Особливості появи процесів набухання-усадки в умовах схилів та відкосів

Наявність зсуваючої складової сили яка діє на кожну частинку ґрунту особливості зволоження та висихання схилів різної орієнтації утворюють специфіку протікання процесів набухання і усадки ґрунту в зоні аерації на схилах та косогорах.

Внаслідок усадки поверхневі шари тяжких суглинків й глин в районах з порівняно сухим кліматом, як правило, знаходяться в переущільненому стані.

Для отримання рішення розглянемо блок ґрунту одиночною шириною, довжиною “l” (плоска задача), що передає навантаження інтенсивністю “q” на підстилаючу площину, яка має нахил “a” до горизонту (рис. 6.9).

D – геометричний центр; А – нерухома точка при усадці; Е – положення геометричного центру після висихання

Рисунок 6.9 – Положення характерних точок зразка при набуханні-усадці на похилій площині

Під час висихання проходить зміщення частин блоку ґрунту, відділеного від масиву ґрунту усадочними тріщинами, до точки А, яка залишається на місці. За рахунок сил тертя на ділянці ВА діє сила R₁, а на ділянці АС – сила R₂. Разом із зсуваючою силою від ваги ґрунту F вони дають умову рівноваги при усадці та набуханні. При усадці

. (6.36)

або

. (6.37)

Рішаючи рівняння відносно х_у отримаємо змінну координату при усадці ґрунту

. (6.38)

Під час набухання ґрунту напрям дії сила R₁ та R₂ змінюється на протилежний і положення точки А від якої в даному випадку переміщуються всі точки блоку знаходяться із співвідношення

. (6.39)

або

. (6.40)

Із даного рівняння отримаємо змінну координату при набуханні ґрунту

. (6.41)

Зміна положення точки до якої і від якої переміщується ґрунт під час усадки та набухання визначає величину зміщення центру блока від його початкового положення.

Деформації набухання–усадки проходять внаслідок зміни вологості в межах інтервалу W_y – W_н, де W_y – вологість в період усадки, W_н – вологість в період набухання.

Найбільша зміна лінійного розміру зразку при усадці або набуханню визначається рівнянням

, (6.42)

де b – коефіцієнт зменшення або видовження лінійного розміру ґрунту внаслідок зміни вологості на один відсоток;

k – коефіцієнт повного лінійного розширення ґрунту при зміні вологості від межі усадки до набухання.

Якщо в результаті висушування або зволоження зразок має проміжну вологість W тобто (W_у<W<W_н), то зміна розміру в одному напрямку при вільному розширенні або стиску визначається за формулами

При набуханні

. (6.43)

При усадці

(6.44)

На рис. 6.9 точка D відповідає положенню геометричного центру масиву ґрунту до його усадки. Відстань DE позначене ∆_у визначає величину зміщення блоку ґрунту при усадці. У випадку додатного значення ∆_у зміщення буде проходити під кутом. Її величину вираховують шляхом геометричної побудови, знаючи положення точки А, яку вважаємо нерухомою під час усадки таким чином

. (6.45)

Так як для процесу усадки із формули (6.38) виходить, що х₁ менше ніж х₂ це означає, що ∆х₁ то же менше за ∆х₂ і зміщення блоку проходить вниз по схилу.

При набуханні

. (6.46)

Так як

. (6.47)

Тоді

. (6.48)

Із рівняння (6.41) видно, що х₁>x₂, а це означає, що ∆_н є додатне і переміщення масиву ґрунту буде проходити вниз. Із врахуванням (6.38), (6.41) і (6.44) та приймаючи до уваги, що l=x₁+x₂, отримаємо

; (6.49)

, (6.50)

Де k₁, k₂ – коефіцієнт повного лінійного розширення ґрунту відповідно при усадці та набуханні.

Позначаючи повне переміщення ґрунту за цикл набухання – усадка через ∆=∆_у+∆_н отримаємо

. (6.51)

6.7 Розрахунок напруженого стану трубопроводу на який діє зсуваючий ґрунту

Як показує досвід експлуатації, трубопроводів збудованих в гірських умовах, вони часто розташовуються в зсувних масивах ґрунтів.

Розглянемо основні випадки силової дії зсувного ґрунту на трубопровід.

6.7.1 Зсув ґрунту на повздовжніх схилах

Одним із несприятливих є випадки, коли переміщення ґрунту, який знаходиться в граничному напруженому стані, проходить одночасно вздовж всього схилу довжиною l.

Прилеглі горизонтальні ділянки жорстко фіксують положення початкового та кінцевого перетину відрізку трубопроводу на схилі, формуючи защемлення (рисунок 6.10).

Розглядають два випадки коли дотичні напруження по контакту трубопроводу з ґрунтом рівні, більші граничним тобто мають жорстко-пластичний характер та коли зв’язок ґрунту з трубопроводом має пружний характер.

Рисунок 6.10 – Розрахункова схема при зсуву ґрунту на повздовжньому схилі

Перший випадок. Повздовжні зусилля в верхній половині трубопроводу будуть розтягнутими, а в нижній – стискуючими значення яких визначають за формулою

. (6.52)

Рисунок 6.8 – Розрахункова схема при зсуву ґрунту на повздовжньому схилі

Максимальне значення, яких будуть, за абсолютною величиною, на початку та кінці ділянки довжиною l, рівні

при х=0

; , (6.53)

при х=l

, (6.54)

де t_гр – граничні дотичні напруження по контакту трубопроводу з ґрунтом, рівні

,; (6.55)

р_гр – середній питомий тиск на одиницю поверхні контакту трубопроводу з ґрунтом, рівний

,; (6.56)

n_гр – коефіцієнт надійності з навантаження від ваги ґрунту;

h₀ – висота шару засипки від верху труби до поверхні.

Відповідно повздовжні переміщення в любому перетині трубопроводу будуть рівними

. (6.57)

А максимальні, за абсолютною величиною будуть на початку та кінці трубопроводу значення яких розраховують за формулою

. (6.58)

Деформації будуть відсутні посередині ділянки довжиною 0,5 l.

Другий випадок. Дотичні напруження вздовж контактній поверхні визначається залежністю

, (6.59)

де k_и – коефіцієнт постелі ґрунту на зсув;

u_k – очікуване (ймовірне) переміщення ґрунту, але не більше граничного;

u –переміщення трубопроводу в перетині х.

Значення t(х) повинно задовольняти умову, що

t(х) £ t_гр.. (6.60)

Аналогічно як і для першого випадку повздовжні зусилля в верхній половині трубопроводу будуть розтягнутими, а в нижній – стискуючими значення яких визначають за формулою

, (6.61)

де b- для скорочення запису позначили вираз

. (6.62)

Відповідно повздовжні переміщення трубопроводу в любому перетині розраховуються за формулою

. (6.63)

Величина напружень, що виникли в стінці трубопроводу будуть рівними

. (6.64)

Дата добавления: 2017-02-01