автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Взаимодействие ребристых конструкций морских платформ гравитационного типа С водонасыщенными грунтами

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

РГО од

') (-■ ,, .„ ...л На правах рукописи

ШИБАКИН СЕРГЕЙ ИВАНОВИЧ

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ РЕБРИСТЫХ КОНСТРУКЦИЙ МОРСКИХ ПЛАТФОРМ ГРАВИТАЦИОННОГО ТИПА С ВОДОНАСЫЩЕННЫМИ ГРУНТАМИ

Специальность 05.23.07 - Гидротехническое и мелиоративное

строительство

Автореферат

Диссертации на соискание ученой степени !сапдидата техничшеих наук

Москва • 1993

Работа выполнена в Московском государстиеином: строительном университете

Научный руководитель - профессор, кандидат технических наук

С-НЛевачев

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

СКУхов кандидат техничесюгх наук АЛЗЛлатонов

Ведущее предприятие: Всероссийский научно-исследовательский, проектио-изысгсательский и конструкторс-1со-техиологический институт оснований и подземных сооружений ии.Н.М.Герсеванова (ВНИИОСП)

Защита состоится '//"-М/199/г. вЗ^на иаседашш диссертационного совета Д.053.11.04 при МГСУ по адресу: Москва, Спартаковская ул., д.2, ауд. N 212.

С диссертацией ноишо ознакомиться в библиотеке института. Просим Вас гфшшть участие в защите и направить Ваш отзыв по адресу: 120337, Москва, Ярославское шоссе, д.26, ученый совет МГСУ.

Автореферат разослан

Ученый се1сретарь диссертационного совета

Ш1.ЛРШЕ13ЕВСКИЙ

ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актупльиосп» тепы. Для обеспечения надежного развития народного хозяйства требуется дальнейшее укрепление топливно-энергетического Комплекса страны, где немаловажное место будет занимать добыча нефти и газа на континентальном шельфе России. В значительной части освоение месторождений будет связано с шельфом замерзающих морей (арктических и дальневосточных). Как показывают результаты предварительных проработок, для районов первоочередного освоения шельфа замерзающих морей с относительно небольшими глубинами (от 20 и до СО м) одним из наиболее предпочтительных вариантов разработки месторождений являются ледостойкие гравитационные платформы (ЛТП), надежность работы которых в значительной степени зависит от харагсгера их взаимодействия с грунтовым основанием. Значительные нагрузки, действующие на ЛГИ, и наличие, как правило, слабых грунтов на поверхности дна вызывают необходимость разработки решений, обеспечивающих возведение сооружений в данных условиях. Одним из позможных способов улучшения работ фундаментной части ЛТП является устройство ребристых элементов, заглубляемых в грунт основания. Наличие п конструкции фундамента заглубленных ребристых элементов ставит перед проектирошцшсом аадачи, среди которых наиболее существенными являются:

- оценка сил задавливаиия, необходимых для погружения ребер;

- расчет несущей способности основания и его напряженно-деформированного состояния;

- определение усилий, действующих на ребристые элементы г? процессе эксплуатации при вертикальных, горизонтальных и угловых перемещениях платформы.

Отсутствие и современной нормативной литературе рекомендаций по расчету подобных ютнетрутеций вызывает необходимость проведения исследований, как теоретических, так и экспериментальных с целыо разработки методик расчета. Перечисленные обстоятельства и обуславливают о основной шстуалыюсть исследований по дайной теме.

Цель работы. На основании экспериментальных и теоретических исследований нлаимодейстпия гранита циошгаго фундамента ребристой

конструкции с водонасьаценным грунтовым основанием разработать методтси расчета таких фундаментов как в период эксплуатации!, так и период установки платформ.

Основные задачи исследования. Для достижения пооташзошюй цсаш необходимо было решить следующие основные задача

1. С помощью критического анализа ка'гурз:ьзх ;;г.пкых ракес проведенных опытов и существующих моделей груша 55 иетйдоа расчета оснований определить направление экспериментальных и теоретических исследований.

2. Осуществить экспериментальные исследования поведения системы "фундамент ребристой конструкции - грунтовое основание" в условиях, характерных для ЛТП в период эксплуатации.

3. Осуществить экспериментальные исследования поведения системы "ребро-грунтовое основание" в условиях, характерных для ЛТП в период установки.

4. Отработать методшш эксперишеитов по изучению работы оснований гравитационных фундаментов ребристой конструкции кап в период Э1ссллуатацш1, так и а период установки, обеспечивая их комплексный харагстер, заключающийся в исследовании напряжений на контакте конструкций и грунтового массива, нагрузок и перемещений системы "конструкция-основание".

5. На основе экспериментальных и теоретических исследовашп! разработать методики расчета грунтовых оснований ЛТП.

С. Реализовать предложенные методики расчетов при проектировании кошфетаых объыстов ЛГИ.

Научная новизна.

1. Проведенные комплексные исследования впервые позволили оценить напряженно-деформированное состояние системы "фундамент ребристой конструкции - грунтовое основашга" и "ребро-грунтовое основание" в условиях работы, характерных для ЛТП.

2. По результатам экспериментальных исследований получены:

- физическая картина процесса взаимодействия трашгаоддовгого фундамента ребристой конструкции с грунтом, начиная с пграьге огазез нагружешш, шиють до потери основанием несущей спосоБносто» сенахазыг закономерности этого процесса и причины их обуславливающие;

физическая картина процесса взаимодействия ребристых конструкций с грунтом при их задашшвании, основные закономерности этого процесса;

- оптимальное расположение ребристых инструкций в составе гравитационного фундамента.

3. В теоретическом плане разработаны новые методики статичесюзго расчета оснований ЛГП с фундаментом ребристой конструкции, позволяющие:

- отразить п расчете влияние основных факторов, определяющих работу осноиания (наличке ребристых конструкций, 1сомплексное воздействие нагрузок, последовательность их приложения, водонасыщение основания, пластическую работу фунта и т.д.);

- определить силы сопротивления задавливанию конструкций в водонасыщеиные фунты с учетом их конфигурации, технологии пофужения;

- проследить весь путь деформирования фунтового основания, начиная с первых ступеней иафужения, вплоть до потери им несущей способности;

- получать в ходе расчетов информацию о перемещениях фундамента (вертикальной осадке, горизонтальном перемещении, кр-не), о распределении нормальных и касательных напряжений как под подошвой фундамента, так и у ребристых конструкций.

Результаты исследований имеют практическое значение.

1. Предложена методика расчета сил сопротивления задавливания ребристых конструкций при установке ЛГП на естественное основание. .

2. Предложена методика расчета напряженно-деформированного состояния оснований фавнтационных платформ с фундаментом ребристой конструкции, отралеыощал специфические условия их работы.

3. Предложена методика расчета усилий, действующих на ребра в процессе эксплуатации при вертюкшышх, горизонтальных и угловых перемещениях платформы.

4. Даны рекомендации по определению оптимального расстояния между ребристыми элементами в конструкции фундамента.

ШлШ'ШХ-Ш^ЩСЯТСЯ!

- результаты экспериментальных и теоретических исследований систем "фундамент ребристой конструкции - фунтовое основание" и "ребро-грунтовое основание" для условий ЛГИ и разработанные на их основе методики расчета фундамента ребристой конструкции и его элементов в процессе у станов! еи и эксплуатации платформы;

- рекомендации по определению оптимального расстояния 1--ежду ребристыми элементами

Реализация работы. Результаты- выполненных исследований были использованы институтом "ВНШШморнефтегаз" при проектировании фундаментной части ЛГП "Астохская-1", "Лунская-1" и "Приразломная", а также при . разработке окошуривающих 1с0нстру!сций островных сооружений для Харасавейского месторождения. Кроме того, разработанные методики по расчету фундамента ребристой констругауш вошли в ведомствеIшый нормативный документ РД39-ГФ-91 "Указание по расчету оснований платформ гравитационного типа".

Апробация работы. Основные результаты были представлены и одобрены:

- па первой всесоюзной конференции "Комплексное освоение нефтегазовых ресурсов комтаыеиталыюго шельфа СССР", состоявшиеся соответственно в 1983 и 1&ВЗ годах в городе Моасве;

- на перзой ГДехгдународной конференции "Освоение шельфа арктических ыорей Роеош", состоявшейся в С.-Петербурге в 1993 г.;

- на научных семинарах лаборатории внешних воздействий и перспыгпшпык коыстру^а^ай ледостоисих платформ ВШШИморнефтегаз;

- па научных сештарах отраслевой научно-исследовательской лаборатории морских нефтегазовых гидротехнических сооружений Московского государстеешюто строгпелыюго университета.

Публикации: ©€1ккшьк> шмквкешш диссертации содерзкатся в двенадцати печатных » ряде рукописных работ. Кроме того, по теме диссертации получено семь авторских свидетельств.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы. Диссертация содерясит 199 страниц машинописного текста, 23 таблиц, на 18 стр., рисунков 67 на 63 стр.,

титульный лист и оглавление - 3 стр., перечень литературы - 6 стр.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приводится описание условий работы стационарных платформ гравитационного типа, анализ конструкций фундаментной части и обзор экспериментальных исследований взаимодействия гравитационных сооружений с фунтовый основанием.

Первоочередные районы освоения месторождений континентального шельфа, как правило, удалены от регионов с развитой инфраструктурой, поэтому технические решения платформ ориентируются на конструкции максимальной заводской готовности и интенсивные методы проведения строительно-монтажных работ. Этим требованиям удовлетворяют в наибольшей мере гравитационные платформы.

Значительные нагрузки, действующие на ЛТП, и наличие слабых фунтов на понерхности морского дна вызвали необходимость разработать специальные технические решения по конструкции фундамента для работы в данных условиях При этом естественным является стремление передать основные усилия на более прочные нижние слои основания, что достигается применением ребристых конструкций.

Обзор экспериментальных исследований показал, что выполненные к настоящему пременн экспериментальные исследования оснований фавитационных сооружений не в полной мерс учитывают условия работы основания фундаментов ребристых конструкций (наличие ребристых элементов, соблюдение схем и последовательности нафужеиия водонасыщенного фунтового основания), в связи с чем не могут являться достаточной основой для разработки практического метода их расчета. Кроме этого, известные экспериментальные исследования сил сопротивления надавливанию, помимо их малочисленности, по своей сути не соответствуют реальным условиям задавливания ребристых элементов в фунт водОнасыщенного основания

Во второй главе изложены цели, задачи и методики лабораторных испытаний фапитациониого фундамента ребристой конструкции, описаны опытные усташтки, копструкуции теняометрированных моделей и испожлуемых измерительных средств.

С целью разработки обоснованных методик расчета гравитационных фундаментов ребристой конструкции на периоды эксплуатации и установки сооружения были проведены комплексные экспериментальные исследования ребристой юшетрущщи с водонасыщенпыы фунтовый основанием. В этой связи в настоящей работе ставятся следующие основные задачи:

- разработать методики экспериментальных опытов, реализовав действительную схему и последовательность нагрулсения основания, обеспечив комплексный характер исследований, который заключается в проведении различных серий взаимодополняющих испытаний;

- оценить силы сопротивления задавливанию ребристых ганстругадий с изучением напряженно-деформированного состояния системы "ребро-грунтовое основание" при их различных геометрических характеристиках, режимах зада вливания, физико-механичсских характеристиках водонасыщенных грунтов;

- оценить общую несущую способность основания на всех этапах деформирования, вплоть до потери несущей способности основания с фиксацией кинематической картины деформирования основания;

-изучить распределение усилий и напряжений меяеду ребристыми элементами и подошвой фундамента при различных схемах нагрулгения основания. .

В работе рассматриваются вопросы моделирования различных экспериментальных исследований.

Исходя из поставленных задач, все экспериментальные лабораторные исследования проводились в три этапа. Первый этап - проведение экспериментов по исследованию цапрялсешю-дефарпирсЕашюго состояния системы "ребро-грунтовое основание" с целью изучения сил сопротивления зада вливания ребер в грунт основания. На этом этапе проводились эксперименты с плоским и 1слинообразпыы натурными фрагментами ребер при различной плотности сложения водооасыщспного основания.

Второй этап - проведение крупномасштабных экспериментов по" изучению напряжепно-деформированного состошнш системы "фундамент ребристой конструкции - грунтовое основание" с целью изучения несущей способности и деформативности водонасыщенного основания, а также распределения напряжений и усилий между плитой и ребрами. <

Задача экспериментального определения влияния числа ребристых элементов на несущую способность основания потребовала проведения третьего этапа работ. Для установления данной зависимости требуется проведение большого количества испытаний в условиях достаточно высокой их воспроизводимости. Исходя из этого, была выбрана аналоговая модель зернистой среды, так называемая "стерженьковая" модель, которая представляет собой случайную упаковку роликов диаметром 0.001 м и 0.002 м. •

1. Разработанные методики экспериментальных работ, их последовательность и состав позволили постепенно и целенаправленно накапливать данные для разработки рекомендаций по расчету гравитационного фундамента ребристой конструкции как на период установки, так и на период эксплуатации сооружения.

2. Разработанные методики экспериментальных работ и установки позволили реализовать действительную схему и последовательность нагружения основания.

3. Оснащение' экспериментальных моделей современной измерительной аппаратурой позволило получить полную картину напряженно-деформированного состояния систем "ребристый элемент-грунтовое основание" и "штамп-грунтовое основание".

Третья глава посвящена результатам и анализу экспериментальных исследований по задапливаниго ребристых элементов в водонасьпценный грунт и штамповых испытаний по изучению взаимодействия основания с гравитационного фундамента ребристой конструкции.

Проведенные исследования по задапливашно ребристых элементоп п водонасыщепные фунты позволили получить следующие результаты:

1. Полное усилие аадавливаншо целесообразно рассматривать гак сумму сопротивлений по лобовой и боковой поверхностям.

2. Полное усилие аадаоливашш увеличивается с ростом глубины погружения нелинейно.

3. Изменение лобового сопротивления с глубиной Ькр>(10-15)Ь (где Ь - толщина лобовой поверхности) с достаточной точностью момент быть представлено линейной зависимостью.

4. На всем диапазоне глубин в процессе погружения ребристых

элементов основание под нижнем торцом находится в предельном состоянии, причем при Ь>Ькр предельное состояние связано с разрушением основания по схеме глубинного выпора,

5. Величина лобового сопротивления не зависит от формы ребра.

6. Сопротивление боковой поверхности увеличивается с глубиной нелинейна

7. Для плоского ребра эпюра нормальных напряжений по боковой поверхности близ1са к треугольной, а их значения достаточно близки к бытовому давлению.

8. Дли клинообразного ребра установлено, что определение нормальной составляющей давления грунта на боковую поверхность целесообразно выполнять используя подход кривых нелинейного дефорыироюиия грунта , ДЛЯ обоснования параметров которых получены соответствующие зависимости в диапазоне от начального напряженного состояния до потери несущей способности.

9. Экспериментальным путем определены кооффицкетвд трешш по боковой поверхности, необходимые дал расчета »гасатсдышх напряжен:

Влияние ребристых конструкций «а несущую способность и деформативиость, определение сил, дсЯстаующих «а ребристые конструкции о процессе вксплуатации сооружения выполнялось а два этапа. На первою этапе выполнялась серия опытов па крупномасштабна^ модели зкесткого штампа, снаСмсетшго исгаялкческтт ребрами, результаты 1саторой сравштались с результатами пввекога акссткого штампа, отраэкагощрю. работу "чисто* фундамента.

Основ1ше результаты зквдерггдовдо» ыдадотс» к следующему.

1. Включение в сватав фундамента ребристых элементов вызывает сшикеиж его* вертикальной- л горизонтальной деформируемости,, крепа-,, а тайке увеличение несущей способности основания.

2. Влияние ребрпстыя элементов! на вертшеальную де(|юрмирусь:ость происходит главным образои за счет ограничения поперечных деформаций основания', что. и. увеличивает его вертикальную ясесткость.

31 Несуща» способность и горизонтальная деформируемость основания, зависит от количества ребристых элементов и величины действующей вертикальной силы. Причем можно отметить тенденцию

относительного снижения влияния увеличения количества ребер на работу конструкций.

4. Характер работы гравитационного фундамента ребристой конструкции (па уровне напряженно-деформированного состояния) качественно не отличается от основных закономерностей поведения фундамента без ребристых элементов.

5. Ребристые элементы находятся в напряженном состоянии, которое определяется их местоположением, распределением напряжений на основании, интенсивностью горизонтальной и моментной нагрузок.

6. При вертикальном нагружсиии фундамента, вследствии стремления грунта к выпору из межреберного пространства, возникает распорное давление, действующее на ребристые элементы. Величина этого давлений Пропорциональна нормальным напряжениям под фундаментом.

7. Под действием горизонтальной нагрузки эпюры давления на ребристые элементы претерпевагот изменения, связанные с минимальным ростом отпора в верхней части ребра и его значительным ростом в нилшей. Такая трансформация эпюры давления вызвана тем, что касательные напряжения от горизонтальной силы реализуются по поверхности Проходящей через подошвы ребристых элементов, которые распределяются по высоте ребристого элемента в виде нормальной составляющей по зависимости близкой к треугольной.

На втором этапе штамповых испытаний опыты выполнялись с малой Моделью жесткого штампа на основание в виде металлических Стсрженькоа В процессе экспериментальных работ менялись геометричес1сие характеристики ребристых элементов и схемы нагружеиия. Проводимые в опытах намерения позволили получить основные интегральные зависимости: "вертикальная сила - осадка", "горизонтальная сила - смещение", "горизонтальная сила - дополнительная осадка", "горизонтальная сила - креп". Кроме того, с целью фиксации кон разрушения основания осуществлялось фотографирование процесса его перехода в предельное состояние, а та!сже паркировка торцов стержней и зарисовка направлений их перемещений. Проведение исследования позволили получить следующие данные о работе гравитационного фундамента ребристой конструкции при комбинированном нагружсшш.

1, Эксперименты подтвердили все основные закономерности,

полученные при испытаниях крупномасштабной модели на . фунтовом основании.

2. Основным фактором, определяющим степень влияния ребристых элементов на несущую способность, является отношение ]/Ь (1 - расстояние между ребристыми элементами, Ь - высота ребристых элементов). Установлено, что при 1/Ь<7.5 несущая способность основания гравитационного фундамента ребристой конструкции остается постоянной при определенных условиях нагружения. Следовательно, это отношение хара1стеризует оптимальное расстояние между ребристыми элементами, при котором достигается максимальная несущая способность.

3. Зарегистрированы следующие схемы потери несущей способности основания: плоский сдвиг с местным выпором; заглубленный сдвиг, смешанный выпор.

4. Схема плоского сдвига с местным выпором характерна для шага ребристых элементов \/Ъ>1.5 при Ру<1/15ГупРед.

5. Схема заглублешюго сдвига основания по плоскости, проходящей через подошвы ребристых элементов, возникает при увеличении числа ребристых элементов (1/Ь<7.5) и увеличении вертикальной нагрузки Гу>1/15ГупРед. Эта схема разрушения основания является основной для 1равитационных морских нефтегазопромыслоаых сооружений, учитывая действующие нагрузки на реальные сооружения.

6. Дальнейшее существешюе увеличение вертикальной нагрузки приводит к схеме смешанного выпора, которая характеризуется развитием под частью основания зоны глубинного выпора. Предельной схемой такого разрушения является глубинный выпор.

Четвертая глава посвящена анализу существующих методик расчета и возможности их применения для расчета взаимодействия гравитационного фундамента ребристой конструкции с грунтовым водонасыщеным основашюм, а также разработке методик расчета гравитационного фундамента ребристой конструкции как в период установки, так и в период эксплуатации сооружения. Для определения сил сопротивления задавливаиию были проанализированы решения близкие по характеру поставленной задачи.

Анализ показал, что решение теории предельного состояния может

быть использовано при разработке методики расчета лобового сопротивления. Что касается сил сопротивления по боковой поверхности, то ни одно решение не отразило особенности работы боковой поверхности ребер при их задавливаиии. В данной связи было рассмотрено решение по определению лобового сопротивления на основе теории предельного состояния. Поскольку в абсолютном большинстве случаев интересуют глубины значительно большие, чем Ькр, то в основании пяты ребер имеет место внутренний выпор. Так как Ь«Ь, влияние собственного веса грунта здесь пренебрежимо мало то, таким образом, решается задача для невесомого грунта, обладающего собственным трением и, в общем случае, сцеплением.

Исходя из решения на основе теории предельного состояния получено аналитическое выражение для определения лобового сопротивления:

^ (1>

.. где длина ребристых элементов;

ё - толщина лобовой поверхности ребристого элемента; /]/>- высота ребристого ребра; ¿л угол контактного трения;

$1 - расчетные характеристики грунта;

, .

Ас( * + - У- % ' {в радианах)

Для расчета часта нагрузки, которая воспринимается Соковой поверхностью при задавливаиии ребра, необходимо определять две основные величины. Во-первых, нормальную составляющую давления па боковую поверхность (У , а во-вторых, коэффициент трения грунта по боковой поверхности ф.Р.

Экспериментами установлено, что уп*л трения грунта по Сокйпой поверхности следует принимать равным углу внутреннего трения грунта.

При определении давления на боковую поверхность для плоского ребристого элемента, было принято, что изменение горизонтальных напряжений по боковой поверхности с глубиной происходит по линейному

закону, а их величина достаточно близка к бытовому давлению, то есть

Л

Тогда сила сопротивления задавливанмш по боковой поверхности плоского ребра в грунтах обладающих трением и сцеплением, определяется зависимостью:

йб-ье^&^м МЛ? к + л (3)

где Е - длина ребристых элементов;

удельный вес, угол внутреннего трения и сцепление грунта;

Л "к- горизонтальная составляющая коэффициента бокового

давления покоя с учетом "обратного" трения % А - толщина 1 - слоя фунта;

Нь - координата середины эшоры нормального давления 1 - го слоя.

Горизонтальное давление О" на клинообразное ребро, кап было получено в экспериментальных; исследованиях, целесообразно связать с горизонтальными перемещениями боковой поверхности на фунт, используя для описания нелинейных свойств фунта (зависимости б4"- И.

Тогда сила " сопротивления фунта по боковой поверхности клинообразного ребра для многослойного основания, обладающего трением и сцеплением определяется по формуле:

(2? ^ £(¿$£^¿$/1) & ЪЖ, ^

где С - длина ребристых элементов;

Р - угол раскрытия клина; г**

Оф- средний по глубине вдавливания угол контактного трения;

горизонтальное давление фунта на боковую поверхность ¿-го

слоя;

Ьс - толщина 1-го слоя фунта.

Проведенные сопоставительные расчеты с результатами экспериментальных и натурных наблюдений показали хорошее их совпадение и подтвердили, таким образом, правильность основных положений разработанной методики по определению сил сопротивления

задапливанию.

, Анализ моделей грунтового основания для расчета фундаментов гравитационного типа выполнялся с точки зрения соответствия их следующим требованиям: во-первых, она должна позволять проводить деформационные расчеты, начиная с линейной стадии работы основания, вплоть до потери им местной, а затем и общей несущей способности в рамках единой модели основания, о, во-вторых, допущения, принятые о ней, должны быть п необходимой мере обоснованы и экспериментально подтверждены, а входные параметры иметь четкий физический смысл и доступно определяться.

В результате было установлено:

1. Модели грунта, так зернистой среды (работы Кандаурова И.И., Роу П. и др.), имеют зеська ограничетшй опит применения, что связано с большими допуnarraron относительно формы и условий контактирования частхщ и недастаточпой разработкой ыетодтси экспериментального определения рае'гетзтмя параметре» данной годели грунта.

2. Котггапу г> лг.пые модели грунта условно можно разделить на три «pjju'iibs;

- зчодели линейно деформируемой среды, раяработатгые в трудах Власова В.З., Герсегешоткх U.M., Горбунова-Посадова МЛ., Егорела ICE., Жемочигнта БД, Клейна F.K., Малкковой Т.И., Флорина В.А, Шихтер О.Я., Симвулидм TIA тт других

модели зкесттсо^пластического тела, развитые в работах Соколовского В.В., Берсзшщева В.Г., Глушксшт С.С., Евдокимова П.Д., Малышева М.В., Повоторцена B.I1, КТерцалг, AJCaito, ЖКаризелл, ЛБринч-Хапсена, М.Мейергофа и других;

- нелинейные упрут-иластичсские, заметный вклад в создание и развитие которых внесли труды Вллова С.С., Бугрова А.К., Зарецкова IO.K, Крыжаиолсгсого AJL, Николаевского B.IL, Рассказова JLH., Федоровского В.Г., Мруза 3., Мацуюзш X, Прево Ж., Роско КХ. и других.

Недостатками первых двух групп является то, что они позволяют рассчитывать основание только в двух крайних случаях - на начальной, линейной стадии деформирования - первая, и предельном состоятш грунтового основания - вторая. Использование в широкой npoeicnrofl практике упругсипластических континуальных моделей сдерживается

рядом обстоятельств, среди которых:

- принятие допущения о неразрывности среды, что вызывает сложности с решением задач на стадии, близкой к предельному состоянию грунтового массива;

- трудности с достоверным определением, как правило, большого количества эмпирических параметров модели;

- достаточная громоздкость математического аппарата, что при ограниченных быстродействии и объеме памяти современных ЭВМ, обуславливает необходимость упрощения расчетных схем и исходных положений, а следовательно отзывается на точности результатов.

3. Контактные модели грунта - Винклера, Филонешсо-Бородича МЖ, Пастернака П.П., Клепикова С.Н., Варвашова В.А., Федоровского ВТ., Самарина И.К - достаточно просты и эффективны, однако разработаны, в основном, для расчета оснований на вертикальную нагрузку в стадии упругой работы фунта.

Ни одна из рассмотренных моделей грунта не отвечает в полной мере требованиям, которые предъявляются к ней при создании практического метода расчета основания фундамента ЛТП, так как они не учитывают многих важных специфических фа1Стороа, харат-ерных для данного типа сооружений.

Учет основных характерных особенностей работы ЛТП моясет' быть выполнен с помощью контактной упруго^пластической модели, разработанной Луниным А.Ф., федоровским ВТ.

В основу предлагаемого метода расчета положена разработанная контактная упругсмтластическая модель фунта, использующая в качестве параметров общепринятые деформационные (модуль деформации Ео и коэффициент Пуассона^ ) и прочностные (угол внутреннего трения ¥ и сцепления С) характериспиш фунта. Абсолютно жестссая плита опирается на двухслойное основание, верхний слой которого состоит из независимых вертикальных и горизонтальных "вишсперовасих" прумсин, полностью передающих нафузку на нижний упругий слой конечной толщины Нд. Применение для упругого слоя вариационного метода В.З.Власова позволило записать уравнения, связывающие удельную нафузку и перемещение поверхности основания, складывающихся из суммы перемещений верхнего и нижнего слоев. Однако разработанный метод

расчёта основания гравитационного фундамента не учитывает наличие на плите фундамента ребристых элементов, заглубляемых в грунт основания. Применение контактной упруго-пластической модели для разработки рекомендаций по расчету гравитационных фундаментов ребристой конструкции базируется на следующих положениях:

- характер работы фундамента ребристой коистру!сции (на уровне напрлзкешто-дефорнированного состояния) качественно не отличается от осноппых закономерностей поведения фундамента без ребристых элементов, различие лее наблюдается только в количественной оценке процесса;

- схемы разрушения основания фундамента ребристой конструкции при расстояниях мемеду ребрами 1/Ъ<7.5, когда достигаются наилучшие покасатели поведения основания, носит тот же характер, что и при фундаменте без ребристых элементов;

- жесткость грунта, заключенного мел еду ребристыми элементами, значительно превышает жесткое*»» нижележащих слоев грунта.

Исходя из этих положений, и сделав допущение о том, что грунт в меягреберном пространстве является частью сооружения расчет гравитационного фундамента ребристой конструкции можно выполнять по гаштастной упруготхяасттеской модели, емтуетея подошву плиты на глубину погрулсеиил ребристых паистру.атаИ Это внесет следующие изменения в расчетную схему;

- грунтовое основание вокруг платформы в уровне новой подошвы сооруясения оказкетсн пригружешгым весом вышелелеащих слоев фунта в виде кагруаки ч;

- о горизонтальную сопротивляемость фундамента отзывается выключенным реактивное давление грунта на передний ребристый элемент;

понижение уровня подошвы фундамента спответствешго увеличивает плечо приложения горизонтальной на груоки, что приводит к ухудшению работы сооруясения.

С целью устранения этого недостатка дополнительно было предложено, при определении жесткости основания уменьшить активную зону, то есть уменьшить глубину распространения осадок, па глубину погружения ребристых элементов, оставив отметку нулевых осадок без

изменения, что приводит к увеличению звдйркости основании. Проведенные сопоставительные расчеты с результатами опытов показали хорошее их совпадение и подтвердили, таким образом, правильность основных положений рекомендаций по учету ребристых элементов в составе гравитационныхт фундаментов

Разработанная методшеа позволяет проводить деформационные расчеты грунтовых оснований гравитационных фундаментов ребристой конструкции вплоть до потери ими несущей способности на любое возможное сочетание нагрузок. При этом все необходимые параметры напряженно-деформированного состояния получаются с поыощыо одной расчетной процедуры, отражающей их воаимоевлаь.

Анализ Э1сспериментальных и теоретических исследований по определению давления фунта на ребристые элементы в период эксплуатации платформы показал, что специальных исследований по данному вопросу ие проводилось.

На первом расчетном этане ребристые элементы надавливаются в фунт и вертикальная нафузка передается череда фундамент на поверхность фунта, проходящую через подошвы ребристых элементов При этом взаимодействие ребристых элементов с фунтом основания характеризуется допредельным его состоянием и, как правило, - давлением покоя, пр}! котором исключается возможность бокового расширения фунта в межреберном пространстве.

При действии раснределсшшй вертикальной прифузки с] от нормальных контактны): напряжений б" средни«» р<»Г>ригтые элементы испытывают с «Псих сторон, а оконтурина ющио (крайние) ребристые, алемоггы - с внутренней стороны бомвое давление с ординатами

•До- коэффициент бокового давления покоя Второй расчетный этап в период эксплуатации платформы характеризуется действием вертикальной, горизонтальной и момгптной нафуэок.

(5)

При данном действии сил ребристые элементы испытывают давления покоя Ео и дополнительное давление Ь Е от действия касательных напряжений по расчетной поверхности, проходящей через подошвы ребристых элементов. Принимая, что юсательные напряжения полностью реализуются по расчетной поверхности (отсутствуют на контакте подошвы фундамента с основанием), что подтверясдается экспериментальными данными, и распределяются по треугольному закону с ординатой у подошвы ребристого элемента:

где ём - расстояние между ребристыми элементами;

Ьр - высота ребристого элемента;

Тер - средние касательные напряжения »га участке меэтеду ребрами.

По полученным нагрузкам определяют ср»йяй ребристых элементов. Возможности расчетной методики были апробированы в расчетах экспериментов. Результаты сопоста нагель»*»« расчетов показали, что данная методика вполне удовлетворит«»!!» описывает взаимодействие ребристых элементов с »снованием и кп-гг-^г быть рекомендована п расчетах реальных сооружений.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Как показывает накопленный опыт разработки морских полезных Ископаемых, одним из наиболее вероятных способов освоения нефтяных и газовых месторождений гаа шельфе со слолшьши природно-климатическими условиями является строительство плат<|юрм гравитационного тина с фундаментом ребричтой конструшщи.

2. В результате анализа существующих методов расчета гравитационных сооружений па действие комбинированного нафужешш установлено, что в настоящее время отсутствуют обоснованные Практические рекомендации по учету работы ребристых элементов в составе фавитационного фундамента на этапах возведения и эксплуатации платформы. В этой связи были проведены комплексные

экспериментальные и теоретические исследования работы ребристых элементов в составе гравитационного фундамента.

3. Выполненные комплексные исследования гравитационного фундамента ребристой конструкции позволили выявить основные закономерности формировать напряженно-деформированного состояния систем "фундамент - грунтовое основание" и "ребристый элемент -грунтовое основание" и факторы, их определяющие, определить оптимальное размещение и размеры ребристых элементов в состава гравитационного фундамента.

4. В результате проведенных экспериментальных и теоретических исследований разработана методика расчета усилил задавливашт ребристых элементов, объединяющая деформационный расчет и теорию предельного равновесия.

5. На основе контактной упругсь-пласгической модели фунтового основания, основой которой является вариационный метод В.З.Власова, создан метод деформационного расчета оснований фундаментов ребристой 1шнстру1сции, позволяющий выполнить расчеты на всем диапазоне деформирования, вплоть до потери основанием несущей способности.

6. Разработанные мотодшеи расчета, базирующиеся на стандартных характеристиках грунтового основания и получившие надежное подтверждение экспериментальными данными, позволяют в юшпЛексе отразить работу гравитационного фундамента ребристогй конструкции гак в период установки, так и эксплуатации платформы, с учетом основных особенностей поведения грунтового основания: комплексного воздействия нагрузок; последовательности нагружения; нелинейности работы груша и Др.

7. Результаты выполненных экспериментальных, теоретичестсих исследований н конструктивных разработок внедрены в проектную пра!сти1!у институтами ВНШШыорнефтегаз и ВНИИОСП при разработке ледостойких гравнтациошшх платформ для освоения месторомсдений шельфа Охотского, Карского и Печорского морей. На основа полученных результатов разработан ведомственный документ РД39-ГФ-91 "Указания по расчетам оснований платформ гравитационного типа"..

Основные положения диссертации опубликованы в следукнцих работах:

1. Шибагаш C.XL, Глонти В.М. Некоторые вопросы проектировашш и строительства гравитационных платформ иолтхшенталыюго шельфа. Тезисы доклада на Первой Всесоюзной конференции "Комплексное оспогшгс нефтегазовых ресурсов континентального шельфа СССР." Mocicna, J036, C.B3-34.

2. Лекачеа CIL, Шибагаш С. II, Курнлло C.B. Фундаменты гр*1Т)?гп»п.5тон1ты2 нет|л*;газстдоСываюир1Х платформ. Mocicna, ВНИИИС, 1988, 35 e.

3. Шк£апио СМ., Левачев CH., Курилло C.B., Данг Зунг. Эмшгргеметазяиш» исследования взаимодействия гравитационного фундямст"» fjeSpîKTort ютютругшии с грунтом основания. Сборник научных трудоп "Морские нос|>тсгапопромысловые сооружешш", Рига, 1989, с.93-100.

•1 Шкбатеп CJ£ Особенности подведения гравитационных платформ с фундамента:» ребристой конструкции Тезисы доклада ita Второй Bcecoioaraii ггзкферслции "Комплексно'; освоение нефтегазовых ресурсов noiminemaœ&s&ro шельфа СССР", Mocicna 1090, с.112-113.

5. Шкбзззга СИ. Фуодамсити ребристой ;еонструкции гравитационных платформ Тезисы доклада на Второй Всесоюзно!? конференции "Ксмплетоаза- освоении нефтегазовых ресурсов 1со1гтпентального шельфа СССР". Мояэтед, 1099, с. 111-112.

6. Шп&аш» CJ1, Курилло СВ., Федоровский В.Г., Левачев СП. Зздпвллаанмг плоских и клинообразных ребер п песчаный грунт. Повышенна зффскткпости проектных решений фуидамегггов. Йошкар-Ола, Mapilbï, Щэзквузовшсий сборшп:, 1002, с.11-15.

?. Ширкает СИ., Лунин Л.Ф. Учет ребристых элементов в расчетах фундаментов гравитационных платформ Научно-технический 1шформацквглг&!й сборшпе "Нефтепромысловое дело" NG, Мосгша, ВШШОЭ2ЕГ, ÎSS2, с.20-31.

8; Кй^аким CJ1. Исследование сил сопротнвлсшш задавливагаш реОркстасе адамситов гравитационного фундамента морашго шф?етг»эо53|)овшслового сооружения в грунт основания. Паучно-тезятпсский информационный сборник "Псфгегааопромы слово дело" N7, Моажя» ВШШОЭПГ, 1 »92, с2й-32.

й,3^рмяяо СЛ, Федоровский ВТ., Шибаюш CJ1 Экспериментальные аееваярваим» ■ гравитационного фундамента МНГС с ребристыми

элементами па аналоговой модели. Научно-технический информационный сборник "Нефтегазопромысловое дело" N9, Mociena, ВНШЮЭНГ, 1092, е28-32.

10. Шибакин СИ., Курилло CJB., Федоровский ВТ. Методика расчета сил сопро-т и ил ешш ¡сдавливанию ребристых элементов. Научно-технический информационный сборник "Нефтсгазонроьшслоиое дело" N10, Москва, ВНШЮЭНГ, 1992, с.28-31.

11. Шибают OL Исследование и расчет основания гравитационной платформы с фундаментом ребристой конструхсцин. Тезисы доклада пг^ Первой Международной конференции "Освоение шельфа арктичесщ«; морей России". С-Петербург, 1Ö93, С.102-Ш.

12. Шибакин СИ. Экспериментальные м теоретические исследовании сил сопротивления аадашшванию ребристых элементов. Тезисы доклада iiq Первой Международной конференции "Освоение шельфа арктичеезшзг морей России". С.-Петербург, 1993, с.104-100.

13. Шибакин СИ., Мясковский Е.Г., Шибакииа В.М. Авторе газа свидетельство N 1412383 "Гравитационное гидротехническое сооружение", Москва, 19D8.

14. Шибакин CJH, Мясковский Е.Г., Мирзоев Д.А., Нагрелли В.Э,, Курилло CJL Авторское свидетельство N 1412394 "Гравитационная платформа и способ ее создания и установи", Мосша, 1Ö88.

15. Шибакин СИ., ¡Мясковский Е.Г., М»грооев ДА. Авторское свидетельство N 1440116 "Гравитационная платформа", Москва, LOGO.

IG. Шибашш CJL, Мясковский Е.Г., Лунин А.Ф., Шибакина В.М. Авторское свидетельство N 1440117 "Способ установки гравитационно^ платформы", Москва, 1980.

1?, Шибакин CIL, Мирзоев Д. А., Лева чей С.Н. Апторскоэ свидетельство N 1492703 "Гравитационная платформа", Москва, 1909.

10. Шибакин СИ, Курилло СВ., Федоровский В.Г. Паложителыюз решении N 4070200/15 "Гравитационная платформа с заглубленным фундаментом", 1991.

19. Шибакин СИ, Шибакин Р.С, Рогачко С.IL Положительное решение N 5040006/10 "Способ сооружения гравитационной платформы", 1932.