Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор методов расчета тонкой подпорной стенки 6
1.1. Теории давления грунта 7
1.2. Реализация механизма взаимодействия стенки с грунтом 14
1.2.1. Графоаналитический метод и его вариации 14
1.2.2. Метод расчета балки на упругом основании 15
1.2.3. Метод конечных элементов 25
1.3. Выводы по главе 28
2. Аналитический обзор экспериментальных исследований сооружений типа больверк 31
2.1. Лабораторные исследования ...31
2.2. Натурные исследования 41
2.3. Сооружения со сверхнормативными перемещениями 56
2.4. Краткий анализ экспериментальных исследований 60
2.5. Выводы по главе 62
3. Методика расчета сооружений типа больверк 63
3.1. Теоретические соображения 63
3.2. Зоны напряженных состояний в засыпке, примыкающей к тонкой стенке . 65
3.3. Основные положения и допущения 70
3.4. Деформативные характеристики 71
3.5. Этапы расчета глубоководных больверков 80
3.5.1. Общие положения 80
3.5.2. Лицевая стенка 81
3.5.3; Анкерная тяга (второй элемент сооружения) 87
3.5.4. Анкерная опора (третий элемент сооружения) 89
3.5.5. Особенности расчета отчерпанных больверков 91
3.6. Выводы по главе 93
4. Реализация предложенной методики в задачах портовой гидротехники 95
4.1. Боковое давление грунта на стенку 95
4.2. Апробация методики расчета 99
4.2.1. Влияние характера изменения начальной функции зональной плотности 99
4.2.2. Влияние жесткости 105
4.2.3. Влияние ряда деформативных характеристик 108
4.2.4. Сравнение результатов расчетов и натурных наблюдений. 111
4.3. Выводы по главе „. 118
5. Повышение надежности глубоководных причальных сооружений типа больверк 120
5.1. Управление качеством сооружения 126
5.2. Определение степени влияния различных факторов на сверхнормативные перемещения анкерного узла 127
5.3. Повышение эксплуатационной надежности портовых сооружений. 132
5.3.1. Технические способы повышения эксплуатационной надежности... 136
5.3.2. Технологические решения, способствующие повышению эксплуатационной надежности сооружений типа больверк. 140
5.4. Выводы по главе 143
Выводы и рекомендации 144
Список литературы 146
Приложение
- Реализация механизма взаимодействия стенки с грунтом
- Сооружения со сверхнормативными перемещениями
- Зоны напряженных состояний в засыпке, примыкающей к тонкой стенке
- Влияние характера изменения начальной функции зональной плотности
Введение к работе
Высокая экономическая ответственность глубоководных сооружений типа больверк, получивших широкое распространение в Северо-западном регионе страны, требует глубокого понимания обстоятельств работы сооружения как в период, строительства, так и в период эксплуатации, В соответствии с требованиями: главы СНиП 33-01-03 «Гидротехнические сооружения. Основные положения проектирования», в которых увязываются вопросы надежности и безопасности гидротехнических сооружений, расчеты «напряженно-деформированного состояния системы «сооружение-основание» должны выполняться на основе современных, главным образом численных методов механики сплошной среды с учетом реальных свойств материалов и пород оснований», а сами расчеты должны проводиться по двум группам предельных состояний. Последнее предполагает проведение анализа работы сооружения в линейной области и за ее пределом.
С начала восьмидесятых годов прошлого столетия нередкими стали случаи сверхнормативных смещений кордона гибких больверков из стального шпунта с отметками дна у сооружения минус 13.5 и более метров. Так, например, кордонные стенки ряда причалов Вентспилсского свободного торгового порта получили перемещения в сторону акватории порядка 50 см. Аналогичные перемещения отмечены в период строительства на одном из причалов Морского порта Санкт-Петербург, а перемещения кордона причала Архангельского Mill превысили 100 см. При строительстве пирса №3 Вентспилсской перевалочной базы смещение лицевого элемента отбойного пала на уровне дна превысило 50 см. Пал выполнен в виде ячейки с экранированием по всему периметру преднапряженными сваями-оболочками, В порту Певек на причале типа больверк смещения в сторону акватории низа шпунта на уровне отметки дна составили 93-105 см.
Сверхнормативные горизонтальные смещения кордона и прогибы шпунта лицевой стенки причалов приводят к приостановке работ по возведению сооружений, требуют проведения экстренных экспериментальных работ, а иногда и усиление сооружения. Все это увеличивает себестоимость сооружений и сроки строительства.
Накопленные к настоящему времени экспериментальные данные свидетельствуют о большом числе факторов, влияющих на работу тонкой заанкерованной стенки. Как правило, их учет производится введением в расчет критериев гибкости и эмпирических поправочных коэффициентов к эпюрам изгибающих моментов, бокового давления и к усилию в анкерной тяге.
Поправочные коэффициенты ие всегда полностью отражают изменения изгибающего момента и анкерной реакции и требуют корректировки. Следует отметить, что если до глубин 10-12 м поправочные коэффициенты скрывали несовершенство существующих методов расчета, основанных на теории предельного равновесия, то с выходом сооружений типа больверк на большие глубины погрешности выходят за диапазон, который компенсируют поправочные коэффициенты.
Факты сверхнормативных перемещений элементов больверка определили цель и задачи исследования по теме диссертации.
Основной целью исследований являлось выяснение обстоятельств работы глубоководных больверков и создание на базе теоретических и экспериментальных исследований инженерной методики расчета, а в задачи входили: изучение и анализ существующих методов расчета подпорных сооружений с целью определения применимости их к расчету глубоководных больверков; изучение и анализ данных экспериментальных исследований; определение влияния на напряженное состояние конструкции ряда факторов; разработка расчетной модели глубоководного больверка с учетом закономерностей взаимодействия грунта со стенкой; реализация расчетной схемы на ЭВМ; сопоставление результатов расчетов с данными: лабораторных и натурных исследований; разработка технических и технологических решений по повышению надежности больверков.
Реализация механизма взаимодействия стенки с грунтом
В графоаналитическом методе расчета подпорной стенки Блюма-Ломейера эпюры бокового давления заменяют сосредоточенными силами И: строят силовой, а затем веревочный многоугольники. Замыкающая в веревочном многоугольнике определяет глубину погружения и значения изгибающего момента в стенке, а замыкающая в силовом многоугольнике — соответственно анкерную реакцию. Таким образом, механизм взаимодействия стенки с грунтом представляется в виде балки, нагруженной сосредоточенными силами. Существует большое количество вариаций этого метода, многие из которых представляют последовательные повторения указанного выше метода с изменением эпюр бокового давления (Т.Е. Лазебник, Г.А. Дуброва, Ф.М. Шихиев, Б.Ф, Горюнов, B.C. Коровкин и др.) В инженерной практике часто встречаются балочные элементы конструкций, лежащие на сплошном упругом основании, К таким конструкциям могут быть отнесены и тонкие подпорные стенки, находящиеся в условиях сплошного контакта с грунтом. Решения B.C. Христофорова (1948), Н.К. Снитко (1963), К.С. Завриева и ПС. Шпиро (1970), Ф.А. Мартыненко (1973), С.Н. Левачева (1975), СП. Антонова, А.К. Кривова и др. реализуют этот метод. Расчет балки на упругом основании в строгой постановке сводится к решению контактной задачи между конструкцией и основанием [78]. Сложность решения контактной задачи в строгой постановке общеизвестна. Поэтому для решения задач, связанных с расчетом балки, применяются приближенные подходы. Суть расчетов заключается в установлении зависимости между реактивным отпором и осадкой поверхности основания.
Одной из наиболее распространенных гипотез является гипотеза о пропорциональной зависимости между реакцией и осадкой - гипотеза Винклеровского основания. На рис. 1.1 показана деформация балки от внешней нагрузки, распределенной по произвольному закону. Реакция со стороны основания в произвольной точке принимается пропорциональной прогибу: где г х - реакция основания, приходящаяся на единицу длины балки, (Н/м); у(х) — просадка основания, Ь - ширина подошвы балки; К( — коэффициент, характеризующий жесткость основания и называемый коэффициентом податливости основания или коэффициентом постели, (Па/м). Этот коэффициент представляет собой отпор основания, приходящийся на 1 м2 площади при просадке, равной единице. Значения коэффициента постели КІ ДЛЯ некоторых грунтовых и скальных оснований приведены в таблице П.1 приложения 1. Таким образом, со стороны основания на балку действует сплошная распределенная нагрузка интенсивностью г(х). Суммарная интенсивность распределенной нагрузки, приложенной к балке, при произвольном значении х определяется: где g(x) — приложенная к балке, заданная распределенная нагрузка (например, вес погонной длины балки, боковое давление грунта). Дифференциальное уравнение изгиба упругой балки в данном случае принимает вид: или, после подстановки (1.2) в (1.3), получим Физический смысл модели, приводящей к уравнению (1.4), может быть различен.
Так, если основание принять в виде упругого полупространства взамен Винклеровской модели основания, то коэффициент Я" имеет вид: модуль деформации грунта основания; ji - коэффициент Пуассона. В случае балки постоянного сечения интегрирование уравнения (1.4) не представляет особых затруднений. Вводится обозначение где Р называется коэффициентом относительной жесткости основания, (1/м). Тогда дифференциальное уравнение (1.4) принимает вид Решение уравнения (1.7) можно получить общими методами решения дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами: y(x) = Ciyl(x)+C2y2(x) + C3y3(x) + C4y4ix)+y\x)t (1.8) где Cj - произвольные постоянные, j = 1, 2, 3,4; у/д:) - частное линейно-независимое решение соответствующего однородного уравнения у (х) — частное решение неоднородного уравнения (1.7), зависящее от характера внешней нагрузки q(x). Частное решение однородного уравнения (1.9) представляется в виде у(х) С ехр(Лд), подставляя которое в (1.9), получим характеристическое уравнение Используя формулы Муавра для корней из комплексных чисел, найдем четыре корня уравнения (1.10): где і— мнимая единица (і = V T). Следовательно, решение вида (L8) будет
Сооружения со сверхнормативными перемещениями
К настоящему времени накоплены обширные знания в области теории расчета портовых сооружений благодаря работам отечественных и зарубежных ученых. Но, вместе с тем, практика строительства и эксплуатации портовых сооружений показывает, что в отдельных случаях при расчете по существующим методам наблюдаются сверхнормативные перемещения кордона причалов типа больверк с выходом сооружений на глубины более 10 м уже в период строительства и эксплуатации.
Исследования показывают, что существующие в проектной практике методы расчета больверков, как правило (за исключением отдельных случаев), более или менее отражают действительную работу тонких стенок для сооружений высотой до 10 м. При этом погрешности, связанные с использованием поправочных коэффициентов или критериев: гибкости, за исключением отдельных случаев, могут достигать 50%.
При дальнейшем увеличении глубины у причала вклад неполезной нагрузки от собственного веса грунта засыпки в общую нагрузку становится преобладающим, и на глубинах 15-20 м составляет 60-90%. Сооружение постоянно воспринимает нагрузку от веса грунта, в то время как полезная нагрузка изменяется во времени от минимального значения; до максимума. В таких условиях существующие методы приводят к существенным увеличениям погрешностей до 30-40% при определении усилий и более 100% при определении перемещений стенки (Вентспилс, Мурманск, Певек, Архангельск и др.). Кроме того, при расчете «отчерпанных стенок» глубоководных причалов расчет по существующим методам не позволяет учесть благоприятный эффект дополнительного «сводообразования» в засыпке на эпюру изгибающих моментов..
Очевидно, это свидетельствует о некотором несоответствии существующих методов расчета применительно к глубоководным больверкам.
В связи с тем, что использование смешанных упругопластических задач применительно к тонким причальным стенкам еще не получило распространения в проектной практике из-за причин, указанных выше, имеют право на жизнь инженерные подходы в определении бокового давления грунта со стороны засыпки. Это становится особенно актуальным применительно к расчетам глубоководных больверков.
К настоящему времени накоплены обширные данные о работе тонких стенок. Натурные исследования и лабораторные эксперименты позволяют получить ценнейшую информацию о взаимодействии тонких стенок с грунтовым массивом. В связи с тем, что в настоящее время невозможно проводить исследования в прежних объемах, снижение возможности проведения исследований в лабораториях, и на натурных объектах было частично восполнено анализом экспериментальных данных. Анализ способствовал выявлению механизма работы стенки при взаимодействии с грунтом. Основная задача заключалась в том, чтобы в потоке обширной информации выявить основные закономерности взаимодействия стенки с грунтом, а также установить степень влияния различных факторов на напряженно-деформированное состояние конструкции применительно к глубоководным больверкам.
И.В. Яропольский [98] является одним из первых исследователей работы тонких стенок. В 1933 г. в полунатурных опытах он провел исследование деревянной шпунтовой стенки свободной высотой 4.5 м. В результате эксперимента было установлено, что боковое давление грунта на стенку начинает снижаться при перемещениях до 0.001 мм, а расчеты, выполненные без учета сил трения между шпунтом и фунтом, дают завышенные напряжения в шпунте.
К. Терцаги [104, 105] в 1934 г. установил характер зависимости давления фунта от направления и величины подвижки стенки. 1С Терцаги ввел по нятие арочного эффекта, перераспределяющего давление грунта на ограждающую конструкцию, и об эффективных перемещениях.
Т.Н. Чеботарев [106, 107] в 1944 и 1948 гг. в Принстоне провел серию опытов на больших моделях из металлического шпунта в лотке размером 5.5x3.96x2.47 м.
В первых опытах измерялись деформации и изгибающие моменты в модели стенки, опертой в двух точках. В результате опытов установлено, что при давлении на жесткую стенку с относительным прогибом не наблю далось изменения давления по сравнению с давлением в состоянии покоя (Л = 0.4), т.е. арочный эффект отсутствовал, и только при относительном прогибе, равном , начало проявляться перераспределение давления.
Зоны напряженных состояний в засыпке, примыкающей к тонкой стенке
Коэффициент бокового давления в допредельных зонах Ф.М. Шихиев определяет с учетом величины перемещений, а в предельной зоне - по обычным зависимостям предельного равновесия.
Ввиду сложности простого аналитического решения, Ф.М. Шихиев разработал графоаналитический метод последовательных приближений. В первом приближении принимают треугольную эпюру давления грунта (по Кулону), затем методом графической статики получают упругую линию. Далее находят критические прогибы, высоты трех зон, коэффициенты бокового давления для каждой зоны и эгпору бокового давления. Повторяя прием, получают следующие приближения, причем за исходную нагрузку принимается: полученное боковое давление. Для подтверждения своей теории; Ф.М. Шихиев провел многочисленные опыты в грунтовом лотке размером 1.5x1.5x3.0 м с моделью стенки, опертой шарнирно по концам (при неподвижной и перемещающейся верхней опоре).
Эпюры нагрузки грунта на стенки, полученные в опытах, хорошо совпадают с эпюрами, вычисленными: теоретически, и имеют седлообразное очертание. Полное давление на стенку, полученное в опытах, на 25-30% меньше, а расчетные изгибающие моменты в 1.2-1.5 раза меньше вычисленных по Кулону. Уменьшение изгибающих моментов более существенно сказывается у "отчерпанных" стенок, чем у "засыпанных". Это объясняется тем, что у "отчерпанных" стенок все перемещения эффективны- Кроме того, опытами подтверждено, что при смещении анкера седлообразность эпюры уменьшается, а усилия в анкерных тягах близки (на 10% больше) к получаемым при расчете методом Ломейера.
Теория, разработанная Ф.М. Шихиевым, дает возможность учитывать податливость анкера и факторы, связанные с производством работ. Для практического применения кинематической теории, предложенной Ф.М. Шихиевым, с учетом ряда факторов необходимы дальнейшие доработки и доведение метода расчета до табулированных решений-.
B.C. Коровкин (1970-1974 гг.) провел серию опытов на моделях высотой до 1.0 м с толщинами металла 3.8, 5.3 и 7.0 мм с грунтом основания плотностью от рыхлого до плотного.
Значительное количество вариантов экспериментов позволяло І выделять влияние отдельных факторов (деформативные характеристики грунта засыпки и основания, гибкость шпунта, податливость анкерных устройств, глубину погружения стенки) на работу сооружения. Исследования выявили решающее влияние положения упругой линии на расчетную схему сооружения. При работе стенки по схеме свободного опирання упругая линия не пересекает нейтрального положения, а при защемлении — пересекает. Переход упругой линии через нейтральное положение происходит вследствие ее изгиба, а также за счет податливости анкерного узла. В гибких стенках преобладает первый фактор, а в жестких - второй. Было установлено, что податливость анкера создает условия для возникновения полного защемления при глубине погружения меньше расчетной или позволяет значительно умень шить пролетный изгибающий момент при неполном защемлении или свободном опираний.
В 1987 г. А.А. ДолинскиЙ (Ленморниипроект) [28] провел исследования на модели больверка с управляемой поперечной жесткостью. Установка состояла из моделирующего гибкую стенку металлического листа, оборудованного системой изменения поперечной жесткости.
На рис. 2.5 приведены эпюры распределения давления в зоне отпора при изменении жесткости стенки. Использование установки позволяет в ходе одного опыта моделировать различные по жесткости состояния сооружения и получать информацию о распределении усилий в системе.
Влияние характера изменения начальной функции зональной плотности
Лабораторные исследования дают качественную картину описания работы сооружения и позволяют выявить механизм взаимодействия тонкой стенки с грунтом с учетом влияния различных факторов на работу сооружения. Многие натурные исследования подтвердили механизм взаимодействия тонкой стенки с грунтом и дали количественную оценку этого явления. При этом работа сооружения определяется не только поведением лицевого элемента стенки, а зависит от всех его составляющих: лицевого элемента, анкерной тяги, анкерной опоры.
Подавляющая часть исследований связана с работой сооружения в несвязных грунтах. Исследований работы сооружения в глинистых грунтах, хотя они представляют практический интерес, практически нет. Особый интерес представляет определение смещения во времени нижнего конца стенки, погруженного в глинистые грунты. Если упругая линия погруженной части стенки не меняет кривизну, то не возникает момент заделки. В этом случае эпюра давления грунта со стороны засыпки имеет вид, близкий к параболе, и значительно отличается от кулоновской эпюры. Эгпора пассивного давления имеет вид треугольника или параболы. Суммарное боковое давление со стороны засыпки на 10-15% меньше кулоновского. 3. Анализ экспериментов показал, что учет многих факторов (перераспределение эпюры, характеристики грунта, податливость анкерного узла, жесткость лицевого элемента, способ возведения сооружения) с помощью эмпирических коэффициентов или критериев гибкости не может охватить все многообразие явлений, от которых зависит работа стенки. Причем с увеличением высоты сооружения погрешность в определении расчетных параметров увеличивается. 4. Применительно к обычному глубоководному больверку коэффициент согласованности с расчетом (отношение замеренных максимальных изгибающих моментов и анкерных усилий с вычисленными по существующей методике) составил соответственно 0.5 и 0.7. 5. Исследования показали, что характер работы больверков зависит от большого разнообразия факторов, начиная от проектных характеристик, технологии возведения, условия эксплуатации и влияния окружающей среды. Влияние этих факторов, в конечном счете, определяет положение упругой линии относительно нейтральной оси. Изменение кривизны упругой линии (положение нулевой точки) определяет форму эпюр бокового давления грунта и изгибающих моментов.
Причем влияние некоторых факторов (большое смещение, связанное с перегрузкой, снижение р засыпки, прогиб анкерной тяги и т.д.) может быть превалирующим или даже привести к аварийной ситуации. 6. Низкое качество проектирования и строительных работ привели к тому, что в последние годы нередки случаи сверхнормативных перемещений лицевого элемента стенки. Расчет анкерных опор необходимо производить с коэффициентом запаса, обеспечивающим эксплуатационную надежность всего сооружения. 7. Анализ ситуаций при строительстве морских причальных сооружений типа больверк показывает, что в ряде случаев примерно через четыре месяца происходит стабилизация напряженно-деформированного состояния конструкции (тиксотропное восстановление связей в глинистых грунтах), и в дальнейшем смещения анкерных стенок, лицевых стенок прекращаются. 8. Явления, вызывающие сверхнормативные перемещения сооружений, которые будет усиливаться с переходом сооружений на большие глубины, недостаточно изучены и требуют специального исследования. Анализы выполненных натурных и модельных экспериментов показывают, что существующие методы расчета тонких стенок, не учитывающие прямого перераспределения бокового давления грунта на стенку применительно к глубоководным больверкам дают существенные погрешности. Некоторое устранение этих погрешностей с одной стороны позволить выявить скрытые резервы несущей способности, а с другой стороны - повысить безопасность эксплуатации сооружений. Проведенные исследования позволили сформулировать особенности методики расчета больверков, которые позволят более полно описать работу тонких заанкерованных стенок. Особенности расчета применительно к глубоководным больверкам: 1) более надежно и точно учитывать характер перераспределения эпюры бокового давления грунта на стенку со стороны засыпки, что особенно важно в "отчерпанных" стенках; 2) полнее использовать преимущество ЭВМ, позволяющих подбирать элементы сооружения не только по максимальному изгибающему моменту, но и определять условия, способствующие оптимальной работе сооружения с обеспечением необходимых коэффициентов запаса; 3) определять работу сооружения по второму предельному состоянию; 4) учитывать способ производства работ; 5) представляется целесообразным при разработке метода расчета применительно к глубоководным больверкам использовать подход, рассматривающий причальное сооружение в виде комбинации балок (лицевая стенка, анкерная тяга, анкерная стенка или плита), связанных между собой как условием совместности деформаций элементов конструкции, так и деформацией сооружения в целом;
