Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы по методам расчета заглубленных линейных сооружений на неравномерно-деформационном основании 7
1.1. Виды и конструкции линейных подземных сооружений 7
1.2. Развитие методов расчета трубопроводов или коллекторов и основные принципы расчета 10
1.2.1. Краткий обзор методов расчета 10
1.2.2. Основные принципы расчета 20
1.2.3. Напряженно-деформированное состояние (НДС) трубопроводов с учетом особенностей грунтовой среды 22
1.2.4. Толстостенные трубы, утопленные в грунт (негативная проекция) 26
1.4. Примеры аварий трубопроводов (коллекторов) 30
Глава 2. Основные допущения методики расчета линейных заглубленных сооружений (трубопроводов или коллекторов) на неравномерно-деформируемом основании 35
2.1. Учет неоднородности и нелинейной деформируемости грунтов основания сооружений 35
2.2. Учет неравномерной нагрузки на основания 47
2.3. Учет влияния нестабилизированного состояния грунта в процессе его консолидации во времени 50
Глава 3. Общая методика расчета подземных линейных сооружений (коллекторов хвостохранилищ), расположенных на основании из различных типов грунтов 56
3.1. Алгоритм расчета коллекторов хвостохранилищ, расположенных на различных типах грунтов, их достоинства и недостатки 56
3.1.1. Алгоритм расчета и метод решения задачи по ПВК SCAD 58
3.1.2. Алгоритм расчета и основные положения математической модели решения задач устойчивости трубопроводных систем по программе GRUNTUS 63
3.2. Оценка неравномерных деформаций основания коллекторов при нестабилизированном состоянии грунтов во времени и ее влияния на напряженно-деформированное состояние (НДС) коллекторов 66
3.2.1. Особые грунтовые образования их виды и свойства 67
3.2.2. Изучение НДС трубопровода, расположенного на различных типах грунтов 73
3.2.3. Расчет процесса консолидации и нестабилизированной осадки неоднородного водонасыщенного основания 76
3.2.4. Расчет процесса консолидации и нестабилизированных осадок однородного водонасыщенного основания, представленного суглинками 78
Глава 4. Применение разработанной методики к определению стабилизированного состояния основания коллектора, его НДС и армирования 81
4.1. Определение осадки основания коллектора при наращивании нагрузок во времени в виде веса грунта 82
4.2. Определение внутренних усилий коллектора 86
4.3. Подбор продольной арматуры в железобетонном кожухе коллектора 88
Общие выводы 94
Основные работы, опубликованные по теме диссертации 96
Список литературы
- Развитие методов расчета трубопроводов или коллекторов и основные принципы расчета
- Учет влияния нестабилизированного состояния грунта в процессе его консолидации во времени
- Алгоритм расчета и основные положения математической модели решения задач устойчивости трубопроводных систем по программе GRUNTUS
- Определение внутренних усилий коллектора
Введение к работе
В силу протяженности подземных линейных сооружений, рельефа местности и неоднородности грунтовых условий основания, происходят неравномерные осадки, вызывающие неравномерные внутренние усилия в них. Не учет этих внутренних усилий приводит к неоправданному армированию трубопроводов и авариям на сооружениях. В основе прогноза взаимодействия трубопроводов с грунтовой средой лежит ряд положений механики грунтов, разработанных для оснований под промышленные и гражданские здания и сооружения. Исследования В.Г. Березанцева, С.С. Голушкевича, П.Д. Евдокимова, А Како, Ж. Керизеля, Ф. Кеттера, М.В. Малышева, Г. Мейергоера, В.И. Повоторцева, Л. Прандтея, В.В. Соковолодского, К. Терцаги и многие другие в области предельного равновесия дали возможность разработать методику расчета прочности оснований.
Усилия Ж. Буссинеска, Н.М. Герсеванова, М.И. Горбунова-Посадова, К.Е. Егорова, Б.М. Жемочкина, Г.К. Клейна, Б.Г. Коренова, В.Г. Короткина, А.Н. Крылова, Е. Мелана, Р.Д. Миндвина, И.А. Симвулиди, В.А. Флорина, O.K. Фелиха, Н.А Цитовича, О.Я. Шехтер и другие, направленные на решение задач применительно к упругому полупространству, завершились созданием теоретической базы для анализа взаимодействия конструкций и оснований в пределах практической линейной зависимости деформаций оснований от напряжений.
Приблизительными методами расчета подземных линейных сооружений на прочность и надежность являются:
1) Метод двух сил, 2) Предложение М. Шпенглера, 3) Метод Метропроекта, 4) Метод Б.Г. Галеркина, 5) Метод расчета Л.М. Емельянова, 6) Метод расчета М.В. Мальшева, 7) Рекомендации Американского Института Труб, 8) Работы лаборатории ВМС США по гражданскому строительству, 9) Военные проектные нормы США и пр.
Существующие в настоящее время методики расчета подземных линейных сооружений требуют корректировки. Анализы аварий подземных линейных сооружений показали, что в большинстве случаев аварии происходят из за неравномерных деформаций основания, неправильного армирования железобетонных конструкций, неправильного учета нагрузок. В существующих методиках расчет ведется только на внешнее давление грунта на выделенное поперечное сечение. Не учитывается взаимодействие между поперечными сечениями.
Актуальность темы диссертационной работы определяется необходимостью прогнозирования внутренних усилий в коллекторах или трубопроводах и пр. в целях предотвращения аварийных ситуаций и увеличения надежности сооружений.
Цель и задачи исследования. Целью диссертации является разработка алгоритма расчета подземных линейных сооружений позволяющего повысить их надежность и экологическую безопасность. Были решены следующие задачи:
1) проведён анализ основных методов расчета причин аварий;
2) проанализированы факторы, влияющие на напряженно-деформированное
состояние (НДС) коллекторов.
3) проанализированы математические модели, описывающие процессы формирования
НДС основания и внутренних усилий в коллекторах.
4) на основании проведённого анализа факторов и математических моделей
разработана методика расчёта коллекторов с учетом неравномерной деформации основания
и неравномерных нагрузок.
Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке методики расчёта коллекторов, учитывающей неоднородность и нелинейность физико-механических свойств грунтов, наращивание нагрузок во время эксплуатации, неравномерные деформации грунтов основания по длине коллекторов, внутренние усилия в коллекторах и их продольное армирование.
Практическая значимость.
Применение разработанной методики позволяет повысить точность прогноза напряженно-деформированного сооружения (НДС) коллекторов, что делает более достоверной оценку надежности и экологической безопасности рассматриваемых сооружений:
-
Разработаны методика, алгоритм и программа оценки надежности подземных линейных сооружений, включающая оценку неравномерной деформации основания, наращивания нагрузок, внутренних усилий в коллекторах и армирования железобетонных конструкций.
-
Проведены расчетные исследования коллектора Учалинского ГОКа, которые были использованы при проектировании институтом АОЗТ "Механобр инжиниринг" реконструкции хвостохранилища.
На защиту выносятся:
Методика оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) подземных линейных сооружений. Методика, основана на численных решениях на основе МКР и МКЭ;
Результаты численного моделирования НДС коллекторов, трубопроводных систем и др. для проектируемых и действующих сооружений накопителей гражданских и промышленных отходов.
Достоверность научных результатов и основных выводов подтверждается хорошим соответствием полученных автором теоретических (расчётных) результатов и данных практических наблюдений на накопителях гражданских и промышленных отходов.
Личное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертации
заключается в самостоятельной разработке методики расчётов подземных линейных сооружений, выполнении по пей конкретных вычислений с учетом реальных характеристик грунтов, скорости наращивания нагрузок для хвостохранилища Учалинского ГОКа. Автором также разработана методика определения продольных арматур в коллекторах с учетом их максимальных внутренних усилий и стыковки разных участков.
Апробация работы. Основные положения, изложенные в диссертационной работе, представлены и обсуждены на Научно-технической конференции студентов (в рамках Недели науки СПбГПУ, Санкт-Петербург, 2004), IX Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы «Фундаментальные исследования в технических университетах» (СПбГПУ, 2005), Региональной конференции по проблемам экологии Санкт-Петербурга и Ленинградской области (Русское Географическое Общество, Санкт-Петербург, 2005), Шестом международном молодёжном экологическом форуме «ЭКОБАЛТИКА'2006» (Санкт-Петербург, 2006).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 128 страницах машинописного текста, включает 7 таблиц и 26 рисунков. Список использованной литературы содержит 38 наименований.
Развитие методов расчета трубопроводов или коллекторов и основные принципы расчета
В расчетах конструкций, в том числе трубопроводов, за пределом упругости первостепенное значение имеет исходная диаграмма деформирования материала, которая основывается на диаграмме растяжения материала. Действительные диаграммы растяжения находятся экспериментальным путем. Одним из оптимальных путей использования диаграммы работы материала для расчета конструкций, особенно с применением численных методов, является представление этой диаграммы по результатам испытаний в табличной форме, т.е. в виде отдельных условных точек, в которых известны соответствующие друг другу пары значений "напряжение - деформация". Потом применяют линейную интерполяцию [1].
При расчете различных конструкций трубопроводов (подземных или открытых) для определения внутренних усилий в качестве их расчетной модели применяется стержневая система со связями. При этом для сложных статически-неопределимых систем распределение внутренних усилий чаще всего находят исходя из упругой работы материала труб. Результатом такого расчета являются значения внутренних усилий в сечениях трубопровода. Уровень напряженно-деформированного состояния (НДС) любого трубопроводов ряде случаев характеризуются напряжениями, превосходящими предел пропорциональности, когда работа материала труб не подчиняется закону Гука. Во всех случаях для оценки предельных состояний конструкции необходимо получить распределение напряжений в сечении трубопровода при нагрузках и воздействиях, вызывающих пластические деформации. В работах A.M. Геммеринга и В.П. Коломиеца, можно встретиться задачей определения НДС сечения сплошного стрежня из упругопластического материала при одноосных и двухосных напряжениях напорного тонкостенного трубопровода с учетом деформаций материала. В некоторых случаях исходные параметры - толщина стенки и температурный перепад являются заданными величинами, а необходимо определить напряженное состояние (кольцевое или продольное).
До середины прошлого века не были рассмотрены взаимодействия трубопроводов с грунтами. Неучитывание действительных условий работы трубопроводов в грунтах привел к авариям на ряде магистральных и промышленных трубопроводов, поэтому расчет трубопроводных конструкций вне связи их с грунтами недопустим. Сейчас уже не один трубопровод не сооружается, если по нему не сделаны расчеты продольных и поперечных перемещений труб в разных условиях грунтов, осадок труб, их изменение во времени и т.п. Эти расчеты можно выполнить только на базе достижений науки, называемой механикой грунтов, которая позволяет качественно проектировать сооружения магистральных трубопроводов в любых фунтовых условиях и обеспечить их высокую эксплутационную надежность [8].
Для определения количественных параметров взаимодействия подземных трубопроводов с фунтом необходимы данные по его физико-механическим характеристикам, а также ряд параметров, определяющих нафузки и воздействия на трубопроводы, связанные с изменением инженерно-геологических и гидрогеологических условий. Эти характеристики определяются на основании инженерных изысканий фунтовых условий, с учетом возможно измененных характеристик во времени, связанных со строительством и дальнейшей эксплуатации трубопровода. При проведении инженерных изысканий и прогнозировании следует учитывать конструктивное решение трубопроводов, технологические параметры - температуру транспортируемого продукта.
Основными параметрами механических свойств фунтов, определяющих напряженное деформированное состояние подземных фубопроводов, являются угол внутреннего трения ср, удельное сцепление С, модуль деформации фунтов Е, предел прочности на однородное сжатие R и другие. Прежде всего, на классификацию фунтов по комплексу признаков нужно установить классы, фуппы, подфуппы, типы, виды и разновидности фунтов, чтобы определить их основные физико-механические характеристики. В состав фунтов, как в сложно-взаимодействующую систему входят, кроме минеральных частиц, газы и воды в твердом, жидком и газообразном состоянии. Такие фунты определяются многофазными показателями их строительных свойств, характеризующими их несущую способность и взаимодействие на сооружения.
Под физико-механическими характеристиками фунтов понимается прочность и объемный вес (у) в естественном состоянии, природная (естественная) влажность, модуль общей деформации фунта, коэффициент водонасыщенности, прочность, а также физические показатели - плотность частиц фунта рь, плотность сухого фунта pj, маловая влажность W, коэффициент пористости е, степень влажности Sr ,число пластичности 11} показатель консистенции, показатель текучести. Без этих парамефов нельзя принимать никаких конструктивных решений в трубопроводном строительстве, а также для остальных подземных сооружений.
Для расчета линейных трубопроводов используется также деформационный параметр ц. - коэффициент Пуассона грунта, который считают равным: для крупнообломочных грунтов - 0,27; песков и супесей - 0,3; суглинков - 0,35; глин - 0,42, коэффициент бокового давления \ и другие.
Для расчетов прочности подземных линейных трубопроводов необходимо определять напряженное состояние грунтов, используемых в качестве оснований конструкций или среды, в которых эти трубопроводы возводятся. Напряжения в грунтах возникают от собственного веса грунта, воздействия различной внешней нагрузки и фильтрационных сил. Определение напряженного состояния, является весьма сложной задачей, потому что свойства грунтов изменяются в широком диапазоне в зависимости от многих факторов. Используя расчетную модель, можно решать те или иные задачи по определению напряженного состояния в трубопроводном строительстве.
Учет влияния нестабилизированного состояния грунта в процессе его консолидации во времени
Явление сжимаемости грунтов имеют весьма большое значение при проектировании любых инженерных сооружений на сжимаемых грунтах. Деформации сжатия грунтов происходит, в основном, вследствие сближения твердых частиц между собой, тогда как деформации самих твердых частиц имеют по сравнению с ними пренебрежимо малое значение. Вследствие этого, деформации сжатия грунтов в основном определяются изменением пористости, а следовательно, могут оцениваться изменением коэффициента пористости е при изменении сжимающих напряжений о, в скелете грунта [26].
Результаты выполненных при определении зависимости между е и а в скелете грунта в лабораторных условиях обычно представляют графически в виде так называемой "компрессионной кривой".
Компрессионные кривые (1 ) монолитов глинистых грунтов с ненарушенной структурой, а также достаточно плотных песчаных грунтов, как показано на рис. 2.1, значительно положе соответствующих кривых (1) тех же глинистых грунтов с нарушенной структурой и рыхлых песчаных грунтов. Вследствие этого, при проведении лабораторных исследований для изучения деформационных свойств оснований сооружений, возводимых на естественных грунтах, их следует проводить обязательно на монолитах с ненарушенной структурой, так как в противном случае сжимаемость основания будет сильно преувеличена. Рис. 2.1. Компрессионные кривые грунта
Это выражение показывает, что тем больше величина а, тем сильнее уплотняется грунт.
При уменьшении сжимающих напряжений, т.е. разгрузки грунта, наблюдается увеличение коэффициента пористости (рис. 2.2) (расширение образца грунта или, как чаще называют, разбухание грунта). При этом проявляется одна из основных особенностей деформируемости грунтов - наличие значительных необратимых (остаточных) деформаций грунта, т.е. на графике е(о) кривая разбухания (или ветвь разгрузки) проходит значительно ниже и м меньшим уклоном, чем кривая уплотнения (ветвь загрузки). Иными словами, грунт в большинстве случаев его загружения (особенно первичного) не является упругим телом.
При циклической нагрузке и разгрузке грунта до одних и тех же напряжений наблюдается затухающее накопление остаточных деформаций, но постепенно ветви загрузки и разгрузки сливаются и грунт ведет себя как идеально упругое тело (рис. 2.3).
Вследствие того, что после окончания каждого цикла нагрузки и разгрузки общее количество контактов в грунте все время увеличивается, деформации грунта при каждом новом цикле нагрузки - разгрузки постепенно уменьшаются, так как при большом количестве контактов одна и та же нагрузка вызывает, естественно, меньшие деформации. В особенности это относится к остаточным деформациям, вследствие чего деформации постепенно становятся все более и более упругими. После большого количества циклов нагрузки и разгрузки дальнейших явлений возникновения новых контактов, более плотной упаковки и нарушения структуры совсем не происходит. Деформации становятся практически совершенно упругими и объясняются только выжиманием и обратным поступлением воды в контактах грунта, а также явлениями упругого сжатия структуры и в меньшей степени - материала минеральных частиц грунта.
Следует отметить существенные различия сжатия песчаных и глинистых грунтов. Под влиянием статической нагрузки песчаные грунты уплотняются слабо: в случае плотных песков - весьма незначительно, в случае рыхлых песков - сильнее. Динамические нагрузки вызывают значительное уплотнение песчаных грунтов: в случае рыхлых песков - весьма значительное, в случае же плотных песков - небольшое.
Глинистые грунты слабо уплотняются под воздействием кратковременных динамических нагрузок, а в случае полного их водонасыщения практически не уплотняются совсем. Под влиянием же длительных статических нагрузок в условиях, когда влажность их достаточно высока, а плотность невелика, глинистые грунты уплотняются весьма значительно.
Длительность процесса уплотнения, называемая иногда периодом стабилизации, изменяется в зависимости от вида и свойств грунта (рис.2.4) и размеров уплотняемой области от пренебрежимо малых промежутков времени до десятков и даже сотен лет. Соответственно напряженное состояние в скелете грунта и в воде в течение процесса уплотнения называют нестабилизированным напряженным состоянием. Напряженное состояние, возникающее после окончания явлений уплотнения, часто называют конечным или стабилизированным[ 14].
При наличии свободного воздуха в порах грунта скорость уплотнения последнего определяется в основном ползучестью и вязким характером деформаций скелета грунта, а уплотнение может происходить при неизменном водосодержании грунта. Если же в уплотняемом грунте отсутствует свободный воздух либо он был удален или подвергался защемлению на более ранних стадиях уплотнения, то уплотнение такого грунта протекает иначе, чем в случае, когда уплотняемый грунт содержит свободный воздух.
В случае полностью водонасыщенных грунтов явления уплотнения, т.е. уменьшение пористости грунта под воздействием какой-либо уплотняющей нагрузки, могут происходить только в результате удаления некоторого количества воды из пор грунта, которые возникает вследствие неравномерного распределения напоров при сжатии воды в порах грунта приложенной уплотняющей нагрузкой.
Деформационные свойства грунтов с ненарушенными цементационными связями характеризуются, как всегда, компрессионной кривой, или коэффициентом уплотнения, или же модулем деформаций грунта с ненарушенной структурой. Явление ползучести скелета грунта и выжимание воды из пор не играют в таких случаях большой роли, вследствие чего деформации грунта после приложения нагрузки нарастают достаточно быстро. В случаях структурных грунтов с высокой пористостью, как например, некоторых структурных илов, явления уплотнения их под нагрузкой, могут быть значительными и без нарушения цементационных связей.
В случае песчаных грунтов уплотнение протекают весьма быстро. В случае глинистых грунтов длительность уплотнения может изменяться от сравнительно небольших промежутков времени, когда глинистые слои малой толщины перемещаются с дренирующими их песками, до весьма больших сроков, измеряемых десятилетиями, а иногда столетиями.
При рассмотрении явлений уплотнения свойства скелета грунта, определяющие скорость нарастания ползучих деформаций, могут быть описаны зависимостью, характеризующей изменение во времени коэффициента пористости грунта. Эта зависимость должна быть такой, чтобы для моментов времени, соответствующих окончанию нарастания ползучих деформаций грунта, она совпадала с обычной компрессионной зависимостью, т.е. в случае одномерной задачи с уравнением компрессионной кривой [26].
Для слабых сильно сжимаемых, например, илистых или лессовых посадочных замачиваемых грунтов становится иногда неоправданным принимаемая в модели сплошных сред гипотеза малых деформаций. В этом возникает необходимость в рассмотрении модели не только физически нелинейно деформируемой, но и геометрически нелинейной среды при изменении напряженного состояния и развитие деформаций в грунте во времени (реологические модели грунта), в частности процессы ползучести скелета грунта и релаксации напряжений. Однако, как показывает строительная практика, выполнение одного этого требования все же не обеспечивает во всех случаях необходимую прочность линейных сооружений и нормальные условия их эксплуатации. Нарушение этих обязательных нормальных условий эксплуатации сооружений связано также с их неравномерной осадкой за счет неравномерной деформации слабых разностей грунтов в толще основания под воздействием приложенных к нему сил. Особенно часто подобная обстановка возникает при наличии в толще основания линейных сооружений слабых грунтов (рис. 2.5). Осадка линейных сооружений по ряду причин (неоднородность строения основания и свойств слагающих его грунтов, неравномерность нагрузки и распределения напряжений в грунтовой толще и т.д.) всегда в той или иной мере неравномерна. Здесь следует отметить, что даже при строго однородном основании сооружений осадка их всегда бывает неравномерной в связи с особыми условиями распределения напряжений в грунтовой толще [20].
Вопрос об осадке сооружений, как результат пластических явлений и ползучести, еще очень слабо разработан. В современной постановке вопроса считается лишь необходимым путем применения соответствующих мероприятий исключить возможность проявление процессов. При этом условии вопрос о неравномерной осадке линейных заглубленных сооружений целиком становится в зависимость от процесса уплотнения грунтов в основании сооружения под его весом. При этом, следует отметить, что влияние уплотнения на трубопроводное строительство является необходимым условием влияния насыпи в виде нагрузки над трубопроводом.
Еще одним важным фактором при проектировании линейно-протяженных сооружений является учет анизотропии грунтовой толщи. Анизотропия механических свойств грунтов является их неотъемлемым свойством, которое необходимо учитывать в расчетах напряженно-деформированного грунтового массива. Анизотропия толщи основания сооружения возникает в условиях тонкого его переслаивания разнородными грунтами как следствия особых фациальных условий накопления толщи. В общем случае анизотропное строение толщи не может не сказываться на формах ее напряженного состояния, возникающего под внешней нагрузкой, однако учет этого фактора при прогнозе осадок и деформации сооружений (трубопроводов, коллекторов), как показывает анализ, оказывается достаточно сложным [20].
Алгоритм расчета и основные положения математической модели решения задач устойчивости трубопроводных систем по программе GRUNTUS
Таким образом, использование вычислительного комплекса GRUNTUS и SCAD для изучения стабилизированного состояния и напряженно-деформированного состояния (НДС) сооружений и конструкций трубопроводов явно является необходимым и достаточным. Именно такие линейные сооружения как трубопроводные системы обладают переменными характеристиками (деформация, изгибающие моменты, поперечные и продольные силы, осадки основания) при изменении физико-механических свойств грунтов основания по длине и изменении внешних воздействий. Вышесказанное является весьма важным для оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) и для сохранения их надежности.
Из анализа вышеприведенных расчетов можно дать количественную оценку надежности сооружения в целом.
В диссертации разработана методика исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) балок конечной жесткости на неравномерно деформируемом основании, загруженных внешними нагрузками в виде веса грунта.
Выполнимые в рамках данной работы исследования позволяют сформировать основные выводы и результаты:
Разработанные алгоритмы решения задач надежности подземных линейных сооружений, т.е. трубопроводных систем основанные на сочетании метода конечных элементов и метода конечных разностей с пошаговым интегрированием во времени. Алгоритмы реализованы в рамках программного комплекса GRUNTUS и SCAD. Использование комплекса позволяют учитывать неоднородности рассмотренной расчетной области, а также последовательность возведения сооружения и изменения во времени граничных условий. 2. С помощью разработанного алгоритма решен ряд задач, что позволило получить следующие выводы:
Физико-механические характеристики однородного или неоднородного грунта основания любого типа сооружения не являются постоянным при действии внешних нагрузок от сооружения и с течением времени меняют свои свойства.
Величина осадки основания из различных типов грунтов непрерывно увеличивается с момента действия нагрузок вне зависимости от свойств грунта.
Расчетные физико-механические характеристики грунтов сильно влияют на надежность сооружения, поэтому необходимо исследовать изменение свойств грунтов до или после завершения строительных работ и во времени эксплуатации.
Грунт всегда обладает нелинейными свойствами при действии внешних нагрузок, поэтому необходимо исследовать этот фактор при определении НДС трубопроводных систем для правильного армирования.
Изучение вышеуказанных факторов при проектировании линейных сооружений, например, трубопроводной системы, позволяет учесть вероятностную природу свойств материалов конструкций и их оснований, а также нагрузок и воздействий; выделить параметры, оказывающие наибольшее влияние на надежность, и дать количественную оценку надежности сооружения в целом.
Проведен анализ взаимного влияния порового давления грунтовых сред на характер изменения эпюры осадок в расчетной области под действием наращиваемых нагрузок, т.е. при уменьшении действие порового давления грунта приводит основания к стабилизированным состоянием. При этом скорость консолидации многослойных оснований увеличивается зависимости от коэффициента фильтрации (Кф) и коэффициента пористости (е) в заданном диапазоне изменения напряжений. 4. Наращивание нагрузок на подземные линейные сооружения сильно влияет на их надежности. Показано, что основание деформируется неравномерно во времени. При этом, характер осадок основания является нелинейным, поэтому при проектом этапе подземных сооружений необходимо изучить влияния неравномерных осадок на внутренние усилии конструкций построенных на основании из различных типов грунтов.
Необходимо исследовать изменения характер основания во времени до момента завершения полной консолидации. Так как результаты показывают, что подземная балка изгибается максимально по его величине на тех местах основания, где существует большое значение осадки. Иным словам можно сказать, что характер изменения эпюры осадок основания во времени похоже на характер влияния изгибающих моментов конструкций под действием вертикальных нагрузок в виде веса грунта.
Исследование причин разрушения подземных трубопроводных систем объясняет, что обычно аварии происходит из-за неправильного изучения нестабилизированного и стабилизированного состояния основании во времени при действии на него внешних нагрузок, а также неправильного армирования конструкций (например, для железобетонных коллекторов). При отсутствии продольных арматур на подземных линейных сооружений расположенные на основании с переменной величиной осадки не могут сохранять работоспособность. В разделе диссертации хорошо продемонстрированы процессы правильного армирования по главному направлению конструкции в зависимости от его НДС.
С помощью разработанного алгоритма решен ряд практических задач к определению напряженно-деформированного состояния и подбора продольной арматуры коллектора на разделительной дамбе хвостохраналища Учалинского горно-обогатительного комбината. Полученные результаты при реализации разработанного алгоритма полностью отвечает всем требованиям проектной организации по сравнению ПК. 8. Развитие подземных трубопроводных систем в промышленном, гражданском и гидротехническом строительстве играет особую роль для развития любого государства в целом в современном мире. Проектирование и строительство подземных линейных сооружений является сложной задачей, так как эти сооружения располагаются на неоднородных грунтах основания и в сложном рельефе местности и под воздействием неравномерных нагрузок. Даже незначительные повреждения конструкции могут являться причиной аварий, которые происходят каждый год во всем мире. Несмотря на некоторые допущения, разработанные алгоритмы содержат все необходимые условия для исследования НДС и обеспечения надежности конструкций, а также для изучения деформации основания из различных типов неоднородных или однородных грунтов во времени. При соблюдении правил реализации разработанных алгоритмов можно сократить количество аварий и увеличить срок эксплуатации таких линейных подземных сооружений как железобетонные коллекторы.
Определение внутренних усилий коллектора
Для этого расчетные исследования были разделены на несколько этапов. На каждом этапе «мгновенно» возводилась дамба высотой 2,0 м на год до отметки 578,00. При этом определялись осадки и изменения избыточного порового давления по глубине основания во времени под действием предложной нагрузки от тела дамбы. Расчеты были рассмотрены через каждый 3 года в качестве шага расчетного время. При этом основания дамбы находилось в стабилизированном состоянии через 30 лет. Получены результаты расчетов нестабилизированных и стабилизированных осадок основания приведены на приложении 1.
На рис. 4.3. приведены эпюры осадок основания коллектора в разные моменты времени и эпюры стабилизированных осадок. Как показали расчеты, максимальная стабилизированная осадка основания под центром левой боковой призмы мощностью 29,0 м возведенной до отметки 578.00 м составляет 117 см. Время полной стабилизации зависит от скорости процесса консолидации, которое равняется 30 лет в данном случае.
Изменения избыточного порового давления по глубине и по главной оси основания во времени под действием нагрузки от дамбы, возведенной до отм. 578.0 м: а - на расстоянии 90,0 м; б - на расстоянии 180, м; в- на расстоянии 300,0 м
Определение внутренних усилий коллектора Задача состоит в определения конечных смещений коллекторов, внутренних усилий, т.е. изгибающий момент, поперечная сила и продольная (нормальная) сила вдоль главной оси.
В качестве расчетной модели была использована модель плоской задачи теории упругости. Из массива хвостохранилища мысленно вырезана полоса 1,0 м. Для реализации расчета использовался метод конечных элементов (МКЭ) по SCAD. Разбивка расчетной схемы сооружения на конечные элементы проводится с учетом различных физико-механических свойств фунтов соответствующих зон. Конечно-элементная схема сооружения приведена на рис. 4.5.
Использование данной схемы даст возможность учесть влияния жесткости коллектора на распределение усилий. Для этою в конечно-элементную схему составленную из элементов плоской задачи теория упругости (Балка-стенка) введены стержневые элементы с жесткостью, соответствующей жесткости железобетонного коллектора с кожухом (класс бетона - В25). В разработанной конечно-элементной модели были использовано 625 узлов и 1163 элементов при разбитии конечных элементов по шагом 5,0 м. В качестве нафузки был задан собственный вес фунта (тело дамбы) выше отметки 549,00 и взвешивающие усилия, вызванные подемом уровня фунтовых вод в результате намыва хвостохранилища.
В качестве фаничных условий принимается условия жесткого защемления вдоль линии, отделяющей учитываемую в расчетах часть основания от остальной части. При этом в расчетной части входит та часть на которой коллектор находится и передается вертикальное давление только через коллектора. Про этом в расчетную область входит та ее часть на которой коллектор и передается вертикальное давление от наращиваемой части хвостохранилища.
Результаты расчетных сочетаний в коллекторе представлены в приложении 2. Эпюры внутренних усилий: изгибающий момент (My), поперечная сила в коллекторе показаны на рис. 4.6. Рис. 4.6. Результаты расчегных сочетаний в коллекторе по программе SCAD а- зиюры изгибающих моментов М (Т м); б- эпюры поперечных сил Qz (Т)
В целях этой задачи принимались коллектор длиной 255,0 м, и расположение которого представлен на рис. 4.1. При подборе продольной армагуры железобетонного кожуха не учитывалось запас прочности стальной трубы (внутренней опалубки), а также в связи с возможностью коррозией в трубопроводе.
Расчет приводится в соответствии со СНиП 2.03.01-84 "Бетонные и железобетонные конструкции" для арматуры класса А-Ш и бетона класса В-25 на расчетные значения изгибающих моментов. Для этой цели использовались вычислительный комплекс SCAD. По принципу метода конечных элементов длина коллектора была разбита на 51 одинаковых участков с учетом пересекаемых им узлов. Каждый элемент имеет длину 5 м. Таким образом, весь коллектора длиной 255м имеет позиции с 1113 по 1163 по конечно-элементной схеме. При реализации вычислительного комплекса SCAD для подбора арматуры в сечениях стержневых железобетонных элементов по предельным состояниям первой и второй групп (прочность и трещиностойкость) были приняты такие силовые факторы:
Результатом работы вычислительного комплекса является определение площади сечениях продольных арматур, а также площади и шаг поперечных арматур на все элементы коллектора. Все выдающие результаты в виде таблицы представлены на приложении 3.
После анализа характеристик внутренних усилий и полученных площадей сечения продольной арматуры по элементам можно разделить коллектор на 4 секции для удобства и сокращения время при наборе арматуры. В качестве варианта набора арматуры всех секций сведены в таблице 4.2.
Видно что, все секции коллектора имеет разные количества арматуры диаметр. Для соединения этих секций необходимо стыковать их между собой. По расчету нет необходимости выбирать поперечных арматур, поэтому можно поставить конструктивно dl О А-Ш по шагом 200 мм.
Таким образом, использование вычислительного комплекса GRUNTUS и SCAD для изучения стабилизированного состояния и напряженно-деформированного состояния (НДС) сооружений и конструкций трубопроводов явно является необходимым и достаточным. Именно такие линейные сооружения как трубопроводные системы обладают переменными характеристиками (деформация, изгибающие моменты, поперечные и продольные силы, осадки основания) при изменении физико-механических свойств грунтов основания по длине и изменении внешних воздействий. Вышесказанное является весьма важным для оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) и для сохранения их надежности.
