Устойчивость ледозащитных сооружений

Свайное основание конструкции на рассматриваемых участках ледозащитных сооружений предполагалось выполнить из одного или двух рядов стальных труб и двух рядов трубошпунта, заполняемых песком от естественной поверхности грунта до отметок минус 2,0-4,0 м, с устройством бетонной пробки до низа верхнего строения. В тело сооружения выполняется засыпка гравелистым песком. По верху свайного основания предусмотрено устройство верхнего строения, которое работает совместно с трубами свайного основания, образуя жесткую раму.

Расчет устойчивости глубоководной части ледозащитного сооружения проводился с учетом напряженно-деформированного состояния грунтов. Для расчета применялся метод конечных элементов с использованием программного комплекса Plaxis 2D [1]. Для учета деформационных свойств грунтов основания и тела сооружения использовалась модель упругопластической грунтовой среды – модель Мора-Кулона, для каждого инженерно-геологического элемента (ИГЭ) принималась постоянная средняя жесткость. В докладе рассматриваются вопросы расчетного обоснования конструкций свайного фундамента ледозащитных сооружений морских портов. Свайные фундаменты состоят из ряда стальных труб, и две строки из листа трубы-сваи. Расчеты выполнялись с помощью программного обеспечения Plaxis. Результаты расчетов позволили выявить кинематику разрушения и определить потенциальную поверхность разрушения.

Потеря устойчивости происходит при вращении конструкции и захвате массы почвы между сваями с небольшим изгибом в структурных элементах

В расчетной модели трубошпунт и трубы среднего ряда моделировались слоем конечных элементов, для которых были вычислены эквивалентные деформационные характеристики. Взаимодействие по контакту между грунтом и свайным основанием моделировалось с помощью интерфейсов. Эта расчетная модель позволяет учесть работу нижнего конца свай/трубошпунта при вдавливающих нагрузках, так как в ней моделируется площадь опирания свай на грунт. На нижней границе основания в расчетных моделях принимались условия жесткой заделки, на боковых границах – условия отсутствия горизонтальных перемещений.

Для оценки устойчивости применялся метод снижения прочности грунтов, реализованный в программе Plaxis и состоящий в изменении c и φ, с использованием понижающего коэффициента ς, до момента разрушения. Коэффициент устойчивости в соответствии с этим методом определяется как отношение реальной прочности к вычисленной минимальной прочности, необходимой для равновесия. В качестве коэффициента устойчивости k_s системы принимается величина ς в момент разрушения.

В соответствии с требованиями СП 58.13330.2012 [2] ледозащитные сооружения относятся ко II классу гидротехнических сооружений, для которых коэффициент надежности по ответственности сооружения принимается равным 1,20. Если же использовать коэффициент условий работы, принимаемый равным 1,15 согласно [3], коэффициент устойчивости k_s при основном сочетании нагрузок не должен быть меньше 1,043.

Расчетные физико-механические характеристики грунтов в пределах выделенных ИГЭ для расчетов по первой группе предельных состояний (при доверительной вероятности a=0,95) приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Расчетные физико-механические характеристики грунтов

Наименование грунта	Номер ИГЭ	Плотность, г/см3		Модуль деформации Е, МПа	Сцепление с, кПа	Угол внутреннего трения φ,̊
		над водой	с учетом взвешивания
Пески пылеватые с прослоями ила	2	1,85	1,0	11	1	25
Пески мелкие с прослоями ила	3	1,86	1,0	13	1	27
Илы супесчаные	4	1,92	0,91	4,8	6	16
Илы суглинистые e > 1,0	5	1,70	0,70	1,2	7	7
Илы суглинистые	6	1,87	0,87	2,1	12	11
Суглинки тугопластичные	9	2,14	1,15	11,5	24	22
Суглинки полутвердые, твердые	10	2,18	1,18	19,7	36	23
Пески мелкие	12	1,96	1,0	18	1	31

Рассматривалось несколько участков ледозащитных сооружений, отличающихся модификацией конструкции в зависимости от грунтовых условий и глубины моря.

Свайное основание конструкции на участке 1 выполнено из ряда стальных труб Ø1420х18 мм, погруженных с шагом 3,2 м, и двух рядов трубошпунта Ø1420х16 мм, погруженного с шагом 1,6 м. Отметка низа среднего ряда труб составляет минус 24,0 м, отметка низа трубошпунта – минус 23,0 м. Трубы заполняются песком от естественной поверхности грунта до отметки минус 4,0 м в трубошпунте и минус 2,0 м в трубах среднего ряда. По верху свайного основания предусмотрено устройство железобетонного верхнего строения толщиной 2,0 м. Расчетное сечение этого участка ледозащитного сооружения представлено на рис.1.

Рис. 1. Расчетное сечение участка 1

Расчетная модель ледозащитного сооружения на участке 1 показана на рис. 2. Сетка конечных элементов включает 8109 элементов и 66159 узлов.

Рис. 2. Расчетная модель свайного основания участка 1

Результаты расчета показывают, что при ступенчатом приложении воздействия от движущегося поля ровного льда требуемая расчетная нагрузка не достигается. В связи с большими пластическими деформациями нарушается сходимость численного процесса при нагрузке, составляющей ~90% от расчетной (рис. 3).

РИС. 3. Деформированная сетка грунтового массива при разрушении на участке 1

При этом, как видно из рис.3, потеря устойчивости происходит не по схеме поступательного движения, а путем поворота конструкции и захваченного межсвайного массива грунта как жесткого единого целого, практически без изгиба в элементах конструкции. Максимальные горизонтальные перемещения конструкции достигают 2,83 м (рис. 4), разность осадок противоположных концов верха плиты ростверка 1,27 м, крен плиты составляет – 6,3°. Происходят существенные осадки грунта вблизи конструкции со стороны действия нагрузки, и его выпор с обратной стороны.

РИС. 4. Горизонтальные перемещения при приложении ледовой нагрузки 90% от расчетной

При выборе второго расчетного сечения был рассмотрен участок, потенциально наиболее неблагоприятный с точки зрения обеспечения несущей способности ввиду наличия слабых грунтов в основании (ИГЭ 5) и достаточно большой глубины моря на этом участке (5,6 м).

Свайное основание конструкции на участке 2 выполнено из двух рядов трубошпунта Ø1020х16 мм, погруженного с шагом 1,2 м, и двух рядов стальных труб Ø1220х16 мм, погруженных с шагом 3,7 м. Отметки низа труб и трубошпунта составляют минус 23,0 м. Трубы и трубошпунт заполняются песком от естественной поверхности грунта до отметки минус 2,0 м, далее производится устройство бетонной пробки до низа верхнего строения. По верху рядов стальных труб предусмотрено устройство стальной рамы, которая работает совместно с трубами и трубошпунтом свайного основания.

Расчетная модель ледозащитного сооружения на участке 2 представлена на рис. 5. Сетка конечных элементов включает 4254 элементов и 35099 узлов.

РИС. 5. Расчетная модель свайного основания участка 2

Результаты расчетов показали, что при нагрузке, составляющей 83% от расчетной, нарушается сходимость численного процесса из-за больших пластических деформаций. Происходят существенные осадки грунта вблизи конструкции со стороны действия нагрузки, и его выпор с обратной стороны. Рисунок 6 наглядно иллюстрирует кинематику разрушения: при действии значительной горизонтальной нагрузки происходит вращение конструкции и вовлеченного грунта относительно некоторой точки в глубине основания.

РИС. 6. Деформированная сетка грунтового массива при разрушении на участке 2

Максимальные горизонтальные перемещения конструкции при этом достигают 4,14 м. Максимальные осадки грунта составляют 2,26 м, выпор – 1,6 м, разность осадок противоположных концов верха плиты ростверка 1,85 м (рис. 7), крен плиты составляет – 9,2°.

РИС. 7. Вертикальные перемещения при нагрузке, равной 83% от расчетной

На рис. 8 показан график горизонтального перемещения ростверка (на отметке +1,5 м) в зависимости от величины горизонтальной ледовой нагрузки, приложенной на отметке 0,0 м. Обрыв линии на графике соответствует полной потере устойчивости сооружения.

РИС. 8. Зависимость горизонтального перемещения от величины ледовой нагрузки

Дополнительно были выполнены расчеты для сечения участка 3 (рис. 9). Для этого сечения характерно наличие грунтов с более высокими прочностными характеристиками и меньшая глубина моря. Целью этого расчета было убедиться, что дефицит несущей способности конструкции не является локальным, наблюдающимся лишь на незначительном участке с наихудшими условиями.

РИС. 9. Расчетная модель свайного основания участка 3

Результаты расчета показывают, что сходимость численного процесса была нарушена при приложении нагрузки, составляющей 89% от расчетной. На рис. 10 показана потенциальная поверхность разрушения при действии ледовой нагрузки, составляющей 85% от расчетной, коэффициент устойчивости при этом равен k_s = 1,04.

РИС. 10. Потенциальная поверхность разрушения (ks = 1,04)

Было проанализировано влияние возможного занижения прочностных характеристик слоя ИГЭ-10 на устойчивость конструкций на участках 2 и 3. Показано, что повышение прочностных характеристик ИГЭ-10 приводит к некоторому увеличению коэффициента устойчивости, но все равно не обеспечивает для этого варианта конструкции необходимого запаса устойчивости.

Для обеспечения устойчивости требуется изменение первоначально предложенной конструкции. Одним из вариантов такого изменения является увеличение длины свай. Были произведены вариантные расчеты при последовательном увеличении длины свай на участках 2 и 3.

РИС. 11. Влияние длины свай на величину коэффициента устойчивости

На рис. 11 показано влияние длины свай на величину коэффициента устойчивости. Из графика видно, что для обеспечения несущей способности ледозащитных сооружений необходимо увеличить глубину погружения свай и трубошпунта на 2 – 3 метра.

Литература

1. Руководство пользователя Plaxis, версия 8 (www.plaxis.nl)

2. СП 58.13330.2012 Гидротехнические сооружения. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 33-01-2003

3. РД 31.31.55-93 Инструкция по проектированию морских причальных и берегоукрепительных сооружений