Инновационный способ энергоэффективного кольцевого армирования слабого грунта под экологически опасные и ядерные объекты

 

В последние годы XX и в начале ХХ1 века в России и за рубежом были зарегистрированы массовые случаи отказов резервуаров емкостью до 100 тыс.м3. В работах Филиппова В.В, Прохорова В.А, Аргунова С. В. и Буслаевой Н. И. проведен детальный анализ отказов и предаварийных ситуаций высотных, ядерных и экологически опасных объектов, в частности нефтеналивных резервуаров на нефтебазах республики САХА (Якутия) [1].

В Англии в 1966 году также произошло несколько разрушений резервуаров вместимостью от 8 до 24 тыс.м3, причиной разрушения резервуаров явилось возникновение хрупких трещин в сварных швах днища, окраек и непосредственно в уторной зоне, в результате неравномерной деформации грунтового основания [2].

В Японии 18 декабря 1974 года произошла авария резервуара вместимостью 50 тыс.м3 (фирма «Мицубиси Сэкие»), также из-за недопустимо больших осадок водонасыщенного грунтового основания [3].

Высокие абсолютные осадки и значительный уровень их неравномерностей на практике недопустимы и при эксплуатации высотных и ядерных объектов.

Применительно к федеральным базам хранения стратегических запасов углеводородного сырья и нефтепродуктов установлено, что аварии большинства крупногабаритных резервуаров для хранения различных углеводородов произошли в основном из-за недопустимо больших осадок грунтового основания, которые привели к перенапряжению материала днища резервуаров с последующим их разрушением. Последнее свидетельствует о необходимости создания принципиально новой технологии устройства надежного грунтового основания, либо новой конструкции фундамента под высотные, экологически опасные и ядерные объекты, либо принципиально новой системы кольцевого армирования грунта с целью повышения его несущей способности. В последние время в строительстве интенсивно внедряются активные методы усиления грунтовых оснований за счет:

        локальных взрывных работ, например, при устройстве фундаментов глубокого заложения, с целью уплотнения грунта;

        низкочастотного поверхностного и глубинного виброуплотнения;

        статического послойного уплотнения грунта специальными катками;

        формирования оптимальной влажности грунта, позволяющей добиться максимальной плотности грунта при его уплотнении;

        активного и направленного дренирования грунта с целью его осушения и самоуплотнения.

Однако перечисленные методы требуют серьезных энергетических затрат, что снижает их общую экономическую эффективность.

Последние экспериментальные и теоретические исследования, выполненные как отечественными, так и зарубежными учеными, при оценке напряженно-деформированного состояния грунтовых оснований, загруженных по большой площади равномерно-распределенной нагрузкой, позволили установить, что значительная доля вертикальных осадок дневной поверхности линейно-деформированного полупространства происходит из-за больших перемещений расчетной среды в горизонтальном направлении (Иванов Ю. К., 1998г.).

Использование и обобщение выявленного факта позволило авторам настоящей статьи разработать новый принцип увеличения несущей способности грунтового основания за счет активного горизонтального армирования грунта с помощью полой кольцевой шпунтовой стенки, преднапряженной по окружающему грунту (Землянский А. А., 2005г.).

При этом преднапряжение грунта, находящегося во внутренней полости кольцевой шпунтовой стенки, может осуществляться за счет давления воздуха, давления воды или давления саморасширяющегося раствора, нагнетаемого в рабочие полости отдельных элементов кольцевой шпунтовой стенки (рис.1).

Рис. 1. Конструктивная схема кольцевой шпунтовой стенки с преднапряжением по грунту: 1 — внешняя стенка кольцевой шпунтовой системы; 2 — внутренняя стенка кольцевой шпунтовой системы; 3 — рабочая зона преднапрягаемого грунта; 4 — нагрузка от гибкой фундаментной плиты; 5 — давление преднапряжения грунта

 

В ходе практической реализации предложенного принципа увеличения несущей способности грунтового основания за счет активного горизонтального армирования, выявлена возможность осуществления двойного преднапряжения исследуемого грунта как за счет активного преднапряжения каждой рабочей секции кольцевой шпунтовой стенки, так и за счет частичного уменьшения рабочего диаметра внешней кольцевой стенки всей рассматриваемой системы. При этом с увеличением давления преднапряжения в каждом рабочем элементе кольцевой стенки будет происходить и более интенсивное увеличение эффективности упрочнения грунта как за счет локального преднапряжения каждой рабочей секции, так и за счет некоторого уменьшения рабочего диаметра всей кольцевой шпунтовой стенки в целом. Проведенные авторами широкомасштабные эксперименты в полевых и лабораторных условиях позволили установить, что в результате кольцевого преднапряжения слабого грунта несущая способность последнего может быть увеличена более чем в 40 раз. Именно поэтому рассматриваемую систему активного кольцевого армирования слабого грунта можно отнести к инновационной и прорывной системе позволяющей с минимальными затратами резко увеличить уровень эксплуатационной надежности экологически опасных, высотных и ядерных объектов.

Задача расчета основания армированного преднапряженной системой имеет похожую, но все же значительно отличающуюся от классической схемы нагружения. Допустим что увеличение несущей способности основания происходит за счет активного горизонтального армирования грунта. В этом случае имеем физически нелинейную постановку задачи с двух параметрическим нагружением и , где:

         — внешнее вертикальное давление, передаваемое на фундаментную плиту (рис. 2);

         — активное горизонтальное давление армирующей системы (рис. 2).

Рис. 2. Расчетная схема кольцевого армирования грунта с преднапряжением

 

Расчетная схема (рис.2.) представляет собой круглую мембрану, моделирующую днище РВС, из которой в диаметральном направление вырезана полоска единичной ширины, загруженная внешней равномерно-распределенной нагрузкой интенсивностью . Тогда вся расчетная схема может быть сведена к плоской задаче. В рассматриваемом случае все уравнения математической модели будут представлять собой систему дифференциальных уравнений в частных производных. При этом область интегрирования будет прямоугольной с системой граничных условий, наложенных на функции вертикальных и горизонтальных перемещений, а также на нормальные и касательные напряжения на контуре области интегрирования (рис. 2). Здесь необходимо иметь ввиду, что наряду с уравнениями модели основания, необходимо уравнение изгиба материала гибкой фундаментной плиты исследуемого объекта с соответствующими граничными условиями по торцам днища для определения поля напряжений на линии контакта поверхности основания и гибкого фуедамента рассматриваемого инженерного объекта с учетом сдвиговых деформаций возникающих на контакте грунта с днищем.

Анализируя полученную расчетную схему, которая представлена на рис. 2 можно увидеть, что традиционные методы механики грунтов с линейно-деформируемой постановкой не могут описать всю историю изменения напряженно-деформированного состояния основания при двухпараметрическом нагружении. Проблема здесь в том, что нам неизвестен отпор основания, который зависит не только от свойств грунтового основания, но и от приведенной жесткости гибкой фундаментной плиты исследуемого объекта, а также от уровня сдвиговых деформаций и касательных напряжений. При этом отпор, очевидно, будет зависеть и от горизонтального преднапряжения основания, а это значит, что в условиях нелинейности принцип суперпозиции для параметров нагружения не будет работать. Существенным здесь является учет истории нагружения, то есть учет последовательности приложения эксплуатационной нагрузки на гибкую фундаментную плиту и активного горизонтального преднапряжения основания под фундаментной плитой.

Практическое внедрение в строительство уникальных, высотных, экологически опасных и ядерных энергетических объектов — системы горизонтального кольцевого преднапряжения грунта связано с разработкой фундаментальной теории расчета напряженно-деформированного состояния преднапряженного основания, нагружаемого вертикальной гидростатической нагрузкой от подошвы фундаментов указанных объектов и работающего в области упругопластических деформаций. Предпочтительный способ построения такой теории это принцип виртуальной работы, так как вариационная формулировка, построенная на фундаментальных принципах механики позволяет получить математические зависимости с вполне ясным физическим смыслом. Вариационная формулировка используется в тех случаях, когда принцип виртуальной работы сводится к принципу стационарности потенциальной энергии, который выделяет среди множества всех допустимых состояний, истинное состояние, равновесие которого характеризуется стационарностью потенциальной энергии. В задачах теории пластичности применение вариационных принципов связано с определенными трудностями. Здесь ставится задача нахождения функционала, минимум которого существует и является точным решением задачи о равновесии исследуемой среды. Задача расчета преднапряжненного грунтового массива является в определенном смысле более сложной, чем просто задача о напряженно-деформированном состоянии деформируемой среды в упругопластической постановке. Сложность здесь связана со спецификой описания работы преднапряженной грунтовой среды. Дело в том, что деформационные свойства грунтовой среды зависят не только от характера и состояния грунтовой среды, но и от траектории ее нагружения. В условиях двухпараметрического характера нагружения, траектория нагружения может быть существенно различной, что отразится на практике на деформационных свойствах и деформационных откликах нагружаемой грунтовой среды.

В ходе активного армирования грунта кольцевой системой преднапряженной по грунту, авторами настоящей работы была выполнена детальная оценка влияния траектории преднапряжения кольцевого армирования грунта по отношению к траектории загружения гибкого штампа вертикальной нагрузкой. При этом в настоящей работе были рассмотрены три варианта синхронизации указанных траекторий, представленных на рис. 3.

Рис. 3. Варианты синхронизации траектории кольцевого преднапряжения грунта и траектории вертикального загружения исследуемого упругого полупространства: а — схема отставания горизонтального кольцевого преднапряжения грунта по отношению к его вертикальному загружению; б — схема одновременного горизонтального кольцевого преднапряжения грунта и его вертикального загружения; в — схема опережающего горизонтального кольцевого преднапряжения грунта по отношению к его вертикальному загружению; 1 — траектория загружения гибкой мембраны вертикальной равномерно распределенной нагрузкой; 2 — траектория загружения кольцевой горизонтальной системы преднапряжения грунта t — время загружения; qx — интенсивность кольцевого преднапряжения грунта; qz0 — интенсивность вертикальной нагрузки на грунтовое основание

 

В первом варианте кольцевое преднапряжение грунта осуществлялось с некоторым наперед заданным опозданием по отношению к траектории загружения штампа, моделирующего работу подошвы кольцевого фундамента, что составляло в рассматриваемом случае 12,5 % от максимально запланированной вертикальной нагрузки.

Во втором варианте кольцевое преднапряжение грунта осуществлялось одновременно с загружением гибкого штампа вертикальной нагрузкой ступенями, составляющими также 12,5 % от максимальной нагрузки на рабочий штамп.

В третьем варианте кольцевое преднапряжение грунта выполнялось с опережением по отношению к траектории загружения рабочего штампа модели подошвы исследуемого фундамента. При этом указанное опережение осуществлялось в 2 этапа. На первом этапе создавалось только преднапряжение грунта в кольцевом направлении до уровня 25 % от максимальной вертикальной нагрузки на днище и лишь после стабилизации напряженно-дефор-мированного состояния преднапряженного грунта начиналось загружение рабочего штампа вертикальной равномерно-распределенной нагрузкой ступенями в 12,5 % от максимальной вертикальной нагрузки. На втором этапе загружения опережение кольцевого преднапряжения грунта осуществлялось также ступенями, не превышающими 12,5 % от максимальной вертикальной нагрузки.

Все результаты, полученные при моделировании указанных вариантов армирования грунта в лотковых условиях представлены в табл. 1.

Анализ полученных экспериментальных материалов позволил установить, что если принять в табл. 1. осадку грунта в первом варианте загружения за 100 %, то во втором и третьем вариантах осадка исследуемого грунтового основания составляет всего лишь 71 % и соответственно 61 %, что, в свою очередь, свидетельствует о необходимости использовать на практике именно опережающее кольцевое преднапряжение грунта в горизонтальном направлении.

Таблица 1

Варианты синхронизации траектории загружения исследуемого грунтового основания

I вариант			II вариант			III вариант
Давление, МПа		Ср.осадка грунта, мм	Давление, МПа		Ср. осадка грунта, мм	Давление, МПа		Ср. осадка грунта, мм
в гибком штампе	в кольцевой оболочке		в гибком штампе	в кольцевой оболочке		в гибком штампе	в кольцевой оболочке
1	2	3	4	5	6	7	8	9
0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00
0,01	0,005	+ 0,74	0,01	0,01	+ 0,30	0,00	0,01	- 0,02
0,02	0,01	+ 1,40	0,02	0,02	+ 0,80	0,00	0,02	- 0,08
0,03	0,015	+ 2,20	0,03	0,03	+ 1,40	0,00	0,03	- 0,14
0,04	0,02	+ 2,90	0,04	0,04	+ 2,00	0,00	0,04	- 0,20
0,06	0,04	+ 3,71	0,06	0,06	+ 2,65	0,02	0,06	+ 0,40
0,08	0,06	+ 4,40	0,08	0,08	+ 3,18	0,06	0,08	+ 1,50
0,10	0,08	+ 5,20	0,10	0,08	+ 3,70	0,10	0,08	+ 2,20
0,12	0,08	+ 5,90	0,12	0,08	+ 4,20	0,12	0,08	+ 3,00
0,14	0,08	+ 6,66	0,14	0,08	+ 4,71	0,14	0,08	+ 3,70
0,16	0,08	+ 7,40	0,16	0,08	+ 5,30	0,16	0,08	+ 4,54
Итого: I/I		100 %	Итого: II/I		71 %	Итого: III/I		61 %

 

Примечание: — все три варианта синхронизации траектории загружения выполнены для 6-го эксперимента (+-+-) в четырехфакторной матрице планирования;

        деформация грунта со знаком «плюс» свидетельствует о сжатии исследуемого грунтового основания;

        деформация грунта со знаком «-» свидетельствует о подъеме загружаемой поверхности исследуемого грунтового основания

Именно поэтому на практике в ходе разработки сценария кольцевого армирования слабых грунтов с их активным преднапряжением необходимо использовать только третий вариант синхронизации траектории загружения исследуемого грунта, как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях с обязательным и детальным уточнением траектории опережающего преднапряжения грунта в зависимости от размера армируемой площади, величины физико-механических свойств грунта и уровня грунтовых вод в исследуемом массиве.

Выводы

По результатам выполненной работы можно сделать следующие выводы:

1                    Разработанная система кольцевого армирования слабых грунтов с активным преднапряжением позволяет увеличить несущую способность, а также снизить ожидаемые абсолютные и неравномерные осадки исследуемого грунтового основания более чем в 40 раз, что позволяет отнести разработанную технологию усиления слабого грунта к — прорывным технологиям;

2                    Наличие в предложенной системе кольцевого армирования слабого грунта — активной системы электронного управления позволяет на практике проектировать и возводить уникальные, высотные, экологически опасные и ядерные объекты с управляемой эксплуатационной надежностью, что в свою очередь позволяет отнести рассматриваемые объекты к интеллектуально разумным инженерным сооружениям — нового поколения;

3                    Предложенный принцип активного кольцевого армирования грунта обеспечивает реальную и практическую возможность дискретного управления деформационным поведением грунта внутри армируемого пространства, что позволяет на практике либо предупредить любую предаварийную ситуацию с экологически опасным объектом, либо оперативно устранить причины порождающие формирование указанных ситуаций;

4                    Апробированная система кольцевого армирования грунта имеет несопоставимо высокую эффективность как по стоимости, материалоемкости, так и по трудозатратам по сравнению с традиционным вариантом, у которого отсутствует указанное армирование.

5                    Экспериментально доказано, что использование траектории опережающего кольцевого преднапряжения грунта в ходе возведения инженерного объекта, позволяет дополнительно более чем на 40 % уменьшить деформируемость исследуемого грунта, что позволяет на практике принять апробированную траекторию в качестве «базовой».

 

Литература:

 

1.                Иванов Ю. К. Основания и фундаменты резервуаров / Ю. К. Иванов, П. А. Коновалов, Р. А. Мангушев, С. Н. Сотников. Под ред. П. А. Коновалова — М.: Стройиздат, 1998. -223 с.
2.                Котляровский В. А. Аварии и катастрофы предупреждение и ликвидация последствий / Котляровский В. А., Забегаев А. В. — М.: Изд-во АСВ, 1998. –203 с.
3.                Хайкан Ж. Аварии большого резервуара в Японии — М.: 1975, Т.8.№ 5 — С 128–142.
4.                Землянский А. А. Принципы конструирования и экспериментально-технические исследования крупногабаритных резервуаров нового поколения/ А. А. Землянский — г. Саратов: Изд-во СГТУ, 2005. — 320с.
5.                Коновалов П. А. Фундаменты стальных резервуаров и деформации их оснований / Коновалов П. А., Мангушев Р. А., Сотников С. Н., Землянский А. А., Тарасенко А. А. — М.: Изд-во АСВ, 2009–336 с.