Заанкерованные шпунтовые стенки

Обычно принято, что расчет причалов в виде заанкерованных шпунтовых стенок выполняется по расчетной схеме, соответствующей их эксплуатационному состоянию. Например, такая схема показана на рисунке 2.29, построение которой выполнено по программе Input системы PLAXIS в последовательности, изложенной в предыдущем примере, поэтому на этом вопросе здесь не останавливаемся. В этом случае в расчетах не учитываются последовательные этапы, выполняемые при строительстве таких причалов. Пусть, например, исходная строительная площадка, на которой сооружается указанный причал, соответствует расчетной схеме, показанной на рисунке 2.30, которая также построена по программе Input системы PLAXIS.

Рис. 2.29. Первая расчетная схема причальной стенки

Рис. 2.30. Вторая расчетная схема причальной стенки

В этом случае требуется выполнить следующие этапы, чтобы перейти от расчетной схемы рисунка 2.30 к расчетной схеме рисунка 2.29. Для этого следует установить шпунтовую и анкерную стенки, убрать верхнюю часть грунта, что необходимо для установки анкеров, и уложить анкера. Затем вычерпать грунт перед шпунтовой стенкой, засыпать анкера грунтом и загрузить причал заданной нагрузкой. В процессе строительства по указанной схеме причальное сооружение испытывает различные сложные нагружения, которые не будут учтены при расчете по схеме рисунка 2.29. Как будет показано ниже, грунты и другие элементы причального сооружения будут работать в упругопластическом напряженно-деформированном состоянии, которое зависит от последовательности их нагружения. Следовательно, результаты расчетов по первой условной схеме и второй схеме, которая соответствует последовательности выполнения строительных работ, будут отличаться друг от друга. Поэтому здесь исследуются следующие задачи. Первая, влияние на напряженно-деформированное состояние причала сложного нагружения. Вторая, определение погрешности, которая вызвана заменой реально существующей расчетной схемы, показанной на рисунке 2.30, на условную расчетную схему, изображенную на рисунке 2.29.

Сначала рассмотрим результаты расчетов выполненных по первой расчетной схеме, показанной рисунка 2.29. Грунты массива состоят из четырех слоев, имеющих следующие физико-механические свойства: сцепление с (в кН\м²), угол внутреннего трения φ (в градусах), модуль деформации Е (в кН\м²) и коэффициент Пуассона (безразмерная величина). Первый слой – с = 1, φ = 30, Е = 33000, µ = 0,3; второй слой – с = 2, φ = 28, Е = 32000, µ = 0,3; третий слой – с = 3, φ = 23, Е = 10000, µ = 0,33; четвертый слой – с = 25, φ = 24, Е = 16000, µ = 0,35. Слои грунта расположены сверху вниз, как показано на рисунке 2.29 или 2.30. В качестве функции нагружения используется условие Кулона-Мора. Шпунтовая и анкерная стенки изготовлены из металлического шпунта Ларсен V. Высота стенки выше дна моря равна 13 м, а ее глубина забивки 9 м. Приложенная на причал нагрузка слева направо имеет следующие интенсивности: 40, 60 и 100 кН/м².

Программы Input и Calculate системы PLAXIS в данной части примера реализованы аналогично примеру, приведенному в первом разделе, поэтому эти программы ввода и калькуляции здесь не повторяются. Только отметим, что во второй программе выполняется два этапа. На первом производится расчет только от собственного веса грунтового массива, а на втором от действия всех нагрузок, но перемещения, полученные на первом этапе, обнуляются, а напряжения сохраняются и учитываются на последующих этапах расчета.

Приведем некоторые результаты решения после второго этапа расчета. Схема перемещения элементов системы в увеличенном масштабе показана на рисунке 2.31, а ее эпюра полных перемещений (перемещения совпадают с направлением вектора перемещений) на рисунке 2.32.

Рис. 2.31. Схема перемещения причальной стенки

Рис. 2.32. Эпюра перемещений причальной стенки

Масштабная линейка перемещений в метрах изображена справа от эпюры. Горизонтальное наибольшее перемещение стенки составило 0,25 м.

Схема образования пластических зон показана красными квадратиками на рисунке 2.33. Они охватывают значительную область грунтового массива. Эпюра полных напряжений (напряжения совпадают с направлением вектора напряжений) приведена на рисунке 2.34. Наибольшее напряжение возникает под шпунтовой стенкой и равно 264,8 кН/м².

Рис. 2.33. Схема образования пластических зон

Рис.2.34. Эпюра полных напряжений

На рисунке 2.35 показана в масштабе эпюра изгибающих моментов и перемещений стенки. Наибольшее значение изгибающего момента в стенке равно 550,5 кНм, а усилие в анкере 368,9 кН/м. Нижний конец шпунтовой стенки переместился на 8 см.

Рис. 2.35. Эпюра изгибающих моментов и перемещений шпунтовой стенки

Рассмотрим результаты расчетов выполненных по второй расчетной схеме рисунка 2.30. На первом этапе выполнялся расчет от действия собственного веса грунтового массива. Следует отметить, что для данного примера нельзя использовать процедуру К₀, так как грунтовые слои расположены не горизонтально. После второго этапа строительства, когда забиты стенки, снят грунт под анкера, которые затем установлены, полученные из расчета эпюры перемещений (значения умножить на 10^-3м) и напряжений (в кН/м²) системы показаны на рисунке 2.36 и 2.37. Перед выполнением этого этапа перемещения, определенные на первом этапе, были обнулены, но напряжения оставлены без изменения и были учтены на втором этапе расчета.

Рис. 2.36. Эпюра перемещений причала после второго этапа строительства

Рис. 2.37. Эпюра полных напряжений после второго этапа строительства

На следующем этапе строительства, т. е. после удаления грунта перед стенкой, произошло изменение напряженно-деформированного состояния во всех элементах системы. На рисунке 2.38 в увеличенном масштабе показано ее деформирование. После этого этапа строительства полученные эпюры перемещений (значения умножить на 10^-3м) и напряжений (в кН/м²) системы приведены на рисунках 2.39 и 2.40.

Рис. 2.38. Схема деформирования системы после третьего этапа

строительства

Рис. 2.39. Эпюра перемещений после третьего этапа строительства

Рис. 2.40. Эпюра полных напряжений после третьего этапа

строительства

После окончания последнего этапа строительства, т. е. после подсыпки грунта над анкерами и нагружения причала действующей нагрузкой, были получены из расчета следующие результаты. На рисунке 2.41 показана в увеличенном масштабе схема перемещений причала.

Рис. 2.41. Схема перемещений, полученная на последнем этапе расчета

Эпюра перемещений приведена на рисунке 2.42. Горизонтальное наибольшее перемещение стенки составило 0,3 м. При расчете по схеме рисунка 2.29 эта величина была равна 0,25 м. Следовательно, горизонтальное перемещение увеличилось на 5 см или на 25%. Нижний конец шпунтовой стенки переместился на 2,5 см, т. е. его перемещение наоборот уменьшилось на 5,5 см.

Рис. 2.42. Окончательная эпюра перемещений причала

Эпюра полных напряжений показана на рисунке 2.43. По сравнению с первым случаем наибольшие напряжения под стенкой увеличились на 10.1 кн/м², т. е. на 3,8%. На рисунке 2.44 приведена схема образования пластических зон, изображенных красными квадратиками. По сравнению с зонами, приведенными на рисунке 3.5, они увеличились. Эпюра касательных напряжений показана на рисунке 2.45.

Рис. 2.43. Эпюра полных напряжений на последнем этапе расчета

Рис. 2.44. Схема образования пластических зон

Рис. 2.45. Эпюра касательных напряжений

Эпюра изгибающих моментов, возникающая в шпунтовой стенке, показана в масштабе на рисунке 2.46. Наибольший момент, равный 565,6 кНм, увеличился на 15,1 кНм или на 2,75%. Усилие в анкере наоборот уменьшилось на 45,7 кН/м или на 12,4%, т. к. произошло более значительное смещение анкерной плиты.

Рис. 2.46. Эпюра изгибающих моментов и перемещений в стенке

На рисунке 2.47 показаны перемещения верхней точки шпунтовой стенки. Видно, как после первого этапа расчета от действия собственного веса грунтового массива произошло обнуление ее перемещений, а затем его постепенное увеличение. По оси ординат отложены шаги итерационного процесса решения.

Для построения данного графика поступаем следующим образом. В окне Plaxis Calculate наводим курсор на кнопку панели инструментов Select points for curves (красные крестики) и нажимаем левую клавишу мышки. Открывается окно Output, показанное на рисунке 2.48. Подводим курсор к верхней точки стены и нажимаем левую клавишу мышки. Этим действием выбрана точка с именем D, перемещение которой необходимо определить. Затем нажимаем кнопку Update и переходим в окно Output. Нажимаем кнопку Go to Curves program, и в появившем новом окне, активизируем переключатель New chart. Далее, в новом открывшемся окне находим имя нашей программы и нажимаем кнопку <OK>. Появляется окно, показанное на рисунке 2.49, на котором устанавливаем указанные там позиции. Нажимаем кнопку <OK> и получаем рисунок 2.47.

Рис. 2.47. Перемещения верхней точки шпунтовой стенки

Рис. 2.48. Окно для ввода точки перемещения

Рис. 2.49. Установка переключателей для выводной точки

Сравнение полученных результатов рассмотренной задачи по двум расчетным схемам показало, что наибольшая их разница 25% наблюдается в перемещениях стенки. Изменение же напряженного состояния не превышает 5%. Следовательно, оценка результатов расчета по второму предельному состоянию должна выполняться с учетом данных, определенных по расчетной схеме рисунка 2.30. Расчетная схема причального сооружения с учетом напряженно-деформированного состояния, возникающего в процессе строительства, в каждом конкретном случае может иметь свои особенности, влияющие на работу причала в эксплуатационном периоде. Поэтому делать общие выводы на основании только рассмотренного примера нельзя. Следовательно, при разработке расчетной схемы проектируемого причала следует исследовать вопросы возможного влияния технологии строительных работ на его напряженно-деформированное состояние во время дальнейшей эксплуатации.