CC BY
26
СТРОИТЕЛЬСТВО. Гидротехническое строительство
D0I.org/10.5281/zenodo.1286038
УДК 624.02; 624.07; 624.1; 626.04; 627.2; 627.4
Н.Я. Цимбельман, А.М. Косикова, В. Флорес Терразас, Т.И. Чернова, А.Г. Трапезников
ЦИМБЕЛЬМАН НИКИТА ЯКОВЛЕВИЧ - к.т.н., доцент, заведующий кафедрой, e-mail: [email protected] КОСИКОВА АНТОНИНА МИХАЙЛОВНА - студентка, e-mail: [email protected]
ВИКТОР ФЛОРЕС ТЕРРАЗАС - магистрант, e-mail: [email protected] ЧЕРНОВА ТАТЬЯНА ИГОРЕВНА - ассистент кафедры, e-mail: [email protected] ТРАПЕЗНИКОВ АНДРЕЙ ГЕННАДЬЕВИЧ - аспирант кафедры, e-mail: [email protected]
Кафедра гидротехники, теории зданий и сооружений Инженерной школы Дальневосточный федеральный университет Суханова ул., 8, Владивосток, 690091
Определение предельных перемещений
гидротехнических сооружений из заполненных оболочек (обзор)
Аннотация: Представлен обзор работ, посвященных вопросу проектирования прибрежных гравитационных сооружений, выполненных из цилиндрических, заполненных грунтом оболочек. На основе обзора методик определения и расчета предельно допустимых перемещений заполненных грунтом оболочек с учетом взаимодействия с грунтом основания авторами выявлены критерии значения предельных перемещений, которым должны удовлетворять условия расчета. Авторы рекомендуют помимо общих требований к определению предельных перемещений и функционального назначения сооружения (выражающегося в учете особенностей технологического процесса его эксплуатации) определять также предельные перемещения грунта основания с последующим выделением наименьших (критических) значений. Для определения предельных перемещений грунта основания для начальных стадий проектирования предлагается использовать данные известных штампо-вых испытаний для схожих грунтовых условий. В качестве критерия определения предельной осадки предлагается рассматривать момент начала развития фазы пластических деформаций в грунте. Ключевые слова: заполненная оболочка, грунт, прибрежные гравитационные сооружения, предельные перемещения.
Введение
В последнее время при проектировании гидротехнических сооружений широко применяются оболочечные конструкции, состоящие из тонкой оболочки (стальной или железобетонной) и внутреннего наполнителя, в качестве которого используется грунт с заданными физическими и прочностными характеристиками. Оболочки могут применяться в любых гидрологических условиях и практически на любых грунтах основания (кроме слабых илов большой мощности и глин текучей консистенции). В данных сооружениях эффективно сочетаются работа относительно дешёвого наполнителя, занимающего значительный объём всего сооружения, и оболочки, обеспечивающей удержание массива грунта.
© Цимбельман Н.Я., Косикова А.М., Флорес Терразас В., Чернова Т.И., Трапезников А.Г., 2018 О статье: поступила: 05.04.2018; финансирование: бюджет ДВФУ.
Примерами использования таких конструкций могут быть [8]:
- несущие конструкции транспортных сооружений, переездов, устоев мостов (рис. 1), подземных сооружений и т.п.;
- портовые гидротехнические сооружения из оболочек большого диаметра - причальные, оградительные, берегоукрепительные и др. (рис. 2);
- подпорные стены в промышленном, гражданском транспортном строительстве из крупных и мелкоштучных заполненных грунтом оболочечных элементов;
- устройство фундаментов зданий и сооружений, в которых оболочка служит для обеспечения прочности и устойчивости заполняющего её грунта основания.
Рис. 1. Устройство оснований пилонов под мост Рис. 2. Использование заполненных оболочек Гонконг-Чжухай-Макао [14]. при устройстве прибережных сооружений [10].
Наиболее существенными вопросами при расчете конструкций оболочек, работающих как гравитационные сооружения, является расчет осадок и определение их неравномерности, вызывающей наклон сооружения, а также сравнение отмеченных значений с предельно допустимыми.
Цель работы - на основе обзора исследований выделить наиболее значимые критерии определения предельных перемещений и обосновать необходимость их предельно допустимых значений для прибрежных гравитационных сооружений. Такие критерии обусловливаются следующим: во-первых, общими требованиями, предъявляемыми к сооружениям данного типа в соответствии с нормами и рекомендациями; во-вторых - требованиями к предельным перемещениям, технологической составляющей проекта; в-третьих - требованиями ограничения перемещений, определяемыми исходя из несущей способности грунта основания.
Авторами определена последовательность задач: выполнить обзор нормативных требований и технических рекомендаций в части определения предельных перемещений сооружения в целом; определить необходимые исходные данные для их расчёта исходя из несущей способности основания; выполнить в качестве примера расчёт предварительных значений предельных перемещений с использованием данных испытаний (аналогов) и сопоставить их со значениями, определяемыми типовыми требованиями технологии производственного процесса; дать иллюстрацию возможности определения предельных нагрузок исходя из полученных допустимых перемещений. Такая последовательность определяет пошаговую процедуру выбора предельных перемещений с учётом перечисленных авторами критериев.
На основании выполненного обзора авторы предлагают последовательность действий проектировщика при определении предельных перемещений сооружений рассматриваемого типа. Предельные перемещения отчасти нормируются, отчасти рассчитываются исходя из конкретных условий строительства. Нормы в данном случае описывают общие требования к сооружениям такого рода (предварительная оценка), проект описывает технологические требования (перемещения, недопустимые в соответствии с режимом работы оборудования), а расчётом устанавливаются предельно допустимые перемещения в соответствии с конкретными грунтовыми условиями стро-
ительства. Как правило, проектировщики ограничиваются первыми двумя этапами определения предельных перемещений, не принимая во внимание третий, так как для такого расчёта требуются дополнительные данные полевых испытаний (например, штамповые испытания).
Принципы определения перемещений сооружений
из заполненных грунтом оболочек
Общее перемещение сооружения в грунте может быть представлено тремя основными составляющими: вертикальным перемещением, горизонтальным перемещением и креном. Силы сопротивления сдвигу и моменты опрокидывания изменяются по величине в зависимости от удельного веса, угла внутреннего трения грунта, модуля деформации, коэффициента Пуассона, удельного сцепления и других параметров [9]. В зависимости от видов сооружений и схем расчета перемещений принимаются различные значения модулей деформации. В качестве исходных используются результаты компрессионных испытаний или полевых опытов на штампах. Характерной особенностью конструкций из заполненных оболочек, отличающей их от других гравитационных сооружений, является присутствие местных деформаций основания (осадки и крен оболочек) вследствие обжатия грунта внутренней засыпки. Их величина может составлять до 30% от общих перемещений оболочки [3].
Изучение физической картины взаимодействия оболочек с грунтом основания и внутренней засыпки показывают, что общие осадки конструкций под действием строительных и эксплуатационных нагрузок определяются из трех основных составляющих [4]:
А = А] + А2+ Аз, (1)
где А] - осадка оболочки как штампа под действием вертикальных нагрузок от действия конструкции верхнего строения и засыпки грунта до проектной отметки территории и сил трения от бокового давления грунта, а также эксплуатационных нагрузок, м;
А2 - осадка оболочки от поворота, возникающего при действии момента от надстройки на оболочку и при горизонтальном перемещении оболочки от горизонтальных эксплуатационных нагрузок и активного давления грунта, м;
А3 - осадка оболочки от обратного поворота, возникающая при действии эксплуатационной нагрузки за тыловой гранью оболочки, м.
Рис. 3. Составляющие перемещений оболочки: А - равномерная осадка грунтового основания и сооружения, Ah - горизонтальное перемещение сооружения, ш - крен сооружения.
Расчет перемещений сооружения может быть выполнен с использованием нормативных методик, приведенных в сводах правил и норм проектирования для гидротехнических сооружений. Расчетные перемещения (рис. 3) не должны превышать предельных значений, установленных стандартными документами, которые зависят от типа и назначения заполненной оболочки [3, 5, 8]. Чтобы ограничить перемещения оболочки с точки зрения ее нормальной работы, должны быть выполнены следующие условия:
А < Ацт; Ah < Ah,lim; ю < юцт,
где Ацт - предельно допустимое значение равномерной осадки, А^ищ- предельно допустимое значение горизонтального перемещения, а тцт - предельно допустимое значение крена оболочки, заданное в зависимости от требований к эксплуатации, при которых нормальные рабочие условия не нарушаются [3, 4].
Предельно допустимые перемещения оболочки
Общие требования. Предельно допустимые значения совместных деформаций грунта основания и конструкции оболочки определяются техническими условиями проектирования конкретных типов гидротехнических сооружений на основе необходимости соблюдения: технологических требований к перемещениям сооружения, включая требования к нормальной эксплуатации оборудования, размещенного на нем; требования к прочности, устойчивости и трещиностойкости конструкций. Для причальных сооружений оговариваются общие требования к предельно допустимым перемещениям [1]:
Аит = 0.2 м; АпДт = 0.05 ^ 0.08 м; шит = 0.009; для оградительных сооружений:
АПт = 0.4 м; АпДт = 0.05 - 0.08 м; шЫт = 0.015.
Отдельные требования к допустимым перемещениям берегоукрепительных сооружений приведены в табл. 1.
Таблица 1
Предельно допустимые значения перемещений [1]
Вид перемещения Единица измерения Предельно допустимое значение
Равномерная осадка м 0.2
Горизонтальное смещение м 0.8
Крен - 0.008
При определении предельных величин перемещений необходимо учитывать: допустимую разность осадок и горизонтальных смещений конструкции, уплотнений стыков между оболочками; допустимую разность осадок между соседними оболочками по условиям их нормальной работы; допускаемые деформации (в данном случае перемещения, так как расчет прочности путей не выполняется) путей для перегрузочного оборудования, устанавливаемого на сооружении.
Максимально допустимый крен сооружения может варьироваться от 1/2000 до 1/300, чтобы предотвратить появление в конструкции второго предельного состояния. Значения крена до 1/500 приемлемо для многих сооружений в зависимости от типа их функционального назначения. Значения крена, который может вызвать предельное состояние, составляет около 1/150 ^ 1/100 [11].
Необходимо различать перемещения сооружения в строительный и эксплуатационный период. Сравнение с предельными значениями следует производить только для перемещений, возникающих во время эксплуатации. Перемещения, образующиеся в течение срока строительства, должны определяться для оценки возможности их нейтрализации при устройстве конструкции верхнего строения.
Технологические требования к допустимым перемещениям
Предельно допустимые перемещения могут быть установлены исходя из функционального назначения сооружения: когда перемещения должны соответствовать требованиям по эксплуатации и техническому обслуживанию оборудования, размещенного на оболочке или вблизи нее.
В случае использования заполненной оболочки в качестве конструкции с рабочим краном на ней предельные перемещения оболочки определены требованиями конкретного производителя крана. Поэтому предельные значения перемещений оболочки будут устанавливаться под критерии технологического оборудования для определенного проекта. Для кранов наиболее важным пара-
метром эксплуатации является крен ю, поэтому допустимое значение крена тцт сооружения должно обеспечивать условия нормальной эксплуатации крана. Основной причиной появления крена является осадка основания крановых рельсов. Допустимые перемещения зависят от вида и типа характеристик крана: руководство по расчету допустимой осадки основания под крановые рельсы [12] устанавливает значение допустимого крена, которое не должно превышать 0,003L, где L определяется как расстояние между двумя точками колеи крана. Помимо этого допускаемые перемещения путей для перегрузочного оборудования российского производителя, устанавливаемого на сооружении, определяются по [7], где регламентируются допуски на отклонение крановых рельсов от проектного положения. Предельные допустимые величины вертикального смещения вдоль пути принимаются от 12 до 24 мм в зависимости от материала основания.
В качестве примера приведем случай использования портального крана LPS 120 с грузоподъемностью 42 т и вылетом стрелы 30 м. Расстояние между рельсами колеи крана - 9 м. С учётом вышеизложенного предельно допустимое значение осадки для сооружения, учитывающее допустимый крен и равномерную осадку вдоль полотна, составит от 39 до 51 мм.
Расчёт предельно допустимых перемещений
Помимо технологических требований расчетные перемещения должны удовлетворять требованиям норм по расчету оснований гидротехнических сооружений. В СП [6] максимальные горизонтальные перемещения сооружения не должны быть больше 0,75 ицт, где ицт - предельное вертикальное перемещение сооружения, соответствующее состоянию предельного равновесия системы «сооружение-основание», определяемое по формуле
1-nj
Щт = Uiim,st ) , (2)
где Uumst - предельное вертикальное перемещение штампа;
Ast - площадь штампа;
A - площадь опоры сооружения;
ni - параметр (табл. 2), определяемый по результатам испытаний z'-го слоя грунта двумя штампами различной площади Aj и A2 под одной и той же нагрузкой по формуле
п'~1- 'О ' (3)
где Asj,i, As2,i - приращения осадок штампов с площадями Aj и A2 от дополнительного давления по результатам испытаний i-го слоя.
При отсутствии данных штамповых испытаний допускается принимать следующие значения параметра ni для грунтов (см. табл. 2).
Таблица 2
Значения ni
Вид грунтов Щ
Пылевато-глинистые ледниковые 0.1-0.2
Остальные пылевато-глинистые 0.15-0.3
Песчаные 0.25-0.5
Для более обоснованного определения предельных значений перемещений сооружений из заполненных оболочек целесообразно проводить штамповые испытания, направленные на определение условий работы грунта. При отсутствии возможности проведения таких испытаний и на начальных стадиях проектирования можно с определенной степенью приближения использовать данные исследований со схожими грунтовыми условиями (рис. 4).
Рис. 4. Осадка штампа Рис. 5. График перемещения оболочки
в зависимости от нагрузки [2]. в зависимости от нагрузки [13].
Далее приведен пример расчета предельных перемещений на основе штамповых испытаний, которые были приняты по [2]. Используя формулу (2), определяем предельные перемещения для сооружения, рассчитанного в [13] (рис. 5), где модель сооружения из заполненных оболочек была выполнена в программе PLAXIS 3D со следующими исходными данными (табл. 3).
Таблица 3
Параметры расчетной модели
Параметр Единица измерения Значение
Удельный вес, у кН/м3 78.5
Модуль упругости, E кН/м2 2.1x10е
Коэффициент Пуассона, V - 0.28
Диаметр, D м 10
Параметры модели грунта соответствуют пескам, поэтому можно рассчитать предполагаемые предельные перемещения, опираясь на известные штамповые испытания. Параметры штампа приняты по [2], где диаметр штампа составляет 3 м и предельное перемещение составляет 14 мм (рис. 4), что соответствует началу появления пластических деформаций в грунте основания. В результате:
1-0.25
иИт = 14 • Г^5000)] 2 = 34.54 мм « 35 мм.
ит к-(1500)2]
Результаты
В работе на основе обзора источников показаны критерии определения предельных перемещений для гидротехнических сооружений гравитационного типа, выполненных из заполненных оболочек. В качестве примера определены предельно допустимые осадки для причального сооружения, установленного на податливом основании и обеспечивающего нормальную работу портального крана. При этом учтены общие требования к назначению предельных деформаций (перемещений) (см. табл. 4) для сооружений рассматриваемого типа, технологические требования нормальной работы крана и допустимые осадки, определённые расчётом исходя из несущей способности основания. Результаты расчёта сведены в табл. 4.
Данный пример показывает, что возможны расчётные ситуации, когда помимо требований к обеспечению нормальной работы оборудования определяющим критерием при назначении предельных перемещений сооружения может являться несущая способность основания, поскольку достижение определённых перемещений подошвы заданного сооружения говорит о появлении и начале развития в грунте основания зон пластических деформаций.
Таблица 4
Результаты расчета
Критерии определения перемещений Требования на основании Предельно допустимое значение осадки сооружения мм
Общие требования [1, 3, 4, 5, 6] 200^280
Технологические требования к перемещениям оболочек паспорт крана и [7] 39^51
Предельные деформации (перемещения) основания [8] 35
Установленное одним из перечисленных способов значение предельно допустимого перемещения сооружения на начальных стадиях проектирования может служить основанием для решения обратной задачи, когда допустимые перемещения определяют максимально возможные нагрузки на сооружение. Например, по результатам исследования численной модели сооружения, представленным на рис. 5, можно определить нагрузку, соответствующую предельно допустимым перемещениям (осадкам) оболочки. Для приведенного случая, когда равнодействующая условно приложена сосредоточенной к верхней части сооружения, предельно допустимая нагрузка составляет около 1600 кН.
Заключение
В статье представлен краткий обзор работ, посвященных проблематике проектирования сооружений из заполненных оболочек, показаны основные гипотезы предельных состояний системы «сооружение-основание», приведены основные составляющие расчета предельно допустимых перемещений заполненных грунтом оболочек при взаимодействии с грунтом основания. Рассмотрены критерии определения значений предельно допустимых деформаций исходя из общих требований к сооружениям данного типа, технологических требований обеспечения нормальной работы оборудования, а также согласно условиям работы грунта основания. Для примера определено значение предельно допустимой осадки конкретного сооружения согласно каждому из приведённых критериев. Результаты расчёта показывают возможность установления критических значений предельных перемещений исходя из недопущения пластических деформаций грунта основания. Рассмотренная последовательность определения предельных перемещений сооружений изучаемого типа с использованием результатов штамповых испытаний, а также испытаний-аналогов может быть применена на предварительной стадии проектирования. Она позволит определить порядок величин предельно допустимых перемещений, которые могут быть уточнены на более поздних стадиях проектирования сооружений. Дальнейшие исследования в данной области могут быть направлены на адаптацию и развитие методик штамповых испытаний, регламентирующих форму и размеры штампа в зависимости от условий опирания рассматриваемого сооружения на основание: от формы подошвы и условий работы грунта под подошвой сооружения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бимбад Г.Е. Устойчивость оболочек большого диаметра с горизонтальным анкером: дис. ... канд. тех. наук. М., 1984.177 с.
2. Болдырев Г.Г. Испытания грунтов плоским и винтовым штампами // Инженерные изыскания. Ч. 4. 2011. С. 1-18.
3. Левачёв С.Н. Оболочки в гидротехническом строительстве. М.: Стройиздат, 1978. 151 с.
4. РД 31.31.55-93. Инструкция по проектированию морских причальных и берегоукрепительных сооружений. Введ. 1993-01-06 (взамен рД 31.31.27-31, ВСН 3-80/ММФ). М.: Федеральная служба морского флота России, 1993. 147 с.
5. РД 31.35.10-86. Правила технической эксплуатации портовых сооружений и акваторий. М.: Министерство морского флота, 1988. 200 с.
6. СП 23.133330.2011. Основания гидротехнических сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.02-85. М., 2011. 105 с.
7. СП 58.13330.2012. Гидротехнические сооружения. Основные положения (актуализированная редакция СНиП 33-01-2003) (взамен СНиП 2.06.01-86). М.: Минрегион России, 2012. 40 с.
8. Цимбельман Н.Я., Чернова Т.И. Метод расчёта предельных нагрузок на сооружения из заполненных цилиндрических оболочек // Вестн. Восточно-Сибирского гос. ун-та технологий и управления. 2016. № 3(60). С. 32-38.
9. Al-Murshde Kareem R., Kadhim N., Alkassar Hana'a M. Experimental Study of Stability of Cellular Retaining Structure for Satureted Soils. Kufa J. of Engineering. 2013(5); 1: 113-126.
10. Arcelor Mittal. Commercial RPS 2010. Sheet Piling Handbook, 3rd edition. Luxembourg. 2010, 60 p.
11. Frank R., Bauduin C., Driscoll R., Kavvadas M., Krebs Ovesen N., Orr T., Schuppender B., Gulvanessian H. Designers' guide to EN 1997-1 Eurocode 7: Geotechnical design - General rules. Thomas Telford, 2004, 165 p.
12. Lambe T.W., Whitman R.V. Soil mechanics, series in soil engineering. John Wiley & Sons, 1969, 576 p.
13. Tsimbelman N., Chernova T., Bilgin O. Theoretical Model for the Stability of Soils under Shell Gravity Structures. The 26th International Ocean and Polar Engineering Conference (IS0PE-2016). 2016, p. 789-796.
14. White G.C.J. Hong Kong-Zhuhai-Macau Bridge. PRWeb. 2012, 3 p.
THIS ARTICLE IN ENGLISH SEE NEXT PAGE
Hydraulic Engineering Construction
D0l.org/10.5281/zenodo.1286038
Tsimbelman N., Kosikova A., Flores Terrasas V., Chernova T., Trapeznikov A.
NIKITA TSIMBELMAN, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor,
Head of Department, e-mail: [email protected]
ANTONINA KOSIKOVA, Student, e-mail: [email protected]
VICTOR FLORES TERRASAS, Master Student, e-mail: [email protected]
TATIANA CHERNOVA, Research Assistant, e-mail: [email protected]
ANDREY TRAPEZNIKOV, Postgraduate Student,
e-mail: [email protected]
Offshore & Structural Engineering Department, School of Engineering Far Eastern Federal University 8 Sukhanova St., Vladivostok, Russia, 690091
Ultimate displacements for Infilled shell structures used in offshore (Review)
Abstract: The article presents an overview of the studies dealing with designing offshore gravity structures made of cylindrical shells filled with soil. The authors have studied the techniques of determining and calculating the permissible ultimate displacement for the structures taking into account the interaction with the foundation soil and identified criteria for the permissible ultimate displacements. The authors advise that, in addition to the general requirements for determining the permissible ultimate displacements and the functional purpose of the structure, there should be determined as well the permissible ultimate displacements of the foundation soil with the subsequent determination of the lowest (crucial) values. To determine the displacements for the foundation soil at an early stage of designing, it is advisable to use the data of the plate-bearing tests performed earlier for similar soil conditions. The beginning of the development of plastic deformation in the soil is proposed to be considered as a criterion of determining the permissible ultimate displacements of soil settlement.
Key words: filled shell, soil, offshore gravity structures, ultimate deformation, displacement requirements. REFERENCES
1. Bimbad G. Stability of Shells of Large Diameter with a Horizontal Anchor, MSc Thesis. M., 1984, p. 36-39.
2. Boldyrev G.G. Testing Soils by Plate and Screw Test. Inzhenernyye izyskaniya. Part 4, 2011,18 p.
3. Levachev S.N. Shells in hydraulic engineering. M., Stroiizdat, 1978, 151 p.
4. RD 31.31.55-93. Instruction on the design of marine berthing and shore protection structures. Enter. 199301-06 (instead of RD 31.31.27-31, BHC 3-80 / MMF). M., Federal Service of the Russian Navy, 1993, 147 p.
5. RD 31.35.10-86. Rules of technical operation of port facilities and water areas. M., 1988, 200 p.
6. Building Code, S. P. 23.13330. 2011. Summary of Rules. Beds of Water-Development Works. Updated Edition of Construction Rule and Regulation 2.02.02-85. M., 2011, 105 p.
7. Building Code, S. P. 58.13330.2012. Hydrotechnical constructions. The main provisions (updated version of SNiP 33-01-2003) (in exchange for SNiP 2.06.01-86). M., 2012, 40 p.
8. Tsimbelman N., Chernova T. Method of calculation of limit loads on filled cylindrical shells. Vestnik VSGUTU. 2016;3:32-38.
9. Al-Murshde Kareem R., Kadhim N., Alkassar Hana'a M. Experimental Study of Stability of Cellular Retaining Structure for Satureted Soils. Kufa J. of Engineering. 2013(5); 1:113-126.
10. Arcelor Mittal. Commercial RPS 2010. Sheet Piling Handbook, 3rd edition. Luxembourg. 2010, 60 p.
11. Frank R., Bauduin C., Driscoll R., Kavvadas M., Krebs Ovesen N., Orr T., Schuppender B., Gulvanessian H. Designers' guide to EN 1997-1 Eurocode 7: Geotechnical design - General rules. Thomas Telford. 2004, 165 p.
12. Lambe T.W., Whitman R.V. Soil mechanics, series in soil engineering. John Wiley & Sons, 1969, 576 p.
13. Tsimbelman N., Chernova T., Bilgin O. Theoretical Model for the Stability of Soils under Shell Gravity Structures. The 26th International Ocean and Polar Engineering Conference (IS0PE-2016). 2016, p. 789-796.
14. White G.C.J. Hong Kong-Zhuhai-Macau Bridge. PRWeb. 2012, 3 p.
