Статическое взаимодействие с грунтом

⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 8Следующая ⇒

Статические силы (взаимодействие без учета сил инерции и демпфирования) со стороны донного грунта являются одним из основных внешних факторов при эксплуатации МБУ. Погружная и самоподъемная установки взаимодействуют с донным грунтом основанием или башмаками опорных колонн. Различные типы башмаков опор

СПБУ показаны на рис. 3.10. Тип применяемого башмака зависит от размеров опоры, массы установки, приходящейся на одну опору, и типа донного грунта в районе эксплуатации.

Грунт по своей природе – существенно нелинейная анизотропная среда, свойства которой изменяются с глубиной залегания. Состояние грунта в терминах механики в любой его точке можно описать с помощью шестикомпонентных тензоров напряжения и деформаций [ Т_s] и [ Т_e]

(3.33)

В начальной стадии деформации грунта в незначительном диапазоне нагрузок действует закон Гука:

(3.34)

где [Е] – матрица упругих констант анизотропного материала. Начиная с некоторых значений деформации и напряжений происходит разрушение грунта в микрообъеме. Определена экспериментальная зависимость между нормальными и касательными напряжениями разрушения, характер которой показан на рис. 3.11.

При разрушении грунт «ползет». Кривые s_п–t_п, соответствующие разрушению (нарушению сплошности) грунта, называются предельными кривыми. На практике связь между предельными касательными и предельными нормальными напряжениями аппроксимируют линейной зависимостью

(3.35)

Величину (j называют углом внутреннего трения, С – сцеплением. Если С » 0, то грунт называется несвязным. На рис. 3.12 показаны предельные кривые связного и несвязного грунта и их линейные аппроксимации.

Рис. 3.10. Типы башмаков опорных колонн

Рис. 3.12. Предельные кривые

связного и несвязного грунта и их линейные аппроксимации прямыми 1 – предельная кривая несвязного грунта и 2 – ее аппроксимация; 3 – предельная кривая связного грунта и 4 – ее аппроксимация; j – угол внутреннего трения; С – сцепление

Рис. 3.11. Вид кривых предельного состояния s_п – t_п грунта

Рис. 3.13. Диаграмма Друккера–Прагера

В современных численных методах механики, предназначенных для моделирования грунта при статическом взаимодействии, используется диаграмма идеально-упругопластического тела, которую принято называть диаграммой Друккера–Прагера (рис. 3.13).

Диаграмма Друккера–Прагера позволяет учесть начальный упругий участок деформирования и область предельного состояния. Для более точного расчета необходимо принимать во внимание гидростатическую составляющую напряжений в грунте Ds, пропорциональную глубине залегания h.

(3.36)

где g_г – удельная плотность грунта.

Для разного типа грунтов параметры j, g_г и С, строго говоря, являются случайными величинами, распределенными в некотором диапазоне. Эти характеристики зависят, прежде всего, от водонасыщенности грунта и, в меньшей степени, от его температуры. Ориентировочные значенияj, g_г и С для различных грунтов приведены в табл. 3.2.

В практике архитектуры и строительства разработано множество методов взаимодействия твердого тела с грунтом. Эти методы в основном ориентированы на узкий круг задач. Наиболее универсальным подходом на сегодняшний день является нелинейный метод конечных элементов, модифицированный для решения задач взаимодействия твердого или деформированного тела с грунтом. В практике проектирования СПБУ при выборе типа и размеров башмака требуется определить его держащую способность на грунте с заданными свойствами. Пример решения такой задачи показан на рис. 3.14. Башмак опоры СПБУ и окружающий грунт моделировались осесимметричными конечными элементами. Для учета проскальзывания грунта вдоль поверхности башмака использовались специальные контактные элементы. Деформации и напряжения в грунте подчиняются диаграмме Друккера–Прагера. Заглубление башмака считается закончившимся, если весь грунт работает в области линейного деформирования, т. е. максимальные напряжения и деформации находятся на наклонном участке диаграммы деформирования грунта.

Рис. 3.14. К определению глубины вдавливания башмака в грунт:

а – расчетная схема

1 – ферма опоры; 2 – башмак опоры; 3 – грунт

б – диаграмма напряжений в грунте

1 – башмак опоры; 2 – направление нагрузки; 3 – грунт, смоделированный осесимметричными конечными элементами

Таблица 3.2

Диапазоны изменения параметров j, g_г и С для различных типов

Грунта

Тип грунта	g_г, кН/м³	j, град	С, кПа
Пески	8, 0-1, 0	14-20	1, 0-5, 0
Супеси	9, 0- 12, 0	20-22	5, 0 - 10, 0
Суглинки	9, 0 - 12, 0	25-30	7, 0 - 25, 0
Глины	9, 0-12, 0	25-40	20, 0 - 120, 0

Оценка сейсмостойкости

Примером динамического воздействия на МБУ являются сейсмические колебания грунта (землетрясение). Инструментальные наблюдения за землетрясениями показывают, что сейсмические воздействия представляют собой вертикальные и горизонтальные колебания земной поверхности. На рис. 3.15 и 3.16 показаны акселерограммы (записи ускорений) землетрясений. По продолжительности землетрясения делятся на длительные и кратковременные. Длительные землетрясения протекают более 15–20 с, кратковременные занимают обычно 10–15 с. Кроме того, различают еще отдельные толчки, интенсивность которых может составлять 8–9 баллов. Под интенсивностью землетрясения понимается дискретная шкала максимально зарегистрированных ускорений грунта.

Примером соответствия баллов и максимальных ускорений грунта может служить семибалльная шкала, представленная табл. 3.3. Следует обратить внимание, что за основу взято ускорение свободного падения g и шкала является логарифмической.

Таблица 3.3

⇐ Предыдущая 1 2 3 456 7 8 Следующая ⇒