автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Математическое моделирование и методы расчета устоев автодорожных мостов

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНЖЕНЕРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ им. В. В. КУЙБЫШЕВА

На правах рукописи

ШАПИРО Давид Моисеевич

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА УСТОЕВ АВТОДОРОЖНЫХ МОСТОВ

05.23.02. Основания и фундаменты

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва — 1991

Работа выполнена в Воронежском филиале Государственного дорожного проектно-изыскательского и научно-исследовательского института ГнпродорНИИ.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор С. С. Вялов; доктор технических наук, профессор А. Б. Фадеев; доктор технических наук, профессор В. Д. Казарновский.

Ведущая организация — Союздорпроскт.

Защита состоится « ию.НА 1991 г. в ЖЗо

"асов на заседании Специализированного совета Д53.11.05 при МИСИ им. В. В. Куйбышева по адресу: Москва, ул. Спартаковская, 2, а уд. 212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Просим Вас принять участие в защите и направить Ваш отзыв по адресу: 129337, Москва, Ярославское шоссе, 26, МИСИ им. В. В. Куйбышева, Ученый Совет.

Автореферат разослан « . . . » ....... 1991 г.

Ученый секретарь Специализированного совета

канд. техн. наук, доцент А. Л. Крыжановский

V .'Л

ортациД

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблем/. Диссертация посвящена развитии мето-

дов расчета и совершенствованию инженерных решений устоев автодорожных мостов путем внедрения в исследуемун область современных достижений теории фундаментостроеняя и механики деформируемых сред, которые связаны с успехами вычислительной техники.

Фактором, влиявшим в наибольшей степени на экономическую эффективность и надежность проектных решений устоев, является способ математического описания силового взаимодействия грунта и со-орукения. Действующие нормн проектирования (СНиП 2.05.03-84) определяют воздействие грунта на устой как активное даа-энис по Кулону в предположении плоской поверхности скольтания оэз качестмн-ного различия при расчетах обсыпного и необсыпного типов устоев. Такая расчетная схема сформировалась есе в то время, когда в мостостроении преобладали массивные береговые опоры в виде гравитационных подпорных стенок. В современных условиях такие устои полностью утратили свое значение и заменены раннкмя обсыпными либо тонкостенными необсыпнымл системами, которые требуют иного подхода при расчете. Обсыпные устои, применяемое наиболее широко, не имеят главного признака подпорной стенки, так как не удерживают вертикальную грэнь зэсыпкл. Поэтому при их проектировании пр;шя-тая в нормах расчетная схема не может считаться теоретически корректней.

В последнее десятилетие предложен ряд новых систем устоев (зявнкерешшэ устои, устоя из армированного грунта, современные модификации лекневых устоез и др.), внедрение и практическое изучения которых сдерживается отсутствием теоретически обосновашшх методов расчета.

В научных публикациях опкевкм к-яогочнеленные аварии, сопровождавшиеся гийзльа или вео1?.е трудоеютги восстановлением устоев (А.А..Луга и'др., 1953*1559, В.П.Еремеев и др., 1986,1089), а т.чн-т большое число дефектов, нэрупагег-сс нормальнуз эксплуатация со-орудии (В.П.Еремеев, И.В.Ярцев, 1982). Одновременно па практике применяется большое число лзлисте материалоемккх технических решений устоев. Главная причина этого положения - непраэом-зрпп сцепка или неполный учет факторов силового воздействия грунта па сооружение в нсполь-п' методах расчета.

" ¡1о дпнным В;Ч>!|1 тонспсртпого строительства (Л.П. г^кеп:'..".

1072; В.Г.Андреев,-Э.А.Еаличкк, Г.К.Глыбипа, 1983), материалоемкость и стош.:ость строительства необсыпных ("бесконусных") устоев составляет 30+40 % от общих затрат на строительство средних мостов. Для обсыпных устоев, основываясь на даыннх о расходах иа их строительство по современным типовым проектам, моено приблкЕснно принять аналогичный пои га гель на уровнз 10-20 %.

А1-.туальность теш диссертация обусловлена практической значимостью рассматриваемой проблемы, ее слабой изученностью, влияющей на технический уровень проектных решений.

Цель работы - создание расчетно-теоретического аппарата проектирования по предельным состояниям современных разновидностей устоев, моделируемых как стернневые системы в деформируемых средах; разработка и внедрение методов расчета для проектной практики и совершенствования конструктивно-технологических решений. .Задачи исследования:

изучение физических явлений, определяющих силовое взаимодействие устоев с грунтом; обоснование допущений, составляющих физическую основу расчетных схем;

постановка и решение прикладных задач, необходимых для математического описания напрякетю-деформированного состояния устоев к разработки алгоритмов расчета;

разработка расчетных схем, конкретизация связанных с ниш ви-яов предельных состояний, создание алгоритмов и их реализация на ЭВМ;

внедрение разработанных методов расчета, совершенствование на их основе конструктивно-технологических решений устоев, создание фрагментов проектной технологии.

Научная новизна работы заключается в следующем: инженерная схематизация силового взаимодействия устоев с грунтовой средой: разработка расчетных схем устоев как стержневых систем з'упругопластической, Еесткопластической, линейно-деформируемой средах;

способ численного решения упругопластической задачи о плоской деформации и простракотвенном напрякенно-дефоршфованном состоянии грунтовой среда, моделируемой в соответствии о теорией пластического течения, конкретизируемой соотношениями обобщенного закона 1ука, условий прочности Мора-Кулона, Мизеса-Шпейхера-Бот-кина, ^ассоциированного закона течения; ^

выявление кинематических механизмов и математическое описа-

?пе изгиба обсыпных устоев в связи с неравномерной осадной основания и нормальными к осям свай (стоек) перемещениями грунтовой среды; формулировка возникающих при этом контактных задач;

постановка и решение прикладных задач, неооходимых длл создания алгоритмов расчета обсыпных устоев как стержневых систем в кесткопластической и линейно-деформирузмол среда::: I) пространственной задачи о предельном равновесии грунтового массива (мостового конуса), ограниченного откосами с трех сторон; 2) контактных задач об изгибе сваи (свайного ряда), свайного кгата, стоечной опоры в поле перемещений грунтовой среды, до^рьзруемсй силами собственного веса;

разработка совокупности критериев предельных состояний, отрл-гаодих предупреждаемые расчетом формы потери несущей способности и особенности используешх клтс/атическпх процедур.

На основании выполненных исследований впервые создан хомплеко научно обоснованных методов расчета, обзспечивага^и: повышение экономической эффективности и иидоаюстн проектных реяепнп, открнмк»-едос путь к внедрении и практическому кзуганки новых прогрессивных систем устоов автодорожных мостов. На защиту выносятся:

разрешающие уравнения полученных решепкй прикладных задач: упруговдастической задачи (I), (3) ,(4), (5); пространственной задачи теории предельного равновесия; контактных задач об изгиба стерше-вых систем в поле перллещениЛ грунтовой среда (9), (10), (II);

нелинейный численный метод расчета оснований, грунтовых и в з а ш.га до й с т в.,тау и. с грунтом сооружен!;:!, вклечаший решение упруго-пластичоокой задачи и реализацию на ЭЬ"; приложение разработанного метода к расчету различных систем устоев; обоснование принигаемых допущений, граничных условий, критериев продельных состояний;

инженерный метод расчета обсыпных устоеа, включавший разработку и экспериментальное обоснование расчетных схем а виде отерьле-вых систем в десткопластической и лике^ко-дефортягруемой средах, комплексы проверок по предельным состояниям и реализующих алгоритмов.

Реализация работы. Результаты исследований внедрены: при разработке 1-й и 2-й очерэдей системы автоматизированного проектирования автог/'^кльных дорог (САПР АД);

в "Рекомендациях по проектирован!!?) обсыпных устоев автодорожных мостов", изданных Шнавтодором РСФСР в 1282 я 1589 гг.;

в проекте "Обсыпные'однорядные сваШше и стоечные.устои авто-

дорожных мостов под пролетные строения длиной м", разрабо-

танном Воронежским филиалом 1йпродорНИИ по плану экспериментального проектирования Госстроя СССР (1983-1983), и новой редакции этого проекта, выполненной по заданию Минавтодора РС4СР (1987);

при работе над темами "Совершенствование методов расчета и конструкций обсыпных устоев автодорожных мостов" (1982-1985) и "Разработка технологии автоматизированного проектирования автодорожных мостов и путепроводов" (1986-1988) научно-технического сотрудничества между институтами Минавтодора РСФСР и Министерства транспорта НРБ;

при выполнении планов внедрения и развития новой техники и внедрения научно-техшчесюас достижений Минавтодора РСЗСР и института ПтродорНИИ (1973-1959).

ДпроДеция работы. Основные результаты диссортационноЯ работы докладывались на Ш Всесоюзном совещании по основаниям, фундаментам к механике грунтов (Киев, 1971); семинаре-совещании "Повышение качества строительства мостов за счет широкого применения сборных опор" (Москва, ВДНХ СССР, павильон "Транспортное строительство", 1971); научно-техническом совещании "Повышение качества проектов и эффективности строительства автомобильных дорог путем сарокого применения ЭВМ при выполнении проектно-изнскательсяих робот" (Душанбе, 1977); БеесошноД научно-технической конференции "Повышение эффективности и качества транспортного строительства ка Ш'й, а также других районах Сибири и Дальнего Востока" (Москва, 1979); республиканском совещании "Повышение эффективности и улучшение качества проектирования и строительства автомобильных дорог п сосругепЕй па ш" (Москва, ВДНд СССР, 1977); сеьзтэре "Строительство к эксплуатация автомобильных дорог г заболоченных и за-супагааых районах" Экономической и Социальной комиссии ООН для стран Азш и Тихого Океана (ЕСКЛТО ООН) (Москва-Петрозаводск, 1987); научно-технических конференциях ВИСИ (1970-1972, 1974-1990), МЛДК (1971), ШСИ (1983); П Всесоюзной конференции "Использование достиеэнпй нелинейной механики грунтов при проектированы: оснований и фундаментов'1 (Йоппсар-Ола, 1989); Всесоюзной научно-технической конференции "Современные катода проектирования, строительства, ремонта и реконструкции автодороших мостов в путепроводов" (Саратов, 1989).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 30 статьях я аннотациях программ в научно-технических журналах и научных ез-

даниях, выпускаем« центральными и др. издательствами по списку, утвержденному ВАК СССР; тезисах докладов на мевдународном семинаре, всесоюзных и республиканских конференциях; трех методических документах по проектированию; четырех депонированных работах (статьях, отчетах о 1ШР).

оодьташк РАБОТЫ

Решение научно-технической проблемы, сформулзфоваиюй в на-эвении диссертации, потребовало создания (в дополнении к мнящейся в нормах проектирования расчетной схеме в виде подпорной стенка) двух методов расчета, включающих расчетные схем;, критерии предельных состояний, программное обеспечение:

ушшерсальпого, корректного в теоретическом отношении нелинейного метода, основывающегося на упругопластической модели грунта и предназначенного для расчета различных (в том числе неизученных) систем устоев;

инженерного метода, реализующего математическое моделирование (на основе моделей грунта как жестко'шаотической и линейно-деформируемой среда и вынесенных из экспериментов допущений) обсыпных устоев, которые применяются на практике наиболее широко.

В тебл.1 показана связь современных разновидностей устоев и способов расчетной схематизация присущих им предельных состояний.

Структурная схема на рис. I иллюстрирует взаимную связь час-гей выполненного исследования, содержащего разработку, теоретическое и экспериментальное обоснование методов расчета, развитие конструктивно-технологических ьр.гнципов проектирования и их реализация в разрзботанных проектах.

I. Нелинейный метод расчета устоев

Рассматриваемый метод вглючавт решение упруго,тлзстической задачи для грунтов, программное обеспечение, критерии предельных состояния, принципы конечно-элементной формализации рассчитывае-ип систем. Нелинейный метод включает две версии: плоскую (плоская деформация) и осескмметоичкую. 12го процедурную основу составляет метод начальных кппряадялй (;ИШ) в сочетании с 'ЯП (О.Зенкевич, 1975), а теоретическую - математическое описание грунта как сплошной изотропной еррда, моделируемой в соответствии с теорией пластического течения. В расчете рассгатриваются полные значения

б

Расчетные слеш устев Шахаица /

и оьлас/яи их прасоп'ершго использования

Шипы усшез Ошы (пог.сречте сечения) е/стоса система

••Р 21 ° р'й да

ле&неше •>., >» >И Ш /}>\г~ "X! !,} Ш Ш /■) А И

Яснштеюше ььаантте у спои 9 1 тя'ич» иг- ■ргъпг'р;' 7,7 а А И

Уаг,»и 8 ьиде сусршр/ю сперта: сяктох ^ ¡У" £р.з~ V И Д н

Зссжелшуе сиеяеми и <п,'„аи щ ЩШрв&ЯШЗ.Х грунта ^ 1 vй -7» -\\ •яптгхпИз 4 -¡Г7/ГТГ •гг а.-" П А И

(¡(Сбтные устий ТПГЯГХГЙГЯ*' у ),1 Л ,чг • т.* ИГ^ м 1Я )„ у/Л- V* Д н н

В таблице обозначено: I - оголовок, 2 - лекень, 3 - подпорная стенка (шпунтовый ряд)4 - свайный ряд, Б - стоечный ряд, 6 -шарнир, ? - заборная стенка из железобетонных плит, 8"- разгрузочная гошта, 9 - анкерное устройство, 10 - армоэлементы, II - грунт насытш и'конуса, 12 - переходная шшта, 13 - пролетное строение, Д - достаточная совокупность проверок по предельным состояниям, Н - необходимая, но недостаточная совокупность проверок, П - расчетная схема пригодна в качестве первого приближения.

Решение прикладных *удач.

Рис. í

Структурная схема равот!

напряжений и перемещений (деформаций), которые могут быть определены в предположении одновременного приложения действующи сил или с учетом поэтапного нагружения.

На выбор математической модели повлияло требование о том, чтобы используемые физические уравнения опирались на "основные параметры механических свойств грунтов" (согласно стандарту СЭВ 384-76 и СНиП 2.02.01-84), определяемые по стандартным методикам. В постановке упругопластической задачи представлзны следующие гипотезы: I) учитываемые проявления нелинейности включают пластическую деформацию формоизменения при сложном напряженном состоянии, беспрепятственное деформирование при растяжении, сдвиг по заданной поверхности; 2) при сложном напряженном состоянии (сжатии со сдвигом) общие деформации включают линейную (упругую) и пластическую части, причем пластическая составлявшая деформаций возникает после достижения напряженным состоянием предела прочности в соответствии с условиями Мэра-Кулона для плоской задачи и Мизеса-Шлейхера-Боткина при решении пространственной задачи; 3) тензоры-дзв,-:аторы скоростей пластических деформаций и напряжений при сложном напряженном состоянии приняты сооснымн (коаксиальными); 4) на стадии пластического деформировали учтена дшштснсия при произвольном соотношении мегду скоростями разрыхления и сдвига (нсассоцшрованный закон течения).

Разрешающие уравнения МНН выражают связь между напряжениями (¿е}с е конечных элементах в начале ¿-й ступо1ш итерации (в начале расчета это результаты лилейного решения задачи) и неизвестным: компонентат напряжений (ёр}; , соотвегствуп5шн физическим условиям задачи. Для основного вида нелинейности (пластического формоизменения при продельном напряженном состоянии) уравнения связи между [¿/^ л (3 Р}[ получены на основании принципа МШ, согласно'которому вызываемые ими деформации равны. Искомые соотнесения иллюстрирует двухмерная аналогия итерационного процесса МШ1 на рис. 2: точки изображают напряженло-деформированное состояние {3е} - (6е! на билинейном графике £*/(&)■, а течки - определяемые компоненты напряжений (¿¡1 . Использование этого приема в сочетании с условием предельного равновесия и допущением о соосности напряжений и деформаций позволило получить для условий плоской задачи

где У , V , С , - механические характеристики грунта : ко-эффициенг Цуассона, угол внутреннего трения, удельное сцепление, параметр дилатгнсик Л, - (е, * ?г)/(е, - с£) ( е,г - г да aime пластические деформации). Таким пе путем палучзки аналогичные соотношения для условий трехмерной задачи:

о;

Л • Fc(1-?.V)/&[6c/.A(U (5)

(6)

где Е, & • EfeO+v) - модуль деформации и модуль сдвига; Ы . К , А - прочностные характеристики п параметр долатэнсил грунта при пространственном непрягеннок состоянии; , - пер-

вый инвариант тензора и второй инвариант денкатсрэ соответствующих напряжений.

Программа, реализующая решение упругепластической задачи, является многоцелевой, предназначенной для расчета различных категорий сооружений, в которых используется несущая способность грунта. В расчете учитываются все рассмотренные гше проявления нали-пе'шостл грунтовой среда. Действующе сипа могут быть приложены в произвольной последовательности. Возмотан учет гидростатически распределенного природного давления в основании пли исходного напряженного состояния, достигнутого системой до приложенля нэгруз-кл. В расчетах используются конечные элементы в взде упругопласти-ческих прямоугольных пласт:п;ок, оооеи№.тр1гч1Е*х колец треугольного сечения, моделируящкх грунт, и уступи стершей, представля"}-цих на расчетной схеме M КЗ свойные ртды, стенки, геотекстиль и другче взаимодействующие с грунтом кочструпда.

В результате расоти програгкч 01грлдгляются перемещения узлов; дшише о наличии иласти'кск;ас ямс-чиЯ; комюиопти напряжений в центрах конечных элементов, поделипу^ц:« грунт; усилия па концах с гордой ; число .'уci! inraux ступеней итсраш-и; параметр ЕГ1 -- Ff)/'2 ( ffsl ~ licurop црцяэг.ц силы, опр°1ки:ечсЙ в ооотнет-стаил с ¡гроцедуг'« ilil/i; S - ичкпр узл ; i - т'У-vjvim ступень итера-

цкк), используемый р качестве показателя сходимости итерационного процесса, и аналогичный параметр - (¿Р,1)1''3 действующей нагрузки ( {PJ} - вектор внешних сил, приложенных к рассчитываемой системе).

Отличительной особенностью нелинейного метода является бк-полквние расчетов по предельным состояниям первой и второй групп по одной расчетной схеме, изменяя коэффициенты надежности по нагрузкам, грунту и назначению сооруаения. На рис. 3,а изображена структурная схема, иллюстрирующая связь меаду видами предельных . состояний и противостоящими им проверочными расчетами Виды предельных состояний пряяяты в соответствии о общими формулировками по стандарту СЭВ 384-76. Проверочные расчеты конкретизирует предельные состояндя с учетом ожидаемых форм деформирования и ра&|1у-пеюк. С особенностями используемой модели грунта и расчетной процедуры связаны проверки I) сходимости итерационного процесса к 2) соотношения кег^у перемещениями в заданных точках на последнем этапе нагрусения систег.ы и от полной нагрузки.

Сходимость итерации, т.е. решение, удовлетворявшее всем установленным требованиям (при допустимом соотношении показателей невязки Ее и нагрузки Ер ), свидетельствует о получении статического напряженного состояния, исключающего потерю прочности и устойчивости. Допустимость пластичеояих деформаций оценивается с помощью показателя степени их прогрессировать! на последнем этапе нагрухенкя

(7).

где 5О - перемещения з заданных точках на последнем этапе нагру-кения от нагрузки 6Р , составляющей не более 10 % от полной величины нагрузки Р и - перемещение в тех Ее точках от нагрузки Р . Сущность рассматриваемой проверки иллюстрируется на обобщенном графике "нагрузка-перемещение" (рис. 3,6). Сравнивается наглой касательной А8 в точке В и секущей 0В . Напряженное состояние считается недопустимым в связи с прогрессирующим характером деформаций, если параметр X превышает обусловленную величину. При проектировании устоев рассматриваемая проверка выполняется в узле опирания пролетного строения и в точке сопряжения откоса с основанием.

■ На основании опыта и результатов расчетных исследований рекомендованы приемы расчетной формализации рассчитываемой систеш, ■ позволяющие назначить геометрические к процедурные параметры:

/

/п Рг Ps Рис, 2. Графическая иллюстрация

к урадненилх (i), (з) -(i)

В)

Рис.3. Слет/ к расчетам mentóte по ПРеделн&т состояниям

а - предельны? состояния и CiTocosir ЛРоееРки oseare-ченности от их наступления , б - графическая иллюстрация к уровне -н uto (7).

размеры расчетной области, граничные условия, членение континуума на конечные элементы; представление на расчетной схеме и в исходных данных несуща конструкций устоеЕ, действующих нагрузок; величины показателей, определяющих предельные состояния и процесс решения (допустимое еначение Ер- 0,05 Ер , предельное значение К = 1,5; число ступеней итерации 25-30, после достижения которого расчет прерывается о выводом о необеспеченной прочности или незатухающей ползучести).

Использование нелинейного метода предусматривается при проектировании и исследованиях устоев в следующих условиях: при высоких насыпях в сочетании с основаниями, включающими слои слабых грунтов; при отрицательном результате проверки (по теорга упругости) устойчивости основания против длительных деформаций, который указывает на неопределенность вывода по рассматриваемое техническому решению; при получении в результате расчета обсыпных устоев по инженерному методу излишне материалоемгак проектных решений; при проектировании устоев неизученных систем, для которых на разработаны другие варианты расчета; при разработке приближенных расчетных схем (для оценки правомерности кспользуе-мых в них допущений); при выполнении кон грольных расчетов при авариях и нарушениях нормальной эксплуатации.

Версия нелинейного метода, реализующая решение осесиммет-ричной задачи, позволяет осуществить математическое моделирование нагружения буронабивной сваи возрастающей осевой силой. Примеры расчетов показывают, что предложенный метод позволяет полнее использовать несусую способность к снизить материалоемкостть буронабивных свай в фундаментной части устоев.

2. Расчетная схема устоев кок стержневых систем в кесткопластической среде

Рассматриваемая расчетная схема направлена на предугревде-ние глубокого и локального оползневого сдвига устоев совместно с конусом, насыпью и их основанием. Выполненные исследования включают решение пространственной задачи об устойчивости грунтового • массива, ограниченного откосами о трех сторон (мостового конуса и подходной насыпи); способ практического приложения полученного решения к расчету устоев; программное обеспечение.

Постановка пространственной задачи базируется на принципах

графоаналитического метода теории предельного равновесия. Поверхности скольгения придается корытообразное очертание с поперечными сечениями в виде ломаной линии АвСД (ряс. 4) с углом наклона бор-. tob ß = axe et у п • const . Такой прием позволяет упростить расчет, ого реализацию на ЭВМ и приблизить расчетную форму поверхности скольжения к фактически наблюдаемой.

По аналогии с методом Г.М.Шахунянца (1969) решается обратная задача: при заданном коэффициенте надежности по назначению сооружения in определяется алгебраическая сумма £ горизонтальных составляются сдвигающих я удергзтвающих сил, действующих на расчетной поверхности скольжения:

(в)

где П - общее число отсеков, н." которые делится тело сбрушения; д^. - равнодействующ сил фильтрационного дов/енпч ч пределах I -го отсека; А£е(- , - приращения горизонтальных сил в пределах средней и бортовых частей ¿" -го отсека, определяемые из уравнений равновесия, в которых представлены объемные к внешние активные силы ( Г£ , А/(- , см. рис. 4), силы тренил, сцепления и взаимодействия отсеков.

Полученное решение дополнено аналитическим доказательством, что используемое в постановке задачи допущение об учете на границах отсеков только горизонтальных сил (Г.М.Шдхунянц, 1969) позволяет получить наибольшее значение £ .

При определении параметров , & Еповышающий коэффициент Хп применяется только к сдвигаягцкм каезтельным составляющим ГС1 , Т^ к поверхности скольжения весов соответстЕугщнх частей отсека, почетная поверхность скольжения (центр, радиус сссвсго сечения и угол наклона бортов) определяется путем перебора наиболее невыгодной по условии максивдмя рчвнодайствуицзР £ .

В процессе эксплуатации nporpaw.ii, реализующей ряссг.о'*реннсе вше решение, выявлено, что поверхности скольгения, включающие участки с углом наклона </(-й -50° , не соответствуют физически!.: условиям задачи и долхлы исключаться из расчета.

Расчет по опрг,дг,л"н:но рзянодепс^яующей Е повторяется дважды. Сначала в уравнения (8) пкшимэется <)'„ = 1,0 и проверяется условие £ « 0, обеспечивающее устойчивость (о минимальным запа-

']т /•

/-1

Рис А. Схема к расисты ус,тез как сшсрЛпевых систем в Ас-сткйпластической ску^

1-с.щ поверхности сть&ения 2 - границы геологических слсеэ; .? - юслределсниг горизонтального давления ттпа на ; Ч-1~й отсос.

рук

1Ш?

Рис 5 Пеишы схем к течет* овсшпых усяка как шткнеьых систем в линейно; дфрмируемои скде а- сзайный тощнии устои; б,в - слсечнии соноттш устои:воздействие нагрузки „

поворот фундамента; е,д-аяииии козловый устои: воздействие нагрузки Р, Н, М\неравномерная осадка основания.

' 1-первоначальное положение устоя;2-изогнутые оси спай (стоек),¿-распределение коэффициента постели С2 • /гг, 4 - положение покгхности нЗ после осадки основания. ■

сом) берегового сооружения г,оста без потасршвастато злляготя устоя. Затем выполняется осковпой расчет, в котором к сдвигающим силам Тс( , T6i , л J(- применяется повыгавцгй коэффициент = - 1,4. 3 случае, если поверхность сколыгоши проходит пика фундамента устоя, долгпо быть обеспечено 0 при ¡fn =1,4.

Если полученная з результата расиста равнодзйствущая Е (при !fn = 1,4) направлена в сторону пролета госта ( £> 0) и поверхность сколькенкя пересекает фундаментные конструкции, устой долг.ен бить рассчитан на восприятие sicf силы. Горизонтальной па-грузке на устой придается <1х>р:лз треугольника с наибольшей ординатой Pf, на поверхности скольяенпл (см. рис, 4), а пзгл,п:ал нагрузка Рг распределяется разноперпо по шлршс шкафной стенки и плиты фундамента и поровну меяду стойка;ги и сеплмг заднего (крайнего со стороны насыпи) ряда. Принятый способ распределения довле-1шя Рг обоснован путем ччслепиого ксследояанля.

3. Расчетная схет.а обсыпных устоев как стерзневых систем в лшгаЗно-дефоргаруе'/эЯ среде

В расчете используются допущения, соответствуйте линейной контактной задаче. Экспергаталтпльныз исследования, результаты которых излагаются наяе, показали, что математическая модель метода местных упругих деформаций с лгнеЛным законом распределения коэффициента постели Сг-кг (Л" - коэффициент пропорциональности, г - координата длите! свай и стоэк) лрадоглма к описанию взаимодействия обс'-'пных устоев с грунтом насыпи л основания. Дчя этих. условий ■ опытным путем определена величина параметра /Г = 2000 кДАИ-нри расчетной ширине сваи (стойки), определяемой по эмпирическим уравнениям К.С.йавриева и Н.М.ЕиСиной (1966).

Фактором, отлича2!Цим деформирование обсыпных устоев от других загубленных систем, является их изгиб как вторичный зффект, связанный с перемеиениями грунтовой среды под действием сил гравитации (лес конуса и насыпи): перемещения;га, нолравленлчми по нормали к осям свай (стоек); неравномерной осадкой (креном) основания под фундаментом мелкого заложения или никнкмч концами свай кисгорядлых кустов. В связи с о'пл.; разработка рассматриваемой расчетной схемы вгагочае'. I) решение контактных задач об изг/.бе стери-невых слоте;.; (сваи, свайного ряда, свайного шюгорятного устся, стоечного устся) в поле персмещешгй грунтовой среды; 2) математи-

ческое описание силового взаимодействия различных систем обсыпных устоев с грунтом. При решении контактных задач исходными даньыми являются, числа и уравнения, описывающие свободные перемещения насыпи и основания при действии приложенных к ним объемных сил, а ' результатом расчета - параметры напряженно-деформированного состояния несущих конструкций устоя. *

В качество математической основы расчетов обсыпных устоев и решения контактных задач используется метод начальных параметров . (И.В.Урбан, 1339; К.С.Завриев, Г.С.Шпиро, 1970) или МКЭ. Свей и стойки считаются стержнями конечной жесткости, жесткость оголовка принимается бесконечной. , • .

■ Изгиб.(упругая ось) сваи (свайного ряда, однорядного свейнс-го устоя) в поле горизонтальных (поперечных) перемещений грунтовой среды определяется уравнением, .,'.....

\ У(£)'</,(£) + (!)

где Уг (¿) - заданиая функция свободна перемещений грунтовой среда перпендикулярно оси сваи; - неизвестная функция, вы-

ражающая поправку к перемещениям Уг (¿) вследствие влияния сваи. Уравнение: (9) предопределяет сцоооб решения задачи, которое осуществляется, в два этапа. На первом этапе свае придаются, перемещения У,и определяются условные силы, которые нэобходшло нало-1 жить на сваю, чтобы совместить ее упругую ось с контактирующими , точками грунтовой среды. На втором этапе условные силы снимаются,■ что эквивалентно нагрукению системы "свая - среда" силами противоположного направления, вызывающими перемещения ¿^ (¿). Пераме-щения Уг(г) и. связанные с ними уешшя определяются по методу местных упругих деформаций.' Расчет заканчивается суммированием перемещений !/>{£) и Уг(£) и соответствующих им изгибающих моментов и поп.оречпых сил.

. При рассмотрении деформаций свайного многорядного и козлового устоя кроме перемещений, направлв!шых по нормали к осям свай, учитывается неравномерная осадка под их нижними концами. На первом. этапе расчета каждая (1-я) свая (групповая свая) рассматри-ваетоя как одиночная, определяются параметры ее изгиба и переме-; щения верхнего конца: горизонтальное а^ , вертикальное , поворот Так как сваи объединены жесткой плитой (ригелем свайного устоя), их верхние конца должны расположиться на ее нижней плоскости, которая перемещается в горизонтальном направлении на

величину о , в Еертккплънсгл - на величину с и поворачивается на утол fi . При этом верхнее концы сея it отклоняется от положения равновесия на величины a~ai , c*fiX( -ct- , fl - ft^ (x£- - координата головы i -й сваи относительно оси ригеля в плоскости действия сил). Основные неизвестные расчет" а , с , fi определяются из систем; канонических уравнений метода перемещений (К.С.Ззвряез,Г.С.Шчиро,197С), пырзтагацих равновесие плиты роот-зеркэ, в которых свободные члены ro/iepjr вид

Ra 'i (щ riaa * CiXiac costi), .. 4(ОсЧса 4r£ee -Pifii sinft), (T0)

fy • f (af- xifia * a tiflC tfirA-),

где 'C,-aa , tica , '¿Cjsa (Xlcrc , r(-cc, XCpc) -'реакции в условных заделках плиты против горизонтального и вертикального смещений и поворота при -С1ЖЦ0НЕИ t -й сгяи на а = I ( с = I); Р3 , Р^ -горизонтальная сила и момент,_вызагсющие единичный поворот сваи. Последующее определение параметров изгиба осуществляется при помощи метода начальных парймзтров.-

. При решении задачи сб изгибе стоачтесс устоев гак вторичном эффекте, связанном с перемещениями грунтовой среда, основным неизвестным расчета является угол поворота фундамента iff, . Урал- ■ . нения, составленные при его определении, выражают равновесие, неразрывность узлов сопряжения фундамента со стойками и контакта с основанием. Угол поворота фундаглчта однорядного стоечного устоя,' связанный с неравномерной осадкой и упругой податливостью основа- • тя под фундаментной плитой, определяется по уравнению

ti - fas * ^ - (Ф G-), ф)

где (x)s - угол поворота, ооусловленшй расностьп осадок основа-, ния под задней и передней гранями фундамента при воздействии гз-се конуса и насыпи; Р , е - вертикальная составляющая нагругтеи, передаваемой стойками не фундамент, и ее эксцентриситет относи-, тельпо вертикальной оси- фундамента; М/, л Qt, - момент и попероч-ная сила в заделке стоек [считая ее неподвижной) от воздействия горизонтальной и момонтной нагрузки, приложенной к та верхним концам; t - высота фундамента включая подколенники; /»' - количество стсек; G , Мф - параметра расчотп, мфлтлтакв угол поворота фундамента при действии единичного момента и момент в основании от воздействия отпора грунта горизонтальны* перемещениям уоюя

при повороте фундамента на угол <р* = I. Последующее описание изгиба стоек осуществляется, при помощи метода началыои: параметров по известным перемещениям их нияних концов <р," и Ь'Ц =

В расчетах обсыпных устоев в соответствии о рассматриваемой расчетной схемой учитываются следующие нагрузки н воздействия (рас. 5): I) постоянные и временные нагрузки, и-ршюгонные к оголовку, выражаемые равнодействующими Р. , Н ,М ; 2) неравномерная осадка (крен) основания под фундаментом мелкого заложения и остриями свай в связи о неравномерной нагрузкой весом конуса и насыпи, а такке давлением, передававши фундаментом устоя; 3) перемещения грунта вокруг сЕай (стоек) в связи с вертикальными к горизонтальным:! деформациями иасыпи и верхних слоев основания в пределах высоты устоя.

4. Зкспоршлзнталыше исследования и контрольные расчеты обсыпных устоев

Эмпирическая часть диссертации включает I) испытания мелкомасштабных конструкций (.1571); 2) натурные испытания устоев в условиях строительства (1974+1','75 и 1583+1984); 3) инструментальные наблюдения ка акеллуатотуешх объектах (1983-11985); 4) контрольные расчеты аварийных (по литературным данным) и норгалыю эксплуатируемых сооружений.

Все эксперименты бшж выполнены на объектах с устояш обсыпного типа, которые тлеют наибольшее практическое значение л доступны к опытному исследованию в условиях строительства. Вместе с тем выводы по результатам опытов и наблюдений следует рассматривать гак относящиеся к исследуемым математическим моделям взаимодействия грунта и сооружения, что позволяет распространить их на другие системы устоев.

Испытания мелкомасштабных конструкций включали нагружение аналогов свайного и стоечного устоев горизонтальной силой, создаваемой распором домкрата, установленного между ню,л (рпс. 6,а)'. Каждой "устой" состоял из двух свай (стоек с бетонным фундаментом мелкого залотения), объединенных бетонным ригелем. Сваи и стойки были выполнены из стальных бесшовных труб диаметром 168 мм с толщиной стенки 7 мм со свободной длиной 175 см. Грунтовая обсыпка (пылеватый песок), уложенная с послойным уплотнением, имела трапецеидальное очертание с горизонтальной поверхностью ыеаду ригелями и откосами с нарукной стороны 1:1,5. Горизонтальные переме-

I / У/ /У/ /// I У/У /'/ [,[ /¡^ //У ///

И II и и

Рис. 6. Огщий вид, схема гасполозксния жлкомасштае-/и>х коне/прущий (а); горизонтальные перемещения с:ай и опоек по данным измерений и го расчету (в) 1- сваи и стойки из сташт.г трув диаметром мм; 2 - ее,конный ригель ; -5 - ее г т ни и фундамент 4 -домкрат дг-юа; 5 - Т-огрсзнае распорки * 6-поверхность овенлхи до уровня низа ригелей ± поверхность грунтовой пгиггузки; $ (ГГ) -деформированная ось сваи (стоек); 9(гг)-кзульматы расчета по нелинейному методу, !0(>з/-кзулбл. алы р-усчгта по методу местных упругих деформаций.

щешш свай и стоек измерялись в четырех уровнях струнными прогибо-мерами. Креме того были получены дашше о внутренних напряжениях методом электротензометрии.

Результаты испытаний подтвердили исходны-: предположения и оказались близкими к данным расчета по методу коэффициента постели, распределенного по урззнен.чю С£ ■ ДН и равного 0 у верхнего ксада свай и стоек. Линли 10 и 13 на рис. 3,0 изображают расчетные графики Уг , соответствующие полной величине горизонтальной салы А' =14,2 В расчетах принята характеристика К = - 2000 кН/м'*, при которой значения горизонтальных перемещений и изгибающие моменты оказались на 10-20 % больше получешшх в эксперименте. Этот запас, о также коэффициент уплотнмыя насыпного грунта 0,89, меньший нормируемого (0,95-0,98), компенсируют условность принятого при иепшчшиях продела затухания деформации и учитывают возможные отклонения от установленного чачества грунтовой оОоыпки.

Результаты сопоставительных расчетов, выполненных по нелинейному методу, принимал константы грунтовой засыпка £ =12 ¡,31а, V = 0,3, <р = 28°, с = 1,0 кПэ, также удовлетворительно совпали с данными измерений по форме, эпюр, величине г.аксишльных ординат перемещений (см. рис. 6,6) и изгибаицих моментов.

Натурные испытания обсигггах устоев в условиях строительства выполнены на шести объектах: четырех сооружениях в ССОР (опыты 1974-1975 гг.) и двух путепроводах в НРБ (опыты 1983-1985 гг.).

Серию ошусв 1У74-1975 гг. проводит на устоях (рис. 7): балочного путепровода № I, рамного путепровода № 2, балочных мостов 3 и 4. Основания устоев на всех сооружениях представлены прочными нескальными грунтами. Горизонтальную силу доводили до 98118 кН (10+12 т), что соответствует расчетной нагрузке ча стадии эксплуатации. Инструментальные измерения включали определение горизонтальных перемещений устоев и промежуточных опор (если на них передавалась горизонтальная сила) в уровне их верха при помощр •струнных прогибомеров.

Но всех сооружениях грунт отсыпали с минимальными отшюнени-ями от действующих правил. Конусы и засыпки за устоями возводи!' из мелкозе (.»истого песка с коэффициентом фильтрации Кф = = 2,45 м/оутки (путе1фовоц № I) и мелкой супеси с Кф - I м/сут-ки (путепровод ¡? 2 и мосты № 3,4). Грунт укладывали с послойным уплотнением механизированным спосоосм (прицогншги яиброклткэми),

а в местах, недоступных дот механизмов, - поливкой водой до полного водонасншекия (достигнутый коэффициент уплотнения 0,80-0,05).

Выполненные натуркне эксперименты на четырэх сооружениях показали стзбилънме поитор5пещиеол результаты. Наблюдения в ходе возведения кснуеов и засыпок за устоями подтвердили предположение о том, что если зегшяпыо работы ведутся с соблюдением установленной технологии (или даже с небольшими отклонениями) одновременно л равномерно со стороны пролета п насыпи, то грунт но оказывает од-носторотшегс давления на устой. После обсыпки максимальная горизонтальная сила было больше в 1,5-2,5 раза, а соответствуйте горизонтальные перемещения оказались жньпе в 3-7 раз, чем до обслп-ки. Г,-го показывают данныз табл. 2 о максимальных величинах горизонтальной силы (И) ц перзмпптелпй герхэ ycvoeb на четырех соору-. г.ешшх. Используя зависимость У0 = , где Kf - некото-

рая константа (П.П.Крюкоп, I9G3), на основании экспериментальных данных были полутени значения 1'оризонтальной с или И , вызывающей перемещение сголовков устсев У„ = 0,01 м, которые затем сопоставлены со свслми расчетными аналогами. Кроме того были вычислены "опытные" значения параметра К в уравнении Сг =■ К£ по сс-И (по результатам испытаний)

отношении А = 2000 .... ......... - . Эти данные ■

Н (по расчету)

подтверждают, что рекомендуемая величина К - 2000 кН/м^ соответствует требованию о том, чтобы получаемые но расчету перемещения и изгибающие усилия были по мепт"'е, чем фактически наблюдаемые.

Опыты 1903*05 гг. выполнены'на стоечных устоях даух путепроводов в НИПри бетонировании одной стойки (сечением 80x80 см) устоя на каждом из зтих обтектов бшш установлены струнные тензо-датчики с базой 200 га. В дальнейшем при помощи датчиков осуществлены иобгадения за относительным! деформациями при нагружении стоек. Выполненные исследования тчелтэли следующие Якспериузнм: I) испытание горизонтальной силой, приложенной к свободному xspx-псиу конт'у стойки, после обонпги грунтом до уровня гиза ригеля; при этом измерялись горизонтальные поремпиоиия верхнего конца испытываемой стойки и nm/ялисг, отсчеты тснзодлтчгкор; 2) пп-

Эксперипептплмп!'" нсогодопллнл ойсыпчнх устоев но о^юктзу 2 !iTY. выполнили п холе ипучмо-техттчсского огпудштчостпя лему института^ Мпнавтолорп п'^'.Р (йоттояеткий фалклл Гт.родурЧ'.И) и Лгаи-стеротгз трл1!сч'!гту 11ГБ (¡Ть?!грсект и ЛоуюташЛ институт).

а) Ы

со Ь

лзо

Рис.?. Ощий пиу испытанных устоев (сшты 1973-74гх) а-птепрадод а'/; б-пчтслрощ к'к;б-мэст из; & -пост Ы4; (,4 - четыре стойки шсцамя селения отымаем €Осщ В-четыре стойки сечением 40х40си,-Э-сшя саои

сеянием ¿5*35 т.

¡Яатща 2

Максимальные шичйни горизонтальной сила _ и пегеыефния верха устое? при испытаниях, парамкт/м Н и К

Сооружение, тип устоеа Гогишталь -пая сила, к Н Горизонтально: пекме-ценич черха устоев, си Паесжтр Я, кН Опытная величина яактеакг К, кН/м*

до се- Нтки посла о$сип-ки до ав-сыпки после обсыпки но результата*! испы аании по кк-чету

• Путепровод стоечные ¡/стой 21 55 11 о, во 0.03 о. го т т Ш ям гооо.

Г/юепююв Ш 2 опоечные устои 35 и 0,53 о.оч 203 105 ¿960

Мощ н'б свайный устой М № {,30 ОМ т 74 4т

Мост Н^ стоечные устои я 104 ¿,45 0,24 229 то

блвдзшщ за отсчататди тзнзодэт'пков в ходе строительны:: работ: на первом сооружении (рамный путепровод по схеме 16+2x24+1*3) такие наблвдеппя п родолбит з льи о от ью 13 месяцев прсведсгл, начиная с возведения конуса и до окончания строительства, на втором сооружении (балочный путепровод по схсгле 3x20 м) - только при возведении конуса до уровня низа оголовка.

Для отсыпки конусоз и подходных насыпей использовав! глгаис-тыв (первое сооружение) и песчано-гравийныэ (второе сооружение) грунты. Земляные работы осуществлены мех.агаз1гровсшгом способом с соблетением устснсвлонгаос требований. :: качеству уплотнения грунта.

При обработке результатов испытаний я. наблюдений выполнено сравнение изгпбаицих моментов, полученных на оснобеяии дани с: измерений, и по расчету (в соответствии а решением линейной гонта^т,-ной задачи), а таюге фактически измеренных и расчетных герлзон- , талышх перемещений вер.енэго конца стоек г при действии горизонтальной силы. £орпа и знаки сравниваем зле опир могангев практически совпали. По' величине расчетные г.таксжалънче момептн близки пли несколько превысили (до 30 %) значения, полученшэ ь зкепз-имептах. Горизонтально перемещения верхнего конца стоек &'0 , полученные по расчет;;, несколько превысили фактически измеренные, Пря •< 10 мм ато превышение составляет 20+25 %. Эти результаты сценг-ваш'ся как подтверхутпю'цио основные положения расчетной cxer.it обсыпных устоев как стерготевих систем в ш^йно-дзфоршруеиой среде. Несмотря на использование пр; вэздедзнпд конусов сглзжх грунтов, уравнение коэффициента постели С^ = Х£ при К = = 2000 кН/м'* оказалось пригодным для расчетов. ??лае удовлетворительное совпадение с данными опытов (на устое первого сооружения) показали результаты сопоставительного рзечота, выполненного яс нелинейному методу.

Инструмент альте наблюдения, гфоведенкые нз 7 сооружениях (20 устоев) в НИЗ, зклвчали следуйте измерения: I) определение деформаций олвигп рээиноматиллическгас опорных частей (Р07) и горизонтальных перемещений верхнего гонца балансиров металлических катковнх спорных чпстрй устоях; 2) замэрн зазоров .в деформици-отгных швах у концов моста.

Все обследовянпые устои были однородные, состоящие из столбов (стоек) болмюго семенил (Сйх80, С0х90 см, .2) 120132 см), распо-.ожешшх нп расстоянии 5,5+9,5 г/. Сроки эксплувтчцкп сооружений но могпчт начала измерений - ог 15 до 52 месяцев. Об ¡па я

продолжительность наблюдений - 18 месяцев (сентябрь 1983 - март 1985).

Измерения произведены штангель-циркулем и повторялись 3-7 раз при контрастных (летних и зимних) температурах воздуха. Наблюдения за деформациями (перемещениями) опорных частей были обработаны путем определения средних значений на какдом устое при каждом измерении и сопоставлены с результата^« расчетов. Сопоставительные расчеты выполнены, пршшгэя расчетную схецу обсыпного устоя как стержневоЛ системы в линрйпо-дефопг.-ируепой среде. В расчетах были определены перемещения подвижных опорных частеИ и продольные силы в опитевдкхся на устой пролетках строениях, которые сравнивались о суммарной силой сдвига в РОЧ.

Выполненные измерения подтвердили нормальную работу всех обследованных узлов сооружений. Результаты обработки инструментальных наблюдений показачи соответствие горизоьтальнлх смещений опорных чаотей сезонным иаменвпиям темлерстуры. Односторонние горизонтальные перемещения, связанные с пластическш.ш деформациями грунтовой среды или другиш необратимыми длительными процессам!, не зафиксированы. Данные сопоставительных расчетов удовлетворительно совпали с имеющимися фэктимк и подтвердили реалистичность принятой раочетной схеш и способов оценки учитываемых силовых воздействий.

Контрольные расчеты устоев заключались в проверке устойчивости основания против длительных пластических деформаций и против глубокого сцвьга. Вторая проверка выполнялась по цвум расчетным схемам: рекомендуемой нормативными документами* и разработанной в настоящем исследовании (п. 2). Були выполнены расчеты 20 устозв, в том члслэ пяти сооружений, о которыми произошли аварии глубокого и плоского сдвига (А.А.Луга, 1965,1909), высоких устоев но проекту Литгипродора (В.Квецарас, 1977) и 14 устоев, построенных по проектом Воронежского филиала ГипродорШГЛ в период 1964-1977 гг.

Рекомендуемая форма поверхности скольжения с няиэнчнми боратами и учет противодавлелия устоя позволили уточнить расчет устойчивости против глубокого сдвига и снизить излишние запаси прочности сооружения. Контрольной гасчет основания одного из лкпгиТчшх устоев по нелинейно^ методу чодтвершп ш.'сп'^ю "еро.г.тпостЕ ра?:-.:-

Рукозодство по гфс-лкт|фов'1."и:" сгойгых >Ьу|(гат'<?кт^а. - : Стт ?;':-ицдат, 1930: Гуководст во г,о расчету Фяпрч* «то»' глубогсго изложения, ВНИИ транспортного стрс::т-\1х1ства. - М.,

тия прогрессирующих пластическгл деформаций, которые фактически Жлели место.

При проверке устойчивости глинистих грунтов против длительных пластических деформаций предельное условие основало нп принципе "безопасной нагрузки" (В.Д.Казарновский, IS66; ГЛ.Шпхуняпц, 1969). В расчете принято допущение, согласно которому распределение напряжений считается реалистичным, а действуодая ногрузкэ допустимой, если размеры формально возникающей "области разрушения", где не выполняется условие прочности по Мору-Кулопу, не превышают установленной величины. Во всех случаях при выполнении указанной проверки о'ыло подтверждено соответствие результатов расчетов фактическому поведению сооружений.

5. Инженерный метод расчета обсыпных устоев.

Внедрепие результатов исследования

Инженерный метод включает расчетные схемы обсыпных устоев как стержневых систем в г.есткопластической и линейио-деформируе-мсй среде. Рассматриваемый метод предназначен для массового проектирования при средних высотах насыпи и несложных инжелерно-гео-логялеских условиях, Используемые расчетные схемы образуют комплекс 1гроверок, позволяющий всесторонне рассмотреть силовое взаимодействие грунта и стержневой системы. Ка рис. 8 изображена структурная схема, иллюстрирующая связь няяду'видами предельных состояний в соответствии со стандартеСЗЗ 354-76 и противостоящими им проверочный^ расчетами, допущения и глтематичеекке модели которых внрагягат инженерную схематизацию предупгездэекцх форм дефордировя-ния и рпзрупенпя, Автором разработаны утверздешгые и изданные Мич-автодором FCXP методические документы*, содержание описание расчетных схем инженерного метода и устанавливающие порядок их применения при проектировании.

Па основании практического применения расчетных схсм инженерного метода предложены принципы рационального конструирования, определены оолчети возможного и эффективного применения различных" технических решений (схем; обсыпных устоев. Результаты этой части ксплсдояяння нспользоврны л рабочем проекте отаорядких обенпшх устоев дет ппогокротиого повторного применения, охватывающем раз-

s("'n. чп. , ЛС списка опубликовании* рчоот.

Рис. 8» Структурная схема предельных оостоянпй и расчетов обсыпных устоев

лячнно условия проектирования. Разработанные проектные решения позволяют спизить материалоемкость и стоимость строительства устоев в среднем па 25 %.

Разработанные в диссертации расчетные схемы внедрены в Воронежском филиале Гипродор1!Ш 4973-1589) при проектировании более 150 устоев (83 моста), которые построены пли строятся в настоящее вргкя. Достигнутая прп этом экономия составила 579 тыс.руб. На основании технико-экономического сравнения 102 запроектированных п замененных ия типовых обсыпных устоев, рассчитанных по нормам CIMI 2.05.03-84 и технических условий- СН200-52, сделан вывод о средних размерах оконокия нэ один устой: по стоимости строительства - 3+5 тыс.руб. (19+35 %), по расходу бетона 8-:-15 м3, по расходу армзтуря 2,5i-4,0 т. Яря увеличении высоты язсыпа размеры эка-нетяя возрастает. Эти данные относятся у. проектировании сбсытпшх устоев прп благоприятных инг.с.норно-геолопгееских условиях. Пртх слсбых основаниях онияагля затрзт на строительство устоев из достигается, ко в связи с больсей строгостью расчетов по иннеяерно-:.т/ и неллнеЗпо!.^ катодам обеспечивается надежность проектных ре-neicat.

0СН0ВШЗ ВИВОДЫ Л РЕЗУЛЬТАТЫ ЛССЯРДОВШИ

1. Разработан способ численного репсния'упрутопластичзексй задачи о тоской деформации и пространственном иапрякенно-дефор-нирспаппом состоянии грунтовой среда, моделируемой в соответствия с флзичеокгаш соотноаенгакя захода условий прочности Ь'ора-Кулонз, Мизеса-Ияейхера-Боткина, неассоцкнровзнного ззконе течения. Задача решена методом начальных напряжений в сочетании о 1ЖЭ. Получены разрешающие уравнения, относятся к основного виду нелинейности (пластическое формоизменении при сложном напряженном состоянии). Модель грунта допускает для своего описания использование параметров, определяемое при изысканиях массовых сооружений

по стандартным мотодикоч.

2. На основе полученного численного решения разработан нелинейны'! многоцелевой метол расчета оснований, груптовых и взоимо-действупфтх с грунтом сооружений. В расчете представлены три вила нелинейности, присущие груптпм: беспрепятственное дс-формиронони? при растяжении, пластическое <I<ipr.i0itstT0H5Haie, "еднат пЬ поверхности контакта геологических слоев. Проептир1Г'зн'-:е по Яредслыки состояниям обейте гругч осуществляется с пспольголоигием одной расчетной схемы при одпоЧ t-одрш! грунта, изменяя .коэффициенты нзддуяоетя.

Критерием предельных состояний по потеро прочности и устойчивости является сходимость итерации, по степени прогресс!фОванил пластических деформаций грунтовой среды - соотношение между портмрщешк-ями в заданных точках на последнем этапе нагрукения системы и от полной нагрузки. Нелинейный метод рассчитан на применение при проектировании обсыпных, необешшых и других технические решений устоев в наиболее сложных условиях или при отсутствии альтернативных способов расчета.

3. Расчетная схема устоев как стержневых систем в жесткоплас-тической среде основана на допущениях графоаналитического метода теории«предельного равновесия. Основные уравнения получены в результате решения задачи о предельном равновесии грунтового массива (мостового конуса), ограниченного откосами с трех сторон. Пространственные условия учтены путем придания поверхности скольжения корытообразной форма с наклонными бортами. Полученное решение позволило создать простой и эффективный алгоритм расчета, реализующий решение "обратной" задачи, в которой при заданном коэффициенте запаси устойчивости определяется алгебраическая сумма горизонтальных составляющих сил,, действующих на поверхности скольжения. Эта сила (если она направлена- в сторону пролета) принимается в качестве равнодействующей давления грунта на устой, которое распределяется равномерно по ширине граней шкафной стенки и несущих конструкций, обращенных к насыпи, а в вертикальном направлении - по треугольнику.

4. Расчетная схема ббсыпннх устоев как стеркновых систем в линейно-деформируемой среде .относится к фазе допредельного напряженного состояния насыпи и основания к основана на допущениях, присущих линейной контактной задаче. Взаимодействие грунта и со. оружения определяется в соответствии с математической моделью метода местных упругих деформаций с распределением коэффициента постели по треугольнику, принимая размер параметра К ~ 2000 кИ/м'Ч В расчете учитываются нагрузки, приложенное к оголовку устоя; . крен (неравномерная осадка) основания, связанный с неравномерной нагрузкой, передаваемой сооружением; воздействие перемещений грунта насыпи и верхних слоев основания.

С целью получения разрешающих уравнений, м'-оС'годигмх для создания алгоритмов расчета, рещоны контактные задачи ой и.тибе оо~ сыпных устоев в вида спайного рядя, евпйиого ку<л.ч и отсечной опоры при воздействии полей погсг^иги.";'. грунт<м-.:Л !•(•.•;•.•«. "мучогные

решения пригодны при любой модели грунта, в связи с чем они имеют самостоятельное теоретическое значение.

5. Инженерный.метод расчета, предназначенный для массового проектирования обсыпных устоев, включает расчетные схемы в виде Стергневых систем в линейно-деформируемой и жесткопластической среде. Используемые допущения и модели грунта приняты в соответствии с предупреждаемыми формами (механизмами) разрушения и деформации. Конкретизированы предельные состояния несущих конструкций

и оснований устоев, разработаны способы их расчетной оценки.

6. Выполненные экспериментальные исследования подтвердили гипотезы, принятые в теоретической части исследования. Результаты испытаний мелкомаситабных конструкций обсыпных устоев показали хорошее соответствие данным их расчета как стержневых систем в ла-нейнс-дефсрмируемой среде и позволили установить численные значения параметров, определяющих величину коэффициента постели. Эмпирические исследования на эксплуатируемых и строящихся объектах подтвердит все основные положения изучаемой расчетной схемы: определение силового взаимодействия несущих конструкций устсев с грунтом в соответствии с решением линейной контактной задачи; 'использование для расчетов метода местных упругих деформаций с распределением коэффициента постели по уравнению С3 * кг ( к »

= 2000 кЦ/м4) и эмпирических соотношений современной методики расчета свайных и столбчатых фундаментов на горизонтальную нагрузку; влияние на напряганно-деформированпое состояние стоечных устоев неравномерной осадки основания и:способ определения изгиба стоек б соответствии с полученашл аналитическим решением. Результаты контрольных расчетов (по схемам инженерного метода) оснований аварийных и нормально эксплуатируемых сооружений удовлетворительно совпали с имеющимися фактами.

Сопоставительные (к результатам экспериментов и наблвдеикй) расчеты, выполненные по нелинейному методу, показали хорошее соответствие сразниваешх параметров напряженно-деформированного состояния.

Содержание диссертации опубликовано в 43 работах, осповпыми из которых являются следутогга:

I. Статьи в куриалах и сборниках

1. Шапиро Д.Ы. Практический метод расчета оснований и грунтовых сооружений в нелинейной постановке // Основания, фундаменты к механика грунтов, - 1985. - JS 5. - C.I9-2I.

2. Шапиро Д.М. Прогноз развитая напряженно-деформированного -соотоянкл грунтовых массивов во времени // Межвуэ,об.научных трудов/ВИСИ, I98S. - С.98-104,

3. Шапиро Д.М., Полторак Г.В. Внедрение нелинейного метода расчета при проектировании оснозаний а грунтовых сооружений // Межвуз.сб.научных трудов/Маркйский политехи.ин-т, 1990. - С.24-27.

'4. Шапиро Д.М., Полторак Г.В. Раочет земляного полотна о учетом1 пластических деформаций // Автомобильные дороги. - 1986. -К 7. - С.16-17. 1 •

5. Шапиро Д.М. Способ пространственного расчета устойчивости откосных сооружений // Основания, фундаменты и механика грунтов. -1979. --й 3. - C.II-I3.

6. Шапиро'Д.М. Расчет обсыпного устоя как противооползневого сооружения // Транспортное строительство. - 1980. - to II. - С. 4546.

7. Шапиро Д.М., Безрядип A.B., Дыбов B.C. Расчет устойчивое-1 ти береговых опор на ЭВМ // Автомобильные дороги. - 1984. - * 7. -С. 17-18. ...

8. Шеляпин P.C., Шапиро Д.М. Контактная задача об изгибе стержня при перемещениях окружающей среды // Известия ВУЗов. Строительство и архитектура. - 1971. - № 10. - С.64-67.

9. Шапиро Д.М. Деформация свайного куота при неравномерных горизонтальных перемещениях основания // Основания, фундаменты и механика грунтов. - 1975. - J6 2. - С. 15-17.

10. Шапиро Д.М. Деформация свайного фундамента при неравномерной осадке основания // Основания, фундаменты и механика грунтов. -1976. - № 5. - С.29-31.

11. Шаляпин P.C., Шапиро Д.М. Совершенствование проектирования ибсыпных устоев - резерв снижения стоимости строительства мостов // Транспортное строительство. - 1974. - № 6. - С.43-44.

12. Шапиро Д.М., Гринберг Е.И. Расчет обсыпных двухрядных и козловых свайных устоев // Транспортное строительство. - 1977. -№ 7. - С.44-45.

13. Шеляпин P.C., Шапиро Д.М. Совершенствовать проектирование фундаментов обсыпных устоев // Автомобильные дороги. - 1971. ~

№ 1С. - С.14-15.

14. 1!йпиро Л.М. Уточнение расчета оснований обсыпных устоев мостов но автомобильных дорогах // Мсгсзуз.сб.научных трудов/ВИСИ, 1984. - С.81-88.' '

• 15. Шапиро Д.М. йсчет оснований обсыгпшх устоев мостов // Автомобильные дороги. - 1974. - JS 9. - С. 19-20.

16. !йзпиро Д.М, Об уточнении расчета свайного фундамента как условного массивного // Основания, фундаменты и механика грунтов. -1974. - Ä I. - С. 28.

17. Шаляпин P.C., Шапиро Д.М. Испытание моделей мостовых обсыгпшх устоев // Транопортное строительство. - 1972. - if 8. -

С. 45-47. ' •

18. Г/.шберг S.U., Шапиро Д.И., ГЫбчкнский З.П. Результаты натурных испытаний обсыпных устоев мостов // Транспортное строительство. - 1978. -II.- С. 41-4 2.

19. Шапиро Д.М., Захаров H.A., Христов Г., Бехар М.Я. Исследование и натурные испытания обсыпных устоев мостов // Автомобильные дороги; - 1989. - » 2. - С.20-22.

20. Шапиро Д.М. Совершенствование расчета и конструкций обсыпных устоев мостов // Автомобильные дороги. - 1983. - J3 II. - С. 1820.

21. Шзпиро Д.М,, Гринберг Б.И., Блрашшк A.B. Повышение экономических показателей обсыпных устоез мостов // Автомобильные дороги. - 1977. - й 4. - С. 24-26.

22. Шапиро Д.М. Обсипни устои за пътни мостове. Част I - Основа на теорията и оразмерителнп метода // Пътииа. - 1988. - б. -С.4-7 (болг.).

23. ternipo Д., Христов Г., Бохор М., Захаров М. Обсипни устои sa пътни мостове. Част П - Результата от изследването п натурпи изспятвянкя на някои съоръеяшия // Пътища. - 1988. - Л 6. - С.&-II (болг.).

2. Аннотации программ

24. Программа упругогитэстического численного расчета грунтовых и взаккодействущях с грунтом сооруглакй // Основания, фукгл-менты и механика грунтов. - IS89. - S 5. - С.20.

25. Программ расчета устойчивости пространственных грунтовых массивов'// Основания, фундаменты и механика rppnonj - Т98Э. -

» е. - о.?.

3. Тезисы докладов на научно-технических конференциях и совещаниях

26. Шапиро Д.М. Нелинейный метод расчета при проектировании земляного полотна на слабых основаниях // Экономическая и социальная комиссия ООН для стран Азии и Тихого Океана (ЭСКАТО). Семинар "Строительство и эксплуатация автомобильных дорог в заболоченных и засушливых районах" (Тезисы докладов). М., 1987. -С,30-39.

27. Шапиро Д.М. Шсокоэкономичные конструкции обсыпных устоев автодорожных мостов // Современные методы проектирования, строительства, ремонта и реконструкции автодорожных мостов и путепроводов: Тез.докл.Всесоюз.науч.-техн.конф. Саратов, 3-5 октября 1989. М., 1989. - С.10-Н.

28. Шапиро Д.М., Полторак Г.В. Внедрение упругопластическо-го численного расчета взаимодействующих с грунтом сооружений //' Использование достижений нелинейной механики грунтов в проектировании оснований и фундаментов: Тез.докл.П Всесоюз.конф. Йошкар-Ола, 1989. - С. 56-57.

4. Методические документы по проектировании

29. Рекомендации по проектированию обсыпных устоев мостов на автомобильных дорогах. ГипродорШШ. М., 1982. - 60 с.

30. Рекомендации по проектированию обсыпных устоев автодорожных мостов. ГипродорШШ. М., 1989. - 44 с.

Подписано к печати 28.12.У0 Форг.ят 60x8-5/16. Печ.офс. И-122 Заказ-/^ Т. 100. Обьем 2,0 уч.-изд.л. Бесплатно.

Ротапринт ШСИ им.Ю.Ку!1бнаевэ