Подготовка оснований резервуаров с учетом консолидационных свойств слабых грунтов
На правах рукописи
КОНОВАЛОВА ОЛЬГА ПАВЛОВНА
ПОДГОТОВКА ОСНОВАНИЙ РЕЗЕРВУАРОВ С УЧЕТОМ
КОНСОЛИДАЦИОННЫХ СВОЙСТВ СЛАБЫХ ГРУНТОВ
Специальность 25.00.19.
Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов,
баз и хранилищ
Автореферат диссертации
на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Тюмень 2002
Работа выполнена в Тюменском государственном нефтегазовом университете
Научный консультант Заслуженный деятель науки и техники РФ
доктор технических наук, профессор, Кушнир С.Я.
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Тарасенко А.А.
кандидат технических наук
Саяпин М.В.
Ведущая организация: ОАО «Нефтегазпроект», г.Тюмень
Защита диссертации состоится 18 декабря 2002г. в 1000 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 библиотеке ТюмГНГУ
Автореферат разослан « 18 » ноября 2002г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
доктор технических наук С.И. Челомбитко
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Одним из наиболее опасных дефектов, нередко приводящих к отказам и разрушениям РВС, является неравномерная осадка его наружного контура.
До настоящего времени не существует математической теории, достоверно отражающей изменение напряженно-деформированного состояния стенки резервуара при развитии неравномерной осадки. Объясняется это сложностью проблемы взаимодействия резервуаров, обладающих значительной цилиндрической жесткостью, с грунтовыми основаниями, сложенными различными по минералогическому и литологическому составу, прочности и деформируемости грунтами.
Эксплутационная надежность резервуарного парка закладывается на стадии гидравлических испытаний резервуаров, целью которых является проверка герметичности, работы технологического оборудования и дыхательной арматуры. При этом не учитывается значительное увеличение давления на грунты основания испытуемого резервуара и дополнительные его осадки за счет уплотнения грунта.
Такой подход может быть оправдан в случаях, когда резервуары построены и эксплуатируются на основаниях, сложенных грунтами высокой и средней несущей способности.
В случае залегания в основаниях резервуаров слабых водонасыщенных грунтов сроки развития и величины осадок определяются консолидационными характеристиками грунтов. Как правило, за время проведения гидравлических испытаний резервуаров стабилизации осадки не происходит, что приводит к дополнительным деформациям самого резервуара.
Между тем, практически все резервуарные парки Западной Сибири возведены на слабых водонасыщенных грунтах, обладающих низкой несущей способностью и высокой деформируемостью.
Уплотнение слабых водонасыщенных грунтов в основаниях вертикальных стальных резервуаров является сложной научной проблемой, трудоемкой и дорогостоящей инженерной задачей. Поэтому использование регламентированных действующими нормами гидравлических испытаний резервуаров для эффективного уплотнения грунтов основания является актуальной проблемой. Ее решение позволяет прогнозировать неравномерные осадки резервуаров и, тем самым, повысить их эксплуатационную надежность.
Цель работы - разработать методику гидравлических испытаний вертикальных стальных резервуаров на слабых грунтах, позволяющую эффективно их уплотнять и уменьшать тем самым дополнительные деформации резервуаров.
Основные задачи исследования
- Исследовать в натурных условиях развитие порового давления и деформации грунтового основания резервуаров, сложенных слабыми водонасыщенными грунтами.
2. Изучить механизм формирования сжимаемой толщи основания, сложенноой слабонесущим грунтом, и выявить особенности ее консолидации.
- Выявить зависимость осадки контура резервуара от циклической нагрузки.
- На основе выполненных натурных исследований разработать практические рекомендации по порядку проведения гидравлических испытаний стальных резервуаров на слабых грунтах, обеспечивающие эффективное уплотнение грунтов основания и значительное уменьшение деформаций резервуаров.
Научная новизна
- Выявлены причины длительной стабилизации осадок резервуаров больших размеров в плане, связанные с неравномерным распределением поровых давлений в основании резервуаров.
- Впервые установлены особенности распределения относительных деформаций по глубине оснований резервуаров и их составные части (остаточные и упругие) при циклической нагрузке-разгрузке резервуаров.
- Изучен процесс консолидации слабых грунтов оснований резервуаров большой емкости и впервые установлен порог условной стабилизации их осадок.
- Обоснован новый принцип выбора безопасной ограничительной величины ступени нагрузки на днище резервуара.
- Предложена новая методика выполнения гидравлических испытаний стальных резервуаров с вертикальной стенкой на слабых грунтах.
Практическая ценность. Установлена зависимость величин неравномерных осадок контуров резервуаров от их диаметра. Предложено аналитическое решение одномерной консолидации слабого водонасыщенного грунта с учетом нелинейных зависимостей между напряжениями и деформациями. Установлена фактическая глубина сжимаемой толщи под резервуарами емкостью до 30 тыс.м, равная радиусу его днища, что значительно конкретизирует объемы инженерно-геологических изысканий. Рекомендовано принимать приращение скорости осадок величиной 1,5 мм/год за критерий условной стабилизации осадок.
На защиту выносятся
- Результаты натурных исследований развития порового давления и формирования сжимаемой толщи в основаниях резервуаров, сложенных слабыми грунтами.
- Закономерности деформирования контура резервуара при циклическом загружении.
- Методика проведения регламентируемых нормами гидравлических испытаний, учитывающая некоторые свойства слабых грунтов и позволяющая эффективно уплотнять грунтовые основания в процессе испытаний.
Апробация работы. Отдельные разделы диссертации были доложены на семинарах ЦМИПКС при МГСУ, НИИОСП им. Н.М.Герсеванова, на научно-технических конференциях в ГАСИС (2001 г.), на Украинском научном семинаре по механике грунтов и проблемам свайного фундаментостроения (г.Одесса, 2001г.), на Международном научно-практическом семинаре «Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли» (г.Тюмень, 2002г.), на Международной научно-технической конференции «Архитектура и строительство» (г.Томск, 2002г.).
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 7 статей.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5-ти глав, общих выводов и списка литературы. Диссертация изложена на 176 стр., содержит 48 рисунков и 26 таблиц. Список литературы включает 113 наименований.
Диссертация выполнена в Тюменском государственном нефтегазовом университете под руководством заслуженного деятеля науки и техники РФ, доктора технических наук, профессора Кушнира Семена Яковлевича, которому диссертант выражает искреннюю благодарность.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснованы актуальность работы, сформулированы цель и основные задачи исследования, научная новизна и практическая ценность результатов.
В первой главе анализируются существующие методы подготовки оснований и устройства фундаментов резервуаров в зарубежной и отечественной практике резервуаростроения. В работе излагаются особенности формирования деформаций и консолидационных процессов в слабых водонасыщенных грунтах оснований резервуаров. Отмечается большой вклад в исследования и разработку методов расчета напряженно-деформированного состояния резервуаров и поведения их оснований под нагрузкой, внесенный: М.И.Ашкинази, М.Ю.Абелевым, А.В. Анохиным, Б.Л.Барским, В.Л.Березиным, А.В.Большаковым, П.П.Бородавкиным, В.А.Бурениным, В.Б.Галеевым, А.Г.Гумеровым, Ю.К.Ивановым, О.М.Иванцовым, П.А.Коноваловым, В.В.Любушкиным, Р.А.Мангушевым, Ю.К.Садыриным, М.К.Сафаряном, С.Н.Сотниковым, А.А.Тарасенко, К.А.Федоровой, Т.И.Финаевой, В.Ф.Ширяевым и др., а также рядом зарубежных специалистов — Л.Бьерумом, Х.Фредом, С.Хансбо, Ж.П.Маньяном, А.Скемптоном и др.
В главе приведены критический анализ экспериментов по измерению деформации грунтов по глубине загруженного основания, краткие сведения об инженерно-геологических условиях нефтегазовых районов Западной Сибири и длительной консолидации осадок резервуаров, возведенных в этом районе.
В заключении излагаются основные направления исследований, где впервые на выявление роли длительного процесса консолидации слабых водонасыщенных грунтов в формировании деформаций резервуаров.
Во второй главе освещены результаты экспериментальных исследований развития порового давления в основаниях резервуаров и формирования глубины их сжимаемой толщи.
Для натурных экспериментов были выбраны стальные резервуары с вертикальной стенкой (РВС) объемом V=2500,10000,20000 и 30000 м3. Осредненные значения физико-механических свойств слабых грунтов, залегающих в основаниях опытных резервуаров, приведены в таблице 1. Степень заполнения пор водой этих грунтов Sr = 0,82-1,0, т.е. грунт можно считать водонасыщенным.
В работе подробно изложена методика натурных наблюдений.
Для измерения порового давления в слабом водонасыщенном грунте использовались датчики порового давления двух типов: тензометрические и струнные. Тензометрический датчик производства ЗОКиО Госстроя РФ представляет собой месдозу конструкции Д.С. Баранова, диаметром 75 мм, помещенную в стальной корпус с пористым камнем. Через переключатель все датчики подсоединялись к регистрирующей аппаратуре АИД-4, которая фиксировала изменения порового давления в грунте. Показания прибора с помощью тарировочных графиков переводились в единицы давления.
Для измерения порового давления в грунте использовались, также, струнные датчики ПДС-1 производства Союзглававтоматика и регистрирующая аппаратура ПЦП-1.
Во всех полевых опытах примененные датчики порового давления обеспечивали чувствительность, равную 0,01 кгс/см2.
Таблица 1
Физико-механические свойства грунтов оснований исследуемых резервуаров
| № п/п | Пло-щадь резерву-ара, м2 | Место исследова-ний | Плот-ность частиц грунта, s, г/см3 | Плот-ность грунта,, г/см3 | Влаж-ность,, доля ед. | Коэф-фициент порис-тости, е | Степень влаж-ности Sr | Угол внутрен-него трения, 0 | Величи-на удельн. трения С, кПа | Модуль дефор-мации Е, кгс/см2 | Вид грунта по СНиП | 8 |
| 1 | 5000 | Ноябрьск | 2,72 | 2,12 | 0,53 | 0,96 | 1,0 | 17 | 24 | 72 | Глина | |
| 2 | 5000 | Ноябрьск | 2,73 | 2,14 | 0,50 | 0,91 | 1,0 | 16 | 22 | 68 | Глина | |
| 3 | 10000 | Мегион | 2,67 | 1,90 | 0,21 | 0,67 | 0,83 | 19 | 18 | 93 | Суглинок | |
| 4 | 10000 | Мегион | 2,68 | 1,92 | 0,24 | 0,69 | 0,85 | 17 | 16 | 87 | Суглинок | |
| 5 | 20000 | Нефтею-ганск | 2,68 | 1,91 | 0,29 | 0,66 | 0,82 | 18 | 19 | 117 | Суглинок | |
| 6 | 20000 | Нефтею-ганск | 2,67 | 1,90 | 0,22 | 0,70 | 0,87 | 19 | 23 | 96 | Суглинок | |
| 7 | 30000 | Ярославль | 2,73 | 1,64 | 0,48 | 0,90 | 0,84 | 17 | 42 | 121 | Глина | |
| 8 | 30000 | Ярославль | 2,73 | 1,63 | 0,39 | 0,87 | 0,89 | 16 | 40 | 123 | Глина |
При проведении экспериментальных исследований велись наблюдения за перемещениями контура резервуара, послойными деформациями основания под их стенками для определения глубины активной зоны сжатия грунтов. Для измерения деформаций по глубине основания резервуаров применялись глубинные марки специальной конструкции. На ряде объектов при завинчивании марок использовалась буровая установка УГБ-50. Для установки одной глубинной марки на глубину 11 м с помощью УГБ-50 потребовалось 1-1,5 часа времени. Начальные показания отметок глубинных марок снимались: до загрузки, после загрузки, каждый день в период интенсивного уплотнения и далее - через месяц.
Известно, что когда фильтрация воды в грунте прекратится, а поровое давление в грунте приблизится к нулю, грунтовая масса придет в статическое состояние. Именно этим явлением можно объяснить стремление измерять поровое давление (U) в водонасыщенных грунтах, т.к. оно в большинстве случаев с небольшой погрешностью равно внешнему давлению (р), которое очень трудно замерить в неводонасыщенных (трехфазных) грунтах.
Анализ поровых давлений U в центре резервуара при различных емкостях и диаметрах резервуаров V=2000 м3; V=5000 м3 и V=10000 м3 на одной и той же относительной глубине Н=0,2R при внешних давлениях, возрастающих от 0 до р=1,2 кгс/см2, свидетельствует о том, что они практически равны.
Анализ состояния порового давления в основании резервуаров объемом V=2000 м3 показал, что при полной загрузке резервуаров водой давление на уровне его днища составляло р=1,2 кгс/см2, а замеренное поровое давление на глубине Н=0,2R в центре днища резервуара достигало U=1,04 кгс/см2. При постоянном внешнем давлении р в течении 100 часов стабилизации давление в поровой воде снизилось на 84%, а оставшаяся часть фактически полностью исчезла в течение оставшихся 50 часов (рис. 1).
У резервуара V=20000 м3 давление в поровой воде снизилось до такой же степени (на 87%) только за 170 часов, а оставшаяся часть была еще очень велика (примерно в 5 раз больше, чем у резервуаров V=2000 м3). Стабилизация этого давления происходит длительное время.
Рис.1. Рост порового давления U в основании под центром днища резервуара и стабилизация его во времени при р=соnst
Для анализа характера изменения порового давления по глубине основания под центром и краем днища изучалось распределение показаний поропьезометров, размещенных в основании резервуаров емкостью 2000, 5000 и 10000 м3. Поропьезометры размещались в основании резервуаров V=2000 м3 до глубины 6,8 м, у резервуаров V=5000 м3 до глубины 10,3 м, у резервуаров V= 10000 м3-до глубины 15,4 м.
Показания пьезометров, установленных по центру днища резервуара V=2000м3 и вблизи его края практически не отличались. Кроме того, было установлено, что на глубине Н поровое давление затухало быстро в пределах Н=R.
Под резервуаром объемом V=5000 м3 и 10000м3 уже появлялась разница в показаниях поропьезометров, установленных как по центру днищ, так и вблизи их краев. Поровое давление у края днища резервуара было всегда меньше показаний поропьезометров, установленных по центру на той же глубине, на 0,06 - 0,12 кгс/см2. Эта разница прослеживалась только до глубины 4,56 м, а далее показания поропьезометров практически не отличались друг от друга.
В проведенных нами исследованиях велись наблюдения за перемещениями глубинных марок, которые были установлены под вертикальными стенками резервуаров V=5, 10 и 20 тыс.м3 при различных ступенях нагрузки на основание. По данным наблюдений за их перемещениями были построены эпюры послойных деформаций грунтов основания резервуаров (рис.2). Из приведенных эпюр следует, что, начиная с первой ступени нагрузки и до полного загружения резервуаров (р=0,12 МПа), в верхней части основания в пределах 0,3 диаметра днища происходила значительная концентрация деформаций. Так, под резервуарами в верхнем слое основания толщиной 11,0м на каждой ступени нагрузки, вплоть до полного загружения, формировалось 92% от общей величины осадок соответствующей ступени нагрузки.
Рис.2. Эпюры развития послойных перемещений по глубине оснований под внутренними стенками резервуаров V=5000; 10000 и 20000 м3 в зависимости от величины нагрузки р
Для оценки сжимаемости каждого слоя в работе приведены эпюры относительных послойных деформаций. Эти данные приведены также для каждой ступени нагрузки, действовавшей на основание резервуаров. Как следует из эпюр, наиболее сжимаемыми являлись слои, расположенные в пределах 0,24-0,42 диаметра днища резервуара.
Результаты наблюдений за послойными деформациями оснований резервуаров V=10 и 20 тыс.м3 показывают, что глубина сжимаемой зоны основания под вертикальными стенками не превышала радиуса резервуара. Вместе с тем, основные перемещения грунта концентрировались в верхней зоне и они, главным образом, определяли величину общей и неравномерной осадки.
Так, для указанных резервуаров V=5,0;10,0 и 20,0 тыс.м3 при р=0,6-1,2 кгс/см2 в верхнем слое толщиной, равной R, происходило до 95% замеренной осадки резервуара. Таким образом, проведенные нами исследования позволили установить, что фактическое распределение деформаций в основании резервуаров происходило с повышенной до 2 раз концентрацией в его верхней зоне, равной для резервуаров его радиусу.
В третьей главе изложены результаты изучения особенностей консолидации оснований резервуаров различных емкостей в натурных условиях.
Поскольку исследования предусматривали залегание в основании резервуара слабых грунтов, нами разработана измененная методика его загружения.
Перед загружением резервуаров водой технологические трубопроводы не были соединены с основными магистральными линиями, т.е. были оставлены на весу, чтобы не вызывать дополнительных напряжений в местах их соединений со стенкой резервуара при его оседании. Резервуары нагружались 4-мя ступенями (по 0,3 кгс/см 3).
После передачи на основание резервуара всей нагрузки и измерения осадок, резервуар опорожнялся ступенями, в два раза превышающими ступени нагрузок при нагружении, с измерением величины упругого подъема резервуара.
Наблюдения за перемещениями контура резервуара проводились с помощью нивелира НА-1 и С 41, а также инварной рейки относительно двух неподвижных реперов.
Для определения развития осадок во времени наблюдения за всеми марками велись непрерывно весь период экспериментальных исследований, а также в течение эксплуатации резервуаров. Время наблюдений после вторичной загрузки длилось на некоторых резервуарах от года до 11 лет.
Взятые под наблюдение резервуары представляли собой небольшую выборку из огромного числа резервуаров, устроенных на слабых водонасыщенных глинистых грунтах.
Проведенными нами исследованиями была отмечена ведущая роль остаточных деформаций в формировании общей осадки основания под резервуарами. При первичном загружении оснований резервуаров до р=1,2 кгс/см2 и последующей разгрузке было установлено, что доля остаточных деформаций от общей осадки резервуаров составляла 90-94%. Это обстоятельство еще раз подтверждало высокий эффект предэксплуатационного уплотнения основания резервуаров при их гидравлических испытаниях. Совершенно очевидно, что роль остаточных деформаций в обшей осадке резервуара могла быть и иной. Так, например, при уплотнении оснований пяти резервуаров объемом 20 тыс.м3 каждый, доля остаточных деформаций при первичной разгрузке составляла всего 67% от общей осадки основания. Здесь, главным образом, все зависело от вида и состояния грунта, величины нагрузки и времени ее выдержки. При повторном загружении р=1,2 кгс/см2 дополнительная осадка составляла лишь от 1 до 21% от первичной осадки. Следовательно, даже однократное предэксплуатационное уплотнение позволило резко снизить величину осадки резервуара в период эксплуатации, т.к. теперь резервуар работал на ином, достаточно уплотненном основании. Как видно из материалов диссертации, модуль деформации грунтов основания резервуаров при повторном загружении после практически полной стабилизации осадок увеличился в 4,7-8,7 раза.
Значения модулей деформации грунтов оснований резервуаров после гидроиспытаний существенно отличались от значений полученных в результате компрессионных или штамповых испытаний. Однако вводить повышающий коэффициент на значения первичных деформационных характеристик еще рано, т.к. нет достаточной совокупности парных испытаний слабых грунтов циклической нагрузкой и обычных данных их лабораторных или полевых испытаний для соответствующей статистической обработки.
Для изучения закономерностей развития неравномерности осадки стены (края днища) резервуаров было рассмотрено большое число профилей (разверток) и эпюр осадок стенок, исследован вопроса изменяемости профиля стенки во времени. Установлены зависимости показателей неравномерности (Sст) от средней осадки стенки.
В условиях слабых грунтов стенка резервуара при различных конструкциях фундаментов оседала неравномерно, при этом развивался нерегулярный профиль - «пила». Неравномерность профиля формировалась в период строительства (неточности монтажа). При гидравлическом испытании он претерпевал существенные изменения. При последующих эксплуатационных наполнениях он получал изменения трех видов (а,б,в):
а) характер профиля со временем изменялся незначительно, с первоначальной конфигурацией стенки не был связан;
б) профиль со временем не менялся и был связан с первоначальной конфигурацией стенки;
в) профиль со временем изменялся, происходило его относительное и абсолютное выравнивание.
Неравномерности типа «а» и «б» вызваны особенностями напластования грунтов; типа «в» - геодинамическими факторами. Существенно, что главная часть неравномерности (Sст) возникла при первых нескольких загружениях, что связано, со значительной сжимаемостью верхних слоев, их технологическим разуплотнением.
Анализ результатов наблюдений за осадками резервуаров в процессе их гидроиспытаний выявил, что в связи с наличием в основаниях резервуаров слоев слабого грунта зависимость осадки от нагрузки S=f(p) на всем протяжении возрастания нагрузки была нелинейной. Средние осадки по контуру резервуаров №№3-4 объемом V=5000 м3 после первичного загружения и соответствующей выдержки находились в пределах 47,2 мм. По данным Б.Л.Барского и других авторов величина средней осадки контура резервуара в аналогичных грунтовых условиях, с заменой слоя слабого грунта на уплотненную песчаную подушку, составляла в среднем 19,3 см.
Анализ результатов загружения резервуаров свидетельствовал, что на величину средней осадки их контура существенное влияние оказывала и величина ступени загружения основания резервуара при их гидроиспытании. Так, резервуары №№2-4, 7-8 и др., загружавшиеся большим количеством ступеней нагрузок до достижении проектной величины, имели меньшие величины средних осадок контура. Учитывая это, нами рекомендовалось при уплотнении массой воды оснований резервуаров, сложенных слабыми грунтами, величину ступеней нагрузок принимать равной Р=(0,250,35)Рпол, (где Рпол - нагрузка на основание при полном заполнении резервуара), с выдержкой каждой ступени до условной стабилизации осадок.
Как показали наши исследования, до загружения основания резервуаров №№3,4,5,6,7 и 8 по контуру резервуаров имелись смежные точки, разность отметок которых превышала величины, регламентируемые нормами в 1,1-1,23 раза. При этом их неравномерность составляла 5,5-6,0 мм/м, тогда как, согласно требованиям инструкции, эта величина не должна превышать 5,0 мм/м. После загружения резервуаров на полную высоту разность отметок смежных точек превышала нормативные величины в 1,04-1,14 раза, что указывало на уменьшение их величины.
Анализ данных наблюдений свидетельствовал также о том, что до загружения резервуаров разность отметок некоторых диаметрально противоположных точек их контура превышала величины, допускаемые нормами в 1,05-1,43 раза. Как следует из эпюр контура резервуара, в резервуарах №№3,4,7 и 8 профили контура днища при каждой ступени нагрузки до полного нагружения практически совпадали с положением контура до загружения. Это свидетельствовало о том, что профили контура резервуаров формировались, главным образом, при гидравлических испытаниях или в течение первого года эксплуатации и в последующем изменялись незначительно.
Представляет интерес развитие неравномерных осадок диаметрально противоположных точек контура (рис.3) резервуаров во времени.
Рис. 3. Развитие неравномерных осадок диаметрально противоположных точек резервуаров (S) во времени при увеличении нагрузки
Как следует из графиков, по мере увеличения ступеней нагрузок, величины неравномерных осадок соответственно возрастали. Несмотря на то, что разность отметок точек на контуре резервуаров превышала величины, регламентированные нормами, каких-либо повреждений в элементах конструкций резервуаров не наблюдалось. Это свидетельствует о несколько жестких требованиях нормативных документов нашей страны к неравномерности осадок стенок металлических резервуаров с коническими крышами. Основываясь на наших экспериментах и ранее выполненных исследованиях других авторов можно с уверенностью сказать, что эти требования без ущерба для эксплуатационной пригодности резервуаров могут быть изменены в сторону увеличения допустимых неравномерных осадок в 1,3-1,5 раза.
Представляют интерес и данные расчета деформаций контура (краев) резервуаров различной емкости по модели линейно-деформируемого полупространства от V=2000 м3 до V=30000 м3, а также изменение их в процессе времени эксплуатации: в первый момент после приложения полной нагрузки Р кгс/см2 (S0кр), через 2-5 лет эксплуатации резервуара под полной нагрузкой (Stкр), и, наконец, через t= (Sкр) (см. таблицу 2), т.е. в бесконечном будущем.
Таблица 2
| V – объем резервуара, м3 | 2000 | 5000 | 10000 | 20000 | 30000 |
| Диаметр, м | 15,28 | 22,8 | 34,2 | 45,6 | 47,6 |
| Высота стенки, м | 2,0 | 12,0 | 12,0 | 12,8 | 18,0 |
| S0кр, см | 4,15 | 4,4 | 5,0 | 5,5 | 8,5 |
| Stкр, см | 4,9 | 4,8 | 5,7 | 6,1 | 9,4 |
| Sкр, см | 5,39 | 5,28 | 6,27 | 6,71 | 10,3 |
Приведенные в табл.2 данные свидетельствуют о том, что в основании резервуаров залегали сильносжимаемые грунты, у которых осадка основания была значительно затянута во времени. И хотя в период гидравлических испытаний их первичные свойства серьезно изменились, при вторичной загрузке резервуаров их осадка в первый момент составляла 0,77-0,84 от стабилизировавшейся во времени осадки. Однако оставшиеся 16-23% конечной величины осадки будут продолжаться еще длительное время.
Рассмотрение графиков S=f(t) для различных по емкости и диаметру резервуаров позволят отметить, что скорость стабилизации осадок, характеризующая величину осадки резервуара за строго определенный промежуток времени, снижалась по мере возрастания периода эксплуатации резервуара под нагрузкой. Так, в частности, у резервуаров емкостью V=2000 м3 и V=5000 м3 через почти 4-5 лет эксплуатации она почти была равной нулю или стремилась к нему. У резервуаров емкостью более 10000 м3 скорость стабилизации осадок даже через 8-10 лет эксплуатации под нагрузкой была еще существенной и находилась далеко от нулевого значения (рис.4).
Рис.4. Диаграммы процесса стабилизации осадок стенок резервуаров V =10000 м3
Результаты измерения порового давления в основании резервуаров, сложенных слабыми водонасыщенными грунтами (см. главу 2) показали, что по мере роста диаметра резервуаров, а соответственно и их емкости, отмечалось различие в величинах порового давления, измеренного по краю резервуара и его центру. По завершении определенного промежутка времени поровое давление по центру резервуара «рассасывалось» намного медленнее, чем по его краю. Следовательно, задержка в стабилизации грунтов основания резервуара была вызвана наличием достаточно больших значений поровых давлений по центру резервуара и большой длиной пути фильтрации поровой воды от центральной части резервуара к ее периферии.
В четвертой главе дается расчет осадок фундаментов резервуаров на слабых водонасыщенных глинистых грунтах в процессе заполнения их нефтью или водой.
Степень консолидации слоя слабого водонасыщенного глинистого грунта определяется по выражению:
U = St/S (1)
где St - осадка слоя грунта в данный момент времени;
S - конечная осадка слоя грунта.
Зависимость между деформациями и напряжениями по результатам эксперимента:
е = А[ 1 – exp(a)], (2)
где А, а – параметры определяемые физико-механическими свойствами грунта;
– напряжение в грунте;
е = e0 - eк - разность между начальным (e0) и конечным (eк) значениями коэффициента пористости.
Тогда, конечная осадка равна:
(3)
где h – толщина сжимаемого слоя;
q – интенсивность нагрузки.
Консолидация грунтового слоя под действием веса резервуара происходит под нагрузкой, возрастающей во времени условно по линейному закону
q = t 0 t tн.
Степень консолидации при t > tн (tн - время роста нагрузки)
Где введены безразмерные параметры
(5)
(6)
Сопоставление расчетных данных с результатами наблюдений показало (см. рис.5), что отклонение их было не более 15%.
Рис.5. Изменение осадки резервуара емкостью 20 тыс.м во времени (сплошная линия) и результаты расчета осадки этого же резервуара по предложенным формулам (пунктирные линии); 1 - расчет осадки во времени по действующим СНиП; 2 – расчет осадки резервуаров при учете постоянной нагрузки; 3 - расчет осадки с учетом возрастания нагрузки;
4 - фактически измеренные осадки.
В пятой главе излагается новая методика гидравлических испытаний резервуаров на слабых грунтах, учитываются консолидационные свойства грунтовых оснований.
Существующие методики гидравлических испытаний резервуаров страдают рядом существенных недостатков. Во-первых, величины ступеней нагрузки назначались без учета характеристик прочностных свойств грунтов. Поэтому давление от каждой ступени может оказаться либо значительно меньше несущей способности грунта, либо превысить ее. В первом случае потребуется длительное время для проведения работ по уплотнению, а во втором возникает опасность потери устойчивости основания.
Вторым недостатком используемых режимов заполнения резервуаров водой является произвольное назначение времени выдержки каждой ступени нагрузки без учета консолидационных характеристик грунтов в основании резервуаров. Это во многих случаях приводит к неоправданному увеличению времени проведения гидроиспытаний и сроков ввода резервуаров в эксплуатацию. При возможности возникновения нестабилизированного состояния давление на слабые глинистые грунты от каждой ступени нагрузки определяют по формуле:
q 5,7сIKН, (7)
где сI - расчетное значение удельного сцепления грунта;
КН - коэффициент надежности, принимаемый в соответствии с требованиями главы СНиП 2.02.01-83*.
Время выдержки любой ступени нагрузки можно определить, исходя из основных положений теории фильтрационной консолидации.
После различных математических преобразований окончательно получим
tk = 0,623 Н2/Cv,
т.е. время выдержки каждой ступени нагрузки (tk) будет зависеть от коэффициента консолидации Cv и толщины слоя слабого глинистого водонасыщенного грунта Н в основании резервуара.
Накопившийся опыт гидравлических испытаний стальных резервуаров' различной емкости на слабых водонасыщенных грунтах может служить основой для разработки специальных рекомендаций по испытаниям резервуаров. Так, в частности, в них может быть рекомендовано следующее. Считаем целесообразным резервуары по емкости разделить на 2 группы. В первую группу объединить все стальные резервуары объемом V до 20000 м3 включительно и высотой Н=12 м. Во вторую - резервуары объемом более 20000 м3 и высотой 18 м. У первой группы давление под днищем резервуара при полном их заполнении нефтью составляло 1,2 кгс/см2, а у второй - 1,8 кгс/см2. Даже с учетом возникновения нестабилизированного состояния в слабых водонасыщенных грунтах оснований минимальное значение предельного давления на них при с=0,09 кгс/см2 (см. таблицу в СНиП 2-02.01-83*) составляло R=0,51 кгс/см2. Следовательно, величина нагрузки на каждой ступени ее выдержки не должна быть больше предельного давления R на основание.
В основу нашей методики были положены данные о прочностных и консолидационных характеристиках грунтов в основаниях. Применительно к площадкам строительства рассматриваемых резервуаров для нефти в расчетах использованы следующие основные показатели свойств грунтов: удельное сцепление (с, кгс/см2 ) и коэффициент консолидации (Сv, см2/год).
Исходя из этих свойств, заполнение каждого резервуара водой в период гидроиспытаний целесообразно провести тремя ступенями для первой группы резервуаров (по 0,4 кгс/см2) и четырьмя ступенями для второй группы резервуаров (по 0,45 кгс/см2).
При проведении гидроиспытаний только с целью определения герметичности резервуара, вопрос о времени выдержки полностью заполненного резервуара, как правило, не возникает и СНиП на производство работ рекомендует принять его равным 1 суткам.
С точки зрения деформаций этого времени явно недостаточно для полного развития осадок. Поэтому данные о допускаемых неравномерностях положения конструкций как при полностью заполненном резервуаре, так и после слива из него воды, могут оказаться весьма искаженными и не соответствовать допускаемым СНиП.
Для обеспечения возможности стабилизации осадок грунтов на каждой ступени заполнения резервуара, нагрузка должна быть выдержана во времени. Это время может быть определено по теории линейной пространственной консолидации для осесимметричного случая с использованием либо значений коэффициентов консолидации Сv, либо коэффициентов фильтрации кф. При расчетах времени выдержки каждой ступени нагрузки использованы среднестатистические данные о коэффициентах фильтрации, полученные для водонасыщенных глинистых грунтов. На основе этих данных в расчетах принят коэффициент фильтрации кф=0,054 м/сут. Выполненные расчеты позволили установить, что для достижения степени консолидации (U) 80% необходимо выдержать нагрузку на основание от каждой ступени нагрузки в течение 7 суток. График проведения гидроиспытаний дается с выдержкой во времени при каждой ступени заполнения. Участки графика, соответствующие времени налива воды в резервуар, зависят от производительности используемых насосов и могут быть изменены в зависимости от имеющегося оборудования. В этом случае общее время налива воды и выдержка ступени может быть сохранено - т.е. составит те же 7 суток.
Основные выводы по работе
- На основании выполненных автором натурных исследований развития порового давления и деформирования сжимаемой толщи оснований резервуаров, сложенных слабыми водонасыщенными грунтами, изучен механизм деформирования таких оснований.
- Получена оценка порога стабилизированного состояния грунтов в основаниях резервуаров.
- Предложена новая методика выполнения гидравлических испытаний резервуаров с учетом консолидационных свойств грунтов основания, позволяющая в процессе испытаний эффективно их уплотнять и значительно уменьшать возможные деформации резервуаров.
- Обоснованы принципы безопасного выбора ограничительной величины ступени нагрузки на днище резервуара и времени ее выдержки в период гидравлических испытаний. За критерий условной стабилизации осадок резервуаров, рекомендуется принимать приращение скорости осадок не более 1,5 мм/год.
Основные положения диссертации отражены в следующих работах:
1. Егоров К.Е. Коновалова О.П. Сопоставление фактических осадок большеразмерных фундаментов с расчетными. // Труды международной конференции «Основания сооружений-81 (Высокие Татры, ЧССР), 1981 г. – С.43-44.
2. Каравайкин В.В., Карамзин В.Е., Коновалова О.П. Учет температурной погрешности тензорезисторных измерений напряжений грунта. //Труды НИИОСПа вып.77, Основания и фундаменты на засоленных, заторфованных и вечномерзлых грунтах. – М.: ОПИ НТИ, 1982. - С.91-95.
3. Карамзин В.Е., Колотило Н. Д., Коновалова О.П. Влияние влажности на тензоизмерения напряжений в грунтах. // Труды НИИОСПа вып.77, Основания и фундаменты на засоленных, заторфованных и вечномерзлых грунтах. – М.: ОПИ НТИ, 1982. - С.101-104.
4. Коновалова О.П. Результаты натурных экспериментов с резервуарами различной емкости. // Материалы международного семинара «Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли». –Тюмень: ТюмГНГУ, 2002г. – С.54-56.
5. Кушнир С.Я., Коновалова О.П. Фильтрационная консолидация и ее роль в формировании осадок резервуаров на слабых грунтах. // Материалы международного семинара «Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли». – Тюмень, ТюмГНГУ, 2002г. – С.81-83.
6. Кушнир С.Я., Коновалова О.П. Об условном критерии стабилизации осадок резервуаров на слабых грунтах.// Тезисы докладов 2-ой Международной научно-технической конференции «Архитектура и строительство». – Томск: ТГАСУ, 2002 г. – С.111-112.
7. Коновалова О.П. Особенности концентрации деформаций в верхней зоне основания резервуаров.// Тезисы докладов 2-ой Международной научно-технической конференции «Архитектура и строительство». - Томск: ТГАСУ, 2002 г. – С.141-142.
Соискатель
