Материал: Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура

Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура

10. Nosov, S. V. Dinamicheskaya model' vibratsionnogo katka s vakuumnym ustroistvom / S. V. Nosov,

V.V. Nosov // Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo i arkhitektura. — 1991. — № 7. — S. 101—107.

11.Nosov, S. V. K voprosu po opredeleniyu modulya deformatsii uplotnyaemykh sloev dorozhno-stroitel'nykh materialov / S. V. Nosov, V. V. Nosov // Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo. — 1991. — № 10. — S. 104—108.

12.Nosov, S. V. Opredelenie prochnostnykh kharakteristik vakuumirovannykh asfal'tobetonnykh smesei dlya ustroistva dorozhnykh pokrytii / S. V. Nosov //Optimal'nye vibratsionnye rabochie protsessy v stroitel'stve. — Yaroslavl': YaPI, 1989. — S. 33—38.

13.Nosov, S. V. Osobennosti tekhnologii uplotneniya dorozhnykh pokrytii katkami pri ispol'zovanii na nikh vakuumnykh ustroistv / S. V. Nosov // Stroitel'nye i dorozhnye mashiny. — 1999. — № 9. — S. 6—9.

14.Nosov, S. V. Razrabotka tekhnologii uplotneniya dorozhnykh asfal'tobetonnykh smesei i gruntov na osnove razvitiya ikh reologii: avtoref. dis. … d-ra tekhn. nauk / S. V. Nosov. — Voronezh, 2013. — 34 s.

15.Nosov, S. V. Tekhnologicheskie rezhimy raboty uplotnyayushchikh mashin i zakonomernosti uplotneniya dorozhno-stroitel'nykh materialov na osnove razvitiya ikh reologii / S. V. Nosov // Nauchnyi vestnik Voronezhskogo GASU. Stroitel'stvo i arkhitektura. — 2011. — № 3 (23). — S. 87—98.

16.Nosov, S. V. Tekhnologiya uplotneniya goryachikh asfal'tobetonnykh smesei s primeneniem vibratsionnykh katkov s vakuumnym ustroistvom / S. V. Nosov // Nauchnyi vestnik Voronezhskogo GASU. Stroitel'stvo i arkhitektura. — 2012. — № 4 (24). — S. 53—63.

17.Nosov, S. V. Uplotnenie asfal'tobetonnykh smesei s vakuumirovaniem / S. V. Nosov // Nauka i tekhnika v dorozhnoi otrasli. — 2010. — № 3. — S. 36—39.

18.Podol'skii, Vl. P. Razvitie reologii dorozhno-stroitel'nykh materialov na puti sovershenstvovaniya tekhnologii ikh uplotneniya / Vl. P. Podol'skii, O. V. Ryabova, S. V. Nosov // Nauchnyi vestnik Voronezhskogo GASU. Stroitel'stvo i arkhitektura. — 2011. — № 3 (23). — S. 99—108.

19.Kharkhuta, N. Ya. Vybor tipa i rezhima raboty katkov pri uplotnenii asfal'tobetonnykh smesei / N. Ya. Kharkhuta, A. A. Shestopalov // Avtomobil'nye dorogi. — 1983. — № 3. — S. 24—25.

20.Shestopalov, A. A. Vliyanie parametrov katkov i temperatury na uplotnyaemost' asfal'tobetonnykh smesei ukatkoi s vakuumirovaniem / A. A. Shestopalov, S. N. Ivanchenko, S. V. Nosov // Rabochie protsessy i dinamika mashin i mekhanizmov dlya razrabotki, uplotneniya gruntov i vibratsionnogo formovaniya izdelii. — Yaroslavl': YaPI, 1986. — S. 57—61.

DETERMINATION OF RATIONAL CONTACT PRESSURE UNDER A ROLLER WHEN COMPACTING ASPHALT CONCRETE MIXES

S. V. Nosov

Lipetsk State technical University

Russia, Lipetsk, tel.: (4742)55-59-84, e-mаil: nosovsergej@mail.ru

S. V. Nosov, D. Sc. in Engineering, Prof. of the Dept. of Building Materials and Road Technologies

Statement of the problem. Determining the applicability of rollers of different weight, type and mode of operation when compacting various asphalt mixes should be carried out on the basis of the rheological approach. This allows one you to take into account the exposure time of the seal on the compacted layer of the mixture, as well as the rate of change in operating contact stress under the roller rink. It should be understood that the modulus of deformation and tensile strength of asphalt mixture layer are also a function of these factors expressed implicitly. If there is insufficient contact pressure under the roller rink, sealing effect is reduced. At excessively large contact pressures the structure is destroyed forming mixture during compacting. In this regard, there is a task to develop a method of definition of rational contact pressures under seals rollers when compacting asphalt mixes based on the development of their rheology. Results. On the basis of experimental and theoretical studies using simulation compaction of asphalt mixes process on a computer obtained regularities that determine the nature of the changes required under the existing roller contact pressure rollers. Thus in addition to the known technologies seal asphalt mixtures are the recommendations of the contact pressure to ensure a roller rink in the application of new advanced compression technology of asphalt mixes with evacuation.

Conclusions. The investigation results allow one to deduce process variables selected by rollers on the optimum operating modes to ensure maximum effect sealing asphalt-tobetonnyh mixtures and highquality asphalt.

Keywords: road rollers, contact pressures, rheological approach.

106

УДК 624.014.27 : 624.046

ТЕОРИЯ И РАСЧЕТНЫЕ СХЕМЫ ДОРОЖНЫХ ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ ИЗ ТРУБОШПУНТА

Д. М. Шапиро, А. П. Тютин, В. А. Родионов

Воронежский государственный технический университет

Россия, г. Воронеж, тел.: +7-910-344-73-34, e-mail: davshap@mail.ru

Д. М. Шапиро, д-р техн. наук, проф. кафедры строительной механики

ООО «Центр-Дорсервис»

Россия, г. Воронеж, e-mail: cds@cds.vrn.ru

А. П. Тютин, канд. техн. наук, ведущий инженер В. А. Родионов, ведущий инженер

Постановка задачи. Конструкции трубчатого сварного шпунта являются новой конкурентоспособной разновидностью подпорных стенок, применяемых в современном строительстве. Актуальна разработка метода расчета для проектирования и исследования таких систем.

Результаты. В статье приводится описание и алгоритмизация разработанного авторами инженерного метода расчета конструкций из трубошпунта в составе дорожных инженерных сооружений. Изложены теоретические основы, приводятся решения прикладных задач, описание расчетных схем, последовательность выполнения расчета методом конечных элементов, комплекс проверок по предельным состояниям. Приводится пример расчета.

Выводы. Получены решения прикладных задач и алгоритмизация расчета трубошпунтовых систем в составе дорожных инженерных сооружений. Результаты выполненного исследования пригодны для расчетов других конструкций изгибаемых подпорных стенок шпунтового типа.

Ключевые слова: шпунт трубчатый сварной, расчет, проектирование, дорожные подпорные стенки, мостовые устои.

Введение. В последние десятилетия в области строительства линейных инженерных сооружений получило развитие новое направление — возведение ограждающих систем в виде подпорных стенок из трубчатого сварного шпунта (ШТС) [1—4, 6, 9, 10, 12, 17, 20]. Конструкции ШТС состоят из стальной трубы и приваренных к ней замковых соединений (рис. 1). Внутренняя полость трубы заполняется песчано-цементной смесью (в соотношении 5:1), монолитным железобетоном или грунтовым ядром, оставляемым на части длины в пределах заделки в основание.

Достоинствами конструкций ШТС являются высокий уровень заводской готовности, прочность и простота стыковых соединений, пригодность к скоростному строительству и производству работ в стесненных и суровых климатических условиях. Эти качества придают им привлекательность для применения в строительстве объектов различных назн а- чений, в том числе объектов дорожной отрасли: устоев (крайних опор) мостовых соор у- жений, подпорных стенок земляного полотна, рамповых участков тоннелей, других видов ограждающих систем.

В нормативно-справочной и научной литературе [5, 8, 16—19] содержатся теоретические основы и общие положения расчетов подпорных стенок шпунтового типа, требующие конкретизации и дополнения для использования в проектной практике. Настоящая статья посвящена описанию решений прикладных задач и алгоритмизации разработанного авторами инженерного метода расчета для проектирования и исследований дорожных инженерных сооружений с применением ШТС.

© Шапиро Д. М., Тютин А. П., Родионов В. А., 2016

107

Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура

Рис. 1. Конструкции трубчатого сварного шпунта:

а) схема элементов ШТС; б) примеры высокоэффективных замковых соединений 1 [10]; 2 — труба

1. Теоретические основы и описание расчетных схем. Расчеты ШТС в составе до-

рожных инженерных сооружений выполняются по предельным состояниям (ПС) двух групп в соответствии с ГОСТ 27751-2014: по ПС первой группы (по прочности и несущей способности) с использованием расчетных значений нагрузок и прочностных характеристик грунтов, по ПС второй группы (по перемещениям) с нормативными значениями нагрузок и прочностных характеристик грунтов.

Расчеты выполняются в соответствии с условиями плоской задачи (плоская деформация). Расчетная область (рис. 2) представляет собой фрагмент проектируемого сооружения шириной 1 м, ограниченный боковыми вертикальными гранями. На расчетных схемах трубошпунтовые подпорные стенки 1 заменяются плоскими стержнями конечной жесткости 2 с расчетной шириной 1 м, состоящими из двух участков: надземного АВ и заглубленного в основание ВС.

Участок АВ воспринимает активное давление грунта со стороны задней грани шпунтовой подпорной стенки, нагрузки Р, Н, М, приложенные к оголовку устоя (рис. 2а), и собственный вес конструкций подпорной стенки.

Рис. 2. Расчетные схемы дорожных инженерных сооружений из ШТС: а) устоя мостового сооружения; б) дорожной подпорной стенки;

1 — устой (подпорная стенка); 2 — плоский стержень; 3 — засыпка за устоем, земляное полотно дороги; 4 — переходная плита; 5 — эпюра активного давления грунта; 6 — временная дорожная вертикальная нагрузка;

7 — распределение коэффициента постели Сz = KzО в однородном и слоистом основаниях; 8 — границы геологических слоев

108

Заглубленная нижняя часть стенки ВС является рабочим участком, взаимодействующим с основанием, передающим на него горизонтальную и моментную нагрузку. Для описания силового взаимодействия грунта и заглубленной части ШТС используется расчетная схема, сочетающая теорию метода местных упругих деформаций с треугольной формой распределения коэффициента постели и предельного напряженного состояния грунта.

Геометрические характеристики сечения: площадь А, см2/м, момент инерции I, см4/м, момент сопротивления W, см3/м, в пересчете на 1 п. м. трубошпунтовой стенки определяются в зависимости от аналогичных параметров сечений труб.

При заполнении труб песчано-цементной смесью или грунтовым ядром

где АD, ID, WD — геометрические характеристики сечений полых труб с толщиной стенок δ с учетом потерь от коррозии; D и a — размеры, мм (рис. 3а).

Рис. 3. Схемы сечений трубошпунтовых стенок:

а) конструкция ШТС с трубой, заполненной песчано-цементной смесью или грунтовым ядром; б) конструкция ШТС с трубой, заполненной железобетоном;

1 — конструкция ШТС; 2 — песчано-цементная смесь (грунтовое ядро); 3 — монолитный железобетон; 4 — арматурный каркас

При заполнении труб монолитным бетоном или железобетоном

где Аred, Ired — приведенные к стали площадь и момент инерции сечений труб, определяемые по следующим формулам:

nsb = Еs/Eb — отношение модулей упругости стали и бетона; Atot — площадь сечения рабочей арматуры железобетона заполнения; r — радиус арматурного каркаса (рис. 3б).

Расчет заглубленной части подпорной стенки основывается на следующих положениях. 1. Заглубленный стержень конечной жесткости, заменяющий на расчетной схеме подпорную стенку, разделяется на две части: верхнюю, в пределах которой контактное взаимодействие определяется предельным сопротивлением рпред основания, и нижнюю — защемленную, изгибаемую в соответствии с решением контактной задачи по методу местных уп-

ругих деформаций.

109

Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура

Расчет выполняется методом последовательных приближений с пошаговым смещением границы между указанными выше частями шпунтовой подпорной стенки. Устанавливается требование о том, чтобы в конце расчета по прочности (ПС первой группы) высота защемленной части была не менее ⅓ общей высоты заглубленной части шпунтовой сваи и не менее 5 м, а в конце расчета по перемещениям (ПС второй группы) не менее ½ общей высоты заглубленной части шпунтовой сваи.

2. Предполагается, что силовое взаимодействие защемленной части стержня с грунтовой средой описывается функцией коэффициента постели Cz в соответствии с уравнением

где K — коэффициент пропорциональности с размерностью кН/м4, принимаемый в зависимости от вида грунта в соответствии с указаниями приложения В СП 24.13330.2011 в размере 1/3 значений табл. В.1; zО — координата длины стенки, отсчитываемая от поверхности основания.

Коэффициент постели выражает отношение контактных давлений рz и совместных горизонтальных перемещений уz сваи и грунтового основания:

Коэффициент пропорциональности может менять свои значения на границах геологических слоев в основании (рис. 2). При расстоянии в свету между трубами а > 1,0 м коэффициент K умножается на коэффициент условий работы:

где D и а сохраняют свои прежние значения, но выражаются в метрах.

Горизонтальная нагрузка Рz на 1 пог. м ширины подпорной стенки определяется по соотношению

3. Контактные давления pz и погонная нагрузка Рz ограничиваются соответствующими предельными значениями рпред, Рпред, которые способно воспринять основание:

Предельное сопротивление грунта в основании со стороны передней грани шпунтовой подпорной стенки определяется как разность пассивного давления рп со стороны передней грани и активного давления ра со стороны задней грани подпорной стенки:

Предельная погонная горизонтальная нагрузка на основание:

4. Давления рп и ра определяются на основании условия прочности грунта в соответствии с уравнением Мора-Кулона:

12 1 – 2 – 12 1 2 sin – c cos 0,

где ζ1,2 — главные напряжения в точках (элементарных объемах) грунта на контактных (вертикальных) гранях трубошпунтовой подпорной стенки.

Трение на контактных гранях не учитывается. Напряжения, действующие на этих гранях, являются главными.

110