Ґрунтові анкери, виготовлені за допомогою електрохімічного закріплення

Размещено на http://allbest.ru

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Ґрунтові анкери, виготовлені за допомогою електрохімічного закріплення

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

анкер електрохімічний конструкція

Актуальність теми. На будівництво трубопроводів припадає до 30 % від усіх витрат при облаштуванні родовищ нафти та газу, через що необхідно вдосконалювати весь комплекс заходів із їх зведення. У той же час однією з істотних проблем подальшого розвитку і надійної експлуатації нафтогазопровідної системи є необхідність витрат значних коштів, матеріальних ресурсів на привантаження трубопроводів від спливання. Це пов'язано зі значною довжиною трас, прокладених по обводнених і заболочених територіях. Довжина ділянок, де необхідне баластування нафтогазопроводів, іноді доходить до 15 - 20 % від їх загального простягання.

Спосіб баластування трубопроводів від спливання вантажами (зараз ним закріплюється до 70 % трубопроводів) - дорогий і не універсальний (для запобігання спливання трубопроводу використовується лише близько 60 % власної маси вантажу). До того ж при реконструкції заміні підлягають як труби, так і баластувальні вантажі. Створення перемичок із закріпленого ґрунту - трудомісткий процес, який, до того ж, має обмежене застосування. Пошук ефективних шляхів розв'язання проблеми можливо вести у напрямі створення нових видів анкерів підвищеної несучої здатності, що забезпечують зниження матеріаломісткості й трудомісткості робіт без зменшення надійності їх роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація відповідає Постанові Кабміну України №1313 від 20.08.2000 та етапам держбюджетної теми „Прогресивні конструкції основ і фундаментів у сучасному будівництві в Україні” №67/7, складової комплексної програми „Матеріалоємність” КПКВ-2201020 Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України, і за науково-дослідною тематикою кафедри ВНГіГ ПолтНТУ.

Мета роботи - визначення впливу електрохімічного закріплення глинистих ґрунтів на несучу здатність анкерів.

Для досягнення поставленої мети слід розв'язати такі задачі:

- обґрунтувати ефективну конструкцію електрохімічного анкеру та екологічно чистого способу його влаштування без застосування ін'єкційних розчинів для закріплення нафтогазопроводів;

- провести комплексні експериментальні дослідження впливу електрохімічного закріплення глинистих ґрунтів на несучу здатність анкерів;

- проаналізувати напружено-деформований стан (НДС) основ електрохімічних анкерів при дії статичних висмикуючих навантажень шляхом моделювання методом скінченних елементів (МСЕ) з використанням пружно-пластичної моделі ґрунту;

- обґрунтувати модель спільної роботи електрохімічного анкеру з навколишнім ґрунтом при дії статичних висмикуючих навантажень, на базі якої розробити аналітичну методику визначення його несучої здатності;

- упровадити розроблену конструкцію електрохімічного анкеру в практику закріплення нафтогазопроводів.

Об'єкт дослідження. Електрохімічний анкер у глинистих ґрунтах.

Предмет дослідження. Визначення несучої здатності електрохімічних анкерів у водонасичених глинистих ґрунтах.

Методи дослідження. Стандартні польові методи досліджень роботи ґрунтових анкерів статичним висмикуючим навантаженням; стандартні лабораторні методи визначення фізико-механічних властивостей ґрунту; методи математичної статистики для обробки даних експериментів; МСЕ у фізично нелінійній постановці для моделювання НДС основ електрохімічних анкерів. Засоби вимірювальної техніки перевірені в установленому порядку. Метрологічне забезпечення дослідів відповідає Закону України “Про метрологію та метрологічну діяльність”.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

- отримано нові дослідні дані про параметри впливу електрохімічного закріплення водонасичених глинистих ґрунтів на несучу здатність анкерів за рахунок електрокінетичних та електрохімічних процесів в області закріплення, діаметр якої не перевищує п'ять діаметрів поперечного перерізу електроду;

- удосконалено методику визначення несучої здатності електрохімічних анкерів у глинистих ґрунтах на базі теорії граничного стану основ і з урахуванням встановлених закономірностей зміцнення глинистих ґрунтів навколо анкерів;

- уперше МСЕ у фізично нелінійній постановці проаналізовано спільну роботу електрохімічних анкерів з навколишніми областями закріпленого і природного ґрунту й виявлено послідовність виникнення областей граничного стану основи при дії статичних висмикуючих навантажень.

Практичне значення одержаних результатів полягає в:

- розробленні ефективної конструкції електрохімічного анкеру та екологічно чистого способу його влаштування без застосування ін'єкційних розчинів для закріплення нафтогазопроводів;

- розробленні й апробації інженерного методу визначення несучої здатності електрохімічних анкерів у водонасичених глинистих ґрунтах на базі експериментально-теоретичних досліджень;

- створенні проекту „Рекомендацій з визначення несучої здатності електрохімічних анкерів у лесових ґрунтах”;

- розробленні технологічної карти на укладання трубопроводу й закріплення його від спливання на обводнених територіях за допомогою електрохімічних анкерів.

Результати роботи використані для закріплення ділянок газопроводів від спливання на обводнених територіях при: реконструкції газопроводу Амвросієвка - Горлівка - Слов'янськ - ділянка довжиною 270 м у заплаві р. Булавини між ПК 21+40 і ПК 27+67; виносі дільниці газопроводу Новодар'ївка - Амвросієвка з території Росії (48 - 52 км) - ділянка довжиною 60 м у заплаві р. Кам'янки; капітальному ремонті ділянки довжиною 80 м магістрального газопроводу Уренгой - Помари - Ужгород - між 3623,8 і 3626,4 км у заплаві р. Золотоношка; переізоляції дільниці газопроводу Шебелинка - Краснопілля між 108 і 117 км - ділянка довжиною 50 м у заплаві р. Вовча (на 115 км траси). Загальний економічний ефект від упровадження досліджень автора в будівництво склав понад 280 тис. грн., що засвідчують довідки ДК „Укртрансгаз” БМФ „Укргазпромбуд” і ТОВ „ТРІО”.

Особистий внесок автора. Результати досліджень, уключені в дисертацію, отримані автором самостійно. В публікаціях у співавторстві особистий внесок здобувача полягає в: [1, 4] - проведенні комплексних натурних експериментальних досліджень впливу електрохімічного закріплення глинистих ґрунтів на несучу здатність анкерів і статистичній обробці їх підсумків; [3] - проведенні лабораторних досліджень впливу електрохімічного закріплення глинистих ґрунтів на їх пластичні властивості і статистичній обробці їх підсумків.

Апробація результатів роботи. Основні підсумки дисертації доповідались на: 6-й Всеукраїнській науково-технічній конференції „Механіка ґрунтів, геотехніка, фундаментобудування” (Полтава, 2008); Міжнародній науково-практичній конференції „Мости та тунелі: Теорія. Дослідження. Практика” (Дніпропетровськ, 2010); Міжнародній науково-практичній конференції „Інноваційні технології життєвого циклу об'єктів житлово-соціального, промислового і транспортного призначення” (Алушта, 2010); Всеукраїнському науково-практичному семінарі „Відмови в геотехніці” (Полтава, 2010); конференціях професорсько-викладацького складу та аспірантів ПолтНТУ (Полтава, 2001-2010). У завершеному вигляді робота обговорена на засіданнях кафедри видобування нафти і газу та геотехніки ПолтНТУ і кафедри тунелі, основи і фундаменти Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, а також на засіданні наукового семінару при Спеціалізованій Вченій Раді Д 44.052.02 ПолтНТУ.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 7 статей, з яких 6 - у фахових виданнях ВАК України. При цьому чотири статті видані автором без співавторів, три з них - у фахових виданнях ВАК України.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, 5 розділів, загальних висновків, списку використаних джерел зі 180 найменувань на 17 стор., 3 додатків на 19 стор., 62 рис. і 7 табл. Обсяг основного тексту роботи становить 128 стор. Загальний обсяг дисертації складає 174 стор.

Загальна структура досліджень подана на рис. 1.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність проблеми, наукова новизна й практична цінність роботи, подана її загальна характеристика.

У першому розділі проаналізовані сучасні конструкції ґрунтових анкерів для закріплення нафтогазопроводів, аналітичні та чисельні методи визначення їх несучої здатності, а також досвід електрохімічного закріплення ґрунтів. Істотні внески в дослідження ґрунтових анкерів зробили А.О. Бартоломей, Б.В. Бахолдін, І.П. Бойко, Г.Г. Болдирєв, В.Т. Бугаєв, Ю.Л. Винников, П.Ф. Вишневський, С.Ф. Власов, В.М. Голубков, А.Л. Готман, М.С. Грутман, Б.І. Далматов, Г.О. Дегіль, Л.М. Джіоєв, Л.О. Дімов, М.П. Дубровський, М.Л. Зоценко, А.С. Кананян, Ю.О. Кірічек, С.Я. Кушнір, І.Я. Лучковський, Л.Г. Маріупольський, В.М. Митинський, М.І. Нікитенко, О.В. Новський, Є.М. Перлей, А.Б. Пономарьов, С.В. Романов, П.Л. Савич, В.Л. Сєдін, М.І. Смородинов, В.І. Снісаренко, Д.Ю. Соболевський, Ю.О. Соболевський, Є.О. Сорочан, Г.П. Таланов, О.Н. Тетіор, Ю.Г. Трофіменков, Ю.М. Трушинський, Ю.Ф. Тугаєнко, В.М. Уліцький, С.В. Хазін, С.Й. Цимбал, В.М. Чикішев, В.Б. Швець, О.В. Школа, П.І. Яковлєв, R. Andreadis, W. Baker, J. Booker, E. Dickin, R. Frank, J. Geddes, A. Ghaly, L. Gobst, T. Hanna, K. Ilamparuthi, K. Ivandic, R. Konder, S. Koprivica, H. Kramer, P. Larsen, W. Linder, R. Merifield, G. Meyerhof, H. Ostermayer, R. Rowe, H. Saeedy, F. Scheele, T. Tagaya, T. Tanaka та ін.

Існуючі ґрунтові анкери для закріплення нафтогазопроводів або мають невисоку несучу здатність на дію висмикуючого навантаження (як-то козлові палі; металеві Г-подібні пристрої зі сталевих труб діаметром 160 мм з вильотом консолі 1100 мм із такої ж труби; залізобетонні палі перерізом 300х300 мм із консоллю та клиноподібні з пазами палі з консоллю з боку труби; гарпунні та гвинтові металеві анкери, а також анкери, що розкриваються), або при підвищеній несучій здатності вимагають складного обладнання (пальові анкери з розширеннями за довжиною стовбура). Пошук ефективних шляхів розв'язання проблеми доцільно вести у напрямі створення анкерів підвищеної несучої здатності, що забезпечують зниження матеріаломісткості й трудомісткості робіт без зменшення надійності їх роботи.

Для закріплення нафтогазопроводів на обводнених ділянках є сенс застосовувати ґрунтові електрохімічні анкери, та через відсутність їх натурних досліджень у широко розповсюджених на Україні водонасичених глинистих ґрунтах, не розроблені практичні рекомендації з їх зведення і методика розрахунку несучої здатності цих анкерів на вертикальне висмикуюче навантаження.

Спільна робота анкерів з основою, а відповідно і їх несуча здатність, визначається видом і станом ґрунту, глибиною занурення анкерів, об'ємом масиву, що залучається до роботи. Ці чинники залежать від технологічних схем і режимів ущільнення чи закріплення ґрунту навколо анкерів. Сучасні аналітичні підходи прогнозу несучої здатності ґрунтових анкерів на висмикуюче навантаження достатньо точно для інженерної практики враховують особливості їх конструкцій, геометричних параметрів, спільної роботи з основою, та, при цьому, методики призначення наведених характеристик міцності ґрунту навколо них не повною мірою відображають вплив на них технологій улаштування, зокрема способу електрохімічного закріплення, що викликає додаткові випробування анкерів.

Взаємодію електрохімічних анкерів з навколишнім неоднорідним масивом при висмикуючому навантаженні раціонально моделювати МСЕ у нелінійній постановці. Достовірність результатів при цьому суттєво залежить від методики призначення механічних характеристик параметрів моделей зміцненого ґрунту.

Вищевикладене стало основою для постановки мети та задач дисертації.

Другий розділ присвячено лабораторним і натурним дослідженням впливу електрохімічного закріплення водонасичених глинистих ґрунтів на несучу здатність анкерів, а також параметрів зони зміцнення ґрунту навколо анкеру.

На першому етапі у лабораторії вивчався вплив постійного електричного струму на властивості глинистих ґрунтів, зокрема лесованого суглинку. Для цих дослідів відбирались моноліти природної структури суглинку важкого пилуватого, тугопластичного, макропористого. Лабораторні досліди умовно поділено на дві складові частини: перша - пропускання постійного електричного струму крізь зразки ґрунту природної структури; друга - визначення кількісних змін відповідних фізико-механічних характеристик при цьому. Електрохімічне закріплення ґрунту здійснювалось за наступною схемою: зразки суглинку діаметром 46 мм і висотою 55-65 мм піддавались обробці постійним електричним струмом з використанням джерела цього струму й двох металевих електродів-пластин. Напруга в замкненому контурі підтримувалась постійною й складала 15 В. Оскільки пропускання електричного струму крізь ґрунт супроводжується явищем електроосмосу, тобто рухом води від аноду до катоду, то для того, щоб зразок не пересихав, до аноду забезпечувався вільний приток води.

За програмою одночинникового модельного експерименту первинно однакові зразки суглинку за режимами закріплення поділено на чотири групи: 1) зразки електричним струмом не оброблялись; 2) кожний зразок отримав 30 кВт·год/м³ електричної енергії (співвідношення витрат електроенергії до об'єму ґрунту між електродами); 3) кожний зразок ґрунту отримав 60 кВт·год/м³ електроенергії; 4) кожний зразок ґрунту отримав 100 кВт·год/м³ електроенергії.

Через кожні 30 хв. фіксували відліки за амперметром, які заносили у журнал випробувань. Зразки суглинку для подальших досліджень відбирали як з анодної, так і катодної зон. Кількість зразків-близнюків в кожній групі складала шість. Після закріплення суглинку та досліджень із визначення його вологості на межі текучості та на межі розкочування отримано результати, представлені на рис. 3 і 4. У катодній зоні зі збільшенням витрат електроенергії величина знижується, а значення зростає, тобто, ґрунт фактично втрачає пластичні властивості.

Звуження меж пластичності ґрунту в катодній зоні пояснюється зменшенням вмісту глинистих часток, які надають йому пластичні властивості. Крім того, в цій зоні накопичуються солі кальцію, бо він звичайно домінує серед обмінних катіонів. Ці солі цементують ґрунт, зменшуючи його пластичність. В анодній зоні процеси складніші. Глинисті частки, що надходять з катодної зони, збільшують пластичність ґрунту, а заміщення обмінних катіонів іонами заліза викликає зменшення гідрофільності й зниження пластичних властивостей. Отже, пропускання постійного струму через водонасичений лесований суглинок знижує його пластичні властивості як у зоні навколо аноду, так і біля катоду, що викликає зміцнення ґрунту.

Натурні дослідження анкерів у водонасиченому суглинку (несучий шар потужністю 4 м - суглинок важкий пилуватий, м'якопластичний, властивості якого вміщені в табл. 1 і 2; підстильний - суглинок важкий пилуватий, тугопластичний; рівень ґрунтових вод - менше 3 м від поверхні землі) включали 5 серій випробовувань на дію вертикального статичного висмикуючого навантаження. Кожна серія містила випробовування п'яти „анкерів-близнюків”: перша - до їх закріплення; друга - п'ята - аналогічні навантаження анкерів після їх закріплення при різних (та однакових для кожної серії) затратах електроенергії. Тобто, загальна кількість випробуваних анкерів склала 25. У якості електродів використано стрижні з арматури А-I діаметром 20 мм і довжиною 5000 мм, що забивались вертикально молотом вагою 63 Н, що падав із висоти 0,8 м. Електроди розміщували двома паралельними рядами по 10 - 12 штук на кожному полюсі. Відстань між сусідніми електродами в ряду становила 500 мм, а між їх рядами - 1700 мм.

Таблиця 1Гранулометричний склад природного і закріпленого суглинку “зони впливу” анкеру

Таблиця 2Величини фізико-механічних характеристик природного й закріпленого ґрунту

Як джерело постійного струму застосовували зварювальний випрямляч електричного струму ВС-600. У період обробки ґрунту електричним струмом робоча напруга складала 60 В, сила струму - 20 - 40 А, максимальний час обробки однієї захватки (п'ята серія) електродів - 16 діб (включаючи час на періодичні зміни полярності). Затрати електроенергії на один електрод склали: у другій серії - 30 кВт·год; у третій - 60 кВт·год; у четвертій - 90 кВт·год; у п'ятій - 120 кВт·год.

Для створення висмикуючого навантаження на анкер використано анкерну платформу (упор домкрату ДГ-10). Статичні випробовування проводили ступенями по 1 - 2 кН. Для вимірювання деформацій на реперній системі встановлювали по два прогиноміри. Кожний ступінь навантаження, крім останнього, доводили до умовної стабілізації деформації. Графіки залежності підйому анкерів кожної з 5 дослідних серій від дії статичного висмикуючого навантаження на них подані на рис. 1.

Рис. 1 Графіки залежності підйому ґрунтових анкерів від статичного висмикуючого навантаження для дослідних серій: а - до закріплення ґрунтів; б - при затратах електроенергії на електрод 30 кВт·год; в - 60 кВт·год; г - 90 кВт·год; д - 120 кВт·год

З графіків підйому анкерів від висмикуючої сили встановлено, що:

- всі графіки мають лише дві майже лінійні гілки (початкову, котра відповідає пружним деформаціям, в межах яких реалізується опір ґрунту за бічною поверхнею анкеру, та різкий „зрив”, тобто вичерпання несучої здатності анкеру), а нелінійна (відповідає пружно-пластичній стадії роботи ґрунту) ділянка - відсутня;

- „зрив” графіків відбувається при підйомі анкерів, величина якого як до, так і після зміцнення ґрунту, складає см (але, якщо для стрижня до пропускання електричного струму „зрив” відбувався при см, то для анкеру після процесу закріплення ґрунту „зрив” реалізовувся вже при см);

- при збільшенні затрат електроенергії на обробку електроду несуча здатність анкерів зростала. Несуча здатність занурених у водонасичений глинистий ґрунт стрижнів після закріплення збільшилася приблизно в 3,9 разів. На рис. 6 подано графік залежності граничних значень опорів , кН, анкерів від витрат електроенергії , кВт·год, на закріплення ґрунту навколо кожного електроду.

Цю залежність у межах зміни величин кВт·год при коефіцієнтах кореляції та варіації можливо апроксимувати лінійною функцією:

. (1)

У польових умовах дослідження властивостей ґрунту й геометричних розмірів “зони впливу” навколо анкеру проводилося за розробленою проф. М.Л. Зоценком для фундаментів, які влаштовують без виймання ґрунту, пенетраційною методикою. Вона базується на порівнянні значень питомого опору пенетрації ущільненого (чи закріпленого) й природного ґрунту. Після завершення закріплення зона ґрунту навколо стрижня-електроду розроблялася по горизонтах у діаметрі приблизно 1 м.

Використано лабораторний пенетрометр ЛП-1 з конічним наконечником із кутом розкриття при 6 - 8 ступенях навантаження. Величина питомого опору пенетрації є узагальненою характеристикою механічних властивостей ґрунту. У кожному випробовуванні занурення наконечника в ґрунт складало см. Цю глибину призначено з умов розташування точок пенетрації так, щоб відстань між сусідніми точками не перевищила 4 діаметри частини конуса, який заглиблюють в ґрунт. Щоб одержати дані про міцність ґрунту через кожні 10 мм від стрижня, розташування точок пенетрації прийнято за спіраллю.

Межу “зони впливу” визначають за графіком у точці, де крива зміни переходить у пряму, паралельну осі абсцис. Статистично це встановлено розрахунками із визначення точності питомого опору пенетрації. Коли значення перевищить величину (де - питомий опір пенетрації природного ґрунту; - середнє квадратичне відхилення даної величини), це відповідає умовам закріпленого ґрунту. Отже, діаметр “зони впливу” анкеру визначено як 136 мм, що більше за значення, встановлене вимірами елемента, де ця величина склала 98 мм. Надалі вважатимемо зоною закріплення навколо анкеру ту частину “зони впливу”, яка утримується при стрижні після його виймання з основи.

Мінімальне значення питомого опору пенетрації ґрунту в зоні закріплення анкеру МПа. За табл. 1 після закріплення постійним електричним струмом суглинку в його гранулометричному складі значно збільшилась кількість пилуватих частинок, переважно, за рахунок зменшення відносного вмісту глинистих частинок. Це свідчить про утворення нових агрегатів розміром пилуватих частинок із глинистих за рахунок їх цементації. Як цементи можна розглядати гідрати оксидів заліза, алюмінію і кальцію. Структурні зв'язки між глинистими частками, утворені за їх допомогою, витримали дію 10 % розчину пірофосфату натрію, який до 20 % додавався до дистильованої води, і наступного кип'ятіння. Це свідчить про стійкість нових цементаційних зв'язків, утворених дією електрохімічного закріплення ґрунту.

У табл. 2 показано кількісні зіставлення величин властивостей для природного й закріпленого ґрунту. Тобто, можливо констатувати, що від закріплення в ґрунті утворилися нові жорсткі зв'язки. За їх рахунок у середньому щільність скелету ґрунту зросла на 0,08 г/см³ (на 5,5 %), підвищилась міцність ґрунту (розрахункові значення кута внутрішнього тертя зросли на , питомого зчеплення - майже в 3 рази), а його деформативність зменшилась у 2,7 рази, питомий опір пенетрації збільшився приблизно в 2,5 раза. Зменшення меж пластичності (, ) і числа пластичності відповідає зміні гранулометричного складу ґрунту. Питоме зчеплення ґрунту збільшилося (а показник текучості відповідно знизився) від дії електрохімічних процесів, тобто за рахунок виникнення додаткових нерозчинних цементаційних зв'язків, відповідно підвищився модуль деформації ґрунту . Збільшення кута внутрішнього тертя ґрунту відбулося за рахунок збільшення площі контактів частинок. Щільність скелету ґрунту зросла через утворення додаткових цементаційних зв'язків і, можливо, дії електрокінетичних процесів.

Отже, у результаті досліджень одержані нові дані про розміри й будову “зони впливу” при закріпленні водонасичених глинистих ґрунтів постійним електричним струмом. Навколо стрижня-електрода виділено три концентричні області ґрунту:

І - область закріплення ґрунту розміром у 5 діаметрів поперечного перерізу стрижня (питомий опір пенетрації у цій зоні зменшується пропорційно відстані від стрижня і коливається від до );

ІІ - перехідна область товщиною, що приблизно дорівнює діаметру стрижня (питомий опір пенетрації у цій зоні зменшується зі збільшенням відстані від стрижня і коливається від до );

ІІІ - область природного ґрунту (питомий опір пенетрації у цій зоні дорівнює значенню цього параметру для природного ґрунту ).

“Зона впливу” при закріпленні ґрунту постійним електричним струмом складається з двох частин (закріплення та перехідної) і становить 6,8 діаметра поперечного перерізу електроду. У межах області закріплення навколо анкеру від дії електрокінетичних й електрохімічних процесів змінився гранулометричний склад ґрунту за рахунок зменшення кількості глинистих частинок і збільшення пилуватих, як наслідок незворотної цементації глинистих частинок в агрегати пилуватої фракції.

Третій розділ містить порівняння результатів моделювання МСЕ взаємодії електрохімічних анкерів з навколишнім масивом і натурних досліджень. На рис. 9 пропонується вісесиметрична розрахункова схема руйнування ґрунту “зони впливу” анкеру при дії на нього висмикуючого навантаження . Зі схеми видно, що після прикладення до стрижня-електроду (радіусом і глибиною закладення ) висмикуючого навантаження ґрунт області закріплення (циліндр радіусом ) починає зміщуватись разом зі стрижнем вгору, що сприяє виникненню сил тертя (опору ґрунту) , спрямованих донизу, на межі областей закріплення та перехідної (її форма - циліндр радіусом ). Повна реалізація сил тертя за бічною поверхнею циліндру радіусом відповідає, так званій, повній зрушувальній деформації , величина якої залежить від виду і стану кожного шару ґрунту, що його оточує.

Моделювання взаємодії анкерів з масивом виконано за рішенням вісесиметричної задачі достатньо апробованого стосовно як паль, так і анкерів програмного комплексу PLAXIS (версія 8) при застосуванні до ґрунту пружно-пластичної моделі Мора - Кулона. Її вихідні параметри: модуль деформації ; коефіцієнт Пуассона ; кут внутрішнього тертя ; його питоме зчеплення ; кут дилатансії ґрунту .

Величини модуля деформації, визначені за компресійними випробуваннями ґрунтів, приймались без підвищуючих коефіцієнтів . Параметри міцності моделі для шарів ґрунтів, що контактують з бічною поверхнею анкеру призначались за випробуваннями на одноплощинне зрушення попередньо ущільнених водонасичених зразків з обробкою результатів за апробованим у ПолтНТУ для паль тертя способом повної логарифмічної перебудови (на графіках у координатах , де - деформації зрушення; - дотичні напруження), а для шарів ґрунтів нижче вістря - з обробкою аналогічних даних за стандартною методикою. На цих графіках точка перетину двох ділянок прямих свідчить про повне руйнування незворотних структурних зв'язків у глинистому ґрунті. За результатами лінеаризації, кінець першої ділянки графіка дає можливість виявити величину питомого опору зрушення (при ) і далі показники міцності ґрунту , , які відповідають зрушувальній деформації анкеру (тертя за бічною поверхнею). Кінцеві ж значення з другої ділянки графіка дозволяють визначити показники міцності , , які відповідають повному процесу подолання міцності ґрунту. Моделювання взаємодії електрохімічних анкерів з водонасиченими глинистими ґрунтами включало в себе послідовні етапи: 1) формування в масиві напружень від власної ваги ґрунту; 2) процеси занурення стрижня-електроду та закріплення ґрунту навколо нього (підвищені значення характеристик ґрунтів у „зоні впливу” анкеру задають цілим областям навколо нього в межах кожного шару); 3) процес прикладання висмикуючої сили ступенями до осьового вузла верхньої грані анкеру. Результати кожного попереднього з них (розміри анкеру та складових „зони впливу”, наведені характеристики ґрунтів, переміщення й напруження в масиві) є вихідними даними для наступного етапу. Для прикладу прийняті геометричні розміри розрахункової зони вісесиметричної задачі: радіус поперечного перерізу м; її глибина м. Кількість 15-вузлових трикутних скінченних елементів (СЕ) - 1238, вузлів сітки СЕ - 10153, точок напружень - 14856. Середній розмір СЕ дорівнює м.

У четвертому розділі викладена аналітична методика прогнозу несучої здатності електрохімічних анкерів і містяться порівняння підсумків визначень несучої здатності анкерів з даними натурних досліджень і моделювання МСЕ. Розроблена методика визначення несучої здатності електрохімічного анкеру у водонасиченому глинистому ґрунті при дії висмикуючої сили враховує як його конструктивні, геометричні та технологічні особливості, так і експериментально встановлені закономірності зміни наведених характеристик міцності ґрунту в межах “зони впливу” анкеру й характер утворення зони суцільних пластичних деформацій у навколишньому масиві при вичерпанні несучої здатності анкеру.

Несуча здатність анкеру складається з двох компонентів: сил тертя ґрунту за бічною поверхнею анкеру й власної ваги анкеру . При цьому анкер прийнято у формі циліндру радіусом (радіус області закріплення) та глибиною закладення (рис. 9). Матеріал анкеру (стрижня та області закріплення) вважають не стисливим. Виходячи з прийнятої моделі спільної роботи електрохімічного анкеру з навколишнім водонасиченим глинистим ґрунтом при дії вертикальної висмикуючої сили, методика розрахунку його несучої здатності містить у собі наступні блоки.

1. Згідно з інженерно-геологічними умовами майданчика, навантаженнями, конструктивними особливостями споруди (наприклад, газопроводу) призначають конструктивні, геометричні та технологічні параметри ґрунтових електрохімічних анкерів, зокрема їх глибину закладення , м, радіус стрижня-електроду , м.

2. Розраховують радіуси поперечного перерізу області закріплення (), м, а також перехідної області (), м, “зони впливу” анкеру.

3. За підсумками випробувань зразків (з кожного шару в межах глибини закладення анкеру) водонасиченого глинистого ґрунту на одноплощинне зрушення способом повної логарифмічної перебудови за графіком залежності між деформаціями зрушення та дотичними напруженнями розраховують величини кута внутрішнього тертя й питомого зчеплення ґрунту, що відповідають моменту завершення деформації зрушення .

4. Несуча здатність електрохімічного анкеру , кН, складається з несучої здатності ґрунту за його бічною поверхнею , кН, і власної ваги анкеру , кН,

, (2)

де - коефіцієнт умов роботи електрохімічного анкеру в ґрунті, .

5. Несуча здатність ґрунту за бічною поверхнею анкеру дорівнює

, (3)

де - зовнішній периметр поперечного перерізу області закріплення анкеру, м; - коефіцієнт умов роботи ґрунту за бічною поверхнею анкеру; - розрахунковий опір тертя за бічною поверхнею електрохімічного анкеру i-го шару ґрунту, кПа; - товщина i-го шару ґрунту в межах глибини такого анкеру , м;

 ; (4)

, (5)

де - безрозмірний коефіцієнт бічного тиску i-го шару ґрунту, що визначають залежно від числа пластичності глинистого ґрунту (його значення підставляють у відсотках) для кожного шару, що прорізає анкер, ; - середній, у межах i -го шару, тиск від власної ваги ґрунту, кПа; , - відповідно розрахунковий кут внутрішнього тертя й питоме зчеплення ґрунту i-го шару, що відповідають завершенню осідання зрушення способом повної логарифмічної перебудови за графіком залежності між деформаціями зрушення та дотичними напруженнями , який одержують методом одноплощинного зрушення попередньо ущільнених водонасичених зразків ґрунту.

6. Власна вага електрохімічного анкеру складає

, (6)

де - питома вага матеріалу анкеру, яку можливо наближено прийняти кН/м³.

7. Розрахункове вертикальне висмикуюче навантаження, що допускається на ґрунтовий анкер, , кН, конкретної споруди визначають за формулою

, (7)

де - коефіцієнт надійності для випадку визначення несучої здатності ґрунтового анкеру розрахунком.

Зіставлення результатів використання аналітичних методів і моделювання для визначення несучої здатності електрохімічних анкерів у водонасичених глинистих суглинках з даними їх натурних статичних випробувань подано в табл. 3.

Таблиця 3Зіставлення результатів використання аналітичних методів і моделювання для визначення несучої здатності анкерів з даними їх статичних випробувань

Таким чином, алгоритм аналітичної методики за даними стандартних інженерно-геологічних досліджень ґрунтових нашарувань конкретного будівельного майданчика з глибин, на яких проектом передбачається влаштування анкерів, та прийнятими геометричними й технологічними параметрами електрохімічних анкерів дозволяє достатньо просто визначити їх несучу здатність без застосування довідкових таблиць нормативного методу, за яким опір ґрунту за бічною поверхнею анкеру встановлюють залежно від непрямих показників ґрунту - глибини розташування середини шару та показника текучості глинистого ґрунту.

Запропонована методика визначення несучої здатності анкерів дає більш задовільну збіжність з даними їх статичних випробувань (відносна похибка - близько 10 %) порівняно з нормативною за довідковими таблицями (відносна похибка - понад 20 %). При цьому обидві методики поступаються за достовірністю способу математичного моделювання МСЕ, а всі три підходи дещо завищують несучу здатність анкерів порівняно з підсумками їх статичних випробувань.

У п'ятому розділі обґрунтовано ефективну конструкцію закріплення нафтогазопроводів від спливання на обводнених територіях з використанням електрохімічного анкеру й екологічно чистий спосіб його влаштування.

Крім двох електрохімічних анкерів, анкерне закріплення трубопроводу складається також зі з'єднання цих анкерів з хомутом (силовим поясом), прокладки (із транспортерної стрічки), що захищає ізоляцію труби, та сталевого хомута.

Розроблено технологічну карту на укладання трубопроводу й закріплення його від спливання на обводнених територіях за допомогою електрохімічних анкерів, що включає стадії: проходження в ґрунтовому масиві траншеї роторним екскаватором й укладання трубоукладачем на її дно труб; забивання арматурних стрижней-електродів (діаметром поперечного перерізу не менше 20 мм); укладення на трубу прокладки з транспортерної стрічки, що захищає зверху та з боків ізоляцію труби, між зануреними в масиві стрижнями-електродами; подача на стрижні-електроди анкерного закріплення трубопроводу постійного електричного струму від трансформатору; попарне з'єднання анкерів силовими поясами за допомогою ручного зварювання; зворотне засипання ґрунтом ділянки газопроводу та траншеї.

Складено також проект „Рекомендацій з визначення несучої здатності електрохімічних анкерів у лесових ґрунтах”, що містять удосконалений метод розрахунку цих анкерів на базі теорії граничної рівноваги за показниками міцності ґрунту і конструктивні, геометричні, технологічні особливості анкерів. Заміну попередньо прийнятих проектами баластувальних вантажів на електрохімічні анкерні пристосування впроваджено для закріплення окремих ділянок газопроводів від спливання на обводнених територіях при: реконструкції газопроводу Амвросієвка - Горлівка - Слов'янськ (у Донецькій обл.) - ділянка довжиною 270 м у заплаві р. Булавини між ПК 21+40 та ПК 27+67; виносі дільниці газопроводу Новодар'ївка - Амвросієвка (у Донецької обл.) з території Росії (48 - 52 км) - ділянка довжиною 60 м у заплаві р. Кам'янки; капітальному ремонті аварійно-небезпечної ділянки магістрального газопроводу Уренгой - Помари - Ужгород (у Черкаській обл.) - ділянка довжиною 80 м на дільниці між 3623,8 і 3626,4 км у заплаві р. Золотоношка; переізоляції дільниці газопроводу Шебелинка - Краснопілля між 108 і 117 км (у Дніпропетровській обл.) - ділянка довжиною 50 м у заплаві р. Вовча (на 115 км траси). Загальний економічний ефект склав понад 280 тис. грн.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

Викладені дослідження свідчать про розв'язання в дисертації наукової задачі із визначення впливу електрохімічного закріплення глинистих ґрунтів на несучу здатність анкерів. Вони дають змогу зробити такі висновки.

1. Несуча здатність занурених у водонасичений глинистий ґрунт арматурних електродів на дію статичного висмикуючого навантаження після електрохімічного закріплення збільшилася у 3,9 раза. Зростання значення несучої здатності анкерів лінійно залежить від витрат електроенергії постійного електричного струму на закріплення ґрунту навколо електродів.

2. “Зона впливу” анкеру при електрохімічному закріпленні ґрунту складається з областей: закріплення, діаметр якої не перевищує 5 діаметрів поперечного перерізу електроду, і перехідної, діаметр якої досягає 6,8 цього діаметру. В області закріплення від дії електрокінетичних та електрохімічних процесів зменшується кількість глинистих частинок і відповідно збільшується пилуватих, збільшується площа контактів частинок, що є наслідком незворотної цементації глинистих частинок в агрегати пилуватої фракції. В області закріплення щільність скелету ґрунту зросла на 5,5 %, кут внутрішнього тертя на , питоме зчеплення - майже в 3 рази, а модуль деформації - у 2,5 рази.

3. Обґрунтовано пружно-пластичну модель механічної поведінки ґрунту з наведеними електрохімічним закріпленням і природними властивостями в межах послідовних концентричних областей “зони впливу” анкеру, що дало можливість проведення коректних досліджень взаємодії ґрунтових анкерів з навколишнім масивом при використанні вісесиметричної задачі методу скінчених елементів. Відносна похибка моделювання спільної роботи анкеру з глинистим ґрунтом і його статичних випробувань не перевищує 11 %.

4. На момент вичерпання несучої здатності анкеру зони пластичних деформацій у ґрунті його „зони впливу” об'єднуються в суцільну оболонку, кільцеву в поперечному перерізі, в межах перехідної області та області закріплення. У верхній частині анкеру зона пластичних деформацій має форму перевернутого вершиною донизу конусу. Перехід графіку залежності підйому анкеру від дії статичного висмикуючого навантаження до нелінійної стадії деформування відбувається при його переміщенні 3-8 мм. Частина несучої здатності анкеру, що відповідає пружнопластичній стадії деформування ґрунту, в загальній несучій здатності анкеру незначна, до 10-15 %.

5. Удосконалено аналітичну методику визначення несучої здатності електрохімічних анкерів шляхом урахування їх конструктивних, геометричних, технологічних особливостей та дослідно встановлених закономірностей зміни наведених характеристик міцності ґрунту в межах “зони впливу” й характеру утворення пластичних деформацій у масиві навколо анкерів при вичерпанні їх несучої здатності. Вона має більш задовільну збіжність з даними їх статичних випробувань (відносна похибка до 10 %) порівняно з нормативною методикою за довідковими таблицями (відносна похибка понад 20 %). Обидві методики поступаються за достовірністю моделюванню, а всі три підходи дещо завищують несучу здатність порівняно зі статичними випробуваннями анкерів.

6. Результати досліджень реалізовано у вигляді: ефективної конструкції електрохімічних анкерів й екологічно чистого способу їх улаштування для закріплення нафтогазопроводів, які дозволяють відмовитись від баластувальних вантажів на обводнених територіях; технологічної карти їх зведення; проекту “Рекомендацій з визначення несучої здатності електрохімічних анкерів у лесових ґрунтах”; при проектуванні, зведенні та реконструкції у заплавах річок окремих ділянок газопроводів Амвросієвка - Горлівка - Слав'янськ, Новодар'ївка - Амвросієвка, Уренгой - Помари - Ужгород, Шебелинка - Краснопілля. Загальний економічний ефект при цьому склав понад 280 тис. грн.

список опублікованих праць за темою дисертації

1. Єрмакова І.А. Аспекти наукового супроводження проектування і будівництва при необхідності поліпшення будівельних властивостей ґрунтів / І.А. Єрмакова, Д.О. Троценко, Ю.В. Алпатов // Збірник наукових праць (галузеве машинобудування, будівництво). - Полтава: ПДТУ, 2002. - Вип. 9. - С. 35 - 40.

2. Троценко Д.О. Натурні дослідження електрохімічних анкерів для закріплення нафтогазопроводів / Д.О. Троценко // Збірник наукових праць (галузеве машино-будування, будівництво). - Полтава: ПолтНТУ, 2008. - Вип. 22. - С. 103 - 110.

3. Зоценко М.Л. Лабораторні дослідження електрохімічного закріплення лесових ґрунтів / М.Л. Зоценко, М.І. Лапін, Д.О. Троценко // Коммунальное хозяйство городов: Науч.-техн. сб. Вып. 90 - К.: „Техніка”, 2009. - С. 189 - 197.

4. Зоценко М.Л. Закономірності впливу параметрів електрохімічного закріплення лесових ґрунтів на несучу здатність анкерів / М.Л. Зоценко, Д.О. Троценко, В.А. Титаренко // Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна. - Вип. 32. - Дн-вск.: Вид-во Дніпропетр. нац. Ун-ту залізн. трансп. ім. акад. В. Лазаряна, 2010. - С. 49 - 54.

5. Троценко Д.О. Чисельне моделювання напружено-деформованого стану основ електрохімічних анкерів / Д.О. Троценко // Строительство, материаловедение, машиностроение: Сб. научн. трудов. Вып. 56. - Дн-вск, ПГАСА, 2010. - C. 543 - 549.

6. Троценко Д.О. Методика розрахунку несучої здатності електрохімічних анкерів у лесових ґрунтах / Д.О. Троценко // Збірник наукових праць (галузеве машино-будування, будівництво). - Полтава: ПолтНТУ, 2010. - Вип. 3 (28). - С. 271 - 277.

7. Троценко Д.О. Баластування трубопроводів анкерами за допомогою електричного струму / Д.О. Троценко // Інформаційний огляд ДК „Укртрансгаз”, 2003. - № 1 (19). - С. 19 - 20.

Размещено на Allbest.ru