Динамическое воздействие волн

Воздействия на оградительные сооружения разбивающихся и прибойных волн имеют явно выраженный динамический характер. Рекомендуемый приближенный динамический метод расчета таких сооружений изложен в работах [1, 15]. В них деформируемый грунтовый массив и каменная постель моделируется коэффициентами постели. Следовательно, волновое распространение колебаний в грунте и постеле игнорируется.

Рассмотрим пример из работы [1] (стр. 275, пример 8.7), в котором производится динамический расчет оградительного сооружения от воздействия разбивающихся волн. Его расчетная схема изображена на рисунке 2.123. Здесь также стенка, каменная постель и грунтовый массив представляют собой единую нелинейную расчетную систему. Размеры сооружения можно определить по показанным на рисунке масштабным линейкам. Физико-механические свойства каменной постели и грунтового массива аналогичны предыдущему примеру.

Рис. 2.123. Расчетная схема системы

Вначале рассмотрим состояние грунтового массива до начала строительства оградительного сооружения. Слои массива расположены горизонтально, следовательно, расчет его напряженного состояния можно выполнить по процедуре К₀. Для этого вначале определяем давление морской воды на массив при ее спокойном состоянии. Нажимаем на панели инструментов кнопку <Initial pore pressure>, и на экране дисплея появляется схема давления воды, показанная на рисунке 2.124. Если нажать на панели инструментов на рядом расположенную кнопку с синими тремя крестиками, то на экране дисплея можно получить отмеченные крестиками главные площадки напряжений в точках грунтового массива.

Рис. 2.124. Схема давления морской воды

Нажимаем на панели инструментов кнопку <Initial stresses>, и на экране массива появляется схема грунтового массива, приведенная на рисунке 2.125. Затем нажимаем на рядом расположенную кнопку с тремя красными крестиками, на экран дисплея выводится окно, показанное на рисунке 2.126. Оставляем все приведенные данные в окне без изменения и нажимаем на кнопку <OK>. На экране дисплея появляется окно, приведенное на рисунке 2.127, в котором изображены в масштабе красными крестиками напряжения на главных площадках в точках грунтового массива, полученные от его собственного веса. Возникающие перемещения в точках массива в дальнейших расчетах не учитываются. Эпюра полных напряжений, определенная в грунтовом массиве от его собственного веса, показана на рисунке 2.128. Напряжения по длине массива постоянные и увеличиваются с глубиной. Наибольшее их значение равно –19,93 кН/м².

Рис. 2.125. Схема грунтового массива до начала строительства волнолома

Рис. 2.126. Окно процедуры К₀

Рис. 2.127. Давления в грунтовом массиве от его собственного веса

Следующие расчеты выполнены в виде четырех фаз. На первой фазе производится расчет системы, когда на грунтовый массив действует каменная постель. К концу второй фазы определяется напряженно-деформированное состояние системы после сооружения стенки. На третьей фазе выполняется ее расчет от действия волновой нагрузки. Четвертая последняя фаза посвящена исследованию колебаний системы после снятия волновой нагрузки.

Рис. 2.128. Эпюра полных напряжений

Сначала приведем некоторые результаты расчета, полученные после четвертой фазы. Порядоких определения аналогичен предыдущим примерам. На рисунке 2.129 показана эпюра полных перемещений системы. Наибольшее их значение, равное 1,15 см, расположено на левом верхнем угле стенки.

На рисунке 2.130 приведена эпюра полных напряжений, возникаюших в грунтовом массиве. Наибольшее напряжение расположено под левым нижнем углом стенки. Оно равно 120,5 кН/м². Схема пластических зон показана на рисунке 2.131.

Установим параметры для третьей зоны. В меню Loads выбираем опцию Absorbent boundaries. Этой операцией устанавливаем способность границ грунтового массива не отражать, а поглощать его распространяющиеся колебания. В окне Plaxis calculations, показанном на рисунке 2.132, на вкладке General в списке Calculation type устанавливаем имя Dynamic analysis. Остальные параметры оставляем без изменения. На вкладке Parameters в списке Iterative procedure активизируем кнопку Manual setting и затем нажимаем кнопку Define. В открывшемся окне выбираем параметр Dynamic sub steps равным 1. Возвращаемся на вкладку Parameters и в списке Loading input активизируем кнопку Total multipliers. Здесь же устанавливаем время действия волны Time interval равное 1. Чтобы выделить только колебательный процесс системы активизируем кавычкой параметр Reset displacements to zero в списке Control parameters.

Рис. 3.129. Эпюра полных перемещений системы

Рис. 2.130. Эпюра полных напряжений системы

Рис. 3.131. Схема пластических зон в грунтовом массиве

Рис. 3.132. Вкладка Parameters окна Plaxis Calculations

На третьей вкладке Multipliers окна Calculations, которое приведено на рисунке 2.133, в списке Total multipliers выбираем кнопку с красной синусоидой. Открывается окно Dynamic loading, изображенное на рисунке 2.134, в которое вводим амплитуду (Amplitude multiplier), равную 17,8 кН/м²

Рис. 2.133. Вкладка Parameters окна Plaxis Calculations

Рис. 2.134. Окно Dynamic loading

(значение взято из [1] (стр. 275, пример 8.7)), и частоту колебаний (Frequency), равную 1 Нz, нагрузки.

На рисунке 2.135 показана схема перемещений стрелками системы после выполнения расчета по третьей фазе. Наибольшее перемещение стенки равно 0,244*10^-2см.

Рис. 2.135. Схема перемещений системы

Эпюра полных напряжений в грунтовом массиве приведена на рисунке 2.136. Наибольшие напряжения, равные 117,3 кН/м², расположены в постели под краями стенки.

Рис. 2.136. Эпюра полных напряжений

Схема образования пластических зон показана на рисунке 2.137.

Рис. 2.137. Схема образования пластических зон

Установим параметры для последней четвертой фазе колебаний системы после снятия волновой нагрузки. Вкладка General окна Plaxis Calculations имеет такой же вид, что и для предыдущей фазы. На вкладке Parameters активизированы только кнопки Manual setting списка Iterative procedure и Total multipliers списка Loading input. Интервал времени колебаний системы Time interval принят равным 2 c. В окне Dynamic loading вкладки Multipliers все параметры обнуляются.

Схема деформации системы в увеличенном масштабе показана на рисунке 2.138.

Рис. 2.138. Схема деформации системы

На рисунках 2.139 и 2.140 соответственно показано стрелками в масштабе изменение скоростей и ускорений в точках системы. Они выводятся на экран дисплея после нажатия в меню Deformations окна Plaxis Output соответственно на имена Total velocities и Total accelerations. Наибольшая в системе скорость равна 17,07*10^-6 m/day, а наибольшее ускорение равно 63,83*10^-6 m/day².

Рис.2.139. Схема изменения скоростей в системе

Рис. 2.140. Схема изменения ускорений в системе

Можно определить колебания узловых точек любого конечного элемента системы отмеченных крестиками. Для фиксации таких точек необходимо на панели инструментов окна Plaxis Calculations нажать на клавишу отмеченную красными крестиками. В результате откроется окно Plaxis output показанное на рисунке 2.141. Отмечаем на нем точку А (точка на постели под правым углом стенки) и нажимаем кнопку Update.

Рис. 2.141. Окно Plaxis output

В окне Plaxis Calculations нажимаем на клавишу Go to Curves program панели инструментов (третья слева). Открывается окно Create/Open project, показанное на рисунке 2.142. Активизируем кнопку New chart, затем нажимаем кнопку <OK>. Открывается окно Select project to import curve from, приведенное на рисунке 2.143.

Рис. 2.142. Окно Create/Open project

Рис. 2.143. Окно Select project to import curve from

Определяем папку, в которой находится программные файлы (в нашем случае ВолноломД), и нажимаем кнопку <Открыть>. Появляется окно Curve generation приведенное на рисунке 3.144.

Рис. 2.144. Окно Curve generation

В списке X-Axis активизируем кнопку Time, а в списке Y-Axis кнопку Displacement. В списке Point вводим ранее отмеченную точку А, а в списке Type перемещение U, и нажимаем кнопку <OK>. Открывается окно Plaxis Curves, показанное на рисунке 2.145, в котором изображен график колебаний точки А на отрезке времени равном 2 с.

Рис. 2.145. Окно Plaxis Curves

Если требуется изменить тип, толщину и цвет линий графика и сетки, то можно воспользоваться второй и третьей кнопками (справа) на панели инструментов этого окна.

Используя в окне Curve generation (рисунок 2.144) другие параметры можно получить графики различных функциональных зависимостей.

Аналогичным образом можно построить графики колебаний скоростей, ускорений и напряжений в любых точках конечных элементах отмеченных крестиками на схеме рисунка 2.141. Например, график колебания скоростей точки А показан на рисунке 2.146. Можно на одном рисунке также наложить несколько графиков различных колебаний.

Обычно динамическому действию волны предшествует ее навал, который имеет значительную величину статического воздействия на стенку [1]. Если его учесть совместно с динамической нагрузкой от волны, то данная стенка, как показали расчеты, будет разрушена. Следовательно, как и в предыдущем примере требуется увеличивать ее ширину.

Рис.2.146. Окно Plaxis Curves