CC BY
30
5/2011 ВЕСТНИК
.МГСУ
УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФОРМАЦИИ В ГРУНТАХ ПРИ ВАРИАТИВНЫХ СИЛОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ
THE INSTALLATION FOR RESEARCH OF DEFORMATIONS IN SOILS AT VARIATIONAL LOADING FORCE
C.A. Вершинин, Н.Д. Зуев, C.H. Левачев, Ю.П. Правдивей, С.И. Рогачко, Н.В. Шунько
S.A. Vershinin, N.D. Zuev, S.N. Levachev, YU.P. Pravdivets, S.I. Rogachko, N.V. Shunko
ГОУ ВПО МГСУ ОНИЛ МНГС, ОГАСА
В статье представлено устройство и работа экспериментальной установки для физического моделирования воздействия ледовых образований на подводные объекты в условиях, максимально приближенных к реальным.
In article presented device and work of experimental installation for physical simulation of ice formation action on Seabed and Subsea Structures at conditions maximally close to reality.
В Отраслевой научно-исследовательской лаборатории морских нефтегазопромы-словых гидротехнических сооружений ГОУ ВПО МГСУ создана и запатентована (Патент № 83480) установка для экспериментального изучения физического механизма взаимодействия ледового образования, как твердого тела, с донным грунтом при горизонтальных и вертикальных нагрузках до 750 кН и исследования процесса деформирования грунтового основания ниже дна борозды, оставляемой торосом, в зоне расположения конструкции трубопровода.
Экспериментальная установка состоит из стационарной конструкции и мобильного нагрузочного устройства, моделирующего силовое воздействие дрейфующего льда.
Установка является уникальной для Российской федерации, за рубежом установки такого типа имеются только в Голландии, Канаде и Японии [1, 2].
Масштаб моделирования и специфика силового воздействия ледовых образований (килевой части торосов) на донное основание обеспечивались модернизацией существующей установки на базе грунтового комплекса лаборатории ОНИЛ МНГС:
- разработано новое нагрузочное устройство (индентор) с системой изменения угла атаки тороса;
- разработана система гидравлического нагружения индентора вертикальными и горизонтальными нагрузками в заданном режиме;
- разработана измерительная система силового нагружения, деформации грунта ниже дна борозды, перемещений и крена индентора как системы с тремя степенями свободы.
Принципиальная схема экспериментальной установки представлена на рис. 1. Основными конструктивными элементами экспериментальной установки являются: модель килевой части тороса; подвижная каретка с силовыми и вспомогательными катками; силовые балки (5 шт); вертикальные гидроцилиндры (3 шт); горизонтальные силовые гидроцилиндры (3 шт); горизонтальные вспомогательные гидроцилиндры (2 шт); опорные балки с системой крепления и силовых балок. Килевая часть торосистого образования моделировалась передвижной конструкцией, смонтированной на несущих балках, расположенных на торцах продольных стенок. Модель тороса представляет собой неразборную силовую конструкцию из элементов стальных балок 25К2, усиленных дополнительными стенками швеллера 20У, стального листа толщиной 8 = 10 мм и 8= 5 мм. Конструкция модели рассчитана на восприятие вертикальных усилий до 750 кП и горизонтальных усилий до 750 кП.
Рис. 1. Основные компоненты передвижного нагрузочного устройства
Узлы крепления штоков вертикальных силовых гидроцилиндров к модели выполнены таким образом, что при прижиме модели к грунту усилие от вертикальных гидроцилиндров передается на модель через силовые датчики сжатия. При подъеме модели датчики разгружаются, и модель повисает на штоке гидроцилиндра через силовой палец.
На модели через шарнирный узел закреплены три горизонтальных силовых гидроцилиндра. На концах этих гидроцилиндров шарнирно закреплены герметичные контейнеры для датчиков измерения горизонтальных реакций опорной части бассейна при движении модели «вперед».
Боковые стенки модели тороса съемные и защищают ее от активного попадания грунта внутрь модели. Габариты модели:
- высота - 1000 мм;
- ширина по фронту - 1500 мм;
- длина - 1000 мм;
- максимальный вертикальный ход - 400 мм;
- максимальным горизонтальным ход - 1500 мм;
- вес с горизонтальными гидроцилиндрами - 1600 кг.
Перед моделью торосистого образования предусматривается установка фрагмента подводного сооружения, на котором шарнирно крепится измерительная панель для регистрации нагрузки на сооружение от килевой части тороса через слой грунта. Измерение усилий осуществляется датчиками усилий, установленными между фрагментом сооружения и измерительной панелью. Общий вид экспериментальной установки представлен на фото рис. 2.
Особое внимание уделяется созданию
Рис. 2. Общий вид экспериментальной установки
грунтового основания. Идентичность его характеристик от опыта к опыту, достигается путем послойной укладки и соответствующего уплотнения вибрационными устройствами с тщательным контролем плотности с помощью динамического или статического зондирования.
Параметры грунта: - объемный вес сухого песка у = 16,5 кН/м3, сцепление с = 1,5кПа, угол внутреннего трения (р = 320, коэффициент трения индентора по песку ( = 0,5.
Высота воды при заполнении грунтового лотка для обеспечения водонасыщенно-го состояния грунтовой массы, равна Нц = 0,3 м.
Для монтажа модели и укладки грунта в большой грунтовый лоток размером 8,0x5,0x3,2 м используется электрическая кран-балка грузоподъемностью 30 кН.
Питание гидроцилиндров осуществляется стационарной насосной станцией, обеспечивающей давление в гидросистеме до 20 МПа (200 атм.). Гидравлическое оборудование обеспечивает постоянно возрастающее или заданное давление в системе независимо от перемещения модели. Давление контролируется с помощью образцовых манометров и электронных датчиков.
Величина реактивного сопротивления грунта, воспринимаемого фронтальной плоскостью индентора шириной 1,5 м и высотой 1,0 м, а также силы трения по её боковым поверхностям и днищу длиной 1,0 м измеряется шестью тензометрическими динамометрами, рассчитанными на нагрузку в пределах от 1 до 750 кН.
Перемещения измерительных трубок, определяющих деформации грунта и установленных внутри его массива ниже дна борозды, а также перемещения и крены индентора измеряются с использованием специальной конструкции, снабженной мостовыми датчиками перемещений и схематично показанной на рис. 3.
Измерительные трубки устанавливаются в фиксированном сечении перед моделью. Сечение может отстоять от модели на 10 - 50 см, первая трубка устанавливается от дна модели на 5 см, а каждая последующая трубка располагаются на расстоянии 10 см от предыдущей.
При проведении экспериментальных исследований для измерения и регистрации нагрузок на модель используются шесть тензорезисторных преобразователей силы по 250 кН типа М70КН, расставленных и закрепленных на шести гидроцилиндрах в соответствии со схемой проведения экспериментов. Для измерения движения модели и
перемещения слоев грунта, используются многооборотные датчики типа ПЛП-21, соединенные с моделью и с измерительными трубками, установленными в фиксированном сечении перед моделью. На рис. 3 показана измерительная часть экспериментальной установки, на которой указаны места расположения датчиков и измерительных трубок.
[ ll^nWk'.Hhyt turf— I
Рис. 3. 1.. .6 - датчики силы М70 кН, 7.. .13 - датчики перемещения ПЛП-21, Т1.....Т4 - измерительные трубки
Датчики ПЛП-21, выполнены в виде полумоста с перемещаемой средней точкой, соединенной с осью датчика. На оси преобразователей располагаются блоки диаметром 0,05 м, трансформирующие с помощью струны, перекинутой через блок и соединенной с моделью или трубкой с одной стороны и с противовесом с другой, перемещение модели или трубки во вращение оси преобразователя перемещения. Датчики ПЛП-21 обеспечивают требуемую точность измерения - до 1 мм в диапазоне - до 1000 мм.
Вторичная аппаратура состоит из ПЭВМ типа Intel Celeron и измерительной тен-зометрической системы СИИТ-3. Измерительные преобразователи (ИП) - М70КН, ПЛП-21 соединялись с СИИТ-3 с помощью кабелей длиной до 16 м. Питание вторичной аппаратуры осуществлялось от сети переменного напряжения 220В. Трассировка измерительных кабелей приведена в таблице 1.
Таблица 1
№ Номер ИП Тип ИП Номер канала СИИТ-3
1 5 М70КН 8
2 6 М70КН 10
3 7 М70КН 12
4 8 М70КН 14
5 9 М70КН 16
6 10 М70КН 18
7 11 ПЛП-21 20
8 12 ПЛП-21 22
9 13 ПЛП-21 24
10 14 ПЛП-21 26
11 15 ПЛП-21 28
12 16 ПЛП-21 30
13 17 ПЛП-21 32
Автоматизированная система измерения и регистрации экспериментальной информации в режиме реального времени построена на базе ПЭВМ типа Intel Celeron со встроенной платой типа AR-B2201, предназначенной для программного обмена данными между ПЭВМ и измерительной тензометрической системой СИИТ-3. Соединение платы AR-B2201 с тензометрической системой СИИТ-3 осуществляется с помощью специально разработанного шлейфа. Схематично автоматизированная система представлена на рис. 4.
Рис. 4. Схематическое изображение автоматизированной системы измерения и регистрации
экспериментальной информации
Тарировка измерительных преобразователей перемещения осуществляется прямым методом и состоит в последовательной установке модели или трубок на определенное расстояние с выбранным количеством шагов и снятии показаний с измерительных преобразователей перемещений для расчета тарировочных коэффициентов.
Тарировка тензометрических измерительных преобразователей силы осуществляется на прессовом стенде. Стенд позволяет нагружать измерительные преобразователи в диапазоне от 0 до 300 кН с погрешностью, не превышающей 0,5%.
Измерительные преобразователи последовательно нагружаются с шагом (10^20)кН в пределах диапазона измерений с последующей разгрузкой с тем же шагом. Результаты измерений регистрируются с помощью СИИТ-3. В качестве примера на рис. 5 представлены результаты одной из тарировок измерительных преобразователей силы.
Для обеспечения проведения экспериментальных исследований разработана программа:
-shtamp_m.exe - исполнительный файл запускается в момент начала движения модели для записи в файл shtamp.txt на жесткий диск компьютера отдельных блоков информации с измерительных преобразователей, при этом на экране монитора визуализируются результаты измерений перемещения модели и измерительных трубок, двигающих горизонтальных усилий и вертикальных нагрузок. Начальные данные записывались в файл nuli.txt.
IODO
ад
иа
400
ад о
О 2 * t * Ю t J F Тс 1*
Рис. 5. Результаты тарировки измерительных преобразователей силы
Дальнейшая обработка результатов экспериментальных исследований проводится в редакторе Microsoft Excel.
В качестве примера работы установки на рис. 6 представлены в графическом виде результаты одного из экспериментов в грунтовом лотке. По оси ординат отложены значения нагрузок, а по оси абсцисс отложены перемещения модели в процессе эксперимента.
"О Щ
too
U 00 ti 10 r.s
та ti
t.a
О ÏHJ 4Х ем Юм ^ин
Рис. 6. Экспериментальная зависимость значения нагрузок, от перемещения модели в
грунтовом лотке
Так же можно продемонстрировать возможности установки на примере измерения коэффициентов трения модели по сухому песку и водонасыщенному грунту.
Анализируя результаты опытных данных, можно сделать вывод, что величина трения модели ледового образования по грунту оказывает существенное влияние на количественные и качественные стороны процесса взаимодействия. Результаты экспериментальных исследований представлены на рис. 7.
U.B □
Ц а 4 прямой :: обратный
В
□
□ 3
g.6 Q.S CU
G.2
o.l 0
Ml
• N.It.H; *htr .
—.— 10
Fv.T
15
Рис. 7. Экспериментальные значения коэффициента трения модели: по сухому песку Ktr, c и водонасыщенному Ktrv
The literature
1. Barker A. and Timco G. Laboratory Experiments of Ice Scour Processes. Buoyant Ice Model Technical Report CHC-TR-006 PERD/CHC, Report 31-29, May 2002.
2. Kioka S., Yasunaga Y., Matuo Y.,Watanabe Y. and Saeki H. Medium-Scale model tests on ice gouge. Proc. 16-th International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions. Vol. 2, 2001, 1029-1248 pp.
Ключевые слова: экспериментальная установка, воздействие ледового образования, донный грунт, нагрузочное устройство, индентор, передвижная каретка, глубина борозды, масштаб моделирования.
Key words: experimental installation, ice formation action, bottom soil, loading device, indentor, traction trolley, scour depth, modeling scale.
Почтовый адрес авторов: 141006, Московская область, г. Мытищи, Олимпийский проспект, д. 50.
Телефон/факс авторов: 586-81-02; 8-906-757-18-41; 8-917-512-61-73;
8-905-564-80-96; 8-905-514-73-85. e-mail авторов: svershinin@rambler.ru; nd43zuev@yandex.ru; levachev@inbox.ru; rosta-
sice@ukr.net; natshunko@rambler.ru.
Статья представлена Редакционным советом «Вестника МГСУ»
