ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФОРМ  ЛИНИЙ СКОЛЬЖЕНИЯ ГРУНТА ПЕРЕД  АНКЕРНОЙ ОПОРОЙ С ПОМОЩЬЮ  MATPIV

 

EXPERIMENTAL STUDIES OF FORM OF GROUND SLIP LINES BEFORE ANCHOR SUPPORT USING MATPIV

 

Вихарев А.Н., Попов А.Л., Емельянов А.А. (САФУ им. Ломоносова, Архангельск, РФ)

Viharev A.N., Popov A.L., Emelyanov A.A. (Northern (Arctic) Federal University

named after M.V. Lomonosov, Arkhangelsk, Russia)

 

Разработана методика экспериментального определения линий скольжения образующихся в грунте перед опорой анкерного типа при ее сдвиге. Приводится сравнение линий скольжения полученных экспериментально с теоретическими.

Developed a method for experimental determination of the slip lines in the ground in front of its offset. Set out a comparison of the slip lines obtained experi-mentally and theoretically.

 

Ключевые слова: анкерные опоры, линии скольжения, MatPIV

Keywords: anchor support, slip line, MatPIV

 

Опоры анкерного типа широко используются в водном транспорте леса для крепления плотов и гидротехнических сооружений. Крепление инженерных коммуникаций к опорам анкерного типа используется в различных отраслях промышленности, например в строительстве, нефтегазовой отрасли.

Надежная и безаварийная эксплуатация опор зависит не только от их конструкции, но и от методики расчета держащей силы опоры.  Существующие на данный момент методики определения держащей силы опоры основаны на заранее известной форме призмы выпирания образующейся перед анкерной опорой при её сдвиге. В случае анкера бесконечной длины задача является плоской. Линии скольжения, по которым происходит сдвиг грунтового массива, являются криволинейными. Их точное определение позволяет повысить точность расчетов держащей силы.

В настоящее время используется несколько методик определения держащей силы анкерных опор, которые основаны на различных допущениях формы линий скольжения. Метод Ш. Кулона основывается на рассмотрении предельного равновесия призмы грунта, ограниченной прямолинейными плоскостями  скольжения [1]. Метод круглоцилиндрических линий скольжения предполагает, что обрушение подпорных сооружений при потере общей устойчивости происходит по кривой, достаточно близкой к дуге окружности [2]. Более точные результаты дает теория  В.В. Соколовского, где форма линий скольжения состоит из нескольких частей: прямые линии и логарифмическая спираль [3].

Форму линий скольжения при проведении исследований регистрируют различными методами. Курдюмов предложил метод непосредственного фотографирования движения грунтовых частиц [4]. На фотографиях видны движения грунтовых частиц, но нет четкой границы, по которой происходит скольжение грунтового массива. По методу цветных полосок фотографируется массив грунта и цветные полосы, уложенные у стекла лотка с грунтом. При деформации грунтового массива цветные полоски плавно изгибаются и видны на фотографиях. В этом случае определение линии сдвига затруднено. Более чётко поверхности обрушения, по которым произошло скольжение призмы, видны только в момент её разрушения. Метод цветных квадратов. Вместо цветных полос используются цветные квадраты. Этот метод дает большую точность формы, но более трудоёмок. По методу парафинированных листов в грунтовой среде устанавливаются листы, покрытые тонким слоем парафина. По мере возрастания нагрузки песчинки смещаются и царапают парафин, оставляя на нем следы, позволяющие определить направление и величину смещения в каждой точке основания. Получаемые кривые называют «линиями смещений» грунтовых частиц. Данный метод является довольно трудоёмким.

В настоящее время всё более широкое применение находят методы, основанные на компьютерном способе обработки изображений. Метод PIV (Particle Image Velocimetry – с англ. частица, изображение, измерение скорости) позволяет обрабатывать изображения полученные при помощи видео и фотосъемки.

Сущность метода заключается в следующем. Имеются два изображения, на одном из которых зафиксированы частицы. Каждое изображение разбивается на элементарные (расчетные) области размером .  Далее рассчитывается корреляционная функция. Максимум корреляционной функции соответствует наиболее вероятному сдвигу частиц в данной области.

Скорость перемещение частиц в данной элементарной области можно определить, если известна временная задержка между изображениями. Подобная операция, произведенная для каждой элементарной области, позволяет рассчитать мгновенное поле скорости [5].

Программный модуль  MatPIV,  разработанный для программы MatLab,  университетом г. Осло [6], позволяет получить поле скоростей при обработке двух изображений. Обрабатывая полученные результаты в MatLab,  можно получить  векторное поле скоростей.

Исследования процессов многофазного потока в трубопроводах при помощи MatPIV проводились в университете г. Ставангер (Норвегия) профессором Р.Тиме [7]. Авторам был изучен опыт обработки изображений при помощи MatPIV.

Эксперименты по определению форм линий скольжения проводились в лаборатории кафедры водного транспорта леса и гидравлики САФУ в грунтовом бассейне с прозрачной боковой стенкой.

Для опытов использовался предварительно просеянный через сито грунт с фракцией 0,5…0,25 мм. Угол естественного откоса грунта составляет 29 градусов. После закладки анкера на требуемую глубину производилась послойная засыпка грунтом. При отработке методики через каждые 0,5 относительных глубин заложения анкера прокладывались полоски из белого грунта. Более подробное описание опытов приведено в [8].

Через боковую прозрачную стенку фотографировали перемещение грунта и анкера. Маркерами служат сами частицы грунта. Расположение фотоаппарата в каждом опыте оставалось постоянным. Для снижения искажений при выполнении съемки камеру целесообразно устанавливать на штативе перпендикулярно плоскости съемки совмещая оптическую ось объектива с центром снимаемого изображения.

При расчете скорости перемещения точек необходимо предварительно отформатировать изображение, например 1024 х 800 пикселей (рис.1).  Далее рассчитывается масштаб для пересчета перемещения точки из пикселей в линейный размер. Наиболее простым способом является  помещение на снимаемый объект масштабной линейки. В этом случае довольно просто пересчитать количество пикселей в линейный размер. Зная  линейное перемещение точки и время, рассчитывается действительная скорость перемещения точки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                              а)                                                 б)

Рисунок 1 – Схема расположения анкера: а) до сдвига б) после сдвига

 

В результате программный модуль  MatPIV выдает поле с мгновенными векторами скоростей перемещения частиц грунта (рис.2). Линии скольжения будут проходить там, где наблюдается наибольшее перемещение частиц грунта относительно друг друга (наблюдается наибольший скачок скоростей в каждой горизонтальной пиксельной линии).

Авторами разработана компьютерная программа в MatLab, которая определяет точки сдвига грунта по каждой строке элементарных площадок. В результате расчетов получаем две экспериментальные линии скольжения, проходящие через верхнюю и нижнюю кромки анкера (рис.3). Расчет теоретических линий скольжения проводился по методу квазипотенциального моделирования механических характеристик работы анкера в грунтовом массиве [9].

 

 

 

Рисунок 3 – Линии скольжения: 1- экспериментальная, 2 - теоретическая

 

Список использованных источников

1. Цытович Н.А. Механика грунтов. – М.: Высш. школа, 1979. – 272 с.

2. Обзор методов расчета давления на подпорные сооружения  // Гидростроительная компания Евразия [Электронный ресурс]. – Официальный сайт компании. – Режим доступа:  http://eurasia.biz.ua/ru/articles/review. html.

3. Соколовский В.В. Статика сыпучей среды. М.: Наука, 1990. – 272 с.

4. Санкт-Петербург, 1889: Первое фотографическое исследование процесса разрушения грунта под фундаментом // Геореконструкция фундаментпроект [Электронный ресурс]. – Официальный сайт компании. – Режим доступа: http://www.georec.spb.ru/journals/07/files/pdf/0407013.pdf

5. Руководство пользования программы «ActualFlow». – Новосибирск: Институт Теплофизики СО РАН, 2007. – 165 с.

6. Сайт университета г.Осло. – Режим доступа: http://folk.uio.no/jks/matpiv

7. Р.Тиме. Двухфазные течения в трубопроводах с применением MatLab.  Университет Ставангера, 2007. – 172 с.

8. Вихарев А.Н., Попов А.Л., Емельянов А.А., Рымашевский В.Л. Регистрация форм грунтовых призм, образующихся перед анкером при его сдвиге с помощью MATPIV// Наука – Северному региону: сборник материалов научно-технической конференции прфессорско-преподавательского состава, научных, инженерно-технических работников и аспирантов по итогам работ за 2010 год. – Архангельск, 2011.- с. 22-22

9. Вихарев А.Н., Гагарин П.Н. Квазипотенциальное моделирование механических характеристик работы анкера в грунтах. Сб. научн. трудов ФПР. Архангельск 1999, с.73-83