В трубопроводном строительстве
 Скачать 1.7 Mb.
|
|
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Уфимский государственный нефтяной технический университет» Структурное подразделение «Институт дополнительного профессионального образования» Т.Р. Мустафин ОСНОВЫ МЕХАНИКИ ГРУНТОВ В ТРУБОПРОВОДНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ Учебное пособие Электронное издание утверждено приказом ССП УГНТУ «ИДПО» от 05.06.2019 №09/1-03/17 в качестве учебного пособия © Т.Р. Мустафин, 2018 © ССП УГНТУ «ИДПО», 2018 Уфа ФГБОУ ВО «УГНТУ» • ССП УГНТУ «ИДПО» 2018 УДК 624 ББК 26.3 М91 Рецензенты: д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Сооружение и ремонт газонефтепроводов и газонефтехранилищ» ФГБОУ ВО «УГНТУ» И.Ф. Кантемиров; зам. генерального директора ООО «СМУ Трубопроводстрой» Э.А. Гареев М91 Основы механики грунтов в трубопроводном строительстве [Электронный ресурс]: учебное пособие/ Т.Р. Мустафин – Электрон. текстовые дан. (1,63 Мб) – Уфа: УГНТУ, 2018 – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM) – Систем. требования: проц. с такт. частотой 700МГц и выше; 128 Мб опер. памяти и выше; разреш. экрана 1024x768 пикс.; ОС Windows, macOS, Windows Phone, Android, iOS; Программа/приложение для чтения файлов .pdf. – Загл. с титул.экрана В учебном пособии рассмотрены основные сведения о грунтах – основные понятия, происхождение и классификация грунтов, их состав и строение. Приведены физические и механические свойства и характеристики грунтов, расчетные модели грунтов, расчеты по определению напряжений в грунте в случае пространственной и плоской задачи. Рассмотрены условия возникновения предельно напряженного состояния грунтов. Пособие содержит базовые знания, необходимые для дальнейшего изучения вопросов прочности, устойчивости и давления грунтов на ограждения, вопросов расчета осадок фундамента. Учебное пособие предназначено для слушателей Института дополнительного профессионального образования, студентов вузов, специалистов нефтегазодобывающих предприятий. УДК 624 ББК 26.3 ISBN 978-5-7831-1777-0 © Т.Р. Мустафин, 2018 © ССП УГНТУ «ИДПО», 2018 3 Оглавление 1 Классификация, состав и строение грунтов. Физические свойства .............................. 4 1.1 Основные понятия, изучаемые вопросы и задачи курса .......................................... 4 1.2 Разновидности грунтов и их классификация ............................................................ 6 1.3 Составляющие грунтов. Структура и текстура грунта .......................................... 10 1.4 Физические характеристики грунтов ....................................................................... 14 1.5 Определение разновидностей грунтов в строительстве ........................................ 22 2 Механические свойства грунтов ..................................................................................... 23 2.1 Сжимаемость грунтов под воздействием внешних нагрузок ................................ 23 2.2 Сопротивление грунтов сдвигу ................................................................................ 30 2.3 Фильтрационные свойства грунтов .......................................................................... 39 2.4 Влияние подземных вод на строительные свойства грунтов и на фундаменты . 43 3 Напряженное состояние грунтовых оснований ............................................................ 47 3.1 Расчетные модели грунтов ........................................................................................ 47 3.2 Напряженное состояние грунта от сосредоточенной силы ................................... 50 3.3 Распределение напряжений в случае плоской задачи ............................................ 55 3.4 Области предельно напряженного состояния грунта ............................................. 60 Список использованных источников................................................................................. 69 4 1 Классификация, состав и строение грунтов. Физические свойства 1.1 Основные понятия, изучаемые вопросы и задачи курса Механика грунтов – строительная дисциплина, изучающая грунты основания и их взаимодействие с сооружениями. В рамках механики грунтов изучаются следующие вопросы: напряженно- деформированного состояния грунтов и грунтовых массивов, условия прочности грунтов, давление на ограждающие конструкции, осадки сооружений, устойчивость грунтовых оснований и сооружений и ряд других вопросов. В качестве сооружений будем рассматривать сооружения нефтяной и газовой промышленности – это различного рода трубопроводы, предназначенные для транспортировки, нефти, газа, газового конденсата, продуктов газо- и нефтепереработки; резервуары; опоры под конструкции; подпорные стенки; сваи; тоннели и т.д. Основными задачами дисциплины являются: − объективная оценка физико-механических свойств грунтов; − определение напряженно-деформированного состояния грунтового массива; − оценка прочности и устойчивости грунтовых массивов; − расчет оснований фундаментов нефтегазовых сооружений. Грунт – это любые горные породы, как рыхлые, так и монолитные, залегающие в пределах зоны выветривания (включая почвы) и являющиеся объектом инженерно-строительной деятельности человека [1]. Грунт – любые горные породы, почвы, осадки и техногенные образования, рассматриваемые как многокомпонентные динамичные системы и часть геологической среды и изучаемые в связи с инженерно-хозяйственной деятельностью человека [2]. Основанием называется массив грунта, находящийся непосредственно под сооружением и рядом с ним, который деформируется от усилий, 5 передаваемых ему с помощью фундаментов (рисунок 1.1). Если строительные свойства грунтов основания мы специально не улучшаем и не изменяем, то такое основание называется естественным, в отличие от искусственного основания, в котором строительные свойства грунтов преднамеренно нами улучшены для того, чтобы уменьшить сжимаемость грунтов, увеличить их прочность и др. Основания, созданные искусственно уложенными грунтами в результате отсыпки с уплотнением или намыва, также называются искусственными [3]. Трубопровод Опора трубопровода хомутовая Фундамент – подземная, заглубленная либо подводная часть сооружения, предназначенная для передачи нагрузки от сооружения к грунту Грунт обратной засыпки Несущий слой грунта Основание – область грунта, воспринимающая давление от сооружения Рисунок 1.1 – Система сооружение – фундамент – основание (грунты) Фундаментом называется подземная, заглубленная либо подводная часть здания или сооружения, предназначенная для передачи усилий от него на 6 грунты основания и, по возможности, более равномерного их распределения, а также уменьшения величины давлений до требуемых значений. Нижнюю поверхность фундамента называют подошвой, расстояние от поверхности планировки грунта до подошвы фундамента – глубиной заложения фундамента [4]. Слой грунта под подошвой фундамента называется несущим слоем грунта; остальные слои – подстилающие. 1.2 Разновидности грунтов и их классификация Все многообразие природных грунтов формировалось на протяжении миллионов лет под воздействием различных факторов. Это взрывные воздействия при формировании земной коры, температурные и гидравлические воздействия, разрушение пород под действием собственного веса грунта, перемалывание и истирание пород движущейся водой рек, морей и т.п., наконец, воздействия на минеральные породы растительного и животного мира. В результате образовались различные грунты, отличающиеся минеральным составом, размером отдельных составляющих, прочностью, химическим составом частиц грунта, их связями друг с другом и т.п. Поэтому возникла необходимость классифицировать грунты с тем, чтобы можно было использовать усреднение для каждого грунта из классификации характеристик грунтов в проектной и строительной практике [1]. В настоящее время Межведомственной научно-технической комиссией по стандартизации и техническому нормированию в строительстве принят ГОСТ 25100-2011 «Грунты, классификация» [2], в котором даны подробная классификация грунтов, а также основные определения и терминология. Классификация грунтов включает следующие единицы, выделяемые по группам признаков: − класс (подкласс) – по природе структурных связей; 7 − тип (подтип) – по генезису; − вид (подвид) – по вещественному (включая минеральному), петрографическому или литологическому составу; − разновидности – по количественным показателям состава, строения, состояния и свойств грунтов. Не приводя полной классификации по ГОСТ, в более компактной форме охарактеризуем основные признаки классов грунтов. 1. Скальный грунт – грунт, имеющий жесткие структурные связи кристаллизационного и/или цементационного типа. Это грунты, обладающие структурным сцеплением, высокой прочностью и плотностью. Они являются надежным основанием для строительства на них различных нефтегазовых объектов. Типы скальных грунтов: − магматические; − осадочные; − метаморфические; − вулканогенно-осадочные; − техногенные. К магматическим горным породам относятся граниты, диориты, диабазы, габбро и т.д. Это породы, образовавшиеся из магмы в результате её поступления в верхние горизонты Земли, охлаждения и застывания. Осадочные горные породы – это породы, которые образуются в результате переотложения продуктов выветривания и разрушения различных горных пород, химического и механического выпадения осадка из воды, жизнедеятельности организмов или всех трёх процессов одновременно. К ним относятся песчаники, конгломераты, брекчии, известняки, доломиты и т.д. Метаморфические горные породы образовались в толще земной коры в результате изменения осадочных и магматических горных пород вследствие 8 изменения физико-химических условий. Это гнейсы, сланцы, кварциты, мраморы и т.д. Вулканогенно-осадочные – это горные породы, состоящие из вулканического и осадочного материала, который может быть твёрдым обломочным, возникающим при взрывных извержениях вулканов (лавовые брекчии и др.). Элювиальные – это скальные грунты трещинных зон выветривания. Техногенный грунт – грунт, измененный, перемещенный или образоваванный в результате инженерно-хозяйственной деятельности человека. Опока Гранит Мрамор Брекчия Рисунок 1.2 – Некоторые подвиды скальных грунтов 2. Дисперсный грунт – грунт, состоящий из совокупности твердых частиц, зёрен, обломков и др. элементов, между которыми есть физические, физико-химические или механические структурные связи. По генезису к рыхлым грунтам, называемым также дисперсными, относятся грунты, состоящие из отдельных элементов, образовавшихся в процессе выветривания скальных грунтов. Перенос отдельных частиц рыхлого грунта водными потоками, ветром, оползанием под действием собственного веса и т.п. приводит к образованию больших массивов рыхлых грунтов. Связи между отдельными частицами слабые. Рыхлые или дисперсные грунты не всегда обладают достаточной 9 несущей способностью, поэтому размещение на таких грунтах сооружений должно быть обоснованным [1]. Одной из основных характеристик рыхлых грунтов является размер отдельных частиц и их связанность друг с другом. Дисперсные грунты могут быть несвязные и связные. Несвязный грунт – дисперсный грунт, обладающий механическими структурными связями и сыпучестью в сухом состоянии. Связный грунт – дисперсный грунт с физическими и физико- химическими структурными связями. В зависимости от размеров отдельных частиц несвязные грунты подразделяют на крупнообломочные и песчаные. Крупнообломочный грунт – несвязный минеральный грунт, в котором масса частиц размером крупнее 2 мм составляет более 50 %. Песчаный грунт (песок) – несвязный минеральный грунт, в котором масса частиц размером 0,05–2 мм составляет более 50 % и число пластичности 𝐼 𝑃 < 1 %. Глинистые грунты обладают способностью существенно изменять свойства в зависимости от насыщенности водой. Поэтому их классифицируют по числу пластичности 𝐼 𝑃 и показателю текучести 𝐼 𝐿 Глинистый грунт – связный грунт, состоящий в основном из пылеватых и глинистых (не менее 3 %) частиц, обладающий свойством пластичности, т.е. 𝐼 𝑃 ≥ 1 %. Более подробная классификация по разновидностям крупнообломочных, песчаных и глинистых грунтов представлена в ГОСТ [2]. 3. Мёрзлый грунт – грунт, имеющий отрицательную или нулевую температуру, содержащий в своем составе видимые ледяные включения и (или) лед-цемент, и характеризующийся криогенными структурными связями. Многолетнемерзлый грунт – грунт, находящийся в мерзлом состоянии постоянно в течение трех и более лет. 10 Сезонномерзлый грунт – грунт, находящийся в мерзлом состоянии периодически в течение холодного сезона. Грунты данного класса наряду с другими структурными связями обладают криогенными связями (за счет льда). Грунты с криогенными и одновременно с кристаллизационными и цементационными структурными связями выделяют в подкласс скальных мерзлых грунтов; грунты с криогенными и одновременно с физическими и физико-химическими структурными связями – в подкласс дисперсных мерзлых грунтов; грунты только с криогенными связями выделяют в подкласс ледяных грунтов. 1.3 Составляющие грунтов. Структура и текстура грунта В естественном виде грунты могут состоять из следующих составляющих: твердая, жидкая и газообразная. В зависимости от соотношения количества каждой составляющей в общей массе грунта свойства и состояние его изменяются в широких пределах. Так, если грунт состоит в основном из твердой составляющей, то он называется однофазным, и его свойства определяются свойствами твердой составляющей. Примером такого грунта может быть твердая сухая скала. Грунт, включающий в свой состав воду или какую-нибудь другую жидкость (например, нефть), называется двухфазным. И, наконец, грунт, состоящий из твердой, жидкой и газообразной составляющих, называется трехфазным [1]. 11 Рисунок 1.3 – Составляющие грунта Охарактеризуем кратко каждую из составляющих. Жидкая составляющая – это обычно вода, которая может находиться в грунтах в различных состояниях. Например, вода в парообразном состоянии, или, к примеру, пленочная вода, которая покрывает тончайшим слоем частицы грунта и удерживается на их поверхности; вода может находиться в твердом состоянии в виде льда. Вода играет важную роль в формировании свойств грунта, в изменении этих свойств под влиянием температуры, нагрузки и т.д. Так, глинистые грунты в зависимости от степени насыщенности их водой могут изменять свою консистенцию от текучей, характерной для вязкой жидкости, до тугопластичной. В зависимости от насыщенности грунтов водой под воздействием внешних нагрузок изменяется уплотняемость и сопротивляемость сдвигу. Газообразная составляющая представляет собой находящийся в порах грунта газ (воздух, метан и т.п.). Газ может находиться в порах грунта в свободном состоянии, т.е. иметь связь с атмосферой, а может быть защемленным – не иметь связи с атмосферой. Если газ находится в свободном состоянии, то уплотнение грунта под нагрузкой происходит быстро вследствие свободного выхода его из пор в атмосферу, при этом давление в газе быстро уравнивается с атмосферным. 12 Защемленный сжатый газ более медленно просачивается в атмосферу, а в некоторых случаях давление в газе остается избыточным длительное время. Твердая составляющая представляет собой минеральные частицы различной крупности, связанные между собой (суглинки, торф, глины), очень слабо связанные (сухой песок) и несвязанные (гравий). Совокупность твердых частиц, жестких связей между частицами грунта и составляет скелет грунта [1]. Пространство между частицами скелета может быть заполнено газом, водой, либо тем и другим. При изменениях внешней нагрузки на грунт скелет его деформируется, при этом сооружение смещается (дает осадку или сдвигается). Скорость деформаций грунта зависит от многих факторов и прежде всего от вида грунта и гранулометрического состава, насыщенности грунта водой, характера структурных связей. Иногда, в составе грунта, выделяют четвертую составляющую – живую компоненту. Это, главным образом, микроорганизмы, обитающие в горных породах. Структура грунта – пространственная организация, определяемая размером, формой, характером поверхности, количественным соотношением структурных элементов грунта и характером связи между ними [2]. Таким образом, структура грунта определяется формой и размерами грунтовых частиц, связями между ними, их взаимным расположением, а также соотношением составляющих грунт компонент (твердой, жидкой и газообразной). Форма твердых частиц может быть угловатой, округлой, пластинчатой, чешуйчатой. К примеру, для дисперсных грунтов различают три основных типа структуры: зернистую, сотообразную (губчатую) и хлопьевидную (рисунок 1.4, [5]). 13 зернистая сотообразная (губчатая) хлопьевидная Рисунок 1.4 – Основные типы структуры грунтов Зернистая структура характерна для несвязных грунтов (песок, гравий и др.). Взаимное расположение отдельных частиц зависит от условий их отложения и может изменяться от рыхлого до плотного. Сотообразная (губчатая) структура свойственна глинистым грунтам. Хлопьевидная структура образуется при осаждении в воде коллоидных частиц. Для оценки строительных свойств дисперсных грунтов также весьма важным является сложение (текстура) природных грунтов, т.е. пространственное размещение и взаимное расположение частиц грунтов и их агрегатов, характеризующее неоднородность грунтовой толщи в пласте [6]. Горная порода представляет собой не случайное скопление минералов, а закономерную определенным образом построенную совокупность. Различают слоистую, сыпучую, слитную и сложные (порфировая, ячеистая и т.д.) текстуры. Слоистая текстура характерна для грунтов водного происхождения (речные, озерно-ледниковые, морские отложения). Сыпучая текстура характерна для песков, гравелистых грунтов и пр. Слитная присуща древним морским отложениям. Порфировая текстура представляет собой мелкодисперсный материал с включениями крупных обломков горных пород. Ячеистая – представлена в виде ячеек разделенных одним из компонентов грунта (прослоек льда, соли). 14 слоистая порфировая ячеистая слитная Рисунок 1.5 – Основные типы текстуры грунтов |