Гибкие крепления откосов земляных плотин гидротехнических сооружений с использованием геотекстиля

Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований гибких креплений откосов земляных гидротехнических сооружений с использованием геотекстиля. Рассматриваются расчетные схемы устойчивости гибких креплений из каменной наброски и бетонных блоков, скрепленных гибкими связями, при возде...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2006
Hauptverfasser: Бугай, Н.Г., Кривоног, А.И., Кривоног, В.В., Фридрихсон, В.Л.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Інститут гідромеханіки НАН України 2006
Online Zugang:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/4744
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Гибкие крепления откосов земляных плотин гидротехнических сооружений с использованием геотекстиля / Н.Г. Бугай, А.И. Кривоног, В.В. Кривоног, В.Л. Фридрихсон // Прикладна гідромеханіка. — 2006. — Т. 8, № 1. — С. 3-21. — Бібліогр.: 17 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-4744
record_format dspace
spelling irk-123456789-47442009-12-23T12:00:43Z Гибкие крепления откосов земляных плотин гидротехнических сооружений с использованием геотекстиля Бугай, Н.Г. Кривоног, А.И. Кривоног, В.В. Фридрихсон, В.Л. Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований гибких креплений откосов земляных гидротехнических сооружений с использованием геотекстиля. Рассматриваются расчетные схемы устойчивости гибких креплений из каменной наброски и бетонных блоков, скрепленных гибкими связями, при воздействии ветровых и судовых волн, быстром снижении уровня перед откосом и при воздействии льда. Предложена методика учета сил сцепления при расчете крепления откоса, сложенного малосвязными грунтами. Разработаны временные рекомендации по проектированию и строительству гибкого крепления с использованием геотекстиля. Наведено результати теоретичних та експериментальних дослiджень гнучких крiплень укосiв земляних гiдротехнiчних споруд з використанням геотекстилю. Розглянуто розрахунковi схеми стiйкостi гнучких крiплень з кам'яної накидi та бетонних блокiв, якi скрiпленi гнучкими зв'язками, пiд дiєю вiтрових та судових хвиль, швидким зниженням рiвня перед укосом i пiд дiєю льоду. Запропоновано методику облiку сил зчеплення в розрахунках крiплення укосу, який складено малозв'язними грунтами. Розробленi тимчасовi рекомендацiї на проектування та будiвництво гнучкого крiплення з використанням геотекстилю. The outcomes of theoretical and experimental researches of flexible strengthening of slopes of earthen hydraulic engineering buildings with usage of geotextiles are reduced. The calculated schemas of a stability of flexible strengthening from rock fill and concrete blocks fastened by flexible links are considered at effect of wind and ship waves, fast lowering of a level before a slope and at effect of ice. The method of application of the registration of binding forces is proposed at calculation of strengthening of a slope folded small-connected by grounds. The temporal recommendation on projection and building of flexible strengthening with usage of geotextiles are designed. 2006 Article Гибкие крепления откосов земляных плотин гидротехнических сооружений с использованием геотекстиля / Н.Г. Бугай, А.И. Кривоног, В.В. Кривоног, В.Л. Фридрихсон // Прикладна гідромеханіка. — 2006. — Т. 8, № 1. — С. 3-21. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. 1561-9087 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/4744 624.138.9 ru Інститут гідромеханіки НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
description Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований гибких креплений откосов земляных гидротехнических сооружений с использованием геотекстиля. Рассматриваются расчетные схемы устойчивости гибких креплений из каменной наброски и бетонных блоков, скрепленных гибкими связями, при воздействии ветровых и судовых волн, быстром снижении уровня перед откосом и при воздействии льда. Предложена методика учета сил сцепления при расчете крепления откоса, сложенного малосвязными грунтами. Разработаны временные рекомендации по проектированию и строительству гибкого крепления с использованием геотекстиля.
format Article
author Бугай, Н.Г.
Кривоног, А.И.
Кривоног, В.В.
Фридрихсон, В.Л.
spellingShingle Бугай, Н.Г.
Кривоног, А.И.
Кривоног, В.В.
Фридрихсон, В.Л.
Гибкие крепления откосов земляных плотин гидротехнических сооружений с использованием геотекстиля
author_facet Бугай, Н.Г.
Кривоног, А.И.
Кривоног, В.В.
Фридрихсон, В.Л.
author_sort Бугай, Н.Г.
title Гибкие крепления откосов земляных плотин гидротехнических сооружений с использованием геотекстиля
title_short Гибкие крепления откосов земляных плотин гидротехнических сооружений с использованием геотекстиля
title_full Гибкие крепления откосов земляных плотин гидротехнических сооружений с использованием геотекстиля
title_fullStr Гибкие крепления откосов земляных плотин гидротехнических сооружений с использованием геотекстиля
title_full_unstemmed Гибкие крепления откосов земляных плотин гидротехнических сооружений с использованием геотекстиля
title_sort гибкие крепления откосов земляных плотин гидротехнических сооружений с использованием геотекстиля
publisher Інститут гідромеханіки НАН України
publishDate 2006
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/4744
citation_txt Гибкие крепления откосов земляных плотин гидротехнических сооружений с использованием геотекстиля / Н.Г. Бугай, А.И. Кривоног, В.В. Кривоног, В.Л. Фридрихсон // Прикладна гідромеханіка. — 2006. — Т. 8, № 1. — С. 3-21. — Бібліогр.: 17 назв. — рос.
work_keys_str_mv AT bugajng gibkiekrepleniâotkosovzemlânyhplotingidrotehničeskihsooruženijsispolʹzovaniemgeotekstilâ
AT krivonogai gibkiekrepleniâotkosovzemlânyhplotingidrotehničeskihsooruženijsispolʹzovaniemgeotekstilâ
AT krivonogvv gibkiekrepleniâotkosovzemlânyhplotingidrotehničeskihsooruženijsispolʹzovaniemgeotekstilâ
AT fridrihsonvl gibkiekrepleniâotkosovzemlânyhplotingidrotehničeskihsooruženijsispolʹzovaniemgeotekstilâ
first_indexed 2025-07-02T07:57:33Z
last_indexed 2025-07-02T07:57:33Z
_version_ 1836521151681003520
fulltext НАУКОВI СТАТТI ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2006. Том 8, N 1. С. 3 – 21 УДК 624.138.9 ГИБКИЕ КРЕПЛЕНИЯ ОТКОСОВ ЗЕМЛЯНЫХ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГЕОТЕКСТИЛЯ Н. Г. БУ Г А Й, А. И. К Р И В ОН О Г, В. В. К Р И В ОН О Г, В. Л. ФРИ Д Р И Х СОН Институт гидромеханики НАН Украины, Киев Получено 20.03.2005 Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований гибких креплений откосов земляных ги- дротехнических сооружений с использованием геотекстиля. Рассматриваютсярасчетные схемы устойчивости гибких креплений из каменной наброски и бетонных блоков, скрепленных гибкими связями, при воздействии ветровых и судовых волн, быстром снижении уровня перед откосом и при воздействии льда. Предложена методика учета сил сцепления при расчете крепления откоса, сложенного малосвязными грунтами. Разработаны временные рекомен- дации по проектированию и строительству гибкого крепления с использованием геотекстиля. Наведено результати теоретичних та експериментальних дослiджень гнучких крiплень укосiв земляних гiдротехнi- чних споруд з використанням геотекстилю. Розглянуто розрахунковi схеми стiйкостi гнучких крiплень з кам’яної накидi та бетонних блокiв, якi скрiпленi гнучкими зв’язками, пiд дiєю вiтрових та судових хвиль, швидким зниже- нням рiвня перед укосом i пiд дiєю льоду. Запропоновано методику облiку сил зчеплення в розрахунках крiплення укосу, який складено малозв’язними грунтами. Розробленi тимчасовi рекомендацiї на проектування та будiвництво гнучкого крiплення з використанням геотекстилю. The outcomes of theoretical and experimental researches of flexible strengthening of slopes of earthen hydraulic engineering buildings with usage of geotextiles are reduced. The calculated schemas of a stability of flexible strengthening from rock fill and concrete blocks fastened by flexible links are considered at effect of wind and ship waves, fast lowering of a level before a slope and at effect of ice. The method of application of the registration of binding forces is proposed at calculation of strengthening of a slope folded small-connected by grounds. The temporal recommendation on projection and building of flexible strengthening with usage of geotextiles are designed. ВВЕДЕНИЕ Рассмотрим два типа крепления откосов: кре- пление из каменной наброски и из бетонных бло- ков, скрепленных гибкими связями, по слою гео- текстиля на однородном основании. Геотекстиль – это нетканый или тканый плоский материал из полимерных волокон, укладываемый по контакту крепления и грунта откоса, выполня- ет роль обратного фильтра. Он должен обеспечи- вать контактную устойчивость и отвод воды из во- донасыщенного откоса при незначительных филь- трационных сопротивлениях. Кроме того, геотекс- тиль должен быть прочным и долговечным в лю- бых условиях при эксплуатации гидротехнических сооружений. Под прочностью геотекстиля пони- мается прочность на разрыв и на продавливание частицами защитного слоя из щебня. Современ- ный геотекстиль обладает значительной прочно- стью на разрыв и может повысить местную устой- чивость закрепленного откоса. Гибкое крепление откосов характеризуется по- верхностной плотностью δкр γкр, где δкр – толщи- на крепления; γкр – объемная массовая плотность крепления. Для крепления из каменной наброски γкр = γo(1 − n), (1) где γo – массовая плотность камня; n – пористость каменной наброски. Для гибкого крепления из бетонных блоков с за- полнением пустот щебнем γкр = γо.б.(1 − n1) + γо.щ.n1(1 − n2), (2) где γо.б. – массовая плотность бетона; γо.щ. – массо- вая плотность щебня; n1 – пористость собственно бетонного крепления; n2 – пористость заполнения из щебня. Если крепление заполнено водой, то с учетом взвешивания элементов крепления в воде γкр.взв. будет: – для крепления из каменной наброски γкр.взв. = (γo − γв)(1 − n), (3) где γв – массовая плотность воды; – для гибкого крепления из бетонных блоков с заполнением пустот щебнем γкр.взв = {[γо.б.(1 − n1)+ +γо.щ.n1(1 − n2)] − γв}(1 − n1n2). (4) c© Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног, В. Л. Фридрихсон, 2006 3 ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2006. Том 8, N 1. С. 3 – 21 1. РАСЧЕТ МЕСТНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ОТКОСА Вопрос о местной устойчивости откоса земля- ных сооружений возникает тогда, когда общая устойчивость откоса обеспечена, но при высачива- нии фильтрационного потока на откос возможно оплывание, при волновом воздействии – размыв откоса, а при воздействии льда во время ледохо- да – разрушение откоса. В этих случаях необходи- мо защищать откос креплением. Рассмотрим следующие расчетные схемы закре- пленного откоса. – Расчетная схема 1. Фильтрация внутрь отко- са и из откоса (высота высачивания – hвыс < 0.3 м; высота волн hв < 0.3 м; движение льда отсутству- ет). – Расчетная схема 2. Быстрое понижение уров- ня воды перед откосом (мгновенный сброс), hвыс > 0.3 м. – Расчетная схема 3. Воздействие ветровых и судовых волн (высота волны hв ≤ 1 м). – Расчетная схема 4. Воздействие льда. 1.1. Расчетная схема 1. Фильтрация внутрь откоса и из откоса, рис. 1 Для надводного откоса длиной l1, шириной 1 м можно записать следующие зависимости (при γкр , кгс/м3): сдвигающая сила T = G sin α = l1 1 δкрγкрg sin α; (5) удерживающая сила fP = fG cos α = fl1 1 δкрγкрg cos α, (6) где f – коэффициент трения при сдвиге по конта- кту геотекстиля и грунта. Известно [1, 2], что при нагрузках до 100 кПа значение f несколько больше tg ϕ. Это означает, что при нарушении местной устойчивости крепле- ния сдвиг будет происходить по грунту откоса в непосредственной близости от контакта геотексти- ля с грунтом откоса. Поэтому считаем, что в за- висимости (6) f = tgϕ и коэффициент местной устойчивости крепления для надводного и подво- дного откоса k будет: k = P tg ϕ T = m tg ϕ. (7) Принимая k = 1.2, получаем предельное значе- ние m = 1.2/tgϕ. При k ≥ 1 геотекстиль, как и все крепление, не работает на растяжение. Однако в практике эксплуатации отмечены случаи [3], когда при ве- сеннем оттаивании откосов, сложенных связными грунтами, сползало все крепление верхового отко- са. Устойчивость крепления с геотекстилем в этом случае может быть оценена следующим образом. Принимая tg ϕ ≈ 0, определяем растягивающее усилие в геотекстиле Tр.г. : Tр.г. = T = l1 1 δкрγкр g sin α. (8) Учитывая, что l1 = h1/ sinα, получаем Tр.г. = h1 1 δкрγкр g. (9) В табл. 1 помещены значения Tр.г. для двух ти- пов крепления откосов с геотекстилем, которые нашли практическое применение. Иногда для увеличения устойчивости крепления на связных грунтах в период весеннего оттаива- ния грунта откоса крепление укладывают на за- щитный слой из песка [10]. Как видно из табл.1, растягивающие усилия в геотекстиле могут иметь значительную величину и должны учитываться при выборе геотекстиля. Для бетонно-блочного крепления с гибкими свя- зями растягивающие усилия будут воспринима- ться самим креплением. При этом усилие на раз- рыв будут испытывать гибкие связи, которые дол- жны выдерживать нагрузки при монтаже крепле- ния в виде отдельных полотнищ. Но и для такой конструкции крепления геотекстиль должен по- дбираться из условия tg ϕ ≈ 0, так как в практи- ке строительства отмечены случаи [4], когда гиб- кие связи разрушались после укладки крепления. Кроме того, срок службы гибких связей из метал- ла не превышает 10 ÷ 12 лет. 1.2. Расчетная схема 2. Быстрое пониже- ние уровня воды перед откосом (мгновен- ный сброс), рис. 2 Уровень воды перед откосом мгновенно снижа- ется на величину zсн. Сброс можно считать мгно- венным [5], если скорость снижения уровня Vсн ≥ 10 Kгр, где Kгр – коэффициент фильтрации грунта откоса. Это может быть при быстром (аварийном или неконтролируемом) опорожнении канала или водоема, при быстром подъеме и спаде уровня в нижнем бьефе ГЭС. В рассматриваемом случае крепление не за- топлено водой. Сдвиг происходит по плоскости, параллельной поверхности откоса на глубине δo. Грунт откоса насыщен водой. Фильтрационный поток силой F на участке длиной 2/3 l выходит на поверхность откоса под углом βср. 4 Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног, В. Л. Фридрихсон ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2006. Том 8, N 1. С. 3 – 21 Рис. 1. Расчетная схема 1 Табл 1. Растягивающее усилие в геотекстиле при tg ϕ = 0 Характеристика крепления Tр.г. , H h1 = 1 м h1 = 2 м Гибкое крепление из каменной наброски δкр = 0.4 м, γкр = 1600 кгс/м3, δкр γкр = 640 кгс/м2 6200 12800 Гибкое крепление из бетонных блоков конструкции “Укроргводстроя” δкр = 0.12 м, γкр = 2115 кгс/м3, δкр γкр = 254 кгс/м2 2500 5000 Рис. 2. Расчетная схема крепления при мгновенном понижении уровня воды перед откосом В этом случае G = l 1 δкрγкр g + l 1 δo γгр.взв g, (10) F = 2 3 l 1 δo γв g iср, (11) где средний градиент фильтрационного потока Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног, В. Л. Фридрихсон 5 ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2006. Том 8, N 1. С. 3 – 21 iср = sin α/ sinβср. Сдвигающая сила T = G sin α + F sin βср, (12) удерживающая сила tg ϕP = tgϕ(G cos α − F cos βср) + l 1 g Cр, (13) где Cр – расчетный коэффициент сцепления грун- та откоса. Тогда коэффициент устойчивости крепления k будет: k = tg ϕP T = tg ϕ(G cos α − F cosβcр) G sin α + F sin βcр + + l 1 g Cp G sin α + F sin βcр . (14) При k ≥ 1 геотекстиль, как и все крепление, не работает на растяжение. При k < 1 усилие на разрыв в геотекстиле Tр.г. будет Tр.г. = (1 − k)(G sinα + F sin βср). (15) При практических расчетах значение βср опре- деляем, используя экспериментальные зависимо- сти βср = f (m), рис. 3. Эти зависимости были по- лучены нами [6] в результате анализа гидродина- мических сеток притока к откосу, построенных с использованием метода ЭГДА для плоских моде- лей. Значение δo определялось нами на грунтовых моделях из лессовидной супеси, tg ϕ ≈ 0.46. При мгновенном сбросе δo = (0.07 ÷ 0.115) zсн/ sin α, при установившейся фильтрации δo = (0.07 ÷ 0.1)hвыс/ sinα. При расчетах принимаем δo = 0.1zсн/ sin α или δo = 0.1hвыс/ sin α. Значение Cр определяем по экспериментальной зависимости C/Cр = f (G∗), рис. 4, где C – коэф- фициент сцепления грунта откоса; G∗ – давление на поверхность сдвига призмы обрушения, G∗ = (δкр γкр + δo γгр.взв) cos α. (16) Зависимость (рис. 4) была получена в результа- те анализа опытов на грунтовых моделях, прове- денных нами ранее при исследовании устойчиво- сти крепления откосов Рогачекского магистраль- ного канала [6]. Детальное обоснование этой зави- симости приведено ниже. 1.3. Расчетная схема 3. Воздействие ветро- вых (рис. 5) и судовых (рис. 6) волн. Рис. 3. Экспериментальные зависимости βср = f(m): 1 – при мгновенном снижении уровня, 2 – при hвыс Рис. 4. Экспериментальные зависимости C/Cр = f (G∗) Как известно [7], при обрушении волны на кре- пление откоса можно выделить три фазы: удар, накат и скат волны. Удар действует очень ко- роткое время и вызывает вынужденные колеба- ния системы крепление – грунт откоса. Часто- та собственных колебаний такой системы может составлять 10 ÷ 100 Гц с амплитудой колебания меньше 1 мм [7]. Собственные колебания затуха- ют очень быстро, но, тем не менее, можно предпо- ложить, что в поверхностном слое грунта откоса возможно снижение tg ϕ до 0. При накате волны на откос гидростатическое давление в зоне нака- та повышается, а при скате – понижается. Кроме того, при скате волны в зоне активного действия удара волны возникает волновое противодавление. При этом крепление в этой зоне затоплено водой. 1.3.1. Расчетная схема 3. Воздействие ве- тровых волн, рис. 5 [7]. В этом случае 6 Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног, В. Л. Фридрихсон ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2006. Том 8, N 1. С. 3 – 21 Рис. 5. Расчетная схема крепления при воздействии ветровых волн Hкр = hв ( 0.47 + 0.023 λ hв ) 1 + m2 m2 , (17) где hв – высота волны; λ – длина волны. Для ве- тровых волн λ/hв = 7 ÷ 30, для судовых волн λ/hв ≥ 5, кроме того lп.макс. = Kl hв. (18) Pп.макс. = Kп.макс. hв γв. (19) Для сооружений III - IV класса капитальности [7] значение коэффициентов Kl и Kп.макс. опреде- ляем по табл. 2. Табл 2. m Kl Kп.макс. 1 1.5 0.380 1.5 1.75 0.355 2 2 0.330 2.5 2.25 0.305 3 2.5 0.280 4 3 0.255 Для элемента крепления шириной 1 м, подвер- женного воздействию волны, можно записать сле- дующие зависимости: Pп = lп.макс. Pп.макс. 1 g 2 , (20) сдвигающая сила T = lп.макс. δкр γкр.взв. 1 g sin α, (21) удерживающая сила tg ϕ(P − Pп) = tg ϕ (lп.макс. 1 δкр× ×γкр.взв. g cosα − lп.макс.Pп.макс. 1 g 2 ) . (22) Тогда коэффициент устойчивости крепления k будет k = tg ϕ (P − Pп) T = m tg ϕ− −tg ϕPп.макс. √ 1 + m2 2δкр γкр.взв. . (23) При k ≥ 1 геотекстиль, как и все крепления, не работает на растяжение. При k < 1 растягивающее усилие в геотекстиле Tр.г. будет Tр.г. = (1 − k)T = = (1 − k) lп.макс. 1 δкр γкр.взв.g√ 1 + m2 . (24) При условии P = Pп можно определить допу- стимую минимальную толщину крепления [δкр] с учетом коэффициента запаса kз: [δкр] = kз Kп.макс. hв γв √ 1 + m2 2γкр.взв m . (25) Например, для крепления из каменной набро- ски γкр = 1600 кгс/м3, γкр.взв = 990 кгс/м3 и для бетонно-блочного крепления конструкции Укрор- гводстроя γкр = 2150 кгс/м3, γкр.взв = 990 кгс/м3 при kз = 1.2 получаем данные, приведенные в табл. 3. 1.3.2. Воздействие судовых волн, рис. 6 [12] Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног, В. Л. Фридрихсон 7 ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2006. Том 8, N 1. С. 3 – 21 Табл 3. m hв, м [δкр], м 2 0.5 0.11 2 1.0 0.22 2 1.5 0.33 2.5 0.5 0.10 2.5 1.0 0.20 2.5 1.5 0.30 3 0.5 0.09 3 1.0 0.18 3 1.5 0.27 4 0.5 0.08 4 1.0 0.16 4 1.5 0.24 На рис. 6 z1 = 0.2hс, z2 = 0.5hс, z3 = Hкр, P1 = = 0, P2 = P3 = 0.5γв g hс, где hс – высота судовой волны; γв – плотность воды; Hкр = hс × ( 0.47 + 0.023 λ hс ) 1 + m2 m2 , λ – длина волны. Сдвигающая сила T = G sin α = (z3 − z1) 1 δкр γкр.взв g, (26) удерживающая сила (P − Pпр) tg ϕ, (27) где P = G cos α = z3 − z1 sin α 1 δкр γкр.взв g × × cos α = (z3 − z1)m 1 δкр γкр.взв g, (28) Pпр = 1 1 2 γв g hс(Hкр − 0.35hс), (29) k = (P − Pпр) tg ϕ T , (30) Tр.г. = (1 − k)T. (31) При P = Pпр крепление находится в равно- весии. Принимая коэффициент запаса 1.2 и учи- тывая значение P и Pпр, получим зависимость для определения допустимого значения [δкр]: [δкр] ≥ γв hс(Hкр − 0.35hс) 2m γкр.взв(Hкр − 0.2hс) . (32) Табл 4. m hс, м Hкр, м [δкр], м 2 0.3 0.22 0.05 2 0.5 0.36 0.09 2 1.0 0.73 0.18 2.5 0.3 0.20 0.04 2.5 0.5 0.34 0.07 2.5 1.0 0.68 0.14 3 0.3 0.19 0.02 3 0.5 0.33 0.06 3 1.0 0.65 0.13 4 0.3 0.19 0.02 4 0.5 0.31 0.04 4 1.0 0.62 0.08 В табл. 4 приведены результаты опре- деления [δкр] для крепления из каменной наброски ( δкр γкр = 640 кгс/м 2 ) и бетонно- блочного крепления конструкции Укроргвод- строя ( δкр γкр = 254 кгс/м 2 ) , для которых γкр.взв = 900 кгс/м 3 . Методика расчета, изложенная выше, была про- верена на примерах работы креплений откосов с использованием геотекстиля Среднегерманского судоходного канала [8]. Результаты приведены ни- же. 1.4. Расчетная схема 4. Воздействие льда, рис. 7 При расчете динамического воздействия льда на крепление следует иметь в виду следующее [9]. Для каскада водохранилищ на р. Днепр и ее притоков ледостав составляет 100 ÷ 110 дней для Киевского и 60 ÷ 70 дней для Днепровского водо- хранилищ. Максимальная толщина льда составля- ет соответственно 40 см и 25÷30 см. Вскрытие рек происходит в конце марта при уровнях, близких к меженным, максимум паводка – в конце апре- ля, начале мая. Зимы на Украине мягкие, с ча- стыми оттепелями, что приводит к снижению про- чностных свойств льда, колебаниям уровней в ре- ках и водоемах, образованию трещин на ледовом поле вдоль берега. Учитывая это, из всех изве- стных видов воздействия льда на крепление наи- более опасным является удар отдельных льдин по креплению в период ледохода. Динамическое воздействие льда на крепление (рис. 7) при ледоходе, когда лед движется отдель- ными льдинами, можно определить по следующим зависимостям [10]: 8 Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног, В. Л. Фридрихсон ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2006. Том 8, N 1. С. 3 – 21 Рис. 6. Расчетная схема крепления при воздействии судовых волн Рис. 7. Расчетная схема крепления при воздействии льда на вертикальную стенку при направлении дви- жения льда под углом β = 80◦ ÷ 90◦ к фронту сооружения Pл.д. = k1 V hл √ ω, (33) на откосное крепление при β = 80◦ ÷ 90◦ Pв = k1 V hл √ ω sin α, (34) Pг = k1 V hл √ ω cos α, (35) где k1 – коэффициент, зависящий от предела про- чности льда при раздроблении Rp (при Rp = = 1 МПа, k1 = 4.3 · 104 H·c/м3 – начало павод- ка, при Rp = 0.5 МПа, k1 = 3 · 104 H·c/м3, при Rp = 0.3 МПа, k1 = 2.3 · 10 H·c/м3 – конец па- водка). Величина Pл.д не может быть больше, чем сила при разрушении льда Pл.д. ≤ 0.5Rp l hл; V – скорость движения льда в м/с, принимется по на- турным наблюдениям. При отсутствии таких дан- ных, принимается равной средней скорости тече- ния реки, а на водохранилищах – скорости ветро- вого нагона, но не более 0.6 м/с. Для равнинных рек Украины V = 0.5 ÷ 1.5 м/с [9]; hл – толщина льда, принимается 0.8 от наибольшей за зимний период; ω = l b (здесь l – длина льдин по направ- лению потока, b – ширина льдины). Длина l при- нимается не более трехкратной ширины льдины. Учитывая значения ω и sinα = 1/ √ 1 + m2, cos α = m/ √ 1 + m2 , для полосы крепления шири- ной 1 м можно записать: P ′ в = Pв l = k1 V hл √ b l 1√ 1 + m2 , (36) P ′ г = Pг l = k1 V hл √ b l m√ 1 + m2 . (37) Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног, В. Л. Фридрихсон 9 ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2006. Том 8, N 1. С. 3 – 21 Для рассматриваемой схемы расчета (рис. 7): сдвигающая сила T = P ′ г − Tкр = k1 V hл √ b l m√ 1 + m2 − −h1 δкр γкр 1 g, (38) удерживающая сила tg ϕPкр = tg ϕGкр cos α = = m tg ϕh1 δкр γкр 1 g, (39) где γкр в кгс/м3. Коэффициент устойчивости крепления k = tg ϕPкр T . (40) 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОПУСТИМОГО УСИ- ЛИЯ НА РАЗРЫВ ГЕОТЕКСТИЛЯ Приведенные выше решения позволяют опреде- лить допустимое усилие на разрыв геотекстиля [T ] следующим образом. 2.1. Расчетная схема 1. Фильтрация внутрь откоса и из откоса, рис. 1 Коэффициент местной устойчивости крепления шириной 1 м с учетом работы геотекстиля на ра- стяжение будет k = tg ϕP + [T ] 1 T . Принимая коэффициент запаса kз = 1.2, полу- чим: для надводного откоса [T ] = h1 δкр γкр 1 g (1.2− m tg ϕ), (41) для подводного откоса [T ] = h2 δкр γкр.взв. 1 g (1.2 − m tg ϕ), (42) где γкр и γкр.взв. в кгс/м3. 2.2. Расчетная схема 2. Быстрое пониже- ние уровня воды перед откосом (мгновен- ный сброс), рис. 2 С учетом работы геотекстиля на растяжение k = tg ϕ (G cosα − F cosβcр) G sin α + F sin βcр + + l 1 g Cp G sin α + F sin βcр + + [T ] 1 G sinα + F sin βcр . (43) При kз = 1.2 получим [T ] = 1.2(G sin α + F sin βcр)− −tg ϕ (G sin α − F cos βcр)− −l 1 g Cp, (44) где G по (10), F по (11), Cр в кгс/м2. 2.3. Расчетная схема 3. Воздействие ветро- вых волн, рис. 5 С учетом работы геотекстиля на растяжение k = tg ϕ (P − Pп) + [T ] 1 T , (45) где tg ϕ (P −Pп) определяется по выражению (22), T – по (21), Pп – по (20). При kз = 1.2 получим [T ] = 1.2 T − tg ϕ (P − Pп). (46) 2.4. Расчетная схема 4. Воздействие льда, рис. 7 С учетом работы геотекстиля на растяжение k = tg ϕPкр + [T ] T . (47) При kз = 1.2 получим [T ] = 1.2 T − tgϕPкр, (48) где T находим по выражению (38), tg ϕPкр – по (39). Определив [T ], выбираем геотекстиль. При этом, усилие на разрыв геотестиля должно быть в четыре раза больше, чем [T ], при длительном приложении нагрузки [11] и в два раза – при кра- тковременном приложении нагрузки. Анализ результатов расчетов [T ] для гибких креплений из каменной наброски и бетонных бло- ков показал следующее. Для крепления из каменной наброски при δкр γкр = 640 кгс/м 2 и m = 3 ÷ 4 наибольшие зна- чения [T ] будут при мгновенном снижении уров- ня воды перед откосом и при волновом воздей- ствии и могут составить 1140 Н/м при zсн = 2 м 10 Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног, В. Л. Фридрихсон ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2006. Том 8, N 1. С. 3 – 21 и 1050 Н/м при высоте волны 1 м при tg ϕ = 0.46. При tg ϕ = 0.7 геотекстиль практически не рабо- тает. Принимая, что мгновенный сброс уровня, во- здействие судовых волн и удар льдин можно рас- сматривать как кратковременное приложение на- грузки, а ветровое волнение (на водохранилищах и больших водоемах) – как длительное приложение нагрузки, получим, что геотекстиль должен иметь усилие на разрыв 1040 × 4 = 4160 Н/м. Для крепления из бетонных блоков конструкции Укроргводстроя толщиной δкр = 0.12 м, δкр γкр = 254 кгс/м 2 при m = 3 и tg ϕ = 0.46 максималь- ные значения [T ] будут: при ледовом воздействии – 7000 Н/м, при zсн = 2 м – 4200 Н/м, при hв = 1 м – 1900 Н/м. Тогда максимальное усилие на разрыв геотекстиля составит соответственно 14000 Н/м, 8400 Н/м, 3800 Н/м и 7600 Н/м (при ветровом волнении). Следует также отметить следующее. Бетонно–блочное крепление при δкр = 0.12 м и hв = 1 м может отрываться от основания, так как δкр < [δкр] = 0.18 м. Ячейки между блока- ми заполнены щебнем 20 ÷ 40 мм, который мо- жет быть вымыт при ударе волны. Считаем, что такое крепление может работать нормально при hв ≤ 0.5 м и при отсутствии движения льда на водоеме при весеннем снеготаянии. Окончатель- ные выводы о воздействии льда можно будет сде- лать после проведения натурных исследований на опытных участках крепления. Для бетонного крепления из бетонных блоков толщиной δкр = 0.2 м, δкр γкр = 423 кгс/м 2 макси- мальное значение [T ] при m = 3 и hв = 1 м со- ставляет при tg ϕ = 0.46 – 4400 Н/м и при tg ϕ = = 0.7 – 3400 Н/м. Тогда усилие на разрыв для гео- текстиля должно быть соответственно 8800 Н/м и 6800 Н/м. Считаем, что конструкцию крепле- ния следует изменить следующим образом: про- светность собственно бетонного крепления умень- шить до 0.17÷0.2; блокам придать наклон так, что- бы большая вертикальная грань 50 × 20 см блока составляла угол с горизонтом ∼ 70o. Зарубежный опыт показывает, что такое мероприятие суще- ственно увеличивает устойчивость щебня в ячей- ках между блоками при волновом воздействии. Та- кую конструкцию крепления следует проверить на опытном участке. 3. ВЛИЯНИЕ СИЛ СЦЕПЛЕНИЯ СВЯЗНЫХ ГРУНТОВ НА УСТОЙЧИВОСТЬ КРЕПЛЕ- НИЯ ПРИ МГНОВЕННОМ ПОНИЖЕНИИ УРОВНЯ ВОДЫ ПЕРЕД ОТКОСОМ Исследования, проведенные нами ранее [5] для лессовидной супеси, показали, что влияние сил сцепления на коэффициент запаса устойчивости крепления при мгновенном сбросе значительное и зависит от плотности скелета грунта γск, tgϕ и C грунта, а также от поверхностной плотности кре- пления γкр δкр . Исследования проведены на грунтовых моделях пригруженных откосов в фильтрационном лотке, рис. 8. В качестве пригрузки использовался ще- бень по слою крупнозернистого песка (d = 0.5 ÷ 2 мм) или слою из стекломатов толщиной ∼ 1 см. Методика исследований. В фильтрационном лотке шириной 60 см, высотой 110 см и длиной 6 м устраивалась грунтовая модель откоса. Грунт укладывался слоями толщиной 5 ÷ 10 см, кото- рые равномерно уплотнялись. В процессе уклад- ки грунта в модель отбирались пробы для опреде- ления плотности, tg ϕ и коэффициент сцепления C. Вдоль вертикальной торцевой стенки торцевой модели укладывался щебень d = 1÷ 15 мм, в слое щебня поддерживался постоянный горизонт воды в течение всего опыта. После замачивания моде- ли и наполнения канала водой максимальный го- ризонт 70 см выдерживался 1 ÷ 2 суток и затем проводился практически мгновенный сброс (в те- чение 3 минут). После сброса воды из канала по- следний выдерживался сутки опорожненным и за- тем цикл наполнения и сброса воды повторялся не- сколько раз. После сброса фиксировалась дефор- мация откоса по подвижкам контрольных марок на поверхности крепления и сигнальных столби- ков из цветного грунта, заложенных у прозрачной стенки лотка. По смещению марок строились эпю- ры деформации откоса, по смещению сигнальных столбиков – кривые скольжения. Данные о фильтрационном потоке в откосе были получены на основе моделирования на ЭГДА для случая мгновенной сработки уровня воды в канале [6]. Гидродинамические сетки были обработаны, в результате чего получены средние значения угла βср для каждого опыта. При проведении опытов было отмечено, что де- формации откосов происходят в три стадии. Первая стадия – откос не деформируется, ко- эффициент запаса местной устойчивости откоса kз.оп > 1. Вторая стадия – откос деформируется незначи- тельно, деформации затухающие kз.оп ≈ 1. Третья стадия – деформации откоса прогресси- рующие, через некоторое время откос оплывает, kз.оп < 1. Из результатов опытов, приведенных в табл. 5, видно, что δo/l мало изменяется и может Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног, В. Л. Фридрихсон 11 ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2006. Том 8, N 1. С. 3 – 21 Рис. 8. Схема разрушения модели при мгновенной сработке горизонта воды в канале. быть принято 0.115. Тогда, учитывая, что l = zcн/ sin α = zсн √ 1 + m2, получим δo = 0.115 zсн× × √ 1 + m2, где δo – толщина призмы сдвига. Коэффициент запаса местной устойчивости откоса без учета сил сцепления будет kз = P tgϕ T , (49) с учетом сил сцепления kз.с kз.с = P tg ϕ T + l 1 g Cр T . (50) Из выражения (50) видно, что учет сил сцепле- ния приводит к увеличению коэффициента запаса на ∆kз.с: ∆kз.с = l 1 g Cр T , (51) ∆kз.с = Cр A , (52) где A = δкр γкр√ 1 + m2 + 0.115 zсн γгр.взв√ 1 + m2 + 0.115 zсн γв sin βср . В табл. 5 приведены значения коэффициента a = kз.оп/kз, который во всех опытах больше 1, что говорит о значительном влиянии сил сцепле- ния на устойчивость откоса. Значение ∆kз.с по результатам опытов опреде- лялось по зависимости ∆kз.с = kз(a − 1). (53) Зависимость (52) при известных значениях ∆kз.с позволяет найти действительное значение коэффициента сцепления, который имел место в опыте. В табл. 5 этот коэффициент сцепления обо- значен Cр и является расчетным. По результатам опытов построены эксперимен- тальные зависимости a = f (δкр γкр), рис. 9, и C/Cр = f (σ∗), рис. 10. Здесь σ∗ – нормальная со- ставляющая давления по плоскости сдвига после мгновенного сброса, σ∗ = (δкр γкр + δo γгр.взв) cosα. (54) Из рис. 9 и 10 видно, что связность грунта дей- ствительно увеличивает коэффициент запаса ме- 12 Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног, В. Л. Фридрихсон ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2006. Том 8, N 1. С. 3 – 21 Табл 5. Мгновенный сброс, zсн = 0.72 см. Крепление – щебень. Параметры №№ опытов 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 m 2.0 3.3 2.75 2.3 2.3 2.0 2.5 2.0 2.5 2.0 2.0 1.5 γгр.взв, кгс/м3 920 910 910 910 910 910 970 910 970 970 970 970 γск, кгс/м3 1480 1460 1460 1460 1460 1460 1550 1460 1550 1550 1550 1550 tgϕ 0.321 0.316 0.316 0.316 0.316 0.316 0.340 0.316 0.340 0.340 0.340 0.340 C, кгс/м2 2100 1900 1900 1900 1900 1900 2600 1900 2600 2600 2600 2600 δкр γкр, кгс/м2 75 52 135 264 100 300 150 150 ≈ 75 225 105 225 βср, o 72o 78o 75o 74o 74o 72o 75o 72o 75o 72o 72o 68o δo, м 0.180 0.277 0.235 0.202 0.202 0.180 0.220 0.180 0.222 0.180 0.180 0.145 l = zсн sin α 1.57 2.42 2.05 1.76 1.76 1.57 1.89 1.57 1.89 1.57 1.57 1.26 δo/l 0.115 0.114 0.114 0.114 0.114 0.119 0.116 0.114 0.117 0.114 0.114 0.115 kз.оп < 1 ≈ 1 > 1 ≈ 1 ≈ 1 ≈ 1 ≈ 1 ≈ 1 ≈ 1 > 1 ≈ 1 ≈ 1 kз 0.25 0.52 0.49 0.50 0.41 0.41 0.37 0.36 0.32 0.35 0.29 0.34 kз.оп kз = a 4.00 1.92 2.24 2.00 2.43 2.43 2.70 3.14 3.12 2.86 3.45 2.94 ∆kз.с 0.75 0.48 0.61 0.50 0.59 0.59 0.63 0.77 0.68 0.65 0.71 0.66 Cр, кгс/м2 113 58 94 109 90 148 105 142 94 141 116 166 C/Cр 18.5 32.7 20.2 17.5 21.0 12.7 24.7 13.4 27.6 18.4 22.4 15.7 σ∗, кгс/м2 117 260 303 388 239 395 310 262 241 336 230 292 Рис. 9. Зависимость a = f (δкр γкр) при мгновенном сбросе для откоса, пригруженного щебнем, zсн = 0.7 м. Грунт – лессовидная супесь стной устойчивости для приведенных опытов. Но при этом механизм оплывания грунта откоса под действием фильтрационных сил такой, что только незначительная часть сил сцепления грунта сле- дует учитывать при расчетах. Из рис. 10 видно, что опыты проведены при σ∗ < 400 кгс/м 2 . В то Рис. 10. Экспериментальная зависимость C/Cр = f (σ∗) при мгновенном сбросе. Крепление – щебень. Грунт – лессовидная супесь же время стандартные испытания образов грунта при определении tg ϕ и C выполнены при σ∗ = 2000 ÷ 50000 кгс/м 2 , [6]. Поэтому экстраполяция опытных данных произведена так, что C/Cр = 1 при σ∗ = 2000 кгс/м 2 . Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног, В. Л. Фридрихсон 13 ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2006. Том 8, N 1. С. 3 – 21 При расчете гибкого крепления с использовани- ем геотекстиля учет связности грунта производим следующим образом. Определяем kз без учета сил сцепления по (49), kз.с с учетом сил сцепления по (50), растягивающее усилие в геотекстиле без уче- та сил сцепления Tр.г и с учетом сил сцепления Tр.г.с по следующим зависимостям: Tр.г = T − P tgϕ, (55) Tр.г.с = T − (P tg ϕ + l 1 g Cр), (56) где P = G m√ 1 + m2 − F cosβср, (57) G = zсн 1 g √ 1 + m2 × × ( δкр γкр + 0.1zсн √ 1 + m2 γгр.взв ) , (58) F = 2 · 0.1 z2 сн 1 γв g √ 1 + m2 3 sin βср , (59) T = G√ 1 + m2 + F sin βср. (60) Значение Cр определяем по экспериментальной зависимости, рис. 10, в зависимости от σ∗ (54). Примеры расчета. Определить коэффици- ент запаса местной устойчивости и растягива- ющие усилия в геотекстиле для откоса кана- ла, проложенного в лессовидной супеси и закре- пленного гибким креплением из каменной набро- ски (δкр = 0.4 м, γкр = 1600 кгс/м3, δкрγкр = = 640 кгс/м2) и бетонно-блочным креплением кон- струкции Укроргводстроя (δкр = 0.12 м, γкр = = 2115 кгс/м3, δкр γкр = 254 кгс/м2 ) по слою гео- текстиля при zсн = 0.5, 1 и 2 м, m = 2 ÷ 4, tg ϕ = = 0.46, C = 500 кгс/м2, γгр.взв = 920 кгс/м3. В табл. 6 приведены результаты расчетов, в которых было принято δo = 0.1 l = 0.1 zсн× × √ 1 + m2, а также приведены результаты опреде- ления kз и Tр.г для случая, когда канал проложен в песке tg ϕ = 0.7. Из этих данных видно, что силы сцепления грунта откоса увеличивают коэффициент запаса местной устойчивости крепления. При m = 3 ÷ 4, tg ϕ = 0.46 ÷ 0.7 и zсн ≤ 2 м для рассмотренных конструкций креплений гео- текстиль не работает на растяжение. При m < 3 и zсн > 2 м влияние фильтрационных сил быстро возрастает и требует специального расчета при выборе геотекстиля. При этом усилие на разрыв геотекстиля должно быть не менее чем в 2 раза больше, чем Tр.г для несвязных грунтов откоса или Tр.г.с для малосвязных грунтов. 4. ОПЫТ СТРОИТЕЛЬСТВА И ЭКСПЛУА- ТАЦИИ ГИБКИХ КРЕПЛЕНИЙ ОТКОСОВ ЗЕМЛЯНЫХ СООРУЖЕНИЙ Опыт строительства креплений откосов земля- ных сооружений с использованием фильтров из волокнистых материалов имеет 40-летнюю исто- рию. В странах СНГ было построено несколь- ко объектов с использованием матов из стекло- волокон под монолитным бетонным креплением [13], которые хорошо работают до сих пор. В зарубежных странах – США, Англии, Индии, Франции, Германии и Нидерландах – использо- вались тканые и нетканые рулонные материалы при строительстве креплений откосов, в основ- ном, судоходных каналов, защитных дамб и бере- гов рек. Эти материалы получили общее название геотекстиль. В качестве пригрузки использова- лись каменная наброска и различные конструкции бетонно-блочных креплений, скрепленных гибки- ми связями или связанные с геотекстилем. В табл. 7 и 8 приведены основные результаты натурных и некоторых лабораторных испытаний гибких кре- плений с использованием геотекстиля [8, 14 – 17]. Анализируя эти результаты, можно сделать сле- дующие выводы. 1. При защите откосов судоходных каналов, за- щитных дамб и берегов судоходных рек, когда воз- можно воздействие волн высотой до 1 м, можно использовать крепление из каменной наброски или бетонных блоков, скрепленных гибкими связями, по слою геотекстиля. Пригрузка из камня должна быть толщиной δ ≥ 0.4 м, размер камня 15÷25 см, масса камня 5÷40 кг. Бетонно-блочное крепление должно иметь δкрγкр ≥ 220 кгс/м3 с заполнением пустот между блоками щебнем. 2. Геотекстиль должен быть достаточно про- чным на разрыв, иметь высокую водопроницае- мость и должен быть защищен прочной сеткой с ячейками не более 10÷ 15 мм. В качестве геотекс- тиля лучше использовать нетканый фильтр то- лщиной δ ≥ 4 мм при h ≤ 0.5 м и δ ≥ 6 мм при h = 0.5÷ 1 м. Коэффициент фильтрации фильтра должен быть не менее 200 м/сут, так как возможна кольматация фильтра и снижение коэффициента фильтрации до десяти раз. 3. Крепление откосов должно быть доведено до дна канала или реки, так как разрушение крепле- 14 Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног, В. Л. Фридрихсон ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2006. Том 8, N 1. С. 3 – 21 Табл 6. Параметры m = 2 m = 2.5 m = 3 m = 4 zсн, м zсн, м zсн, м zсн, м 0.5 1.0 2.0 0.5 1.0 2.0 0.5 1.0 2.0 0.5 1.0 2.0 Крепление – каменная наброска δкр γкр = 640 кгс/м2 по слою геотекстиля tg ϕ = 0.46, C = 500 кгс/м2 G · 103, Н 8.15 18.6 46.3 10 23.6 60.2 12.2 28.8 75.6 16.7 41.1 311 F · 103, Н 0.39 1.54 6.15 0.46 1.84 7.35 0.53 2.12 8.5 0.69 2.75 11.0 P · 103, Н 7.14 16.0 39.23 9.13 21.3 53.5 11.48 26.8 70 16.1 39.5 108 T · 103, Н 4 9.76 26.55 4.14 10.45 29.3 4.37 11.15 32.2 4.77 12.7 38.0 βср, o 72o 72o 72o 74o 74o 74o 77o 77o 77o 79o 79o 79o σ∗, кгс/м2 660 750 940 705 820 1050 740 880 1150 805 1000 1360 δo, м 0.112 0.224 0.448 0.135 0.270 0.540 0.158 0.316 0.632 0.206 0.412 0.824 C/Cр 10.0 9.0 7.5 10.0 9.0 7.0 9.0 8.0 6.0 8.9 7.5 5.0 Cр, кгс/м2 50 55 66 50 55 71 55 62 83 56 66 100 kз 0.82 0.75 0.68 1.02 0.94 0.84 1.21 1.10 1.00 1.55 1.43 1.30 l 1 g Cр, Н 550 1220 2940 665 1470 4050 855 1920 3580 1130 2700 8100 kз.с 0.96 0.86 0.79 1.18 1.08 0.98 1.40 1.27 1.11 1.79 1.65 1.51 Tр.г, Н 720 2440 850 – 640 4700 – – – – – – Tр.г.с, Н 160 1360 5600 – – 590 – – – – – – tgϕ = 0.70 kз 1.24 1.14 1.04 1.55 1.43 1.28 1.84 1.67 1.52 2.35 2.17 1.97 Tр.г, Н - - - - - - - - - - - - Крепление – бетонно-блочное δкр γкр = 254 кгс/м2 по слою геотекстиля tg ϕ = 0.46, C = 500 кгс/м2 G · 103, Н 3.92 10.1 29.3 5.0 13.3 40.0 6.2 16.9 51.6 9.0 25.6 81.7 F · 103, Н 0.39 1.54 6.15 0.46 1.84 7.35 0.53 2.12 8.5 0.69 2.75 11.0 P · 103, Н 3.38 8.5 24.0 4.5 11.5 35.0 5.78 15.5 47.0 7.97 22.5 71.6 T · 103, Н 2.12 5.96 18.95 2.29 6.65 2.18 2.46 7.4 24.5 2.84 8.9 30.6 βср, o 72o 72o 72o 74o 74o 74o 77o 77o 77o 79o 79o 79o σ∗, кгс/м2 320 410 590 350 465 690 380 515 790 430 615 980 δo, м 0.112 0.224 0.448 0.135 0.270 0.540 0.158 0.316 0.632 0.206 0.412 0.824 C/Cр 14.7 12.5 10.0 14.7 11.0 10.0 13.9 11.1 9.0 12.2 10.0 7.5 Cр, кгс/м2 34 40 50 34 45 50 36 45 55 41 50 67 kз 0.73 0.66 0.58 0.90 0.79 0.74 1.08 0.96 0.88 1.30 1.14 1.08 l 1 g Cр, Н 360 880 2200 440 1200 3900 560 1400 3400 820 2030 5400 kз.с 0.90 0.81 0.70 1.09 0.97 0.92 1.31 1.15 1.02 1.59 1.37 1.26 Tр.г, Н 570 2030 8000 229 1400 5700 – 300 2940 – – – Tр.г.с, Н 212 1130 5700 - 200 1750 – – – – – – tgϕ = 0.70 kз 1.12 1.00 0.89 1.38 1.21 1.12 1.64 1.46 1.34 1.97 1.77 1.64 Tр.г, Н – – 2080 – – – – – – – – – Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног, В. Л. Фридрихсон 15 ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2006. Том 8, N 1. С. 3 – 21 Табл 7. Страна, название сооружения, источник Характеристика канала и крепления Результаты наблюдений ГЕРМАНИЯ, судоходный канал, [8] Судоходные каналы внутренних водных путей, в том числе Среднегерманский канал. Глубина воды в канале 4 м, грунты – в основном илистые пески ϕ = 32o, Kгр ≈ 6 м/сут, высота над- водного откоса 1÷ 1, 5 м. Инстенсивность судоходства – 75 судов/сутки, только 10 % судов создает откат ≥ 30 см, высота волны hв ≤ 0.8 м, период волн – до 8 с. 1. Крепление – каменная наброска, δкр = 0.4 м, Крепление хорошо защищает откосы при диаметр камня 15 ÷ 20 см, по слою геотекстиля из нормальных условиях судоходства. нетканого материала δ = 6 ÷ 10 мм с защитной сет- При сосредоточенном воздействии струи кой, m = 3, δкрγкр = 640 кгс/м2. от работающих винтов на откос возможно Построены опытные участки с различной конст- вымывание крепления. рукцией концевых участков в местах сопряжения Особо опасным является подмыв откоса крепления с дном канала. продольным потоком. Поэтому необходимо устривать специальные защитные устрой- ства (шпунты, пригрузка крепления и др.). 2. Крепление – бетонно-блочное, состоит из бе- Десятилетний опыт эксплуатации гибкого тонных блоков 66 × 14 × 12 см, соединенных ста- крепления из соединенных бетонных блоков льной проволокой диаметром 5 мм, m = 3, δкрγкр = показал хорошие эксплутационные и эконо- = 220 кгс/м2. Масса блока – 23.4 кг, в воде – 14.3 кг. мические качества крепления. До 1983 г. Просветность бетонно –блочного крепления 20%. построено около 600 тыс. м2 крепления. Геотекстиль – нетканый материал δ = 6 мм, n = Особые замечания: В процессе эксплуата- = 0.85, kф ≈ 920 м/сут, прочность на разрыв по ции коэффициент фильтрации геотекстиля длине – 2710 Н/м, по ширине – 2590 Н/м, удлине- снизился до 100 ÷ 150 м/сут, пористость – ние – 90% и 80%. 0.32÷ 0.74. После укладки крепления проволочные связи На якорных связях при ударе волн зафик- закреплены на якорях на бровке канала. сированы в течение 12 с скачки растягиваю- щих усилий до 50 Н. НИДЕРЛАНДЫ, большой волновой лоток, [14] Большой волновой лоток длиной 200 м, глубина воды – 5 м. Высота волн – 0.35÷ 1.2, период волн – 3, 4 и 5 с, длина волн – 13.8÷ 38 м. Грунт откоса – песок, высота надводного откоса – 2.75 м. Крепление – бетонные блоки типа Армофлекс, Разрушение крепления отмечено в 4 опы- 30 × 33 × 11.5 см, связанные гибкими связями, m = 3, тах без заполнения пустот между блоками. δкрγкр = 220 кгс/м2. Просветность бетонно –блочно- Место разрушения – ниже уреза воды на го крепления 17%. глубине ≈ hв. Геотекстиль уложен по слою кварцевого песка Общее заключение: Крепление при d = 37 ÷ 50 мкм толщиной 25 см. hв ≤ 1 м устойчиво. При этом заполнение Крепление уложено по надводной части откоса пустот щебнем увеличивает устойчивость. длиной 12 м и 6 м ниже уреза воды. Около 50% щебня, заполняющего пусто- Проведено 16 опытов продолжительностью 40 мин. ты, при волновом воздействии выносится (10 опытов – без заполнения пустот и откладывается у подножия откоса. между блоками гравием d = 3 ÷ 6 мм и 6 опытов – с заполнением гравием) После укладки крепления проволочные связи закреплены на якорях на бровке канала. 16 Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног, В. Л. Фридрихсон ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2006. Том 8, N 1. С. 3 – 21 Табл 8. Страна, название сооружения, источник Характеристика канала и крепления Результаты наблюдений НИДЕРЛАНДЫ, судоходный канал, [15] Проведены натурные исследования на судоходном Хартель – канале. Глубина воды в канале – 7 м, ширина канала по дну – 75 м, грунты – заиленные пески. Зафиксированы скорости воды у откосов при прохож- дении судов 0.6÷ 2 м/с, высота волн 0.27÷ 0.86 м. Крепление – бетонные блоки типа Армофлекс, δкр = Крепление устойчиво, разрушений = 11 см и АСЦ –Дельша, δкр = 16 см по слою геотекс- крепления не отмечено. тиля, m = 4, δкрγкр = 220 кгс/м2 и 320 кгс/м2. ГЕРМАНИЯ, судоходные реки и каналы, [17] 1. Крепление – каменная наброска, d = 15 ÷ 25 см, Разрушений крепления нет. δкр = 0.6 м по слою геотекстиля, m = 3, δкрγкр = Рекомендуется принимать толщину = 960 кгс/м2. геотекстиля δ ≥ 4.5 мм для песков, 2. Крепление – каменная наброска, d = 15 ÷ 25 см, δ ≥ 6 мм – для связных грунтов и δкр = 0.4 м по слою геотекстиля с заливкой камня δ ≥ 10 мм – в особых условиях для обес- цементным раствором или асфальтом, m = 3, печения устойчивости подошвы откоса. δкрγкр = 640 кгс/м2. Масса камней для каменной наброски должна быть 5 ÷ 40 кг. США, защитные дамбы и берега рек, [16] Обобщен опыт применения высокопрочных тканей из полимерных волокон вместо песчано–гравийных фильтров при стоительстве креплений откосов защит- ных дамб и берегов рек. В качестве пригрузки исполь- зовались каменная наброска и бетонные блоки, связан- ные с тканью. Площадь пор ткани – 4 ÷ 6%. 1. Крепление – каменная наброска (масса камня 2.3÷ Крепление из каменной наброски при ÷ 182 кг), δкр = 0.46 м, m = 3 ÷ 4, δкрγкр = 730 кгс/м2. δкр ≥ 0.4 м и из бетонных блоков δкр× 2. Крепление – каменная наброска δкр = 0.9 м, m = ×γкр ≥ 200 кгс/м2 при m = 3÷ 4 хоро- = 3 ÷ 4, δкрγкр = 1440 кгс/м2. шо противостоит воздействию судовых 3. Крепление – легкие ячеистые блоки, связанные с волн высотой до 1.2 м. тканью. Масса блока – 5.9 кг, m = 3 ÷ 4, δкрγкр = Крепление необходимо располагать = 147 кгс/м2. ниже уреза воды на глубину ≥ 2h. 4. Крепление – блоки массой 52 кг, m = 3 ÷ 4, Недостатком является низкая водо- δкрγкр = 220 кгс/м2. проницаемость ткани, что приводит к 5. Крепление – блоки большие 122 × 36 × 9.2 см, большому волновому противодавлению. m = 3 ÷ 4, δкрγкр = 685 кгс/м2. Контактная устойчивость между тканью Высота волн – до 1.2 м, период волн – 4 ÷ 5 с, сни- и грунтом откоса недостаточная, так как жение уровня – до 0.9 м. Нагоны и сгоны – до 2.4 м. возможно местное оплывание грунта под тканью и образование просадок крепления. Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног, В. Л. Фридрихсон 17 ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2006. Том 8, N 1. С. 3 – 21 Табл 9. m hс tg ϕ Hкр, P , Pпр, T , k Tр.г [δкр] м м Н Н Н Н м Крепление – камення наброска по слою геотекстиля δкр = 0.4 м, γкр = 1600 кгс/м3, γкр.взв. = 1000 кгс/м3 2 0.3 0.62 0.24 1420 200 710 1.06 – 0.06 2 0.5 0.62 0.40 2350 550 1190 0.94 71 0.10 2 0.8 0.62 0.64 3800 1410 1900 0.78 420 0.15 2 1.0 0.62 0.79 4630 2160 2330 0.66 790 0.19 3 0.3 0.62 0.21 1770 155 590 1.70 – 0.06 3 0.5 0.62 0.35 2950 430 1000 1.56 – 0.06 3 0.8 0.62 0.56 4700 1100 1590 1.40 – 0.09 3 1.0 0.62 0.70 5900 1710 1980 1.30 – 0.12 4 0.3 0.62 0.20 2200 140 550 2.32 – 0.03 4 0.5 0.62 0.34 3800 400 950 2.22 – 0.05 4 0.8 0.62 0.54 6000 1020 1500 2.06 – 0.07 4 1.0 0.62 0.67 7400 1570 1860 1.95 – 0.09 Крепление – бетонно-блочное по слою геотекстиля δкр = 0.12 м, γкр = 1830 кгс/м3, γкр.взв. = 1040 кгс/м3 2 0.3 0.62 0.24 440 200 220 0.68 70 0.06 2 0.5 0.62 0.40 735 550 370 0.31 250 0.10 2 0.8 0.62 0.64 1170 1410 590 < 0 – 0.14 2 1.0 0.62 0.79 1450 2160 680 < 0 – 0.18 3 0.3 0.62 0.21 550 155 185 1.32 – 0.06 3 0.5 0.62 0.35 920 430 310 0.98 6 0.06 3 0.8 0.62 0.56 1480 1100 490 0.48 380 0.09 3 1.0 0.62 0.70 1840 1710 610 0.13 530 0.12 4 0.3 0.62 0.20 690 140 170 2.02 – 0.03 4 0.5 0.62 0.34 1180 400 290 1.67 – 0.05 4 0.8 0.62 0.54 1860 1020 465 1.12 – 0.07 4 1.0 0.62 0.67 2300 1570 575 0.79 120 0.09 ния откоса начинается у подошвы откоса, где во- зможен размыв грунта продольным потоком. Та- кой поток может возникнуть (до 2 м/с) при дви- жении судов или в естественных условиях для рек, особенно в паводковый период. Если крепление устраивается не на всю длину подводного откоса, то минимальная глубина, на которой заканчивае- тся крепление, должно быть не менее 2h. Приведенная выше методика расчета крепления при воздействии судовых волн позволяет опреде- лить коэффициент устойчивости крепления k и растягивающие усилия в геотекстиле Tр.г. Рассмотрим две конструкции крепления откосов судоходных каналов внутренних водных путей в Германии. Канал глубиной 4 м при m = 3 и m = 4 проходит в однородных заиленных песках ϕ = 32o, tg ϕ = = 0.62. Крепление откосов каналов: – каменная наброска толщиной δкр = 0.4 м, γкр = 1600 кгс/м3, δкрγкр = 640 кгс/м2, γкр.взв. = = 1000 кгс/м3, δкрγкр.взв. = 400 кгс/м2; – бетонно-блочное крепление из блоков толщи- ной δкр = 0.12 м, скрепленных гибкими связя- ми из проволоки d = 5 мм, δкрγкр = 220 кгс/м2, δкрγкр.взв. = 125 кгс/м2, γкр = 1830 кгс/м3, γкр.взв. = 1040 кгс/м3. Крепление в том и другом случае уложено по слою геотекстиля. Геотекстиль и бетонно–блочное крепление закреплены на берме откоса к якорно- му устройству. Высота судовых волн hс = 0.3 ÷ 1 м, λ/hс = 7. Прочность на разрыв геотекстиля 2740 Н/м. Расчеты проводили по зависимостям при во- здействии судовых волн. Из результатов расчетов, приведенных в табл. 9, видно, что крепление из каменной наброски при m = 3, использованное на Среднегерманском судохо- дном канале, устойчиво при hс ≤ 1 м. Геотекстиль 18 Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног, В. Л. Фридрихсон ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2006. Том 8, N 1. С. 3 – 21 и все крепление не работает на растяжение. Крепление из бетонных блоков, устойчивое в действительности, по расчету может быть устой- чивым, если растягивающие усилия, возникающие в креплении, будут восприниматься самим крепле- нием. В табл. 9 эти усилия обозначены Tр.г. При m = 3 эти усилия появляются при hс > 0.5 м и при hс = 1 м составляют 530 Н на полоску крепления шириной 1 м. Эти усилия могут быть восприняты гибкими связями или геотекстилем, для которого разрывное усилие составляет 2740 Н/м. Датчики, установленные на гибких связях, заанкеренных на бровке канала, зафиксировали усилие на растяже- ние ∼ 50 Н (или 100÷150 Н/м) при обрушении ма- ксимальной судовой волны hс ≈ 0.86 м. Столь ма- лое усилие на анкере может быть объяснено тем, что надводная часть крепления, обладая большим коэффициентом k, компенсирует Tр.г, возникаю- щие в зоне обрушения волны. Считаем, что методика расчета, изложенная выше, подтверждается результатами натурных ис- следований на Среднегерманском судоходном ка- нале. 5. ВРЕМЕННЫЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ И СТРОИТЕЛЬСТВУ ГИБКОГО КРЕПЛЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВА- НИЕМ ГЕОТЕКСТИЛЯ Настоящие рекомендации относятся к проекти- рованию и строительству гибкого крепления на опытно-производственных участках. Такое огра- ничение связано с тем, что зарубежный опыт не учитывает ледовое воздействие на крепление, так как строительство гибких креплений с использо- ванием геотекстиля ведется в странах (Германия, Дания, Голландия, Южные штаты США, Индия и др.) с мягким климатом или непродолжительным ледоставом при малой толщине льда. Для усло- вий Украины максимальная толщина льда может изменяться от 0.4 м (север Украины) до 0.25 м (юг Украины) и в зависимости от характера погоды весной ледоход на реках может происходить до- вольно интенсивно. Поэтому конструкции гибко- го крепления, приведенные выше, должны пройти опытно-промышленную проверку. Гибкое крепление с использованием геотексти- ля имеет ряд преимуществ, главные из которых следующие: – геотекстиль выполняет роль обратного филь- тра и надежно защищает грунт откоса от размыва, – гибкое крепление обладает способностью к “са- мозалечиванию” при просадках грунта откоса и подмыве концевых участков крепления, – гибкое крепление с использованием бетонных блоков позволяет механизировать процесс строи- тельства крепления. Предлагаем следующие конструкции гибкого крепления. 5.1. Гибкое крепление из каменной набро- ски, рис. 11А Эту конструкцию можно использовать: – при m = 3 ÷ 4, – при воздействии судовых и ветровых волн с расчетной высотой волн не более 1 м, – при мгновенном понижении уровня перед откосом не более 2 м, – при ледовом воздействии при максимальной толщине льда не более 0.4 м. Геотекстиль представляет собой двухслойную структуру, состоящую из защитной сетки с ячей- ками 10÷15 мм из полимерных волокон и собствен- но фильтра из нетканого материала из полимер- ных волокон, который должен иметь прочность на разрыв не менее 10000 Н/м, коэффициент филь- трации не менее 200 м/сут, толщину не менее 6 мм. 5.2. Гибкое крепление из бетонных блоков конструкции “Укрводстроя”, скрепленных шарнирами и гибкими связями, рис.11Б Эту конструкцию можно использовать: – при m = 3 ÷ 4, – при высоте расчетных ветровых волн не более 0.5 м, – при колебаниях уровня воды перед откосом не более 1 м, – при скорости снижения уровня не более 10Kгр, где Kгр – коэффициент фильтрации грунта отко- са. Геотекстиль: защитная сетка с ячейками 10 × 15 мм из полимерных волокон и нетканый матери- ал из полимерных волокон, который должен иметь прочность на разрыв не менее 10000 Н/м, коэффи- циент фильтрации не менее 200 м/сут, толщину не менее 2 мм. Рекомендуем использовать эту конструкцию крепления на внутренних водоемах и заливах рек, где не будет воздействия на крепление движущи- хся льдин. 5.3. Гибкое крепление из бетонных бло- ков, рис. 11В Эту конструкцию можно использовать: Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног, В. Л. Фридрихсон 19 ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2006. Том 8, N 1. С. 3 – 21 Рис. 11. Схемы конструкций гибких креплений с использованием геотекстиля 20 Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног, В. Л. Фридрихсон ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2006. Том 8, N 1. С. 3 – 21 – при m = 3 ÷ 4, – при воздействии судовых и ветровых волн с расчетной высотой волн не более 1 м, – при мгновенном понижении уровня перед откосом не более 2 м, – при ледовом воздействии при максимальной толщине льда не более 0.4 м. Геотекстиль: защитная сетка с ячейками 20 × 15 мм из полимерных волокон и нетканый матери- ал из полимерных волокон, который должен иметь прочность на разрыв не менее 10000 Н/м, коэффи- циент фильтрации не менее 200 м/сут, толщину не менее 6 мм. 1. Athanasopoulos G. A., Atmatzidis D. K., Bousias P. Sand-geotextile interaction by direct shear testing // Proc. 4th Int. Conf., The Hague, 28 May – 1 June. – Vol. 2.– Rottedam, 1990.– P. 795. 2. Venkatappa Rao G., Kate J. M. Interface friction evaluation of some Indian geotextiles // Proc. 4th Int. Conf., The Hague, 28 May – 1 June. – Vol. 2.– Rottedam, 1990.– P. 793. 3. Cоболевский Ю. А. Устойчивость откосов мелио- ративных каналов.– Минск: Урожай, 1965.– 212 с. 4. Wise E. G. Development parameters for integrated flexible revetment systems // Proc. Int. Conf., Insti- tution of Civil Engineers.– London, 1984.– P. 81–90. 5. Чугаев Р. Р. Земляные гидротехнические сооружения.– Л.: Энергия, 1967.– 460 с. 6. Беляшевский Н. Н., Бугай Н. Г. Отчет по теме “Исследование устойчивости откосов магистраль- ного Рогачекского канала и рекомендации по его креплению”.– Киев: Институт гидромеханики НАН Украины, 1969.– 85 с. 7. Канарский В. Ф. Крепление волновых откосов ги- дротехнических сооружений.– Киев: Будiвельник, 1971.– 76 с. 8. Heerten G., Meyer H., Muhring W. Experience with a flexible interlocking revetment system at the Mi- ttellandkanal in Germany // Proc. Int. Conf., Insti- tution of Civil Engineers.– London, 1984.– P. 106– 114. 9. Вишневський В. I. Рiчки i водойми України. Стан i використання.– Київ: ВIПОЛ, 2000.– 376 с. 10. Шабанов А. Д. Крепление напорных земляных откосов.– М.: Стройиздат, 1967.– 140 с. 11. Мухамеджанов Г., Пудов Ю. Выбор геотекстиля. Рекомендации проектировщикам // Технический текстиль.– 2001.– N 3.– С. 9–11. 12. СНиП 2.06.04-82 Нагрузки и воздействия на ги- дротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов.– М.: Госстрой СССР, 1989.– 40 с. 13. Пивовар Н. Г., Бугай Н. Г., Рычко В. А. Дренаж с волокнистыми фильтрами.– Киев: Наукова думка, 1980.– 214 с. 14. C. van den Berg, Lindenberg J. Stability of Armorflex revetment system under wale attack // Proc. Int. Conf., Institution of Civil Engineers.– London, 1984.– P. 90–99. 15. Pilarczyk K. W. Prototype tests of slope protecti- on systems // Proc. Int. Conf., Institution of Civil Engineers.– London, 1984.– P. 126-136. 16. Dement L. E., Fowler J. Case histories using filter fabric underneath revetments in lower Louisiana // Proc. Int. Conf., Institution of Civil Engineers.– London, 1984.– P. 145–161. 17. Abromeit H.-U. Biding Procedures and Placing Operation of Geotextile Filter Layers // Proc. Int. Conf., Institution of Civil Engineers.– London, 1984.– P. 137–139. Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног, В. Л. Фридрихсон 21