Лисов В.М. Дорожные водопропускные трубы

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 44. Схемы модели для испытания четырехшарнирной трубы с

помощью полос из песка белого цвета

в опытах на простейших моделях позволяет вскрыть сущность тех или иных

процессов и наметить пути более широких как по объему, так и по

содержанию экспериментальных исследований.

В этой связи известный интерес представляет ряд опытов,

выполненных на простейших моделях четырехшарнирных труб, Назначение

этих опытов заключалось в выявлении характера работы модели

окружающей грунтовой засыпки фотографическим способом.

Для выполнения опытов был изготовлен деревянный ящик с размерами

в плане 13×60 см и глубиной 40 см. В переднюю и заднюю стенки ящика

вставляли стекла толщиной 8 мм. Одно стекло было разграфлено

вертикальными и горизонтальными линиями, образующими квадраты 5×5 см,

которые с внутренней стороны фиксировались полосками белого песка (рис.

44, а, б). Второе стекло оставалось чистым и предназначалось для

фотографирования перемещений частиц песка методом проф. Курдюмова. В

качестве нагрузочного приспособления была использована простейшая

рычажная установка с отношением плеч 1:1,25, передающая давление с

помощью штампа 12×12 см.

В опытах применялось металлическое кольцо с внутренним диаметром

12,4 см, толщиной 0,6 см. Длина кольца соответствовала ширине лотка и

равнялась 12,8 см. Шарниры были выполнены из стальной проволоки. На

торцы колец для обеспечения плотного прилегания к стеклам лотка

наклеивали полоски шерстяного материала.

Результаты проведенных опытов позволили установить следующее.

В начальной стадии деформирования четырехшарнирного кольца под

нагрузкой проявляется упругое обжатие грунта засыпки, При этом

перемещение частиц грунта происходит по траекториям, близким к прямым,

которые обрываются в грунтовом массиве, не выходя на поверхность

засыпки.

При дальнейшем увеличении нагрузки траектории перемещений

искривляются, распадаясь у горизонтальных шарниров на две группы, одна

из которых обращена вогнутостью в сторону основания кольца, а вторая

уходит вверх. В этой стадии начинают возникать площадки сдвига между

частицами грунта, образующими при дальнейшем приложении нагрузки

плоскости скольжения с выходом их на поверхность засыпки и появлением

боковых валов выпирания грунта с каждой стороны кольца. Этот момент

соответствует полной потере несущей способности грунта засыпки, причем

плоскости скольжения образуются с двух сторон кольца, с началом у

горизонтальных шарниров, и выходят на поверхность под углом 45°, имея

плавный, криволинейный характер.

Рис. 45. Схемы модели для испытания четырехшарнирной трубы методом

фотофиксации:

1 — активное давление; 2 — сдвиги грунта; 3 — дополнительное давление; 4 —

промежуточная зона; 5 — пассивное давление; 6 — пластические деформации; 7 —

выпирание грунта; 8 — уплотненный грунт; 9 — нейтральная зона

На рис. 45, а, б показаны зоны взаимодействия четырехшарнирного

кольца и засыпки, полученные методом фотофиксации.

Грунт основания в зоне нижнего шарнира, ограниченной примерно

углом 30°, в работе такой конструкции участия не принимает. Следовательно,

четырехшарнирные трубы не нуждаются в специальных фундаментах, но

требуют особо тщательного уплотнения боковых пазух.

Судя по максимальной глубине перемещений траекторий песчинок и

деформациям вертикальных цветовых полосок, глубина «активной зоны»

грунта, участвующего в совместной работе с четырехшарнирным кольцом,

близка к его диаметру. По полученным на фотографиях траекториям

перемещений частиц песка были построены огибающие их кривые. Характер

этих кривых и график плоской фигуры, образуемой ими (она представляет

собой силовое поле грунта, окружающего кольцо), позволили высказать

предположение о возможном очертании эпюры реактивного давления грунта

по внешней поверхности кольца. Результаты испытаний на модели были

использованы при составлении программы работ по исследованию

четырехшарнирных труб натуральных размеров.

5.2. Лабораторные испытания труб из

виброгидропрессованных звеньев

Цель испытания заключалась в оценке несущей способности

виброгидропрессованных труб и возможности их применения в качестве

малых водопропускных сооружений под насыпями автомобильных дорог.

Опытные конструкции двух длинномерных виброгидропрессованных

труб разрезали на стандартные элементы длиной 76 см, что соответствовало

диаметру срединной поверхности кольца. Назначение такой длины (вместо

рекомендуемой 100 см) диктовалось, прежде всего, свободными габаритами

между штангами испытательного пресса. Трубу на отдельные элементы

разрезали карборундовыми дисками на специальном отрезном станке модели

ОС-61. Всего было подготовлено четыре партии труб (по четыре звена в

каждой), различающихся диаметром спиральной арматуры и классом бетона:

3В3О, 4В30, 3В50 и 4В50 (первые числа соответствуют диаметру спиральной

арматуры, мм).

Испытываемые звенья имели следующие геометрические размеры:

длина 750 мм, внутренний диаметр 700 мм, толщина стенки 60 мм, толщина

защитного слоя 15 мм. Армирование выполнено спиральной арматурой из

высокопрочной проволоки класса В-II диаметром 3 и 4 мм, с шагом навивки

18,02 мм. Для продольной напрягаемой арматуры была использована

высокопрочная

проволока периодического профиля диаметром 5 мм класса Вр-II.

Опрессовочное давление для каждой партии труб было выше 1,7 МПа.

В качестве загрузочного устройства использовали гидравлический

пресс марки ИПС-50. Испытываемое звено 2 (рис. 46) укладывали на два

скошенных деревянных бруса 3 размером 12×12 см. Нагрузка передавалась

через брус 1 такого же размера, который устанавливали сверху звена. По

соприкасающимся плоскостям были уложены резиновые прокладки.

Для измерения местных деформаций (напряжений) использовались

проволочные датчики с номинальным сопротивлением 400 Ом и базой 50 мм.

Датчики наклеивали на очищенную бетонную поверхность клеем БФ-192

по середине длины звена. На

внутренней поверхности звена

располагали 12 датчиков (с

учетом дублирующих по

вертикальному и

горизонтальному диаметрам) и

два датчика на наружной

поверхности в уровне

горизонтального диаметра.

Регистрация показаний

датчиков производилась с

помощью автоматического

измерителя деформаций АИД-

2М с коммутаторным

устройством.

Программой работ

предусмотрено проведение

двух серий испытаний: в

упругой стадии и до

разрушения

В первом случае исследовалось

напряженное состояние

конструкции под воздействием

линейно-сосредоточенных

нагрузок,

Рис. 46. Установка для испытания звена

виброгидропрессованной трубы

действующих вертикально. Из каждой партии труб на этом этапе испытывали

одно звено. Нагрузка прикладывалась ступенями по 20 кН и доводилась до 80

кН с выдержкой на каждой ступени загружения до полного затухания

местных деформаций.

Цель второй серии испытаний — определение разрушающей нагрузки.

Загружение осуществлялось последовательным приложением нагрузки

ступенями по 20 кН. После каждой ступени загружения производили

внешний осмотр как внутренней, так и внешней поверхности испытываемого

звена, фиксировали образование трещин и измеряли общие деформации

сплющивания звена. Предельную нагрузку определяли в момент образования

четырех пластических шарниров в сечениях стенки звена по вертикальному и

горизонтальному диаметрам, что характеризовалось полным разрушением

бетона как в растянутой, так и в сжатой зонах. Кроме того, регистрировали

нагрузку, при которой происходил отрыв защитного слоя на участках

наибольших поперечных сил, что определялось по характерному треску,

возникавшему в этот момент.

Испытания в упругой стадии работы звеньев показали, что при

нагрузке до 60 кН зависимость относительных деформаций от нагрузки

линейна. При нагрузке, равной 80 кН, по группе датчиков, расположенных в

верхнем сечении звена, наблюдается некоторое отклонение от этой

зависимости. Однако остаточные деформации после разгрузки не превышали

±3×10

-5

или 5 % от значения полной деформации. По другим группам

датчиков, расположенных в менее напряженных сечениях, остаточные

деформации практически не имели места. Таким образом, можно считать

установленным упругий характер работы звеньев в заданном интервале

нагрузок.

Распределение относительных деформаций по кольцевой внутренней

образующей (рис, 47) соответствует характеру напряженного состояния

круглой трубы, загруженной по вертикальному диаметру линейно

сосредоточенными нагрузками.

По показателям группы датчиков, установленных в сечениях по

горизонтальному диаметру с внутренней и внешней сторон стенки, можно

сделать заключение о линейном характере распределения напряжений по ее

высоте, и рассматривать это как фактор монолитной работы звена.

Результаты испытаний до разрушения иллюстрируются кривыми деформаций

«сплющивания» звеньев по вертикальному диаметру в зависимости от типа

звена.

Анализ результатов испытаний позволяет прежде всего сделать вывод о

том, что предварительно напряженные трубы, изготавливаемые по

технологии виброгидропрессования, в процессе загружения претерпевают

четыре стадии работы (рис. 48): I — упругая; IIа — первая

упругопластическая; IIб — вторая упругопластическая,

Рис. 47. Экспериментальные эпюры относительных

местных деформаций труб двух типов при нагрузке 60 кН

Рис. 48. Зависимости, связывающие прикладываемую силу Р и

деформации ΔD виброгидропрессованных звеньев

III — пластическая. Каждая из этих стадий характеризуется некоторой

относительной деформацией вертикального диаметра δ = ΔD/D, а именно:

стадия I — δ <

500

; стадия IIа —

500

≤ δ <

100

; IIб —

100

≤ δ <

; и

стадия III — δ ≤

Здесь ΔD — абсолютное значение деформации сплющивания по

диаметру D.

Вместе с тем можно отметить, что каждая стадия работы звеньев, в

зависимости от класса бетона и диаметра спиральной арматуры,

характеризуется различными предельными нагрузками. В наименьшей

степени это различие проявляется в упругой стадии, для которой в среднем

предельная нагрузка составляет примерно 80 кН.

Для первой упругопластической стадии характерно образование

трещин в растянутой зоне верхнего и нижнего сечений с последующим

разрушением сжатого бетона и развитием в этих сечениях двух пластических

шарниров. Начало второй упругопластической стадии сопровождается

характерным треском и отслоением защитного слоя бетона с обнажением

спиральной арматуры. При дальнейшем увеличении нагрузки появляются

трещины в растянутой зоне боковых сечений по горизонтальному диаметру, а

к концу стадии начинается разрушение сжатого бетона на внутренней

поверхности звена.

Пластическая стадия работы трубы характеризуется наличием четырех

пластических шарниров, располагаемых по вертикальному и

горизонтальному диаметрам. Последующее нарастание деформаций

происходит при постоянной нагрузке, соответствующей разрушающей.

После снятия нагрузки наблюдается значительное (около 90 %)

восстановление первоначальной круговой формы звена.

Сравнение полученных экспериментальных данных с результатами

теоретических расчетов показали их полную адекватность в упругой стадии

работы и наличие значительного запаса прочности в отношении предельных

разрушающих нагрузок.

5.3. Полевые испытания труб

из центрифугированных звеньев

Цель исследования заключалась в установлении возможности

применения в дорожном строительстве центрифугированных труб

повышенной прочности с внутренним диаметром, равным 1 м, и длиной 5 м.

Необходимость проведения настоящего исследования была

продиктована рядом достоинств этих труб и предполагаемым внедрением их

в качестве малых искусственных сооружений на автомобильных дорогах.

Было проведено две серии испытаний: стендовые на полигоне и

натурные в насыпи.

Испытания на полигоне. Принципиальная схема испытательной

установки основывалась на загружении звена трубы двумя диаметрально

противоположными сосредоточенными силами, действующими по

направлению вертикального диаметра. Для этой цели на дно специально

вырытой траншеи укладывали бетонные блоки, по верху которых на слое

песка толщиной 1,5 см устанавливали испытываемое звено 1 трубы. По

верхней образующей звена размещали деревянный брус 4, на который

опирался настил 2 из бревен.

В качестве испытательной нагрузки был использован одноосный каток

3 на пневматическом ходу с загрузочным бункером, в который укладывали

бетонные блоки (рис. 49).

Загружение осуществлялось тремя ступенями общим весом 1,5; 2 и 2,5

кН.

В процессе испытания с помощью двух индикаторов с ценой деления

0,01 мм, установленных на специальном штативе в середине звена и у торца,

измеряли общие деформации, характеризующие изменение вертикального

диаметра звена. Для контроля были

Рис. 49. Установка для стендовых испытаний центрифугированной трубы