автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Напряженно-деформируемое состояние грунтового основания морских гидротехнических сооружений гравитационного типа при циклическом низкочастотном нагружении

Введение

Глава 1. Обзор экспериментальных исследований и методов расчета напряженно-деформированного состояния основании морских гидротехнических сооружений гравитационного типа, подверженных волновому воздействию.

Глава 2. Экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния грунтовых оснований морских сооружений гравитационного типа при низкочастотном циклическом нагружении.

Глава 3. Результаты экспериментальных работ.

3.1. Результаты наблюдений за осадками штампов при низкочастотном циклическом нагружении.

3.2 Результаты исследования напряженного состояния грунтового основания.

3.3 Результаты измерения деформационных зависимостей грунтового основания при вертикальном циклическом нагружении.

ГЛАВА 4. Численная методика расчета осадок морских сооружений гравитационного типа при воздействии на них низкочастотных циклических нагрузок.

4.1 Описание методики расчета.

4.2 Результаты численных расчетов напряженно-деформированного состояния грунтового основания при низкочастотном циклическом нагружении.

Экономическое развитие Российской Федерации тесно связано с развитием транспортных путей, особенно для внешнеторговых операций. Наиболее эффективным видом транспорта для этого можно назвать морской флот. На современном этапе Россия лишилась многих морских портов, принадлежавших ранее СССР. В связи с этим строительство морских портов, а также реконструкция существующих, становится важной задачей развития экономики России.

Также, большое значение имеют вопросы, связанные с освоением месторождений полезных ископаемых на шельфах морей России. Этому вопросу уделяется все большее внимание и в ближайшем будущем он должен стать первостепенной задачей экономического развития страны.

Все эти задачи связаны со строительством специальных гидротехнических сооружений на морях. В нашей стране накоплен большой опыт проектирования и строительства таких сооружений, однако некоторые проблемы их возведения и эксплуатации до сих пор изучены недостаточно.

К таким проблемам можно отнести вопрос о поведении массивных морских гравитационных сооружений при воздействии на них волновых циклических нагрузок в условиях незащищенных акваторий.

Впервые эта проблема возникла при строительстве и эксплуатации оградительного мола в нефтегавани Шесхарис. Было замечено, что в периоды штормов элементы оградительного сооружения совершали низкочастотные вынужденные колебания и получали дополнительные осадки. В результате этих наблюдений был сделан вывод, что причиной роста этих осадок являются вынужденные колебания сооружений при воздействии на них внешних циклических нагрузок (волновое воздействие).

Проблеме роста осадок сооружений гравитационного типа, расположенных на незащищенных морских акваториях уделялось большое внимание при проектировании и строительстве морских нефтегазопромысловых сооружений для освоения нефтяного месторождения в Северном море, а также при строительстве Оостершельдских защитных сооружений в Нидерландах. Стоимость этих сооружений чрезвычайно высока, поэтому вопрос обеспечения их надежной работы имеет первостепенное значение.

Данная работа посвящена исследованию поведения массивных сооружений гравитационного типа, при воздействии на них низкочастотной циклической нагрузки, которое проводилось в Московском государственном строительном университете на кафедре Водного хозяйства и морских портов.

Главной задачей данного исследования было выявление причин роста дополнительных осадок морских гидротехнических сооружений гравитационного типа при воздействии на них низкочастотной циклической нагрузки, а также разработка метода прогнозирования их величин.

Исследования проводились в грунтовом лотке на водонасыщенном песчаном основании с использованием жестких бетонных штампов, к которым прикладывалась низкочастотная циклическая нагрузка. Экспериментальная установка позволяла наиболее полно воспроизводить условия работы морских гидротехнических сооружений гравитационного типа.

В результате проведенных работ были выявлены причины роста дополнительных осадок морских гидротехнических сооружений гравитационного типа при их вынужденных колебаниях, вызванных внешним воздействием на данные сооружения. Также предлагается метод численного расчета напряженно-деформированного состояния грунтового основания этих сооружений, позволяющий достаточно точно воспроизводить физические особенности его поведения.

На основании вышеизложенного, тема диссертации является актуальной.

На защиту диссертации выносятся:

- результаты экспериментальных работ по определению напряженно-деформированного состояния грунтового основания морских гидротехнических сооружения гравитационного типа при их низкочастотном циклическом нагружении;

- численная методика расчета напряженно-деформированного состояния грунтового основания.

Выводы по главе 4.

1. Предлагаемая методика расчета напряженно-деформированного состояния грунтового основания сооружений в ходе их низкочастотного циклического нагружения физически правильно воспроизводит процесс перераспределения напряжений в основании сооружений.

2. Данная методика позволяет рассчитывать осадки сооружений в ходе их циклического нагружения.

3. Существенное влияние на результаты расчета оказывают методы определения параметров кривых деформирования расчетных точек.

4. Данная методика учитывает влияние на развитие осадки сооружения только одного параметра - перераспределения статических напряжений за счет воздействия на грунт знакопеременной моментной нагрузки. Однако следует отметить, что на реальное сооружение воздействуют и горизонтальные нагрузки, учет которой также необходим.

5. Данная расчетная методика реализует подход «отслеживания» напряженно-деформированного состояния в каждой точке грунтового основания, что позволяет учитывать историю нагружения сооружения. Кроме того, благодаря своей математической простоте, она позволяет достаточно быстро проводить расчеты на большое число циклов нагружения, что практически недостижимо для других численных моделей.

6. Применение данной численной методики невозможно без использования ЭВМ и компьютерных программ.

Заключение.

В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. В результате воздействия на морские гидротехнические сооружения гравитационного типа низкочастотного циклического нагружения они совершают вынужденные колебания, которые в свою очередь являются причиной роста осадок этих сооружений, дополнительных к статическим.

2. Величина дополнительных осадок зависит от амплитуды колебания сооружения, которая зависит от величины нагрузки, а также от качества грунтового основания.

3. При вынужденных низкочастотных колебаниях сооружений происходит перераспределение статических напряжений в грунтовом основании этих сооружений, которые являются основной причиной роста дополнительных осадок сооружений. Величина и интенсивность этих перераспределений также зависит от амплитуды колебания сооружения.

4. Данное перераспределение связано с различием модулей деформации грунта при разгрузке и повторном нагружении.

5. В результате перераспределения напряжений происходит их концентрация под центром сооружения и ослабление под его краями. Данное состояние характерно только в момент циклических воздействий на сооружения. После снятия циклического воздействия напряжения в грунтовом основании под центром и краями постепенно выравниваются.

6. Предлагаемая численная методика расчета позволяет достаточно точно воспроизводить физические особенности поведения грунтового основания сооружений гравитационного типа при воздействии на них циклических низкочастотных нагрузок. Однако она на данный момент учитывает только основную причину роста дополнительных осадок, то есть перераспределение статических напряжений и не учитывает влияние изменения порового давления в грунте, влияния на вертикальную осадку горизонтальных сил.

1. Алесандров А.В., Потапов В. Д. «Основы теории упругости и пластичности», Высшая школа, М., 1990 г.

2. Вознесенский Е.А. «Поведение грунтов при динамических нагрузках», М. Изд-во МГУ, 1997 г.

3. Воронков И.М. «Курс теоретической механики», М., Наука, 1966.

4. Гершунов Е.М., Смирнов Г.Н. «Некоторые вопросы динамического расчета оградительных сооружений», тр. коорд. совещ. по гидротехнике. Вып. XX, «Энергия», Л. 1965г., стр 17-39

5. Гуревич В.Б., Даревский В.Э., Самарин В.Ф., Федоров Ю.М. «Портовые гидротехнические сооружения», «Транспорт», М. 1992 г.

6. Дидух Б.И. «Упругопластическое деформирование грунтов», М., 1987

7. Доусон Т. «Проектирование сооружений морского шельфа», «Судостроение» Л. 1986 г.

8. Иванов П.Л. «Грунты и основания гидротехнических сооружений», М., Высшая школа, 1985.

9. Иванов П.Л. «Разжижение песчаных грунтов», М.-Л., Энергия, 1962.

10. Зарецкий Ю.К. «Вязко -пластичность грунтов и расчеты сооружений», Стройиздат, М. 1988 г.

11. Львовский Е.Н. «Статистические методы построения эмпирических формул», М., «Высшая школа», 1988.

12. Малышев М.В. «Прочность грунтов и устойчивость оснований сооружений», М., Стройиздат, 1980.

13. Медведев А .Я. «Напряженное состояние и деформации однородных нескальных оснований гидротехнических жестких сооружений», Автореферат, М., 1962.

14. Методики выполнения измерений компонентов напряженно-деформированного состояния гидротехнических сооружений струннымипреобразователями. Отраслевые стандарты. ОСТ 34-72-647-83 ОСТ 34-72652-83. Информэнерго, Москва.

15. Мордвинцев К.П. «Методика экспериментальных исследований напряжений в основании морских гравитационных сооружений», Сб. трудов «Воздействие внешних факторов на морские гидротехнические сооружения», М., МИСИ, 1986 г.

16. Мордвинцев К.П. «Расчет осадки шельфовых сооружений гравитационного типа при циклическом волновом нагружении», Сб. «Водное хозяйство порты и портовые сооружения, объекты строительства на шельфе», М., МГСУ 1999 г.

17. Отчет о НИР «Разработать метод расчета осадки основания МНГС гравитационного типа при воздействии квазидинамической нагрузи», М., МИСИ, 1986 г.

18. Отчет по теме №306/11-1 «Исследование осадки гидротехнических сооружений гравитационного типа при воздействии циклической волновой нагрузки», МИСИ им. В.В. Куйбышева, М., 1985.

19. Отчет по теме №308/11-1 «Исследование осадки гидротехнических сооружений гравитационного типа при воздействии циклической волновой нагрузки», МИСИ им. В.В. Куйбышева, М., 1984

20. Отчет по теме №332/11-1 "а" «Разработка и исследование прибрежных гидротехнических сооружений, расположенных на слабых грунтах в условиях замерзающих акваторий», МИСИ им. В.В.Куйбышева, М., 1981 г.

21. Отчет по теме №332/11-1 «Исследование осадки гидротехнических сооружений гравитационного типа при воздействии циклической волновой нагрузки», МИСИ им. В.В. Куйбышева, М., 1983.

22. Отчет по теме №332/11-1 «Разработка и исследование прибрежных гидротехнических сооружений, расположенных на слабых грунтах в условиях замерзающих акваторий», МИСИ им. В.В.Куйбышева, М., 1982 г.

23. Позняков В.В. «Основы математической статистики и теории планирования эксперимента», МИСИ, 1978 г.

24. Рекомендации по определению устойчивости структуры и уплотняемости несвязных грунтов при динамических деформациях, одноосного сжатия. ВНИИГ, Ленинград, 1978.

25. Руководство по расчету остаточных деформаций при динамической нагрузке. Научно-исследовательский институт оснований и подземных сооружений. Москва, 1967.

26. Савинов О.А. «Современные конструкции фундаментов под машины и их расчет», М., Стройиздат, 1964.

27. Смирнов Г.Н. «Деформации оградительных сооружений гравитационного типа при воздействии стоячих волн», Тр. МИСИ №163, М., 1982, стр. 37-58.

28. Смирнов Г.Н. «Океанология», Высшая школа, М. 1987 г.

29. Смирнов Г.Н., Горюнов Б.Ф., Курлович Е.В., Левачев С.Н., Сидорова А.Г., Корчагин Е.А. «Порты и портовые сооружения», Стройиздат, М., 1993 г.

30. Смирнов Г.Н., Мороз Л.Р. «Расчет напряжений в основании оградительных сооружений гравитационного типа при динамических нагрузках» Тр. коорд. совещ. по гидротехнике, вып., 40, ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, Л., 1967.

31. Смирнов Г.Н., Фальк М.А. «Исследование осадки морских гравитационных сооружений при циклических волновых нагрузках», В кн. "Расчет морских гидротехнических сооружений, взаимодействующих с грунтами оснований и засыпок", Сб. трудов, М., МИСИ. 1984.

32. СНиП 2.02.01-83 «Основания зданий и сооружений», М., Стройиздат, 1985.

33. СНиП 2.06.04-82 «Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов)», М., Стройиздат, 1983.

34. Ухов С.Б., Семенов В.В., Знаменский В.В., Тер-Мартиросян З.Г., Чернышев С.Н. «Механика грунтов, оснований и фундаменты», издательство АСВ, М., 1994 г.

35. Фишер Р.А. «Статистические методы для исследователей», М. Государственное статистическое издательство, 1958.

36. Цыплухин В.Ф. «Деформации глубоководного оградительного мола вертикального типа», В кн. Тр. Союзморниипроект, Вып. 52, М., Транспорт, 1979.

37. Цытович Н.А. «Механика грунтов», М., Высш. школа 1979.

38. Цытович Н.А. «Механика грунтов», М., Высш. школа 1983.

39. Цытович Н.А., Зарецкий Ю.К., Малышев М.В., Абелев М.Ю., Тер-Мартиросян З.Г. «Прогноз скорости осадок оснований сооружений», М., 1967 г.

40. Шихиев Ф.М. «Кинематическая теория давления грунтов на причальные сооружения и другие типы жестких и гибких ограждений», Диссертация, ЛИВТ, 1955

41. Andersen К.Н. et. all "Soil deformations due to cyclic loads on offshore structures", Publication, Norges Geotechnical Institute №120, p. 1-40.

42. Andersen K.H. et/all "Effect if cyclic loading on clay behavior", In: Design and construction offshores structures. Institution of Civil Engineers, London, 1976.

43. Andersen K.H. etc "Prediction and observation of model gravity platform on Drammen Clay", Applied Ocean Research, 1981, vol. 2, №2, p.62-72.

44. Bazant Z.P., Krizek R.J. "Endochronic Constitutive Low for Liquefaction of Sand", Proc. ASCE, Journal of the Engineering Mechanics Divisions, vol. 102, № EM 2, 1976, p.225-238.

45. Braughton P. "Offshore gravity based oil production platform interaction with the sea bed." 7-th Ann. Offshore Tech. Conf, Houston, Tex., 1975, vol.3, Dallas, 1975

46. Dumas F., Kenneth L., Lee K., ' Cyclic movements of offshore structures on Clay", Proc. ASCE, Journal of Geotechnical Engineering Divisions, 1980, №8, p. 877-897

47. Dungar R., Eldered P.J.L., Haws E.T., "Dynamic analysis for Gravity platform foundations", Proc. of the9-th Int. Conf. on Soil Mechanics and Foundation Engineering, vol.2, Japan, 1977.

48. Eide O. et all "Reduction of Pore Pressure Beneath Concrete Gravity Platforms", Publ. Norges Geothechnical Institute, №143, 1982, p. 1-8

49. Eide O., Andersen K.H., Lunne T. "Observed foundation behavior of concrete gravity platforms in North Sea 1973-78", Proc. Int. conf. on Beh. Offshore Structures "BOSS-79", London, 1979, vol. 2, p. 239-256

50. Finn W., Dand al "An effective stress model for liquefaction", Proc. ASCE Journal of Geotechnical Engineering Divisions, vol. 103, № GT 6, 1977, p.517-533.

51. Finn W.D.L. "Critical review of dynamic effective stress analysis", Proc. 2nd US Nat. Conf. Earthquake Engineering "Stanford", Barkelly, 1979, p.853-867.

52. Foss J., Warrming J. "Three gravity platform foundations", BOSS-79, Proc. 2nd Int. Conf. Behav. Offshore structures, London, 1979, vol.2, Bedford, 1979, p.239-256.

53. Ghaboussi, Jansid, Dikmen, Umit "Liquefaction analysis of horizontally layered sand", Journal of Geotechnical Eng. Divisions, proc ASCE, vol. 104, № GT 3, March 1978, p.341-357.

54. Ishihara K., Tatsuoka F., Yasuda S., "Undrained Deformation and liquefaction of Sand under Cyclic Stresses", Soil and Foundations, vol.15, №1, p.29-44.

55. Lambe, Marr, "Stress path methods: Second Edition", Proc. ASCE, Journal of Geotechnical Engineering Division, 1979, vol.105, №6, p.727-738

56. Lassodiere F., Meimon Y., etc "Cyclic behavior and application to offshore foundation calculation", Publ. Int. Conf. on behavior off-shore structures, BOSS-82, vol.1, 1982, p. 391-400.

57. Lee K.J., Focht J.A., "Cyclic testing of soil for ocean wave loading problems", Offshore Technology Conf., Houston, Tex., 1975, vol. 1, p.343-354.

58. Lindenberg I., Swart J.H., etc, "Wave induced pressure underneath a caisson a comparison between theory and large scale tests", Int. conf. "BOSS-82", 1982, vol.1 p. 337-355.

59. Marr W.A., Urzua A., etc "A numerical model to predict permanent displacement from cyclic loading of foundations", Intern, conf. BOSS-82, vol. 1, 1982, p.237-312.

60. Mroz Z., Norris V., "Elastoplastic and Viscoplactic Constitutive models for soils with application of Cyclic Loading", By "Soil Mechanics Transiend and Cyclic Loading", London, 1982, p. 173-217.

61. Mroz Z., Zienkiewicz "Application of an anisotropic hardening model in the analysis of elasto-plastic deformation of soil", Geotechnique 29 №1, 1979, p. 134

62. Penman A.D.M., Gallacher K.A. "Preliminary study of a gravity foundations failure", Groun Engineering, 1976, №4 May p. 15-18.

63. Poulos H.G. "Cyclic axial Response of single pile", Proc ASCE, Journal of the Geotechnical Engineering Divisions", vol. 107, 1981, № GT 1, p.41-58.

64. Prevost J., Cuny B. "Offshore gravity structures centrifugal modeling", Proc. ASCE, Journal of the Geotechnical Engineering Divisions, 1981, №2, p. 125-141.

65. Prevost J., Cuny B. "Offshore gravity structures: Analysis", Proc. ASCE, Journal of the Geotechnical Engineering Divisions, 1981, №2, p. 143-165

66. Prevost J.H., Hoeg K. "Plasticity Model for Undrained Stress-Strain Behavior", Proc. 9-th Int. Conf. Soil Mech. and Found. Engin., vol.1, p.255-261, Tokyo.

67. Rahman M.S., etc, "Pore Pressure Development Under Offshore Gravity Structures", Proc. ASCE, Journal of Geotechnical Engineering Division, 1977, vol. 103, №12, p.1419-1436.

68. Rowe P.W., Graig W.H. "Studies of offshore caissons founded on Oosterschelde sand", In: "Design and construction of offshore structures", Inst, of Civil Engineers, London, 1976, p. 49-55.

69. Rowe P.W., Smith I.M. "Comments on the use of phisical and analytical models" By "Soil Mechanics Transient and Cyclic Loads", Chapter 19, 1982, p.125-141.

70. Smith I.M., Molenkamp F. "Dynamic displacements of offshore structures due to low frequency sinusoidal loading", Geotechnique 30, "2, 1980, p. 179-205.

71. Van Eekelen H.A., Potts D., "Behavior of Drammen clay under cyclic loading", Geotechnique 28, 1978, №2, p. 173-196.

72. Wood D.M. "Laboratory investigations of the behavior of soil under Cyclic Loading: A review "By" Soil Mechanics Transient and Cyclic Loads", Charter 20, 1982, p. 513-582.

73. Zienkiewicz O.C., etc "A unified approach to the soil mechanics problems of offshore foundations", In: "Numerical methods in offshore engineering", 1979, p. 316-412