Сейсмодинамика подземных полимерных трубопроводов с переменными коэффициентами взаимодействия

Аннотация

Актуальность и востребованность темы диссертации. Во всем мире трубопроводы используются для транспортировки сырья, что является наиболее эффективным способом и имеет важное значение в производственной инфраструктуре. В настоящее время наметилась тенденция широкого применения полимерных труб для транспортировки нефти, нефтепродуктов, газа, проложения водопроводов, канализации и в агрессивных грунтах. Это обусловлено их высокой коррозионной стойкостью к воздействиям агрессивных сред, большой долговечностью и пропускной способностью, минимальным весом, высокими темпами строительства и устойчивостью к природным условиям, в том числе сейсмическим. В зарубежных странах накоплен достаточный практический опыт в области эксплуатации систем подземных трубопроводов из полимерных материалов и поведения их при сильных землетрясениях, при этом особое внимание уделяется сейсмобезопасности. Важное место в мире занимают вопросы повышения сейсмостойкости, уменьшения сейсмических воздействий и возможных повреждений подземных трубопроводов при землетрясениях. В этой сфере пристальное внимание уделяется вопросам разработки критериев дифференцированной оценки сейсмических и взрывных воздействий на трубопроводные системы, а также классификации и прогнозу повреждаемости подземных полимерных трубопроводов при сейсмических воздействиях, определению силы взаимодействия в системе «труба-грунт» при различных степенях влажности, разработке методики численного расчета напряженно-деформированного состояния подземных полимерных трубопроводов с учетом переменного коэффициента взаимодействия при различных видах сейсмических нагрузок, выполнению целевых научных исследований, формулирующих важные задачи в данной области. С приобретением независимости в нашей республике реализуются всеобъемлющие мероприятия по повышению сейсмостойкости подземных сооружений и обеспечению сейсмической безопасности. В этом отношении достигнуто следующее - повышена сейсмостойкость строящихся подземных трубопроводов, и снижен уровень возможных повреждений от сейсмических воздействий. Наряду с этим строительство трубопроводов в неоднородных грунтовых уловиях на сейсмических территориях требует совершенствования методов расчета на возможные сейсмические воздействия с целью повышения их прочности. В стратегии действий по дальнейшему развитию Республики Узбекистан на 2017-2021 года ставится задача реализации целевых программ «...повышение уровня обеспеченности коммунально-бытовыми услугами, ...обеспечение населения в сельской местности чистой питьевой водой путем строительства новых водопроводных линий...»1. Осуществление данной задачи, в частности, разработка критерий дифференцированной оценки сейсмических воздействий, определение взаимодействия вдоль оси трубопровода с учетом влажности грунта, совершенствование методов численного расчета напряженно-деформированного состояния подземных полимерных трубопроводов с переменными коэффициентами взаимодействия является важной задачей. Данное диссертационное исследование в определенной степени служит выполнению задач, предусмотренных Указами Президента Республики Узбекистан №УП-4947 от 7 февраля 2017 года «О Стратегии действий по дальнейшему развитию Республики Узбекистан», №УП-5066 от 1 июня 2017 г. «О мерах по коренному повышению эффективности системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций», №ПП-3190 от 9 августа 2017 года «О мерах по совершенствованию проведения научных исследований в области сейсмологии, сейсмостойкого строительства и сейсмической безопасности населения и территории Республики Узбекистан» и Постановлением Кабинета Министров №71 от 03 апреля 2007 г. «Государственной Программы по прогнозированию и предупреждению чрезвычайных ситуаций», а также других нормативноправовых документов, принятых в данной сфере. Целью исследования является разработка методов оценки сейсмонапряженного состояния подземных полимерных трубопроводов с переменными коэффициентами взаимодействия, расположенных в структурно неоднородных грунтах. Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем: разработаны критерии дифференцированной оценки сейсмических и взрывных воздействий на системы трубопроводов, классификация и прогноз повреждаемости подземных полимерных трубопроводов при сейсмических воздействиях; определен переменный коэффициент взаимодействия вдоль оси трубопровода с учетом влажности грунта; разработана методика численного расчета напряженно-деформированного состояния подземных полимерных трубопроводов с учетом переменного коэффициента взаимодействия; разработана методика расчета напряженно-деформированного состояния подземных полимерных трубопроводов при произвольном направлении сейсмических нагрузок. Заключение На основе результатов исследований, проведенных по теме «Сейсмодинамика подземных полимерных трубопроводов с переменными коэффициентами взаимодействия» диссертации доктора философии (PhD) представлено следующее заключение: 1. На основе анализа последствий землетрясений на подземные трубопроводы разработана их классификация, выявлены критерии повреждаемости и составлен прогноз ожидаемых повреждений и разрушений в зависимости от интенсивности сейсмического воздействия. Определена зависимость поведения подземных трубопроводов при землетрясениях от физико-механических свойств окружающего грунта, материала, геометрических размеров и конструктивных особенностей трубопровода, глубины его заложения, соотношения фронта сейсмической волны к направлению продольной оси трубы. 2. Экспериментально определен коэффициент продольного взаимодействия полимерных труб с окружающим грунтом в зависимости от изменения влажности окружающего грунта и проведена серия экспериментов по исследованию влияния скорости нагружения на параметры взаимодействия трубы с грунтом. На основе приближенных теоретических формул проведены теоретико-экспериментальные исследования по определению параметров взаимодействия подземных трубопроводов с окружающим грунтом. 3. Разработана методика построения переменного коэффициента взаимодействия трубопровода с грунтом. Построены графики распределения переменного коэффициента взаимодействия по координате для четырёх случаев изменения влажности вдоль продольной оси трубопровода, на основе проведенных экспериментальных исследований на полимерных трубах. 4. Решены задачи продольных колебаний подземного полимерного трубопровода с переменными коэффициентами взаимодействия для различных условий закрепления концов трубопровода и рассмотрены четыре вида закона распределения влажности вдоль оси трубопровода. Определено напряженно-деформированного состояния полимерных трубопроводов с учетом влияния условий закрепления, грунтовых условий, то есть степень влажности и изменение ее режима по длине трубопровода. 5. Связь между напряжением и деформацией принята в виде интегральной модели для вязкоупругих тел по наследственной теории Больцмана-Вольтерра со слабосингулярными ядрами наследственности типа Абеля. Решена задача о продольном колебании подземного полимерного трубопровода при динамическом воздействии. Учет вязкоупругих свойств материала трубопровода приводит к уменьшению значения напряжения по времени. 6. Выведены совместные уравнения продольных и поперечных колебаний подземного полимерного трубопровода при произвольном направлении сейсмического нагружения. Построена вычислительная схема задачи с применением центральных конечно-разностных соотношений метода конечных разностей. Проведен анализ полученных результатов о совместных продольных и поперечных колебаниях подземных полимерных трубопроводов при различных законах сейсмического нагружения, анализ вышеприведенных задач показывает, что вязкоупругие свойства полимерного трубопровода способствуюет гашению внешних сейсмических воздействий, что соответственно приводит к меньшей повреждаемости и тем самым повышает прочность и устойчивость этих сооружений. 7. Разработаны рекомендации по уменьшению сейсмических воздействий на полимерные трубопроводы, при соблюдении условий закрепления концов трубопровода и учета неоднородности грунтовых условий.