Напружено-деформований стан основи пальових анкерів з розширеннями по довжині стовбуру
Розробка ефективних конструкцій пальових анкерів для закріплення магістральних нафто- і газопроводів від спливання на обводнених ділянках. Вдосконалення методики розрахунку напружено-деформованого стану основ анкерів при їх улаштуванні та роботі.
| Рубрика | Строительство и архитектура |
| Вид | автореферат |
| Язык | украинский |
| Дата добавления | 12.07.2014 |
| Размер файла | 2,0 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ МОРСЬКИЙ УНІВЕРСИТЕТ
УДК 624.131.531
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНИЙ СТАН ОСНОВИ ПАЛЬОВИХ АНКЕРІВ З РОЗШИРЕННЯМИ ПО ДОВЖИНІ СТОВБУРУ
Спеціальність 05.23.02 - Підвалини та фундаменти
ХАЗІН СЕМЕН В'ЯЧЕСЛАВОВИЧ
Одеса - 2003
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Полтавському національному технічному університеті імені Юрія Кондратюка (ПолтНТУ) Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник:
Винников Юрій Леонідович, кандидат технічних наук, доцент, Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка, Міністерство освіти і науки України, докторант кафедри нафтогазових промислів і геотехніки, м. Полтава.
Офіційні опоненти:
Дубровський Михайло Павлович, доктор технічних наук, професор, Одеський національний морський університет, Міністерство освіти і науки України, завідувач кафедри морських і річкових портів, водних шляхів та їх технічної експлуатації, м. Одеса;
Догадайло Анатолій Іванович, кандидат технічних наук, професор, Одеська державна академія будівництва та архітектури, перший проректор, Міністерство освіти і науки України, м. Одеса.
Провідна установа: Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, Міністерство освіти і науки України, кафедра основ і фундаментів, м. Дніпропетровськ.
Захист дисертації відбудеться 11.06.2003 р. о 14 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.060.01 в Одеському національному морському університеті за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Зовнішня, 34.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Одеського національного морського університету за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Зовнішня, 34.
Автореферат розісланий 07.05. 2003 г.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 41.060.01, кандидат технічних наук, доцент О.Г. Шибаєв.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність проблеми. На початку XXI сторіччя Україна стала однією з ведучих країн у галузі транзиту нафти і газу з Азії в Європу. Її газотранспортна система включає 35,2 тис. кілометрів магістральних газопроводів загальною потужністю 170 млрд. кубометрів газу на рік. Сьогодні НАК "Нафтогаз України" отримує в рахунок оплати за транспортування російського голубого палива 30 млрд. кубометрів газу на суму 2,4 млрд. доларів - щорічний дохід України від газопроводів. Сама система, за приблизними оцінками, коштує 15 млрд. доларів. Це зумовлює життєву потребу подальшого розвитку й реконструкції магістральних нафто- і газопроводів. Зокрема, створено консорціум "Україна - Росія", важливим завданням якого є діагностика продуктопроводів, їх ремонт і реконструкція.
У то й же час однією з істотних проблем подальшого розвитку і надійної експлуатації цієї системи є необхідність витрат значних коштів, матеріальних ресурсів на привантаження трубопроводів від спливання. Це пов'язано зі значною довжиною трас, прокладених по обводненій і заболоченій території. Довжина ділянок, де необхідне баластування трубопроводів, у деяких випадках складає 15-20 %. Спосіб баластування трубопроводів від спливання вантажами (зараз ним закріплюється до 70 % трубопроводів) - дорогий і не універсальний (для запобігання спливання трубопроводу використовується лише порядку 60 % власної маси вантажу). Створення перемичок із закріпленого ґрунту трудомісткий процес, який має до того ж обмежене застосування, а використання металевих анкерних пристроїв вимагає спеціального обладнання й надійного захисту від корозії. При реконструкції трубопроводів заміні підлягають як труби, так і баластувальні вантажі.
Пошук ефективних шляхів розв'язання проблеми слід вести у напрямі створення нових видів анкерів підвищеної несучої здатності, що забезпечують зниження матеріаломісткості й трудомісткості робіт без зменшення надійності їх роботи. При цьому доцільно вдосконалювати методику їх розрахунку.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась за науково-дослідною тематикою ПолтНТУ, зокрема в межах госпдоговірних науково-дослідних робіт "Розроблення та дослідження роботи анкерних паль для привантаження магістральних трубопроводів, які прокладаються в підтоплюваних і болотистих місцях" і "Випробування в натурних умовах і впровадження пальових анкерів" (номер державної реєстрації 01 85 0067233).
Мета дисертаційної роботи - розроблення ефективних конструкцій пальових анкерів із розширеннями по довжині стовбура, комплексні експериментально-теоретичні дослідження напружено-деформованого стану (НДС) їх основ, удосконалення методики їх розрахунку й упровадження в практику будівництва трубопроводів.
Для досягнення поставленої мети вирішувались такі задачі:
обґрунтувати нові ефективні конструкції пальових анкерів із розширеннями по довжині стовбура;
експериментально вивчити несучу здатність таких анкерів;
дослідити зміни фізико-механічних властивостей ґрунту навколо анкерів;
проаналізувати НДС основ анкерів методом кінцевих елементів (МКЕ) у фізично й геометрично нелінійній постановці з використанням деформаційної пружно-пластичної моделі ґрунту;
розробити інженерні методи розрахунку несучої здатності пальових анкерів із розширеннями по довжині стовбура;
удосконалити технологію влаштування пальових анкерів із розширеннями по довжині стовбура.
Об'єкт досліджень - конструкції пальових анкерів із розширеннями по довжині стовбура підвищеної несучої здатності у взаємодії з ґрунтом.
Предмет досліджень - напружено-деформований стан основ пальових анкерів із розширеннями по довжині стовбура.
Методи досліджень: стандартні польові методи досліджень несучої здатності анкерних паль за ґрунтом статичним висмикуючим навантаженням; стандартні лабораторні методи визначення властивостей ґрунтів; числовий метод кінцевих елементів у фізично й геометрично нелінійній постановці для моделювання НДС основ анкерів; методи математичної статистики для обробки даних експериментів.
Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:
уперше в натурних умовах досліджена взаємодія ефективних пальових анкерів з розширеннями по довжині стовбура з основою, у тому числі параметри ущільнених зон ґрунту навколо стовбура та розширень анкерів;
розроблена методика визначення НДС основ таких анкерів при їх улаштуванні і роботі МКЕ у фізично й геометрично нелінійній постановці з використанням деформаційної пружно-пластичної моделі ґрунту;
уперше МКЕ у фізично та геометрично нелінійній постановці проаналізовані особливості формування зон переміщень й ущільнення ґрунту при влаштуванні пальових анкерів із розширеннями по довжині стовбура та областей граничного стану ґрунту навколо них при роботі на висмикуючі навантаження;
розроблено новий інженерний розрахунок несучої здатності пальових анкерів з розширеннями по довжині стовбура, котрий ураховує форму "тіла випирання", спосіб улаштування анкера, вид ґрунту та його характеристики міцності;
розроблені і захищені патентами України чотири нові конструкції пальових анкерів із розширеннями по довжині стовбуру підвищеної несучої здатності.
Практичне значення отриманих результатів полягає у тому, що на основі комплексних експериментально-теоретичних досліджень НДС пальових анкерів із розширеннями по довжині стовбура розроблені їх нові ефективні конструкції підвищеної несучої здатності й методики їх розрахунку, що впроваджені в практику проектування та будівництва трубопроводів на обводненій території.
Реалізація роботи. Результати досліджень використані в системі "Укрсхіднафтогазбуд" і ЗАТ "Північні Газові магістралі" при прокладанні трубопроводів на обводнених ділянках. Економічний ефект від їх упровадження для закріплення ділянок довжиною 139 м газопроводу Івашки - Полтава становив 4,6 тис. грн. Згідно з проектами ділянок газопроводів Антонівка - Кегичівка (300 м), Курськ - Київ (5200 м) та Ямал - Європа (95,7 м) економічний ефект від такої заміни складає відповідно 17,5 тис. грн., 590 тис. грн. і 27 тис. крб.
Особистий внесок здобувача полягає в тому, що:
виконано аналіз сучасних уявлень про взаємодію пальових анкерів із ґрунтом, методів їх розрахунку та математичного моделювання їх НДС;
розроблені нові конструктивні рішення пальових анкерів із розширеннями по довжині стовбура підвищеної несучої здатності;
проведені комплексні натурні дослідження взаємодії цих анкерів із ґрунтовим масивом;
у лабораторних умовах отримані значення параметрів деформаційної пружно-пластичної моделі ґрунту, що відповідають технологіям улаштування та наступної роботи пальових анкерів із розширеннями по довжині стовбура;
проведені числові дослідження НДС основ анкерів при влаштуванні і наступній роботі МКЕ у фізично й геометрично нелінійній постановці;
запропоновано інженерний розрахунок несучої здатності пальових анкерів із розширеннями по довжині стовбура;
здійснено впровадження результатів досліджень у практику проектування та будівництва трубопроводів на обводненій території.
Апробація роботи. Основні положення дисертації обговорювались на II і III Українських конференціях з механіки ґрунтів та фундаментобудування (Полтава, 1995 р., Одеса, 1997 р.); Всеукраїнській "Актуальні проблеми водного господарства" (Рівне, 1997 г.); семінарі, присвяченому 100-річчю з дня народження професора В.М. Голубкова (Одеса, 2001 р.); International Conference on Coastal Geotechnical Engineering in Practice (Атирау, 2002 р.); Міжнародній конференції "Посилення основ і фундаментів аварійних будівель та споруд" (Пенза, 2002 р.); 35-ій, 36-ій, 53-ій, 54-ій наукових конференціях ПолтНТУ (1983, 1984, 2001, 2002 рр.).
Публікації. Основні положення роботи відбиті в 13 друкованих працях, у тому числі 4 патентах України на винаходи.
Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел (150 найменувань) і 5 додатків. Вона містить 158 стор. основного тексту, 62 рисунки, 6 таблиць. Додатки займають 28 стор.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтована актуальність, наукова новизна й практична цінність роботи, подана її загальна характеристика.
У першому розділі аналізуються існуючі способи привантаження магістральних трубопроводів; сучасні конструкції анкерних фундаментів і уявлення про їх взаємодію з ґрунтом; методи розрахунку анкерних фундаментів і паль; методики математичного моделювання їх НДС. Обґрунтовані мета і задачі досліджень.
Великий внесок у розроблення, дослідження, впровадження анкерних фундаментів зробили Агамірзян Л.С., Бартоломей А.О., Бахолдін Б.В., Бойко І.П., Болдирев Г.Г., Бугров О.К., Вишневський П.Ф., Габібов Ф.Г., Голубков В.М., Гончаров Б.В., Готман А.Л., Грутман М.С., Далматов Б.І., Дегіль Г.О., Демчук С. Є., Джіоєв Л.М., Догодайло А.І., Дубровський М.П., Дударов В.К., Зоценко М.Л., Кананян А.С., Кашка Б.З., Ланге Б.С., Левін С.І., Малишев М.В., Маріупольський Л.Г., Метелюк М.С., Митинський В.М., Нікитенко М.І., Новський О.В., Перлей Є.М., Пойзнер М.Б., Рак С.М., Раюк В.Ф., Романов С.В., Савич П.Л., Сеськов В.Ю., Смородинов М.І., Соболевський Д.Ю., Соболевський Ю.О., Сорочан Є.О., Таланов Г.П., Тетіор О.Н., Трегуб А.С., Трофіменков Ю.Г., Трушинский Ю.М., Тугаєнко Ю.Ф., Цимбал С.Й., Чикішев В.М., Швець В.Б., Школа О.В., Яковлєв П.І., Adams J., Baker W., Booker J., Dickin E., Geddes J., Ghaly A., Gobst L., Hanna T., Konder R., Merifield R., Meyerhof G., Ostermayer H., Rowe R., Scheele F., T. Tanaka та інші.
Характер взаємодії анкерів з основою (і, кінець кінцем, їх несуча здатність) визначається видом та станом ґрунту, глибиною залягання фундаменту й об'ємом масиву, що залучається до роботи, котрі суттєво залежать від способу влаштування анкерів (зокрема ущільнення, закріплення ґрунту; схеми витиснення ґрунту; характеру та швидкості передачі на нього тиску).
Інженерні методи розрахунку анкерних фундаментів справедливі лише при пружній роботі ґрунту і не можуть повною мірою врахувати всі особливості їх зведення та наступної взаємодії з основою, конструкцій, геометричних форм, наведених характеристик ґрунту, що при проектуванні часто викликає необхідність проведення додаткових дорогих натурних досліджень.
Сучасні програми МКЕ моделювання НДС основ фундаментів, у тому числі анкерів, складені В.А. Баженовым, А.О. Бартоломеєм, І.П. Бойко, О.К. Бугровим, Г.В. Васильковим, О.Л. Гольдіним, О.С. Городецьким, А.Л. Готманом, В.О. Гришиним, Б.Й. Дідухом, Ю.К. Зарецьким, М.Л. Зоценком, Р.Г. Галєєвим, С.М. Клєпіковим, С.Ф. Клованичем, І.В. Матвєєвим, Ш.Р. Незамутдіновим, Ю.І. Немчиновим, В.М. Ніколаєвським, О.О. Петраковим, О.В. Пілягиним, В.С. Прокоповичем, А.С. Сахаровим, С.Б. Уховим, О.Б. Фадєєвим, В.Г. Федоровським, Д.М. Шапіро, В.Г. Шаповалом, A. Ghaly, N. Koutsabeloulis, A. Lyamin, R. Merifield, E. Murray, T. Sakai, T. Tagaya та іншими. Вони досить адекватно описують НДС основ анкерів при роботі, але шляхи отримання наведених характеристик ґрунту в навколопальовому просторі не відповідають цьому рівню. Ущільнення ґрунту навколо паль ураховують: згущенням сітки КЕ при використанні лише природних характеристик ґрунту; прийняттям зміцнення ґрунту на контакті "паля - ґрунт"; призначенням наведених характеристик ґрунту за даними пенетрації й зондування; за кореляційними залежностями між градієнтом ущільнення та характеристиками ґрунту.
Можливість отримання наведених характеристик середовища при влаштуванні в ньому фундаментів з ущільненням ґрунту відкриває моделювання МКЕ швидкоплинних процесів. До труднощів цього напряму відносять: 1) значну фізичну нелінійність (перш за все, стисливість) ґрунтів, наслідком чого є проблеми врахування характеру і швидкості навантаження основи; 2) геометричну нелінійність (великі незворотні деформації та локальні переміщення ґрунтів), через яку математична реалізація задач супроводжується значним спотворенням КЕ сітки, що спричиняє необхідність її нерегулярної перебудови (що створює технічні труднощі й збільшує похибки числових рішень); 3) невідомість подекуди області контакту робочого органа (палі) з ґрунтом. У цьому напрямі відомі праці В.М. Аптукова й А.О. Бартоломея, І.П. Бойко, М.М. Дубини, В.М. Парамонова, В.С. Прокоповича, Seed R.B. і Duncan J.M. Таким чином, НДС основ при влаштуванні та наступній роботі пальових анкерів раціонально оцінювати моделюванням МКЕ у фізично й геометрично нелінійній постановці, яке б ураховувало розрахункові схеми ущільнення ґрунту, характер і швидкість передачі на нього тиску, технологічні, геометричні та конструктивні особливості методів ущільнення.
У другому розділі розглянуті запатентовані автором конструкторські розроблення нових ефективних пальових анкерів із розширеннями по довжині стовбура, в основу яких покладена концепція залучення до роботи більшого об'єму ґрунту з підвищеними значеннями фізико-механічних характеристик і розмірами ущільнених зон над розширеннями (що забезпечує збільшення несучої здатності анкерів на дію висмикуючого навантаження), а також натурні експериментальні дослідження їх взаємодії з піщаними та глинистими основами.
Зокрема, запропоновано анкерний пристрій, стовбур якого передбачено суцільного змінного перерізу з консоллю, що знімається. У поздовжньому напрямі він має клиноподібну форму з розміщеними на нахилених гранях анкерними виступами, оберненими розширеним боком до поверхні землі за принципом перевернутої "ялинки" (рис. 1, а). Виготовлення консолі (рис. 1, б) як окремого елемента спрощує виробництво анкера в цілому, перевезення, складування, занурення паль.
а б
Рис. 1. Конструкція анкерного пристрою для закріплення трубопроводу: а - пальовий анкер клиноподібної форми з анкерними виступами, оберненими розширеним боком до поверхні землі; б - збірна залізобетонна консоль
Підвищення несучої здатності анкера досягається за рахунок того, що при зануренні палі ґрунт нижніми виступами розсувається, а за допомогою верхніх виконується "забирання" ґрунту за межами свердловини, створеної нижніми анкерними виступами. Відбувається не лише заповнення ґрунтом свердловини, але й додаткове його ущільнення. Верхні грані виступів, взаємодіючи із навколопальовим ґрунтом, передають навантаження на основу, причому винесення виступу та їх кількість визначають з умови: величина винесення - не більша за значення проекції збігу на проміжку між виступами. Маючи таке співвідношення при зануренні анкера вищележачий виступ занурюється в ґрунт і задавлює його в площині верхнього обрізу нижчележачого виступу. Це забезпечує включення в роботу навколопальового ґрунту й підвищує надійність роботи анкера. Занурення в ґрунт клиноподібних паль з анкерними виступами, що обернені розширеним боком до поверхні, здійснюється типовим обладнанням, яке застосовується для забивання, віброзанурення, вдавлювання паль. Завдяки консолі, такі анкери можна розташовувати як у шаховому порядку (зокрема, для труб діаметром до 720 мм включно), так і по обидва боки від трубопроводу (наприклад, для труб діаметром 820 мм і більше).
Натурні дослідження клиноподібних паль з анкерними виступами проводились на ділянці, складеній насипним дрібним середньої щільності піском потужністю 1,9 м, що підстилався мулистими відкладами в текучому стані. Занурення анкерів проводилось віброзанурювачем ВП-1 із направляючою, підвішеною до крана на гусеничному ході вантажопідйомністю 25 т.
Крім трьох дослідних однотипних зразків клиноподібних паль з анкерними виступами, для порівняльних досліджень аналогічним чином були занурені також три клиноподібні палі та дві призматичні палі з консоллю (рис. 2). Висота клиноподібних пальових залізобетонних анкерів - по 4 м. Зразок запатентованого анкера має: три виступи шириною по 100 мм через 900 мм за стовбуром; кут конічності 6,5; ширину вістря 70 мм; ширину її верхньої грані (з виступами) 1000 мм; товщину 500 мм. Анкер у вигляді клиноподібної палі має: ширину вістря 100 мм; ширину її верхньої грані 500 мм; товщину 700 мм. Глибина занурення всіх шести анкерних паль у ґрунт - по 3 м. Призматична паля з консоллю С-5.30У мала поперечний переріз 300х 300 мм і довжину 5 м. Глибина її занурення в ґрунт - 3,5 м.
Вертикальне висмикуюче навантаження на анкер передавалось трубоукладачем ТО 1224 Г через динамометр ДПУ-20-2-У 2 плавно, без ривків. Графіки статичних випробувань висмикуючим навантаженням анкерів подані на рисунку 3.
Удосконалення пальових анкерів, які зводяться шляхом утворення порожнини снарядом (штампом, трамбівкою, пневмопробійником) із заповненням її монолітною конструкцією в розпір, велось із використанням досвіду ПолтНТУ в застосуванні набивних паль у пробитих свердловинах. Анкер має вигляд набивної палі в пробитій свердловині з розширеннями, що збільшуються в діаметрі в напрямку поверхні землі за її довжиною. Внаслідок утворення розширень формується ущільнена зона ґрунту у вигляді прямого кругового конуса з кутом між бічною поверхнею і вертикаллю. При бетонуванні в стовбур закладають стрижневу арматуру, до якої надалі прикладають висмикуючу силу. Матеріал розширення - жорсткий бетон із дисперсною арматурою. Свердловину й розширення утворюють трамбівкою. Анкери в пробитих свердловинах розміщують попарно: по обидва боки від трубопроводу - для сумісного сприйняття висмикуючого навантаження.
Натурні дослідження анкерів у пробитих свердловинах із розширеннями за їх довжиною виконувались аналогічно клиноподібним анкерам на двох ділянках, які складені суглинками лесоподібними, м'яко- і текучопластичними. Для пробивання свердловин у ґрунті та втрамбовування в них жорсткого бетону використовувалась циліндрична трамбівка вагою 40 кН із діаметром поперечного перерізу 460 мм на базі екскаватора Э-10011. Приклади графіків статичних випробувань висмикуючим навантаженням анкерів у пробитих свердловинах глибиною 2 м із трьома розширеннями та без них пропонуються на рисунку 4.
Рис. 2. Розміри дослідних анкерних паль та їх прив'язка до нашарувань ґрунтів: а - призматичні; б - клиноподібні; в - клиноподібні з виступами
Рис. 3. Графіки статичних випробувань висмикуючим навантаженням анкерних паль: 1 - призматичних; 2 - клиноподібних; 3 - клиноподібних із виступами
Рис. 4. Графіки статичних випробувань висмикуючим навантаженням анкерів у пробитих свердловинах без розширень (1), з розширеннями (2)
За рахунок улаштування розширень по довжині стовбура підвищується несуча здатність на висмикуюче навантаження в 1,7 разу, а питомий опір (із розрахунку на 1 м 3 бетону) в 1,4 разу у клиноподібних паль і відповідно в 2,5 і 1,25-1,45 разу в анкерів у пробитих свердловинах порівняно з аналогічними анкерами без розширень, що пояснюється, головним чином, суттєвим збільшенням об'єму призми випирання ґрунту. Для роботи анкерів із розширеннями характерно збільшення стадій лінійної та нелінійної залежності між навантаженням і переміщеннями.
Для дослідження параметрів ущільненої зони ґрунту навколо пальових анкерів із виступами проводилось їх пошарове розкопування за двома створами (при трьох-чотирьох горизонтах від поверхні землі) з відбором зразків ґрунту в ріжучі кільця об'ємом 140 см 3 із їх наступними лабораторними дослідженнями.
У результаті встановлено, що діаметр зони достатнього ущільнення клиноподібних паль з анкерними виступами в піщаних ґрунтах на 13-18 % більше від тих же параметрів у аналогічних конструкцій без виступів, що пояснюється формуванням областей додаткового ущільнення під виступами. В межах зони достатнього ущільнення значення модуля деформації піску зростає приблизно в 3 рази.
У зоні достатнього ущільнення анкерів у пробитих свердловинах значення модуля деформації зросло в 3-6 раз порівняно з глинистим ґрунтом природного складу, питомого зчеплення - в 2,75-3,15 разу, а величина кута внутрішнього тертя не змінилась чи збільшилась на 1.
У третьому розділі вперше встановлена можливість досить достовірної оцінки НДС ґрунтового масиву при влаштуванні та наступній роботі в ньому пальових анкерів (у тому числі розмірів зон ущільнення і деформації, а також наведених значень параметрів ґрунту в них, залежності переміщень анкерів від дії висмикуючого навантаження й ін.) шляхом числового моделювання з використанням МКЕ і кроково-ітераційних процедур. Для цього використано програмний комплекс "PRIZ-Pile", розроблений Ю.Л. Винниковим за участю професора С.Ф. Клованича. Він орієнтований на задачі ущільнення основи. В ньому реалізовано рішення вісесиметричної задачі у фізично та геометрично нелінійній постановці. При цьому враховується ущільнення ґрунту, проковзування бічної поверхні палі відносно ґрунту, перехід ґрунту в текучий стан тощо.
Для опису незворотних об'ємних деформацій від вимушених переміщень на етапі влаштування анкера (в умовах значної геометричної і фізичної нелінійності) за параметр феноменологічної моделі ґрунту прийнята залежність співвідношення його модулів деформації на i-ому ступені навантаження (переміщення) й на початковому ступені навантаження від співвідношення відповідних об'ємів ґрунту в елементі масиву на цих ступенях, а також ще від швидкості передачі на ґрунт тиску. Ця залежність описується логарифмічною функцією.
Тобто на відміну від моделей із фіксованим значенням модуля деформації, дана модель в явній формі описує зміни цього параметра при незворотних об'ємних деформаціях, зокрема ущільненні ґрунту, залежно від зміни пористості ґрунту та швидкості передачі на нього тиску. При цьому для кожного режиму передачі тиску на ґрунт необхідно експериментально встановити лише один емпіричний коефіцієнт. У роботі використано ізотропний варіант моделі ґрунту.
Розроблена методика визначення параметрів моделі інтерпретацією логарифмічною функцією (з коефіцієнтами кореляції 0,98-0,99 і варіації 0,04-0,05) даних компресійних випробувань із режимами, які відповідають швидкості передачі тиску на ґрунт при влаштуванні й експлуатації анкерів, а граничних співвідношень дотичних та нормальних напруг - апроксимацією даних прямого зрізу ґрунту параболічною (0,98; 0,12) чи лінійною функціями в діапазоні нормальних напруг, аналогічному дослідам на одноосьове стиснення.
Восьмивузлові ізопараметричні вісесиметричні КЕ з квадратичним описом геометрії та поля переміщень за перерізом (із чотирма точками інтегрування), які мають властивості значно змінюватись за формою та об'ємом, дають можливість використовувати, крім прямокутної сітки КЕ, ще й криволінійну, а урахування названих змін - визначати переміщення, напруги і наведені значення фізико-механічних характеристик ґрунтів на кожному кроці влаштування та наступного статичного навантаження пальових анкерів.
Розрахунок комплексом виконується в два етапи. На першому моделюється процес утворення порожнини під анкер. При цьому вісь порожнини збігається з віссю симетрії розрахункової області. Зовнішній вплив задають у вигляді вимушених переміщень вузлів сітки КЕ, які лежать на осі обертання, що моделює процес витиснення ґрунту палею (трамбівкою, пробійником). Ці переміщення в загальному випадку ведуть до зменшення об'єму КЕ, а отже, зниження пористості ґрунту, зростання його модуля деформації, міцності, хоч можливий і процес розпушування, наприклад, при випиранні ґрунту на поверхню масиву. Оскільки вимушені переміщення спільномірні з розмірами КЕ, на кожному кроці коректується вихідна розрахункова схема шляхом уточнення координат вузлів з урахуванням переміщень, отриманих на попередньому кроці. Зі зміною координат суттєво змінюються об'єми КЕ, що дає змогу уточнити модуль деформації ґрунту в кожному КЕ для тієї швидкості прикладання навантаження, яка відповідає технології влаштування палі. Коефіцієнт пористості ґрунту в кожному КЕ при цьому складає:
. (1)
Результатом першого етапу (та його кроків) є нові координати вузлів КЕ, наведені характеристики ґрунту (щільність сухого ґрунту, коефіцієнт пористості, модуль деформації тощо), вертикальні та горизонтальні переміщення (вузлів сітки КЕ), нормальні напруги (вертикальні (ізобари ) і радіальні (розпори )), які представляються у вигляді таблиць, графіків, ізоліній.
Розраховані наведені характеристики ґрунту та НДС масиву дають можливість перейти до другого етапу моделювання - роботи анкера під дією вертикального статичного висмикуючого навантаження. Порожнину від витиснення ґрунту "заповнюють" конструкційним матеріалом, задають його характеристики, вводять додаткові КЕ, що імітують палю. Для ґрунту задають нову залежність
,
що відповідає його деформуванню від дії статичного навантаження. Зовнішнє навантаження прикладається кроками у вигляді зосередженої сили до осьового вузла верхньої грані палі. Прийнято, що в межах поверхні міцності моделі ґрунт працює пружно. Після досягнення межі міцності закон течії ґрунту прийнято рівнооб'ємним. Можливість проковзування бічної поверхні палі відносно ґрунту реалізується контролем дотичних напруг у ґрунті КЕ, розташованих на контакті "паля - ґрунт". Перевіряється умова:
, (2)
де - радіальні напруги; - відстань до поверхні; - коефіцієнт бічного тиску; - кут внутрішнього тертя; - питоме зчеплення ґрунту.
При порушенні цієї умови модуль зрушення ґрунту в КЕ на контакті з палею приймається рівним нулю. Вводиться знижуючий коефіцієнт до модуля поздовжніх деформацій, які відображають вплив порушення структури ґрунту в результаті проковзування бічної поверхні палі. На наступних ступенях навантаження по поверхні КЕ палі, що прилягають до ґрунту, прикладається рівномірно розподілене навантаження від сил її тертя об ґрунт інтенсивністю
.
Результатами другого етапу та його кроків є залежність переміщення палі від навантаження, переміщення кожного вузла КЕ, напруги в масиві, перехід ґрунту в текучий стан в окремих КЕ, наведені характеристики ґрунту.
Фрагмент схеми деформування масиву від занурення клиноподібного пальового анкера з виступами на першому етапі моделювання поданий на рисунку 5. Приклад порівняння графіків зміни щільності сухого ґрунту залежно від відстані від осі анкера, отриманих у результаті моделювання та натурного експерименту, представлений на рисунку 6. Фрагменти розподілу ізоліній переміщень ґрунту від занурення анкера за результатами моделювання подані на рисунку 7. На ньому діапазон переміщень у горизонтальному напрямі склав від 25 до 475 мм (найбільші значення переміщень - навколо анкерних виступів; чим вони вищі, тим більші й величини переміщень). Діапазон переміщень у вертикальному напрямі - від 12,5 до 237,5 мм (їх найбільші значення - під вістрям палі).
Рис. 5. Фрагмент схеми деформування масиву від занурення анкеру з виступами за моделюванням: 1 - пісок; 2 - мулисті відклади
Рис. 6. Порівняння ущільнення піщаного ґрунту навколо анкера з виступами за даними моделювання та натурного експерименту
а б
Рис. 7. Ізолінії переміщень ґрунту в горизонтальному (а) та вертикальному (б) напрямах від занурення пальового анкера
Рис. 8. Утворення областей переходу ґрунту в текучий стан навколо анкера за даними моделювання при висмикуючій силі: 1-100 кН; 2-150 кН; 3-175 кН; 4-200 кН
У цілому ж за даними моделювання встановлено, що значення діаметра зони достатнього ущільнення ґрунту пальових анкерів із розширеннями (виступами) за довжиною стовбура на 10-16 % перевищують ті ж параметри конструкцій без розширень, що пояснюється формуванням областей додаткового ущільнення ґрунту над нижчележачими розширеннями внаслідок улаштування вищерозташованих. У ґрунтах із кутом внутрішнього тертя 25 границі зони деформування ґрунту ("зони впливу") навколо пальових анкерів із розширеннями виходять за межі зони ущільнення, а при 25 розміри цих зон практично збігаються, що підтвердило раніше експериментально отриманий професором М.Л. Зоценком висновок.
Перехід ґрунту в текучий стан у суміжних з анкером областях при дії висмикуючого навантаження (див. рис. 8) проходить у напрямку "зверху - вниз" у послідовності: 1) навколо розширень (концентратори напружень ще на стадії лінійної залежності між навантаженням і переміщеннями анкера); 2) навколо стовбура анкера (формування суцільної зони пластичних деформацій); 3) навколо вістря палі (після чого відбувається втрата нею несучої здатності). Загальна форма зони, в межах якої ґрунт перейшов у текучий стан, - близька до прямого кругового конуса з кутом між бічною поверхнею та вертикаллю .
Приклад порівняння графіків залежності "верти-кальне висмикуюче навантаження на анкер - переміщення голови анкера" за результатами математичного моделювання та статичних випробувань виконано на рисунку 9.
Рис. 9. Графіки залежності "висмикуюче навантаження - переміщення анкера": 1 - випробування; 2 - моделювання
Включення в процес сприйняття висмикуючого навантаження розширень по довжині стовбура анкера збільшує інтервал його роботи в пружній і пружно-пластичній стадіях деформування й підвищує його несучу здатність приблизно в 2 рази, що пояснюється суттєвим збільшенням об'єму призми випирання ґрунту.
У четвертому розділі запропоновано розрахунок несучої здатності пальових анкерів із розширеннями за довжиною стовбура, який ураховує геометрію об'єму масиву, що залучається до роботи, спосіб улаштування анкера, вид ґрунту, його характеристики міцності.
Натурні дослідження і математичне моделювання НДС основ пальових анкерів із розширеннями (виступами) за довжиною стовбура показали, що форма їх "тіла випирання" (рис. 10, а) може бути наближено прийнята:
- для незв'язного ґрунту у вигляді прямого кругового зрізаного конуса (нижня грань якого відповідає вістрю палі чи підошві її розширення, а верхня - поверхні землі) з кутом між бічною поверхнею та вертикаллю , де - розрахункове значення кута внутрішнього тертя ґрунту (рис. 10, б);
- для зв'язного ґрунту у вигляді прямого кругового конуса, нахилена бічна поверхня якого завершується нижньою вершиною (рис. 10, в).
Виходячи з цієї гіпотези, запропонована інженерна методика розрахунку несучої здатності пальових анкерів із розширеннями за довжиною стовбура. Несуча здатність таких анкерів складається з ваги "тіла випирання" конічної форми і сили зчеплення ґрунту за поверхнею руйнування :
; (3)
; (4)
, (5)
де - коефіцієнт умов роботи пальового анкера в ґрунті, для клиноподібних паль із виступами та анкерів у пробитих свердловинах із розширеннями за їх довжиною ; - питома вага матеріалу "призми випирання", яку можна приймати усередненими між значеннями питомої ваги матеріалу анкера й ущільненого навколопальового ґрунту; - об'єм "тіла випирання"; - розрахункове значення питомого зчеплення ґрунту; - площа бічної поверхні "тіла випирання".
Рис. 10. Форма "тіла випирання" пальових анкерів із розширеннями за довжиною стовбура: а) за моделюванням; б) для незв'язних ґрунтів; в) для зв'язних ґрунтів
Форма і розміри "тіла випирання", що залучається до роботи, залежать від розмірів, способу влаштування пальових анкерів і кута внутрішнього тертя ґрунту. анкер пальовий напружений деформований
Для випадку, коли основа пальового анкера із розширеннями складається з двох чи декількох шарів ґрунту, величини сил і слід знаходити як суму їх складових та для кожного з цих шарів у межах "тіла випирання". Відносна похибка методики з даними натурного експерименту не перевищує 7 %.
Розроблена технологічна карта укладки і закріплення трубопроводу, що передбачає відривання траншеї, вкладання трубопроводу та закріплення його клиноподібними пальовими анкерами. Використовуються роторний екскаватор, трубоукладачі вантажопідйомністю 60 т і віброзанурювач на базі трубоукладача. Карта визначає склад ланок, витрати машинного часу, послідовність і тривалість робіт.
Використання пальових анкерів із розширеннями для закріплення трубопроводів від спливання замість армобетонних сідлоподібних вантажів забезпечує скорочення монтажних елементів у 1,5-3,4 разу та об'єму залізобетону в 2-4 рази. Так, проект газопроводу Антонівка - Кегичівка передбачав закріплення від спливання баластувальними вантажами УБО-3 (64 шт. по 1,46 м 3 кожний) ділянки довжиною 300 м. Проведена їх заміна на 16 пальових анкерів, що скоротило витрати залізобетону в 4,1 разу. Впровадження пальових анкерів замість армованих сідлоподібних вантажів АСТ-350 при закріпленні ділянок довжиною 139 м газопроводу Івашки - Полтава скоротило витрати бетону в 2,5 разу, кількість монтажних елементів більш ніж у 2 рази, а економічний ефект склав 60 % від вартості вантажів. Пальові анкери впроваджені як зміна до проекту закріплення ділянки (5200 м) магістрального газопроводу Курськ - Київ діаметром 1220 мм (застосування цих анкерів замість 2000 вантажів УТК-1220 дає змогу в 2,5 разу скоротити об'єм залізобетону, тобто зекономити 2000 м 3 бетону). Аналогічна зміна на ділянці (95,7 м) магістрального газопроводу Ямал - Європа діаметром 1420 мм замість 33 сідлоподібних вантажів УБКм дозволяє скоротити витрати бетону в 2 рази.
Економічний ефект від упровадження пальових анкерів із розширеннями для закріплення ділянок газопроводу Івашки - Полтава склав 4,6 тис. грн. Згідно з проектними рішеннями ділянок газопроводів Антонівка - Кегичівка, Курськ - Київ, Ямал - Європа ефект від такої заміни відповідно 17,5 тис. грн., 590 тис. грн., 27 тис. крб. Ці показники підтверджені актами впровадження результатів роботи.
ВИСНОВКИ
1. Розроблені конструкції пальових анкерів із розширеннями за довжиною стовбура: клиноподібна паля з виступами, оберненими розширеним боком до поверхні, для пісків; анкер у пробитій свердловині з розширеннями за її довжиною для глинистих ґрунтів, - в основі яких концепція залучення до роботи більшого об'єму ґрунту з підвищеними значеннями фізико-механічних характеристик і розмірами ущільнених зон над розширеннями, що забезпечує зростання несучої здатності анкерів на висмикуючі навантаження. Наявність розширень за довжиною анкера підвищує його несучу здатність в 1,7 рази, а питомий опір (на 1 м 3 бетону) в 1,4 разу в клиноподібних паль, та відповідно в 2,5 і 1,25-1,45 разу в анкерів у пробитих свердловинах порівняно з аналогічними анкерами без розширень.
2. Вперше для оцінки НДС ґрунтового масиву при влаштуванні й наступній роботі в ньому пальових анкерів із розширеннями за довжиною стовбура (у т. ч. для визначення розмірів зон ущільнення та деформацій, наведених параметрів ґрунту в них, переміщень анкерів від висмикуючого навантаження тощо) застосовано програмний комплекс, у якому реалізовано рішення вісесиметричної задачі з використанням МКЕ і кроково-ітераційних процедур у фізично й геометрично нелінійній постановці. При цьому враховується ущільнення ґрунту, проковзування бічної поверхні палі відносно ґрунту, перехід ґрунту в текучий стан.
3. Значення діаметра зони достатнього ущільнення ґрунту пальових анкерів із розширеннями за довжиною стовбура на 10-18 % перевищують ті ж параметри аналогічних конструкцій без розширень, що пояснюється формуванням областей додаткового ущільнення ґрунту над нижчележачими розширеннями внаслідок улаштування вищерозміщених. У ґрунтах із кутом внутрішнього тертя 25 границі зони деформування ґрунту навколо анкерів із розширеннями виходять за межі зони ущільнення, а при 25 розміри цих зон практично збігаються. У зоні достатнього ущільнення значення модуля деформації піску зросло в 3 рази; глинистого ґрунту - в 3-6 раз, його питоме зчеплення - в 2,75-3,15 разу, а величина кута внутрішнього тертя практично не змінилась порівняно з природним ґрунтом.
4. Перехід ґрунту в текучий стан навколо стовбура анкера при дії висмикуючого навантаження відбувається в напрямку "зверху - донизу" в послідовності: 1) навколо розширень (ще на стадії лінійної залежності між навантаженням і переміщеннями); 2) навколо стовбура (формування суцільної зони пластичних деформацій); 3) навколо вістря палі (після чого відбувається втрата нею несучої здатності). Геометрична форма зони переходу ґрунту в текучий стан - прямий круговий конус із кутом між бічною поверхнею та вертикаллю .
5. Запропоновано інженерний розрахунок несучої здатності пальових анкерів із розширеннями за довжиною стовбура, в якому враховується форма "тіла випирання" для зв'язного ґрунту у вигляді прямого кругового, незв'язного - прямого кругового зрізаного конусів, спосіб улаштування анкера, вид ґрунту і його характеристики міцності. Відносна похибка методики з натурним експериментом до 7 %.
6. Застосування пальових анкерів із розширеннями для закріплення трубопроводів замість армобетонних вантажів скорочує кількість монтажних елементів у 1,5-3,4 разу й об'єм залізобетону в 2-4 рази. Економічний ефект від їх упровадження для закріплення ділянок довжиною 139 м газопроводу Івашки - Полтава склав 4,6 тис. грн, а відповідно до проектів ділянок газопроводів Антонівка - Кегичівка (300 м), Курськ - Київ (5200 м) та Ямал - Європа (95,7 м) економічний ефект від такої заміни - відповідно 17,5 тис. грн., 590 тис. грн. і 27 тис. крб.
ОПУБЛІКОВАНІ ПРАЦІ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Винников Ю.Л., Хазін С.В., Рубановський М.Л. Нові конструкції анкерів для гідромеліоративних споруд// Актуальні проблеми водного господарства. Збірник наукових статей. Т. 3. - Рівне. - 1997. - С. 113-115. (Автору належить концепція пальових анкерів з розширеннями по довжині стовбура і технологія їх улаштування).
2. Хазин С.В. Свайные анкеры для закрепления трубопроводов// Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури. Вип. № 4. - Одеса: ОДАБА, 2001. - С. 183-189.
3. Винников Ю.Л., Хазін С.В. До математичного моделювання взаємодії з ґрунтом клиноподібних пальових анкерів з виступами// Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди. Зб. наук. праць. - Вип. 8. - Рівне: РДТУ, 2002. - С. 72-79. (Дисертанту належить аналіз математичним моделюванням особливостей НДС пальових анкерів з розширеннями по довжині стовбура).
4. Винников Ю.Л., Хазін С.В., Пащенко А.М. Експериментально-теоретичні дослідження анкерів у пробитих свердловинах із розширеннями// Зб. наук. праць (галузеве машинобуд., буд-во)/ Полт. нац. техн. ун-т ім. Юрія Кондратюка. - Полтава: ПолтНТУ, 2002. - Вип. 10. - С. 44-49. (Автору належать натурні дослідження і теоретичний аналіз НДС пальових анкерів із розширеннями по довжині стовбура).
5. Винников Ю.Л., Погребной В.В., Хазин С.В. Инженерная методика расчета свайных анкеров с уширениями по длине ствола// Коммунальное хозяйство городов. - Науч. - техн. сб. Вып.47. - К.: Техника, 2003. - С. 49-53. (Автору належить інженерний розрахунок несучої здатності анкерів з розширеннями на стовбурі).
6. Hazin S.V., Vynnykov Y.L. Modern Constructions of Pile Anchors with Widening at Shaft for Stabilization of Petroleum and Gas Pipelines and his Design// Proceedings of the International Conference on Coastal Geotechnical Engineering in Practice. - Atyrau, Kazakhstan, 21-23 May, 2002. - P.320-323. (Дисертанту належать конструкторські розроблення анкерів та їх натурні дослідження).
7. Хазин В.И., Хазин С.В. Исследования работы свайных анкерных устройств на выдергивающие нагрузки// Сб. докл. II Украинской науч.- техн. конф. по механике ґрунтов и фундаментостроению. - Полтава, 1995. - Т. 1. - С. 56-59. (Дисертанту належать натурні дослідження клиноподібних пальових анкерів).
8. Хазин В.И., Хазин С.В. Совершенствование конструкций анкерных устройств для закрепления трубопроводов // Тр. 3 Украинской науч. - техн. конф. по механике ґрунтов и фундаментостроению "Механика ґрунтов и фундаментостроение". Т.1, Одесса, 1997. - С. 254. (Автору належать натурні дослідження анкерів).
9. Хазин С.В., Винников Ю.Л. Новые конструкции свайных анкеров с уширениями по длине ствола// Усиление оснований и фундаментов аварийных зданий и сооружений: Сборник материалов Международной научно-практической конференции. - Пенза, 2002. - С. 163-167 (Дисертанту належать технологія зведення пальових анкерів та їх натурні дослідження).
10. Пат. 12436 F16L 1/06. Анкерний пристрій для закріплення трубопроводу. Хазін В.Й., Хазін С.В. 28.02.97. Бюл. № 1. (Вклад автора - технологія зведення анкеру).
11. Пат. 17726 Е 02D 5/54. Паля - анкер. Винников Ю.Л., Хазін С.В. 20.05.97. Бюл. № 5. (Автору належить технологія влаштування анкера).
12. Пат. 28891 А Е 02D 5/54. Анкер. Винников Ю.Л., Хазін С.В., Верещака І.А. Бюл. № 8. 16.10.2000. Бюл. № 5-II. (Автору належить технологія зведення анкеру).
13. Рішення про видачу патенту на винахід за заявкою №96114191 Е 02D 5/54, Е 02D 3/11. Електрохімічний анкер. Винников Ю.Л., Хазін С.В., Рубановський М.Л. 12.02.97. (Автору належить технологія влаштування анкера).
АНОТАЦІЯ
Хазін С.В. Напружено-деформований стан основи пальових анкерів з розширеннями по довжині стовбуру. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.02 - підвалини та фундаменти. - Одеський національний морський університет, Одеса, 2003.
Робота присвячена розробленню ефективних конструкцій пальових анкерів з розширеннями по довжині стовбура для закріплення магістральних нафто- і газопроводів від спливання на обводнених ділянках, комплексним експериментально-теоретичним дослідження напружено-деформованого стану їх основ та вдосконаленню на цій базі методики їх розрахунку.
Обґрунтовані нові конструкції пальових анкерів із розширеннями по довжині стовбура, в основі яких концепція залучення до роботи більшого об'єму ґрунту з підвищеними значеннями фізико-механічних характеристик і розмірами ущільнених зон над розширеннями, що забезпечує зростання несучої здатності анкерів на висмикуючі навантаження. В натурних умовах експериментально досліджено їх взаємодію з піщаними та глинистими основами, у тому числі параметри ущільнених зон ґрунту навколо стовбура і розширень анкерів.
Розроблена методика визначення напружено-деформованого стану основ таких анкерів при їх улаштуванні та роботі методом кінцевих елементів у фізично й геометрично нелінійній постановці з використанням деформаційної пружно-пластичної моделі ґрунту. Проаналізовані особливості формування зон переміщень й ущільнення ґрунту при влаштуванні пальових анкерів та областей граничного стану ґрунту навколо них при роботі на висмикуючі навантаження.
Розроблено новий інженерний розрахунок несучої здатності пальових анкерів з розширеннями по довжині стовбура, котрий ураховує форму "тіла випирання", спосіб улаштування анкера, вид ґрунту та його характеристики міцності.
Застосування пальових анкерів для закріплення газопроводів замість вантажів дозволила скоротити кількість монтажних елементів у 1,5-3,4 разу, а об'єм залізобетону в 2-4 рази.
Ключові слова: пальовий анкер із розширеннями по довжині стовбуру, несуча здатність, статичні випробування, ущільнена зона ґрунту, напружено-деформований стан, метод кінцевих елементів, вісесиметрична задача, магістральні газопроводи.
АННОТАЦИЯ
Хазин С.В. Напряженно-деформированное состояние основания свайных анкеров с уширениями по длине ствола. - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.02 - основания и фундаменты. - Одесский национальный морской университет, Одесса, 2003.
Работа посвящена разработке эффективных конструкций свайных анкеров с уширениями по длине ствола для закрепления магистральных нефте- и газопроводов от всплытия на обводненных участках, комплексным экспериментально-теоретическим исследованиям напряженно-деформированного состояния (НДС) их оснований и совершенствованию на этой базе методики их расчета.
Обоснованы и запатентованы конструкции свайных анкеров с уширениями по длине ствола: клиновидная свая с анкерными выступами, обращенными уширенной стороной к поверхности, и анкер в виде набивной сваи в пробитой скважине с уширениями по ее длине, в основе которых - концепция вовлечения в работу большего объема грунта с повышенными значениями физико-механических характеристик и размерами уплотненных зон над уширениями, что обеспечивает рост несущей способности анкеров на действие выдергивающей нагрузки.
В натурных условиях трех площадок исследовано их взаимодействие с основанием. Статические испытания 16 свайных анкеров показали, что за счет устройства уширений по длине ствола повышается несущая способность на выдергивающую нагрузку в 1,7 раза, а удельное сопротивление (из расчета на 1 м 3 бетона) в 1,4 раза у клиновидных свай и соответственно в 2,5 и 1,25-1,45 раза у анкеров в пробитых скважинах по сравнению с аналогичными анкерами без уширений, что объясняется существенным увеличением объема призмы выпора грунта.
Параметры уплотненной зоны грунта вокруг анкеров с выступами исследовались послойной раскопкой их по двум створам при трех-четырех горизонтах с отбором грунта в режущие кольца с их последующими лабораторными исследованиями. Установлено, что диаметр зоны достаточного уплотнения клиновидных свай с выступами в песках на 13-18 % больше тех же параметров у аналогичных конструкций без выступов, что объясняется формированием областей дополнительного уплотнения под выступами. В пределах зоны достаточного уплотнения значение модуля деформации песка возрастает примерно в 3 раза. В зоне достаточного уплотнения анкеров в пробитых скважинах модуль деформации возрос в 3-6 раз по сравнению с глинистым грунтом природного сложения, удельного сцепления - в 2,75-3,15 раза, а величина угла внутреннего трения не изменилась или увеличилась на 1.
Оценка НДС массива при устройстве и последующей работе в нем свайных анкеров выполнялась численным моделированием с использованием метода конечных элементов (МКЭ) и шагово-итерационных процедур. Применен программный комплекс, ориентированный на задачи уплотнения основания. В нем реализовано решение осесимметричной задачи в физически и геометрически нелинейной постановке. При этом учитывается уплотнение грунта, проскальзывание боковой поверхности сваи относительно грунта, переход грунта в текучее состояние и т. д. Принятая модель грунта описывает изменения модуля деформации при уплотнении грунта в зависимости от изменения его пористости и скорости передачи на него давления.
Расчет комплексом выполняется в два этапа. На первом имитируется образование полости под анкер. Внешние воздействия задают в виде вынужденных перемещений узлов сетки КЭ, которые лежат на оси вращения, что моделирует процесс вытеснения грунта сваей (трамбовкой). Эти перемещения, в общем случае, ведут к уменьшению объема КЭ, а значит - снижению пористости грунта, росту его модуля деформации, прочности. Рассчитанные наведенные характеристики грунта и НДС массива дают возможность перейти ко второму этапу моделирования - работе анкера под действием статической выдергивающей нагрузки.
Проанализированы особенности формирования зон перемещения и уплотнения грунта при устройстве анкеров с уширениями и областей предельного состояния грунта вокруг них при работе на выдергивающие нагрузки. Подтвержден ранее полученный в эксперименте вывод о том, что в грунтах с углом внутреннего трения 25 границы зоны деформирования грунта вокруг анкеров выходят за пределы зоны уплотнения, а при 25 размеры этих зон практически совпадают. Переход грунта в текучее состояние вокруг анкера при действии выдергивающей нагрузки происходит в направлении "сверху - вниз" в последовательности: 1) вокруг уширений (еще на стадии линейной зависимости между нагрузкой и перемещением); 2) вокруг ствола (формирование сплошной зоны пластических деформаций); 3) вокруг острия сваи (после чего происходит потеря ею несущей способности). Геометрическая форма зоны перехода грунта в текучее состояние - прямой круговой конус с углом между боковой поверхностью и вертикалью .
На базе экспериментов и моделирования разработан инженерный расчет несущей способности свайных анкеров с уширениями по длине ствола, учитывающий форму "тела выпора", способ устройства анкера, вид ґрунта и его характеристики прочности. Относительная погрешность метода с экспериментом до 7 %.
Применение свайных анкеров с уширениями для закрепления участков 4 газопроводов вместо армобетонных грузов позволило сократить количество монтажных элементов в 1,5-3,4 раза и объёма железобетона в 2-4 раза.
...Подобные документы
Помилки у фундаментобудуванні. Обстеження фундаментів і їхніх основ. Зміцнення та підсилення основ. Підсилення і реконструкція фундаментів мілкого закладення, пальових фундаментів. Підвищення стійкості будівель і споруд, розташованих на нестійких схилах.
реферат [836,2 K], добавлен 24.03.2009Інженерно-геологічне дослідження ґрунтових умов будівельного майданчика. Розробка проекту фундаментів неглибокого закладення: збір навантажень, розрахунок глибини закладення, визначення ширини підошви, деформацій і проектування пальових фундаментів.
курсовая работа [102,0 K], добавлен 24.12.2012Розрахунок будівельних конструкцій на впливи за граничними станами, при яких вони перестають задовольняти вимоги, поставлені під час зведення й експлуатації. Нові методи розрахунку бетонних і залізобетонних конструкцій за другою групою граничних станів.
статья [81,3 K], добавлен 11.04.2014Відомості про інженерно-геологічні, гідрогеологічні умови району будівництва. Розрахунок пальових фундаментів. Організація і технологія будівельного процесу. Порівняльний аналіз залізобетонної ферми з металевою. Вибір основного монтажного механізму.
дипломная работа [2,8 M], добавлен 26.06.2009Дослідження особливостей використання стрічкових, стовпчастих, суцільних і пальових фундаментів. Вивчення загальних принципів проектування споруд у сейсмічних районах. Влаштування фундаментів в умовах вічномерзлих ґрунтів. Способи занурення в ґрунт паль.
реферат [544,5 K], добавлен 04.10.2012Характеристика принципів будівельних розрахунків в середовищі ПЗ Femap Nastran NX. Опис команд і інструментів для створення геометричного тіла певних параметрів. Створення моделі і основні характеристики розрахунку будівельних металевих конструкцій.
реферат [578,8 K], добавлен 07.06.2014Характеристика умов виконання монтажних робіт. Вибір способів закріплення конструкцій у проектне положення. Складання калькуляції трудових затрат на весь об’єм робіт. Відомість інвентарю та матеріалів. Визначення розмірів та кількості монтажних дільниць.
курсовая работа [2,1 M], добавлен 10.06.2014Призначення та види паль на будівництві. Технологія та устаткування для занурення їх у грунт, схеми монтування. Методи влаштування набивних паль. Техніка безпеки праці при виконанні пальових робіт. Державні нормативні акти, що визначають даний процес.
реферат [1,9 M], добавлен 13.10.2014Визначення обсягів земляних робіт, технологія їх здійснення на улаштуванні будівельного майданчика та котловану. Умови виконання, вибір засобів механізації і технологічні та техніко-економічні розрахунки виконання. Середня відстань транспортування ґрунту.
курсовая работа [1,8 M], добавлен 03.12.2013Характеристика бетону і залізобетону. Причини та наслідки пошкодження будівельних залізобетонних конструкцій. Підготовка основи та матеріали для ремонту, обробка стальної арматури та металевих елементів конструкції. Організація праці опоряджувальників.
реферат [2,9 M], добавлен 26.08.2010Бетонування фундаментів та масивів, каркасних конструкцій, колон, балок, рамних конструкцій, склепінь, стін, перегородок, плит перекриття, підготовка під підлогу. Малоармовані і неармовані масиви з камнебетону. Застосовування вібробулав і вібраторів.
реферат [138,3 K], добавлен 21.09.2009Виробництво конструкцій з цегли та керамічного каміння; ефективність їх використання у малоповерховому будівництві. Технологія виготовлення багатошарових залізобетонних конструкцій, віброцегляних і стінових панелей; спеціалізовані механізовані установки.
реферат [27,9 K], добавлен 21.12.2010Балка як елемент споруд, яких працює на поперечний згин. Конструктивна схема розрахунку таврової балки, вибір матеріалів, технологічного процесу зварювання та методики розрахунку. Деформація конструкції. Визначення коефіцієнта концентрації напружень.
курсовая работа [1,9 M], добавлен 15.09.2014Дослідження процесу кріплення гіпсокартону. Комплектні системи для облицювання стін усередині приміщень. Кріплення гіпсокартону до елементів каркаса перегородок, обличкувань огороджувальних конструкцій. Техніка безпеки під час здійснення монтажних робіт.
курсовая работа [1,7 M], добавлен 01.06.2016Виробництво конструкцій і виробів на органічних заповнювачах. Агрегатнопотокова технологічна лінія, її характеристика та оцінка ефективності. Виробництво виробів і конструкцій на неорганічних речовинах, їх різновиди, сфери та особливості застосування.
реферат [33,9 K], добавлен 21.12.2010Розробка технологічного забезпечення та нормування точності геометричних параметрів конструкцій багатоповерхових каркасно-монолітних будівель. Розвиток багатоповерхового будівництва за кордоном. Рівень геодезичного забезпечення технологічного процесу.
автореферат [30,3 K], добавлен 11.04.2009Загальні положення по підрахунках витрат газу. Технічні характеристики встановлених приладів. Гідравлічний розрахунок газопроводів. Газопостачання житлового будинку. Автоматика безпеки, контролю, регулювання, управління і сигналізації водогрійних котлів.
курсовая работа [320,6 K], добавлен 27.12.2013Характеристика та особливості стропуючого обладнання. Визначення монтажної висоти підйому крюка крана для одного комплекту. Розрахунок техніко-економічних показників і вибір оптимального варіанту монтажу конструкцій. Техніка безпеки при виконанні робіт.
курсовая работа [937,8 K], добавлен 29.02.2012Об’ємно–конструктивне рішення промислового будинку. Розрахунок конструкцій покриття, обрешітки, збір навантаження від покрівлі, клеєної дощато-фанерної балки. Проектування поперечної двошарнірної рами. Підбір поперечного перерізу дощатоклеєної колони.
курсовая работа [556,2 K], добавлен 30.03.2011Інженерно-геологічні умови будівельного майданчика, варіант ґрунтів. Підбір глибини закладання підошви фундаменту. Попередній та кінцевий підбір його розмірів, збір навантажень. Визначення розрахункового опору ґрунту. Розрахунок різних конструкцій.
курсовая работа [894,1 K], добавлен 01.09.2014
