книги из ГПНТБ / Попов А.Н. Бетонные и железобетонные трубы

При расчете типовых железобетонных напорных труб (серия 3.3.901.1) институтом Союзводоканалпроект при­ нято четыре способа опирания труб на основание с расче­ том: укладки труб на плоское грунтовое основание; на спрофилированное по форме трубы грунтовое основание с углом охвата в 75 и 90°; на бетонный фундамент с уг­ лом охвата 120°. Грунты основания и засыпки условно разделены на пять групп (подробнее см. далее).

Нагрузка от давления земли. Для безнапорных тру­ бопроводов, уложенных в землю открытым способом, давление земли и грузов, находящихся на ее поверхно­ сти, является основной нагрузкой. В напорных трубо­ проводах в зависимости от величины расчетного внут­ реннего гидравлического давления нагрузка от веса зем­ ли и наземных грузов может доходить до 35—50% общего силового воздействия, испытываемого трубами. Отсюда понятен интерес к вопросу определения давле­ ния земли на подземные трубопроводы и стремление соз­ дать формулы, наиболее точно отражающие закономер­ ности передачи усилий от грунтовой массы на подземные сооружения. Однако, несмотря на большое число тео­

неопределимость задач, связанная с установлением дав­ лений земли на трубы, сложная в грунтовой массе зави­ симость между напряжениями и деформациями, измен­ чивость физико-механических констант грунтов, влияние производственных факторов при укладке трубопровода и др. Поэтому имеющиеся по вопросу определения дав­ ления земли на трубы предложения различных исследо­ вателей содержат те или иные допущения. Стремление к уточнению ведет к постановке новых исследований, которые в свою очередь оказываются также не свобод­ ными от допущений.

Наиболее известные в настоящее время методы опре­ деления внешних нагрузок на трубопроводы, проклады­ ваемые в земле открытым способом, основаны на теории предельного равновесия сыпучих тел, строгих решениях по формулам теории упругости и на использовании сме­ шанных решений задачи, откорректированных по резуль­ татам экспериментов. Практические методы расчета дав­ ления земли на трубы в различных странах основаны на результатах опытов тех или иных исследователей.

190

В США расчетные формулы построены на основе экспериментов, которые были выполнены с 1911 г. Марстоном, Андерсоном, Шианглером и представителями их школы. В странах Западной Европы, например в Швей­ царии, внешние нагрузки на трубы определяют на осно­ вании работ Фёльми. Французские фирмы, в частности Национальный синдикат центрифугированных бетонных труб, используют методику, базирующуюся на исследо­ ваниях Геррена. В ФРГ, несмотря на наличие проведен­

при разработке формул для определения давления зем­ ли на трубы также воспользовались результатами иссле­ дований, выполненных в США, откорректировав форму­ лы в соответствии с данными собственных эксперимен­ тов и теоретических изысканий.

В Советском Союзе выполнено большое число иссле­ дований теоретического и экспериментального характе­ ра, связанные как с изучением механики грунтов, так и с созданием теории их давления на подземные соору­ жения, особенно на возводимые закрытым способом. Экс­ периментально-теоретические определения давления зем­ ли на трубопроводы, прокладываемые открытым спосо­

уточнением расчетных положений по рассматриваемым вопросам занимаются Институт транспортного строи­ тельства (В. А. Ярошенко, А. Г. Прокопович, П. М. Зелевич и др.), ВНИИ ВОДГЕО (П. В. Дергачев), МИИТ (А. Л. Брик) и др.

Несмотря на различие основных предпосылок, при­ нятых исследователями, при определении величины вер­ тикального давления грунта на трубы, расчетные форму­ лы они стремятся свести к однотипному выражению

Q = KyHDH,

Значения К меняются в широких пределах, но одно­ типность расчетных формул удобна, так как обладает наглядностью и дает возможность сопоставлять резуль-

191

таты расчетов по различным формулам. При построений расчетных формул давления земли подземные трубопро­ воды классифицируют по нескольким признакам, из ко­ торых наиболее существенными с точки зрения рассмат­ риваемого вопроса являются деформативность попереч­ ного сечения труб и способ укладки их в землю. По признаку деформативности сечения трубы разделяют на жесткие, полужесткие и гибкие. Трубы из бетона и желе­ зобетона относятся к жестким трубопроводам, т. е. к та­ ким, в которых форма поперечного сечения может изме­ няться при изгибе трубы как кольца без появления тре­ щин не более чем на 0,1%. По способу укладки в землю трубы разделяют на уложенные в траншею или насыпь. При укладке в траншею трубопровод располагают в от­

Следует заметить, что при сооружении современных трубопроводов, особенно прокладываемых в открытой местности, траншеи роют экскаваторами без строгого выдерживания их ширины. В этих условиях становится доминирующим применение расчетных формул как для укладки труб в насыпи.

В большинстве стран расчетные формулы для опре­ деления вертикального давления земли на трубы осно­ ваны на теории предельного равновесия сыпучего тела, наиболее полно представленной в экспериментально-тео­ ретических разработках Марстона, Андерсона и др. По­ этому рассмотрим основные положения этой теории к вычислению величины давления земли на трубы, укла­ дываемые открытым способом.

В основе рассматриваемых разработок находятся следующие предположения: величину бокового давления грунта, определяющего взаимодействие между призмой земли и ее боковыми массами, вычисляют по Ранкину; силы сцепления в грунтовой массе отсутствуют, что дает максимальную возможную нагрузку, которая может проявиться после полной осадки земли.

Трубы, уложенные в траншею, засыпают грунтом. Засыпка менее плотна, чем ненарушенный грунт, поэто­ му она под действием собственного веса, а также нагру­ зок, которые могут быть на поверхности земли, стремит-

192

На уровне верха трубы, т. е. на глубине Н, полное давление на 1 пог. м трубопровода будет

где

H

194

ра является необходимым для вычисления действитель­ ного давления земли, хотя в целом при практических глубинах укладки труб влияние этого параметра оказы­ вается не столь ощутимым. Из формулы (63) видно, что чем больше значение кц\, тем выше разгружающее влия­ ние сил трения, возникающих на боковых стенках тран­ шеи, и тем, следовательно, меньше величина вертикаль­ ного давления на трубы. Марстон считал отношение ак­ тивного горизонтального давления к вертикальному равным 0,33 и принимал &ц.і = &ц. (ц. — коэффициент внутреннего трения засыпки). Значение этого параметра, как было сказано ранее, для суглинков, насыщенных во­ дой, 0,11, а для зернистых грунтов 0,192.

Эксперименты, в частности, выполненные Ветцорке, с трубами, уложенными в неширокие траншеи с парал­ лельными стенками, показали, что в действительности величина вертикального давления земли на трубопрово­ ды значительно меньше значений, вычисленных по фор­ муле (63). Поэтому он на основе результатов современ­ ных исследований предлагает принимать при рыхло уло­

укладке жестких трубопроводов в узкие траншеи боко­ вое давление или вообще не следует учитывать или при­

засыпки боковое давление можно считать доходящим до Ѵз вертикального.

Роске (ФРГ) указывает, что боковое давление при расчете труб, уложенных в траншею, во внимание при­ нимать не следует. При прокладке труб в насЫПи боко-

вое давление определяют но формуле Ранкина, считая это давление равномерно распределенным по всей высо­

земли, находящиеся с боков трубопровода, а третьей яв­ ляется призма земли, располагающаяся непосредствен­ но над трубопроводом. Призмы условно разделяют вер­ тикальными плоскостями, касательными к бокам труб. Поскольку в рассматриваемом случае высота боковых призм больше, то и осадка в них земли должна быть больше, чем осадка внутренней призмы. Это ведет к про­ явлению в указанных вертикальных плоскостях сил тре­ ния, передающихся на трубу через внутреннюю призму. Предположение о существовании вертикальных плоско­ стей скольжения является гипотетическим. В действи­ тельности поверхности скольжения и возникающие в них силы трения могут проявиться в несоответствии с ука­ занным предположением. В частности, отдельные иссле­ дователи считают, что эти поверхности должны быть ис­ кривлены и идти под углом к вертикали.

С точки зрения передачи нагрузки земли на жесткие трубы, уложенные в насыпи, различают несколько слу­ чаев:

а) полная укладка в насыпь, когда труба уложена на материк и находится под невысокой насыпью. В этом случае окружающий трубы грунт может дать осадку, большую, чем та, которую дает призма земли, лежащая непосредственно над трубой. Силы трения, возникающие в предполагаемых плоскостях сдвига, в этом случае на­ правлены в противоположную сторону по сравнению с укладкой труб в траншею и не способствуют уменьше­ нию величины давления;

б) неполная укладка в насыпь, когда жесткая труба, находящаяся на материке, уложена в насыпь значитель­ ной высоты (высота засыпки более 2—2,5 диаметров трубы). В этом случае до определенного уровня от вер­ ха трубы, называемого высотой равной осадки, имеется соответствие условиям работы трубы, наблюдаемым при полной ее укладке в насыпь. Выше высоты равной осад­ ки слои Грунта оседают одинаково, т. е. без трения в во-

196

ображаемых плоскостях скольжения, и действуют как равномерно распределенная нагрузка.

Исходя из сделанных выше предпосылок, записыва­ ем сумму вертикальных проекций всех сил, действующих на элемент Dndh,

В целях получения практически надежных результа­ тов следует задавать максимальное значение кщ, кото­ рое, по Марстону, как было сказано выше, меняется от

197

ляное основание доходит до 1,6, а на бетонную подуш­ ку до 0,6—2. Исходя из этого и приняв в качестве пре­ дельного случая такой, когда не обнаруживается явле-

(больше 2,5 D„), то нужно считать, что на уровне Я = Я 0 q—p, и тогда общее уравнение величины давления будет:

Определение Ка в формуле (67) связано с вычисле­ нием высоты равной осадки, что в свою очередь ведет к необходимости учета осадки масс земли над трубо­ проводом, деформации самих труб и основания, на ко­ торое они уложены. Все эти факторы в рассматривае­ мой теории объединяются в виде коэффициента, представляющего собой отношение осадки верха трубо­ провода к осадке засыпки в пределах расстояния меж­ ду вершиной трубы и естественным уровнем земли. Ма­ тематически этот коэффициент получается равным

198

Зная k, ці, DH , rsd и а (выступание трубопровода над естественной поверхностью грунта), вычисляют Н0, пос­ ле чего легко определяют значения Ки и QH . Вследствие громоздкости формул для определения Кн, как правило, используют графики, которые позволяют быстро произ­ водить расчеты. На основании результатов эксперимен­ тов принимают значение коэффициента rsd для жестких труб, укладываемых на скальное основание или жесткий грунт, равным 1, на обычные грунты — 0,5—0,8, на по­ датливые грунты — 0—0,5, при заглублении труб в ма­ териковый грунт — 0,3—0,5.

равна осадке грунта сбоку от трубы. Принимая, что эти осадки вызываются засыпкой, находящейся над плоско­ стью # 0 , можем записать:

осадка грунта непосредственно над трубой

и упрощения получаем уравнение, из которого можно определить Я 0

Поскольку изложенный метод определения высоты равной осадки основан на гипотетических предположе­ ниях, то имеются попытки его улучшения. Так, Шпанглер высказал предположение, что осадку призмы земли как непосредственно над трубой, так и сбоку от нее вы­ зывает то давление, которое создает засыпка, находя­ щаяся непосредственно над трубой, причем влияние это­ го давления распространяется равномерно от боков тру­ бы на какую-то ширину, составляющую часть диаметра трубы. В связи с этим уравнение для определения поло-

199