.
Такой подход к вопросу справедлив. Любые теоретические пред посылки, используемые в расчетных схемах, имеют недостатки, а тем более, когда это касается работы грунтовой среды, отличаю щейся непостоянством характеризующих ее параметров, даже при кажущихся равноценных во всех отношениях условиях. И если устанавливать превышение давления на жесткие трубы необходимо, то пользоваться данными по возможному его уменьшению для гиб ких труб не следует.
В США при проектировании гофрированных металлических во
допропускных труб [25] интенсивность вертикального давления |
при |
||
нимают |
равной 80% от уН, где у = 2 Т/м3. М. Таунсенд [32], наври- |
||
мер, считает более реальной характеристику давления, равную |
уН, |
||
где у=\,9 |
Т/мг. В Японии на основе натурных испытаний, |
прове |
|
денных при строительстве гофрированных труб на скоростной |
авто |
||
магистрали в районе Аситака, интенсивность вертикального давле ния принимают равной уН.
Исследованиями ЦНИИС Минтраисстроя, выполненными в про цессе опытно-экспериментального строительства и испытаний водо пропускных труб из волнистой стали отверстием 1,86 м под супесча ной насыпью высотой И,5 м на Северной ж. д. в 1968 г: и под на сыпью высотой 7,1 м, отсыпанной из глины, на Южной ж. д. в 1970 г., установлено, что на момент окончания земляных работ ин тенсивность давления грунта засыпки на трубу составляла 0,7 уН в обоих случаях. При меньших высотах засыпки она несколько от личалась от 0,7 уН, но не превышала уН.
Итак, экспериментально и теоретически подтверждается факт некоторого снижения вертикального давления грунта засыпки на гибкие водопропускные трубы по сравнению с весом столба грунта нащ сооружением. Однако, принимая во внимание изменчивость и в некотором отношении неопределенность вводимых в расчет физикомеханических характеристик грунта засыпки, а также погрешности
52
самих расчетных схем и трудности учета влияния технологических особенностей строительства на характер напряженного состояния и деформации системы «грунт — т,руба», интенсивность вертикально го давления на гофрированные трубы от действия собственного ве са грунта засыпки нужно принимать без учета ее снижения, т. е. в соответствии с равенством ( I I I . 8). В качестве нормативной харак теристики объемного веса грунта надо попользовать уп='1,8 Т/м3.
Помимо собственного веса грунта засыпки, металлические гоф рированные водопропускные трубы так же, как и жесткие, испыты вают воздействие в р е м е н н ы х ' п о д в и ж н ы х нагрузок. Под железнодорожными насыпями трубы рассчитывают на временную вертикальную нагрузку СК от подвижного состава, а под насыпями автомобильных и городских дорог — на колесную нагрузку НК-80. Интенсивность вертикальных давлений грунта от нормативных по движных нагрузок, а также коэффициенты перегрузки принимают в соответствии с рекомендациями СН 200-62.
При расчете гофрированных труб под насыпями железных до рог с высотой засыпки над верхом трубы менее 1 м • необходимо учитывать динамическое воздействие подвижной нагрузки на соо ружение, вводя к интенсивности давления коэффициент \+ц, кото рый на основе проведенных в 1962 г. экспериментальных исследо ваний ЦНИИС может быть принят равным 1,<1.
Что касается горизонтального воздействия грунта на гофриро ванные трубы от временных подвижных нагрузок, а также и от соб ственного веса насыпи, то вследствие значительных поперечных де формаций гибких конструкций, сопровождающихся перемещениями их стенок в сторону грунта насыпи, его надо принимать в виде пас сивного давления (упругого отпора) окружающего грунта.
В процессе производства работ по отсыпке и уплотнению грун
та насыпи в непосредственной близости от трубы на |
гибкую |
кон |
|
струкцию |
активно воздействуют с т р о и т е л ь н ы е |
н а г р у з к и, |
|
подвергая |
ее значительным поперечным деформациям |
(см. § |
12). |
Интенсивность создаваемого строительными нагрузками давления грунта при отсутствии соответствующих экспериментальных данных ориентировочно можно определить как от временных подвижных нагрузок с учетом фактического их распределения в грунте.
Воздействию горизонтального давления, возникающего, при от сыпке и уплотнении боковых призм грунта, конструкция сопротив ляется только за счет своих собственных упругих сил, поэтому при сооружении гибкой трубы нужно соблюдать технологические требо
вания, устанавливающие допустимые приближения |
транспортных |
и грунтоуплотняющик машин к конструкции, а также |
обеспечивать |
контроль и меры ограничения ее поперечных деформаций.
§10. ВЫБОР РАСЧЕТНОЙ СХЕМЫ СООРУЖЕНИЯ
ИЕЕ АНАЛИЗ
Приступая к анализу напряженно-деформированного со стояния гибкой водопропускной трубы, прежде всего на до решить вопрос о выборе расчетной модели грунта, схематически
53
описывающей механические .процессы, протекающие в окружающем конструкцию грунтовом массиве, и обусловленной взаимодействи ем сооружения с окружающей его средой.
В настоящее время наибольшей популярностью пользуются две расчетные модели грунта: модель Фусса — Винклера, часто имену емая гипотезой коэффициента постели или коэффициента упругого
отпора грунта, |
и модель упругого однородного полупространства. |
В практике |
проектирования существовал непродолжительный |
период, когда гипотеза местно-деформируемого основания Винкле ра была отвергнута и предпочтение отдано другим методам расче та. Однако многочисленные исследования работы сооружений и особенно взаимодействующих с грунтами обратной засыпки, часто не обладающими свойством неразрывности деформаций, показали, что при всей своей простоте модель коэффициента постели наилуч шим образом отражает действительные условия работы системы «конструкция — грунт».
'Принимая гипотезу Фусса — Винклера к расчету гибких водо пропускных труб, надо в расчетную схему вносить некоторые по правки, отвечающие физической природе грунта. Так, например, не обходимо учитывать однозначность упругого отпора грунта, для че го нужно исключать радиально направленные упругие связи конст рукции при проявлении в них растягивающих усилий; в дополнение к радиальным упругим связям надо вводить тангенциальные связи для учета сил трения, появляющихся на контакте грунта с конст рукцией при деформировании последней.
•Особое место должно быть уделено выбору метода расчета. Необходимость учета изменений статической схемы конструкции в процессе ее деформирования, а также разнообразие возможных конструктивных форм отверстий труб (овоидальная, арочная и т. д.) нуждаются в универсальной расчетной схеме сооружения, пригод ной для автоматизации основных вычислительных процессов с при менением ЭЦВМ. В этом отношении наиболее подходящая идеали зация расчетной схемы — это замена криволинейного очертания по перечника гофрированной трубы полигональным (рис. 28). При этом связи конструкции с грунтом могут быть представлены ради альными и тангенциальными упругими стержнями, расположенны ми в точках пересечения прямолинейных участков и имеющими эк вивалентные окружающей среде упругие свойства. Такая схема сооружения представляет собой плоскую, много раз'статически не определимую стержневую модель, для расчета которой могут быть использованы различные программы, составленные для плоских и пространственных стержневых систем и имеющиеся в распоряже нии вычислительных центров.
Аналогичные расчетные схемы в настоящее время применяют в проектировании тоннельных обделок распорного тина [33]. При использовании итерационного приема эти схемы представляют ши рокие возможности учета физически и геометрически нелинейных факторов (исключение растянутых связей конструкции с грунтом, введение пластических шарниров в стенках трубы, изменение фор-
54