автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Обоснование расчетов совместной деформации сетевых трубчатых гидротехнических сооружений и их торфяных оснований

* '

* На правах рукописи

Некрасова Татьяна Викторовна

ОБОСНОВАНИЕ РАСЧЕТОВ СОВМЕСТНОЙ ДЕФОРМАЦИИ СЕТЕВЫХ ТРУБЧАТЫХ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ И ИХ ТОРФЯНЫХ ОСНОВАНИЙ

05.23.07 - Гидротехническое и мелиоративное строительство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена на кафедре «Основания и фундаменты» Московского государственного университета природообустройства

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

A.M. СИЛКИН

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор

Л.С. АМАРЯН

- кавдвдат технических наук, доцент

В.И. ВОЛКОВ

Ведущая организация - ИЦ «Союзводпроскг»

Защита состоится «¿6 г. в ¿0 ?<? часов на засе-

дании диссертационного Совета К 120.16.01 в Московском государственном университете природообустройства по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова, 19, ауд. 201/-/

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке университета.

Автореферат разослан « 25у> се&тя&Я 1998 года.

Ученый секретарь диссертационного Совета кандидат технических наук

Общая характеристика работы

Актуальность. Нельзя построить совершенную гидромелиоративную систему без достаточного количества гидротехнических сооружений на ее сети. А при строительстве гидромелиоративных систем в торфяных грунтах проектировщики из-за незнания физико-механических свойств торфов как слабых грунтов переносили сетевые сооружения за пределы торфяного массива или отказывались от их строительства вообще. Перенос сетевых сооружений на минеральный грунт или отказ от их строительства снижает качество системы.

Первоначальным вариантом проекта осушения торфяных залежей поймы р. Дубны было предусмотрено несколько сотен различных сетевых гидротехнических сооружений, а затем было снижено их количество до нескольких десятков сооружешш.

По мере накопления знаний о физико-механических свойствах торфов сетевые сооружения стали размещать и в пределах торфяного массива. Однако строили их на различных искусственных основаниях. Сооружения на искусственных основаниях устойчивы и эксплуатационно пригодны, но они заметно дороже аналогичных сооружений, строящихся на естественном минеральном основании. Трубчатые сооружения с жесткой водопроводящей частью, передающей на естественное торфяное основание равномерно распределенную нагрузку, жесткость которой обеспечивается укладкой звеньев водопроводящей трубы на жесткую фундаментную плиту с плоской подошвой, устойчивы, эксплуатационно пригодны и дешевле аналогичных сооружений на различных искусственных основаниях, но дороже аналогичных сооружений, строящихся на естественном минеральном основании. Снизить стоимость сооружения можно, придав жесткость в продольном направлении самой водопроводящей трубе, и уложив ее непосредственно на естественное торфяное основание. Придать водопроводящей трубе жесткость в продольном направлении технически осуществимо, больших затруднений не вызывает. Применение таких сооружений сдерживается отсутствием методики расчета их осадок. Отсутствие методи-

ки расчета осадок объясняется недостаточной изученностью напряженно-деформированного состояния естественного торфяного основания под трубами - цилиндрическими штампами.

Диссертационная работа выполнена на кафедре "Основания и фундаменты" Московского государственного университета природоустройства (МГУП) в соответствии с планом научно-исследовательских работ, являясь частью общегосударственной научно-технической программы 0.52.01. "Создать и внедрить высокопроизводительные мелиоративные системы и технологические процессы их строительства, повысить эффективность использования мелиорированных земель и водных ресурсов", принятой на 1986...90 г.г.

Целью работы является обоснование возможности и целесообразности при строительстве гидромелиоративных систем в торфяных грунтах устройство трубчатых сетевых гидротехнических сооружений, трубы которых уложены непосредственно на естественное торфяное основание. В связи с этим в задачу входило:

1. Изучить по проектным материалам, по публикациям в научно-технической литературе, личным участием в обследовании построенных сетевых гидротехнических сооружений гидромелиоративных систем в торфяных грунтах, применяемые конструкции сетевых сооружений и методы их устройства.

2. Изучить и проанализировать существующие методы расчета совместной работы трубчатых сетевых сооружений и их оснований.

3. Изучить и проанализировать напряженно-деформированное состояние естественных торфяных оснований труб -крупноразмерных цилиндрических штампов.

4. На основании результатов экспериментальных и теоретических исследований напряженно-деформированного состояния ее гьс.венного торфяного основания крупноразмерных цилиндрических штампов разработать методику расчета осадок трубчатых сетевых гидротехнических сооружений, водопроводящие трубы которых уложены непосредственно на торфяное основание.

5. Осуществить экспериментальное строительство сооружений, провести наблюдение за их совместной работой с естественным торфяным основанием и сравнить результаты расчета осадок с результатами натурных наблюдений.

Методика исследований включает в себя экспериментальные и теоретические исследования. Теоретические исследования напряженного состояния естественных торфяных оснований труб - крупноразмерных цилиндрических штампов базировались на методах теории упругости. Критерием оценки точности результатов теоретических исследований являлось сравнение их с результатами натурных экспериментальных исследований.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- исследована экспериментально качественная и количественная картина напряженно-деформированного состояния естественного торфяного основания труб - крупноразмерных цилиндрических штампов;

- экспериментально доказана возможность использования для расчета напряжений линейно-деформируемых тел;

- теоретически обоснована методика расчета сжимающих напряжений в естественных торфяных основаниях трубчатых сетевых сооружений;

- разработана методика расчета осадок водопроводя-щей части трубчатых сетевых гидротехнических сооружений, водопроводящие трубы которых лежат непосредственно на естественном торфяном основании;

- теоретически и экспериментально обоснована возможность устройства сетевых трубчатых гидротехнических сооружений на естественном торфяном основании.

Практическая ценность работы заключается в:

- усовершенствовании конструкции трубчатых сетевых гидротехнических сооружений, предназначенных для строительства на естественном торфяном основании;

- разработке методики расчета напряженно-деформированного состояния естественных торфяных оснований и методики расчета осадок сетевых трубчатых сооружений на них;

- экспериментальном доказательстве возможности и делесооб разности устройства сетевых трубчатых гидротехнических сооружений, во до проводящие трубы которых уложены непосредственно на естественных торфяных основаниях.

Реализация результатов работы. Результаты работы вошли в альбом «Типовые проектные решения», № 820-1099. 90, - Киев: Укргипроводхоз и МГМИ , 1990, разработанных совместно с Укргипроводхозом по заданию Союзвод-проекта и в справочник "Мелиорация и водное хозяйство", том 3 - "Осушение" (издание 2, в печати).

Апробация работы. Результаты различных этапов работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях Московского государственного университета природообустройства в 1985...1998 гг., на совещаниях специалистов в Главнечерноземводстрое (1987) и в проектном институте Мосгипроводхоз (1987).

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 4-х статьях (и одна находится в печати).

Диссертация состоит из Введения, 5 глав и основных выводов, содержит 162 страницы машинописного текста, 55 рисунков и списка литературы из 141 наименования.

Содержание работы

В первой главе даются краткие сведения о развитии строительства и краткое описание применяемых конструкций и методов устройства гидротехнических сооружений на торфяных грунтах. Отмечено, что при проектировании гидромелиоративных систем в торфах проектировщики чаще всего сетевые сооружения выносят за территорию торфяного массива или отказываются от их строительства. Но все-таки, хотя и мало, сетевые сооружения на торфяных основаниях строят. В разных странах существуют свои проектные решения. В нашей стране кроме индивидуальных проектных решений были и типовые проектные решения. Более тридцати лет назад были типовые решения строительства трубчатых сетевых гидротехнических сооружений и регуляторов доковой конструкции на предварительно уплотненном торфяном

основании. Затем было разработано проектное решение устройства трубчатых сетевых гидротехнических сооружений на естественном торфяном основании. Для обеспечения устойчивости и эксплуатационной пригодности сооружений в основу было положено решение обеспечить жесткость водоподводя-щей части - трубы и обеспечить равномерное распределение нагрузки на торфяное основание по всей ее длине. Жесткость водопроводящей части обеспечивалась тем, что звенья труб укладывались на жесткую фундаментную плиту. Однако, широкого распространения такие сооружения не получили. Анализ применяемых конструкций позволил сделать вывод, что трубчатые сооружения на естественном торфяном основании можно строить. Жесткость водопроводящей части по ее длине можно обеспечить, если делать ее не из звеньев, а жесткой неразрезной. Равномерность нагрузки по длине водопроводящей трубы можно обеспечить заключением дорожной насыпи в подпорные стенки, которые одновременно являются портальными оголовками. Для расчета совместных деформаций естественных торфяных оснований и трубчатых сооружений, водопроводящие трубы которых уложены непосредственно на естественное торфяное основание необходимо знать его напряженно-деформированное состояние под трубами.

Во второй главе дается обзор и анализ работ по исследованию напряжненно-деформируемого состояния торфов как оснований сооружений.

Торф относят к слабым грунтам, он водонасыщен, имеет рыхлое сложение и, как следствие этого, даже под малыми нагрузками сильно деформируется. Широкое изучение свойств торфов, как оснований гидротехнических сооружений, впервые под руководством И.И. Вихляева было проведено на строительстве канала им. Москвы, третья часть протяженности которого проходилась на болота. Лабораторные исследования деформируемости проводились в одометрах -компрессионных приборах, полевые исследования - путем наблюдения за деформируемостью торфов под экспериментальными насыпями.

В дальнейшем изучение напряженно-деформиркуемого состояния торфов, как оснований сооружений, проводилось для целей дорожного, промышленно-гражданского, нефтегазового и гидромелиоративного строительства (Л.С. Амарян, Е.Т. Базин, П.П. Бородавкин, Ф.П. Винокуров, JI.A. Димов, Э.М. Добров, П.А. Дрозд, И.Е. Евгеньев, В.Н. Заяц, В.Д. Казарновский, Н.П. Коваленко, A.C. Королев, С.С. Корчу-нов, Э.К. Кузахметов, В.А. Кукушкин, В.А. Миронов, H.H. Морарескул, Н.В. Николаев, JI.H. Павлов, А.Ф. Печкуров, Ю.С. Приходько, В.В. Рудометкин, В.П. Сельченок, A.M. Силкин, С.М. Соколов, З.С. Стельмах, Е. А. Стрекалкин, A.A. Ткаченко, B.JI. Торфимов, М.Ш. Хигер, Т.Н. Чепелен-ко, П.К. Черник, В.Н. Яромко и др.)

В подавляющем большинстве исследования деформируемости торфов в лабораторных условиях проводились, как и на строительстве канала им. Москвы, в компрессионных приборах. Условия же деформируемости торфов в компрессионном приборе и в натуре существенно отличаются друг от друга.

Ближе к натурным условиям подходит деформируемость торфов при испытании образцов в приборах трехосного сжатия - стабиламетрах. Однако, в стабилометрах, как и компрессионных приборах отсутствует сопротивление торфа срезу. В дальнейшем некоторые исследователи проводили исследования деформируемости торфов в приборе по типу штампо-вых испытаний в полевых условиях. Было выявлено, что до определенных значений нагрузки, передаваемой на образцы, торф испытывал только деформацию сжатия при вертикальном перемещении частиц.

Однако известно, что достаточно достоверную картину деформируемости грунтов, как оснований сооружений только по результатам испытаний небольших, как правило, образцов в лаборатории, изучить нельзя. Поэтому ряд исследователей провс.;1' изучение деформируемости торфов в натурных, полевых условиях: под насыпями и под жесткими штампами. Результаты всех исследований деформируемости торфов под плоскими штампами показали, что торф в определенном диапазоне нагрузок деформируется как линейно-деформируемое тело. Выявлена достаточно полная картина

деформируемости. Однако результаты исследования деформируемости торфов под плоскими штампами полностью нельзя переносить на основания трубчатых сетевых гидротехнических сооружений, водопроводящие трубы которых уложены непосредственно на естественное торфяное основание. Труба - это «штамп» с цилиндрической подошвой. Достаточно много было проведено исследований взаимодействия трубопроводов с грунтом, но практически все они посвящены расчетам самих трубопроводов. Лишь несколько работ посвящены изучению деформируемости торфов как оснований трубопроводов. Общим недостатком этих исследований является то, что удельная нагрузка на торфяное основание исчислялась по площади диаметрального сечения трубы и результаты исследований количественно сравнивались с результатами исследований плоскими штампами. Эти результаты можно сравнивать лишь качественно. Качественные сравнения результатов исследования деформируемости торфов под цилиндрическими штампами показывают, что под трубами они, как и под плоскими штампами, в определенном диапазоне нагрузок деформируются как линейно-деформируемое тело.

Как будет деформироваться торф в основании того или иного сооружения зависит от его напряженного состояния. Достаточно полно исследовалось напряженное состояние торфяного основания под плоскими штампами. Всеми исследователями было зафиксировано, что под центром жесткого плоского штампа вертикальные напряжения с глубиной уменьшаются, т.е. торф так же, как и минеральный грунт обладает распределительной способностью. Это было впоследствии подтверждено и замером вертикальных напряжением по горизонтальным осям. Гораздо меньше исследовалось напряженное состояние торфа под цилиндрическими штампами - трубами.

В целом результаты исследований напряженного состояния торфов как под плоскими, так и под цилиндрическими штампами показали, что качественно напряжение в них распределяется как в линейно-деформируемом полупространстве. Однако перенести результаты исследований напряженного состояния торфов под цилиндрическими штампами на

расчет напряжений в основаниях трубчатых сетевых гидро технических сооружений представляется преждевременным Одной из причин этого является то, что напряжения замеря лись под трубами меньшего диаметра, чем диаметр труб во допроводящей части сетевых гидротехнических сооружений Второй причиной является отсутствие теоретического обосно вания расчета напряжений.

В третьей главе излагаются результаты исследовани] напряженно-деформированного состояния естественного тор фяного основания под крупноразмерными цилиндрическим! жесткими штампами. Экспериментальные площадки раслс ложены в поймах рек Яхрома (Московская обл.) и Совка (Ря занская обл.). Даются сведения о торфах экспериментальны площадок, о применяемом оборудовании и методике исследс ваний. В экспериментах были использованы трубы с внеш ним диаметром 73, 75, 94, 96, 120 и 170 см. Общую верти кальную деформацию торфяного основания - осадку трубы определяли путем нивелирования верха концов труб. Осте точные боковые деформации торфяного основания фиксирс вали с помощью заполненных песком вертикальных скважи или с помощью задавливаемых в торф «шнуров». Общу1 картину деформирования торфов фиксировали с помощы координатной сетки, которую устраивали в месте торца Tpj бы на стенке поперечной траншеи. Напряженное состояни торфов оснований труб исследовалось с помощью тензорез* сторных месдоз типа М-70/11 конструкции Д.С. Баранов! Из-за отсутствия достаточного количества месдоз замерялис только общие контактные напряжения на середине трубы общие напряжения на вертикальной оси, проходящей черс нижнюю образующую трубы и только в одном опыте с трз бой 94 см. Установка месдоз осуществлялась по методик разработанной на кафедре «Основания и фундаменты» МГУ] Ю.С. Приходько и А.М. Силкиным. Схема расположени месдоз покаьайа на рисунке 1.

На рисунке 2 показаны зависимости осадок S труб с линейной нагрузки Р , передаваемой ими на торфяное осш вание. Характер S=f(P) подтверждает, что до определенно нагрузки их можно аппроксимировать прямой линией,

расчет торфяного основания в этом диапазоне нагрузок вести в соответствии с теорией линейно-деформируемого тела.

На рисунке 3 показана картина деформированного состояния торфов Яхромской поймы, которая свидетельствует, что торф (степень разложения более 50%) имеет некоторое боковое расширение. На рисунке 4 показана картина деформируемого состояния торфов поймы р. Совки, которая свидетельствует, что торф (степень разложения 20%) бокового расширения не имеет. Каких либо бугров выпирания не было образовано ни на торфах Яхромской поймы, ни на торфах поймы р. Совка. Поверхность торфяной залежи в стороны от труб прогибалась, прогибались и нижележащие слои торфа. При достижении нагрузки какого-то значения происходил срез торфа, и поверхность залежей с внешних сторон труб вследствие упругости каркаса торфа практически восстанавливала свое первоначальное положение.

В диссертации показаны зависимости осадок труб от их внешних диаметров. При равных линейных нагрузках, передаваемых трубами на торфяное основание, с увеличением диаметра труб их осадка несколько уменьшается.

В таблице 1 приведены результаты замеров контактных напряжений по показаниям месдоз в зависимости от линейной нагрузки Р.

Как видно в таблице, при линейных нагрузках 6.3 и 9.7 кН/м зафиксированы контактные напряжения по месдозам №1 и №2. Месдозы №3, 4, и 5 контакта с торфом основания трубы при этих ступенях нагрузок не имели. При линейных нагрузках 16.3 и 23 кН/м зафиксированы контактные напряжения уже и по месдозам № 3. Месдозы № 4 и 5 контакта с торфом основания трубы при этих ступенях нагрузок еще не имели. При линейной нагрузке 33 кН/м месдозы № 5 контакта с торфом основания трубы не имели, а месдозы № 4 имели лишь частичный контакт. При линейной нагрузке 43 кН/м зафиксированы контактные напряжения и по месдозам № 4. Месдозы № о контакта с торфом основания трубы не имели. При линейных нагрузках 63 и 93 кН/м зафиксированы контактные напряжения и по месдозам № 5.

1. Контактные напряжения (кПа) по показаниям месдоз при различных линейных нагрузках Р (кН/м).

Р, кН/м

6,3 9,7 16,3 23 33 43 63 93

Положение мездоз

№ меч-до! Слева от оси трубы 1 £ 3 а с к о о _ о V м £ и н г; и Справа от оси тр>-бы Слева от оси трубы Справа от оси трубы Слева от оси трубы Справа от оси трубы Слева от оси трубы Справа от оси трубы к а о н О ф § ё 3 о о £ 3 ° в > з е §■ и Слева от оси трубы Справа от оси трубы Слева от оси трубы Справа от оси трубы

1 26 33 40 50 58 68 80 100

2 14 14 23 22 33 35 46 46 54 55 62 63 76 77 95 95

3 - - - - 3 3,5 22 24 37 39 50 51 68 68 83 83

4 - 34 34 54 55 69 69

5 42 43 50 50

По эпюрам контактных напряжений экстраполяцией получили ширину полосы соприкасания трубы с торфом основания. Ширина полосы соприкасания увеличивается с увеличением нагрузки, приближаясь к своему пределу, равному внешнему диаметру трубы.

В таблице 2 приведены результаты замеров вертикальных напряжений в точках торфяного основания, расположенных на вертикальной оси, проходящей по нижней образующей трубы (по вертикальному диаметру трубы).

Эпюры сг, аналогичны эпюрам, полученным предшествующими исследователями. Следовательно, можно считать, что распределение вертикальных напряжений в торфяном основании труб соответствует распределению напряжений в линейно-деформируемом полупространстве, а для определения напряжений в нем при расчете осадок водопроводящей части трубчатых сетевых гидротехнических сооружений, трубы, которых уложены непосредственно на торф, можно использовать математический аппарат теории упругости.

2. Вертикальные напряжения сг2 (кПа) в торфяном основании трубы на вертикальной оси, проходящей по ее нижней образующей, при различных значениях линейной нагрузки Р (кН/м).

Глубина расположения месдоз, м Линейная нагрузка Р, кН/м

6,3 9,7 16,3 23 33 43 63 93 100

0 26 33 40 50 58 68 80

0,25 13 20 27 37 46 56 72 90

0,50 7 12 18 26 34 42 56 69

0,75 4,5 7 12 18 25 32 41 55

1,00 3,5 5,5 9 14 18 24 32 41

1,25 2,5 4 7 11 15 20 29 36

1,50 2,5 4 6 9 14 16 23,5 30

1,75 - 3 5 8 11 15 19,5 24,5

2,00 - 3 5 7 10 12,5 17 22,5

В четвертой главе дается теоретическое обоснование и методика расчета осадок водопроводящей части трубчатых сетевых гидротехнических сооружений.

Поставленной цели соответствует решение задачи нахождения напряжений в двух бесконечно длинных сжимаемых цилиндрах, соприкасающихся до приложения сжимающей силы по образующей, т.е. по линии. При этом сжимающиеся линейная сила Р направлена перпендикулярно хс линии касания и равномерно распределена по ней. После приложения сжимающей силы цилиндры деформируются и касание происходит уже по полосе 2в. Эпюра контактных по полосе соприкасания напряжений имеет форму полуэллипса с полуосями b и qo •* b - полуширина полосы соприкасания, qg -максимальная ордината эпюры.

Согласно решению H.Hertz,а и H.H. Беляева формула для определения полуширины соприкасания двух цилиндров имеет вид:

Ъ =

(1)

формула для определения максимальной ординаты эпюры контактных напряжений имеет вид

2Р

(2)

ЯО

В формулах (1) и (2): Р - интенсивность линейной нагрузки, кН/м; V; и у2 - коэффициенты Пуассона сжимаемых цилиндров; Ег и Ег - модули упругости цилиндров, кПа; г1 и г2 - радиусы цилиндров.

В практике расчета железобетонных конструкций контактирующих с нескальным грунтом, модуль упругости железобетона по сравнению с модулем деформации грунта (тем более торфа) принимают равным бесконечности.

Ряд исследователей, упомянутых выше, экспериментально показали, что торфы со степенью разложения до 45% в неосушаемых болотах и до 75% в осушаемых болотах бокового расширения не имеют. Это подтверждено и нашими полевыми экспериментами с крупноразмерными цилиндрическими штампами-трубами. А как известно, практически все низинные болота России сложены торфами со степенью разложения до 45%.

Таким образом, приняв модуль деформации железобетонной трубы Е)=«?, коэффициент Пуассона торфов основания - 1'2=0 и для удобства расчетов при проектировании сооружений заменив г1 на с1/2 (й - внешний диаметр водопро-водящей трубы сооружения), а Е2—Е получим! полуширина полосы соприкасания

Ъ

2 р-а

(3)

к-Е

максимальная ордината эпюры контактных напряжений

2-Р-Е

V K-d

При выводе формул для определения напряжений в любой точке соприкасающихся цилиндров H.H. Беляев использовал эллиптические координаты. Местоположение точки в этом случае определяют пересечением эллипса с гиперболой. В инженерных расчетах проектировщикам удобнее и проще пользоваться прямоугольными координатами. С этой целью, учитывая выражение гиперболических синусов и косинусов, а так же некоторые формулы обычных тригонометрических функций формулы для вычисления напряжений ау, az, tyZ будут иметь вид

= 9о ' sin ß

а, = q0- sin ß

V = Яо -si'1"

- 1 + 2sin* ß

a -2 + 4sin ß -1 + 2sm2, ß

e2a + e'2a -2 + 4 sin2 ß

2yjl - sii

-2 + 4 sin2 ß

(5)

Выраженные через прямоугольные координаты значения эту? найдены путем решения уравнения гиперболы, а значения еа, е'а, е2" и е~2а путем решения уравнения эллипса. Формула для вычисления егу, <т2 и туг в прямоугольных координатах получились простыми, но громоздкими. В диссертации дана последовательность их вычисления.

При проектировании сетевых гидротехнических сооружений мелиоративных систем в торфяных грунтах торфяное основание рассчитывают только по деформациям. Определяют только общую осадку сооружения или отдельных его частей, определяя по ним их относительные перемещения, давая при этом оценку пригодности сооружения к условиям нормальной эксплуатации.

Для расчета осадки водопроводящей части трубчатых сетевых гидротехнических сооружений достаточно знать вертикальные нормальные напряжения сг2 в точках, лежащих на вертикальной оси, проходящей через нижнее образующее ребро трубы. В этом случае si.ii/Ml, а формула для вычисления а- будет иметь вид

Выражение, заключенное в квадратные скобки, в формуле (6) зависит только от относительной координаты распо-

буквой у и назвав его коэффициентом уменьшения напряжения <т. с увеличением глубины расположения рассматриваемой точки, получим

В диссертации дана таблица с численными значениями коэффициента у.

Ширину полосы соприкасания трубы с торфом основания в эксперименте замерить как с технической точки зрения, так и по требованиям техники безопасности не представилось возможным. Численные значения полосы соприкасания в зависимости от линейной нагрузки взяли по эпюрам контактных напряжений, проэкстраполировав их до оси ОУ. Сравнение их с теоретическими дало вполне удовлетворительную сходимость.

В диссертации дана таблица с результатами сравнения численных значений экспериментальных и теоретических контактных напряжений. В основном отклонение не превышает 10%. Большие отклонения мы объясняем недостаточно полным и равномерным контактом месдоз с поверхностью торфяного основания. На рисунке 5 это сравнение показано графически в относительных координатах. Как видно на этом рисунке экспериментальные результаты и качественно и количественно достаточно хорошо согласуются с теоретическими.

(6)

ложения точки

Обозначив это выражение, например

°г - У 'Чо >

(7)

В диссертации дана таблица с результатами сравнения численных значений экспериментальных и теоретических вертикальных нормальных напряжений а2 в торфяном основании. В верхней, наиболее напряженной части основания, отклонения не превышают 10%. На глубине 1 м при линейных нагрузках Р—6,3...16,3 кН/м отклонения доходят до 24%. Отклонения в 24% вполне допустимо, но оно в определенной степени и объяснимо: небольшие по своему значению напряжения и не столь большая чувствительность месдоз. Кроме того, процесс стабилизации основания еще не был закончен полностью.

При линейных нагрузках 6,3...43 кН экспериментальные численные значения, меньше теоретических, а при линейных нагрузках в верхней, наиболее напряженной части наоборот. Отклонение в сторону уменьшения произошло очевидно потому, что фактический вес нагружающих плит и блоков вероятно оказался меньше, чем принятый по косвенным данным в расчетах. Отклонения в сторону увеличения произошло несмотря на меньшее, чем расчетный фактический вес плит и блоков, потому, что из-за сильного сжатия слоев торфа фактическая глубина (от низа трубы) расположения месдоз оказалась намного меньше теоретической.

На рисунке 6 сравнение напряжений в торфах основания показано графически в относительных координатах. В целом экспериментальные данные качественно и количественно достаточно хорошо согласуются с теоретическими.

С.М. Соколов по сравнению с другими исследователями уделил определенное внимание рассмотрению вопроса расчета осадок труб (магистральных трубопроводов) на естественном торфяном основании. Он рассматривает три формулы:

1) известную формулу осадки плоского штампа на упругом основании;

2) формулу H.A. Цытовича (метод эквивалентного

слоя);

3) формулу, которую он получил исходя из формулы для определения полуширины полосы соприкасания двух сжимаемых цилиндров по решению Н. Hertz,а - М.Н. Беляева, заимствовав ее из работы Г.К. Клейна.

Сравнивая численные значения осадок, полученных в эксперименте, с рассчитанными по этим трем формулам, он делает вывод об их непригодности, но предлагает пользоваться все же формулой осадки плоского штампа на упругом основании, дающую после корректировки расхождение лишь в 5 ... 10%. Согласится с этим предложением не представляется возможным, т.к. численные значения коэффициента ю формы площади и жесткости штампа, а так же модуля деформаций торфа Е, входящих в эту формулу, он вычислил по этой же формуле, подставив в нее значения осадок, полученных в эксперименте и их же сравнивал с рассчитанными опять же по этой формуле.

Учитывая то, что торфы неосушаемых болот при степени разложения до 45% под нагрузками от сетевых гидротехнических сооружений имеют только деформацию сжатия мы рекомендуем их осадку определять, используя результаты компрессионных испытаний по известной формуле

где п - число расчетных слоев, на которые разбита сжимающая толща торфов;

во! - коэффициент пористости 1-го расчетного слоя торфов основания при природном напряжении;

е1 - тоже, при напряжении, которое возникает в расчетном слое после строительства сооружений; Л/ - толщина 1-го расчетного слоя, см.

Сжимающей толщей основания целесообразно считать всю толщу торфов под сооружением.

Теория линейно-деформируемых тел позволяет определить напряжения от внешней нагрузки только в грунтах, находящихся в стабилизированном состоянии, т.е. в грунтах, в которых процесс уплотнения после их нагружения закончился. Однако при расчете осадок грунт основания разбивают на расчетные слои толщиной /¿¡, когда он еще находится в естественном (природном) состоянии, и нагрузка на него еще не передавалась. Но после строительства сооружения, т.е. после передачи на грунт основания нагрузки, он уплотняется

(8)

и толщина каждого расчетного слоя, естественно, уменьшается, а, следовательно, расстояние от подошвы фундамента (сооружения), например, до нижней границы соответствующего расчетного слоя также уменьшается, границы слоев перемещаются вниз. Если в основаниях, сложенных минеральными грунтами, эти перемещения относительно малы и их не учитывают, то в основаниях, сложенных торфами ими пренебрегать нельзя.

Сжимающие напряжения, рассчитанные по действующим рекомендациям СНиП 2.02.01-83 являются лишь начальными сжимающими напряжениями. Реальными, истинными сжимающими напряжениями на границах расчетных слоев являются напряжения, сформировавшиеся к моменту полной стабилизации (полного уплотнения торфа основания). При этих напряжения и надо производить расчет осадок сооружений методом постепенного приближения. В диссертации дана последовательность расчета.

Если же торфы неосушаемых болот имеют степень разложения более 45%, а осушаемых - более 75%, то осадку следует определять по рекомендуемой СНиП 2.02.01-83 формуле

Я^Е^А (9)

где Р - безразмерный коэффициент;

п - число элементарных слоев, на которое разбита толща торфов основания;

°2рг - среднее значение сжимающих вертикальных нормальных напряжений в ¿-том элементарном слое, кПа;

Лг - толщина 1-го элементарного слоя, см;

Е1 - модуль деформаций торфа 1-го элементарного слоя,

кПа.

Для более достоверного определения значения ожидаемой осадки по формуле (9) важно правильно определить значение модуля деформации торфов основания. В диссертации дан краткий обзор методов определения Е и приводится рекомендуемая методика его определения по результатам испытания образцов торфа в стабилометре.

По предложенной методике были определенны осадки всех труб, которые использовались в полевых исследованиях и сравнены с натурными, полученными в экспериментах. Отклонения находится в допустимых пределах (20...24%).

В пятой главе излагаются результаты исследования совместных деформаций экспериментальных сооружений и их торфяных оснований. Всего было построено четыре трубчатых переезда: два с внутренним диаметром по 100 см, два — по 120 см. Принципиальная схема конструкции водопрово-дящей части сооружений показана на рисунке 7.

Систематические замеры, проводившиеся в течение двух лет, показали практически полное отсутствие горизонтальных относительных деформаций во всех четырех сооружениях. Не было и заметных поперечных перекосов. Отмечены от 5 до 11 см продольные перекосы. Они, очевидно, произошли в результате разрыхления торфов основания при устройстве котлованов.

На рисунке 8, в качестве примера, показан ход осадки верхнего и нижнего бьефов водопроводящих труб 1-го и 3-го сооружений. Характер осадок первого и второго сооружений одинаков, а объясняется тем, что их монтировали зимой и засыпку грунта сделали только до верха труб. Дорожную насыпь отсыпали летом. Третье и четвертое сооружение построили летом без каких-либо длительных перерывов. Поэтому ход их осадки графически изображается в виде непрерывной н плавной кривой. Все четыре сооружения после двух лет эксплуатации находились в хорошем состоянии.

В таблице 3 приведены рассчитанные по предлагаемой методике значения и средние значения натурных осадок сооружений после двух лет эксплуатации.

Как видно расхождения натурных осадок с расчетными в первом приближении составляют от +18 до +44%, во втором приближении от +1 до +24%, в третьем приближении от -2 до +21%. Расхождение в 21% вполне допустимо и расчет можно считать после трех приближений достаточным.

3. Значения осадок экспериментальных сооружений

№ Сооружений 1 2 3 4

Шифр сооружений ТЛ-100 ТП-120 86 ТП-100 98 ТП-120 98

Средняя осадка натурная, см 87

Расчетная осадка в 1-ом приближении, см 68 73 68 73

Расхождение натурной осадки с расчетной осадкой, % +28 +18 +44 +34

Расчетная осадка во 2-ом приближении, см 79 85 79 85

Расхождение натурной осадки с расчетной осадкой, % +10 +1 +24 +15

Расчетная осадка в 3-ем приближении, см 81 88 81 88

Расхождение натурной осадки с расчетной осадкой, % +7 -2 +21 +11

Основные выводы

1. Анализ литературных источников показал, что торф залежей, как естественное основание, достаточно широко использовался и используется при строительстве дамб обвалования, автомобильных и железных дорог, приканальных дамб и плотин.

2. Изучение материалов в проектных институтах, строительных и экспериментальных организаций нашей страны, Белоруссии, Украины, Латвии, Литвы и Эстонии, а также обзор литературных источников показал, что при строительстве гидромелиоративных систем на торфяных грунтах практически в каждом регионе для устройства сетевых гидротехнических сооружений используются свои проектные решения. Трубчатые регуляторы и переезды, трубы которых уложены непосредственно на естественное торфяное основание не строят. Одним из сдерживающих факторов яв-

ляется малая изученность напряженно-деформированное состояние торфов под трубами.

3. Обзор научно-технической литературы по исследованию взаимодействия труб различного назначения, в частности труб магистральных трубопроводов показал, что практически все они проводились с целью расчета прочности и устойчивости самих труб. Анализ результатов работ, посвященных исследованию напряженно-деформированного состояния торфянного основания под цилиндрическими штампами, не дает достаточного обоснования переноса их на торфяное основание трубчатых сетевых гидротехнических сооружений, водопроводящие трубы которых уложены непосредственно на торф в его естественном состоянии.

4. Проведенными полевыми исследованиями выявлена картина деформируемости торфяного основания под цилиндрическими штампами. В определенном диапазоне нагрузок торф естественного сложения в основании труб деформируется как линейно-деформируемое тело. В качестве цилиндрических: штампов использованы серийно выпускаемые железобетонные трубы с внешним диаметром 73, 75, 94, 96, 120, 170 см, применяемые при строительстве сетевых гидротехнических сооружений гидромелиоративных систем, что позволяет считать выявленную картину деформируемости торфов достоверной.

5. Найдено теоретическое обоснование определения напряжений под трубами в торфяном основании естественного сложения. Результаты натурных замеров напряжений имеют достаточно хорошее совпадение с теоретическими.

6. Разработана методика расчета осадок водопроводя-щей части трубчатых сетевых гидротехнических сооружений, трубы которых уложены на естественное торфяное основание.

7. Разработана при участии автора диссертации конструкция и построены четыре экспериментальные трубчатые сооружения, инструментальные наблюдения за которыми в течении двух лет показали их хорошую эксплуатационную пригодность. Натурные осадки сооружений имеют вполне удовлетворительное совпадение с теоретическими.

Рис. 1. Схема расположения месдоз для замера напряжений: 1 -труба; 2- марка; 3 - меедозы для замера контрольных напряжений; 4 - меедозы для замера вертикальных напряжений в торфяном основании; 5 - торфяное основание; 6 - минеральное дно болота.

20 40 60 ао 400 120

Рис. 2. Зависимость осадок Э труб от линейной нагрузки Р (пойма р. Совка)

м.

Рис. 3, Картина деформированного состояния торфяного основания под трубой с внешним диаметром 75 см (пойма р. Яхрома): 0 - поверхность торфа до укладки трубы - нулевая горизонталь; 1, 2, 3, 4, 5 - горизонтали в торфяном основании; 6 • узлы стенки до укладки трубы; 7 - то же после раскопки; 8 - центральная вертикальная ось после раскопки; 9 - то же до укладки трубы. Ячейки стенки 10x10 см.

Ьо

и>

Рис. 5. Контактные напряжения ок в относительных координатах: с/о- максимальная ордината эпюры контактных напряжений; Ь -полуширина полосы соприкасания; сплошная линия -теоритиче-ская эпюра; точки - экспериментальные напряжения.

02 О А 0.6 0.8 {.0 <о.

Рис. 6. Вертикальные напряжения о> в относительных координатах: г - вертикальная координата; д0, Ь, сплошная линия и точки - то же, что и на рис. 5.

Рис. 7. Принципиальная схема конструкции водопроводящей части трубчатого сетевого гидротехнического сооружения: 1 -звено водопроводящей трубы; 2 - сварной стык; 3 - центральная часть оголовка; 4 - боковая часть оголовка; 5 - марки для установки рейки; 6 - заделка цементным раствором; 7 - закладные детали.

3 - третье сооружение; В - верхний бьеф; Н - нижний бьеф