НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ДИАФРАГМЫ ТРУБЧАТОГО ГИДРОТЕХНИЧЕСКОГО СООРУЖЕНИЯ НА ПРОСАДОЧНЫХ ГРУНТАХ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

001: 10.24411/2181-0753-2020-10026 УДК 626.823.631.674:631.431

НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ДИАФРАГМЫ ТРУБЧАТОГО ГИДРОТЕХНИЧЕСКОГО СООРУЖЕНИЯ НА ПРОСАДОЧНЫХ ГРУНТАХ

Хужакулов Рустам Набиев Элер Сафарович Зарипов Муслиддин

Каршинский инженерно-экономический институт Нормуродов Улугбек Абдимуминович

Бухарский филиал Ташкентского института инженеров ирригации и механизации сельского хозяйства

В статье рассматривается практика эксплуатации сооружений оросительных систем, построенных на просадочных лессовых грунтах, анализируются часто встречающиеся случаи нарушения гидротехнических сооружений.

Во многом это связано с неучетом при проектировании особенностей взаимодействия гидротехнических сооружений и их оснований. В результате проведенных исследований выяснен ряд закономерностей совместной работы сетевых гидротехнических сооружений и подпорных оснований, которые позволили разработать практические методы проектирования, направленные на повышение надежности гидротехнических сооружений. На основании экспериментальных данных уточнены закономерности изменения напряженно-деформационного состояния системы «основание - конструкция -сооружение»; составлена таблица для определения вертикальных нормальных напряжений по глубине основания в зависимости от нагрузки, которые существенно отличаются от рассчитанных по теории упругости.

Даны рекомендации по расчету эффективного значения просадки грунта в зависимости от сочетания изменяющихся во времени напряжений влажности. По результатам исследования работы натурных гидротехнических сооружений приведены возможные типовые схемы нагружения их элементов.

Ключевые слова: деформация, процесс, грунт, просадка, повышение, контур, глубина, зона, диаметр, штамп, давление, горизонтал, граница, влажность.

ЕРОСТИ ГРУНТЛАРИ ГИДРОТЕХНИК ИНШООТЛАР ДИАФРАГМАСИНИНГ ЗУРИЦИШ

ХОЛАТИ

Мацолада гидротехника иншоотларини ишдан чициш холатлари тез-тез учрайдиган чукувчан лёссли ерларда суоришни ривожлантириш амалиёти мухокама цилинади, Бу асосан гидротехника иншоотлари ва уларнинг чукувчан заминлари грунтлари узаро таъсири хусусиятларини лойихалашда хисобга олинмаслигидан келиб чицади. Изланишлар натижасида тармоц гидротехника иншоотлари ва уларнинг заминларини биргаликдаги ишлаши холатига аницлик киритилди, бу гидротехника иншоотларининг ишончлилигини оширишга царатилган амалий лойихалаш усулларини ишлаб чицишга имкон берди.

Экспериментал тадцицотлар маълумотлари асосида "замин-конструкция-замин" тизимининг кучланганлик холатидаги узгаришларнинг цонуниятлари аницланди; эгилувчанлик назариясига биноан хисобланганлардан сезиларли даражада фарц циладиган

юкламага караб замин чукурлиги буйлаб тик кучланганликни аниклаш учун жадвал тузиб чицилди.Вацт буйича узгариб турадиган намлик таъсирига нисбатан грунт чукишининг мацбул киймати ни хисоблаш буйича тавсиялар берилган.

Калит сузлар: деформация, жараён, грунт, чукиш, ошириш, контур, чукурлик, зона, диаметр, штамп, босим, горизонтал, вараца, чегара, намлик.

STRESS STATE OF THE DIAPHRAGM OF A TUBULAR HYDRAULIC STRUCTURE ON SUBSIDENT

SOILS

In article discusses the practice of irrigation development of subsiding land points to the often occurringcases of disruption of hydraulic structures. This is largely due to the lack of knowledge and neglect in the design of theinteraction features of the GTS and their subsiding bases.As a result of the conducted research, a number of regularities of joint work of network hydraulic structures andsubsiding bases were clarified, which allowed the development of practical design methods aimed at improving the reliability of hydraulic structures.On the basis of experimental data, the regularities of changes in the stress-deformative state of the "structure-wettedsubsiding base" system are specified; a table was compiled to determine the vertical normal stresses according to thedepth of the base depending on the load, which differ significantly from those calculated in accordance with the theoryof elasticity; Recommendations are given for calculating the effective value of soil subsidence depending on acombination of time-varying moisture stresses.According to the results of the study of the work of full-scale hydraulic structures, possible typical schemes of loadingtheir elements (flat tips) have been established. This allows you to make calculations for the most dangerous state, which allows the reliability of the results.

Key words: deformation, process, priming, growth, Circuit, depth, zone, diameter, stamp, pressure, horizontal, flyer,border, humidity.

Введение. Напряженно-деформативное состояние

элементов конструкций в большей степени зависит от распределения напряжений по контакту фундамента сооружения и его основания [2;3;4;5;6 и др.].

В практике проектирования контактные напряжения

рассчитываются, исходя из представления о грунте как об изотропной упругой среде или, реже, из гипотез линейного распределения реактивных

давлений грунта. Следует отметить, что расчеты, проведенные с применением различных гипотез, могут дать результаты, существенно

отличающиеся друг от друга [1;7]

Распределение давлений в основаниях ГТС достаточно неравномерно и подвержено серьезным изменениям в процессе эксплуатации сооружений.

Особенно ярко такая

трансформация напряжений

появляется при работе гидротехнических сооружений на неравномерно замачиваемых и сильно деформируемых

просадочных грунтах [9;10;11;12].

Обзор научной литературы. Значительное количество отказов и аварий типовых сетевых сооружений, имеющих причину отмеченные обстоятельством, указывает на необходимость дальнейшего совершенствования методов их проектирования этих

сооружений, возводимых на лессовых грунтах [11;12;13]. Действующие в настоящее время нормативные документы [14;15 и др.] не учитывают влияние неравномерных просадок и увлажнения грунта на величину давлений по площади контакта сооружения с основанием.

Материалы и методы. В процессе исследований нами была подробно изучена работа трех трубчатых переездов, которые построены на просадочных лессовых грунтах на юге Узбекистана.

Ниже приводятся типичные эпюры реактивных усилий

лессового грунта на давление диафрагмы трубчатого переезда -перепада, полученные в ходе экспериментальных исследований (рис.1 в, г, д, е). Наибольший интерес для дальнейшего анализа представляют эпюры,

соответствующие периоду

зависания диафрагмы на трубе, а также периоду частичного увлажнения основания

диафрагмы. Именно в этих случаях экспериментальные

эпюры реактивных усилий лессового грунта наиболее значительно отличаются от теоретических (рис. 1 а, б).

а) Гипотеза линейного распределения реактивных давлений

0.0 0.1 0.2 0.3 04

к\ 'мг.

б) Гипотеза опирания на упругое полупространство

Экспериментальные эпюры

в) до начала замечания

г) 3 суток после начала замачивания

4 суток после начала замачивания

е) 6 суток после начала замачивания Рис. 1. Эпюры реактивных усилий грунта на давление от диафрагмы.

Будем считать, что диафрагма работает как монолитная конструкция. Это положение справедливо, если обеспечивается прочность швов, соединяющих отдельные плиты диафрагмы.

Наибольшие усилия в этих швах возникают в случае «зависания» диафрагмы на трубе. Усилие, воспринимаемое одним швом в этом случае будет равно:

Ыш = Qi - Pcp-b-l (1)

где , Qi- вес крайней плиты диафрагмы, кН; Рср- среднее контактное давление между крайней плитой и основанием; b-ширина плит диафрагмы, см; l1- длина продольной грани основания крайней плиты диафрагмы, см;

Для случая увлажнения грунта под всей диафрагмой оно может быть принято равным начальному

просадочному Рср=Рнач, кН/см2;

Сила трения между плитами и грунтом как величина сравнительно малая и идущая в запас прочности в формуле (1) не учитывается.

Тогда требуемая площадь среза сварного шва, соединяющего плиты диафрагм будет равна:

N

R

см2

где, Из- расчетное сопротивление на ср е з мат е риала шва, кН/см2.

Результаты и обсуждения. Если целостность швов, соединяющих плиты оголовка, обеспечена, то диафрагму можно приближенно рассчитывать как балку с больщим отношением И/Ь по схеме, представленной на рис. 2 и соответствующей периоду зависания диафрагмы (рис.1 5).

СЬ//2

чд,Р

1_

0,11,

Р„„ х Ь

Рис. 2. Расчетная схема диафрагмы, соответствующая случая ее зависания на

водопроводящей трубе.

С достаточной для практических целей степенью точности можно считать реакцию отпора грунта равномерно распределенной и равной Рнач. Исходя из выше изложенного, максимальный изгибающий момент в диафрагме для случая ее зависания на водопроводящей трубе будет иметь значение:

2\2

+ Ь) - Рнт, ('г +£)

м =■

Q2l2 ЧТрйТр

(2)

где, 12- длина продольной грани основания средней плиты диафрагмы, см; Цшр- интенсивность реакции отпора трубы, кН/см2; Q2- вес средней плиты, кН; dm- диаметр трубы, см.

При 11= 12 =1, что практически бывает часто, формулу (2) можно представить в следующем виде:

12(8д, + цг -9Рнач ев -qTpd2Tp) -дтр^)2 8

где, q2=Q2/l2.

В соответствии с положениями строительной механики, можно определить интенсивность реактивных усилий трубы:

2б: + а - 3РначЬI

м, =

Ч,

тр =

Тр

Следует однако отметить, что приведенные формулы справедливы лишь в случае увлажнения грунта по

всей площади контакта диафрагмы с основанием. На практике это соответствует действительности тогда, когда распространение воды по контакту диафрагмы с грунтом в сторону от оси сооружения отвечает требованию:

' (3)

В + (Н + Ьаачл, \

где, В- ширина замачиваемого участка, м; Ь- пролет оголовка -диафрагмы, м; в - угол растекания ф и льт ру ющ ей влаги и вертикали, для лессовых суглинков в =500, для лессовых супесей, в =350; Н - напор воды в канале, м; йзагл - расстояние между нижней гранью диафрагмы и дном водоема.

Если это требование (3) не выполняется, то имеет место концентрация контактных напряжений под краями оголовка, опирающимися на неувлажненный грунт.

Расчетная схема, соответствующая такому режиму работы диафрагмы, приводится на рис. 3. Реактивные усилия неувлажненной части основания заменяем сосредоточенными

реакциями А и В, что соответствует экстремальным условиям работы диафрагмы. Реакции А и В определяются обычным способом из уравнения равновесия системы.

сь//2

А

Г

' 1

Рнач X Ь

О,//,

в

Рис. 3. Расчетная схема диафрагмы, соответствующая случая опирания ее краев на неувлажненный грунт.

Реактивным давлением трубы можно пренебречь, поскольку в этом случае оно пренебрежимо мало.

Максимальный изгибающий

момент в середине пролета диафрагмы будет иметь следующее выражение:

М2 =

(9РначЫ + 40 - 5Щ/ 8

(4)

Приведенные формулы (2) и (4) соответствуют экстремальным

режимам работы диафрагмы. Если же значительная часть основания диафрагмы не увлажнена, расчетная схема будет иметь вид, представленный на рис. 4.

Рис. 4. Расчетная схема диафрагмы, соответствующая случая частичного

увлажненный грунт.

Протяженность неувлажненного участка для массива грунта с установившемся контуром увлажнения может быть определена по формуле:

(5)

а = \ - В - (Я + Кчя)

где, В- ширина зеркала воды в соответствующем бьефе; Изагл-расстояние между нижней гранью оголовка - диафрагмы и дном водоема.

Длина увлажненной части I основания оголовка-диафрагмы будет I = Ь- 2а = 211 + 12- 2а В соответствии с расчетной

схемой, представленной на рис.4.6, максимальный изгибающий момент в диафрагме равен:

м = £/2 -РнЧ2Ь + а!(к + /2)-%(а + /)а

3 8 2

(6)

где, цв - интенсивность реакции неувлажненной части основания диафрагмы (н/см).

При 11= 12= I, но при Ql Ф Q2 в диафрагме из трех плит момент

м _й,{2а-5/) + 4д(а-/) + 3Рначв1 -2а) 3 8

(7)

Если разница в весе средней и крайний плит пренебрежимо мала, то формула принимает вид

Мз = 3( Рначв1 - 0(3/ - 2а) (8)

8

Приняв в формуле (7) а = 0, вновь получаем выражение (8).

Как видно из формулы (7), с

а

-

уменьшением а момент увеличивается, т.к. увеличивается разность (31-2а).

Ф ормулы (6), (7) и (8) и справедливы в том случае, когда нагрузка на неувлажненную часть основания не достигает величины, превышающей ее несущую способность. В п ро тивном случае произойдет скалывание неувлажненного грунта под краями оголовка (рис. 5).

-Ыприродн

Ы>Шпрмродн

Рис. 5. Схема опирания оголовка-диафрагмы на неувлажненый клин грунта.

Площадка сдвига может быть представлена в виде равнобедренной трапеции с верхним основанием равным толщине диафрагмы. Высота трапеции, в соответствии с принятыми на рис. 5 обозначениями, равна h = а / tgp.

Нижнее основание трапеции имеет размер:

2atga

Ь = Ь + 2htga = Ь + ■

tgfi

где, а - угол рассеивания давлений в грунте от действия дополнительной нагрузки.

Исходя из этого площадь трапеции будет равна:

Ь + Ъ аЬ

= =

a2tga

2 ' tgp Принимаем с допущением, что воспринимается лессовым грунтом по

tg 2Р

некоторым вес плит увлажненным всей площади

основания диафрагмы. Разность между весом диафрагмы и суммарной реакцией отпора

увлажненного грунта соответствует нагрузке на площадки сдвига под обоими краями диафрагмы. Его значение может быть определено по результатам лабораторных испытаний грунтов. Для лессового маловлажного грунта С = 0,005^0,05 МПа.

2й + 62 -рть(2/, + /2) = 2^с

(9)

где, С - удельное сцепление грунта природной влажности.

Внутренним трением грунта пренебрегаем как величиной сравнительно малой, что идет в запас прочности.

Выразив Fсд через параметр «а», найдем его граничное значение, при котором будет справедливо выражение (6).

М(кНм) '

80

60

40

20

0

+ пк41+90 Ф пк 44+90 О пк 45+90

о\

Ж 1

9

2

Э(М)

Рис. 6. Графики изменения максималного изгидающего момента в оголовке переезда-перепада в зависимости от параметра "а": 1- по формуле (8); 2- по

экспериментальным данным.

б: + 0,502 -РпачЬ'г - 0.5РНШЫ2 =

Для этого решаем уравнение относительно «а», подставляя в него исходные данные для трубчатого перепада ПК 45+90, работа которого исследовалась в процессе эксперимента:

в =0,25м; С=40 кН/м2; Шпр= 11%; Ql=50 кН; Q2=40 кН; Рнач=25 кН/м2; Ь=9 м;

В результате получаем значение а = 0,68 м.

Для сравнения на рис. 6 приводятся графики зависимости максимального изгибающего момента в диафрагме одноочкового перепада, подсчитанного по формуле (7) и определенного на основе

экспериментальных эпюр контактных напряжений, от величины параметра «а».

Из рис. 6 видно, что большинство экспериментальных точек расположены ниже теоретической зависимости: средняя разность равна - 2,4 кНм, что составляет всего 3% в области

аЬс а

(10)

максимальных значений изгибающего момента. Среднеквадратичное

отклонение экспериментальных точек от прямой составляет 2=2,7 кНм.

Экспериментально установлено, что скалывание неувлажненного грунта под краями оголовка происходит при значениях «а» = 0,4^0,7 м, что достаточно близко к теоретически определенному значению этого параметра. После скалывания клиньев неувлажненного грунта напряжения на контакте диафрагмы с основанием будет соответствовать эпюре рис.1. г) и схеме на рис.2.

На внутреннюю грань оголовка перепада сказывает давление насыпной уплотненный грунт. Величина этого

давления на диафрагму составляет: q = фр* (11)

где, ф- коэффициент бокового давления; р- удельный все насыпного грунта, кН/м3; й- глубина от поверхности насыпи, м.

Расчетная схема работы диафрагмы в этом случае может быть представлена как консоль единичной

ширинз с заделкой на уровне бетонного крепления дна канала (рис. 7).

Рис. 7. Расчетная схема работы диафрагмы от навала грунта со стороны

водопроводящей трубы.

Надежность закрепления

обеспечивается значительной глубиной заделки и наличием жестко связанной с диафрагмой трубы.

Длина консоли соответствует высоте насыпи ^ (рис. 7 и 8):

Максимальный изгибающий

момент в диафрагме от действия навала насыпиого грунта возникает в сечении заделки

ррЬ^Хт

М

^тах ^Н

И (шах)

кН/м (14)

Ин= Ип

Изагл - Ис

(12)

где, Исв- высота части плиты диафрагмы, находящейся над поверхностью грунта. Примем Исв = 0, что идет в запас прочности.

Распределенная по закону треугольника нагрузка на консоль имеет максимальную интенсивность у заделки, которую можно определить для условной вырезанной полосы единичной ширины по формуле: Ц'тах= фр^ , кН/м (13)

Выводы. Исходя из выше изложенного, следует заключить, что оголовки-диафрагмы трубчатых

ирригационных сооружений,

работающих на лессовых присадочных грунтах, могут находиться в различных условиях нагружения в зависимости от характера увлажнения основания и особенностей взаимодействия с водопроводящими элементами (рис. 89).

Рис. 8. Схема оголовка-диафрагмы трудчатого сооружения

Рис. 9. Расчетная схема диафрагмы для случая навала грунта на ее боковые

грани.

При этом, конкретное

напряженное состояние оголовков зависит как от их массы и геометрических размеров, так и от физико-механических свойств и состояния грунтов оснований. Это

указывает на необходимость определения на стадии проектирования наиболее опасного состояния диафрагмы в соответствии с предлагаемыми расчетными

формулами и схемами.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бэр Я., Заславский Д., Ирлей С. Физико-математические основы фильтрации воды. -В кн.: Науки о земли (фундаментальные труды зарубежных ученых по геологии, геофизике и геохимии). Л.: Мир, 1971, с.117-126.

2. Докин В.А, Засов С.В. Особенности работы гидротехнических трубчатых сооружений на просадочных грунтах. В кн.: Конструкции и основания мелиоративных сооружений.М.: МГМИ,1962, с. 69-73.

3. Засов С.В. Фролов Н.Н. Исследование напря енно-деформативного состояния лессовых просадочных оснований соору жений. В кн.: Гидротех. сооружения, оснований и фундаменты, инженер ные конструкции. М.: МГМИ. 1982,с. 36-43.

4. Засов С.В. Взаимодействие гидросооружений оросительных систем с просадочны ми основаниями. Автореф. дисс.на соиск. уч.степ.канд.техн.наук. М., 1986,20 с.

5. Засов С.В.,Фролов Н.Н.,Хужакулов Р. Особенности напряженно-деформативно го состояния лессовых просадочных осно ваний сооружения НИИТЗИ- агропром Минсельхоза Российской Федерации, №-68, ВС-96, Деп. М., 1996,8с.

6. Засов С.В., Хужакулов Р Водопрово дящее сооружения на просадочных грунтах.В сб. матер.конф. КИЭИ, Карши, "Насаф", 2002, с.147-148.

7. Казакбаев К.К. Адилов И.А. Строитель ство ирригационных сооружений в районах нового освоения.Т.: Узбекистан,1981, 222 с.

8. Кулешов Г.Н.Рекомендации по оценке и обеспечению безопасности гидротехни чес их сооружений.Агенство международ ного фонда спасения Арала. Ташкент. 2009, 224 с.

9. Мавлянов Г.А. Инженерно-геологические свойства лессовых пород орошаемых тер риторий Узбекистана. Т.: Фан,1974,170 с.

10. Мавлянов Г.А, Пулатов К.П. Методы изучения просадочности лессовых пород с целью ирригационного освоения целин ных земель.Т.: «Фан»,1975.

11. Хужакулов Р., Засов С.В.Вопросы проектирования гидротехнических сооружений на просадочных грунтах на юге Узбекистана. В сб. мате риалов республиканской научно-практической конференции. Каршинский инженерно-экономический институт, Карши,11-12 марта 2016 г.,с. 266-269.

12. Хужакулов Р. Гидротехнические сооружения ирригационных систем на лессовых просадочных грунтах республики Узбекистан. В журнале «Инновационные технологии», №1(33),2019,с.52-57.

13. А.с.1717700. Водопроводящее сооруже ние на просадочных грун- тах. /Моск. Гидро мелиоративный ин-т: Авт.изобрет. Засов С.В. Хужакулов Р. -Заявл. 15.06.1990 , №4839512.-Б.И.1992.№ 9.

14. КМК. 2.06.04-97. Гидротехника иншоот ларига буладиган юкланиш ва таъсирлар (тул;ин, муз ва кемалар ор;али). T., 1998.

15. КМК 2.02.02-98. Гидротехник иншоотларнинг заминлари. T., 1998.