Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследования
1. Анализ и обобщение теоретических основ уплотнения грунта виброплитами 10
2. Обобщение результатов экспериментов и производственного опыта виброуплотнения подводных каменных постелей 28
3. Цели и задачи исследования 49
ГЛАВА II. Разработка математической модели виброуплотнения подводной каменной постели
1. Физико-механические предпосылки разработки расчетных схем 51
1.1. Диссипативные свойства грунта 54
1.2. Упругие характеристики грунта 57
1.3. Инерционные свойства каменных отсыпей при виброуплотнении 58
1.4. Влияние сопротивления воды движению
виброуплотнителя 61
2. Расчетные механические схемы процесса 62
3. Математические модели процесса виброуплотнения подводных оснований 67
ГЛАВА III. Разработка программы и методики математического моделирования
1. Разработка программы моделирования работы виброуплотнителя 72
1.1. Исходные модели процесса 72
1.2. Алгоритм решения уравнений 73
ГЛАВА IV. Проведение математического моделирования виброуплотнения подводных каменных постелей
1. Исходные положения и входные данные 82
2. Результаты моделирования и их анализ 85
3. Рекомендации по определению рациональных режимов уплотнения,
параметров ВУП и их тшторазмерного ряда 101
ГЛАВА V. Экспериментальные исследования подводного уплотнения каменной постели
1. Конструкция стенда 103
2. Программа и методика пробных экспериментальных исследований на стенде 105
3. Результаты пробных экспериментов 107
4. Программа и методика экспериментальных исследований 110
5. Результаты экспериментальных исследований на стенде 121
6. Выводы и рекомендации 126
Основные результаты и выводы 127
Список использованной литературы
- Обобщение результатов экспериментов и производственного опыта виброуплотнения подводных каменных постелей
- Упругие характеристики грунта
- Исходные модели процесса
- Результаты моделирования и их анализ
Введение к работе
Актуальность темы. Среди многих конструктивных вариантов гидротехнических сооружений заметное место занимают причальные сооружения гравитационного типа, строительство которых связано с необходимостью подводного уплотнения каменных постелей.
В течение последнего десятилетия ввиду ограничения объемов портового строительства технология подводного виброуплотнения отсыпок не была востребована.
В последние годы вновь возникли, но уже на новом уровне, потребности строительства современных глубоководных (до 20 м) морских причалов, в первую очередь на акваториях портов Дальнего Востока, Черного и Балтийского морей.
При глубине воды у линии кордона порядка 20 м становятся проблематичными многие популярные решения причалов, даже типа больверк, в связи с трудностями организации погружения шпунтовых свай длиной 30-40 м и устройства надежной, устойчивой, высокой причальной стенки.
Отсюда - повышенный интерес к возможностям устройства сооружений гравитационного типа с подводным уплотнением каменных постелей при строительстве и реконструкции глубоководных (до 20 м) причалов.
Потребности решения новых масштабных проблем строительства современных глубоководных причалов в ближайшей перспективе исключают возможность применения эмпирического подхода к выбору типа и параметров виброуплотнителей нового типа.
Поэтому проблема обоснования и выбора параметров
виброуплотнителей подводных каменных постелей с глубиной воды до 20 м становится актуальной.
Цель исследования. На основе обобщения и анализа накопленных данных экспериментальных и теоретических исследований уплотнения различных материалов с применением математического моделирования виброуплотнения подводных каменных постелей обосновать параметры виброуплотнителей и дать рекомендации по рациональным режимам уплотнения, параметрам и типажу оборудования.
Основные задачи исследования.
1). На основе обобщения и анализа предшествующих исследований разработать расчетные схемы и математические модели работы ВУП, адекватные физическому процессу виброуплотнения подводных каменных постелей.
2). С использованием разработанных математических моделей выполнить вычислительный эксперимент с целью определения рациональных параметров и технологических режим ов работы ВУП.
3). Разработать конструкцию стенда и провести на нем эксперименты по уточнению тех параметров и конструктивных особенностей ВУП, которые не представляется возможным формализовать и исследовать теоретически.
4). Разработать рекомендации по определению основных конструктивных параметров ВУП на стадии проектирования.
5). Разработать рациональный типоразмерный ряд ВУП подводных каменных постелей.
Методы исследования. Для обоснования параметров ВУП использовалось математическое моделирование^ для чего были построены расчетные схемы и их математические модели. Для качественного исследования особенностей подводного уплотнения каменных постелей,
которые не формализуются и, поэтому, не могут быть исследованы на метематических моделях, был спроектирован и изготовлен стенд.
Научная новизна
1). Разработаны математические модели подводного уплотнения каменных постелей, учитывающие диссипативные и упругие свойства уплотняемого материала, инерционные свойства каменной отсыпки при виброуплотнении и сопротивление воды движению ВУП; подтверждена адекватность этих моделей физическому процессу виброуплотнения, что позволяет рекомендовать их для практических исследований при создании новых ВУП.
2). Разработаны рекомендации по определению рациональных параметров ВУП и режимов подводного уплотнения;
3). Разработан типоразмерный ряд ВУП, основанный на главном параметре - площади подошвы уплотняющего башмака; рекомендованы основные характеристики ВУП в этом ряду.
Практическая значимость.
1). Разработаны рекомендации по определению рациональных параметров ВУП на стадии проектирования;
2). Даны рекомендации по рациональному процессу подводного уплотнения каменных постелей при строительстве и реконструкции причальных сооружений гравитационного типа;
3). Разработан стенд для качественного исследования особенностей подводного уплотнения каменных постелей, которые не формализуются и, поэтому, не могут быть исследованы на метематических моделях.
4). Разработана программа вычислительного эксперимента на ПЭВМ с использованием математической модели;
5). Рекомендуется типоразмерный ряд ВУП для уплотнения каменных постелей на глубине до 20 м и даны его основные характеристики.
достоверность научных результатов. Об этом свидетельствует хорошая качественная и количественная сходимость результатов вычислительного эксперимента на математической модели с результатами ранее выполненных натурных испытаний ВУП.
На защиту вынесены следующие положения диссертации:
1). Математические модели подводного уплотнения каменных постелей, представленные нелинейными обыкновенными дифференциальными уравнениями второго порядка^ адекватно описывающие реальный процесс.
2). Методика экспериментального исследования и стенд для качественного исследования особенностей подводного уплотнения каменных постелей, которые не формализуются и, поэтому, не могут быть исследованы на математических моделях.
3). Рекомендации по определению параметров ВУП, конкретные формулы для определения важнейших параметров ВУП, таких как статический момент массы дебалансов, минимальная вынуждающая сила и мощность на валах дебалансов.
Обобщение результатов экспериментов и производственного опыта виброуплотнения подводных каменных постелей
В 1963-1964 гг. по предложению ЦНИИС (К. Д. Ладыченко), проектировщиков и строителей (Л.С. Раснецов, В.Г. Яковенко, В.Н. Островский) в тресте Новороссийскморстрой был разработан и изготовлен экспериментальный образец первого виброуплотнителя (ВУП) подводных каменных постелей, состоявшего из вибропогружателя ВП-3, железобетонной оболочки диаметром 1,6 м длиной 16 м с толщиной стенок 15 см, соединенной с железобетонным башмаком в виде усеченной четырехгранной пирамиды высотой 2,2 м / 44 /. Основные характеристики этого ВУП выражались следующими величинами1: Высота (без ВП с переходником), м 18,0 Размер стороны квадрата опорной площадки башмака, м 3,2 Площадь опорной поверхности башмака, м2 10,24 Масса ( с ВП) М, кг 73800 Вес в воде яа глубине 14,5 Qw, кН 505 Расчетная глубина верха уплотняемой постели, м 14,5 Основные параметры ВП-3 / 50 / следующие: Статический момент массы де балансов К, кг-м 236 Номинальная частота вращения дебалансов п, об/мин 408 Номинальная амплитудазынуждающей силы Р ,5 кН 4 Мощность электродвигателя, кВт 100
Ввиду скольжения электродвигателя МТВ-71Ы0 с фазным ротором фактическая частота вращения дебалансов ВП-3 была в среднем на 3% ниже номинальной, т.е. составляла 395,76 об/мин. Соответственно фактическая амплитуда вынуждающей силы равнялась Ро = К со2 /1000 = 236 - (тс- 395,76/30)2 /1000 = 405,35кН (11) Малая величина вынуждающей силы по сравнению с весом вибросистемы в воде Ро /Qw = 405,35 1505 = 0,80 была принята из осторожности, чтобы обеспечить целостность двухсекционной железобетонной оболочки.
Но, благодаря упругости основания из каменной наброски, колебания все же могли возникать относительно некоторого уровня, пониженного на величину статической упругой осадки основания 8st от действия собственного веса ВУП; 5st=Qw/C2S, (12) где: С2 - коэффициент упругого равномерного сжатия основания, шс/м3 /67/; S - площадь подошвы башмака. Существенной характеристикой вибросистемы является ее полуразмах колебаний Ао в отсутствие каких-либо сопротивлений (т.е. в воздухе). Согласно приложению 6 к / 71 / Ао = 100 К/М,см, (13) т.е. в данном случае Д, = 100 236 / 73800 = 0,32 см.
По данным / 44 / полуразмах колебаний ВУП находились в пределах 2-4 мм, что хорошо согласуется с найденным расчетным значением. Более углубленный анализ режима колебаний ВУП будет приведен ниже.
Первые эксперименты с ВУП были проведены в апреле-мае 1965 г. при уплотнении на глубине 14,5 м 500 м2 каменной постели головной секции № 18 оградительного мола нефтегавани у мыса Шесхарис.
Постель была отсыпана из камня-окола прочностью 30-80 МПа при массе отдельных камней 15-150 кг. Нижний слой постели толщиной до 3 м был ранее уплотнен подводными взрывами. Виброуплотнёние проводили на верхнем слое толщиной 4 м, заранее выровненном с точностью до 10 см.
Контроль за осадкой ВУП обеспечивали посредством нивелира и бумажной рейки, наклеенной на ствол ВУП. Сам ВУП перемещали плавкраном г/п 100 т. Электростанция и пульт управления ВП располагались на понтоне поблизости от ВУП.
Ввиду образования уширенных местных углублений вокруг башмака, ВУП перемещали в новое положение на расстояние порядка 1м от уплотненной зоны.
Работу ВУП осуществляли залогами (продолжительность работы ВУП между замерами осадки) в 30 с и 1 мин и прекращали при осадке 2 см за 30 с. Обычно время чистой работы ВУП на одной стоянке находилось в пределах 2,5 - 3,5 мин (рис.6).
Водолазные обследования показали, что за исключением единичных отколов острых углов камень не дробился и постель приобретала плотную структуру вроде каменной выкладки. Обломки каменной мелочи уносились потоками воды в поры постели.
Упругие характеристики грунта
Наличие такого силового фактора было отмечено в статье / 23 / и подтверждено прямыми экспериментами в диссертации В.М.Шаевича / 86 /. Площадь петли диаграммы рис. 15 (потерянная энергия за один цикл) равна Щ= fa+BuX8,+Sr)-IiuS,=FR{S.+3,)+1 3,. (20) Полная энергия, отвечающая размаху деформаций Ww=W,+B C/2. (21)
Отношение Wi I Ww = vj/ представляет собой коэффициент поглощения, предложенный Е.С. Сорокиным. Это обстоятельство позволяет сопоставлять и уточнять различные варианты поглощения энергии, учитывая существующие известные взаимозависимости соответствующих параметров демпфирования колебаний ( / 141, с. 19 ).
Применение охарактеризованной методики с начальным сопротивлением FR имеет еще и то преимущество, что значение FR составляет обычно определенную долю (до 0,20) от полного сопротивления Ru/26/. Упругие характеристики грунта
Рассмотрим теперь вопрос об упругих характеристиках грунта под башмаком ВУП. Приведенное выше рекомендуемое СНиП / 15 I выражение (19) предназначается для определения характеристик упругости грунта для фундаментов с динамическими нагрузками (формовочных машин, кузнечных молотов, машин с вращающимися частями и кривошипно-шатунными механизмами, дробилок и т.д.).
Предельно допустимые амплитуды колебаний таких фундаментов не превышают 0,5 мм, а для кузнечных молотов 1,2 мм. Соответственно при столь малых амплитудах определяются и упругие характеристики грунтов, Это ведет к их завышению, т.к. практически определяются начальные, касательные к нулевой точке значения наклона графика жесткости грунта.
Как это следует из рис.10, линеаризированная жесткость грунта снижается с ростом деформации и весьма заметно (см. табл.1). Поэтому для случая виброуплотнения грунтов с амплитудами колебаний ВУП по меньшей мере 5-7 мм (а их размахи вдвое больше) следует ожидать сильного завышения упругой жесткости грунта при использовании формулы (19) СНиП.
В этой связи представляет значительный интерес разработка Р.А.Иванова и А.И.Федулова / 33 /, которые предложили формулу (18) для определения характеристик жесткости грунта, уплотняемого ударами с соответствующей экспериментальной проверкой.
Применение этой формулы к анализу экспериментального материала дало обнадеживающие результаты.
Это не означает безоговорочного дальнейшего принятия в расчетах формулы (18), но очевидно, что при варьировании параметров грунта эта формула обязательно должна быть учтена наряду с другими известными вариантами (СНиП / 75 /, О. А.Савинова / 69 / и др.). Весьма важен вопрос об учете инерционных свойств каменной отсыпи, воспринимающей виброударное воздействие ВУП. Выше уже отмечалось, что по данным наблюдений каменная отсыпь быстро приобретает ровную поверхность и в примыкании к башмаку становится упругим, монолитным телом.
Естественно возникает вопрос о присоединенной массе грунта в периоды нагружения каждого цикла, поскольку при отрыве подошвы ВУП от грунта (виброударный режим) речи о присоединенной массе не может быть. Да и при подъеме подошвы ВУП из нижнего положения на нее могут действовать только силы упругости и трения грунта.
Для того, чтобы лучше сориентироваться в данном сложном вопросе обратимся к литературным источникам, посвященным определению приведенной массы грунта при малых колебаниях фундаментов с динамическими нагрузками.
Потребность в учете присоединенной массы грунта при расчете колебаний фундаментов под машины с динамическими нагрузками возникла в связи с тем, что существует область параметров вибросистемы, где игнорирование инерции грунта приводит к существенным погрешностям /45/. Поэтому рядом авторов выполнены объемные исследования, направленные на определение некоторой условной массы грунта ms, колеблющейся в фазе с фундаментом.
Для учета присоединенной массы грунта масса фундамента умножается на некоторый коэффициент р, больший единицы.
Суммируя результаты исследований, проведенных в этой области за последние 10 лет, можно отметить следующее.
Исходные модели процесса
В соответствии с результатами, изложенными во II главе, в качестве исходных приняты две расчетные модели процесса виброуплотнения.
Первая из них базируется на расчетной механической схеме рис.16. Здесь С обозначает суммарный коэффициент упругой жесткости каменной постели под башмаком ( МН / м ).
Через FR обозначено расчетное внутреннее трение грунта, препятствующее движению башмака ВУП.
В правой части рис.17 изображен дроссель для моделирования квадратичного сопротивления воды движению ВУП5 причем v - коэффициент пропорциональности между этим сопротивлением и квадратом скорости движения ВУП. Вторая модель базируется на расчетной механической схеме рис.17. Здесь содержатся уже упомянутые элементы модели рис. 16, но для учета инерционности уплотненного грунтового ядра под башмаком ВУП введена присоединенная масса грунта 1.
Для первой и второй моделей дифференциальные уравнения движения массы ВУП имеют вид (28), (29), (30).
Разработке программы решения этих уравнений посвящено дальнейшее содержание настоящего раздела.
Решить дифференциальное уравнение у — f(x.y) численным методом — это значит для заданной последовательности аргументов XQ, ХЬ ..., х„ и числа уо, не определяя функцию у — F(x), найти такие значения уь уг, ..., уп, что у, - 7) (і = 1, 2, ..., п) и F(x0) = y0 [11]. Таким образом, численные методы позволяют вместо нахождения функции у = F{x) получить таблицу значений этой функции для заданной последовательности аргументов.
В данном случае, при нахождении параметров процесса Еиброуплотнения грунта необходимо было решить задачу Коши для системы из двух дифференциальных уравнений первого порядка: (31) p- = F2(t,Y(l)), где а - ускорение подошвы ВУП; Y(l) и Y(2) - скорость и перемещение соответственно.
При выборе метода численного интегрирования предпочтение было отдано методу Рунге - Кутта четвёртого порядка. Это связано с наибольшей распространенностью данного метода решения систем дифференциальных уравнений первого порядка при шаге h = const. Его достоинством является высокая точность — погрешность R « (h5) — и меньшая склонность к возникновению неустойчивости решения ./30/. Алгоритм реализации метода Рунге - Кутта заключается в циклических вычислениях Y(j)(i+u на каждом шаге по следующим формулам: Ku=h-F(tM); (32)
В данных формулах (32) - (36) коэффициенты К і/, К2/; K3j и К$ являются промежуточными значениями функции F](t, Y(j)) на временном интервале ti -=- ti + At и предназначены для снижения вероятности неустойчивости решения.
При переходе от одной формулы к другой задаются или вычисляются соответствующие значения t и Y(j) и находятся в подпрограмме значения функций Fj(t, Y(j)).
В данном случае при проведении математического моделирования процесса виброушготнения грунта необходимо учесть изменение ускорения в зависимости от текущего положения подошвы башмака ВУП и вектора скорости, что было реализовано путём выбора уравнения для расчёта ускорения a(t) в системе уравнений (31), в зависимости от текущих значений Y(l) и Y(2).
Для моделирования процесса виброуплотнения и нахождения параметров виброуплотнения, согласно таблице соответствия к программе вычисления параметров виброуплотнения (табл. 2) была разработана блок-схема (на рис. 18-22), которая в полной мере отражает процесс виброуплотнения путем решения уравнений (28) - (30) методом численного интегрирования.
Блок-схема программы Блок-схема значительно упрощает процесс программирования и наглядно представляет весь процесс вычислений. На рис. 18 и 19 изображен № процесс вычисления основных исходных данных. Далее, на рис. 20 и 21 показано решение дифференциального уравнения путем интегрирования. На рис. 22 отражен процесс вычисления окончательных результатов. Согласно данным блок-схемам разработана программа с командным файлом VUP.EXE.
Результаты моделирования и их анализ
Форма этих графиков одинакова. При достижении безразмерным трением f критического значения 0,84 происходит резкий спад всех показателей, а при f = 0,88 процесс практически прекращается.
Объяснение этого явления было дано выше и связано с "затиранием" сухим трением колеблющегося тела при указанных соотношениях f силы трения и амплитуды вынуждающей силы.
Практически аналогичные графики получены и для серии 10 (см. приложение 2) при наличии небольшой присоединенной массы.
Завершая первый цикл рассмотрения результатов математического моделирования виброуплотнения подводных каменных постелей при постоянном режиме работы ВП с К = 510кг-м5 отметим, что результаты моделирования удовлетворительно отражают наблюдавшиеся на практике явления.
К их числу относится в первую очередь повышение интенсивности процесса с ростом жесткости грунта, сопровождаемое увеличением амплитуд мощности и контактных давлений на отсыпь под подошвой башмака / 43, 59 /.
Характер колебательного процесса также соответствует наблюденному: по мере повышения жесткости грунта при уплотнении режим от чисто вибрационного без отрыва от грунта переходит к виброударному, когда подошва ВУП периодически отрывается от поверхности отсыпи и ударяет по ней. При этом возможны режимы с числом ударом меньшим числа оборотов дебалансов в целое число раз (2, 3, 4 и т.д.).
Такие режимы по данным моделирования чаще возникают при расчетах по второму варианту модели с ударом по присоединенной массе грунта.
Следует отметить, что эта схема давала более высокие значения контактных давлений на грунт, чем первая, что вполне естественно. Однако, значения мощностей по второй модели, как правило, ниже, чем по первой, что не соответствует экспериментальным данным.
Сравнение результатов моделирования по первому и второму вариантам моделей целесообразно продолжить и на других примерах. Такую возможность предоставляют имеющиеся ограниченные данные по применению ВУП с вибропогружателем ВП-3 на строительстве причалов в Новороссийске.
При математическом моделировании работы ВУП с вибропогружателем ВП-3 его режим работы, а также показатели размеров, массы и веса ВУП были приняты в соответствии с данными экспериментальных исследований / 43, 64, 77 /.Соответствующие расчеты проведены Б сериях 11-14 (см. приложение 2).
Отличительной особенностью режимов работы ВУП в данном случае является равенство q = 1,25, т.е. сила тяжести системы Qw превосходила на 25 % амплитуду вынуждающей силы. Возможность возбуждения колебаний при этом объяснялась только наличием упругости основания, на которое опирался ВУП.
В сериях 11 и 14 изучали влияние жесткости грунта на контактное давление ВУП. Присоединенная масса грунта 5 т была на первой ступени принята пропорционально площади башмака вдвое меньшей, чем в сериях 1-10. Это значение ms отвечает слою переуплотненного грунта под подошвой ВУП толщиной около 0,25 м.
Принципиально характер зависимости безразмерного контактного давления г от расстройки остался тем же, что и ранее (рис.28).
Различие в том, что при наличии присоединенной массы контактные давления оказались несколько меньше, чем без нее. Это очевидно объясняется другим характером режима вибрации при столь низкой вынуждающей силе (q = 1,25 ) . Действительно, сопоставляя значения полуразмаха колебаний А и осадки ВУП е, мы видим, что в большинстве случаев 2А е колебания происходили без отрыва от грунта. Присоединенная масса просто являлась излишним балластом для вибросистемы, уменьшая полуразмах колебаний.
Абсолютные значения контактных давлений в этих сериях расчетов заметно ниже, чем в сериях 1-10, что объясняется той же спецификой режима колебаний. Не случайно, что постели, уплотненные ВУП с ВП-3, имели модули деформаций ниже 20 МПа, а уплотненные ВУП с ВПМ-170 около 30 МПа /51,59/.
Это обстоятельство также склоняет в пользу признания контактного давления критерием эффективности режима виброуплотнения.
В серии 12 (см. приложение 2) варьировали f и получили результаты, соответствующие прежним.
Вариация приведенной массы в серии 13 дала объясненный выше результат: с ростом га3 контактные давления не росли, как в сериях 1-10, а скорее падали.
Рассматривая результаты моделирования в сериях 11-14 (см. приложение 2) в целом, можно отметить, что между расчетными и опытными данными наблюдается близкое соответствие. Наиболее точные данные дали расчеты при ras = 0 в связи с преобладанием режимов колебаний без отрыва от грунта (см. выше о роли присоединенной массы в этом случае).
Полуразмах колебаний по опытным данным при безотрывных колебаниях находился в пределах 2-4 мм / 43 /. В этих же пределах находятся и расчетные полуразмахи колебаний серий 11 и 12 при FR = 270 кН и реальном диапазоне Е 25 МПа.
После некоторого уплотнения грунта наблюдались виброударные режимы с полуразмахами до 6-7 мм. Такие же полуразмахи имеют место в серии 13 строка 4, серии 12, строка 2 (см. приложение 2).
