Систематическое изучение процесса отрыва сооружений от грунта началось в конце XIX в. с экспериментальных исследований и лишь много позднее были осуществлены расчетно-теоретические разработки, получившие активное продолжение в последней четверти XX в. в связи с необходимостью подъема затонувших судов, перестановки опирающихся на грунт глубоководных платформ, механизмов и др.
Попытки лабораторного определения силы отрыва модели сооружения от грунта были предприняты еще в 1886–1887 гг. (Brennecke, Forchheimer). По-видимому, впервые Рутковский (1900) установил, что усилие отрыва существенно зависит от времени его действия. Уже тогда им были выполнены целенаправленные исследования процесса отрыва тел от грунта для разработки проекта подъема затонувшего судна.
Позднее рядом отечественных исследователей (М.А. Пимоненко, 1949; В.П. Ольшанниковым, 1958; П.П. Бородавкиным, 1961 и др.) были выполнены многочисленные лабораторные опыты по отрыву штампов, моделей кораблей или их отсеков от различных грунтов. В результате были получены зависимости усилия отрыва от вида и состояния грунта, скорости нарастания усилия и других факторов. Впервые П.П. Бородавкиным в опытах, выполненных на кафедре подземных сооружений, оснований и фундаментов ЛПИ (теперь – СПбГТУ) под руководством чл.-корр. АН СССР В.А. Флорина, было исследовано распределение и изменение во времени отрицательных «избыточных» (дополнительных) давлений в поровой воде основания штампа при приложении к нему усилия отрыва [1]. Он обратил внимание на то, что при неполном к моменту отрыва рассеивании избыточного порового давления, вызванного действием уплотняющей нагрузки, время отрыва штампа уменьшается.
За рубежом экспериментальное изучение отрыва сооружений от грунта началось лишь в конце 1960-х гг. в связи с развитием глубоководной техники и освоением шельфа. Были выполнены лабораторные опыты по отрыву штампов (R. De Hart and C. Ursell, 1967; W. Finn and A. Byrne, 1972–78; G. Roderick и A. Lubbad, 1975 и др.) и опыты по подъему (отрыву) со дна моря различных тел и объектов (B. Muga, 1967; C. Liu, 1969; W. Finn and A. Byrne, 1972 и др.). Kак показал анализ [2] перечисленных работ, зарубежные исследователи не были знакомы и не учитывали исследований советских коллег. В этих работах в целом подтверждаются результаты, ранее полученные в СССР.
Многими исследователями на основе экспериментов (как лабораторных, так и натурных) были предложены эмпирические зависимости для оценки усилия отрыва («силы присоса»). Эти зависимости по-разному учитывают факторы, влияющие на усилие отрыва. Они были получены на основании испытаний штампов и моделей и не могут быть признаны достаточно обоснованными для применения к реальным объектам.
Во многих экспериментах отмечено, что величина отрывающего усилия определяется не только развивающимися «отрицательными» (дополнительными к существующим) давлениями («присос»), но и способностью грунта прилипать к поверхности отрываемых штампов и тел. В частности, на маловлажных глинистых грунтах при практическом отсутствии отрицательного порового давления отрыв штампов, тем не менее, требует приложения определенных отрывающих усилий, дополнительных к весу штампа. Количественной характеристикой липкости RL грунта является удельное усилие, требуемое для отрыва штампа от грунта. Для определения липкости наибольшее распространение получил прибор В.В. Охотина. Как показали экспериментальные определения, липкость существенно зависит от содержания в грунте глинистых частиц и его влажности, при этом максимальная липкость отмечается при влажности, близкой к пределу пластичности. По обобщенным данным экспериментов, липкость RL изменяется от ~5 кПа для супесей до ~50 кПа для глин.
Расчетно-теоретические исследования отрыва сооружений от грунта были начаты в 1940-х гг. Они базировались на представлении грунта как многофазной среды и определении усилия отрыва на основе решения задач фильтрации в основании сооружения.
В работе Б.Ю. Калиновича (1946), а в последующем и в работах его учеников, рассматривался вариант установившейся фильтрации воды из основания в полость, образующуюся под плоской подошвой сооружения, без учета деформируемости скелета грунта, что не согласуется с результатами опытов.
Учет деформируемости скелета грунта от действия фильтрационных сил, возникающих при фильтрации воды в основании отрываемого сооружения, впервые был осуществлен П.П. Бородавкиным [1]. Он рассматривал фильтрацию как неустановившийся процесс и для его описания использовал уравнение «основной расчетной модели консолидации» Флорина. Однако в решениях П.П. Бородавкина не учитывилась липкость грунта и разгрузка основания от веса сооружения, т.е. принималось приложение отрывающего усилия к невесомому сооружению.
В 1980-1990-х гг. процесс отрыва сооружений от водонасыщенных оснований подробно рассматривался в работах Н.В. Нориной и И.А. Иванова [2], выполненных на кафедре ПСОиФ под руководством проф. П.Л. Иванова, включившего некоторые результаты этих работ в учебник по механике грунтов [3]. Основной особенностью этих работ явился учет липкости как расчетного параметра грунта при описании неустановившейся фильтрации уравнением консолидации Флорина. В указанных работах рассматриваются сооружения с небольшим заглублением h в грунт (h<<b, где b – ширина сооружения).
Наиболее полный учет факторов и условий, влияющих на процесс отрыва сооружений от основания, осуществлен И.А. Ивановым. Он описал процесс извлечения малозаглубленного сооружения из грунта, который состоит из последовательных стадий, кратко характеризуемых ниже.
Вначале, по мере постепенного возрастания усилия подъема Q до величины веса сооружения G (в воде – Gвзв) в основании происходит уменьшение напряжений, созданных весом G, что обусловливает развитие деформаций разбухания грунта. В грунтах развитие деформаций от усилия Q существенно зависит от напряженного состояния, сформировавшегося в основании перед отрывом, и оно должно быть определено предварительно из решения задачи консолидации.
При дальнейшем увеличении усилия Q сверх веса сооружения, т.е. при Q=G+Qотр,
приложение отрывающего усилия Qотр=Sqотр вызывает появление
реакции основания, включающей растягивающие напряжения sz в скелете грунта, «избыточные»
(дополнительные к имевшимся в воде давлениям при Qотр=0) отрицательные давления
рW в поровой воде и силы трения t по боковым поверхностям
заглубленной в грунт части сооружения (рис. 1, а).
Рис. 1. Схема сил, действующих
на заглубленное сооружение при его отрыве: а – при наличии контакта по подошве; б – при образовании полости
Qотр=Sqотр =Ssz+
SрW +St . (1)
Qотр, max=SRL+SpW +St . (2)
Принимается, что при Qотр, max происходит нарушение контакта и образуется узкая щель (полость) между подошвой сооружения и грунтом, при этом sz = 0 (рис. 1,б). Для дальнейшего извлечения сооружения из грунта и, соответственно, расширения полости необходимо создать усилие
Qотр
=Sqотр =SpW+
St. (3)
В расчетах [2, 3] отрыва малозаглубленных в грунт сооружений с плоской подошвой принималось, что момент отрыва (отделения) сооружения от основания определяется окончанием формирования полости на всю величину заглубления и заполнения ее полностью водой, фильтрующейся из основания и акватории в полость. Согласно такому варианту развития процесса отрыва скорость раскрытия полости определяет величину отрицательного давления pW в воде, величину усилия Qотр по формуле (3) и время отрыва. При непрерывном заполнении расширяющейся полости фильтрующейся водой общее время извлечения сооружения из грунта (отрыв от основания) будет определяться, в частности, фильтрационными свойствами грунта. При этом принимается, что нарушение сплошности основания фильтрационными силами в виде фильтрационного разрыва или выпора исключается.
Для описания неустановившейся фильтрации на всех последовательных стадиях расчета в работах [1 – 3] использованы разработанные в трудах В.А. Флорина «основная расчетная модель консолидации» и численное решение уравнений консолидации методом конечных разностей (МКР). Численное решение МКР позволило учесть произвольный график нагружения основания, липкость грунта, наличие защемленного и растворенного в воде газа и др. В частности, было показано, что искусственная инъекция газа или газированной воды под подошву сооружения является эффективным средством ускорения процесса и уменьшения усилия отрыва.
В работах [1–3], а также Н.В. Нориной рассмотрены сооружения с плоской (горизонтальной) подошвой и вертикальными боковыми гранями (плоский штамп, см. рис. 1). В расчетах отрыва таких сооружений от основания образование и раскрытие щели (полости) предполагается только по подошве, без выхода на боковую поверхность. При неплоских подошве и боковой поверхности отрываемого от грунта сооружения, например затонувшего корабля или подводной лодки, характер развития щели и полости между поверхностью сооружения и грунтом будет иным, в частности, можно ожидать постепенного развития щели вдоль контакта сооружения с грунтом.
Процессы уплотнения, разбухания и разуплотнения грунта, неодинаковые по интенсивности в различных зонах основания сооружения при его установке на грунт, при подъеме приводят к тому, что в водонасыщенном основании одновременно существуют области консолидации, деконсолидации и реконсолидации при непрерывном изменении их объемов. В этих условиях применение «основной расчетной модели» консолидации [1–3] нельзя признать достаточно корректным, поскольку известное допущение этой модели [4] о постоянстве полного (sn=st +st=const) напряжения при сложном нагружении основания может дать значительные не поддающиеся учету погрешности. При решении рассматриваемых задач следует применять более общую модель теории консолидации – модель объемных сил. Основные положения этой модели были сформулированы В.А. Флориным в 1938–1939 гг., а позднее, в 1941–1942 гг., независимо опубликованы М. Био [4]. С учетом истории появления указанная модель в России называется моделью консолидации Флорина–Био. Практическое ее применение началось лишь в 1980-е годы.
С учетом изложенных представлений и замечаний ниже предлагается уточненная методика расчетного описания процесса отрыва и определения усилия отрыва сооружения с неплоской подошвой от водонасыщенного грунта основания, реализуемая на примере подъема АПЛ «Курск».
При расчетном описании процессов нагружения и разгрузки грунтового основания АПЛ используется представление грунта сплошной, в общем случае трехкомпонентной (твердые частицы, вода, газ) анизотропной средой [5]. Для прогноза нестабилизированного напряженно-деформированного состояния (НДС) грунтового основания при неустановившейся в нем фильтрации поровой воды принимается расчетная модель теории консолидации Флорина – Био. Скелет грунта рассматривается как линейно-деформируемая разномодульная (физически анизотропная) среда, модуль линейной деформации которой зависит от знака соответствующего нормального напряжения и его приращения:
