Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Влияние деформационных характеристик грунтов основания на работу стенки и днища резервуара

ВАК РФ 25.00.19, Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ

Автореферат диссертации по теме "Влияние деформационных характеристик грунтов основания на работу стенки и днища резервуара"

На правах рукописи

ПОТАПОВ АЛЕКСАНДР ЮРЬЕВИЧ □□зобтэвэ

ВЛИЯНИЕ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГРУНТОВ ОСНОВАНИЯ НА РАБОТУ СТЕНКИ И ДНИЩА РЕЗЕРВУАРА

Специальность 25.00.19 - Строительство и эксплуатация

нефтегазопроводов, баз и хранилищ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тюмень 2006

003067989

Диссертационная работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет» Федерального агентства по образованию Российской Федерации

Научный руководитель:

кандидат технических наук Горелов Анатолий Сергеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Земенков Юрий Дмитриевич

кандидат технических наук, доцент Малышкин Александр Петрович

Ведущая организация: ОАО «Институт Нефтегазпроект»»,

г.Тюмень

Защита диссертации состоится 26 января 2007 г. в 1530 час. на заседании диссертационного совета Д 212.273.02 при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625000, г.Тюмень, ул.Володарского, 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотечно-информационном центре Тюменского государственного нефтегазового университета по адресу: 625039, г.Тюмень, ул.Мельникайте, 72. Автореферат разослан «25» декабря 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

цт.т.ц-т?

Кузьмин С.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Существующие в настоящее время методы расчета конструктивных частей вертикальных стальных резервуаров (РВС) не в полной мере учитывают деформационные свойства грунтового основания. Неравномерность осадки центра и контура днища при наличии слабых грунтов в основании РВС приводит к увеличению уровня напряжений в уторном узле. Дополнительным фактором такого увеличения являются растягивающие усилия в днище РВС. Построение полной силовой модели взаимодействия РВС с грунтовым основанием с учетом указанных факторов является сложной и актуальной задачей.

Целью диссертационной работы является исследование особенностей совместной работы стенки, окрайки и днища РВС в реальном диапазоне изменения деформационных свойств грунтов основания с учетом растягивающих усилий в днище РВС.

Для выполнения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:

- разработать методику определения коэффициента постели грунтового основания, в том числе и при залегании в нем слабых грунтов;

- выявить влияние модуля деформации грунта на совместную работу стенки, окрайки и днища РВС при различных способах задания краевых условий в уторном узле;

- найти закономерности формирования напряженно-деформированного состояния (НДС) конструктивных частей РВС в зависимости от заданных в уторном узле краевых условий и модуля деформации грунтового основания;

- выявить влияние растягивающих усилий, возникающих в днище, на его осадку и изгиб стенки;

- исследовать особенности НДС РВС при наличии растягивающих усилий, обусловленных неравномерными осадками днища.

Научная новизна выполненных исследований:

- разработана методика определения коэффициента постели грунтового основания РВС при залегании в нем слабых грунтов;

- количественно исследовано влияние модуля деформации грунта на изгиб стенки и прогиб днища при различных способах задания краевых условий в уторном узле;

предложена и теоретически обоснована модель совместной работы стенки и окрайки с учетом возникновения в последней растягивающих усилий;

- выявлены особенности НДС конструктивных частей РВС с учетом растягивающих усилий в окрайке.

Практическая ценность работы заключается в том, что результаты выполненных исследований позволяют прогнозировать радиальное перемещение стенки, а также осадку центра и контура днища РВС по данным инженерно-геологических изысканий. Разработанная модель работы стенки и днища РВС позволяет оценить влияние деформационных характеристик грунтов, в том числе и слабых, на особенности формирования НДС РВС.

На защиту выносятся результаты научных исследований по определению перемещений конструктивных частей РБС и их НДС с учетом и без учета растягивающих усилий в окрайке.

Апробация работы. Основные результаты и научные положения диссертационной работы были доложены на:

- международной научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири», г.Тюмень, 2005 г.;

международной научно-технической конференции

«Интерстроймех», г.Тюмень, 2005 г.;

5-ой региональной научно-практической конференции «Новые технологии - нефтегазовому региону», г.Тюмень, 2006 г.;

региональной научно-практической конференции «Проблемы

эксплуатации систем транспорта», г.Тюмень, 2006 г.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 6 статей.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х разделов, общих выводов и списка литературы. Диссертация изложена на 106 стр., содержит 35 рисунка и J7 таблиц. Список литературы включает 99 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность диссертационной работы и практическая ценность выполненных исследований.

В первом разделе выполнен обзор известных исследований, посвященных определению перемещений стенки и днища РВС и уровня их НДС при гидроиспытаниях, эксплуатации и ремонтных работах.

Указанные проблемы рассмотрены в работах В.Б. Галеева, М.К. Сафаряна, B.J1. Березина, В.Е. Шутова, В.А. Буренина, И.И. Буслаевой, Н.К. Снитко, М.С. Иштирякова, A.A. Тарасенко, А.Г. Гумерова, Э.М.Ясина, В.В. Любушкина, С. Ямамото, К. Кавано и др.

Осадка РВС на слабых грунтах изучалась Ю.К. Ивановым, П.А. Коноваловым, P.A. Мангушевым, С.Н. Сотниковым и др.

На основании изложенного определены основные направления исследований, сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Во втором разделе рассматриваются перемещения стенки и днища заполненного РВС. С этой целью из стенки мысленно вырезается вертикальная полоса шириной Ь=1м, которая сопрягается с горизонтальной полосой такой же ширины в днище (рис. 1).

ф01

" ф

* ^

(

а)

Щг)

Ф

.Мг

Мк О

б)

Ф;

о®

«2(0)

щ

ра

ф20

Ч(х)

Np

Ох

®

г

Мх

«(х)

Рис. 1. Расчетные схемы а) изгиба стенки; б) прогиба днища. 1 - стенка РВС; 2 - днище РВС

Щ (г) - радиальное перемещение вертикальной полосы стенки;

Ш2 (х) - поперечное перемещение горизонтальной полосы при прогибе днища;

рг - давление столба жидкости на отметке г;

- погонный горизонтальный отпор грунта или фундаментного кольца; Nр - погонная сила за счет веса резервуара без жидкости и днища; р0 - давление столба жидкости на отметке г = 0; ^(х) - контактное напряжение под днищем;

М2,Мх,0^г,0,х - изгибающие моменты и поперечные силы в стенке и в днище.

При выборе начала системы координат Х02 в уторном узле изгиб стенки и прогиб днища (без учета окрайки) описываются уравнениями

& 1 Ц

Д

сы;

д

д

О <г<#„

О < х2 < Я,

(1)

(2)

где , /)2 - цилиндрические жесткости стенки и днища РВС;

к / £

Д = ,/?2 = -соответствующие коэффициенты гибкости;

УЖ,НЖ - удельный вес жидкости и высота ее налива. Коэффициент постели находится следующим образом. Осадка центра вычисляется по формуле

(3)

К

С другой стороны, осадка центра может быть найдена через известную формулу послойного суммирования:

= (4)

м Е,

где , <72 р( - модуль деформации и среднее дополнительное (по отношению к природному) сжимающее напряжение в слое грунта с толщей Н,; (5 - коэффициент стеснения поперечных деформаций. Из соотношений (3) и (4) находится значение кгр, которое в

дальнейшем используется для определения параметров Д, /?2 и . Решение системы уравнений (1) - (2) имеет вид

УК, (г) = [С, эт Дг + С2 соэ Дг]ехр(-Дг) + А

V Нж у

(5)

Щ (*) = [д,8т( Ргг) + В2 соэ ( Д2г)] ехр (-/?2г) + 50, (6)

,2

Л РоЯ

где А =--постоянная с размерностью длины.

Щ

Для нахождения постоянных С,, С2, В{ и В2 необходимы краевые условия в узле сопряжения, которые на первом этапе исследований задавались следующим образом:

М0) = »Г(0) = 0;

1 , . , . - 1 -ый способ (7)

[Ж2'(0) = 0; - Я2^Д0) = е20 = Ыр;

•< , ч , ч - 2-ой способ (8)

{-диг(о) - мю = -ад'(°) = м20; =

где Nр - погонный вес на 1 м периметра, определяемый суммарным весом

стенки и крыши РВС.

Краевые условия (7) соответствуют кинематической неизменяемости уторного узла, условия (8) — непрерывности изгибающего момента М в уторе.

В качестве объекта исследования был выбран РВС вместимостью V - 20 ООО м3 в режиме гидроиспытаний (Нж = 10,5 м; р0 =0,105 МПа).

Грунт основания РВС считался однородным, при расчетах модуль деформации Е менялся от 3 МПа до 5 МПа (область слабых грунтов) и от 5 МПа до 25 МПа. Соответствующие диапазоны изменения коэффициента постели кгр составили 0,22 - 0,38 и 0,38 - 1,88 (МН/м3).

Первый способ показал лучшее (по сравнению со вторым) согласование угла ф{0 = с данными натурных наблюдений, тем не

менее, недостатком способа является скачок изгибающего момента М в узле сопряжения стенки с днищем. Для устранения этого недостатка был предложен следующий вид краевых условий в уторном узле:

^(0) = 0;ж;(0) = ^0=-ж2'(0 ) = -<р20;

- З-ии способ. (9)

[МЮ = М20=М0; б20 = Np; По найденным зависимостям Ж, (2) и Ж2 (х) были рассчитаны изгибные напряжения а1г — 6М1 (г)//г,2, а2х — 6М2 (л:2 в стенке и днище РВС, а также кольцевое напряжение оХу= Е\¥х(г}1 Я в стенке резервуара для указанного диапазона изменения модуля деформации

грунта Е .

В третьем разделе рассматривается условие выполнения общего для трех указанных способов задания краевых условий соотношения Ж, (0) = 0. В этом случае

-ОД" (0) = (10)

где Nк - касательная сила, действующая на торец стенки со стороны грунта или фундаментного кольца, причиной возникновения которой является сила трения Гтр.

Так как выполняется неравенство

А^ ^ ктрМр. (кгпр - коэффициент трения), то < Ир (11) Расчеты, проведенные в разделе, показали, что в реальных случаях для выполнения соотношения ^ (0) = 0 необходимо неравенство, обратное к (11).

В связи с этим был предложен следующий вид граничных условий:

К(0) = -Ж2'(0); -ОД'(0) = -ОДГ(0); „

- 4-ыи способ. (12)

-ОДГ(0) = *т/Др; -ОД"(0) = ЛГ„;

Расчет напряженного состояния днища в этом случае дал высокое значение а2х, практически совпадающее с <т2х для третьего способа задания краевых условий, что объясняется не принятием в расчет окрайки. Расчетная схема в случае наличия окрайки приведена на рисунке 2. При наличии окрайки с прогибом система уравнений

(1)-(2) дополняется уравнением

£^ + 4/^,= А, 0<*3<£3, (13)

а.х3 иъ

где ¿з, £)3 и /?3 - радиальная длина, цилиндрическая жесткость и гибкость окрайки.

z

3,hi

2,Ьг

Oj

Lj

Oi

Рис. 2. Соединение днища со стенкой посредством окрайки 1 - стенка; 2 - днище; 3 - окрайка

(14)

(14)

В этом случае в уторном узле выполняются соотношения (12) (с заменой индекса «2» на индекс «3») и дополнительные условия сопряжения на контакте окрайка - днище:

= fV3'(L3) = W2'(0);

{-DM^) = -D3W3\L,) = -D2W?(0).

Выражение для W3 ) ищется в виде

Щ (х3 ) = [5ц sin /?3х3 + Вп cos у9эх3]ехр(-Дд:з) +

+ [S2I sin ръхъ + В22 cos/?3х3]ехр(/?3х3) + S0.

t

Анализ полученных результатов показал следующее:

- коэффициенты В21 и В22 с учетом реальной длины окрайки могут быть приняты равными нулю;

- перемещение Wx (О) практически равняется перемещению, соответствующему 3-му способу задания краевых условий.

В четвертом разделе рассматривается влияние растягивающих усилий в днище РВС на перемещение его конструктивных частей и на формирование их НДС.

Расчетные схемы для этого случая приведены на рисунке 3, где цифрами Г и 1 обозначены положения стенки при порожнем и

заполненном РВС, а цифрами 2' и 2 - соответствующие положения днища (окрайки) РВС.

Рис. 3. Расчетные схемы для определения влияния растягивающей силы //(х) на перемещения стенки и днища (окрайки) а) сила ^ > 0; б) сила Р < О

(

Изменения растягивающей силы в горизонтальной полосе

днища описывается выражением

ЛГ(х) = ЛГ0-г„рх, 0 < л: < Л^07 тпр = 12Ы, (16)

где Ы0 - значение силы в уторном узле;

тпр - предельное сопротивление грунта сдвигу, определяемое давлением р0 и углом внутреннего трения (р.

В разделе показано, что длина 1гн с достаточной точностью может считаться равной длине окрайки Ь3.

Для определения прогиба окрайки Щ (х) предлагается использовать уравнение продольно-поперечного изгиба

°1-ГТ-М^ГГ + к№=Ро> 0<х<4, (17)

ах ах

где Ы = 0,5Ыо - усредненное, с помощью соотношения (16), значение растягивающей силы Л^(х).

В качестве краевых условий для уравнений (1) и (17) были выбраны следующие соотношения:

07(0) = -И?(0); - = -Д^з'(О);

- 5-ый способ (18)

где знак «+» при Р берется для схемы а), а знак «-» соответствует схеме б) рисунка 3.

Для практически всегда выполняемого неравенства

(19)

решение уравнения (18) имеет вид:

Щ (х) = [_ВХ Бт(Ръх) + В2 соз(/?3лг)]ехр(-«3л:) + 50, (20)

К , N \К„ I N

Система краевых условий (18) дополняется выражениями для силы N, полного удлинения АЬ3 и собственного удлинения АЬ3 горизонтальной полосы окрайки:

Й = Т^И3^;й3=Щ±Г1(0у,АЬ3=У1 + (Щ;)2<Ь-Ц, (21)

I V Ь3 0

где знаки «+» и «-» при 1¥{ (0) относятся к схемам а) и б) рисунка 3.

Для определения величин СХ,С2,В{,В2, N, АЬ3 и Л£3 был разработан алгоритм со схемой, показанной на рисунке 4.

N -► К,сс3,/З3 -► В„В2,С„С2

1 ¡/

1_

АЬ2 4 ' Л£3

Рис.4. Алгоритм для определения геометрических параметров задачи

Результаты расчетов для выбранного РВС приведены в таблице 1. Данные в таблице 1 получены при следующих значениях основных параметров рассматриваемой задачи:

/г, = 13 мм; =6мм;И3 = 10 мм; ¡Ц = 1,3 м; £>, =4,14 ■ 104 Н-м; = 4,09 • 103 Н-м; £>3 = 1,89 • 104 Н-м; Ртр 2,01 • 104 Н / м.

Таблица 1

Значения геометрических и силовых характеристик без учета и с учетом растяжения окрайки

£гр,МПа 3 5 10 15 25 50

, кН/м 78,6 66,3 59,1 56,3 54,2 51,0

А¿3, мм 0,24 0,20 0,18 0,17 0,16 0,15

Л£3, мм 7,66 3,52 0,89 0,16 0,13 0,06

/?3, 1/м 1,10 1,33 1,65 1,85 2,22 2,64

а3,1/м 1,49 1,63 1,87 2,04 2,22 2,64

Ж,(0),мм 16,7 15,0 13,2 12,3 11,3 10,3

-7,42 -3,32 -0,71 0,01 0,03 0,09

¿'д, см 46,6 27,9 14,0 9,3 5,6 2,8

5п,см 35,4 20,4 9,66 6,23 3,68 1,79

43,8 22,0 9,92 6,19 3,68 1,79

Мю, кН -7,79 -7,00 -6,18 -5,76 -5,30 -4,89

-11,2 -8,53 -6,65 -5,81 -5,30 -4,89

<2,0, кН/м 20,4 20,4 20,4 20,4 20,4 20,4

56,7 45,9 38,7 35,9 33,0 30,6

В верхней строке для величин Ж, (0), 5П (осадка контура РВС),

Мю и Q^0 приведены значения без учета растягивающих усилий (N =0), а в нижней - с учетом этих усилий.

При Егр > 10 МПа №¡(0) ~ 0, что соответствует общеизвестному подходу к определению радиального перемещения уторного узла. В области слабых фунтов (Егр < 5 МПа) влияние растяжения окрайки становится заметным, при этом отрицательное радиальное перемещение

стенки приводит к появлению сжимающего кольцевого напряжения <т1у.

Заметное влияние модуля деформации слабых грунтов на перемещения стенки и днища РВС требует уточнения методики определения коэффициента постели кгр. Для любого механизма

деформации грунта осадка 5 слоя с толщиной Н рассчитывается по формуле

Б = е" ~ е" Н, (22)

где ен,ек - начальное и конечное значение коэффициента пористости.

Для слабых грунтов уравнение компрессионной кривой может быть записано в виде

е„-ек=г>[1-ехр(-<кт2)] (23)

(постоянные Ъ и а определяются регрессионной обработкой результатов лабораторных исследований).

С использованием формулы (23) часть полной осадки центра РВС, приходящаяся на верхний слой слабого грунта с толщиной Н1, рассчитывается по формуле

Ь НЪ

= Т7Г1 {ехр(~а<т^)" ехр[~аК* + ***)]} ^ > <24>

1 + еи О

где аг - природное давление грунта;

ог - дополнительное давление, обусловленное весом резервуара. Результирующая осадка центра днища складывается из осадки 5, и осадки Б2 остальной части фунтового основания, вычисляемой по формуле (4). В диссертации выполнен расчет кгр для двух значений Я,.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. На основе сочетания моделей Винклера и упругого полупространства разработан способ нахождения коэффициента постели грунтового основания, в том числе и при залегании в основании слабых грунтов.

2. При различных подходах к описанию работы уторного узла рассчитаны перемещения стенки и днища РВС в зависимости от модуля деформации грунтового основания.

3. Для окрайки РВС доказано существование растягивающей силы и получен закон ее радиального распределения с учетом касательного сопротивления грунтового основания.

4. Для случая залегания в основании РВС слабых фунтов разработана и теоретически обоснована модель уторного узла с учетом растягивающих усилий в окрайке. На основе уравнения продольно-поперечного изгиба рассчитаны прогиб днища и НДС конструктивных частей РВС.

5. Предложена методика и разработан итерационный алгоритм, позволяющие учитывать влияние растягивающих усилий в окрайке на совместную работу конструктивных частей РВС.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Потапов А.Ю. Анализ нормативных документов, регламентирующих осадки вертикальных стальных резервуаров. / Кушнир С .Я., Горелов A.C., Лебедев В.Д // Горные ведомости - Тюмень, 2005.-№12.-С. 96-98.

2. Потапов А.Ю. К проблеме прогноза неравномерных осадок вертикальных стальных резервуаров в условиях слабых водонасыщенных фунтов. / Кушнир С.Я., Горелов A.C., Лебедев В.Д. // Строительный вестник - Тюмень, 2005.- №4. - С. 76 - 77.

/ s i

3. Потапов А.Ю. Прогноз осадок резервуара большого диаметра на основе фильтрационной консолидации слабых водонасыщенных грунтов. / Кушнир С.Я., Горелов A.C., Лебедев В.Д., Дегтярев П.А. // Мегапаскаль: Сб. науч. трудов - Тюмень, 2006. - №1. - С. 49-50.

4. Потапов А.Ю. Определение вертикального напряжения в грунтовом основании вертикальных резервуаров. / Горелов A.C., Лебедев В.Д., Дегтярев П.А. // Нефть и газ - Тюмень: ТюмГНГУ, 2006. -№5.-С. 42-43.

5. Потапов А.Ю. Влияние модуля деформации фунтового основания на совместную работу стенки, окрайки и днища вертикального стального резервуара. / Горелов A.C., Казакова Н.В., Горковенко А.И. // Проблемы эксплуатации систем транспорта: материалы региональной научно-практической конференции - Тюмень: ТюмГНГУ, 2006. - С. 55-59.

6. Потапов А.Ю. Расчет уторного узла резервуара с учетом растягивающих усилий в его днище. // Проблемы эксплуатации систем транспорта: материалы региональной научно-практической конференции — Тюмень: ТюмГНГУ, 2006. - С. 238-241.

Подписано к печати^ г мм Заказ №.

Формат 60 х 84 '/16 Отпечатано на RISO GR 3750

Бум. писч. №1 Уч -изд л. Усл. печ. л. 4/А Тираж 100 экз.

Издательство «Нефтегазовый университет»

Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет» Отдел оперативной полиграфии издательства «Нефтегазовый университет» 625039, Тюмень, ул.Киевская, 52

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Потапов, Александр Юрьевич

Введение.

Раздел 1. Состояние проблемы. Цель и задачи исследования.

1.1. Техническое состояние вертикальных стальных резервуаров и анализ аварийных ситуаций.

1.2. Обзор работ, посвященных неравномерным осадкам днища, с учетом особенностей работы грунтового основания. И

1.3. Исследования напряженно-деформированного состояния конструктивных частей резервуара.

Выводы по разделу 1. Цели и задачи исследования.

Раздел 2. Совместная работа стенки и днища резервуара при различных способах задания краевых условий в уторном узле.

2.1. Грунтовое основание резервуара и определение коэффициента постели грунта, рассматриваемого как винклерово основание.

2.2. Нахождение изгиба стенки и прогиба днища резервуара, вызванных гидростатическим давлением столба жидкости.

2.3. Расчет изгиба стенки и прогиба днища с учетом их взаимодействия в уторном узле резервуара.

2.4. Определение НДС стенки и днища заполненного резервуара

Выводы по разделу 2.

Раздел 3. Влияние наличия окрайки на перемещения стенки и днища резервуара и на их напряженно-деформированное состояние.

3.1. Определение радиального перемещения стенки с учетом горизонтальной силы в уторном узле.

3.2. Расчет перемещений стенки и днища с учетом наличия окрайки резервуара.

3.3. Определение абсолютного удлинения днища при его прогибе.

Выводы по разделу 3.

Раздел 4. Влияние растягивающих усилий в окрайке, обусловленных наличием слабого грунта в основании резервуара, на перемещения его конструктивных частей и уровень их НДС.

4.1. Определение закона распределения растягивающей силы в горизонтальной полосе днища (окрайки).

4.2. Расчет перемещений стенки и днища и их НДС с учетом растягивающих усилий, возникающих при неравномерных осадках резервуара.

4.3. Расчет осадки днища резервуара при наличии в грунтовом основании слабых грунтов.

Выводы по разделу 4.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Влияние деформационных характеристик грунтов основания на работу стенки и днища резервуара"

Стальные вертикальные цилиндрические резервуары относятся к категории особо ответственных сооружений и обеспечение их высокой надежности на стадиях проектирования, строительства и эксплуатации является важной и актуальной проблемой.

Для конструктивных частей резервуара, среди которых должны быть выделены покрытие, стенка, окрайка и днище, характерно сложное напряженно-деформированное состояние (НДС). НДС конструктивных элементов резервуаров определяется как давлением жидкости, ветра, снега и т.д., так и их взаимодействием с грунтовым основанием.

Расчету перемещений стенки и днища резервуара с соответствующим механизмом формирования его НДС посвящено большое количество исследований как отечественных, так и зарубежных авторов.

Тем не менее, некоторые проблемы остаются и по настоящее время недостаточно изученными. В частности, не полностью исследована динамика развития осадки основания резервуаров в процессах гидроиспытаний и эксплуатации в регионах со сложными инженерно-геологическими условиями; не разработана в полной мере методика определения перехода осадки резервуара в стабилизированное состояние и анализ сопутствующих гистерезисных явлений при разгрузке резервуара; отсутствуют расчетные схемы, описывающие работу стенок и днища с учетом значительных относительных удлинений последнего; недостаточно четко выделено влияние силовых характеристик грунтов, слагающих основание резервуара, на особенности формирования НДС резервуара. Роль отмеченных проблем существенно возрастает в том случае, когда в основании залегают слабые грунты с высокой степенью водонасыщенности. Осадка таких грунтов часто носит нелинейный характер, сопровождающийся реологическими процессами (в частности, фильтрационной консолидацией).

Актуальность проблемы. Существующие в настоящее время методы расчета конструктивных частей резервуаров не в полной мере учитывают деформационные свойства грунтового основания. Неравномерность осадки центра и контура днища при наличии слабых грунтов в основании резервуара приводит к увеличению уровня напряжений в уторном узле. Дополнительным фактором такого увеличения являются растягивающие усилия в днище резервуара. Построение полной силовой модели взаимодействия резервуара с грунтовым основанием с учетом указанных факторов является сложной и актуальной задачей.

Научная новизна заключается в построении математической модели, позволяющей прогнозировать перемещения стенки и днища резервуара и определять их уровень напряженного состояния в зависимости от физико-механических характеристик слабых грунтов, залегающих в основании резервуара.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным применением методов механики грунтов, строительной механики, сопротивления материалов, математического анализа, современного программного обеспечения, а также сопоставлением полученных результатов с теоретическими и экспериментальными данными других авторов.

Практическая значимость заключается в том, что результаты выполненных исследований позволяют прогнозировать радиальное перемещение стенки, а также осадку центра и контура днища резервуара по данным инженерно-геологических изысканий. Разработанная модель работы стенки и днища резервуара позволяет оценить влияние деформационных характеристик грунтов, в том числе и слабых, на особенности формирования НДС резервуара.

Апробация работы. Основные результаты и научные положения диссертационной работы были доложены на:

- международной научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири», г.Тюмень, 2005 г.;

- международной научно-технической конференции «Интерстроймех», г.Тюмень, 2005 г.;

- 5-ой региональной научно-практической конференции «Новые технологии - нефтегазовому региону», г.Тюмень, 2006 г.;

- региональной научно-практической конференции «Проблемы эксплуатации систем транспорта», г.Тюмень, 2006 г.

Заключение Диссертация по теме "Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ", Потапов, Александр Юрьевич

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основе сочетания моделей Винклера и упругого полупространства разработан способ нахождения коэффициента постели грунтового основания, в том числе и при залегании в основании слабых грунтов.

2. При различных подходах к описанию работы уторного узла рассчитаны перемещения стенки и днища резервуара в зависимости от модуля деформации грунтового основания.

3. Для окрайки резервуара доказано существование растягивающей силы и получен закон ее радиального распределения с учетом касательного сопротивления грунтового основания.

4. Для случая залегания в основании резервуара слабых грунтов разработана и теоретически обоснована модель уторного узла с учетом растягивающих усилий в окрайке. На основе уравнения продольно-поперечного изгиба рассчитаны прогиб днища и НДС конструктивных частей резервуара.

5. Предложена методика и разработан итерационный алгоритм, позволяющие учитывать влияние растягивающих усилий в окрайке на совместную работу конструктивных частей резервуара.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Потапов, Александр Юрьевич, Тюмень

1. Айзен A.M., Гофман-Захаров П.М., Прицкер В.Ш. О статическом расчете вертикальных цилиндрических резервуаров большой емкости на действие ветровой нагрузки / Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья, № 12,1970. - С. 3-4.

2. Айзен A.M., Прицкер В.Ш., Белобрагина JI.C. Статический расчет надежности стальных вертикальных цилиндрических резервуаров / Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья, № 1, 1971.-С. 9-12.

3. Айнбиндер А.Б. Расчет магистральных и промысловых трубопроводов на прочность и устойчивость. М.: Недра, 1991. - 287 с.

4. Александров А.В. Сопротивление материалов. Основы теории упругости и пластичности. М.: Высшая школа, 2002. - 400 с.

5. Амарян JI.С. Использование слабых грунтовых оснований для строительства нефтепромысловых объектов Среднего Приобья. М.: ВНИИОЭНГ, 1973- 87 с. / Тем.обзоры: Серия «Нефтегазопромысловое строительство».

6. Афонская Г.П., Николаева А.А., Прохоров В.А., Филиппов В.В. Систематизация и моделирование отказов сооружений для хранения нефтепродуктов. Якутск: ЯГУ, 1997. - 50 с.

7. Ашкинази М.И., Егоров Е.А. К расчету вертикальных цилиндрических резервуаров большой емкости / Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов. РНТС ВНИИОЭНГ, № 4, 1976. С. 17-18.

8. Ашкинази М.И., Ланда М.Ш. К расчету местных напряжений в стальных резервуарах / Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов. РНТС ВНИИОЭНГ, № 4, 1975. С.21-23.

9. Бабков В.Ф., Безрук В.М. Основы грунтоведения и механики грунтов. -М.: Высшая школа, 1986. 239 с.

10. Ю.Беляев Б.И., Корниенко B.C. Причины аварий стальных конструкций и способы их устранения. М.: Стройиздат, 1968. - 205 с.

11. П.Березин В.JT., Гумеров А.Г., Ращепкин К.Е., Ясин Э.М. Об эксплуатационной надежности нефтезаводских резервуаров / Труды НТС НИИТранснефть, вып.4 «Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов», 1965. с.204-207.

12. Березин В.Л., Гумеров А.Г., Ясин Э.М. К расчету долговечности резервуарных конструкций / НТС Уфимского нефтяного института, вып.З «Проектирование, строительство и эксплуатация магистральных газонефтепроводов и нефтебаз», 1969. С.290-297.

13. Березин В.Л., Гумеров А.Г., Ясин Э.М. Устойчивость верхних поясов стальных вертикальных цилиндрических резервуаров // Нефть и газ, №4, 1969.-С. 81-85.

14. Березин В.Л., Шутов В.Е. Прочность и устойчивость резервуаров и трубопроводов. -М.: Недра, 1973. 197 с.

15. Бородавкин П.П., Маслов Л.С., Шадрин О.Б. Характер осадки резервуаров и ее влияние на эксплуатационную надежность при хранении нефтепродуктов / РНТС ВНИИОЭНГ, № 6,1965. С. 26-29.

16. Бугров А.К., Гребнев К.К. Численное решение физически нелинейных задач для грунтовых оснований // Основания, фундаменты и механика грунтов, №6, 1974. С.22-25.

17. Буренин В.А. Исследование влияния неравномерных осадок на напряженно-деформированное состояние стального вертикального цилиндрического резервуара / Дис. на соискание уч. степени канд. техн. наук. Уфа, 1980. - 157 с.

18. Буслаева И.И. Оценка несущей способности резервуаров при неравномерных осадках основания в условиях Севера / Дис. на соискание уч. степени. Якутск: ЯГУ, 2004. - 134 с.

19. Буслаева И.И., Афонская Г.П., Попова О.П. Анализ отказов резервуаров / Тезисы докл. науч.-практич. конф. молодых ученых. -Якутск, 1994.-С. 26.

20. Буслаева И.И., Прохоров В. А. Исследование причин отказов резервуаров / Сб. тр. междунар. конф. «Металостроительство 96» Т.2. - Донецк - Макеевка: ДГАСА, 1996. - С. 49-50.

21. Васкович А.А., Лебедев Г.К., Ржавские Е.Л. Влияние температуры хранимого продукта на напряженное состояние уторного соединения металлических резервуаров / серия «Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов». -М.: ВНИИОЭНГ, №1 , 1978. С. 14-15.

22. Власов В.З., Леонтьев Н.Н. Балки, плиты и оболочки на упругом основании. М.: Госстройиздат, 1960.

23. Галеев В.Б. Напряженно-деформированное состояние резервуаров, построенных на слабонесущих переувлажненных грунтах /. Дис. на соискание уч. степени докт. техн. наук. Тюмень, 1987. - 656 с

24. Галеев В.Б. Проектирование оснований резервуаров на слабых водонасыщенных грунтах / РНТС ВНИИОЭНГ серия «Нефтепромысловое строительство», № 11,1976. С. 13-15.

25. Галеев В.Б. Эксплуатация стальных вертикальных резервуаров в сложных условиях. -М.: Недра, 1981. 117 с.

26. Галеев В.Б., Буренин В.А. Влияние крена на напряженно-деформированное состояние резервуара / Тез. докл. «Результатынаучных исследований в области повышения качества продуктивности и эффективности нефтегазовой промышленности». Уфа, 1977. -С.149-150.

27. Галеев В.Б., Буренин В.А., Юсупов Ф.Ш. Расчет напряженного состояния корпуса резервуара, имеющего неравномерную осадку / НТС УНИ, «Проектирование, строительство и эксплуатация магистральных газонефтепроводов и нефтебаз» вып.25. Уфа, 1975. - С. 200-206.

28. Галеев В.Б., Иштиряков М.С. Напряженно-деформированное состояние днища вертикального цилиндрического резервуара / Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов, № 2. М.: ВНИИОЭНГ, 1977. - С. 28-29.

29. Галеев В.Б., Любушкин В.В. Методы устранения осадки оснований стальных вертикальных резервуаров / НТС УНИ «Проектирование, строительство и эксплуатация газонефтепроводов и нефтебаз». Уфа, 1972.-С. 244-250.

30. Галеев В.Б., Любушкин В.В., Буренин А.В. К вопросу осадок вертикальных стальных резервуаров / Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов,№ 11.-М.: ВНИИОЭНГ, 1976.-С. 13-15.

31. Галеев В.Б., Любушкин В.В., Мюлуков Э.З. и др. Способы предупреждения осадки оснований стальных вертикальных резервуаров / НТО ВНИИОЭНГ. М., 1973. - 93 с.

32. Галеев В.Б., Любушкин В.В., Саблин Н.В., Теньков Н.Ф. Методы устранения осадки оснований металлических резервуаров / РНТС ВНИИОЭНГ, № 5 «Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов», 1972.-С. 23-25.

33. Галеев В.Б., Файзуллин С.М. Способ возведения основания сооружения в слабых переувлажненных грунтах. Авт. свид. №619573, приоритет от 08.10.76./ зарегистр. 21.04.78/.

34. Галеев В.Б., Харламенко В.И. Магистральные нефтепроводы. М.: Недра, 1976.-358 с.

35. Горбунов Посадов М.И., Давыдов С.С. О совместной работе оснований и соорежений // Труды VIII международного конгресса по механике грунтов и фундаментостроению. -М.: Стройиздат, 1975.

36. Горбунов Посадов М.И., Маликов Т.А., Соломин В.И. Расчет конструкций на упругом основании. - М: Стройиздат, 1984. - 679 с.

37. Дуда Р.И. Некоторые вопросы прочности стальных вертикальных резервуаров / Автореферат дис. канд. техн. наук. М., 1957. - 23 с.

38. Егоров Е.А. Надежность и учет пластической фазы работы стали в сварных резервуарах / Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов, № 9.-М.: ВНИИОЭНГ, 1977. С. 28-30.

39. Егоров К.Е. К расчету деформаций оснований. М: ФГУП «ВНИИНТПИ», 2002. - 400 с.

40. Иванов П.Л. Грунты и основания гидротехнических сооружений. Механика грунтов. М.: Высшая школа, 1991. - 447 с.

41. Инструкция «Методы ремонта элементов конструкций стальных вертикальных цилиндрических резервуаров после длительной эксплуатации». Тюмень: Изд-во АООТ «Сибнефтепровод», 1997. -258 с.

42. Иштиряков М.С. Исследование прочности и устойчивости стальных вертикальных цилиндрических резервуаров / Дис. на соискание уч. степени канд. техн. наук. Уфа, 1982. - 127 с.

43. Клейн Г.К., Скуратов Л.Ф. Расчет балок на нелинейно-деформируемом основании // Строительная механика. -М.: Стройиздат, 1966.

44. Клепиков С.Н. Расчет конструкций на упругом основании. Киев: Будивельник, 1967.

45. Коновалова О.П. Подготовка оснований резервуаров с учетом консолидационных свойств слабых грунтов / Дис. на соискание уч. степени канд. техн. наук. Тюмень, 2002. - 176 с.

46. Коренев Б.Г., Черниговская Е.И. Расчет плит на упругом основании. -М.: Гос. изд-во литер, по строит., архитектуры и строит, матер., 1962. -354 с.

47. Листова А.И. Исследование эффективности конструкций стальных резервуаров для нефтепродуктов методами математического программирования/ Автореферат дис. на соиск. уч. степени канд. техн. наук. Днепропетровск, 1975.

48. Любушкин В.В. Исследование осадки основания и напряженного состояния днища стального вертикального резервуара / Дис. на соискание уч. степени канд. техн. наук. Уфа: УНИ, 1979. - 229 с.

49. Малыгин В.А., Кузьмина В.П. Геология и гидрогеология. М.: Недра, 1977.-240 с.

50. Малютина И.Ф. Исследование влияния нестационарных температурных полей на напряженно-деформированное состояние цилиндрических емкостных сооружений / Автореферат дис. на соиск. уч. степени канд. техн. наук . Харьков, 1974. - 22 с.

51. Матвеев В.Е. Задача оптимизации симметрично нагруженной цилиндрической оболочки с плоскими днищами / Автореферат дис. на соиск. уч. степени канд. техн. наук. Куйбышев, 1975. - 16 с.

52. Махутов Н.А., Пермяков В.Н. Ресурс безопасной эксплуатации сосудов и трубопроводов. Новосибирск: Наука, 2005. - 516 с.

53. Механика грунтов, основания и фундаменты / С.Б.Ухов, В.В.Семенов,

54. B.В.Знаменский и др. М.: Высшая школа, 2004. - 566 с.

55. Новый метод расчета стальных конструкций. В сборнике «Гражданское строительство», №9 /перевод с английского/. -М.: Стройиздат, 1979.

56. Основания и фундаменты резервуаров / Ю.К. Иванов, П.А.Коновалов, Р.А.Мангушев, С.Н.Сотников. -М.: Стройиздат, 1989.-223 с.

57. Основания, фундаменты и подземные сооружения / М.И. Горбунов -Посадов, В.А. Ильичев, В.И. Крутов и др. М.: Стройиздат, 1985. -480 с.

58. Петров И.П. Экспериментальное исследование работы нижнего узла цилиндрического резервуара / Труды ВНИПСтройнефть. Вып. 9. М., 1957.-С. 38-50.

59. Потапов А.Ю. Расчет уторного узла резервуара с учетом растягивающих усилий в его днище // Проблемы эксплуатации систем транспорта: материалы региональной научно-практической конференции. Тюмень: ТюмГНГУ, 2006. - С. 238-241.

60. Потапов А.Ю., Горелов А.С., Лебедев В.Д., Дегтярев П.А. Определение вертикального напряжения в грунтовом основании вертикальных резервуаров // Известия высших учебных заведений «Нефть и газ». -Тюмень: ТюмГНГУ, № 5,2006. С. 42-43.

61. Потапов А.Ю., Кушнир С.Я., Горелов А.С., Лебедев В.Д Анализ нормативных документов, регламентирующих осадки вертикальных стальных резервуаров // «Горные ведомости». Тюмень, - №12, 2005. -С. 96-98.

62. Потапов А.Ю., Кушнир СЛ., Горелов А.С., Лебедев В.Д. К проблеме прогноза неравномерных осадок вертикальных стальных резервуаров в условиях слабых водонасыщенных грунтов // «Строительный вестник». Тюмень, - №4, 2005. - С. 76 - 77.

63. Потапов А.Ю., Кушнир С.Я., Горелов А.С., Лебедев В.Д., Дегтярев П.А. Прогноз осадок резервуара большого диаметра на основе фильтрационной консолидации слабых водонасыщенных грунтов // Сборник научных трудов «Мегапаскаль». Тюмень, - №1, 2006. -С. 49-50.

64. Промысловые трубопроводы и оборудование / Ф.М. Мустафин, Л.И. Быков, А.Г. Гумеров и др. М.: ОАО «Недра», 2004. - 662 с.

65. Розенштейн И.М. Аварии и надежность стальных резервуаров. М: Недра, 1995.-253 с.

66. Саргсян А.Е., Демченко А.Т., Дворяншков Н.В., Джинчвелашвили Г.А. Строительная механика. М.: высшая школа, 2000. - 416 с.

67. Сафарян М.К. Металлические резервуары и газгольдеры. М.: Недра, 1987.-200 с.

68. Сафарян М.К. Основные положения расчета цилиндрических и сферических оболочек на устойчивость (применительно к резервуаростроению) / «Монтажные работы в строительстве». М., вып. 2,1967.-С. 20-33.

69. Сафарян М.К., Иванцов О.М. Проектирование и сооружение стальных резервуаров. М.: Гостоптехиздат, 1961. - 328 с.

70. Сафарян М.К., Шутов В.Е. Расчет стальных вертикальных цилиндрических резервуаров большой емкости на действие ветровой нагрузки. Экспресс-информация ВНИИГазпрома, № 1, 1968. С. 15-22.

71. СП 50-101-2004 Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений. М.: ФГУП ЦПП, 2005. - 130 с.

72. Справочник по специальным функциям / Под. ред. М.Абрамовица и И.Стиган. М.: Наука, 1979. - 832 с.

73. Строительство зданий и сооружений в сложных грунтовых условиях / Абелев М.Ю., Ильичев В.А., Ухов С.Б. и др. М.: Стройиздат, 1986.

74. Стулов Т.Т. Расчет наземных резервуаров с учетом устойчивости основания / Труды МИНХ и ГП, № 5,1967. С. 95-105.

75. Тарасенко А.А., Воробьев В.А., Васильев Г.Г., Иванцова С.Г. Практикум по проектированию, сооружению и ремонту вертикальных стальных цилиндрических резервуаров. М.: Изд-во РГУНГ им. И.М.Губкина, 2004. - 167 с.

76. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2001. - 592 с.

77. Филиппов В.В., Прохоров В.А., Аргунов С.В., Буслаева И.И. Техническое состояние резервуаров для хранения нефтепродуктов объединения «Якутнефтепродукт» // Известия вузов. Строительство. №7-8, 1993.-С. 13-16.

78. Цытович Н.А. Механика грунтов. М.: Высшая школа, 1979. - 272 с.

79. Цытович Н.А., Тер-Мартиросян З.Г. Основы прикладной геомеханики в строительстве. -М.: Высшая школа, 1981. 317 с.

80. Шутов В.Е. Оптимизация резервуарных конструкций для хранения нефтепродуктов / Автореферат дис. на соискание уч. степени докт. техн. наук. Москва, 1983. - 37 с.

81. Ясин Э.М. Устойчивость моментного состояния равновесия оболочек / труды Уфимского авиационного института, 1967. С. 23-24.

82. Ясин Э.М., Ращепкин К.Е. Устойчивость верхних поясов вертикальных цилиндрических резервуаров для хранения нефтепродуктов // Нефтяное хозяйство, № 3,1967. С. 57-59.

83. Ясин Э.М., Ращепкин К.Е. Устойчивость плоских днищ вертикальных цилиндрических резервуаров для хранения нефтепродуктов / Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов, № 8. М.: ВНИИОЭНГ, 1966.-С. 13-14.

84. Напряжения и деформации, образующиеся в цилиндрических резервуарах вследствие неравномерного оседания основания / Ямамото С., Кавано К., ВДП. № А-49231, 18 с. «Нихон Кикай Гаккайси», 1977, т.80, № 703, С. 534-539.

85. Определение концентрации единичных усилий в цилиндрических резервуарах. Jatan R.V. Bucharesti, 1974, V 36, № 1, p. 71-82.

86. Расчет на прочность цилиндрических резервуаров при землетрясении.

87. Хосино Э., ВЦП. № А 36940, 18 с. «Хайкан То Соти», 1977, т.1, № 4, С. 15-20.

88. Расчет стальных цилиндрических нефтехранилищ. Кавано К., ВЦП, № А 50153, 35 с. «Ацуреку Гидзюцу», 1977, т. 15, № 2, С. 85-86.

89. Clarke J. S. How to handle tank bottom and foundation problems. Oil fnd Gaz Journal, 1971, № 5, pp. 82-84.

90. Greenwood D.A. Differential settlement tolerance of cylindrical steel tanks for buk liquid storage. Proceedings, Conference on Settlement of Structures, British Geotechnical Society, Cambridge, 1974, pp. 361-367/

91. Krupka U. Borceni kruhoveho plaste velkych nadrzi vlivem sedani -Jnzenyrske stavby, 1974, r 22, № 11, s, 538-542.

92. Lambe W.T. and Whitman R.U. Soil mechanics John Wiley and Sons, New York, NY, 1969, p. 201.

93. Piesla W. Tabelarycze wyznaczanie sit w potaczeniu pobocznicy z dnem zbiornikow na produkty naftome. Zesz nauk PC dan 1974 (1975), № 223, s. 19-29.