Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ современного состояния экспериментально-теоретической базы расчета фундаментов отдельно стоящих сооружений в лессовых грунтах 14
1.1. Виды отдельно стоящих сооружений и особенности работы их фундаментов 14
1.2. Инженерно - геологические и климатические условия района исследований 34
1.3. Существующие методы расчета фундаментов отдельно стоящих сооружений 42
1.3.1. Методы расчета круглых в плане фундаментов 42
1.3.2. Методы расчета горизонтально нагруженных отдельно стоящих опор 47
1.4. Цель, задачи и методы исследований 58
ГЛАВА 2. Исследование поведения фундаментов водо напорных башен с учетом влияния увлажне ния на деформационные свойства лессовых грунтов 61
2.1. Натурные наблюдения за осадками водонапорных башен, расположенных на лессовых грунтах 61
2.2. Экспериментальные исследования распространения влаги при замачивании лессовых грунтов в натурных условиях на опытном полигоне 70
2.3. Результаты лабораторных исследований фильтрационных и деформационных свойств увлажняемых лессовых грунтов опытного полигона 97
2.4. Теоретические исследования распределения влажности в толще увлажняемых лессовых грунтов 112
Выводы по главе 2 133
ГЛАВА 3. Деформации опор контактной сети при увлажнении лессовых грунтов в условиях го родской застройки 135
3.1. Данные натурных наблюдений за устойчивостью опор контактной сети троллейбусов 135
3.2. Результаты испытаний опор контактной сети на горизонтальную нагрузку в увлажняемых лессовых грунтах на опытном полигоне 144
3.3. К выбору расчетной схемы коэффициента бокового давления увлажняемого лессового грунта для горизонтально нагруженной опоры 154
Выводы по главе 3 169
ГЛАВА 4. Испытания горизонтально нагруженных одностоечных опор (свай) и штампов в увлажняемых лессовых грунтах при уровнях нагрузок до критического значения 171
4.1. Осадки-перемещения штампов малых размеров на увлажняемых лессовых основаниях 171
4.2. Особенности взаимодействия горизонтально нагруженных одностоечных опор (свай) с увлажняемыми лессовыми грунтами 189
4.3. Эгаора реактивного давления по боковой поверхности горизонтально нагруженной сваи в стадии предельного сопротивления грунта . 201
4.4 Эмпирические зависимости «нагрузка-осадка» на основе уравнений ползучести 215
Выводы по главе 4 226
ГЛАВА 5. Инженерные методы расчета фундаментов отдельно стоящих сооружений при изменении влажности лессовых грунтов и возможном сейсмическом воздействии 228
5.1. Расчет фундаментов водонапорных башен 228
5.2. Расчет отдельно стоящих опор и свай на горизонтальную нагрузку в увлажняемых лессовых грунтах 238
5.3 Учет сейсмического воздействия в расчетах отдельно стоящих сооружений при аварийном замачивании лессовых грунтов 255
5.4. Практическое применение результатов работы в проектировании и строительстве отдельно стоящих сооружений в условиях Узбекистана 272
Выводы по главе 5 275
Основные выводы 277
Список литературы
- Существующие методы расчета фундаментов отдельно стоящих сооружений
- Экспериментальные исследования распространения влаги при замачивании лессовых грунтов в натурных условиях на опытном полигоне
- Результаты испытаний опор контактной сети на горизонтальную нагрузку в увлажняемых лессовых грунтах на опытном полигоне
- Эгаора реактивного давления по боковой поверхности горизонтально нагруженной сваи в стадии предельного сопротивления грунта
Введение к работе
Актуальность проблемы. Лессовые грунты распространены повсеместно на территории Узбекистана. Большие толщи лессовых грунтов пролювиального генезиса встречаются в Ташкентской области, на территории Голодной, Джи-закской и Каршинской степей, Самаркандской впадины и Южно-Таджикской депрессии. В Ташкентской области, например, толщина лессовых грунтов достигает 42 м, в Самаркандской впадине -38 м, в Голодной степи - до 30 м. Про-лювиальные лессовые грунты занимают большие территории и вытянуты в широтном направлении от Самарканда до г. Акташ. Имеются также грунты эолового происхождения, характеризуемые однородным строением по толщине слоя, а также делювиальные лессовые грунты со включениями обломков коренных пород.
Основой для разработки методов расчета и проектирования фундаментов зданий и сооружений, возводимых на лессовых грунтах с учетом их просадоч-ных свойств, послужили фундаментальные работы таких ученых как М.Ю.Абелев, Ю.М.Абелев, В.П.Ананьев, А.А.Григорян, Ю.К.Зарецкий, НЛ.Денисов, В.И.Крутов, А.А.Мустафаев, В.А.Ильичев, А.К.Ларионов, Г.А.Мавлянов, Е.А.Сорочан, М.И.Смородинов, З.Г.Тер-Мартиросян и многих Других..
Вместе с тем, в существующих исследованиях недостаточное внимание уделено вопросам устойчивости и деформаций отдельно стоящих сооружений, возводимых на лессовых основаниях, с учетом изменения деформационно-прочностных свойств увлажняемых лессовых грунтов. К таким сооружениям, имеющим ограниченные по сравнению с их высотой размеры фундаментов в плане, относятся водонапорные башни, дымовые трубы, вертикальные аппараты химического производства, опоры контактной сети и линий электропередач. По аналогии с ними работают опоры мостов и путепроводов, одиночные сваи и анкера по укреплению откосов и склонов и др.
6 Анализ опытных данных строительства и эксплуатации отдельно стоящих сооружений в районах распространения лессовых грунтов Средней Азии показывает, что изменение по той или иной причине температурно-влажностного режима грунтов застроенных территорий приводит к снижению их прочностных и изменению деформационных свойств. Как следствие, это приводит в ряде случаев к значительным деформациям сооружений во времени, особенно в случаях действия горизонтальных сил и дополнительном сейсмическом воздействии.
Узбекистан относится к району с высокой сейсмичностью, что необходимо также учитывать в расчетах фундаментов отдельно стоящих сооружений в связи с особенностями их статики, в частности, с высоким расположением центра тяжести над уровнем дневной поверхности и сравнительно неглубокой заделкой фундаментной части в грунте.
Анализ состояния методов расчета, строительства и проектирования фундаментов зданий и сооружений в лессовых грунтах показывает, что проведение комплексных исследований взаимодействия фундаментов отдельно стоящих сооружений с увлажняемым лессовым основанием и разработка инженерных методов их расчета с учетом сейсмического воздействия в условиях Узбекистана является важным направлением на современном этапе развития фундамен-тостроения.
Цель и задачи работы. Основной целью диссертационной работы является разработка инженерных методов расчета фундаментов отдельно стоящих сооружений (водонапорных башен, опор контактной сети) в увлажняемых лессовых грунтах при статическом и динамическом (сейсмическом) воздействии на основе обобщения отечественного и зарубежного опыта, проведения собственных комплексных теоретических и экспериментальных исследований и натурных наблюдений за построенными сооружениями в инженерно-геологических и сейсмических условиях Узбекистана. Для выполнения вышеуказанной цели были поставлены следующие задачи теоретического и экспе-
риментального направлений:
анализ существующих экспериментальных и теоретических исследований взаимодействия фундаментов отдельно стоящих сооружений с лессовым основанием при статических нагрузках и нестационарных воздействиях и определение области собственных исследований;
анализ и обобщение инженерно-геологических условий строительства отдельно стоящих сооружений в Узбекистане;
установление закономерностей распространения влаги в лессовых грунтах Среднеазиатского региона при различных источниках замачивания на основе проведения экспериментальных и теоретических исследований и использование их в расчетных схемах взаимодействия водонапорных башен с увлажненным лессовым основанием;
изучение горизонтальных перемещений горизонтально нагруженных опор контактной сети в условиях городской застройки с целью выявления характера деформаций их на увлажняемых лессовых грунтах и выбора расчетной схемы, наиболее полно отвечающей условиям повышения влажности лессовых грунтов и сейсмического воздействия на территории Узбекистана;
анализ экспериментальных и теоретических исследований работы горизонтально нагруженных опор и свай на основаниях, обладающих свойством ползучести при увлажнении лессовых грунтов и уточнение на их основе расчетной схемы сооружения;
разработка зависимости, отражающей нелинейный характер между нагрузками, осадками и пределом прочности грунтов лессовых оснований в условиях их замачивания и сейсмического воздействия с целью использования в предлагаемых инженерных методах расчета отдельно стоящих сооружений.
Методы исследований. Для выполнения поставленных задач использовались следующие методы исследований.
Организация и проведение многолетних наблюдений за осадками водонапорных башен, деформациями и устойчивостью опор контактной сети, рас-
положенных на лессовых грунтах.
Экспериментальные исследования распределения влаги в увлажняемых лессовьж грунтах в натурных условиях на опытном полигоне и ряде опытных объектах.
Лабораторные исследования фильтрационных и деформационных свойств увлажняемых лессовых грунтов.
Проведение испытаний опор контактной сети в натурных условиях на действие горизонтальной нагрузки на опытном полигоне.
Исследования распределения влажности и распространения зона фронта смачивания в толще увлажняемых лессовых грунтов.
Исследование характера изменения эпюры критического давления на грунт по боковой поверхности горизонтально нагруженных опор.
Анализ влияния сейсмического воздействия на деформационно-прочностные характеристики лессового основания.
При выводе аналитических зависимостей в предлагаемых методах расчета использовались: методы строительной механики, закономерности механики грунтов, уравнения математической физики и вычислительные методы.
Научная новизна. Получены графики образования влажностного поля в грунтовом массиве при различных источниках увлажнения в натурных условиях. Получены аналитические методы определения распространения влажности при замачивании лессовых грунтов из различных источников замачивания, учитывающие изменение проницаемости грунтов по длине фильтрации в зависимости от насыщения пор водой, а также различные значения коэффициентов фильтрации в горизонтальном и вертикальном направлениях. Получены натурные данные осадок водонапорных башен и кренов опор контактной сети в увлажняемых лессовых грунтах. Получены зависимости, отражающие их нелинейный характер между нагрузкой и осадками. Разработаны формулы для частных случаев расчета осадок замачиваемого основания (статические и динамические нагрузки, затухающая и установившаяся ползучесть). Разработан метод
расчета осадок круглых фундаментов, учитывающий изменение влажности лессового основания в процессе эксплуатации отдельно стоящего сооружения. Разработан метод расчета горизонтально нагруженных отдельно стоящих опор по устойчивости и перемещениям в лессовых грунтах при широком диапазоне их увлажнения и действующих нагрузок с учетом снижения прочности и ползучести верхней увлажняемой зоны. Получены зависимости по определению сейсмического коэффициента условия работы увлажняемых лессовых грунтов и дана методика расчета фундаментов отдельно стоящих сооружений на сейсмическое воздействие, учитывающая зависимость прочностных характеристик грунта от величины ускорения колебания его при землетрясении и динамический коэффициент упругого сжатия.
Достоверность полученных результатов обеспечена и подтверждена: -методически правильно поставленными натурными и лабораторными экспериментами с использованием современных контрольно-измерительных приборов;
- корректностью постановки задач с использованием для их решения методов
строительной механики и механики грунтов;
-достаточно близким совпадением полученных решений с экспериментальными данными, полученными как автором диссертационной работы, так и другими исследователями;
- положительным опытом использования полученных результатов и предла
гаемых методов расчета в практике проектирования и строительства отдель
но стоящих сооружений на территории Узбекистана.
Научная значимость и практическая ценность работы заключается в том, что предложены:
метод расчета осадок круглых в плане фундаментов водонапорных башен, возводимых на лессовых грунтах, при замачивании грунтов с поверхности;
метод расчета по деформациям и устойчивости горизонтально нагруженных отдельно стоящих опор (ЛЭП, линий контактной сети) с учетом снижения
прочности и ползучести увлажняемых грунтов;
- методика расчета фундаментов отдельно стоящих сооружений на сейсмическое воздействие на основе разработанных автором статических расчетов путем введения в качестве расчетных параметров динамического коэффициента упругого сжатия грунта и сейсмического коэффициента условия работы, корректирующего изменение прочностных свойств грунта в зависимости от величины ускорения колебания грунта при землетрясении.
Личный вклад автора в решение поставленных задач. Идея представляемой диссертационной работы принадлежит лично автору. Натурные наблюдения за поведением отдельно стоящих сооружений типа водонапорных башен, опор контактной сети проводились автором периодически на протяжении 20 лет как лично, так и совместно с коллегами по работе в Самаркандском государственном архитектурно-строительном институте им. М.Улугбека. Комплексные полевые и лабораторные исследования замачивания лессовых грунтов организованы и проведены лично автором. Автор также принимал активное участие в полевых испытаниях одиночных свай и опор контактной сети на горизонтальную нагрузку совместно с коллегами. Это же относится и к разработке инженерных методов расчета фундаментов отдельно стоящих сооружений для исследуемых случаев. Все соавторские работы оговорены в тексте диссертации и представлены соответствующими публикациями.
Реализация работы. Исследования, представленные в работе, проводились в соответствии с расширенным координационным планом важнейших работ (Госстрой УзССР); координационным планом научно-исследовательских работ в области гуманитарных, естественных и технических наук, высших учебных заведений Узбекистана по проблеме «Совершенствование методов расчета и конструкций фундаментов зданий и сооружений в условиях Средней Азии»; планом научно-исследовательских работ по важнейшей тематике Министерства высшего образования Узбекистана в соответствии с проблемой «Разработать и внедрить новые и усовершенствовать существующие специаль-
11 ные конструкции и инженерные сооружения с заданными параметрами надежности, возводимые в сложных горно-геологических условиях»; планом научно-исследовательских работ Самаркандского государственного архитектурно-строительного института им. М.Улугбека. Разработанные автором рекомендации по расчетам фундаментов отдельно стоящих сооружений приняты к использованию при проектировании 9-ти водонапорных башен, одностоечных опор контактной сети, одиночных свай и анкеров в различных районах Узбекистана проектными институтами УзНИИП градостроительства и Уз гипросельст-рой (г.Самарканд), проектно-экспериментальной мастерской СамГАСИ им.М.Улугбека и др.
Апробация работы. Отдельные разделы диссертационной работы докладывались автором на «XVI научно-теоретической и технической конференции профессорско-преподавательского состава и работников предприятий НТО строй-индустрии по итогам научно-исследовательских работ» Самаркандского государственного архитектурно-строительного института им. М.Улугбека г. Самарканд, май, 1983 г.; на областном семинаре-совещании «Вопросы организации строительства в условиях Средней Азии» в Самаркандском государственном архитектурно-строительном институте им. М.Улугбека, г. Самарканд, май, 1985 г.; на областном семинаре-совещании «Повышение эффективности капитального строительства в свете решений XXVII съезда КПСС» в Самаркандском государственном архитектурно-строительном институте им. М. Улугбека, г. Самарканд, май, 1987 г.; на совместном научном семинаре кафедр "Архитектура гражданских и промышленных зданий" и "Механика грунтов, основания и фундаменты" протокол №3 от 11 ноября 2000 г. и протокол №6 от 4 марта 2004 г.; на научном семинаре кафедры «Строительное производство, основания и фундаменты» Московского государственного открытого университета от 28.01.2001г., протокол №4 и от 18 марта 2004 г., протокол №5; на шестой традиционной (первая международная) научно - практический конференции молодых ученых аспирантов и докторантов Московского государствен-
ного строительного университета,. "Строительство - формирование среды жизнедеятельности", - Москва 21-22 мая 2003 г; на заседании кафедры «Механика грунтов, основания и фундаменты», протокол №8 от 23 апреля 2004 г., Московского государственного строительного университета; на научно-техническая конференции «Опыт строительства и реконструкции зданий и сооружений на слабых грунтах», 26-27 июня 2003 года. АГТУ г. Архангельск; на международной конференции по геотехнике «Городские агломерации на оползневых территориях», г. Волгоград, 15-17 октября 2003 г.
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 14 печатных работах, в т.ч. одной монографии.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по главам, основных выводов, списка литературы, приложения и основных буквенных обозначений. Диссертация изложена на 388 стр. машинописного текста, содержит 59 таблиц, 146 рисунков и библиографию из 291 наименований.
На защиту выносятся:
результаты экспериментальных и теоретических исследований распространения влажности в толще лессовых грунтов от различных источников замачивания;
экспериментальные зависимости деформационных характеристик лессовых грунтов от влажности и времени замачивания;
аналитические зависимости модуля общей деформации лессовых грунтов от характеристик влажности;
формулы по определению фронта смачивания лессового основания при различных источниках замачивания, учитывающие изменение проницаемости грунтов по длине фильтрации в зависимости от насыщения пор водой и различные значения коэффициентов фильтрации в горизонтальном и вертикальном направлениях;
аналитические уравнения, отражающие нелинейный характер зависимости между напряжениями и деформациями;
методы определения осадок круглых в плане фундаментов водонапорных башен, а также расчета по деформациям и устойчивости отдельно стоящих опор, свай и анкеров, устраиваемых на лессовых грунтах в условиях их замачивания и сейсмического воздействия;
результаты наблюдений за деформациями отдельно стоящих сооружений в увлажняемых лессовых грунтах и сопоставление фактических значений с расчетными, определенными по предлагаемым методам.
Автор считает своим долгом поблагодарить Лауреата Государственной премии СССР, заслуженного строителя России, доктора технических наук, профессора М.Ю.Абелева - научного руководителя по кандидатской диссертации, которая явилась базой для дальнейших исследований в области расчета отдельно стоящих сооружений в увлажняемых лессовых грунтах и доктора технических наук, профессора А.С. Буслова - научного консультанта по представляемой докторской диссертации, за помощь в организации и проведении экспериментальных исследований, ценные советы по теоретическому обоснованию научного направления и проверку корректности предлагаемых авторам аналитических решений.
Существующие методы расчета фундаментов отдельно стоящих сооружений
Среднее значение удельного веса частиц грунта равняется 26,9 кН/м при крайних значениях от 26,5+27,5 кН/м3. Удельный вес скелета грунта состав-ляет в среднем 14,3 кН/м с колебаниями от 11,8+17,6 кН/м . Удельный вес грунта при естественной влажности составляет в среднем 16 кН/м3, при край-них значениях от 13+20,6 кН/м .
Пористость лессовых грунтов в г.Самарканде колеблется от 35 до 56% при среднем значении 46,9%.
Лессовые грунты рассматриваемого района отличаются сравнительно небольшой естественной влажностью равной 13,4%. Модуль деформации, полученный по результатам компрессионных испытаний, изменяется от 3,0+10,0 МПа. Его величина резко уменьшается при полном его водонасы-щении. Изменяются и другие физико-механические свойства [зо], в связи с чем необходимо учитывать эти изменения в расчетах отдельно стоящих сооружений при строительстве их на лессовых грунтах.
Узбекистан относится к районам с высокой сейсмичностью [207]. Проектирование и возведение зданий и сооружений на увлажненных (водонасы-щенных) лессовых грунтах в сейсмических районах с обеспечением их прочности, устойчивости и бесперебойной эксплуатации является одной из сложных проблем современной строительной практики. При выполнении строительных работ в зоне с повышенной сейсмичностью фунтовые условия оказывают в сильнейшей степени влияние на сейсмическую устойчивость возводимых на них зданий и сооружений. Как показывает практика строительства, особенно опасными в этом отношении являются водонасыщенные лессовидные грунты, залегающие в основании сооружений и характеризующиеся остаточными деформациями, вызываемыми землетрясениями.
Нарушение динамической устойчивости увлажненных лессов в значительной степени зависят от прочности внутренних связей и физико-механических процессов, протекающих в подобных грунтах при воздействии на них сотрясений [207]. Анализ последствий землетрясений показывает, что при строительст ве различных сооружений на слабых водонасыщенных грунтах игнорирование перехода их в динамически возбужденное состояние под воздействием землетрясений, неизбежно приводит к деформации зданий в виде полного нарушения, крена и даже опрокидывания [188,202,207,215,223,232,263,268].
В связи с особенностями расчетов фундаментов отдельно стоящих сооружений, имеющих различное заглубление Нз в увлажняемых лессовых грунтах, рассмотрим методы расчета круглых в плане фундаментов водонапорных TJ башен с относительным заглублением — 1 и фундаментов опор контактной IT сети, отдельных свай и анкеров с —i 1, где D - диаметр фундамента. Такое разделение вызвано различной степенью влияния бокового сопротивления грунта "узких" и "широких" в плане фундаментов на их общую устойчивость и деформации.
Расчет фундаментов, в настоящее время, производится с использованием моделей упругого полупространства и коэффициента постели. Для расчета осадок фундаментов используются решения, полученные И. Буссинеском, К Тере-завой, А. Лявом, СП. Тимошенко, К.Е. Егоровым, В.М. Абрамовым, И.Я. Шта-ерманом, М.Н. Гольдштейном, Л.А. Галиным, Ю.К. Зарецким и др. исследователями.
Все эти работы были решены для случая отсутствия сил трения между круглым жестким штампов и основанием. А.Ляв [171] впервые рассмотрел случай, когда давление передается на полупространство по площади круга, при этом он использовал решения И. Буссинеска. Решение для случая загрузки жесткого круглого фундамента при внецентрение приложенной силе было получено К.Е. Егоровым [100] и В.М. Абрамовым [8]. К.Е. Егоровым были получены формулы по определение вертикальных перемещений в однородном полупространстве в основании круглого жесткого штампа. В.М.Абрамов, используя метод интегральных преобразований и используя метод разложения Ханке-ля получил решение при внецентрованном загружении круглого жесткого штампа.
Этот метод был в дальнейшем использован другими исследователями для решения задачи о распределении контактных напряжений в основании круглых штампов. Л.А.Галин рассмотрел задачи о распределении напряжений и деформаций в основании, которое рассмотрено им как упругое тело. Решение получено и для случая, если давление приложено на поверхности упругого тела за круглым штампом.
И.Я. Штаерман получил решение о распределении контактных напряжений в основании круглого штампа для случая, когда край круглого штампа по периметру имеет небольшую кривизну [273].
К.Е. Егоров и его ученики попытались оценить влияние трения между подошвой круглого штампа и основанием. Считается, что в этом случае штамп и основание жестко связаны. В работе Р.Д. Миндлина решена задача, когда под штампом известны перемещения поверхности основания, а вне штампа на поверхности упругого полупространства напряжения равны нулю.
В.А. Флорин [265] решил плоскую задачу вдавливания штампа в упругое полупространство с учетом касательных напряжений.
К.Е.Егоров [100] считает, что все существующие формулы определения осадок фундаментов можно разделить на три группы.
К первой группе относятся формулы, которые были получены на основе произвольных упрощающих предпосылок о распределении в грунтовом массиве вертикальных напряжений по глубине. К этим методам относятся: метод эквивалентного слоя Н.А. Цытовича, метод углового уменьшения (рассеивания) напряжений, метод Б.И. Далматова и др.
Экспериментальные исследования распространения влаги при замачивании лессовых грунтов в натурных условиях на опытном полигоне
Ниже суглинков залегает супесь палевого и серо-палевого цвета, макропористая при толщине слоя до 4 м. Этот слой, хотя и выдержан по простиранию, однако в этом слое встречаются прослойки суглинков толщиной 0,8 - -1, м. Начиная с глубины 12+14 м, толща супесей и суглинков подстилается дресвой из изверженных пород с суглинистым заполнителем. Исследованная и пройденная толщина слоя дресвы 3,3 м.
При проведении натурных экспериментальных исследований на месте двух опытных котлованов и экспериментальной площадки были вырыты дополнительно три шурфа на глубину до 5,3 м, сечением 1,6x1,6 м. Из стенок этих шурфов через 0,5 м были отобраны образцы лессового грунта в виде монолитов с размерами 200x200x200 мм. По этим монолитам в лабораторных условиях определялись физико-механические свойства грунтов основания. Физические свойства исследованных образцов грунтов приведены в (табл.8 приложения).
Для исследованных образцов грунтов было установлено, что для боль-шинства из них характерны следующие физические свойства: ps=2,69 г/см . / =1,52 г/см3. =1,41 г/см3. Пористость 45 + 50%. е=0,8+1,05.Степень влажности Sr=0,14+0,65. WL=0,27+0,29. Wp=0,191 + 0,201. Число пластичности от 1р=0,0б5+0,113. Коэффициент водонасыщения 0,20+0,63.
Согласно данным лабораторных исследований грунты характеризуются коэффициентом сжимаемости 0,08 МПа"1. Величина относительной проса-дочности при вертикальном давлении р=0,4 МПа составила - =0,04+0,07. По результатом исследований образцов грунтов, отобранных с глубин 2+5 м в компрессионных приборах по методике «двух кривых» было установлено, что для исследованных лёссовых суглинков величина начального давления равна 0,05 МПа (0,5 кгс/см ). Величина относительной просадочности в большинстве исследованных образцов мало изменялась при вертикальных давлениях, равных 0,1; 0,2; 0,3 и 0,4 МПа.
Исследования прочностных характеристик образцов лёссовых грунтов, отобранных с глубин 1,5- 5,0 м, на приборах одноплоскостного среза кон-струкции Гидропроекта (площадь образца 40 см , высота образца 30 мм) по методике быстрого сдвига (5+6 минут) показали, что параметры прочности просадочных лессовых грунтов - сцепление и угол внутреннего трения — являются однозначными функциями влажности (табл.13, табл.14 и Рис.9 ч-17 приложения). Как видно из (табл.13, табл.14 и Рис.9 17 приложения), значения силы сцепления и угол внутреннего трения грунта с увеличением влажности падают. Для маловлажных лёссовых грунтов основания экспериментальных площадок и опытных котлованов угол внутреннего трения р=21 +28, а с =0,02+0,05 МПа. После предварительного водонасыщения прочностные характеристики этих же грунтов, установленные по той же методике, оказались равными угол внутреннего трения # =14+19, а сцепление с=0,015 +0,028 МПа.
Исследования фильтрационных свойств образцов лёссовых грунтов с глубин 1,5+5,5 м показали, что значения коэффициента фильтрации остается практически постоянным. Исследования проводились при постоянном напоре, при котором градиент напора был равен 2,5 +4,5. При таких напорах не наблюдалось выноса частиц и солей из образцов грунта. Опыты проводились с трехкратной повторностью. В опытах значение коэффициента фильтрации при движении воды в вертикальном направлении оказалось в 7+12 раз больше по сравнению с величинами коэффициента фильтрации этих же лёссовых грунтов при движении воды в горизонтальном направлении. Такая разница в значениях коэффициента фильтрации лёссовых грунтов, отобранных из основания опытных котлованов и экспериментальных площадок, в вертикальном и в горизонтальном направлениях определяется наличием вертикальных макропор с диаметром до 1,5 мм.
Для определения изменения влажности во времени были отрыты два опытных котлована с размерами в плане 15x20 м и 13x16 м. Глубина котлованов была принята 1,2 м. До начала экспериментов в каждом котловане была пробурена геотехническая скважина на глубину 13+14 м (до слоя дресвы) и через каждый метр по глубине скважины были отобраны образцы с ненарушенной структурой, которые были тщательно запарафинированы и дос тавлены в лабораторию для исследования физических, механических и фильтрационных свойств грунтов основания. Затем скважина тампонировалась местным лёссовым грунтом с послойным уплотнением при толщине слоя уплотнения 60 " "80 см.
Дно опытных котлованов было покрыто слоем крупнозернистого песка с содержанием гравия до 25%. Этот слой устраивался для того, чтобы предупредить заиливание и размывание верхнего слоя лёссовидных суглинков. Котлованы заливали водой (водопроводной) и поддерживали уровень воды в котловане равный 80 см в течение 4 " 5 суток. После этого вода из котлована откачивалась двумя электрическими насосами ("Андижанец"). Приемная труба насоса была размещена в специально устроенных зумпфах, которые представляли собой колодцы с размерами в плане 80x80 см и глубиной 80-100 см, в которых была помещена приемная труба насоса. Эта труба засыпалась среднезернистым и крупнозернистым песком. Зумпфы были устроены в двух углах опытных котлованов, расположенных по диагонали. Зумпфы были сделаны для того, чтобы при откачке воды из котлована в результате развития гидродинамических давлений не произошло разрушение природной структуры верхнего слоя лёссовидных суглинков.
После откачки воды насосами из двух зумпфов в котловане отрывался шурф на глубину до 5 м с размерами в плане 1,4x1,4 м, глубиной до 5 м. После отрывки шурфа отбирались образцы лёссовых суглинков из стенок зумпфа и определялась влажность грунтов на различной глубине. Затем шурф засыпался местным лёссовым суглинком, который уплотнялся при толщине слоя 25 см ручными трамбовками. После того, как весь шурф был заполнен местным лёссовым грунтов с уплотнением и было определено распределение влажности в лёссовых грунтах по глубине основания котлован снова заполнялся вода при толщине слоя воды 80 см. Чтобы поддерживать этот уровень, вода систематически подливалась в котлован из водопроводной трубы..
Результаты испытаний опор контактной сети на горизонтальную нагрузку в увлажняемых лессовых грунтах на опытном полигоне
Экспериментальная площадка располагалась на территории учебного полигона Самаркандского архитектурно-строительного института. .Цитологический разрез площадки представлен с поверхности растительным слоем мощностью 0,3 -г 0,6 м, ниже, до глубины 9м (в некоторых площадках на глубину до 7,9 м) залегают суглинки палевого цвета макропористые маловлажные твердой консистенции.
При подготовке опытной площадки верхний растительный слой снимался до обнаружения кровли глинистых грунтов, физико-механические характеристики которых, определенные по монолитам, отобранным из двух шурфов и двух скважин, приведены в табл.20 приложения.
Для проведения экспериментов на полигон было привезено с КСМК «Самарканд химстрой» две железобетонные опоры контактной сети троллейбусов длиной 12 м, диаметром в нижней части 50 см, в верхней части 30 см.
Исследования проводились на опорах, оборудованных месдозами, позволяющими замерять нормальные контактные давления по передним и задним граням опор (Рис.3.3). Месдозы, имели размер диаметра 70,7 мм (см. рис.3.3). Датчики измерения контактных давлений диаметром 70,7 мм монтировались на опоре в 4-х уровнях. Распаечная коробка, расположенная в верхней части опоры, служила для вывода проводов от месдоз.
Соединение тензодатчиков сопротивления в месдозах производилось по схеме парной коммутации. Автоматический измеритель деформаций АИД- в комплекте со 100-позиционным переключателем типа АП-2, применяемый при коммутации тензорезисторных полумостов, использовался в качестве вторичной тензометрической аппаратуры.
Основная цель испытаний - определение крена опор и их несущей способности в зависимости от величины горизонтальной нагрузки и степени увлажнения грунта основания.
В процессе экспериментальных исследований горизонтальное усилие на опоры создавалось при помощи стягивающего троса, к которому подвешивался груз (рис.3.За). Такая схема работы наиболее соответствует натурным условиям. Загружение проводилось путем заполнения бака водой ступенями по 1.0 кН до величины 10 кН. Каждая ступень выдерживалась до стабилизации. Деформации опоры измерялись в двух уровнях: у поверхности грунт на высоте 30 см и на высоте 300 см. Для определения влажности грунта в процессе замачивания проводился регулярный отбор проб (рис.3.4).
Ниже дневной поверхности проводились измерения бокового давления грунта на опору при помощи установленных на опоре месдоз. Результаты натурных измерений представлены в табл.3.4. Анализ показывает, что зависимость деформаций опоры от нагрузки носит нелинейный характер (рис.3.5). В связи с этим при построении теоретических зависимостей необходимо учитывать имеющуюся нелинейную зависимость / = Ф(Р). Эпюра боковых давлений грунта на опору видоизменяется при увеличении нагрузки, переходя от вогнутой в выпуклую при нагрузках близки к критическим. Это говорит о том, что в процессе увеличения нагрузки на опору в верхней зоне развиваются пластические деформации.
В связи с тем, что деформации ствола самой опоры можно пренебречь из-за большой жесткости, горизонтальные перемещения опоры ниже дневной поверхности могут быть найдены геометрическим путем по перемещениям наземной части. Тогда используя известную зависимость Винклера: ру=- с-х, (3.1) можно найти величины коэффициента постели с по глубине у. Здесь ру - реакция грунта; х - горизонтальные перемещения. Полученные значения с даны в табл.3.5.
Анализ показывает, что при начальной стадии загружения опоры коэффициент постели практически постоянный по глубине опоры. С увеличением нагрузки в верхней зоне значения коэффициента постели снижаются в связи с образованием пластических деформаций, а по глубине он изменяется по криволинейному закону. Эти результаты хорошо согласуются с данными исследований ряда авторов [32,167,133].
Поскольку в процессе экспериментальных исследований испытывались попарно две опоры одинаковой нагрузкой, то для изучения влияния на деформации опоры влажности грунтов проводилось опытное замачивание основания второй опоры через специально пробуренные скважины. Замачивание проводилось периодически с отбором проб грунта и определением степени их влажности, а также основных расчетных характеристик (табл.3.6). Установлено, что при повышении влажности грунта в основании опоры перемещения ее резко возрастают (табл.3.6). Так если в начале замачивания перемещения данной опоры сопоставимы со значениями, полученными в грунтах естественной влажности степень влажности 5,.=0,22 то в конце испытания при горизонтальной нагрузке Рг=17,5 кН перемещения опоры в замоченном грунте (5Г=0,81) более чем в 10 раз превышают аналогичные значения для опоры, находящейся в грунте естественной влажности (см. табл.3.4 и 3.6). В целом зависимость отношения перемещений опоры в замоченном фунте_/w к значениям перемещений в грунте естественной влажности fe носит ярко выраженный нелинейный характер от степени влажности грунта основания (рис.3.6)
Эгаора реактивного давления по боковой поверхности горизонтально нагруженной сваи в стадии предельного сопротивления грунта
Наибольшее влияние деформационные свойства грунта оказывают на поведение жестких опор, воспринимающих горизонтальную нагрузку. Под жесткой понимают такую опору, собственной деформацией ствола которой можно пренебречь и которая получает перемещение только в результате обжатия и уплотнения грунта, окружающего ее. Под действием горизонтальной нагрузки, приложенной на высоте Н над дневной поверхностью (рис.3.8), опора длиной L поворачивается в грунте вокруг некоторой точки поворота О, местонахождение которой определяется особенностями распределения активных и реактивных сил по длине опор.
Со стороны грунта действует реакция отпора, картина распределения которой зависит в первую очередь от особенностей изменения сопротивляемости грунта данной геологической площадки по глубине. Обозначим сопротивляемость грунта на данной глубине через коэффициент постели с. Тогда реакция грунта в любой точке опоры определится зависимостью(ЗЛ).
Характер изменения коэффициента постели в основном предопределяется видом грунта и спецификой его формирования на данной площадке. Так, исследованиями разных авторов установлено, что сопротивляемость сжатию связных грунтов изменяется с глубиной в основном по экспоненциальному закону (рис.3.9а), а несвязные грунты характеризуются плавно нарастающим по глубине коэффициентом постели, изменение которого близко к линейному закону (рис.3.96).
Возможны и многослойные напластования грунтов с резко отличающимися между собой коэффициентами постели. Являясь в общем случае функцией глубины, коэффициент постели в то же время зависит от величины и вида действующей нагрузки, а также от формы и размеров загружаемой площади. Все это говорит о несовершенности и некоторой условности введенного понятия «коэффициента постели» и, что самое основное, о значительных трудностях, связанных с его определением при соблюдении требования более близкого соответствия действительным условиям.
С другой стороны, с введением коэффициента постели, значительно упрощается решение задачи изгиба стержня, защемленного в упругой среде, по сравнению с более точными (с теоретической точки зрения) решениями, основанными на применении модели грунта как упругого полупространства, которые, однако, не гарантируют полного соответствия результатов теоретических исследований натурным данным.
В связи с этим весьма важно установить, какие погрешности с инженерной точки зрения вносят в расчет те или иные упрощающие допущения, чтобы говорить о возможности их введения.
Для анализа рассмотрим сначала влияние характера изменения коэффициента постели с глубиной на величины горизонтальных перемещений опор (сваи) под нагрузкой. При выборе основной формы изменения с, с которой затем будем проводить сопоставления, учтем следующее.
В инженерной практике при производстве изыскательских работ на месте будущего строительства большое значение имеет выбор оптимального их объема. В связи со значительной стоимостью инженерно-изыскательских работ их увеличение отражается на стоимости будущего сооружения. Поэтому необходимо выяснить, насколько необходимы детальные исследования площадки и можно ли, ограничиваться стандартными методами изыскания.
Методы расчета свай и опор на горизонтальную нагрузку, учитывающие действительный характер изменения коэффициента постели по глубине, требуют значительного увеличения числа исходных данных, что в свою очередь, увеличивает объем изыскательских работ по специальной методике, близкой к научным исследованиям.
Методы же расчета, предполагающие постоянство коэффициента постели по глубине, ограничиваются данными обычных инженерных изысканий. С этой, так сказать, «экономической» точки зрения вторая группа расчетных методов будет предпочтительнее.
Решим задачу изгиба жесткой опоры (сваи) при различных законах изменения с и сопоставим полученные результаты.
При постоянном значении с по глубине все силы, действующие на опору, можно свести к боковому давлению (рис.3.106), вызывающими ее поступательное перемещение, и моменту (рис.3.10в), действующему в месте приложения бокового давления (в данном случае в центре пластинки) и поворачивающему опору на некоторый угол в. Реакции грунта находят как (3.2) PP=cp-fp Рм = см 3и где fp- перемещение опор у поверхности от действия горизонтальной силы Р; fu - перемещение опор у поверхности от действия момента М; сР - коэффициента постели при прямом вдавливании площадки; см- коэффициента постели при повороте площадки. В общем случае коэффициенты ср и см не равны между собой, здесь же примем их равными ср=си=с Тогда смещение головы опоры от действия Р. (рис.3.106) найдется как n-L-d где L - глубина заделки опоры в грунт, м; d - диаметр (ширина) опоры, м.
