Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор экспериментальных исследований и методов расчета напряженно-деформированного состояния основании морских гидротехнических сооружений гравитационного типа, подверженных волновому воздействию 5
Глава 2. Экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния грунтовых оснований морских сооружений гравитационного типа при низкочастотном циклическом нагружении 35
Глава 3. Результаты экспериментальных работ 55
3.1. Результаты наблюдений за осадками штампов при низкочастотном циклическом нагружении 55
3.2 Результаты исследования напряженного состояния грунтового основания 64
3.3 Результаты измерения деформационных зависимостей грунтового основания при вертикальном циклическом нагружении ... 76
ГЛАВА 4. Численная методика расчета осадок морских сооружений гравитационного типа при воздействии на них низкочастотных циклических нагрузок 85
4.1 Описание методики расчета 85
4.2 Результаты численных расчетов напряженно-деформированного состояния грунтового основания при низкочастотном циклическом нагружении 96
Заключение 104
Список использованных источников 106
Приложение № 1 113
Приложение № II 126
- Экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния грунтовых оснований морских сооружений гравитационного типа при низкочастотном циклическом нагружении
- Результаты наблюдений за осадками штампов при низкочастотном циклическом нагружении
- Результаты измерения деформационных зависимостей грунтового основания при вертикальном циклическом нагружении
- Результаты численных расчетов напряженно-деформированного состояния грунтового основания при низкочастотном циклическом нагружении
Экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния грунтовых оснований морских сооружений гравитационного типа при низкочастотном циклическом нагружении
В период с 1973 по 1978 г.г. в Северном море на глубинах от 70 до 150 м были установлены тринадцать платформ гравитационного типа [49]. На них было установлено оборудование для измерения осадок, наклонов платформ, порового давления, контактных напряжений по подошве, длительных горизонтальных смещений, разности гидростатического давления в зоне юбочной конструкции, напряжений в стойке, потока воды в дренажной системе, размывов, волновых нагрузок и других параметров. Волновые нагрузки за период наблюдения составляли 45% от расчетных (данные о расчетных значениях нагрузок не приводятся). При этом осадка за 20 месяцев для одной из платформ, установленной на песчаном основании составила 350 мм. В первый месяц эксплуатации осадки составили 225 мм. Контактные напряжения через 20 месяцев составили 200 кН/м . Угол наклона платформ через 15-20 месяцев колебался от 0.01 до 0.03. Продолжительность консолидации для платформ на глинистых грунтах составила 15-20 месяцев, на песках 0-5 месяцев. Последующие вторичные осадки составили 7-15 мм в год. Одна платформа, установленная на плотном заиленном песке, дала во время шторма дополнительные осадки 50-70 мм. Горизонтальные смещения достигали 20 мм. Под действием волновых нагрузок колебание верха платформы составляло ± 5 мм. При этом резонансных явлений не наблюдалось.
Другие исследования, проведенные в Северном море на трех платформах [36] показали, что осадки после установки сооружения на грунт быстро нарастают в первые месяцы. Через год они составили 100 мм и оказались меньше расчетных 250 мм (метод расчета не приводится). Данные о волнении в этот период также не приводятся.
Большой интерес представляют эксперименты, проводившиеся на крупномасштабных моделях, такие, как исследования P.W. Rowe [69,70].
Работы P.W. Rowe были связаны со строительством защитных сооружений в Нидерландах (Оостершельд). Эксперименты проводились в искусственной гавани около острова Нелтье Яанс. Целью работ было исследование возможности разжижения песков в основании опорных кессонов защитных сооружений и проверка действенности различных методов уплотнения грунтов основания.
Модельный кессон был выполнен в масштабе 1:3 от реального сооружения и имел размеры в плане 15 х 27.7 м. Глубина воды в месте установки модели равнялась 6.0 м. Грунтовое основание было сложено мелкозернистыми песками, которые уплотнялись вибротрамбованием.
Для облегчения пересчета результатов, полученных на крупномасштабной модели, на реальное сооружение, дополнительно были проведены исследования поведения двух моделей, выполненных в масштабе 1:33 и 1:110 на центрифуге. Грунтовое основание также слагалось из песков плотностью 50% и 70%. Статическая и динамическая нагрузки прикладывались к моделям ступенями до потери ими устойчивости.
При проведении экспериментов к модельному кессону прикладывалась горизонтальная сдвигающая нагрузка, поэтому потеря устойчивости всегда происходила по схеме плоского сдвига.
Опыты показали, что перемещение модели быстро возрастали после приложения циклической нагрузки и затем достигалось состояние равновесия. Рост перемещений авторы объясняли наличием в приповерхностном слое грунтового основания некоторых зон рыхлого грунта. Для проверки этого были проведены специальные эксперименты в которых в грунтовом основании были искусственно созданы зоны рыхлого грунта. При этом оказалось, что осадки кессона перед потерей устойчивости За счет плоского сдвига возросли в три раза. Также возросли размахи колебательных движений модели и наблюдалось повышение порового давления в зонах рыхлых грунтов.
В результате проведенных экспериментальных работ был сделан вывод, что главной причиной дополнительного роста осадок сооружения при его циклическом нагружении является наличие в грунте основания зон рыхлого грунта.
Данный вывод P.W Rowe является спорным, так как рост дополнительных осадок сооружений при циклическом нагружении наблюдается и на однородных грунтах, что подтверждается экспериментами, описанными в главах 2, 3 данной работы.
Многие исследования циклического нагружения грунтового основания посвящены установлению физических причин роста осадок сооружений при циклическом нагружении. Одной из причин называют поровое давление в грунтовом основании, т.е. его накопление в ходе циклического нагружения.
В лаборатории механики грунтов г. Дельфт были проведены исследования на модели такого же кессона, входящего в защитные сооружения, как и в работе P.W. Rowe, но выполненного в масштабе 1:6 [47]. Модель располагалась в волновом лотке на грунтовом основании толщиной 2.5 м, состоящем из мелкого песка. Размеры модели в плане составляли 8.33 х 4.95 м и высотой 6.7 м. Глубина воды в лотке составляла: перед кессоном 5.0 м, за кессоном 2.0 м, что примерно воспроизводило реальные условия эксплуатации сооружения.
Нагрузка на модель создавалась стоячей волной, высота которой постепенно увеличивалась до потери моделью устойчивости (за потерю устойчивости принималось ее постоянное плоское скольжение). В результате проведенных работ было установлено, что поровое давление в основании кессона может расти за счет двух факторов: 1. За счет проникновения избыточного волнового давления в поры грунта; 2. За счет уплотнения грунта при колебаниях сооружения. Перед передней стенкой сооружения эти два фактора противодействуют друг другу. Под тыловой стенкой волновое давление оказывает малое воздействие и определяющим становится колебание сооружения. Были получены диаграммы изменения порового давления в грунтовом основании, которые показали большие градиенты порового давления под краями модели. Таким образом, модельные эксперименты показали, что при приложении циклических нагрузок на сооружение наблюдается значительное увеличение его осадок, которое объясняется либо наличием в грунте зон рыхлого грунта, либо повышением порового давления. Авторы указанной работы считают, что только поровое давление или наличие зон рыхлого грунта в основании сооружения является причиной роста осадок при циклических нагрузках. Исследования, описанные в работах Андерсона [42,43,44] проводились на глинистых грунтах, но автор считает, что их результаты могут быть распространены и на другие типы грунтов. Работы проводились на приборах трехосного сжатия и плоского сдвига, что дало возможность наиболее подробно изучить свойства грунтов при их циклическом нагружении. Автор считает, что в грунтовом основании под сооружением, имеющем большие размеры, в различных точках создаются различные напряженные состояния и испытания образцов грунта должно повторять эти напряженные состояния. Поэтому рекомендуется применять приборы трехосного сжатия для испытания образцов под краем фундамента, и приборы плоского сдвига - под центром.
Результаты наблюдений за осадками штампов при низкочастотном циклическом нагружении
Циклограмма динамических составляющих реакций R,JX, &,. в узле подвески О и момента My{ p,t)= R„XH относительно основания М приведена на рис. 2.4 б.
Осадки и колебания модельных штампов регистрировались индикаторами перемещения "КИ" часового типа с ценой деления 0.01 мм и 0.001 мм, установленные на жестких балках рядом с краем штампа (рис. 2.1). Регистрация перемещений проводилась через каждый час в течение опыта и прекращалась при нарастании перемещений меньше, чем 0.01 мм за час. Этот состояние принималось за стабилизацию осадок штампа, после которого опыт прекращался. Обычно опыт продолжался не менее 80 часов.
При регистрации осадок штампов точное их измерение было не возможно, т.к. штамп совершал колебательные движения и показания индикаторов постоянно изменялось. Однако величина амплитуды колебания краев штампа оставалась практически неизменной в ходе одного опыта. При записи осадок регистрировалась верхняя {SJ и нижняя точка {SJ колеблющегося штампа. Их разница равнялась амплитуде А = (s„ - Sj) Среднее арифметическое этих значений принималось как осадка края штампа S, = {SU+SJ)/2 . Для того, чтобы определить осадку штампа, индикаторы ставились с двух сторон в плоскости колебания сердечника маятника. Среднеарифметическое их показаний принималось как осадка штампа
Большое внимание при проведении опытов уделялось измерению напряжений в грунтовом основании и на контакте "штамп-грунт". Измерение напряжений проводилось специально изготовленными для этого месдозами.
В наибольшей степени измерения напряжений были связаны со штампом № 4, круглым в плане, однако некоторые методические опыты проводились и со штампом № 3 (прямоугольный штамп).
Для измерения напряжений на контакте штамп-грунт использовались месдозы жесткой конструкции ЦНИИСК диаметром 35 мм и толщиной 7 мм (см. рис. 2.5 а). Диапазон измеряемых напряжений от 0 до 0.3 мПа. В качестве вторичной аппаратуры для них использовались тензометрические усилители 4АНЧ-22 и светолучевые осциллографы Н.043-1, которые позволяли выходить на необходимую надежную чувствительность датчиков и при этом давали возможность проводить непрерывную запись их показаний, что необходимо для получения картины циклического изменения напряженно-деформированного состояния грунтового основания.
"Жесткие" месдозы были замурованы в бетон подошвы штампа. Схема их установки показана на рис. 2.6 а. Их установка в плоскости колебания сердечника маятниковой установки (рис. 2.6а вариант 2) позволила измерять напряжения в наиболее нагруженной части штампа. Однако для объемной оценки напряженно-деформированного состояния грунтового основания в нескольких опытах датчики устанавливались по схеме, изображенной на рис. 2.6а (вариант 1).
В методических опытах с прямоугольным штампом «жесткие» месдозы устанавливались в массив грунта (рис. 2.6 в). Это позволило получить эпюру напряжений в грунтовом массиве. Однако, учитывая низкую чувствительность этих датчиков в дальнейшем для этих целей были изготовлены «гибкие» месдозы конструкции НИС Гидропроект, чувствительность которых была в четыре раза выше.
Результаты измерения деформационных зависимостей грунтового основания при вертикальном циклическом нагружении
Результаты данных экспериментов позволили получить исходные данные для численного расчета напряженно-деформированного состояния грунтового основания, описанного в главе №
Проведенные экспериментальные работы позволяют сделать следующие выводы: 1. Сооружения, подверженные низкочастотному циклическому нагружению получают дополнительные (к статическим) осадки. 2. Причиной дополнительного роста осадок можно назвать перераспределение статических напряжений в основании сооружения при его колебаниях. 3. Перераспределение напряжений приводит к их концентрации под центром сооружений и уменьшением под его краями. 4. Данное перераспределение связано с различиями модулей деформации грунтов (или коэффициентов постели) при повторном нагружении и разгрузке. 5. Величины модулей деформаций при повторном нагружении и разгрузке с увеличением числа циклов нагружения становятся близкими по величине, что говорит о постепенном замыкании петли гистерезиса деформирования грунта, характерной для данного вида нагружения. Задачей разработанной методики является расчет напряженно-деформированного состояния грунтового основания сооружений гравитационного типа. В данной методике учитываются основные физические особенности деформирования грунта при циклическом нагружении, установленные в результате проведенных экспериментов. Она позволяет проводить расчет осадок сооружений при циклическом низкочастотном знакопеременном нагружении, а также определять происходящее при этом перераспределение статических напряжений.
В общем случае на любое сооружение, расположенное на открытой акватории морей, воздействует волновая нагрузка, которая по своей природе является низкочастотной и знакопеременной. Она представляется в виде трапецевидной эпюры нагружения, распределенной по глубине воды (рис. 4.1.1). Равнодействующая эпюры RX прикладывается на некоторой высоте от подошвы сооружения h В этих условиях на грунтовое основание будет передаваться моментное нагружение от внешних сил M{t) и горизонтальная нагрузка цх. Кроме этих нагрузок грунтовое основание воспринимает вес сооружения G,, величина которого не изменяется в течение циклического нагружения.
Метод расчета разрабатывался на основе упруго-пластической контактной модели грунта, предложенной Б.И. Дидухом [6] (рис. 4.1.2), согласно которой остаточные деформации грунта (осадка сооружения) при циклическом нагружении (цикл «нагрузка - разгрузка - повторное нагружение») связаны с различием законов деформирования грунта под нагрузкой и разгрузкой. Это предположение действительно для любого уровня напряжений в основании и, следовательно, остаточные деформации грунта будут проявляться при любом уровне внешних циклических воздействий, т. е. грунт основания не может деформироваться упруго, а обязательно по завершении цикла "нагрузка-разгрузка" будет присутствовать его остаточная деформация.
Согласно этой методике, грунтовое основание представляется в виде набора пружин, каждая из которых деформируется независимо друг от друга. Законы деформирования каждой пружины могут быть различными, что дает возможность учитывать неравномерность сложения грунтового основания сооружения по длине подошвы. Фундаментная плита может быть принята как абсолютно жесткая, что наиболее характерно для морских сооружений гравитационного типа, так и обладающая некоторой гибкостью. Расчетная схема сооружения приведена на рис. 4.1.2.
Приложенная на некоторой высоте от подошвы фундамента горизонтальная циклически изменяющая свой знак сила (волновое нагружение), приводит к появлению некоторого циклического моментного нагружения на подошву м((). Величина этого момента в расчетах может быть представлена как перемещение равнодействующей вертикальных сил G на эксцентриситет M{i) = G e(t) (см. рис.4.1.4).
Под действием этого нагружения фундаментная плита получит некоторый крен и перемещение его любой точки может быть описано простой зависимостью (для абсолютно жестких фундаментов):
Результаты численных расчетов напряженно-деформированного состояния грунтового основания при низкочастотном циклическом нагружении
В период с 1973 по 1978 г.г. в Северном море на глубинах от 70 до 150 м были установлены тринадцать платформ гравитационного типа [49]. На них было установлено оборудование для измерения осадок, наклонов платформ, порового давления, контактных напряжений по подошве, длительных горизонтальных смещений, разности гидростатического давления в зоне юбочной конструкции, напряжений в стойке, потока воды в дренажной системе, размывов, волновых нагрузок и других параметров. Волновые нагрузки за период наблюдения составляли 45% от расчетных (данные о расчетных значениях нагрузок не приводятся). При этом осадка за 20 месяцев для одной из платформ, установленной на песчаном основании составила 350 мм. В первый месяц эксплуатации осадки составили 225 мм. Контактные напряжения через 20 месяцев составили 200 кН/м . Угол наклона платформ через 15-20 месяцев колебался от 0.01 до 0.03. Продолжительность консолидации для платформ на глинистых грунтах составила 15-20 месяцев, на песках 0-5 месяцев. Последующие вторичные осадки составили 7-15 мм в год. Одна платформа, установленная на плотном заиленном песке, дала во время шторма дополнительные осадки 50-70 мм. Горизонтальные смещения достигали 20 мм. Под действием волновых нагрузок колебание верха платформы составляло ± 5 мм. При этом резонансных явлений не наблюдалось.
Другие исследования, проведенные в Северном море на трех платформах [36] показали, что осадки после установки сооружения на грунт быстро нарастают в первые месяцы. Через год они составили 100 мм и оказались меньше расчетных 250 мм (метод расчета не приводится). Данные о волнении в этот период также не приводятся.
Большой интерес представляют эксперименты, проводившиеся на крупномасштабных моделях, такие, как исследования P.W. Rowe [69,70]. Работы P.W. Rowe были связаны со строительством защитных сооружений в Нидерландах (Оостершельд). Эксперименты проводились в искусственной гавани около острова Нелтье Яанс. Целью работ было исследование возможности разжижения песков в основании опорных кессонов защитных сооружений и проверка действенности различных методов уплотнения грунтов основания.
Модельный кессон был выполнен в масштабе 1:3 от реального сооружения и имел размеры в плане 15 х 27.7 м. Глубина воды в месте установки модели равнялась 6.0 м. Грунтовое основание было сложено мелкозернистыми песками, которые уплотнялись вибротрамбованием. Для облегчения пересчета результатов, полученных на крупномасштабной модели, на реальное сооружение, дополнительно были проведены исследования поведения двух моделей, выполненных в масштабе 1:33 и 1:110 на центрифуге. Грунтовое основание также слагалось из песков плотностью 50% и 70%. Статическая и динамическая нагрузки прикладывались к моделям ступенями до потери ими устойчивости. При проведении экспериментов к модельному кессону прикладывалась горизонтальная сдвигающая нагрузка, поэтому потеря устойчивости всегда происходила по схеме плоского сдвига. Опыты показали, что перемещение модели быстро возрастали после приложения циклической нагрузки и затем достигалось состояние равновесия. Рост перемещений авторы объясняли наличием в приповерхностном слое грунтового основания некоторых зон рыхлого грунта. Для проверки этого были проведены специальные эксперименты в которых в грунтовом основании были искусственно созданы зоны рыхлого грунта. При этом оказалось, что осадки кессона перед потерей устойчивости За счет плоского сдвига возросли в три раза. Также возросли размахи колебательных движений модели и наблюдалось повышение порового давления в зонах рыхлых грунтов. В результате проведенных экспериментальных работ был сделан вывод, что главной причиной дополнительного роста осадок сооружения при его циклическом нагружении является наличие в грунте основания зон рыхлого грунта. Данный вывод P.W Rowe является спорным, так как рост дополнительных осадок сооружений при циклическом нагружении наблюдается и на однородных грунтах, что подтверждается экспериментами, описанными в главах 2, 3 данной работы. Многие исследования циклического нагружения грунтового основания посвящены установлению физических причин роста осадок сооружений при циклическом нагружении. Одной из причин называют поровое давление в грунтовом основании, т.е. его накопление в ходе циклического нагружения. В лаборатории механики грунтов г. Дельфт были проведены исследования на модели такого же кессона, входящего в защитные сооружения, как и в работе P.W. Rowe, но выполненного в масштабе 1:6 [47]. Модель располагалась в волновом лотке на грунтовом основании толщиной 2.5 м, состоящем из мелкого песка. Размеры модели в плане составляли 8.33 х 4.95 м и высотой 6.7 м. Глубина воды в лотке составляла: перед кессоном 5.0 м, за кессоном 2.0 м, что примерно воспроизводило реальные условия эксплуатации сооружения. Нагрузка на модель создавалась стоячей волной, высота которой постепенно увеличивалась до потери моделью устойчивости (за потерю устойчивости принималось ее постоянное плоское скольжение). В результате проведенных работ было установлено, что поровое давление в основании кессона может расти за счет двух факторов: 1. За счет проникновения избыточного волнового давления в поры грунта; 2. За счет уплотнения грунта при колебаниях сооружения. Перед передней стенкой сооружения эти два фактора противодействуют друг другу. Под тыловой стенкой волновое давление оказывает малое воздействие и определяющим становится колебание сооружения. Были получены диаграммы изменения порового давления в грунтовом основании, которые показали большие градиенты порового давления под краями модели. Таким образом, модельные эксперименты показали, что при приложении циклических нагрузок на сооружение наблюдается значительное увеличение его осадок, которое объясняется либо наличием в грунте зон рыхлого грунта, либо повышением порового давления. Авторы указанной работы считают, что только поровое давление или наличие зон рыхлого грунта в основании сооружения является причиной роста осадок при циклических нагрузках. Исследования, описанные в работах Андерсона [42,43,44] проводились на глинистых грунтах, но автор считает, что их результаты могут быть распространены и на другие типы грунтов. Работы проводились на приборах трехосного сжатия и плоского сдвига, что дало возможность наиболее подробно изучить свойства грунтов при их циклическом нагружении. Автор считает, что в грунтовом основании под сооружением, имеющем большие размеры, в различных точках создаются различные напряженные состояния и испытания образцов грунта должно повторять эти напряженные состояния. Поэтому рекомендуется применять приборы трехосного сжатия для испытания образцов под краем фундамента, и приборы плоского сдвига - под центром.
