Все статьи - Телекоммуникации

Актуальность и востребованность темы диссертации. В мире обеспечение устойчивости подземных трубопроводов, расположенных в водонасыщенных грунтах на сейсмических территориях, имеет огромное значение. В связи с этим развитие методов проектирования для обеспечения устойчивости подземных трубопроводов, расположенных в районах разломов или возможных оползней, а также в водонасыщенных грунтах, является одной из важных задач. В этом направлении во многих развитых странах, включая, США, Японию Турцию, Италию, Индию, Иран и другие сейсмоопасные регионы, особое внимание уделяется на обеспечение устойчивости подземных трубопроводов.
Во всем мире проводятся целевые научно-исследовательские работы, направленные на обеспечение устойчивости трубопроводов, расположенных в различных грунтовых условиях и предотвращение их выпучивания, что имеет особое значение. В этой области, в том числе проведение таких научных исследований как определение причин выпучивания подземных трубопроводов по результатам последствий сильных землетрясений, а также определение напряженно-деформированного состояния трубопроводов и разработка мероприятий, обеспечивающих уменьшение подъема колодцев, являются важными задачами.
В настоящее время в нашей республике разработаны методики расчета подземных трубопроводных систем для сейсмических районов и оценка степени повреждения подземных трубопроводов при землетрясении, исследования по обеспечению их устойчивости, в том числе, проведены широкомасштабные мероприятия по совершенствованию методики расчета и проектирования повышения прочности трубопроводов, расположенных в водонасыщенных грунтах, при сейсмических воздействиях. В этой области, в том числе разрабатываются новые методы расчета по повышению устойчивости подземных трубопроводов, расположенных в водонасыщенных грунтах. В данном направлении необходимо повышать устойчивость трубопроводов в задачах сейсмостойкости подземных сооружений. В Стратегии действий по дальнейшему развитию Республики Узбекистан на 2017-2021 года обозначена необходимость реализации целевых программ «...повышение уровня обеспеченности коммунально-бытовыми услугами, ... обеспечение населения в сельской местности чистой питьевой водой путем строительства новых водопроводных линий...»1. Реализация данной задачи, в частности, обеспечение сейсмоустойчивости подземных трубопроводов, прокладываемых в водонасыщенных грунтах, создание компьютерной программы для расчета устойчивости подземных трубопроводов, выявление влияния реологических параметров грунта, а также геометрических и механических характеристик трубопровода на его устойчивость, и определение параметров, при которых происходит выпучивание трубопровода, и проведение научно-исследовательских работ, направленных на разработку мероприятий по уменьшению их подъема 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 года «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 3 апреля 2007 года о «Государственной Программе по прогнозированию и предупреждению чрезвычайных ситуаций», а также других нормативноправовых документов, принятых в данной сфере.
Цель исследования состоит в определении динамической устойчивости подземных трубопроводов, уложенных в водонасыщенных грунтах, при действии сил в виде быстрого или циклического продольных нагружений, а также условий, при которых трубопровод окажется в состоянии неустойчивости, что может стать причиной его разрушения.
Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:
разработан метод расчета динамической устойчивости подземных трубопроводов, уложенных в водонасыщенных грунтах, с использованием кинематической модели взаимодействия в системе «труба - грунт»;
разработан метод расчета для определения перемещений в зависимости от времени, а также амплитудно-частотные зависимости, пригодных для непосредственного их применения;
разработан метод решения задачи по исследованию устойчивости геометрически нелинейного подземного трубопровода, расположенного в водонасыщенных грунтах, для общего случая, когда совместно учитываются продольные и поперечные перемещения;
разработан метод численного расчета напряженно-деформированного состояния подземного трубопровода с массой на конце (колодец) на основе применения кинематических моделей взаимодействия в системе «сооружение - грунт».
Заключение
В результате проведенного исследования по диссертационной работе доктора философии (PhD) на тему «Динамическая устойчивость трубопроводов, расположенных в водонасыщенных грунтах» представлены следующие выводы:
1. Сформулирована постановка задач динамической устойчивости подземных трубопроводов, расположенных в водонасыщенных грунтах, с использованием кинематической модели взаимодействия в системе «трубопровод - грунт» и предложены методы их решения. Определены максимальные поперечные перемещения и амплитудно-частотные характеристики, отражающие поведение массивных и легких трубопроводов.
2. Задача при быстром продольном нагружении решалась как в линейной, так и геометрически нелинейной постановках. Проведен сравнительный анализ результатов решения задач и отмечается, что геометрическая нелинейность проявляется незначительно. Определены критическое время и величина критической силы, при которых трубопровод оказывается в состоянии неустойчивости. Также задача в данной постановке решена численным методом. Сравнительный анализ позволил получить удовлетворительные совпадения результатов решения задачи, используя аналитический и численный методы, поэтому полученные результаты являются обнадеживающими.
3. В задаче при циклическом нагружении установлено, что для массивных трубопроводов, расположенных в водонасыщенных глинистых грунтах, обладающих сравнительно невысокой вязкостью, выпучивание может проявляться в форме параметрического резонанса. А для легких трубопроводов, расположенных в глинистых грунтах со сравнительно высокой вязкостью, исследование возможности их выпучивания сводится к решению обыкновенного дифференциального уравнения по методу, А.Н.Тихонова. Также для данной задачи проведены сравнения результатов, используя двухзвенную и четырехзвенную модели взаимодействия с окружающим грунтом. На примере исследования выпучивания трубопровода, имеющего малую погонную массу, при его продольном пульсирующем нагружении, показано, что допустимо пользоваться двухзвенной моделью взаимодействия.
4. Для конкретных числовых параметров, построены графики, анализ которых позволил выявить влияние реологических параметров грунта, геометрических характеристик трубы на его устойчивость. Полученные результаты и выводы по ним находятся в удовлетворительном соответствии с результатами наблюдений за поведением трубопроводов в реальных условиях. А также согласуются с выводами экспериментальных исследований, проведенных зарубежными исследователями. Установлено, что легкие трубопроводы менее подвержены риску выпучивания в сравнении с более массивными, находящимися в тех же грунтовых условиях.
5. Предложены рекомендации по уменьшению выпучивания подземных трубопроводов в разжиженных грунтах, прокладываемые в сейсмических районах.
Полученные результаты исследования устойчивости подземного трубопровода, расположенного в водонасыщенном грунте, и вычислительная программа внедрены в процесс проектирования и строительства AJ «0’zog’irsanoatloyiha instituti» и Головном проектно-изыскательском институте ООО «Кишлоккурилишлойиха» (Справка по внедрению Государственного комитета Республики Узбекистан по архитектуре и строительству от 31 января 2018 г., № 794/11-03). Внедрение научных результатов позволили повысить качество работ и производительность труда, сократить время расчета, обеспечить устойчивость и запас прочности трубопроводов в 1,25 раза.
Разработанные метод расчета и вычислительная программа по исследованию динамической устойчивости подземных трубопроводов, уложенных в водонасыщенных грунтах, при продольных нагружениях внедрены в процесс проектирования и строительства (завод по производству флоад-стекла в Бекабадском районе, завод по производству кабин «MAN», завод СП ООО «UzAUTO-INZI», завод АО «Узметкомбинат» и др.). Применение научных результатов в процессе проектирования позволили повысить качество и эффективность работ, сократить время расчета в 2,3 раза, обеспечить устойчивость и запас прочности сооружений в 1,25 раза (справка о внедрении от 10 ноября 2017 г. AJ «O’zog’irsanoatloyiha instituti» №7/1767).
Метод численного расчета напряженно-деформированного состояния подземного трубопровода с массой на конце и расчетная формула для определения перемещений в зависимости от времени внедрены в Головном проектно-изыскательском институте «Кишлоккурилишлойиха» при проектировании и строительстве подземных трубопроводов на объектах «Индивидуального жилищного комплекса», что способствовали повышению качества работ и производительности труда на 20%, а также эффективности расчетно-проектных работ в 1,5 раза (акт внедрения от 7 декабря 2017 г. ООО «Кишлоккурилишлойиха»).
6. Многие соображения наших результатов, программа расчетов и преемственные экспериментальные исследования, а также рекомендации из нормативных документов различных стран мира с корректировкой для местных условий Узбекистана, могут служить материалом для дополнения и совершенствования нормативного документа КМК 2.01.03-96. Основной идеей исследований является уменьшение ущерба подземных сооружений с целью удовлетворения сейсмическому критерию производительности "нет утечки транспортируемого продукта". В КМК 2.01.03-96 необходимо добавить раздел по оценке устойчивости подземных трубопроводов, это позволит повысить качество и сейсмобезопасность их проектирования и строительства.
Проводимые исследования являются дальнейшим и естественным развитием сейсмодинамической теории подземных сооружений и отражают актуальный вопрос, поднятый на международном уровне. Результаты диссертационной работы являются новым вкладом в теорию устойчивости -влияние водонасыщенных грунтовых условий на устойчивость трубопроводов.
7. Выполненная работа является первым приближением и открывает перспективу для новых ранее не предусмотренных направлений исследований, связанных с изучением подземных трубопроводов при произвольно направленном сейсмическом воздействии по отношению к трубопроводу. Отметим, что для этих задач создана основа, подходы для продолжения работ.
Практическая важность проводимых исследований в этом направлении непосредственно вытекает из самой постановки задач, поэтому предстоит получить наиболее упрощенные методы оценки устойчивости трубопроводов, чтоб рекомендовать их для проектировщиков и строителей. А также интересно рассмотреть устойчивость трубопроводных систем, когда они проходят в зонах разлома и обвалов.
Соискатель выражает глубокую благодарность академику АН РУз, д.т.н. Т. Рашидову за постоянное внимание, ценные советы и всестороннюю поддержку, искреннюю признательность к.ф.-м.н., доц. |Ш.М. Сибукаеву|за постановку задач, неоценимый вклад и консультации по теории устойчивости, а также д.ф.-м.н., проф. Б. Мардонову за ценные консультации, советы и своевременную помощь, благодаря которым рукопись диссертационной работы значительно улучшилась.