Сборник трудов конференции СПбГАСУ 2014 ч

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

УДК 628.394

Д.В. Кашарин (ФГБОУ ВПО ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова, г. Новочеркасск)

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ФЛЮТБЕТОВ БИОПОЗИТИВНЫХ СООРУЖЕНИЙ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ИЗ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Наиболее распространенными сооружениями инженерной защиты, применяющимися для защиты от затопления народнохозяйственных объектов являются дамбы обвалования, русловые водоподпорные сооружения, создающие противопаводковые водохранилища.

Внастоящее время в Российской Федерации построено нескольких десятков тысяч километров и планируется строительство более 2000 км грунтовых дамб обвалования, являющихся самым распространенным и протяженным гидротехническим сооружениями. Изменение гидрологических режимов водотоков обуславливает превышение уровней и расходов в сверх расчетных в катастрофически многоводные периоды, что приводит к разрушению гребня непереливных дамб, просадке и нарушению их тела и основания, в особенности на участках неоднородных грунтов основания, что приводит к снижению эксплуатационной надежности и потере работоспособности.

Всвязи с этим необходима их реконструкция, заключающаяся обычно в повышении гребня и дополнительной отсыпке откосов дамб. Данная реконструкция затруднена по следующим причинам: значительные участки дамб обвалования проходит по территории сложенной в основном аллювиальными

ибиогенными грунтами значительной мощности в поймах водотоков и дополнительная нагрузка на них может привести к дальнейшим просадкам

инарушению целостности дамб, также дополнительная отсыпка грунта уменьшает площадь земельных угодий и уменьшает количество биогенных элементов, поступающих на пойменные массивы, что нарушает экологическую инфраструктуру водосборов водотоков. Также как показали недавние события затопления в бассейне реки Амура в городах Хабаровске и Комсомольске на Амуре при осуществлении мероприятий по ликвидации чрезвычайных ситуаций практически не применялись современные мобильные сооружения инженерной защиты для защиты от затопления [1, 2].

Наиболее распространенными конструкциями на малых водотоках являются русловые водоподпорные сооружения являются в основном глухими плотинами, подверженных заилению со стороны верхнего бьефа, что значительно снижает аккумулирующую емкость водохранилищ и уменьшает.

Всвязи с этим необходимо применение мобильных биопозитивных конструкций как при реконструкции существующих грунтовых конструкций, так и в качестве самостоятельных сооружений в случае чрезвычайных ситуаций.

441

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

Появление новых композитных материалов позволяет разработать для данных комплексов усовершенствованные конструкции из замкнутых и незамкнутых (или их сочетаний) оболочек, позволяющих наиболее эффективно использовать их прочностные свойства и обеспечить мобильность, характеризующую степенью сборности (разборности), малыми габаритами в сложенном виде, хорошей транспортабельностью, возможностью возведения в кратчайшие сроки при отсутствии пригодного для традиционного строительства местного материала и невозможности использования тяжелой строительной техники. К основным достоинствам таких сооружений относится многократное использование, высокая транспортабельность, малая стоимость, низкие трудозатраты и малое воздействие сооружений на окружающую среду. В качестве дамб обвалования, используемых для увеличения гребня существующих, либо устанавливаемых по периметру защищаемых населенных пунктов в отечественной практике применяют однооболочковые мобильные дамбы воздухо, водо- и грунтонаполняемые. В зависимости от протяженности водонаполняемые дамбы при высоте 0,4 м и длине 5 м составляет 3 минуты, а при высоте 3 м и длине 60 м – 180 минут, что особенно важно при их возведении в случае чрезвычайных ситуаций [1].

Основным недостатком однооболочечных воздухо и водонаполняемых дамб является малая устойчивость к опрокидыванию и сдвигу. Однако устойчивость такой оболочки незначительна и требуется большая ширина дамбы при небольшом создаваемом напоре, также может наблюдаться эффект «скручивания» оболочки при её значительной длине. В связи с этим в отечественной практике начали использовать для мобильных дамб «распластанный» профиль со значительным прилеганием оболочки к основанию (соотношение 1/5 высоты оболочки к ширине ее прилеганию). Также однокамерная оболочка при значительной протяженности может «скручиваться», что также нарушает устойчивость дамбы. Для уменьшения влияния этих процессов в мировой практике стали применять многооболочковые (многокамерные) конструкции, одна из которых представлена на рис. 1 [2].

Рассмотрим устойчивость гибкой дамбы на опрокидывание и сдвиг при

вие устойчивости на опрокидывание в зависимости от коэффициент надежности по степени ответственности сооружения, принимаемый n 1,1 для IV

класса сооружений определяется по следующей зависимости:

M R / Mопр n . (1)

Исходя из условия (1) устойчивости сооружения соотношение ширины прилегания оболочки будет следующим:

442

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

Рис. 1. Расчетная схема устойчивости двухкамерной водонаполняемой дамбы

(patent US №5059065 и 5125767)

Условия устойчивости на сдвиг в рассматриваемом случае определяется как:

где f – коэффициент трения флютбета дамбы о основание например, при трении резино-кордовой ткани ТК-180р по суглинку составляет f 0,6, а по песку f 0,65; G – вес водонаполняемой оболочкиG gSl ; S – площадь поперечного сечения водонаполняемой оболочки, определяемого из эластиков ЭйлераS f B;hв.б ; l – длина водоподпорной оболочки; взвешивающая

Сравнивая ширину прилегания оболочки по условиям (2) и (6) можно сделать вывод о более существенном влиянии сдвиговых усилий на ширину прилегания оболочки, чем опрокидывающих. Это подтверждает практику эксплуатации данных конструкций, когда требовалось создание грунтовой насыпи со стороны безнапорной стороны дамбы.

Для увеличения устойчивости мобильной дамбы необходимо увеличение сцепления мобильных дамб с грунтом основания за счет применения увеличения шероховатости основания и крепления ее за счет анкерного крепления. В особенности такие мероприятия актуальны во время чрезвычайных ситуаций, когда подготовка основания по трассе установки мобильной дамбы

443

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

обвалования не производится и нет возможности применения тяжелой строительной техники.

При установке мобильных русловых водоподпорных сооружений наиболее важное значение имеет понур, предназначенный для обеспечения устойчивости сооружения на сдвиг и удлинения пути фильтрации под флютбетом. Разработанный автором программный комплекс (ПК) «Понур» предназначен для выбора и расчета понура мембранно-вантовых, воздуховодонаполняемых, водоподпорных сооружений из композитных материалов. Понуры для данных типов конструкций могут быть подразделены на гибкие, грунтоармированные, грунтонаполняемые и жесткие (рис. 2).

Рис. 2. Элементы флютбета в зависимости от характеристик его материала: элементы понура, которые входят в его состав дополнительно

после расчетного обоснования

Критерии по выбору понура зависят от таких факторов как: тип грунта; обеспечение устойчивости сооружения R / F ; фильтрационная устойчи-

вость Iest, m / Icr, j ; допустимая величина осадкиS / Su ; относительная стоимость

сооружения. Требования к понурам зависит от условий строительства без отвода воды и с отводом воды (условия установки) (рис. 3)

Гибкие флютбеты представляют собой незамкнутые или замкнутые полотнища (оболочки) из композитных материалов. В случае применения незамкнутых гибких оболочек согласно опыту проектирования в первом приближении его длина принимается lп = 2,5…3H (рис. 4).

444

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

Рис. 3. Виды понуров:

а – гибкий; б – грунтонаполняемый; в – грунтоармированный; г – жесткий

Расчетная схема гибкого незамкнутого флютбета приведена на рис. 4

Рис. 4. Схема к расчету гибкого незамкнутого понура с пригрузкой

Равнодействующая горизонтальной проекции силы гидростатического давления соответствует сдвигающим усилиям и определяется для прямоугольного русла по формуле:

где b – ширина русла; hв.б. , hб – соответственно глубины в верхнем и нижнем

бьефах, м.

Для определения силы сопротивления сдвигу необходимо вычислить равнодействующую вертикальных сил и коэффициент трения флютбета.

Вертикальная составляющая силы гидростатического давления на водонепроницаемую часть флютбета определяется по зависимости

взв и п – соответственно плотности пригрузки и материала понура. Взвешивающая сила давления воды на водонепроницаемую часть

флютбета рассчитывается по формуле

445

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

Силу фильтрационного давления на флютбет приближенно можно определить в соответствии с эпюрой на рис. 4.6 по следующей зависимости:

Для увеличения коэффициента трения автор предусматривает увеличение шероховатости понура, профилированной его нижней части.

Критерий устойчивости можно представить в следующем виде для лю-

Однако для более точного расчета устойчивости необходимо определить величину фильтрационного давления на фильтрационный контур, выходную скорость фильтрационного потока и фильтрационный расход, а также определить его очертание (для снижения перечисленных выше параметров). Результаты моделирования процессов фильтрации для песчаного основания, проведенные в ЮжНИИГиМе методом электрогидродинамической аналогии (ЭГДА), представлены на рис. 5.

а б в

Рис. 5. Схемы гибкого понура с незамкнутой оболочкой с линиями равного напора

иэпюрами фильтрационного давления:

а– вариант незаглубленного понура; б, в – варианты понура с заглубленной частью

Всоответствии с существующими теоретическими решениями для плоского незаглубленного флютбета в месте выхода фильтрационного потока

внижнем бьефе создается фокус размыва. В случае заглубленного жесткого флютбета, наряду с фокусом размыва I рода (в месте выхода фильтрационного потока в нижний бьеф), имеется фокус размыва II рода (в угловой точке флютбета со стороны нижнего бьефа).

446

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

При одной и той же длине водонепроницаемой части понура, но при различных его очертаниях и без заглубления в грунт основания, не происходит значительных изменений в величине и распределении фильтрационного давления по подземному контуру. При увеличении угла наклона участка понура происходит увеличение выходных скоростей, а в случае заглубления части понура последняя выступает в роли шпунта.

Если устойчивость сооружения не обеспечивается незамкнутым гибким понуром, используют понур с грунтонаполняемым замкнутым полотнищем (рис. 3, б) который благодаря своей водонепроницаемости и пригрузке, заключенной в оболочке, увеличивает непроницаемый подземный контур и значительно повышает устойчивость сооружения на сдвиг, исключает необходимость анкеровки в понурой части. Для предотвращения опасной контактной фильтрации рекомендуется устраивать грунтонаполняемый зуб, а с целью снижения длины подземного контура возможно устройство специальных отверстий под водобойной частью грунтонаполняемого флютбета (в этом случае в качестве заполнителя рекомендуется песок).

Грунтонаполняемый флютбет считается плоским при t 0,1a и подземный контур сооружения можно аппроксимировать полуэллипсом (рис. 3, б). Принимаем толщину флютбета t равным полуоси эллипса b, а длину флютбета – большой полуоси эллипса a. Среднее давление под понуром p не должно превышать расчетного сопротивления грунта основания R (кПа), определяемого в соответствии СНиП 2.02.02–85.

При возведении сооружений на водонасыщенных основаниях биогенных грунтов, сложенных торфами, сапропелями и илами с модулем упругости Е < 5 МПа необходимо учитывать их значительную сжимаемость, медленное развитие осадок во времени и возможности в связи с этим возникновения нестабилизированного состояния, а также значительной тиксотропии илов. В настоящее время применяют следующие мероприятия при недостаточной несущей способности основания, сложенного биогенными грунтами и илами: вытеснение грунта грунтонаполняемым основанием при толщине биогенных грунтов и илов не более 0,2 м; полная или частичная прорезка слоев биогенных грунтов и илов при устройстве грунтонаполняемого флютбета; полная или частичная замена биогенного грунта или ила песком, гравием, щебнем и т. д.; уплотнение грунтов временной или постоянной пригрузкой основания сооружения или всей площадки строительства насыпным (намывным) грунтом; применение грунтоармированых флютбетов [3]. Грунтоармированный флютбет возводится также при необходимости увеличения высоты сооружения для создания подпора воды более 4…5 м. Расчетная схема приведена на рис. 6.

Для оценки общей устойчивости определяется коэффициент запаса как отношение моментов сил сопротивления M R и сдвигающих моментовM F :

Kзап M R / M F . (14)

447

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

Рис. 6. Расчетная схема грунтоармированного флютбета

Для сооружений из армированного грунта момент сопротивления определяется по следующей формуле:

гдеFT ,i , FC ,i – соответственно силы трения и сопротивления в i-м отсеке; Fa,i – сила сопротивления армирующего элементаFa, j Aa Ra, j ; Aa – площадь сечения армолентыRa,i – прочность j-го слоя арматуры на разрыв; r – радиус кривой скольжения; j – угол между радиусом кривой скольжения и вертикалью; i – угол внутреннего трения i – го отсека; r1j – расстояние от центра

где Gi – вес i-го отсека, на которые разбивается потенциально неустойчивый массив; i – угол наклона площадки скольжения в пределах i-го отсека; xi –

расстояние от точки приложения силы до центра вращения.

Коэффициент запаса можно представить с учетом зависимостей (14–16) в следующем виде:

448

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

где Кзап.тр – требуемый коэффициент запаса устойчивости откоса; σpi – предельное значение сопротивления грунта напряжениям, возникающим от внешней нагрузки; n, δ – количество прослоек армолент, их толщина; σд – расчетное значение допустимого растягивающего напряжения для армоленты, котороенедолжнопревышатьзначенияКRа/δ; К– запасустойчивости[4].

В первом приближении длина арматуры определяется исходя из параметров зоны обрушения la пс,i (рис. 5) и длины заделки lз,i , которая может быть

представлена как:

где φ´ и с´ – прочностные характеристики по контакту "арматура-грунт", определяемые по результатам испытаний.

В результате экспериментальных исследований и численного моделирования с помощью программы Plaxis 7.2 автором совместно с ГригорьевымРудаковым К.В.) было установлено, что в диапазоне H 2...6 м наименьшая

длина армоленты lа для песка минимум – 3 м, песка и глины – 3,5 м, а для

лессовых грунтов и суглинка – максимальная длина не менее 4,2 м [3]. Расчет жесткого флютбета (рис. 3, г) не отличается от известных мето-

дов расчета.

Основными мерами, направленными на повышение надежности флютбетов и уменьшение их конструктивных параметров является увеличение сил трения и сцепление между грунтом основания и материалом конструкции, а также снижение фильтрационного противодавления.

Литература

1.Кашарин Д.В., Тхай Тхи Ким Тьи. Повышение устойчивости оснований мобильных дамб для инженерной защиты зданий от затопления // Инженерно-строительный журнал – 2013. – № 4. – С. 51-59.

2.Кашарин Д.В. Оптимизация выбора и обоснования параметров мобильных сооружений инженерной защиты из композитных материалов на водосборе// Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. 2010. Т. 260. С. 50 – 60.

3.Кашарин Д.В. Методы расчета грунтоармированных флютбетов мобильных сооружений на слабых грунтах // Известия Всероссийского научно-исследовательского института гидротехники им. Б.Е. Веденеева – 2011. – Т. 264. – С. 43-45.

449

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

УДК 624.15.001.24:551.44

Н.И. Горшков, М.А.Краснов

(Тихоокеанский государственный университет г. Хабаровск)

НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ

ИУСТОЙЧИВОСТЬ ГРУНТОВЫХ СООРУЖЕНИЙ

СКРИВОЛИНЕЙНЫМИ ГРАНИЦАМИ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ (ПЛОСКАЯ И ОСЕСИММЕТРИЧНАЯ ЗАДАЧИ)

Такие инженерные сооружения как, насыпи (плотины, отвалы и др.), а также выемки (карьеры, котлованы и др.) являются наиболее распространенными грунтовыми сооружениями с криволинейными границами поперечного сечения. Часто само сооружения является криволинейным в плане.

Направленные фундаментальные исследования о напряженном состоянии грунтовых массивов с криволинейными границами поперечного сечения от действия сил гравитации были выполнены во второй половине XX века З.Г. Тер-Мартиросяном, Д.М. Ахпателовым, В.К. Цветковым, их учениками

ипоследователями [1, 2 и др.]. Исследования выполнялись на результатах решения прикладных задач линейной теории упругости методом комплексных потенциалов.

Анализ напряженного состояния выемок и насыпей чаще всего выполнялся с использованием изолиний компонент тензора напряжений, что позволяло выяснить места их концентрации. Результаты расчетов – значения компонент тензора напряжений и вычисленных на их основе значений коэф-

фициентов запаса прочности kstr в точках расчетной схемы использовались в оценке устойчивости сооружений.

На практике [3], оценка устойчивости таких сооружений в основном выполняется по результатам решения плоских задач теории предельного состояния или теорий упругости и пластичности.

Представляет интерес выполнение сравнительного численного исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) и устойчивости таких грунтовых сооружений, имеющих криволинейное (осесимметричная задача) и прямолинейное (плоская задача) расположение в плане.

Вкачестве сравнительных оценок можно прямо использовать найденные поиском минимальные значения коэффициента запаса устойчивости

kst min для сравниваемых откосов сооружений и геометрические параметры призм оползания, которые могут иметь разное значение в решаемых задачах.

Процесс формирования полей напряжений и деформаций (плоская задача), происходящий в процессе их устройства в бортах выемок (карьеров)

инасыпей (отвалов), при геометрической одинаковости бортов – неодинаков [4]. Для однородных бортов выемки и насыпи, при выводе результатов расчетов на расчетную схему в виде изолиний значений компонент тензора напряжений σij, не наблюдается большой разницы в расположении изолиний

450