автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Разработка надземных конструкций земляного полотна автомобильных дорог и способов их расчета

61: О

ё

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ХАБАРОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

УДК 625.712.001.24 На правах рукописи

ВДОВЕНКО АЛЛА ВЛАДИМИРОВНА

РАЗРАБОТКА НАДЗЕМНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ И СПОСОБОВ ИХ РАСЧЕТА

Специальность:05.23.11 Строительство автомобильных дорог и аэродромов

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель к.т.н. доцент Глибовицкий Ю.С.

ХАБАРОВСК 1999

Оглавление

стр.

Введение 6 Глава 1. Состояние и основные тенденции совершенствования

конструктивных форм откосных сооружений 17

1.1. Конструктивные решения засыпных сооружений раннего периода 17

1.2.Предлагаемые типы откосных эстакад и регальверков 27 1.2.1.Обоснование расчётной модели откосной эстакады с пролетным

строением корытного профиля 27 1.2.2.3асыпная эстакада под насыпью в виде мембраны, натянутой

на продольные борта ячеек жесткого контура 34 1.2.3.Засыпная эстакада в виде гофрированного свода, опертого на

продольные борта бибалочного ростверка 39

1.2.4.Регальверки 41

1.3.Оптимальная разбивка откосных засыпных сооружений на пролеты 47

1.4.Цель и задачи исследования 51 Глава 2.Особенности оценки напряжённого состояния и давления зернистой

засыпки на пролётное строение 53 2.1.Состояние геомеханического обеспечения по расчёту напряженно-

деформированного состояния засыпных сооружений 53

2.2.0боснование модели грунта зернистой засыпки 55

2.2.1.Гипотеза Г.И.Покровского 55

2.2.2.Предлагаемая вероятностная модель 56

2.2.3.Имитационная вероятностная модель И.И. Кандаурова 61

2.2.4.Гипотеза P.A. Муллера 64 2.3.Определение безраспорной и распорной расчётных схем вероятностных структур

зернистых сред 64 2.4.Оценка вертикальных напряжений в зернистом основании.

Коэффициент структуры 67

2.5. Распре деление напряжений от горизонтальной силы 70 2.5.1.Сосредоточенная сила в плоской задаче безраспорного зернистого

основания 70

2.5.2.Сосредоточенная горизонтальная сила в распорной зернистой среде 72

2.6.0бобщённые уравнения безраспорных и распорных сред 74

2.6.1 .Сосредоточенные вертикальная и горизонтальная силы в плоской задаче 74

2.6.2.Сосредоточенная вертикальная сила в пространственной задаче 76 2.7.Распределение напряжений в зернистой засыпке и оценка давления

на стенки и днище лотка 77

2.7.1.Напряжения от вертикальной нагрузки равномерно распределённой по бесконечной полосе 77

2.7.2.Напряжения от вертикальной линейной полосовой нагрузки 78

2.7.3.Напряжения от вертикальной треугольной нагрузки 79

2.7.4.Напряжения от вертикальной трапециидальной нагрузки 80

2.7.5.Напряжения от вертикальной нагрузки равномерно распределённой по прямоугольнику 81

2.7.6.3амечания по оценке внутренней статической неопределимости в

слоистых зернистых средах 82 2.7.7.Оценка границ изменения коэффициента распределительной

способности 85

2.7.8.Оценка давления засыпки и обоснование угла наклона стенок лотка 87

Выводы по главе 89 Глава 3.Инженерные мероприятия по регулированию водно-теплового режима

засыпки 91

3.1.Расчётные показатели свойств и состояния грунтов засыпки 91 3.2.0собенности впитывания осадков, капиллярного движения и испарения

воды из грунтов засыпки 96

3.2.1.Введение 96

3.2.2.Оценка впитывания осадков 97

3.2.3 .Влияние водно-тепловых свойств конструкции на влагонакопление 102

3.2.4.Испарение воды из грунтов засыпки лотка 111

3.2.5.Процесс теплопередачи в земляном полотне засыпки 115 3.3.Гидроизоляция лотка, дренаж и поверхностный водоотвод 116

3.4.Прогнозирование теплофизических характеристик эволюционирующих криопаровоздушных суперэластичных кристаллических композитов 120

3.5. Регулирование водно-теплового режима засыпки 126

3.5.1.Предварительные замечания 126

3.5.2.Расчёт промерзания 127

3.5.3.Условия насыщения дорнита кристаллами льда 129

3.5.4.Уравнения тепловлагообмена в стадии формирования самоорганизующейся буферной зоны и супернабухания дорнита 131

3.5.5.Прогноз возможного влагонакопления и регулирования

расчётной влажности засыпки 132

3.5.6.К учёту влагонакопления и ледового супернабухания дорнита

в буферной зоне 137

Выводы по главе 140

Глава 4. Предложения по расчёту пролётных строений откосных

засыпных сооружений 142

4.1.Виды и особенности воздействия автомобильной и специальных нагрузок 142

4.2.Уравнение движения надземной дороги 145

4.3.Напряженно-деформированное состояние зернистых слоистых сред

при изменении температуры 150

4.4.Построение расчётной модели засыпного лоткового пролётного

строения 153

4.5.Деформации зернистой грунтовой засыпки 159 4.5.1.0 природе деформируемости зернистых сред 159 4.5.2.Осадка однородного грунтового массива засыпки от нагрузки равномерно

распределенной по бесконечной полосе 161

4.5.3.Осадка однородной грунтовой засыпки от сосредоточенной нагрузки 161

4.5.4.0садка засыпки от сосредоточенной нагрузки при изменении модуля

деформации по глубине 162

4.6.Деформация сжатия слоистой системы от сосредоточенной нагрузки

в пространственной задаче 162

4.7.0ценка мульды засыпки от вертикальных перемещений

пролётного строения за счёт ползучести бетона 163

4.7.1.Постановка задачи 163

4.7.2.Мульда от ползучести бетона лотка 166

4.7.3.Мульда от элементарной подземной выработки в

пространственной задаче 167

4.7.4.Мульда от ползучести бетона лотка в пространственной задаче 167 Выводы по главе 168 Заключение 169 Список литературы 171

Введение

Выполнение широкой программы строительных работ связано с комплексной целевой программой по достижению мирового технического уровня в транспортном строительстве - проблема «Стройпрогресс - 2000».

В настоящее время в России только на Дальнем Востоке строятся две крупные автомобильные дороги: Чита-Хабаровск («Амур») и Хабаровск-Находка («Восток»), Для обеспечения бесперебойного движения транспорта по дорогам требуется строительство транспортных развязок в разных уровнях, в состав которых входят путепроводы. Кроме того, важнейшими сооружениями городов, расположенных на берегах морей, рек и каналов, являются набережные, подпорные стенки и засыпные откосные сооружения. Именно они создают характерный архитектурный облик населённых пунктов, жизнь которых тесно связана с водой и водными путями сообщений. В первую очередь это относится к городам, расположенным в устьях судоходных рек и на берегах морей. Примером могут служить такие крупные административные, промышленные и культурные центры, как Санкт-Петербург, Одесса, Калининград, Архангельск и Владивосток. Привычный вид этих городов невозможно представить без набережных, которые служат стержневым элементом всей их застройки.

Набережные являются одним из главных украшений и многих материковых городов в числе которых: Москва, Волгоград, Киев, Нижний Новгород, Самара, Ярославль, Саратов, Пермь, Омск, Новосибирск, Хабаровск и др. Возведение набережных и берегоукреплений на морских побережьях и засыпных откосных сооружений на реках и водохранилищах служит во многих случаях делу охраны окружающей среды.

При проектировании городских набережных, подпорных стен, регальверков, откосных засыпных сооружений приходится комплексно решать специфические и зачастую весьма сложные архитектурные, инженерные и технологические задачи. Серьёзную инженерную задачу представляет проектирование причальных набережных, которые в процессе эксплуатации воспринимают значительные статические и динамические нагрузки от складируемых грузов, средств механизации, сухопутного транспорта и судов. Интересную проблему в части андэграудной застройки

представляют предложенные этажерочные подпорные стенки ( регальверки ) и откосные засыпные сооружения.

Отечественная практика возведения набережных и сопутствующих им сооружений эволюционно активна и до настоящего времени. Она характеризуется оригинальными инженерными и архитектурными решениями, в которых есть место для отечественных новаций, а также прогрессивных элементов зарубежной практики строительства.

Огромные размеры России и связанное с этим разнообразие естественных гидрологических, геологических и климатических условий послужили хорошей предпосылкой к созданию большого конструктивного разнообразия набережных.

Все представляющие интерес типы набережных можно разделить на две группы -свайные и гравитационные:

А. Свайные, которые в свою очередь делятся на: * тонкие подпорные стенки ( больверки):

- безанкерный больверк;

- одноанкерный больверк, заанкеренный за плиты:

- работающие на выпор;

- воспринимающие сдвиг;

- заанкеренный за вертикальные сваи;

- заанкеренный за свайные козловые опоры;

- козловый больверк;

- двуханкерный разрезной больверк;

- двуханкерный неразрезной больверк;

** тонкие подпорные стенки больверки с разгружающими и экранирующими устройствами, включающие:

- каменную призму;

- каменную призму с разгружающей горизонтальной платформой;

- то же с регальверковой платформой;

- то же с разгружающей (переходной) плитой;

- то же с элементами, армирующими засыпку;

- то же с экранирующими сваями;

*** стенки из железобетонных свай-оболочек:

- безанкерная ( 0 = 1,6..,2м );

- заанкеренная ( 0 = 1,6...2м );

- безанкерная большого диаметра ( 0 = 4...6м );

- то же с разгрузочной платформой ( 0 = 4...6м); **** откосные набережные эстакады:

- распорная полулотковая;

- безраспорная лотковая;

- распорная полулотковая с разгружающей плитой;

- распорный мембранный ростверк;

- безраспорный мембранный ростверк;

- распорный мембранный ростверк с регулируемой опорой;

- распорный сводчатый ростверк;

/" и и

- оезраспорныи сводчатый ростверк;

- распорный сводчатый ростверк с регулированием усилий.

Б. Гравитационные:

- монолитная гравитационная стенка;

- стенка из массивной кладки;

- стенка из монолитных массивов-гигантов;

- стенка из сборных массивов-гигантов с надстройкой из заанкеренных панелей;

- стенка уголкового типа с внутренней анкеровкой;

- то же с внешней анкеровкой;

- сборная стенка из объёмных монтажных блоков;

- ряжевая стенка.

В приведенной классификации насчитывается 40 основных конструктивных типов набережных, используемых в городском и портовом гидротехническом строительстве. Конструктивное оформление большинства набережных может иметь многочисленные вариации. Так, высокие свайные ростверки могут быть моно- и биярусными, иметь различную конфигурацию тыловой грани и лицевой плоскости. Больверки часто проектируют с высокой монолитной надстройкой, имеющей ниши для установки на различных уровнях швартовных тумб и т.п. Различного вида разгружающие и экранирующие устройства часто применяют в комбинации, что даёт наибольший эффект. Наименее изучены откосные эстакады, входящие в набережные, развязки и

пересечения в разном уровне. В зависимости от назначения к ним предъявляются во многом не согласующиеся требования:

¡.Перекрытие всей ширины земляного полотна одним пролётом с обеспечением достаточного расстояния от бровки до опор, достижение наилучшего обзора при проезде под сооружением.

2. Наименьшая возможная строительная высота конструкции путепровода.

3. Применение типовых или экономичных индивидуальных проектов пролётных строений и опор.

4.Внешний вид, соответствующий современным эстетическим принципам -простота и цельность форм, отсутствие дробности, естественность отделки и окраски, соответствие облика сооружения окружающему пространству.

Необходимо выполнять также и требования общего характера - конструкция должна быть экономичной, иметь высокую степень сборности, наименьшие трудозатраты.

Современные набережные должны быть не только долговечны и надёжны, но и экономичны и технологичны, поэтому очевидна актуальность решения задачи оптимизации как сооружения в целом, так и отдельных его конструктивов.

В последнее время в совершенствовании методов проектирования, строительства и эксплуатации набережных достигнут значительный прогресс. Созданы и внедрены в практику теоретические основы рациональной эксплуатации набережных. Сконструированы и широко применяются приборы и измерительные системы для контроля за техническим состоянием сооружения. Изданы ведомственные нормативные документы, регламентирующие правила эксплуатации набережных и наблюдений за ними.

Проблемы, относящиеся к проектированию и эксплуатации набережных, связаны с рядом разделов технической физики и в первую очередь со строительной механикой и механикой грунтов, в развитие которых внесли крупный вклад советские учёные Н.Н.Маслов [73], Н.А.Цытович [138], В.А.Флорин [136], С.В.Нерпин [93], С.С.Вялов [28], И.И.Кандауров [53], М.Н.Гольдштейн [32], М.И.Горбунов-Посадов [17], М.В.Малышев [17], Б.И.Долматов [17],Н.К.Снитко [122], Ю.К.Зарецкий [42], С.А.Роза, Г.К.Клейн [60], М.Ю.Абелев [1], В.С.Христофоров [9], В.В.Соколовский [138].

Большая заслуга в деле систематизации конструкций, результатов исследований и методов расчёта набережных принадлежит В.Е.Ляхницкому [101], Совершенствованием методов расчёта набережных занимались С.В.Нерпин [93], Б.Ф.Горюнов [35], Б.А.Урецкий [17] и др.

Ряд вопросов механики грунтов, относящихся к проектированию и эксплуатации набережных на длительную прочность, исследовал А.Я.Будин [13-17], В.М.Кириллов [17], В.М.Кольга [17].

Вопрос, связанный с оценкой несущей способности набережных, имеющих локальные повреждения, а также отремонтированных без вывода из напряжённого состояния, наряду с А.Я.Будиным разрабатывали А.П.Бенуа [17], и М.В.Чекренева [17].

Буквально в последние годы концепция на несущие и ограждающие конструкции получила крен в область энергосберегающих технологий - ресурсосбережение должно быть одним из главных направлений инвестиционной политики. Задача состоит в том, чтобы на 50-75% удовлетворить прирост потребности народного хозяйства в топливе, сырье и материалах за счёт экономии. Именно Минстрой РФ в августе 1995г. внес изменения в повышении сопротивления теплопередачи в 2...3 раза («Изменения в СНиП 11-3-79**»). С другой стороны, конструкции набережных и подпорных стен традиционного исполнения занимают сравнительно большой объём, особенно в местностях с большими уклонами поверхности замли, и требуют значительных трудозатрат и материалов. Поэтому проблема снижения их стоимости и трудоёмкости весьма актуальна.

Сейчас весьма эффективными считаются строительные конструкции, имеющие минимальную материалоёмкость и работающие в основном на сжатие и растяжение, пространственные конструкции в виде оболочек и мембран. Они хорошо работают на распределённые нагрузки - давление грунта, засыпки и воздействие сил землетрясения [127]. Проблема улучшения свойств грунтов поэтому является наиболее актуальной и перспективной при строительстве сооружений с использованием дешёвых местных материалов, особенно в области гидротехнического и дорожного строительства, при возведении насыпей, дамб, плотин, подпорных стенок, устройстве котлованов, укреплении оснований [37], формировании мультифуркационных структур [68]. Широкое развитие получили методы закрепления грунтов основания тела сооружения, засыпки с помощью различных вяжущих: цемента, битума, эмульсий, алюмосиликатов,

различных полимерных материалов, при этом, наряду с традиционным грунтоцементом, создаются новые материалы типа укатанного бетона, грунтополимера, армированного фиброасфальтобетона.

В последние десятилетия в отечественной и зарубежной практике строительства получило развитие ещё одно направление по улучшению свойств грунтов с помощью укрепления местного материала различными видами эластичной, прочной некоррозируемой арматуры из круглых стеклопластиковых стержней [109], полимерных сеток, геоткани [146], полосовой нержавеющей стали, перфорированных пластин и решёток [64], а также создание новых конструкций с использованием материалов, обеспечивающих высокую надёжность и экономичность сооружений.

Актуальность работы подчинена развитию автомобильных дорог и городских откосных транспортных сооружений в виде эстакад под путепроводы и набережные, с одной стороны, с другой стороны совершенствованию конструктивных форм пролётных строений по «принципу сфероидальности», стимулирующему переход от плоских конструкций к пространственным в виде складок и гиперболических параболоидов, а также цилиндрических оболочек и оболочек покрытия с нижней биконоидальной поверхностью, взаимодействующей с основанием дорожной одежды засыпки.

Предлагаемые пространственные конструкции пролётных строений многофункционального назначения - лотковые складки, гофрированные своды и мембраны, балочные ростверки с панцирными откосами засыпки, прикрытой сверху цилиндрической оболочкой, взаимодействующей через биконоидную нижнюю поверхность с засыпкой, в которой также может быть сформирована несущая структура, вследствие особенностей их геометрической структ