Математическое моделирование развития подводных оползневых процессов при сейсмических и тектонических воздействиях
 Скачать 268 Kb.
|
|
Математическое моделирование развития подводных оползневых процессов при сейсмических и тектонических воздействиях И.А.Гарагаш, А.И.Шеменда Промышленное освоение шельфовой зоны, связанное с добычей полезных ископаемых и строительством подводных трубопроводов, делает проблему устойчивости подводных склонов актуальной. Ее надлежащее решение дает возможность обеспечить надежное функционирование подводного сооружения во всем возможном диапазоне нагрузок и воздействий. Подход к проблеме устойчивости склонов развивается в двух направлениях. Первое из них является полуэмпирическим и связано с дальнейшим обоснованием и совершенствованием инженерного подхода, основанного на концепции предельного пластического равновесия. Второе направление возникло с появлением достаточно мощных вычислительных машин и развитием численных методов решения задач механики сплошных сред. Оно базируется на определении напряженно-деформированного состояния склона с применением той или иной нелинейной математической модели грунта, при строгом учете всех действующих сил и переменности свойств грунта. Использование такого подхода в настоящее время считается обязательным при проектировании ответственных сооружений. При расчете устойчивости подводных склонов следует учитывать их насыщенность флюидом и вес вышележащей водной толщи. Существенным моментом при расчете оползней является выбор адекватной модели грунта для численных расчетов. Деформирование реальных грунтов после достижения предельной прочности продолжается при уменьшающемся напряжении, т.е. происходит уменьшение прочности при возрастании деформации (в испытаниях, как с дренажем, так и без него) до тех пор, пока напряжение не установится на некотором остаточном уровне [1]. Разупрочнение происходит в результате уменьшения сцепления между частицами среды и уменьшении угла внутреннего трения при накоплении неупругой сдвиговой деформации [2]. Известно, что при переходе на падающую ветвь кривой деформирования поведение материала становится неустойчивым и происходит локализация деформации в узких полосах сдвига [3]. Анализ устойчивости подводного склона Черного моря в месте прокладки трубопровода «Голубой поток» показал, что разупрочнение грунтов может привести к формированию полосы скольжения и быстрому развитию оползневого процесса [4]. Соскальзывание части консолидированного осадочного слоя, может увлечь за собой значительные массы воды и сформировать волну цунами на поверхности воды [5]. В работе с помощью программного кода FLAC3D [6] выполнен модельный расчет напряженно-деформированного состояния склона для геометрии, типичной для морского склона. Рассмотрен слой осадков, покоящийся на относительно жестком упругом основании и нагруженный весом вышележащей воды. Слой моделируется упруго-пластичной средой с предельным условием Кулона-Мора (Рис.1а). Слой и основание насыщены водой. Слой с плотностью  : модуль сдвига  Па, объемный модуль  Па, сцепление  Па, максимальный угол трения  , прочность на растяжение  Па, пористость  .Основание с плотностью  : модуль сдвига  Па, объемный модуль  Па, пористость  .На нижней границе приложено либо горизонтальное динамическое возбуждение длительностью 12 сек с частотой 3 герц и амплитудой 0.4м/сек, что соответствует землетрясению с магнитудой 7 (Рис.1b), либо медленно формирующееся вертикальное тектоническое перемещение дна, эпюра которого показана на Рис.1c. Таблица 1
Рассмотрено два варианта поведения упругопластического грунта: без разупрочнения и с разупрочнением. Зависимость сцепления и угла внутреннего трения от пластической интенсивности деформации приведена в Таблице 1.  Рис.1 а) Расчетная схема подводного склона, b) изменение скорости основания в процессе землетрясения, c) эпюра вертикального тектонического перемещения дна. Прежде чем подвергнуть склон динамическому воздействию, было смоделировано его начальное напряженное состояние, сформировавшееся под действием собственного веса и насыщения водой под давлением создаваемым морем. На Рис.2 показано эволюция зоны локализации сдвиговой деформации сдвига в окрестности контакта слоя без разупрочнения с основанием и графики изменения  Рис.2 Эволюция зоны локализации сдвиговой деформации сдвига для слоя без разупрочнения  Рис.3 Эволюция зоны локализации сдвиговой деформации сдвига для слоя с разупрочнением горизонтальных смещений среды на основании и в точке 1 (см. Рис.1а). Видно, что максимальное смещение не превышает 1м, в то время как в случае разупрочнения слоя перемещения достигают 16м (Рис.3) и происходит формирование не только основной полосы сдвига, но и оперяющих его зон локализации деформации. Если при отсутствии разупрочнения неупругое движение оползня прекращается сразу после окончания сейсмического воздействия, то в случае разупрочнения оползень продолжает двигаться. Заметим, что на 65 секунде к основанию было приложено динамическое возмущение (Рис.3), той же частоты и длительности, что и основной толчок, но с амплитудой 0.2м/сек, что соответствует землетрясению с магнитудой 6. Однако этот сейсмический импульс уже не внес качественных изменений в характер движения оползня.  Рис.4 Эволюция вертикальных перемещений (а) и зон локализации сдвиговой деформации для слоя без разупрочнения в случае медленного погружения дна.  Рис.5 Эволюция вертикальных перемещений (а) и зоны локализации сдвиговой деформации для слоя с разупрочнением в случае медленного погружения дна. Эволюция вертикальных смещений и сдвиговой деформации при медленном тектоническом погружении дна на 25см показаны на Рис.4 (разупрочнение материала сдоя отсутствует) и на Рис.5 ( слой разупрочняется). Можно отметить, что характер локализации деформации существенно зависит от поведения материала за пределом прочности. Анализ выполненных расчетов приводит к выводу, что снижение прочности грунта в процессе развития пластических деформаций при сейсмических и тектонических воздействиях является ключевым фактором, контролирующим устойчивость склона. Землетрясение является триггером, оно подталкивает массы на склоне, приводит к превышению напряжениями предела прочности. После этого ситуация в случае разупрочнения слоя становится неустойчивой и продолжается за счет накопленной потенциальной энергии. В случае пренебрежения эффектом снижения прочности грунта смещения склона остаются малыми, что может привести к недооценке оползневой опасности. ЛитератураBishop A.W. Shear strength parameters for undistributed and remoulded soil specimens. Stress-strain behavior of soils (ed. By R.H.G.Parry), Proceedings of the Roscoe Memorial Symposium, Cambridge University, 1972, p.3-58. Vermeer P.A., de Borst R. Non-associated plasticity for soils, concrete and rock. Heron, 1984, 29, No.3, 1-64. Garagash I.A., Nikolaevsky V.N. Nonassociated flow rules and localization of plastic deformation. Advances in Mechanics, 12,1, 1989, p.131-183. Garagash I.A., Lobkopvsky L.I Geomechanical estimation of landslide processes and their monitoring on slopes of Black sea in connection with realization of the project «Blue Stream ». Proceedings of VI Iinternational conference «Modern methods and facilities of oceanologic explorations», Moscow, 2000, p.5-15. Garagash I.A., Lobkovsky L.I., Mazova R.H. Generation and tsunami waves during underwater landslide. Oceanology , 2, 2003. FLAC3D, Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3D Dimensions, Version 2.0, User’s Manual. Itasca Consulting Group, Inc, Minneapolis, 1997. |
