Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ON THE QUESTION ABOUT THE METHOD OF GETTING STRENGTH CHARACTERISTICS OF SUBSOILS

Seredin V.V. 1 Andrianov A.V. 1
1 Perm State University
In practice, quite often there are cases when design solutions do not provide the stability of engineering structures. This is particularly important for the oil industry, where the pipeline accident and other objects lead to negative consequences for the environment and humans. Design experience shows that one of the main and common reasons for accidents and deformation structures is of poor quality, lack of validity and reliability of the original geotech-nical information. This is due to organizational and regulatory reasons ( lack of sufficient funding research , poor quality of technical tasks and work programs ) and methodical - the large number of methods for determining the design characteristics of the soil , leading to the formation of different models of " construction - geological envi-ronment ." The paper presents the developed method of determining the strength characteristics of materials, based on the identified relationship between the values of the surface roughness Rz of destruction and maximum (critical ) stresses acting in the fracture zone
models
strength characteristics of materials
tensions
value of destruction surface roughness

В практике достаточно часто встречаются случаи, когда проектные решения не обеспечивают устойчивость инженерных сооружений. Особенно это важно для нефтяной отрасли, где аварии на нефтепроводах и других объектах приводят к негативным последствиям как для природной среды [4, 6], так и для человека [5].

Для повышения качества проектной продукции разрабатываются расчетные модели как конструкции сооружений, так и природной (геологической) среды, являющейся основанием или средой инженерных сооружений [7, 8, 10]. Расчетная модель имеет, как правило, две составляющие:

  1. математическое, логическое или другое описание работы сооружения;
  2. расчетные показатели инженерно-геологических условий, входящих в эту модель.

Опыт проектирования показывает, что одной из главных и широко распространенных причин деформаций и аварий сооружений является низкое качество, недостаточная достоверность и надежность исходной инженерно-геологической информации. Это обусловлено как организационно-нормативными причинами (отсутствие достаточного финансирования изыс­каний, низкое качество технических заданий и программ работ) [1, 3], так и методическими (наличие большого количества методик определения расчетных характеристик грунтов, приводящих к формированию различных моделей взаимодействия «сооружение – геологическая среда»).

Целью данной работы является разработка методики определения расчетных характеристик материала для повышения надежности инженерных сооружений.

В методическом плане работа строится следующим образом:

  • выбирается и обосновывается критерий (Rz) оценки напряженного состояния грунтов (sн) как материала или среды сооружений;
  • в лабораторных условиях строится полный паспорт прочности материала (по данным одноосного растяжения и сжатия, объемного напряженного состояния);
  • рассчитывается уравнение связи или строится номограмма между напряженным состоянием материала (sн) и критерием Rz по данным, полученным в лабораторных условиях.
  • в разрушенных элементах конструкций сооружений определяется значение показателя Rz.
  • определяется напряженное состояние материала (sн) в разрушенных элементах конструкций сооружений по данным Rz с использованием номограммы или уравнения связи.
  • определяются расчетные значения характеристик материала, например, сцепление и угол внутреннего трения по данным sн, с использованием паспорта прочности грунтов.

Алгоритм проведения исследований

1. Выбор и обоснование критерия оценки напряженного состояния материала

Логика выбора критерия оценки напряженного состояния материала основывается на положении о том, что этот критерий должен учитывать работу материала элемента конструкции сооружения в условиях совместного воздействия на него (элемент конструкции) сжимающих, растягивающих, скручивающих и других напряжений. Экспериментально установлено, что Rz и Sz принимают строго определенные численные значения для каждого напряженного состояния материала. Поэтому в качестве таких критериев исследователи [8] предлагают использовать Rz и Sz. Под Rz они понимают величину шероховатости поверхности разрушения материала в зоне «магистральной» трещины разрушения. Под Sz – стандартное (среднеквадратичное) отклонение Rz.

2. Построение паспорта прочности материала (по данным одноосного растяжения, сжатия и объемного напряженного состояния)

Одной из основных характеристик грунтов является прочность. Комплексными показателями прочности являются сцепление (С) и угол внутреннего трения () пород. Сцепление и угол внутреннего трения участвуют во многих расчетных моделях, поэтому на примере этих критериев прочности рассмотрим методику получения расчетных характеристик.

Взаимосвязь между видом напряженного состояния материалов (sн) и показателями прочности можно представить графически в виде паспорта прочности. Методика построения паспортов прочности приведена в работах Ставрогина А.Н., Тарасова Б.Г., Турчанинова И.А., Иофиса М.А., Каспарьян Э.В.

На рис. 1 приведен паспорт прочности каменной соли. Из рис. 1 видно, что напряженное состояние материала можно оценить через показатель sн, под которым понимается значение максимальных нормальных напряжений, действующих в зоне разрушения материалов, на площадке максимальных касательных напряжений (рис. 2). Поэтому этот показатель можно снять с паспорта прочности.

Кроме того, sн можно определить по формуле (1):

, (1)

где – напряжение в зоне «магистральной» трещины разрушения; и – главные нормальные напряжения, МПа; – угол наклона площадки (зоны разрушения) с максимальными касательными напряжениями:

, (2)

где – угол внутреннего трения пород, град.

Следует отметить, что с увеличением sн (рис. 1) численные значения сцепления и угла внутреннего трения изменяются, угол внутреннего трения уменьшается,
а сцепление, наоборот, увеличивается. Это говорит о том, что важно знать, в каких условиях работает материал, то есть при каких значениях sн происходит его разрушение и какие расчетные характеристики следует снимать с паспорта прочности.

Рис. 1. Паспорт прочности каменной соли

Рис. 2. Графическая интерпретация максимальных нормальных напряжений, действующих в зоне разрушения материалов: – угол внутреннего трения пород, град; с – сцепление.

3. Построение номограммы зависимости между напряженным состоянием материала (sн) и критерием Rz по данным лабораторных испытаний

Исследования проводились следующим образом:

  • из пенобетона и каменной соли изготавливались образцы по методике, изложенной в ГОСТ 21153.0-75. Образцы гипса изготавливались из гипсовой пасты путем формовки с последующей сушкой;
  • образцы материалов испытывались на одноосное (sр) растяжение, (sс) сжатие и в условиях объемного напряженного состояния. Каменная соль исследовалась при боковых давлениях s2 = s3 = 5–20 МПа в стабилометре БУ-28 конструкции ВНИМИ. Гипс и пенобетон исследовались при боковых давлениях s2 = s3 = 0,2–0,6 МПа в стабилометре конструкции «Геотек».
  • морфология поверхности разрушения материала в зоне «магистральной» трещины разрыва при заданных sн оценивалась через показатель Rz и Sz. Измерение шероховатости (Rz) производилось индикатором часового типа с ценой деления 0,01 мм.

На основе экспериментальных данных построена номограмма взаимосвязи между напряженным состоянием материала (sн) и величинами шероховатости поверхности разрушения Rz (рис. 3). Так, для гипсов, каменной соли и пенобетона значение величин шероховатости поверхностей трещины разрушения Rz является максимальным при одноосном растяжении, а в условиях сжатия материалов значения Rz уменьшаются (рис. 3).

Рис. 3. Номограмма взаимосвязи между напряженным состоянием материала (sн)

и величинами шероховатости поверхности разрушения (Rz):

1 – каменная соль; 2 – гипс; 3 – пенобетон

4. Определение значения показателей Rz материала разрушенных элементов конструкций сооружения

Для того чтобы определить, в каком напряженном состоянии работает материал, первоначально отбирают образец с трещиной из зоны магистрального разрушения элемента конструкции сооружения и на поверхности трещины определяют значения показателя Rz. Допустим, оно составляет: Rz = 1,6 мм.

5. Определение расчетных значений характеристик материала

По величине Rz, используя полученную номограмму (рис. 3), определяют критические напряжения sн, при которых произошло разрушение материала, напри­мер, при Rz = 1,6 мм sн = 4 МПа.

Затем по sн, используя номограмму (рис. 1), определяют расчетные значения прочностных характеристик каменной соли. Например, при sн = 4 Мпа сцепление составляет с = 4 МПа, а угол внутреннего трения = 44°.

Вывод

Вышеизложенная методика, основанная на выявленной взаимосвязи между величинами шероховатости поверхности разрушения Rz и максимальными (критическими) напряжениями sн, действующими в зоне разрушения, позволяет получить достоверные расчетные характеристики материалов и обеспечивает повышение надежности инженерных сооружений.

Рецензенты:

Ибламинов Р.Г., д.г-м.н., заведующий кафедрой минералогии и петрографии Пермского государственного национального исследовательского университета, г. Пермь.

Наумова О.Б., д.г-м.н., зав. кафедрой поисков и разведки полезных ископаемых Пермского государственного национального исследовательского университета, г. Пермь.