автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Особенности строительства гидросооружений оросительных систем на набухающих грунтах Судана

>Г6 од

I 3 СПОИ

АДЦУЛЛА ШАГШ^ШР

На правах рукописи

ОСОБЕННОСТИ СТРОИТЕЛЬСТВА ГИДРОСООРУЖЕНИЙ ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ НА НАБУХАЮЩИХ ГРУНТАХ СУДАНА

специальность 05.23-07 - гидротехническое и мелиоративное строительство

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 1995

Работа выполнена на кафедре "Основания и фундаменты" Московского государственного университета природообустройства.

Научный руководитель Официальные оппоненты

Ведущая организация

Доктор технических наук, профессор Фролов H.H.

Доктор технических наук, профессор Каганов Г.М.

Кандидат технических наук Виноградова Г.Н.

"Совинтервод"

Защита диссертации состоится " (У " июня 1995 года в (О часов на заседании диссертационного Совета К I2C.16.01 в Московском государственном университете природообустройства по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова, 19, МГУП, ауд. 201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан " ^ 2- " ¿¿^/^/tf 1995 года

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н.

///{,„ И.М. Евдокимова

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность_теш. Мелиоративное строительство и эксплуатация оросительных систем на глинистых набухающих грунтах связаны с серьезными издержками технического и экономического характера Объясняется такое положение слабой изученностью механизт совместных деформаций сооружений и набухающих оснований и недостаточным вниманием проектировщиков и строителей к способности названных грунтов увеличиваться в объеме при увлажнении и давать усадку с образованием глубоко идущих трещин при подсыхании-

Отмеченные знакопеременные неравномерные деформации существенной величины особенно характерны и опасны для мелиоративных каналов, русла которых периодически заполняются водой и сезонно опорожняются. Такое периодическое увлажнение - подсыхание набухающих грунтов оснований при сезонном наполнении - опорожнении каналов вызывает в течение всего длительного времени их эксплуатации циклическое проявление незатухающих деформаций поднятия -осадки сооружений и элементов каналов, приводящих к отказу их от нормальной работы и даже к серьезным авариям. Вследствие этого затраты на аварийный ремонт каналов и сооружений приходится нести в период всего срока эксплуатации.

Средний срок службы сооружений на впервые орошаемых землях из-за деформаций набухающих оснований составляет всего 12...18 лет против 2а...40, устанавливаемых Нормативами. Затраты на ремонт и восстановление сооружений и каналов за первые о лет эксплуатации составляют 35.. Л<У% от первоначальной стоимости. Например, в США каждый год на ремонт и восстановление задний и сооружений, пришедших в негодность в результате набухания грунтов оснований, затрачиваются огромные суммы, превышающие ущерб от стихийных бедствий.

Набухайте грунты широко распространены в России и странах СНГ (Казахстан, Северный Кавказ, Предкавказье, Крым, Поволжье, Средняя Азия, Сибирь, Дальний Восток),а также за рубежом. В Судане такие грунты темного цвета, получившие название чернохлопковых глин, занимают третьи часть всей территории и слагают наиболее высокоплодородные земли-

Тенденция к расширению во всем мире сельскохозяйственного производства вынуждает осваивать под орошаемое земледелие все новые площади, сложенные в том числе и набухающими грунтами. Наряду с объектами водохозяйственного строительства, на таких грунтах возводятся промышленные, гражданские, дорожные и др. сооружения. Поэтому дальнейшее совершенствование приемов проектирования и обеспечения надежности работы различных сооружений на набухающих грунтах является актуальной народнохозяйственной проблемой.

Несмотря на сравнительно большую историю изучения набухающих грунтов в качестве оснований промышленных и гражданских зданий и сооружений, еще многие вопросы механизма набухания, усадки и развития их во-времени недостаточно изучены, а методы расчета совместных деформаций набухающих оснований и фундаментов требуют уточнения и дальнейшего совершенствования.

Для условий же мелиоративного строительства специальных исследований проведено пока очень мало. Соответственно и опыт проектирования и эксплуатации каналов и гидросооружений (ГТС) на набухающих грунтах, обобщенный в отраслевом нормативном документе ВСН 33-2.2,07-86, сравнительно невелик, а потому сами ВСН нуждаются в дальнейшем совершенствовании, особенно в направлении уточнения расчетных приемов определения напряженно-деформационного состояния системы 'TTC - набухающее основание", изменяющегося по времени вслед за изменением поля влажности грунта.

Что касается республики Судан, то до сего времени изучение специфики работы сооружений, в том числе и оросительных систем, на набухающих грунтах целенаправленно не проводилось, никаких регламентирущих гидромелиоративное строительство нормативных документов не имеется. Поэтому накопление и разработка материалов для подобных документов в целях совершенствования приедав проектирования и обеспечения надежности работы различных сооружений на набухающих грунтах является весьма важной и первоочередной задачей для развития народного хозяйства Судана.

Наиболее серьезным недостатком действующих Норм проектирования оснований из набухающих грунтов является малая достоверность принимаемых по лабораторным данным единственных расчетных показа-

компрессионных (одноосных, без возможности бокового расширения грунта) испытаний, что автоматически предопределяет для расчета вертикальных перемещений сооружений компрессионную модель сжатия их оснований, тогда как в реальности под гидросооружениями и в откосах каналов набухание происходит при сложном напряженном состоянии с проявлением сдвиговых деформаций. При этом происходит также весьма большое набухание в горизонтальном направлении.

Ввиду резкой неоднородности деформационных свойств по глубине и простиранию массивов строительных площадок, сложенных набухающими грунтами, деформационные показатели, определяемые по небольшим выборкам из одиночных геологических выработок, оказываются шло достоверными. Поэтому расчетные характеристики набухв-емости и усадки следует устанавливать с учетом их вероятностного распределения в массивах оснований и неблагоприятного отклонения

телей деформируемости льной линейной усадки

результатам

относите-

от средних величин.

Применяемые при проектировании гидросооружений и каналов на набухающих грунтах индустриальные унифицированные конструкции и типовые проекты, предназначенные для использования на обычных т~ лодеформирующихся грунтах, не способны без специальных инженерных мероприятий (в основном - по устройству искусственных оснований) воспринимать цикличные знакопеременные деформации набухания и усадки.

Известно также, что набухающие грунты плохо поддаются технической мелиорации, отчего к ним применим лишь очень ограниченный круг известных методов устройства искусственных оснований. Поэтому для обеспечения надежности работы гидросооружений на таких грунтах необходимы дальнейшие творческие усилия инженеров для разработки новых нетрадиционных методов.

Цель_и_задачи исследований- В связи со сказанным целью настоящего исследования явилось совершенствование ряда расчетных приемов проектирования каналов и сооружений на набухающих грунтах по их совместным деформациям; оценка применимости имеющихся и установление новых инженерных мероприятий по обеспечению надежной работы ГТС и каналов в облицовках применительно к набухающим грунтам Судана.

В соответствии с целью и темой диссертации были поставлены следующие задачи:

1. Сбор и обобщение материалов по проблеме исследований, проектирования и строительства различных сооружений, в основном мелиоративного назначения, на набухающих грунтах.

2. Лабораторные исследования строительных свойств набухающих чернохлопковых глин Судана как оснований, среды и материала для гидротехнических сооружений.

3. Экспериментальные исследования на лабораторной модели совместной работы набухающего грунта в откосах канала и защитной облицовки его русла.

4. Разработка предложений по совершенствованию расчетных приемов проектирования ГТС по совместным деформациям с набухающими основаниями:

- назначение по нормативным опытным характеристикам расчетных показателей вертикальных перемещений основания из набухающих грунтов;

- установление переходного коэффициента, коррелирующего результаты компрессионных испытаний по отношению к действительным показателям деформируемости грунтов в основаниях гидросооружений и откосах каналов;

- уточнение величин предельных (допускаемых) дефоршций для различных видов и конструкций сооружений и каналов.

о. Формулирование принципов и инженерных мероприятий по обеспечению надежности работы ГТС и каналов на набухающих грунтах Судана- В направлении практической реализации этих принципов разработать отдельные конструктивные предложения как по устройству сетевых гидросооружений, так и по облицовкам каналов и откосов плотин.

Меторка_иссле^ований заключалась в сборе данных по рассматриваемым вопросам в технической литературе, по архивным документам проектных и эксплуатационных водохозяйственных учреждений,по результатам обследования в производственных условиях работы каналов и сетевых сооружений оросительных систем Судана, их систематизации и статистической обработке; в проведении лабораторных опытов по определению всех необходимых показателей строительных свойств чернохлопковых глин Судана и их зависимостей от действуй-

щих в основаниях гидросооружений напряжений и условий фильтрационного увлажнения; в проведении лабораторного модельного эксперимента на специально изготовленной лотковой установке по исследованию специфики совместной работы фрагмента откоса и дна канала, сложенных набухающим грунтом, и железобетонного крепления его русла; в конструктивных разработках на уровне изобретений надежной системы "типовое гидросооружение - набухающее основание" и железобетонной облицовки русла канала для работы в условиях длительных цикличных знакопеременных деформаций "набухания-усадки" грунтового основания.

Вабота выполнялась в период с 1992 по 199о год на кафедре "Основания и фундаменты" Московского государственного университета природообустройства.

Исследования проводились на образцах чернохлопковых набухающих глин, отобранных из двух шурфов в перспективном для мелиоративного. строительства районе Эльджезеры Судана. Лабораторные испытания велись в грунтовой лаборатории упомянутой кафедры, модельные лотковые исследования - в лаборатории кафедры "Механика грунтов, основания и фундаменты" МГСУ.

Научная новизна ^боты заключается в том, что рассмотрена в в комплексе физико-механическая природа взаимодействия циклично набухающе-усадочного грунта и работающих на нем конструкций каналов и мелиоративных сооружений. Установлены факторы и зависимости, влияющие на процессы взаимодействия, которые следует учитывать при проектировании. Сформулированы отдельные предложения по обеспечению надежной работы ГТС на набухающих грунтах.

Практическое_значение исследования состоит в разработке ряда расчетных приемов по совершенствованию методики проектирования ГТС и каналов в набухающих грунтах по предельным состояниям. Да-

ны рекомендации по расчету вертикальных и относительных перемещений гидросооружений и плит облицовки каналов, а также основные расчетные схемы для прочностных расчетов отдельных конструкций ГТС, работающих при неравномерном набухании оснований.

Применительно к региональным условиям района Голубого Нила в Судане даны рекомендации по обеспечению надежности и долговечности работы ирригационных сооружений и каналов на чернохлопковых глинах.

Разработаны инженерные мероприятий по приспособлению конструкций гидросооружений я плит облицовки каналов и откосов плотин для работы на основаниях из набухающе-усадрвдых грунтов.

Апробация и £еализация_работы. Основные положения диссертационной работы докладывались автором на научно-технических конференциях сотрудников МГУП и изложены в 3-х публикациях. По материалам исследования разработаны два конструктивных предложения по устройству сетевого ГТС и плит облицовок каналов для работы на набухающих грунтах.

Реализацию результатов проведенного автором исследования предлагается осуществить в его практической инженерной деятельности в Судане.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается большим объемом выполненных по стандартным методикам лабораторных опытов по определению нормативных показателей грунтов и их взаимозависимостей; проведением стендового эксперимента на модели из природного грунта с подробным замером напряженно-деформационного состояния; соответствием полученных результатов с наблюдаемыми при реальной совместной работе гидросооружений и набухающих оснований; хорошей сходимостью расчетных величин перемещений различных элементов канала, полученных по предложенным рас-

четным приемам, с установленными при модельном эксперименте.

На_защит^ выносятся следующие научно-технические положения:

- установленные закономерности вертикальных перемещений гидросооружений при цикличных набухании -усадке увлажняемых грунтов оснований;

- расчетные приемы совершенствования проектирования каналов

и гидросооружений по предельным деформациям с набухающими основаниями;

- назначение расчетных величин относительных набухания

и линейной усадки с Учетом природной изменчивости грунтов строительной площадки;

- корректировка результатов компрессионных испытаний по определению/ j( применительно к действительному напряженно-дефорда-ционноку состоянию грунтов в основаниях гидросооружений;

- усовершенствованная таблица предельных деформаций каналов и гидросооружений;

- инженерный прием прочностного расчета конструкций сооружений, непосредственно работающих совместно с локально набухающим основанием;

- метод обеспечения надежной работы и конструкция системы "типовое ГТС - циклично набухающе-усадочное основание" заделкой "стенок в грунте" на расчетную глубину,, обеспечивающую стабилизацию температурно-влажностного режима грунтов основания и исключающую проявление в нем знакопеременных деформаций;

- конструктивная расчетная схема сборной железобетонной плиты защитного крепления канала для работы на набухающе-усадочном основании.

Объем работы. Диссертационная работа изложена на 130 страницах машинописного текста и состоит из введения, четырех глав и

общих выводов. Она иллюстрирована 19 рисунками, 4 таблицами- В конце приведен список литературы, включающий 144 наименований, в том числе 37 зарубежных.

ССДШАНИ2 РАБОТЫ

В главе £ излагается и анализируется современное состояние проблемы исследования работы и проектирования каналов и сооружений мелиоративных систем на набухающих грунтах. Дается общая характеристика набухающих грунтов как оснований, среды и материала для гидросооружений. Рассматривается природа и механизм процесса набухания и усадки глинистых грунтов оснований по времени при взаимодействии с водой в напряженном состоянии от фундаментов и сооружений.

Отмечается, что в изучении вопросов, связанных с проблемой строительства на набухающе-усадочных грунтах, приоритет имеют исследования отечественных ученых В.П.Ананьева, Н.Ф.Бондаренко,Б.П. Бойма, Т.В.Дерягина, Е.А.Демина, Н.Я.Денисова, В.П.Дьяконова,Ю.К. Зарецкого, А.А.Землянского, Г-Я-Карапетова, А.В.Колманова, A.A. Мустафаева, В.М.Рыжкова, С.С-Савватеева, Е-А.Сорочана, З.Г.Тер-Мартиросяна, Н.А.Цытовича и др.

В странах зарубежья набухающим грунтам посвятили свои исследования А.Д.Амир, К.И.Баргут, Д.Е-Дженнингс, Д.Н.Дункан, Г.В.Клоу, Ц.К.Чанг, К.П.Дуаван, Р.Матур, Н.Б.Лал, Р.К.Кетти, А.Коморник, М.Кудуда, Р.Л.Литтон, Д.А.Франклин, М.А.Шернер л др.

Приводятся сведения и обобщается опыт работы сооружений, в особенности оросительных систем на набухающих грунтах различных регионов России, стран СНГ, за рубежом и в Судане. Систематизируются виды и причины происходящих деформаций, неисправностей и аварий сооружений.

К наиболее распространенным ошибкам, допускаемым при проектировании относятся: недостаточно точное определение размера и несерьезный учет специфики изменения деформационных свойств грунтов строительных площадок: малодостоверный расчетный прогноз наиболее опасных возможных деформаций сооружений; неполное соответствие расчетной модели грунтового основания действительной его работе во взаимодействии с сооружением; неправильное назначение конструктивного решения системы "сооружение-набухающее основание" и инженерных мероприятий по обеспечению надежности работы.

Как известно, общепринятым в настоящее время принципом проектирования .конструкций, зданий и сооружений, в том числе и гидротехнических (СНлП 2.06.01-86), является метод расчета по двум группам предельных состояний. Применительно к конструкциям и сооружениям, работающим совместно с грунтовыми основаниями, критериальное уравнение, выражающее условия основного расчетного состояния - недопущения предельных деформаций (П-я группа предельных оснований - по непригодности к нормальной эксплуатации), имеет вид

Щ- £ ^ $0. (I)

с Гс

где ¿э - расчетная деформация (перемещения) основания, подсчитанная для наиболее невыгодного(опасного) ее вида для сооружения. Как правило, ею являются относительные деформации (крен, перекос, прогиб, выгиб, взаимные перемещения частей и т.д.); - предельная величина принятой наиболее опасной для сооружения деформации, (перемещения), определяемая по таблицам Норм или аналогам; -коэффициент надежности по грунту, учитывающий возможные отклонения расчетных характеристик ввиду неоднородности грунтовых оснований; 5с - коэффициент условий работы, учитывающий приближенность расчетных схем и другие факторы, не поддающиеся точным расчетам-

Совершенствование приемов проектирования каналов и гидросооружений на набухающих грунтах по П-й группе предельных состояний с целью более полного обеспечения надежности их работы можно производить, влияя на обе стороны критериального неравенства (I). С этой точки зрения необходимо, с одной стороны - повышать достоверность расчетного прогноза ожидаемых вертикальных перемещений 2 - подъема грунтов оснований при набухании Иь* и опускания ^ при усадке, в том числе - уточняя размеры и разрабатывая новые расчетные приемы по определению коэффициентов и^с (левая часть неравенства), а с другой - упорядочить и установить более достоверные нормативные размеры предельных деформаций гидросооружений 5и ; либо повышать их величины (правая часть неравенства) путем проектирования сооружений, конструкции которых способны воспринять большие и неравномерные перемещения; либо применять инженерные мероприятия по предварительной подготовке оснований, исключая полностью или частично проявление деформаций.

По итогам рассмотрения современного состояния вопросов проектирования каналов и гидросооружений на набухающих грунтах в конце главы сформулированы цель и задачи диссертационного исследования, изложенные ранее.

Во_второЙ главе приводятся результаты экспериментального исследования набухающих чернохлопковых глин Судана, которые состоят из двух частей. В первой части рассматриваются результаты лабораторных опытов по установлению зависимостей показателей строительных свойств грунтов от действующих в основаниях гидросооружений напряжений, режима увлажнения и времени их цикличного замачивания подсыхания. Во-второй - экспериментальное модельное исследование взаимодействия набухающего грунта откоса канала и его железобетонного защитного покрытия.

Специфику и размеры незатухающих относительных деформаций набухания - усадки в зависимости от давления при цикличном увлажнении-высушивании исследованного грунта иллюстрируют графики, приведенные на рис. I. Графики показывает, что при небольших давлениях, характерных для оснований сетевых гидросооружений (до 0,1 мПа), относительное набухание и усадка ^ (последняя немного меньшей величины, чем набухание, отчего при долговременной эксплуатации ГТС они испытывают со временем остаточные вертикальные

этому названные деформации вследствие их резкой неравномерности проявления носят опасный и даже разрушающий для сооружения характер.

Резкое снижение прочностных характеристик набухающего грунта при замачивании до различной степени водонасыщенности, которое обязательно следует правильно прогнозировать и учитывать при проектировании устойчивости откосов каналов, плотин и их оснований, хорошо иллюстрируется рис. 2.

Исследование строительных свойств чернохлопковых глин Судана показало идентичность их деформационных, прочностных и др.характеристик свойствам набухающих грунтов других изученных регионов. Поэтому для названных глин полностью применимы уже имеющиеся рекомендации по проектированию гидросооружений на подобных грунтах. С другой стороны, полученные при исследовании глин Судана новые результаты будут также применены и для других разновидностей набухающих грунтов.

Целью моцельного_экспашмента являлось подтверждение установленных при анализе вопроса особенностей механизш взаимодействия фундаментов с набухающими грунтами для условий работы каналов и гидросооружений, установления новых закономерностей и получения отдельных расчетных данных и параметров- В частности - для расче-

перемещения поднятия) имеют большой размер

0,25). По-

та конструкций, работающих совместно с грунтом, ваяно знать очертания поверхности основания в результате деформаций набухания,напряжения в приконтактной области - как в грунте основания, так и в конструкции.

Модель представляла фрагмент грунтового ьиссива, слагающего откос канала с частью дна и облицовкой из монолитного бетона толщиной в натуре 20 см, разрезанной и стыкуемой на откосе по деформационному шву герметеэиругощей прокладкой типа "Констоп", в масштабе 1:10 (масштабный линейный коэффициент 0,1).

Модель испытывалась в условиях плоской деформации. Выполнена она была из прозрачного оргстекла толщиной 22 мм. Размеры внутренней полости модельного лотка, в соответствии с шсштабом моделирования и размерами натурного канала, составляли ЮОхоОхб см. В качестве модельного грунтового материала принят натурный исследованный грунт - чернохлопковая глина Судана в нарушенном порошкообразном состоянии. Укладывалась она с влажностью У/ = 0,20 с послойным уплотнением до природной плотности $ = 1,44 г/м3. Таким образом, масштабные коэффициенты по грунтовому материалу модели имели величину: по плотности = I, по углу внутреннего трения I, по удельному сцеплению 0\с = ©(,_ = 0,1. По напряжениям ^и деформациям масштабные коэффициенты равны = ~ сх^ о, "X

Для возможности визуального и инструментального контроля за перемещениями грунта были проложены горизонтальные меловые полоски толщиной 0,2 см так, что получилась координатная сетка с квадратными ячейками 10x10 и эхо см. В определенных местах как на внутренних стенках лотка, так и в грунте было установлено семь мессдоз с датчиками напряжений (см. рис. ?)•

По откосу, для возможности локального замачивания грунта под стыкуемыми плитами (для имитации течи через нарушенный стык за-

щитного крепления) проложены две трубки = а мм из гибкого ште-риала с перфорированными отверстиями и выводом наружу к мерное ., баку с водой.

Модельные плиты покрытия изготовлены из специально подобранного материала (полиэтилен с ориентированным стекловолокном), модуль деформации которого = 2,2 Ю3 мПа. Прокладка "Констоп" моделировалась пастой на основе каучука с асбестовой крошкой с прочностью на растяжение (в соответствии с масштабным коэффициентом С*чп =0.1)&п = 0»3 мПа и с примерно равным натурному относительным удлинением при разрыве.

Давления (с учетом модельного коэффициента 0,1) передавались на дамбу модели жестким штампом, а на откосы и дно канала -через пневматическую резиновую камеру. •

Скорость впитывания воды из течи л характер водопроницаемости грунта модели хорошо иллюстрируется изолиниями полного во-донасыщения, замеренными на определенные сроки (сутки) впитывания. Скорость максимальна в первые двое суток, а затем резко снижается и устанавливается на весьма малой величине ГЩ> = 0,02 м/сут.

По- времени процесса впитывания ее можно аппроксимировать функцией . -гп

где - скорость впитывания воды при = I сут; ГП - показатель впитывания; для исследованного грунта ГП = 3,4.

Считая по объему впитавшейся на ЮО-е сутки воды, влажность грунта повысилась от исходной У/о = 0,20 до конечной 0,35 (степень воцонасьеденности I), что было также подтверждено и последующим контрольным отбором проб на высушивание.

Анализ графиков трансформации напряжений и перемещений в грунте по времени его увлажнения (см- рис. 4) показывает, что в дача-

льном периоде замачивания (первые сутки) резко повышаются за счет возникновения всестороннего внутреннего давления набухания как вертикальные ^ , так и горизонтальные напряжения. При этом коэффициент бокового давления г достигает величины % = 0,7о против установившегося затем размера \ =0,67 (коэффициент бокового расширения) \) = 0,4 , когда напряжения снижаются до начальных величин. Максимум проявления деформаций набухания падает также на начало увлажнения (первые четверо суток), однако по времени они запаздывают против всплеска напряжений и момента замачивания.

Общее направление вектора перемещений набухающего грунта под течью и плит облицовки - примерно перпендикулярно откосу. Непосредственно под течью образовался криволинейный несимметричный "бугор набухания", максимальная выпуклость которого совпадает с осью течи. Сосредоточенное давление набухания в грунте "бугра" привело к предельному изгибу состыкованной плиты из модельного материала, разрыву дефоршционного шва и раскрытию его над течью на величину с! = 21 см, что значительно превышает способность сопротивления разрыву и выдергиванию прокладки "Констоп".

После разрыва плиты испытали крен в разные стороны, поворачиваясь под давлением от "бугра набухания" вверх от стыка вокруг осей, совпадающих для верхней плиты - с перемещающейся вверх бровкой бермы, а для нижней - с поднимающейся бровкой дна. Одновременно они переместились внутрь канала в общем направлении, перпендикулярном откосу.

Замеренный крен плит составил для верхней = 0,07, а для нижней - Сн = 0,083, что больше предельных величин для данного вида конструкций крепления каналов С„р~ 0,0а. Абсолютные перемещения плит по вертикали 19...44 см также значительно превыша-

ют предельную величину П5>< = 10 ск и безусловно недопустимы не только по условиям сохранности герметичности,стыков, но и по изменению геометрии сечения канала.

Относительное удлинение растянутой нижней зоны бетона нижней плиты при ее начальном изгибе составило = 0,0067, что на по-„ . . . _____ _. . _ . _ ¡.р - 0,00015. Следо-

вательно, в бетоне обязательно появятся сквозные трещины, что недопустимо для конструкций 1-й категории требований к трещиностой-кости, работающих под водой.

Таким образом, проведенный модельный эксперимент не только позволил получить подробную картину изменения по времени напряженно -деформационного состояния системы "набухающий грунт основания - облицовка откоса канала", но определить необходимые расчетные параметры с точностью, достаточной для практики проектирования, что другими опытными методами установить было бы затруднительно, либо невозможно.

В главе 3 даются предложения по совершенствованию методики расчета гидросооружений по предельным совместным деформациям с набухающими основаниями.

Пе£вое_п£едложение по совершенствованию левой части критериального уравнения (I) заключается в повышении достоверности назначения расчетных показателей и , путем учета существенной природной изменчивости этих характеристик по глубине и простиранию строительных площадок, коэффициентом надежности по грунту Тз ■

Величина его устанавливается с помощью методов математической статистики в зависимости от изменчивости характеристик, числа определений "Ъ " и значений доверительной вероятности по формуле

тку (3)

где - коэффициент, принимаемый в зависимости от заданной доверительной вероятности = 0,9о) и числа степеней свободы (П.- I); 1Г- коэффициент вариации характеристики.

Второе_л]зе¡ут ожени е - корректировать результаты компрессионных испытаний (проводимых без возможности бокового расширения грунта) применительно к условиям действительной работы грунта в основаниях гидросооружений (с поперечным расширением или с его ограниченной возможностью, что,естественно,снижает размеры вертикальных перемещений) , коэффициентом условий работы Хс •

Для определения величин последнего использован прием эквивалентности величин перемещений, полученных для различных расчетных случаев напряженно-деформационного состояния оснований (одноосная-компрессионная, двухосная - плоская и трехосная - пространственная задачи).

Тогда,приравнивая величину перемещения при набухании Ь^,

подсчитанного по условиям компрессионной задачи, перемещению при г»

трехосной задаче (индекс три штриха), получим

Принимая модуль деформации грунта Е по координатным направлениям одинаковым (полагая грунт изотропным), учитывая закон Гука

'гъй. -2 Е

тяятельнп С. п Н.=г> с — Н _

И

^^ , а также то обстоятельство, что при компрессии а следовательно -^-г » получим

/

тщйю

П-ь)

Обозначив сомножитель "/^дУ-з-У) ^Р63 коэффициент условий

работы

(С > и подставив установленное ранее для глин Судана

0,4, определим размер коэффициента для Щ0ст1ннственн0й_задачи, равный Ус - 2,14.

Для плоской задачи, когда £ * О, величина коэффициента равна

Для кош^ессионной задачи коэффициент условий работы * I.

В итоге формула для подсчета величины hiw с предложенными коэффициентами будет выглядить следующим образом

h у f Ь К ■ <б> £ ii ^ 11 1 лл где К^ - нормативный коэффициент, учитывающий влияние веса не-

увлажненной части массива грунта за пределами площади замачивания. Для специфики условий работы каналов и гидросооружений можно принять Ьч1кг. к I.

Третье_п£едложение - инженерный прием расчета плит покрытий откосов и дна каналов на совместньв деформации с набухающими основаниями, основанный на натурных наблюдениях и результатах проведенного модельного эксперимента. Он подразумевает вероятностный механизм локального набухания оснований, когда в случаях наихудшего расположения под плитой "бугра набухания" и его криволиней-ности в плите возникают максимальные величины изгибающего момента, перерезывающей силы и прогиба.

Расчетные схемы замеренного на модели профиля деформированной поверхности основания в месте образования "бугра набухания" и двух возможных принципиальных случаев расположения последнего под плитами показаны соответственно на рис. 5 и 6. Выражения для подсчета максимальных момента М, перерезывающей силы Q и прогиба L приводятся в диссертации.

В направлении совершенствования правой части критериального уравнения (I) разработана таблица предельных совместных переме-

щений каналов и гидросооружений оросительных систем и набухающих грунтов их оснований (см.табл. I).

Рекомендуемая таблица отличается от подобной официальной таблицы ВСН 33-2-2.07-86 следующим:

- систематизированы и компактно упорядочены номенклатурные виды и конструкции ГТС по назначению, конструкциям, характеру пе-реда:ваемых на основания нагрузок и воздействий, способности воспринимать деформации набухания-усадки;

- введена новая графа - нормирование по наиболее опасным для сооружений относительным_деформациям;

- уточнены с учетом специфики работы конструкций гидросооружений при циклических знакопеременных воздействиях набухания -усадки размеры абсолютных и средних допускаемых деформаций и приведены величины предельных относительных деформаций.

Проведенный модельный эксперимент позволил провести сравнение (табл. 2) расчетных величин подъема элементов канала при набухании грунта, подсчитанных по различным имеющимся методикам, в том числе - по наши рекомендациям (с учетом отношения коэффициентов

* « 0,88), с соответствующими фактическими замеренными 1,35

перемещениями по трем расчетным сечениям (см.рис. 7).

Из таблицы 2 видно, что полученные по рекомендациям СНиП 2.02.01-83 и с учетом наших предложений результаты находятся в пределах точности расчетов (расхождения +5...10^) с фактическими Однако отклонения имеют разный знак. По СНиП расчетные величины меньше фактических, а по нашим предложениям - расчетные превышают фактические. Исходя из положений теории надежности, последние расчетные результаты повышают надежность проектных решений. По СНиП же может оказаться, что принятые по расчету инженерные мероприятия не обеспечат необходимую надежность.

Сказанное позволяет констатировать, что рекомендуемые предложения по корректировке расчетных величин повышают достоверность определения вертикальных перемещений гидросооружений и каналов при набухании-усадке оснований.

В главе 4 рассматриваются вопросы повышения надежности работы каналов и гидросооружений на набухающих грунтах- Систематизируются и анализируются технические мероприятия, применяемые в инженерной практике для обеспечения надежности работы зданий и различных сооружений и устанавливается их пригодность и эффективность для специфики гидромелиоративного строительства.

Показывается, что наиболее приемлемыми при устройстве постоянно действующих каналов и ГТС на них мероприятиями являются полная ликвидация ожидаемых деформаций набухания предварительным замачиванием грунтов оснований и конструктивное приспособление сооружений к неравномерным деформациям набухания-усадки. Для сооружений же на каналах, периодически сезонно действующих, во избежание проявления циклических знакопеременных деформаций набухания-усадки необходимо каким-то приемом после предварительного замачивания постоянно поддерживать в толще массива оснований максимально возможное водонасыцение грунта.

Б направлении реализации изложенных соображений предлагается два конструктивных решзния.

Первое является результатом поиска надежного конструктивного решения на пути обеспечения безопасной совместной работы всей системы "сооружение-набухающее основание". В нем верхним строением служит обычная типовая конструкция ГТС, в которой центральная водопроводящая часть(труба, лоток) выполняется с предварительным (строительным) прогибом вниз на величину расчетной стрелы прогиба А" (см. рис. 3) и подстилающим эашчивающим слоем.

Последний служит для возможности замачивания грунтов основания с целью полной провокации их (набухания под нагрузкой от сооружения при первичном пуске воды в канал. При этом за счет разницы вертикальных подъемов диафрагм входного и выходного оголовков с защемленными в них крайними звеньями трубы (отсутствие или небольшой подъем при высоком сосредоточенном давлении пс узким нижним торцам, диафрагм) и центрального участка трубы (большой подъем из-за малого давления, распределенного по большой площади переезда) строительный подъем будет ликвидирован.

Нижней, подземной частью служат поперечные и продольные ограждающие массив основания "стенки в грунте", заделанные на глубину • Они конструктивно реализуют новый предложенный метод устройства безопасного искусственного основания, предусматривающий создание и сохранение постоянным влажностного режима максимальной водонасыщенности набухающих грунтов. Это обеспечивает невозможность их подсыхания и возникновения в огражденном массиве основания цикличных знакопеременных деформаций набухания-усадки.

Расчетная глубина залелки "стенок в грунте" принимается как максимальная из двух величин, подсчитываемых из условия устойчивости (невозможности подъема сооружения при совместном действии на заглубленные стенки касательных сил подъема и давления набухания под подошвой), и по деформациям - чтобы величина подъема набухающего грунта, расположенного ниже отметки заглубления стенок, не превосходила предельной для проектируемого сооружения. Подробные формулы для расчета и их вывод приводятся в диссертации.

&горым_конструктивным предложением пля железобетонных плит облицовки каналов является рекомендация производить прочностной расчет плит с учетом предложенных ранее расчетных схем. При этом рабочее армирование для восприятия знакопеременных циклических

усилий должно быть двухрядным, у верхней и нижней поверхности плиты. В настоящее же время арматура обычно укладывается лишь в нижней части, в основном - по технологическим условиям, или с учетом транспортных и монтажных нагрузок (для сборных плит),противодавления, волновых, ледовых и др. нагрузок.

ОСНСВЫЕ ВЫВОДЫ

1. Работа каналов и сооружений мелиоративных систем на набу-хаше-усадочных грунтах изучена совершенно недостаточно, а поэтому действующие в этой отрасли технические нормы и правила нуждаются в дальнейшем серьезном совершенствовании. Особенно это относится к повышению достоверности расчетных приемов методики проектирования гидросооружений по совместным предельным деформациям

с набухающими основаниями-

2. В Республике Судан никаких документов, регламентирующих гидромелиоративное строительство на чернохлопковых набухающих глинах, занимающих более трети территории и слагающих наиболее плодородные земли, до сего врешни не имеется. Поэтому обобщение мирового ив особенности - российского опыта подобного строительства, накопление и разработка как материалов для таких документов, так и конструктивных предложений по обеспечению надежности каналов и гидросооружений является актуальной народнохозяйственной задачей.

3. Экспериментальные лабораторные исследования чернохлопковых глин Судана показали идентичность их строительных характеристик свойствам набухающих грунтов других регионов- Поэтому для них применимы уже имеющиеся рекомендации по проектированию различных объектов на номенклатурных набухающих грунтах, изложенные в действующих нормативных документах и технической литературе.

4. В напраалении совершенствования расчетных приемов проекта-рования каналов и гидросооружений по совместным предельным деформациям с набухающим основаниями по результатам проведенного исследования предложено:

- при назначении расчетных величин основных деформационных характеристик - относительных набухания и линейной усадки

Г . - умножать их нормативные значения на коэффициент надежности у—

по грунту (3 9 I, учитывающий природную изменчивость грунтов строительной площадки;

- корректиро вать результаты компрессионных испытаний по определению применительно к действительное напряженно-деформационному состоянию грунта в основании сооружений коэффициентом условий работы , учитывающим интенсивность бокового расширения грунта при набухании;

- усовершенствованная таблица предельных деформаций каналов и гидросооружений, учитывающая специфику их работы на набухающих грунтах;

- инженерный прием прочностного расчета конструкций сооружений, работающих непосредственно на локально набухающем основании (например, флютбета ГТС или плиты облицовки канала);

- конструкция системы "гидросооружение - набухающее основание", исключающая циклично повторяющиеся знакопеременные деформации подъема-осадки ГТС при набухании- садке его основания;

- конструктивная расчетная схема сборной железобетонной плиты защитного крепления канала для работы на набухающе-усадочном основании.

5. Выполнен лотковый модельный эксперимент по установлению динамики полей влажности и напряженно-деформационного состояния массива набухающего грунта, слагающего фрагмент основания откоса

облицованного канала с имитацией течи черэз шов-

Эксперимент показал правильность теоретических предпосылок механизма совместной работы облицовки на откосе и набухающего основания, позволил проверить достоверность предложенных расчетных рекомендаций по прогнозированию ожидаемых дефордаций. В частности показано, что предложенный расчетный прием определения вертикального перемещения подъема сооружения при набухании основания по надежности более предпочтителен, чем нормативный метод.

Для дальнейшего исследования и проработки вопросов проектирования гидросооружений на набухающих грунтах предлагаются следующие, по которым при модельном эксперименте получены интересные результаты, не использованные однако в рамках настоящей диссертации:

- расчет динамики полей водонасыщения в набухающем основании, как основного фактора.обуславливающего его напряженно-деформационное состояние;

- определение горизонтальных перемещений сооружений при набухании грунта;

- разработка аналитического метода расчета совместных деформаций гидросооружений как балок и плит на локально набухающем основании.

Таблица I

Предельные величины совместных деформаций сооружений мелиоративных систем и оснований, сложенных набухающими грунтами

т пп Тип и конструкция сооружении Предельные деформации

абсолютная относительная

средняя <1М вертикальное ; смешение

I. Каналы в земляном русле с креплениями: железобетонные монолитные и сборномонолитные сборные с шарнирными связям асфальтобетонные из рулонных и пленочных материалов с защитным покрытием: из грунта из плит 8 1а 15 30 25 0,01 0,05 0,6 в* 0,6 в*

2- Лотковые каналы Ь 0,008-0,005 ! 0,о в*

3. Закрытые каналы из труб: асбестоцементных л железобетонных стальных, полимерных 7 1а 1 0,005-0,003 { -0;02 1 -

4. Сетевые ГТС (перегораживающие ,регулирующие, сопрягающие ,водопропускные): трубчатые открытые 10 1о 0,008 0,005 3,0

о. Акведуки,мосты, переезды, дккеры и консольные перепады на сваях а 0,01

6. Насосные станции: блочного и камерного типов водопроводного типа 6 а 0,002 0,003 2,0

7. Земляные сооружения 20 0,001 -

Примечания: з* - толщина плиты; {_ - длина элеиента; расстояние

между расчетными вертикалями; £>$,- разница перемещений-

. Таблица 2

Сравнение расчетных величин подъема при набухании основания облицованного откоса канала, подсчитанных по разным методикам, с фактическими (по результатам модельного эксперимента)

№№ пп Расчетная вертикаль сечзния канала Толща набу-хаемого грунта, Н^ см Фактические величины (по модели) Расчетная величина по разным методикам

по СНиП 2-02.01-83 по температур-но-влажностной аналогии по предлагаемой методике

относи тальюе набух. £ XV подъем см

С ' Ь с п »СМ 1 'о. р - И )Гс ^ 'СМ **

I. ось дамбы 1-1 380 0,061 23,0 0,08*0,77= * 0,062 23,6 0,065 25,0 0,08-0.88= - 0,б71 27,0

2 середина отко-саП-П 280 0,167 44,0 0,17.0,8« « 0)137 38,5 0,08 22,5 0,17-0,88= - 0,150 42,0

3. дно Ш-Ш 100 0,190 19,0 0,20-0,8= = 0,160 16,0 0,09 9,0 0,23-0,88= «= 0,2024 20,24

*С1

к ь» о я

со ж £ со

Го

Приложение 3 Изменение относительных деформаций набухания а усадки ¿^ в зависимости от действующих напряжений при цикличном увлажнении - бысушивании темноцветных глин Судана

----усадка.

Рис. I.

Приложение 4 Зависимость сопротивления сдвигу а прочностных характеристик С и <р исследованных набухающих грунтов от влажности И/ (чернамаокобие глины, нарушенной структуры; Судан)

Тру5с;аты О регулятор с переездом на копалах 8 нс^уха/сще-усадочных грунтах

предварительный (строительный)прогиб тру&ьп 4- входной и быхоЬиои портальные сголс£ки; 2- звенит бсЪсярслусхнаи Трц5й/; 3-шарнирные стыки 38ен*е& с герметикой; затвора Крайние Защитные стенки 8 грунте; центральная пс^реиная рол- . делякщая стена в грунте, 7- Замачивающий слой 8 &и2е

тупикового погребенного фольтра; д- отверстия для пропуска &зЗы и! Зьефоб 6 затяи&акнций слой,; 9- ггрмегик (лоро»3ол); ^•фиксирующие ЗахВатьп И- $оЗо5ойно9 стенка..

изменение вертикального 6г (по месдазам и-3м»5), 5ахо6ого бу (мессдаа напряжений и относа-

гельного напухания в сечении Ц-Ц па бремени опыта Ь

/ 5 Ю /5 ¿0

60 €5 ТО 75%СЦГ

Профиль „¡¡угра" набухания под течью 8 покрытии откоса нанала

Рис. а

Расчетные схемы напухания ¿рун га по пода а/6 с ги\игы о&лицобки откоса канала

при „ ¿¡угре" набуханая

а) под центром плиты.

б) /гад краоми плиты

&

к §

со а к св с»

!- площадь опирония оодошбы плиты на основание; ц- внешнее равномерно раса ре беленное давление; IV- даёление (отпор) грунта при на$ухании> /У- нагрузка от соседней плиты; С- козсрфициент опирония на грунт

Рис. 6.

' I I

* Ъ * <§

г 5 о >

г ^ § ч

$ ъ §

ч 9 а $

$ ш

о

I $

* о ¡5 5

£ о £

§ * ё е

I * I £

I Пт

<. и?

I е 5 *

* !!; ? '5 И

! * В £

й к- 1

<* I ^ Г"1

„ Н -I 11 I

£ * 2 § 5 И

Ы

! И

I % I ^

II и*

< л г

«г д'^'^Зу

АЦЦОТА ИБРАГИМ БАБИКЕР

ОСОБЕННОСТИ СТРОИТЕЛЬСТВА ГИДРОСООРУЖЕНИЙ ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ НА НАБУХАЮЩИХ ГРУНТАХ СУДАНА

Заказ № 355 ТиражЧРО экз.