автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Воздействие ледовых образований на подводные гидротехнические объекты

На правах рукописи

Новорольский Константин Витальевич

ВОЗДЕЙСТВИЕ ЛЕДОВЫХ ОБРАЗОВАНИЙ НА ПОДВОДНЫЕ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ

Специальность 05.23.07 - Гидротехническое строительство

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

2 О ДЕК 2012

Москва - 2012

005047617

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет»

Научный руководитель: Кандидат технических наук, профессор

Левачев Станислав Николаевич

Официальные оппоненты: Каганов Григорий Моисеевич

Доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства», профессор кафедры гидротехнических сооружений

Курилло Сергей Владимирович

Кандидат технических наук ОАО "НИЦ" Строительство", - НИИОСП им. Н.М. Герсеванова, ведущий научный сотрудник лаборатории механики грунтов №17

Ведущая организация: ООО «Газпром добыча шельф»

Защита состоится /О декабря 2012 г. в час -6в"мин. на заседании диссертационного совета Д 212. 138. 03 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, Москва, Ярославское шоссе, д. 26, ауд. №9 «Открытая сеть».

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный-етроительный университет».

Автореферат разослан « /0 » //0У

Ученый секретарь диссертационного совета/[ЛУ // /Орехов Генрих Васильевич

Актуальность темы исследований. В настоящее время, как в России, так и за рубежом реализуются различные нефтегазовые проекты в замерзающих морях. Цель проектов - обеспечить планомерное наращивание объемов экспорта на мировые рынки сбыта нефти и газа. Освоение нефтегазовых ресурсов северного и арктического шельфов сопряжено со значительными трудностями, вызванными сложным

гидрометеорологическим режимом. При этом определяющим фактором является наличие ледовых образований и их взаимодействие с донными грунтами. Эти условия необходимо учитывать при выборе строительной и эксплуатационной техники, а также при выборе методов и способов строительства и эксплуатации различных сооружений, возводимых при разработке месторождений в условиях замерзающих морей. При обустройстве морских месторождений планируется использование подводных гидротехнических сооружений. С развитием технологии подводной добычи становится актуальной проблема использования подобных систем в местах, где существует вероятность их повреждения ледовыми образованиями.

В данной диссертации предметом исследования является воздействие ледовых образований через донный фунт на подводные гидротехнические конструкции морских нефтегазовых месторождений.

Цель работы:

- осуществить экспериментальную оценку процесса выпахивания донного грунта морскими ледовыми образованиями путем крупномасштабного лабораторного изучения процесса внедрения твердого тела заданных размеров в грунтовое основание по разработанной методике с использованием специально созданной экспериментальной установки;

- используя полученные опытные данные, определить физический характер и основные параметры происходящего разрушения грунта при внедрении в него твердого тела;

- выполнить количественную и качественную оценку реакции грунта в зависимости от различных условий эксперимента;

- оценить характер перераспределения усилий и поведения сжатого слоя грунта в момент, когда модель ледового образования максимально близко подходит к вертикальной преграде.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- проведены крупномасштабные экспериментальные исследования, которые позволили впервые получить комплексное представление о физической картине внедрения ледовых образований в донный грунт, происходящего при этом процесса разрушения грунта и его влияния на заглубленные конструкции;

- впервые разработан метод расчета прогнозной величины нарушения поверхности дна дрейфующими ледовыми образованиями, включающий определение предельного сопротивления грунта с учетом величины заглубления, наличия трения на контактной поверхности, дополнительного действия грунтового отвального тела при изменении свойств слагающего его материала и влияния пространственного эффекта;

- определен характер перераспределения усилий и поведения сжатого слоя грунта в момент, когда модель ледового образования максимально близко подходит к вертикальной преграде.

Практическая значимость. Предложенный метод определения величины нарушения поверхности дна в результате возможного выпахивания донного фунта дрейфующими ледовыми образованиями позволяет осуществить на предварительных стадиях проектирования её более надежную расчетную оценку, что повышает обоснованность выбора приемлемых способов защиты подводных сооружений от воздействия льда.

На защиту выносятся:

- результаты подготовленных и выполненных экспериментальных и теоретических исследований процесса взаимодействия твердого тела с

грунтовым основанием и вертикальной преградой при различных схемах их нагружения;

- разработанный на основе опытных данных метод определения высоты и формы призмы волочения;

разработанный с учетом выполненной оценки механизма формирования призмы волочения, инженерный метод определения реакции грунта, обеспечивающий возможность её определения в общих случаях взаимодействия контактной поверхности с грунтом;

- результаты решения задачи по определению давления грунта на подводные гидротехнические объекты нефтегазовых месторождений в системе «ледовое образование - грунт - вертикальная преграда».

Достоверность_полученных_результатов_исследований

подтверждается сравнительным анализом величин, полученных расчетом по предложенной методике (силы сопротивления фунта, давления на вертикальную преграду и высоты призмы волочения), с экспериментальными данными.

Личный вклад автора. В результате решения поставленной задачи был исследован процесс нарушения поверхности дна дрейфующими ледовыми образованиями с определением предельного сопротивления грунта, механизма формирования призмы волочения и давления на подводные гидротехнические объекты нефтегазовых скважин применительно к условиям освоения месторождений Баренцева и Карского морей. Результаты экспериментальных исследований также использовались при выполнении НИР, проведенной по заказу ОАО ГАЗПРОМ.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы были доложены: на III Всероссийская конференции «Устойчивость, безопасность и энергоресурсосбережение в современных архитектурных, конструктивных, технологических решениях и инженерных системах зданий и сооружений», Москва (2012), на заседании кафедры Гидротехнических сооружений МГСУ (2012).

Структура и объем работы:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованной литературы, включающего 81 наименование и содержит 165 страниц текста, 111 рисунков, 17 таблиц.

Во введении отражена актуальность темы диссертации, кратко изложено основное содержание работы.

Первая глава посвящена обзору и анализу исследований и методов оценки воздействия ледовых образований на донный грунт.

Физическое моделирование является одним из основных инструментов механики грунтов при изучении процесса пропахивания, оно позволяет количественно и качественно исследовать сложный процесс взаимодействия ледовых образований с донным грунтом. В настоящее время выполнен большой объем исследований, главным образом в лабораторных условиях.

В процессе моделирования основное внимание акцентируется на изучении механики поведения грунтовой среды. При этом возможны два подхода к методике модельных опытов (рис. 1.1).

В первом - модель ледового образования движется в экспериментах как тело с тремя степенями свободы (рис. 1.1 а). Второй подход предусматривает движение модели в горизонтальном направлении как тела с одной степенью свободы (рис. 1.1 б).

Экспериментальные исследования в первом случае можно разделить, в зависимости от масштаба моделирования и технологии проведения, на: мелкомасштабные опыты без соблюдения весового подобия; крупномасштабные опыты в натурных условиях.

Мелкомасштабные опыты проводились в ледовом бассейне NRC Canadian Hydraulics Centre (Ottawa). В качестве модели использовался ледовый блок, к которому прикладывалась горизонтальная сила до 50 кН в диапазоне скоростей перемещений от 0,003 до 0,65 м/с.

Рис. 1.1 (а, б). Два подхода к методике модельных опытов Общая схема проведения опытов в ледовом бассейне ЫКС путем протаскивания модели через грунтовую подушку приведена на рис. 1.2.

Рис. 1.2

Рис. 1.3

В процессе экспериментов измерялся профиль развития борозды, и фиксировались силы, действующие на модель в процессе пропахивания, а так же угол наклона модели и ее перемещение.

Крупномасштабные опыты в натурных условиях проводились в Ванмийен фьорде на Шпицбергене (78°1Ч, 16°Е). Всего было выполнено три эксперимента: Ю - как пилотный эксперимент по пропахиванию, Я2 - как основной опыт пропахивания и 113 — как опыт на срез киля тороса. Общий вид эксперимента 112 показан на рисунке 1.3. Большинство известных лабораторных опытов проведено по схеме, в которой торос в виде твердого тела - модели (в большинстве случаев металлической) принудительно перемещался поступательно в горизонтальной плоскости.

Исследования по пропахиванию морского дна проводились в различных странах. В результате таких опытов было выявлено: влияние наклона фронтальной плоскости (угла атаки) на величину горизонтальной

силы; влияние величины нагромождения (призмы волочения) на результаты опытов.

Эксперименты по пропахиванию дна выполнялись в ледовом бассейне Канадского гидравлического центра. Движение модели осуществлялось с помощью тележки, перемещаемой вдоль стенок бассейна. К тележке крепился блок льда и протаскивался через насыпную подушку грунта. Исследуемый процесс фиксировался подводной видеокамерой.

Вид образовавшихся борозд в песчаном и гравийном основании приведен на рис. 1.4.

Рис. 1.4

В процессе моделирования взаимодействия грунта и ледового образования исследовалось поведение грунта при одномерном и трехмерном движении в малом, среднем масштабах и в полунатурных условиях. При этом был выявлен следующий ряд физических закономерностей поведения грунтовой массы при больших перемещениях:

расчетно-теоретические модели развиваются в направлении построения модели разрушения грунта с учетом кинематически возможного движения грунта. С этой целью вместо классического решения Кулона для гладкой стенки применяется решение Соколовского

для статики сыпучей среды и учитывается наличие уплотненного ядра грунта, двигающегося с моделью как единое целое;

- при воздействии тороса на грунт имеют место большие деформации и кинематическое разрушение грунтовой среды при внедрении киля. При этом нарушается структурное строение фунта и, как следствие, процессы разрушения фунта принимают многофазовый характер, усложняющийся трехмерными явлениями и гидродинамическим поведением фунтовой среды. Указанные физические явления должны быть учтены при совершенствовании существующих методик расчета воздействия подводной части тороса на дно;

- анализ существующих экспериментов и расчетно-теоретических исследований показал, что при разработке методики расчета необходимо учитывать такие особенности разрушения грунтовой массы в процессе ледовой экзарации, как образование уплотненного ядра, трение льда о фунт и разуплотнение грунта морского дна.

Во второй главе описываются экспериментальные исследования процесса взаимодействия ледового образования с фунтовым основанием и вертикальной префадой.

Основными задачами опытных исследований являлось: определение физической картины и основных параметров происходящего разрушения фунта при внедрении в него твердого тела; количественная оценка реакции грунта в зависимости от определяющих ее факторов; выявление характера перераспределения усилий и поведения сжатого слоя грунта в момент, когда модель ледового образования максимально близко подходит к вертикальной преграде.

Экспериментальные исследования проводились в фунтовом комплексе Отраслевой научно-исследовательской лаборатории морских нефтегазопромысловых гидротехнических сооружений Московского государственного строительного университета.

Грунтовый лоток имеет размеры в плане 8м х 5м, а глубина его составляет 3,2м. В качестве грунта засыпки использовался полиминеральный кварцево-полевошпатовый песок со следующими физико-механическими характеристиками: / = 1,61т/м3; р = 34°; с = 0,1т/м2.

Исследование процесса силового воздействия килевой части дрейфующих торосистых образований потребовало создания новой экспериментальной установки для грунтового комплекса лаборатории, принципиальная схема которой представлена на рис. 2.1.

Основными конструктивными элементами экспериментальной установки являются: модель килевой части тороса — 1; вертикальные гидроцилиндры - 2 (Зшт.); горизонтальные силовые гидроцилиндры - 3 (3 шт.); силовые датчики сжатия - 4; герметичные контейнеры - 5; датчики силы - 6; измерительная панель - 7; фрагмент подводного сооружения - 8.

Рис. 2.1

Конструкция модели рассчитана на восприятие вертикальных усилий до 750 кН и горизонтальных усилий до 750 кН.

Габариты модели: высота - 1000 мм; ширина по фронту - 1500 мм; длина - 1000 мм; вес с горизонтальными гидроцилиндрами - 1600кг.

Гидроцилиндры экспериментальной установки с помощью гибких шлангов подключались к стационарной электрогидравлической станции грунтового комплекса.

В экспериментальных исследованиях использовались шесть тензорезисторных преобразователей силы по 25Т типа М70КН и четыре тензорезисторных преобразователя силы по 5Т типа С2-5. Для измерения перемещения модели использовались два круговых резисторных преобразователя типа ПЛП-2.1.

Вторичная аппаратура состояла из ПЭВМ типа Intel Celeron и измерительной тензометрической системы СИИТ-3.

Результаты всех проведенных в начале исследований тарировок измерительных преобразователей силы и перемещения показали, что погрешность не превышает 5%.

Программа экспериментальных исследований представлена на рис. 2.2.

Серия Индексация d, м 6, град (3, град у, t/mj V, мм/с Н, м

1 0-1-1-1-1-1 0 0 0 1,6 17 0

2 3-1-1-1-1-1 0,3 0 0 1,6 17 0

3 3-1-1-2-1-2 0,3 0 0 1,0 17 0,3

4 3-1-1-2-2-2 0,3 0 0 1,0 1,7 0,3

5 3-1-1-1-2-1 0,3 0 0 1,6 1,7 0

е = О ; Р = О

Рис. 2.2 11

Третья глава - посвящена анализу экспериментальных исследований процесса ледовой экзарации.

Модель под действием горизонтально приложенной нагрузки продвигается поступательно в грунтовом массиве, преодолевая возрастающее сопротивление грунта. Начальный период движения модели сопровождается развитием в грунте системы трещин, сосредоточенных по углам модели, затем на поверхности основания намечаются контуры линий сдвига, по которым при достижении грунтом предельно напряженного состояния происходит выдавливание на поверхность призмы выпора.

Реализация 1-ой призмы выпора (в зависимости от плотности сложения грунта) наступает, когда модель проходит расстояние равное примерно, (0,15-0,2)& Процесс образования призмы выпора сопровождается зафиксированным в опытах резким временным падением действующего фронтального сопротивления на 10-15%.

Следует заметить, что это справедливо в том случае, когда расстояние от модели до щита больше 3(1 (90см) в противном случае нагрузка возрастает непрерывно. При дальнейшем движении модели грунт из призмы выпора все более выдавливался на дневную поверхность (рис.3.1.), образуя своеобразную «крышу», практически параллельную исходной поверхности коренного грунтового массива. Высота призмы волочения при этом неуклонно растет, а форма её сечения по оси движения, на начальных этапах представляющая собой трапецию, постепенно превращается в прямоугольную.

Накопление материала в призме волочения в процессе её движения сопровождается постоянным обрушением грунтовой массы по контуру призмы; причем, не только вперед по ходу движения модели, но и в стороны, создавая боковые отвальные тела, не участвующие непосредственно в общем перемещении призмы волочения, ширина которой определяется фронтальными размерами модели (В = 1,5 м).

Рис. 3.1. Общий вид призмы волочения

Дальнейшее перемещение модели сопровождается образованием последующих тел выпора, объем грунта, которых идет на формирование призмы волочения. График изменения высоты призмы волочения в зависимости от перемещений модели представлен на рис. 3.2.

Предпринятые эксперименты позволили также оценить вклад сопротивления призмы волочения в значение общего фронтального сопротивления для различных условий опытов (рис.3.3).

Оценка выполнялась в предположении, что при реализации предельного состояния, соответствующего формированию 1-й призмы выпора, имеет место сопротивление грунта, обусловленное лишь чистой реакцией коренного массива исходной высоты (с1), в то время, как дальнейшее увеличение фронтального сопротивления грунта по мере продвижения модели вызвано непосредственным действием призмы волочения, с развитием которой связывается рост общей величины заглубления модели в грунт и возникновение пригрузки на коренной массив.

Рис. 3.2. Заглубление модели (с!+Ь) с учетом призмы волочения Ь.

Рис. 3.3. Вклад призмы волочения в значение общего фронтального сопротивления.

Проведенные экспериментальные исследования позволили изучить механизм формирования и геометрические параметры призмы волочения, вклад которой в сопротивление грунта весьма значителен. Расчетная схема формирования призмы волочения представлена на рис. 3.4.

РАСЧЕТНАЯ СХЕМА ФОРМИРОВАНИЯ ПРИЗМЫ ВОЛОЧЕНИЯ

Рис. 3.4.

Необходимая при этом оценка высоты призмы волочения Н выполнялась в зависимости от расстояния, пройденного моделью, исходя из предположения о равенстве объема образованной в ходе выпахивания донной выемки (борозды) и объема грунта, лежащего в отвалах, с учетом отмеченного его разрыхления (Кр=1,3-1,4). При такой аппроксимации формы ледового образования в виде прямоугольного параллелепипеда основными геометрическими параметрами расчетной схемы являются: /? -уклон поверхности основания; угол естественного откоса фунта; В - ширина фронтальной поверхности; е- угол наклона фронтальной грани; Б - длина «борозды»; Ь- длина горизонтальной площадки призмы волочения; с! -глубина «борозды»; Н - высота призмы волочения.

Выполненные с учетом этого построения расчеты, основанные на требовании наиболее полного приближения формы расчетной поверхности отвалов грунта к их реальной форме, зафиксированной экспериментально и определяемой углом естественного откоса <р0 грунта к поверхности

основания, привели к уравнению объемов: КытесгКР+Кев

Увытесн = Я ■ Ь-(0,5 ■ Б ■ tg|3 + Ы) \ Упр = -5-Кр-(И1 + Я/г+ Я2) ;

Улев = Укон+ Уфронт; Укон = ^-л ■ Я3 • ^<р02 ■ К ;

6

■ (Я2 + 2НЫт + Ь21ё2%) + 0,5■ соз2/3 +/3)-Ь-Кр-(Н2 + 2НЫт + Ь21ё2%)-0,5■ Ь-Кр Сопоставление расчетного и опытного значения высоты призмы волочения изображено на рис. 3.5.

Рис. 3.5

Полученные результаты свидетельствует о незначительности силы трения, возникающей по боковым поверхностям модели по сравнению с другими составляющими общего сопротивления. На ее долю приходится всего лишь 5-8% от величины общей нагрузки. Основной вклад в общее сопротивление грунта движению модели вносит горизонтальная сила, действующая на фронтальную грань модели.

В нашем случае для определения горизонтальной нагрузки, действующей на лобовую поверхность модели, необходимо из общего сопротивления грунта исключить трение по ее боковым и донной поверхностям. Величина трения по боковым граням модели незначительна, что же касается силы трения по днищу, то определяющий ее фактор коэффициент трения модели по песчаному фунтовому основанию, по результатам опытов составил 0,45.

Экспериментальные исследования позволили также выполнить расчетную оценку величины угла контактного трения <р, по лобовой грани модели: ф, = arctg(G IV)

В зависимости от условий экспериментов его величина изменялась в пределах от 13° до 28°.

Другие основные физико-механические характеристики грунтау,(р,с. были получены благодаря исследованиям, проведенным лабораторией кафедры механики грунтов МГСУ и составили: у = 1,6т/м1', <р = 34°; с = 0,1т/л<2.

Проведенные исследования позволили оценить влияние основных параметров на величину реакции грунта рис. 3.6.

Рис. 3.6. Зависимость фронтальной реакции грунта Р от перемещения модели для различных значений скорости модели и насыщенности водой грунта: 1) 3-1-1-1-1-1; 2) 3-1-1-1-2-1; 3) 3-1-1-2-1-2; 4) 3-1-1-2-2-2

Четвертая глава посвящена определению величины давления на вертикальную преграду, подверженную выпахивающему воздействию ледового образования. Задача — создать методику расчета давления грунта на вертикальную преграду.

В экспериментах замерялись усилия, действующие на модель ледового образования при её движении к вертикальной преграде, и нагрузка на измерительную панель, эмитирующую эту преграду, а также параметры призмы волочения.

Анализ результатов экспериментов показал, что когда расстояние между моделью и щитом сокращается до 3с1 (заглубление модели ё=0,3м) усилия на модели и щите начинают заметно возрастать, причём усилие на щите ненамного отстаёт по величине от усилия на модели. При этом на модели возникают заметные вертикальные усилия подъёма (рис. 4.1.).

Рис. 4.1

Существующая методика расчёта пассивного давления грунта, т.е. давления, которое возникает при движении сооружения на грунт в предельном состоянии, позволяет описать только начальную фазу, когда расстояние от модели до щита составляет от 5с1 до ЗсЗ. Это подтверждается сравнительным анализом силы сопротивления, рассчитанной по СНиП 2.06.07-87, и силы полученной в экспериментах (рис. 4.1.). Методика расчета пассивного давления грунта не учитывает наличия препятствия на пути сдвигаемого грунта. Требовалось создать расчётную методику, которая качественно и количественно соответствовала бы экспериментальным

результатам. Для этого были проанализированы процессы, протекающие в грунте при движении модели.

Сначала рассмотрим механизм взаимодействия фунта и модели в начале движения, когда влияние вертикальной преграды очень мало. В этом случае усилие модели полностью передаётся на грунт и вызывает в нём поле напряжений, которое в свою очередь ведёт к уплотнению грунта. Как только напряжённое состояние окажется таким, что на некоторой поверхности будет нарушено условие прочности грунта, по этой кривой происходит сдвиг и образуется призма выпора. Массив грунта сдвигается, а модель продвигается в новое положение. Однако при этом массив грунта не просто перемещается по горизонтали, но и как бы "приподнимается" - образуется призма волочения. При этом сдвигаемый массив ведёт себя не как отвердевшее тело. Уже в процессе нагружения он деформируется, происходит разуплотнение грунта — он стремится подняться вверх. Это объясняется тем, что при нагружении в нём возникают не только горизонтальные ох напряжения, но и вертикальные сту. Подъёму массива препятствует появление между моделью и грунтом вертикальной силы трения. Именно за счёт трения на модель действует подъёмная сила, которая зафиксирована в экспериментах. Эта сила весьма значительна и больше веса призмы выпора.

Таким образом, на сдвигаемый массив грунта действуют следующие силы: сдвигающая сила Рг; вес сдвигаемого массива С; внутренние усилия массива, т.е, реакция грунта основания Р„ , а также ее горизонтальная Нг и вертикальная проекции Рг; реакция щита Рщ; сила трения между лобовой гранью модели и грунтом ; сила трения действующая между щитом и призмой выпора Рщ.

Схема действующих на сдвигаемый массив сил представлена на рис. 4.2. Для продвижения модели необходимо выполнение следующего условия: "подъёмная" сила, должна достигнуть по величине суммы сил, препятствующих подъёму. Это вес грунта в призме выпора с учетом призмы

волочения и сила трения между грунтом и лобовой гранью модели, а также силы трения на щите. В этих условиях большинство величин являются неизвестными. Мы не знаем форму кривой скольжения, а соответственно и вес сдвигаемого грунта, включающего в себя призмы выпора и волочения. В общем случае кривая скольжения является пространственной и криволинейной, начинается она у ребер фронтальной грани модели, а затем выходит на поверхность грунта. Т.к. ширина модели достаточно велика по сравнению с его заглублением, то силами трения по боковым поверхностям можно, пренебречь, решая задачу как плоскую.

РАСЧЕТНАЯ СХЕМА ДЕЙСТВИЯ СИЛ

О

I

в

Рщ|

1С- Нг

РУ

1 - МОДЕЛЬ ЛЕДОВОГО ОБРАЗОВАНИЯ, 2- МОДЕЛЬ ВЕРТИКАЛЬНОЙ ПРЕГРАДЫ; 3- ПРИЗМА ВЫПОРА; 4- ПРИЗМА ВОЛОЧЕНИЯ;

Рис. 4.2

При этом поверхность скольжения может быть принята в виде плоскости с наклоном к горизонту под некоторым углом а. Это допущение значительно упрощает решение задачи. Оно даёт возможность определить величину С и записать систему линейных уравнений равновесия:

\РГ=РЩ+НГ \ 1%+С+Рвщ = Ру

(1)

В этом уравнении неопределёнными остаются силы Р^ , Ру и Нг. Нг и Ру являются горизонтальной и соответственно вертикальной проекцией

реакции грунтового основания Рл. Нг=Рр-$та\ =сова. Величину вертикальной силы трения можно найти, предположив, что она прямо пропорциональна сдвигающей силе Рг : Е" = Р, ■/ , где / - коэффициент трения. Это возможно только в том случае, если на поверхности "модель -грунт" достигается предельное равновесие, т.е. выполняется система уравнений (1). Результаты экспериментов показали, что отношение / = /Рг колеблется в интервале от 0,3 до 0,4. Это довольно большой разброс, но тем не менее такая точность достаточна для инженерных расчётов. Коэффициент трения был принят / = 0,35. Принятое значение справедливо и для коэффициента трения на щите Рвщ =РЩ •/. Отсюда можно сделать важный вывод — при сдвиге модели состояние, близкое к предельному, наблюдается не только на поверхности скольжения, но и на фронтальных гранях модели и щита.

С учетом вышеизложенного система уравнений (1) будет выглядеть

так:

Таким образом, остался неизвестен только угол наклона а кривой скольжения к горизонту. В теории предельного равновесия в случае пассивного давления величину а принимают равным: а = 45° - ф/2. Это выражение получено из условия максимума сдвигающих сил или минимума сил сопротивления сдвигу.

По результатам эксперимента разница сил давления на модели и на щите составляет примерно 2 тс и значительно меньше их самих. Это говорит о том, что силы сопротивления сдвига по поверхности скольжения уже не играют большой роли в формировании реакции грунта.

Рг = Рщ+Рк^та Рг-/+С+Рщ-/=Р1<-со5а '

щ

(2)

где Рк - сила реакции грунта основания:

Б та

Таким образом, из системы уравнений (2) можно выразить горизонтальную силу давления на щит:

Рг-/+С+Рщ-/=СРг-РщУа&с = Рг ■ с18°с-Рщ ■ с1%х Рг ■ (/-М^х) +С=-Рщ-(/+с1дос)

р Рги~-^а)+С щ f+с/£а

Сопоставление опытных и расчетных значений величины силы давления на вертикальную преграду представлены на рис. 4.3.

Рис. 4.3. График опытных и расчетных результатов

Выводы по работе

1. Характерной особенностью замерзающих морей, особенно арктического шельфа, является воздействие килевой части ледовых образований (айсбергов, их обломков, торосов) на донный грунт во время дрейфа на глубинах, соизмеримых с величиной их осадки. Как показывают натурные наблюдения, такого рода воздействия сопровождаются выпахиванием дна (экзарацией), приводящим к значительным нарушениям его поверхности в виде борозд и углублений.

2. Процесс выпахивания дна льдом представляет реальную угрозу размещаемым на дне подводным гидротехническим сооружениям и коммуникациям. В связи с перспективой широкого строительства на арктическом шельфе России морских подводных гидротехнических сооружений особо остро встает вопрос их защиты от экзарационного ледового воздействия.

3. Существующие расчетные методы определения сопротивления и давления грунта на вертикальные преграды морских подводных гидротехнических сооружений содержат ряд допущений, которые могут быть обоснованно устранены. С этой целью были проведены специальные экспериментальные и теоретические исследования процесса взаимодействия морских ледовых образований с грунтовыми основаниями и подводными сооружениями.

4. Созданная на базе грунтового комплекса ОНИЛ МНГС МГСУ экспериментальная установка позволяет не только адекватно моделировать движение морских ледовых образований, но также имеет большой потенциал использования в различных грунтовых исследованиях.

5. Выполненные комплексные исследования позволили качественно уточнить физическую картину взаимодействия твердого тела заданных формы и размеров с грунтовым основанием и вертикальными преградами морских подводных сооружений и количественно оценить параметры данного процесса при широком варьировании условий. Это дало

возможность сформулировать основные положения расчета взаимодействия в натуре элементов системы «ледовое образование - грунт - вертикальная преграда»

6. Разработанный на основе опытных данных вариационный метод определения предельной реакции грунта при воздействии на него ледового образования обеспечил возможность создания достаточно обоснованного способа оценки ледовой экзарации, включающего определение глубины выпахивания дна ледовым образованием с учетом его перемещений, влияния призмы волочения и наличия трения на внешней поверхности.

7. Сформулированные с использованием экспериментальных данных основные положения расчета давления на вертикальные элементы подводных сооружений дают принципиальную возможность разработки рекомендаций по количественной и качественной оценке величины этого давления.

Список публикаций по теме диссертации

Основные положения и результаты диссертационной работы отражены в следующих публикациях (все в изданиях, рекомендованных ВАК РФ):

1. С.Н.Левачев, К.В.Новорольский. Исследования воздействия ледовых образований на морское дно // Научно-технический журнал «Вестник МГСУ». Периодическое научное издание, спецвыпуск №1/2010.

2. К.В.Новорольский. Воздействие ледовых образований на подводные объекты и коммуникации // Научно-технический журнал «Вестник МГСУ». Периодическое научное издание спецвыпуск №1/2010.

3. К.В.Новорольский. Воздействие ледовых образований на подводные гидротехнические сооружения. III Всероссийская конференция, г. Москва - МГСУ 18 октября 2012г.

Подписано в печать 18.11.2012 г. Формат 60x90/16. Заказ 1612. Тираж 100 экз. Усл.-печ. л. 1,2. Печать офсетная. Бумага для множительных аппаратов. Отпечатано в ООО "ФЭД+", Москва, Ленинский пр. 42, тел. (495)774-26-96