Экспериментальные исследования причальных сооружений с разгружающими плитами как средством повышения их безопасной работы

Секция геодинамической безопасности и системы предупреждения и защиты при чрезвычайных ситуациях

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИЧАЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ С РАЗГРУЖАЮЩИМИ ПЛИТАМИ КАК СРЕДСТВОМ ПОВЫШЕНИЯ ИХ БЕЗОПАСНОЙ РАБОТЫ

П.И. Яковлев, Е.А. Муратова, В.М. Карпюк

Одесская государственная академия строительства и архитектуры

The discharging slabs, which one are the effective means of facilitation of structures, have received widespread occurrence at building berthing facilities and breast walls. The conducted researches purposed to investigate relation of a side pressure of a soil on a wall with a discharging slab and state of stress in a filling behind a wall from arrangement of band-pass loads on a surface.

Разгружающие плиты являются эффективным средством облегчения сооружений, получившим широкое распространение при строительстве причальных сооружений и подпорных стенок. Для исследования зависимости бокового давления грунта на стенку с разгружающей плитой и напряженного состояния в засыпке за стенкой от расположения полосовых нагрузок на поверхности был проведен ряд экспериментов на подпорной стенке с разгружающими плитами.

Исследования проводились в лотке высотой 109 и шириной 100 см. Модель стенки была выполнена из деревянных брусьев сечением 10х10 см, опирающихся на достаточно жесткий каркас из швеллеров и двутавров. Вес щита составлял около 400 кг. Для создания шероховатости поверхность щита, обращенная к засыпке, обмазывалась клеем и посыпалась песком. Были подготовлены четыре конструкции моделей разгружающих плит, отличающихся только шириной плиты (7,3; 14,5; 21,8; 29,1 см). В опытах плиты устанавливались на различной глубине от поверхности засыпки. Модель разгружающей плиты представляла собой доску толщиной 4 см, которая опиралась на 4 угольника, к каждому из которых доска крепилась винтами, поставленными впотай с верхней плоскостью плиты. Каждый угольник представлял собой жесткую конструкцию, сваренную из уголка 45 X 45 мм. Таким образом, в целом вертикальная стенка, угольники и доска представляли собой достаточно жесткую конструкцию. Для получения данных о напряженном состоянии засыпки в различных ее точках за стенкой размещались грунтовые датчики, специально сконструированные для этих опытов, основным рабочим элементом которых является рабочая балочка. Для измерений деформации балочки на нее наклеиваются четыре проволочных преобразователя (датчика) по два с каждой стороны. Проволочные преобразователи включаются в мостовую схему. Таким образом, все преобразователи являются рабочими, что повышает чувствительность схемы в четыре раза. Помимо этого, такая схема исключает погрешности, связанные с влиянием температуры окружающей среды. Контактные динамометры (датчики) устанавливались на вертикальной стенке на глубине 8, 23, 38, 53, 68, 83 и 103 см и тарировались непосредственно на стенке.

С целью обеспечения равномерной плотности песчаной засыпки в различных точках объема лотка его заполняли с помощью специальной рассеивающей установки.

Характеристики применявшегося в качестве засыпки люберецкого мелкозернистого кварцевого песка для строительных расчетов были следующими: у = 15,15 кН/м3; р = 33°30'; угол трения грунта по стенке 8 = 22°20'.

После заполнения лотка песком к поверхности засыпки прикладывалась нагрузка, состоящая из двух рядов чугунных отливок. Сначала пятью ступенями укладывался первый ряд, дававший интенсивность 32,5-103 кПа: первая ступень - на расстоянии 82,5 см от стенки; вторая - 59,1 см; третья - 36,8 см; четвертая - 14,2 см; пятая ступень прикладывалась непосредственно у стенки. Ширина первой ступени составляла 88,1 см. Второй ряд интенсивностью 61,2-103 кПа укладывался в такой же последовательности.

Рис. 1. Эпюры давления на стенку с плитой шириной 29,1 см, заглубленной на 27,3 см при различном положении временной нагрузки 1 - лоток засыпан песком, нагрузки нет; 2 - 11 - соответствуют 1-й - 10-й ступеням нагрузки

Было произведено одиннадцать серий опытов при различных комбинациях ширины и заглубления плиты. Каждую из плит устанавливали на глубине 27,3 см (рис. 2, 4) от поверхности засыпки. Кроме того, на глубине 72,3 см устанавливали плиты шириной 7,3 см (рис. 3) и 28,1 см, а на глубине 12,3 см устанавливали плиту шириной 21,8 см (рис. 5). Помимо семи контактных датчиков, установленных на вертикальной стенке, в зависимости от ширины плиты на ее верхней грани устанавливали от одного до трех датчиков. В конце опыта стенке при помощи пятнадцати ступеней придавались специальные постепенно увеличивающиеся поступательные смещения от 0,01 мм (1-я ступень) до 20 мм (15-я ступень). Таким образом обеспечивалось суммарное смещение стенки от начального положения перед засыпкой лотка песком на величину около 40 мм. С целью уменьшения нежелательных первоначальных подвижек модели была смонтирована специальная обтяжка системы из полиспастов, которая еще до начала засыпки лотка песком "обтягивала" модель вверху и внизу двумя силами величиной по 2,94-103 кН каждая. Это позволило уменьшить начальные подвижки стенки примерно до 0,07 мм.

Рис. 2. Эпюры давлений на стенку с плитой шириной 21,8 см, заглубленной на 57,3 см: 1, 2, 3 - опытные эпюры при q=0; 32,5-103 и 95,5-103 кПа: 4, 5, 6 - расчетные эпюры по Кулону для тех же условий при

5=2/3ф; 7, 8 - эпюры после подвижки на 9, 19,7 мм

Рис. 3 Эпюры давлений на стенку с плитой шириной 7,3 см, заглубленной на 72,3 см: 1, 2, 3 - расчетные эпюры по Кулону для тех же условий при 8 = 2/3^ ; 4, 5, 6 - опытные эпюры

при q=0; 32,5-103 и 95,5-103 кПа; 7, 8 -эпюры после подвижки на 4,6 и 19,6 мм

0 0,98 1,96 2,94 3,92 4,90 кПа

Рис. 4. Эпюры давлений на стенку с плитой шириной 14,5 см, заглубленной на 57,3 см; 1, 2, 3 - опытные эпюры при q=0; 32,5-103 и 95,5-103 Па; 4, 5, 6 - расчетные эпюры по Кулону для тех же условий при 8 = 2/3^ ; 7, 8 - эпюры после подвижки на 4,7 и 9,65 мм

Рис. 5. Эпюры давлений на стенку с плитой шириной 21,8 см, заглубленной на 12,3 см: 1, 2, 3 - опытные эпюры при q=0; 32,5-103 и 95,5-103 кПа; 4, 5, 6 - расчетные эпюры по Кулону для тех же условий при 8 = 2/3^; 7, 8 -

эпюры после подвижки на 4,7 и 39,6 мм

I

На одной из моделей стенки с плитой шириной 21,8 см, заглубленной на 27,3 см, проводились исследования влияния многократных нагружений засыпки временной нагрузки (рис. 7).

Была произведена серия опытов со стенкой с двумя загружающими плитами, (ширина верхней плиты 21,8 см, нижней - 14,5 см), которые были заглублены соответственно на 27,3 и 57,3 см (рис.6).

Проведенные экспериментальные исследования имели цель получить информацию о следующих данных:

- о величине и распределении давления на плиту в зависимости от интенсивности и положения нагрузки;

- о характере изменения давления на стенку и на плиту при поступательных подвижках стенки;

- о распределении давления по высоте стенки при различных положениях и размерах плиты в условиях воздействия различным образом расположенной временной нагрузки;

- об объеме призмы обрушения, положении поверхности скольжения и

Рис.6. Модель стенки с двумя разгружающими плитами

характере смещения частиц для стенок с плитами;

- о напряженном состоянии засыпки за стенкой.

В результате проведенных исследований, помимо прочих результатов, впервые были получены данные о влиянии смещений стенки и о распределении давления по поверхности плиты, о напряженном состоянии засыпки за стенкой и влиянии поверхностной нагрузки (в том числе и многократно прикладываемой). Результаты опытов также демонстрируют поведение сыпучей среды в условиях одновременного действия различных факторов.

На основании выполненных экспериментальных исследований можно сделать следующие основные выводы:

1. Многочисленные измерения, проведенные со стенками с различными разгружающим плитами, показали, что распределение напряжений в засыпке от временной нагрузки не соответствует предпосылкам, принимаемым теорией Кулона. Напряжения распределяются под значительно более пологим углом, чем угол обрушения. Нагрузка, располагаемая на поверхности засыпки за пределами призмы обрушения, вызывает некоторое увеличение давлений на стенку. Эпюра давлений на участок стенки ниже плиты имеет плавный характер, без резких скачков. Давление на стенку непосредственно ниже плиты больше расчетного, а внизу стенки - меньше расчетного.

2. При поступательных подвижках величина равнодействующей давления на нижнюю часть стенки непрерывно уменьшается до смещений, равных 4,6 - 9,7 мм. Минимум давления в процессе подвижек в 1,6 - 5,5 раза меньше соответствующего давления перед началом подвижек. При дальнейшем увеличении подвижек давление может несколько увеличиваться, не превышая, однако, начальной величины.

3. При некоторых соотношениях ширины и заглубления плиты в процессе подвижек происходит некоторое нарастание давления на верхнюю часть стенки, причем относительное увеличение давления тем больше, чем меньше ее заглубление.

4. Измерения вертикальных напряжений в массе засыпки за стенкой показали, что влияние плиты в направлении уменьшения вертикальных напряжений в массе грунта под плитой значительно сильнее, чем это следует из существующей методики

расчета подпорных стенок. Интенсивность вертикального давления в створе засыпки между плитой и внешней поверхностью скольжения при подвижках стенки существенно меньше, чем вес вышележащей засыпки и нагрузки.

кПа 14,70

13,2 12,74

11,76 10,78

9,80

8,82

7,84

6,86

5,88

4,90

3,92

2,94

Г 1 I

•

ь 1!

1 ш

1 /// /71

\3Л И1 / .'//'

1 > !1\

/и ( 1'

/ /!

1 т*" / ч р

/1 /1

1; 7 1

1 ! 1

кПа 14,7 13,72

12,74

11,76 10,78

кПа 14,70

9,80

8,82

7,84

6,86

5,88

4,90

3,92

2,94

и* I

у

Л

I

13,72

12,74

11,76

10,78

9,80

8,82

7,84

6,86

5,88

4,90

3,92

2,94

0 4,4 11,5 18,7

0 4,4 11,5 18,7

0 4,4 11,5 18,7

а б в

Рис. 7. Эпюры вертикальных давлений на плиту шириной 21,8 см, заглубленной на 27,3 см, при первом (а), втором (б) и третьем (в) нагружениях и разгружениях: 1 -начальное положение перед каждым нагружением; 2, 3 - нагружение, q=32,5• 103 и 95,5-103 кПа; 4, 5 - разгружение, q=32,5• 103 кПа и q=0

5. До начала подвижек стенки величина равнодействующего давления на плиту меньше давления, определяемого как вес вышележащей засыпки и нагрузки. В про-

цессе подвижек равнодействующая давления на плиту заметно увеличивается и приближается к указанной величине.

6. При подвижках стенки в зоне засыпки выше плиты образуется внутренняя поверхность скольжения, начинающаяся от конца плиты (рис. 8). Частицы грунта в зоне между внутренней поверхностью скольжения, стенкой и плитой при подвижках стенки не смещаются, составляя как бы одно целое со стенкой. Таким образом, в этой зоне засыпки состояния предельного равновесия не наступает. Положение внутренней и внешней поверхностей скольжения зависит от ширины и заглубления плиты. При одинаковом заглублении объем призмы обрушения увеличивается с увеличением ширины плиты. В области засыпки, расположенной между плитой и внешней поверхностью скольжения величины смещений частиц по вертикали принимают максимально значение, а горизонтальные смещения относительно невелики (примерно в два раза меньше, чем у частиц, расположенных ниже плиты).

7. Опыты с моделью стенки с двумя разгружающими плитами показали, что в этом случае при подвижках стенки на обеих плитах образуются области засыпки, в пределах которых частицы не переходят в состояние предельного равновесия. Хотя опытная величина равнодействующей давления на всю стенку и близка к расчетной, распределение давления по высоте стенки значительно сложнее, нежели это вытекает из существующей расчетной методики.

8. Опыты с многократными нагружениями и разгружениями стенки с плитой качественно подтвердили результаты исследований при отсутствии плиты. При наличии плиты после первого разгружения равнодействующая горизонтального давления на стенку в 1,6 раза превысила аналогичную величину перед загружением, а равнодействующая вертикального давления на плиту увеличилась почти вдвое (см. рис. 7). Последующие нагружения и разгружения сравнительно мало изменяют эпюры давлений, полученные после первого разгружения. Эти изменения особенно незначительны для части стенки, расположенной ниже плиты.

АНАЛИЗ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ВОДНО-ТРАНСПОРТНЫХ СООРУЖЕНИЙ С ПОЛОГОЙ ЗАДНЕЙ ГРАНЬЮ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ИХ НАДЕЖНОСТИ

П. И. Яковлев, В. В. Супцарел, В. М. Карпюк, Н. В. Бовть

Одесская государственная академия строительства и архитектуры

Coulomb's classical method has set of lacks; however unfortunately, in normative documents Coulomb's method is still recommended as a settlement way for real designing. Coulomb's in many cases theory gives the errors considerably exceeding 100 %. Therefore for increase of reliability water-transport constructions in practical calculations it is expedient to use more strict technical theory of limiting intense condition [1-10].

Методы расчета, основанные на ТТПНС, являются наиболее общими, позволяющими решать задачи практически при любых граничных условиях, при минимальном количестве допущений. Решение основано на формулах, которые позволяют вычислить безразмерные коэффициенты активного и пассивного давления от грунта и от нагрузки на засыпке.