Министерство образования и науки Российской Федерации

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

В. С. Коровкин

ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ

ВОДНЫХ ПУТЕЙ, ПОРТОВ

И КОНТИНЕНТАЛЬНОГО ШЕЛЬФА

РАСЧЕТ ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ ПРИЧАЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ

НА СТАТИЧЕСКИЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕ НАГРУЗКИ

Учебное пособие

(Первая редакция, возможны мелкие неточности)

Санкт-Петербург

Издательство Политехнического университета

2013

УДК 626.4:626.5:519.6

Коровкин В. С. Гидротехнические сооружения водных путей, портов и континентального шельфа. Расчет эксплуатируемых причальных сооруже-ний .

учеб. пособие / В. С. Коровкин. – СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2013. – 70 с.

Соответствует содержанию курса по дисциплине «Гидротехническое строительство водных путей, портов и континентального шельфа» для обучаю-щихся по направлению магистерской подготовки по направлению 270104 «Гидротехническое строительство».

Предназначено для студентов старших курсов инженерно-строительного факультета в качестве справочного и учебно-методического пособия при выполнении курсового и дипломного проектирования магистерского курса.

Табл. 9. Ил. 29. Библиогр. : 8 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Санкт-Петербургского государственного политехнического университета.

© Коровкин В. С., 2011

© Санкт-Петербургский государственный

политехнический университет, 2011

Предисловие

Структуру и содержание учебного пособия определили программа, которая отводится на дисциплину « Гидротехнические сооружения водных путей, портов и континентального шельфа» на инженерно-строительном факультете и принятая лекционно-практическая форма обучения.

Лекционно-практический метод предусматривает такую форму обучения, когда положение теории сразу же закрепляется практическим решением отдельных разделов курсового проекта.

Для лучшего усвоения материала с учетом современных требований рас-чет причальных сооружений предлагается выполнить в электронном варианте с использованием программы Scad для расчета балок на упругом основании при статическом и динамическом воздействии.

1. Расчет причальных сооружений с учетом деформаций и перемещений.

1. Основные положения статического расчета гидротехнических сооружений с использованием диаграмм деформаций грунта от нагрузки

   В соответствии с нормативными документами расчеты причальных сооружений производятся по двум группам предельных состояний:

I – по несущей способности (прочности); II – по деформациям и трещиностойкости.

Расчеты по I предельному состоянию выполняются по расчетным усилиям, а по I I - по нормативным.

Нормативные усилия в конструктивных элементах гидротехнического сооружения находят путем его расчета на действие нормативных внешних сил. Расчетные значе-ния усилий в элементах конструкции (изгибающий момент M_i, продольная (N_i ) и поперечная (Q_i) силы вычисляются с помощью выражения (приложение 2):

S_i = γ_{i c} γ_n γ_f γ_сa S

где S_i – расчетное усилие (M_i, N_i Q_i)_i; γ_{i c} – коэффициент сочетаний нагрузок; γ_n –коэффициент надежности по ответственности сооружения; γ_f – коэффициент надежности по нагрузке; γ_сa – дополнительный коэффициент условий работы, учитывающий условность метода расчета конструкций, взаимодействующих с грунтом; S – усилие (M_i, N_i Q_i), полученное из статического расчета сооружения при нормативных значениях действующих эксплуатационных нагрузок.

Упругопластический расчет применительно к воднотранспортным и шельфовым гидротехническим сооружениям выполнен на основе инженерной кинематической теории контактного давления грунта (отдельные фрагменты которой представлены в работе [7]).

1. Активная зона грунта. Независимо от типа фундамента принято, что напряженно - деформированное состояние грунта основания от нагрузки определяется степенью сопротивления сжатию («растяжению») семейства условных полосок располагаемых в деформируемой (активной) зоне.

В допредельном случае активная зона занимает часть клина выпирания (рис. 1а). В предельном случае активная зона под горизонтальным фундаментом, объединяет грунтовые призмы обрушения и выпирания, разделенные наклонной условной стенкой границы уплотненного ядра (рис. 1,1а), а так же в виде призмы выпирания перед заглубленной подпорной стенкой (рис. 1.1в), или анкерной плитой (рис.1.1г). В случае свайного основания возникает, так называемая «внутренняя призма выпирания» не выходящая на поверхность.

Размер этой зоны зависит от величины внешней нагрузки и типа фундамента. При этом для горизонтального фундамента условная стенка границы раздела призм вертикальна. В активной зоне происходит существенное перемещение грунтовых частиц, объединенных в полоски, направление которых совпадает с траекторией движения частиц.

2. Направление траекторий нагружения. В диапазоне допредельных контактных напряжений грунта (σ ≤ (0,5 – 0,6)σ^*), траектории смещений более или менее совпадают с направлением силового воздействия, что соответствует его уплотнению. При дальнейшем повышении нагрузки, например, на горизонтальный фундамент траектории стремятся изменить направление, совпадая с кривой скольжения, вследствие наименьшей сопротивляемости грунта в горизонтальном направлении. Различные предельные значения сопротивления и смещения в семействе неодинаковых по длине полосок под фундаментом приводят к зарождению и развитию сдвигов (разуплотнения), начиная с краевых зон, где сопротивляемость сжатию минимальная (рис.1.1).

Рис. 1.1. Активные зоны грунта основания в разных типах фундаментов, зависящие от величины нагрузки

Представим, что в зоне до поворота траекторий перемещения частиц возникает минимальное напряженное состояние (доактивное и активное), а в зоне после поворота – максимальное напряженное состояние (допассивное и пассивное), с изменением направления главных напряжений (рис.1.1а).

Мысленно выделим в этих зонах два элементарных прямоугольника 1 и 2 с главными минимальными и максимальными напряжениями в основании под горизонтальным штампом (см. рис.1.1, б).

Диаграмма связи давление – перемещение раскрывает статическую неопределимость, что необходимо для расчета различных конструкций, взаимодействующих с грунтом (рис. 1.1).

3. Подпорная стенка. Введем l(е_х,d) – степенную безразмерную функцию бокового давления (ФБД), описывающую диаграмму связи давление – перемещение, которая состоит из постоянной (коэффициента бокового давления покоя – l₀) и приращения функции е_х(l_п(0) – l_0(а)), зависящей от относительного горизонтального смещения d (рис. 1.2) и аналогично l_{пс (ас)}(е_х,d) – функцию сцепления:

Рис. 1.3. Диаграмма связи функции бокового или вертикального (правая часть) давления несвязного грунта в относительных величинах:1 – плотный грунт; 2 – грунт средней плотности; 3 – рыхлый грунт; ав – влияние уплотнения грунта от его сотрясе-ния на кривую 2.

l(е_х,d) = l₀ + е_х(l_п(0) – l_0(а))dⁿ; l_{пс (ас)}(е_х,d) = е_х l_{пс (ас)}dⁿ (1.1)

l^*(е_х,d) = l_п при е_х =1 и l_а при е_х = – 1; l^*_{пс (ас)}(е_х,d) = е_х l_{пс (ас)},

где l₀, l_п, l_а– граничные значения безразмерной ФБД: коэффициенты покоя, пассивного и активного давлений; индексы в скобках используются при определении давления за стенкой; е_х = ±1 – указатель направления нагружения. Знак «+» означает сжатие, вызывающее приращение давления за счет множителя (l_п – l₀)dⁿ, а знак «–» означает «растяжение», вызывающее отрицательное приращение давления за счет множителя (l₀ – l_а)dⁿ; δⁿ = (Δ_{х, у} /Δ*_{х, у})ⁿ – относительное перемещение контактной точки стены (Δ_{х, у} – абсолютное горизонтальное смещение стены на глубине у); Δ*_х, _у – предельное смещение, вызывающее активное или пассивное состояние в грунте, первый индекс в Δ_х, _у показывает направление смещения, а второй – координату, где оно произошло; n = 0,25 – 0,5 – показатель степени, определяющий характер кривизны диаграммы. Меньшее значение n для плотных грунтов, большее – соответственно для рыхлых; l_{пс (ас)} – коэффициенты пассивного (активного) сцепления.

Предельное смещение стенки Δ*_{х, у} в выражении (1.1) на глубине у, вызывающее активное или пассивное давление , полученное через пластический модуль деформации грунта, имеет вид [7]:

е_хΔ^*_х, _у = 0,5Вγh² ; B = (_{п (0)} − _{0 (а)}) / соs(45± /2)К_а E_{пл (р),} для е_х = ± 1 (1.2)

где е_х = ±1 – указатель направления смещения; индексы без скобок в коэффици-ентах  и знак «+» в квадратных скобках используются для определения предельного смещения, вызывающего пассивное давление, а в скобках – соответственно активного; К_а ≤ 1 – коэффициент анизотропии грунта (разность свойств по перпендикулярным направлениям), позволяет использовать значения модуля общепринятого Е от вертикальной нагрузки, для получения Е_г от горизонтальной нагрузки; Е_пл = (0,6 – 0,8)Е – пластический модуль деформации при навале стенки на грунт (меньшее значение относится к рыхлому или слабому грунту); Е_р = (0,1– 0,2)Е_пл – пластический модуль деформации грунта при отходе стенки от грунта засыпки при «растяжении» (меньшее значение относится к песчаным грунтам).

В случае разнослойных грунтов основания при определении Δ^*_х, _у испо-льзуется следующий прием. Для каждого слоя грунта принимается глубина сте-нки h, считая от поверхности территории и определяется Δ^*_{1, х}, _у и Δ_2,^*_х,. Затем определяется фактическое смещение из выражения

Δ^*_ф = Δ^*_1,х, _у + (Δ_2,^*_х, _у– Δ^*_1,х, _у)h₂/h, (1.3)

где Δ_2,^*_х, _у > Δ^*_1,х, _у ; h₁ и h₂ – соответствующие слои грунта.

В связных грунтах при смещении происходит одновременая реализа-ция сил трения и сцепления. При φ = 0 предельное смещение для реализации сил сцепления

В связных грунтах при смещении происходит одновременая реализа-ция сил трения и сцепления. При φ = 0 предельное смещение для реализации сил сцепления

Δ*_{пл, с} = 2с_псВ_к_п^0,5/К_а E_пл _а^0,5 ,

где с – сцепление; _пс – коэффициент пассивного давления от сцепления.

Боковое давление грунта при смещении подпорной стенки

σ_{х, у} = (q +∑γ_i h_i)· l(е_х,d)dⁿ + е_хl_{пс (ас)}dⁿ, (1.4)

где q – нагрузка на засыпке; γ_i h_i – удельный вес и высота i-го слоя; остальные обозначения приведены в (1,1- 1,2); выражение в скобках в индексах соответствуют смещению стенки от засыпки.

В проектной практике используются табличные коэффициенты λ_п с учетом сил трения _т = φ и λ_а при _т = 0,5φ, а так же l_{пс (ас)}, приведенные в приложении 6.

В случае предельных значений l^*(е_х,d) = l_п при е_х =1 и l_а при е_х = – 1; l^*_{пс (ас)}(е_х,d) = е_х l_{пс (ас)} выражение (1.4) описывает общепринятые значения пассивного и активного давления.

1.2. Коэффициенты постели грунта применительно к расчету причальных набережных.

В настоящее время при расчете причальных сооружений с использованием метода коэффициента постели применяются различные общепринятые значения К_п применительно к типу сооружения.

Для причальных стенок коэффициент постели определяется через табли- чное значение коэффициента пропорциональности К (приложение 4,табл. П4.1)

Для фундаментов на поверхности К_п приведен в табл. П4.2 и мелкого заложения, включая условный массив из свай коэффициент постели приведен в табл.П4.3.

Для свайных фундаментов причальных сооружений используются два коэффициента постели горизонтальный вдоль сваи и вертикальный под ее острием, табл. П4.4, приложения 4.

В общем виде коэффициент постели с учетом пластических свойств грунта применительно к задачам с подпорными стенками можно определить через табличное значение коэффициента пропорциональности К (таблица П4.1, приложение 4).

К_п = у К К_а К_пл, (1.7)

где у – глубина рассматриваемой точки; К_а – коэффициент анизотропии для несвязных грунтов равен 1, для глинистых – 0.7 – 0.8; К_пл = 1÷ 0,6- 0.8) – коэффициент учета пластических свойств (меньшее значение для слабых грун-тов) при значениях смещения Δ от (0,5 до 1)Δ^* ,

Для водонасыщенных глинистых грунтов, обладающих реологичес-кими (фильтрационными и ползучими) свойствами, К_п имеет вид

К_{п ¥}= К_п(Δ/Δ_ст) (1.8)

Δ – смещение в начальный момент времени, Δ_ст – смещение в период стабилизации.