Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обзор наиболее часто используемых методов расчета устойчивости откосов и склонов 12
1.1. Расчетные методы группы 1 13
1.1.1. Метод К. Терцаги 15
1.1.2. Метод «горизонтальных сил» Маслова-Берера 16
1.1.3. Метод проф. Г. Н. Шахунянца 17
1.1.4. Метод проф. А. Л. Можевитинова 18
1.1.5. Метод проф. Р. Р. Чугаева 20
1.1.6. Ускоренный метод проф. М. Н. Гольдштейна 21
1.1.7. Метод Б. М. Ломизе 21
1.2. Расчетные методы группы II 23
1.2.1. Методы В. В. Соколовского и С. С.Голушкевича 23
1.2.2. Метод равнопрочного откоса « р» 25
1.3. Расчетные методы группы III 27
1.3.1. Метод Ю. С. Козлова 27
1.3.2. Метод С. Н. Никитина 28
1.3.3. Методы В. К. Цветкова и А. Н. Богомолова 32
1.4. Расчетные методы группы IV 37
1.4.1. Метод А. Г. Дорфмана 37
1.4.2. Метод У. X. Магдеева 39
1.5. Недостатки и допущения расчетных методов, их анализ 40
Глава II. Определение цели и постановка задач диссертационного исследования 43
2.1. Принцип возможных перемещений 43
2.2. Природное напряженно-деформированное состояние
2.3. Задачи об устойчивости откосов, которые не могут быть решены без проведения анализа напряженно-деформированного состояния грунтового массива 49
2.4. Предлагаемый алгоритм процедуры расчета устойчивости нагруженных откосов 58
2.5. Отличия предлагаемого алгоритма от существующих решений. 59
Выводы по главе II 67
Глава III. Инженерный метод расчета устойчивости нагруженных откосов 69
3.1. Определение величин переменных расчетных параметров.. 69
3.2. Анализ результатов численных решений задач об устойчивости нагруженных откосов. Разработка инженерного метода расчета 71
3.3. Инженерный метод расчета устойчивости нагруженных откосов 112
3.4. Примеры решения задач об устойчивости нагруженных
откосов на основе использования предложенного
инженерного метода 120
Выводы по главе III 121
Глава IV. Сопоставление результатов моделирования процесса разрушения однородных нагруженных откосов и натурных данных с результатами теоретических исследований 123
4.1.Сопоставление результатов лабораторного моделирования 123
4.1.1. Эксперименты, проведенные автором 123
4.1.1.1. Лоток для проведения экспериментов 123
4.1.1.2. Определение физико-механических свойств эквивалентного материала 125
4.1.1.3.Результаты моделирования процесса разрушения нагруженных откосов и их сопоставление с теоретическими данными 128
4.1.2. Эксперименты, проведенные другими исследователями. 138
4.1.3. Сопоставление результатов расчетов с данными натурных наблюдений 142
Выводы по главе IV 142
Основные выводы 144
Литература 146
Приложения
- Ускоренный метод проф. М. Н. Гольдштейна
- Природное напряженно-деформированное состояние
- Анализ результатов численных решений задач об устойчивости нагруженных откосов. Разработка инженерного метода расчета
- Определение физико-механических свойств эквивалентного материала
Введение к работе
Актуальность темы диссертационной работы. В настоящее время задачи оценки и прогноза устойчивости откосов грунтовых сооружений, а также определения их рациональных и безопасных параметров приобретают все большее значение, а существующие аналитические и численные методы расчета содержат большое количество недостатков и необоснованных допущений, ставящих под сомнение достоверность получаемых результатов. Поэтому, задача, посвященная совершенствованию методов расчета устойчивости нагруженных грунтовых откосов, является актуальной.
Целью настоящего диссертационного исследования является разработка инженерного метода расчета устойчивости нагруженных откосов, базирующегося на анализе напряженно-деформированного состояния грунтового массива и использовании принципа возможных перемещений.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
1.Выявить факторы, оказывающие определяющее влияние на напряженно-деформированное состояние и степень устойчивости нагруженных откосов;
2. Получить количественные зависимости величины коэффициента запаса устойчивости нагруженного откоса от этих факторов;
3. Проанализировать их и записать аналитические аппроксимации этих зависимостей;
4. Разработать инженерный метод расчета устойчивости нагруженных откосов и формализовать его в компьютерной программе;
5. Провести сопоставление результатов аналитических исследований с результатами лабораторных исследований, полученных нами и независимо от нас другими авторами, и данными натурных наблюдений.
Достоверность результатов исследований, выводов и рекомендаций диссертационной работы обусловлена использованием при проведении исследований фундаментальных положений теории упругости, пластичности, линейной теории ползучести, механики грунтов и инженерной геологии; удовлетворительной сходимостью полученных аналитических результатов исследований с известными результатами натурных наблюдений и результатами моделирования процесса разрушения нагруженных откосов на моделях из эквивалентных материалов.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
1. Установлено и исследовано влияние численных значений переменных расчетных параметров (физико-механические свойства грунтов, геометрические параметры откосов и внешней нагрузки, ее интенсивности и т.д.) на распределение напряжений и перемещений в приоткосных областях и устойчивость откосов.
2. Получены графические зависимости и их аналитические аппроксимации, позволяющие оценить величины коэффициентов запаса устойчивости откосов в зависимости от численных значений переменных расчетных параметров, рассмотренных в диссертационной работе.
3. Разработан метод оценки устойчивости нагруженных откосов и склонов, в котором, в отличие от существующих, сделана попытка исключить из рассмотрения природное напряженно-деформированное состояние грунтового массива, использовав для этого принцип возможных перемещений. При этом особым образом выбираются величины перемещений, а методика построения наиболее вероятной поверхности скольжения опирается на анализ напряженного состояния грунтового массива с учетом величины коэффициента бокового давления грунта и т.д.
Практическая значимость работы заключается в возможности применения результатов исследований в гражданском, промышленном и транспортном строительстве, отраслях промышленности, связанных с добычей полезных ископаемых при определении рациональных параметров нагруженных откосов различных инженерных сооружений. Использование предлагаемого расчетного метода позволяет в одних случаях избежать аварийных ситуаций, а в других – определить рациональные параметры откосов грунтовых сооружений, обеспечивающие получение экономического эффекта за счет существенного сокращения объема земляных работ.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: ежегодных научно-технических конференциях ВолгГАСУ (Волгоград, 2010-2012г.г.); VI Международной научно-технической конференции «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов» (Волгоград, 2011г.); The International Practical Conference on the subject «The mutual activities of the local executive power and municipalities in the preparation of people, economy and environment for the protection» (Baki, 2011), Международной научно-технической конференции «Фундаменты глубокого заложения и проблемы освоения подземного пространства» (Пермь, 2011г.), Международной научно-практической конференции «Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе» (Пермь, 2012г.), семинарах кафедры «Гидротехнические и земляные сооружения» ВолгГАСУ (2010-2012г.г.).
Личный вклад автора заключается в:
- разработке на основе МКЭ математико-механической модели для решения поставленных задач;
- разработке рабочего алгоритма вычисления величины коэффициента запаса устойчивости, исключающего влияние природного напряженно-деформированного состояния на получаемый результат;
- вычисление на персональном компьютере напряжений и перемещений в приоткосных областях, построении наиболее вероятных линий скольжения и вычислении коэффициентов запаса устойчивости при различных значениях физико-механических характеристиках грунтов, интенсивности нагрузки и геометрических параметров объектов (рассмотрено более 4000 вариантов);
- разработке инженерного метода расчета устойчивости нагруженных откосов, включающего в себя удобные графики и формулы для решения различных задач оценки и прогноза устойчивости нагруженных откосов и склонов, а также в разработке на его основе компьютерной программы;
- проведение сравнения полученных аналитических результатов с известными результатами лабораторных исследований и натурных наблюдений.
На защиту выносятся:
1. Результаты исследования влияния различных факторов на распределение напряжений и перемещений в приоткосных зонах исследуемых объектов, положение и форму наиболее вероятной поверхности скольжения и величин соответствующих коэффициентов запаса устойчивости;
2. Алгоритм расчета величины коэффициента запаса устойчивости нагруженного откоса, позволяющий исключить влияние начального напряженно-деформированного состояния на конечный результат;
3. Инженерный метод расчета устойчивости нагруженных однородных откосов, разработанный на основе анализа напряженно-деформированного состояния приоткосных областей с учетом большинства параметров, влияющих на их устойчивость, включающий удобные графики и простые формулы, а также разработанная на его основе компьютерная программа;
4. Результаты сравнения результатов, полученных в диссертационной работе аналитических решений, с результатами моделирования процессов разрушения нагруженных откосов, выполненных нами и сторонними исследователями на моделях из эквивалентных материалов и результатами натурных инструментальных наблюдений за поведением реальных объектов.
Результаты исследований внедрены: в учебном процессе при выполнении курсового и дипломного проектирования на кафедрах «Строительные конструкции, основания и надежность сооружений» и «Строительство и проектирование автомобильных дорог» Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета и в ООО «НПФ Инженерный центр «Югстрой» при уточнении устойчивости и оценки возможности дальнейшей нормальной эксплуатации нагруженных откосов строительного котлована в ходе обследования на объекте «Комплекс трех 24-х этажных жилых домов со встроенными помещениями, подземной автостоянки и многофункционального здания».
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 8 научных статьях, три из которых в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из четырех глав, основных выводов, списка литературы из 121 наименований и приложений общим объемом 163 страницы, включает 46 рисунков и 18 таблицы.
Ускоренный метод проф. М. Н. Гольдштейна
Через точку А, соответствующую нижней бровке откоса (рис. 1.6), в сторону массива проводится линия под углом 45- У2 к поверхности откоса, так как в ней направление главного напряжения 7\ совпадает с поверхностью откоса. На этой линии, являющейся касательной к площадке скольжения в точке А, на некотором расстоянии от точки А, зависящем от высоты откоса и масштаба чертежа, помечается точка 1. По формулам (1.44) вычисляются напряжения 7Х Су и Тху в точке 1, при этом значения координат х и у определяются графически. Направление ох в точке 1 рассчитывается по формуле: 2т. tgla = 2—, (1.49) где cd - острый угол между наибольшим главным (а{) и наибольшим нормальным (по абсолютной величине) напряжениями. Этот угол откладывается по ходу часовой стрелки, если он имеет знак (-), и против хода часовой стрелки, если имеет знак (+). Через точку 1 можно провести две площадки скольжения. Одна из них направлена в сторону массива, другая - в сторону откоса. Для построения поверхности скольжения используются касательные к площадкам скольжения, направленные в сторону массива. Касательная к площадке скольжения в точке 1 проводится под углом 45-(р/2 к направлению 0\ в этой точке. На отрезке А—1 (см. рис. 1.6) на расстоянии равном 0,58 его длины от точки А отмечается точка а. Через нее проводится линия, параллельная касательной к площадке скольжения в точке 7, на которой отмечается точка 2. В следующей точке выполняются такие же вычисления и построения, как и в точке 1, а точка б отмечается на линии а-2, на расстоянии 0,58 длины отрезка, заключенного между линиями, определяющими направления (5\ в точках 1 и 2. Через точку б проводится линия, параллельная касательной к площадке скольжения в точке 2, на которой отмечается точка 3. В следующей и во всех последующих точках до линии ОВ, выполняются такие же вычисления и построения, как и в точке 2.
В области ВДВ направления j\ совпадают с вертикалью. В ней поверхность скольжения проводится под углом 45- (р/2 к оси OY. Линия ДЕ проводится параллельно дневной поверхности на глубине равной Н90, которая определяется выражением: Я90=— ctg(45--), (1.48) Отрыв грунта происходит по поверхности скольжения, которая имеет вертикальное или близкое к нему направление от линии ДЕ до дневной поверхности. Полученная ломаная линия АабвгдежС (см. рис. 1.6) заменяется плавной кривой, которая и является наиболее вероятной кривой скольжения или обрушения. Величина коэффициента запаса устойчивости откоса определяется методом отсеков.
Определение напряжений в точках однородной грунтовой насыпи осуществляется на основе аналитического решения первой основной задачи теории упругости для весомой однородной полуплоскости с трапециевидным выступом или вырезом на ее горизонтальной границе, при помощи использования методов теории функций комплексного переменного [22; 23; 41; 43; 77; 89; 100].
Функция, совершающая конформное отображение рассматриваемой области на внутренность единичного круга (конечная область), принята В. К.Цветковым [107,108] в виде полинома:
Проф. А. Н. Богомолов отображающую функцию принимает так же полиномиальной, однако, она совершает конформное отображение нижней полуплоскости lmz 0 на рассматриваемую односвязную область (отображение полуплоскости на полуплоскость, полубесконечной область на полубесконечную) принята [41;43] в виде: c- 2k+\ 2k+\ ґо{% + а-Ьі) z fi#) - C0 + C#+X (1.50) где z=x+i у; =+ітг, rj 0\ С0; C; d С2к+і любые, в том числе и комплексные коэффициенты; а и Ъ действительные числа, причем, Ь 0. При решении задачи об определении величины коэффициента устойчивости откосов в обоих случаях используются такие значения коэффициентов отображающих функций (1.49 и 1.50), что границы, обеспечиваемых ими односвязных областей, с достаточной для проведения расчетов степенью точности соответствуют геометрическим параметрам исследуемых грунтовых откосов.
Методика построения наиболее вероятной поверхности скольжения и вычисления величины коэффициента устойчивости при условии, что в приоткосной области отсутствуют области пластических деформаций (или их размеры незначительны) предложена проф. В. К. Цветковым и подробно описана в работах [107; 108].
Коэффициенты запаса устойчивости К в любой точке грунтового массива и глобальный коэффициент устойчивости основания для наиболее вероятной поверхности скольжения (НВПС) определяются формулами: К -{az-ax)cos2a+ (cTx-c7z)+rxzsm2a+a( Ami -( 7x- r m2tf+Tweos2tf (1.51) _ о \Fyd(S)ds K = ]Fcd(S)ds (1.52) где: 7Z; 7Х; Txz и (р - соответственно, напряжения и угол наклона наиболее вероятной площадки сдвига в рассматриваемой точке грунтового массива; jce=Cctg p - давление связности (С и р - соответственно, сцепление, и угол внутреннего трения грунта); Fyd и Fcd - удерживающие и сдвигающие силы в точках НВПС, определяемые, соответственно, числителем и знаменателем формулы (1.51); S - дуговая координата точки НВПР. Анализ этих формул показывает, что глобальный коэффициент устойчивости грунтового основания зависит от всех трех компонент напряжения в каждой точке НВПВ, физико-механических свойств грунта и угла наклона касательной в каждой точке наиболее вероятной поверхности разрушения, который может быть определен из выражений [107; 108]:
Природное напряженно-деформированное состояние
В диссертационной работе Н. Н. Потаповой [92] предложен метод отыскания коэффициента запаса устойчивости грунтовых откосов, основанный на принципе возможных перемещений.
Величина коэффициента запаса устойчивости определяется как отношение алгебраических сумм работ удерживающих и сдвигающих сил, действующих в точках наиболее вероятной линии скольжения: ТА. л T,(F. л5 cos а. Л где Fiyd;Fjcd - соответственно удерживающая и сдвигающая сила в г -ой точке наиболее вероятной линии скольжения; 8t - полное перемещение г-ой точки линии скольжения от действующей нагрузки; осіуд\аісд - углы между положительным направлением удерживающей и сдвигающей силы и направлением вектора полного перемещения соответственно в г -ой точке НВЛС.
В выражении (2.7), по нашему мнению, содержится ошибка, состоящая в том, что в расчет принимаются полные перемещения, в которые, помимо перемещений от внешней нагрузки, входят перемещения от собственного веса грунта. Перемещения от собственного веса грунта формируются на протяжении всего периода существования грунтового массива и, потому, истинные их значения не могут быть достоверно определены методами теории упругости. Исключить эти неизвестные перемещения из расчетов и избавиться от необходимости их отыскания в случае исследования устойчивости нагруженных откосов можно используя описанный выше алгоритм. Формула (2.7) примет в этом случае вид: ТА. л T(FJA.-S.)cosa.d) К = = ,уд -, (2.8) ІЛісд L(F,,(A,-J.)costf,,d) где: 8, и А; - соответственно перемещения г-ой точки, вычисленные от действия собственного веса грунта при условии, что расч— 0, и с учетом внешних нагрузок и собственного веса грунта.
Для оценки разницы численных значений величин коэффициентов запаса устойчивости К, получаемых при помощи метода, предложенного Н. Н. Потаповой [92], и на основе сделанных нами предложений, воспользуемся компьютерной программой [48], разработанной в Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете.
Пример № 1. Определим величину коэффициента запаса устойчивости однородного грунтового откоса. Пусть прямолинейный откос высотой Я=19,3м с углом (3=45 сложен однородным связным грунтом, имеющим следующие физико-механичеекие характеристики; объемный вес у=2т/м , угол внутреннего трения ф=25, удельное сцепление С=0,27кПа, коэффициент бокового давления грунта ,0=0,75, что отвечает его среднему значению для глинистых грунтов [74], модуль деформации Е0=5МПа. Откос нагружен равномерно распределенной нагрузкой интенсивности q=5yH, которая приложена на расстоянии d=0,5H от его бровки; ширина нагруженного участка L=Q,5H.
Расчетная схема МКЭ состоит из 6216 конечных элементов, сопряженных в 12100 узлах, при этом матрица жесткости системы имеет ширину 126 (см. рис. 2.5).
В результате проведения расчетов установлено, что величина коэффициента запаса устойчивости для данного объекта, определенная по методике проф. В. К. Цветкова, равна КЦв=1,95, вычисленная по методу Н. Н. Потаповой, равна КПот=\Ж а найденная на основе наших предложений -#=2,24, что на 14,9% больше чем КЦв и на 25,8% больше, чем КПот.
На рис. 2.6 изображена наиболее вероятная линия скольжения (след поверхности скольжения) и эпюры работ удерживающих (Ауд) и сдвигающих (Лсд) сил, действующих в точках линии скольжения, совершаемых ими на перемещениях вызванных внешней нагрузкой. /
Для обоснования экономического эффекта, который может быть получен при использовании наших предложений, необходимо ответить на вопрос: какими будут углы заложения исследуемого откоса, если численные значения коэффициента запаса устойчивости, определенные на основе наших A
Эпюры работ удерживающих и сдвигающих сил, совершаемых в точках НВПС Рис. 2.7. Разница объемов земляных работ, обеспечивающая экономический эффект предложений, равны соответственно К=КПот=1,18 и К=КЦв=1,95. Оказалось, что эти углы соответственно равны р\=54 и (32=51. По формуле: V =—(ctg45-ctgj3), (2.9) (где Ь - протяженность рассматриваемого участка откоса) не трудно подсчитать, что назначение проектного угла заложения откоса насыпи или борта строительного котлована равным р\ или {32, дает экономию объемов земляных работ по сравнению с рпр =45 соответственно 136,7м3 или 95,їм3 на 100м длины насыпи или борта котлована.
Отметим еще одно обстоятельство. Нами проведены вычисления величины коэффициента запаса устойчивости К тремя методами при трех разных значения величины коэффициента бокового давления О=0 43; 0,65; 0,75. Оказалось, что значения коэффициентов устойчивости, подсчитанные по методике проф. В. К. Цветкова, равны КЦв43 = 1,71; КЦв65 = 1,92; 2%5 = 1,95, определенные по методу Н. Н. Потаповой Кп2=Ш;Кпво5т=1,75 Kn705m=1,78, а на основе наших предложений - К0АЪ = 1,53; К0 65 = 2,03; К0 15 = 2,24.
Анализ этих данных показывает, что во всех трех случаях величина К зависит от величины коэффициента бокового давления грунта 0, причем, эта зависимость наиболее ярко выражена в третьем случае (см. рис. 2. 8).
Здесь следует сказать, что большинство расчетных методов не позволяет учесть величину коэффициента бокового давления грунта, являющегося одной из важнейших характеристик напряженного состояния грунтового массива.
Анализ результатов численных решений задач об устойчивости нагруженных откосов. Разработка инженерного метода расчета
Согласно таблице № 2 приложения 1 к документу [93], численное значение величины модуля деформации глинистых грунтов изменяется в интервале 7МПа Е0 75МПа.
В однородных откосах численные значения напряжений не зависят от величины модуля деформации Ео, однако, перемещения - прямо пропорциональны этой величине. При этом анализ формулы (1.51), при помощи которой вычисляется величина коэффициента запаса устойчивости нагруженного откоса, показывает, что величина К не должна зависеть от численного значения Ео.
Для подтверждения этого обстоятельства, нами проведен расчет величины коэффициента запаса устойчивости однородного нагруженного откоса, сложенного глинистым грунтом, имеющим следующие физико-механические характеристики: у=1,8т/м , (р=23, удельное сцепление С=0,037МПа, о=0,75. Откос нагружен вертикальной равномерно распределенной, начинающейся непосредственно у бровки откоса, нагрузкой интенсивности рЗ,6т/м , при этом ширина нагруженного участка &=20м.
Расчетная схема МКЭ состоит из 12000 конечных элементов, сопряженных в 6271 узле, при этом матрица жесткости системы имеет ширину 106. При расчете численное значение величины Ео последовательно принимало четыре, отличающиеся на порядок, значения 0,5; 5; 50; 500 МПа. В результате коэффициент запаса устойчивости во всех случаях получился одинаковым равным К= 1,428.
Таким образом, величина Ео не влияет на результат вычислений и может назначаться любой из входящих природный диапазон ее изменения.
В работе Н. А. Цытовича [ПО] сказано, что величина коэффициента бокового давления глинистых грунтов принимает значения, находящиеся в интервале 0,1 0 0,82, а в работах С. С. Вялова [50] говорится, что среднее значение коэффициента бокового давления глинистых грунтов следует принимать равным О=0,75, что принято при проведении диссертационного исследования.
Таким образом, определены пределы изменения численных значений основных расчетных параметров. Как отмечено выше, для создания базы данных, на которой будет базироваться инженерный метод расчета, необходимо получение множества численных решений задач об устойчивости нагруженных откосов.
Эти расчеты выполнены при помощи компьютерной программы [48], имеющей государственную регистрацию и разработанной в Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете, и подпрограммы, разработанной в рамках настоящего диссертационного исследования.
Расчеты выполнены для однородных откосов с углами (3=25; 40; 55, сложенных грунтами, чьи расчетные параметры поочередно принимают значения ф=7; 15; 22; 30 и Осв=0,05; 0,583; 1,117; 1,65. Величина интенсивности вертикальной равномерно распределенной нагрузки принимала двенадцать значений, которые находятся в интервале qe [0,25-12]уН. Эпюра нагрузки берет начало на расстояниях d=[0; 0,5; 0,8; 2,0]Я, а ширина ее также принимала четыре значения =[0,5; 1,0; 2,0; 4,0]Я.
Расчетные схемы МКЭ во всех случаях состояли из 12100 конечных элементов, сопряженных в 6216 узлах, при этом ширина матрицы жесткости системы равнялась 126.
Таким образом, объем вычислений составляет 9216 вариантов, для которых построены картины изолиний напряжений и перемещений, наиболее вероятные поверхности скольжения и при помощи процедуры, описанной в главе II, проведено вычисление величин коэффициентов запаса устойчивости.
Ниже на рис. 3.1-3.18 в качестве примера приведены перечисленные выше картины для откосов с углом заложения 3=45 для всех возможных сочетаний численных значений переменных расчетных параметров.
В результате обработки результатов расчетов величины К установлено, что при любых углах заложения откоса Р, его высоты Я, интенсивности внешней нагрузки q и физико-механических свойствах грунта, минимальное значение коэффициента запаса устойчивости нагруженного откоса К будет соответствовать условию, что ширина равномерно распределенной нагрузки равна Ь=0,5Н, а расстояние от нагрузки до кромки откоса (ширина бермы) равно d=0,m (смотреть, например, рис. 3.7-3.9).
В таблицах №№ 3.1-3.12 приведены численные значения величин К для всех рассматриваемых в диссертационной работе сочетаний численных значений переменных расчетных параметров.
Определение физико-механических свойств эквивалентного материала
Выше изложен инженерный метод расчета коэффициента запаса устойчивости однородного нагруженного откоса, основанный на анализе напряженно-деформированного состояния грунтового массива и принципе возможных перемещений.
Для обоснования возможности использования этого метода для практического применения выполнены эксперименты по определению величины интенсивности разрушающей нагрузки для моделей откоса, выполненных из эквивалентного материала. При этом использованы как собственно результаты автора, так и опубликованные результаты других исследований.
Кроме того, в данной главе приведено сопоставление результатов натурных наблюдений с результатами расчетов, проведенных автором диссертационной работы при помощи предлагаемого расчетного метода.
Серия опытов по определению величины разрушающей нагрузки проведена в лаборатории кафедры «Гидротехнические и земляные сооружения» Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета при содействии к.т.н., доцента Т. В. Ерещенко.
В качестве эквивалентного материала использована смесь воздушно сухого песка мелкой крупности и отработанного машинного масла (5% от веса песка).
Моделирование процесса разрушения моделей откосов проведено в лабораторном лотке, имеющем размеры: длина I = 1200мм, ширина Ь = 300мм, глубина h = 650мм. Он состоит (см. рис. 4.1) из рамы - 1, днища - 2, боковой и торцевых стенок - 3, прозрачной боковой стенки - 4, стойки - 5.
Лоток оснащен грузовой площадкой, имитирующей модель фундамента, - 6, винтовым устройством для передачи нагрузки - 7, верхней траверсой - 8, динамометром ДОСМ 3-02 - 9, винтовым нагружающим устройством - 10. В лотке изготавливается модель откоса -11.
Грузовые площадки, обеспечивающие передачу внешнего усилия на модель откоса, имеют разметку и позволяют имитировать нагрузки, меняющиеся по различным законам (равномерно распределенная, треугольная, трапециевидная нагрузки).
Нагружающее устройство обеспечивает плавный рост нагрузки на модель фундамента до величины, соответствующей потере устойчивости модели откоса (рис. 4.1). Измерение величины разрушающей нагрузки проводилось при помощи динамометров ДОСМ-3-02 и ДОСМ-3-1 (см. рис. 4.2).
При формировании модели откоса эквивалентный материал укладывался в лоток слоями толщиной 10 см с последующей выдержкой в течение 10-15 минут для обеспечения равномерного уплотнения песчано-масляной смеси.
Для удобства измерения координат точек следа поверхности разрушения (линии разрушения), на прозрачную стенку лотка нанесена прямоугольная сетка с шагом 50 мм.
Сразу после разрушения модели откоса проводится ее фотографирование, а на стеклянной стенке лотка карандашом стеклограф очерчивается след поверхности разрушения. Это позволяет достаточно точно установить координаты точек линии разрушения и безошибочно воспроизвести ее на чертеже.
В той части лотка, где в процессе формирования модели откоса производится выбор песчано-масляной смеси, при помощи стандартных металлических колец отбирались пятнадцать проб эквивалентного материала и определялись его сдвиговые характеристики.
Прочностные характеристики эквивалентного материала, которые необходимы для проведения расчетов, определены по методике «быстрого сдвига» при помощи сдвигового прибора ВСВ-25 в лаборатории кафедры «Гидротехнические и земляные сооружения» Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета совместно с аспирантом кафедры ГТиЗС ВолгГАСУ А.С. Статуном. Рис.4.2. Сдвиговой прибор ВСВ-25 Графическая интерпретация результатов проведенных испытаний приведена на рис. 4.3. 127 Рис. 4.3. Диаграмма сдвига эквивалентного материала Из рис. 4.3 видно, что изображенная на нем линия, практически является прямой, уравнение которой можно записать следующим образом; Т =N-f + c-F (4.1) пр J v / где fg(p - коэффициент внутреннего трения сыпучего тела; с - удельное сцепление. Для определения истинного значения величины удельного сопротивления сдвигу нужно отнести силу сопротивления сдвигу, равную сдвигающей силе Т, к единице пощади сдвига F: Tnp=TnvIF = otg(p + c = j tg(p (4.2) где a = NIF - давление, нормальное к поверхности сдвига; 7 = 7о+о -приведенное нормальное давление, т.е. с учетом давления, обусловленного внутренними силами, называемое давлением связности; J0 = cctgcp - давление связности.
Площадь поверхности образца эквивалентного материала, помещенного в обойму сдвигового прибора, по которой происходит сдвиг, равна =0,004 м2, а величина угла внутреннего трения, определенная по диаграмме сдвига, равна ф=14.
Для проведения экспериментов были сформированы 4 одинаковые модели откоса высотой Н = 0,335м и углом заложения 3=30, которые при помощи нагружающего устройства были доведены до разрушения.
В каждом случае усилие, создаваемое нагружающим устройством, прикладывалось в определенной точке грузовой площадки, координаты которой определялись расчетом, чтобы имитировать равномерно распределенную нагрузку и нагрузку, интенсивность которой изменяется по закону трапеции. Если 7]=qi/q2=l, то нагрузка будет равномерно распределенной, если 7]=qi/q2 1, то имеется в виду нагрузка, эпюра которой имеет форму трапеции, при этом величина Г принимает три значения Г=0,75;0,66;0,50.
