Несущая способность и осадка тонкостенной трубчатой сваи с учетом пластического деформирования грунта тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

азербайджанская государственная нефтяная академия

Рг*

' • п

п Ой

- ¿^ На правах рукописи

1.99а

МУСАЕВ АДИЛЬ АМИРХАН оглы

НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ И ОСАДКА ТОНКОСТЕННОЙ ТРУБЧАТОЙ СВАИ С УЧЕТОМ ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ ГРУНТА

01.02.04 — Механика деформируемого твердого тела

автор еферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

БАКУ — 1994

Работа выполнена в НИИ Оснований и подземных сооружений и в Научно-исследовательском и проектном институте по освоению месторождений нефти и газа «Гипроморнефтегаз».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор В. А. ИЛЬИЧЕВ.

Официальные оппоненты:

доктор технических паук, профессор Н. И. ЯГУБОВ, доктор физико-математических наук Ю. М. МАМЕДОВ.

Ведущее предприятие: Государственная Нефтяная Компания Азербайджанской Республики.

Защита состоится « 1994 г. в часов

на заседании специализированного совета Д 054.02.07 при Азербайджанской государственной нефтяной академии по адресу: Баку, пр. Азадлыг, 20, аудитория

23 £

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АзГНА.

Просим Вас принять участие в защите и направить ваш отзыв в двух экземплярах по адресу: 370601, Баку-ГСП, пр. Азадлыг, 20, Азербайджан-, екая государственная нефтяная академия, ученый совет.

Автореферат разослан

(¿/4?ЛЯ .

1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор технических наук х Р А. ГАСАНОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИК,. РАБОТЫ

Актуальность работы. В практике морской добычи нефти широкое распространение получили решетчатые конструкции опорных блоков» устанавливаемых на морское дно и закрепляемых с помоиуьа свай. Для указанное конструкций в качества свой, к.ай правило, применяются забивные стальные трубчатле сваи погружаемые с открытым нижним концом. В настоящее время имеется большое количество ззпганерннх методов определения несущей способности и осадок одиночных свай* Однако, все гти метода разработаны примчшггмкю к ззлям сплошного сочетая используема.! з 1словиях суш! и использования их для расчета тонкостенных трубчатых свай в морских условиях не обоснованы. Кроме того, имеющиеся метода расчета осадок и несущей способности свай основываются на -различные предположения, и не позволяют учесть многообразия факторов 'и грунтовых условий.

Морские стационарные платформы подвергаются циклическим нагрузкам при штормах. Знакопеременные волновые нагрузки действуют в вер? ней его части, в основном, в горизонтальном направлении. Однако в сеязи с тем, что верхнее строение глубоководных стационарных платформ обычно находится на глубине 100 и более'метроп от уровня дна коря, свайные фундаменты такого типа сооружений работают на опрокидивакхдув нагрузку. В таких условиях каждая свая; в отдельности подвергаются в основном действию знакопеременных вертикальных нагрузок. При атом, свая попеременно работает на вдавливание- выдергиванье. Псюмо глубоководных оснований, ряд другие морские и речныэ сооружения в качестве крепления имеют csaímue основания, расчет которых приводится к задаче о вдавливишк осевой нагрузкой (статической и циклической) трубчатой (цилиндрической) сваи (стеркня) в упруго-пластический грунт (среду), который остается малоизученным.

Цель и задачи диссертациопноЯ работы: Основной целью диссертации является разработка численного метода расчета осадки и несущей способности тонкостэнша трубчатых свай, используемых для креп-лэния морских стационарных шшафзра. Для достижения этой цели бшга поотахшзаи с>аду£вда задачи;

- psspsftrra зшого катода расчета осадки и несущей сш-соо^осж талзсстенноЗ рубчатой сзая с уч-зтоя пластического дефор-жрозаппя грунта пря дчйствпп статических осевых нагрузок;

- провэдэл» ззепзрзкозгашшго исслздоваяия нг судей способ-

ности и осадки тонкостеиьчй трулччтой сваи в морских условиях и оценка достоверности численных решений;

- раэрабогка численного чгтэдв расчета огай, при действии циклических (говторншс) нагрузок;

- теоретическое изучение напряженно - дефорадрованного состояния грунтового основания при взаимодействии с тонкотрубчатой сваей.

Автор зацктцает:

- методику расчета несущей способности и осада! тонкостенной трубчатсй свзи при действия вертикальных стьтичесжих к циклических нагрузок;

- результаты численных исследований напряженно - деформированного состояния грунта при взаимодействии с тонкостенной тру0';ьтой свяей под действием статических и адпслгееских нагрузок.

Научная новизна р&Ооти заключается в следующем:

- экспериментальными исследованиями определены высота грунтового ядра в полости тогаостешмх трубчатых свай, при звоивке ¡а в . морских условиях и установлены степень уплотнения грунта под торцом и вокруг боковой поверхности:

- разработана кетодяла, алгоритм и составлена пршраг.ка расчета несущей способности и осадки фундаментных конструкций, которые могут быть описаны в рамках осесгакетричвой задачи теорий пластичности; разработанная методика применена для расчета то^\остеншх рубчатых свай при дейстгаи осевых статических нагрузок;

- разработаны формулы для прогноза дополнительных пластических объемных и сдвиговых деформаций грунта ври циклическом негружении;

- разработана методика расчета тонкостенных- трубчатых свай при действии циклических нагрузок;

- теоретически исследованы особенности поведения тонкостенной трубчатой сваи при действии статических и циклических осевых нагрузок;

Практическое значение работы: Результаты исследований и разработанный метод расчета позволяет получить значительный экономический эффект при проектировании глубоководных стационарных платформ за счет более поллого использования несущей способности свай.

" Внедрение: Экономический эффект от внедрения методики при проектировании глубоководной стационарной платформы ЫСП-19 на месторождении им. 28 Апреля составляло 50 тыс. рублей (на 1983 год,

без учета сокрашния срока строительсты!).

Вычислительные программы расчета включены в состав программных средств "САПР ИЩИ Гшфпморнефгегаз", которчй едено в поуиилвннув эксплуатацию в 199О году и испсльа;'отся при проеме:ujwnamra морских стационарных платформ в ЮТ Г/ "Гипроморнафтвгаз". Годовой экономический э!фойт от внедрение САПР Ш'ПИ "Гипроморнефтегаэ" II очереди в 1989 году составляло 47450Q0 рублей, в тем числе на счет использования рассматриваемой методики 177ЭООО ру.Ълзй.

A^Jauj«i_jp_aooTu: Основные положении диссертационной работа докладывались автором и обсуждались на I Всесоюзной конференции "Комплексно') осъошше нефтегазовых ресурооп континентального шельфа СССР" (Москва, I0Ö6), на конференции молодых учоньгх и специалистов НИИ Основания и подземные сооружений (Москва, 1934), научно- технической конференции "Ннучцо-исс,1.од->в<)тельекие работа по созданию стационарных платформ на глубинах 200-300м" (Ееку, 1987), научно-то х зиеской конференции молодо* ученых и специалистов по проблемам ос.воону.я нефтегазовых месторождений (Ваку, 1989), республиканской научно-технической конкуренции по динамике и прочности яв^епромыо-лового оборудования (Баку, 1939), на семинаре инстит/та Математики п механики Академии Наук Азербайджанской Республики (Баку, 1993г.), на научной конференции по мяхешке и математике посиятенгшй юбллео про^ссорв К.А.Коримоьа (Баку, 1993г.).

ГХуn. ^ijiaiunj- Результаты выполненных исследований опубликованы в 8 статьях.

Объем работы: Диссертация содержит 116 стр. основного текста, 43 рисунков, 8 таблицы, списан jmT&p&Tjpu 137 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении диссертации обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи, научная новизна, практическое значение работы.

Пэрвг.я глава диса.ртнции посвяуена обзору и анализу экспери-менталышх и теоретических исследований взаимодействия трубчатых свай с грунтовым основанием при забивке с открытым нижним коет>ом, а также методов расчета несус.вй способности и осадки свай при действия вертикальных статических и циклических нагрузок.

Основной предпосылкой для широкого применения трубчатых свай в практике строительства послужила экспериментальные и теиретичеекко

исследования М.М.Алдунгарова, В.М.Внрво, Г.ВЛСанакова, А.Л.Луга, Г.В.Миткиной. 15.и.Персея, А.И.Прудентова, Д.А.Романсво, Н.Ш.Фазул-лвна„ Н.Я.Цукер:.;эна и др. Б исследованиях Солшинстго авторов показано, что грунтовое ядро в трубчатой свае активно участвует в повышении ее несущей способности.

Проведенные зксперклентальшо исследования тока .:квакт, что высота грунтозого ядра г. трубчатой сааз, установленный с открытым нижним концом, зависит с.т целого рада фактороь, виаигасвязанных 1ЮЖДЗГ собой. К ним относится внутренний диаметр и толщина стоики трубы, глубина погружения,' таи кока свах, &и.з;'ко-мэхакич£ские свойства грунтов, способ и режим погружен;-,ч и др.

Ветречащя&ся в технической литературе работа, з основном посвящены оценке еляялия грунтового ядра на несущую способность и оссдки свай. При этом, для расчета несущей способнос1и и осадки трубчатых свай применяются методы, разработанные для свай сплошного сечения. Выбор схемы расчета зависит от высоты активной части грунтового ядра в полости сваи. Необходимо отметить, что ис .-ледозани© • условий образования грунтового ядра освещена недостаточно. Имеющиеся экспериментальные данные в озновном относятся к ¡.елезебэтошшм сваям» с относительной толщины стенки 0/ЩЮД.

Разработкой мэтодам расчета свай посвяцены работы В.А.БарЕашо-ва„ Б.В.Бахолдана, В.Г.Бер&занцева, М.П.Гороунова-Посглтеа, Э.Деви-са, Г.Г.Мэйерхоф, Х.Поулса.Е.П.Сивцовой, К.Терцзга, ВЛ .Федоровского и др. ■ Указанные метода основаны на применения расчетов по двум предельным состояниям грунта. Метода расчета юсущэй способности сваи основываются на применении теорий предельного напряженного состояния грунтов и в основном различаются очертанием предполагаемой линии предельного равновесия. Для расчета осадки сваи многиш авторами используются методы основанные на соотношениях лашзйю-деформируемо® среда. Из многих решений для определения осадки одиночно & сваи наиболее строгим по своей постановке является работа, в которых учитываются проскальзывание мееду грунтом и сваей. Очевидно, что укззлннне два вида расчета не должны производиться независимо. Их физическая связь основана на единстве закономерностей проедания грунта в допредельном и щюдельном состоянии. Наиболее шреп^ктшвым, являются метода, разработанные с использованием доруго-шастичвских моделей грунта, которые позволяют получить раненая дам неоднородных и нелинейно-деформируемых срод (А.Барбас, Ю.К.Зарецкий, М.И.Карабеев, Р.Франк и др.).

Лнагага работ по исследованию свай, при действии циклических нагрузок показывает, что исследования в атом направлении нсдоста-точни и но всегда совпадают выводи различных авторов. Одтко. во всех исследованиях показало, что негло опредслоиного уровня приложенной циклической нагрузки, отмечается увеличите осадок сваи. При этом, в зависимости от уровня циклических воздействий осадка свай может стобилтеирокаться. Когда урононь цшиг'ЧеглсоЯ пягрузки превосходит расчетную несущую способность, осгу.т слан неограниченно возрастает. Нокоторшди авторами при циклическом ногрукешш свай наблюдалось уметдание несущей способности.

Существует большое число исследований посвнцешшх изучению закономерностей'деформировании грунта при статических к циклических нагрузках. Пп »основе зтих исслодовчний построены разнообразные математические мололи грунта, наиболее перспективами из них являются модели основанные на теории пластического течения, Имеющийся ?лод( ли рагдолячяоя на одноьоверхностные и многоповерхностние. Мно-гоповорхностные модели дают возможность эффективного описания поведения грунта при циклическом нагрукеиии. Однако многопоперхностные модели менео удоош при использовании в расчетах, поскольку требуют определении большого количества параметров.

Вторая .глава диссертации посвящена описшшю разработанной методики расчета несущей способности и осадки тонкостенной трубчатой спаи при действии вер шкальной статической нагрузки. Приводится алгоритм расчета, реализация его на ЭГМ и апробация разработанной программы.

Дл-1 математического моделирования взаимодействия трубчатой сваи с грунтовым основанием воспользуемся соотношениями механики сиюипсй среда. При этом пологаеы, что расчетная область представляет собой кусочно - однородную среду, состоящую из различных видов грунта и материала сваи. Считаем, что механизм взаимодействия сваи с окружающим грунтом (в том число и на контакте свая - грунт) учитывается как деформирование сплошной разнородной среды. Так как сталыше трубчатые свая имеют форму тела вращения и рассматриваем нагрузки, действуйте в осевом направлении, то воспользуемся условиями осейой симметрии. Рассматриваемая краевая задача приводится решению системы дкффэрвпцаелша уравнений теорий пластичности. Связи юз аду деформациями а напряжениями в тела сван принимаем линейными а описываем законом Гуха. Для описания уравнений состояния

-я-

грунта, воспользуомся нелинеЯныш соотношениями теории пластического течения с упрочнением, В качестве расчетной модели, цричимпем модель ШСа Гидропроекта, разработанная под руководством Ю.К.Зароц-кого.

( В принятой модели исгтсльзуется ассоциированный закон течения Койтера:

о г ¿л_

(I)

р г Üi„

-соответственно, компонента вектора напряжений и

где. е1г а^

пластических деформаций; ¿0 - скалярные параметры, которые определяются уз условий погружения. Уравнении поверхности нагрукшшя Гг описываются при помощи грех линвйтшх участков:

1Г-1

з о

АГ=2

Гг»3

где,

С (и,) скт 1

i - <wv+ 0 • - +

- ° + POKT<Ul'«V

О ] . Щ

'«Л»

(2)

(3)

(4)

С0 +

OK г

(С* -С0

4ОКТ ОКТ

tßW«>i> - tf?p«5T * (

tiJXli0 + tgli)°

W

•ОКТ ®<VW1>

«Jj^/CJ* )

(5)

Здесь» Сокт'^скт'^окт "Параметры полозке гаи начальной ноьершэсти; o,oi -I а II инварианты тензора напряжений; Рокт(ы1,и)у), Ф^/ш*), ©(и^/и*) - функции упрочиения. В качестве параметров упрочнения пршшмаются перше и вторые инварианты (и^-е^) тензора

пластических деформаций. Для случая осевой симметрии принимается, что площадками преимущественного скольжения будут октаедрические площадки. Условия прочности принимается по ЫизесуЧШюйхору.

Параметрп описанной модели определяются по данным стабкломет-щмеского испытания образцов грунта. Для этого проводятся три серии опытов по траекториям £ездавлавания. По результатам опытов строится, так называемый "паспорт" грунта. Неизвестные коэффициенты функций упрочнения определяются методом наикяньшх квадратов.

Для решения систему нелинейных дифференциальных уравнений

примешштся моте;: коночных влемантов в цоромощопиях. Для этого, рассмотревшая область разбивается на торигчю (кольцевые) элементы, полученные ОТ ВЫрШ.'.ОПШ! 1 роуголышкон вокруг ОСИ СИМПОТрИИ. Норомо-И01шя шутря троуголмюги эломинта птрож ¡имируются полиномами первого порядка. Если предположить, что область разделена на N элементов, то разроипщоо уравпекио рассматриваемой задачи можно записать а веде:

N о е

гдо, [К] - [К ]. Здесь [К ], [К] - соответственно матрица хаст-

с -1

кости конечного эломонта и всой системы в глобальной систомо коор-

;зшат. -•- ^ {? } ~ В0КТ0Р содержащий все силы, обусловленные

внешними нагрузками, начальными напряжениями и деформациями и т.д., |о| - воктор 1юизгшст1шх перамещоний.

Граничные условия, заданные в виде узловых перемещений учитываются с исправлением соответствующих строк и столбцов матрица жесткости. Поело составления матрицы жесткости [К] и вектора сил {р}, из решения системы алгебраических уравнений (С) определяется вектор узловых перемещений Рошонио системы уравнений сильно упрощается тон, что матрица жесткости положительно определенная, симметрична и имлт ленточную структуру. В связи с этим, для решения сист! ми урашиншй (С) применяем метэд незнатного корня.

Алгоритм решения нелинейной задачи строится иа основе итерационного процесса, учитывающего развитие пластических деформаций. Так как компоненты цензора напряжений однозначно связаны с упругими состаплявдми деформаций, главной задачей алгоритма является разделение обешх доформапий па пластическую и упругую составляющие.

Пуст на шаго г-1 нам известки компоненты вектора перемещений (з)^. а также компоненты полных (е}^ а пластических {6P}t-1 деформаций. Тогда компоненты вектора перемещений на шаге t можно найти из решения сиэтеищ уравнений:

где, компоненты вектора находим интегрированием следующего

выракеш«!.*

--{га'-рИ«* К*«* <*>

где - даЯферошдиальний операгор ураЕишшГ. статики;

Р] - матрица улрупк хпрачтеристик коночного •

Глобальная матрица »•</ги.ог.1',1 остаотсн п ¡.роцеосо вычисления постоянной. В этом случае метод квадратного корня приводит к соль-шой экономии времени счета, так как можно один раз разложив матрицу [КЗ на треугольное, осуществлять долее лищь обратный ход д.т получения ноглх значений осгошшх неизвестных.

Компоненты тензора полных деформаций по ¡-...¡го I паходам из основании соотношений Кошк: {е}^ [В] • {б^. Положение поверхности нагрукешш на шаге I. считаем в' нервом приближении таким 1:0, как и на шага 1-1 и по формуле (I) определяем прчрзщение пластических

деформаций |й£ Далее определяем компонента тензора пластических

{бр}4={2р}г.1 + {йеР]-1, упругих {еу}г-{е}4-{с"]ч деформаций и напряжений ЭД^р] • {е2^. После этого, исправляя полоаиние поверхности нагружония по уточнекнцм значениям пластических деформаций, указанный алгоритм повторяем. Итерационный процесс оканчивается при вы- . г Р-»

полпенни условия |й£: К$е0» во зсох точках рассматриваемой области, где е0-заданная точность вычислений (рекомендуется ьнбрать в диапазоне от 10-5 до хо"6).

Описанный алгоритм для решения осесиммотричной краевой задачи авюром реализован на языке Фортран IV. Программа (составленная по модальному принципу) входит в пакет конечноэлемаитних прикладных програш "Радуга" (НИИОСП, г.Москва) и в состав программных средств "САПР Гипроморнефтегаз". Благодаря использовп.газ модулыюго принципа, в рамках данной программы реализовна также задача, с использованием идеально упруго - пластической модели грунта.

Апробация разработанного алгоритма и соответствующей расчетной программы были проведены решением ряда медальных задач. Точность приближенного интегрирования выражений, связанные с объемными нагрузками, были проверены расчетом напряжений от собственного веса однородного слоя грунта. В качестве модельной задечи бил рассмотрен так*» расчет осадки круглого штампа на упругом слое конечной толщины. Сопоставление числешшх результатов с решениями К.Е.Егорова при различной жесткости штампа показали их достаточное согласование (Например, при расчетах с абсолютно гибким штампом, максимальные отклонения в перемещениях составляло не более 256).

Алгоритм итерационного процесса и расчета пластических дефор-

мвций оцаиона сравнением экспериментальных данных с результатами расчета не. ЭВМ, модолирущего стзбилометрического испытания грунта па траекториям раздчвлившшя.

Сотрудниками 1Ш0СП ,'роведены испытания круглого штампа на экспериментальном лотке. Штамп радиусом Н-и.4 м, был установлен на поверхности песчаного слоя толщиной 4 м и нагружался статической вертикальной нагрузкой. В результате постуки, ны кривыо зависимостей осадки штампа .>т приложенной нагрузки. Г'^Ум.тати. проведенных таким образом, двух идентичных огштов оказались несколько отличными, что но всей видимости связано с качеством укладки грунта в лотке. Результата моделирование указашю.'о оксперимента с помощью разработанной программы, показали на хорошее согласование расчетных и экспериментальных данных (расчетная кривая проходит между двух экспериментальных},

Таким образом. приведенные в работе многочислешше примеры расчтов показывает, что описанного алгоритма и программу расчета можно использовать для решения различных линейных и нелинейных задач механики-грунтов, которые могут быть моделированы в рамках осесиммотричпой задачи.

^ртгш глаг;.') диссертаций посвящена описанчю результатов экспе-ркмонгплыюго и числешюго исследования несущей способности и осадки трубчатых о»»я при нагружешш их статической вертикальной нагрузкой.

Приводится результаты испытания гтальной трубчатой сваи о наружным диаметром 325 мм я толщиной стемси II мм. Глубина вода на месте азеипки составляла 6,8 м. Основание представлено слоями гли-гглстнх и суглинистых грунтов полутвердой и тугопластичной коксис-тенщш. Св&п забивалась в грунт ца глубину 7,6 м. После окончания забивки в экспериментальной свае измерялась высота грунтового ядра в полости сваи. В момент окончания забивки верхняя отметка грунтового ядра в полоста находилась на 0,6 м ниже морского дна а при измерениях, проводенных через 10 дас.й, грунт внутри сваи находился па уровне дна моря. Это объясняется тем, что водонасыщенные глины а суглинки уплотняется только в результате отжатая порсзой вода. Так как вода из таких грунтов отжимается очень медленно, во вэдия гюг-русения свай наблюдается лишь незначительное уплотнение груияоа в результате выдавливания вода из пор а отжатая ее вдоль сваи вверх. Отданная ке часть деформаций происходит вследствие уцругих объемных

деформаций вода, содержался воздух. В результате восстановления упругих деформаций, черогз некоторое время наблюдается поднятие уровня грунта в полости о ¡..-»п.

Проводились измерения высоты грунтового ядра на 40 сваях эстакады на территории экспериментальной базы Гос(П№ "Гипроморнефто-газ". Указашше сваи, даамот1юм <126 мм с толщиной елнки 10 мм еабиты на глубину 10 - 12 метров в грунт. Измерении показали, что во всех сваях грунт внутри сваи находится на уровне дна моря. Проведенные замеры позволяет сделать вывод о том, что металлические тонкостенные трубчатые сваи, погружаемые с открытым нижним концом, в процессе забивки как бы прорезают грунт и вследствие отого грунт вокруг сваи почти не уплотняется. Результаты указанных измерений согласуется также литерптуршгми донными.

Статическое испытания свай проводилось через 3 месяца после его забивки, в соответствии СНиП 2.02.03 85 с условной стабилизацией 0,1 мм за 2 часа. Нагрузка доводилась до величины 1350 кН. При втой величине нагрузки, осадка сваи но стабилизировалась в течение суток. Результаты проведенного статического испытания сваи в виде графика приведен на рис.1, В соответствии СШШ 2.02.03-65, для гидротехнических сооружений несущая способность указанной сваи по результатам статического испытания составляет Фокс=1300кН. Расчетное значение несущей способности в соответствии СШП П2.03-85 опраделяеться как сумма сил расчетных сопротивлений грунтов основания по боковой поверхности й под нижним концом сваи ф =630 кН, что зна«штельно меньше экспериментального.

Приведены результаты численного исследования несущей способ-ное-т и осадки экспериментальной сваи с использованием предлагаемой методики. На основе расчетных исследований были определены ширина (Л-5м5 и толщина расчетной области (Н=12м), а также оптимальная сетка с минимальной густотой состоящий из 936 треугольных торовых авэшнтов. В качестве граничных условий на контакте между стенкой рвага (датам) и грунтом принято полное прилипание. Для элементов груата, которые имеют непосредственный контакт с элементами сталь-во® сзаа приняты заниженные значения коэффициента трения и сцепления. Принимается, что -грунт по боковой поверхности, в полости, а таха®.под торцом сваи имеет природную структуру и при забивке его характеристики не изменялись. Поскольку, дошшй грунт находится в состояния полного водонасытения, интенсивность распределения объем-

200

400

600

000

1000

1200 Р(кН)

10

20

30

8(мм)

»4

3 Xх

V

1 1

Рис 1. Заинсимосп осадки сваи от приложенной нагрузки 1 - эксперимент 2 - расчет по модели НИС-а Гидропроекта 1 расчет но идеально упруго-пластической модели

гш сил 1^уитп принимались равными удельному весу взвешенного в воде грунта. Расчет производился до достижения уровня нагрузки, при котором итарациошшй процесс не еходатлся. Преддествупций уровень принимался ровгош значению несущей спосо(5ности свои.

На рис.1, приведены результаты расчетов с использованием модели НИС-а Гидропроекта, а также идеально упруго - пластической модели грунта. Несущая способность сваи'по результатам численною расчета составляет Ф=ПОО кН. Как видно из приведенных зависимостей, результаты численного исследования по модзлн НИС-а Гйдрокроекта достаточно близки экспериментальным данным. Имеющийся отличив экспериментальных и расчетных кривых и соответствуют значений несущей способности сваи мокно объяснить тем, что в связи техническими трудностями параметр! модели НИО-а Гидропроекта были определены подбором.

Характер кривых зависимостей осадки свай от прилоконж-Л нагрузки, определяемые о испольвоьягаюм идеально упруго ¡ишствчоской модели грунта, при различи;«. течениях модуля деформации но совпа-даэу с експоримснталышми данными. Это связано с тем, что плаоти-,ческиз деформации в идеально упруго-яластичоской модели всегда положительные (разуплотногаге).

В результате расчетов, были также определены напряженно-деформированное состояния сваи и окружающего .л о гручтевого массива ocote каждого шага йагрукения и в диссертации приводится иг чэдроб-шй анализ. Сопоставление напрятато-деформированного состокгшя, определенные расчетом и натурными испытаниями тонзомотрировешшх свай показало их качественного совпадения.

Приведены результаты расчетов трубчатой сваи и свай сплошного сечения, идентичного размера. Несущая способность указанных свай равны, а осадки отличаются незначительно. Касательные напряжения по внутренной поверхности сваи распределяются на небольшом участке и ваш-шэ грунтового ядра, с высотой, приблизительно 3 - о диаметра' свей» обеспечивает работу трубчатой сваи аналогично свой с закрытым кояцом. Анализ напряженного состояния в поло- пврокецошй грунтового основания свидетельствует об образовании уплотненной зоны з шяяой чести грунтового ядра трубчатой сваи. До достижения яагруали, сос-твышцих примерно Y0 - 75t от несущей способности, зп-'лгавгггея ародэос формирования уплотненной зоны и далое грукт а полости перемелется- совместно со сваей.

С помощью разработанной методики, был приведен расчет свай глубоководной морской стационарной платформ, опорный блок которого закрошиется 15 стальными трубчатыми сваяки двух различных диамет po?s сваи диаметром D=J220 мм, толщиной стенки 5=26 мм, максимвль та вэртикальная нагрузка №--17850 кН (10 шт.), и сзаи с рпзморшш * 1ИЭ20 ш, 0=20 ш, Н=9120 кН (5 шт.). Основание представлено слоями osrw&ow. грунтов, с показательями текучести от текучей до полутвердой. Соотвегстауидие глубины забивки по ВОН 51,3-85 будут равны и о bg=YöM, в во предлагаемой методики, пиачитольно меньае

. "^теэртая глава диссертации посвящена описал® разработанных фэрвщ да циклической модели грунта я результатов расчетов по Ереяд&гшжШ. методика при действии на сваю выдергивающих и цикля-

Рис. 2. а) траектория циклического ногруження

б) новерхноеп нагрухення циклической нодели грунта

Под циклическим (повторяй!) пагрукением 6 работа повимаэтся многократное сэзиноршгашюе пркдотонив нагрузки с интервала®, обоспечивпюпгтми полное восзтвлоаганЕе обратимой деформации» При циклическом воздействии происходит дополнятальнса накоплен® плас-тичеехиг деформаций. Для учета факторов преплохо;.ядах при дайянчоо-кш ¡'.пгружогом, в НИС--<э Педзопроекга щч^угокеша модификация этнической модели грунта. При отом, статическая медоль грунта дотлня-ется еще одной поверхностью Г^О (рис.2), и щюдполст'.этся, что поверхность негружоаия мохот двигаться вдоль гидростатической оси. Однако, формула описнзавЕпе гешерхчоать пьгрукония и функций упрочнения шов? кэксториа недостатки.

Оданя из сушстсетшх недостатков указаннвх формул ¿шлется 29 возможность расчета пластических доформеций при лерейэлку. значениях амплитуда цшеличоского нагрукэгаи?. йМеявиЖся иекоррэзгеноса в формулах приводит я току, что при первом цикле значения фунхцяй упрочнения приближается бесконечности. В соответствии о экенэрашн-тальнымаг данными, стнпень разгрузки (рис.2.а, о4/«07, гдч, ост-макслмалыюв значение приложенной статической нагрузка0 в^-еиплитуда циклического нагружешш), при котором накашшйзися дополнительные пластические деформацииа вавяси^ о? траектории- гаг-ружения, что не учтено, Кроме того, не описан мотоц опрпдеданяя безразмерных коэфЦшиеятов, что со?дагт дополнительные трудное?* при практическом применении указаыгой модели.

Для устр?(«ншя ук.чзашшх из достатков, положения участка поверхности нагрукопия Г^-О прэдлогаотся определять в еледущем виде:

Здесь Року, ~ сосшетствешю функций и париметры упрочнения

поверхности нагрулчкия; " Р^исТ0>11Ш!'моаду ий-

верхностьями Г4-0 и Ху о.-

Для определения С предпологиом, что полня.! цикл е.огл;ит из зояуциклои нсгруштя и разгрузки. Полу цикли определяется измене-ниж знаьа ¡пвращений объемных пластически;; деформаций грунта. При нагрукенми, приращения объемных д-Х'ормгииЛ нмиит отрицательное екзчешб Предполагаем, чго цикл аакакчиьоотся разгрузкой.

Расстояние мивд поьзрхностъялм определяется в виде:

Ц'МоктЧ'^'

паг рал _

Г - I- '

■С (10)

Ив!'

№с '~ пластические объемные доформадаи накопленные, соотезгстшнн;) после голуциклов нагрукение и разгрузки. Принимая, аде оулжфозшшв производится только после полуциклов нагруления, с определяем о следующем вида:

ног 1)83

1 .при еуп

С =

наг раз

О,при >е_

VII ' VII-1

В формуле (1С), Ьп определяет ту часть напряжения о, при котором в п-зи цикле надашетсл процесс разрыхления грунта (степень разгрузки) с Елп того, чтобы учзегь изменения степени разгрузки при деьиа-торзом ¡пгруАонии. притом дем, что Ь^ зависит от величины накопленных ПЛООТИЧ9СКИХ. деформаций сдвиге:

^ " йО,[1-а1'®(с1''01>] '' <П)

где, ОгйКо^'о*)«; 1 функция упрочнения. 7, ^ и а, - безразмерные ког№щизнты> При изотропном натруконии, когда е^О и Ф^лф-О, по форцуяв (II) находим: 1^= а0. Теки* образом, с^ является величиной спешзии разгрузки, когда на первом цикле при изотропном нагру- ■ еегак ньчинеагся процесс разрыхления. С увеличением пластических деформаций сдвига, параметр уменьшается и при е^е* и

, па формуле (II) находим: Пу• {1 ). С уменьшенном параметра упзньваотся тгжко 0. Таким образом, с улиличии'см

довиеторной чпсти ишг жжения, умоньапатся стоионя рг.згрусот, при котором иачзшаятля рчзриглочия и соостгетстг-отгас, величина дополнительно какоплшшэГ пластической объемлой дефоракнря» заплсит- о г степени приближение напряженного состоят':! к продольному л,/о1?. „ Р

В кач'зстио парсмп'гп-.щ упрочнения принимаются и^в^ и

где, э^г'-ш=.коюрий множитель, зчьислщий от ¡гаакз

приращения объемных пластических деформаций. При уплотяенди, когда

46*^0, , а при раз)'плотнонии:

*<г> = р.

гаг раз е - е

Vп уп -раз

7

+ 1 '12)

Неизвестные коэффициенты «д, р и 7 могут бить определена по результатам трехосного испытания образца гручта по изотропному циклическому нагруюзнию. Для определения параметра :г, необходимо проведение циклического испытания грунта по траекторию раздавяхва-Го1я, Для оярделения указант/х прракотров, по результата« треоккаавк испытаний, разрзботак итерагщотшй алгоритм с использовеииа«* иотеда наименьших квадратов н составлена программа яз ЭМ.

Отпсанная математическая модель гругтв численно реализована а использованием осесикнетркчной коиечпоэ.'емонтной гфогра«ш» Дггрэ-бация данной программы была проведена гол численных ^следованиях по моделированию трехосных испытаний грунта. Розулы.?г» расчетов показало их хорошее согласование с экстаз рЕкектаиьшак ,игшшми прн действии циклических нагрузок по различим траекториям ксгруайния (максимальное отклонмшя значений пластических доформецЕй составляло не более 3%). ■

Приводится результаты расчета свай на выдергивагзуга нагрузку. При этом предполагалось, что до приложения выдергивающей нагрузка, свая не подвергался действии вертикальной вдавливающей нагрузка. Анализом результатов расчетов спай показано,, что сопрожишнЕв по боковой поверхности' трубчатой сваи при действии выдергивает,эй нагрузки, прчблязительно равно сопротивлению по боковой поверхности при вдавливании.

Для исследования взаимодействия сваи с грунтовым основешем, проведены расчеты длч различ1мх параметров циклического нагруаення, В циклических воздействиях, когда величине максимального эвэчэняя нагрузок не превышает 952 от оптической несущей способности в свчя

рабстаот только на г.'пыашйние (т.е. ашяитула циклической нагрузки не превышав? шличйну мзксимальноЛ вдавлилаиций нагрузки), приращение -ездок cbí'M в пзриод каадога цшиа уменьшается., При атом, увеличение осадок в ociubho.* прсисходу.т щи шриих нескольких циклах, а далее после с г.-лысого числа циклоп прирпдаци*. оспдох незначительно., Чясло циклов лпгручюния, требуемое для стабилизации зависят от пражженкой нагрузки и амплитуды киклическсо илгрушпя, Однако, 8 еда шшитуда циклической нагну:-кк больыо. *мм мгжжмчлышя нрило-8эга&я нагрузка л свая работает- но вдявлшиш - вчдергчшме, осадка сзай ыонэт резке возрасти.

Upa MSi^wKU&Hofl циклической клгругке, равный статической несдай способности сваи и амплитуда циклического нвгружэния, но нрезжащой от максимальной нагрузки, осадка стабилизировалось псеаэ в циклов* Когда амолдтудо циклической нагрузки прэвишало 20« oí: иакетаздыгой яггруаки,, щифедашю осадок сваи на каждом цикле увеличаюсь и'сзая исчерпало носущул способность.

¿налив напряженно - дефоршре ванного состояния гручта, пока-EHBCQTt что щи цшишчоском нагруимтга сваи, сопротивление по боковой шззрхнесге умзньшаатся, значение которого зависит от параметра циютесксЗ нагрузки. Пааримэр, при максимальной статической негрузке я шйштгуда циклического нагрукегая ровной 460 Ки, сопро-íkusekeí so боковой поверхности сваи уменьшилось до 9%. Следует окагигьо что яолучиншо результаты согласуются с дашшш натурных йолггеашй сзай на циклическую нагрузку, проБодошшо различными авторами.

основные вывода

По рездал-атем кылолазшшх исследований ызето сделать слоду-адие ссноикэ EJEO^-JS ■ •

S„ Ап&зззз ©аэрэуднного состоявдя исследований показал, что содрсен ш иэугзша условий образования грунтового ядра при забивво яруйтапк cssa и шашня грунтового ядра на результата по оценка Eü2j¿3S еазсс^гатк и с-садан свай, при дойстьии осевых нагрузок ssbзгкез аолецтотао. йдээдкеся акспзришнташшз дашша в основном eslíeоятсй ¿й/^зобг тешим сзаям, с относительной яывдшой стегасп Ü/P>0 ,U Для расчзта íjtsrfiiaiux свай предлагаются форду ми, разрабо-

-1Ч-

ташше дчя пвзй сплою .ого сечеьия. Исследовании по изучения закономерностей взаимодействия трубчатых свай с груиговнм основанием, при циклических сс-здойсткиис праюучески но проводилось и к иасккаяеку временя учет ксвгориости погружений затрудаел. рт изучен'.!« указанных вопросов порспектквпьу является использорсгао упруго - пластических модвли?. .'рунта.

2. Эксперимоитяль шми иг.сльдовянч.чми /стсноеллю, что при забивке с:гальь;ой тс* етотегоюй трубчатой сваи з морских условиях по боковой поверхности к под торцом обе и грунт по-п'Л но уллоияется. Сопоставление результатов экспериментальных значений яесутг.ей способности свай с результатами расчзта по нормативам документам показывает, что расчетное значение значительно {на примере приводила в диссертации расчетах 3 среднем 2 раза) меньше эксперт,'.октального .

5. Разработана методика расчета несущей способности и осадгси фундаментных конструкций, которые могут быть описаны в раисак ссе-симкотричной задачи теорий п.;,античности. Для описания закономерности деформирования грунта гго:-1 действии статических нагрузок, использованы две модели - идеально упруго штсткчаский и упруго шшстк-ческий с упрочнением. Задача решена матовом конечных элементов к ; для его реализагдо составлена программа т ЭВМ, который вклвчен в пакет прикладных программ "Радуга" (¡ШЫиСП) и ,е состав программных средств "САПР Гштромарнефтегаз".

4. Разработанная методика расчета позволяет прои»;*£сти оценку • несущей способности и осадки свай, в том чусле тонкостенной трубчатой сваи, используемых для крепления глубоководных морских стационарных платформ. и рамках единого подхода. При использовании уъру-го-плостичоской модели? с упрочнением, результаты расчетов (ссадоз, несущая способность, характер распределения напрягший во доковой поверхности и по стволу свай) по разработанной ьетодивв согласуется

с экспериментальными данными. В расчетах с использованием идеально упругс-плвстяческоЯ шдолн грунта, характер кривой осадки свай от приложенной нагрузки значительно отличается от соответствухадих экспериментальных данных.

5. Сопоставление результатов расчета трубч.мтых сзей и свай сплошного сечения гг.,- действии вэртш:альных статических нагрузок показало, что при шггрузках, ксгдг. зависимэсть нагрузке - осадка близка к линейной, осадка тонкостенной трубчатой сваи ж значитель:» (в рассматриваемых примерах менее 5*) больше осадки свай сплошного

сечения. Кр;. нагрузи чх близких к несущей г.Ки.обчости, грунтовой ядро nvooroC 3 - 4 диаметра обеспемноае'. работу трубчатой сваи как ввс' с s:'Kp;.'i'i:v wiul'.on: ,

6. Ори расчете досудей способности rjyß ;hti:x глубоководных морских стихопарта глатФорм о исиолы^и, «том продям-азмой методики ycToacwriiio, что учет яластическог«! дофср.!рое&;шн грук'.'а

ПОЗЕОЛЯ6Г бОЛОО ПиЛЮГО ИСПОЛЬЗО и'ШО Hui уIV i! iHOCOOHOCiH С!'..'к

(дшш свм1, о доделоншв по иорьшгтоду Дч.ку .',»ату, ь -риднсм на 15% сюльь.г,)-

7. ine л-теми установлено, что сопротивление по боковой поверхности трубчатгй сваи при действии осевоГ. выдоргивзквдой нагрузки, ириблизительчэ равно сопротивления по боковой поверхности при действии вдаали оавпзй нагрузки.

8. Для прогноза дополнительных пластических деформаций грунта цри дейзтЕИИ циклических нагрузок, рапряботаиа методика расчета с Еспользовакиеь упруго - пластический модели с упрочнением, допускающий трансляционного движения 1.оверхности погружения вдоль гидростатической с v.l. Предложены нелинейные формулы для-описания поверхностей погружения и фу}1кций упрочнения упруго - пластической модели, Для определения параметров модели, разработан алгоритм расчета и составдег-i программа на ЭВМ. Результаты разчетов-по моделирования трехосных испытаний грунта, показало их хорошее согласовандо о результатами гспытаьий при действии цккдичьских нагрузок по различным траектория;/! погружения.

9. РазраЗстсна методика и соотвзтстьуодая программа на ЭШ дли расчета сг.гтй на осев}» цшишчоскув (повторную) нагрузку. Расчетами осадок cdай установлено» что циклическая нагрузка вызывает солько осадки, 'им статическая той so величины, о сопротивление по боковой поверхности сваи уменьшается. Величина дополнительных осадск спаи и степень уменьшения песулей способности зависят от максимального ввачэЕия приложений нагрузки, степени ее приближения к продзлыю!'. г. аншЕтулы циклического кагрухэнля.

Основное содержание диссврте ионной работы опубликовано в следукчзх pvSi-SBx:

I« йлыгчоз В.А.,Л1аюввев B.U..Ыусаов A.A. Расчет осадок и несущей, способности тоЕкоотанках трубчатах свай. Труда НИИОСП. Выпуск 89, "теоретическое а икшерииентальноэ обоснование новых тоне-

трукц/Я и технологий в фундакентостроенж", St., I9Ö3. с.64-73.

2. Ильичей В.Л.,if,'ycE3B A.A., Ркевская Н.Д. Эзссперяментапыше исследования тсущей способности свай ка еер'.'кксльнуо лагругку в прибрежной зоне Каспийского моря. Тбиисы докладов на I Всесоюзной кокф. "Комплексное освоение нефтегазовых ресурсов кон-пшентального'ьельфа СССР1'. M..I93S, часть 2, с. 94-35.

3. Мусаев A.A. деленный метод расчета пластического деформирования грунтового основания при взаимодействие с тр5бчатоЯ евьей. Деп.в библ.указ. ВШТМ, Л 7(201),1988,- с. 164.

4. Мусаев A.A. Особенности взаимодействия грубчьтой сзап с грунтовым основанием. Доп. в библггоическом указателе ВИНИТИ "Депонированные научные работы " JS 12(206), 1988, - с. 177

5. Уусаев A.A.K методу расчета свай морских стационарных платфрм . прк действии вэртивалной статической нагрузка. Уагериалы V научно-технической конф. молода ученых и специалистов по проблемам освоения нефтегазовых костсрмданлй. Баку, 1989. с.57-59

в. JjtycaoB A.A. Члс.чвгтй метод расчета вапряхенко - деформированного состояния осбсишетркчяш упруго-плэстич&ских гел. Тезисы докладов республиканской научно-технической кмтф, по динамика я прочности шфтепрэмаслсвого оборудовгкня. Баку, IS89. с.34-35.

7. Мусаев A.A., Муслкм-заде Л.М..Сальник з ЛЛ. Кссдидовениэ

• влияния нелинейного дефоркированяя грунта в расчетзг опорных блоков морсьих стационарных платформ. Сборник научзпг. трудов ВНИИМоргео» /Морские нефтегапопрошеловь-з соорухения/, Рига, 1989» - С. 60-64.

8. Квсуздзв A.A., Нусаев A.A. Часлевяий метод определения напряген-но-двформироза!шо?о состояния грунтового основания гпи действии осевых циклических нагрузок на свая. Материалы научной конференции по механике и математике. Баку, 2-4 ишя 1993 г., с.191-197.

ЛичшД вклад автора .

-работы /3,4,5,6/ выполнена автором самостоятельно;

-в рабе те /1,2/ принякал участие в разработка метода, цровэддав эхеперпкэнта, состашл програмш на ЭВМ, провешш расчета, обработал и анализировал результата;

-в работе /7/ проводдл расчеты, участвовал в обработке и анализе;

-в работе /8/ разраСтал форму г»- я грехражш расгата, проводил расчеты, принимал участие в обработка в анализе результатов.

наеик дйвар.ш зор.у с?.иларин лукмпгр'..0 габйл/шоэкшин ВЙ ЧвКШЭСШИ ШПОТН ПЛАСТИК ДВЛИШИЛСТШ И530Р9 ¿цылгяа к2саеяакмлсы

А.Ц.Уусг^ев

х у л а с а

Ддссертасилг: иш стаспонар дешз езулг-яршшн бвркидилиоси учун истафаде олунэн :;азяк ;цюарлв бозу саа^дара стгток .во дэ^ынн иста-гамэ'.'ля (^экрар;ман) охбс^у гуввалир те*сир етдакдз окарин ^кке-турмэ ггбшг^ .¡'отшсш ве чекмаоииин 1геоабда:касына Кэср эл.нгмуидур.

Дгссерг-СЕЗада ь.&Езунуи акту.пшги асасландиричмаш, каши мэг-соди, мэсолелэри, елг.« „'ешшшгарл ез практик еЬемШата ш-чри олун-ыушдур. Еша-те шик ед.зби,Цатда дер". едалмиш т&чруби вэ ."взири ме'луматлара есаслашраг, бору ска,1лар грунта вурул^ркек сваь) ва грунту? гпрааищгдк та'сиря, бору сва^шраг. ^дап'урлэ габили^ети-1шн б& четъстян мэ'лум олан ЬЕсаблама усуляари гранитна. анализ едт'лык. вэ у^гун нэтич&лер чихири; кишдир.

Грунтларшг ельексс-шюсткк шделларл еоасылда пластикллк нвзэ-рЕ^есинин оха нимметрик мэселэлэри учун истифадэ олунан га.]ри-хвт-те даференсиал тэяликлэр систешг гуруллуш, твнликлэр скстеюши Ьалл еткэк учун .тгераса^а вэ сонлу елементлер усулларынн езуздэ бирлеш-дирен едади усулун алгоритм взрилмиш, ЕШ учун у Лгун црограмлпр • тбртиб едашавдир. "сулун дэгигли.}и мухтеллф нозори вэ течрубя касэлэлэрик Ьвлл олуюлвсн ,1о,г.у илэ ¿охланнлшшднр. Стаслокар дэдшз озуллэрижц бэркидомэои учун истафаде олунан сгз,1ларпн ^ккетурш габилкЛоти вэ чэкмэок ¿арададхш усулла Лесаолагошп, тэчруси пиметлерл.* мугп^иоо едаиаш во ;1укун мухтелиф п^мэтларивдо cEaJ ве грунтуз квркшиккли-дефрааси^лц веэдШэтлнри одошшэдиф. Бору ьэ бутел еа и&сшсли сга.|ларцн этрафшадакц грунтларш! кврхинлякш воыШсгтлоря ктге^цсзлн секилде тодгаг едашиэдир.

Грунта те5фар.'.ияш ■гэ'сар етдокдз ^раа;^ пльгйас

«сЗорк^са^алара Ьс^-лсд-ат кодал ^ралилиаядар. игда,лид играх-^¿олэршш твЧлх егазк учуп у4руп алгоритм во £ЬЫ прграга гэртио сдилмивдир. Иоделлн кемарив гокрарл'шан jYKЛэpин сва^архк гаоашШэтинв ва чакмвсинэ то'снрк тадпаг едол-мишдар.

Звдгигатш нетачалэрн во таповзгш йесаблама усуду детин дениз озуллэринш ла.Зийодацдарша'.осиндэ беДув игтисади секаре олдо eшэJв кгква ¿сраз.

Bearlng capacity and settling of thinly well pipe pile take Into account plastic deformation of eoil A.A.Kusayev

Abstract

Dissertation Is devoted to development of method of calculation bearing capacity and settling of thinly well pipe offshore platform, during Influence to "hem upright static and cyclic loads.

It was fouided actuality, formulated alo and problems scientific novelties, practical meanings of work on the dismirtation. It was done survey and analysis devoted to experimental and theoretical investigation pipe pilo with soil basic during of driving with openly downend, also methods of calculation of hearing capacity .md aattling of pila.

Its was developed methcd cf calculation of bearing capacity and settling of fundamental constructions which coulct described in framework axial synraevrical alms of thsor? plasticity. ?or the solution of give.i nondlrac t problems was Suild algorithm by ssesn of method of finite elements and for their -relation was naked up program for electronic, computer. It described results of experimental and numerical investigation bearing capacl and settling pips pila during loading their static'upright lajdSc It was investigated stress-strain state of pile end soil,, during different loada»

It was offered formulas for the calculation of additional plasticity de'ormation of soil, during influence cyclic loads. I*, was developed algorithia of calculation an mailed up progresa £or> computer for definition parameters oí ¡aodal» 16 was shows results of calculation on off-red methods, during influence to pile cyclic loads*

Results of investigations and devolopod m\:.io& of calculation gives apportunity to get economical effects teiag designing deeply offshore platform.

3jx ¿V«f T">'- (OO a i, о Тип- АГ11Л

Ваку.ГСП, пр. /Млллыг, 20