Крупномасштабные испытания по давлению грунта на модели гибких шпунтовых стенок » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Крупномасштабные испытания по давлению грунта на модели гибких шпунтовых стенок

07.07.2021

В Принстоне в период 1943—1948 гг. по заказу Главного инженерно-строительного управления военно-морского флота США по этому вопросу были проведены обширные исследования. Общий итог исследований был подведен Чеботаревым в окончательном отчете (1949 г.). Частичная оценка результатов в виде промежуточных отчетов производилась ранее.

Первая серия модельных испытаний в масштабе 1:5 была выполнена в 1943—1945 гг. в железобетонном испытательном лотке, показанном на рис. 10.34. По существу он представлял собой короб размером 18х13х9 футов, открытый с одной стороны, куда помещалась модель стальной шпунтовой стенки, которая состояла из трех независимых вертикальных секций. Основные измерения производились на центральной секции шириной 5 футов, чтобы уменьшить влияние на результаты испытаний трения по боковым стенкам лотка. Были замерены следующие величины: реактивные давления А, В, С и V, деформация изгиба, прогибы и смещение стальной пластины и в тех случаях, когда обратная засыпка была представлена связным материалом, поровое давление в грунте.

Вертикальная реакция V и поровое давление измерялись с помощью датчиков типа «Карлсон». Измерения прогибов и смещений стальной пластины производились с точностью 0,001 дюйма мессурами типа «Федерал». Реакции А, В и С, а также деформации изгиба стальной стенки измерялись с помощью электротензометров SR-4. Эти тензометры имеют в своем составе весьма тонкую проволоку толщиной около 1/1000 дюйма, приклеенную к листочку изоляционной бумаги шириной 3/8 дюйма и длиной 1 дюйм. Листочек, в свою очередь, наклеивается на металлическую поверхность в месте, где необходимо получить сведения о деформации. Прочность клея больше прочности проводов, так что они следуют удлинению и сжатию металлической поверхности, к которой они прикреплены. Эти деформации в продольном направлении вызывают соответствующие изменения площади поперечного сечения провода, которые могут быть измерены в соответствии с изменениями электрического сопротивления. Тензометры весьма чувствительны к влажности; в связи с этим при отсутствии специальных мер может возникнуть хаотическое объемное изменение клея, которым они прикрепляются к объекту изучения, что в свою очередь может быть ошибочно принято за деформацию самого объекта. Тем не менее, как сообщал Чеботарев, в период проведения первой серии опытов в Принстоне были разработаны удовлетворительные методы изоляции. Дальнейшее усовершенствование, предложенное Каймблом, позволило даже использовать эти тензометры под водой и привело к созданию усовершенствованной общей испытательной установки для третьей серии принстонских экспериментов, показанной на рис. 10.35.

Вторая серия принстонских экспериментов, результаты которой были изложены в пп. 7.2 и 10.9, касались некоторых дополнительных вопросов общего характера.

В период как первой (рис. 10.34). так и третьей серии (рис. 10.35) испытаний в Принстоне на моделях шпунтовой стенки масштаба 1:10 были использованы различные материалы обратной засыпки, среди которых были чистый песок двух различных по крупности составов, пылеватая глина красного цвета (число пластичности Ip=7%) и смесь этих двух материалов. Кроме того, между стенкой и обратной засыпкой из пылеватой глины, закладываемой в лоток в полужидкой консистенции, соответствующей трем ударам прибора для определения предела текучести, устраивались песчаные перемычки различных форм (рис. 10.36). При проведении обеих серий опытов в некоторых случаях прикладывалась пригрузка. Для обеспечения полностью контролируемого модельного подобия прогибов была применена специальная методика.

Для того чтобы определить модули для тех или иных участков заанкеренной плиты стенки, была проведена соответствующая тарировка, позволившая точно вычислять по зарегистрированным относительным деформациям изгиба пластины величины действующих в данном сечении изгибающих моментов М. Показания относительных деформаций изгиба снимались в достаточно многих точках, а сами показания были достаточно точны, чтобы можно было определить поперечные силы V, используя обычную зависимость

где dM — изменение изгибающего момента между двумя соседними уровнями, на которых брались показания относительной деформации;

dh — расстояние между этими уровнями по вертикали.

Как показано на рис. 10.37, через точки, соответствующие полученным таким образом величинам V (поперечных сил), была проведена плавная кривая. Величины V, взятые с этой кривой, позволяют определить боковое давление на данном уровне по выражению

Вывод зависимостей (10.40) и (10.41) можно найти в большинстве учебников по сопротивлению материалов. При вычерчивании кривой поперечных сил по расчетным точкам (рис. 10.37) был использован следующий дополнительный контроль: 1) кривая поперечных сил должна была пересекать ось ординат (расстояний по вертикали) в двух точках ниже уровня крепления, в которых изгибающий момент был максимальным; 2) наклон обеих ветвей кривой поперечных сил на уровне крепления должен быть одинаковым; 3) площади кривых между пятью точками, в которых изгибающие моменты достигали предельных значений, должны быть равны разности соответствующих изгибающих моментов. Подобный контроль, полностью основанный на признанных законах статики, применялся при определении расчетом положения точек кривой бокового давления. Наконец, как показано на рис. 10.37, кривая изгибающих моментов была вновь выведена из кривой бокового давления, которая при необходимости слегка выправлялась для получения хорошего соответствия с начальной кривой измеренных изгибающих моментов, показанной на рис. 10.37. То, что в процессе испытаний не было отмечено отклонений, превышающих ±7% между обеими кривыми для любой заданной точки, показывает удовлетворительную точность этих новых методов измерения и анализа. Таблицы с полным перечнем показаний измерительных приборов при определении относительных деформаций изгиба, а также контрольные и другие данные необходимых вычислений, определяющих величину бокового давления, были опубликованы Чеботаревым. Кривые прогибов были построены исходя из показаний датчиков по оценке деформации изгиба с помощью методов фиктивной нагрузки (по площади эпюры моментов) и упругой линии (см. учебники по теории сооружений); при этом расхождение с кривыми прогибов, полученными независимо при измерениях механическими приборами, не превышало ±5%.

Первая серия испытаний (рис. 10.34) была посвящена изучению активного давления и привела к большому числу важных выводов. Они были подтверждены позже при проведении испытаний третьей серии, когда исследовалось одновременно активное и пассивное боковое давления грунта и их взаимосвязь (см. рис. 10.35) при несколько меньшем (1:10) масштабе модели. Были получены следующие наиболее существенные выводы.

1. Призма из песка, укладываемая между стенкой и обратной засыпкой, выполненной из разжиженной глины с углом откоса, равным его углу естественного откоса (см. рис. 10.36, опыт 6), оказалась весьма эффективной с точки зрения уменьшения бокового давления, развиваемого разжиженной глиной. Боковое давление, действующее на стенку, было не больше того, которое было бы при обратной засыпке полностью из чистого песка. Обнаружилось, что расположение между стенкой и разжиженной глиной, представлявшей обратную засыпку, вертикальной прослойки песка толщиной, равной высоте стенки, настолько же эффективно, как и перемычка из песка (см. рис. 10.36, опыт 8). При мощности прослойки, равной половине высоты стенки, ее эффективность сокращалась приблизительно вдвое (см. рис. 10.36, опыт 9) и, наконец, при мощности прослойки, равной 1/10 высоты стенки, этот прием утратил свою эффективность. В последнем случае боковое давление, передававшееся на стенку от неконсолидированной глинистой обратной засыпки, было не меньше, чем от жидкости с эквивалентным весом.

2. Между условиями, создающимися при обратной засыпке грунта за гибкую заанкеренную шпунтовую стенку или при удалении грунта спереди уже возведенной стенки, имеется существенное различие. В ранее опубликованных теоретических исследованиях, касающихся арочного эффекта в грунтах, эти две позиции по сути дела никак не различались. На рис. 10.38 изображены пять основных типов возможного распределения бокового давления в песчаном грунте, полученных при проведении испытаний в Принстоне. При обратной засыпке моделей стенки песком не было обнаружено никаких признаков наличия арочного эффекта в вертикальной плоскости (рис. 10.38, а и б). Это понятно, так как арочный эффект в вертикальной плоскости ввиду пологого очертания таких арок наименее устойчив. Подобно арочному эффекту в горизонтальной плоскости он не развивается заметно за заанкеренной стенкой во время выполнения обратной засыпки, так как при этом грунт, необходимый для восприятия давления и распора арки, на уровне анкера и выше его отсутствует. Кроме того, упругое удлинение самого анкера и податливость его заделки постепенно увеличиваются по мере выполнения обратной засыпки. При этом все арки в несцементированном песке разрушаются. Определенный признак наличия арочного эффекта в вертикальной плоскости был обнаружен в Принстоне только в период испытания, при котором имитировалось удаление грунта землечерпанием (дноуглубление) перед уже возведенной стенкой. В этом случае вся обратная засыпка находилась на месте, стенка забита или погружена в нее, а опора анкера была уже неподвижной (рис. 10.38, д).

Из всех предложенных до настоящего времени исходя из теоретических представлений кривых распределения давления, учитывающих арочный эффект в песках, только одна, данная Оде (см. рис. 10.39, в), близко согласуется с эпюрой, полученной при указанных выше условиях в Принстоне. Сильная вибрация песка ниже дна заглубления перед стенкой с осуществленной полностью обратной засыпкой (см. рис. 10.38, в, а также этап Vp на рис. 10.37) оказывает влияние на вид эпюры бокового давления, подобное самому дноуглублению. Однако даже небольшая мгновенная естественная податливость анкера значительно ослабляет перераспределение давления, вызванного арочным эффектом обоих видов, а также пассивным давлением, развиваемым грунтом выше уровня крепления (см. рис. 10.38, г).

Распределение давления по датским правилам проектирования стенок (рис. 10.39, а) и предложению Терцаги (рис. 10.39, б) по причинам, которые становятся понятными из рис. 10.40, представляется неприемлемым. Существующая до настоящего времени традиционная концепция относительно арочного эффекта (рис. 10.40, а) предполагает, что стенка обеспечивает восприятие давления от песчаных арок, образующихся в толще засыпки в результате прогиба самой стенки. В этом случае можно допустить, что боковое давление в центре пролета стенки уменьшается. Вместе с тем характер распределения давления, обнаруженный для обратных засыпок из песка в период испытаний в Принстоне, может быть объяснен с помощью другой концепции, а именно, концепции гибкой балки, предложенной Чеботаревым и показанной на рис. 10.40,б и 10.41.

Основное различие между этими двумя концепциями состоит в следующем: согласно второй из них, в качестве главной опоры гибкой балки, а не самой стенки служит грунт, лежащий ниже линии дноуглубления. Поэтому активное давление грунта вблизи этой области уменьшается за счет действия возникающих здесь касательных напряжений. Такое положение может создаться не только в толще грунта, находящегося ниже уровня дноуглубления, но даже и в грунте, расположенном выше свободного уровня воды, если он обладает некоторой прочностью на растяжение. Незначительное увеличение давления на саму стенку вблизи линии дноуглубления возможно только, когда заглубление стенки настолько мало (см. рис. 10.38,д), что возникает разрушение и выпор песка с его перемещением во внешнюю сторону совместно со стенкой. Если опора анкера неподвижна, то сильное смещение наружу заглубленной нижней части стенки будет вызывать нажим верхней части на грунт, находящийся за ней, и одновременно значительное пассивное давление, которое и было в действительности отмечено в Принстоне (см. рис. 10.38,д), а ранее было учтено Оде (см. рис. 10.39,в), но не было учтено ни датскими правилами (см. рис. 10.39,а), ни Терцаги (см. рис. 10.39,б). В период выполнения обратной засыпки весьма незначительное увеличение давления выше уровня анкера возможно только из-за пассивного сопротивления здесь грунта, который достигает этого уровня лишь на последних стадиях работ по обратной засыпке (см. рис. 10.40,б и 10.41). Незначительная податливость анкера будет при этом снимать пассивное сопротивление грунта, расположенного выше него.

3. Отсутствие бокового смещения в уровне анкера в реальных сооружениях возможно только тогда, когда шпунтовая стенка связана с массивными разгрузочными платформами. Сваи, воспринимающие нагрузку от такой платформы, также будут оказывать значительное влияние на перераспределение бокового давления по высоте шпунтовой стенки, когда последняя располагается с ближней к воде стороны платформы. Однако закономерности этого влияния еще пока не изучены, и оно, вероятно, может сильно изменяться в зависимости от расположения, наклона и других характеристик таких свай, а также от свойств окружающего грунта. Поэтому до сих пор вопрос, может ли в действительности при таких реальных условиях возникнуть арочный эффект даже в случае уже возведенной стенки описанного выше типа, остается открытым.

4. Пассивное давление ниже линии дноуглубления перед стенкой достигает величин, которые в некоторых случаях были в 3—4 раза выше теоретически возможных максимальных его величин при пренебрежении трения по стенке. Этот вывод приближенно соответствует результату анализа проблемы пассивного сопротивления, проведенного Креем (см. табл. 10.1 и рис. 10.4) для условия, когда углы внутреннего трения ф и трения о стенку предполагаются равными, а стенка несколько заглублена в грунт.

5. Равнодействующая остаточного пассивного давления располагалась намного ближе к линии дноуглубления, чем это обычно предполагают, считая такое давление функцией смещений стенки (см. рис. 10.41). Было обнаружено, что это явление, а также уменьшение активного давления сразу же выше линии дноуглубления, связанное с влиянием касательных напряжений, а не с арочным эффектом, были основными причинами меньших изгибающих моментов на модели шпунтовой стенки по сравнению с величинами, полученными с помощью традиционных методов. Влияние гибкости стенки проявлялось в такой степени, что смещение стенки yD у линии дноуглубления (см. рис. 10.41) увеличивало здесь касательные напряжения и уменьшало активное давление за стенкой на этой границе.

6. Исключительно сильная вибрация песка в обратной засыпке за стенкой на этапе Va (см. рис. 10.37) увеличила боковое давление настолько, что возникшие по стенке изгибающие моменты возросли на 60% и более по сравнению с обычными условиями. Последующая вибрация песка, находящегося перед обратной засыпкой (этап Vр), несколько уменьшила эти изгибающие моменты.

7. Было установлено, что боковое давление обратной засыпки из первоначально разжиженной глины со временем уменьшается в зависимости от консолидации глины без какого-либо перемещения стенки наружу, необходимого для снижения давления в общем случае. Этот вывод аналогичен полученному с помощью установки для изучения бокового давления грунта с жесткими: стенками, за исключением того, что в результате «пружинящего» действия изогнутой стенки она даже перемещается в сторону обратной засыпки в период консолидации последней (рис. 10.42). После завершения консолидации боковое давление глины соответствует величине К=0,5 (кривая В), за исключением области, непосредственно примыкающей к зоне с повышенной жесткостью в горизонтальном направлении и удерживающей способностью.

8. Дальнейшее расширение обратных засыпок из глинистых грунтов, испытавших консолидацию, не уменьшало в какой бы то ни было степени их боковое давление в верхней части засыпки в период испытаний, когда уровень воды достигал поверхности засыпки. Благодаря этому здесь не было грунта, способного оказать сопротивление некоторому растяжению хотя бы за счет капиллярных сил. Другими словами, было обнаружено, что активное давление обратной засыпки из консолидированной пластичной глины равно статическому давлению. Этот вывод еще раз подтверждал результаты лабораторных экспериментов по данному вопросу.

9. Принято предполагать, что в верхних зонах обратных засыпок из связного материала боковое давление отсутствует (рис. 10.43,а). Это положение не было отмечено в период испытаний в Принстоне, где распределение бокового давления было установлено за малым исключением в случаях обратных засыпок из пластичного связного материала однородной консистенции. Уменьшение бокового давления в верхней зоне наблюдалось во время принстонских испытаний только тогда, когда там находился более жесткий слой. Например, в период испытания, показанного на рис. 10.42, верхний слой песка был капиллярно насыщен и потому обладал некоторой прочностью на растяжение. После завершения консолидации, подстилающей засыпки из первоначально разжиженной глины и перемещения стенки по направлению к засыпке было отмечено, что верхний слой песка переместился в том же направлении даже в большей степени и отделился от стенки, как показано на рис. 10.42. Кривизна поверхности грунта вблизи стенки, которая играет в данном случае роль вертикальной удерживающей границы по отношению к консолидирующейся подстилающей массе глины, вызывает растяжение в верхнем слое грунта, которое его несколько оттягивает.

10. В период принстонских испытаний не удалось установить никакой обычно имеющей силу зависимости между сопротивлением сдвигу при разрушении и боковым давлением пластичных связных грунтов или смесей «песок—глина». Это положение вызвано тем, что после выбора надежной величины заглубления стенки, как это должно всегда делаться при проектировании, боковое давление на стенку перестает быть проблемой, связанной с разрушением грунта и становится проблемой его деформации.

Указанные здесь выводы послужили основой для формулирования определенных рекомендаций для проектирования гибких за-анкеренных шпунтовых стенок, которые будут изложены далее.
Крупномасштабные испытания по давлению грунта на модели гибких шпунтовых стенок

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: