автореферат диссертации по строительству, 05.23.17, диссертация на тему:Расчет длинных стержней (свай) в нелинейной среде с учетом кустового эффекта



ДШНЩШТО'ШЫН ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ 1 ^ 11 УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

КИМ Лез Владимирович

УДК 624.131

РАСЧЕТ ДЛИННЫХ СТЕРЖНЕЙ (СВАЙ) О НЕЛИНЕЙНОЙ СРЕДЕ С УЧЕТОМ КУСТОВОГО

ЭФФЕКТА

Специальность 05.23.17—Строительная механика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владивосток 1993

Работа выполнена в Дальневосточном государственном техническом университете

Научные руководители:

Офнциялшкс сппс ненты:

Ведущее предприятие:

Засл. деятель науки и техники РСФСР, доктор техн. паук, профессор _

| Н. Г. ХРАПАТЫЙ

кандидат технических наук

A. Т. Беккер

донор техн. наук, прс4ессор К. П. Горбачев

кандидат техн. наук, старшин научный сотрудник

B. Н. КАРХАЛЕВ

институт

„СахалииНИПИморнефть"

Защита состоится 29 июня 1993 г. в 14 часов на заседании специализированного совета К 064.01.04 при Дальневосточном государственном техническом университете по адресу: 690014 г. Владивосток, пр-кт Красного Знамени, 66, ауд 807

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ДВГТУ.

Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, заверенных печатью организации, просим направлять по вышеуказанному адресу.

Автореферат разослан 26 мая 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических паук

В. Т. ГУЛЯЕВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность робота. Около 80 % из эксплу-ат1фущихся в 1/ире гадротехюгсеских соорузоний . (ГГС) для добычи кефхи и газа иа континентальном шельфа имеет сваЯшЯ фундамент, ббоспочивэщиЛ технологичность и экономическую эффективность строительства. Анкерные сваи продуснотре'-и также для лмдостоЯких грввитэционно-свв&шх нлатфори для условна шельфа о.Сахалин, Значительна нагрузки от внешней среда и бояьаая гибкость стэль-1Ш трубчатых свай (Ь/В=50-250) обуславливает комплекс келикейках факторов для грунтозой среди. 'Для свайках фундаизктоз характерен кустозеЯ эй«кт всладствко взаимовлияния сваЯ через грунт, право-дязкЯ к перераспределению усилий ыегду сва;а,гл и увеличения общей дефериатквкости. Однако, суи.йствугаю ыатсда расчета кустового эффекта на основа кощепцая мо.-гх деформация грунта вносят больную погрешность при больпнх прогибах дтаншх свай п посер;шостноЛ зозо основания. Необходимость еннхекпн стоимости н м&торнплоамхо-стп опор ГГС за счет обоснованного умень~С'1п-:л коэффициентов пяда-' глости далает актуальной задачу развития нетодои расчета группа дгапяш стерккеЯ а негатеЯксЯ среда.

Цель р а б о г н - разработка методики ресчета длжгызх стер;л!3й (свай) в кзлангЯной среде с учете.« кустового Еф$ектп при статической горизонтальной нягрухекш.

Кеобходяно было регат, слэдукзиа задач-,¡:

- построить расчетную схему работа ддгашш: стерхиеЯ в епдед-ной среде;

- провести окспертшэнтоль.чие ксследовпкид картин деформация песчаного грунта различной злаяиостя подруг горизонтально нпгру-кешшх групп ^шглдрапаских стержней;

- на основе экспериментзлыда набяпдекгй разработать теоретическую модель дефершропашт среди с болызиин пэргкеявггллуа;

- вшолшш. иатеиапгчэскуя посгзкоаку к получить реетекне кедотеЯной даухмерноЯ краевой оадячи определения перексщзтаЗ среда ¡•■округ цилиндрических длнкшх стертаей;

- разработать ыатодижу расчета кустового эффекта сияй при гзиеяенин состояния среди от упругого до предельного;

- выполнить серию расчетов на ЭВМ для «ссладоааняя расчетной модели при различии вариантах характеристик этер^/ей, среда и нагрузок;

- s -

1990), Международной конференции "Интерокеантехнология" (Щецин, 1090), Тихоокеанско-Азкатскои Симпозиуме по механика шельфа И полярной технологии (Соул, 1950), Мевдгнзродном Сгояюзиуйэ по механике шельфа и полярно?, технологии (Сан-вранциско, 19Э2), Международном Симпозиума по Охотскому мор» и морскому льду (Хок-ка?до, 1903), научно-технических конференциях ДВГТУ, на с&шс-нарзх кафедр строительной механики н теория упругости, основания, фундаментов к подземках сооружений, вальфошх к водаотЙшспорт>1ых сооружений Санкт-Петербургского государственного технического университета (1900, 1930, 1ЭЭ1).

Основные положения диссертации опубликованы в 12 работах.

Объем работы. Рабата состоит из оглавления, вва-дения, четырех глав, заключения, списка исиользовашшх источников (136 наименований) и четырех приложения. ОбсрсВ объем 135с., djuto-чая 92 с. машинописного текста, 3 таблицы и 33 рисунка.

■ СОДЕРИШЕ РАБОТЫ

В первой главе - пряв еде нь; обдае сведения с свайных фундаментах и области их применения. СваЯшэ конструкции получила широкое распространение в гидротехнической строительстве вследствие высокой несущей способности, экономичности, технологичности производства работ. Обычно они устраиваются в виде саайшх кустов, где расстояние между опорами меньше ТВ, где В-диаметр опоры.

Наиболее ответственными являются свайные фундаменты шельфо-вах ГТС. В силу особых условий эксплуатации данных сооружений работа свай значительно отличается от аналогичных конструкций промшленного и гражданского строительства. Вследствие гибкости ГТС на больших глубинах моря (до 400 и) и значительных воздействий внесшей среды ош имеет большие перемещения до величин порядка Uy= 0,5В на уровне дна, что допускается технологическими условиям бурения. В результате в поверхностной гоне околосвайного грунта происходят больше перемещения грунта.

Методы расчета длинных стержней в среде можно разделить нэ группы по расчетной схема основания: (1) контактные; (31) континуальные; (III) комбинированные модели; (IV) эмпирические зависимости; и по принятому закону депортирования среду: (з) линейно деформируемая среда; б) среда предельного равновесия; (в) нелинейно деформируемая среда; (г) сыеаашше модели среды.

-а -

провести сопоставление и анализ результатов с экспериментальными и расчетными данными других авторов и дать рекомендации.

Научную новизну исследований составляют:

- постановка и методика проведения эксперимента "ьных исследований кинематических схем пзаимодеЯствия групп стерзгнеЯ со средой с больший перемещениями;

- теоретическая модель деформирования среды вокруг длинных (гибких) стержней с учетом развития больших деформаций;

- постановка и ревеше нелинейной двухмерной краевой задачи определения полей перемещений среды вокруг стержней;

- модифицированной сеточно-характеристический ыетод .расчета полей переивцеий в нэлшшйноЯ среде;

■ - методика расчета коэффициентов кустового эффекта и алгоритм для численной реализации на ЭЕМ;

результата численного моделирования взаимодействия одаточ-ннх свай и свайных групп с основанной.

П р а к г и 1.а екая ц о и н о с т ь работы заключается в разработка автоматизированного . метода расчета длинных спай с учетом кустового эффекта и развития больших деформация в среде, предоставляющего шрокиа возможности для оптишзацни спайных фун-дамантоз. Результата -' исследований могут Сыть кспользовага! для совершенствования нормативах документов по расчету опор ГГС.

Исследования вшолнялись а рамках комплексной программы ОЦ . 007 "Создание н внедрение технологических процессов и технических средств для поиска,. разводки - и прошпло ¡гаого освоения кефТкных и газовых . месторождений континентального пальфа . СССР" и нэучно-тезнэтес.чоЯ программы' "Охеанотехника" Комитета по бус по Л школа Российской Садёрзпии, Результаты исследований были использованы институтом "СэхалийКПИыоркефть" при разработка рекомендаций по эксплуатации устьевого оборудования буровых груб, институтом ДЩКМ5 при проектировании анкерних свай ледосгоШшх буровых плат-фора для условий кельфа о.Сахалин, ;.(ГП "Гидротекс" при проектировании причальных сооружений портоз Приморья. Фактический экономический 'эффект составил 80 тысяч рублей э цепах 1988г. '

'Апробация роботы. Основные положения работа представлялись на' Всесоюзной конференции "Океан" (Владивосток, 1583) , Всесоюзных координационных совйпзнаях-сешшарах. по безотходной технологии возведения свейных фундаментов (Владивосток, 1986, 1988), Всесоюзных коррекциях "Вельф" (Москза, 158$,

(I) Контактные модели.

Модели тала Фусса-Винклера (Салка на упругом основании) с различными законами изменения коэффициента постели по глубине использовались Д.В.Ангольским, МЛ.!.Арх£шгальским, К.С.Завриовым и Г.С.Широ, Я.Ш.Зиязовым, П.П.Кульмачем, Н.В.Лалэтишм, Г.С.Локу-мовичем и й.Я.Лучковским, П.Ляховым, Б.МвкШюландом, А.С.Строганов™, В.В.Мироновым, А.Я.Серебро, Н.К.Снлгко и А.Н.Сшхтко, И.В.Урбаком, Б.Хаясн и др. Удовлетворительна результаты получаются при перемвщ.9ииях свай ка уровне пор^рнюий грунта до величин порядка 10 ш.

Модели с нелинейной работой грунта рассматривали А .К.Бе котов, А.В.Баоий, В.{¿.Колесников, В.В. Миронов, Г.Матлок, Н.В.Савельев, А.И.Курносов, Л.Риз, А.А.Царьков, М.Ячилковский и др. Данная модель используется для расчета ГЕС шельфа в соответствии с ВСН 51-3-35 и ВОН 41-83 (¿кинефтепрома. Она основана на том, что форма графиков "р-иу" качественно близка для ра&яячшх. глубин к может быть зыракена одной функцией. Контактные модели использую? простые математические зависимости и удобна'для расчета на ЗШ, но не учитывают перераспределительную способность -грунта и взаимовлияние свай через грунт. '

Кустовой аффект (КЗ) ыояат вызвать неравномерность распределения нагрузок на сваи до 40-50 а и уменьшать до 50 % несущую способность. В большинства исследований кустовой эффект наблюдался иа расстоянии (6-10)Б. Для линейной иодэли введение по<трааоч~ них коэффициентов КЭ впершз предлогами Дж.Фохт и К.Кох и для -нелинейной - Н.Калтоул. и Д.Крошга.

(II) Континуальные и о д в л а.

Сваю как стержень в упругом полупространстве рассматривали

A.А.Бартоломей, Н.И.Горбунов-Посадов, К.Я.Дароащевач и В.А.Сальников, Б.Н.Жвмочкин, А.С.Кшганяя, А.Кьярудкк, Е.А.Сивцова, И.Э.Сййюулада, В.Сшллерс и Р.Стодз, Г.Поулсс и др.

. Иодоль среды предельного равновесия рассматривалась Н.Н.Бе-зуховш, В.Г.Берэзанцевкм, Д.Богардом, Б.Броксон, А. С. Буеловым,

B. Н. Голу Сковам, {фее-', З.ЛомеЙором, Г.Норрасоы, И.П.Прокофьавш, М.&.Разореновьм, Б.А.Урецким, В.Б.Юахирйвда, З.Н.Якобя, К.В.Яро-полъсним и др. Экспериментально Г.И.Глушов установил форму тела выпирания как "параболоида со сшщекчой осью". В данных моделях завивается объем выпирающего грунта, т.к., по наблюдениям зона выпирания для данных свел ограничивается глубиной (2-3 )В. Для

расчета свай ПГС пел'фэ она была использована Г.Норрисом. Для данных моделей коэффициенты КЭ определяются либо налокением обгонов тал выпирания, либо суммированием эпюр напряжений, действующих на переднюю грань тол выпирания. Расчет КЭ на с :ново теории арочного аффекта был предложен В.С.Осадчим. Замена свайного куста с ыоясвойным грунтом условным фундаментным блоком использовалась в метода« расчета О.А.Савинова, В.Марти и С.Шривастова.

Большие возможности для исследований предоставили метод коночных элементов (МКЭ) и мотод граничных элементов (МГЭ). Один из вариантов ?Я*Э был предложен С.В.Курилло (МИСИ) для расчета КЭ морских платформ по модели линейно дофор?я;руемого полупространства. Линейные модели завышают распределительную способность грунта, принимают одинаковую работу на сжогае-рпстяхение. Использование упругопластических моделей МКЭ я МГЭ связано с большим временем * счета ЭВМ.

(III) Комбинированные модели.

В этих моделях за счет усложнения совмещаются достоинства контактных и континуальных моделей. Здесь мокно выделить "винкло-ровскув модель для свайной группы" Т.Ногами и С.Паулсона, где сваи связаны мэаду собогг и с массивом грунта посредством упругих связей с матрицей кесткости по решению Ыиндлина.

(IV) Эмпирические зависимости.

Эмпирические формулы для коэффициентов кустового аф&экта в-

зависимости от расстояния и угла мэзду сваями были предложены О'Нвйллом и Т.Дуннавантом, но они имеют узкий диапазон применения

Несмотря на больиоо число работ, посвяцонных исследованию свай, имеете; еще много вопросов, требующих изучения. Увеличение глубин эксплуатации ГТС приводят к увеличению диамотров свай до 3 м и заглубления до 300-350 м, что требуют совершенствования методов их рзечата. Следует отметить недостаточность внимания ис-слэдователей к вояроезм изучения кинематических схем взаимодействия в системе "свая-грунтовая сродэ-свая".

Во в т о р о й главе описана методика экспериментальных исследований картин дефорлироваиия песчаного грунта вокруг цилин- .. дрических стержней с различными геометрическими параметрами.Обзор испытаний свай показывает, что в основном измерялись интегральные характеристики свай (зависимость "нпгрузка-перемв'денке" и напряженное состояние свай). В ряде работ регистрировалась качественная картина с помощью марок различных видов.

Хорошие результата показал для исследования характера деформаций в грунте способ фотофиксации В.И.Курдамова, которым изучалась кинематика при вертикальном внедрении штампа в грунт. В опытах В.М.Малышеве фотоаппарат жестко соединялся с пвремэпдавдим-ся штампом, что позволило выявить форму уплотненного ядра и траектории частиц в относительной системе координат, связанной со штампом. Возможно использование картин деформации поверхности грунта для оценки его прочности (способ И.И.Черкасова и Н.Э.Бай-тур суновой) . Изучение кинематики деформирования среда позволяет оценить достоверность результатов нелинейных методов расчетов.

Экспериментальные исследования проводились с целью: (а) получить картины деформирования песка различной влажности- способов фотофиксацда в абсолютной и относительной системах координат; (0) выявить форму и размер зош остаточных деформаций для' одиночного стержня и группы из двух стержней с разными схемами расположения.

Исследования проводились в двух грунтовых лотках:

- В стандартном грунтовом, наполненным средаезернистым песком естественной влажности, в котором перемещалась стяшш труба диаметром 0,1 м со скоростью 0,01 м/с.

- В водонепроницаемом грунтовом лотке размерами 2,5x2,65 м и высотой 0,15 м, наполненным на внсогу'0,1 м мелкозернистым песком с влажностью 85%. Одиночный цилиндрический штамп и .группа из двух штампов диаметром Б= 0,0в м нагружались циклически с помощью гидропривода с частотой г= 0,1 и 1/Гц. Амплитуды колебания • устанавливались А= 0,01; 0,02; 0,03 и 0,04 м. Проводилась фотосъемка с затяжной экспозицией и измерение размеров областей пластических деформаций. Для двух штампов варьировалось расстояние меаду-ниш: в= 0,3 и 0,4- м и угол ¿!=0, .30°,, 45°, 60° и 90°. .

На рис.1 а,б показаны.характерные кинематические картины в абсолютной и относительной системах координат. Исследования, проведенные' при различных, перемещениях штампа, показали, что качественно картина совпадает с результатами вертикального внедрения штампов. По траекториям движения частиц грунта на фотоснимках можно построить огибающие . линий тока. В областях предельного равновесия они близки к линиям скольжения, которые получаются из теории предельного напряженного сс-тоянид.

В первой фазе деформирования (перемещение штампа до 0,02В) траектории направлены радаалыю из центра штампа с небольшой кривизной, которая увеличивается к краю штампа. Во второй фазе

Картины деформирования песка естественной влажности

(до 0,2В)в боковых областях происходит сдвиг, причем размер пластической сдвиговой области невелик и приблизительно равен 0,БВ.' В тыловой области грунт на растяжение не работает и сразу разрушается с заполнением образующегося зазора по траекториям, близким к радиальным. В третьей фазе траектории сильно искривляются и их форма стабилизируется. Но фотографии, полученной при.закреплении фотоаппарата со штампом, видай траектории обтекания штампов и форма ядра с "впалыми щеками". Размер ядра зависит отоплотности среда. Форма областей зоны остаточных деформаций близка к круговой, причем размер передней области в 1,2-1,3 раза больше тыловой и равен 1,5В штампа.

Для сдвигового' течения в относительной системе координат наблюдались: •

- область скольжения, где наступило предельное состояние сдвига и частицы "скользят" относительно друг друга. Размер области зависит от вязкопльстичесхих' свойств грунта и имеет толщину порядка нескольких десятков диаметров чаотид; .

- область затухания, .где происходит затухание скоростей;

.- область прилипания к поверхности сваи,.т.е. область яд^а и так _ называемая "грунтовая рубашка" для связных грунтов.

В опытах с.водонасыщенным мелкозернистым песком вследствие-наличия большой структурной прочности форма зоны остаточных деформаций хороню заметна, но траекторий не видны (риаЛв). В случае двух итампов при их различном взаимном положении выявлены формы активной ' зоны • в результате,наложения. Размер сдвиговой области равен: 0,5В.

В третьей главе дана математическая постановка нелинейной двухмерной краевой задачи расчета перемещений среды вокруг цилиндрических длинных стержней.

Как показывает ошт, решашув рль в сопротивлении свай горизонтальной нагрузке играет верхняя «есть грунта (зона больших прогибов). Никняя часть смещается мало, и ошибки в определении ее податливости не играют в расчете существенной рол;. В случае малых прогибов свай методы теории упругости дает близкие к эксперименту результаты, но при больших прогибах грунт в верхней части грунтового массива переходит в предельное состояние. Решения данной упругопластической задачи являются неоднозначными, т.е. пере- . ход от начального к конечному состоянию монет проходить .разными

путями, и сопоставление результатов в числах затруднено. Одним из путей шкет бить качественное сравнешш результатов. В связи с этим возникает необходимость изучения кинематической картам взаимодействия свай с грунтом в целях обоснования выбора теоретических моделей расчета.

Вследствие сложности изучаемого явления принят ряд допущений на основе экспериментальных данных:

1. Нагружешю к в а з и с та тиче ское. Для данного шага нагрухения направления векторов скоростей и перемещений грунтовых частиц совпадают, что относится тэгако к зашематическкм и Геометрическим граничным условиям. Исходными данными являются горизонтальные перемещения узлов свай от комбюмрованного нагру-яения, полученные из расчета свай на ЭВМ с помощью МКЭ или другим методом. Вертикальные перемещения узлов сваи на порядок моньше, чем горизонтальные, что характерно для длинных свай ГТС. Ростверк произвольной жесткости.

2. Модель основания нелинейная контактная в виде набора плоских грунтовых слоев, характеризуемая коэффициентами горизонтального отпора согласно действующим нормам.

Грунт находится в плоскодвфэрмированном состоянии. Ото справедливо для длинных свай согласно многочисленным экспериментальным наблюдениям (Л. С.Строганов, и др.) за исключением поверхностного слоя высотой (2-3)В, где грунт выпирается вверх. Коэффициенты КЭ будут различными для каздого слоя по глубине и их расчет производится только для зоны больших прогибов (вшее нулевой точки прогибов). Ниже коэффициенты КЭ могут приниматься по упругой модели согласно нормам.

2. Для задания граничных условий вводится условное ограничение снимаемой толщи "зоной влияния", за пределами которой можно пренебречь перемещениями грунта (рис.2). По высото она делится на зону больших и малых' прогибов, разделяемая первой сверху нулевой точкой прогибов. Зона больших прогибов имеет форму двух конусовидных тел с углов выпора по решению В.Г.Берэзанцева

агс1£{(51п2ф/(соя25>-0,5)] - 1, (I)

где угол внутреннего трения.

В тыловой области сваи для связных грунтов возможен разрыв сплошности (отрыв сваи). Грунт на растяжение но работает.

4. Грунт физически и геометрически нелинейный в зоне больших прогибов, а ниже является линейно деформируемой средой.

Зоны деформаций грунта плп длинных свай Ъ/ЪУ 15

Рис.2

5. Напрятанное состояние грунта не изучается.

6. В соответствии с классификацией Н.М.Горсеванова и .опытны-мл наблюдениями, в зоне влияния возможны три фазы напряггонно-деформиро'ванного состояния с различной картиной деформирования: а) квазиупругая, когда траектории частиц близки к радиальным

линиям, исходящим из центра сваи.

Перемещения сваи в пределах (0,005-0,020)В;

.6) упругопластичэская, когда образуются площадки сдвигов. Траектории частиц заметно отклоняются в стороны от оси движения.

Перемещения сваи в пределах Иу^ <Цу.< Ви^. в) вязкопластическая, когда происходит переход в предельное состояние с выпором грунта. Траектории частиц выходят на поверхность грунта, либо затухают в чолще.

7. В плане в. зоне влияния образуются боковые сдвиговые облаоти. Эпюра перемещений сдвига по оси х свай в этих областях принимается по аналогии- с чистым сдвигом для в я з коил а с ти ч -э ской среды.

8. Далее под "грунтовой ячейкой" принимается малый объем среда „■ состоящий из одних и тех же грунтовых частиц при движении. Объем ячейки монет изменяться за счет изменения объема пор (вода). Для' приближенного расчета вертикальных перемещений объем ячеек принимается постоянным.

• Запишем основную систему уравнений. .Будем использовать абсолютную систему координат ХУ и относительную ху, связанную с центром рассматриваемого конечного элемента сваи. Уравнение сохранения массы (массопереноса) имеет вид

<Ит/й « Р, (2)

где - плотность грунта;

и - скорость движения грунтовых частиц; О - мощность источника в центре конечного элемента сваи.

Данная задача кинематически' неопределима. Представим вектор абсолютного перемещения узла грунтовой ячейки в виде

■ Къз* + V <3)

где иаЬз~ абсолютное перемещение частицы;

компонента 'перемещения вследствие осевыг деформаций; ив~ компонента перемещения вследствие сдвиговых деформаций.

Используя идею метода дробных шагов, предлагается расчленить задачу на два кинематически определимые:

Задача I. В абсолютной системе координат определяются компонента Ну, где уравнение сохранения массы принимает вид

dir 5J.» Qp (4)

с граничными условиям! (рис.3)

= U_cosß, Til «о

(5)

Задача II. В относительной системе координат (неподвижная свая обтекается грунтом) определяется компонента ug

div i •» о (в)

а

с граничными условиями (рис.4)

= u sin /3, TI j - (7)

us

к граничные условия на оси х в относительной системе координат (допущение 6)

2 Г Я-0,5В11+1/а

-й = l^JI- —j , 0,5b>3C»VQ,5ß,l8)

5

где п - эмпирический коэффициент, характеризующий вязкопластичес-кие свойства грунта. На основе проведенных экспериментов рекомендуется гв= 0,5В. Эмпирический коэффициент п рекомендуется принимать для кесткопла-стических грунтов й« О . и п= 2 для остальных видов грунтов.

Для решения сформулированных задач была разработана модификация сеточно-характеристического метода (СХМ), к достоинствам которого следует отк^зти'математическую строгость, отражение физической сущности задачи, учет разрывов решения и области зависимости решения, отсутствие .необходимости решения системы алгебраических уравнений.

Поля перемещений для задач I и II определяются в виде характеристик ур.(4) и (о),, которые будем назавать линиями тока (ЛТ>. ЛГ (огибащие траекторий движения) и линии сколькения не являются идентичными, однако в области -уплотненного ядра возможно их совпадение. Аналитическое решаю задач I и II известно для идеальной жидкости:

I. Радиальный поток от источника, где.скорость равна

Цр в 0г,/2гг. (Э)

II. Обтекание цилшдра, где компонента скорости в цилиндрической системе координат имев? вид

2 Z

Uj. - Uy (I- Tq/Г ) COS p, (10)

2 2

U3 e Uy. (1+ Tq/г ) sin fi, (II)

В качество примера мотаю привести результата исследований погрук ния сваи методом "линий деформаций", предложенным М.Бали, в котором поле скоростей идеальной жидкости использовалось для расчета поля деформаций. Сопоставление с экспериментом показало занижение величины сопротивления грунта, что связано с идеализацией среда (отсутствие трети яо контакту). Однако, данный подход может дать хорошие результаты при задании граничных условий, учитывающих реальнкв свойства среды.

Особенность» расчета является поэтапное решение задач. Иа первом этапе определяются направления ЛТ по аналогии с ур.(9)-(II) и на втором этапе - распределение ■ модулей перэмещений путем аппроксимации emop координатными функциями.

I) Поле ЛТ(г) - перемещения сжатия/расширония. Из (9) следует радиальное направление ЛТ(г). Искомая функция для перемещений ищется в виде для рассматриваемой ЛТ

1^(5) Upírjj) ^(Х), (12)

где гд- радиус сваи;

Фр(г) - координатная функция, удовлетворяете условиям линейной зависимости и полноты. Выберем в качестве координатной функции полином вида

aQ + ají + agí2 + a^r3 + а4?4, (13)

где ? - относительное расстояние в пределах зона влияния, г/Н.

• Определи* коэффициенты,.задав следующие граничные услоеия на основании экспериментальных измерений (

ог<оь í , .§¿<o)= х. о» о, ffra')» о, (14)

где X -.Форгагараметр. эпюры. перемещений.

Получаем однопараметрическую координатную' функцию (рис.З)

^.(5)= (1- ?)3(1- й- хё/6), (1.5)

- 14 -

ЗАДАЧА .1

Координатная функция

Перемещения расширения

Рис-

задача II .

Граничное'условие для идеальной жидкости

Щ|

Л

и» . л=5

вязкоплзсткчная среда

Предлагается определять формпараметр в зависимости от перемещения сваи способом инте'пиоляцил между известными начальным и конечным значениями, определзннши соответственно по теории упругости и теории предельного напряконного состояния. Это позволяет приближенно учесть переформирование эторы перемещений вдоль ЛТ в зависимости от степени развития пластических деформаций. Формпа-раметр туш упругого состояния принимается рри величине перемещения менее предельного .упругого перемещения, которое колеблется в узком пределе и^ (0,005-0,012)В. Предельное напряженное состояние принимается при- превышении величины ту* вц^ согласно рекомендациям норм. Для предварительна ранетов рекомендуется форм-параметр для упругого состояния 10 из решения Оламана теории упругости) и для предельного напрякошого состояния -6 по данным измерений напряжений вблизи свай (Ю. М.Колесников). Для рыхлых грунтов Формяармэтр .укеньиается на 15-20 %.

. В ходе построения ЛТ(г) производится дискретизация зоны влияния на грунтовые ячейки с целью определения их деформированного состояния. Поверхность сваи покрывается сеткой граничных узлов с шагом'по высоте Ь и.по контуру, с шагом Определение координат следующих узлов . лт(г) ' производится наращиванием по итерации до выполнения условия

8(1) - 8(1+1), (16)

гдо 3- угол мезду-. участком ломаной и векторами перемещений в узлах I и (1+1) соответственно.

Данное условие вытекает из предположения, что участок криволинейной ЛТ между узлами X и (1+1) является дугой окруккости. Конец построения наступает при выхода ЛТ(г) на границу зоны влияния, либо на контур соседней сваи при расчете свайного кугга.

II) Поле ДТ(з) - сдвиговые перемещения.

Направления ЛГ(в) определяются в относительной системе координат, связанной с рассматриваемым элементом сваи, по формуле

^у^ (17)

где и^30- вектор сдвигового , течения в относительной „истеме координат в результате наложения плоскопара.чпелького потока Ыу на поле и^.

Построение ЛТ(з) производится сверху вниз" Коордашатнп функция принята по аналогии с ур.(П)

)= Ш (0) (18)

Тогда

и8сг,р) - 51п р, (19)

где и^ - граничное условие по оси з (рис.4).

Критическая ЛТ(з), разделяющая область "покоя" (уплотненное ядро) от области течения начинается от контактной точки Д^» у по условию Кулона-Мора.

Таким обргэом, суммируя полученные поля, находим абсолотные перемещения узлов сетки грунтовых ячеек в плоской постановке.

III) Расчет вертикальных перемещений. Вертикальные перемещения можно. определить при допущении о. постоянном объеме грунтовых ячеек. Вследствие изменения их площади после деформирования вертикальное перемещение определяется по итерационной процедуре с расчетом по слоям "снизу вверх" от нижней плоскости зоны больших прогибов, где отсутствуют вертикальные перемещения.

Приведем алгоритм расчета перемещений и коэффициентов. кустового эффекта по разработанной программе ИНТЕР:

1. Расчет сваи МКЭ или другим способом при начальном задании коэффициентов КЗ, равных единице. Определение -ысоты, радиуса и углов выпора зоны больших прогибов.

2. Построение ЛТ(г) (дискретизация на ячейки по грунтовым слоям) с определением перемещений скатия/расширения.

3. Расчет сдвиговых перемещений узлов с построением ЛТ(з).

4. Расчет вертикальных перемещений узлов сетки;

5. Расчет коэффициентов кустового эффекта'

5$ и v.

<£,(11, 2)- -- , (20)

где а)- коэффициент кустового эффекта для слоя;

5 - площадь,зоны влияния;

и°аЪз " абС0-КЙТН°Й перемещение для случая оданочной свои.

6. Если сходимость по величине коэффициента КЗ не вшолняет-ся, ячерацая повторяется с шага I.

В четвертой главе дано описание программы 'ЛИТЕР и полученные результаты, свидетельствующие об устойчивой работе программы и о возможности использования еэ в проектной практике. Расчетные коэффициенты кустового эффекта по программе ЩТЕР вводятся в расчет свайкой конструкции по методу коночных элементов (выччелительный комплекс лира). Сопоставление результатов модельклх расчетов с экспериментальными и расчетными данными других исследователей показало хорошую сходимость. Использовались данные испытаний Х.Мэтлока и др. одиночной сваи и группы из пяти и десяти свай в мягкопластичэской глине. Нз рис.5 приведены картины налокений полей перемещений дль двух стержней при различной конфигурации куста свай. Ка рис.5 дано сопоставление перемещения и изгибающих моментов. На рис.7 показано уплотненной грунтовое ядро перед ссзей, очерченное расчетной критической ЛТ;з). На рис.8 показаны изолинии, коэффициента кустового эффекта в зависимости от расстояния и дарекциокнсго угла дли условий испытаний Х.Мзтлока.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ •

1. Для свайных фундаментов ГТС из длинных стержней необходим расчет кустового эффекта с учэтсм больших перемещений грунта в поверхносной зоне. Метод®» такого расчета предложена в данной работа.

2. Полученные способом фотоне ации качественные данные« кинематике деформирований' грунта вокруг одиночных длинных стержней и групп стершей легли в основу разработанной теоретической модели расчета полей перемещений в околосвайном массиве грунта.

3. Разработанный модифицированный свточЕо-характеркстический метод эйфзктизен для решения нелинейных крзевюс задач яри больших, перемещениях- среда.

4. Разработанная итерационная процедура расчета свайных кустов ГТС о учетом расчетных коэффициентов кустового эффекта, зависящих от перемещения сваи и глубины, может найти широкое применение в проектной практика.

5. Выполненная.серия расчетов на ЭВМ показала устойчивость вычислений при различных' параметрах свай, грунтового основ'кия и нагрузок. Качественные и количественные резу.г таты близко совпадают с экспериментальными наблюдениями

Основные полоквкия диссертации изложены в следуюда трудах:

Наложение полей перемещений в относительной системе координат ,для двух стержней - р=90° и |Ы>0

б)

а)

Наложение полей перемещений в абсолютной системе координат для двух стержней р =90°

Рис. 5

Сравнение результатов с экспериментальными

*н

о -¿х 0

уъ * •/К"

И о лксл&хмелеп ■--ЛЛГЗ ---АГ^

Упругое ядро грунта Ч

иг да д

Рис. б

Изолинии коэффициента с£* о* __

<5*

Рис.7

i - 20 - '

I. Беккер Л.Т. Ким Л.ВГРасчет морских нефтсгазопрокысясших сооружений сквозного тина совместно с основанием// Проблеш научных исследований в области изучения и освоения Мирового океана: Тр. Всесоюзной конф.- Владивосток, ISS3, о.24-27.

. 2. Ким Л.В., Беккер АЛ. К расчету морских стационарных платформ на свайном основании// йщротехюгческив сооружения: СО. тр.ДВПИ.- Владивосток. 1984, с.44-49.

3. Ким Л.В., Вэккер А.Т. К вопросу динамического расчета сваЯшх кустов морских сооружений// Гидротехничегие сооружения Сб.тр. ДВГИ,- Владивосток, 1985. C.S2-S6.

4. 1й:м Л.В., Беккер А. Т. Динамически® кустовой эффект свайных груш морских соорушшЯ.-М., IS37.-I8C.- Рукопись представлена ДИШ. Дел. в В/О "К'ортохзшфорлреклама" 25.11.67, & 714.

5. КшЛ.В., Беккер А.Т. Статический и квазиетатический расчет свайных фундаментов гидротехнических- сооружений// Гкдрото-хначоские соорукэлия: Сб.тр. ДВШ.- Владивосток, 1938, с.65-75.

6. Ким Л.В. Статический к квазистатическкй расчет свайных фундаментов пцгро техлкч о с; их сооружений.-М., 1939.- 30с.-Рукопись представлена ЛВШ. Леи.в В/О "Моргбхинфорьфэнлс-аа" 28.02.8Э, &SQI

7. Kirn L.V. Design evaluation oi iee-reslstent охТШ'.ого structures for Par-Eastern seas conditions.- Proc. Int. Conf. on Ocean Research End underwater Teeha., Sscsocln, 1990, p.217-221.

8. Khrapaty K.G., Beidcer A.S., Kin L.V. Dynaraic behaviour of pile group-soil systea.- Proc. let Pacific / Asia Syra. Offshore Mechanics and Polar Engineering, Seoul, v. 1, 1920, pp.240-244.

9. Kiia L.V,, Bekker A.T. nonlinear pile-sol! Interaction oi otruciur-jo.-- Proc. 1st Pacific/' Asia Symp. Oflshore Mechanics and Polar Engineering, Seoul, v.1, IS90, pp. 249-255.

10. Вш Л.В. УоДцфицкровашай сеточна-характеристический метод в расчетах свайных фундаментов сооруаений контшюнтадьного шельфа// Гидротехнические сооруаакая: СО.тр. ДВШ.- Владивосток,

1991, с.87-93.

II. Kis 1.7. Kir.e®atlc study oi р11о-зоН system.- Tree. 2nd Int. Зутр. Onshore Kechanlc3 Polar Eftgg, Sai-5'ranclsco, v.1,

1992, pp. 240-244.

12. Kins X.V. Kinematic study oi Ice flow around offshore structure.- Proc. 8lh Int. Synpoalua on oa»t§k Sea and Sea Ice, Mcssbetsu, IhfcJtaldo, 1993, p.177.

Подписано з качать 4.05.93. 60х84/1'Б, EjfKira пиочая. Печать

офсетная. Усд.печ.д. 1.39. Уч.- изд.л. 0.30. Зак.144.Тираа 100 экз.

Сотого о-пшя. лаборатория ДЖТ/. Сьзтдансгая, 53