авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Совершенствование строительства нефтепроводов в северных регионах (на примере ненецкого автономного округа)

-- [ Страница 2 ] --

Изучение состояния, изменений геокриологической среды на контакте с подземными, наземными и надземными трубопроводами. Геокриологическими исследованиями таких ученых, как С.Е. Гречищев, Л.В. Чистотинов, Р.П. Петрова, С.Е. Мельников, установлено, что под воздействием фазовых превращений влаги в покровных отложениях, при высоком положении уровня грунтовых вод (УГВ) формируются морозобойные трещины. Однако с позиций влияния на водный и тепловой режимы физико-механические свойства деятельного слоя ММП морозобойные трещины до настоящего времени не изучались.

Ниже приведены результаты геокриологических изысканий, проведённых в НАО на трассе нефтепровода Харьяга – Южное Хыльчую, на
НПС «Инзырей» и «Восточное Сарутаю». На указанных объектах в
2007-2008  гг. изучались: геометрические размеры морозобойных трещин, процессы формирования в деятельном слое блочных структур, изменения водно-тепловых свойств покровных отложений и подстилаемых ММП. В плане трещины имели четырёхугольную и пятиугольную формы со сторонами 1,6…4,4  м при ширине раскрытия на поверхности 0,05…0,35  м. Глубина смыкания трещин соответствовала границам максимального оттаивания грунтов (0,5…2,1  м) или положению верхней плоскости подстилаемых слитых ММП. Наличие грунтовых блоков, разобщённых между собой трещинами (рисунок 2), является определяющим фактором для формирования, оценки исходного и прогнозного состояний термовлажностного режима, физико-механических свойств покровных отложений.

1 – грунтовые блоки, разобщённые морозобойными трещинами;
2 – водонепроницаемый подстилающий слой, верхняя граница которого
соответствует глубине промерзания-оттаивания грунтов; 3 – морозобойные трещины, заполненные водой или льдом

Рисунок 2 – Модель структуры деятельного слоя ММП
с морозобойными трещинами

Предлагаемая модель деятельного слоя ММП позволяет прогнозировать изменения капиллярной (вертикальной) и гидрологической (горизонтальной) составляющих водного режима грунтов на осваиваемых участках. Так, например, по данным наблюдений на площадке, имеющей морозобойные трещины шириной 0,25 м, глубиной 1,2  м, протяжённостью сторон в плане 2,4  м, было установлено следующее. Объём капиллярной влаги в одном грунтовом блоке, имеющем в плане размеры 2,4 х 2,4  м, УГВ = 1,2  м и осреднённую по высоте объёмную влажность = 0,22, к концу весеннего периода составлял 1,2  м3. Содержание воды в трещинах в этот период было наибольшим – 1,44 м3. В меженный период года объём воды в трещинах составлял 30 % от максимального, в осенний период – 70 % от значений весеннего паводка. Объем капиллярной влаги внутри блоков был практически неизменным в течение всего периода. Содержание влаги (льда) в трещинах зависит от размеров трещин и положения УГВ в годовом режиме, а в разобщённых блоках – от атмосферных осадков, положения УГВ и объема капиллярной влаги. Водный режим в блоках можно прогнозировать относительно УГВ экспоненциальными зависимостями.

Наличие в деятельном слое блоков, разобщённых между собой трещинами, существенно отражается на формировании вертикальных и горизонтальных составляющих тепломассопереноса в грунтовых разрезах, фазовых превращений влаги в трещинах и грунтовых блоках. Наблюдениями за промерзанием-оттаиванием деятельного слоя было установлено превышение значений осадок (на 25…35 %) при оттаивании грунтов в разобщённых трещинами блоках в сравнении с деформациями их пучения. Это вызвано одновременными процессами миграции влаги из блоков к верхней границе промерзания и горизонтального оттока влаги из блоков в промерзающие трещины.

Приведенные выше данные подтверждают, что при определении НДС грунтовых оснований с морозобойными трещинами необходимо учитывать наличие вертикальных и горизонтальных составляющих тепломассообмена как непосредственно в грунтовых блоках, так и в морозобойных трещинах. Результаты проведённых изысканий позволяют повысить достоверность оценок исходных данных, прогноза изменений геокриологического состояния среды на контакте с сооружениями, получить данные для расчётов НДС грунтовых оснований, устойчивости нефтепроводов и других объектов на Крайнем Севере.

Совершенствование методики расчёта НДС промерзающих-оттаивающих грунтовых оснований, устойчивости фундаментов и нефтепроводов на ММП. В расчётах НДС талых и мёрзлых грунтовых оснований под сооружениями наиболее часто используют теорию линейно-деформируемых сред, позволяющую определять перемещения Ui точек в упругой среде грунтового полупространства, ограниченного плоскостью (x, y), на которую действует сила P(x, y). Тогда для силы , где – функция Дирака; F – сила, действующая на фундамент; с учётом работы Е.Ф. Винокурова можно получить численные значения перемещений Ux, Uy, Uz..

Ниже приведены результаты сравнения расчётных значений деформаций талых и мёрзлых грунтов в основании плитного фундамента, выполненные по теории линейно-деформируемых сред, с фактическими осадками плитного фундамента. Расчёты деформаций неоднородных по глубине грунтов проводились из условий решения плоской задачи взаимодействия грунтового полупространства с пластинкой (шириной 0,9 м, длиной 10  м), на которую действует сила 123 кН/м. Изменения физико-механических свойств геологической среды в течение года учитывались соответствующими корректировками упругих констант грунта. Осадка плитного фундамента в натурных условиях была определена в ходе наблюдений за его перемещениями в процессе бурения скважины № 21 на Восточно-Сарутаюском месторождении НАО. Фактическая осадка оттаивающих грунтов в основании поверхностного фундамента составила 0,28  м и в 7 раз превысила расчётное значение. Такое несоответствие результатов объясняется тем, что НДС деформируемых грунтов под подошвой мелко заглублённых или плитных фундаментов нельзя рассчитывать по теории, не учитывающей нелинейную зависимость между напряжениями и деформациями, явления консолидации и вязкости деформируемых при промерзании-оттаивании грунтов деятельного слоя.

Полученные результаты подтвердили необходимость применения для решения подобных задач вязкопластической теории. Для определения НДС сильно деформируемых грунтов деятельного слоя под фундаментами были использованы следующие уравнения Пыжина:

, ( (1)
; , ((2)

где J11 – первый инвариант тензора напряжений; J2 – второй инвариант девиатора напряжений;  – упругий модуль сдвига;  – постоянная вязкости; k – предел текучести при простом сдвиге;  – постоянная величина, характеризующая скорость объемного расширения грунта; ij – символ Кронекера, ij = 1 при i = j и ij = 0 при i   j. Функция Ф (F) определяется по результатов испытаний грунтов на динамические воздействия.

Уравнение (2) удовлетворительно описывает скорость объёмных деформаций грунтового полупространства. Постулируя определённую зависимость между вторым инвариантом тензора скорости неупругой деформации и скоростью продвижения границы промерзания-оттаивания, используя решения теории линейно-деформируемой среды в качестве начальных условий, можно из уравнений (1) и (2) найти зависимость перемещений ui точек основания во времени, определить площадь фундамента, в целом оценить устойчивость проектируемого сооружения. Результаты расчетов по вязкопластической теории не соответствовали деформациям грунтов под буровой установкой. Фактические осадки грунтов превышали расчётные значения более чем в 2,5 раза.

Совершенствование методики расчёта включало использование полученных данных по формированию морозобойных трещин, водного и теплового режимов в деятельном слое ММП. По методике с использованием известных теоретических положений определён радиус-вектор силы в точке (x, y, z) грунта, составлен и реализован методами конечных элементов алгоритм определения НДС в грунтовых блоках с учетом наличия в них подвижной границы фазовых превращений влаги.

Расчет теплового режима в грунтовом блоке включал решение с учетом изменения физико-механических свойств основания двумерного уравнения теплопроводности. При двух переменных нестационарное уравнение теплопроводности можно представить в виде:

, (3)

где T = T(r,t) – температура в точке с радиус-вектором r(x,y) в момент времени t; c(T) –коэффициент  теплоемкости; k(T) – коэффициент теплопроводности.

Поставленная задача была реализована численным методом с учетом переменных направлений тепловых Q и водных W потоков в грунтовом блоке, загруженном усилием q (рисунок 3).

Рисунок 3 – Схема расположения нагрузки, тепловых
и водных потоков в грунтовом блоке

Для нахождения численного решения уравнения (3) применительно к грунтовому блоку использовался метод контрольных объемов. Температура, теплофизические параметры породы рассчитывались в центрах объемов и принимались за характеристики всего объема. Предлагаемый подход позволил получить наиболее достоверные значения распределения тепловых потоков и НДС внутри грунтового блока под сооружениями. Реализация поставленной задачи была осуществлена с использованием данных инженерно-геологических изысканий. Результаты расчёта осадки фундамента при оттаивании грунтов в основании имели близкие натурным значениям и равнялись соответственно 0,22 и 0,28 м.

Для выполнения на основе теории вязкопластичности многочисленных расчётов НДС на неслитых ММП, расположенных под плитным фундаментом площадью 2,25 м2, были использованы следующие исходные данные: глубина сезонного оттаивания пылеватых суглинков Нот = 2,0 м; диаметр нефтепровода изменялся в пределах от 273 до 500  мм; температура оттаивающего грунта tпф под подошвой фундамента изменялась от – 0,1 0С до + 1,1 0С, а в подстилающих ММП на глубине 4,0 м от дневной поверхности температура tгр изменялась от – 2,2 0С до – 2,52 0С; засолённость грунтов на глубине 4,0 м от дневной поверхности Zгр от 0 до 1,05 %, а в деятельном слое Zо от 0 до 0,18 %; расчётные значения нагрузки от трубопровода Рртр включали массу фундамента, трубы и прокачиваемого флюида.

В расчётах учитывалось, что трещины в плане имели четырёхугольную форму со сторонами блока 3,6 м, ширину раскрытия трещин 0,25 м, глубину 1,8 м. Результаты расчётов, приведенные в таблице 1, подтверждают существенную зависимость напряжений, деформаций оттаивающих грунтовых оснований с морозобойными трещинами от нагрузок, температур и засоленности грунтов. Следует отметить, что максимальные значения деформаций в оттаивающих грунтовых основаниях (151…172 мм) практически не отражались на устойчивости, надёжности эксплуатации пространственно гибких надземных трубопроводов. Аналогичные расчёты НДС грунтовых оснований под плитными фундаментами были проведены и на участках со слитыми ММП. Расчётные деформации в оттаивающих основаниях слитых ММП были на 5…7 % меньше значений, приведенных в таблице 1.

Таблица 1 – Значения напряжений сж,кПа (числитель), деформаций , мм (знаменатель) оттаивающих, неслитых ММП под фундаментом

№ п/п Характеристика разрезов, сложенных пылеватыми суглинками с показателем текучести Jl, равным 0,15 Расчётные значения напряжений в грунте*
Деформации грунта под фундаментом**
Расчётные нагрузки на фундамент, Рртр, (тс)
1,25 2,42 5,92
1 zо = 0,0 %, zгр = 0,0 %, tпф = 0,1 0С, tгр = 2,3 0С 62,5* / 13,5** 115,7 / 22,9 272,3 / 46,6
2 zо = 0,1 %, zгр = 0,5 %, tпф = 0,3 0С, tгр = 2,4 0С 60,2 / 14,3 122,6 / 26,3 288,1 / 49,8
3 zо = 0,2 %, zгр = 1,05 %, tпф = 0,5 0С, tгр = 2,7 0С 58,3 / 15,9 138,3 / 29,8 296,2 / 52,2
4 zо = 0,0 %, zгр = 0,0 %, tпф = +0,5 0С, tгр = 2,0 0С 64,6 / 29,6 148,3 / 61,2 303,6 / 151,3
5 zо = 0,1 %, zгр = 0,5 %, tпф = +0,1 0С, tгр = 2,2 0С 61,8 / 37,1 156,7 / 65,7 312,1 / 160,2
6 zо = 0,2 %, zгр = 1,05 %, tпф = 0,0 0С, tгр =  2,4 0С 59,1 / 52,6 169,3 / 68,4 312,1 / 160,2
7 zо = 0,0 %, zгр = 0,0 %, tпф = +1,1 0С, tгр = 2,4 0С 66,8 / 59,8 156,7 / 102,3 312,3 / 162,8
8 zо = 0,1 %, zгр = 0,5 %, tпф = 0,1 0С, tгр = 2,5 0С 63,5 / 62,5 159,5 / 108,2 315,1 / 168,9
9 zо = 0,2 %, zгр = 1,0 %, tпф = +0,9 0С, tгр = 2,5 0С 61,2 / 69,5 162,7 / 113,6 319,8 / 172,4

Предлагаемый усовершенствованный метод расчёта НДС грунтовых оснований под мелко заглублёнными и плитными фундаментами, учитывающий наличие в деятельном слое морозобойных трещин, сезонные измене-ния водно-теплового режима, физико-механические свойства грунтов, позволяет получать более достоверные показатели несущей способности оснований, устойчивости сооружений на деформируемых, засоленных ММП.

Выполненный расчет подтверждает обеспечение устойчивости надземных нефтепроводов на данной конструкции плитного фундамента. Сметно-финансовые расчёты, приведенные в приложении № 3 диссертационной работы, показывают, что частичное (до 80 %) применение плитных фундаментов снижает стоимость строительства нефтепроводов более чем на 32 %.

Третья глава посвящена разработке методики обоснованного выбора трассы нефтепроводов на различных этапах проектирования, оптимизации состава и объёмов проведения инженерно-экологических изысканий, обеспечивающих проектирование трубопроводов в сложных геокриологических условиях.

Разработка методики экономической оценки, выбора оптимальных вариантов размещения трубопроводов. Темпы трубопроводного строительства в Заполярье в условиях мозаичного распространения слитых и неслитых ММП болот, водных преград, «ранимости» тундровых земель от техногенных нагрузок существенно зависят от выбора оптимальных по стоимости трасс прокладки.

На основе работ Н.Ф. Реймерса, В.С. Безеля и др., позволяющих с использованием нормативных требований, ограничений проводить дифференцированные, в основном, качественные оценки воздействий и последствий техногенной деятельности на компоненты окружающей среды, затруднительно осуществлять выбор трасс для прокладки трубопроводов. В последние годы опубликованы работы А.В. Конюхова, А.А. Калашникова, В.Б. Коробова, обеспечивающие выполнение количественных оценок, прогнозов изменений объектов окружающей среды в ходе освоения северных территорий. Дальнейшее развитие известных методик предусматривало выполнение ниже приведенных процедур.

Природоохранная значимость многочисленных нормативных характеристик состояний природных объектов, источников техногенной деятельности экспертами качественно учитывается безразмерными, дифференцированными показателями а. После математической обработки результаты качественных, субъективных экспертных суждений и оценок приводятся к количественным выражениям. При этом каждому показателю a в пределах изменения их численных значений с различной степенью уверенности устанавливаются вербальные характеристики. По количественным значениям а, наряду с дифференцированными оценками исходного и изменённого состояний природных и промышленных объектов, степени опасности техногенных воздействий, определяются интегральные показатели инженерно-экологической опасности на этапах строительства Rстр, эксплуатации Rэкс:

, (4)
, (5)

где аi и aj – безразмерные показатели, учитывающие природно-климатические и техногенные условия освоения района, уровни экологической опасности при строительстве, эксплуатации объекта; n, m – количество объектов (участков) с характерными для них эколого-техническими показателями.

Численные значения интегральных критериев Rстр (Rэкс), определяемые по формулам (4), (5), отражают уровни инженерно-экологической опасности намечаемой деятельности, а именно: потенциально опасный – 1,0…1,1; мало опасный – 1,1…1,2; опасный – 1,2…1,3; сильно опасный – 1,3…1,4; катастрофически опасный – 1,5…1,7.

По величине затрат, определяемых по формулам (6) и (7) на природоохранные, восстановительные и другие мероприятия, можно принимать обоснованное заключение о целесообразности (при S2 < 1,4S1) или запрещении (при S2 > 1,4S1) деятельности. При увеличении исходной сметной стоимости S1 более чем в 1,4 раза планируемая производственная деятельность становится, как правило, нерентабельной:

, (6)
, (7)


Pages:     | 1 || 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.