В данной статье анализируется явление осадки как ключевого негативного фактора в условиях строительства на неустойчивом грунте. Также применение стандартных способов оценки и измерений осадки зданий и сооружений на суше осложняется в условиях морского строительства. Для мониторинга осадки морских сооружений найти фиксированную систему отсчета крайне сложно. В этой статье рассматривается метод мониторинга осадки морских платформ, анализируется компрессионные свойства грунтов и оценивается отрицательное влияние осадки сооружения.
Ключевые слова: Китай, осадка, морские платформы, мониторинг, методы контроля
Проектирование и последующее строительство зданий и сооружений — одна из ведущих сфер деятельности международных компаний на сегодняшний день. Большое количество предприятий берется построить здания любого размера в любой части нашей планеты, однако, существуют задачи, способные поставить в тупик лучшие строительные компании. Например — строительство морских нефтедобывающих платформ. Экстремальный вариант данного строительства — арктические условия вечной мерзлоты крайнего севера. В данных условиях работает всего несколько компаний с капиталом из десятка различных стран-участников проекта. Капитал подобных проектов может достигать сотен миллионов долларов и инвестиционная окупаемость может длиться десятилетиями. В таких условиях инвесторам исключительно важно быть уверенными в том, что строительные компании могут предсказывать то, как поведут себя строящиеся конструкции в той или иной среде, и, основываясь на этих данных, осуществлять проектирование с учетом применения необходимых корректировок. Ключевым вопросом, которые обуславливает данные обстоятельства является среда, где происходит данное строительство и сопутствующие данной среде явления. Например, такие негативные явления, как осадка, которые обычно хорошо учитываются при наземном строительстве, однако трудны для учета в условиях неустойчивого грунта.
Осадка — это распространенное явление, которое особенно часто наблюдается в гражданском строительстве. Данное явление обязательно должно быть учтено уже на тапе проектирования зданий и сооружений, в особенности — это касается сооружений, имеющих сложный конструкционный характер. Интересно, что в условиях нахождения строительных конструкций на мелководье, они также подвержены осадке при неблагоприятных условиях среды и неустойчивом грунте. Осадка зависит от глубины заложения фундамента, от подстилающего слоя грунта и от других факторов. Стальная платформа на сваях глубокого заложения устойчивей буровой самоподъёмной платформы на фундаменте мелкого заложения. Самоподъемная буровая платформа была подвержена тайфуну 8 сентября 2010 года на нефтяном месторождении Шэнли. Крен платформы достиг 45 градусов, этот случай произошел из-за осадки грунта.
Проблема осадки морских платформ является актуальной во всем мире. Как правило, буровые платформы устанавливаются очень далеко от земли. Поэтому возникают проблемы, связанные с мониторингом осадки, так как, в отличие от гражданского строительства, в морских условиях сложно выбрать фиксированную систему отсчета для оценки осадки фундамента. Некоторые производят мониторинг с использованием технологии GPS [1, 2]. Это эффективный и удобный способ мониторинга для морских платформ. Недостатком такого способа является низкая точность измерения и трудность в обеспечении долговременной устойчивости прибора, а также то, что доступ к услуге GPS высокой точности в Китае ограничен. Для решения этой проблемы, в этой статье рассматриваются альтернативные способы мониторинга осадки морских платформ.
Существует три фазы напряженно-деформированного состояния при деформации грунтов под нагрузкой. Первая фаза — фаза упругих деформаций. Происходит в том случае, когда вертикальная нагрузка, действующая на грунт, не превышает критическую силу Ркр. Деформации грунта обратимы, носят линейный характер. Это означает, что на этой стадии грунт является эластичным. Pкр — пластическая критическая сила. Вторая фаза — фаза упругих деформаций. Происходит в том случае, когда вертикальная нагрузка больше пластической критической силы. Деформации грунта необратимы, носят нелинейный характер. Это означает, что на этой стадии грунт пластичен. Третья фаза — фаза выпора. Происходит в том случае, когда вертикальная нагрузка превышает предельную силу Pu. В результате этого осадка происходит за счет того, что грунт в основании сооружения перемещается на поверхность грунтового массива. При этом происходит поднятие грунта вокруг сооружения. Эта фаза несет за собой разрушение основания. Расчетные значения Ркр и Рu можно получить в ходе лабораторного испытания грунтов методом сжатия.
Проблема осадки морских платформ является такой же актуальной, как и для гражданского строительства. Отрицательное влияние осадки на конструкции морских платформ возникает вследствие двух причин. Первая причина связана с неравномерным оседанием свай, обусловленное деформациями опорного основания каркасной конструкции, приводит к концентрации напряжений, повреждению конструкций и прочим проблемам. Вторая причина — это нагрузка выше допустимой, которая приходятся на основание. В этом случае грунт выдавливается в стороны из под свайного фундамента и конструкция платформы начинает проседать с большой скоростью. При таких обстоятельствах платформа разрушится или перевернется моментально.
Очевидно, что должны соблюдаться требования к несущей способности фундамента, иначе это может привести к серьезным последствиям. Несущую способность фундамента необходимо учитывать в процессе проектирования платформ. Но подстилающий слой грунта неустойчив, а вес платформы, как правило, возрастает, и поэтому может оказаться так, что несущей способности фундамента недостаточно для нормальной эксплуатации сооружения. Для предотвращения этого необходимо учесть и оценить все силы, действующие на основание платформы. Как правило, первым признаком развития осадки является деформация конструкций, которая происходит вследствие неравномерного оседания свай. Если деформации незначительны и осадка равномерна, то это не принесет большие повреждения объекту.
Суммарная нагрузка, приходящаяся на сваи, состоит из собственного веса конструкции платформы и динамической нагрузки. Как правило, на месте эксплуатации объекта трудно измерить силы, действующие на морскую платформу. Неравномерная осадка морских платформ небезопасна и недопустима. На месте эксплуатации объекта трудно измерить абсолютную величину осадки грунта, но легко измерить неравномерную осадку свай, используя стандартные технологии, применимые в гражданском строительстве.
Также можно измерить деформации конструкций и оценить их состояние, насколько оно безопасно. Для морской платформы, мы можем измерить напряжение или угол наклона балок, вызванные неравномерной осадкой.
В северо-восточной части Бохайского залива расположена стальная платформа на сваях с шестью опорами. В целях экономии на стоимости аренды бурового судна, платформа оснащена буровым оборудованием и бурение происходит с самой платформы. Общий вес этой платформы огромен. Так как на платформе осуществляется процесс бурения скважины, то на опоры и саму платформу передаются большие динамические нагрузки от данного процесса. Кроме того, грунт в месте расположения оголовка свай очень слаб для того, чтобы использовать его в качестве несущего слоя. С поверхности залегает слой песка и глины. Это означает, что основание платформы слабое, в то время как статический вес и динамические силы велики и переменны. Эти факторы порождают большой риск осадки платформы. Таким образом, необходим мониторинг состояния платформы и оценка риска осадки посредством анализа полученных данных. Для оценки риска осадки сооружения по полученным данным мониторинга, необходимо осуществить контроль сил, действующих на шесть свай, неравномерной осадки шести опор и деформации конструкции на месте эксплуатации.
Во-первых, очень трудно измерить силы, действующие на сваи, через датчики измерения силы, поскольку их невозможно установить между сваей и грунтом. Сваи, по мере изменения сил, действующих на них, будут подвержены сжатию. Деформации сваи линейные, поэтому мы можем оценить, как меняются силы, измеряя деформации свай. Для этого необходимо установить волоконные решетки Брэгга (датчики для измерения деформаций) на поверхность сваи для мониторинга сил, действующих на конструкцию [3]. Во-вторых, на сваи необходимо установить контрольное оборудование для вычисления неравномерной осадки. На балки, соединяющие опоры, установить тензодатчики, которые чувствительны к деформациям, возникающим при осадке, и наклономеры для мониторинга изменения углов. Входе ведения мониторинга по такой системе можно получить некоторые данные, на основе которых можно оценить осадку платформы. Также можно избежать проблем, вызванных предельными силами, путем мониторинга и контроля сил.
При строительстве сооружений на суше не возникает проблем в мониторинге осадки зданий, но применение стандартных методов контроля осадки морских платформ осложняется условиями, в которых существуют такие сооружения. В частности, это обусловлено размерами самих сооружений и их функциональными особенностями. Учитывать при этом необходимо и то, в какой среде находятся данные конструкции. Некоторые технологии, которые применяются для мониторинга осадки за пределами Китая, трудноисполнимы на территории того же Китая. В этой статье автором рассмотрен простой и эффективный метод мониторинга осадки морских платформ, основанный на анализе компрессионных свойств грунтов.
Литература:
- Mes M. J.; Gustavsen K.; Landau H.; Luttenberger C.; Phillips Pet. Co., Tananger. Ekofisk automatic GPS subsidence measurements. OCEANS '95. MTS/IEEE. Challenges of Our Changing Global Environment. Conference Proceedings.1995, vol. 1:178–186.
- Joseph M. Gebara, Dan Dolan, Stuart Pawsey, Philippe Jeanjean, Knut Dahl-Stamnes. Assessment of Offshore Platforms Under Subsidence—Part I: Approach. Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering, 2000, Vol. 122:260–266.
- SAMCO F08b Руководство по мониторингу состояния конструкций. — 2013 г. — С. 16.
