МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

 

 
"РОЛЬ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА В ОБЕСПЕЧЕНИИ УСТОЙЧИВОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ ЭКОСИСТЕМ "
 
(МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ)
 
Москва 2006

УДК 626.8:624.131.542

О СОВЕРШЕНСТВОВАНИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ НОРМ И ПРАВИЛ

ПРОЕКТИРОВАНИЯ ГИДРОСООРУЖЕНИЙ И ОСНОВАНИЙ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ИХ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ

 

Н.Н. Фролов д.т.н., проф.;  О.Н.Черных – к.т.н., доцент; А.М. Будикова – аспирант

ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»,

 г. Москва, Россия

 

Ускоренное развитие технического прогресса и значительное ужесточение в связи с этим требований к безопасной и надежной работе сооружений вызвало не только развитие отдельных методик и приемов расчета конструкций, но и изменение самой общей идеологии проектирования сооружений и их оснований. Так, вместо применяемой в 50-х годах прошлого столетия идеологии проектирования по допускаемым напряжениям (допускаемым давлениям на грунты основания) пришла идеология расчета по предельным состояниям, на смену которой, по-видимому, явится идеология проектирования по надежности, уже сейчас применяющаяся в отдельных отраслях техники многоэлементных систем.

Уместно отметить, что пионерами разработки, применения и совершенствования идеологии расчета по предельным состояниям являются отечественные ученые и научно-исследовательские институты. За рубежом все расчеты конструкций и оснований до сих пор производятся по допускаемым напряжениям с внесением в расчетные формулы различных условий и числовых поправочных коэффициентов, являющихся по сути эмпирическими коэффициентами запаса, обеспечивающими таким образом надежность работы конструкций и грунтовых оснований.

В начале 60-х годов прошлого века СНиП предусматривал расчет по трем видам предельных состояний сооружений и оснований: первый – потеря прочности и устойчивости; второй – деформации и третий – трещинообразование. Затем расчетные виды предельных состояний были сокращены до двух: I – прочность и устойчивость; II – деформации. Но по-прежнему, классификация предельных состояний оставалась по их видам проявления (а также по математическому аппарату их расчета.). Такая классификация предельных состояний, естественно, дезориентировала и ограничивала проектировщиков в принятии ответственных инженерных решений и потому в дальнейшем в СНиП принята отвечающая природе надежности классификация: все виды предельных состояний сведены в две группы по влиянию их на эксплуатационную пригодность сооружений и оснований: I группа – полная непригодность к эксплуатации (потеря несущей способности и устойчивости; перемещения и деформации, приводящие к прекращению эксплуатации); II группа – непригодность к нормальной эксплуатации (потеря местной прочности; перемещения и деформации, затрудняющие нормальную эксплуатацию; образование, раскрытие трещин и строительных швов).

Условие, обеспечивающее недопущение наступления предельных состояний, в соответствии с действующими СНиП 33-01-2003 [1], имеет вид

                                                γlc FR/γn,      или     γlc FRγmγgγс/γn,                                            (1)

где F – расчётное значение обобщённого силового воздействия с учётом коэффициента надёжности по нагрузке γf;   R – расчётное значение обобщённой несущей способности или деформации, по которому и производится сравнительная оценка расчетных и нормативных предельных состояний. Ряд раздельных коэффициентов надежности, имеющих в основном вероятностно-статический характер, применяются в контексте сомножителей, корректирующих нормативное значение R: по ответственности сооружения γn, по сочетанию нагрузок γlc, по материалам γm, грунту γg и условий работы γс.

Как видим, легко устанавливается связь и преемственность между современными расчетами по предельным состояниям и с использованием теории надежности. Однако основной недостаток нормативного расчета  по предельным состояниям остается, ибо он не дает возможности оценивать проектные решения с точки зрения надежности (так как однозначно гарантирует надежность сооружения с вероятностью, равной единице) и не позволяет получать функциональную зависимость расчетного уровня надежности Нр от варьируемых расчетных технико-экономических факторов, от которых эта надежность зависит. Учитывая сказанное, в последних нормах [1] допускается производить вероятностную оценку с целью более полного раскрытия неопределенности по факторам, определяющим надежность и безопасность сооружений, уточнения расчетных характеристик и схем, сочетания нагрузок и воздействий, а также предельных состояний.

Ввиду сложности и до конца еще не изученных многих факторов предельных состояний количественное их описание методами физической теории надежности в настоящее время практически невозможно. В связи с этим для решения вопросов надежности приходится использовать физико-математическую параметрическую теорию надежности, базирующуюся на обобщении опытных данных методами математической статистики и теории вероятностей.

В качестве возможности первоначального практического решения таких задач для избегания ожидаемых трудностей может послужить использование традиционного коэффициента запаса kзап, обобщающего ранее упомянутые отдельные коэффициенты надежности. Подобный обобщающий коэффициент надежности ksl (условий работы просадочного основания) используется  при определении размера просадочной деформации сооружений в действующих нормах проектирования оснований [2].

Принимая в расчетах разной величины kзап, а следовательно, различные инженерные мероприятия по обеспечению надежности, можно добиться необходимого расчетного уровня надежности Нр проектируемой конструктивной системы, равного нормативному Нн.

Рассмотрим это предложение на примере расчета надежности системы «гидросооружение (ГТС) – просадочное основание», как наиболее злободневного и затратного вопроса в орошаемом земледелии на лессовых грунтах, многочисленными данными долговременных исследований которого обладает кафедра основания и фундаменты МГУП. Исследования показали, что в надежности системы «ГТС – просадочное основание» основную роль играет надежность основания, как наиболее слабого звена системы. Поэтому, в дальнейшем будем рассматривать вопросы надежности именно просадочного основания.

Преобразуем для удобства и краткости дальнейших выкладок нормативное критериальное неравенство расчета просадочного основания ГТС по I группе предельных состояний в следующий вид

                                   Sпред ≥ Ssl;  U = Sпред – Ssl;  U = U1 – U2,                                         (2)

где  U – совокупный фактор или функция случайных аргументов, как «собственного» – постоянного – для данного сооружения фактора (величина предельной просадки Sпред = U1), так и «внешнего» – переменного фактора (размера расчетной просадки Ssl = U2, зависящего от внешних воздействий, в основном – от природной изменчивости показателя просадочных свойств εsl и сложения грунтов основания, а также неопределенности условий совместной работы их с ГТС).

В формуле (2) величина Ssl носит вероятностный случайный характер обусловленный изменчивостью показателя просадочных свойств εsl, выражающийся числовыми  показателями, основными из которых являются mu, σu, νu – соответственно, математическое ожидание, среднеквадратичное отклонение и коэффициент вариации совокупного фактора  U.

Для величины  Sпред = U1, как величины постоянной (неслучайной) все надежностные характеристики, кроме математического ожидания m1, будут равны нулю.

После выполнения соответствующих математических выкладок с использованием положений общей теории вероятностей применительно к надежности грунтовых оснований сооружений, не учитывая центральные моменты третьего и четвертого порядка фактора U (что равносильно принятию для последнего нормального закона распределения), как не выходящих за точность инженерных расчётов, получим следующую формулу показателя надежности Н

                                 ,                               (3)

где  – функция Лапласа, определяемая по специальной таблице приложения [3] для каждого из значений  .

Согласно вероятностному истолкованию понятия надежности, коэффициент запаса kзап (коэффициент надежности) при совместной работе системы «ГТС – просадочное основание» при расчете по предельной просадочной деформации будет

                                                                                                          (4)

С учетом формулы (3) получим две исходные формулы  kза и  Нр:

                                            ,                                                      (5)

                                     ,                                                              (6)

а, воспользовавшись зависимостью  kзап от величины  , входящей в качестве аргумента в формулы (3), получим более удобную для учета технико-экономических и технологических факторов при определении показателя надежности формулу

                                          .                                                  (7)

В качестве расчета надежности по коэффициенту запаса kзап рассмотрим случай проектирования системы «ГТС – просадочное основание» лоткового канала на опорах из железобетонных висячих свай расчетной длины сечением 0,2х0,2 м с седловидным оголовком, удобным для безопасной стыковки на нем соседних лотков. Это наиболее индустриальный способ устройства нижней конструкции системы «ГТС – просадочное основание», полностью исключающий ручные и скрытые работы, сокращающий стоимость и сроки устройства.

Расчетное напряжение  на грунт,  передаваемое  на  уровне  острия  сваи, составляет Р = 150 кПа. В основании на глубину 8 м от поверхности залегают среднепросадочные суглинки с характеристиками: начальное просадочное давление Рsc = 70..90 кПа, относительная просадка εsl = 0,04..0,08, ее математическое ожидание msl = 0,05; среднее квадратичное отклонение σsl = 0,04, коэффициент вариации показателя просадочности νsl = 0,08 (что указывает на большую изменчивость просадочных свойств, связанную с неоднородностью грунта).

Подсчитанная по нормативной формуле СНиП [2] величина коэффициента надежности ksl (условий работы просадочного основания) оказалась весьма значительной ksl = kнзап = 2,1, что явно выходит за пределы достаточности. Забегая вперед, скажем что по предложенному расчёту коэффициент запаса оказался равен kзап = 1,73, что также следует считать завышенным, влекущим излишне дорогостоящие конструктивные решения.

Изменяющейся (переменной) величиной, обуславливающей kзап, в свайном фундаменте является длина сваи, считая от поверхности грунта (без учета небольшой верхней части с седлом, зависящей от рельефа местности по трассе канала и его уклона). Конкретной же расчетной переменной величиной будет нижняя мощность Тн природной просадочной толщи ниже острия сваи до отметки подошвы просадочной толщи Нsl (ниже которой просадка уже не проявляется).

Согласно расчета сооружения по предельной просадочной деформации, с учётом нагружающего трения на сваю при просадке, длина висячей сваи должна быть такой, чтобы на отметке ее острия выполнялось условие Sпред = Ssl. Здесь Sпред = 15 см как для сборной высокой железобетонной конструкции на просадочных грунтах. Ssl.н – величина просадки природного грунта мощностью Тн  ниже острия сваи. Если считать, что все характеристики грунта, в том числе и надежные показатели, в пределах этой толщи остались прежними, то .

Тогда длина сваи будет равна   Тсв = НslТн , Тсв = 8,0 – 3,0 = 5,0 м.

Коэффициент запаса (без учета надежности) для такой опоры из висячей сваи будет равен величине .

В случае уменьшения Тн, а следовательно и Ssl.н, длина сваи будет увеличиваться. Будет возрастать и размер kзап > 1, подсчитываемый с учетом надежностных показателей по формуле (7), а также и величина показателя надежности, определяемая по формуле (6).

Согласно ранее принятым обозначениям, условия работы можно записать

                                U = U1U2 = Sпред - Ssl.н = 15 - Ssl.н.                                                   (8)

Для расчета kзап, который бы соответствовал нормативному уровню надежности Нн, определяем  подбором,  либо  графо-аналитическим  способом – по графику зависимости Н = f(kзап, z) с двумя ординатными осями (см. подробнее [4]).

По результатам такого расчета нормативному уровню надежности Нн отвечает величина коэффициента запаса kзап  = 1,73, что соответствует величине Uz = Ssl.н = 10 см, а по формуле (8)   U = 15 – 10 = 5 см. В пересчете на мощность нижней толщи Тн она будет равна ..

Следовательно, для необходимой надежности к расчетной длине сваи Тсв = 5,0 м до подошвы просадочной толщи всего 1 м, то есть свая будет работать почти по схеме сваи – стойки. Последнюю схему рекомендуют многие исследователи для обеспечения надежной работы сооружений на сваях в просадочных грунтах, что и подтверждает проведенный расчет по надежности.

Рассчитанные для обеспечения расчетной надежности сооружения сваи оказались в полтора раза длиннее, чем установленные по нормативному методу предельных состояний. Это существенно завышает объем и стоимость работ, особенно принимая в виду многочисленность подобных типовых сооружений на оросительной сети. Поэтому считаем, что с точки зрения экономичности вопрос обоснования расчета сетевых ГТС на просадочных грунтах по надежности требует дальнейшего подробного исследования, тем более, что предложенный метод позволяет без труда обосновывать технико-экономическую эффективность различных конструктивных и технологических решений с учетом надежности.

Библиографический список

 

1.         СНиП 33-01-2003. Гидротехнические сооружения. Основные положенияю. Госстрой России. – М., 2004.

2.         СНиП 2.02.01 – 83. Основания зданий и сооружений. Госстрой СССР. – М.: ЦИПТ Госстроя СССР, 1988.

3.                  Ермолаев Н.Н., Михеев В.В.. Надежность оснований сооружений. – Л.: Стройиздат, 1976.

4.                 Фролов Н.Н., Кубенов Р.Т., Будикова А.М., Черных О.Н. Фактор надежности при проектировании сооружений оросительных систем на просадочных грунтах. //Вопросы мелиорации. 2005.  № 1-2.