автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Оптимизация фундамента морских нефтегазопромысловых платформ с ребристыми элементами

Страница

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР КОНСТРУКЦИЙ И ИССЛЕДОВАНИЙ ФУНДАМЕНТОВ МОРСКИХ ГРАВИТАЦИОННЫХ ПЛАТФОРМ С РЕБРИСТЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

1.1 Фундаменты ребристой конструкции морских платформ

1.2 Исследования взаимодействия фундамента ребристо ¿1 конструкции с грунтовым основанием

1.3 Цель и задачи дальнейших исследований фундаментов ребристой конструкции

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ФУНДАМЕНТОВ РЕБРИСТОЙ КОНСТРУКЦИИ

2.1 Методы экспериментальных исследований

2.2 Состав ребристых элементов для экспериментов в грунтовом лотке

2.3 Экспериментальная установка и техника проведения экспериментов

2.4 Планирование экспериментов

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ

ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ РАЗВИТИЯ СИЛ СОПРОТИВЛЕНИЯ ЗАДАВЛИВАНИЮ ПЛОСКИХ РЕБРИСТЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

3.1 Влияние толщины плоских ребристых элементов на величину сил сопротивления

3.2 Влияние формы (очертания) ребра и угловых соединений на величину сил сопротивления при задавливании

3.3 Влияние плотности грунта и степени его водонасы щения на силы сопротивления задавливанию

ГЛАВА 4. РАСЧЕТНОЕ ОБОСНОВАНИЕ

КОНСТРУКЦИИ РЕБРИСТЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

4.1 Нагрузки, действующие на ребристые элементы

4.2 Оптимальные конструктивные соотношения ребристых элементов

ГЛАВА 5. ОПТИМАЛЬНАЯ КОНСТРУКЦИЯ

ФУНДАМЕНТА С РЕБРИСТЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

5.1 Конструктивные особенности фундаментов ребристой конструкции

5.2 Оптимальные соотношения фундамента ребристой конструкции

Запасы углеводородов на шельфе морей с относительно небольшими глубинами (20-60м) весьма внушительны. Однако намеченные к освоению районы, преимущественно в российской части Арктики, отличаются сложными природно-климатическими условиями. Значительные знакопеременные по направлению волновые и ледовые воздействия предопределяют использование для разработки углеводородного сырья ледостойких гравитационных платформ (ЛГП), положительно зарекомендованных себя на глубокой воде.

Небольшие глубины и значительные горизонтальное силовое воздействие вынуждают специалистов вносить существенные изменения в конструкцию ЛГП. Ниже по высоте становится фундаментная часть платформы, а для повышения ее устойчивости на сдвиг применяют заглубленные в грунт ребристые элементы.

Фундаменты ребристой конструкции, нормативная база по которым практически отсутствует, ставят перед разработчиками задачи, суть которых заключается в следующем:

• Прежде всего, в определении сил сопротивления грунта задавливанию ребристых элементов в зависимости от их конструктивных особенностей.

• Затем, в проведении расчета напряженно-деформированного состояния основания с погруженными в него элементами и устойчивости сооружения в целом под действием заданных нагрузок.

• И наконец, в определении действующих на ребристые элементы усилий при установке и эксплуатации платформы, необходимых для назначения соответствующих конструктивных соотношений.

Введение 2

Наиболее подробно эти вопросы исследованы С. И. Шибакиным [75], однако всеобъемлющей информации им не получено. Исследованы элементы лишь одной толщины - 0,03м плоского и углового очертания. Установлены конструктивные соотношения ребристых элементов (длины к высоте, 1/И < 7,5) только с точки зрения потери несущей способности основания в виде плоского сдвига. Не выявлены закономерности влияния плотности и водонасыщенности грунта на величину сил сопротивления задавливанию.

Перечисленные обстоятельства указывают на необходимость продолжения и актуальность исследований взаимодействия фундаментов ребристой конструкции с грунтами основания. Поэтому цель диссертационной работы сформулирована как уточнение механизма взаимодействия ребристых элементов с грунтом основания и методики определения оптимальных массо-габаритных характеристик фундамента.

Для достижения указанной цели в процессе экспериментальных исследований намечено решить следующие задачи:

1. Выявить закономерность изменения усилия лобового сопротивления задавливанию плоских элементов в зависимости от их толщины.

2. Установить степень влияния водонасыщенности основания на величину усилия задавливания элементов в грунт.

3. Уточнить влияние формы и скорости погружения ребристых элементов на величину силы сопротивления задавливанию в грунты различной плотности.

4. Осуществить конструктивные проработки фундамента с ребристыми элементами с целью установления оптимальных соотношений бетонной и металлической частей.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. На основе метода планирования эксперимента получена функция отклика изменения величины лобового сопротивления грунта основания задавливанию ребристых элементов в виде полинома

Введение 3 первого порядка, линейно описывающего взаимосвязь исследованных факторов (глубины погружения и толщины элементов).

2. Форма (очертание) ребер и их угловых соединений оказывают определенное влияние на величину сил сопротивления задавливанию, которое может быть учтено соответствующими коэффициентами по отношению к плоскому элементу; в замкнутых (ячеистых) конструкциях сопротивление сил задавливанию возрастает в сравнении со свободно погружаемыми элементами.

3. Функция отклика изменения сил сопротивления задавливанию в зависимости от глубины погружения и плотности грунта в виде полинома первого порядка адекватно описывает взаимосвязь исследованных факторов в заданной области; водонасыщение грунта основания в несколько раз снижает значение сил сопротивления задавливанию.

4. Функция отклика изменения относительной длины плоских ребер в виде полинома первого порядка адекватно описывает закономерности изменения найденного параметра в зависимости от относительной толщины ребер и напряженного состояния основания; равномерное чередование плоских и крестообразных элементов позволяет значительно повысить продольную устойчивость ребристых элементов, увеличить (в несколько раз) размер ячеек, сократить расход металла на устройство фундамента.

5. Целесообразное конструктивное сочетание при устройстве фундамента с ребристыми элементами его бетонной и металлической частями позволяет получить заметный экономический эффект; функция отклика изменения относительной стоимости фундамента ребристой конструкции в виде полинома первого порядка адекватно описывает взаимосвязь исследованного параметра с относительной высотой ребер и размером ячеек; относительная стоимость фундамента явно растет с уменьшением относительного размера ячеек и незначительно

Введение 4 изменяется (снижается) в зависимости от относительной высоты ребер глубины погружения).

Практическое значение выполненных исследований заключается в непосредственном использовании рекомендуемых закономерностей при проектировании и расчете фундаментов ребристой конструкции, установлении оптимальных соотношений между бетонной и металлической частями фундамента.

На защиту выносятся результаты лабораторных и расчетных исследований автора фундаментов ребристой конструкции, полученные с использованием метода планирования эксперимента закономерности и конструктивные соотношения, рекомендации по назначению оптимальных конструкций ребристых элементов.

Заключение 103 оптимальных соотношений фундамента ребристой конструкции с использованием метода планирования эксперимента выявил функциональную связь в виде полинома первого порядка (5.6) между относительной стоимостью и основными действующими факторами (относительной высотой ребер и размером ячейки). Относительная стоимость фундамента явно растет с уменьшением относительного размера ячеек его ребристой части и незначительно изменяется в зависимости от относительной высоты ребер (глубины погружения).

1. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. Наука, М. 1976 г.

2. Алешков Ю. 3. Теория волн на поверхности тяжелой жидкости. Л.: Энергия, 1981.196 с.

3. Алешков Ю. 3., Майоров Ю. Б. О воздействии нерегулярных волн на вертикальную цилиндрическую преграду: Волновые воздействия на обтекаемые прег-рады//Тр. Координац. Совет, по гидротехнике. Вып. 34. Л.: Энергия, 1967. С. 35-44.

4. Байков В.Н., Сигалов Э.Е. Железобетонные конструкции. Общий курс. Стройиздат., М. 1991 г.

5. Банди Б. Методы оптимизации. М., Радио и связь, 1988 г.

6. Березанцев В.Г. Расчет оснований сооружений.Стройиздат, 1970 г.

7. Берникер Я. С., Рыжаков И. Н. Состояние основных конструктивных решений морских стационарных платформ, работающих в условиях ледовых воздействий. М.: ВНИИЭгазпром, 1985. 74 с.

8. Вяхирев Р.И., Никитин Б.А., Мирзоев Д.А. Обустройство и освоение морских нефтегазовых месторождений. Изд-во Академии горных наук, М. 1999 г.

9. Власов В.З., Леонтьев H.H. Плиты, балки и оболочки на упругом основании. ГИФМЛ, М., 1960 г.

10. ВСН 41.88 Проектирование ледостойких стационарных платформ. Миннефтепром, М., 1988 г.

11. Горбунов-Посадов М.И. Маликова Т.А. Расчет конструкций на упругом основании. Стройиздат. М., 1973 г.Литература 105

12. Даревский В.Э. Практический метод определения давления грунта на подпорные стенки с учетом деформации о перемещении стен. Гидротехническое строительство, № 10,1978 г.

13. Доусон Т. Проектирование сооружений морского шельфа. J1.: Судостроение, 1986.286 с.

14. Евдокимов П.Д. Прочность оснований и устойчивость гидротехнических сооружений на мягких грунтах. Госэнергоиздат, М. Л., 1956 г.

15. Евдокимов П.Д., Кашкаров П.И. Некоторые результаты экспериментального изучения горизонтальных и вертикальных смещений жестких штампов на песчаных и глинистых грунтах. Изд. ВНИИГ, т.93, 1970, с. 162-174.

16. Иванов П.Л. Грунты и основания гидротехнических сооружений. Высшая школа, М., 1975 г.

17. Куликов А.К., Шеляпин P.C. Экспериментальные исследования распределения контактных напряжений централно нагруженной тензобалки на песчаном основании. Известия Вузов. Строительство и архитектура. 1982, №3.

18. Курил л о С.В., Федоровский В.Г., Шибакин С.И. Методика расчета сил сопротивления задавливанию ребристых элементов. М., ВНИИОЭНГ, 1992.

19. Крылов Ю. М., Стрекалов С. С., Цыплухин В. Ф. Ветровые волны и их воздействие на сооружения. Л.: Гидрометеоиздат. 1976. 256 с.'

20. Кулыгин Б. А. Производство и организация работ при строительстве морских нефтегазопромысловых железобетонных платформ: Учеб. пособие. М.: МИСИ, 1982. 46 с.

21. Кулыгин Б. А. Производство и организация работ при строительстве морских нефтегазопромысловых металлических платформ: Учеб. пособие. М.: МИСИ, 1981,69 с.Литература 106

22. Кулыгин Б. А. Производство и организация работ при строительстве нефтегазопромысловых сооружений на континентальном шельфе морей. Строительство мелководных металлических эстакад: Учеб. пособие. М.: МИСИ, 1981. 67с.

23. Лаппо Д. Д. Вопросы теории и практики расчета волн на воде и их взаимодействия с преградами- М.: Наука, 1975.192 с.

24. Лаппо Д. Д. Силовое воздействие гравитационных волн при обтекании гидротехнических сооружений. М.: Изд. АН СССР, 1962.115 с.

25. Лаппо Д. Д., Мищенко С. М. Влияние спектральной структуры волнения на динамику сквозных гидротехнических сооруженийУУИзв. ВНИИгидротехники им. Б. Е. Веденеева, 1977. Т. 115. С. 73-80.

26. Лужин О. В., Халфин И. Ш. Расчет морских глубоководных нефтегазопро-мысловых сооружений при воздействии волн: Динамический расчет специальных инженерных сооружений и конструкций/У Справ, проектировщика. М.: Строй-издат, 1986. С. 226-245.

27. Левачев С.Н., Шибакин С.И., Курилло C.B. Фундаменты гравитационных нефтедобывающих платформ. ВНИИИС, М., 1988.

28. Левачев С.Н., Шибакин С.И., Курилло C.B., Данг Зунг.Экспериментальные исследования взаимодействия гравитационногофундамента ребристой конструкции с грунтом основания. Морские нефтегазопромысловые сооружения. Сб.трудов ВНИИморгео, Рига, 1989.

29. Лунин А.Ф. Взаимодействие морских нефтегазопромысловых гидротехнических сооружений гравитационного типа с грунтовым основанием. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, М., 1988.

30. Мирзоев Д. А. Нефтепромысловые ледостойкие сооружения мелководного шельфа. М. : Изд. ВНИИОЭНГа, 1992. -155с.

31. Мирзоев Д. А. Особенности конструкций, проектирования и технологии строительства сооружений для разработки арктических месторождений. Гидротехническое строительство 1994 - №3.Литература 107

32. Мирзоев Д. А. Гидротехнические сооружения для освоения нефтегазовых ресурсов мелководного шельфа замерзающих морей. Дис. д-ра техн. наук / ВНИГИ морнефтегаз М. 1994.

33. Металлические конструкции. Под. редакцией Г.С. Веденикова. Стройиздат. М., 1998 г.

34. Носков Б. Д. Сооружения континентального шельфа. М.: МИСИ, 1986. 303с.

35. Порты и портовые сооружения. Под. редакцией Г.Н. Смирнова. Стройиздат. М., 1993 г.

36. Проект 1154-СКТУ. 00.00. ГИГУ. Экспериментальная ледостойкая платформа «Астохская-1». ВНИПИморнефтегаз. М., 1990 г.

37. РД 39-ГФ-91 Указания по расчетам платформ гравитационного типа. Министерство нефтяной и газовой промышленности. М., 1991 г.

38. Руководство по определению нагрузок и воздействий на гидротехнические сооружения (волновых, ледовых и от судов). Л.: Энергия, 1977. 316 с.

39. Самарин И.К. Взаимодействие конструкций гидротехнических сооружений с основанием. Стройиздат, М., 1978.

40. СНИП 2.02.01-83. Основания зданий и сооружений. Стройиздат, М., 1985.

41. СНИП 2.02.02-85. Основания гидротехнических сооружений. Стройиздат, М., 1986.

42. СНИП 2.02.03.85. Свайные фундаменты. Госстрой, М., 1989.

43. Симаков Г.В., Шхинек К.Н., Смелов В.А., Марченко Д.В. Морские гидротехнические сооружения на континентальном шельфе.Изд-во «Судостроение» Л., 1989 г.

44. Соколовский В.В. Статика сыпучей среды. Изд. 3-е, ГИФМЛ, М., 1960.

45. ТЭО 1230-СКТУ.00.00. ГИГУ. Экспериментальная ледостойкая стационарная платформа «Лунская-1». ВНИПИморнефтегаз, М., 1991.Литература 108

46. Фесик С.П. Справочник по сопротивлению материалов. Будивельник, К., 1970.

47. Федоровский В.Г. Современные методы описания механических свойств грунтов. ВНИИИС, М., 1985.

48. Халфин И. Ш. Исследования и расчеты воздействия волн на гидротехнические нефтегазопромысловые сооружения континентального шельфа: Учеб. пособие. М.: МИСИ, 1983. 61 с.

49. Холерин И. Ш., Пиляев С. И. Воздействие волн на морские гравитационные ледостойкие сооружения больших поперечных размеров: Учеб. пособие. М.: МИСИ, 1986.56 с.

50. Храпатый Н. Г., Беккер А. Т., Гнездилов Е. А. Гидротехнические сооружения на шельфе. Владивосток: ДВГУ, 1983.198 с.

51. Шибакин С.И. Взаимодействие ребристых конструкций морских платформ гравитационного типа с водонасыщенными грунтами. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М., 1993.

52. Шибакин С.И., Лунин А.Ф. Учет ребристых элементов в расчетах фундаментов гравитационных платформ. Научно-технический информационный сборник «Нефтепромысловое дело» № 6, Москва, ВНИИОЭНГ, 1992.

53. Шибакин С.И., Курилло С.В., Федоровский В.Г. Патент № 1.791528 «Гравитационная платформа с заглубленным фундаментом», Москва, 1993.

54. Andenas Е., Skomedal Е., Lindseth S. Instalation of the Troll Phase I Gravity Base Platform. Offshore Technology Conference , 28 Houston 1996.

55. Aas P.M., Andersen K.N. Skirt Foundation for offshore structures. Norwegian Geotechnical Institute , Oslo , Publication,№ 190, 1989.

56. Allard M.A., Anderson K.H., Hermstad J. Centrifuge model test of a gravity platform on very dense sand. I: Testing technique and result. In: BOSS"94. Proceedings.Литература 109

57. Andersen К.Н., Lauritzsen R.(1988) Bearing capacity for foundations with cyclic loads. J. Geotechn. Engrg., ASCE, 114.

58. Andreasson В., Christophersen H.P.,Kvalstad T.J. (1988) Field model tests and analyses of suction installated long-skirted foundations. Proc: Behaviour of Offshore Structures Conference, Trondheim.

59. Buslov V.M. Base Skirt for Artie Offshore Drilling Platforms. Root international INC. Houston, USA, p.p. 160-167, 1985.

60. Christophersen H.P., Bysveen S., Stove O.J. Innovative foundation systems selected for the Snorre field development. International conference on the Behavior of Offshore Structures 6, London, 1992. Proceedings, vol.1 , p.p. 81-94.

61. Eide O., Brylawski E. Instalation of Concrete gravity structures in the North Sea. Marine Geotechnology, vol.3 , № 4, 1979.

62. Egland S. Foundation aspect of Troll Platform. EP Offshore Engineering Workshop, 1995.

63. Guide for building and Classing Fixed Offshore Structures. American Bureau of Shipping, 1978.

64. Lacasse S., Goulous A., Robberstad L., Andersen F., Boisard P.The foundation of the Frigg CDP1 gravity platform: A case study. Offshore Technology Conference ,23, Houston 1991. Proceedings, vol.1, p.p. 125-131.

65. Lunne Т., Myrvoll F., Kiekstad O. Observed Settlements of Five North Sea Platform. Norwegian Geotechnical Institute, 1982.Литература 110

66. Nevel Е. D. Comparison between theory and measurements for ice forces on conical structures. Proceedings, 1-st International Conference on Development of Russian Offshore, Sant-Peterburg, 9/1993.

67. Prevost J.H. et all. Offshore Gravity Structures. Centrifugal modeling.ASCE, vol. 107, №2, p.p. 125-141.

68. Rules for the Design Construction and Inspection of Offshore Structures. Fppendix F. Foundations. Det Norske Veritas, 1980.

69. Tjelta T.I., Ha aland G. Novel Foundation Concept for a Jacket finding its place. Vol.28 : Offshore Site Investigation and Foundation Behavior, p.p. 717-728. 1993 Society for Underwater Technology.

70. Tjelta T.I., Aas P.M., Hermstad J., Andenaes E. The skirt piled Gullfaks, С platform instalation. Offshore Technology Conference, 22, Houston, 1990.

71. Thompson G.R., Taylor T.P., Long L.G. Well condutor desing considaraiions for gravity base structures. Offshore Technology Conference, Houston, 1982.

72. Ugaz O.G., Nowacki F., Harik L. Foundation analysis of the Hiberma, GBS. Offshore Technology Conference, 29. Houston 1997. Proceedings, p.p. 446-454.

73. Шибакин С. И. Научно-методические основы создания ледостойких гравитационных платформ для освоения нефтегазовых ресурсов шельфа. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. М. 1999.