научная статья по теме ОЦЕНКА ИЗМЕНЕНИЯ ПРОЧНОСТИ ГРУНТОВ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ, МОДЕЛИРУЮЩИХ ВОЗДЕЙСТВИЯ ШТОРМОВЫХ ВОЛН НА СООРУЖЕНИЕ Геология

Текст научной статьи на тему «ОЦЕНКА ИЗМЕНЕНИЯ ПРОЧНОСТИ ГРУНТОВ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ, МОДЕЛИРУЮЩИХ ВОЗДЕЙСТВИЯ ШТОРМОВЫХ ВОЛН НА СООРУЖЕНИЕ»

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

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

и т с а

4 я

и

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

о

ч

с

о р

я

с е

3

н

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

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.

Показать целиком