Методика расчета гравитационных фундаментов ледостойких стационарных платформ с определением напряженно-деформированного состояния грунтового основания как на период эксплуатации платформы, так и на период установки
Опубликовано: 02.09.2018
ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "ГАЗПРОМ"
Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий - ВНИИГАЗ" Общество с ограниченной ответственностью "Информационно-рекламный центр газовой промышленности"
СТАНДАРТ ОРГАНИЗАЦИИ
МЕТОДИКА
РАСЧЕТА ГРАВИТАЦИОННЫХ ФУНДАМЕНТОВ ЛЕДОСТОЙКИХ СТАЦИОНАРНЫХ ПЛАТФОРМ С ОПРЕДЕЛЕНИЕМ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ГРУНТОВОГО ОСНОВАНИЯ, КАК НА ПЕРИОД ЭКСПЛУАТАЦИИ ПЛАТФОРМЫ, ТАК И НА ПЕРИОД УСТАНОВКИ
СТО Газпром 2-3.7-30-2005
Москва 2005
Предисловие
1 РАЗРАБОТАН: Обществом с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий - "ВНИИГАЗ"
2 ВНЕСЕН: Управлением техники и технологии разработки морских месторождений Департамента по добыче газа, газового конденсата и нефти ОАО "Газпром"
3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ : Распоряжением ОАО "Газпром"от 25 апреля 2005 г. № 6 с 12 августа 2005 г.
4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ:
Содержание
Необходимость разработки Методики расчета гравитационных фундаментов ледостойких стационарных платформ с определением напряженно-деформированного состояния грунтового основания как на период эксплуатации платформы, так и на период установки обосновывается отсутствием соответствующей нормативной документации, учитывающей особенности конструкции ледостойких стационарных платформ (ЛСП) гравитационного типа с фундаментами ребристой конструкции, которые существенно улучшают условия взаимодействия фундамента с водонасыщенным грунтовым основанием и упрощают технологию установки платформ на естественное основание.
Методика составлена Д.А. Мирзоевым, С.И. Шибакиным, Д.А. Онищенко, С.Н. Хахалиной, Р.С. Шибакиным, Г.С. Земляковой.
СТАНДАРТ ОТКРЫТОГО АКЦИОНЕРНОГО ОБЩЕСТВА "ГАЗПРОМ"
МЕТОДИКА РАСЧЕТА ГРАВИТАЦИОННЫХ ФУНДАМЕНТОВ
ЛЕДОСТОЙКИХ СТАЦИОНАРНЫХ ПЛАТФОРМ С ОПРЕДЕЛЕНИЕМ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ГРУНТОВОГО ОСНОВАНИЯ, КАК НА ПЕРИОД ЭКСПЛУАТАЦИИ ПЛАТФОРМЫ, ТАК И НА ПЕРИОД УСТАНОВКИДата введения 2005-08-12
Настоящая Методика расчета гравитационных фундаментов ледостойких стационарных платформ с определением напряженно-деформированного состояния грунтового основания как на период эксплуатации платформы, так и на период установки (далее - Методика) распространяется на расчет взаимодействия ледостойких стационарных платформ гравитационного типа с грунтовым основанием на период их установки и эксплуатации.
Настоящая Методика может быть использована при разработке проектов обустройства месторождений шельфа структурными подразделениями, дочерними обществами и организациями ОАО "Газпром".
2.1 В настоящей Методике применяются термины по [ 1, 2 ],
2.2 В настоящей Методике применяются следующие основные обозначения:
b - ширина фундамента сооружения, м;
bp - толщина лобовой поверхности ребристого элемента, м;
h - глубина погружения ребристого элемента, м;
hp - высота ребристого элемента, м;
kfn - нормативное значение коэффициента запаса устойчивости;
l - длина фундамента сооружения, м;
lh - суммарная длина в плане ребристых элементов, м;
lp - расстояние между ребристыми элементами, м;
su - сопротивление недренированному сдвигу, МПа;
u - поровое давление воды, МПа;
C - удельное сцепление грунта, МПа;
Eph , Eah - расчетные значения горизонтальных составляющих сил пассивного и активного давления грунта на 1 пог. м длины заглубленной части сооружения, МН;
F - расчетное значение обобщенных сдвигающих сил, МН;
P - расчетная нагрузка от веса платформы, МН;
R - расчетное значение сил предельного сопротивления, МН;
Rp - суммарное сопротивление задавливанию ребристых элементов, МН;
Rult - расчетное значение предельного горизонтального сопротивления при плоском сдвиге, МН;
S - совместная деформация основания и сооружения, м;
Su - предельное значение совместной деформации основания и сооружения, м;
V - сумма вертикальных составляющих расчетных нагрузок по плоскости сдвига, МН;
γ c - коэффициент условий работы;
γ lc - коэффициент сочетания нагрузок;
γ n - коэффициент надежности по степени ответственности сооружения;
σ - полное нормальное напряжение, МПа;
σ n - эффективное нормальное напряжение, МПа;
τ - касательное напряжение, МПа;
φ - угол внутреннего трения грунта, град.;
ξγ , ξq , ξc - коэффициенты формы фундамента.
2.3 В настоящей Методике применяются следующие сокращения:
ЛСП - ледостойкая стационарная платформа;
МКЭ - метод конечных элементов;
НДС - напряженно-деформированное состояние;
ЭВМ - электронно-вычислительная машина.
3.1 При расчетах оснований ЛСП гравитационного типа следует учитывать требования СНиП 2.02.01-83* [1] , СНиП 2.02.02-85* [2] , а также технологические требования, характерные для ЛСП.
Расчеты оснований ЛСП гравитационного типа в сейсмических районах выполняют с учетом требований СНиП II -7-81 [3 ].
3.2 Обоснование конструкции фундаментной части ЛСП гравитационного типа производят на основании следующих расчетов:
- несущей способности грунтового основания и общей устойчивости сооружения;
- действующих контактных напряжений;
- оснований по деформациям;
- установки платформы.
3.3 Расчеты оснований следует проводить в полных напряжениях при условии
(3.1)
или в эффективных напряжениях при условии
(3.2)
где τ - касательное напряжение, МПа;
Su - сопротивление недренированному сдвигу, МПа;
φ - угол внутреннего трения грунта, град.;
C - удельное сцепление грунта, МПа:
σ n - эффективное нормальное напряжение, вычисляемое по формуле
(3.3)
где σ - полное нормальное напряжение, МПа;
u - поровое давление воды, МПа.
При этом расчеты для полностью дренируемых, частично дренируемых и не дренируемых условий следует проводить в зависимости от таких факторов, как:
- свойства (проницаемости) верхних слоев грунтового основания;
- конструктивные особенности фундамента платформы (наличие ребристых элементов и их длина, а также наличие специальных устройств для разгрузки порового давления в контактной зоне и т.п.);
- характер воздействия (нагрузки).
3.4 Расчет в эффективных напряжениях производят на эффективные прочностные характеристики грунта на основании расчетной оценки развития порового давления в основании.
3.5 Допускается на начальных стадиях проектирования и при соответствующем обосновании использовать комбинированные подходы к расчету основания, принимая:
- для несвязных проницаемых грунтов - эффективные напряжения и прочностные параметры φ и С ;
- для связных малопроницаемых грунтов - полные напряжения и параметр сопротивления сдвигу Su .
4.1 Расчет устойчивости (несущей способности) системы "сооружение - основание" производят с целью определения условного коэффициента запаса устойчивости kfn , показывающего, во сколько раз должны измениться условия системы, приводящие ее в предельное состояние. При этом в качестве изменяющихся условий могут выступать:
- параметры внешних воздействий (нагрузок) - сил, моментов и их сочетаний;
- параметры удерживающих сил и моментов:
- прочностные характеристики грунтов.
Критерием обеспечения устойчивости ЛСП, системы "сооружение - основание" является условие:
(4.1)
где F и R - расчетные значения соответственно обобщенных сдвигающих сил и сил предельного сопротивления, МН;
kfn - нормативное значение коэффициента запаса устойчивости, вычисляемое по формуле
(4.2)
где γ n - коэффициент надежности по степени ответственности сооружения, для ЛСП принимают γ n =1,25;
γ1с - коэффициент сочетания нагрузок, принимаемый:
γ1с = 1,00 - для основного сочетания нагрузок,
γ1с = 0,90 - для особого сочетания нагрузок,
γ1с = 0,95 - для строительного периода;
γс - коэффициент условий работы, принимаемый в соответствии со СНиП 2.02.02-85* [2] .
4.2 Расчет устойчивости ЛСП, связанный с потерей основанием несущей способности, следует проводить методами, учитывающими неоднородность грунтового основания, заглубление фундаментной части в грунт, действующие на фундамент нагрузки (распределение давлений по подошве), последовательность их приложения и другие факторы и условия, на основе поиска наиболее опасных форм разрушения грунтового основания [ 4, 5 ].
4.3 Допускается расчет несущей способности основания проводить численными методами исходя из анализа НДС грунтового массива, используя нелинейные модели грунта.
4.4 В расчетах устойчивости ЛСП следует рассматривать возможность потери устойчивости по схемам плоского, смешанного и глубинного сдвигов.
4.5 Расчет устойчивости на основании, сложенном из песчаных, крупнообломочных, твердых и полутвердых пылевато-глинистых грунтов, по схеме плоского сдвига является основным. Окончательную схему сдвига выбирают с учетом требований СНиП 2.02.02-85* (пункты 3.5, 3.9 и 3.11) [2] .
4.6 Расчет устойчивости ЛСП по схеме плоского сдвига выполняют по формуле
(4.3)
где Ruh - расчетное значение предельного горизонтального сопротивления при плоском сдвиге. МН;
V - сумма вертикальных составляющих расчетных нагрузок по плоскости сдвига, МН;
tgφ , C - эффективные параметры прочности грунта по плоскости сдвига;
b - размер (ширина) фундамента сооружения по направлению действия сдвигающей силы, м;
l - размер (длина) фундамента сооружения в направлении, перпендикулярном действию сдвигающей силы, м;
Eph , Eah - соответственно расчетные значения горизонтальных составляющих сил пассивного и активного давления грунта на 1 пог. м длины заглубленной части сооружения, МН, рассчитываемые по СНиП 2.06.07-87 [6] .
4.7 При расчете ЛСП по схеме плоского сдвига в зависимости от конструкции фундамента и грунтовых условий следует рассматривать следующие схемы разрушения:
- при плоской подошве ЛСП - по плоскости опирания сооружения на основание;
- при наличии в фундаментной части ЛСП заглубленных ребристых элементов - по плоскости, проходящей через их нижние концы, при относительном шаге ребристых элементов
(4.4)
где lp - расстояние между ребристыми элементами, м;
hp - высота ребристого элемента, м;
- при наличии в основании сооружения наброски в виде каменной "постели" или "постели" из других материалов, имеющих прочностные характеристики, превышающие характеристики естественных грунтов основания, - по плоскостям, проходящим по контакту сооружения с "постелью" и "постели" с грунтом; при заглублении "постели" в грунт следует рассматривать также наклонные поверхности внутри "постели";
- при наличии в основании горизонтальных или слабонаклонных слоев грунта - по плоскости, проходящей по поверхности раздела слоев грунта.
4.8 Расчет устойчивости ЛСП по схемам смешанного и глубинного сдвига производят по СНиП 2.02.02-85* (пункты 3.9-3.12) [2] только для однородных грунтовых оснований.
При неоднородном грунтовом основании допускается использование метода круглоцилиндрических поверхностей скольжения в соответствии со СНиП 2.02.02-85* (приложение 8) [2] .
4.9 Переход от решений плоской задачи к пространственной производят для ЛСП с соотношением сторон 
или при заглублении 
исходя из следующих рекомендаций:
- при расчете методами, определяющими (или принимающими) расчетную поверхность разрушения - учетом сил трения и сцепления по боковым поверхностям сдвигающего массива; при этом давление на боковые поверхности принимают, как правило, равным давлению покоя, определяемому по СНиП 2.06.07-87 (пункт 3 приложения 9) [6] ;
- при расчете методами, использующими аналитические зависимости (например, по трехчленной формуле К. Терцаги) - введением коэффициентов формы фундамента ξγ , ξq , ξc , аналогичных коэффициентам формы по СНиП 2.02.01-83* (пункт 2.62) [1] и определяемых по формулам:
(4.5)
где kδ - коэффициент, определяемый из выражений:
(4.6)
φ - обозначение то же, что в 3.2 ;
b , l - обозначения те же, что в 4.5 ;
δ - угол наклона к вертикали равнодействующей нагрузки, град.
4.10 В случае, если расчетная сдвигающая сила F приложена с эксцентриситетом в плоскости подошвы 
, расчет устойчивости ЛСП с поворотом в плане следует выполнять в соответствии со СНиП 2.02.02-85* (пункт 3.8 приложения 6) [2] .
4.11 Расчет устойчивости на опрокидывание целесообразно проводить для скальных и полускальных оснований, а также для нескальных оснований с модулем деформации Е >50 МПа.
Расчет на опрокидывание производят по формуле (4.1) ,
где F = Ml - сумма моментов сил, опрокидывающих сооружение;
R = М r - сумма моментов сил, удерживающих сооружение;
kfn - обозначение то же, что в 4.1 ;
где γс - коэффициент условий работы, принимаемый равным 1,00.
При расчете на опрокидывание следует рассматривать расчетную схему с поворотом вокруг низовой грани ЛСП, а также в соответствии со СНиП 2.02.02-85* (пункт 3.20) [2] - опрокидывание с возможностью нарушения прочности (смятия) основания в зоне низовой грани ЛСП.
4.12 Для нескальных оснований расчет на опрокидывание заменяют на ограничение эксцентриситета приложения равнодействующей всех нагрузок, действующих на ЛСП (боковое давление грунта с верховой и низовой граней ЛСП не учитывается), исходя из условия
(4.7)
где ef - эксцентриситет приложения равнодействующей всех нагрузок;
efn - предельно допустимое значение эксцентриситета, которое определяется из недопущения отрыва подошвы платформы от основания на участке, превышающем 0,25 b ( b - размер подошвы ЛСП в направлении действия сдвигающей нагрузки), исходя из простейшей контактной модели основания 
;
γ с ,γ lc и γ n - обозначения те же, что в 4.2 .
5.1 Контактные напряжения (нормальные и касательные напряжения по контакту "сооружение - основание" и по расчетной поверхности сдвига при наличии в фундаментной части заглубленных ребристых элементов) необходимо определять для использования их в расчетах прочности конструкций фундаментной части сооружения, а также в расчетах оснований по несущей способности и деформациям.
При определении контактных напряжений необходимо учитывать конструктивные особенности фундамента, последовательность возведения ЛСП и вид основания.
5.2 Для ЛСП гравитационного типа контактные напряжения следует определять методами механики сплошной среды (линейной и нелинейной) теории упругости и теории пластичности. На начальных стадиях проектных работ допускается использовать метод внецентренного сжатия согласно СНиП 2.02.02-85* (приложение 9) [2] .
5.3 При получении на участке подошвы фундамента касательных напряжений, превышающих предельные и определяемых по формуле
(5.1)
где τ lim - предельные касательные напряжения по подошве фундамента;
σ , φ , C - обозначения те же, что в 3.3 , они должны быть приняты равными предельным, а на остальных участках должны быть пересчитаны.
5.4 При наличии неровностей на поверхности морского дна или линз грунта с более высокими прочностными характеристиками нормальные контактные напряжения следует определять методами нелинейной теории упругости или теории пластичности.
6.1 Расчет оснований ЛСП гравитационного типа по деформациям производят с целью ограничения абсолютных или относительных перемещений пределами, гарантирующими нормальную эксплуатацию ЛСП в целом или ее отдельных частей и обеспечивающими требуемую надежность и долговечность. При этом прочность и трещиностойкость конструкции подтверждается расчетом с учетом усилий, возникающих при взаимодействии ЛСП с основанием.
При проектировании нескольких близкорасположенных сооружений или вблизи от существующего необходимо определять деформации с учетом их взаимного влияния.
6.2 Расчет по деформациям производят исходя из условия
(6.1)
где S - совместная деформация основания и сооружения (осадка - s , горизонтальное смещение - и, крен - i идр.), определяемая расчетом, м;
Su - предельное значение совместной деформации основания и сооружения, м.
6.3 Предельные значения совместной деформации устанавливаются соответствующими нормами проектирования сооружений, правилами технической эксплуатации ЛСП и оборудования или техническим заданием на проектирование исходя из необходимости соблюдения:
- технологических требований к деформациям ЛСП, включая требования к нормальной эксплуатации оборудования - для расчетов по второй группе предельных состояний;
- требований к прочности и устойчивости конструкций, включая общую устойчивость ЛСП - для расчетов по первой и второй группам предельных состояний.
6.4 Расчет совместных деформаций системы "сооружение - основание" следует производить с учетом наиболее существенных факторов, определяющих НДС основания и конструкции: статической схемы ЛСП , особенностей ее возведения, неоднородности грунтового основания, пластических и реологических свойств грунтов, возможности их изменения в процессе строительства и эксплуатации ЛСП и т.д.
Рекомендуется использовать апробированные нелинейные модели механики сплошных сред, реализованные численным методом - МКЭ - на основании специализированных программ для ЭВМ, основные классы которых представляют:
- модели нелинейной упругости, в том числе гиперболическая модель;
- упругопластические модели на основе деформационной теории пластичности;
- упругопластические модели на основе моделей пластического течения;
- упруговязкие и вязкопластические модели.
6.5 Для решения отдельных задач взаимодействия ЛСП с грунтом (например, для определения контактных давлений, осадок и др. вопросов) на ранних стадиях проектирования, а также при специальном обосновании допускается использование упрощенных моделей и методов, таких как:
- нелинейные контактные и комбинированные модели;
- модели линейно деформированного полупространства и слоя.
6.6 Деформационные расчеты системы "сооружение - основание" следует производить для условий пространственной задачи. Для ЛСП с соотношением сторон l / b > 3 допускается выполнять расчеты для условий плоской деформации.
При обосновании допускается производить переход от решений в плоской постановке к пространственной, используя соответствующие расчеты на основе линейно деформированных моделей грунта.
6.7 При расчете оснований по деформациям для грунтов всех категорий следует определять конечные (стабилизированные) перемещения, а для глинистых грунтов, при необходимости, величины нестабилизированных перемещений, соответствующие незавершенному процессу деформирования (при коэффициенте степени консолидации 
) и перемещения, обусловленные ползучестью грунтов.
6.8 На предварительных стадиях проектирования, а также при соответствующем обосновании основные параметры деформирования ЛСП (осадка, крен, горизонтальное смещение) допускается определять по СНиП 2.02.02-85* [2] :
- конечная осадка - пункты 7.7-7.9;
- нестабилизированная осадка - пункт 7.10;
- крен (наклон) - пункты 7.1-7.13;
- горизонтальное смещение - пункты 7.14-7.16.
6.9 Контактные напряжения (нормальные и касательные), необходимые для расчетов фундаментной части ЛСП: следует определять с учетом основных факторов и с использованием методов, указанных в 5.2 и 5.4 .
При расчете контактных напряжений следует учитывать микрорельеф поверхности грунта, возможность присутствия крупных включений из валунов, вероятность размыва дна под частью подошвы ЛСП, условия цементации контактной зоны и т.п.
7.1 Требования по взаимодействию ЛСП с грунтовым основанием при установке и снятии зависят от конструкции фундаментной части платформы, условий ее транспортировки, погружения, фиксации на точке, балластировки и дебалластировки и определяются в техническом задании на проектирование. При этом должны быть:
- соблюдены условия установки платформы в проектное положение;
- обеспечена прочность фундаментных конструкций на всех этапах установки;
- исключено разрушение грунтового основания при установке;
- обеспечены отрыв и всплытие ЛСП при снятии с площадки.
7.2 Одним из условий установки платформы в проектное положение является требование погружения в грунт всех элементов фундамента, расположенных ниже подошвы ЛСП: ребристых элементов, штырей - фиксаторов и т.п., что обеспечивается соблюдением условия
(7.1)
где Р - расчетная нагрузка от веса платформы, передаваемая на основание в период установки, МН;
Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.
