Стабилизированная осадка основания плотин и осадка во времени

Под осадкой основания понимают вертикальное перемещение поверхности грунта от внешних сил, передаваемых через фундамент сооружения, или нагрузки, действующей непосредственно на грунт.

В земляных плотинах различают два вида осадки: осадка самого тела плотины, возникающая вследствие сжатия материала, образующего насыпь, и осадка основания, при которой тело плотины рассматривают как внешнюю нагрузку.

Если грунт в насыпь плотины укладывают с послойным уплотнением, осуществляемым в соответствии с компрессионной кривой (см. рис. 10), эксплуатационных осадок тела плотины не будет. В связи с перераспределением напряжений в грунте насыпи после укатки рекомендуется учитывать усадку тела плотины, давая запас по высоте в размере 1%.

Грунты в основании плотин искусственно не уплотняют, поэтому под действием внешней нагрузки неизбежно происходит осадка основания. Для сохранения проектных отметок частей плотины (гребня, берм, дренажей и др.) в соответствующих точках поперечного профиля плотины предусматривают повышение на величину осадки. Таким образом, земляная плотина должна иметь два контура - строительный и эксплуатационный (рис. 101), разность отметок которых в любом вертикальном сечении определяется как осадка.


Рис. 101. Контуры плотины:
1 - строительный;  2 - эксплуатационный;  3 - сжимаемая толща  грунтов.

Величина осадки зависит от мощности сжимаемого основания. Теория распределения напряжений в грунте от внешней нагрузки показывает, что с глубиной напряжения постепенно уменьшаются по величине и на некотором расстоянии от поверхности приложенной нагрузки затухают, т. е. практически не оказывают влияния на осадку. Это дает основание ограничить толщу сжимаемых грунтов некоторой зоной, которую называют активной; в пределах этой зоны и рассматривают осадку.

Граница активной зоны, отсчитываемая от поверхности приложенной нагрузки, принимается на глубине, где величина уплотняющего давления равна 0,2 от природного (бытового) давления:

Oz = 0,2рб. (175)

Для определения границы этой зоны строят две эпюры напряжений - одну для 1/5 бытового давления, а другую для уплотняющего давления. Точка пересечения этих эпюр и определит границу активной зоны (рис. 102).


Рис. 102. Схема к определению     границы    активной зоны:
1- эпюра уплотняющего давления; 2 - эпюра бытового давления; 3 - граница активной зоны.

Совершенно очевидно, что если несжимаемые грунты будут расположены выше границы активной зоны, расчет осадок ведут для глубины, отвечающей этим грунтам. Скальные грунты являются практически несжимаемыми и поэтому служат естественной границей при расчете осадок плотин, конечно, если они расположены выше границы активной зоны.

Расчет осадок оснований в земляных плотинах может быть выполнен одним из трех методов:

1)   методом Н. М. Герсеванова;

2)   послойного суммирования;

3)   эквивалентного слоя (по Н. А. Цитовичу).

Применение того или иного метода зависит от соответствия реальных условий проектируемой плотины той расчетной схеме и основным положениям, которые приняты при выводе формул.

Наиболее просто определяют конечные осадки основания по методу Н. М. Герсеванова, в котором принято допущение об однородности сжимаемой толщи, конечной мощности ее и невозможности бокового расширения грунта с предположением, что равномерно распределенная нагрузка, действующая на поверхности грунта, распространяется в стороны до бесконечности.

В такой схеме (рис. 103) глубины сжимаемого слоя до приложения


Рис. 103.      Сжатие слоя грунта   без  возможного        бокового расширения           при сплошной      нагрузке: 1 -   внешняя      нагрузка интенсивностью  р;       2 - сжимаемая толща;     3 - несжимаемый   грунт.

внешней нагрузки – h1 а после ее приложения h2. Разность этих значений дает абсолютную величину осадки, выраженную уравнением:

(176)

Так как любой объем грунта, выделенный вертикальными плоскостями, подвержен одинаковым силовым воздействиям, для рассмотрения может быть взят столбик с площадью F.
Объем такого столбика до приложения нагрузки равен , а объем скелета грунта, учитывая формулу (13), будет

(177)

После сжатия выделенного столбика до h2 коэффициент пористости изменится и будет , а объем скелета грунта останется без изменения и выразится зависимостью:

(178)


Приравнивая правые части уравнений (177) и (178) и решая их относительно h2, получают


(179)


После подстановки полученного выражения в формулу (176),


(180)


где значения и берут с компрессионной кривой.
Другое выражение формулы (180), дающей конечные осадки сжимаемого основания, может быть получено, если вместо подставить выражение ар, что следует из формулы (21):

(181)

Формула конечной осадки может быть выражена и через модуль общей деформации грунта, если принять во внимание уравнение (30):

(182)

Таким образом, для подсчета осадки основания, сложенного из однородного грунта, с конечной глубиной и равномерно распределенной внешней нагрузкой интенсивностью р, без бокового расширения, может быть использована любая из трех формул (180, 181, 182), в зависимости от исходных параметров грунта.

Хотя в практике условия, положенные в основу вывода формулы, встречаются редко, однако опыты показывают, что стабилизированные осадки грунтов достаточно точно определяются по этим формулам, если выдержано условие , где b меньшая сторона площадки, загруженной равномерно распределенной нагрузкой. Такому условию отвечают расчеты земляных плотин на конечном, сравнительно неглубоком залегании несжимаемого слоя.

Метод послойного суммирования является развитием метода Н. М. Герсеванова. Существенное отличие его в том, что расчет осадки основания ведут по отдельным слоям. Это позволяет учитывать все разнообразие работы основания, включая разнохарактерность геологического строения, различные силовые воздействия на грунты, слагающие основания, воздействие грунтовых вод (напорных или безнапорных) и изменение их режима в период строительства и эксплуатации, а также местные особенности проектируемого сооружения.
Расчет осадки по методу послойного суммирования ведется по формуле:

где все значения относятся к рассматриваемому слою, а давление р берется среднее по слою. Толщину расчетных слоев назначают в зависимости от степени неоднородности основания, причем слои должны соответствовать характеру и мощности напластования грунтов основания, но не должны превышать одну десятую толщины активной зоны.

Метод эквивалентного слоя, разработанный Н. А. Цитовичем, учитывает возможность частичного бокового расширения грунта путем замены расчетной глубины сжимаемого основания на эквивалентный слой. Под последним понимается слой грунта такой мощности, при котором осадка сплошного, неограниченного по площади фундамента равна oсадке фундамента заданных размеров и формы, возведенного на массиве грунта, бесконечно простирающегося в стороны и вниз от ограничивающей плоскости.

Расчетной формулой для определения эквивалентного слоя служит

(184)

где А - постоянный для данного грунта коэффициент, зависящий от бокового расширения грунта и определяемый по формуле:

(185)

где    -  коэффициент поперечного расширения;
- коэффициент, зависящий от  формы   загруженной площадки и от жесткости фундамента;
b - ширина подошвы фундамента.
Для упрощения расчетов Н. А. Цитович дает табличное значение произведения (табл. 25), называя его


коэффициентом    эквивалентного  слоя  при  следующих обозначениях:
- коэффициент эквивалентного слоя для определения максимальной осадки под центром прямоугольной   площади   подошвы   гибких фундаментов;
- коэффициент эквивалентного слоя для определения средней осадки жестких фундаментов;
- коэффициент эквивалентности слоя для определения осадки абсолютно жесткого фундамента. При расчете осадок оснований земляных плотин следует принимать коэффициент .


Расчет осадки основания по методу эквивалентного слоя ведется по формуле:


(186)


где hs определяется по формуле (184) с использованием табличных значений   .

Последнее обновление 08.07.12 23:01