CC BY
12применением программного комплекса «FlowVision» // Вестник ВГАВТ: Надежность и ресурс в машиностроении. - Н. Новгород: Изд. ФГОУ ВПО ВГАВТ, 2005. - С. 130-139.
THE RESULTS OF THE STUDY OF EFFECTIVE SELECTION OPTIONS CONFIGURATION OF POLYSAPROBIC
A.A. Sazonov, K. O. Dmitrieva
Key words: dredging, mathematical modeling, safety of navigation.
This article provides a brief analysis of the volume of dredging on the shoals in the area from the Votkinsk hydroelectric complex to Sarapul. The results of the studies of the structure of the flow of water flow of different options of designs poulsard for one of the portions of the White river.
УДК 627.215
А.Н. Ситнов, зав. кафедрой, д.т.н., профессор, ФГБОУВО «ВГУВТ» Н.В. Кочкурова, доцент, к.т.н., ФГБОУ ВО «ВГУВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
ОЦЕНКА ИЗМЕНЕНИЯ ИЗГИБАЮЩИХ МОМЕНТОВ В ШПУНТОВЫХ ПРИЧАЛЬНЫХ НАБЕРЕЖНЫХ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ГРУНТОВЫХ УСЛОВИЯХ
Ключевые слова: Шпунтовые набережные, изгибающий момент, угол внутреннего трения, одноанкерная и двуханкерная стенки, грунт основания и засыпки, корреляционный анализ
В статье рассмотрены результаты исследования влияния грунтовых условий на изгибающие моменты в одноанкерной и двуханкерной железобетонных причальных стенках в зависимости от физико-механических характеристик грунтов засыпки и основания и положения высотных отметок основания.
Набережные шпунтовые классифицируются руководящими документами [1] как безанкерные, одноанкерные, одноанкерные с надстройкой (двуханкерные). Кроме того, шпунтовые набережные выполняют металлическими или железобетонными.
Шпунтовые гидротехнические сооружения причальных набережных работают в сложных условиях с воздействием на них значительного количества разнообразных условий, из которых наиболее важными являются грунтовые. Набережные погружаются в грунт, являющийся основанием сооружения, а за шпунтовым рядом формируется грунтовая засыпка. Строительство причальных набережных осуществляется в руслах, а иногда на поймах рек, поэтому основание может быть сложено различными типами грунтов от плотных глинистых, песчаных пород до слабых илистых. Засыпка, как правило, выполняется песчано-гравийным грунтом с его уплотнением в процессе строительства.
При расчетах сооружений учитывается определенный набор физико-механических свойств грунтов: угол внутреннего трения, удельное сцепление, удельный вес и др. Расчетные схемы сооружений принимаются с учетом возможных технологических особенностей строительных работ: устройства котлована для строительства сооружения, уровня установки анкерных опор, глубины забивки шпунтов и т.д.
В данной работе показаны результаты исследования влияния различных грунтовых условий на несущую способность одноанкерных и двуханкерных железобетонных конструкций причальных набережных в виде оценок влияния физико-механических характеристик грунтов, принятых в расчет сооружений (угла внутреннего трения, удельного веса и сцепления), высотного положения поверхности котлована и др.
Для оценки степени влияния физико-механических характеристик на изгибающий момент в шпунтовой стенке были проведены расчеты при разных значениях угла внутреннего трения и удельного веса грунтов. Удельное сцепление для грунта засыпки не учитывалось в силу его малого значения. Результаты расчета показаны на рис. 1.
18 2) 28 и >8 4)
Угол |нутр«ни(го гр«иия, град
Рис. 1. Значения изгибающего момента при изменении удельного веса и угла внутреннего трения грунта
Выявление влияния физико-механических характеристик грунта на изгибающий момент в стенке произведено с использованием корреляционно-регрессионного анализа результатов расчета. Статистическая зависимость изгибающих моментов М от удельного веса у и угла внутреннего трения р в общем виде представлена:
М = /(р,у) (1)
Она описывается полиномом второго порядка:
м=а0 + а • у+а2 • р+а ■ у2 + а ■ р2 + а • у • р (2)
где а0 - свободный член;
а1,..., а5 - коэффициенты при независимых переменных.
В результате расчета получена матрица корреляции, представленная в таблице 1.
Таблица 1
Матрица корреляции
N У Ф у2 Ф2 У Ф М
У 1,000 -0,248 -0,250 1,000 0,060 0,322
Ф -0,248 1,000 0,998 -0,243 0,952 -0,993
т2 -0,250 0,988 1,000 -0,245 0,949 -0,987
Ф2 1,000 -0,243 -0,245 1,000 0,065 0,317
У Ф 0,060 0,952 0,949 0,065 1,000 -0,923
М 0,322 -0,993 -0,987 0,317 -0,923 1,000
Полученные коэффициенты множественной корреляции RMфy, равный 0,999 и коэффициент детерминации R2Mфy, равный 0,998 показывают, что достоверность данных уравнений очень высока. Корреляция между моментом и углом внутреннего трения высокая, коэффициент равен -0,993, что говорит о сильной связи между этими факторами. Отрицательное его значение показывает, что на уменьшение изгибающего момента влияет увеличение угла внутреннего трения.
Корреляция между моментом и удельным весом грунта достаточно низкая, коэффициент равен 0,322, что говорит о слабой связи между этими факторами, а связь между ними прямая - увеличение удельного веса приводит к увеличению момента.
Таким образом, наибольшее влияние на изгибающий момент оказывает угол внутреннего трения грунта. Проведенные ОАО «Противокарстовая защита» лабораторные исследования грунтов показывают, что при уменьшении удельного веса грунта снижается угол внутреннего трения:
- для песка мелкого, рыхлого, маловлажного у = 15,5 кН/м3 и р =28°
- для песка средней плотности у = 16,57 кН/м3 и р =31°
- для песка плотного у =17,95 кН/м3 и р=36°
Поэтому снижение плотности грунта (его разуплотнение) сопровождается снижением угла внутреннего трения и, как следует из наших расчетов, увеличением изгибающего момента в стенке.
Для более детальных расчетов по исследованию влияния грунтовых условий на изгибающие моменты в шпунтовых стенках (изменение угла внутреннего трения) использовались методы численного моделирования.
В ходе исследований были проведены расчеты одноанкерной и двуханкерной железобетонных шпунтовых стенок.
Основные характеристики нескальных грунтов принимались согласно [2]: для песчаных грунтов при изменении удельного веса от 14 до 23кН/м3 угол внутреннего трения изменяется от 26° до 43°, модуль деформации от 10 до 150МПа.
Влияние характеристик грунта засыпки и основания при разных углах внутреннего трения на изгибающие моменты в одноанкерной стенке представлено на рис. 1, в двуханкерной - на рис. 2.
В нашем исследовании принималось моделирование разных ситуаций со «слабыми» и «сильными» грунтами при следующих характеристиках:
- угол внутреннего трения принимался от 26 до 42 градусов;
- меньшие значения угла внутреннего трения моделировали «слабый» грунт, -большие значения - «сильный» грунт.
Характер влияния грунтов основания и засыпки рассматривался для возможных вариантов сочетания грунтов засыпки и основания:
1 вариант - «слабый» грунт засыпки и основания;
2 вариант - «слабый» грунт засыпки и «сильный» грунт основания;
3 вариант - «сильный» грунт засыпки и основания;
4 вариант - «сильный» грунт засыпки и «слабый» грунт основания.
Рис. 1. Изгибающие моменты в одноанкерной стенке
а)
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
—
-Фо=26 -Фо 28' -Фо=30' -Фо-32" -Фо-34' -Фо=Зб° -Фо=38" -Фо 40" Фо 42*
24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 Угол внутреннего трения засыпки, град
б)
Рис. 2. Изгибающие моменты в двуханкерной стенке: а - для шпунта; б - для надстройки
Рассматривая результаты влияния характеристик грунтов засыпки и основания на изгибающий момент стенки можно сказать, что для одноанкерной стенки с увеличением угла внутреннего трения засыпки и основания значения изгибающих моментов уменьшаются.
Для двуханкерной стенки зависимости следующие:
а) при «слабом» основании и «слабой» засыпке для надстройки с увеличением угла внутреннего трения грунта засыпки изгибающий момент уменьшается; с увеличением угла внутреннего трения грунта основания - растет. Для шпунта как с увеличением угла внутреннего трения грунта основания, так и грунта засыпки изгибающий момент уменьшается.
б) при «сильном» основании и «слабой» засыпке для надстройки с увеличением угла внутреннего трения грунта засыпки изгибающий момент уменьшается, с увеличением угла внутреннего трения грунта основания - растет. Для шпунта при фиксированном значении угла внутреннего трения грунта основания значения изгибающего момента изменяются незначительно.
в) при «сильной» засыпке и «слабом» основании для надстройки с увеличением угла внутреннего трения грунта засыпки изгибающий момент растет, с увеличением угла внутреннего трения грунта основания - уменьшается. Для шпунта как с увеличением угла внутреннего трения грунта основания, так и грунта засыпки изгибающий момент уменьшается.
г) при «сильной» засыпке и «сильном» основании для надстройки с увеличением угла внутреннего трения грунта засыпки изгибающий момент уменьшается, с увеличением угла внутреннего трения грунта основания - растет. Для шпунта при фиксированном значении угла внутреннего трения грунта основания значения изгибающего момента остаются примерно одинаковыми.
Для выявления влияния грунта засыпки и основания на изгибающие моменты в стенке, был выполнен корреляционно-регрессионный анализ.
Полученные коэффициенты парной корреляции для надстройки двуханкерной стенки между углом внутреннего трения грунта основания и изгибающим моментом
гФосМТ = 0,043, гу^Мта =-0,903показывают, что на изгибающий момент в надстройке большее влияние оказывает грунт засыпки. Связь между моментом и углом внутреннего трения здесь обратная, т.е. чем больше значение фзас, тем меньше значение
Мта Для шпунта по коэффициентам парной корреляции гф0СНМЩГ = -0,971,
гф^МШ^ = 0,034видно, что большее влияние на изгибающий момент оказывает грунт основания.
Для одноанкерной стенки при гу^МШ^ =-0,917, гфжсМЩ" =-0,258 видно, что влияние на шпунт оказывает в большей степени грунт основания.
Таким образом, прочность, плотность грунта основания напрямую влияет на изгибающие моменты в шпунте обеих конструкций: чем прочнее основание, тем меньший изгибающий момент возникает в шпунте.
В связи с такой высокой оценкой значимости грунта основания на изгибающий момент в шпунте дальнейшие исследования нами проводились по выявлению влияния высотного положения естественной поверхности основания. В традиционных расчетных схемах при расчетах прочности, устойчивости причальных сооружений естественная поверхность грунта основания располагается на уровне проектного дна акватории.
Естественная поверхность грунта основания принималась исходя из технологии проведения строительных работ на нескольких высотных уровнях между отметкой дна акватории и отметкой низа анкерной плиты (расстояние между ними Нтах принято за 100%, как расстояние между отметкой дна и расчетным уровнем Нр). Результаты расчета приведены в таблицах 2 и 3.
Таблица 2
Результаты расчета для одноанкерной стенки
Нр/Нтах I вариант II вариант III вариант IV вариант
100 221,75 92,37 93,65 210,29
67 228,18 92,03 95,89 -
33 213,87 88,25 94,42 219,88
0 218,93 118,88 91,18 205,7
Таблица 3
Результаты расчета для двуханкерной стенки
Нр/Нтах Мизг., кНм I вариант II вариант III вариант IV вариант
100 Мнад. 51,49 60,63 26,35 86,7
Мшп. 485,04 149,64 185,27 568,19
79 Мнад. 54,37 64,3 26,93 110,22
Мшп. 491,35 165,03 184,15 542,84
59 Мнад. 53,57 66,42 27,62 103,11
Мшп. 506,36 199,59 189,74 523,74
29 Мнад. 55,24 69,25 26,81 94,78
Мшп. 513,32 261,71 192,1 478,47
0 Мнад. 56,13 71,17 25,56 89,43
Мшп. 520,31 310,91 182,29 382,3
Рассматривая результаты по 1 варианту расчета, когда в модели заложены характеристики грунтов: «слабая» засыпка и «слабое» основание можно сделать выводы:
- для надстройки высотная отметка естественной поверхности основания не оказывает значительного влияния на изгибающий момент в ней;
- для шпунта двуханкерной стенки значения изгибающих моментов велики и в ряде случаев превышают предельные значения;
- для одноанкерной стенки изгибающие моменты в целом выше, чем при других вариантах расчета, но ниже предельных.
Во 2 варианте расчета, когда в модели заложены характеристики грунтов: «слабая» засыпка и «сильное» основание делаем вывод: Для двуханкерной стенки:
- высотное положение естественной поверхности основания значительного влияния на изгибающие моменты в надстройке не оказывает;
- для шпунта изгибающий моменты существенно зависит от отметки дна котлована и при его углублении до дна акватории возрастает более, чем в 2 раза.
Для одноанкерной стенки заглубление дна котлована увеличивает изгибающий момент в стенке и, например, при достижении им дна акватории возрастает на 29%.
Для 3 варианта расчета (при характеристиках грунтов: «сильная» засыпка и «сильное» основание) положение дна котлована не оказывает значительного воздействия на изгибающий момент как для двуханкерной, так и одноанкерной стенок
Рассматривая результаты IV варианта расчета, когда в модели заложены характеристики грунтов: «сильная» засыпка и «слабое» основание, имеем:
- для надстройки при понижении дна котлована изгибающие моменты до уровня 10,65м увеличиваются, а затем уменьшаются.
- для шпунта двуханкерной стенки при понижении естественной поверхности основания уменьшается изгибающий момент, также ведет себя изгибающий момент в одноанкерной стенке.
Выводы:
1. При прочном грунте основания дно котлована причального сооружения должно проходить по естественной поверхности основания.
2. При слабом грунте основания необходимо заменять толщу слабых грунтов, что подтверждают результаты исследований других авторов.
3. Прочные грунты основания и засыпки позволяют существенно снизить изгибающие моменты в конструкциях и тем самым могут послужить основанием для назначения более легких конструкций.
Список литературы:
[11 Пособие к СН-РФ 54.1-85 - М.: Гипроречтранс, 1991.
[2] СП 22.13330.2011 Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*. - Введ. 2011-05-20 - М.: Минрегион России, 2011.
ASSESSMENT OF CHANGE OF THE BENDING MOMENTS IN TONGUE-AND-GROOVE MOORING EMBANKMENTS UNDER VARIOUS SOIL CONDITIONS
A.N. Sitnov, N. V. Kochkurova
Key words: Tongue-and-groove embankments, the bending moment, corner of internal friction, one-anchor and two-anchor walls, soil of the basis and backfilling, the correlation analysis
In the article results of the research of the influence of soil conditions for the bending moments in one-anchor and two-anchor ferroconcrete quays are considered: physicomechani-cal characteristics of soil, soil of a backfilling and basis, provision of natural surface of the basis
