Моделирование напряженно-деформированного состояния ствола опускного колодца

2. Уткин В.А., Кадисов Г.М. О методах пространственного расчёта балочных пролётных строений деревянных мостов с многослойной проезжей частью из клееной древесины // Известия вузов. Строительство. - 2007. - № 6. - С. 98 - 104.

3. Краснощёков Ю.В. Научные основы исследований взаимодействия элементов железобетонных конструкций. - Омск: СибАДИ, 1997. - 276 с.

4. Ржаницын А.Р. Составные стержни и пластинки. - М.: Стройиздат, 1986. - 316 с.

Application of model of component bar for the calculation of flag from the glued boards

Y.V. Krasnoshekov

The calculation chart of flag from glued boards is presented as a component bar with absolutely hard transversal and resilient - pliable

connections of change, which gasket elements are. The method of calculation of beam flag from a tree from wood, made from 3 - 7 layers of boards, is offered, taking into account symmetry in relation to a longitudinal ax. It is set calculations, that it is possible pliability of connections not to take into account in most cases.

Краснощеков Юрий Васильевич - д-р техн. наук, доцент, профессор кафедры «Строительные конструкции» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. Основное направление научных исследований - взаимодействие элементов железобетонных конструкций. надёжность конструктивных систем. Имеет более 120 опубликованных работ.

Статья поступила 03.09.2009 г.

УДК 692

МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ СТВОЛА ОПУСКНОГО КОЛОДЦА

В.А. Рудак, Н.В. Беляев, канд. тех. наук

Аннотация. В статье рассмотрен вариант усиления грунтов методом высоконапорного инъецирования. С учетом данных, полученных при обследовании, было смоделировано напряженно-деформированное состояние ствола опускного колодца. В результате моделирования техническое состояние конструкций опускного колодца после упрочнения грунтов оценивается как работоспособное.

Ключевые слова: усиление, моделирование, обследование, напряженно-

деформированное состояние.

Введение

В составе комплексного проекта «Инженерная подготовка территории строительства Спортивно-развлекательного комплекса» был разработан проект канализационной насосной станции. Проектное решение канализационной насосной станции включало в себя опускной колодец.

Конструктивное решение опускного колодца заключается в следующем. Железобетонная оболочка подземной части собирается из плоских железобетонных панелей толщиной 30 см, которые соединены между собой сваркой с помощью стальных плоских накладок. По причине недостаточной длины (высоты) панелей, верхняя часть колодца наращивается монолитным железобетонным кольцом толщиной 500 мм, высотой 2,63 м.

При выполнении работ по опусканию колодца в проектное положение, естественные

геологические условия площадки были нарушены. Откачка воды и выемка грунта в течение двух месяцев строительства привели к образованию декомпрессионной воронки и, как следствие, к изменению плотности сложения и развитию процесса физической суффозии грунтов за пределами сооружения.

По причине вышеизложенного при производстве работ супесь текучей консистенции, с одной из сторон, стала заполнять внутренний объем смонтированного опускного колодца. Согласно инструментальному обследованию произошел наклон колодца сторону р. Иртыш на 10 см, деформация в плане

составила 985(фвн1 )-863(фвн2) = 123 см, при

внутреннем диаметре подземной части согласно проекту 920 см. Отметки острия ножа

- от 64.350 до 63.955, при отметке проектного

положения 64.650 (рис. 1). Произошло дополнительное погружение колодца на 4,0 ... 4,4 см. Верхний обрез сборных конструкций колодца, ниже планировочной отметки прилегающей территории более чем на метр.

Заказчиком было принято решение выполнить усиление грунтов методом высоконапорного инъецирования. Суть метода заключается в устройстве в грунте, своеобразных колонн диаметром один метр, из смеси грунта и цемента. Колонны, располагаясь вплотную друг другу, образуют мощное ограждение.

Рис.1. Механизм развития деформаций

Укрепление грунтов запроектировано в два этапа. На первом этапе производится укрепление грунтов с наружной стороны колодца на глубину 20 м, от уровня поверхности земли. На втором этапе, производится укрепление грунтов под днищем колодца, с образованием плиты, двухметровой толщины (рис.2).

Результаты обследования

Обследованием установлено следующее:

- на основе выполненных замеров и расчетов, были построены сечений опускного колодца в уровне днища и опирания монолитного пояса (рис. 3);

- по данным неразрушающего контроля прочность бетона стеновых панелей выше проектной (В25), прочность монолитного бетона заполнения межплитных швов соответствует классу бетона по прочности на сжатие В15;

- имеет место вертикальная сдвижка панелей относительно друг друга, максимальная величина деформаций составляет более 50 мм;

- стык панелей 8-9, имеет сдвиговые перемещения в горизонтальной плоскости на 60 мм, имеет место наличие изгибных деформаций соединительных пластин;

- отсутствует на глубину более 70 мм, практически на всей длине бетон заполнения шва между 8 и 9 панелями

- на участке стыка длиной около 2-х метров, между панелями 1-2, отсутствуют соединительные пластины;

Дефектов и повреждений силового характера, таких как нормальные или наклонные трещины, трещины у закладных деталей, у стеновых панелей не зафиксировано.

Ообо

Рис. 2. Усиление грунтов методом высоконапорного инъецирования

Рис.3. Схема деформаций опускного колодца в горизонтальных плоскостях

Расчетный анализ

Цель проведения сравнительного анализа:

- определение усилий в панелях и соединительных пластинах при деформации колодца;

- определение степени включения в работу грунто-цементного контура усиления.

Перед формированием расчетной схемы и выполнением расчетов, целесообразно проанализировать механизм работы отдельных конструкций в составе сооружения. Это еще в большей степени необходимо, когда в процессе строительства имело место изменение регламента нагрузок и схемы работы конструкции по сравнению с проектом.

Для моделирования работы опускного колодца сформированы пространственные расчетные схемы. Так как программа исследований включает в себя три варианта работы сооружения, то при выполнении расчетов предполагается наличие трех расчетных схем:

А. Проектное положение колодца. Стеновые панели были смонтированы и объединены в единую систему сваркой закладных деталей с помощью стальных пластин, зазоры между продольными торцами панелей заполнены бетоном. Колодец заглублен на определенную величину. Напряжения, возникающие в панелях и соединительных пластинах, возникают от действия бокового давления грунта (напряжения от собственного веса несравнимо ниже) (рис.4).

Рис.4. Расчетная схема А

2. Деформированное положение колодца. Из-за неравномерной осадки образовались неравномерные поперечные деформации и искривление сечение колодца в горизонтальных плоскостях, в панелях и пластинах возникли дополнительные напряжения от изменения геометрии и отклонений панелей от вертикали (рис.5).

Рис.5. Расчетная схема Б

3. Работа деформированного колодца с грунто-цементным контуром. После очистки колодца от грунта, возникает боковое давление, которое воспринимается прежде всего грунто-цементным контуром усиления, которое имеет более высокую жесткость и расположено снаружи. Только при наличии значительных деформаций, часть бокового давления передается на смонтированные панели опускного колодца. Устройство более жесткого, по сравнению с панелями монолитного пояса, привело к изменению схемы работы стеновых панелей и их разгрузке, а также разгрузке соединительных пластин (рис.6).

Рис.6. Расчетная схема В

При формировании расчетных схем были приняты следующие предпосылки:

- геометрические размеры сооружения эквивалентны фактическим;

- жесткостные параметры конструкций (стеновых панелей, соединительных накладок, грунто-цементных стен и днища) задаются по фактическим данным;

- днище опирается на упруго-податливый слой грунта с коэффициентом пастели, полученным по данным геологии;

- грунто-цементные стены, в дополнение к работе плиты, опираются на несущий слой.

Расчетная схема по варианту А, сформирована из КЭ, прямоугольного и треугольного очертания. Между стеновыми панелями установлены стержни моделирующие работу накладок.

По варианту Б, схема сформирована из КЭ типа пластина треугольного очертания. Применение треугольных пластин обосновано нарушением плоскостности стеновых панелей. По аналогии с вариантом А, установлены соединительные пластины с шагом по вертикали 30 см.

Расчетная схема вертикальных элементов, по варианту В, сформирована из КЭ типа пластина прямоугольного очертания. Длина вертикальных элементов равна 20 м, а толщина 1 м. Контур грунто-цементного упрочнения грунта по вертикали принят в виде эллипса, с диаметрами 11,5 и 12,5 м.

Нагрузки

В соответствии с п.п. 5.17 СНиП 2.09.03-85 «Сооружения промышленных предприятий» в стадии эксплуатации колодец следует рассчитывать на горизонтальное давление грунта в состоянии покоя.

Если колодец погружен в грунт с разнородным напластованием, значение основного давления грунта для каждого слоя определяется по формуле

Ло =

1 - у’

Рш = Л,|г, г, *ТГ, к

где у,, zi - соответственно удельный вес грунта и расстояние от поверхности ,-го пласта до рассматриваемого сечения колодца; у,, hi - соответственно удельный вес грунта и толщина каждого вышележащего пласта; Х0, - коэффициент бокового давления грунта в состоянии покоя рассматриваемого ,-го пласта грунта, принимается равным:

здесь V - коэффициент Пуассона.

Расчетная схема стен опускного колодца формируется из КЭ высотой 0,3 м, в соответствии с этим получены значения величин горизонтального давления для соответствующих отметок.

Так как, результаты расчета вариантов работы отдельных конструкций в составе сооружения носят сравнительный характер, то для упрощения ввода исходных данных, боковое давление на стенки колодца прикладываются в виде распределенных нагрузок, величина которых равна Р^сред (рис.7).

Коэффициенты постели определены по модель Пастернака в соответствии физикомеханическими свойствами грунтов программой ЗАПРОС, версия: 1.1.0.3:

- коэффициент сжатия С1 - 95.918 Т/м3

- коэффициент сдвига С2 - 3329.953 Т/м.

Рис. 7. Определение нагрузок (1) Результаты расчета

Как показали расчеты, по причине деформаций колодца, (неравномерная осадка и превращение окружности в многоугольник), произошло изменение напряжений по сравнению с проектом в стеновых панелях:

- напряжения в вертикальной плоскости увеличились на 6,5% (с -47,0 до -50,1 кгс/м2);

V

п-1

- напряжения в горизонтальной плоскости снизились более чем на 40% (с -58,9 до -33,7 кгс/м2) (рис.8, 9);

Рис.8. Поля напряжений по горизонтали для варианта А

Рис.9. Поля напряжений по горизонтали для варианта Б

- кроме изменения сжимающих напряжений как в вертикальной, так и горизонтальной плоскостях, отдельных участках, образовались растягивающие напряжения, максимальная величина которых составила: по вертикали 31,8 кгс/см2, в горизонтальной плоскости 45,4 кгс/см2.

Кроме этого, произошло увеличение продольных усилий в соединительных пластинах, более чем на 50% (с -18,5 до -28,7 тс). На отдельных участках, в пластинах возникли растягивающие усилия абсолютное значение которых, значительно выше сжимающих (+40,4 тс).

На основании вышеизложенного делается вывод, что возникновение деформаций опускного колодца, полностью изменило характер его работы. Проектное положение подразуме-

вает отсутствие растягивающих напряжений, как в бетоне стеновых панелей, так и в соединительных накладках.

При расчете деформированной схемы, имеет место локальный всплеск растягивающих напряжений в горизонтальной плоскости в зоне контакта панелей, на этом месте распределение вертикальных напряжений интенсивно неоднородно. При обследовании на отмеченном выше участке зафиксирован сдвиг панелей в горизонтальной плоскости друг относительно друга. Наличие максимальных растягивающих усилий в соединительных пластинах согласуется с величинами деформаций излома вовнутрь, контура стеновых панелей.

Вышеизложенное, дает основание для заключения о том, что расчетная модель деформированного колодца работоспособна и достоверно отображает его работу.

Выполненный расчет напряжений в контуре упрочнения грунтов (вариант В), показал, что в грунто-цементе возникают только сжимающие напряжения. Максимальное значение напряжений находится в диапазоне 4,9 ... 6,4 кгс/см2, что значительно ниже полученной при обследовании прочности материала В12,5 (рис. 10).

Рис.10. Поля напряжений по вертикали для варианта В

Вывод

На основании анализа результатов обследования и выполненных расчетов сделаны следующие выводы. Техническое состояние конструкций опускного колодца, после упрочнения грунтов оценивается как работоспособное. Грунто-цементный контур упрочнения грунтов способен воспринимать расчетные нагрузки. Дополнительного усиления внутренней полости колодца не требуется.

Библиографический список

1. СП 13-102-2003. Свод правил по проектированию и строительству. Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений.

2. СНиП 2.03.01-84 Бетонные и железобетонные конструкции.

3. СНиП 2.01.07-85* Нагрузки и воздействия.

4. ГОСТ 17624-87 Бетоны. Ультразвуковой метод определения прочности.

5. СНиП 2.02.01-83 Основания зданий и сооружений.

6. Лужин О.В., Злочевский А.Б. и др. Обследование и испытание сооружений. (М: Стройиз-дат,1987г).

Modelling is intense-deformed Conditions of the trunk of the open caisson

V.A. Rudak, N.V. Belyaev

In paper the alternative of a reinforcement of soils by a method high-pressure pumping is observed. Taking into account the data gained at

diagnostic study, the is intense-deformed condition of a trunk of an open caisson has been simulated. As a result of modelling the technical condition of designs of an open caisson after a reinforcement of soils is sized up as efficient.

Беляев Никита Владимирович - канд. техн. наук, доцент кафедры «Строительные конструкции» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. Основное направление научных исследований - автоматизация проектирования металлоконструкций зданий и сооружений. Имеет 16 опубликованных работ.

E-mail: 400970@mail.ru

Рудак Виталий Алексеевич - старший преподаватель кафедры ««Строительные конструкции» Сибирской государственной автомобильнодорожной академии. Основное направление научных исследований - применение информационных технологий в проектировании строительных конструкций зданий и сооружений. Имеет 9 опубликованных работ.

Статья поступила 04.11.2009 г.

УДК 624.2

АНАЛИТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАСЧЕТА ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ПЛИТ, ЛЕЖАЩИХ НА СПЛОШНОМ ГРУНТОВОМ ОСНОВАНИИ

В.Н. Завьялов, канд. техн. наук, доц., Е.А. Мартынов, канд. техн. наук, доц., В.М. Романовский, канд. техн. наук, доц.

Аннотация. Рассмотрен расчёт прямоугольных плит на грунтовом основании с двумя коэффициентами постели вариационным методом Ритца. Получены выражения для определения осадки грунтового основания, внутренних силовых факторов возникающих в плите.

Ключевые слова: плита, основание, усилие, осадка.

Введение

При создании транспортных сооружений, в частности автомобильных дорог, достаточно часто встречаются плитные конструкции, лежащие непосредственно на грунтовом основании. В механике деформируемого твердого тела разработано много методов расчета таких конструкций. Большинство этих методов расчета связано с численной реализацией решения дифференциальных уравнений, описывающих изгиб плит, лежащих на грунтовом основании. Расчеты, связанные с численной реализацией решения дифференциальных уравнений, как известно, являются приближенными. В этой связи представляет интерес получения аналитического решения этой за-

дачи, которое будет точным и может служить критерием точности численного решения. Расчетные предпосылки В настоящей статье представлены обоснование и аналитический метод расчета прямоугольных плит, лежащих на сплошных грунтовых основаниях, при действии на плиты статической нагрузки д(х, у) изменяющейся по поверхности плиты по произвольному закону. При этом предполагается, что плиты могут иметь по своим кромкам различный характер опирания.

Анализ работы системы «статическая нагрузка + плита + грунтовое основание» в данном исследовании осуществлялся с использованием вариационных принципов механики деформируемого твердого тела.