CC BY
15
безнапорном режиме с расчетным заполнением на входе 0,75^. Принятие в качестве расчетного частично-напорного или напорного режимов еще больше повышает эффективность использования металлических гофрированных труб с гладким лотком по дну.
1. Алтунин В. И., Черных О. Н., Федотов
М. В. Водопропускные трубы в транспортном строительстве. Гидравлическая работа труб из металлических гофрированных структур. - М.: МАДИ, 2012. - 269 с.
2. Рекомендации по проектированию и строительству водопропускных сооружений из металлических гофрированных структур на автомобильных дорогах общего пользования с учетом региональных условий (дорожно-климатических зон). - М.: ФДА РОСАВТОДОР, 2009. - 206 с.
3. Hydraulic design of highway culverts / U.S. Department of Transportation. -Hydraulic design series number 5. - Third edition. Publication No. FHWA-HIF-12-026. -2012. - 326 р.
4. Highway design manual. Chapter 8 Highway drainage (Limited Revisions) Revision 51. - September 22, 2006.
5. Handbook of Steel drainage and highway construction products. Published C.S.P.I. - Second Canadian Edition. - Cambridge, Ontario, Canada. - Second Printing. - November, 2007.
6. Ушаков В. В., Федотов М. В., Алтунин В. И., Черных О. Н., Нахмурин С. С. Работа гофрированной водопропускной трубы с гладким лотком по дну // Наука и техника в дорожной отрасли. - 2012. - № 2(61). - С. 38-40.
7. Формирование напорного режима в гофрированных трубах с гладким лотком по дну / В. В. Ушаков [и др.] // Наука и техника в дорожной отрасли. - 2013. -№ 2 (65). - С. 38-40.
8. Hydraulics Manual / Washington State Department of Transportation. - M 23-03. -January, 1997.
9. Federal Lands Highway. Project development and design manual: Publication № FHWA-DF-88-003 Ch 7: Metric Revision, U.S. Department of Transportation // Hydrology and Hydraulics. - June, 1996.
Материал поступил в редакцию 29.01.14. Алтунин Владимир Ильич, кандидат технических наук, доцент Тел. 8 (499) 155-03-16 E-mail: [email protected]
Черных Ольга Николаевна, кандидат технических наук, профессор Тел. 8 (499) 190-53-43 E-mail: [email protected] Бурлаченко Алена Владимировна, инженер
Тел. 8 (499) 618-05-14 E-mail: [email protected]
УДК 502/504 : 624.042 : 627.8 В. П. ШАРКОВ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства»
О ВЕЛИЧИНЕ СКАЧКА В ЭПЮРЕ ВЕРТИКАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ ГРУНТА-ЗАПОЛНИТЕЛЯ В ЯЧЕИСТЫХ КОНСТРУКЦИЯХ ГТС
На основе анализа опытных данных предложено использовать зависимость для определения уменьшения вертикального давления заполнителя в ячеистых конструкциях гидротехнических сооружений, возникающего в результате динамических воздействий. Зависимость проверена экспериментально.
Динамика, ячеистые конструкции, заполнитель, осадки, вертикальное давление заполнителя, горизонтальное давление
On the basis of the experimental data analysis it is proposed to use a dependence for determination of reduction of the filler vertical pressure in cellular structures of hydraulic works arising as a result of dynamic impacts. The dependence was checked experimentally.
Dynamics, cellular structures, filler, settlement, filler vertical pressure, horizontal pressures.
2' 2014
К
При расчете устойчивости или осадок каркаса ячеистых гидротехнических сооружений используют величину вертикального давления грунта-заполнителя на основание.
Динамические воздействия (сейсмические, взрывные) нередко приводят к уменьшению вертикального давления на основание и повышению горизонтального давления грунта на стенки [1]. В результате такого перераспределения может измениться условие устойчивости и прочности сооружений.
Цель проведенной автором работы -определение величины изменения (скачка) вертикального давления в ячеистой конструкции. Ограничимся рассмотрением случая укладки в ячеистую конструкцию неуплотненного грунта, что упрощает представление о механизме перераспределения.
Как известно, явления в ячеистых конструкциях, происходящие при интенсивных сейсмовзрывных воздействиях, по характеру родственны явлениям, происходящим при выгрузке силосов [1]. В таких явлениях происходят существенные осадки заполнителя, которые являются основной причиной перераспределения нагрузок. По указанной причине для изучения данного вопроса использовали результаты опытов, полученные при выгрузке крупномасштабной модели силоса.
В этих динамических явлениях при их схожести имеются и некоторые особенности. Так, при динамическом (например, сейсмовзрывном) воздействии на ячеистую конструкцию с неуплотненным грунтом причиной возникающих осадок является виброуплотнение грунта-заполнителя. При
этом у стен вследствие осадок происходит развитие касательных напряжений и повышение горизонтального давления. В результате вертикальное давление, как у стен, так и в массиве, уменьшается. После динамического воздействия поверхность заполнителя приобретает вид, показанный на рисунке (а).
Как видно из рисунка, осадки заполнителя не одинаковы: в центре они меньше, у стен больше. Это можно объяснить тем, что исходное вертикальное давление у стен меньше, чем в центре. По этой причине в процессе осадок при горизонтальном динамическом воздействии траектории движения частиц грунта должны иметь составляющие, направленные от центра к периферии (к стенам), причем наибольшие из них - в плоскости воздействия.
Выгрузка силоса, например из центрального отверстия в днище, также сопровождается осадками заполнителя. При этом в процессе выгрузки вначале уменьшается вертикальное давление заполнителя над отверстием, что приводит к возникновению осадок над отверстием. В дальнейшем зона осадок распространяется к стенам, что вызывает развитие касательных напряжений и рост горизонтального давления на стены. При осадках траектории движения частиц заполнителя в верхней части силоса направлены от центра к периферии, причем во все стороны примерно равномерно. В нижней части траектории движения грунта направлены к центру.
При остановке процесса выгрузки поверхность заполнителя приобретает вид, представленный на рисунке (б).
Заполнитель
Я
Воронка
Отверстие
а б в
Картина осадок в заполнителя в ячеистой конструкции: а - от динамических воздействий (с ускорением W); б - при выгрузке силоса; в - эпюры вертикального и горизонтального давления заполнителя в статике 1 и динамике 2 (стрелками показаны траектории движения частиц)
2' 2014
Первопричины, последствия и механизм рассмотренных динамических явлений отличаются. Возможно, это может влиять на величину уменьшения вертикального давления.
Из работы [1] известно, что в динамических условиях происходит (скачкообразное) увеличение горизонтального давления (от исходного горизонтального ау) на величину Да. В результате давление становится равным а = ау / cos2ф (ф - угол внутреннего трения). Одновременно у стен вертикальное давление уменьшается на такую же величину Да (от исходного агС) и становится равным горизонтальному динамическому давлению (ага = ауй) - возникает напряженное состояние, сходное с гидростатическим.
При шероховатых стенках уменьшение вертикального давления составляет: Да = а (1 + 2 tg2ф) - а /cos2ф =
= ау ^2ф, У (1)
Можно предположить, что и в остальной части ячейки, в том числе в ее центре, при осадках заполнителя может происходить уменьшение вертикального давления на такую же величину Да, как и у стен. Тогда это должно привести к сохранению кривизны первоначальной эпюры вертикального давления аг (см. рисунок, в).
В таком случае ординаты эпюры вертикального давления становятся равными:
у стен ^с = ауйс = ау / с°^ф; (2)
в центре ячейки агЩ = агц - Да. (3)
В результате усредненное по площади вертикальное давление уменьшается от исходного статического аг на величину Да и становится
а= а - Да. (4)
га г 4 '
Для проверки этой гипотезы приведены результаты, полученные по формулам (2), (3) и (4) и опытным путем (таблица).
Вертикальное давление по формуле (4) и в опытах
Автор, объемная плотность заполнителя, г/см3 Грунт, угол ф0 Расчет Опыт Отклонение
Давление у стен по (2) Давление в центре поаЦ3) Давление (среднее) а , по (4) а по (4), г/см2 ^ (5) по (5), г/см2 а , г/см2 Д = 7/8
Шарков у = 1,38 Песок, ф =360 1,52а ' V 3,32а ' V 2,72 а ' V 32,36 31,2 28,65 1,089
Пипер у = 1,474 Песок Ф = 38,80 1,65а ' V 3,72а ' V 3,03а ' V 83,3 83,3 84,0 0,992
Пипер у = 1,441 Песок ф = 380 1,61а ' V 3,59а ' V 2,93а ' V 81,06 80,0 1,013
Пипер у = 0,697 Зерно Ф = 32,60 1,41а ' V 2,93 а ' V 2,42а ' V 39,5 39,5 35 1,128
Условия опыта 1. Ячейка с песком высотой 80 см была закреплена на столе сейсмоплатформы и испытывала ее горизонтальное воздействие в виде сейсмического толчка [1]. В результате песчаный заполнитель получал осадки в среднем на 2 см, а степень зависания грунта на стенках увеличивалась с 0,687 до 0,7405 (см. рисунок, а). Это равнозначно уменьшению давления заполнителя на основание до величины
ага = (1 - т) у Н = (1 - 0,7405) 1,38 • • 80 = 28,65 г/см2,
где т, у и Н - степень зависания, объемная плотность и высота заполнителя соответственно.
Расчетное давление для этих условий по формуле (4) с учетом влияния высоты заполнителя по зависимости (5)
2' 2014
составляет 31,2 г/ см2.
Для исключения влияния на давление высоты заполнителя Н в динамических условиях использовали формулу Янсена:
02й = Ооа • (1 - ехр (- кН/Я), (5)
где аоа = у Я/ к - предельное значение динамического давления; у - плотность (объемный вес) грунта; Я = F/П; F и П - площадь и периметр поперечного сечения ячейки; к - коэффициент касательных напряжений в динамике, к = т/ага = X tg 5; 5 - угол трения грунта у стенки; X - коэффициент горизонтального давления грунта в динамике; Н - высота заполнителя расчетной точки (см. рисунок, в).
Как видим из таблицы, точность формулы (4) удовлетворительна, расхождение опытных и расчетных данных составляет 8,9 %.
Результат свидетельствует о равно-
(бэ)
мерном уменьшении вертикального давления по всей ширине ячейки при осадках заполнителя на величину Ас .
Коэффициент касательного напряжения к = х /с й, определяемый с использованием расчетной величины сгй, с учетом высоты засыпки равен к = у = 1,38 • 6,25/ 31,2 = 0,276.
Если для оценки использовать динамический коэффициент касательных напряжений кй = хй/с й = угй, где хй = у R/соsф - динамическое касательное напряжение, то расчетный динамический коэффициент кй = 0,341 [2].
В опыте 2 со средним песком происходила выгрузка песчаного заполнителя из центрального отверстия в днище цилиндрической модели силоса диаметром 60 см и высотой 308 см (см. таблицу)
[3].
В опытах замеряли вертикальное давление песка на днище модели в процессе опорожнения. В начале выгрузки в опытах получено давление 84 г/см2, а рас считанное по формулам (4) и (5) - 83,3 г/см2. Здесь опытные значения превышают расчетную величину на 0,8 %, что свидетельствует о высокой точности формулы
(4) для такого опыта.
Для условий этого опыта расчетная величина коэффициента к = у -/сгй = 22,11/ 83,3 = 0,265. Как видим, он близок к полученному с песчаным заполнителем в опыте 1 после динамического воздействия сейсмического характера ('к = 0,276) и не зависит от характера динамического явления.
В этом опыте динамический расчетный коэффициент к& = хй/сгй = 0,341. Он совпал с расчетным, полученным в опыте 1.
В опыте 3 с мелким песком при выгрузке силоса давление на дно уменьшилось с 94 до 80 г/см2 [3]. По формуле (4) получено значение сгй = 81,06 г/см2; разница с опытным значением составила 1,3 %, что свидетельствует о высокой точности формулы. Расчетный коэффициент к = х/с = 21,615/ 81,06 = 0,267 практически совпал с полученным в опыте к = 0,270.
Динамический расчетный коэффициент к& = хй/сгй = 0,338. Он также совпал с полученным в опытах 1 и 2 Пипера к = 0,341).
В опыте 4 изучали давление зерна
на дно модели в процессе опорожнения силоса [3]. Полученное давление - 35 г/см2, а рассчитанное по формулам (4) и (5)
- 39,5 г/см2. Превышение последнего над опытным значением - 12,8 %. Этот результат также свидетельствует о правомерности использования формулы (4).
В этой серии опытов расчетный коэффициент к = х/сгй = 0,264. Практически он равен коэффициенту, полученному для условий опыта 3 с мелким песком
- 0,267. Динамический коэффициент к& = хй/сгй = 0,314. Для зерна, полученный в условиях опорожнения силоса, он несколько ниже, чем полученный в опытах с песком.
Выводы
Опыты показывают, что формула (4) правильно отражает качественную картину уменьшения вертикального давления, в соответствии с которой параболическая эпюра давления равномерно уменьшает ординаты по всей ширине ячейки, сохраняя первоначальную кривизну.
Величина уменьшения (скачка) давления практически не зависит от характера динамического явления (сейсмическое воздействие или процесс выгрузки силоса). Она также не зависит от вида заполнителя.
Величина скачка вертикального давления может определяться из выражения Дс = су tg2ф. В среднем в опытах она составила 17...19 % от статического давления грунта.
Точность формулы (4) для определения усредненного вертикального давления является приемлемой: в двух опытах она составила 8,9 и 12,8 %, а в двух других - 0,8 и 1,3 %.
Расчетный коэффициент к = х/сгй для динамических условий (мелкие и средние песчаные грунты) равен 0,27.
Динамические воздействия и явления повышают коэффициент к для неуплотненного песчаного грунта на 15.16 %.
(во)
1. Шарков В. П. О максимальном давлении грунтового заполнителя на стенки ячеистой конструкции в процессе его осадок при глубинном виброуплотнении: Роль мелиорации в обеспечении продовольственной и экологической безопасности России: материалы Межд. науч-практ. конференции. - М.: ФГОУ ВПО
2' 2014
МГУП, 2009. - Ч. 2. - С. 135-141.
2. Шарков В. П. Касательные напряжения в грунте у стен ячеистых сооружений и их предельные значения в условиях интенсивных осадок // Природообустрой-ство. - 2010. - № 5. - С. 50-55.
3. Пипер К. Исследование силосных нагрузок на моделях. - Конструирова-
ние и технология машиностроения: Труды Американского общества инженеров-механиков. - 1969. - № 2. - С. 80-86.
Материал поступил в редакцию 10.06.13. Шарков Вячеслав Петрович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Гидротехнические сооружения» Тел. 8-926-538-40-83
УДК 502/504 : 626/627 Л. И. ЭЛЬПИНЕР
Учреждение Российской академии наук Институт водных проблем РАН
МЕДИКО-ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПОСЛЕДСТВИЙ ГИДРОТЕХНИЧЕСКОГО СТРОИТЕЛЬСТВА
Обобщены современные данные о влиянии искусственных водных объектов на санитарные условия жизни и состояние здоровья населения. Обосновывается необходимость оценки последствия гидротехнического строительства на основе построения медико-экологических прогнозов, базируемых на выявлении причинно-следственных связей возможных изменений санитарных условий жизни, состояния здоровья населения и изменений природной среды как в самом водоеме, так и на территориях в зоне его влияния. Показана эффективность комплексного использования множественной информации, накопленной в процессе исследований в области профилактических медицинских и природоведческих дисциплин.
Гидротехническое строительство, здоровье населения, прогнозирование.
There are generalized modern data about the influence of artificial water objects on the sanitary living conditions and state of the population health. The necessity of the consequences assessment of hydrotechnical building is justified on the basis of the medical - ecological forecasting based on revealing cause-and-effect relations of possible changes of the environment both in the very pond and in the territories in the zone of its influence. There is shown an efficiency of the complex use of the multiple information accumulated in the process of researches in the field of prophylactic medical and ecological disciplines.
Hydraulic engineering, population health, forecasting.
В свете современных данных крупное водных ресурсов, являющейся сейчас пред-
гидротехническое строительство, следстви- метом пристального внимания научных
ем которого является перераспределение коллективов, контролирующих служб,
стока во времени и пространстве, повлияло большинства ведомств. Научные иссле-
на условия жизни и состояние здоровья на- дования в этой области знаний развива-
селения. Связь санитарных условий жиз- ются весьма динамично, создавая предпо-
ни людей с состоянием водных ресурсов сылки для надежного прогнозирования и
очевидна. Прежде всего, эта зависимость обоснования рекомендаций по усилению
проявляется в степени обеспеченности до- положительных и снижению отрицатель-
статочной по количеству и безопасной по ных последствий гидротехнического стро-
качеству воды, надежности санитарных ительства [2]. Исследования, проведенные
условий хозяйственно-питьевого и в течение последних десятилетий, как по
культурно-бытового (рекреационного) водо- инициативе Всемирной организации здра-
пользования [1]. Утвердилось представле- воохранения, так и в соответствии с наци-
ние о многоаспектности проблемы качества ональными программами многих стран,
2' 2014
(6lJ
