Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы. Цель и задачи исследования 8
1.1. Анализ аварийности и причин аварий резервуаров 8
1.2. Существующие методы подготовки оснований и типы фундаментов резервуаров в отечественной и зарубежной практике резервуаростроения 12
1.3. Особенности консолидации слабых грунтов оснований резервуаров и формирования в них деформаций 22
1.4. Анализ нормативных документов, регламентирующих осадки резервуаров 37
Глава 2. Экспериментальное исследование развития порового давления в основаниях резервуаров и формирования глубины их сжимаемой толщи 50
2.1. Основные положения методики исследований 50
2.2. Инженерно-геологические условия экспериментальных площадок 65
2.3. Изменение порового давления U в основании резервуаров при возрастании давления в нем 67
2.4. Изменение порового давления в основании резервуара во времени и связь его с процессом консолидации 71
2.5. Изменение порового давления по глубине основания резервуаров при рФ const 74
2.6. Развитие послойных перемещений по глубине основания резервуаров различной емкости 78
Глава 3. Натурные исследования консолидации оснований резервуаров различных емкостей 87
3.1. Методика исследований 87
3.2. Влияние циклического загружения оснований резервуаров на их характер сжимаемости 89
3.3. Особенности формирования и развития во времени неравномерных осадок стенок резервуаров 94
3.4. Влияние параметров емкости резервуаров на процесс консолидации их осадок 107
Глава 4. Аналитические методы определения осадок фундаментов резервуаров, расположенных на слабых грунтах, в процессе строительства 119
4.1. Расчет осадок фундаментов в процессе строительства на слабых водонасыщенных грунтах 119
4.2. Определение конечной (стабилизированной) осадки основания из слабых водонасыщенных глинистых грунтов 123
4.3. Аналитическое решение одномерной консолидации полностью водонасыщенного слабого глинистого грунта 127
4.4. Консолидация во времени слоя слабого водонасыщенного грунта под постоянной нагрузкой 130
4.5. Расчет консолидации слоя фунта при действии нагрузки, возрастающей во времени (в процессе строительства) 133
4.6. Расчет осадок сооружений, возводимых на слабых водонасыщенных грунтах 138
4.7. Сопоставление результатов расчета консолидации слоя слабых водонасыщенных глинистых грунтов с данными натурных наблюдений 144
Глава 5. Разработка предложений о порядке проведения гидравлических испытаний резервуаров на слабых грунтах 147
5.1. Принцип выбора ограничительной величины ступени нагрузки на днище резервуара, опирающегося на слабые водонасыщенные грунты 147
5.2. Рекомендуемая методика проведения гидравлических испытаний стальных резервуаров с вертикальной стенкой 155
Основные выводы по работе 164
Литература 165
- Существующие методы подготовки оснований и типы фундаментов резервуаров в отечественной и зарубежной практике резервуаростроения
- Инженерно-геологические условия экспериментальных площадок
- Влияние циклического загружения оснований резервуаров на их характер сжимаемости
- Определение конечной (стабилизированной) осадки основания из слабых водонасыщенных глинистых грунтов
Введение к работе
Систематизация и анализ информации, имеющейся в научно-технической литературе, и опыт выполнения ремонтных работ сформировали единое мнение, что одним из наиболее опасных дефектов, нередко приводящих к отказам и разрушениям РВС, является неравномерная осадка его наружного контура.
До настоящего времени не существует математической теории, достоверно отражающей изменение напряженно-деформированного состояния в стенке резервуара при развитии неравномерной осадки. Объясняется это 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 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.
Кроме того, 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.
ОАО «Сибнефтепровод» является одним из крупнейших предприятий по транспорту нефти России. Практически вся нефть, добываемая в Западной Сибири, транспортируется предприятиями акционерного общества. Распределение резервуаров ОАО «Сибнефтепровод» по емкости приведено нарисі.
РВС-5000 10 рез. 6,80%
Общая резервуарная емкость 2530 тыс.м
147 рез. PBC-20000 111 рез.
75,50%
РВС-10000
26 рез.
17,70%
Рис.1. Распределение резервуарной емкости по типам резервуаров
Из рисунка следует, что 74,5% всех резервуаров составляют резервуары объемом 20000 и более. До 1992 года на ЛПДС «Западный Сургут» эксплуатировалось четыре резервуара емкостью 50000 м . В процессе эксплуатации выяснилось, что в условиях Западной Сибири эксплуатация таких резервуаров не эффективна. 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 процесса консолидации оснований резервуаров, сложенных слабыми водонасыщенными грунтами. На основании результатов широкомасштабных натужных исследований разработана методика проведения гидравлических испытаний резервуаров с учетом консолидационных свойств грунтов, позволяющая эффективно их уплотнить в процессе испытаний, и прогнозировать во времени деформации резервуаров.
Существующие методы подготовки оснований и типы фундаментов резервуаров в отечественной и зарубежной практике резервуаростроения
Материалы отечественных и зарубежных исследований по строительству и эксплуатации резервуаров различных объемов на сильносжимаемых грунтах свидетельствуют, что в практике устройства оснований под резервуары в настоящее время применяются различные методы подготовки оснований. В табл. 1.1 приведены широко используемые методы подготовки оснований и устройства фундаментов в практике резервуаростроения различных стран.
Замена слабого слоя местным уплотненным (привозным) песчаным или глинистым грунтом используется в тех случаях, когда на поверхности на небольшую глубину залегают грунты с низкими прочностными и деформационными свойствами или требуется замена пучинистых грунтов для обеспечения нормальной эксплуатации резервуаров в районах с глубоким сезонным промерзанием грунтов [22,58]. Этот метод эффективен при неглубоком залегании слабых грунтов (до 3,0 м) при наличии местных или привозных песчаных грунтов. При большой толщине слабых грунтов (более 5-6 м) этот метод является неэкономичным.
Отечественный и зарубежный опыт эксплуатации показывает, что резервуары, возведенные на таких основаниях, часто дают большие неравномерные осадки, которые превышают величины, регламентируемые нормами, и требуют дополнительных расходов для их выравнивания.
В практике устройства оснований резервуаров этот метод получил широкое распространение с использованием кольцеобразных уплотненных гравийно-щебеночных и ленточных монолитных или сборных фундаментов под вертикальную стенку резервуара (материал: бут, бетон и железобетон) [6, 37]. Кольцевые фундаменты применяются с целью распределения нагрузки от стенки по периметру резервуара, выравнивания неравномерных перемещений основания под стенкой и повышения отметки узла сопряжения стенки и днища. Щебеночные «кольца» под стенкой резервуаров разработаны в США и применяются высотой не менее 600 мм, шириной по верху 1000-1200 мм. Ленточные фундаменты под стенкой резервуаров различной емкости, используемые в зарубежных странах, приведенные в таблице 1.2.
Замена слабого слоя грунта уплотненной песчаной подушкой в комплексе с кольцевыми фундаментами и предварительным нагруженном массой воды в практике строительства зарубежных стран получили наибольшее распространение.
Уплотнение грунтов основания предварительной огрузкой (обжатием) массой воды является одним из самых распространенных способов искусственного уплотнения оснований резервуаров из-за относительной простоты и дешевизны. Этот способ характерен для резервуаров, поскольку у них полезная нагрузка на основание многократно превышает нагрузку от массы строительных конструкций и может быть быстро приложена и снята. Кроме того, опытное заполнение -обязательная технологическая операция, выполняемая во всех странах перед сдачей резервуаров в эксплуатацию.
При использовании этого метода особое внимание необходимо уделять режиму загружения оснований резервуаров (подобрать в зависимости от физико-механических свойств грунтов площадок строительства количество ступеней нагрузок, скорость их приложения, время выдержки каждой ступени до полной стабилизации осадок). Практика уплотнения оснований этим методом показывает, что при учете всех вышеуказанных требований можно достичь качественного уплотнения оснований при наименьших затратах. Высокий эффект уплотнения можно достичь многократным нагруженном резервуаров водой (циклические нагрузки) на полную высоту.
Так, при строительстве нефтеочистительных заводов в штате Миссисипи (США) на слабых грунтах при проектировании фундаментов очередной группы резервуаров стоимость свайных фундаментов составила 6 млн.долл. Уплотнение основания предварительным наполнением резервуаров водой позволило сократить стоимость основания до 1 млн.долл. При сооружении 50 резервуаров одного из заводов в Западной Европе проектом предусматривалось использование свайных фундаментов, стоимость которых составила 5 млн.долларов. Предварительное наполнение резервуаров водой позволило за 6 месяцев завершить уплотнение, которое стоило всего 900 тыс.долларов.
Широкое применение в практике строительства нашел способ предварительной огрузки грунтов насыпью из местного грунта, устраиваемой до строительства резервуара. В работае [74] этот способ рассмотрен как один из возможных методов уплотнения оснований резервуаров. Способ предварительного уплотнения грунтов насыпью с использованием песчаных дрен был реализован институтом Фундаментпроект при строительстве восьми резервуаров емкостью 20 тыс.м3 в Ираке. Недостатком этого метода является то, что для его применения необходимо выполнять большой объем земляных работ, что затруднительно в районах с суровым климатом, к которым относятся районы Западной Сибири.
Уплотнение основания резервуаров методом глубинного водопонижения заключается в том, что при понижении уровня грунтовых вод и осушении толщи грунтов их объемная масса увеличивается за счет снятия взвешивающего действия воды. Этот метод можно успешно применить на площадках, имеющих слой песка или других грунтов с высокой водоотдачей и залегающих на достаточной глубине. Метод эффективен при возведении резервуаров в условиях сурового климата, когда водопонижение можно успешно осуществлять круглый год. В нашей стране данный способ еще не нашел широкого применения.
Инженерно-геологические условия экспериментальных площадок
Резервуары, выбранные в качестве объектов наблюдений, были сооружены на грунтах различного геологического строения. При подборе резервуаров в первую очередь обращалось внимание на сжимаемость грунтов основания. Конечно отбирались только площадки, сложенные водонасыщенными глинистыми грунтами с модулем деформации превышающим Е=50 кгс/см , но не выходящими далеко за Е=100 кгс/см (табл.2.2). Площадки, на которых по глубине основания встречались слои или прослои торфов или сильно заторфованных грунтов, исключались из рассмотрения. Резервуары, устроенные на свайных фундаментах, также в экспериментах не участвовали. Мы также не брали в совокупности исследований резервуары на слабых грунтах, улучшенных предварительной пригрузкой дренирующей насыпью, песчаными или фабричными дренами.
При большой толщине слабых грунтов для предотвращения значительных неравномерных осадок естественных оснований жесткость кольцевого фундамента увеличивалась путем придания его поперечному сечению формы тавровой балки. Высота фундамента определялась из условия заглублений подошвы ниже границы сезонного промерзания грунта. Для уменьшения высоты фундамента над ним устраивалась промежуточная щебеночная подушка, обеспечивающая передачу нагрузки от резервуара на фундамент. Так как погонная нагрузка на такой фундамент мала, то площадь его поперечного сечения может быть сравнительно небольшой. Учитывая особенности резервуаров, в них предусмотрены противопучинные мероприятия раздельно под днищем и стенкой конструкции. Заглубление кольцевого ленточного фундамента под стенку было ниже границы сезонного промерзания. В целях изучения характера изменения порового давления на него нагрузки U в слабых водонасыщенных грунтах оснований резервуаров различных по диаметру (а следовательно и объему) были проведены натурные эксперименты на ряде площадок г.г. Москва, Ярославль. В опытах были использованы стальные цилиндрические резервуары с вертикальной стенкой различных объемов V=2000 м3; V=5000 м3 ; V=10000 м3 ; V=20000 м3 и V=30000 м3. Установка поропьезометров производилась до монтажа днища резервуаров по его центру и вблизи его вертикальной стенки с помощью специального устройства в соответствие со схемой размещения поропьезометров. Так как опыты велись длительное время, вся проводка от приборов и регистрирующая аппаратура концентрировалась в спецпомещении. При загрузке слоя водонасыщенного грунта внешним давлением р часть его будет передаваться на скелет грунта pz, а часть создавать напор в воде pw. Причем в любой момент времени сумма давлений на скелет и в воде будет равна внешнему давлению
Влияние циклического загружения оснований резервуаров на их характер сжимаемости
Проведенными нами исследованиями была отмечена ведущая роль остаточных деформаций в формировании общей осадки основания под резервуарами. При первичном загружении оснований резервуаров до р=1,2 кгс/см и последующей разгрузке установлено, что доля остаточных деформаций от общей осадки резервуаров составляет 90-94%. Это обстоятельство еще раз подтверждает высокий эффект предэксплуатационного уплотнения основания резервуаров при их гидравлических испытаниях. Нефтяные резервуары являются одним из тех немногих специфических типов сооружений, которые перед сдачей их в эксплуатацию обязательно должны предварительно загружаться водой, чтобы проверить непроницаемость сварных швов. Преследуя данным загружением вполне конкретную цель, строители параллельно выполняют еще одну важнейшую задачу для слабых грунтов - дополнительно уплотняют их до введения резервуаров в постоянную эксплуатацию. (Такого же рода уплотнение можно было бы сделать и с грунтами оснований элеваторов и силосов, но там имитировать нагрузку водой подчас невозможно, воспроизводить эту же нагрузку каким-либо другим сыпучим материалом - неэкономично). Судя по литературным источникам [99], впервые эффект предэксплуатационного уплотнения грунтов основания резервуаров практически использовали американские инженеры более трех-четырех десятков лет тому назад. Более поздние работы в этом направлении только совершенствовали методику загружения резервуаров при гидравлических испытаниях [38,94]. В последние годы этот метод нашел применение при освоении нефтеносных районов Западной Сибири в связи с выпуском в свет в 1977 г. рекомендаций по наблюдениям за осадками резервуаров (ВР-28-77), подготовленных институтом Гипротюменнефтеггаз.
Совершенно очевидно, что роль остаточных деформаций в общей осадке резервуара может быть и иной, чем отмечено в наших опытах. Так, например, при уплотнении оснований пяти резервуаров объемом 20 тыс.м каждый [20] доля остаточных деформаций при первичной разгрузке составила всего 67% от общей осадки основания. Здесь главным образом все зависит от вида и состояния грунта, величины нагрузки и времени ее выдержки. При повторном загружении р=1,2 кгс/см" дополнительная осадка составила лишь от 1 до 21% от первичной осадки. Следовательно, даже однократно предэксплуатационное уплотнение позволяет резко снизить величину осадки резервуара в период эксплуатации, т.к. теперь резервуар работает на ином, достаточно уплотненном основании (рис.3.1, 3.2). Вычисленные значения модулей деформации оснований резервуаров после повторного загружения сведены в табл.3.1. Как видно из таблицы, модуль деформации грунтов основания резервуаров при повторном загружении после практически полной стабилизации осадок повысился в 4,7-8,7 раза. Им было установлено, что после повторного загружения модуль деформации основания резервуара Д=23,0 м увеличился в 3,8 раза, а резервуара Д=17,1 м -в 4,7 раза. Совершенно очевидно, что значения модулей деформации грунтов оснований резервуаров после гидроиспытаний совершенно не похожи на те, что получены в результате компрессионных или штамповых испытаний. Вводить повышающий коэффициент на значения первичных деформационных характеристик еще рано, т.к. еще нет достаточной совокупности парных испытаний грунтов циклической нагрузкой и обычных данных их лабораторных или полевых испытаний для соответствующей статистической обработки. Для получения более достоверной информации о предстоящих осадках резервуаров на естественных основаниях целесообразно испытания грунтов циклической нагрузкой проводить на стадии инженерно-геологических изысканий. Только в этом случае расчетная осадка будет близка к фактической. Для изучения закономерностей развития неравномерности осадки наружного контура днища резервуаров было рассмотрено большое число профилей (разверток) и эпюр осадок стенок, исследован вопрос изменяемости профиля стенки во времени, установлены зависимости показателей неравномерности (ASCT) от средней осадки стенки. В условиях слабых грунтов стенка резервуара, при различных конструкциях фундаментов, оседала неравномерно, при этом развивался нерегулярный профиль - «пила». Неравномерность профиля формировалась в период строительства (неточности монтажа). При гидравлическом испытании он претерпевал существенные изменения. При последующих эксплуатационных наполнениях он получал изменения трех видов (а,б,в): а) характер профиля со временем изменился незначительно, с первоначальной конфигурацией стенки не был связан; б) профиль со временем не менялся и был связан с первоначальной конфигурацией стенки; в) профиль со временем изменялся, происходило его относительное и абсолютное выравнивание. По-видимому, неравномерности типа «а» и «б» вызваны особенностями напластования грунтов; типа «в» - геодинамическими факторами. Существенно, что главная часть неравномерности (ASCT) возникла при первых нескольких загружениях, что связано, по-видимому, с особенно значительной сжимаемостью верхних слоев, их технологическим разуплотнением.
Определение конечной (стабилизированной) осадки основания из слабых водонасыщенных глинистых грунтов
Стабилизированная осадка слоя слабых водонасыщенных глинистых грунтов при загрузке поверхности по большой площаи насыпи может быть определная как стабилизированная осадка при компрессии (сжатие грунта без возможности бокового расширения). Величина такой осадки (So,) может определяться, если известна зависимость между изменением относительной деформации образца и действующим уплотняющим давлением на образец в стабилизированном состоянии. Под стабилизированным состоянием понимается напряженно-деформированное состояние, при котором окончилось отжатие поровой воды из водонасыщенного грунта и эффективное давление (в скелете грунта) равно внешней нагрузке (a=q).
Зависимость между относительной деформацией и внешней нагрузкой (между — и q) может быть установлена непосредственно по результатам опытов при условии, что значение деформации (относительной деформации) найденно в условном стабилизированном состоянии для каждой ступени приложенной нагрузки [83,84].
Предположим, что эта зависимость определена в виде Тогда стабилизированная осадка при компрессии равна
Параметры функции f(q) могут зависеть от координаты z в том случае, если сжимаемая толща неоднородна.
Если для определения стабилизированной осадки использовать зависимость между изменением пористости (Ае) и уплотняющим давлением (q), то вместо формулы (4.6) будем иметь:
Пусть компрессионная зависимость будет иметь вид: Тогда стабилизованная осадка при компрессии равна
Из споставления формул (4.6) и (4.9) видно, что в общем случае функции (p(q) и f(q) должны быть различны, но связь между ними легко устанавливается
Так, например, если cp(q) - линейная функция (ф(q)=aq), то функция f(q) должна быть дробно-линейной
В инженерных расчетах часто используют приближенные формулы для определения конечной осадки Следует отметить, что такое явление имеет место, когда изменение пористости (коэффициента пористости) в исследуемом дипазоне нагрузок невелико и
Для расчета уплотнения сильносжимаемых водонасыщенных глинистых грунтов при определении конечных осадок пользоваться формулами (4.11) и (4.12) нельзя, т.к. ошибка в этом случае может быть значительной.
На основании компрессионной, установленной экспериментально зависимости (4.2) для слабых водонасыщенных глинистых грунтов получим Если толща слабых водонасыщенных глинистых грунтов однородна, осадка слоя толщины нелинейно зависит от нагрузки (рис.4.1.) и будет равна Приближенное соотношение, написанное выше, может быть использовано для тех нагрузок, при которых изменение коэффициента пористости слабых грунтов менее 30% от (1+е0), т.е. при Ае 0,3(1+е0). При этом ошибка не будет превышать 10%.
В качестве иллюстрации этого положения в табл.4.1 приведены данные расчета конечных осадок сильносжимаемых водонасыщенных грунтов. В примере использованы данные компрессионных испытаний слабых водонасыщенных глинистых грунтов. Результаты расчета показывают на значительную ошибку, получаемую при осреднении коэффициента пористости в существующих методиках расчета (в случае сильносжимаемых грунтов).
