ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2015, № 5, с. 450-459
ГРУНТОВЕДЕНИЕ
УДК 624.131
ОЦЕНКА ИЗМЕНЕНИЯ ПРОЧНОСТИ ГРУНТОВ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ, МОДЕЛИРУЮЩИХ ВОЗДЕЙСТВИЯ ШТОРМОВЫХ ВОЛН НА СООРУЖЕНИЕ
© 2015 г. В. Н. Кутергин*, В. Б. Манукин**, К. В. Панков*, Р. Г. Кальбергенов*,
Ф. С. Карпенко*
*Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН, Уланский пер., д. 13, стр. 2, Москва, 101000 Россия. E-mail: vank@bk.ru **Институт физики Земли РАН, ул. Б. Грузинская, 10, Москва, 123995 Россия.
Поступила в редакцию 18.12.2014 г.
Комплексная оценка возможной деградации грунтов при воздействии длительных циклических нагрузок от штормовых волн включает: анализ гидрологических данных, расчет ожидаемых параметров амплитудно-частотного спектра штормовых волн и соответствующих усилий сдвига; прогноз снижения прочности на основе экспериментов, выполненных с рассчитанными параметрами волн и нагрузок; итоговый анализ поведения грунтов с учетом распределения волн различной высоты во времени в течение действия шторма принятой продолжительности. Приведены результаты оценки устойчивости грунтовой толщи основания площадки на шельфе северной части Каспийского моря.
Ключевые слова: прочность, штормовые волны, грунты шельфа, циклические испытания, параметры воздействия.
В настоящее время широко ведутся работы по разведке и освоению месторождений природного сырья на шельфе морей при помощи буровых и эксплуатационных платформ, опирающихся на грунт, так называемых гравитационных платформ.
Грунтовые основания платформ подвергаются значительным дополнительным циклическим воздействиям, в частности, от действия на эти гидротехнические сооружения штормовых волн. Изучение поведения водонасыщенных грунтов шельфа при длительном циклическом нагружении, моделирующем воздействие штормовых волн, крайне важно для проектирования, строительства и эксплуатации гидротехнических сооружений.
Существующая практика расчета устойчивости подобных сооружений не учитывает изменение свойств грунтов оснований при действии реальных циклических нагрузок. Эти изменения будем характеризовать в дальнейшем термином "деградация" (лат. degradation), означающим снижение характеристик какого-либо объекта вследствие внешнего воздействия.
Методический подход и оценка изменения прочностных характеристик грунтов основания
гравитационных платформ при циклических воздействиях от действия штормовых волн излагаются в настоящей статье на основании работ, выполненных Лабораторией исследования состава и свойств грунтов ИГЭ РАН.
Методический подход включает:
- оценку вероятных параметров воздействий штормовых волн;
- лабораторные эксперименты по испытаниям образцов грунтов с заданными параметрами напряженного состояния и циклических нагрузок;
- анализ возможного изменения прочности грунтов;
- оценку поведения грунтов в условиях циклического нагружения при действии 12-часового шторма.
Под условиями нагружения в целом понимают параметры, характеризующие ход процесса или испытания. Среди параметров, определяющих условия циклического нагружения, выделяют: период Т (частоту /) действия нагрузки, амплитуду напряжений ЛХсу или перемещений Лесу, время t (число циклов нагружения Ы).
ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ, ПРИБОРЫ И МЕТОДИКА ИСПЫТАНИЙ
Объект исследований - грунтовая толща площадки месторождения природного сырья, расположенной в северной части Каспийского моря. Строение грунтового массива основания представлено в табл. 1. Для исследования влияния циклических воздействий на грунты основания площадки были выбраны представительные образцы из пяти инженерно-геологических элементов (ИГЭ). Образцы отбирались в тонкостенные стаканы из нержавеющей стали и имели размеры: диаметр 8.9-10.2 см и длину ~100 см. Полученные в результате статистической обработки массивов данных характеристики физических свойств, статической прочности и деформируемости грунтов изученных инженерно-геологических элементов представлены в табл. 2. Приведенные показатели приняты в качестве исходных для последующей оценки их изменения в результате действия знакопеременных циклических нагрузок.
В качестве объекта, испытывающего воздействия штормовых волн, рассматривается сооружение, представляющее собой блок колонного типа, опирающийся на грунт (рис. 1).
Параметры напряженно-деформированного состояния, характеризующие условия проведения экспериментов, были приняты, исходя из сведений о массогабаритных характеристиках соору-
Таблица 1. Краткая характеристика разреза грунтового основания
Стратиграфическая позиция № Глубина залегания Наименование
ИГЭ подошвы от дна, м грунтов
2 2.9 Супеси текучие и
3 4-1 8.4 13.3 пластичные Пески пылеватые Суглинки текучие,
текучепластичные
> я и тугопластичные
с прослойками су-
[ИЬУ 4-2 14.9 песи пластичной Супеси пластич-
ные с прослойками песка пылева-
5 16.6 того Суглинок и глина
пылеватые мяг-
копластичные,
известковистые
«
о н
н у
р
г в т с
«
о в с х и к с е
(Г
и н а х е
ок и з и
•е
и к и т с
и р
е т к
а раа
х
л
н ч о х с
К
а ц
и л б а Т
ч
а р
г
а П
к
О"
и
н ч
Я "
еи я н
Я о Я £
& К ^ &
^ я
л
т с о н
I
ч
В
л
т с о н т о
ч
П
в о т
н у
&
а к и т с
и р
е
етк
а ара
X
£ £ я
я ЕИ
и §
оу
в 13
р
е
оГ НИ
сч
ОО
ю
о
ю
4
О
сч
е
3
н
(Г
и т с а
4 я
и
(Г
у
к е т
и
я
у С
I
ю
гч
4
ю
4
5
ю
оо
4
л
та в е
Ч
3 я
и к с
л
н с
1а я
* §
8 §
Ч =я
а 2 ш Ч ^ о уо кр и Я , те с
и ш
3 3 «
а к
>Я
о
ч
с
о р
я
с е
3
н
(Г
и т
о г о
ота
св ае
а
ч я
ог гу
у т Си
ч
^ 3 я я
и * ё « уе О
оо I
I
оо
сл
т
сК
-4
сл
ю
СП
5 5
о
е
3
н
(Г
и т с а
4
Я §
г я
л
н и
13
и к н и
13
у С
ю
ю
I
жения, а также данных об инженерно-геологических свойствах грунтов (табл. 3).
Для выполнения лабораторных экспериментов использовался прибор циклического сдвига ПЦС-3, оснащенный пульсаторами, генерирующими осевые вертикальные и сдвигающие горизонтальные циклические нагрузки.
Сдвиговые испытания при циклическом нагру-жении на фоне действующих статических нагрузок, моделирующих природное напряженно-деформированное состояние грунтов, проводились на испытательной установке с программируемым управлением и автоматической регистрацией параметров эксперимента.
Для оценки изменения прочности грунтов при циклических нагрузках, моделирующих воздействие штормовых волн, выполняли консолидиро-ванно-недренированные циклические сдвиговые испытания образцов. Методика испытаний аналогична подходу, используемому в методических
разработках Норвежского геотехнического института (NGI) [2], ее суть заключается в определении числа циклов нагружения (Ы), необходимого для разрушения грунта при различных соотношениях статических и динамических напряжений.
Образцы грунтов диаметром 71.4 мм и высотой 35.0 мм вырезали из монолитов при помощи цилиндра с режущим краем, заключали в резиновую оболочку и помещали между верхним и нижним штампами прибора ПЦС-3. Предварительно определяли стандартную статическую прочность грунта (статическое предельное напряжение сдвига х*). Подготовка к испытаниям заключалась в водонасыщении образцов в условиях действия осевых нагрузок 01эфф, соответствующих условиям залегания грунта в массиве и действия нагрузок от сооружения. Испытания проводили по консолидированно-недренированной схеме при скорости нагружения, позволяющей достигнуть разрушения в течение 2-х часов. Предельное напряжение сдвига х* принималось равным касательному напряжению, приложение которого вызывало резкий рост сдвиговых деформаций. Соответствующие х* относительные деформации сдвига учитывались впоследствии в циклических опытах в качестве критерия разрушения.
Аналогичные процедуры предварительной подготовки, водонасыщения и консолидации при осевом давлении 01эфф применяли также для образцов грунтов, подвергаемых впоследствии циклическому нагружению. Оно выполнялось в недренированных условиях, путем приложения горизонтального циклического воздействия заданной относительной амплитуды Л = хсу/х* при этом фиксировалось число циклов нагруже-ния Ы*, достаточное для преодоления прочности грунта.
Другие, идентичные предыдущим образцы подвергали испытаниям при иных уровнях нор-
Таблица 3. Характеристики напряженного состояния грунтового массива
Номер ИГЭ Поддонная глубина, м Характеристика грунтов Напряжения по оси сооружения МПа Предельные статические напряжения сдвига, х*, МПа
2 0.6-2.9 Супеси текучие и пластичные 0.073 0.049
3 3.1-8.4 Пески пылеватые 0.121 0.089
4-1 8.1-13.3 Суглинки текучие, текучепластичные и 0.155 0.087
тугопластичные с прослойками супеси
пластичнои
4-2 9.1-14.9 Супеси пластичные с прослойками 0.173 0.118
песка пылеватого
5 14.7-16.6 Суглинки и глины мягкопластичные 0.180 0.088
мализованных циклических напряжении тсу/т* величину которых выбирали из расчета разрушения образца в пределах 104 циклов.
В ходе опытов определяли осевые е1 и сдвиговые деформации £су, контролировали напряжения а1эфф, хсу и давление в поровоИ воде А и.
Основными критериями преодоления прочности грунта считали:
- достижение амплитудных значении деформации сдвига, характерных для разрушения идентичного грунта при статических испытаниях;
- рост отношения порового давления к эффективной осевоИ нагрузке Аи/в1эфф до значений более 0.9 д.е.
Изменение прочностных характеристик грунтов при циклических нагрузках выражалось в виде кривых усталостной прочности - диаграмм соотношений числа циклов (К) или времени t, необходимых для разрушения, и относительнои амплитуды сдвиговых напряжений хсу/х*. Использование этих диаграмм позволяет оценить несущую способность грунтового основания для различных сценариев взаимодействия сооружения с волнами на период всего срока эксплуатации объекта.
ОЦЕНКА ВЕРОЯТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЦИКЛИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ШТОРМОВЫХ ВОЛН
В целом природные циклические нагрузки имеют преимущественно стохастический характер с широким спектральным составом. Частота воздействия, характерная для волновых нагрузок (в диап
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.