Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Разработка методики оценки напряженно-деформированного состояния трубопровода в зонах активных тектонических разломов с целью обеспечения его безопасной эксплуатации Фигаров Эльдар Намикович

Разработка методики оценки напряженно-деформированного состояния трубопровода в зонах активных тектонических разломов с целью обеспечения его безопасной эксплуатации
<
Разработка методики оценки напряженно-деформированного состояния трубопровода в зонах активных тектонических разломов с целью обеспечения его безопасной эксплуатации Разработка методики оценки напряженно-деформированного состояния трубопровода в зонах активных тектонических разломов с целью обеспечения его безопасной эксплуатации Разработка методики оценки напряженно-деформированного состояния трубопровода в зонах активных тектонических разломов с целью обеспечения его безопасной эксплуатации Разработка методики оценки напряженно-деформированного состояния трубопровода в зонах активных тектонических разломов с целью обеспечения его безопасной эксплуатации Разработка методики оценки напряженно-деформированного состояния трубопровода в зонах активных тектонических разломов с целью обеспечения его безопасной эксплуатации Разработка методики оценки напряженно-деформированного состояния трубопровода в зонах активных тектонических разломов с целью обеспечения его безопасной эксплуатации Разработка методики оценки напряженно-деформированного состояния трубопровода в зонах активных тектонических разломов с целью обеспечения его безопасной эксплуатации Разработка методики оценки напряженно-деформированного состояния трубопровода в зонах активных тектонических разломов с целью обеспечения его безопасной эксплуатации Разработка методики оценки напряженно-деформированного состояния трубопровода в зонах активных тектонических разломов с целью обеспечения его безопасной эксплуатации Разработка методики оценки напряженно-деформированного состояния трубопровода в зонах активных тектонических разломов с целью обеспечения его безопасной эксплуатации Разработка методики оценки напряженно-деформированного состояния трубопровода в зонах активных тектонических разломов с целью обеспечения его безопасной эксплуатации Разработка методики оценки напряженно-деформированного состояния трубопровода в зонах активных тектонических разломов с целью обеспечения его безопасной эксплуатации
>

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Фигаров Эльдар Намикович. Разработка методики оценки напряженно-деформированного состояния трубопровода в зонах активных тектонических разломов с целью обеспечения его безопасной эксплуатации: диссертация ... кандидата технических наук: 05.26.02 / Фигаров Эльдар Намикович;[Место защиты: ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина»].- Москва, 2014.- 127 с.

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1 Проблемы проектирования и эксплуатации магистральных трубопроводов, прокладываемых в зонах активных тектонических разломов и постановка задач исследования .8

1.1 Анализ состояния магистральных трубопроводов в сейсмически опасных зонах 8

1.2 Обзор нормативно-технической документации и исследований по проектированию и строительству подземных трубопроводов в зонах активных тектонических разломов 11

1.3 Постановка задач исследования 17

1.4 Анализ математических моделей грунта 19

1.5 Выводы к Главе 1 34

ГЛАВА 2 Разработка математической модели взаимодействия трубопровода с упруго-вязкопластическим грунтом и методики оценки его напряженно- деформированного состояния в зонах активных тектонических разломов 35

2.1 Уравнения динамики трубопровода в зонах активных тектонических разломов с учетом упруго-вязких характеристик грунта 35

2.2 Исследование взаимодействия трубопровода с грунтом при динамическом смещении масс грунта в зонах активных тектонических разломов 43

2.3 Определение зависимости нагрузок от времени взаимодействия трубопровода и грунта при скоростных подвижках 52

2.4 Оценка напряженно-деформированного состояния трубопровода в зоне активного тектонического разлома при смещениях масс грунта 55

2.5 Выводы к Главе 2 78

ГЛАВА 3 Разработка методики оценки местной устойчивости трубопровода при динамическом взаимодействии с грунтом в зонах активных тектонических разломов 79

3.1 Определение зависимости распределения внешних нагрузок по контуру трубопровода от скорости смещения масс грунта 79

3.2 Определение равновесного состояния сечения трубопровода при скоростном взаимодействии с грунтом 82

3.3 Оценка устойчивости сечения при скоростном взаимодействии трубопровода с грунтом 85

3.4 Выводы к Главе 3 98

ГЛАВА 4 Разработка рекомендаций по прохождению трубопроводами зон активных тектонических разломов 99

4.1 Разработка инженерного метода расчета напряженного состояния трубопровода при сейсмогенных подвижках активных тектонических разломов.99

4.2 Оценка влияния грунтовых условий на напряженное состояние трубопровода при сейсмогенных подвижках активных тектонических разломов типа сдвиг... 100

4.3 Оценка влияния грунтовых условий на напряженное состояние трубопровода при сейсмогенных подвижках активных тектонических разломов типа сброс 103

4.4 Оценка влияния влажности грунтов на напряженное состояние трубопровода 104

4.5 Оценка напряженного состояния трубопровода в мерзлом грунте 108

4.6 Оценка совместного воздействия сейсмических продольных волн и поперечных подвижек в зонах активных тектонических разломов на напряженное состояние трубопровода 110

4.7 Влияние на напряженно-деформированное состояние трубопровода геометрических характеристик 112

4.8 Рекомендации по подземной прокладке трубопровода в зонах активных тектонических разломов 113

4.9 Выводы к Главе 4 115

Выводы и рекомендации .117

Список литературы 1

Обзор нормативно-технической документации и исследований по проектированию и строительству подземных трубопроводов в зонах активных тектонических разломов

При проектировании трасс магистральных трубопроводов не удается избежать зон повышенной опасности, в том числе зон сейсмической активности и пересечения с активными тектоническими разломами. Сейсмические районы страны, где возможны землетрясения интенсивностью 6-8 баллов по шкале MSK-64, составляют около 28 % всей территории России, а районы с землетрясениями интенсивностью 8-10 баллов – около 6%, причем это районы активного промышленного освоения. К ним относятся Северный Кавказ, Прибайкалье, Якутия, Сахалин, Камчатка и Курильские острова. Перспективные регионы по запасам углеводородов и развитию трубопроводного транспорта также расположены в потенциально сейсмически опасных районах.

Землетрясения представляют существенную опасность для сооружений, возведенных на сейсмоопасных территориях. Они являются причиной разрушений и аварий, в результате которых опасности подвергается жизнь и здоровье людей, а также экологическая обстановка окружающей среды. В работах [43, 50] приведены примеры последствий наиболее разрушительных землетрясений. Для предотвращения разрушений трубопроводов при сейсмических воздействиях необходимо изучить характер воздействия на конструкцию трубопровода, произвести оценку величины дополнительных нагрузок и обеспечить требуемый уровень безопасности для данного сейсмического района.

Большой объем строительства и эксплуатации трубопроводов приходится на сейсмоопасные районы Восточной Сибири, Прибайкалья, Дальнего Востока, где имеется достаточно много тектонических разломов и сейсмическая бальность этих районов в большинстве случаев превосходит 8 баллов. В связи с этим при проектировании трассы трубопроводов не представляется возможным обойти зоны активных тектонических разломов.

Активные тектонические разломы являются зонами повышенной опасности при эксплуатации подземных трубопроводов. В работе [55] показано, что в зонах тектонических разломов наблюдается повышенная сейсмическая активность и смещения грунтовых масс. Обзор отказов трубопроводов в зависимости от геологических условий трасс [38] показал, что чаще всего отказы происходят в местах пересечения трассы трубопровода с активными тектоническими разломами. В связи с этим возникает необходимость в мониторинге трубопроводов в местах пересечения зон АТР [36].

Особенностью активных разломов является возможность относительного движения примыкающих блоков земной коры. В результате этого движения возникают сильные горизонтальные и вертикальные деформации грунтов, что может стать причиной аварии на подземных трубопроводах. Движения могут быть быстрыми при катастрофических землетрясениях или медленными и плавными (криповыми) [77]. Эти перемещения могут протекать с различными скоростями.

В соответствии со сводом правил по инженерно-геодезическим изысканиям [69] по скорости разрывные тектонические смещения подразделяются на криповые движения, квазипериодические движения и мгновенные сейсмогенные подвижки. Максимальные скорости смещения грунтовых масс проявляются при сейсмогенных подвижках и могут достигать скоростей вплоть до скорости прохождения поперечных волн в грунте [62].

Криповые и квазипериодические движения характеризуются скоростью перемещений в несколько десятков миллиметров в год. Подобные смещения не представляют большой опасности для напряженного состояния трубопровода ввиду их малых величин. Такие перемещения можно рассматривать как статические. Наибольшую опасность представляют сейсмогенные подвижки, которые могут достигать в вертикальном направлении до 8 м, а в горизонтальном – до 4 м, длина зоны разрыва может достигать 80 км.

На сегодняшний день в мировой практике известны землетрясения, которые приводили к значительным перемещениям в зоне активных разломов с повреждением проложенных в ней трубопроводов.

21 июля 1952 г. в Калифорнии произошло землетрясение с магнитудой 7,5. Газопровод диаметром 85 см, пересекавший участок над тектоническим разломом, был изогнут. На поверхности земли на этом участке образовались трещины [49]. В 1984 г. на промышленной площадке газового промысла около жилого поселка Газли, расположенного примерно в 100 км от Бухары, было зафиксировано землетрясение. После землетрясения зафиксирована подвижка в очаге в виде сброса-сдвига, произошедшая в вертикальной плоскости разрыва. Анализ последствий землетрясения показал повышенную аварийность трубопроводной сети города после землетрясения, которая возросла в 1,5-2 раза [25]. В результате землетрясения в мае 1995 г. на севере о-ва Сахалин в районе г. Нефтегорска произошло значительное количество разрывов магистрального нефтепровода, идущего с о-ва Сахалина на материк.

Одним из самых значимых землетрясений мощностью 7,9 баллов произошло 3 ноября 2002 г. в Деналийском разломе в континентальной части Аляски. В результате надвига, произошедшего во время землетрясения, Трансаляскинский нефтепровод сдвинулся на 2 с лишним метра по горизонтали и на 75 сантиметров по вертикали [4]. Трансаляскинский трубопровод был спроектирован надземно и рассчитан на землетрясение силой 8.5 баллов.

Анализ последствий подобных землетрясений иллюстрирует необходимость изучения поведения трубопровода при прокладке в зонах АТР, определения возможных максимальных нагрузок, приходящихся на трубопровод для обеспечения его безопасности и с учетом этих нагрузок, осуществлять его проектирование. В настоящее время в России спроектированы и построены действующие магистральные трубопроводы, пересекающие зоны тектонических разломов (ВСТО, Сахалин-2 и др.). До недавнего времени в нормативных документах на проектирование магистральных трубопроводов [69] при прохождении зон активных тектонических разломов требовалась надземная прокладка трубопровода. Однако подземная прокладка является более обоснованной с точки зрения экономики и снижения риска несанкционированного доступа к трубопроводу [1]. В связи с этим превалирует тенденция проектирования пересечения зон активных разломов в подземном исполнении [48]. В актуализированной версии нормативного документа допускается подземное исполнение трубопроводов в зонах АТР, что требует дополнительных исследований взаимодействия трубопровода с грунтом в этих зонах.

В настоящее время отсутствуют методы оценки увеличения напряженного состояния трубопроводов при сейсмогенных (скоростных) подвижках в зонах АТР, и рекомендации, направленные на снижение дополнительных напряжений в трубопроводе.

Данная работа направлена на исследование изменений напряженного состояния трубопроводов при сейсмогенных подвижках и установления зависимостей от смещения масс грунта, а также разработки рекомендаций, способствующих уменьшению НДС трубопроводов в зонах АТР.

Учитывая большой объем строительства подземных трубопроводов, в том числе и в зонах АТР, тема данного исследования и полученные результаты являются актуальными.

Исследование взаимодействия трубопровода с грунтом при динамическом смещении масс грунта в зонах активных тектонических разломов

В соответствии с [78] неводонасыщенный грунт представляет собой среду, состоящую из твердых минеральных зерен, связанных между собой цементирующими пленками солей и водными пленками. При приложении нагрузки в грунте начинают протекать структурные изменения, которые условно можно разделить на три стадии [46]. На первой стадии происходит разрушение пленок, сжатие материала пленок и материала самих зерен около отдельных выступов, а также смещение зерен, находящихся в наименее устойчивом состоянии. Можно принять, что этот процесс происходит достаточно быстро, а достигаемая деформация лежит на кривой динамического сжатия, соответствующей бесконечно большой скорости деформации. На второй стадии происходит основное смещение с трением и переукладка твердых зерен. Этот период характеризуется снижением сопротивления, а также увеличением деформируемости со стороны грунта. На третьей стадии деформация вследствие переукладки продолжает медленно возрастать. Эта стадия характеризуется периодом до нескольких часов. Деформация лежит на кривой статического сжатия, соответствующей скорости деформации близкой к нулю.

При взаимодействии трубопровода с грунтом в условиях сейсмогенных подвижек, в первый период сопротивление грунта соответствует ненарушенной структуре, и величина модуля упругости грунта является наибольшей, равной динамическому модулю упругости. Однако помимо сопротивления со стороны грунта напряженное состояние трубопровода также зависит и от величины перемещения. При сейсмогенных подвижках трубопровод за короткий промежуток времени перемещается вместе со смещающимся блоком разлома и взаимодействует с грунтом, в котором только протекают первая и вторая стадия структурных изменений. В эти периоды модуль упругости грунта значительно превосходит статический. В результате на трубопровод приходится динамическая нагрузка, значительно превосходящая статическую нагрузку и приводящая к увеличению НДС с увеличением скорости смещения разлома.

В работе [24] показано, что в водонасыщенных грунтах при динамических нагрузках в первый момент времени всю нагрузку принимает на себя поровая вода. Затем вода отфильтровывается из пор, и нагрузка приходится на скелет грунта. Далее грунт ведет себя аналогично неводонасыщенному состоянию, и качественный характер взаимодействия остается таким же, как и в случае неводонасыщенного грунта. Однако при этом изменяются количественные показатели модуля упругости грунта во времени, за которое грунт проходит все стадии изменения структуры.

В случае взаимодействия трубопровода с грунтом при сейсмогенных подвижках, изменения деформаций и внешних нагрузок протекают одновременно. Как показано в работе [46] обобщенное упруго-вязкое тело является реологической моделью, учитывающей одновременное изменение деформаций и нагружения и удовлетворяющей экспериментальным данным по скоростным нагрузкам на грунты. Обобщенная модель сочетает свойства тела Максвелла и Кельвина-Фойгта. Физическая модель такого тела представляет собой последовательное и параллельное соединение упругих и вязких элементов (рисунок 1.6).

Подобная модель подразумевает, что существуют две предельные кривые сжатия, соответствующие статическому и динамическому нагружениям, между которыми лежат кривые, относящиеся к промежуточным процессам деформирования (рисунок 1.7). q, Н-м 1

Динамической диаграмме соответствует сжатие первой пружины, статической диаграмме – суммарное сжатие обеих пружин. Сжатие первой пружины происходит мгновенно в момент приложения динамической нагрузки, сжатие второй пружины в этот момент времени не происходит, оно протекает в течение конечного времени вследствие наличия демпфера. Этот факт подтверждают испытания по определению статического и динамического модуля упругости грунтов [32].

В результате испытаний было установлено, что динамическая прочность испытываемых грунтов в 1,5-2 раза превышает статическую прочность. Математическое описание такого поведения упруго-вязкого тела может быть представлено в виде следующей системы уравнений:

Данная модель нашла успешное применение при определении свойств грунтов [46] и описании экспериментальных данных динамического взаимодействия конструкции и грунта. При небольших величинах относительного смещения трубопровода и грунта в качестве расчетной модели может применяться балка на вязкоупругом основании. При значительных относительных смещениях в грунте начинают нарастать напряжения, приводящие к пластическим деформациям и потере грунтом несущей способности. Эти явления приводят к необходимости учета пластических свойств грунтов в расчетной схеме трубопровод - грунт.

При сейсмогенных подвижках тектонические плиты смещаются в горизонтальной или вертикальной плоскости относительно друг друга. При смещении трубы в толще грунта постепенно нарастают касательные (т) и нормальные напряжения (а). При увеличении нагрузки грунт может перейти из упругого в пластическое состояние. В грунте могут реализовываться два состояния: допредельное и предельное [24]. Первое характеризуется вполне определенными деформациями, изменение которых может произойти вследствие повышения уровня напряжений. Второе состояние характеризуется пластическим состоянием и установлением предельного равновесия между внешней нагрузкой и внутренними силами сопротивления грунта. В этом случае малое увеличение воздействующих на грунт сил приводит к его потере устойчивости, напряжения достигают предельных значений. Происходит разрушение связей между частицами, образование сетки трещин и разрывов, а также развитие необратимых сдвигов вдоль поверхностей скольжения. Развитие деформаций приводит к потере устойчивости грунта и разрушению грунтового массива [24].

Определение равновесного состояния сечения трубопровода при скоростном взаимодействии с грунтом

В общем случае взаимодействия, когда время взаимодействия имеет конечную величину, уравнение решается в виде (2.25). При расчете по данной схеме принимается, что в грунтах существуют две предельные диаграммы сжатия, соответствующие динамическому и статическому нагружениям, между которыми лежат диаграммы, относящиеся к промежуточным значениям скорости деформирования.

Как видно, задача балки на упруго-вязком основании сводится к задаче балки на упругом основании с жесткостью основания, зависящей от времени взаимодействия. Рассмотрим сопротивление грунта и влияние входящих в него величин. Коэффициенты статического (с) и динамического (h) сопротивления грунта при прочих равных параметрах напрямую зависят от динамического и статического модуля упругости грунта. Эти величины устанавливают минимальное и максимальное сопротивление грунта при перемещении трубопровода. Значения статических модулей упругости для различных типов грунтов можно принимать при проведении испытаний по ГОСТ 12248-2010 [22]. Динамический модуль зависит от скорости нагружения грунта. В теоретических выкладках он является модулем упругости при скорости нагружения V—». Однако при реальных испытаниях скорость нагружения всегда конечна, и поэтому полученное значение динамического модуля соответствует той скорости нагружения, при которой оно было определено.

Рассмотрим влияние времени релаксации и вязкости на напряженное состояние трубопровода. Фактически, все реальные тела обладают упругими (характерными для твердых тел) и вязкими (характерными для жидких тел) свойствами. Проявление этих свойств зависит от соотношения времени приложения нагрузки и времени релаксации. Если время наблюдения намного меньше времени релаксации, то тело ведет себя как упругое тело. Если же время наблюдения намного больше времени релаксации, то у тела проявляются вязкие свойства. Время релаксации - это время, за которое напряжения в грунте при приложении нагрузки уменьшаются на величину е=2.718 [22]. По своей физической сути оно определяет время, за которое протекают структурные изменения в грунте.

При сравнении времени релаксации и времени взаимодействия трубопровода с грунтом, можно определить к какому типу задач - статическому или динамическому, относится данная задача. Значение времени релаксации грунта напрямую зависит от величины вязкости К. Вязкость зависит не только от величины и скорости приложения нагрузки, но также и от времени наблюдения за процессом деформирования среды. В работе [46] приведены результаты испытаний грунтов волновым методом и определены динамический модуль упругости и коэффициент вязкости. При этом величина нагрузки составляла около 30 кгссм"2. Подобные значения величин нагрузок являются близкими к тем условиям, в которых находится трубопровод при сейсмогенных подвижках АТР. В связи с этим для дальнейших расчетов были приняты данные [46] по значениям статического, динамического модуля упругости и вязкости грунтов.

Оценка напряженно-деформированного состояния трубопровода в зоне активного тектонического разлома при смещениях масс грунта

Рассмотрим участок трубопровода, пересекающего зону АТР. Как показано в Главе 1 критерием предельного состояния грунтов является величина предельного перемещения упр, которая будет одинакова для статических и динамических подвижек. В работе [3] путем экспериментально-теоретических исследований определены формулы расчета значения предельной удерживающей способности грунта при движении трубы в горизонтальном и вертикальном направлениях.

Расчетной схемой трубопровода в зоне АТР при сдвиговых подвижках принята балка на упруго-вязкопластическом основании (рисунок 2.4). Справа от плоскости разлома грунт смещается на величину (участок 2), а участок трубопровода слева от плоскости разлома смещается в неподвижном грунте (участок 1).

Граничные условия выводятся исходя из предположения, что при бесконечном удалении от плоскости разлома влияние изгибных деформаций мало и трубопровод находится в недеформированном состоянии. Рассмотрим трубопровод слева и справа от плоскости смещения разлома. Как было сказано в п. 2.2 при х=0 должны выполняться условия:

В качестве примера реализации разработанного метода расчета был рассмотрен газопровод, проходящий по территории Камчатского края (Соболево-Петропавловск-Камчатский). Проектом предусмотрено подземное исполнение трубопровода в зонах активных разломов. Горизонтальные и вертикальные смещения грунта в зонах разломов достигали 1,5 м. Было получено решение в аналитическом виде по приведенной методике при следующих исходных данных: - грунт: глинистый; наружный диаметр трубопровода: D=0,53, м; толщина стенки трубопровода: 5=0,01, м; площадь стенки трубы: FCT=0,016, м2; момент инерции: J = тг (0,5 (D - 5))3 5 = 5,52 10 "4, м"4; модуль упругости стали: Е=2,06105 , МПа; внутреннее давление: Р=7, МПа; коэффициент линейного расширения стали: а=1,2 105, 1 С"1; температурный перепад: At=36, С; статический модуль упругости грунта: Ес=9,8, МПа; динамический модуль упругости грунта: Ед=44,1, МПа; предельная несущая способность грунта: R=0,35, МПа; время релаксации грунта: п=0,28, с; ускорение грунта: а=8, м с" ; величина смещения: А=-0,1, м;

Оценка влияния грунтовых условий на напряженное состояние трубопровода при сейсмогенных подвижках активных тектонических разломов типа сброс

Зная распределение нагрузок по длине и контуру трубопровода, можно рассмотреть трубопровод как цилиндрическую оболочку. На эту оболочку воздействует внутреннее давление, продольная сила и внешнее давление, зависящее от скорости смещения масс грунта.

Исходные данные для расчета приняты те же, что и в Главе 2. Напряженно-деформированное состояние трубопровода было определено численным методом с помощью программного комплекса ANSYS. Участок трубопровода рассматривался как тонкостенная оболочка и аппроксимировался оболочечными конечными элементами (КЭ) типа SHELL43 (рисунок 3.8). Оболочечные КЭ полностью определяются координатами своих узлов (рисунок 3.8). В каждом узле КЭ имеет шесть степеней свободы - смещения и углы поворота относительно декартовой системы координат.

Элементы SHELL43 позволяют рассматривать материал трубопровода как упругопластический. В качестве материала принята упругопластическая сталь с пределом текучести, равным т=450 [МПа]. Сталь в ANSYS определялась как материал с модулем упругости Е=2,01 1011 [Па], коэффициентом Пуассона v=0,3 с диаграммой MISO растяжение-сжатие (рисунок 2.5, Глава 2).

Принимается допущение, что на длине 1 м перемещения трубопровода незначительны и, следовательно, нагрузки на длине 1 м можно принять постоянными. В результате расчетов получены трехмерные картины распределения характеристик НДС участка подземного трубопровода, пересекающего АТР с учетом действующих на трубопровод сейсмогенных подвижек.

На рисунке 3.9 приведен результат расчета для изгибных напряжений без учета давления и продольной нагрузки для балочного приближения (а) и для трехмерного расчета (б).

Результаты расчета трехмерной задачи с учетом внутреннего давления и продольного усилия приведены на рисунке 3.10.

Можно избежать усложнения расчетной схемы для дальнейшей оценки влияния различных грунтовых условий на напряженно-деформированное состояние трубопровода и использовать балочное приближение для расчета трубопровода. а)

1. Разработана методика для оценки устойчивости сечения трубы при взаимодействии с упруго-вязкопластическим грунтом, смещающимся с ускорением в зонах АТР.

2. Получены зависимости для расчета напряжений по сечению трубопровода при сейсмогенных подвижках АТР с учетом упруго-вязкопластических свойств грунта.

3. Получены зависимости внешней нагрузки на трубопровод от величины и ускорения смещения грунта в зонах активных тектонических разломов. ГЛАВА 4. Разработка рекомендаций по прохождению трубопроводами зон активных тектонических разломов

Одним из важных факторов обеспечения безопасности трубопроводов в зонах АТР при сейсмогенных подвижках является принятие технических решений, обоснованных расчетами, по подземному исполнению трубопровода. Для разработки рекомендаций по подземному исполнению трубопровода в зоне АТР было рассмотрено влияние физических свойств грунтов на напряженное состояния трубопровода при смещении грунтового массива по типу сдвиг и сброс.

Как показано в Главе 2, задача трубопровода на упруго-вязкопластическом основании может быть сведена к задаче балки на упругом основании с жесткостью основания, зависящей от времени и скорости нагружения. Для оценки сопротивления грунта и приходящихся на трубопровод нагрузок, были рассчитаны численные значения коэффициентов ki и к2. На основании полученных табличных данных задача динамического нагружения трубопровода будет сводиться к решению задачи балки на упругом основании с известными коэффициентами ki и к2:

Эти коэффициенты были рассчитаны для различных типов грунтов, различных диаметров трубопроводов и различных скоростей смещения грунта. Данные по грунтам в соответствии с испытаниями, приведенными в исследовании [46], даны в таблице 1.

На основании этих данных были определены значения коэффициентов к\ и к2 при различных скоростях смещения грунта. Результаты расчета коэффициентов для случая сдвига при высоте засыпки ho=1 [м] приведены в таблице 2.

Для различных грунтов коэффициенты k1 и k2 принимают разное значение. На основании полученных данных для оценки влияния различных грунтовых условий в дальнейшем были проведены расчеты напряженного состояния трубопровода.

Оценка влияния грунтовых условий на напряженное состояние трубопровода при сейсмогенных подвижках активных тектонических разломов типа сдвиг

Величина усилий в месте контакта трубопровода с грунтом зависит от величины относительного смещения, скорости смещения, жесткости трубопровода, а также деформативной способности грунта. Воздействуя на трубопровод, грунт сам уплотняется. Деформируемость грунта в процессе взаимодействия с трубопроводом связана с нагрузкой, которую он передает на трубу. Деформационной характеристикой грунта при сейсмогенных смещениях являются статический и динамический модули упругости. В таблице 3 приведены свойства некоторых грунтов, которые будут использованы при дальнейших расчетах [46]. Проведем расчет трубопровода при сдвиге и определим влияние этих свойств на напряженное состояние. Исследования [55] показали, что плотность грунтов засыпки существенно меняется с течением времени. Так как землетрясение может произойти в любое время на протяжении всего периода эксплуатации трубопровода, то в расчетах используются свойства уплотненного со временем грунта засыпки.

Грунты засыпки могут иметь различную влажность в зависимости от времени года и природно-климатических условий. Если к горизонтальной поверхности грунтовой массы приложить мгновенно внешнюю нагрузку, то эта нагрузка в первый момент передается на грунтовую воду, которая приходит в движение, грунтовый скелет в этот момент остается при своих прежних напряжениях и никаких нагрузок не воспринимает [24].

Похожие диссертации на Разработка методики оценки напряженно-деформированного состояния трубопровода в зонах активных тектонических разломов с целью обеспечения его безопасной эксплуатации