Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ исследований по оценке воздействия подвижной нагрузки на дорожные одежды на слабом грунтовом основании. цель и задачи исследования 10
1.1. Анализ исследований по оценке воздействия подвижной нагрузки на дорожные конструкции на слабом грунтовом основании 10
1.2. Общие сведения о работе слабых грунтовых оснований ... 23
1.3. Анализ методик расчета земляного полотна на торфяном основании по критерию допустимых амплитуд и ускорений колебаний 25
1.4. Цель и задачи исследования 36
2. Математическое моделирование динамического воздействия подвижной нагрузки на дорожную конструкцию на слабом грунтовом основании 38
2.1. Предпосылки к разработке модели дорожной конструкции на слабом грунтовом основании 38
2.2. Расчетная схема системы «дорожная одежда - земляное полотно -слабое грунтовое основание» 39
2.3. Жесткость дорожной конструкции 48
2.4. Движение груза по плите, лежащей на упругом основании 53
2.5. Время действия подвижной нагрузки 58
2.6. Физическая сущность динамического разрушения слабого грунта 60
2.7. Предпосылки к динамическому расчету дорожных конструкций
на слабом грунтовом основании 62
2.8. Выводы по главе 2 71
3. Оценка достоверности математической модели экспериментальным данным ускорений колебаний слабых грунтов 73
1. Экспериментальные исследования деформационных характеристик дорожных одежд под воздействием подвижных и ударных нагрузок..73
2. Адекватность математической модели экспериментальным данным ускорений колебаний слабых грунтов 77
3. Выводы по главе 3 86
Методика расчета устойчивости дорожных конструкций на слабом грунтовом основании при динамических воздействиях 87
1. Прочность водонасыщенных песков при динамическом воздействии..87
2. Обоснование методики расчета устойчивости дорожных конструкций на слабом грунтовом основании при динамическом воздействии 92
3. Технико-экономический расчет высоты насыпи на слабом грунтовом основании 97
4. Выводы по главе 4 98
Общие выводы и результаты исследований 100
Список литературы
- Общие сведения о работе слабых грунтовых оснований
- Расчетная схема системы «дорожная одежда - земляное полотно -слабое грунтовое основание»
- Адекватность математической модели экспериментальным данным ускорений колебаний слабых грунтов
- Обоснование методики расчета устойчивости дорожных конструкций на слабом грунтовом основании при динамическом воздействии
Введение к работе
Актуальность темы: В наибольшей степени актуальность темы следует из характерных особенностей состояния сети дорог, построенных на слабых грунтах: непродолжительного срока службы, вызванного значительными осадками и погружением земляного полотна в слабые грунтовые основания, разрушением покрытий и наличием на них различных деформаций, снижающих скорость движения транспорта и эффективность перевозок. При этом отмечается более существенный рост деформаций на дорогах высоких категорий, свидетельствующей о недостатках дорожных конструкций в части гарантированного восприятия слабыми грунтами оснований динамического воздействия подвижной колесной нагрузки [13, 59, 61, 109]. Вследствие неупругой работы насыпей и их оснований происходит разрушение дорожных одежд [69, 82, 105, 110]. Методика расчета дорожных конструкций на слабых грунтах, изложенная в «Пособии по проектированию автомобильных дорог на слабых грунтах» (2004 г.), не в полной мере учитывают особенности работы конструкций на слабых грунтовых основаниях и, в частности, явление тиксотропии (разжижения) под действием ускорений колебаний, создаваемых подвижными нагрузками, что обуславливает необходимость дальнейших исследований. Данная методика расчета дорожных конструкций на слабых грунтах ориентированна на предельные ускорения колебаний покрытий дорог, а не слабых грунтовых оснований, в связи с чем высота земляного полотна назначается с запасом. В тоже время, наиболее подверженной деформациям и разрушениям является зона контакта земляного полотна со слабым грунтовым основанием. Исследование закономерностей реакции системы «дорожная одежда -земляное полотно - слабое грунтовое основание» в виде ускорений колебаний в граничной зоне под действием подвижной автомобильной нагрузки позволяет, после уточнения этих значений, обеспечить устойчивость рассматриваемых дорожных конструкций при динамических воздействиях за счет снижения высоты насыпи. В результате учета вибрационного воздействия подвижных нагрузок на границе «земляное полотно - слабое грунтовое основание» и опыта работы существующих конструкций предлагаемая методика позволяет снизить объемы земляных работ.
Основная идея работы заключается в том, что в отличие от предыдущих исследований настоящее рассматривает область наступления предельного состояния устойчивости дорожных конструкций на слабом грунтовом основании при динамических воздействиях - границу «земляное полотно - слабое грунтовое основание».
Объектом исследования является система «дорожная одежда -земляное полотно - слабое грунтовое основание».
Предмет исследования - изменение ускорений колебаний в системе «дорожная одежда - земляное полотно - слабое грунтовое основание» на границе земляного полотна со слабым фунтовым основанием под воздействием автомобилей в зависимости от высоты насыпи, модуля упругости грунта земляного полотна, мощности слабого основания и его модуля упругости.
Цель исследования -. выявление закономерностей реакции системы «дорожная одежда - земляное полотно - слабое грунтовое основание» в виде ускорений колебаний на границе земляного полотна со слабым грунтовым основанием под действием подвижной автомобильной нагрузки.
Для достижения цели в работе поставлены следующие задачи:
1. Обосновать математическую модель ускорений колебаний дорожной конструкции на слабом грунтовом основании. Выполнить оценку достоверности данных, полученных по модели, экспериментальным.
2. Исследовать закономерности изменения ускорений колебаний системы «дорожная одежда - земляное полотно - слабое грунтовое основание» под действием подвижной нагрузки на основе обоснованной модели.
3. Разработать методику расчета устойчивости дорожных конструкций на слабом грунтовом основании при динамических воздействиях. Методологической базой теоретического исследования являются математическое моделирование слоистых дорожных конструкций как колебательных систем, теория колебаний систем с использованием физических параметров слоев конструкций и слабых грунтов, механика деформирования сплошных слоистых систем, метод расчета дорожных конструкций по определению предельных значений колебаний земляного полотна на слабых грунтовых основаниях, математическая статистика, теория вероятности.
Научная новизна работы состоит в обосновании расчетной схемы системы «дорожная одежда - земляное полотно - слабое грунтовое основание» при воздействии подвижной нагрузки, выявлении закономерностей реакции системы «дорожная одежда - земляное полотно -слабое грунтовое основание» в виде ускорений колебаний на границе земляного полотна со слабым грунтовым основанием под действием подвижной автомобильной нагрузки.
Основные положения, выносимые на защиту: математическая модель ускорений колебаний на границе «земляное полотно - слабое грунтовое основание» при воздействии подвижной нагрузки; методика расчета устойчивости дорожных конструкций на слабом грунтовом основании при динамических воздействиях.
Практическая значимость работы значения высоты насыпи, определенные по предлагаемой методике, уменьшаются по сравнению с величинами, полученными по известной методике, что позволяет говорить об уменьшении объемов работ, а, следовательно, и о снижении стоимости дорожной конструкции в целом. Результаты исследований могут быть использованы при подготовке инженеров по специальности «Автомобильные дороги и аэродромы», а также в проектных организациях.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций определяется удовлетворительным экспериментальным подтверждением расчетных значений ускорений колебаний на границе «земляное полотно -слабое грунтовое основание». Максимальное отклонение этих значений составляет 13 %.
Личный вклад в работу состоит в формулировании основной идеи, цели и задач; выявлении основных закономерностей реакции дорожной конструкции в виде ускорений колебаний на границе «земляное полотно -слабое грунтовое основание» на воздействие подвижной автомобильной нагрузки; получении численного результата ускорений колебаний на границе земляного полотна со слабым грунтовым основанием; сопоставлении экспериментальных результатов с расчетными значениями критерия устойчивости; разработке методики расчета устойчивости дорожных конструкций на слабом грунтовом основании при динамических воздействиях.
Реализация результатов исследования:
1. Специалистами ОАО «Томскнефть» с участием автора на участке дороги протяженностью 5 км (на куст № 52) Первомайского месторождения нефти по проведенным исследованиям был выполнен расчет виброустойчивости дорожных конструкций на «слабых» торфах, мощность которых достигала 8 - 9 м и предложен ряд дорожных конструкций с учетом особенностей района строительства.
2. Результаты диссертационных исследований вошли в монографию: Андреева Е.В. Параграф 5 // Механика и теплофизика дорожных конструкций / Ш.М.Айталиев, А.В.Смирнов, Б.Б.Телтаев, В.Н.Шестаков.
Апробация работы осуществлялась на Международной конференции по геотехнике «Взаимодействие сооружений и оснований: методы расчета и инженерная практика» (г. Санкт-Петербург, 2005 г.); Международной научно-технической конференции «Современные проблемы автомобильных дорог» (г. Алматы, 2005 г.); научно-техническом семинаре факультета «Автомобильные дороги и мосты» (СибАДИ, г. Омск, 2007 г.); Международной научно-практической Интернет-конференции «Современные методы строительства автомобильных дорог и обеспечение безопасности движения» (г. Белгород, 2007 г.); II Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования» (СибАДИ, г. Омск, 2007 г.).
Публикации: по материалам диссертации опубликовано 11 работ.
Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Результаты исследований изложены на 112 страницах основного текста, включающего 20 рисунков, 10 таблиц, библиографию из 111 наименований и 35 страницах приложений.
Автор работы выражает признательность проф. Никитину В.П., под руководством которого была начата научная работа, а также всем сотрудникам факультета АДМ, оказавшим помощь в выполнении данной работы.
Общие сведения о работе слабых грунтовых оснований
Напряжения на поверхности слабого основания складываются из напряжений от собственного веса дорожной конструкции и напряжений от транспортной нагрузки. Первые носят характер статических и постоянно действующих, вторые - кратковременных, периодически возникающих, которые при определенных условиях могут носить динамический характер.
Для конструкций автомобильных дорог, на которые активно воздействуют рассмотренные нагрузки, достоверность определения механических характеристик грунтов играет первостепенную роль. Прочность грунтов является наиболее важным параметром, обеспечивающим устойчивость и надежность работы земляных сооружений [30, 73].
При совместном воздействии многократно повторяющихся нагрузок от автомобилей и природных факторов, в дорожной конструкции возникают напряжения и деформации, которые, постепенно накапливаясь, приводят к ее разрушению. При этом, в грунтовом основании дорожной конструкции про исходит потеря его прочности и, как следствие, осадки и сдвиговые процессы. При деформациях и разрушениях земляного полотна неизбежно деформируется и разрушается дорожная одежда [49, 53].
Использование слабых грунтов в качестве основания насыпи требует выполнения соответствующих инженерных расчетов, связанных с оценкой и учетом устойчивости основания и прогнозом конечной величины осадки и изменением ее значений во времени. При этом, необходимо проверять расчетом устойчивость откосов, величины упругих осадок, стабильность торфяного основания. При необходимости предусматриваются необходимые проти-водеформационные мероприятия: увеличение высоты насыпи, уширение бермы, вертикальное дренирование слабой толщи и пр. [30, 32, 72, 87]. Для оценки устойчивости основания насыпи необходимо иметь данные о сопротивляемости грунтов сдвигу, для прогноза осадки - консолидационные характеристики. В результате инженерно-геологических изысканий, с высокой степенью достоверности должны быть установлены геометрические параметры слабой толщи, т.е. мощность и расположение отдельных слоев, а также расчетные значения показателей физико-механических свойств рассматриваемых слоев [30].
Характерная особенность толщи слабых грунтов - ее неоднородность, которая проявляется в изменении величин механических показателей по глубине и в плане толщи. Даже в тех случаях, когда по визуальным признакам нельзя выделить отдельные слои, неоднородность проявляется в изменении величин механических показателей по глубине и простиранию толщи.
При использовании слабых грунтов в основании во всех случаях происходят его деформации, вызывающие соответствующие деформации насыпи. Однако, формы деформации основания могут быть различными. При некоторых условиях деформации основания имеют катастрофический характер и приводят к разрушению насыпи. Процесс разрушения сопряжен с интенсивным выдавливанием грунта из-под основания насыпи в виде пластической массы или выпиранием его по некоторой поверхности скольжения.
Таким образом, при использовании слабых грунтов в основании насыпи приходиться сталкиваться со следующими задачами:
1. Обеспечение устойчивости основания насыпи, т.е. исключение или ограничение возможности выдавливания грунта основания за пределы контура подошвы насыпи.
2. Оценка и учет возможной конечной величины и хода во времени осадки насыпи, вызванной уплотнением грунта ее основания под воздействием нагрузки от веса насыпи.
При строительстве дорог, главным образом, на торфяных основаниях, в ряде случаев возникает также специфическая третья задача:
3. Учет динамического эффекта от воздействия транспортной нагрузки, при которой могут возникать чрезмерно интенсивные колебания насыпи: по крытие начинает работать в условиях знакопеременной деформации, что приводит к его преждевременному разрушению.
Решение указанных задач требует развития соответствующих представлений о напряженном состоянии основания насыпи, об условиях нарушения его устойчивости, деформации уплотнения слабого грунта, а также об условиях возникновения упругих колебаний насыпи [30].
Расчетная схема системы «дорожная одежда - земляное полотно -слабое грунтовое основание»
Вибродинамическое нагружение дорожной одежды на слабом грунтовом основании значительно отличается от принятой классической схемы, которая используется при расчете дорожных одежд.
Во-первых, при проектировании нежестких или жестких дорожных одежд модуль упругости нижележащих слоев принимается меньше модуля упругости вышележащего слоя. Если дорожная одежда подстилается слабым грунтом, расположенным на прочном основании (минеральном дне болота), то эта закономерность не выполняется.
Во-вторых, для нежестких одежд соотношение модулей упругости смежных слоев не должно быть более 5 раз [45]. Для жестких дорожных одежд это соотношение достигает 100 - 300. То есть, применять принятые при проектировании расчетные схемы одежд недостаточно корректно.
В-третьих, упругое основание, при наличии слабого грунта, имеет по глубине ограниченные размеры - деформирование происходит на ограниченной толщине. В поперечном направлении, за пределами дорожной одежды, деформации крайне малы, поэтому понятие упругое полупространство для дорожной одежды, устраиваемой на слабом грунтовом основании, не соответствует действительным условиям работы основания.
В-четвертых, для слоистого полупространства распределение вертикальных напряжений по глубине от колеса автомобиля, или заменяющего его штампа, подчиняется экспоненциальному закону, плавно уменьшаясь по глубине. При наличии монолитных слоев дорожной одежды, способных работать на изгиб, такой закономерности не может быть. Слои покрытий, обладая высоким модулем упругости и относительно большой толщиной, в пределах толщины слоя не могут плавно снижать вертикальные напряжения. Изменение вертикальных напряжений происходит скачком. Аналогичные явления могут наблюдаться и в жестких дорожных одеждах, когда не обеспечивается надежный контакт плиты с основанием - вертикальные напряжения в таких местах основания равны нулю. Поэтому, использование расчетных схем, применяемых при проектировании жестких и нежестких дорожных одежд для исследования работы дорожных конструкций на слабом грунтовом основании неприемлемо, и требует уточнения расчетной схемы.
Анализ динамических напряжений и деформаций дорожной конструкции, расположенной на слабом грунтовом основании, необходимо начать с обоснования расчетной схемы, которая должна отражать основные физические условия работы конструкции. При анализе следует учитывать как геометрические, так и физические свойства материалов конструктивных слоев и грунта земляного полотна.
Состояние дорожных конструкций, уровень соответствия их параметров, предъявляемым эксплуатационным требованиям, а также качество и соответствие готовых сооружений, определяют возможность полного использования дорожного ресурса при создании адекватных математических моделей, достаточно точно и полно характеризующих физическую сущность их работы. Особенности работы грунтовых сооружений выражаются в возникновении значительных вертикальных прогибов (перемещений) дорожных конструкций, скорости и ускорении их колебаний. Один из таких методов состоит в адекватной замене реального земляного полотна и дорожной конструкции моделью, включающей систему сосредоточенных масс, связанных упругими элементами, имитирующими упругие свойства слоев земляного полотна и многослойного основания из слабых грунтов. Работу полученной физической модели описываем дифференциальными уравнениями, решение которых позволяет получить динамический прогиб как: и = 2 и1 (здесь п і число слоев конструкции, на которые она разделена по признаку однородности свойств), так и производные от перемещений во времени.
При определении требуемых размеров конструкций (например, высоты насыпи земляного полотна, толщины слоев дорожной одежды) в условиях, когда дорожная конструкция крайне неоднородна по физико-механическим свойствам, необходимо составление математической модели процессов механического воздействия подвижных автомобильных нагрузок на дорожную конструкцию.
В нормативном документе [73] при определении напряженного состояния насыпи на слабом грунтовом основании используются решения плоской задачи теории линейно-деформированного однородного полупространства, загруженного с поверхности нагрузкой, распределенной по тому или иному закону. Размеры полупространства по глубине ограничены границей активной зоны сжатия: - кровля прочного и малосжимаемого грунта, расположена на глубине не превышающей половины ширины насыпи понизу; - горизонт, на котором вертикальные нормальные напряжения от внешней нагрузки не превышают 20% от величины напряжений от собственного веса грунта основания.
Условия вычисления параметров, определяющих прочность конструкций в сложных природных условиях (например: прогиб от нагрузки, напряжения), должны быть существенно иными, нежели условия, определяющие прочность конструкций в обычных условиях строительства дорог, например, на прочных грунтах
Адекватность математической модели экспериментальным данным ускорений колебаний слабых грунтов
Обзор ранее выполненных исследований не позволяет сделать вывод о завершенности задач динамики и работоспособности дорожных конструкций.
Применение обобщенного критерия работоспособности дорожных конструкций для их расчета возможно в случае выполнения комплекса экспериментов, определяющих адекватность теоретических положений, а также необходимые динамические характеристики и параметры [91].
При строительстве дорожных конструкций на слабом грунтовом основании необходимо определить высоту насыпи, которая обеспечит устойчивость всей конструкции под действием динамической нагрузки. В тоже время, это должна быть такая высота насыпи, которая выгодна не только с технологической и эксплуатационной, но и с экономической точки зрения. То есть, необходимо определить минимально возможную высоту насыпи на слабых грунтовых основаниях.
Движение автомобилей с малыми скоростями не вызывает существенных колебаний и незначительно увеличивает дополнительное давление на покрытие от колес. При этом отсутствует колебательный процесс в дорожных конструкциях, однако, с увеличением скоростей движения увеличиваются частоты колебаний колес, подрессоренных масс и дополнительные давления от них. Время приложения нагрузок от колес уменьшается, приближаясь ко времени удара.
Строительство дорог в районах с широким распространением слабых грунтов приводит к необходимости устройства дорожных конструкций на слабых грунтовых основаниях.
Проектирование дорожных конструкций, и, в частности, расчеты минимальной высоты насыпи и толщины дорожной одежды, производятся на основе решений механики деформирования сплошных слоистых систем путем сопоставления расчетных и допускаемых амплитуд колебаний или ускорений.
Во второй главе были получены теоретические числовые значения ускорений колебаний на границе «земляное полотно - слабое грунтовое основание», которые необходимо сравнить с числовыми значениями ускорений колебаний слабого грунта, полученных экспериментальным путем при воздействии подвижной нагрузки.
Сибирской государственной автомобильно-дорожной академией на действующих автомобильных дорогах Севера (Тюменская область), находящихся в эксплуатации 8-11 лет, были выбраны несколько наблюдательных постов [89]. Конструкция первого поста принята за эталонную, так как не включала оснований из торфов или болотных слабых грунтов. На остальных постах в основании насыпи имелся слабый грунт в талом состоянии, а один из постов был полностью скрыт водой. Физико-механические свойства грунтов наблюдательных постов определяли по стандартным методикам, модули упругости грунтов - по значениям влажности, а торфов - по значениям осадки торфяной залежи, установленной при контрольном бурении.
В начале испытаний была проведена визуальная оценка ровности сборного покрытия, а также степень разрушения плит на всех постах (табл. 3.1).
По визуальной оценке неудовлетворительному состоянию по ровности соответствовало наибольшее выкрашивание бетона с обнажением арматуры и наибольшее число разрушенных плит из-за поперечных трещин.
Во время испытаний за подвижную нагрузку был принят трехосный автомобиль массой 26 т, с давлением на колесо передней оси 3 т, средней и задней осей - 5 т. Автомобиль, в одних и тех же местах измерения значений прогибов и ускорений колебаний, двигался с различными скоростями, значения которых изменялись от 5 до 60 км/час.
Измерение прогибов, скоростей, ускорений и частот колебаний, возникающих в дорожных конструкциях, производились датчиками перемещений ДП-3, вибраций ДВ-ІСВ и ускорений ДУ-5С комплекта виброизмерительной аппаратуры ВИА - 6ТН. Дополнительно для измерений скоростей колебаний применяли датчик И00І комплекта К001. Датчики позволяли измерять перемещения от 0 до 20 мм, вибросмещения от 0 до 2,5 мм, ускорения от 0,1 до 2,0 g и амплитуды колебаний ± 1 мм в диапазоне частот от 0 до 120 Hz. Погрешность комплекта виброизмерительной аппаратуры ВИА - 6ТН составляет ±5%. Регистрацию показаний датчиков осуществляли самописцами Н338-6П и Н338-4П. Для питания измерительной системы применяли блок батарей ЮНКГ-1,5 и переносной агрегат АБ-І-0/230 мощностью I кВт с выходным напряжением 220 В ± 10 % и частотой 50 Гц.
Перед измерениями датчики виброкомплекта ВИА-6ТН и К00І тарировали на вибрационном электродинамическом стенде ST 1000 (ГДР). Измерения на поверхности железобетонных плит покрытий дорожных конструкций производили датчиками, закрепленными на боковых гранях плит с помощью специального зажаш. Измерения внутри конструкции, на глубине земляного полотна от 0,5 до 4,0 м - путем закрепления в скважинах на требуемой глубине жесткого анкерного стержня переменной длины, связанного с датчиками, установленными на поверхности плит покрытий.
Результаты измерений прогибов на поверхности дорожной конструкции под действием горизонтальной нагрузки показали, что при незначительной скорости движений (5 км/час), прогибы, практически, обратимы. При увеличении скорости движения до 40 - 75 км/час, кривые прогибов от отдельных колес автомобиля накладываются друг на друга и максимальные прогибы отстают от момента приложения нагрузки на 0.3 - 0.36 с, что является следствием нелинейности связи между напряжениями и деформациями в дорожной конструкции на слабых основаниях.
Анализ результатов измерений позволяет утверждать, что при движении автомобиля со скоростью от 5 до 50 км/час, величина прогиба поверхности плиты уменьшается с 0,48 до 0,28 мм, а значение скорости, ускорений и частот колебаний увеличиваются. При скорости движения автомобиля выше 50 км/час, значения прогибов увеличиваются до 0,35 мм, и наблюдается рез кое увеличение скорости и ускорений колебаний, что вызвано дополнительной динамической нагрузкой от автомобиля при проезде неровностей на стыках сборных железобетонных покрытий [91].
Обоснование методики расчета устойчивости дорожных конструкций на слабом грунтовом основании при динамическом воздействии
При движении автомобилей с малыми скоростями не возникает существенных колебаний автомобиля, и незначительно увеличивается дополнительная нагрузка на покрытие. При этом отсутствует колебательный процесс в дорожных конструкциях. Однако, с увеличением скоростей движения (обычно, при скорости движения более 40 км/ч), увеличиваются амплитуды колебания колес и дополнительные нагрузки от них на дорожную конструкцию. Особенно эти нагрузки проявляются при движении по неровному покрытию, на котором имеются неровности, имеющие длину, соответствующую длине волны собственных колебаний неподрессоренной массы (колес на шинах и подвеске). Частота собственных колебаний колес составляет около 50 - 60 рад/с. Подрессоренная масса существенного воздействия не оказывает, т.к. ее частота собственных колебаний на порядок ниже, чем колес, а динамическое усилие пропорционально частоте во второй степени.
При дальнейшем увеличении скорости движения время воздействия подвижной нагрузки на дорожную одежду уменьшается. При этом в дорожных конструкциях должны возникать волны напряжений, определяющие колебательный процесс и, в частности, ускорения колебаний [90].
Применение математических моделей для описания работы дорожных конструкций в форме уравнений колебаний поверхности при воздействии подвижной нагрузки, а также в виде системы выражений для прогиба поверхности слоистого земляного полотна, позволяет решать практические задачи назначения требуемой высоты насыпи или толщины дорожной одежды [88].
В соответствии с условием устойчивости конструкции необходимо знать критические ускорения водонасыщенных песков земляного полотна, как наиболее пригодных, и разрешенных нормативными документами, материалов для сооружения земляного полотна на слабых грунтах. Нижняя часть песчаной насыпи в контакте со слабым грунтом находится всегда в водонасы-щенном состоянии из-за просадок в болото, озеро или в поймы рек, постоянно подтопляемых, и поэтому ускорения колебаний песков являются первопричиной их тиксотропии (разжижения) и постепенного погружения, от многократных сотрясений, в слабый грунт. Для этой цели воспользуемся теоретико-экспериментальным исследованием, проведенным Н.Н. Масловым и В.К. Ах-матом [64].
В соответствии с выводами «фильтрационной теории» [63] динамической устойчивости водонасыщенных песков, падение сопротивляемости сдвигу водонасыщенности песчаных масс связано со снижением действующих в грунте нормальных напряжений, при возникающем в грунте, в определенных условиях, противодавления. При резком снижении сопротивляемости сдвигу песка неизбежно нарушение устойчивости откосов, характеризующихся даже относительной пологостью.
В водонасыщенной песчаной толще при ее сотрясении с некоторой интенсивностью, определяемой ускорением колебательного движения выше критического, в связи с уплотнением грунта возникают восходящие фильтрационные токи с определенным градиентом jz, который поддерживается динамическим напором h2. Сопротивляемость сдвигу недостаточно уплотненной и лишенной сцепления песчаной массы в динамических условиях может быть описана формулой Sdm = (PcnZ - РеК )ё tg(P„ , (4.1) где z - глубина залегания рассматриваемого горизонта, см; рт - плотность песка, взвешенного в воде, равная, приблизительно, 1,7 кг/м3; рв - плотность воды, 1 кг/м3; h7-динамический напор, см; tgcpn - коэффициент внутреннего трения песка.
При соблюдении условия И. = 0 выражение (4.1) примет вид SduH = San = PeZtg P„ = Pntg(pn , (4.2) то есть, в этом случае, сопротивляемость песка сдвигу будет определяться его статическим состоянием. В случае, если рв=1,0 г/см и /?„=1,0 г/см и при равенстве динамического напора hz - pez/ рв, сопротивляемость сдвигу песка в динамических условиях окажется равной нулю, т.е. sduH = О .
При постоянной интенсивности динамического воздействия по глубине толщи, динамический напор в соответствии с указанной теорией определяется выражением: V / z2 к п нг ч к "2, . Vf .. П (4.3) где // - мощность толщи, см; к - коэффициент фильтрации песка, см/с; Vn- коэффициент динамического уплотнения, определяемый экспериментальным путем (1/с): (4-4) где п - пористость песка, %; / - время, с.
Таким образом, коэффициент Vn характеризует быстроту уплотнения песка в динамических условиях.
Динамический градиент]7 восходящего тока определяется из выражения V где —- = А - модуль динамического уплотнения, 1/см. К Коэффициент vn и модуль Ап динамического уплотнения песка, отражающие его динамические свойства, определяются опытным путем. Инженером Валид Канан Ахмат [64], были определены величины Vn и Ап для песков различного гранулометрического состава, применительно к разным динамическим условиям их работы. Опыты проводились на малом вибролотке с горизонтальной направленностью колебательных движений.
