Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,222

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ И УСТОЙЧИВОСТИ БОРТОВ ТРАНШЕЙ КОММУНАЛЬНЫХ СЕТЕЙ ОТ ДЕЙСТВИЯ НАГРУЗКИ МОДУЛЬНОГО ПУТЕПРОВОДА

Алиев С.Б. 1 Кадыров А.С. 2 Ганюков А.А. 2
1 Евразийская экономическая комиссия
2 Карагандинский государственный технический университет
Предлагается новая конструкция модульного мостового переезда (путепровода), которая используется в качестве проезжей части через открытые рвы и траншеи коммунальных городских сетей во время их ремонта или замены. Применение таких конструкций позволяет уменьшить пробки в городе, во время ремонтных работ на коммунальных сетях, т.к. их использование позволяет не перекрывать транспортные артерии города на ремонтных участках. В данной работе исследованы условия взаимодействия естественного грунтового основания, находящегося за пределами отрываемых в процессе ремонта подземных инженерных сетей, с опорными устройствами модульного путепровода. Исследование выполнено на основе теории механики грунтов; при этом грунтовый массив рассматривается как однородная линейно-деформируемая система и моделируется как плоская задача теории упругости. Вопросы прочности и устойчивости бортов траншей коммунальных сетей исследованы с учетом влияния физико-механических характерристик грунтового основания: величины углов внутреннего трения и значения сил сцепления. Использованы теории Н.Н. Соболевского и Н.Л. Пузыревского. Произведены расчеты на прочность и устойчивость бортов траншей.
модульный мостовой переезд
путепровод
дорожные пробки
устойчивость бортов траншей
коммунальные сети
грунтовые массивы
1. Варвак П.М., Варвак Л.П. Метод сеток в задачах расчета строительных конструкций. – М.: Стройиздат, 1997. – 154 с.
2. Зурнаджи В.А., Николаев В.В. Механика грунтов, основания и фундаменты. – М.: Высшая школа, 2006. – 415 с.
3. Кадыров А.С., Кадырова И.А. Основы научных исследований. – Караганда: КарГТУ, 2015. – 276 c.
4. Маслов Н.Н. Механика грунтов в практике строительства (оползни и борьба с ними). – М.: Стройиздат, 2008. – 310 с.
5. Маслов Н.Н. Основы механики грунтов и инженерной геологии. – М.: Высшая школа, 1989. – 413 с.
6. Маслов Н.Н. Условия устойчивости склонов и откосов в гидроэнергетическом строительстве. – М., Л.: Госэнергоиздат, 1989. – 468 c.
7. Маслов Н.Н., Котов М.Ф., Зинюхина Н.В. Задачник по механике грунтов с подробными решениями. – М.: Высшая школа, 2003. – 310 с.
8. Справочник по теории упругости (для инженеров-строителей) / Под ред. Варвак П.М. и Рябова А.Ф. – Киев: Будивельник, 1990. – 418 с.
9. Справочник проектировщика промышленных, жилых и общественных зданий и сооружений. Расчетно-теоретический, книга 2 / Под ред. Уманского А.А. – М.: Стройиздат, 2007. – 239 с.
10. Mitchell J.K., Soga K., Fundamentals of soil behavior. – London: John Wiley and Sons, 2009. – 358 p.

Во время ремонта городских коммунальных сетей (тепловых, водопроводных и т.п.) образуются ремонтные рвы и траншеи на месте городских дорог, что вызывает перекрытие автомобильных дорог на длительное время и необходимость организовывать неудобные для водителей объезды. Это вызывает образование автомобильных пробок, ухудшает транспортную логистику города, увеличивает уровень аварийности и т.п.

В этих условиях, вместо вынужденных путей объездов отрытых коммунальных рвов и траншей, можно организовывать движение по мостовым переездам через них, не перекрывая движения по основным дорожным магистралям города. Для решения данной задачи нами предлагается конструкция мостового переезда – модульный коммунальный путепровод (рис. 1). Путепровод устанавливается через ремонтные рвы коммунальных сетей и позволяет не останавливать транспортные потоки на время ремонта подземных инженерных сетей.

Применение таких мостовых переездов значительно улучшает транспортную логистику в городе во время ремонтных работ на коммунальных сетях: уменьшает образование автомобильных пробок, отсутствуют вынужденные объезды ремонтных участков, что экономит время водителей автомобилей и жителей районов города.

aliev1.tif

Рис. 1. Модульный коммунальный путепровод

aliev2.tif

Рис. 2. Схема путепровода и схема нагружения на грунт

Модульный коммунальный путепровод собирается из унифицированных сборно-разборных модулей двух типов: одного ортогонально-ориентированного модуля и двух наклонных модулей (рис. 2).

Ортогонально-ориентированный модуль представляет собой пространственную стальную раму, основание которой крепится на дно ремонтной траншеи специальными способами. Верхняя часть рамы представляет собой проезжую часть в виде ортотропной плиты с подкрепляющими ребрами жесткости.

Наклонный модуль представляет собой стальные фермы, несущие на себе проезжую часть также в виде ортотропной плиты. Консольная часть ферм опирается на грунтовое основание, навесная часть ферм опирается на несущую раму ортогонального модуля.

На место установки мостовой переезд доставляется отдельными модулями и собирается в «однополосном» или «двухполосном» виде методом «сцепки».

Габаритные размеры «однополосных» модулей следующие: длина ортогонально-ориентированного модуля – 8 м; ширина – 3,5 м; высота (с учетом установки их на дно траншей) – 5 м. Длина наклонного модуля – 4 м; ширина – 3,5 м; большая высота – 2 м; меньшая – 0,2 м.

После использования коммунального путепровода производится его разборка по отдельным модулям в узлах «сцепки», а затем они доставляются на места их хранения.

Цель исследования

Сцепление с несущей рамой наклонных модулей позволяет избежать нагрузки на края бортов ремонтных траншей и уменьшает вероятность их обрушения в процессе эксплуатации путепровода. Однако вторые опорные устройства наклонных модулей находятся в силовом взаимодействии с естественным грунтовым основанием. В связи с чем встает задача дополнительного исследования напряженно-деформированного состояния массива грунта и задачи предотвращения обрушения бортов траншей.

Материалы и методы исследования

В результате взаимодействия опорных устройств с естественным грунтовым основанием на участке грунтового массива возникает напряженно-деформированное состояние как в линейно-деформируемой системе. В этом случае с достаточным приближением подобное состояние грунтового массива можно рассматривать как плоскую задачу теории упругости.

Задачу напряженно-деформированного состояния грунта можно решать тремя способами: на основе теории механики грунтов [2, 4–7], численными методами конечных разностей в напряжениях или перемещениях [1, 9]. В данной статье рассмотрим исследование прочности грунтового массива классическими методами механики грунтов.

Результаты исследования и их обсуждение

Расчетная схема участка грунтового массива представлена на рис. 3.

Заменяем действие равномерно-распределенной нагрузки «q» (рис. 2, 3) эквивалентной сосредоточенной силой P = q•(A×B) = 15 т.

Здесь: (A×B) = (1×1) м – размеры опорной части подушки (в плане). Напряжения «σz» вычисляем по формуле [5]:

al01.wmf (1)

где k = f(r/z) – коэффициент рассеивания (принимается по табл. 1 [8]).

Расчеты по формуле (1) сведены в табл. 1.

Напряжения «σz» можно также вычислить также по формуле (при действии сосредоточенной силы) [4]:

al02.wmf (2)

По формуле (2) имеем

Р = 15 т; z0 = 0,5м; y0 = 0; R = z0 = 0,5 м;

al03.wmf;

al04.wmf (т/м2).

aliev3.tif

Рис. 3. Расчетная схема нагруженного участка грунтового массива

Таблица 1

Значения «σz»

aliev2.tif

Данное значение совпадает со значениям σz (1-й столбец табл. 1).

На рисунке приведена картина «изобар» при действии сосредоточенной силы для величин σz = 1, 2, 3, 5, 10, 15, 20, 25 (т/м2). При этом использованы выражения

al05.wmf al06.wmf (3)

Вычислим нормативное давление на грунт (решение профессора Н.П. Пузыревского) [2]:

al07.wmf (4)

В качестве грунта рассмотрен суглинок (в условиях г. Караганды) со следующими параметрами: Υоб – объемный вес грунта; Сн = 2,1 т/м2 – нормативное удельное сцепление; φ = 15° – нормативный угол внутреннего трения; по [2] А = 0,325; В = 2,30; D = 4,845.

Приняты также:

b = 1,0 м – меньшая сторона опорной подушки (рис. 3);

h = 0,0 м – глубина заложения подошвы опорной подушки.

По формуле (4) имеем

al08.wmf

Rн = 10,7175 т/м2 – нормативное давление на грунт, R = Rн•1,2 = 12,861.

Расчетное давление на грунт:

R = 12,861 т/м2. (5)

Напряжения (al09.wmf) можно вычислять в долях от нагрузки «Р», т.е. при y0 = 0; z0 = 0,5 м по [4] имеем

al10.wmf (6)

Далее вычисляем главные напряжения [8]:

al11.wmf (7)

По выражению (7), с учетом значений (6), имеем

al12.wmf

al13.wmf

aliev4.tif

Рис. 4. Изобары напряжений по глубине грунта

Условие прочности грунтового массива имеет вид

al14.wmf (8)

где σred – приведенное напряжение;

R – расчетное сопротивление грунта (выражение (5));

Υ = 0,9 – коэффициент условий работы;

kd = 1,2 – динамический коэффициент.

Приведенное напряжение в грунтовом массиве равно по (8)

al15.wmf т/м2.

σred = 11,197 т/м2. (9)

По (8) с учетом значений (5, 9) получим, что 11,197 < 12,861. Таким образом, условие прочности грунтового массива (8) для нашего случая выполняется.

Рассмотрим вопрос устойчивости участка грунтового массива. Считается, что в линейно-деформируемом грунтовом массиве возникает две системы линий скольжения, наклоненных под углом (45° ± φ/2) (φ – угол внутреннего трения слоя грунта) к направлению (σ1) – большего главного напряжения, т.е. σ1 = σmax. Критической является такая нагрузка, превышение которой приводит к сдвигу в основании по поверхности скольжения, которая охватывает всю подошву опорной подушки (рис. 5) и создает «выпирание» грунта.

aliev5.tif

Рис. 5. Зона текучести грунта

Для определения критических нагрузок на грунты оснований составлены таблицы Н.Н. Соколовского [2, 4, 5]. На рис. 5 приведен случай, когда q = 0 (отсутствие пригрузки на поверхности земли). Относительные ординаты предельных давлений даны в табл. 2. Переход от табличных значении к аналитическому выражению производится по формуле [5]

al16.wmf, (10)

где c – сила сцепления грунта (т/м2).

Ординаты «y» вычисляют по формуле

al17.wmf, (11)

где γ – объемный вес грунта, т/м3.

Условие устойчивости грунта от выпирания записывается по формуле [3, 10]

k•P < Pпр, (12)

где Р – фактически действующая нагрузка на подошве фундамента (по опорной подушке) т; Рпр – предельно допустимая на грунт сила, т; (k = 2÷3) – коэффициент запаса устойчивости грунта.

Принятый в начале статьи размер в плане опорной подушки (b×b = 1×1 м) обеспечивает достаточную прочность грунтового массива. При расчете на устойчивость грунтового массива размер опорной подушки увеличим до (b×b = 1,2×1,2 м). Проверим выполнения условия (12) для случая (рис. 3): принимаем b = 1,2 м – ширина опорной подушки конструкции; h = 0; q = 0; φ = 150; c = 2,1 т/м2; Υ = 1,8 т/м3.

По табл. 2 (при y = 0): yт = 0, σт = 11 (безразмерная величина). Из формулы (11) (при y = b = 1,2 м): al18.wmf м.

По табл. 2 (yт = 1,0285): σт = 13,874 (безразмерная величина). По формуле (10) определим ординаты эпюры предельных давлений (см. рис. 5):

а) (при y = 0 м): σ0 = σт с = 11·2,1 = 23,1 т/м2;

б) (при y = 1,2 м): σв = σт с = 13,874·2,1 = = 29,1354 т/м2.

Суммарная предельная нагрузка (по эпюре – на рис. 5):

al21.wmf

al20.wmf

Таким образом

Pпр = 31,34 т. (13)

Таблица 2

Относительные (безразмерные) значения «σт»

y

φ, град

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

5

6,5

6,7

7,0

7,2

7,4

7,6

7,8

8,0

8,2

10

8,3

9,0

9,6

10,2

108,0

11,3

11,8

12,3

12,8

15

11,0

12,5

13,8

15,1

16,2

17,3

18,4

19,4

20,5

20

14,8

17,9

20,6

23,1

25,4

27,7

29,8

31,9

34,0

25

20,7

27,0

32,3

37,3

41,9

46,4

50,8

55,0

59,2

30

30,1

43,0

53,9

64,0

73,6

82,9

91,8

101,0

109,0

35

46,1

73,8

97,1

119,0

140,0

160,0

179,0

199,0

218,0

40

75,3

139,0

193,0

243,0

292,0

339,0

386,0

432,0

478,0

y

φ, град

4,0

4,5

5,0

5,5

6,0

6,5

7,0

7,5

8,0

5

8,2

8,3

8,5

8,7

8,8

9,0

9,2

9,4

9,5

10

12,8

13,2

13,7

14,1

14,5

14,9

15,4

15,8

16,2

15

20,5

21,4

22,4

23,3

24,3

25,2

56,1

27,0

27,9

20

34,0

36,0

38,0

39,9

41,8

43,8

45,7

47,5

48,9

25

59,2

63,3

67,3

71,3

75,3

79,2

83,1

87,0

90,8

30

109,0

118,0

127,0

135,0

143,0

151,0

160

168

176

35

218,0

237,0

256,0

275,0

293,0

312,0

331

349

368

40

478,0

523,0

567,0

613,0

658,0

703,0

Проверим условие устойчивости по формуле (12) с учетом значения (13) (Р = 15 т; k = 2):

2•15 < 31,34, т.е. 30 < 31,34.

Таким образом, условие устойчивости выполняется.

Выводы

1. Проведено исследование взаимодействия естественного грунтового основания за пределами отрываемых рвов и траншей подземных инженерных сетей с опорными устройствами наклонных опорно-навесных модулей мостового переезда (рис. 2); при этом произведена оценка прочности и устойчивости указанного участка грунтового массива.

2. Установлено, что при действующей схеме нагружения прочность грунтового массива под опорной подушкой обеспечивается при ее размерах в плане (b×b = 1×1 м). Однако для выполнения условия устойчивости необходимо принять размеры опорной плиты в плане не менее (b×b = 1,2×1,2 м). Таким образом, окончательно принимаются размеры опорной плиты в плане (b×b = 1,2×1,2 м), т.е. наибольший размер из расчетов на устойчивость и прочность.

3. Известные теории механики грунтов применены для расчета исследуемого грунтового массива, рассматриваемого как линейно-деформируемая связанная система.

4. Предлагаемые методики расчетов могут быть применены для подобных систем, состоящих из грунтового массива с различными физико-механическими характеристиками (при разных величинах угла трения, объемной массы, сил сцепления и т.д.).


Библиографическая ссылка

Алиев С.Б., Кадыров А.С., Ганюков А.А. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ И УСТОЙЧИВОСТИ БОРТОВ ТРАНШЕЙ КОММУНАЛЬНЫХ СЕТЕЙ ОТ ДЕЙСТВИЯ НАГРУЗКИ МОДУЛЬНОГО ПУТЕПРОВОДА // Фундаментальные исследования. – 2017. – № 5. – С. 15-20;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=41499 (дата обращения: 21.07.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252