Анализ влияния циклического нагружения на осадку глинистого основания резервуара

Введение. Грунты в основании фундаментов резервуаров подвержены циклам нагружения и разгружения при наливе и опорожнении резервуара. Строительство таких сооружений зачастую ведется на участках, где залегают пере-увлажненные глинистые грунты. Цель исследования — изучить изменение вертикальных деформаций водонасыщенных глин под воздействием циклов «нагрузка – разгрузка». Это позволит выявить величины дополнительных осадок водонасыщенного глинистого основания при циклах нагружения и разгружения.

Материалы и методы. Выполнена серия лабораторных испытаний в одометре с циклами нагружения и разгружения с образцами глин мягкопластичной, текучепластичной и текучей консистенции. Полученные при лабораторных испытаниях значения механических параметров исследуемых глин использованы в численных расчетах осадки основания вертикального стального резервуара в программном комплексе PLAXIS 2D.

Результаты. Изучено влияние консистенции глины на величину осадки при циклическом нагружении образцов в компрессионном приборе. Определено соотношение пластических и упругих деформаций для глин мягкопластичной, текучепластичной и текучей консистенции. Дополнительная осадка глин мягкопластичной, текучепластичной и текучей консистенции, вызванная циклическим нагружением и разгружением (в пределах первых 10 циклов), составила до 10 % от общей осадки грунта. По результатам численных экспериментов выявлено, что дополнительные осадки основания резервуара при 20 циклах нагружения и разгрузки составляли 2,4–4,1 % от общей осадки.

Выводы. Проведенные лабораторные и численные исследования показали, что циклы нагружения и разгружения водонасыщенных глин приводят к развитию дополнительных осадок. Величина дополнительной осадки зависит от количества циклов и консистенции глины. За все время эксплуатации резервуара число циклов налива и опорожнения может составлять более 2000, поэтому следует ожидать приращения дополнительных деформаций грунта в основании фундамента.

1. Мангушев Р.А., Кириллов В.М. Анализ законо-мерностей развития осадок фундаментов стальных цилиндрических резервуаров на слабых грунтах // Вестник гражданских инженеров. 2018. № 3 (68). С. 84–89. DOI: 10.23968/1999-5571-2018-15-3-84-89. EDN VJRQZT.

2. Мирсаяпов И.Т., Сабирзянов Д.Д. Несущая способность основания фундаментов при комбинированных, чередующихся, длительно статических и циклических нагружениях // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2018. № 1 (43). С. 153–163. EDN UOVUZO.

3. Kou H., Fang W., Zhou N., Huang J., Zhang X. Dynamic response of single-bucket foundation in clay under vertical variable amplitude cyclic loadings // Ocean Engineering. 2023. Vol. 273. P. 113973. DOI: 10.1016/j.oceaneng.2023.113973

4. Liu W., Tan J., Lv W., Chen Ch., Qu Sh. Characteristics and predictions of accumulative deformation of structured soft soil under long-term cyclic loading // Soil Dynamics and Earthquake Engineering. 2025. Vol. 189. P. 109088. DOI: 10.1016/j.soildyn.2024.109088

5. Zhang T., Li T., Feng Sh. Elastoplastic modelling for long-term cyclic stability of soft clays with consideration of structure damage // Soil Dynamics and Earthquake Engineering. 2023. Vol. 166. P. 107727. DOI: 10.1016/j.soildyn.2022.107727

6. Schreinert G.G., Kern C., Lunkes Strieder H., Teixeira Brito L.A., Nunez W.P. Influence of number of load cycles on the resilient response of soils under repeated load triaxial tests // Transportation Geotechnics. 2025. Vol. 50. P. 101493. DOI: 10.1016/j.trgeo.2025.101493

7. Xiao X., Guan X., Wu Q., Zhao D., Zhou R., Chen G. Energy-based method for the failure criterion and resistance evaluation of marine clay under cyclic loading // Engineering Geology. 2025. Vol. 344. P. 107833. DOI: 10.1016/j.enggeo.2024.107833

8. Tafili M., Albared A., Prada-Sarmiento L.F., Wichtmann T. Loading rate influence on high-cyclic loading of clays // Soil Dynamics and Earthquake Engineering. 2023. Vol. 173. P. 108103. DOI: 10.1016/j.soildyn.2023.108103

9. Zhang J., Zhang A., Li J., Fan H. Enhanced understanding on permanent deformation behaviour of subgrade compacted clay under long-term cyclic loading // Soil Dynamics and Earthquake Engineering. 2024. Vol. 187. P. 108972. DOI: 10.1016/j.soildyn.2024.108972

10. Wang H.L., Sun Y.H., Chen R.P., Peng Ch.Y., Khasanov A. Deformation characteristics and stability analysis of lean clay under cyclic loading // Transportation Geotechnics. 2024. Vol. 47. P. 101285. DOI: 10.1016/j.trgeo.2024.101285

11. Васильев Г.Г., Сальников А.П. Анализ причин аварий вертикальных стальных резервуаров // Нефтяное хозяйство. 2015. № 2. С. 106–108. EDN TJFVMX.

12. Shuxin Zh., Chun K., Penggang Zh., Jinheng L., Yingjie Sh., Gang W. et al. Failure analysis of local settlement induced Q345R bottom plate cracking of crude oil storage tank // Heliyon. 2022. Vol. 8. Issue 11. P. e11952. DOI: 10.1016/j.heliyon.2022.e11952

13. Naseri H., Showkati H., Zirakian T. Experimental investigation of geometrical and physical behaviors of thin-walled steel tanks subjected to local support settlement // Structures. 2021. Vol. 34. Pp. 413–422. DOI: 10.1016/j.istruc.2021.08.011

14. Семин А.С., Татьянников Д.А. Устройство фундамента на искусственном основании для стального вертикального резервуара // Транспорт. Транспортные сооружения. Экология. 2021. № 3. С. 37–44. DOI: 10.15593/24111678/2021.03.05. EDN RJOAVI.

15. Gunerathne S., Seo H., Lawson D.W., Jaya-wickrama P.W. Analysis of edge-to-center settlement ratio for circular storage tank foundation on elastic soil // Computers and Geotechnics. 2018. Vol. 102. Pp. 136–147. DOI: 10.1016/j.compgeo.2018.05.008

16. Nassernia S., Showkati H. Experimental Investigation to local settlement of steel cylindrical tanks with constant and variable thickness // Engineering Failure Analysis. 2020. Vol. 118. P. 104916. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2020.104916

17. Naseri H., Zirakian T., Showkati H. Stability response assessment of steel thin-walled open-top tanks subjected to local support edge settlement // World Journal of Engineering. 2023. Vol. 22. Issue 1. Pp. 29–39. DOI: 10.1108/WJE-06-2023-0165

18. Кондратьева Л.Н., Бурцев Р.В., Горшков И.В. О применении моделей грунта Soft Soil и Hardening Soil Small-Strain в рамках задачи фильтрационной консолидации на различных этапах возведения и эксплуатации здания в условиях слабых грунтов // Вестник гражданских инженеров. 2022. № 3 (92). С. 62–71. DOI: 10.23968/1999-5571-2022-19-3-62-71. EDN EXGTGV.

19. Laham N., Kwa K., White D., Gourvenec S. A surrogate model to efficiently predict changing strength and stiffness of soft soils through whole-life episodic cyclic loading // Computers and Geotechnics. 2025. Vol. 177. P. 106895. DOI: 10.1016/j.compgeo.2024.106895

20. Showkat R., Kumar Singh S., Sivakumar Babu G.L. Evaluation of dynamic properties of unsaturated soils under cyclic loading // Soil Dynamics and Earthquake Engineering. 2025. Vol. 190. P. 109196. DOI: 10.1016/j.soildyn.2024.109196

21. Sun J., Li J., Luo L., Luo W., Lu W. Dynamic responses of sand-clay mixtures under long-term cyclic loading // Soil Dynamics and Earthquake Engineering. 2024. Vol. 178. P. 108500. DOI: 10.1016/j.soildyn.2024.108500