CC BY
12УДК 626.823.631.634:631.431
DOI: 10.24411/2181-0761/2020-10129
РАСЧЕТНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ ПО ГЛУБИНЕ ЛЕССОВЫХ ОСНОВАНИЙ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ
Хужакулов Рустам Набиев Элёр Сафарович
Каршинский инженерно-экономический институт,
Карши, Узбекистан
В статье приведены результаты исследований по определению напряжений по глубине лессовых оснований гидросооружений в Каршинской степи. Установлено, что коэффициент бокового давления достигает своего максимума в период наиболее интенсивного проявления проса док в рассматриваемом слое.
Ключевые слова: просадочность, лессовое грунтовое основание, гидротехническое сооружение, коэффициент бокового давления, модуль деформации грунта, анизотропия.
ГИДРОТЕХНИКА ИНШООТЛАРИНИ ЛЁСС ЗАМИНЛАРИ ЧУЦУРЛИГИ БУЙИЧА Х.ИСОБИЙ КУЧЛАНГАНЛИК
Мацолада ^арши чулидаги гидротехника иншоотларини лесс заминлари чукурлиги буйлаб зурицишларни аницлаш буйича олиб борилган тадкицотлар натижалари келтирилган. ^аралаётган катламда чукишнинг жадал руй бериш холатида ён томон босим коэффициенти узининг максимал кийматига эга булиши урнатилган.
Калит сузлар: чукувчанлик, лёсс грунтли замин, гидротехника иншооти, ён томон босим коэффициенти, грунтнинг деформация модули, анизотропия
DETERMINATION OF CALCULATING STRESSES ON THE DEPTH OF LOESS GROUNDS OF HYDRAULIC STRUCTURES
The article presents the results of studies to determine the stresses on the depth of the loess bases of hydraulic structures in the Karshi steppe. It was established that the lateral pressure coefficient reaches its maximum during the period of the most intense manifestation of subsidence in the layer under consideration.
Key words: subsidence, loess soil base, hydro-technical construction, lateral pressure coefficient, modulus of soil deformation, nisotropy.
Введение. Процессы
деформации и увлажнения просадочных грунтов тесно связаны друг с другом. С одной стороны, деформации просадочного грунта зависят от степени его влажности, а с другой - они серьезно влияют на закономерности процесса
увлажнения массива. В связи с этим совершен- ствование методов
расчета деформаций лессовых оснований ГТС требует тщательного изучения процесса увлажнения массива и влияния на этот процесс специфики воздействия и ирригационных сооружений на грунт.
Характер увлажнения лессовых оснований ГТС зависит как от грунтовых условий площадки, так и
от типа сооружения, его размеров в плане, давления, передаваемого сооружением на грунт, ширины зеркала воды и ее напора и т.п. Можно выделить два типа сооружений по характеру увлажнения их оснований:
I тип - сооружения, в период работы которых их основания увлажняются постоянно или в течение длительного периода. К таким сооружениям следует отнести перепады, быстротоки и другие сооружения на каналах, а также сами каналы. В процессе экоплуатации таких сооружений в их основания поступает значительное количество влаги;
II тип - сооружения, из которых вода в грунт попадает только случайно,на краткое время в результате повреждения их конструкций. Это - трубы, лотки, каналы в противофильтрационных одеждах и т.п., а также другие водоисточники, имеющие весьма малую площадь зеркала воды и работающие периодически.
В основаниях сооружений I типа просадочная толца промачивается интенсивно и, как провило, полностью. При авариях сооружений II типа массив грунта увлажняется не до полного водонасыщения и обычно образуется лшь подвешенный контур увлажнения.
В пределах контура увлажнения влежность грунта изменяется от природной (на границе увлажненной зоны) до близкой к полному водонасыцению в непосредственной близости к водоисточнику.
Процесс фильтрационного
увлажнения грунтов, в том числе просадочных, изучался многими авторами [1-10]. В частности, отмечается что для источников увлажнения любой формы в плане, имеющих примерно равную глубину наполнения, скорость промачивания
грунта пропорциональна их поперечным размерам. Вместе с тем, при замачивании грунта из источников увлажнения, имеющих примерно одинаковую ширину и глубину наполнения, но разную форму в плане (в одном случае компактную, имитирующую строительные
котлованы, а в другом вытянутую, представляющую собой отрезки каналов), интенсивность увлажнения грунта различная. Во втором случае она несколько выше.
Как показано ранее, при анализе работ ряда ученых [11-18;23-27], неучет анизотропии свойств увлажняемых просадочных грунтов, а также образования в них двух слоев с различными физико -механическими свойствами
приводит к несоответствию расчетных и фактических значений величин просадки лессового грунта[19-22].
Значения вертикальных
напряжений по глубине оснований под центрами штампов в процессе увлажнения претерпевают
значительные изменения. Если их величины, замеренные при природной влажности грунта ш = (8-10)%, гораздо меньше рассчитанных в соответствии с указаниями КМК 2.02.02-98, то после увлажнения основании при ш = (25-30) %, превосходят расчетные. Это не может не сказаться на точности расчетов величин осадки и просадки, а также прочности и устойчивости оснований.Исходя из этого авторами были проведены исследования на массивах «Самарканд», «Туркменистан» и «Сурхан» Каршинской степи [19-22;26]
2.Методы. В ходе замачивания лессовых оснований штампов, исследовался процесс
трансформации бокового давления
в массиве грунта. При этом было установлено, что величина а бокового давления в просадочных грунтах достигает наибольшего значения в тот момент, когда на исследуемом горизонте грунт увлажняется и имеет место разрушение связей между его частицами.
В момент деформации грунта в нем нарушаются многие жесткие связи и до образования новых грунтовые частицы обладают повышенной способностью и движению, что несколько приближает его свойства к свойствам жидкости. Кроме того, объем пор грунта в процессе деформации быстро уменьшается, при практически постоянной весовой влажности, что на некоторый орок может привести и увеличению степени влажности и к повышению порового давления.
После затухания процесса деформации и исследуемом слое грунта значение а бокового давления уменьшается. Уменьшение ^ совпадает по времени с падением как вертикальной, так и
горизонтальной составляющих тензора напряжений. После стабилизации напряжений в массиве грунта, ^
в основаниях штампов оставался практически постоянным при неизменной влажности.
На рис.1 даны изобары коэффициента бокового давления ^ в основании круглого штампа плошадью 1м2, передающего на грунт давление 0,1 МПа, после стабилизации деформаций в массиве грунта.
Как видно из рисунка, ^ имеет наибольшее значение в верхнем слое грунта под штампом. С глубиной величина коэффициента ^ бокового давления падает.
Максимальное значение
коэффициента Z лишь штампа несколько превосходит величину 0,5.
3. Результаты и обсуждения.
Коэффициент бокового давления полученный по экспериментальным данным имеет большее значение под краями штампа, чем под центральной его частью, что соответствует теоретическим
предпосылкам.
На рис.2 показаны кривые, характеризующие напряжения в массиве грунта основания круглого штампа плошадью 1 м2, передающего на грунт давления 0,1 МПа. Кривая 1 получена путем расчета в соответствии с указаниями КМК 2.02.02 - 98 .
Кривая 2 построена с учетом концентрации напряжений
вследствие анизотропии лессового грунта, имеющего влажность ш = (26-29) %. Для построения кривой 2 напряжения подсчитывались по формуле:
CT z = CT z
Кк (1)
Где CTz - напряжения
определенные по КМК 2.02.02 - 98 Кк- коэффициент концентрации подсчитанный по формуле рекомендуемой Цытовичем Н.А. [13].
к =
к
(2)
Здесь Еу и Еz - модули деформации грунта при
приложении нагрузки
соответственно в горизонтальном и вертикальном направлениях. Они определялись по результатам компрессионных испытаний
образцов, отобранных с
исследуемых горизонтов грунта из оснований штампов.
При определении
коэффициента концентрации
напряжений по результатам компрессионных испытаний
лессовых просадочных грунтов юго-восточной части Каршинской степи, при нагрузке до 0.2 МПа нами получены средние значения Кк = 1.10-1.66 ( в зависимости от нагрузки и деформируемости грунта).
Значения Кк в зависимости от глубины рассматриваемого
горизонта грунта по данным проведенных нами экспериментов приводятся на рис.3.
Рис.1. Изобары бокового давления в просадочном основании круглого штампа, передающего на грунт давление 0.1 МПа, после стабилизации деформаций. Диаметр штампа 1.12 м.
Кривая 3 (рис.3) построена нами по экспериментальным данным для случая стабилизации напряжений в массиве грунта после его увлажнения. Для того, чтобы исключить влияние на величину а z неравномерности передачи штампов давления на грунт, здесь приводятся осредненные значения вертикальных напряжений на рассматриваемых горизонтах в несущем столбе грунта.
Как видно из рисунка, кривые 2 и 3 имеют весьма близкие очертания.
л а
0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0
0,5
1,5
2,5
H/R
. _. Rx3 - 0.0542x2 + 0,0496x + 0,0907 стабилизации (НаРРЙЖения
-по экспериментальным данным
----в соответствии со СНиП
-----с учетом коэффициента концентрации
Рис. 2. Напряжения в массиве грунта (кривая зависимости а от H/R) под круглым штампом площадью 1м2 передающим на грунт нагрузку 0.1 МПа
Расчет и измерение напряжений в слое грунта Н < 0,5 Р представляет собой словную задачу. Это объясняется неравномерностью фактического распределения
давления по контакту штампа и основания. Кроме того, в процессе увлажнения основания штампа характер взаимодействия между штампом и грунтом постоянно изменяется.
На рис.4 даны эпюры максимальных значений
возникающих в массиве грунта. Концентрация
напряжений имеет место в каждом отдельно взятом горизонте грунта в момент прохождения через него увлажнения (на контакте с жестким подстилающим неувлажненным слоем).
Кривая 2 рис.4 характеризует максимальные напряжен ст'^ на горизонтах регистрировавшиеся приборами. Значения а'' z могут быть также выражены формулой:
вертикальных напряжении,
Кривая изменения коэффициента концентрации
< 63
N
W
1,800 1,600 1,400 1,200 1,000 0,800 0,600 0,400 0,200 0,000
= 0,1433х4 -0>,9585х3 + 2,00,54х2 - 1,2484х 1 1,2903 ¡2 R2 = 0,9984
Рис. 3. Изменение коэффициента концентрации напряжений, обусловленного анизотропией исследуемого грунта по глубине массива
1,5 H/R
2
2,5
3
0
1
2
3
Кривая зависимости g от 2Z/B
1,200 1,000 0,800 о 0,600 0,400
0,200 0,000
0
0,5
1
3,5
1,5 2 2,5 3
----по таблицам Горбунов - 22/В
Посадов 1) у = -0.0158х4 + 0.178х3 - 0.6293х2 + 0.4768х + 0.9774
R2 = 0.997
-по экспериментальным
Данным 2) у = 0.0094х4 - 0.0366х3 - 0.0756х2 + 0.0917х + 0.981
R2 = 0.998
4
4,5
Рис.4. Вертикальные напряжения в просадочных основаниях квадратных штампов в долях от средного давления в контакте штампа с грунтом
С '' z = С^ К'к= Сz К к К'к
Где К'к - коэффициенте концентрации напряжений на границе увлажненной зоны.
Наиболее просто и удобно удобно с" можно определить по формуле
= а Р
В рассматриваемой таблице приведены опытные значения коэффи- циента а для маловлажного лессового основания; для замоченного грунта по окончании процесса стабилизация напряжений; в процессе инфильтрации воды в грунт на границе увлажненной зоны, где возникают максимальные напряжения.
Как показали опыты разница в величинах а в принятом диапазоне нагрузок и при определенной конфигурации штампа
незначительна. Их табличные значения определялись как среднеарифметические от значений, полученных при экспериментах с
различной нагрузкой на штамп, но при его постоянной форме.
В случаях для Н > 3,5 Я ( Н > 1.75 В) величина напряжения в грунте от действия дополнительной нагрузки
становится достаточно малой. Это позволяет с достаточной
для практических целей степенью точности при расчете деформаций грунта принять
С z = С z =
^ (5)
4. Заключение. Исхода из вышеизложенного, можно сделать следующие выводы :
- глубина активной зоны в основаниях сооружений
возводимых на лессовых грунтах природной влажности значительно меньше, чем рассчитанная в соответствии с КМК 2.02.02 - 98;
- напряжения на контакте модели флютбета с просадочным основанием имеют зоны
концентрации, где их значения
существенно превышают среднее давление штампа на грунт;
- напряженное состояние массива грунта основания модели сооружения трансформируется в процессе продвижения фронта увлажнения в глубину массива. При этом имеет место концентрация напряжений в слое грунта на границе увлажненной в неувлажненной зон, влажность которого соответствует начальной просадочной;
- после стабилизация напряжений в основании сооружения значения коэффициента бокового давления ^ даже при условии высокой степени влажности грунта значительно меньше единицы;
- коэффициент бокового давления достигает своего максимума в период наиболее интенсивного проявления просадок в рассматриваемом слое.
- напряженное состояние лессовых оснований гидросооружений зависит от ряда факторов и которым следует отнести характер увлажнения массива, анизотропию, а также другие физико-механические свойства и особенности лессовых грунтов.
- для определения напряжений в основаниях сооружений может быть использована специальная таблица, учитывающая перечисленные выше факторы и составленная на основе экспериментальных данных.
Литература:
1.Бакиев М.Р.Анализ проблем надежной и безопасной эксплуатации грунтовых плотин водохранилищных гидроузлов. В сб.ст. международной научно-практической конференции «Повышение эффективности, надежнос-ти и безопасности гидротехнических сооружений». Т.1,Ташкент, 2018, с. 16-22.
2.Бакиев М.Р.Критерии надежности Угамской ирригационной системы.В сб.ст. международной научно-практической конференции « Повышение эффективности, надежности и безопасности гидротехнических сооружений» . Т.1, Ташкент,2018,с.23-28.
3.Бандурин М.А.Диагностика технического состояния и оценка остаточного ресурса работоспособности водопроводящих сооружений оросительных систем.Дисс.на соиск.уч.степ.докт.техн.наук.М.,МГУП-2017.- 285 с.
4.Будикова А.М.,ФроловН.Н.,Черных О.Н.К вопросу о надежности оснований мелиоративных сооружений на просадочных грунтах. Сб. мате- риалов Всероссийской научно-технической конф.(22-24 апреля 2003г.)МГУП, Москва,2003.- С.147-148
5.Белякова С.Н.Обоснование технических решений по обеспечению эксплуатационной надежности гидротехнических сооружений Санкт-Петербурга.Автореф.на соис.уч.степ.канд.техн.наук.СПб,2007.-16 с.
6.Варывдин А.В. Определение надежности гидротехнических соору- жений и их элементов.Сб.материалов Всероссийской научно-технической конф.(22-24 апреля 2003г.)МГУП,Москва,2003.- С.135-137.
7.Василевский А.Г.Мировой опыт развития гидроэнергетики, инженерно-технических решений в области плотиностроения и обеспечения безопасности гидротехнических сооружений.ОАО ВНИИГ. ж.Гидротехничес кое строительство,№4,2003.-С.49-55.
8.Векслер А.Б.,Иващинцев Д.А.,СтефанишинД.В.Надежность, социальная и экологическая безопасность гидротехнических объектов: оценка риска и принятие решений. Санкт-Петербург:ОАО «ВНИИГ» им.Б.Е.Веденеева,2002.-С.35-36,56-58,156-159.
9.Волосухин В.А.Факторы,определяюш,ие безопасность гидротехнических сооружений водохозяйственного назначения.Наука и безопасность.-2014.-№3(12).-С.7-8.
10.Джуманазарова А. Исследования по определению конечной величины просадки оснований гидротехнических сооружений Сельскохозяйственные технологии, (Российская Федерация). Выпуск 1, № 4, 2019, с.10-15.www.agrotechjournal. ru ISSN: 2658-4018 https://doi.org/10.35599/agritech/01.04.02
11.Докин Д.В.Определение размеров зоны просадочных деформаций в основаниях, сложенных лессовыми просадочными грунтами. Материалы региональной VIII научно-технической конференции СевКавГТУ, Ставра- поль,2004.-С.37-41.
12.Жакапбаева Г.А.Совершенствование приемов проектирования сооруже -ний оросительных систем на просадочных грунтах по совместным предель- ным деформациям. Автореф. дисс.на соиск.уч.степ. канд. техн. наук. М., МГУП.- 2001.- 20 с.
13.Хужакулов Р.,Засов С.В..Повышение эксплуатационной надежности и безопасности гидротехнических сооружений ирригационных систем на просадочных грунтах.Монография.Ташкент,Ворис,2019.-162 с.
14.Кауфман Б.Д.Оценка надежности гидротехнических сооружений при динамических воздействиях в условиях неполноты исходной информации.Автореф.дис....на соиск.уч.степ.док.техн.наук.Санкт-Петербург, 2015.-35 с.
15.Каи1таап B.D.,ShulmanS.G.Metods of the uncertain factors account in a reliability assessment of a "construction-foundatiion" system at seismic impacts.Proc/of 4th Annual International Conferense on Civil Engineering.May 2014.Athens,Greece
16.Косиченко Ю.М.Вопросы безопасности и эксплуатационной надеж ности гидротехнических сооружений мелиоративного назначения. ж.Приро-дообустройство,№3,2008.-С.67-71.
17.Матвеенков Ф.В.Разработка мер повышения эксплуатационной надежности грунтовых гидротехнических сооружений III и IV классов. Автореф.дис....на соис.уч степ.канд.техн.наук.Москва,2016.-20 с.
18.Роберт Фриер. Безопасность плотин: исползование руководящих документов для обучения инженеров-инспекторов.Гидротехническое строи- тельство,№4,2003,-С.43-49.
19.Rustam Xujakulov, Musliddin Zaripov. RESEARCH ON DETERMINATION OF THE FINAL SIZE OF THE LANDING OF THE BASES OF HYDROTECHNICAL STRUCTURES. In JournalNX-Multidisciplinaru Peer Reviewed Journal - Special Issue on "Application of Science for Sustainable Development to Overcome Covid-19 Pandemic" on 02/09/2020 Website;journalnx.com
20. Rustam Xujakulov,Elyor Nabiev. INFLUENCE OF INFILTRATION MOISTENING OF SOILS FROM CANALS ON THE STRESS-STRAIN STATE OF HYDRAULIC STRUCTURES. Special Issue on Basis of Applied Sciences and Its Development in the Contemporary WorldPublished in Association withDepartment of Technology and Organization of Construction, Samarkand State Architectural and Civil Engineering Institute, UzbekistanDepartment of Mechanization of livestock, Samarkand Institute of Veterinary Medicine, UzbekistanNovateur Publication India's International Journal of Innovations in Engineering Research and Technology [IJIERT]ISSN: 2394-3696, Website: www.ijiert.org, 15th June, 2020.р.243-253
21.Rustam Xujakulov,Elyor Nabiev.STUDY OF THE REGULARITIES OF THE PROCESS OF MOISTENING LOESS SUBSIDENCE FOUNDATIONS OF HYDRAULIC STRUCTURES. Special Issue on Basis of Applied Sciences and Its Development in the Contemporary World Published in Association withDepartment of Technology and Organization of Construction, Samarkand State Architectural and Civil Engineering Institute, UzbekistanDepartment of Mechanization of livestock, Samarkand Institute of Veterinary Medicine, Uzbekistan Novateur Publication India's International Journal of Innovations in Engineering Research
and Technology [IJIERT] ISSN: 2394-3696, Website: www.ijiert.org, 15th June, 2020.р.234-242.
22.Хужакулов Р.,Иноятов И. Исследование инфильтрационного увлажнения грунтов из каналов Актуальные вопросы современной науки, (Российская Федерация), № 6, 2019, с. 109 - 113.
23.Созаев ААОбщая характеристика состояния лотковых каналов Чегемской оросительно-обводнительной системы:сб.ст.РИО ДГТУ.-Нальчик-Махачкала,2007.-С.273-275.
24.Федоров В.М.Комплекс конструктивных и технологических срелств восстановления и повышения надежности водопроводящей сети оросительных систем.Автореф.дис....на соис.уч.степ.докт.техн.наук. Новочеркасск, 2012.-48 с.
25.Финогенов О.М.,Белякова С.Н.,Крупнов О. Р.Учет социальных последствий аварий и нарушений при принятых решений по обеспечению надежности и безопасности эксплуатируемых гидротехнических сооружений. Известия ВНИИГ,2007.-С.113-120
26.Хужакулов Р.Установление степени увлажнения и величин напряжений при определении величины просадки оснований гидротехнических сооружений. Сб.науч.тр. Международной научно-технической конференции,Национальный технический университет "Днепрская политехника"(Украина), 26-27 сентября 2019 г.,с.138-140.
27.Шакарна Салех.Оценка надежности гидротехнических сооружений на основе системного подхода с учетом сейсмических условий. Автореф. дис....на уч.степ.канд. техн. наук. Самара, 2012.-25с.
