В трубопроводном строительстве
 Скачать 1.7 Mb.
|
|
2.4 Влияние подземных вод на строительные свойства грунтов и на фундаменты На различной глубине от поверхности земли встречаются грунты, пропитанные водой. Эти воды называются грунтовыми, а верхняя поверхность 44 их – уровнем грунтовых вод. Грунтовые воды оказывают большое влияние на структуру, физическое состояние и податливость грунтов. Производство работ при наличии воды в котловане сильно затрудняется. Различные примеси, растворенные в воде, могут вредно (агрессивно) влиять на материал фундаментов и разрушать его. Вода в грунте скопляется вследствие конденсации паров, проникающих вместе с воздухом, и просачивания дождевых и талых снеговых вод. Поэтому уровень грунтовых вод непостоянен: наиболее высокое стояние их бывает весной, наиболее низкое – зимой и летом. Вблизи открытых водоемов (река, канал, озеро и т.д.) колебание уровня грунтовых вод обычно связано с колебанием уровня воды в водоеме [3]. После проведения на большой территории планировочных работ, устройства дорог, тротуаров, канализационной сети и т.д. условия стока и просачивания меняются, что может повлечь изменение режима грунтовых вод. Поэтому в больших городах, где такие работы уже проведены, колебание уровня грунтовых вод бывает обычно незначительным. Распределение вод в толще грунта во многом зависит от характера напластования. Вода задерживается при просачивании над водоупорными (главным образом – тяжелыми глинистыми) грунтами и скопляется в водопроницаемых (песчаных) слоях, которые в этом случае называются водоносными. Если водоносный слой находится под водоупорным, то вода в нижнем водоносном слое во многих случаях находится под давлением. Если в верхнем слое отрыть котлован, то вода поступит в него снизу под давлением и поднимется выше уровня, на котором она первоначально появилась. Такие воды называются напорными, а уровень, до которого они поднимаются, – установившимся уровнем грунтовых вод. Очевидно, что этот уровень должен выявляться при изысканиях и учитываться при проектировании. В заключение отметим, что при просачивании воды небольшое количество ее всегда задерживается в верхнем почвенном слое (почвенные воды, верховодка). Не оказывая влияния на конструкцию 45 фундаментов, наличие этих вод заставляет всегда принимать меры по изоляции фундаментов и стен от влаги. Изменение уровня грунтовых вод после возведения сооружения может резко понизить прочность основания и вызвать серьезные деформации сооружения в следующих случаях: − при наличии в грунте легкорастворимых в воде веществ грунт с течением времени может резко изменить свои свойства и разрушиться; этого можно опасаться, когда химическим анализом установлено присутствие в грунтовой воде большого количества минеральных веществ. Поэтому во всех таких случаях необходимо обстоятельно изучить состав грунта и определить мероприятия, устраняющие возможность его разрушения; − при расположении сооружения на мелких и пылеватых рыхлых песках, которые под давлением текут вместе с водой. Такие грунты называются плывунами. Если грунтовые воды имеют выход на поверхность (например, в месте резкого изменения рельефа, при отрытии котлована или шурфа и т.д.), возникает опасность выноса частиц грунта из-под проектируемого сооружения или из-под зданий, расположенных рядом с котлованом. Поэтому при проектировании сооружения на плывуне необходимо специальными исследованиями установить пределы распространения плывунов, возможность выноса их в местах резких переломов рельефа, характер и рельеф подстилающих грунтов, направление и скорость движения грунтовых вод. На основании этих данных в каждом конкретном случае особо решается вопрос о выборе допускаемого давления на плывун с учетом влияния, которое будет оказано этим давлением на уровень и движение грунтовых вод. Одновременно устанавливаются мероприятия, устраняющие возможность выноса грунта из- под сооружения; − по всей стране довольно сильно распространены особые глинистые грунты, которые, находясь под нагрузкой в сухом состоянии, ничем не отличаются по характеру работы от других глинистых грунтов, но при прохождении сквозь их толщу воды сразу резко теряют устойчивость. Такие 46 грунты называются лёссовидными, или просадочными. Как показала строительная практика, лёссовидные грунты могут служить основанием для сооружения, если устранена возможность замачивания их. − грунтовые воды, способные разрушать цементные бетоны и растворы, называются агрессивными. Агрессивность их зависит от химического состава растворенных в них солей и кислот. Эти вещества попадают в воду из подземных естественных залежей или из отбросов некоторых производств. Поэтому агрессивные воды встречаются повсеместно. Вода даже с малым количеством вредных веществ может оказаться опасной для бетона, так как вследствие непрерывного движения воды на бетон действуют все новые и новые частицы вредных примесей. Поэтому всегда следует производить химический анализ воды. Во всякой воде имеется, хотя бы в ничтожном количестве, углекислота (СО 2 ). Она может быть связанной (неактивной, неспособной вступать в какие-либо новые соединения) и свободной (активной). Связанная углекислота для бетона безвредна. Свободная углекислота вступает в реакцию с известью бетона и образует растворимые в воде соли. В сильно загрязненной воде, при наличии в ней и свободной углекислоты (СО 2 ), и сульфатов (S0 4 ), и хлоридов (Сl), и окиси магния (MgO), путем взаимодействия с бетоном образуются растворимые соли, и потому агрессивность воды зависит от совокупности всех этих примесей. В сравнительно чистой воде при отсутствии хлора (Cl) и свободной углекислоты (СО 2 ), при наличии солей магния (MgO) и натрия (NaO) в количестве, меньшем 60 мг/л, вредны растворы гипса, так как они ведут к образованию сложных солей («цементная бацилла»), которые увеличиваются в объеме и потому разрушают бетон. Весьма вредны примеси азотной и азотистой кислот и аммиака. Кремнекислота, наоборот, в любом количестве безвредна. 47 3 Напряженное состояние грунтовых оснований 3.1 Расчетные модели грунтов Механика грунтов – наука, удачно сочетающая как данные лабораторных и полевых исследований, так и точные математические модели и модели теории упругости [1]. Решить главную проблему – обеспечение устойчивой и длительной работы сооружения на или в грунте, можно, только имея максимально достоверные физико-механические характеристики грунтов и используя наиболее соответствующие реальным условиям модели взаимодействия сооружения с грунтами. Таким сооружением может быть любой объект, используемый в нефтегазовом деле и непосредственно соприкасающийся и оказывающий воздействие на грунт. В свою очередь объект, как правило, испытывает воздействие со стороны грунта. Приведем несколько примеров таких объектов. Это и наиболее часто встречаемые конструкции трубопроводов для транспорта нефти и газа, резервуары для хранения нефти и нефтепродуктов (наземные и подземные), опоры для различных конструкций и оборудования, массивные (гравитационные) сооружения для добычи нефти и газа на море, опорные и удерживающие конструкции для морских платформ, подпорные стенки, удерживающие грунт от оползания на горных склонах и при строительстве береговых причальных стенок и т.п. Все эти сооружения оказывают на грунт вертикальные и горизонтальные воздействия, т.е. уплотняют или разрушают грунт, или стремятся сдвинуть его. В свою очередь грунт сопротивляется этим усилиям, а в ряде случаев сам оказывает на грунт давление за счет собственной массы, а также фильтрационных сил. Это чрезвычайно сложные процессы и оттого, насколько правильно они определены, зависит – сможет ли сооружение выполнять свое функциональное назначение или нет. А в нефтегазовом деле любая авария объекта, в котором 48 содержится нефть и газ – это чрезвычайное происшествие, губительное не только для конструкции, но и окружающей среды. Рассматривая силовое взаимодействие грунта и сооружения, отметим, что как в грунте, так и по контактной поверхности грунт – сооружение возникают нормальные (сжимающие) и касательные (сдвиговые) напряжения. Именно их и нужно определить, чтобы оценить как напряженное состояние грунта, так и сооружения. Крупнейшие ученые в области механики грунтов и теории упругости А.Н. Крылов, Н.М. Герсеванов, В.А. Флорин, В.В. Соколовский, С.С. Голушкевич, Н.А. Цытович и другие уделяли большое внимание обоснованию и разработке расчетных моделей грунтов, позволяющих определять напряженное состояние грунтов. В результате их научной деятельности в механике грунтов установились два подхода к моделированию напряженного состояния: модель линейно-деформируемой среды и модель теории предельно напряженного состояния грунта. Далее приведем характеристику каждой из моделей и область их возможного использования. Как известно, в моделях теории упругости принимается допущение, что ни в одной точке материала, находящегося в напряженном состоянии, не возникают неупругие деформации, т.е. не проявляется явление пластичности. Однако именно это обстоятельство и было основной причиной длительных дискуссий о допустимости применения модели теории упругости к задачам механики грунтов. Дело в том, что грунт не обладает свойством полной упругости и поэтому использование модели теории упругости не корректно. Между тем, еще в 1930 г. проф. Н.М. Герсеванов заметил, что в теории упругости действует закон Гука, характеризующий линейную зависимость между напряжениями и деформациями. Но (!) эта зависимость существует только на определенном участке кривой, определяющей связь напряжений и деформаций. Поэтому важно, что при однократном приложении нагрузки, как это и имеет место для сооружений, возводимых на грунтах, заменив в 49 определенном диапазоне компрессионную кривую прямой, можно использовать закон Гука для однократного приложения нагрузки. Модель линейно-деформированной среды применяется для определения напряжений в грунте при расчете осадок сооружений и их устойчивости, а также фильтрационных напряжений при расчете трубопроводов для транспортировки нефти и газа, днищ резервуаров и т.п. Однако нужно иметь в виду, что применимость решений теории упругости для решения задач механики грунтов должна всегда определяться допустимым пределом их использования, так же, как и в основном законе Гука для решения задач теории упругости. Вторая модель предполагает, что во всех точках грунта под воздействием внутренних или внешних сил возникают пластические деформации, т.е. грунт находится в предельном напряженном состоянии. В этом случае грунт иногда называют «грунтовой массой». Для такого состояния грунта применение первой (упругости) модели недопустимо. Устанавливая область использования первой или второй модели, нужно иметь достаточно обоснованные данные о состоянии всего объема грунта или его части. При небольших нагрузках, особенно при заглублении опытных штампов, получаются результаты, совпадающие с решениями теории линейно- деформируемых тел как для песчаных, так и для гравелистых грунтов, не говоря уже о связных глинистых. При больших же нагрузках и малой площади штампов для всех видов грунтов получаются результаты, не совпадающие с решениями теории упругости, так как в грунте под штампом возникают области с предельным сопротивлением сдвигу и нет линейной связи между напряжениями и деформациями. При определении напряжений в грунтах уравнения теории линейно- деформируемых тел будут справедливы для напряжений, при которых отсутствуют области пластических деформаций под фундаментами, или при условии, что эти области имеют незначительную величину по сравнению со всей площадью загрузки. Для оснований сооружений обычно и назначают 50 такую величину напряжений, чтобы под подошвой фундаментов не возникало областей пластических деформаций. При увеличении же давления на грунт больше определенного предела область пластических деформаций будет захватывать все большую площадь; при этом решения теории упругости будут давать все менее точные результаты, и, наконец, для чисто пластических деформаций применение теории упругости не рекомендуется. Дополнительным условием применимости формул теории линейно- деформируемых тел к определению напряжений в грунтах является условие стабилизации напряжений и деформаций грунта под действием внешней нагрузки. Так, для крупнозернистых грунтов, насыщенных водой, стабилизация деформаций под действием сжимающей нагрузки происходит весьма быстро, при сжатии же мощных слоев глинистых грунтов процесс стабилизации деформаций, а следовательно, и передачи напряжений на скелет грунта может продолжаться длительное время. Таким образом, при определении напряжений в грунтах мы будем рассматривать грунты как линейно-деформируемые тела, у которых вся нагрузка уже передалась на скелет грунта. В таком случае определение напряжений по решениям теории упругости будет давать с необходимой точностью величину конечных полных напряжений в грунтах от действия на них внешних сил. 3.2 Напряженное состояние грунта от сосредоточенной силы Случай воздействия сосредоточенной силы на грунт встречается на практике в нефтегазовом деле довольно часто. Многочисленные эстакады для прокладки газо- и нефтепроводов на опорах на суше и море, свайные фундаменты и т.д. – наиболее полно соответствуют схеме приложения к грунту сосредоточенной силы. Рассмотрим пространственную задачу [10]. К полупространству приложена сосредоточенная сила. Эта задача была решена Буссинеском в 1885 г. 51 Определим величину составляющих напряжений для любой площадки, параллельной ограничивающей плоскости, при действии на поверхность линейно-деформируемого массива сосредоточенной силы. Возьмем точку 𝑀 внутри массива, определяемую полярными координатами 𝑅 и 𝛽 (рисунок 3.1). Проведем через точку 𝑀 площадку перпендикулярно 𝑅 и определим величину нормального напряжения 𝜎 𝑅 , действующего на площадку. Рисунок 3.1 – Схема к определению напряжений при действии сосредоточенной силы Для упрощения вывода примем как постулат, что напряжение 𝜎 𝑅 прямо пропорционально 𝑐𝑜𝑠𝛽 и обратно пропорционально квадрату расстояния от точки приложения сосредоточенной силы 𝑅 2 : 𝜎 𝑅 = 𝐴 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝛽/𝑅 2 , (3.1) где 𝐴 – некоторый коэффициент пропорциональности. Это положение может быть выведено строго из закона всемирного тяготения Ньютона. Для составления уравнения равновесия и определения величины напряжений 𝜎 𝑅 проведем полушаровое сечение с центром в точке приложения сосредоточенной силы (рисунок 3.2). По всей поверхности полушара будут 52 приложены сжимающие напряжения, величина которых выражается формулой (3.1). Величину напряжений можно считать одинаковой для элементарного шарового пояса 𝑐𝑎𝑎 1 𝑐 1 , отвечающего центральному углу 𝑑𝛽. Из условий равновесия вытекает, что сумма проекции всех сил на нормаль к плоскости, ограничивающей линейно-деформируемый массив, должна равняться нулю, то есть: 𝑃 − ∫ (𝜎 𝑅 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝛽)𝑑𝐹 𝜋/2 0 = 0, (3.2) где 𝑑𝐹 – поверхность элементарного шарового пояса 𝑐𝑎𝑎 1 𝑐 1 , равная: 𝑑𝐹 = 2𝜋(𝑅𝑠𝑖𝑛𝛽)(𝑅𝑑𝛽). Рисунок 3.2 – Схема радиальных напряжений при действии сосредоточенной силы Подставляя выражения для 𝜎 𝑅 и 𝑑𝐹 в (3.2), получим: 𝑃 − 𝐴 ∙ 2 ∙ 𝜋 ∫ (𝜎 𝑅 ∙ 𝑐𝑜𝑠 2 𝛽 ∙ 𝑠𝑖𝑛𝛽)𝑑𝛽 𝜋/2 0 = 0, или: 𝑃 − 𝐴 ∙ 2 ∙ 𝜋 �− 𝑐𝑜𝑠 3 𝛽 3 � 0 𝜋/2 = 0, 53 откуда: 𝑃 = 2 3 ∙ 𝜋 ∙ 𝐴. (3.3) Из выражения (3.3) определяем значение коэффициента 𝐴: 𝐴 = 3 2 ∙ 𝑃 𝜋 (3.4) Подставляя полученное значение величины 𝐴 в формулу (3.1), окончательно получим: 𝜎 𝑅 = 3 2 ∙ 𝑃 𝜋∙𝑅 2 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝛽. (3.5) Отнесем величину радиального напряжения к горизонтальной площадке, т.е. к площадке, параллельной ограничивающей плоскости. Из рисунка 3.1 находим, что величина радиального напряжения 𝜎 𝑅 ′ , отнесенная к горизонтальной площадке, будет равна: 𝜎 𝑅 ′ = 𝜎 𝑅 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝛽. (3.6) Выражая 𝑐𝑜𝑠𝛽 через отношение 𝑧/𝑅 и учитывая формулу (3.5), получим: 𝜎 𝑅 ′ = 3 2 ∙ 𝑃 𝜋 ∙ 𝑧 2 𝑅 4 (3.7) Проектируя величину 𝜎 𝑅 ′ на три взаимно-перпендикулярных направления (рисунок 3.3), получим составляющие напряжения для той же площадки, т.е. для площадки, параллельной плоскости, ограничивающей массив: 𝜎 𝑧 = 3 2 ∙ 𝑃 𝜋 ∙ 𝑧 3 𝑅 5 , (3.8) 𝜏 𝑧𝑦 = 3 2 ∙ 𝑃 𝜋 ∙ 𝑦∙𝑧 2 𝑅 5 , (3.9) 𝜏 𝑧𝑥 = 3 2 ∙ 𝑃 𝜋 ∙ 𝑥∙𝑧 2 𝑅 5 (3.10) 54 Формулы (3.8–3.10) могут служить для определения составляющих напряжений от действия сосредоточенной силы для любых площадок, параллельных ограничивающей плоскости. Рисунок 3.3 – Составляющие напряжений при действии сосредоточенной силы в случае пространственной задачи Для многих вопросов механики грунтов особо важное значение имеют именно вертикальные составляющие напряжения. Поэтому остановимся несколько подробнее на распределении вертикальных напряжений 𝜎 𝑧 Рассмотрим формулу (3.8). Положение точки 𝑀 на рисунке 3.3 вполне определяется двумя ее координатами 𝑧 и 𝑟, где 𝑧 – глубина от ограничивающей плоскости, а 𝑟 – расстояние от оси 𝑍. Подставляя значение 𝑅 = √𝑧 2 + 𝑟 2 , получим: 𝜎 𝑧 = 1 �1+( 𝑟 𝑧 ) 2 � 5/2 ∙ 3∙𝑃 2∙𝜋∙𝑧 2 , (3.11) или, обозначив: 𝐾 = 3 2∙𝜋 ∙ 1 �1+( 𝑟 𝑧 ) 2 � 5/2 , (3.12) 55 получим: 𝜎 𝑧 = 𝐾 ∙ 𝑃 𝑧 2 (3.13) Для упрощения расчетов по формуле (3.13) составлены таблицы значения коэффициента 𝐾 [6, 10]. Рисунок 3.4 – Схема действия нескольких сосредоточенных сил Если на поверхности приложено несколько сосредоточенных сил, то напряжение в любой точке массива может быть вычислено как сумма напряжений от действия отдельных сил, для чего мы имеем полное основание, поскольку при выводе формулы (3.13) принята прямая пропорциональность между напряжениями и деформациями. Приняв обозначения по рисунку 3.4, находим: 𝜎 𝑧 = 𝐾 1 ∙ 𝑃 1 𝑧 2 + 𝐾 2 ∙ 𝑃 2 𝑧 2 + 𝐾 3 ∙ 𝑃 3 𝑧 2 +... (3.14) |