Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор конструкций и исследований фундаментов морских гравитационных платформ с ребристыми элементами 5
1.1 Фундаменты ребристой конструкции морских платформ 5
1.2 Исследования взаимодействия фундамента ребристое конструкции с грунтовым основанием 12
1.3 Цель и задачи дальнейших исследований фундаментов ребристой конструкции 31
ГЛАВА 2. Методика экспериментальных исследований фундаментов ребристой конструкции 32
2.1 Методы экспериментальных исследований 32
2.2 Состав ребристых элементов для экспериментов в грунтовом лотке
2.3 Экспериментальная установка и техника проведения экспериментов
2.4 Планирование экспериментов 42
ГЛАВА 3. Экспериментальное обоснование закономерностей развития сил сопротивления задавливанию плоских ребристых элементов 45
3.1 Влияние толщины плоских ребристых элементов на величину сил сопротивления 45
3.2 Влияние формы (очертания) ребра и угловых соединений на величину сил сопротивления при задавливании 54
3.3 Влияние плотности грунта и степени его водонасы щения на силы сопротивления задавливанию 59
ГЛАВА 4. Расчетное обоснование конструкции ребристых элементов 69
4.1 Нагрузки, действующие на ребристые элементы 69
4.2 Оптимальные конструктивные соотношения ребристых элементов 73
ГЛАВА 5. Оптимальная конструкция фундамента с ребристыми элементами 80
5.1 Конструктивные особенности фундаментов ребристой конструкции 80
5.2 Оптимальные соотношения фундамента ребристой конструкции 89
Заключение 100
Литература 104
- Исследования взаимодействия фундамента ребристое конструкции с грунтовым основанием
- Состав ребристых элементов для экспериментов в грунтовом лотке
- Влияние формы (очертания) ребра и угловых соединений на величину сил сопротивления при задавливании
- Оптимальные конструктивные соотношения ребристых элементов
Исследования взаимодействия фундамента ребристое конструкции с грунтовым основанием
Несмотря на довольно продолжительный ( 25лет) срок применения фундаментов ребристой конструкции в морских гравитационных платформах объем информации об их исследованиях и поведении в реальных условиях весьма скуден. Объясняется это тем, что владельцами этой информации являются иностранные фирмы-разработчики (Норвегия, Канада, США, Англия), и свои "ноу-хау" они держат в секрете. Наиболее полно в отечественной и зарубежной литературе представлены результаты лабораторных исследований - штамповых испытаний на совместное действие вертикальной и горизонтальной нагрузок. Данные исследования как бы имитировали поведение массивного фундамента , взаимодействующего с грунтовым основанием , и направлены были на определение несущей способности основания. Исследования проводились в грунтовых лотках с песками в воздушно-сухом состоянии [ 15, 17, 18, 28, 29, 51, 52 ]. В результате таких испытаний выявлена взаимосвязь между горизонтальными и вертикальными напряжениями , определяющими несущ\ю способность основания в виде графика на (рис. 1.5). Здесь же представлены схемы потери несущей способности основания. При этом возможны три формы разрушения основания : плоский сдвиг по подошве, выпор грунта из-под фундамента и смешанный сдвиг. Большой объем штамповых испытаний , отвечающий по условиям работы основания гравитационных платформ, выполнен в ОНИЛ МНГС МИСИ им. В.В.Куйбышева. Размер штампа составлял 1,94 1,94м , в качестве основания использовался водонасыщенный песок средней крупности. В исследованиях реализованы различные схемы нагружения : вертикальной ; вертикальной и горизонтальной ; вертикальной, горизонтальной и момент ной нагрузками. Результаты испытаний позволили отметить следующие : зависимости нагрузка-осадка-перемещения имеют нелинейный характер ; водонасыщенность основания снижает его несущую способность и повышает деформативность ; увеличение горизонтальной нагрузки при постоянстве вертикальной вызывает увеличение осадок; потеря несущей способности основания происходит в условиях сложного напряженно-деформированного состояния грунта с выпором у передней грани и сдвигом под подошвой. Соотношение этих зон зависит от характеристик грунта и действующих величин нагрузок.
Здесь следует указать , что условия работы штампа , имитирующего гравитационный фундамент с плоской подошвой , будут существенно отличаться от условий работы фундамента ребристой конструкции. Во-первых, фундамент ребристой конструкции заглубляется (задавливается) в основание на высоту ребер, а для этого необходимо знать величину вертикальной нагрузки для преодоления сил сопротивления задавливанию, которые , в свою очередь зависит от конструкции ребер. Во-вторых , в связи с заглублением фундамента в основание окружающий его грунт (пригрузка) окажет положительное влияние на общую устойчивость сооружения. В-третьих , конструктивное выполнение ребристой конструкции (ее геометрические соотношения) определенно отразится на процессе сдвиговых явлений в основании. В четвертых , напряженно-деформированное состояние под фундаментом ребристой конструкции определит геометрические параметры устраиваемых ребер. Не посредственно исследования взаимодействия фундамента ребристой конструкции с грунтом основания выполнены СИ. Шибакиным.
В состав его исследований входили опыты по определению сил сопротивления задавливанию фрагментов ребристых конструкций, штамповые испытания по изучению взаимодействия основания с фундаментом , анализ и поиск методов расчета фундамента с ребристыми элементами. Опыты по задавливанию ребристых элементов в водонасыщенное грунтовое (из среднезернистых песков) основание проводились с ребрами двух типов : клиновидное и плоское. При этом ширина ребра составляла 1м, а высота - 1,5м. В результате опытов построены графики (рис. 1.6) изменения с глубиной погружения полного, лобового и бокового сопротивления грунта и выявлены следующие закономерности : полное усилие задавливанию растет по мере погружения ребер нелинейно; полное усилие задавливанию клиновидных элементов в 1,5-2,5 раза превышает соответствующие значения при задавливании плоских ребер; лобовое сопротивление элементов обоих типов с некоторой глубины hKp = (10-15)b, где b-толщина торца ребра , по мере погружения возрастает по линейному закону ; при этом в плоских элементах его вклад в общее сопротивление достигает до 85% , а в клиновидных - до 50%; сопротивление боковой поверхности элементов увеличивается с глубиной погружения нелинейно , играя определяющую роль в полном усилии задавливанию клиновидных элементов (на 40-70% выше , чем при задавливании плоских ребер). Штамповые испытания при изучении взаимодействия основания и фундамента проводились на крупномасштабном фрагменте размером 1,94 1,94м . К металлическому жесткому штампу , подошва которого выполнялась плоской , с двумя (по краям) и тремя (по краям и в середине) ребрами , прикладывалась поочередно вертикальная, горизонтальная и момент ная нагрузка.
Состав ребристых элементов для экспериментов в грунтовом лотке
В соответствии с указанными выше задачами экспериментальных исследований для опытов отбирались две группы плоских ребристых элементов: в виде отдельных пластин и объемных конструкций различной конфигурации. При этом для выявлениия закономерности изменения усилия лобового сопротивления задавливанию в зависимости от толщины ребристого элемента предназначались пластины 6, 10, 20, 26 и 50мм. Чтобы получить качественную и количественную картину напряженного состояния системы "ребро - грунтовое основание" ребра проверялись по показателю приведенной глубины погружения , значения которого в натурных условиях и в экспериментах не должны значительно отличаться. Высота ребра h (глубина его погружения) , по данным СИ. Шибакина , должна быть больше критической глубины hKp = (10-15) b, где b - толщина лобовой поверхности (торца ребра). Исходя из этого для эксперимента изготовили ребра в виде пластин высотой 0,7-1,Ом и шириной 0,5м (рис.2.1). Для выяснения влияния формы ребристых элементов на величину усилия задавливания были изготовлены объемные конструкции в виде двух параллельных пластин, крестовины, замкнутой квадратной ячейки и круглой ячейки (рис.2.2). Первые три фрагмента формировались из пластин толщиной 6мм размером 0,5 0,5м. Круглая ячейка была изготоЕ.лена из трубы d = 0,5м с толщиной стенки 10мм. 2 кспериментальные исследования ребристых элементов фундамента гравитационной платформы проводились в грунтовом лотке Отраслевой лаборатории морских гидротехнических сооружений кафедры ВХиМП МГСУ. Лоток с плановыми размерами 8 5м при глубине 3,2м позволяет проводить исследования грунтов как при естественной влажности , так и при их полном водонасыщении. Для этой цели предусмотрены специальные водоподводящие и водоотводящие галереи. Для исследования сил сопротивления задавливанию ребристых элементов в лаборатории имеется экспериментальная установка , включающаяся в себя фрагмент ребра , упорную раму и гидравлическую систему (рис.2.3).
Гидравлическая система состоит из насосной станции , маслопроводов в виде гибких шлангов, двух гидроцилиндров и переключателей-реверсов. Упорная рама, на которой установлены гидроцилиндры , крепится к двум опорным силовым балкам грунтового лотка. В качестве грунта засыпки использовались аллювиальные пески , отмытые от глинистой фракции и просеяные через сита. В морфологическом отношении пески характеризуются как полиминеральные кварцево-полевошпатные со следующим содержанием частиц : кварца - 85,3%, полевых шпатов - 9,9%, смоды - 0,87%, обломков магматических пород - около 4%. По гранулометрическому составу пески достаточно однородны и относятся к пескам средней крупности. Их показатель гранулометрической неоднородности (Wdio в среднем составляет 2,9. Размеры частиц распределяются следующим образом: 10-2мм -4,1%; Зерна песка окатаны , но имеют значительную шероховатость. Предельные плотности скелета грунта 50% обеспеченности составляют ymm = 15,ЗкН/мЗ и у1Пах = 18,6кН/мЗ. Основными измеряемыми величинами в опытах по задавливанию ребристых элементов были нагрузка и глубина погружения фрагмента. Глубина погружения при этом фиксировалась с помощью двух мерных реек с ценой деления 1мм. Нагрузка в целях контроля регистрировалась двумя способами : образцовым манометром и кольцевым динамометром. Перед проведением опытов в грунтовом лотке выполнялся определенный объем подготовительных работ. В первую очередь это относится к созданию грунтового основания. Подготовка грунтового основания производилась путем послойной отсыпки песка естественной влажности (w = 2-4%) с уплотнением каждого слоя площадным вибратором до заданной плотности. Контроль плотности осуществляется зондированием легким зондом 133-3 и отбором проб стандартным режущим цилиндром через каждые 0,5м по высоте и по завершении укладки.
Опыты по задавливанию проводились при двух плотностях песчаного основания : ІбкН/мЗ и 18кН/мЗ в условиях естественной влажности , а также при плотности 18кН/мЗ в условиях полного водонасыщения основания. Порядок проведения опытов включал несколько неоднократно повторяемых процедур. Исследуемый фрагмент ребристого элемента вывешивался вертикально на гидроцилиндре, после чего нижняя часть ребра на высоту 0,15м засыпались грунтом с уплотнением до заданной плотности. Погружение ребристого элемента осуществлялось путем ступенчатого приложения нагрузки с регистрацией ее величины и
Влияние формы (очертания) ребра и угловых соединений на величину сил сопротивления при задавливании
Фундамент ребристой конструкции включает не только плоские ребристые элементы но и элементы других очертаний : угловые, тавровые, крестообразные. Усложнение конструкции ребристых элементов сопровождается увеличением сил сопротивления при задавливании (погружении) ребер в грунт. В исследованиях СИ. Шибакина этому вопросу уделено специальное внимание , и увеличение сил сопротивления за счет усложнения формы ребристых элементов предложено определять введением соответствующего коэффициента . Значения рекомендуемых коэффициентов увеличения сил сопротивления задавливанию ребер в пески средней плотности приведены в табл.3.7. Здесь следует отметить, что длина ребра (узла сопряжения) принята в 1 п.м., и опыты по задавливанию таких фрагментов в грунтовом лотке производились при свободных деформациях грунта во всех направлениях. В реальных же условиях фундамента ребристой конструкции ребра формируют замкнутые ячейки и деформации грунта внутри ячеек явно ограничены. При этом величина сил сопротивления задавливанию замкнутой ячейки должна быть больше, чем сумма сопротивлений четырех угловых соединений незамкнутого в единую конструкцию очертания . Проверку данного обстоятельства производили экспериментально при сопоставлении данных по задавливанию плоского ребра, ребра-креста, и замкнутой квадратной ячейки. При этом толщина листа (ребра) составляла 6мм, а нагрузка при задавливании ребристых конструкций отнесена к 1 п.м. Данные опытов представлены в табл.3.8 и на рис.3.4. Полученные результаты выявили 2 важных обстоятельства.
Во-первых, потверждены значения коэффициента увеличения сил сопротивления задавливанию конструкции «ребро-крест», полученные СИ. Шибакиным. Несмотря на существенные различия в толщине исследованных ребер 6 и 25 мм коэффициент увеличения сил сопротивления задавливанию крестовины оказался одинаковым, равным 1,65-1,67. Во-вторых, коэффициент увеличения сил сопротивления задавливанию квадратной ячейки в сравнении с плоским ребром составил 1,6 , т.е. каждый угол ячейки увеличивает силы сопротивления задавливанию на 15%. Это на 5% больше, чем полученные СИ. Шибакиным 10% для свободных прямых углов. Увеличение сил сопротивления происходит за счет ограничения деформации грунта в замкнутой ячейке. Опытные погружения ребристых элементов в грунты различной плотности выявили устойчивую зависимость сил сопротивления задавливанию от плотности грунта. Диапазон исследованных плотностей составлял 16-17,8 кН/мЗ. Основной же объем погружений проводился при трех фиксированных плотностях грунта в лотке 16, 16,6 , 17,8кН/мЗ, что соответствовало относительным плотностям Id= 0,31 ; 0,46 и 0,78. Значения сил лобового сопротивления задавливанию плоских элементов толщиной 30мм приведены в табл.3.9 и на рис.3.5. На графиках рис.3.5 отчетливо просматривается линейная зависимость сил лобового сопротивления задавливанию. Связь же между силами лобового сопротивления и плотностью проследили путем использования метода планирования эксперимента. Основными варьируемыми факторами выбраны относительное погружение элемента Мікр = 1 - 5 и относительная плотность Id = 0,31 -0,78. При варьировании двух факторов на двух уровнях необходимое число опытов составило 2 2=4.
Искомую функцию отклика в первом приближении представим в виде полином первого порядка : Значения выбранных уровней варьируемых факторов даны в табл.3.10. Намеченные к эксперименту (расчету) варианты и их характеристики приведены в табл.3.12. Здесь же даны найденне значения параметра силы лобового сопротивления в зависимости относительной глубины погружения ребер и относительной плотности грунта. Полученные опытно-расчетные значения силы лобового сопротивления Q„ позволяет вычислить неизвестные коэффициенты принятой математической модели и установить аналитическое выражение, связывающее Qn с варьируемыми факторами и их взаимодействиями. Данные вычислений сведены в табл.3.13.
Оптимальные конструктивные соотношения ребристых элементов
Отыскание оптимальных соотношений ребристых элементов в процессе варьирования факторов производилось при исследовании параметра устойчивости (прочности) ребер как в ходе задавливания фундамента, так и при эксплуатации платформы. При этом прочность ребристых элементов задавалась в соответствии с расчетным сопротивлением материала (сталь 5 ХСНД) и оставалась неизменной во всех случаях. Как отмечалось выше, основными варьируемыми факторами при отыскании функции отклика (оптимальной относительной длины ребристых элементов) определены величинами Xi - относительная толщина ребристых элементов 8/h и Хг - относительное силовое воздействие грунта на ребра a/Ry Диапазон исследуемых факторов выбирался исходя из физически возможных геометрических и силовых соотношений и охватывал Xj = 8/h = 0,005-0,06 и Х2 = a/Ry =1-3. Это относительные значения факторов. Натуральные значения факторов соответственно составляют При варьировании двух факторов на двух уровнях необходимое число опытов (расчетов) составляет 2 =4. Искомую функцию отклика в первом приближении представим в виде полинома первого порядка : Значения выбранных уровней варьируемых факторов даны в табл. 4.1. Каждый опыт (расчет) на исследуемом уровне проводили дважды. Порядок испытаний рандомизирован с помощью таблиц случайных чисел. Намеченные к эксперименту (расчету) варианты и их характеристики приведены в таблице 4.3. Здесь же даны найденные значения параметра относительной длины ребер на исследованных условиях.
Полученные опытно-расчетные значения относительной длины ребер l/h позволяют вычислить неизвестные коэффициенты принятой математической модели и установить аналитическое выражение , связывающее l/h с варьируемыми факторами и их взаимодействиями. Данные вычислений сведены в таблице 4.4. Расчетные значения параметра І/h по уравнению (4.5), представленные в последнем столбце табл.4.4 полностью совпадает с исходными данными значений І/h ( первый столбец табл.4.4 ). Это указывает на адекватность уравнения (4.4) и правомочность его использования для расчета относительной длины плоских ребер в диапазоне исследованных факторов 5/h и a/Ry. О пригодности найденной математической модели (4.5) к расчету относительной длины плоских ребер в исследованном диапазоне факторовсвидетельствует также проверка его адекватности его адекватности по критерию Фишера (3.3). Расчетный критерий Фишера , равный 4 значительно ниже его табличного значения F = 215,7 , что указывает его адекватность найденной модели. О характере и величине изменения относительной длины плоских ребер І/h в зависимости от толщины элемента и напряженного состояния вокруг свидетельствуют кривые равных значений І/h на рис. 4.3. По величине и знакам коэффициентов функции отклика можно судить о степени влияния факторов на исследованный параметр. Таким образом , из результатов проведенного эксперимента следует ряд выводов: 1.06а исследованных фактора оказывают заметное влияние на относительный шаг ребер 1/h. 2.
Параметр І/h растет с увеличением относительной толщины ребер 8/h , и падает с увеличением действующего на ребра давления грунта a/Ry . Оптимума параметра І/h в исследованной области не обнаружено. 3.Только при относительно толстых ребрах (когда значительна толщина ребра или мала его высота) значения параметра І/h достигает 3-4. Это свидетельствует о незначительных возможностях плоских элементов выдерживать действующие на них нагрузки. Представленные выше расчеты элементов ребристой конструкции относятся ко второму расчетному случаю - работе фундамента в условиях эксплуатации. Однако фундамент ребристой конструкции первоначально задавливается в грунт основания, и поэтому требуется проверка прочности и устойчивости его элементов по первому расчетному случаю - во время установки сооружения. Как уже отмечалось, фундамент ребристой конструкции представляет собой систему ячеек из плоских ребер, соединенных в узлах крестообразно. Проверим устойчивость такого крестообразного соединения на местную (продольную) устойчивость при задавливании в грунт. Продольная устойчивость конструкции ребро-крест будет обеспечиваться при условии (рис.4.4) :
