Коваленко Владимир Георгиевич
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук
|
содержание |
Вторая часть диссертации включает две главы, в которых описаны существующие и применявшиеся методы экспериментальных исследований.
В третьей главе работы проведен анализ и обобщение опубликованного отечественного и зарубежного опыта применения разных зондировочных методов для изучения состава и свойств грунтов в условиях их естественного залегания. Эти вопросы подробно рассматривались в работах А.Я. Рубинштейна, Б.И. Кулачкина, Ю.Г. Трофименкова, Л.Г. Мариупольского, И.В. Дудлера, Н.В. Замориной, Т.А. Грязнова, Н.Я. Денисова, В.В. Попова, В.И. Лебедева, А.И. Черникова, К.П. Шевцова, П.Л. Иванова, Г.К. Бондарика, Г.Б. Сида, И. Идрисса, П. Робертсона, Р. Кампанеллы, Ван Импа, К. Ишихары, Л. Хардера, Г. Балди, П. де Альба, Т. Шибата, В. Тепаракса, Т. Лунне, Дж. Пауэлла, Т. Старка, С. Ольсена, К. Стокоу, Р. Андруса, Л. Яуда и многих других авторов.
При этом основное внимание в работе было уделено возможностям этих методов по оценке реакции грунтов на динамические воздействия. Высказывается тезис о том, что применение динамического зондирования для оценки динамической устойчивости глинистых грунтов возможно, но требует получения косвенных критериев для рассматриваемой выборки грунтов.
В целом по итогам проведенного анализа самым перспективным для целей нашего исследования среди широко использующихся полевых методов нам представляется статическое зондирование с зондом типа II (зонд с наконечником из конуса и муфты трения, позволяющий раздельно измерять удельное сопротивление грунта под наконечником зонда и на участке боковой поверхности зонда), что обусловлено следующими причинами:
1) это широко применяющийся в практике российских и зарубежных инженерных изысканий метод;
2) это метод относительно нетрудоемкий и недорогой, использующийся в значительных объемах при инженерно-геологической разведке;
3) в зарубежной практике этот метод уже применяется в том числе и для оценки сейсмической разжижаемости грунтов.
Последний момент очень важен, поскольку закладывает основу для непосредственной оценки динамической устойчивости грунтов. В самом деле, ключевым моментом является определение приведенного сопротивления грунта под конусом зонда по данным статического зондирования и индекса типа грунта. Эти характеристики грунта никак не зависят от параметров ожидаемой динамической нагрузки. Дальнейшая задача и заключается в том, чтобы, с одной стороны, ввести в рассмотрение показатель, характеризующий интенсивность динамического воздействия на грунты в массиве, а с другой - получить надежную зависимость между приведенным сопротивлением грунта под конусом зонда и прямой характеристикой его динамической устойчивости. Эту зависимость мы предполагали получить на основе результатов лабораторных динамических испытаний грунтов, применяя разработанный ранее Е.А. Вознесенским (1999) энергетический подход к проблемам динамики грунтов.
В четвертой главе диссертации для решения поставленных в ней задач рассматривается возможность и целесообразность использования как лабораторных, так и полевых методов исследований динамических свойств грунтов.
В основу разработки методики оценки динамической устойчивости грунтов в массиве нами, исходя из анализа состояния вопроса и собственного практического опыта, были положены следующие представления.
1. Использование существующей хорошо разработанной теоретической и аппаратурной базы зондировочных методов изучения грунтов в массиве (статического, динамического и сейсмического зондирования) в комбинации с высокоточными лабораторными динамическими испытаниями на имеющейся в нашем распоряжении аппаратуре. Такой подход в целом соответствует и общим принципам организации инженерных изысканий.
2. Использование разработанного Е.А. Вознесенским (1999, 2000) инновационного подхода, который позволяет непосредственно использовать фундаментальные энергетические параметры процесса в качестве практических критериев деформирования грунтов и не имеет аналогов в мире. Ключевыми идеями этого подхода являются единая энергетическая природа динамического деформирования и разрушения всех грунтов и количественные экспериментально измеряемые энергетические критерии, имеющие четкий физический смысл и зависящие только от состава, строения и состояния грунта.
3. Получение на этой основе научно обоснованной оценки динамической устойчивости грунтов в массовом порядке простыми, относительно дешевыми методами, обоснованными российскими стандартами. Разработка и опробование этой методики должна вестись на серии участков-прототипов эксплуатирующихся и проектируемых сооружений с динамическими нагрузками и автодорог с разным составом и строением земляного полотна.
4. Обеспечение возможности прогнозной оценки последствий динамической неустойчивости грунтов оснований без отбора образцов и без проведения специализированных лабораторных или опытных полевых работ.
Исследования динамической устойчивости грунтов в массиве проводилось на серии участков-прототипов, расположенных в пределах территорий нескольких нефтегазовых месторождений Среднего Приобья. На каждой опытной площадке выполнялся следующий комплекс работ.
1. Статическое зондирование (в двух точках - для повышения надежности данных) на глубину до 12 м, что определялось силовыми возможностями применявшихся установок и разрезом конкретной площадки.
2. Электродинамическое зондирование с помощью ручной установки ЭДЗ-1 с измерением сопротивления погружению зонда и силы тока в грунте вокруг наконечника.
3. Бурение 1-2 скважин с описанием и отбором образцов через каждые 0.5 м для последующих лабораторных исследований: отбирались образцы нарушенного (пески) и ненарушенного сложения (монолиты из глинистых грунтов).
4. Для каждой пробы на месте проводились контрольные определения плотности и влажности грунта.
5. Сейсмическое зондирование для определения скорости поперечных волн в каждом выделенном слое в разрезе массива грунтов с целью сопоставления с результатами зондировочных методов.
6. Кроме того, для оценки полей динамических напряжений от различных источников: тяжелого автотранспорта, нефтедобывающего и перекачивающего оборудования вблизи компрессорных станций и автодорог выполнены специальные сейсмические исследования, включавшие: 1) измерение вибраций по трем компонентам для получения скоростей смещения частиц грунта в сейсмических волнах; 2) малоглубинные сейсмические наблюдения; 3) измерение вибраций в скважинах для определения зависимости интенсивности колебаний от глубины.
7. Наконец, для прямой оценки изменения несущей способности грунтов в массиве при вибрационном воздействии была разработана и применена экспериментальная свая (ЭС-1), предназначенная для изучения влияния динамической нагрузки на прочностные свойства природных грунтов. Кроме этой основной задачи, с помощью сваи ЭС-1 решались другие вопросы, как например, исследование разупрочнения грунтов с тиксотропными свойствами в грунтовых толщах под влиянием увеличения циклов вибронагружения - восстановления; изучение зоны разупрочнения грунтов вокруг вибрирующего индентора.
Таким образом, для решения поставленных в работе задач был применен комплексный подход на основе сочетания как общепринятых полевых и лабораторных методов исследования грунтов, так и оригинальных авторских разработок в комбинации с новыми энергетическими критериями для решения задач динамики грунтов.
Изучение тиксотропных свойств грунтов in situ сопряжено со значительными трудностями из-за практически полного отсутствия в мировой практике удовлетворительной методики испытаний и конструкций инденторов (свай) для её реализации. В условиях рассматриваемой территории целесообразно было использовать схему передачи динамической нагрузки на массив через индентор, одновременно являющийся измерительным зондом, что и моделирует работу элемента свайного фундамента с динамическими нагрузками. Причем, с целью предотвращения влияния масштабного эффекта размеры индентора должны соответствовать размерам свай в будущих свайных фундаментах, а параметры динамического воздействия на грунт - соизмеримыми с параметрами, возникающими при эксплуатации нефтепромыслового оборудования. Кроме того, такой индентор должен давать возможность измерять прочностные характеристики исследуемых грунтов до вибрации, во время её и после прекращения динамического воздействия.
Такой индентор (экспериментальная свая) разработан и создан автором совместно с В.Я. Калачевым, Г.Л. Мухаметшиным, В.Т. Трофимовым и Е.А. Вознесенским (рис. 1). Эта экспериментальная свая (ЭС-1) предназначена для изучения влияния динамической нагрузки на прочностные свойства природных грунтов. Схема проведения полевых экспериментов со сваей ЭС-1 приведена на рис. 2 и включает:
устройство 10 - 12 метровых анкерных свай и упорной балки, что связано с необходимостью проведения испытаний и погружения экспериментальной сваи;
погружение зонда сваи вместе с трубами при помощи гидродомкрата ДГ-100 с приводом от насосной станции НСР-400. По окончании погружения до заданной глубины на сваю ЭС-I прикладывается вертикальная нагрузка с имитацией части веса нефтепромыслового сооружения, например, газлифтной компрессорной станции, которая изменяется в пределах 2000-7000 кгс. Величина вертикальной нагрузки устанавливается расчетным путем по показаниям удельных лобового и бокового сопротивлений грунта при статическом зондировании установкой С-832 с учетом отношений периметров натурной и экспериментальной свай;
устройство реперной системы для фиксирования положения сваи ЭС-1 относительно анкерных свай;
передачу динамической нагрузки на наголовник сваи с помощью электровибратора ИВ-107, замер бокового и лобового сопротивлений внедрению зонда с помощью контрольно-измерительных приборов, питающихся от аккумуляторной батареи.
Для определения величины разупрочнения грунта в массиве индентор (свая ЭС-1) подвергался воздействию вибрации с заданной амплитудой и частотой. Из-за трудоемкости полевых исследований необходимо было тщательно обосновать выбор площадок для натурных наблюдений и экспериментов. Основным критерием обоснования местоположения площадок была принята мощность суглинков, склонных к тиксотропным изменениям. Оценивая применяемые в настоящее время способы получения инженерно-геологической информации по исследованию свойств пород непосредственно в массивах или грунтовых толщах, можно выделить две технологические схемы:
в стенках скважин или горных выработок;
при внедрении в грунтовую толщу специальных зондов, обеспечивающих в процессе их погружения непрерывное получение комплексных данных о свойствах грунтов.
Исследования зон разупрочнения грунта вокруг индентора, к которому прилагалась динамическая нагрузка, проводились по двум технологическим схемам. В первом случае необходимую информацию получали при помощи геофизических исследований в скважинах с помощью сейсмического каротажа по методике вертикального сейсмического профилирования (ВСП). По второй технологической схеме проводились исследования с помощью статического зондирования установкой С-832. При статическом зондировании вблизи источника вибровоздействия, в грунт как естественной прочности так и разупрочненный, с постоянной скоростью (V=1,0 м/мин) вдавливался специальный зонд и одновременно измерялось сопротивление этому вдавливанию. Зонд на установке оснащен электрическими тензодатчиками, позволяющими раздельно регистрировать сопротивление грунта наконечнику (лобовое сопротивление) и трение грунта по боковой поверхности элемента зонда (боковое сопротивление). Исследование распределения зон разупрочнения грунта в грунтовых толщах с помощью экспериментальной сваи ЭС-1 проводилось автором с бригадой рабочих по следующей программе.
1. Индентор (свая) погружался на проектную глубину и на этой глубине нагружался статической нагрузкой, имитирующей часть веса нефтепромыслового сооружения. Снимались показания через 5 мин, 15 мин., 30 мин, 1 ч 2 ч и т. д. до стабилизации остаточных напряжении в грунте (τлi, τбi).
2. В двух предварительно пробуренных и обсаженных на расстоянии 0.3 м - 0.4 и 0.65 - 0.75 м от сваи скважинах, расположенных по обе стороны от точки зондирования, выполнялись сейсмокаротажные работы на всю предполагаемую глубину погружения зонда сваи (10 м - 15 м).
3. Статическое зондирование проводилось возле каротажной скважины, удаленной от сваи на 0.65-0.75 м и затем на расстоянии 1,3 и 2.6 м Глубина зондирования обусловлена предполагаемой глубиной погружения зонда сваи (10 - 15 м).
4. С помощью вибратора на наголовник сваи передавалась динамическая нагрузка выбранной частоты и амплитуды во времени. Замерялись показания лобового (τлi) и бокового (τбi ) сопротивлений. Эксперимент велся до момента стабилизации показаний сопротивлений τлi=const, τбi=const.
5. После прекращения динамической нагрузки на экспериментальную сваю повторялись операции согласно пунктам 2 и 3. Глубина проведения опытов соответствует глубине погружения зонда сваи по данной проектной глубине.
6. Строились графики для определения потери несущей способности грунта по результатам сваи ЭС-1. Определялось изменение прочности грунта до вибрации и после её прекращения по соответствующим зависимостям. Выполнялись графики зависимости лобового и бокового сопротивлений зонда при статическом зондировании до и после прекращения вибрации.
7. Строились графики-схемы распределения зон разупрочнения грунта возле вибрирующей экспериментальной сваи ЭС-1 на проектную глубину .
8. Свая погружалась на следующий интервал опробования через 0.5 - 1.0 м и повторялись операции, перечисленные в пунктах 1, 4, 5, 6, 7. Комплекс исследований по определению зон разупрочнения грунта велся до глубины, где изменение прочности грунта после вибрации не было зарегистрировано.
Таким образом, предложенная в соавторстве экспериментальная свая ЭС-1 позволяет производить исследование тиксотропных превращений грунтов в массиве по схеме: индентор (носитель вибровоздействий) - измерительный зонд. Автором впервые предложена, разработана и опробована методика изучения зоны разупрочнения глинистых грунтов как в лабораторных условиях с помощью вибросдвиговой установки, так и в массиве с помощью экспериментальной сваи, геофизических исследований в скважинах статического зондирования грунтов. Кроме этого предложена методика исследования тиксотропных свойств грунтов в массиве.
Основным принципом лабораторных динамических испытаний является возможность адекватного моделирования динамического воздействия на произвольный выделенный в массиве объем грунта с помощью лабораторной установки. Однако наиболее вероятно, что создание такого аппарата невозможно в принципе, к чему в последнее время и пришли наиболее трезво мыслящие экспериментаторы. Проблема сводится, следовательно, к формулировке наиболее важных ограничений и допущений, которые служат основой для выбора наилучшего метода испытаний в конкретных условиях.
Трудность точного воспроизведения ожидаемых динамических нагрузок сложной формы может быть преодолена с помощью недавно разработанного (Вознесенский, 1999, 2000) энергетического подхода к оценке динамической устойчивости грунтов. Автор принимал непосредственное участие в экспериментальном тестировании этого подхода применительно к грунтам Среднего Приобья в рамках совместного проекта при поддержке INTAS. Были получены интересные и обнадеживающие результаты, изложенные в наших совместных работах. Среди лабораторных методов динамических испытаний грунтов в зависимости от типа грунта и доступности оборудования можно применять динамическое трехосное сжатие, динамические испытания по схеме простого сдвига, динамический крутильный сдвиг, динамический кольцевой сдвиг или вибростендовые испытания. В данной работе лабораторные исследования проводились в условиях динамического трехосного сжатия и на вибросдвиговой установке.
Испытания проводились на динамической трехосной установке пневматического действия конструкции проф. Й.П.Вэйда (Университет Британской Колумбии, Канада) в диапазоне частот 0,0125-0,5 Гц квазигармонического нагружения.
Цель этой части исследований заключалась в экспериментальной оценке энергетических критериев динамической устойчивости всего спектра дисперсных грунтов, распространенных на рассматриваемой территории. При проведении экспериментов учитывалось, что энергетические критерии динамической устойчивости грунтов не зависят от величины действующей нагрузки, однако, для повышения точности расчетов энергии амплитуда динамических напряжений должна обеспечивать плавное накопление поглощенной энергии и постепенное увеличение петли гистерезиса. Поэтому, исходя из аддитивности удельной рассеянной энергии, все испытания проводились с последовательным (через определенное количество циклов) увеличением амплитуды динамической нагрузки 3-5 ступенями от 15-30 до 80-100 кПа в зависимости от чувствительности грунта к приложенной нагрузке. Критерием окончания для всех опытов служило достижение 5%-ой осевой деформации. Продолжительность экспериментов была разной, в зависимости от устойчивости того или иного грунта к данным условиям нагружения - от 80 до 3000 циклов.
Кроме того, изучение изменения зоны тиксотропных превращений при динамическом воздействии по схеме - передача динамической нагрузки на грунт через индентор, одновременно являющийся измерительным зондом, проводилось автором на разработанной им вибросдвиговой установке (Коваленко, 1989, 2006). Реализация этой схемы достаточно хорошо моделирует процессы, происходящие в грунтовом массиве при внедрении в него свай, а также при передаче на сваи вибровозбуждений от различных нефтепромысловых сооружений, например, от газлифтной компрессорной станции. В качестве внедряемого в грунт индентора в данной работе автор применял микрокрыльчатку или микролопаточку. Достоинство таких испытаний - появление возможности прямого определения зоны тиксотропного разупрочнения вокруг индентора.
Важнейшими условиями успешного практического применения энергетических критериев для оценки динамической устойчивости грунтов в массивах являются, во-первых, возможность непосредственного измерения параметров динамической нагрузки в реальных толщах, а во-вторых, методики определения характеристик поглощения грунтов, которые могут затем использоваться для расчетов рассеянной энергии. Рассмотрению этих аспектов практической оценки динамической устойчивости грунтов в массиве была посвящена специальная методическая часть нашего исследования.
Для решения сформулированных выше методических вопросов автором в 2001-2003 г.г. были организованы и проведены с участием других специалистов сейсмические наблюдения на разных участках Самотлорского нефтяного месторождения - территории с многочисленными источниками вибраций от тяжелого транспорта, нефтедобывающего и перекачивающего оборудования. Вблизи компрессорных станций и автодорог выполнены специализированные инженерно-геофизические работы, включавшие: 1) измерение вибраций по трем компонентам для получения скоростей смещения частиц грунта в сейсмических волнах; 2) малоглубинные сейсмические наблюдения; 3) измерение вибраций в скважинах для определения зависимости интенсивности колебаний от глубины.
Сеть точек измерений разбивалась из соображений обследования направлений от источников вибраций и максимально равномерно распределенных точек по площади конкретного участка измерений. В каждой точке располагалась трехкомпонентная установка, составленная из трех взаимно перпендикулярных сейсмоприемников (X,Y и Z компоненты). Сейсмоприемники фиксировались в приповерхностном слое почвы. По всей территории наблюдений горизонтальные компоненты ориентировались одинаково (X компонента на север, Y компонента на восток). Запись на каждой точке производилась 3-4 раза для исключения помех, вызванных другими источниками колебаний. Длительность каждой записи составляла 1 сек. Малоглубинная сейсморазведка проводилась в варианте профильных наблюдений с вертикальными ударами и вертикальными сейсмоприемниками (Z-Z расстановка). Для этого использовалась 24-канальная коса. Наблюдения проводились по классической четырехточечной схеме. Для скважинных измерений использовалась установка, сделанная на основе сейсмоприемника СВ-20, которая помещалась в водонаполненную скважину и перемещалась по ее стволу с шагом 0.5 м. Шаг был выбран таким образом, чтобы не пропустить возможные заметные изменения интенсивности измеряемой волны. В каждой точке производилась запись колебаний длительностью 1 сек.
| 
