Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. Анализ конструктивных схем, задач и методов расчета
сооружений, взаимодействующих с сыпучей средой
и вовлекающих ее в работу 12
Типы сооружений, взаимодействующих с окружающей засыпкой 12
Классификация подпорных стенок 14
Анализ технического состояния существующих
подпорных стенок 31
1.4. Задачи расчета и проектирования подпорных сооружений
уголкового типа. Существующие методы расчета 38
ГЛАВА 2. Анализ разрушения сыпучего тела при повороте уголкового
подпорного сооружения вокруг нижнего неподвижного ребра .45
2.1. Основные методы определения опрокидывающих
и удерживающих сил при оценке устойчивости уголковой
подпорной стенки 45
2.2. Описание взаимодействия уголковой подпорной стенки
и сыпучего тела при повороте стенки, качественные
экспериментальные исследования устойчивости
уголковой стенки 50
2.3. Расчетная схема определения нагрузки на уголковую
подпорную стенку при повороте ее относительно
нижнего неподвижного ребра 60
ГААВА 3. Экспериментальное определение объема сыпучего тела,
вовлекаемого подпорным сооружением уголкового типа
в работу на устойчивость 64
Постановка модельных испытаний 64
Проведение и обработка экспериментальных исследований 74
ГЛАВА 4. Метод регулирования устойчивости подпорных
сооружений уголкового типа 86
Основы приближенного метода расчета удерживающих сил от действия сыпучего тела, вовлекаемого в работу уголковой подпорной стенки на устойчивость 86
Теория построения отображения формы фундаментной плиты ..90
Исследование приближенного метода определения объема сыпучего тела, вовлекаемого в работу уголковой подпорной стенки на устойчивость 95
4.4. Метод регулирования устойчивости подпорных сооружений
уголкового типа изменением формы фундаментной плиты 102
ГЛАВА 5. Натурные экспериментальные исследования устойчивости
подпорных сооружений уголкового типа 113
Постановка натурных экспериментов 113
Оборудование и материалы испытаний 120
Процесс измерений и результаты обработки экспериментов 128
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 142
ЛИТЕРАТУРА 146
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 «Сравнение подпорных сооружений различных
типов по материалоемкости» 156
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 «Анализ причин разрушения подпорных стен........ 160
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 «Программа определения удерживающего
момента для подпорного сооружения уголкового типа
при различных формах фундаментной плиты» 172
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 «Экспериментальная уголковая стенка ЭС:
рабочие чертежи, иллюстрации процесса изготовления» 178
ПРИЛОЖЕНИЕ 5 «Определение прочностных характеристик
засыпки» 206
Введение к работе
Подпорные сооружения различных конструктивных решений являются неотъемлемой частью архитектурного облика городов, возведенных на сложном гористом рельефе. Основная функция подпорных сооружений - удержание грунтового массива от обрушения - позволяет применять их при решении большинства задач вертикальной планировки местности.
Во Владивостоке, например, в течение всего времени его становления, возведены сотни подпорных сооружений различных типов. Сооружения, возведенные в конце XIX, начале XX веков, эксплуатируются и в настоящее время, и требуют восстановления, как правило, только в случае изменения условий их эксплуатации. В период интенсивного строительства города в шестидесятых годах двадцатого столетия создана развитая промышленная база производства сборных и монолитных железобетонных конструкций. Возросшие темпы строительства и объемы строительных работ требовали появления новых экономичных конструктивных решений подпорных сооружений, позволяющих более полно вовлекать в работу окружающую засыпку. В результате большая часть возведенных в регионе подпорных сооружений — это сборные и монолитные подпорные стенки уголкового типа, состоящие из двух основных элементов: вертикальной (ограждающей) панели и горизонтальной (фундаментной) плиты.
Вследствие низкой материалоемкости (см. Приложение 1) и большого разнообразия конструктивных решений подпорные стенки уголкового профиля нашли применение в промышленном, гражданском, транспортном и гидротехническом строительстве, и практически полностью заменили стенки гравитационные, выполненные из природного камня или бетонных фундаментных блоков.
На основных стадиях проектирования расчет любых сооружений и, в том числе, подпорных стен, заключается в оценке их эксплуатационных
5 качеств, основные среди которых - прочность и устойчивость. В работе изучается проблема устойчивости1 уголковых подпорных стен, как взаимодействующих с засыпкой сооружений, в которых грунтовая среда (засыпка) занимает значительный объем. Оценка эксплуатационных качеств вообще представляет собой сравнение двух состояний внутренних связей материала: рабочего и предельного. Для получения количественных характеристик рабочего состояния, максимально возможных при эксплуатации сооружения (действующих напряжений, перемещений и т.д.) необходимо решить проблему нагрузки на сооружение. Нагрузка представляет собой усилия в связях между сооружением и средой, то есть в связях между подпорной стенкой и окружающим грунтом засыпки, если среда находится в предельном состоянии. Таким образом, для решения проблемы нагрузки необходимо отделить сооружение от среды (решить вопрос о положении грани, разделяющей сооружение и засыпку), то есть установить действительную схему разрушения сыпучего тела в предельном состоянии.
Среди существующих теорий определения нагрузки сыпучего тела на ограждение наиболее распространенной остается предложенная в восемнадцатом веке теория Ш. Кулона. Теория Кулона в большинстве случаев применяется для гравитационных подпорных стен, практически не вовлекающих окружающую засыпку в работу. Границей раздела гравитационного сооружения и сыпучей среды является поверхность их непосредственного контакта (обращенная к засыпке поверхность стены - напорная грань). Согласно теории, система приходит в состояние предельного равновесия при сдвиге подпорной стенки от грунта: при этом от массива засыпки отделяется клин (призма обрушения), одна из граней которого - известна (напорная грань сооружения), вторая находится из условия максимума давления на стенку.
Здесь и далее под устойчивостью понимается устойчивость положения, т.е. способность сооружения сохранять свое первоначальное положение, всегда пребывать при малых посторонних возмущениях близко к исходному невозмущенному состоянию и возвращаться к нему полностью, если случайные причины, вызвавшие возмущение сооружения, исчезают
Более общий метод определения нагрузки на подпорную стенку, предложенный В.В. Соколовским, предполагает, что сыпучее тело за подпорной стеной целиком находится в предельном напряженном состоянии. Приближенный численный метод решения исходных дифференциальных уравнений и уравнений предельного напряженного состояния позволяет определить положение возникающих в грунте линий скольжения. Применение теории Соколовского достаточно трудоемко и требует в общем случае множества вычислений, поэтому на похожих идеях разработан графический способ определения давления сыпучего тела на подпорные стены (метод С.С. Голушкевича). Иные, не столь широко распространенные теории, а также развитие упомянутых методов определения нагрузки представлены в работах В.Г. Березанцева, Н.П. Пузыревского, Г.К. Клейна, Е.А. Гаврашенко, М.Е. Кагана, З.В. Цагарели и многих других).
Для гравитационных подпорных стен расчетные значения давления, определенные на основе теории Кулона, в основном согласуются с данными экспериментов [84].
Для случая уголковых подпорных стен, когда обе поверхности скольжения, ограничивающие сползающую призму, проходят внутри засыпки, экспериментальные значения давления на напорную грань с теоретическими расчетами согласуются хуже [20].
Общепринятая гипотеза определения давления на стены уголкового профиля, разработанная в рамках строительной механики сыпучих тел, состоит в том, что давление следует определять как для случая пологих подпорных стенок, прибавляя вес пристенной призмы грунта к собственному весу стенки [47,57]. При горизонтальной поверхности засыпки сползающая призма оказывается симметричной относительно вертикали, проходящей через свободный край фундаментной плиты (рис 0.1а). В этом случае на указанной вертикальной поверхности отсутствуют сдвигающие силы и действует только горизонтальная сила давления засыпки, такая же, как на вертикальную гладкую стену (треугольник сил на рис.0.1 в). Таким
образом, согласно принятой теории вес вовлекаемой в работу засыпки учитывается в объеме пристенной и половины сползающей призмы (рис 0.1г).
в)
а)
Рис. 0.1
Схема к определению нагрузки на уголковую подпорную стенку
а - симметричная призма обрушения; б - равновесие призмы обрушения; г - треугольник
сил; д - эквивалентная расчетная схема
Однако можно заметить, что если во всех случаях следовать традиционной теории, то приложенная к системе «стенка - засыпка» моментная нагрузка должна быть равна сумме моментов сил удержания и опрокидывания при условии пребывания системы в состоянии предельного равновесия. Проведенные предварительные опыты показывают, что необходимо приложить в два-три раза больший момент, чтобы привести уголковую стенку в предельное состояние поворотом вокруг фиксированной точки (в ходе качественного эксперимента выяснилось, что при опрокидывании стенка вовлекает в работу объем окружающего грунта, расположенного не только непосредственно над горизонтальной плитой). Наиболее вероятная и существенная причина, объясняющая это явление, состоит в следующем: указанные теории определения нагрузки и в том числе теория, закрепленная в нормативных материалах, предполагают в качестве предпосылки к последующему разрушению засыпки небольшой сдвиг стенки в сторону активного давления. Поэтому несоответствие экспериментальных запасов устойчивости стенки расчетным объясняется тем, что при опрокидывании уголковая стенка по-иному взаимодействует с засыпкой, нежели при сдвиге, возникает
другая схема разрушения засыпки, и, соответственно, вопрос о применимости рассмотренного метода определения нагрузки при расчете устойчивости подпорной стенки на опрокидывание требует дальнейшей проработки.
Существует множество подпорных сооружений с выступами и консолями в сторону засыпки (в том числе уголковые и комбинированные контрфорсные подпорные стенки), закрепляемых от линейных смещений (сдвигов) конструктивными способами (устройством свай, специальных упоров (зубов) в горизонтальной плите, заглублением плиты в грунт, заменой грунта основания, устройством дополнительной анкерной плиты и другими). Оценка устойчивости таких сооружений должна во многом определяться невозможностью поворота (опрокидывания) конструкции под действием давления сыпучего тела.
Зачастую и для уголковых стенок типовых конструкций, смещение фундаментных плит которых по подошве исключено вследствие устройства с внешней стороны насыпей, дорог, дренажных каналов и других сооружений, должна быть выполнена проверка устойчивости против опрокидывания вокруг нижнего неподвижного ребра.
Характер и особенности взаимодействия с засыпкой уголковых и иных подпорных стенок, снабженных консольными плитами, можно также проследить, проанализировав состояние возведенных, эксплуатируемых в настоящее время сооружений. Несколько последних лет кафедра теории сооружений ДВГТУ внимательно следит за поведением подпорных стен, построенных в городе Владивостоке и других населенных пунктах Дальневосточного региона. За это время накоплен уже достаточно обширный опыт обследования подпорных стен: обследовано около семидесяти стенок уголкового профиля, в той или иной мере утративших свои эксплуатационные качества. Анализ разрушений показал, что стенки, испытывающие неблагоприятные изменения условий эксплуатации, разрушаются, прежде всего, из-за
9 сниженного в процессе производства, монтажа и эксплуатации, уровня прочности элементов конструкции (см. Приложение 2). Изменение физико-механических свойств засыпки приводит к возрастанию нагрузки на стенку, и влечет за собой потерю прочности.
Разрушения подпорных стенок, для которых соблюдаются условия нормальной эксплуатации (когда свойства засыпки и другие параметры соответствуют проектным), вероятнее всего являются следствием несоответствия принятой расчетной схемы стенки реальным условиям работы конструкции: особенности взаимодействия уголковой стенки с окружающим сыпучим телом при ее опрокидывании обеспечивают более высокие значения активного давления засыпки, нежели предполагается принятыми методиками расчета.
Таким образом, для определения нагрузок от сыпучего тела, (учитываемых как при оценке прочности отдельных элементов конструкции, так и при определении удерживающих и опрокидывающих сил), необходимо разработать метод, учитывающий особенности взаимодействия подпорного сооружения уголкового типа с засыпкой при его опрокидывании.
При проектировании по существующим методикам устойчивость уголковых подпорных сооружений регулируется в основном за счет изменения вылета (ширины) горизонтальной фундаментной плиты, т.е. за счет изменения объема ее материала. Установленная действительная картина разрушения засыпки при повороте уголковой конструкции вокруг нижнего неподвижного ребра, выявленные особенности взаимодействия сооружения с засыпкой для такого вида предельного состояния, позволят выяснить, как можно «управлять» силами удержания, разработать методы совершенствования конструктивных решений подпорных сооружений.
Необходимо разработать метод, позволяющий путем преобразования конструкции основного силового элемента уголковой конструкции (горизонтальной фундаментной плиты) влиять на объём вовлекаемого в работу сооружения окружающего сыпучего тела, и
10 таким образом регулировать устойчивость подпорного сооружения без значительного изменения материалоемкости конструкции. Таким образом, в работе необходимо:
определить схему взаимодействия подпорного сооружения уголкового типа и сыпучего тела при повороте сооружения относительно нижнего неподвижного ребра, и разработать соответствующий метод определения нагрузки для этого вида предельного состояния;
разработать прикладной конструктивный способ, позволяющий за счет выявленных особенностей совместной работы сооружения с засыпкой усовершенствовать уголковую конструкцию путем видоизменения основного ее силового элемента - фундаментной плиты.
Цель работы: построение гипотезы предельного состояния сыпучей среды при повороте подпорного сооружения уголкового типа относительно нижнего неподвижного ребра, и разработка на основе предложенной гипотезы метода определения нагрузки на сооружение и управления его устойчивостью.
Реализация цели потребовала решения следующих задач:
классифицировать подпорные сооружения по степени вовлечения в их работу окружающей засыпки;
провести анализ разрушений возведенных подпорных сооружений уголкового типа;
оценить достоверность существующих методов расчета устойчивости и определения нагрузки сыпучего тела на уголковые подпорные стенки;
определить схему взаимодействия подпорного сооружения уголкового типа и сыпучего тела при повороте сооружения относительно нижнего неподвижного ребра;
разработать методику определения давления на уголковую подпорную конструкцию на основе предложенной гипотезы перехода системы «подпорное сооружение-засыпка» в предельное состояние;
определить объем окружающего сыпучего тела, вовлекаемого в работу подпорного сооружения на устойчивость, на малых моделях и в натурных условиях;
разработать методику расчета удерживающего момента и определения обеспечивающего его объема окружающего сыпучего тела, при любой форме фундаментной плиты сооружения в плане;
разработать программное обеспечение, реализующее предлагаемую методику для современных вычислительных средств;
разработать инженерный способ управления устойчивостью уголкового подпорного сооружения с учетом особенностей его взаимодействия с засыпкой и работы основного силового элемента — фундаментной плиты;
исследовать влияние формы и размеров фундаментной плиты на величину обеспечиваемого засыпкой удерживающего момента в расчетах устойчивости подпорных сооружений уголкового профиля и разработать критерии оценки эффективности формы фундаментной плиты.
Работа содержит 145 страниц машинописного текста, 100 рисунков, 14 таблиц, 5 приложений, библиографию из 136 наименований.
