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:
- математическое, логическое или другое описание работы сооружения;
- 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.