Статическая работа трубопроводов, заглубленных в неравномерно деформируемое основание тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.02, кандидат технических наук Чапагайн Бидур Прасад Шарма

• Чапагайн Бидур Прасад Шарма
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Чапагайн Бидур Прасад Шарма

Введение.

Глава 1. Обзор литературы по методам расчета заглубленных линейных сооружений на неравномерно-деформационном основании.

1.1. Виды и конструкции линейных подземных сооружений.

1.2. Развитие методов расчета трубопроводов или коллекторов и основные принципы расчета.

1.2.1. Краткий обзор методов расчета.

1.2.2. Основные принципы расчета.

1.2.3. Напряженно-деформированное состояние (НДС) трубопроводов с учетом особенностей грунтовой среды.

1.2.4. Толстостенные трубы, утопленные в грунт (негативная проекция).

1.4. Примеры аварий трубопроводов (коллекторов).

Глава 2. Основные допущения методики расчета линейных заглубленных сооружений (трубопроводов или коллекторов) на неравномерно-деформируемом основании.

2.1. Учет неоднородности и нелинейной деформируемости грунтов основания сооружений.

2.2. Учет неравномерной нагрузки на основания.

2.3. Учет влияния нестабилизированного состояния грунта в процессе его консолидации во времени.

Глава 3. Общая методика расчета подземных линейных сооружений (коллекторов хвостохранилищ), расположенных на основании из различных типов грунтов.

3.1. Алгоритм расчета коллекторов хвостохранилищ, расположенных на различных типах грунтов, их достоинства и недостатки.

3.1.1. Алгоритм расчета и метод решения задачи по ПВК SCAD.

3.1.2. Алгоритм расчета и основные положения математической модели решения задач устойчивости трубопроводных систем по программе

ОКШТШ.

3.2. Оценка неравномерных деформаций основания коллекторов при нестабилизированном состоянии грунтов во времени и ее влияния на напряженно-деформированное состояние (НДС) коллекторов.

3.2.1. Особые грунтовые образования их виды и свойства.

3.2.2. Изучение НДС трубопровода, расположенного на различных типах грунтов.

3.2.3. Расчет процесса консолидации и нестабилизированной осадки неоднородного водонасыщенного основания.

3.2.4. Расчет процесса консолидации и нестабилизированных осадок однородного водонасыщенного основания, представленного суглинками.

Глава 4. Применение разработанной методики к определению стабилизированного состояния основания коллектора, его НДС и армирования.

4.1. Определение осадки основания коллектора при наращивании нагрузок во времени в виде веса грунта.

4.2. Определение внутренних усилий коллектора.

4.3. Подбор продольной арматуры в железобетонном кожухе коллектора.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Статическая работа трубопроводов, заглубленных в неравномерно деформируемое основание»

Существующее в настоящее время методики расчета подземных линейных сооружений требуют корректировки. Эти методы расчета практически рассматривают только кольцевое сечение на внешние давления грунта и др. В силу протяженности подземных линейных сооружений, рельефа местности и неоднородности грунтовых условий основания происходят неравномерные осадки, вызывающие неравномерные внутренние усилии в них. Неучитывание этих внутренних усилий приводит к неоправданному армированию трубопроводов, что приводит к неправильному подбору арматуры, авариям сооружений и т.д. Весьма важен учет неравномерной деформации по длине сооружения и напряженно-деформированного состояния (НДС) коллекторов, поэтому представляется весьма актуальным разработка методики "Статическая работа трубопроводов, заглубленных в неравномерно деформируемое основание".

Разработка эффективных методов прогнозирования внутренних усилий в коллекторах, трубопроводах и других подземных линейных сооружениях позволит существенно повысить уровень их надежности и экологической безопасности.

Целью данной работы является разработка алгоритма расчетов подземных линейных сооружений, позволяющих повысить их надежность.

Диссертационная работа состоит из четырех глав и приложений.

Первая глава посвящена обзору современного состояния методов расчета подземных линейных сооружений. Дается обзор существующих методов решения. Из анализа рассмотренных моделей и аварий делается вывод о необходимости учета неоднородной деформации в зависимости от вида грунтов основания, нагрузок и скорости наращивания нагрузок. Ставится цель разработки универсальной методики расчета, позволяющей в рамках единого программного комплекса решать широкой круг задач обеспечения конструктивной и экологической безопасности.

Во второй главе приведены основные допущения методики расчета подземных линейных сооружений на неравномерно-деформированном основании. Рассматривается учет неоднородности и нелинейной деформируемости грунтов основания сооружений, учет неравномерной нагрузки на основания и учет влияния нестабилизированного состояния грунта в процессе его консолидации во времени.

В третьей главе рассматриваются методики расчета подземных линейных сооружений, расположенных на основании из различных типов грунтов. Рассматривается алгоритм расчета и основные положения математической модели решения задачи по ПВК SCAD и по программе GRUNTUS. На основании оценки неравномерных деформаций основания коллекторов при нестабилизированной состоянии грунтов во времени и анализа результатов оценено влияние на напряженно-деформированного состояние (НДС) при различных грунтовых условиях, скорости нагружения и геометрической неоднородности основания.

В четвертой главе на основании разработанной методики приводится расчет коллектора хвостохранилища Учалинского ГОКа при реальных характеристиках грунтов и нагрузок. В результате расчета, получены деформации основания, значения внутренних усилий в коллекторе по его длине и соответственно площади сечении продольной арматуры. В запас прочности коллектора для определения поперечных сечений продольной арматуры были принято максимальные внутренние усилии в коллекторе. Для удобства стыковки участки коллектора нами было принято разделение на 4 секций. Результаты расчетов были использованы при проектировании коллектора Учалинского ГОКа институтом АОЗТ "Механобр инжиниринг".

В приложениях приводится численные расчетные результаты при реализации программ GRUNTUS и SCAD.

Выполненные исследования и расчеты позволили получить следующие практические результаты:

1. Разработаны методика, алгоритм и программа оценки надежности подземных линейных сооружений, включающая оценку неравномерной деформации основания, наращивания нагрузок, внутренних усилий в коллекторах и армирования железобетонных конструкций.

2. Проведены расчетные исследования коллектора Учалинского ГОКа, которые были использованы при проектировании институтом АОЗТ "Механобр инжиниринг" реконструкции хвостохранилища.

3. Применение разработанной методики позволяет повысить точность прогноза напряженно-деформированного сооружения (НДС) коллекторов, что делает более достоверной оценку надежности и экологической безопасности рассматриваемых сооружений.

На защиту выносятся следующие положения диссертации:

1. Методика решения напряженно-деформированного состояния (НДС) подземных линейных сооружений. Методика основана на численных решениях (на основе МКР и МКЭ).

2. Результаты численного моделирования НДС коллекторов, трубопроводных систем и др. для проектируемых и действующих сооружений накопителей гражданских и промышленных отходов.

Заключение диссертации по теме «Основания и фундаменты, подземные сооружения», Чапагайн Бидур Прасад Шарма

Общие выводы

1) Существующие в настоящее время методики расчета подземных линейных сооружений требуют корректировки. Эти методы расчета практически рассматривают только кольцевое сечение на внешние давления грунта и др. В силу протяженности подземных линейных сооружений, рельефа местности и неоднородности грунтовых условий основания происходят неравномерные осадки вызывающие неравномерные внутренние усилии в них. Неучитывание этих внутренних усилий приводит к неоправданному армированию трубопроводов и пр., что приводит к авариям сооружений. Весьма важен учет неравномерной деформации по длине сооружения и напряженно-деформированного состояния (НДС) коллекторов, поэтому представляется весьма актуальным разработка методики "Статическая работа трубопроводов, заглубленных в неравномерно деформируемое основание".

2) Проведенные в диссертационной работе анализы аварий подземных линейных сооружений показали, что в большинстве случаев аварии происходят из за неравномерных деформаций основания, неправильного армирования железобетонных конструкций, неправильного учета нагрузок на сооружениях. В существующих методиках расчет ведется только на внешние давления грунта на выделенное поперечное сечение. Не учитывается взаимодействие между поперечными сечениями. Разработанная нами методика позволяет учитывать продольные, поперечные усилия и изгибающие моменты по длине трубопроводов, коллекторов и пр. и позволяет избежать аварии.

3) В природе существуют разные виды грунтов по их физико-механическим свойствам, минеральным составам и происхождению (например, структурно-неустойчивые грунты, мерзлые и вечномерзлые грунты, лёссовые грунты, набухающие грунты, слабые водонасыщенные грунты, ленточные глины, торфы и заторфованные грунты, засоленные грунты, насыпные грунты ). Они обладают разными характеристиками при действии внешних нагрузок и при разрушении их естественных структур. При этом физический процесс деформирования грунтов является нелинейным процессом, поэтому необходим учет изменения физико-механических характеристик грунтов основания сооружений по длине.

4) В алгоритме расчета коллекторов используется две программы. GRUNTUS для определения деформации основания во времени как в стабилизированном, так и в нестабилизированном состоянии. Для определения внутренних усилий в коллекторах на основании первого этапа (определение деформации основания) используются программа SCAD, которая позволяет определять изгибающие моменты, поперечные и продольные усилии, а также позволяет рассчитать сечении площади продольных арматур.

5) На примере коллектора хвостохранилища Учалинского ГОКа был проведен расчет при реальных характеристиках грунта и нагрузок. В результате расчетов получены деформации основания, значения внутренних усилий в коллекторе по его длине и, соответственно, площади сечении продольной арматуры. В запас прочности коллектора для определения поперечных сечений продольной арматуры были приняты максимальные внутренние усилии в коллекторе. Для удобства стыковки участки коллектора нами было принято разделение на 4 секции. Результаты расчетов были использованы при проектировании коллектора Учалинского ГОК а институтом АОЗТ "Механобр инжиниринг".

6) Разработанная методика расчета коллекторов позволяет определять внутренние усилия в коллекторе, их армирование для избежания аварии.

ОСНОВНЫЕ РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Чапагайн Бидур П.Ш. Краткий обзор расчета методов линейных подземных сооружений и их допущения // «XXXIII Неделя науки СПбГГУ, инженерно-строительный факультет» 29 ноября - 4 декабря 2004 г СПБ.: Изд-во Политехи. Ун-та, 2004 г. С. 103-105.

2. Чапагайн Бидур П.Ш. Изучение напряженно-деформированного состояния (НДС) трубопровода, расположенного на различных типах грунтов // «XXXIIV Неделя науки СПбГГУ, инженерно-строительный факультет» 29 ноября - 4 декабря 2005 г СПБ.: Изд-во Политехи. Ун-та, 2005 г. С. 85-86.

3. Чапагайн Бидур П.Ш. Тепловые электростанции (ТЭС) и связанные с ними экологические проблемы при аварии гидротехнических сооружений // Материалы IX Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы «Фундаментальные исследования в технических университетах» 18-19 Мая 2005г СПБ.: Изд-во Политехи. Ун-та, 2005г. С. 219-220.

4. Чапагайн Бидур П.Ш. Обеспечение экологической безопасности при складировании отходов тепловых электрических станций, использующих твердое топливо //Международные клуб ученых «проблемы экологии Санкт-Петербурга и Ленинградской области» Тезисы докладов региональной конференции (к 160-летию Русского Географического Общества), 30-31 Мая 2005, С. 77-78.

5. Чапагайн Бидур П.Ш. Расчеты подземных линейных сооружений для обеспечения их надежности // Научно-технические ведомости СПбГПУ, 2006. №5. С. 125-128.

6. Chapagain Bidur P.S. The reasons of pipeline transport destruction and the some approaches for maintenance of its serviceability. The 6th international youth environmental forum ECOBALTICA 2006r « Proceeding book, 27-29 June 2006, Saint-Petersburg» 2006r, P. 174-175.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Чапагайн Бидур Прасад Шарма, 2006 год

1. Айнбиндер, А. Б Расчет магистральных и промышленных трубопроводов на прочность и устойчивость. М.: Недра, 1991.

2. Айнбиндер, А. Б, Камерштейн А. Г Расчет магистральных трубопроводов на прочность и устойчивость. // Справочное пособие. М.: Недра, 1982. С. 341.

3. Алексеев, М. И., Дмитриев, В Д и др. Городские инженерные сети и коллекторы. Л.: 1990.

4. Алешин, В. В, Селезнев, В. Е. Численный анализ прочности подземных трубопроводов. М.: УРСС, 2003.

5. Абелев, М Ю. Слабые водонасыщенные глинистые фунты как основания сооружений. М.: Стройиздат, 1973. С. 287.

6. Балсон, Ф. С. Заглубленные сооружения: статическая и динамическая прочность/ перевод с английского Л.Л. Пудовкиной. М.: Стройиздат, 1991.

7. Бородавкин, П. П. Подземные магистральные трубопроводы. М.: Недра, 1982.

8. Бородавкин, П. П. Механика фунтов в трубопроводном строительстве. М.: Недра, 1976.

9. Бодров, П. П , Матэри, Б Ф. Кольцо в упругой среде Бюллетени Метропроекта, 1936, № 24.

10. Васильев, И. М Проектирование и расчет монолитных и облегченных обделок гидротехнических туннелей. Л.: ЛПИ им. Калинина, 1990.

11. Виноградов С В. Расчет подземных трубопроводов на внешние нафузки. М.: Стройиздат, 1980.

12. Галеркин, Б Г. Напряженное состояние цилиндрической трубы в упругой среде Трубы ЛИПС, 1929.

13. Емельянов, Л. М. О расчете подземных гибких труб Строительная механика и расчет сооружений. 1961, № 1.

14. Зиновьева, JI Г. Консолидация оснований с учетом переменности характеристик грунтов в условиях дренирования и знакопеременных нагрузок: Автореф. дис. канд. техн. наук. Л.: 1989. С.ЗО, 68, 138.

15. Иванов, П. Л. Грунты и основания гидротехнических сооружений. М.: Высшая школа, 1985.

16. Карпиловский, В. С., Криксунов, Э 3. и др Вычислительный комплекс SCAD. М.: 2004.

17. Клейн, Г К Расчет подземных трубопроводов. М.: 1969.

18. Малышев, М. В. Указания по определению давления на отводящие коллекторы хвостохранилищ обогательных фабрик. М.: ВОДОГЕО, 1957.

19. Морозов, В. Н. Магистральные трубопроводы в сложных инженерно-геологических условиях. М.: Недра, 1987.

20. Маслов, Н. Н. Основы механики фунтов и инженерной геологии. М.: Высшая Школа, 1968.

21. Прево, Р. Расчет на прочность трубопроводов, заложенных в грунт (перевод с французского). М.: 1964.

22. Рагольский, С. 3. вопросы проектирования технических современных мелиоративных систем. М.: Союзводпроект, 1977, № 48.

23. Стренг, Г. , Фикс, Дж. Теория метода конечных элементов. М.: мир, 1975. С. 174.

24. Справочное по проектированию магистральных трубопроводов. // Под редакции Дорцоскяна А. К. JL: Недра, 1977. С. 519.

25. Флорин, В. А Теория уплотнения земляных масс. М.: Стройиздат, 1948. С.284.

26. Флорин, В. А. Основы механики грунтов / Том 1. М.: 1959.

27. Чапагайн, Бидур П.Ш. Краткий обзор расчета методов линейных подземных сооружений и их допущения // «XXXIII Неделя науки СПбГГУ, инженерно-строительный факультет» 29 ноября 4 декабря 2004 г СПБ.: Изд-во Политехи. Ун-та, 2004 г. С. 103-105

28. Чапагайн, Бидур П Ш. Расчеты подземных линейных сооружений для обеспечения их надежности // Научно-технические ведомости СПбГПУ, 2006. №-5.С. 125-128.

29. Allgood, J. R et al. Summary of soil-structure interaction, US Navel, Civil Engineering Lab. Tech. Rep. R 771, 1972.

30. Bulson, P. S Stability of buried tubes under static and dynamic pressure. Part one: circular tubes in compacted sand, Military engineering experimental establishment, Res. Rep. RES 47.5/7, 1966.

31. Compston, D G et al Design and construction of buried thin-walled pipes, CIRIA report 78, construction industry research and information association, London, 1978.

32. Hoeg, K Pressure distribution on underground structural cylinders, US air force weapon lab. MIT, Tech. Rep. TR-65-98, 1966.

33. Spangler, M. G A theory of loads on negative projecting conduits. Proc. US Highway. Res. Board, 30, 1950.

34. Spangler, M. G. Structural design of flexible pipe culverts. Bull. No. 153, JEES, 1941.