книги из ГПНТБ / Силкин А.М. Инженерные сооружения на осушительных системах в торфяниках учеб. пособие

укладки труб и спустя 15 дней после доведения насыпи до проектных отметок торфяное основание консолидиро­ валось на 85%; к 76-му дню — на 90%, то есть рост осадок практически прекратился. В среднем за два года осадка торфяного основания под трубами составила 20—30 см. Это приблизительно равно величине подъема торфяного основания после разгрузки (снятия пригру-

зочной насыпи).

Стыки звеньев труб получили некоторое (от 0,7 до 3,4 см) смещение относительно друг друга, однако ни общая осадка, ни относительное смещение стыков труб не вызвали нарушения целостности ниток труб (целост­ ность стыков проверяли осмотром). И если бы не был допущен большой разрыв (21 день) между ликвидацией пригрузочной насыпи и началом укладки труб, то есть не был бы допущен подъем уплотненного торфяного основания, то осадка его под трубами с дорожной на­ сыпью над ними была бы, очевидно, незначительной и более равномерной. Избежать подъема (разуплотнения) торфяного основания можно правильной организацией

строительства сооружений.

Нивелирование отдельных элементов водоподводя­ щей и водоотводящей (водобоя с гасителями) частей и рисбермы, а также их внешний осмотр показали полную устойчивость всего сооружения в целом.

О т к р ы т ы й ш л ю з - р е г у л я т о р б е з пе р е е з - д а представляет собой также сборное железобетонное сооружение. Водопропускная часть его собрана из Г-об- разных деталей в виде лотка шириной 1,5 м, длиной 12,95 м. Лоток оборудован подъемно-щитовым устройст­ вом. Входная и выходная части его выполнены в виде ныряющих стенок; сопрягающие их откосы с подводя­ щим каналом и рисбермой крепятся треугольными пли­ тами. На рисберме трапецеидального сечения уложены прямоугольные ребристые плиты; в конце рисбермы устроен из гравия зуб.

Общая мощность торфяной залежи в месте располо­ жения шлюза 5,23 м, ниже отметки дна котлована по про­ екту (до уплотнения)— 2,3 м, фактически — 2,48 м *. Физические характеристики торфов основания аналогич­

ния), а поэтому оказалось несколько выше проектной отметки. Пе­ ред отсыпкой насыпи дно котлована не расчищалось.

94

ны характеристикам торфов основания закрытого шлюза.

Уплотнение торфяного основания осуществлялось песчаной пригрузочной насыпью, имеющей максималь­ ную высоту 4,7 м * и общую длину около 27 м. Верти­ кальные песчаные дрены были пройдены на полную глубину торфа с расположением в плане под насыпью по сетке с размерами 5X5 м. Ход и величина осадки тор­ фов основания под насыпью открытого шлюза в общем аналогичны осадке торфов под насыпью закрытого шлю­ за. Максимальная осадка составила 73 см.

Наблюдения за устойчивостью сооружения в процес­ се эксплуатации вели посредством визуальных осмотров и систематического нивелирования марок, расположен­ ных на левой и правой подпорных стенках (Г-образных блоках). Двухгодичные наблюдения показали, что шлюз-регулятор, построенный на предварительно уплот­ ненном торфяном основании, устойчив. Средняя осадка левой стороны 2,6 см, правой — 2,9 см. Перекоса и тре­ щин в блоках не наблюдалось.

По результатам наблюдений за обеими эксперимен­ тальными шлюзами можно сделать следующие выводы.

1.Сооружения, построенные на предварительно уплотненном торфяном основании, вполне устойчивы **.

2.Если отрывка котлована под сооружение произво­ дится перед отсыпкой пригрузочной насыпи и участок залежи предварительно осушен, то устройство призм пригрузочной насыпи в нижнем бьефе (на водобойной части и рисберме) эффекта уплотнения торфяного осно­ вания не дает; устраивать насыпи в этом месте нецеле­

сообразно.

3.Интенсивность отсыпки пригрузочной насыпи на торфах со степенью разложения до 45% можно принять не менее 0,5 м/сут.

4.Устраивать песчаные вертикальные дрены без соот­

ветствующего оборудования экономически невыгодно — увеличивается срок отсыпки насыпи; иметь такое обору­ дование мелиоративным строительным организациям

* Насыпь отсыпалась в январе 1964 г., и по проекту она долж­ на иметь максимальную высоту 6 м. Однако из-за организационных затруднений строители довели ее только до максимальной высоты—

4,7 м.

** Экспериментальные сооружения эксплуатируются почти де­ сять лет и находятся в хорошем состоянии.

95

нецелесообразно из-за малого (для оборудования) фрон­ та работ.

5. Ускорять осадку торфяного основания применени ем песчаных вертикальных дрен нет необходимости. При устройстве пригрузочной насыпи к началу зимы за зим­ не-весенний период (к началу строительного сезона) торфяное основание практически полностью консолиди­ руется и без песчаных вертикальных дрен.

Кроме сооружений с предварительным уплотнением торфяного основания пригрузочными насыпями, Росгипроводхозом рассмотрены другие варианты сооружений: облегченных конструкций, с уплотнением торфяного основания песчаными сваями, с полным выторфовыва­ нием.

По проведенным институтом расчетам, экономически выгодным при мощности торфа в основании (под по­ дошвой сооружения) более 1— 1,5 м, оказался вариант с предварительным уплотнением торфяного основания

выванием (заменой торфа минеральным грунтом). Эти два варианта и рекомендованы указаниями по проекти­ рованию сооружений на осушительных системах [46], если основание сложено торфами устойчивой консистен­ ции (по классификации К. С. Ордуянца).

15. Устройство песчаных подушек

Песчаные подушки устраивают в слабых грунтах. Как правило, они имеют в вертикальном сечении трапе: цеидальную форму (рис. 43, /), Размеры подушек уста­ навливают, исходя из трех основных условий:

1) давление, передаваемое по подошве подушки на слабый грунт, не должно превышать нормативное;

2) суммарная величина осадки песчаной подушки и подстилающего слоя слабого грунта (в пределах актив­ ной зоны) не должна превышать допустимую величину осадки для данного типа сооружения;

3) зона напряжений, особенно боковых распоров, создаваемых сооружением, не должна распространяться за боковые грани подушки; в противном случае вслед­ ствие податливости слабого грунта в подушке возникнут площадки скольжения и она потеряет свою несущую спо­ собность.

96

Рис. 43. Расчетные схемы песчаных подушек:

И. М. Литвинов [23], учитывая, что боковые части по­ душек трапецеидального сечения напряжены мало, пред­ ложил заменять слабый грунт на более прочный лишь только в зоне «местных напряжений», ограниченной ли­ ниями вертикальных (сжимающих) давлений. Подушка в этом случае имеет грушевидную форму сечения и пере­ дает слабому грунту одинаковые вертикальные давле­ ния во всех точках, что имеет существенное значение.

97

Однако практического применения это предложение не нашло. Одна из причин состоит в том, что не учитыва­ ются боковые давления (распоры) подушки на слабый грунт. Такие грунты, как илы, глинистые текучей кон­ систенции, плывуны и другие им подобные, почти не обладают никакой несущей способностью. Они даже при незначительных горизонтальных давлениях отжима­ ются в стороны, и подушку грушевидной конфигурации

цеидальной, а сооружение, получив дополнительные на­ пряжения, разрушается.

Другая причина заключается в технологической не­ возможности устройства подушек грушевидной формы. Для подушки такой конфигурации необходимо устрой­ ство котлованов со стенками, близкими к вертикальным, а в слабых грунтах сделать это без ограждения котлова­ на невозможно.

Практика строительства на слабых грунтах показы­ вает, что устойчивость подушки будет обеспечена, если наклон ее боковых граней к вертикальной оси не менее 40—45°. Такая рекомендация и была принята Росгипроводхозом в варианте с полным выторфовыванием. А так как объем подушки и котлована в этом случае с увели­ чением высоты подушки возрастает в параболической зависимости, то вполне естественно, что вариант с пол­ ным выторфовыванием при мощности торфа под подош­ вой сооружения более 1— 1,5 м оказался экономически невыгодным.

При строительстве сооружений с полным выторфо­ выванием на болотах группы I (табл. 6) фактические давления под подошвой трапецеидальной песчаной по­ душки значительно меньше нормативных давлений на минеральные грунты. Поэтому, исходя из нормативного давления на грунты, находящиеся на уровне подошвы подушки (на грунты минерального дна болота), пло­ щадь подошвы песчаной подушки можно принимать рав­ ной площади подошвы сооружения (фундамента). Ины­ ми словами, песчаная подушка в вертикальном сечении может иметь прямоугольную форму (рис. 43, II).

Если подушка прямоугольная, то вариант с полным выторфовыванием, как показали расчеты [37], экономи­ чески оправдан как для закрытых, так и для открытых шлюзов-регуляторов при мощности торфа в основании

98

до 4—5 м (практически во всех случаях), так как по ста­ тистике свыше 90% болот имеют максимальную мощ­

ность не более 4—5 м.

Возникает вопрос, а можно ли в торфах устраивать подушки прямоугольного сечения с точки зрения у с т о й ­ ч и в о с т и сооружения и производства работ?

под фундаментом, видим, что на вертикали под краем фундамента вертикальные и горизонтальные напряже­ ния составляют максимум 0,5, а на вертикали, в стороне от края фундамента всего лишь на расстоянии половины его ширины, — 0,2 величины внешнего давления. По по­ дошве гидротехнических сооружений осушительных си­ стем «внешнее» давление обычно составляет не более 0,6 кГ/см2. Следовательно, горизонтальные напряжения (распоры) соответственно будут составлять 0,3 0,12 кГ/см2. Торф болот группы I (табл. 6) при степени разложения до 45% и даже до 75% способен воспринять боковое давление такой величины. Возникающие при этом боковые деформации могут быть сведены к мини­

муму в процессе устройства подушки.

Торф при степени разложения до 45%, по данным автора, способен (особенно когда шурф заполнен водой) длительное время держать вертикальные откосы и тем самым обеспечивать технологическую возможность устройства подушки прямоугольного сечения.

Из котлована под подушку торф следует удалять экскаватором с рабочим оборудованием драглайн, при­ меняя продольную (торцовую) разработку. При строи­ тельстве сооружения на ранее прорытом канале экска­ ватор-драглайн ставят на перемычки, ограждающие кот­ лован, а если до прорытия канала, то на оси будущего канала (котлована). Удалив весь торф, устраивают искусственное основание — песчаную подушку.

В зависимости от средств и механизмов подушку можно насыпать с послойным уплотнением грунта или сразу на всю ее толщину. При уплотнении подушки грунт неизбежно будет раздаваться в стороны и уплотнять тем самым стенки котлована. Поперечное сечение подушки получит очертания, близкие к очертаниям контура, огра­ ниченного линиями равных давлений, а торф, уплот­ няясь, — упрочнение, обеспечивающее устойчивость по­ душки. При осушении, как известно, нижние слои зале-

99

жи под тяжестью верхних осушенных слоев сжимаются, а это способствует упрочнению и обеспечению устойчи­ вости сооружения в целом. Объемный вес скелета песка подушки при его уплотнении следует доводить как мини­ мум до 1,6— 1,7 Т/м3.

Полевые эксперименты, проведенные при участии ав­ тора в настоящее время на Яхромской пойме, подтверди­ ли устойчивость подушек прямоугольной формы.

Несущую способность песчаной подушки прямоуголь­ ного сечения с допустимой для практики точностью мож­ но определить методом Б. И. Далматова [10]. Суть этого метода заключается в следующем. Когда нагрузка, пере­ даваемая сооружением на подушку, превысит ее несу­ щую способность, в подушке образуется призма обруше­ ния, сползающая по плоскости скольжения АС или по плоскостям АД и ДК (рис. 43, 11). Между песчаной по­ душкой и торфом в мысленном представлении по ли­ нии ВС проходит бесконечно тонкая и жесткая подпор­ ная стенка высотой, равной высоте призмы обрушения. Сползанию призмы обрушения препятствует торф, нахо­ дящийся за подпорной стенкой.

Считая, что призма обрушения оказывает на стенку активное давление, а торф — пассивное, и рассматривая плоскую задачу (она приемлема для всех гидротехниче­ ских сооружений мелиоративных систем на торфах), можно определить несущую способность песчаной по­ душки по следующим формулам.

П р и з м а о б р у ш е н и я с п о л з а е т по п л о с ­

100

фт — угол внутреннего трения торфа, град; Фп — угол внутреннего трения грунта песчаной по­

душки, град;

Р— угол наклона к горизонту возможной плоско­ сти сползания призмы обрушения (принима­ ется р > ф п), град.

Задаваясь различными значениями угла р, по фор­ муле (37) находят минимальное значение Р п, которое и принимают за несущую способность песчаной подушки.

Однако, взяв первую производную Рп по р и прирав­ няв ее нулю, получим кубичное уравнение:

Применив к этому уравнению решение Кардано или тригонометрическое решение [22], сразу находят наибо­ лее опасное положение плоскости сползания АС, которое и обусловливает несущую способность песчаной по­

душки.

П р и з м а о б р у ш е н и я с п о л з а е т по п л о с ­

101

фт.п— угол трения грунта подушки о грунт подсти­ лающего ее слоя, град;

f; Ь\ h; Yn; фт; ф„; Р — то же, что и в формуле (37). Задаваясь различными значениями d, но так, чтобы угол р был не менее фп по формуле (39), находят мини­ мальное значение Рп, которое и принимают за несущую

способность песчаной подушки.

Однако, взяв первую производную Р„ по d и прирав­ няв ее нулю, получим квадратное уравнение:

(Л2 Е2- В 2 D2) d*+ 2 (A 2F 2- D 2C2) d + (F 2 B2 - C 2E2) = 0 . (40)

Решением этого уравнения относительно d находят наиболее опасное положение плоскости сползания АД, которое и обусловливает несущую способность песча­ ной подушки. Плоскость сползания ДК, по расчетной схеме (рис. 43, II), имеет стационарное положение.

Лабораторными исследованиями моделей песчаных подушек в торфах (рис. 43, II) установлено, что в зави­ симости от соотношения высоты подушки и ее ширины, а также физико-механических свойств торфа, грунта подушки и минерального дна болота призма обрушения сползает либо по плоскости АС, либо по плоскостям АД и ДК, либо по плоскости АД, продолжением которой является поверхность скольжения, образующаяся в ми­ неральном дне болота.

Формулы (39) и (40) дают решение, соответствующее физическому смыслу расчетной схемы, только при не­ большом угле трения фт.п песка подушки о грунт мине­ рального дна болота (при фт.п до 10— 15°).

Методика проектирования песчаных подушек реко­ мендуется следующая:

1. Ширину подушки принимают равной ширине по­ дошвы сооружения (фундамента), а высоту ее равной разности отметок подошвы фундамента и минерального дна болота.

2. Определяют полное давление Р п.п по подошве пес­ чаной подушки с учетом взвешивающего действия грун,- товой воды и сравнивают с нормативным давлением RB на грунт минерального дна болота.

3. При соблюдении условия РП,П< Я Япо формуле (38) находят угол Э, определяющий наиболее опасное поло­ жение плоскости сползания АС (рис. 43, II).

102

4. Если угол р меньше угла ВАК, то по формуле (37) подсчитывают несущую способность песчаной подушки; если р больше угла ВАК, то из уравнения (40) находят отрезок d, определяющий наиболее опасное положение плоскости сползания АД, а по формуле (39) — несущую способность песчаной подушки.

Среднее давление Рср, передаваемое сооружением на песчаную подушку, не должно превышать ее несущую способность.

5. Если при решении уравнения (40) окажется, что оно не имеет корней, несущую способность песчаной по­ душки определяют по формуле (37) или (39), предпо­ лагая, что наиболее опасной является плоскость спол­ зания АК. Если несущая способность песчаной подушки получится неправдоподобно большой * или же угол на­ клона р предполагаемой плоскости сползания АК будет меньше фп, то несущую способность песчаной подушки следует находить одним из методов расчета прочности «обычных» оснований [4]; в этом случае при разруше­ нии подушки образуется поверхность скольжения, за­ хватывающая минеральное дно болота. Однако надоб­ ность в таком расчете отпадает, так как давления, пере­ даваемые на песчаные подушки гидротехническими сооружениями мелиоративных систем на торфах, состав­ ляют, как отмечено выше, не более 0,6 кГ/см2, что всегда меньше несущей способности песчаной подушки при раз­ рушении ее совместно о грунтами минерального дна бо­ лота.

6. Если не соблюдается условие Рп.п <#н или среднее давление РСр на песчаную подушку превышает ее несу­ щую способность Р п, вычисленную по формуле (37) или (39), задаются некоторым уширением подушки с— = 0 ,1 —0,25 м (рис. 43, III) и проводят в той же последо­ вательности расчеты.

П р и з м а о б р у ш е н и я с п о л з а е т по п л о с ­

анесущую способность определяют по формуле

*Несущая способность песчаной подушки может быть неправдо­ подобно большой и тогда, когда уравнение имеет решение.

103