Устойчивость водонасыщенных песков при динамическом воздействии

Общая характеристика работы.

Содержание работы заключается в исследовании устойчивости водонасыщенных песков в условиях динамических нагрузок разного происхождения (сейсмических, волновых, техногенных). Под динамической устойчивостью 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 водонасыщенных несвязных грунтов, а данные о значимости частоты воздействия (особенно низких частот) очень противоречивы. Также нет единого мнения о влиянии пылеватых и глинистых частиц на разные формы поведения песков в условиях динамического нагружения.

Актуальность оценки динамической устойчивости грунтов связана и с быстрым ростом городов, и строительством промышленных предприятий как в относительно спокойных, так и в сейсмически активных районах, а также на водных акваториях в условиях нерегулярных ветровых и волновых нагрузок. Основаниями для этих сооружений часто служат распространенные с поверхности водонасыщенные пески разной крупности, которые периодически испытывают достаточно сильные динамические воздействия. К тому же часто сами пески укладываются в тело земляных сооружений, например, в тело автодорожных насыпей, в том числе пойменных.

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, начального напряженного состояния и условий нагружения на динамическую устойчивость водонасыщенных песков.
3. Разработка методики экспериментального определения критической пористости водонасыщенных песков в условиях недренированного трехосного сжатия.
4. Анализ динамической устойчивости водонасыщенных песков в рамках концепции критической пористости.
5. Проверка установленных закономерностей при практической оценке динамической устойчивости песков 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 (К_о) 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 динамических нагружений, 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 Ханты-Мансийского АО по динамической устойчивости для целей автодорожного строительства в этом регионе.

4. 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.

5. В разработке методики экспериментального определения критической пористости песков в условиях недренированного трехосного сжатия.

6. В доказательстве неинвариантности величины критической пористости песка от условий проведения испытаний, что затрудняет использование этого показателя для характеристики текущего состояния песков.

7. В демонстрации неинформативности показателя степени плотности для оценки ожидаемой реакции песков на ожидаемые механические (статические) воздействия.

Апробация работы. Результаты исследований были представлены на 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), а также на семинаре лаборатории инженерной геодинамики и обоснования инженерной защиты территорий Геологического факультета МГУ.

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. Диссертация изложена на 231 страницах и состоит из введения, 4 глав, 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. 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, доктору г.-м.н., профессору Евгению Арнольдовичу Вознесенскому. 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.Н. Соколову, В.В. Фуниковой, Л.П. Терешковой, М.В. Фламиной, В.Г. Шлыкову.