Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные представления о закономерностях поведения несвязных грунтов при динамических воздействиях 8
1.1. Установленные закономерности реакции несвязных грунтов на динамические нагрузки и дискуссионные вопросы их поведения 8
1.2. Современные представления о критической пористости песков и существующие способы ее определения 34
CLASS Глава 2. Методика исследований 5 CLASS 2
Глава 3. Характеристика исследованных грунтов 68
Глава 4. Устойчивость водонасыщенных песков при динамическом воздействии 93
4.1. Влияние структурных особенностей песков на их динамическую устойчивость 93
4.2. Влияние начального напряженного состояния и условий нагружения на динамическую устойчивость песков 113
4.3. Динамическая устойчивость песков с позиций концепции критической пористости 157
4.3.1. Экспериментальное определение критической пористости песков 157
4.3.2. Основные факторы, определяющие величину критической пористости песков 164
4.3.3. О плотности сложения песков при критической пористости 177
4.3.4. Значение критической пористости при оценке динамической устойчивости песков 181
4.4. Опыт практической оценки динамической устойчивости песков для целей проектирования сооружений и проявления установленных закономерностей 193
4.4.1. Опыт оценки динамической устойчивости песков применительно к условиям 193 их природного залегания
4.4.2. Опыт оценки динамической устойчивости намывных песков 208
Выводы 220
Список использованной литературы 222
Приложения
- Установленные закономерности реакции несвязных грунтов на динамические нагрузки и дискуссионные вопросы их поведения
- Современные представления о критической пористости песков и существующие способы ее определения
- Влияние начального напряженного состояния и условий нагружения на динамическую устойчивость песков
- Опыт практической оценки динамической устойчивости песков для целей проектирования сооружений и проявления установленных закономерностей
Введение к работе
Содержание работы заключается в исследовании устойчивости водонасыщенных песков в условиях динамических нагрузок разного происхождения (сейсмических, волновых, техногенных). На основе собственных исследований влияния параметров нагрузки и структурных особенностей несвязных грунтов на их динамическую устойчивость автором получены новые практически значимые эффекты и закономерности. В работе также рассмотрены вопросы динамической устойчивости песков с позиций концепции критической пористости, и разработана новая методика ее экспериментального определения в условиях недренированного трехосного сжатия.
Под динамической устойчивостью этих грунтов в работе понимается невозможность разрушения или развития в них критических деформаций при заданном уровне динамического воздействия.
Актуальность темы обусловлена дискуссионностью и недостаточной изученностью многих вопросов динамической устойчивости песков, несмотря на значительное количество исследований в этой области. Так, в опубликованной литературе практически отсутствуют сведения о роли степени асимметрии нагрузок на динамическую устойчивость несвязных грунтов, а данные о значимости частоты воздействия (особенно низких
частот) очень противоречивы. Также нет единого мнения о влиянии пылеватых и глинистых частиц (мельче 0.05 мм) на разные формы поведения песков в условиях динамического нагружения.
Актуальность проблемы оценки динамической устойчивости грунтов связана и с быстрым ростом городов и строительством предприятий промышленного производства как в относительно спокойных, так и сейсмически активных районах, а также на водных
(морских) акваториях в условиях нерегулярных ветровых и волновых нагрузок. Примером территории, испытывающей сейсмические нагрузки, является остров Сахалин, на территории которого в связи с активной разработкой нефтяных и газовых месторождений в настоящее время проектируются и строятся сооружения магистральных трубопроводов, буровые площадки, мостовые переходы через реки и морские заливы, а также портовые сооружения. Основаниями для этих сооружений часто служат широко распространенные здесь с поверхности водонасыщенные пески разной крупности, которые периодически испытывают достаточно сильные сейсмические воздействия.
Иногда сами возводимые инженерные сооружения являются источниками динамического воздействия. Так, например, в результате интенсивной разработки и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений в центральных районах Западной Сибири значительные по площади участки этой территории испытывают техногенное динамическое воздействие, к источникам которого относятся дожимные насосные (ДНС) и компрессорные (КС) станции, автодороги, кусты добывающих и нагнетательных скважин.
К тому же часто пески укладываются в тело земляных сооружений, например, в тело насыпи автодороги. Так, в условиях интенсивного заболачивания территории Западной Сибири значительная часть инженерных сооружений размещается здесь на насыпях и отсыпках, в качестве материала для создания которых чаще всего используются намывные пески, добываемые средствами гидромеханизации из рек и проток.
Из всего этого следует, что получение новых закономерностей поведения водонасыщенных песков при динамическом воздействии и исследование факторов, влияющих на их динамическую устойчивость, является актуальной задачей инженерной геологии.
Цель и задачи работы. Основная цель работы заключается в исследовании устойчивости водонасыщенных песков при динамическом воздействии и выявлении лежащих в ее основе закономерностей. В качестве одного из основных подходов к проблеме устойчивости несвязных грунтов в работе используется оценка динамической устойчивости с позиций концепции критической пористости.
Для достижения этой цели в работе были поставлены следующие основные задачи.
1. Анализ и обобщение опубликованного материала по вопросам реакции песков на динамические воздействия.
2. Исследование влияния структурных особенностей песков - гранулометрического состава и морфологии частиц (о^сатанности и характера поверхности) на их деформирование при динамическом нагружении.
3. Исследование влияния начального напряженного состояния и условий нагружения (частоты, амплитуды, асимметрии цикла нагрузки) на динамическую устойчивость водонасыщенных песков.
4. Разработка методики экспериментального определения критической пористости водонасыщенных песков в условиях недренированного трехосного сжатия.
5. Анализ динамической устойчивости водонасыщенных песков в рамках концепции критической пористости.
6. Анализ и обобщение собранного фактического материала.
7. Проверка установленных закономерностей при практической оценке динамической устойчивости грунтов на разных территориях.
Основные защищаемые положения В работе обосновываются и выносятся на защиту пять основных положений.
1. Динамическая устойчивость водонасыщенных песков в значительной степени определяется асимметрией цикла действующей нагрузки (характеризующей ее перепад в цикле относительно начальных сжимающих напряжений), которая контролирует смену знака возникающих касательных напряжений. При этом существует критическое значение этого параметра нагрузки, ниже которого наблюдается прогрессирующее накопление деформации на фоне увеличения порового давления. Выше же этого значения накопление деформаций носит затухающий характер при снижении порового давления.
2. Новая методика экспериментального определения критической пористости водонасыщенных песков в условиях недренированного трехосного сжатия. Она основана на стадийности развития сдвиговых деформаций в грунте, а ее ключевым моментом является изменение эффективных напряжений при формировании зон сдвига.
3. Величина критической пористости не является постоянной для данного песка при данных условиях залегания, поскольку помимо дисперсности грунта и величины сжимающих напряжений ее величина определяется также скоростью приложения сдвигающих усилий.
4. Понятие критической пористости песков неприменимо в условиях динамического воздействия. Однако по мере накопления деформаций в результате динамического нагружения в водонасыщенных песках любой плотности возникает состояние, названное нами нулевой динамической дилатансией, при котором суммарное изменение порового давления за полный цикл нагрузки равно нулю. Это состояние связывается нами с формированием в песках зон сдвига постоянной толщины, в которых и локализуется дальнейшее накопление деформаций.
5. Классификация намывных песков по динамической устойчивости для целей автодорожного строительства применительно к территории Ханты-Мансийского автономного округа. Категории песков в этой классификации выделены на основе установленной автором определяющей роли пылеватых и, в особенности, глинистых частиц для динамической устойчивости этих грунтов.
Научная новизна
1. Впервые выполнена количественная оценка относительной значимости отдельных структурных особенностей песков для их динамической устойчивости (содержания пылевато-глинистых частиц, наличия поверхностных пленок и др.).
2. Проведенными расчетами впервые показано существенное влияние плотности сложения песков разной крупности на величину межчастичных контактных напряжений.
Это позволяет рассматривать степень плотности песка как важный фактор его начального напряженного состояния.
3. Впервые показано, что с увеличением коэффициента бокового давления покоя (К0) в диапазоне от 0.4 до 1.2 динамическая устойчивость водонасыщенных песков разной плотности возрастает; причем вид этой зависимости несколько различен (по разбросу, степени влияния) для песков разной крупности.
4. Впервые показано, что для песков разной крупности и плотности сложения существует пороговое значение амплитуды динамической нагрузки, при котором линейный тип зависимости скорости деформирования от амплитуды меняется на экспоненциальный.
5. Получена неизвестная раннее зависимость поведения водонасыщенных песков от степени асимметрии цикла нагрузки и впервые установлено существование критического значения этой величины, по разные стороны которого существенно меняется характер деформирования грунта и знак изменения порового давления.
6. Разработана новая методика экспериментального определения критической пористости водонасыщенных песков в условиях недренированного трехосного сжатия.
7. Установлена новая зависимость величины критической пористости песков от скорости приложения сдвигающих усилий.
8. Впервые показано, что по мере накопления деформаций в результате динамического нагружения в водонасыщенных песках любой плотности суммарное изменение порового давления за полный цикл нагрузки может быть равно нулю. При этом текущее значение приращения порового давления несколько раз меняет свой знак в течение цикла.
Предложено объяснение природы этого состояния, названного в работе нулевой динамической дилатансией.
Практическое значение работы заключается в следующем.
1. В выявлении факторов, существенно влияющих на динамическую устойчивость водонасыщенных песков, которые должны учитываться-для корректной оценки их поведения при динамическом нагружении.
2. В использовании установленных закономерностей при практической оценке: а) сейсмической разжижаемости песков северной части острова Сахалин по трассам проектируемых трубопроводов в рамках проектов «Сахалин-1» и «Сахалин-2», б) динамической устойчивости песчаных грунтов в поле техногенных вибраций на нефтедобывающих комплексах (на месторождениях Среднего Приобья), в) динамической устойчивости песчаных грунтов земляного полотна автодорог.
3. В разработке новой частной классификации намывных песков ХантыМансийского АО по динамической устойчивости для целей автодорожного строительства в этом регионе.
4. В разработке практических рекомендаций по использованию песков из разных карьеров ХМАО в составе земляного полотна автодорог.
5. В разработке номограммы для оценки возможности разжижения песков острова Сахалин в зависимости от магнитуды ожидаемого толчка, ускорения колебания на поверхности массива и глубины залегания грунтов
6. В разработке методики экспериментального определения критической пористости песков в условиях недренированного трехосного сжатия.
7. В доказательстве неинвариантности величины критической пористости песка от условий проведения испытаний, что затрудняет использование этого показателя для характеристики текущего состояния песков.
8. В демонстрации неинформативности показателя степени плотности для оценки ожидаемой реакции песков на ожидаемые механические (статические) воздействия.
Апробация работы. Результаты исследований были представлены на следующих отечественных и международных конференциях: Ломоносовские чтения (Москва, геологический факультет МГУ, 2001), "Геотехнические проблемы строительства крупномасштабных и уникальных объектов" (Алматы, 2004), "Взаимодействие сооружений и оснований: методы расчета и инженерная практика" (Санкт-Петербург, 2005), "Инженерная геофизика - 2006" (Геленджик, 2006).
Кроме того, основные положения работы опубликованы в 5 статьях в журналах: "Геоэкология", "Вестник Московского университета. Серия 4 геология", "Промышленное и гражданское строительство", "Разведка и охрана недр", в монографии "Разжижение грунтов при циклических нагрузках" (в соавторстве) и сборниках трудов международных и отечественных конференций: "Многообразие грунтов: морфология, причины, следствия" (Москва, МГУ, 2003), "Инженерная геофизика - 2005" (Геленджик, 2005), III Центрально-азиатский геотехнический симпозиум "Геотехнические проблемы строительства на просадочных грунтах в сейсмических районах" (Душанбе, 2005), "Новые технологии для ТЭК Западной Сибири" (Тюмень, 2006).
Структура работы, фактический материал и личный вклад автора Диссертационная работа изложена на 231 страницах и состоит из введения, 4 глав (обзорной, методической, характеристики исследованных грунтов и результатов исследований), выводов и списка цитируемой в тексте литературы из 121 наименований.
Текст работы сопровождается 24 таблицами, 93 рисунками и 36 приложениями.
Экспериментальная часть исследований выполнена лично автором на кафедре инженерной и экологической геологии МГУ им. М.В. Ломоносова в период обучения на кафедре с 2003 по 2007 год. Основные положения работы и ее выводы основываются на результатах экспериментальных исследований, выполненных на 68 пробах природных и техногенных песков из разных регионов страны и 9 модельных смесей. Общее количество трехосных статических и динамических испытаний составляет около 400.
За постоянную поддержку и неограниченную помощь автор работы искренне благодарен своему учителю и научному руководителю - Евгению Арнольдовичу Вознесенскому, который зажег интерес к этой теме и экспериментальным исследованиям в целом.
Автор также выражает свою признательность всем сотрудникам кафедры инженерной и экологической геологии МГУ, помогавшим ему на разных стадиях выполнения этой работы. Особенно, Н.А. Ларионовой, В.М. Ладыгину, Ю.В. Фроловой, В.Г. Шлыкову, В.Н. Соколову, В.В. Фуниковой, Л.П. Терешковой, М.В. Фламиной.
Установленные закономерности реакции несвязных грунтов на динамические нагрузки и дискуссионные вопросы их поведения
Для начала определим понятие "динамическая нагрузка" - это нагрузка, которая изменяется во времени быстрее, чем затухают вызванные ею в грунтах волны напряжений (Вознесенский, 1999). Сейсмическое воздействие является частным случаем динамического. Любой грунт реагирует на динамическое воздействие. При этом происходит увеличение его деформируемости и снижение прочностных характеристик.
Механизм деформирования и разрушения песка при динамическом воздействии может трактоваться как динамическая дилатансия (Вознесенский, 1997). При этом возникают колебания и смещения частиц в несвязной системе, которые приводят к накоплению сдвиговых деформаций. Это движение сопровождается переупаковкой частиц и изменением пористости системы (и). Уплотнение водонасыщенных несвязных грунтов происходит по мере отжатия воды из пор грунта. Разрушение структурных связей и уплотнение грунта приводят к полной или частичной передаче давления от собственного веса его частиц и внешней нагрузки на поровую воду, что выражается в росте порового давления и снижении эффективных напряжений, предельным случаем которого является разжижение. В соответствие с современными представлениями динамики грунтов можно выделить следующие формы реакции песков на динамические нагрузки:
1. Отрицательная динамическая дилатансия или уплотнение рыхлого песка любой влажности - уменьшаются пористость (Дп 0) и средние эффективные напряжения (Др 0), тогда как поровое давление увеличивается (Ди 0). При полном водонасыщении грунта возможно его разжижение. Возможность уплотнения определяется гранулометрическим составом грунта, влажностью - наименьшая уплотняемость наблюдается вблизи влажности разрыва капилляров, и степенью плотности, которая определяет межчастичную поверхность. Поэтому вероятность отрицательной дилатансии возрастает с увеличением исходной влажности и пористости выше критической (Вознесенский, 1997). Это уплотнение и в отсутствие разжижения приводит к дополнительным осадкам сооружений. Количественной характеристикой динамической уплотняемости является изменение коэффициента пористости.
2. Положительная динамическая дилатансия или разуплотнение (Дп 0, Ди 0, Др 0). Эта форма реакции на динамическое воздействие наиболее характерна для маловлажных и сухих плотных песков, т.к. коэффициент трения и межчастичная поверхность таких грунтов слишком велики для того, чтобы легкие частицы могли уплотняться под собственным весом. Разуплотнение проявляется как снижение прочности и увеличение деформируемости песков, что приводит к их разупрочнению. Такое явление может наблюдаться в пределах микронеоднородностей однородной в целом структуры - при локальном нарушении неоднородных по плотности сложения песков, когда при динамическом воздействии рыхлые участки грунта уплотняются, а плотные немного разрыхляются (Иванов, 1983). В водонасыщенных же плотных песках в результате динамического воздействия возникает отрицательное поровое давление при взаимных смещениях частиц, и повышаются эффективные напряжения. Поэтому разуплотнение в таких песках, как правило, не реализуется (Вознесенский, 1997).
3. Разжижение водонасыщенного песка. При уплотнении грунтов поровое давление увеличивается, что приводит к уменьшению вплоть до исчезновения эффективных напряжений на контактах между песчинками: Ди=ст зс - условие 100%-го или полного относительного порового давления (Committee..., 1978). В недренированных условиях (при отсутствии возможности оттока воды) при достижении полного относительного порового давления зерна оказываются взвешенными в воде, и песчаные грунты могут даже растекаться. Многие авторы отмечают, что при разжижении песков, залегающих на неко торой глубине, это явление сопровождается «вскипанием» поверхности массива и возникновением «песчаных кратеров».
Особенно значительные деформации, захватывающие большие объемы грунта, происходят в случаях внезапного уплотнения рыхлых водонасыщенных песков. При нарушении их сложения частицы стремятся занять положение, соответствующее более плотной упаковке. Такое перемещение возможно только при условии сокращения объема пор, т. е. отжатия из них воды. Так как отжатие воды не может произойти мгновенно, создается напор, который взвешивает частицы. Трение между частицами исчезает, и грунт переходит в состояние суспензии. Напор грунтовой воды быстро распространяется в стороны и вызывает нарушение структуры значительного объема грунтового массива в пределах слоя с неустойчивой структурой (Рубинштейн. 1961).
По мнению П.Л. Иванова состояние разжижения присуще всем достаточно рыхлым пескам любой крупности и является промежуточной фазой в процессе их уплотнения при динамическом воздействии. Вследствие большей водопроницаемости время пребывания крупных песков в разжиженном состоянии значительно меньше, чем мелких, и поэтому в них практически не наблюдается внешних проявлений разжижения. Наличие значительной статической нагрузки от собственного веса грунта или внешней пригрузки, достаточно большая плотность песка, малая величина динамического воздействия могут приводить к частичному разрушению структуры песка — частичное разжижение — смещение отдельных малоустойчивых, наименее напряженных частиц песка, при котором часть контактов между ними теряется (Иванов, 1962).
Явление ползучего разжижения описано в работах М.Н. Гольдштейна (1953). В результате динамического воздействия разрушение структуры и разжижение будут наблюдаться в пределах слабых рыхлых прослоев песчаной толщи. Песок рыхлого слоя начинает переукладываться, уплотняться, и если вышележащая часть грунта не будет успевать за его осадкой, то появится разрыв сплошности скелета грунта в виде прослойки воды -«щели» в толще грунта. Частицы песка, расположенные выше рыхлого слоя, падают через прослой воды, происходит их переукладка. А образовавшаяся «щель» постепенно перемещается вверх. Аналогичное поэтапное разрушение структуры песка Н.Т. Валишев (1958) называет послойным разжижением, но в отличие от ползучего, оно развивается сверху вниз за счет меньшей пригруженности верхней части. На глубину зоны проникновения послойного разжижения влияют интенсивность динамического воздействия, плотность и водопроницаемость песка.
Современные представления о критической пористости песков и существующие способы ее определения
В начале 20 века в нашей стране началось масштабное строительство - возведение многочисленных промышленных и транспортных объектов, гидроэлектростанций и т.д. Очень часто при проектировании и строительстве этих объектов приходилось сталкиваться с водонасыщенньши песками, которые либо залегают в основании сооружения, либо вскрываются в бортах выемок. В это же время широкое распространение приобрело и использование песчаных грунтов в качестве материала для намыва новых территорий, дорожных насыпей, земляных гидротехнических сооружений методом гидромеханизации. Несмотря на такие темпы строительства сооружений, связанных с водонасыщенньши песками, не было разработанного подхода и теории поведения и устойчивости данных грунтов при проектируемых нагрузках. Это привело к тому, что на практике при проектировании стали использовать метод аналогий с уже раннее выполненным строительством, который не позволяет учесть всех специфических особенностей каждого объекта. Следствием этого стали многочисленные аварии при строительстве и эксплуатации сооружений, особенно в сейсмических районах или при возможном воздействии на них других динамических нагрузок (удары волн, вибрации от подвижного транспорта, машинного оборудования и т. д.). Поэтому возникла необходимость разработки новой теории, которая отражала бы условия работы водонасыщенных песков в основании и в составе сооружений, в особенности воспринимающих сейсмические и динамические нагрузки - как природные, так и техногенные. Также возникла необходимость разработки расчетных методов по оценке степени устойчивости водонасыщенных песков в этих специфических условиях. В частности, необходимо было решить вопрос о способе установки допустимой плотности песков в основании и в теле земляных сооружений.
Давно уже было отмечено, что наибольшей опасности обрушения и оплывания подвержены сооружения с малой плотностью песка. Отсюда возникла необходимость рассматривать устойчивость сооружений в зависимости от плотности сложения песка. Так, в 40-50-е годы прошлого века были предложены теории «критической пористости» А. Казагранде (1935), «теория динамического нарушения структуры водонасыщенных песков» Н.М. Герсеванова (1939) и «фильтрационная теория» Н.Н. Маслова (1959).
Исследованиями критической пористости занимались такие известные ученые, как И.В. Яропольский, А. Казагранде, Н.М. Герсеванов, М.Н. Гольдштейн, В.В. Радина, В.А. Флорин, Н.Н. Маслов, А.Л. Рубинштейн и др. Все эти авторы принимают за критическую такую пористость, при которой сдвиг песка происходит без изменения его объема. Известен и несколько другой подход в определении этого понятия. Так, А. Казагранде, а вслед за ним Б.М. Гуменский (1939) и Ю.М. Абелев (1947) под критической пористостью предлагали понимать такое критическое состояние песка, достигнув которого он теряет свою несущую способность и превращается в жидкообразную массу. Однако, несмотря на общепринятое понятие критической пористости, существует несколько различных точек зрения относительно принципа определения критической пористости.
Впервые дилатансия была описана еще в 1885 году Осборном Рейнольдсом (Фенелонов, Пармон, 2005). Гуляя по пляжу после дождя, он обратил внимание, что вокруг следа его ноги образуется валик из визуально сухого песка. Казалось бы, что следует ожидать обратную картину - образование небольшой ямки и ее заполнение водой. Проведя ряд модельных экспериментов с песками разной влажности, О. Рейнольде понял, что этот эффект есть следствие повышения пористости песка. А увеличение пористости, в свою очередь, является необходимым условием движения частиц плотного песка, в том числе их смещения под действием внешней нагрузки. Это явление О. Рейнольде и назвал дилатансией (от лат. dilato - расширять).
Одной из первых отечественных публикаций о явлении дилатансии и критической пористости были данные опытов профессора И.В. Яропольского (1933), в которых ученый указывает, что в процессе сдвига рыхлого песка пористость в зоне сдвига уменьшается, тогда как при сдвиге плотного песка пористость в зоне сдвига возрастает.
Физически процесс сдвига в водонасыщенных песках разной плотности И.В. Яропольский представлял следующим образом. При сдвиге водонасыщенного плотного песка возникает гидродинамическое давление, которое направлено к зоне сдвига, так как вода втягивается в расширяющиеся поры этой зоны. Нормальное давление от нагрузки дополняется гидродинамическим давлением. Сопротивление сдвигу такого грунта повышается. По мнению И.В. Яропольского сдвиг идет как бы с самоторможением.
И, наоборот, при сдвиге водонасыщенного рыхлого песка гидродинамическое давление имеет обратное направление, так как вода выжимается из уплотняющейся зоны сдвига, что приводит к снижению нормального давления в этой зоне. Сопротивление сдвигу такого песка падает - сдвиг как бы облегчается.
Величина гидродинамического давления при сдвиге может быть равной нулю, если, во-первых, сдвиг происходит настолько медленно, что давление в жидкости успевает исчезнуть с той же скоростью, с какой происходит изменение пористости в зоне сдвига, и, во-вторых, когда пористость в зоне сдвига остается постоянной - критической.
Так, А. Казагранде считал, что критическая пористость является определенной константой для каждого песка. Песок, какую бы плотность он ни имел перед сдвигом, всегда приобретает в зоне сдвига одну и ту же критическую пористость, которая зависит только от крупности и формы зерен (т.е. постоянна для каждого песка).
А. Казагранде определял критическую пористость в условиях трехосного сжатия (в стабилометре). При этом деформирование образцов песка цилиндрической формы проводилось вертикальной нагрузкой (аі) при постоянном боковом давлении (аз). Согласно выбранной методике, критическая плотность (п=пкр) соответствует такому состоянию песка, при котором раздавливание образца происходит при его постоянном объеме, при этом соотношение j\/ о"з соответствует максимальному значению.
В целом, этим автором получено, что критическая пористость крупнозернистых песков близка к наиболее рыхлому их состоянию. Для средне- и мелкозернистого песков значение критической пористости, как правило, соответствует средней величине между Птах и nmjn. Для пылеватого песка критическая пористость по величине приближается к значению пористости в предельно плотном состоянии. Аналогичные результаты исследований величины критической пористости песков разной крупности приводит в своих работах и Б.М. Гуменский (1939).
Подобно А. Казагранде понимал критическую пористость и А.Л. Рубинштейн. В результате своих испытаний этот автор пришел к выводу, что если произвести сдвиг в двух образцах одного и того же песка, имеющих резко различную пористость (плотного и рыхлого), то во время сдвига в зоне сдвига обоих образцов грунт будет иметь примерно одинаковую пористость - критическую (Рубинштейн, 1961). Таким образом, непрерывное равномерное движение при сдвиге всегда приводит скелет грунта к его критической пористости. А.Л. Рубинштейн также отмечал, что для крупного песка величина пкр близка к наиболее рыхлому его состоянию, для среднего и мелкого песка пкр приблизительно равна средней величине между его рыхлым и плотным состоянием. При очень тонком скелете грунта, как, например, у неорганического ила критическая пористость близка к наиболее плотному состоянию этого грунта. Ученый также предлагал использовать критическую пористость как критерий для оценки устойчивости песка при разжижении.
Влияние начального напряженного состояния и условий нагружения на динамическую устойчивость песков
Среди характеристик начального напряженного состояния в работе рассмотрены плотность сложения песка, выраженная через степень плотности (Ь), и соотношение главных эффективных напряжений при предварительной консолидации образца (К0). При этом мы исходили из того, что влияние величины начального сжимающего напряжения на поведение несвязных грунтов под действием внешней нагрузки хорошо известно.
Степень плотности сложения песков (ID) рассматривается нами как одна из характеристик начального напряженного состояния грунта, поскольку она непосредственно влияет на общую площадь контактов между зернами, и, следовательно, при прочих равных условиях - и на величину межконтактных (истинных) напряжений. Для оценки этого эффекта мы провели расчет величины напряжений, возникающих на контактах между отдельными песчаными частицами при воздействии на весь образец заданной вертикальной нагрузки. Были рассмотрены пески разной крупности - пылеватый (проба 4) и мелкий (проба 11), а также выделенные песчаные монофракции различной крупности - монофракция мелкого (образец м2) и среднего (образец мЗ) песка, в плотном (ID=0.89) И средней плотности сложениях (ID=0.4). При расчете нами были приняты следующие допущения: 1) деформации зерен полагаются упругими; 2) все песчаные частицы круглой формы, одинакового размера и по минеральному составу кварцевые; 3) за единичный объем грунта (V2J) принят куб, грани которого по величине равны двум диаметрам частиц-сфер (2d). Диаметр частиц представляет собой средневзвешенную величину, учитывающую процентное содержание и средний размер зерен каждой фракции песка; 4) напряжения от действующей вертикальной нагрузки передаются одинаково во всем объеме песчаного образца.
Сжимающая вертикальная нагрузка передается на песчаный образец с известными геометрическими характеристиками (диаметром d06P и высотой h06P) и, согласно принятому допущению 4, равномерно распространяется во всем его объеме. Поэтому при расчете величины напряжений, возникающих на контакте между отдельными зернами, нами рассматривалась только часть образца - цилиндр, диаметр которого соответствует диаметру образца, а высота равна двум средневзвешенным диаметрам частиц данного песка.
Из-за сложности учета всех факторов, влияющих на величину аКОнт данный расчет является, конечно, упрощенным. Так, например, нами не выделяются и не рассматриваются отдельно "площадки" межзерновых контактов, располагающихся параллельно, под углом или перпендикулярно направлению действия нагрузки, на которых величина тКоит изменяется от нуля до максимального своего значения. И все же такое рассмотрение позволяет нам приблизительно оценить порядок величин возникающих окот.
Приведем пример такого расчета для монофракции мелкого песка (м2) при двух разных степенях плотности сложения ID=0.4 И ID-0.89. Средневзвешенный диаметр частиц песка d=0.175 мм. Тогда площадь контакта двух сфер при напряжении J[ =0.1 МПа, согласно уравнению (1), составит Ас=8-10 мм2. Полагая, что частицы имеют равный диаметр d =0.175 мм и объем VR=0.0028 ММ3, ИХ количество в единичном объеме грунта с пористостью п=0.47 (Ь=0.4) и п=0.41 (Ь=0.89) составляет Мп=8 и Мп=9, и число контактов каждой частицы с соседними к=7 и к=8, соответственно. Единичным объемом для рассматриваемого грунта является куб с гранями 2d=0.35 мм, объем которого равен V2d=0.043 мм . Тогда общее количество межчастичных контактов в единичном объеме грунта при Ь=0.4 составит Му=8, а при ID=0.89 - Му=9, а их площадь Qc =6.4-10"5 мм2 и Пс =7.2-10"5 мм , соответственно. Отсюда напряжения, возникающие на контакте каждой отдельной частицы, при действующем номинальном напряжении 0.1 МПа (что при среднем значении поперечного сечения образца 4.9 см соответствует величине вертикальной сжимающей нагрузке порядка 1.9 кгс) получаются равными 192.0 МПа при средней степени плотности песка (Ь=0.4) и 170.6 МПа при плотном сложении грунта (1р=0.89). Результаты расчетов значений Скот- для некоторых песков разной крупности приведены в табл. 4.2.1.
Так, в зависимости от степени плотности сложения песков при прочих равных условиях изменяется общая площадь контактов между частицами, и, следовательно, меняются величины возникающих на них напряжений. В частности, в наших расчетах получено, что в зависимости от структурных особенностей песков (их крупности, неоднородности) разница между значениями аконт в плотном и средней плотности сложениях может составить несколько десятков МПа.
Дж. Митчелл (Mitchell, 1993) предложил классификацию типов идеальной упаковки частиц круглой формы и одинакового размера, основными классификационными показателями которой являются координационное число частиц (it) и пористость грунта (п). Судя по полученным при расчетах значениям кпп, упаковки частиц рассмотренных природных песков и вьщеленных монофракций разной крупности близки к простой кубической и кубическо-тетраэдрической (табл. 4.2.2).
Так, для пылеватого песка (проба 4) как в плотном, так и средней плотности сложения, характерна простая кубическая форма укладки частиц, для мелкого (проба 11) -кубическо-тетраэдрическая. Однако, для монофракций мелкого и среднего песка в зависимости от их плотности отмечено различие в характере упаковки зерен. Например, в плотном сложении (ID=0.89) монофракции мелкого песка расположение частиц в пространстве образует кубическо-тетраэдрическую структуру, тогда как при ID=0.4 - простую кубическую. На рис. 1.7 (1.1) приведены схематические изображения расположения частиц в пространстве - структур песка, предложенные Дж.К. Митчеллом (1993).
Как было показано в предыдущем параграфе, в зависимости от плотности сложения влияние структурных особенностей песка на его динамическую устойчивость изменяется. При этом может меняться как степень (в большей или меньшей степени), так и само «направление» этого влияния (в сторону повышения или уменьшения динамической устойчивости). Так, влияние окатанности частиц становится более существенным для плотных песков, а влияние поверхностных пленок смешанного состава по-разному сказывается на динамической устойчивости песков в зависимости от их степени плотности. Это объясняется тем, что трение в гранулярной системе, а значит, сопротивление сдвигу и, соответственно, ее динамическая устойчивость, определяются количеством, площадью контактов и трением между частицами, которые напрямую зависят от плотности сложения. Поэтому от степени плотности сложения песка также будет зависеть возможность и характер перемещения отдельных песчаных зерен, тенденция изменения эффективных напряжений и порового давления в грунте при динамическом нагружении.
В целом, при прочих равных условиях подготовки образцов и проведения эксперимента с увеличением плотности сложения песка повышается его динамическая устойчи-» вость, что выражается в уменьшении осевых деформаций или темпа их накопления, а также в увеличении количества циклов воздействия и величины удельной рассеянной энергии на момент достижения заданного уровня деформаций. На приведенных в предыдущем параграфе гистограммах и графиках хорошо прослеживается эта зависимость (рис. 4.1.5,4.1.6,4.1.8-11).
Особое внимание при проведении динамических испытаний, как неоднозначному и наименее исследованному фактору, уделялось изучению влияния соотношения главных эффективных напряжений при предварительной консолидации образца (Кй), моделирующему коэффициент бокового давления покоя грунта, на его устойчивость при динамическом нагружении. В ГОСТ 12248-96 при испытаниях грунтов в условиях трехосного сжатия регламентировано проведение только изотропной консолидации, которая заключается в ступенчатом уплотнении образца всесторонним давлением в камере (ст3), что не отражает реальных условий существования грунта в массиве. В наших экспериментах изменение коэффициента бокового давления задавалось при постоянной вертикальной нагрузке, которая точнее и легче, по сравнению с горизонтальной, определяется по весу вышележащей толщи и глубине залегания уровня грунтовых вод.
Опыт практической оценки динамической устойчивости песков для целей проектирования сооружений и проявления установленных закономерностей
В этой части работы приведен опыт оценки динамической устойчивости песков в условиях их природного залегания в рамках крупных проектов «Сахалин-1» (на рис. 3.1 приведена схема трассы трубопроводов) и «Сахалин-2», а также проектов по оценке динамической устойчивости песчаных грунтов с территории Среднего Приобья в связи с проектированием земляного полотна автомобильных дорог и нефтепромысловых сооружений с динамическими нагрузками на грунты оснований. Тематика указанных проектов, в практической части которых автор принимал непосредственное участие, соответствует направлению диссертации. Так, например, цель работ по договорам «Сахалин-1,2» заключалась в определении в пределах трассы магистральных нефтепроводов (в частности, на участках островной части трассы трубопровода, в пределах косы Чайво и на переходе трубопровода через залив Пильтун) местоположения грунтов, потенциально разжижаемых при ожидаемых сейсмических воздействиях, а также в количественной оценке возможных деформаций в результате разжижения грунтов. При высокой вероятности возникновения значительных деформаций требовалось сформулировать рекомендации по инженерной защите сооружений нефтепровода.
Сейсмическое разжижение грунта является частным случаем динамического разжижения и обусловлено разрушением структурных связей водонасыщенных дисперсных грунтов под действием сейсмических волн. Вместе с тем, разжижение грунтов при землетрясениях определяется характером структурных связей и строением массива грунтов, рельефом участка и типом имеющихся на нем инженерных сооружений. Можно выделить два основных механизма сейсмического разжижения дисперсных грунтов (Вознесенский и др., 2005).
1. Разжижение вызывается стремлением рыхлой системы к сокращению объема при прохождении волн напряжений и "взвешиванием" частиц в воде с резким падением эффективных напряжений вплоть до их исчезновения (сг =0). Такой механизм характерен для несвязных и слабосвязных грунтов, обладающих очень слабым сцеплением. Процесс разжижения в этом случае включает разрушение структурных связей, собственно разжижение и уплотнение грунта, сопровождающееся отжатием воды из пор.
2. Разжижение вызывается резким снижением сопротивления связного грунта сдвигу в результате а) падения эффективных напряжений и б) разрушения коагуляционной струк 193
турной сетки при прохождении сейсмической волны. В результате развиваются огромные деформации, внешне проявляющиеся как течение грунтовой массы. В этом случае может не происходить заметного уплотнения грунта с отжатием влаги.
Таким образом, необходимыми условиями возможности сейсмического разжижения грунта являются: неустойчивость структурных связей грунта к сейсмической нагрузке; стремление грунта к уплотнению при сдвиговом деформировании - т.е. проявление отрицательной дилатансии; полное или близкое к нему водонасыщение грунта; невозможность быстрой диссипации избыточного порового давления, что в свою очередь может быть обусловлено: а) быстрым - лавинообразным - разрушением структурных связей даже в хорошо проницаемых грунтах, б) недостаточно высокой проницаемостью грунта, в) наличием перекрывающих слабопроницаемых слоев.
В этой части работы показано: 1) как установленные автором и описанные выше закономерности проявляются при практической оценке динамической устойчивости песков; 2) практическая значимость установленных закономерностей с точки зрения прогнозной оценки динамической устойчивости грунтов, выбора корректной методики моделирования поведения песков при динамическом воздействии в массиве или в составе земляных сооружений и определения возможных путей управления их динамической устойчивостью.
При выполнении перечисленных выше работ был выполнен большой объем динамических испытаний на несвязных грунтах, характеристика которых приведена в табл. 3.1. Динамические испытания песков с о. Сахалин проводились при разных уровнях заданных сейсмических нагрузок, соответствующих проектному (период повторяемости 200 и 500 лет по проектам «Сахалин-2» и «Сахалин-1», соответственно) и максимальному расчетному (период повторяемости 1000 лет по обоим проектам) землетрясениям. Плотность песков изменялась в широком диапазоне - от средней плотности сложения до предельно плотных.
Характерные формы реакции исследованных грунтов представлены в виде графиков развития осевых деформаций образцов (є, %) и относительного порового давления (PPR) в функции числа циклов воздействия (N) и траектории эффективных напряжений в координатной плоскости q-p . Момент разжижения грунта в опыте фиксируется по резкому увеличению осевой деформации на фоне быстрого роста порового давления (PPR до 1.0) и прохождения траектории эффективных напряжений через начало координат (q O, р-0), что означает полную потерю прочности на фоне исчезновения эффективных напряжений.
Как было установлено ранее (см. 4.2), немалую, а иногда и определяющую роль в динамической устойчивости песков играют параметры динамической нагрузки, в частности, амплитуда динамических напряжений и асимметрия цикла нагрузки. Так, в ходе наших исследований поведения песков при динамических нагрузках было показано, что возможность разжижения грунта в значительной мере определяется степенью инверсии знака касательных напряжений, возникновение которой при постоянном коэффициенте бокового давления покоя К0 определяется амплитудой динамических напряжений. Амплитуда напряжений при сейсмическом толчке в свою очередь, в основном, зависит от возникающих пиковых горизонтальных ускорений на поверхности почвы (PGA), а также от магнитуды толчка и природного давления. Оценка динамической устойчивости песков о. Сахалин определялась при нагрузках, соответствующих ожидаемому сейсмическому воздействию: для проектного землетрясения с периодом повторяемости Т=200 и 500 лет в соответствии с принятой сейсмологической моделью ожидаются значения PGA=0.23 и PGA=0.4, соответственно, при максимально расчетном землетрясении с Т=1000 лет -PGA=0.6.
Во всех случаях деформирование несвязных грунтов островной части прохождения трубопровода рассматриваемых проектов «Сахалин-1,2» проходит по типу быстро прогрессирующей циклической подвижности на фоне роста порового давления, которое за эквивалентное число циклов N=15 для М=7.5 (Seed, Idriss, 1982) для сейсмических нагрузок с периодом повторяемости 200 и 500 лет обычно заканчивалось накоплением значительных деформаций, а для нагрузок с Т=1000 лет - разжижением, выражающемся в быстром накоплении огромных осевых деформаций (до 5% и более) на фоне постепенно уменьшающихся эффективных напряжений. Характерные траектории эффективных напряжений при динамическом нагружении песков разной крупности, а также кинетика накопления деформаций и порового давления приведены на рис. 4.4.1 и в приложениях 27, 28.
Некоторые пески, как например, с площадок перехода трубопровода со дна залива Чайво на остров (пробы 36 и 37) по южному варианту прокладки трубопровода (проект «Сахалин-2») при динамических нагрузках, эквивалентных землетрясению с Т=1000 лет, разжижались в 27 и 35 циклах, соответственно. Следовательно, их можно считать условно устойчивыми при землетрясениях с магнитудами не более 7.5 (максимальное расчетное землетрясение), количество эквивалентных циклов воздействия для которых составляет 15. В целом же показано, что для песчаных грунтов этого участка при землетрясении с периодом повторяемости Т=200 лет разжижение маловероятно.
