Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 8
Глава I. СОСТОЯНИЕ ИССЛВДУЕШЙ ПРОБЛЕМЫ, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 20
1.1. Развитие общих вопросов механики разрушений
и деформаций льда и ледяных полей 20
1.1.1. Механика макро разрушения морского льда его прочность и деформативность 26
1.1.2. Механика деформаций и разрушений ледяного поля как плавающей плиты 36
1.2. Методы расчета ледовых нагрузок, условия и виды взаимодействия опор морских сооружений и ледяных полей 42
1.2.1. Особенности ледового режима континентального шельфа 42
1.2.2. Основные типы ледостойких нефтегазопромысловых сооружений 44
1.2.3. Специфика и виды разрушения морских ледяных полей, взаимодействующих с опорами стационарных сооружений 51
1.2.4. Расчет ледовых нагрузок как задача механики разрушения льда и ледяных полей
1.2.4.1. Построение функции связи 56
1.2.4.2. Выбор параметров прочности и деформативности ледяного поля при сжатии и изгибе 61
1.3. Цель и задачи исследования 3.
Часть I. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ И НОРМАТИВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЮРСКОГО лад ПРИ СЖАТИИ И ИЗГИБЕ .
Глава 2. ФЕНОМЕЮЛОГИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ РАЗРУШЕНИЯ И ПРОЧНОСТЬ 0БРАЗІІРВ ЮРСКОГО ШЛЖРИСТАЛЛИЧЕСКОК) ЛЬДА
2.1. Особенности структуры образцов поликристаллического морского льда 67
2.2. Кинетика развития процесса трещинообразования в поле сжимающих напряжений 71
2.3. Изменение температуры деформируемого образца морского льда 77
2.4. Феноменологическая модель подухрупкого разрушения образцов поликристаллического льда 81
2.5. Феноменологическая модель хрупкого разрушения образцов поликристаллического льда 92
2.6. Масштабный эффект при испытаниях образцов поликристаллического льда на сжатие 104
2.7. Анализ результатов по испытанию образцов морского льда Охотского моря (залив Уркт,Одопту море) в сопоставлении с данными других авторов НО
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2 131
Глава 3. ФШОМЕНОЛОГИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ДТШЮРМАЩЙ,РАЗРУШЕНИЯ И ПРОЧНОСТИ ПЛАВАЩИХ ЛЕДЯНЫХ БАЛОК И БАЛОК-ПОЛОС 133
3.1. Построение модели деформаций, разрушения и прочности консольных ледяных балок на плаву при изгибе 134
3.I.I. Модель деформации ледяных консольных балок на плаву 134.
3.1.1.1. Реологическая модель ледяных балок и определение ядер ползучести 136
3.1.1.2. Определение моделей деформации и коэффициента Цуассона как временных функций 151
3.1.2. Прочностная модель ледяной балки при изгибе и критерии ее разрушения 151
3.2. Построение модели деформаций и разрушения длинных ледяных балок-полос при взаимодействии с наклонной преградой 163
3.2.1. Изучение физического процесса разрушения длинных балок-полос 163
3.2.2. Математическая модель деформации и разрушения длинной балки-полосы 167
3.3. Анализ полученных результатов в сопоставлении с данными других авторов 183
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3 198
Часть П. ФИЗИЧЕСКОЕ И МАТЕМАТИЧЕОКОЕ ЮДЕЛИЮВАНИЕ РАЗРУШЕНИЯ И ДООРШЩЙ МОРСКИХ ПОЛЕЙ,ВЗАИМОДЕЙ СТВУЩИХ С 0ІЮРАМИ СТАЦИОНАРНЫХ СООРУЖЕНИИ
Глава 4. РАЗРУШЕНИЯ И ДООРМАЦИЙ ЛЩНЫХ ПОЛЕЙ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВЕСА ОБЪЕКТОВ,УСТАНОВЛЕННЫХ НА ПОВЕРХНОСТИ ЛЬДА 203
4.1. Несущая способность ледяного поля при кратко временном загружении 204
4.1.1. Энергетический принцип развития трещин и критерии глобального разрушения ледяных
плит 205
4.1.2. Модель кратковременного разрушения ледяного поля путем изгиба при центральном загружении 208
4.1.3. Сопоставление и анализ результатов численных расчетов с данными других авторов 218
4.1.4. Определение времени краткосрочной стоянки груза на ледяном поле 230
4.2. Несущая способность ледяного поля при дли тельном загружении 231
4.2.1. Построение алгебры операторов 232
4.2.2. Модель деформации ползучести ледяного поля как нелинейно-вязко-упругой пластинки на винклеровском основании 236
4.2.3. Определение времени длительной стоянки груза на ледяном поле 240
4.2.4. Анализ полученных результатов и их сопоставление с данными других авторов 244
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4 253
Глава 5. РАЗРУШЕНИЕ И ДЕВЮРМАЦШ ВДЯНОГО ШЛЯ,СМЕРЗШЕГОСЯ С ОПОРОЙ В СЛУЧАЕ ИЗМЕЕЕНИЯ УРОВНЯ ВОДЫ 257
5.1. Модель кратковременного разрушения ледяного поля, смерзшегося с опорой, при изменении уровня воды 258
5.1.1. Физическое моделирование разрушения ледяного поля, смерзшегося с цилиндрической опорой, при изменении уровня воды 258
5.1.2. Построение модели кратковременного разрушения ледяного поля по контакту с цилиндрической опорой при изменении уровня воды 263
5.2. Модель длительного разрушения ледяного поля по контакту с цилиндрической опорой при мед ленных изменениях уровня воды 371
5.3. Анализ полученных результатов в сопоставлении с данными других авторов 283
ВЫВОДА К ГЛАВЕ 5 289
Глава 6.
6.1. Разрушение ледяных полей, взаимодействующих с опорами конической формы 292
6.1.1. Анализ возможных схем взаимодействия ледяных полей и опор конической формы 292
6.1.2. Физическое моделирование разрушения ледяных полей, взаимодействующих с опорами конической формы 296
6.1.3. Модель разрушения и деформирования ледяного поля в фазе вскрытия при взаимодействии с конической опорой 306
6.1.4. Модель взаимодействия ледяных полей с коническими опорами большого диаметра и наклонными стенками в фазе наползания обломков льдин 320
6.2. Определение давления ледяных полей на цилиндрические опоры 339
6.2.1. Анализ возможных схем разрушения ледяного поля при воздействии на цилиндрическую
опору 339
6.2.2. Физическое моделирование разрушения ледяных полей, взаимодействующих с опорами цилиндрической формы 353.
6.2.3. Анализ и сопоставление полученных результатов исследований с данными других авторов 353
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 6 364
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЙОМЕНДАЦИИ 367
ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛВДОВАНИИ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ЖЕКТ 376
ЛИТЕРАТУРА
Введение к работе
Освоение перспективных в нефтегазоносном отношении районов континентального шельфа морей и океанов в настоящее время становится одним из главных источников развития топливно-энергетической базы не только в СССР, но и в ряде развитых капиталистических стран,
Б 1979 году мировая добыча на морских местороадениях составила 622 млн.тонн нефти и 253 млрд.куб.м, газа при глобальной добыче нефти 3 млрд.тонн [247 ] . Эти показатели неуклонно растут, и предполагается, что к концу столетия доля добываемой нефти в море превысит половину всей мировой добычи [246J .
Реальные перспективы освоения новых нефте- и газоносных замерзающих акваторий Северного Каспия, Азовского моря и, особенно, обширных регионов шельфов дальневосточного побережья Союза и Северных морей связаны о необходимостью разработки целого комплекса различных ледостойких сооружений - стационарных платформ, плавучих средств для бурения, мостовых переходов, эстакад, причальных сооружений,искусственных островов и других объектов.
Кроме строительства стационарных сооружений и создания плавучих средств потребуется решение целого ряда задач по использованию ледяного покрова в качестве несущей конструкции - ледяной платформы для разведочного бурения, дорог, аэродромов и т.п. Рост технического потенциала, развитие буровой техники и транспортных средств способствует успешному решению указанных выше задач Б самые ближайшие годы.
Промышленные комплексы сооружений континентального шельфа сосредотачивают на своих объектах большое количество техники и лвдских ресурсов, поэтому последствия от аварии таких сооружений несоизмеримо выше стоимости их строительства.
Высокая функциональная ответственность ледостойких сооружений обусловливает повышенные требовании к их надежности.
Надежность ледостойких сооружений в существенной мере зависит от достоверности определения величин ледовых нагрузок, достигающих иногда нескольких тысяч тонн и более, что может значительно превышать величины нагрузок от действия других факторов окружающей среды (ветер, волны, сейсмика).
Освоение шельфа замерзающих морей выдвигает перед океанологией ряд новых проблем, связанных с изучением физических закономерностей деформирования и разрушения морских ледяных полей.
Физика ледяного покрова морей и океанов наука, изучает физические и механические процессы и явления в ледяном покрове по следующим разделам:
- Ледяной покров как продукт термодинамического взаимодействия атмосферы и океана. Б этом разделе рассматриваются вопросы роста ледяного покрова, пространственная характеристика его рельефа, структура и текстура ледяных полей, химические и термодинамические характеристики льда как композитной и многофазной среды.
- Физика морского льда как твердого тела. Б этом разделе рассматриваются закономерности изменения электрических, оптических свойств льда, вопросы атомно-молекулярного строения льда, его дислокации, динамика решетки, а также физические процессы распространения упругих и магнитных волн.
Ледяной покров как механическая система, В этом разделе изучается механиса плавающих плит, находящихся в поле действия внешних сил (ветра, сопротивления воды, гравитационных сил, а также от активного или пассивного воздействия внешних объектов].
Движение ледяных полей как механической системы описываются методами гидромеханики и аналитической механики твердого тела, а также механики деформируемого тела. Методами гидромеханики и аналитической механики твердого тела определяются закономерности движения ледяных полей, при их подвижках и вращениях во время дрейфа.
Вопросы деформирования ледяных полей, вызванное неравномерными внутренними напряжениями, а также вопросы локального разрушения ледяных полей, рассматриваются о позиций механики деформируемого тела. К этому же разделу следует отнести изучение механических свойств морского льда как динамическими, так и статическими методами.
До недавнего времени основной областью исследований физики ледяного покрова морей и океанов являлось изучение дрейфующих ледяных полей, главным образом, в центральной части Арктических морей, что связано с решением гидрометеорологических проблем, обеспечением навигации и решением транспортных задач.
К настоящему времени выполнен большой объем исследований по изучению динамики ледяного покрова, условий дрейфа льдин, определению механических и физических характеристик морского льда, выполненных на полярных станциях и специальных экспедиционных судах, исследованы закономерности сопротивления ледяных полей движению ледоколов,
На базе последних достижений космонавтики, физики и электроники получены новые сведения о закономерностях движения льда в море, распространении электромагнитных волн в морских льдах, акустической эмиссии деформируемых льдов, что в значительной мере способствовало решению перечисленных выше задач.
Изучение физики и механики морского льда нельзя представить в отрыве от основных результатов исследований по изучению свойств пресноводного речного льда и его воздействия на опоры и объекты Б речных условиях. Исследования в этой области имеют вековую историю и к настоящему времени накоплен большой практический и научный материал.
Таким образом, на сегодняшний день имеются основополагающие результаты для развития рассматриваемой проблемы - механики разрушения и деформирования морских ледяных полей в зоне контакта с опорами стационарных объектов и оценки силовых факторов, разрушающих ледяные поля.
Этой проблеме стали уделять внимание сравнительно недавно, Б основном, последнее десятилетие, и она находится в стадии своего развития.
Сложность и недостаточная изученнойть физического процесса разрушения плавающих ледяных полей при их горизонтальных и вертикальных подвижках и взаимодействии с опорами сооружений, многообразие форм разрушения льдин и их условий контакта с опорами, специфика конструкций морских сооружений, нестабильность и условность характеристик прочности и деформативности морского льда, малый объем экспериментов, особенно, натурных, породили большое число различных методов и подходов к решению основных задач рассматриваемой проблемы.
При построении расчетных моделей плавающего ледяного поля Б существующих работах использутотся противоречивые гипотезы и допущения и ледяное поле разными авторами рассматривается как упругая, упруго-хрупкая, или вдеально-пластичыая плита при описании одних и тех же физических явлений. В связи с этим, результаты расчетов по различныл методам могут отличаться на порядок, что осложняет практическое использование известных методов определения ледовых нагрузок. Б тоже время при построении моделей не учитывается реальный проиесс развития трещин, влияние фактора времени и сложность реологии морского льда как композита,
Экспериментальная проверка основных теоретических положений затруднена из-за отсутствия единой методики проведения экспериментов, особенно с образцами льда, а дискуссионность методов физического моделирования взаимодействия льда и сооружения снижает достоверность результатов исследования.
Действующие нормативные документы, регламентирующие величины ледовых нагрузок, как в СССР, так и за рубежом, составлены, в основном, по результатам исследована воздействия пресноводного льда на речные сооружения, не учитывают специфику воздействия льда в море и не отвечают всевозрастающим потребноетям освоения шельфо-вых зон замерзающих морей.
Актуальность исследований определяется:
- народнохозяйственным значением проблемы освоения природных богатств шельфовой зоны замерзающих морей;
- недостаточной изученностью океанологической проблемы - механики, деформаций и разрушения ледяных полей шельфовой зоны, взаимодействующих с опорами сооружений;
- несовершенством нормативных документов, регламентирующих величины ледовых нагрузок на морские сооружения.
Новизна выполненных работ, заключалась в следующем: I, Впервые при изучении океанологических проблем проведен замкнутый (в смысле полноты результатов) комплекс работ по физическому и математическому моделированию разрушения и деформации ледяных полей шельфовой зоны при различного рода статических и квазистатических силовых воздействиях.
2. Для проведения работ по физическому моделированию в натурных условиях разработан и применен "активный" метод исследования ледовых нагрузок (модель опоры во время опытов смещается относительно неподвижного ледяного поля), что позволило, управляя проиессом разрушения, выявить ряд неизвестных ранее физических закономерностей разрушения ледяных полей при воздействии на опоры сооружений.
Большинство разработанных технических устройств для проведения модельных испытании "активным" методом стали предметом изобретений, и на них получены авторские свидетельства. Б натурных условиях впервые были выполнены следующие работы:
а) исследован процесс разрушения ледяных полей при воздействии на конические опоры большого диаметра и наклонные стенки путем испытания длинных трапециевидных и прямоугольных в плане балок-полос, выпиленных в ледяном поле, что позволило установить необходимость учета в этом случае двух фаз разрушения льда - фазы образования первой трещины в ледяном поле и фазы на ползания обломков льдин;
б) определены реологические свойства ледяного поля при изгибе с учетом физической нелинейности ползучести льда на основе испытаний консольных ледяных балок на ползучесть;
в) исследован процесс взаимодействия ледяных полей, смерзшихся о цилиндрическими опорами, при изменении уровня воды, и установлен механизм разрушения льда по контакту с опорой;
г) исследован процесс разрушения ледяных полей толщиной 1г = 0,6 - 1,0 м за счет сил "смятия" при горизонтальных воздействиях на цилиндрические опоры малого диаметра ( d = 350-800 мм).
3, При проведении работ по физическому моделированию в лабораторных условиях впервые выполнены модельные опыты при широком диапазоне изменения геометрии и габаритов опор ( d/ =0,3 20 ) и различных условий контакта морских ледяных полей и сооружений, находящихся в зонах припая льда (случай начальной подвижки льда), и дрейфующхх льдин (подход отдельной льдины к сооружению). Для моделирования воздействия льда на цилиндрические опоры среднего и большого диаметра (d/ft = 10 + 20) разработана новая методика моделирования и применено гравитационное устройство.
4. Теоретические разработки рассматриваемой проблемы в качестве основной задачи включали построение обобщенных моделей разрушения и деформации морского льда. Получены следующие результаты:
а) построены феноменологические модели полухрупкого и хрупкого разрушения образцов поликристаллического морского льда при сжатии и изгибе, описывающие закономерности разрушения льда с учетом технологии проведения опытов, особенностей дислокационного механизма скольжения кристаллов и развития процесса трещинообразо вания;
б) для определения ядер ползучести из результатов опытов получено решение об изгибе консольной балки из нелинейно-вязко-упругого материала;
в) дбоснована теория временных модулей и установлен их вид применительно к расчету изгиба ледяных плит при кратковременной ползучести;
г) построена модель изгиба и разрушения плавающей длинной
балки-полосы трапециевидной формы при кратковременной ползучести;
д) построена реологическая модель ледяного поля при изгибе на основе нелинейной наследственной "кубической" теории ползучести, получено и предложен метод решения определяющего нелинейного ин-тегро-дифференииального уравнения центрального изгиба ледяного поля как плавающей плиты. Для решения вязко-упругих задач разработана алгебра операторов ползучести и релаксации со слабосингулярными ядрами.
е) сформулированы принципы глобального разрушения ледяной плиты с трещинами при кратковременном загружен.
5. На основе выбранных моделей разрушения ледяных полей выполнено теоретическое обобщение и решение основных задач данной проблемы. Решение представлено в виде:
а) метода расчета кратковременной и длительной несущей способности (грузоподъемности) ледяного поля при центральном загружена техническими средствами, стоящими на льду. При расчете кратковременной грузоподъемности впервые учитывается временний модуль деформации, конечная длина опережающих радиальных трещин, наличие в этих трещинах тангенциальных моментов и возможное заклинивание обломков льдин,
Расчет длительной несущей способности ледяного поля и определение времени стоянки опоры впервые базируются на введении в расчет критерия длительной прочности льда и нелинейного уравнения ползучести ледяного поля;
б) метода расчета нагрузок при разрушении ледяного поля, смерзшегося с цилиндрической опорой, при изменении уровня воды.
В расчете впервые учитывается двух стадийный временной характер разрушения льда по контакту с опорой с учетом возможного развития кольцевой трещины и повышения нагрузок при большой разнице температур верхних и нижних слоев льда;
в) метода расчета нагрузок при горизонтальных подвижках и разрушении ледяных полей, взаимодействующих с опорами конической формы. Впервые рассматривается случай воздействия на сооружения льда при его начальной подвижке с критической скоростью как наи более неблагоприятный в смысле величин нагрузок. В расчет вводится ряд новых моментов: учитывается фактор времени и трещиностой кость ледяного поля, конечная длина трещин назначается на основе баланса потеншальной энергии и энергии трещинообразования, а также учитывается двухфазный характер разрушения льда перед опорой (фаза вскрытия - образование первоа кольцевой трещины в ледяном поле и фаза наползания обломков льдин на боковую поверхность опоры);
г) методы расчета горизонтального давления льда на цилиндрические опоры, представленного полуэмпирическими зависимоетями, которые впервые учитывают увеличение нагрузки при возможном смерзании опоры и ледяного поля в зоне припая, а также существенное увеличение напряжений по контакту льда с опорой при уменьшении параметра d/h .
На защиту выносятся:
- феноменологические модели макроскопических разрушений образцов поликристаллического морского льда при сжатии;
- феноменологические модели макроскопических разрушений и деформаций морских ледяных полей при изгибе;
- метод расчета несущей способности морского ледяного поля при центральном нагружении техническими средствами, стоящих на льду;
- метод расчета нагрузок при разрушении ледяного поля, смерзшихся с цилиндрической опорой, в случае изменения уровня воды;
- метод расчета нагрузок при горизонтальной подвижке и разрушении ледяного поля; взаимодействующего о опорами конической формы и наклонными стенками;
- полуэмпирические зависимости для определения горизонтальной нагрузки на морокие цилиндрические опоры при подвижке ледяного поля и разрушении его за счет сил смятия;
- методика физического моделирования разрушения ледяных полей, взаимодействующих о опорами цилиндрической и конической форм.
Достоверность и надежность результатов расчета по предлагаемым методам обусловлены большим объемом проведенных комплексных ис 18. следований по физическому и математическому моделированию деформирования и разрушения ледяных полей взаимодействующих с преградами, изучением прочностных и деформативных свойств морского льда и ледяных полей, анализом проведенных ранее исследований, а также использованием Б работе фундаментальных положений и решений механики разрушений и механики твердого деформируемого тела.
Результаты исследований имеют следующее практическое значение:
1. Разработанные на их основе нормативные документы по расчету ледовых нагрузок на нефтегазопромысловые опоры способствуют повышению надежности морских сооружении, строительство которых предполагается расширить в ближайшие годы в районах шельфа замерзающих морей.
2. Знание физических закономерностей разрушения льда перед морскими сооружениями позволяет оценить ледостойкие качества проектируемых сооружений с целью выбора оптимального варианта конструкции для данных конкретных условий.
3. Анализ разрушения морского льда на основе феноменологических моделей позволяет обосновать методику проведения опытов с образцами льда при определении их прочности на сжатие и изгиб как основных исходных характеристик при оценке ледовых нагрузок на сооружение, что способствует повышению эффективности и надежности результатов проектно-изыскательоких работ.
4. Внедрение активных методов измерения фактических нагрузок в натурных условиях позволяет снизить себестоимость научно-исследовательских работ и повысить эффективность исследований, что особенно важно при проведении работ в суровых климатических условиях,
5. Построение достаточно общих феноменологических моделей разрушения льда и ледяных полей позволяет более тщательно планировать экспериментальные работы при одновременном уменьшении их объема, стоимости и при расширении фронта исследований.
6. Опыт проведения работ по исследованию давления льда на морские опоры в лабораторных и натурных условиях способствует повышению научной Эффективности существующих и особенно вновь строящихся ледоисследовательских баз.
7. Полученные результаты исследований могут быть использованы в дальнейших океанологических исследованиях в области физики ледяного покрова, в первую очередь при изучении разрушений льдообразовании перед сооружением, а также при анализе деформаций и разрушений ледяных полей вокруг естественных преград-стамух, нагромождений льда и береговых откосов.
