Моделирование противоаварийных мероприятий для трубопровода
Сельвиян Серафима Михайловна
преподаватель кафедры механики грунтов и геотехники, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), KafedraMGG@mgsu.ru
Потапова Юлия Алексеевна
студент кафедры механики грунтов и геотехники, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ)
Куричев Сергей Юрьевич
студент кафедры механики грунтов и геотехники, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ)
Худоян Максим Заилович
Студент кафедры Механики грунтов и геотехники, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ)
В данной статье, на примере эстакады магистральных трубопроводов, рассматривается проблема, связанная с возникшими деформациями, при которых невозможна дальнейшая эксплуатация трубопровода. Основным сводом правил, по определению предельных деформаций, является СП 22.13330.2016. Неудовлетворительное состояние конструктивных элементов вызвано некачественным проведением работ по ее возведению и негативным воздействием от находящегося рядом железнодорожного перегона. Основной задачей данной статьи является математическое моделирование в расчетном комплексе Plaxis 3D для определения общих деформаций и разработка противоаварийных мероприятий.
Ключевые слова: свайный фундамент, математическое моделирование, предельные деформации, трубопровод
Введение. Участком изучения является часть эстакады магистральных трубопроводов высоконапорного гидротранспорта, который представляет собой одноярусное протяженное инженерное сооружение из серии однопролетных металлических рам для прокладки на высоте порядка 6 -7 метров технологических трубопроводов высокого давления. По эстакаде проложены девять ниток трубопроводов из стальных остеклованных труб для транспортирования технологического материала. Фундаменты выполнены из буронабивных свай диаметром 0 880 и 1020 мм предполагаемой глубиной 36-39 м. Расчеты свайных фундаментов могут осуществляться как с использованием табулированных решений, так и с применением геотехнического программного обеспечения. При проведении численных расчетов расчетная схема системы «надфунда-ментное строение (включая ростверк) — сваи — грунтовое основание» должна выбираться с учетом наиболее существенных факторов, определяющих сопротивление указанной системы. Необходимо учитывать продолжительность и возможное изменение во времени нагружения свай и свайных фундаментов. Расчетная модель свайных фундаментов должна строиться таким образом, чтобы содержать погрешность только в сторону запаса надежности проектируемых надземных конструкций. Если заранее такая погрешность не может быть определена, необходимо проведение вариантных расчетов и определение наиболее неблагоприятных воздействий для надземных конструкций.
Расчет осадки фундамента из буронабивных свай в программном комплексе Plaxis 30. Математическое моделирование выполнено в расчетном комплексе Р1ах1Б 30, представляющем собой пакет геотехнических программ для конечно-элементного анализа напряженно-деформированного состояния системы «основание-сооружение». При анализе изменения напряженно-деформированного состояния грунтового массива решалась плоская задача. Для формирования конечно-элементной сетки применялись 15-узловые треугольные элементы.
Порядок построения математической модели:
- ввод геометрической модели;
- определение параметров грунтов и материалов конструкций;
- задание нагрузок и граничных условий;
- задание параметров материалов грунта и конструкций;
- создание неструктурированной конечно-элементной сетки;
- генерация порового давления;
- определение начальных напряжений;
- создание этапов расчета;
- расчет.
Графический ввод геометрической модели предполагает задание следующих элементов конструкций:
Плиты. Специальные плитные элементы используются для моделирования подпорных стен, обделок туннелей и других гибких конструкций. Поведение данных элементов определяется с учетом изгибной жесткости и продольной жесткости.
Шарниры и поворотные пружины. Шарнир представляет собой соединительный элемент, учитывающий поворот в
X X
о
го А с.
X
го т
о
2 О
м «
стыковочном узле. Шарниры используются для создания соединений, в которых концы плит могут свободно поворачиваться.
Интерфейсы. Эти контактные элементы необходимы для моделирования взаимодействия грунта и сооружения.
При моделировании было решено использовать модель Кулона-Мора, которая включает следующие параметры, получаемые стандартными испытаниями образцов грунта.
- модуль деформации, £;
- коэффициент Пуассона, v;
- угол внутреннего трения, ф;
- удельное сцепление, с;
- угол дилатансии, щ.
При задании параметров грунта также вводятся следующие его характеристики:
- удельный вес грунта, ywat;
- удельный вес насыщенного грунта, ysat;
- проницаемость грунт в горизонтальном и вертикальном направлениях, fe, ky.
При моделировании поведения грунта его жесткость можно описать точнее с помощью различных параметров жесткости: жесткость при трехосном нагружении (Eref) и жесткость при трехосной разгрузке (Eur). Таким образом, в расчетах использовались различные значения деформационных характеристик грунтов для описания процессов нагружения и разгрузки основания.
Результаты расчета в программном комплексе Plaxis 3D:
Рис 4. Дополнительные деформации массива грунта от подвижной
нагрузки (нагрузка 180,7 кН/м2)
Рис 5. Общие деформации массива грунта при устройстве эстакады и от воздействия подвижной нагрузки (нагрузка 180,7 кН/м2)
fO
сч о сч
<0
О Ш
m
X
<
m О X X
Рис 1. Расчетная схема
Рис 2. Конструктивная схема эстакады.
Total displacements uz (scaled up 100 times)
(¡mum value = -0.01649 m (Element 1340 at Node 484304) limum value - -0.06475 m [Element 161 at Node 433334)
Puc 6. Общие вертикальные перемещения свай при устройстве эстакады и от подвижной нагрузки без устройства геотехнического экрана (нагрузка 180,7кН/м2)
Моделирование включало в себя два расчетных случая:
1. Расчет конструкций эстакады без влияния ж/д перегона и дополнительных воздействий;
2. Расчет конструкций эстакады с моделированием нагрузки от ж/д перегона и подвижного состава;
Рис. 7 Общие вертикальные перемещения свай при устройстве эстакады и от подвижной нагрузки с устройством геотехнического экрана (нагрузка -180,7кН/м2)
Рис 3. Общие деформации массива грунта с эстакадой.
По итогам математического расчета осадка данного фундамента составила 6,47 см, что является величиной допустимой и пригодной для эксплуатации данного сооружения, также при расчете была учтена дополнительная нагрузка на фундамент величина которой равна 180,7 кН/м2. Было принято решение, в качестве мероприятий уменьшающих воздействие от железнодорожного перегона запроектировать геотехнические экраны. Расчет конструкций эстакады с защитой от дополнительных нагрузок с применением геотехнических экранов из свай диаметром 530мм, с шагом 0,6м.
7
Литература
1. СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений»
2. СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты»
3. ГОСТ 27751-2014 «Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения и требования»
4. СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия»
5. СП 47.13330.2016 «Инженерные изыскания для строительства. Основные положения»
Modeling of emergency measures for the pipeline Selvian S.M., Potapova Yu.A., Kurichev S.Yu., Khudoyan M.Z.
National Research Moscow State University of Civil Engineering (NRU MGSU) JEL classification: L61, L74, R53
In this article, using the example of a trestle of main pipelines, the problem associated with the resulting deformations is considered, in which further operation of the pipeline is impossible. The main set of rules for determining ultimate strains is SP 22.13330.2016. The unsatisfactory condition of the structural elements is caused by poor-quality work on its construction and the negative impact from the nearby railway section. The main objective of this article is mathematical modeling in the Plaxis 3D calculation system to determine the general deformations and develop emergency measures. Keywords: pile foundation, mathematical modeling, limit deformations, pipeline References
1. SP 22.13330.2016 "Foundations of buildings and structures"
2. SP 24.13330.2011 "Pile foundations"
3. GOST 27751-2014 "Reliability of building structures and foundations. Basic provi-
sions and requirements»
4. SP 20.13330.2016 "Loads and impacts"
5. SP 47.13330.2016 "Engineering surveys for construction. Basic Provisions»
Рис. 8
Показано расположение геотехнических экранов по сечениям 1-1 0300мм, шаг 0,4 м, глубина L=15м. На схеме перед шагом труб указано их количество
Вывод
В данной статье была проанализирована осадка бурона-бивного свайного фундамента. В программе «Р1ах1Б 30» был произведен расчет, по которому видна осадка данного типа фундамента в приведенных условиях, также при расчете была учтена дополнительная нагрузка на фундамент величина которой равна 180,7 кН/м2. Исходя из полученных расчетов, в качестве мероприятий, уменьшающих воздействие от железнодорожного перегона, было принято решение запроектировать О геотехнические экраны. ГО
> С.
При моделировании в ПК Plaxis 3D данные геотехнические экраны приняты глубиной 15 метров. Были замоделированы экраны, представленные буроинъекционными сваями диаметром 0300мм с шагом 0,4 метра.
Данные расчеты показали эффективность предложенных ^
противоаварийных мероприятий. Преимущество геотехниче- ГО
ских экранов заключается в том, что в дальнейшем они помо- С
гут снизить кратковременные нагрузки от ж/д перегона на свайные основания стоек эстакады и сохранить их работоспособность после работ по восстановлению конструкций эстакады. С применением защитных геотехнических экранов дополнительные напряжения в зоне свайных фундаментов от подвижного состава снижаются на 40%.
2