Содержание к диссертации
Введение
Раздел 1. Состояние проблемы. Цель и задачи исследования 6
1.1. Напряженно-деформированное состояние резервуаров при неравномерных осадках 6
1.2. Методы подготовки оснований и типы фундаментов резервуаров в отечественной и зарубежной практике резервуаростроения 9
1.3. Консолидация грунтов оснований резервуаров и формирование в них деформаций 13
Выводы по разделу 1. Цели и задачи исследования 22
Раздел 2. Особенности напряженно-деформированного состояния стенки и днища вертикальных стальных резервуаров при стабилизированном состоянии грунтового основания 24
2.1. Грунтовое основание резервуаров и характер его силового взаимодействия с днищем резервуара 24
2.2. Определение контактного напряжения и осадки абсолютно гибкого днища 32
2.3. Определение изгиба стенки резервуара и прогиба его днища при стабилизированном состоянии грунтового основания 39
2.4. Определение НДС стенки и днища резервуара. 52
Выводы по разделу 2 58
Раздел 3. Одномерная фильтрационная консолидация грунтового основания резервуара при постоянном и линейно-меняющемся во времени давления жидкости на днище 59
3.1. Основные положения и соотношения фильтрационной теории консолидации 59
3.2. Одномерная задача фильтрационной консолидации при постоянной величине сжимаемой толщи, в случае мгновенно приложенной внешней нагрузки 62
3.3. Одномерная задача фильтрационной консолидации при равномерном распределении полного давления по толще грунтового основания для режима гидроиспытаний резервуара 72
3.4. Фильтрация при гидроиспытаниях резервуара для линейного закона изменения полного давления в сжимаемой толще 80
Выводы по разделу 3 91
Раздел 4. Расчет НДС днища вертикального резервуара при нестабилизированном состоянии грунтового основания 92
4.1. Фильтрационная консолидация в основании резервуара с учетом рассеивания вертикальных сжимающих напряжений в грунтовом массиве 92
4.2. Классификация и геометрические характеристики неравномерных осадок днища 102
4.3. НДС днища резервуара при нестабилизированном состоянии грунтового основания 110
Выводы по разделу 4 115
Общие выводы по работе 116
Литература
- Напряженно-деформированное состояние резервуаров при неравномерных осадках
- Грунтовое основание резервуаров и характер его силового взаимодействия с днищем резервуара
- Основные положения и соотношения фильтрационной теории консолидации
- Фильтрационная консолидация в основании резервуара с учетом рассеивания вертикальных сжимающих напряжений в грунтовом массиве
Введение к работе
Одним из наиболее опасных дефектов, нередко приводящих к отказам и разрушениям РВС, является неравномерная осадка его наружного контура. Проблема оценки изменения напряженно-деформированного состояния в стенке резервуара при развитии неравномерной осадки объясняется сложностью проблемы взаимодействия резервуаров, обладающих значительной цилиндрической жесткостью, с грунтовыми основаниями, сложенными различными по минералогическому и литологическому составу, прочности и деформируемости грунтами.
Эксплутационная надежность резервуарного парка зависит от корректности и полноты гидравлических испытаний резервуаров, целью которых является проверка прочности и устойчивости элементов конструкции РВС. Резервуар признается годным к эксплуатации, если в процессе заполнения водой и по истечении срока, регламентированного нормами, в конструкциях не обнаружены течи, остается постоянным уровень воды, а отклонения геометрических размеров не превышают установленные нормами пределы. При этом не учитывается значительное увеличение давления на грунты основания испытуемого резервуара и дополнительные его осадки за счет уплотнения грунта.
Такой подход может быть оправдан в случаях, когда резервуары построены и эксплуатируются на основаниях, сложенных грунтами высокой и средней несущей способности.
В случае залегания в основаниях резервуаров слабых водонасыщенных грунтов сроки развития и величины осадки определяются консолидационными характеристиками грунтов, и, как правило, за время проведения гидравлических испытаний резервуаров стабилизация осадки не происходит и
5 при дальнейшей эксплуатации резервуаров уплотнение грунтов основания
продолжается, что приводит к дополнительным деформациям самого
резервуара.
Между тем, практически все резервуарные парки Западной Сибири возведены на слабых водонасыщенных грунтах, обладающих низкой несущей способностью и высокой деформируемостью. Из-за низких фильтрующих свойств таких грунтов консолидация оснований резервуаров происходит продолжительное время, а уплотнение грунтов другими известными методами либо технологически неосуществимо, либо требует значительных материальных затрат.
В условиях слабых грунтов консолидация последних зависит от емкости резервуаров, т.е. от площади основания и давления столба жидкости, с увеличением которого учет консолидационных деформаций становится проблематичным.
Именно сложный прогноз и учет консолидационных неравномерных осадок является причиной низкой эффективности резервуаров большого диаметра, которые успешно эксплуатируются в других регионах нашей страны и за рубежом.
Настоящая работа посвящена исследованию и выявлению закономерностей неоднородной фильтрационной консолидации грунтового основания при гидроиспытаниях резервуаров и закономерностей формирования НДС резервуаров с учетом неоднородности консолидации грунтов.
Напряженно-деформированное состояние резервуаров при неравномерных осадках
Конструкции резервуаров работают в сложном напряженно-деформированном состоянии. Это объясняется одновременным циклическим действием гидростатической нагрузки, вакуума и избыточного давления, ветровой и снеговой нагрузки, неравномерной осадки основания, разностью осадки резервуара и технологических трубопроводов, а также температурных воздействий.
Расчету стальных вертикальных цилиндрических резервуаров на прочность посвящены работы Айзена A.M. [2,3], Арзуняна А.С [6], Ашкинази М.И. [6,7], Березина В.Л. [9,11,13,14,15], Бородавкина П.П. [16], Буренина В.А. [18], Егорова Б.А. [34], Любушкина В.В. [52], Гумерова А.Г. [33,34], Сафаряна М.К. [68,70,71], Шутова В.Е. [15,86], Ясина Э.М. [87,88], Ковано К. [62] и др. В этих работах рассмотрены главные предпосылки и основы расчета резервуаров на прочность.
Исследованию напряженно-деформированного состояния узла сопряжения стенки с днищем посвящены работы Березина Л.В. и Шутова В.Е. [15], Сафаряна М.К. [68,70,71], Ашкинази М.И. [6], Стулова Т.Т. [76], Пиола Витольда и др.
Сафарян М.К. и Иванцов О.М. [68,70] рассматривают работу узла сопряжения стенки с днищем с позиций строительной механики (метод сил). Расчет ведется в предположении, что днище и стенка представляют собой балку на упругом основании Винклера. Для стенки принимают фиктивный коэффициент постели
При решении задачи напряженного состояния узла сопряжения стенки с днищем принимаются упрощающие допущения. Поэтому расчетные величины напряжения значительно отличаются от экспериментальных (следовательно, и натурных), полученных Сафаряном М.К. [70], что подтверждает необходимость совершенствования методики расчета нижнего узла сопряжения стенки с днищем.
Вопросу определения напряженного состояния днища посвящены работы Бородавкина П.П. [16], Иштирякова М.С., Кротковой Л.В., Любушкина В.В., Буренина В.А. и Юсупова Ф.Ш. [27,28,41,52], Ясина Э.М. [88] и др., в которых учтена неравномерность осадки основания по площади и периметру днища и ее влияние (совместно с гидростатической нагрузкой и соответствующими усилиями и изгибающими моментами) на напряженно-деформированное состояние днища. Получены формулы, позволяющие определить максимальные напряжения в днище в зависимости от осадки основания.
С увеличением геометрических размеров резервуара уменьшается жесткость конструкции, т.е. увеличивается «податливость» отдельных его конструктивных элементов. Следует заметить, что при сооружении резервуаров большой вместимости используются высокопрочные стали. В этих условиях толщина стенки резервуара, определенная по гидростатическому давлению жидкости, настолько мала, что потребовалось ввести дополнительные показатели, отражающие локальную устойчивость стенки на вертикальную нагрузку, на вакуум и избыточное давление. В общем случае расчет стенки выполняют с учетом вертикальной осевой (продольной) и горизонтальной (поперечной) нагрузок.
Наиболее опасным с точки зрения устойчивости является незаполненный порожний резервуар [92].
Исследованию устойчивости верхних поясов резервуаров посвящены работы Березина В.Л. и Шутова В.Е. [15,86], в которых показано, что увеличение давления в газовом пространстве ведет к возрастанию напряжения в узле сопряжения стенки с кровлей, что, в конечном счете, может вызвать потерю устойчивости верхних поясов.
Вопросами устойчивости вертикальных цилиндрических резервуаров с учетом осевого сжатия и вакуума посвящены исследования М.К.Сафаряна [68,71].
Исследования СЯмамото и К.Кавано [57] установили, то неравномерная осадка днища возникает даже в том случае, когда площадка под днищем является сравнительно однородной, так как разница в величине осадки возникает из-за различия в распределении напряжений в центральной и периферической частях днища. При неравномерных осадках основания нижняя кромка резервуара претерпевает деформации, что приводит к упругому смещению смежных точек с серединой поверхности оболочки (стенки). Задача эта в настоящее время практически не изучена и отсутствует надежная методика определения дополнительных напряжений в конструктивных элементах резервуаров, вызванных неравномерными осадками.
Актуальность решения этой задачи стала особенно острой в связи с вводом в эксплуатацию крупногабаритных резервуаров в Западной и Северо-Западной Сибири, где характерной особенностью грунта основания резервуаров является переувлажненность и низкая несущая способность. При этом величины допустимых предельных осадок, полученные в результате натурных наблюдений за резервуарами вместимостью до 5000 м [5,9,52], не могут быть распространены на более крупные резервуары, т.к. последние отличаются значительно меньшей относительной толщиной стенки.
Следует отметить, что в связи с увеличением вместимости резервуаров увеличился и за рубежом интерес к проблеме расчета напряженно-деформированного состояния резервуаров, подверженных неравномерным осадкам.
Грунтовое основание резервуаров и характер его силового взаимодействия с днищем резервуара
Основанием резервуаров различного назначения является сжимаемая толща грунта, расположенная под днищем резервуара и воспринимающая весовые нагрузки от самого резервуара, резервуарного оборудования, хранимого продукта, а также от воздействия снега ветра [24].
Стальные вертикальные цилиндрические резервуары относятся к категории особо ответственных сооружений. Они имеют большие геометрические размеры при относительно небольшой пространственной жесткости конструкции. Эти факторы налагают дополнительные требования к качеству, устойчивости и несущей способности грунтового основания, которое состоит из естественной и искусственной части (рис.2.1, [24]).
В обычных условиях естественным основанием являются лежащие ниже растительного слоя материковые грунты с достаточно высокими силовыми характеристиками [24].
Насыпная часть искусственного основания резервуаров состоит из двух частей: грунтовой подсыпки и песчаной подушки (рис.2.1). В качестве грунтовой подсыпки используются гравелистые, щебенистые и песчаные грунты, в отдельных случаях допускается применение глинистых грунтов, супесей и суглинков при невысокой влажности. Поверх грунтовой подсыпки укладывается песчаная подушка толщиной не менее 15 см, так как высота капиллярного поднятия влаги в песках не превышает это величины [24].
Песчаная подушка такой толщины предохраняет днище резервуара от агрессивного воздействия грунтовых вод, устраняет их влияние на возможное морозное пучение. К тому же песчаная подушка быстро и хорошо уплотняется, обеспечивая равномерность передаваемого давления на ниже лежащие слои грунта.
Для дополнительной изоляции от грунтовых вод или нефтепродуктов (при потере герметичности резервуара) служит гидроизолирующий слой, состоящий из песка и вяжущего материала. В случае резервуаров большой вместимости (V 10000 м3) искусственное основание проектируется с железобетонным кольцом по их периметру. Это вызвано тем обстоятельством, что резервуары большой вместимости обычно имеют сферическую кровлю без центральной стойки и вес кровли совместно с весом стенки создают большое давление под нижней кромкой стенки.
Такое давление превышает несущую способность грунта и способствует появлению в нем значительных пластических деформаций. Фундаментальное кольцо уменьшает давление на грунт и уменьшает осадку резервуара по его периметру [24]. Формирование напряжений и деформаций в грунтовой толще основания резервуара зависит от многих факторов.
Прежде всего, к ним относятся характер и режим нагружения грунтового массива, инженерно-геологические и гидрогеологические особенности площадки строительства, литологический состав и физико-механические характеристики грунтов.
Напряжения в грунтовой толще, возникающие под действием приложенной внешней нагрузки, могут развиваться в течение длительного времени.
Это явление, обусловленное скоростью протекания деформаций, наиболее заметно проявляется в мелкодисперсных грунтах и носит название реологического процесса. После окончания этого процесса грунты переходят в стабилизированное (консолидированное) состояние.
Следует отметить, что в грунтовых массивах всегда имеется начальное напряженное состояние, возникающее под действием собственного веса грунта. При воздействии нагрузок от сооружений (в частности, резервуаров) в грунтах возникают дополнительные напряжения, которые накладываются на уже имеющиеся собственные напряжения.
Определение суммарного напряжения в массиве грунта является весьма сложной задачей. При инженерных расчетах решение этой задачи основано на ряде упрощающих допущений, к которым относятся предположения об однородности строения массива, изотропности механических свойств грунтов и их линейной деформируемости. Эти допущения позволяют применять при расчетах различные теоретические методы, в том числе хорошо разработанный аппарат теории упругости [55].
Определенное тем или иным способом напряженно-деформируемое состояние (НДС) грунтового основания соответствует конечному или стабилизированному состоянию грунтов.
Основные положения и соотношения фильтрационной теории консолидации
К характерным свойствам природных грунтов, служащих основаниями вертикальных резервуаров, можно отнести следующие [84]: - достаточно высокая компрессионная (объемная) сжимаемость; - переменные водонасыщение и водопроницаемость грунта по всей сжимаемой толще; - контактное сопротивление сдвигу под днищем резервуара; - структурно-фазовая деформируемость; - изменение соотношения фаз (твердой и жидкой) в единице объема в процессе консолидации (уплотнения) грунтов.
Эти свойства определяют важные механические процессы и явления в грунтах [84]: - возникновение и величину осадок (вертикальных перемещений) резервуаров, обусловленных уменьшением объема пор грунта при наличии гидростатического давления воды и ползучестью скелета грунта; - развитие осадок во времени вследствие как фильтрационной консолидации, так и развития ползучести скелета грунта в сжимаемой толще; - зависимость сопротивления сдвига грунта от внешней нагрузки; - общая (как сплошного тела) и в то же время частная (для каждой фазы грунта) деформируемость.
Для изучения процессов, происходящих в многофазных грунтах, помимо указанных свойств, должны использоваться фундаментальные положения, основанные на результатах теоретических и экспериментальных исследований [84]: - принцип эффективных напряжений К.Терцаги для полностью водонасыщенных грунтов; - теория объемных сил М.Био и В.А.Флорина; - принцип взаимодействия ползучести скелета грунта и сжимаемости газосодержащей поровой воды, предложенный З.Г.Тер-Мартиросяном.
Краткое содержание этих положений сводится к следующему.
1. Согласно принципу эффективных напряжений в водонасыщенных грунтах при воздействии внешних сил следует рассматривать два давления: эффективное давление в скелете грунта pd и нейтральное (поровое) давление в поровой воде pw. Эффективное давление уплотняет грунт, а поровое создает напор в грунтовой воде, вызывая её фильтрацию по направлению, противоположному градиенту внешнего давления. Таким образом, давления р d и pw относятся к нормальным давлениям. Касательные напряжения в грунте воспринимаются только его скелетом, так как в поровой воде касательные напряжения т равняются нулю.
Для любого момента времени полное (тотальное) давление р в водонасыщенных грунтах равняется P = Pd+Pw (3-І) При переходе к напряжениям соотношение (3.1) принимает вид a = crd+pfV, (3.2) где т - полное, a yd - эффективное напряжения. Эффективное напряжение ad вызывает изменение пористости грунта е, что приводит к сжатию (компрессии) грунта и к его уплотнению.
Изменение коэффициента пористости е является экспериментально определяемой зависимостью от эффективного напряжения ad: Ae = f(crd). (3.3)
Если рассматривается одномерная фильтрация, т.е. процесс протекает в направлении вертикальной оси OZ, то используются следующие обозначения: ad=(rximxL Td=(TttP , (3.4) где индекс «р» означает изменение эффективного напряжения в грунте от внешнего давления р.
В частном случае линейной сжимаемости соотношение (3.3) использовалось во втором разделе (формула 1.27).
Уравнения (3.1 - 3.3) описывают взаимодействие твердой и жидкой фаз грунта и являются основой фильтрационной консолидации (уплотнения) водонасыщенных грунтов, предложенной К.Терцаги.
2. Как для одномерной, так и для пространственной задачи используется теория объемных сил Флорина-Био, согласно которой сумма тотальных напряжений в течение всего времени консолидации грунта остается постоянной, т.е. не меняется в процессе уплотнения для любой точки деформируемого массива грунта.
В одномерном случае аналитическая запись этого положения выглядит как где сг, - стабилизированное значение нормального напряжения в скелете грунта. Допущение (3.5) приводит к следующей схематизации НДС консолидирующейся среды [83].
В момент приложения внешней нагрузки касательные напряжения сразу же и полностью передаются на скелет грунта, не меняются во времени и равняются своим стабилизированным значениям. Следует отметить, что стабилизированное НДС грунта может быть рассчитано тем или иным способом, при этом поровое давление pw не учитывается (принимается равным нулю).
Фильтрационная консолидация в основании резервуара с учетом рассеивания вертикальных сжимающих напряжений в грунтовом массиве
Результаты, полученные в третьем разделе, позволяют перейти к рассмотрению основной задачи - определение осадки резервуара на стадиях гидроиспытаний вследствие фильтрационной консолидации при законе распределения вертикальных напряжений а , определяемом формулой 2.13. При рассмотрении осадок резервуара считается, что глубина сжимаемой толщи Н для всех точек днища является постоянной и определяется следующим условием: =0»2азд, (4.1) где (7 - вертикальное напряжение по центру днища, соответствующее максимальному давлению рх. При вычислении природного давления средний удельный вес грунта принимается равным у, т.е. соотношение (4.1) принимает вид: а(т;0)Рі=0,2угрН, (4.2) где значение а(т ,0) соответствует первому столбцу таблицы 2.1 при значении параметра m = z/R. Рассмотрим фильтрационную консолидацию в грунтовом основании основания резервуара в случае расчетной схемы, приведенной на рис. 4.1.
Как и в предыдущих случаях, рассмотрим две стадии гидроиспытаний. Толщина Нх ИГЭ-1 считается достаточно малой по сравнению с величиной сжимаемой толщи Н, что позволяет не учитывать рассеивания напряжений в нем и считать, что давление р0(т) полностью перенесено на границу раздела грунтов №1 и №2.
В соответствии с расчетной схемой рис.4.1. осадки ИГЭ-1 и ИГЭ-3 для всего цикла гидроиспытаний (0 т т2) равняются Si{T) = aoiHiPo{T) (значение Н1 при вычислении S3 (т) не учитывается из-за его малости).
Применение полученных результатов покажем на рассматриваемом резервуаре вместимостью V = 20 000 при следующих дополнительных данных: Я, = 1 м; ft = 1,85-104 Н/м3; ЕХгр = 20 МПа; д01 = 0,04 (1/МПа); Яе = 8 м; ft = 1,9-104 Н/м3; 2гр = 5 МПа; а02 = 0,16 (1/МПа); Я3 = 10,2 м; ft = 1,95-104 Н/м3; 3гр = 15 М11 оз = 053 (1/МПа); ё2 = 0,95 - средний коэффициент пористости ИГЭ-2. Расчет НДС стабилизированного грунтового основания резервуара. Составим уравнение для определения сжимаемой толщи, используя первый столбец таблицы 2.1. 0,2(rA+r2He+r3H3) = a(m;0)p0. (4.30) Корень этого уравнения Я3 = 10,2 м (т = 0,84), что дает Я = 19,2 м. Минимальное значение коэффициента а для ИГЭ-1 соответствует т = 1/22,8 = 0,044 и равняется 0,998, что позволяет не учитывать рассеивание напряжений в этом слое.
Вычислим осадку каждого ИГЭ по центру днища, используя формулу (2.25) послойного суммирования и равенство (2.28). Инженерно-геологический элемент-1 S0l = aQXHxpQ = 4,2 10"3м = 0,42 см; Инженерно-геологический элемент-2 02 =я02Д#;. 72/з/ =13,2-10_2M = 13,2CM;(AZ/ =2м); Инженерно-геологический элемент-3 оз = ЯозЕ 0 / = 4 47 10"2м = 4 47 см №, = 2 м). Полная стабилизированная осадка центра днища равняется SQ =SX +SQ2 +SQ3 = 18,1 см = 0,181 м.
Назовем эквивалентным (приведенным) модулем деформации такое значение Erf однородного массива грунта, которое при той же толщине сжимаемой толщи Н дает осадку S0.
Значения коэффициентов b2 и b5, аппроксимирующих значение a(;t), могут быть найдены по данным таблицы 4.2, построенной для т = 0,85 (рассчитанное значение т =0,84). Проверку проведем по центру днища (Ь3 = 0,56; Ь5 = 0,30) с использованием соотношений (4.28) и (4.29) (в последнем берется только стабилизированная осадка в круглых скобках): SQ=W2{R) = aQ]HlPo+a02Hep0\l-h2 + h5 \ + + а03р0 ч і (#4-#:) і (яб-яв6) 4 J Нл 6 5 H5 (4.33) = 0,42 + 13,3 + 5,00 = 18,7 см = 0,187 м. Сравнение с ранее полученным значением S0 = 0,181 м позволяет говорить о хорошем качестве (на уровне 3%) аппроксимации a( ,t). На рис. 4.2 - 4.3 приведены графики распределения нормированного эффективного давления p(z;r) = pz\z\xjlpQ(г) по толще ИГЭ-2 для центра днища, а также временные зависимости абсолютной осадки. При построении графиков использовались соотношения (4.22), (4.23), (4.27) и (4.28).
