CALCULATION OF FOUNDATION SOIL STABILITY WITH STRUCTURE REMOVED IN SUPPOSITION OF CIRCULAR CYLINDRICAL SLIDING SURFACES

DOI:https://doi.org/10.23670/IRJ.2022.119.5.056

РАСЧЕТ УСТОЙЧИВОСТИ ГРУНТА ОСНОВАНИЯ ПРИ ОТРЫВЕ СООРУЖЕНИЯ В ПРЕДПОЛОЖЕНИИ КРУГЛОЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ СКОЛЬЖЕНИЯ

Научная статья

Норина Н.В.^*

ORCID: 0000-0003-3126-6648,

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, Санкт-Петербург, Россия

^* Корреспондирующий автор (bennor[at]yandex.ru)

Аннотация

В статье описаны условия отрыва малозаглубленного сооружения от грунтов основания. Описан эксперимент для фиксации перемещения грунта при действии отрывающих усилий на основе способа фотосъемки. Время отрыва в этом случае определяется временем заполнения полости водой и вертикальным перемещением сооружения. Описан метод расчета прочности основания – способ круглоцилиндрических поверхностей скольжения, предложенный К. Терцаги. Показано, что до возникновения отрыва сооружения по подошве возможен отрыв сооружения с захватом грунта основания, что определяется скоростью нарастания отрывающего усилия и его интенсивностью. Возможность отрыва сооружения с захватом грунта основания увеличивается с уменьшением отрицательных избыточных давлений в воде.

Ключевые слова: отрыв малозаглубленного сооружения от грунта, способ круглоцилиндрических поверхностей скольжения, устойчивость грунтовых оснований, коэффициент запаса устойчивости.

CALCULATION OF FOUNDATION SOIL STABILITY WITH STRUCTURE REMOVED IN SUPPOSITION OF CIRCULAR CYLINDRICAL SLIDING SURFACES

Research article

Norina N.V.^*

ORCID: 0000-0003-3126-6648,

Saint Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering, Saint Petersburg, Russia

^* Corresponding author (bennor[at]yandex.ru)

Abstract

The article describes cases of shallow foundation removal from soil. The experiment of fixating the soil movement during pull impact is recorded with photography. The time span of removal in this case is determined by the time needed to fill the cavity with water and move the construction vertically. Method of calculating the foundation endurance, that of circular cylindrical sliding surfaces, presented by K. Terzhagi is described. It is shown that before the construction may be removed down its foundation, it can affect the soil with its removal, which is determined by pull increase and intensity. The possibility of construction and soil removal increases with negative water pressure reduction.

Keywords: shallow construction off soil removal, circular cylindrical sliding surfaces method, soil foundation endurance, stability coefficient.

Введение

В настоящее время вопросы, связанные с определением усилия отрыва сооружений от водонасыщенного грунта, приобретают особую актуальность в связи:

1. С активным строительством и эксплуатацией морских подводных трубопроводов [1], [2]
2. С использованием для разведочного и экспериментального бурения на нефть и газ на континентальном шельфе стационарных платформ, условия строительства которых в открытом море и при штормах обусловили к ним требование возможности быстрого демонтажа при их перебазировке и повторной эксплуатации на других месторождениях [3], [4], [5].
3. С использованием в арктических морях стационарных металлических платформ высокой прочности со сложной многоколонной системой опоры о дно и одноопорных платформ (моноподов)
4. С проведением аварийно-спасательных операций и при судоподъеме

В связи с этим целью работы является разработка методики оценки условий отрыва сооружения при использовании существующих численных методов решения плоской задачи реконсолидации основания под действием отрывающей нагрузки

Основные результаты

При полном отсутствии заглубления условие отрыва сооружения по его подошве может быть представлено в виде уравнения

(1)

где σ_z– напряжения в скелете грунта,

L– липкость грунта,

q_соор – вес сооружения,

b – размер сооружения,

при этом

где p_i – давление в поровой воде

q - отрывающая нагрузка

Время отрыва t_отр = t_L, т.е. соответствует моменту времени t_L, когда суммарные растягивающие напряжения по подошве равны суммарным силам липкости (L).

В случае даже небольшого заглубления сооружения в грунт (h) время отрыва определяется временем заполнения полости водой и вертикальным перемещением сооружения вверх S, определяемым по зависимости

(2)

где  - средний приток воды в полость за расчетный промежуток времени  .

Принимая, что после преодоления заглубления в грунт h, происходит заполнение всей полости водой, имеем условие отрыва сооружения от грунта в виде

S = h

и соответствующее условию (2) время отрыва сооружения от грунта по подошве (t_отр).

До возникновения отрыва сооружения по подошве возможен отрыв сооружения с захватом грунта основания [6], [7], [8], [9]. Возможность отрыва с захватом грунта основания существенно определяется скоростью нарастания отрывающего усилия и его интенсивностью. По мере уменьшения величины отрицательных избыточных давлений в воде возможность возникновения отрыва сооружения с захватом грунта основания увеличивается [10], [11].

Для выбора метода расчета прочности оснований были проведены исследования траекторий движения частиц грунта при действии отрывающих усилий. В опытах использовался полностью водонасыщенный кембрийский суглинок (табл. 1). Эксперимент проводился в стеклянном лотке с размерами в плане 225х375 мм, высотой 210 мм. С целью снятия сил трения грунта по стеклянной стенке лотка она предварительно покрывалась тонким слоем вазелина. Затем на поверхность вазелина наносились частицы древесного угля, затем стенка лотка покрывалась слоем грунта. Таким образом, частицы древесного угля оказывались с одной стороны на передней стенке лотка, а с другой – сцепленными с частицами грунта. Затем заполнялось грунтом остальное пространство лотка. На поверхность грунта устанавливался металлический штамп размерами в плане 50х60 мм. Такие размеры штампа обеспечивали полное размещение смещающихся частей грунта в пределах размера лотка.

Таблица 1 – Характеристики кембрийского суглинка

Наименование грунта	Влажность на границе		Число пластичности	Плотность частицг/см3	Коэффициент пористости
	текучести	пластичности
Суглинок кембрийский	0,33	0,20	0,13	2,78	0,5

К штампу прикладывалось отрывающее усилие 30Н. Для фиксации перемещения грунта использовался способ фотосъемки, впервые примененный В.И. Курдюмовым. Фотосъемка производилась при выдержке 2 сек. На рис. 1 представлена фотография грунта с вкрапленными частицами угля за прозрачной стенкой лотка при отрыве штампа. Перемещающиеся вместе со штампом частицы грунта оставляли на пленке «смазанный» след, соответствующие траектории движения грунта. Как видно из фотографии границы между областями и смещающегося грунта («смазанный» след) по форме близки к дуге окружности.

Рис. 1 – Перемещающиеся частицы грунта («смазанный» след), расположенные за прозрачной стенкой лотка при отрыве штампа

Следовательно, в качестве метода оценки возможности отрыва с грунтом основания можно принять способ круглоцилиндрических поверхностей скольжения.

При расчете устойчивости с захватом грунта основания необходимо учитывать действие отрывающих нагрузок, передающихся на скелет грунта за счет сил адгезии, а также действия фильтрационных сил (рис. 2, а, б). Действие этой системы сил можно заменить эквивалентной (рис. 2, в), прикладывая по подошве сооружения отрывающую нагрузку (q_отр), принимая грунт полностью насыщенным водой (γ_нас), а по кривой обрушения, прикладывая полные граничные давления в воде (избыточные P и гидростатическиеP_{гидрост}).

Рис. 2 – Основная расчетная схема действия сил:

(I) и эквивалентная схема;(II) при оценке устойчивости

Расчет коэффициента запаса устойчивости для рассматриваемой схемы (рис. 3) производится по зависимости К. Терцаги.

В задачу расчета входит определение круглоцилиндрической поверхности скольжения, по которой коэффициент запаса устойчивости достигает для данного момента времени отрыва минимального значения K_зmin.

Отрыв считается возможным при коэффициенте запаса устойчивости K_з = 1.

Рис. 3 – Расчетная схема оценки устойчивости по круглоцилиндрическим поверхностям скольжения

Коэффициент запаса устойчивости K_з(x_R, y_R) является функцией двух переменных параметров x_R, y_R – координат центра расчетной дуги окружности.

Оптимизация K_з сводится к подбору сочетаний этих параметров в некоторой области таким образом, чтобы функция K_з(x_R, y_R) имела минимальное значение. Поиск производится методом Гаусса-Зейделя. Перед началом процедуры выбирается окружность с параметрами x_R0, y_R0 и начальные шаги поиска ∆x и ∆y. Поиск производится вариацией параметров x_R, y_R. Вначале изменяем первый параметр x_R от начального значения x_R0 на величину ±∆x, оставляя второй параметр y_R0 постоянным, осуществляя одномерный поиск по x_R, пока не получим значение K_з наименьшим при параметрах x_R1 = x_R0±n₁∆x и y_R0. Затем из полученной точки начинаем менять второй параметр y_R на величину ±∆y, оставив закрепленным первый параметр. Проводим подобную одномерную процедуру поиска по y_R пока не найдем наименьшее значение K_з в точке (x_R1 = x_R0±n₁∆x; y_R1 = y_R0±m₁∆y). Затем опять меняем первый параметр с шагом ±∆xиз точки (x_R1; y_R1)до получения наименьшего значения K_з в точке (x_R2 = x_R1±n₂∆x; y_R1) и меняем второй параметр y_R1 с шагом ±∆y, пока не достигнем наименьшего значения K_з в точке (x_R2; y_R2 = y_R1±m₂∆y). И так далее пока не получим наименьшее значение K_з по двум параметрам одновременно. Т.е. попадем в точку (x_R*; y_R*). Такая точка называется стационарной. После этого для уточнения результата процедура поиска повторяется из точки (x_R*; y_R*) с шагами 0,5∆xи 0,5∆y. Шаги дробятся, до тех пор, пока полученные наименьшие значения K_з в стационарных точках не будут отличаться друг от друга на заранее заданную величину (например, 0,005).

Определяя для различных моментов времени K_зmin, при получении K_зmin = 1 определяется момент времени отрыва с захватом грунта основания (t_отр).

В зависимости от характеристик грунта, размеров сооружения, скорости нарастания и интенсивности приложения отрывающей нагрузки возможен отрыв как по подошве сооружения, так и с захватом грунта основания. Время отрыва принимается минимальным из полученных.

Определение круглоцилиндрических поверхностей скольжения производилось в рамках решения плоской задачи реконсолидации основания под действием отрывающей нагрузки.

В качестве примера решения плоской задачи реконсолидации основания и отрыва малозаглубленного сооружения от грунта приведены результаты расчета, выполненные при следующих исходных данных:

Δh = 0,5 м, е = 0,5; γ_w = 0,01МПа/м; К = 10^-4м/с; a= 1,10^-4Мпа^-1; Δq = 2·10^-3Мпа;

L = 0,05МПа; q_соор = 0,02МПа; x_R = 6м; y_R= 12м,

где е. К, а – коэффициенты пористости, фильтрации, сжимаемости;

Δq – изменение нагрузки за время Δt

На рис. 4 изображена расчетная область. Расстояние между узлами сетки Δx = Δz = Δh.

К малозаглубленному сооружению шириной 10м приложена равномерно распределенная нагрузка q. Нагрузка прикладывается ступенями по 2·10^-3МПа за каждое Δt. Нагрузка возрастает от нулевого значения до 0,036Мпа в течении 18 часов, затем остается постоянной. На рис. 5 представлена трансформация эпюры поровых давлений по дуге скольжения для моментов времени 29,2, 29,3, 300 часов.

Рис. 4 – Расчетная область

Рис. 5 – Трансформация эпюры поровых давлений по дуге скольжения для моментов времени:

а) 29,2 часа; б) 29,3 часа; в) 300 часов

Результаты расчетов показывают, что с увеличением скорости приложения отрывающей нагрузки отрыв сооружения происходит с захватом грунта основания при нагрузках больших, чем в случае малых скоростей нагружения и сравнительно малых нагрузках, отрывающих сооружение по контакту с грунтом (без захвата грунта).

Заключение

Лабораторные опыты с отрывом малых штампов от глинистого основания показали, что при нарушении устойчивости (при отрыве) траектории смещения элементов основания близки к круглоцилиндрическим. По характеру перемещений элементов основания случай нарушения устойчивости при отрыве модели сооружения аналогичен случаю выпора грунта из-под модели сооружения, но обратный по направлениям движения штампа и элементов грунта. Поскольку целью эксперимента было установление качественной картины перемещения элементов основания при отрыве модели сооружения, то масштабный эффект не учитывался.

Характер перемещения элементов основания, установленный в результате эксперимента при отрыве модели сооружения на малом штампе, получился аналогичным характеру перемещения при выпоре грунта из-под модели сооружения, который имеет место при стандартных испытаниях грунта на больших штампах, поэтому результат эксперимента можно распространить и на большие штампы.

Разработанная методика оценки условий отрыва сооружения позволяет:

1. Оценить при заданной отрывающей нагрузке длительность ее приложения, которая необходима для отрыва сооружения от грунта.
2. При заданной возможной скорости нарастания отрывающей нагрузки определить время отрыва сооружения от грунта
3. При заданном времени отрыва сооружения от грунта определить требуемую отрывающую нагрузку и скорость ее нарастания
4. Определить каким образом происходит отрыв сооружения, с захватом грунта или только по подошве сооружения

Конфликт интересов	Conflict of Interest
Не указан.	None declared.

Список литературы / References

1. Эксплуатационная надежность морских трубопроводов в сложных инженерно-геологических условиях континентального шельфа России /Т. И. Лаптева, М. Н. Мансуров, М. В. Шабарчина и др. //Безопасность труда в промышленности. – 2018. – № 1. – С. 30-34.
2. Бородавкин, П.П. Механика грунтов / П.П. Бородавкин. – М., Недра Бизнесцентр, 2003. – 349 с.
3. Марченко И.А. особенности инженерных изысканий для постановки буровых платформ в арктических морях // Вести газовой науки. – №2 (39). – 2019. – с. 149-156.
4. Морские трубопроводы в транзитной зоне арктического шельфа. Обеспечение работоспособности / Т. И. Лаптева, М.Н.Мансуров, М. В. Шабарчина и др. // Oil&Gaz Россия. – 2018. – № 9. – С. 78-84.
5. Захаров М.М. К вопросу определения усилий при подъеме опорных колонн буровых установок, погруженных в глинистый грунт / М.М.Захаров. – Азербайджанское нефтяное хозяйство, 1981. – №3. – с. 65-68.
6. Бугров А.К.Расчетная оценка усилия отрыва от водонасыщенного грунта сооружения с неплоской подошвой / А.К.Бугров, А.И. Голубев // Реконструкция городов и геотехническое строительство. – 2003. –№5. – [Электронный ресурс]. URL:http://georeconstruction.net/journals/05/11/11.htm (дата обрашения 10.05.2022).
7. Голубев А.И. К вопросу расчета осадки сооружения при волновом нагруженииводонасыщенного основания / А.И.Голубев // Строительная механика и расчет сооружений: Сб. науч. тр. СПбГТУ. СПб. – 1996.
8. Голубев А.И. Расчет процесса консолидации слабых водонасыщенных грунтов / А.И.Голубев // Строительная механика и расчет сооружений: Сб. науч. тр./ СПбГТУ. СПб. – 1992.
9. Бугров А.К. Анизотропные грунты и основания сооружений / А.К.Бугров, А.И. Голубев–СПб.: Недра, 1993.
10. Герасимов В.Н. Фильтрационная составляющая сопротивления грунта отрыву поднимаемого судна / В.Н. Герасимов // Труды Ленинградского кораблестроительного института. Л., Судостроение и судовое машиностроение. – 1959. –№ 29. – С. 21-25
11. Кузнецов А.Ю. Явление присоса при отрыве судна от донной постели в процессе перегрузки тяжеловесных грузов накатным способом и методы его преодоления /А.Ю. Кузнецов //Транспортный бизнес в России. –2014. – №5. –С. 23-26

Список литературы на английском языке / References in English

1. Ekspluatatsionnaya nadezhnost morskikh truboprovodov v slozhnykh inzhenerno-geologicheskikh usloviyakh kontinentalnogo shelfa Rossii [Operational reliability of offshore pipelines in complex engineering and geological conditions of the continental shelf of Russia] / T. I. Lapteva, M. N. Mansurov, M. V. Shabarchina et al. //Bezopasnost truda v promyshlennosti [Occupational safety in industry]. – 2018. – No. 1. – pp. 30-34.[in Russian]
2. Borodavkin, P.P. Mekhanika gruntov [Mechanics of soils] / P.P. Borodavkin. – M., Nedra-Business Center, 2003. – 349 p.[in Russian]
3. Marchenko I.A. Osobennosti inzhenernykh izyskaniy dlya postanovki burovykh platform v arkticheskikh moryakh [Features of engineering surveys for drilling platforms in the Arctic seas] / I.A. Marchenko // Vesti gazovoy nauki [News of Gas Science]. –2019. – No.2 (39). – pp. 149-156.[in Russian]
4. Morskiye truboprovody v tranzitnoy zone arkticheskogo shelfa. Obespecheniye rabotosposobnosti [Offshore pipelines in the transit zone of the Arctic shelf. Description of the work] / T. I. Lapteva, M.N.Mansurov, M. V. Shabarchina et al. // Oil&Gaz Rossiya [Oil&Gaz Russia]. – 2018. – No. 9. – pp. 78-84.[in Russian]
5. Zakharov M.M. K voprosu opredeleniya usiliy pri podyeme opornykh kolonn burovykh ustanovok. pogruzhennykh v glinistyy grunt [On the issue of determining the forces when lifting the support columns of drilling rigs immersed in clay soil] / M.M. Zakharov // Azerbaydzhanskoye neftyanoye khozyaystvo [Azerbaijan Oil Industry]. – 1981. –No. 3. – pp. 65-68.[in Russian]
6. Bugrov A.K.Raschetnaya otsenka usiliya otryva ot vodonasyshchennogo grunta sooruzheniya s neploskoy podoshvoy [Estimated estimation of the separation force from the water-saturated soil of a structure with a non-planar sole] / A.K.Bugrov, A.I. Golubev // Rekonstruktsiya gorodov i geotekhnicheskoye stroitelstvo [Urban reconstruction and geotechnical construction]. – 2003. – №5. – [Electronic resource]. URL: http://georeconstruction.net/journals/05/11/11.htm (accessed: 11.05.2022).[in Russian]
7. Golubev A.I. K voprosu rascheta osadki sooruzheniya pri volnovom nagruzhenii vodonasyshchennogo osnovaniya [On the issue of calculating the precipitation of a structure under wave loading of a water-saturated base] / A.I. Golubev // Stroitelnaya mekhanika i raschet sooruzheniy: Sb. nauch. tr. SPbGTU. SPb [Construction mechanics and calculation of structures: Sb. sci. tr. SPbSTU. SPb]. – 1996.[in Russian]
8. Golubev A.I.Raschet protsessa konsolidatsii slabykh vodonasyshchennykh gruntov[Calculation of the consolidation process of weak water-saturated soils] / A.I. Golubev //Stroitelnaya mekhanika i raschet sooruzheniy: Sb. nauch. tr./ SPbGTU. SPb[Construction mechanics and calculation of structures: Sb. nauch. tr./ SPbSTU. SPb]. – 1992.[in Russian]
9. Bugrov A.K.Anizotropnyye grunty i osnovaniya sooruzheniy [Anisotropic soils and foundations of structures] / A.K.Bugrov, A.I. Golubev. – St. Petersburg: Nedra, 1993.[in Russian]
10. Gerasimov V.N. Filtratsionnaya sostavlyayushchaya soprotivleniya grunta otryvu podnimayemogo sudna [Filtration component of soil resistance to the separation of the lifted vessel] /V.N.Gerasimov // Trudy Leningradskogo korablestroitelnogo instituta. L.. Sudostroyeniye i sudovoye mashinostroyeniye [Proceedings of the Leningrad Shipbuilding Institute. L., Shipbuilding and ship engineering]. – 1959. – No. 29. – pp. 21-25.[in Russian]
11. Kuznetsov A.Yu. Yavleniye prisosa pri otryve sudna ot donnoy posteli v protsesse peregruzki tyazhelovesnykh gruzov nakatnym sposobom i metody ego preodoleniya [The phenomenon of suction when the vessel is detached from the bottom bed in the process of overloading heavy loads by rolling method and methods of overcoming it] / A.Yu.Kuznetsov //Transportnyy biznes v Rossii [Transport Business in Russia]. – No. 5. – 2014. – pp. 23-26. [in Russian]