Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор причин разрушения и методов расчета жестких покрытий
1.1. Конструктивные решения жестких покрытий 10
1.2. Анализ причин разрушения жестких покрытий 18
1.3. Краткие сведения об основах существующих методов расчета жестких покрытий 31
1.4. Выводы, цель и задачи исследований 50
Глава 2. Выбор метода теоретических исследований модели покрытия
2.1. Выбор метода теоретических исследований 53
2.2. Выбор параметров расчетной модели 59
2.3. Выводы 71
Глава 3. Теоретические исследования напряженно-деформированного состояния плит при неполном контакте с основанием
3.1. Влияние зазора на напряженно-деформированное состояние плит при их напружений статической нагрузкой 72
3.1.1. Плита со свободными краями по периметру 73
3.1.2. Плиты со стыковыми соединениями по двум и более сторонам 93
3.2. Напряженно-деформированное состояние плиты при ее неполном контакте с основанием при воздействии подвижной нагрузки 119
3.3. Анализ результатов расчета 134
3.4. Выводы 145
Глава 4. Экспериментальные исследования деформированного состояния плит при неполном контакте с основанием
4.1. Методика экспериментальных исследований 147
4.2. Свойства материалов опытных плит и основания 150
4.3. Планирование объема экспериментальных испытаний 152
4.4. Анализ результатов испытания плит фрагмента цементобетонного покрытия 156
4.5. Выводы 169
Предложения по использованию результатов исследований при эксплуатации и проектировании жестких покрытий 170
Общие выводы 171
Литература 173
Приложение Справка о внедрении результатов диссертационной работы 186
- Анализ причин разрушения жестких покрытий
- Выбор параметров расчетной модели
- Напряженно-деформированное состояние плиты при ее неполном контакте с основанием при воздействии подвижной нагрузки
- Анализ результатов испытания плит фрагмента цементобетонного покрытия
Анализ причин разрушения жестких покрытий
Вопрос возникновения повреждений и разрушения покрытий является очень сложным из-за многообразия влияющих факторов.
Одним из видов воздействия на жесткие покрытия аэродромов является нагрузка от воздушных судов, которая передается на покрытие через шасси. При этом по направлению действия различают вертикальную и горизонтальную нагрузки. Вертикальные нагрузки возникают при стоянке самолетов, а при движении воздушного судна помимо вертикальных возникают также горизонтальные нагрузки. Однако ввиду того, что горизонтальные нагрузки действуют кратковременно, с глубиной быстро затухают и направлены вдоль поверхности покрытий, они не являются опасными и в принятом в настоящее время методе расчета жестких покрытий [88] их не учитывают.
Вертикальные нагрузки по характеру действия бывают статические, динамические и повторные. Статические нагрузки возникают при стоянке воздушного судна с неработающими двигателями. Ввиду длительности ее воздействия данная нагрузка может оказаться наиболее опасной, а потому является основной исходной нагрузкой при расчете покрытий [88].
Динамическое воздействие от самолета на покрытие аэродрома возникает в трех случаях: посадочные удары при грубой посадке самолета, неподвижная вибрационная нагрузка и подвижные нагрузки от эксплуатируемых самолетов [38].
При посадке воздушного судна концевые участки ИВПП подвергаются ударным нагрузкам колес о покрытие. В некоторых случаях нагрузки такого рода могут существенно превышать статические [41], но из-за кратковременности их воздействия деформации материала аэродромного покрытия, а также основания, не успевают в полной мере проявиться, а действие подъемной силы значительно снижает величину давления самолета на покрытие аэродрома [70].
Динамические нагрузки, возникающие в результате вибрационного воздействия самолетов на покрытия (при работе двигателей), обычно также не являются опасными. Эти высокочастотные вибрации непосредственно не могут существенно влиять на прочность покрытий. Лишь в крайне неблагоприятных условиях в первые годы после строительства аэродрома (при значительном водонасыщении весной и недостаточном уплотнении песчаных оснований) вибрационные воздействия могут вызывать разжижение песка и переход его в теку -20 чее состояние, что может повлечь в последующем просадки покрытий [70].
Многократно повторяющиеся подвижные транспортные нагрузки являются одним из основных видов нагружения не только аэродромных, но и дорожных покрытий. Влияние этого вида нагружения на покрытие двояко. С одной стороны, при кратковременном воздействии катящегося колеса в результате замедленного протекания деформаций покрытия и грунта, а также сопротивления инерционных сил, покрытие прогибается меньше, чем при длительном приложении нагрузки. Соответственно напряжения, возникающие в покрытии и грунтовом основании, меньше, чем от действия статической нагрузки [41]. С другой стороны, при многократных воздействиях нагрузок, единичные приложения которых вызывают напряжения, не превышающие допускаемых, может происходить разрушение бетонных плит. Причиной возникновения этих разрушений являются местная концентрация напряжений в местах передачи нагрузки с одной плиты на другую и накопление остаточных деформаций грунта, подстилающего покрытие. После многократного прохода нагрузок плиты в отдельных местах перестают опираться на грунт и работают как консольные или опертые по контуру. Наблюдается также накопление пластических остаточных деформаций в самой плите [41].
К числу первых исследований работоспособности жестких покрытий дорог и аэродромов при воздействии многократно повторяющихся транспортных нагрузок относятся работы В. Ф. Бабкова, Г. И. Глушкова, А. П. Синицина, Г. Я. Ключникова, В. П. Носова [3, 46, 61, 77, 82] и др.
В работе [77] отмечается, что вследствие сезонного изменения влажности грунта, происходит снижение его модуля деформации. В результате при многократном воздействии подвижных нагрузок возможно накопление остаточных деформаций в основании армобетон-ных покрытий.
Исследование Г. Я. Ключникова [46] показало, что в результате многократного нагружения бетонных покрытий происходит накопление остаточных деформаций в их основаниях. Это приводит к тому, что плиты теряют контакт с основанием, а, значит, та же нагрузка вызывает в них большие напряжения, что в конечном итоге может привести к разрушению покрытия. В качестве подтверждения такой схемы разрушения автор приводит результаты обследования бетонных дорог ФРГ и бывшего СССР.
В результате испытаний [82], проведенных А. П. Синициным и Г. И. Глушковым, было установлено, что цементобетонные покрытия разных конструкций примерно равнопрочные при статической нагрузке при воздействии повторных подвижных нагрузок имеют неодинаковую долговечность. Многократное приложение транспортных нагрузок вызывает нарастание прогибов и осадок покрытий. При этом разрушение покрытий начинается, как правило, вблизи углов и краев плит. Большая работа по изучению влияния повторяющихся транспортных нагрузок на работоспособность как самого жесткого покрытия, так и его основания, была проведена также Б. И. Деминым и Б. И. Смолкой совместно с другими исследователями.
Так экспериментальные исследования сборных покрытий из предварительно напряженных железобетонных плит [29] показали, что величины остаточных деформаций оснований, замеренные под центром и краем плиты (25 см от поперечного шва) после одинакового числа проходов подвижной нагрузки, были примерно пропорциональны давлениям в этих же точках. Но поскольку давление, передаваемое плитой на грунт, не является величиной постоянной, а зависит от места приложения нагрузки, наличия или отсутствия стыковых соединений плит и их конструкции и других факторов, остаточные дефор -22 мации в основаниях накапливаются неравномерно. А это, в свою очередь, приводит к образованию зазора между плитой и основанием.
В работе [28] приводятся результаты испытаний многократно повторяющимися подвижными нагрузками сборных покрытий из предварительно напряженных железобетонных плит ПАГ-XIV, уложенных на различные основания. Было установлено, что такой вид нагружения приводит к неравномерному накоплению остаточных деформаций в основании покрытия: под центром плиты остаточная осадка основания была меньше, чем под краем. Величина и скорость накопления остаточных деформаций больше в основаниях, не обработанных вяжущим (песчаном, грунтовом и песчано-гравийном). Неравномерное накопление остаточных осадок приводит к образованию различных по величине и площади распространения зазоров между плитой и основанием. При этом наличие незначительного по величине зазора (0,22 -0,36 мм) под краем плиты приводит к увеличению изгибающего момента в 1,5 - 2 раза.
Величина зазора и площадь его распространения зависит от многих факторов: конструкции покрытия, интенсивности и величины прикладываемых нагрузок и так далее. Например, в результате испытаний аэродромного покрытия, предварительно напряженного элек-тротермореактивным методом, многократно повторяющимися подвижными нагрузками [14] было обнаружено, что между подошвой плит и основанием образуется зазор величиной до 2 мм.
А в ходе другого экспериментального исследования [30], величина зазора между плитой и основанием в конструкции монолитного железобетонного покрытия, запроектированного с коэффициентом запаса равным двум, после 1000 проходов расчетной нагрузки по центру плит достигала 1,12 мм.
Следует отметить, что даже незначительное увеличение напряжений в плите (порядка 10%) вследствие нарушения контакта с осно -23 ванием приводит к снижению допустимого числа нагружений на покрытие примерно в 4 - 6 раз [30].
Анализ характера разрушений покрытий и контрольные замеры деформаций плит и их оснований в процессе эксплуатации на ряде аэродромов гражданской авиации, выполненные преимущественно в весенний период, когда грунты были наиболее увлажнены и разуплотнены за счет зимнего промерзания, показывают, что воздействие тяжелых многократно повторяющихся самолетных нагрузок почти по одному следу способствует накапливанию в грунтовых основаниях неравномерных по площади плиты значительных остаточных деформаций (по полосе наката) [4].
Процесс накапливания неравномерных остаточных деформаций в основании приводит к частичному нарушению взаимного контакта подошвы плиты с грунтовым основанием - образованию зазора. Напряжения и прогибы плиты при этом увеличиваются, что в конечном итоге приводит к ее разрушению [4].
В результате испытаний [93], проведенных А. П. Степушиным, было установлено, что при воздействии многократно повторяющихся подвижных нагрузок аэродромные монолитные цементобетонные покрытия работают с накоплением остаточных осадок, обусловленных остаточными деформациями, проявляющимися в грунтовом основании. Образование остаточных осадок в грунте может привести к нарушению контакта подошвы плиты с основанием. Однако при устройстве верхнего слоя основания из прочных материалов величина остаточной осадки грунта заметно снижается, что связано с уменьшением вертикального давления на грунт вследствие влияния распределяющей способности цементогрунта [93].
Выбор параметров расчетной модели
Основной задачей исследований диссертационной работы является установление влияния зазора между плитой покрытия и основанием на напряженно-деформированное состояние плиты при различных видах воздействия и граничных условиях. Теоретические исследования работы плиты на упругом основании проводились с помощью программного комплекса «Basys» методом конечных элементов.
Для решения поставленной задачи были выбраны две расчетные модели:
1. Плита со свободными краями по периметру, лежащая на грунтовом основании (рис. 2.2 а).
2. Фрагмент аэродромного покрытия, состоящий из 9-ти плит, соединенных друг с другом с помощью стыковых соединений и лежащих на грунтовом основании. При этом для данной модели рассматриваются три расчетных случая (рис. 2.2 б):
- плита имеет стыковые соединения по двум взаимно перпендикулярным сторонам;
- плита имеет стыковые соединения по трем сторонам;
- плита имеет стыковые соединения по всем сторонам.
И для первой и для второй модели расчет проводился для двух случаев: первый - плита имеет полный контакт с основанием, второй - между плитой и основанием имеется зазор. Ниже будет показано, каким образом моделировался неполный контакт плиты с основанием.
Размеры плит в плане (/ х Ь) определяются в зависимости от конструктивного решения покрытия. Выбор того или иного конструктивного решения покрытия при проектировании конкретного аэродрома осуществляют на основе сравнения технико-экономических показателей вариантов проектных решений.
Поскольку проектирование конкретного аэродрома не является задачей данной работы, то в качестве конструктивного решения было выбрано монолитное бетонное покрытие, с размером плиты в плане 7,5x5,0 м.
Основание покрытия представляло собой упругий слой конечной мощности, характеризуемый модулем упругости Е0 и коэффициентом Пуассона ц0- Выбор толщины упругого слоя осуществлялся на основании следующих данных.
Многочисленными исследованиями [56, 103, 108, 109] было установлено, что во всех случаях нагружения деформации грунта по глубине быстро затухают, а в работу включается ограниченная толща (активная зона). Осадки плиты происходят в основном за счет сжатия этой толщи грунта. Поэтому любое основание можно условно разделить на две части, верхняя из которых представляет собой сжимаемый слой конечной мощности. Осадками нижней части основания пренебрегают, считая ее абсолютно жесткой.
Необходимо также отметить, что в ходе весеннего оттаивания под плитами аэродромного покрытия образуется сильно сжимаемый слой грунта ограниченной толщины, подстилаемый практически несжимаемой мерзлой толщей. Деформации покрытия происходят в этом случае главным образом за счет сжатия оттаявшего слоя грунта, поэтому осадкой материкового подстилающего грунта при расчетах можно пренебречь [109].
Толщина сжимаемого слоя в каждом конкретном случае должна определяться экспериментально.
Так, в работе [103] приводятся результаты определения толщины сжимаемого слоя тремя различными способами: непосредственно по результатам полевого измерения глубины оттаивания весной; приближенной оценкой толщины сжимаемого слоя по результатам изме -62 рения боковых деформаций грунта вокруг штампа; вычислением сжимаемого слоя полностью оттаявшего грунта с учетом возрастания модуля деформации по глубине. Во всех трех случаях толщина сжимаемого слоя изменялась в пределах 0,60 - 1,55 м и, как правило, не превышала средней нормативной глубины промерзания грунтов на объектах исследования («1,50 м). В этом же отчете для сравнения приводятся результаты опытов со штампами разных диаметров, проведенных аэродромной службой ВВС США. Анализ результатов показывает, что в этих опытах сжимаемый слой в среднем был равен 0,40 м.
Чтобы оценить влияние толщины грунтового массива на напряженно-деформированное состояние плиты было просчитано 5 вариантов плиты размером в плане 7,5x5,0 м и толщиной 0,28 м; материал плиты - тяжелый бетон класса В35 с модулем упругости Еь=2,65х104 МПа и коэффициентом Пуассона ц=0,17; материал основания характеризуют Е0=80 МПа и !о=0,3. Размеры конечных элементов плиты и основания: АХ=25 см, АУ=25 см, Ah=14 см, АН=20 см. Расчет проводился для толщин основания: 1,0; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0 м. Нагрузку в виде сосредоточенной силы Р=212,5 кН прикладывали в центре плиты. Результаты расчета сведены в табл. 2.1. Для сравнения в этой же таблице приводятся значения прогибов в центре плиты (W), полученные с помощью таблиц, составленных О. Я. Шехтер, для плит, лежащих на сжимаемом слое конечной мощности или однородном упругом полупространстве.
Анализ данных табл. 2.1 показывает, что увеличение толщины сжимаемого слоя оказывает существенное влияние на величины прогибов плиты (W), а на значения нормальных напряжений (ах и ау) оказывает менее заметное влияние. При этом приращение AW между смежными вариантами изменяется с 36,45 до 6,36%, а приращения Аах и Аау - максимум от 7,35 до 0,17%. Полученные данные свиде тельствуют о том, что, увеличивая толщину основания, в конечном итоге можно достичь такого момента, когда все три приращения будут близкими к нулю.
Вместе с тем значения прогибов, полученные по МКЭ и по [114] при толщине основания от 1,0 до 3,0 м, незначительно отличаются между собой. Например, при Н=1,0 м значение W, полученное с помощью МКЭ больше на 5,15%, чем значение W, полученное по О. Я. Шехтер, а при Н=3,0 м отличие составляет 6,1%.
При толщине основания 4,0 и 5,0 м приведенная толщина сжимаемого слоя аН 3 (а - упругая характеристика плиты) и основание по [114] рассматривают как однородное упругое полупространство. Прогибы, найденные с помощью метода конечных элементов для Н=4,0 м и Н=5,0 м, меньше полученных по решению О. Я. Шехтер для упругого полупространства на 20,26% и 15,19% соответственно. Но из табл. 2.1 также видно, что с увеличением толщины основания значения прогибов, полученных по МКЭ, приближаются к значениям, полученным по [114], а, значит, можно найти такую толщину основания, при которой они будут совпадать.
На основании изложенного выше для теоретических исследований толщина упругого слоя была принята равной Н = 1,0 м.
Многие исследователи [78, 95] отмечают, что величина конечного результата зависит от размера конечного элемента. Чтобы оценить это влияние была просчитана плита длиной 7,5, шириной 5,0 и толщиной 0,28 м, лежащая на грунтовом основании толщиной 1,0 м. Материал плиты - тяжелый бетон класса В35 с начальным модулем упругости 2,65x104 МПа и коэффициентом Пуассона 0,17; модуль упругости основания 80 МПа и коэффициент Пуассона 0,3. Нагрузка в виде сосредоточенной силы Р=212,5 кН прикладывалась в центре плиты.
Плита, а также основание разбивались на конечные элементы, длиной АХ, шириной АУ и высотой Ah (АН). Размеры элемента в плане АХ и АУ принимались одинаковыми для плиты и грунта. Расчет проводился для трех случаев:
- размеры АХ и АУ изменялись, а величины Ah и АН оставались постоянными и равными 14 и 20 см соответственно (т. е. основание по толщине разбивалось на 5 слоев элементов, а плита - на два слоя элементов);
- размеры АХ и АУ оставались постоянными и равными 25 см; Ah принималась постоянной и равной 14 см, а АН изменялась;
- размеры АХ и АУ оставались постоянными и равными 25 см; АН принималась постоянной и равной 20 см, a Ah изменялась.
Результаты расчетов представлены в табл. 2.2 - 2.4.
Напряженно-деформированное состояние плиты при ее неполном контакте с основанием при воздействии подвижной нагрузки
Опыт эксплуатации аэродромов показывает, что при движении воздушного судна его давление на покрытие не остается постоянным [38]. Наличие неровностей (раскрытые швы бетонных покрытий, вертикальные смещения плит, и т.п.) ведет к развитию колебаний воздушного судна при наезде на них и ударам колес о покрытие после перекатывания через них, вследствие чего нагрузки на покрытие возрастают по сравнению со статическими [70]. Таким образом, динамическая нагрузка является одним из факторов, ухудшающих работу плит покрытия. Еще одним фактором, отрицательно влияющим на напряженно-деформированное состояние плит, как было показано выше, является наличие зазора между плитой покрытия и основанием.
В связи с этим возникает вопрос о влиянии динамической нагрузки на напряженно-деформированное состояние плиты при ее неполном контакте с основанием. Для решения этого вопроса была просчитана плита длиной 7,5, шириной 5,0 и толщиной 0,28 м, лежащая на упругом слое грунта конечной мощности (рис.2.2а). Модуль упругости бетона 2,65x104 МПа; модуль упругости грунта 80 МПа; коэффициенты Пуассона бетона и грунта 0,17 и 0,3 соответственно; объемный вес бетона 2,3 т/м3, грунта - 1,8 т/м3.
При выборе толщины упругого основания исходили из того, что она должна быть не менее глубины динамически активного слоя грун -120 та при колебаниях плиты. Исследованием глубины слоя активного динамического деформирования под жестким покрытием занимались А. П. Синицин, Г. И. Глушков, И. А. Медников [38, 83] и др. Согласно полученным ими данным эта глубина, как правило, не превышает 1,55 м. Поэтому для расчета плиты толщина упругого слоя была принята равной 2,0 м.
Для определения динамических нагрузок было рассмотрено движение воздушного судна по профилю конкретного аэродрома. При этом в целях упрощения решения рассматривались колебания модели только в вертикальной плоскости.
Для того чтобы можно было рассматривать отдельно колебания главной и носовой опоры, конструкция самолета должна удовлетворять условию
В качестве расчетного был выбран самолет ИЛ-62М, для которого: С!=1781кН/м; С2=7080кН/м; Rx =302кН-с/м; w}=79893Kr; т2 = 400 кг.
Установлено, что параметры колебаний модели самолета на профиле и микропрофиле покрытия практически не отличаются [99], а получаемые динамические нагрузки зависят не только от вида неровностей покрытия, но и от скорости движения модели [82]. В связи с этим моделировалось движение модели самолета по профилю покрытия со скоростью 20, 30 и 40 км/ч. Профиль покрытия аэродрома по известным ординатам аппроксимировался кусочно-линейной функцией.
Система дифференциальных уравнений (3.3) может быть решена численно, так как при дискретной правой части системы аналитическое решение не возможно. Решение осуществлялось с помощью программы MATHEMATICA (версия 4.1). Некоторые результаты расчетов представлены на рис. 3.32.
Динамические нагрузки от одного колеса главной опоры на покрытие, определялись по следующей формуле
На рис. 3.336 представлен участок графика изменения нагрузки Р во времени, на котором она достигает своего максимального значения.
Полученная таким образом полная динамическая нагрузка прикладывалась к плите на упругом основании в виде нагрузки, равномерно распределенной по площади 0,5x0,5 м.
Расположение зазоров принимали в следующих зонах: центр плиты, середина длинного края, середина короткого края, угол (рис. 3.34). Площадь зазора изменяли максимум от 0 (полный контакт с основанием) до 10,67% от площади плиты.
Рассматривали два варианта перемещения нагрузки: первый -вдоль оси симметрии плиты X и второй - вдоль длинного края плиты (рис. 3.34).
Известно, что при движении нагрузки напряжения и прогибы во всех точках плиты покрытия изменяются во времени [82]. В настоящей работе рассматривались только напряжения и прогибы, которые возникают в плите в момент расположения подвижной нагрузки непосредственно над зоной зазора. Вполне очевидно, что значения этих напряжений и прогибов будут тем больше, чем больше величина нагрузки в данный момент времени. Следовательно, закон изменения Р вдоль плиты должен быть таким, чтобы максимальное значение нагрузки возникало в момент ее нахождения над зоной зазора.
Остановимся на этом более подробно. Время, за которое нагрузка проходит всю плиту на скорости 40 км/ч, составляет 0,675с. На графике 3.336 показано два участка изменения нагрузки (или, фактически, два закона изменения нагрузки) протяженностью 0,675с: I и П. Эти оба закона изменения нагрузки использовались для расчета плиты следующим образом.
Сначала рассматривали первый закон изменения Р вдоль плиты как для первого, так и для второго вариантов перемещения нагрузки при различных значениях площади зазора под плитой. Соответственно максимальное значение нагрузки возникало в момент ее нахожде -127 ния в середине короткой стороны или в углу для первого и второго вариантов перемещения нагрузки.
Потом рассматривали второй закон изменения Р для двух вариантов. В этом случае максимальное значение нагрузки приходилось на центр плиты и середину длинного края соответственно в первом и втором вариантах перемещения нагрузки по плите.
Помимо воздействия подвижной нагрузки рассматривали также нагружение плиты неподвижной нагрузкой Рскт.
Расположение зазоров принимали таким же, как и при расчетах на действие подвижной нагрузки: в центре, середине длинного и короткого края, в углу плиты. Площадь зазора изменяли максимум от О до 10,67% от площади плиты. Нагрузку располагали непосредственно над зоной зазора (рис. 3.1).
Результаты расчетов плиты на действие статической и динамической нагрузки представлены в виде графиков на рис. 3.35 - 3.38.
Центр плиты. Как видно из графиков, представленных на рис.3.35, напряжения и прогибы в плите будут больше при воздействии динамической нагрузки, как в случае полного контакта плиты с основанием, так и при наличии зазора между ними. Так, в случае полного контакта плиты с основанием при воздействии динамической нагрузки напряжения и прогибы в плите будут больше в 1,13 раза, чем при воздействии статической нагрузки. Появление зазора между плитой покрытия и основанием и увеличение его площади приводит к росту нормальных напряжений и прогибов плиты, как в случае воздействия на нее статической, так и динамической нагрузки. Например, изменение F от 0 до 10,67% от площади плиты приведет к увеличению напряжений в 1,2 раза, а прогибов в 1,25 раза независимо от вида нагрузки. Отсюда следует, что при расположении динамической нагрузки в центре плиты, напряжения и прогибы в ней будут больше в 1,13 раза
Анализ результатов испытания плит фрагмента цементобетонного покрытия
Испытания модели цементобетонного покрытия проводились по методике, описанной в п. 4.1. Как отмечалось выше, помимо экспериментальных исследований проводился также теоретический расчет модели покрытия методом конечных элементов. Размеры расчетной модели, места приложения нагрузки, а также области распространения зазоров под плитой показаны на рис. 4.1.
На рис. 4.3 - 4.5 показано испытание цементобетонных плит модели покрытия.
По результатам теоретических и экспериментальных исследований были построены графики зависимости максимального прогиба плиты от величины приложенной нагрузки (рис. 4.6-4.8).
Испытание плит центрально приложенной нагрузкой (рис. 4.3а). Испытание проводилось для двух случаев: первый - плита имеет полный контакт с основанием, второй - между плитой покрытия и основанием в зоне нагружения имеется зазор, площадь которого составляет 4% от площади плиты.
Из рис. 4.6а видно, что изменение нагрузки в большую сторону приводит к увеличению прогибов. Это справедливо и для теоретических и для экспериментальных данных. При этом теоретически была получена линейная зависимость прогиба от нагрузки, как в случае полного контакта плиты с основанием, так и при наличии зазора.
При нагрузках, не превышающих 4 кН, в случае полного контакта плиты с основанием экспериментальная кривая практически совпадает с теоретической прямой. При дальнейшем увеличении нагрузки наблюдается расхождение теоретических и экспериментальных данных, которое не превышает 15%.
В целом зависимость прогиба от нагрузки, полученная экспериментально, носит нелинейный характер как в случае полного контакта плиты с основанием, так и при наличии зазора. При этом данные, полученные опытным путем, больше теоретических (за исключением начального участка экспериментальной кривой, соответствующей случаю полного контакта плиты с основанием). Интенсивность нарастания прогибов при увеличении нагрузки в плите, имеющей неполный контакт с основанием, больше как по результатам теоретических, так и экспериментальных исследований. Например, при нагрузке 9,5 кН нарушение контакта плиты с основанием приведет к увеличению прогиба в 1,04 и 1,12 раза согласно теоретических и экспериментальных данных соответственно.
Расположение нагрузки в середине короткой стороны плиты (рис. 4.36). Согласно данным, полученным экспериментально и теоретически, увеличение нагрузки, приложенной к середине короткого края плиты приводит к росту ее прогибов независимо от условий опирання плиты на основание (рис. 4.66).
Как и в предыдущем случае наблюдается линейная зависимость теоретического прогиба от нагрузки, чего нельзя сказать о прогибах плиты, полученных опытным путем. При этом экспериментальные данные больше теоретических (расхождение не превышает 15%).
Сравнение теоретических и экспериментальных прогибов плиты в случае ее полного контакта с основанием и при наличии зазора показывает, что зазор между плитой покрытия и основанием отрицательно сказывается на деформированном, а, следовательно, и на напряженном состоянии плиты. Так, неполный контакт плиты с основанием при нагрузке 9,5 кН вызывает увеличение прогиба плиты в 1,14 и 1,17 раза согласно теоретических и экспериментальных данных соответственно.
Испытание плит нагрузкой, приложенной в середине длинной стороны (рис. 4.4 а, б). Испытание плиты нагрузкой, приложенной к середине длинного свободного края плиты, включало два случая: первый - полный контакт плиты с основанием, второй - наличие под серединой нагружаемого края зазора площадью 2% от площади плиты. При испытании стыкового длинного края плиты рассматривался только случай полного контакта плиты с основанием. Результаты испытаний и расчета представлены на рис. 4.7а, б, из которых видно, что в основном, экспериментальные прогибы больше теоретических. Расхождение теоретических и экспериментальных данных не превышает 15%. Исключение составляют прогибы, полученные при нагружении свободного края плиты, имеющей полный контакт с основанием нагрузкой 1,9 кН. В этом случае экспериментальное значение прогиба в 1,25 раза меньше теоретического.
Наличие даже незначительного зазора (2% от площади плиты) между плитой покрытия и основанием при нагружении свободного длинного края плиты приводит к росту ее прогибов (рис. 4.7а). Например, при нагрузке 7,6 кН прогиб возрастет в 1,13 и 1,14 раза согласно результатам, полученным экспериментально и теоретически соответственно. А при нагрузке 3,8 кН эти же значения увеличатся в 1,2 и 1,14 раза. Таким образом, наличие зазора площадью 2% от площади плиты приведет к увеличению теоретического прогиба в 1,14 раза независимо от величины нагрузки. Приращение же экспериментального прогиба при появлении зазора не является величиной постоянной.
При нагружении середины стыкового края плиты, также как и в предыдущих случаях, наблюдается рост значений прогибов при увеличении нагрузки (рис. 4.76). Интересно отметить, что в данном случае получилась практически линейная экспериментальная зависимость прогиба от нагрузки; теоретическая же зависимость, как и прежде, линейная. Расхождение между теоретическими и опытными данными не превышает 16%.
Сравнение графиков, представленных на рис. 4.7а и 4.76 показывает, что рост прогибов при увеличении нагрузки более интенсивно происходит при нагружении свободного края плиты. Например, при нагрузке 9,5 кН прогиб середины свободного края плиты будет больше, чем прогиб середины стыкового края плиты в 1,36 и 1,37 раза согласно данным, полученным в результате расчета и эксперимента соответственно. Из этого следует, что наличие стыковых соединений оказывает существенное влияние на деформированное состояние плиты при нагружении середины ее края.
Нагружение угла плиты (рис. 4.5 а, б). Нагружение свободного угла плиты проводили для случая полного контакта плиты с основанием и при наличии под плитой зазора площадью 1% от площади плиты. Испытание угла, вдоль одной из сторон которого имеются стыковые соединения, проводили только для случая полного контакта плиты с основанием.
Анализ результатов расчета и эксперимента (рис. 4.8а) показывает, что при нагружении свободного угла наличие даже незначительного по площади зазора оказывает существенное влияние на прогибы плиты. Так, при нагрузке 9,5 кН наличие зазора площадью 1% от площади плиты приводит к увеличению прогибов в 1,35 раза - согласно теоретическим и в 1,42 раза - согласно экспериментальным данным.
Сравнение графиков на рис. 4.8а и 4.86 показывает, что наличие стыковых соединений вдоль одной из сторон нагружаемого угла приводит к снижению величины прогиба плиты в случае полного контакта ее с основанием. Например, при нагрузке 9,5 кН наличие связей между плитами приводит к уменьшению прогиба в 1,35 и 1,36 раза согласно результатам расчета и эксперимента соответственно.
Обобщая сказанное выше, можно сказать, что во всех случаях нагружения экспериментальные данные больше теоретических (исключение составляют начальные участки некоторых экспериментальных кривых нагружения). Такое расхождение объясняется, по всей видимости, наличием пластических деформаций в грунте основания. Испытания, проведенные для определения механических параметров грунта, показали, что в грунте образуются не только упругие, но и остаточные деформации. Но в целом качественная картина деформированного состояния покрытия при однократном приложении нагрузки близка к теоретической.
