CC BY
0
УДК 622.692.2.07
https://doi.org/10.24412/0131-4270-2024-3-4-19-22
АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СВАЙ В ФОРМЕ КОНУСА ПРИ ПОМОЩИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА ANSYS
PERFORMANCE ANALISYS OF CONE-SHAPED PILES USING ANSYS SOFTWARE
Швайко Я.В., Абдуллин Н.В.
Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450064, г. Уфа, Россия
ORCID: https://orcid.org/0009-0006-4843-0212, E-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1721-3622, E-mail: [email protected]
Резюме: Рассмотрено сравнение свай в форме конуса и цилиндра при сооружении резервуара для хранения сжиженного природного газа в условиях многолетнемерзлых грунтов. Выдвинута гипотеза о том, что степень воздействия негативных факторов, существующих в условиях ММГ, может быть снижена за счет применения свай конусовидной формы. Для верификации выдвинутой гипотезы осуществлено моделирование свай двух типов средствами программного комплекса ANSYS и сопоставление полученных результатов.
Ключевые слова: цилиндрическая свая, свая в форме конуса, свайный фундамент, геометрия сваи, несущая способность, свайное поле, система автоматизированного проектирования, ANSYS, многолетнемерзлый грунт, сжиженный природный газ, метод конечных элементов.
Для цитирования: Швайко Я.В., Абдуллин Н.В. Анализ эффективности применения свай в форме конуса при помощи вычислительного комплекса ANSYS // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2024. № 3-4. С. 19-22.
D0I:10.24412/0131-4270-2024-3-4-19-22
Shvayko Yaroslav V., Abdullin Nail V.
Ufa State Petroleum Technological University, 450064, Ufa, Russia ORCID: https://orcid.org/0009-0006-4843-0212, E-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1721-3622, E-mail: [email protected]
Abstract: The comparison of piles in the shape of a cone and a cylinder in the construction of a tank for storing liquefied natural gas in permafrost conditions is considered. It is hypothesized that the degree of impact of negative factors existing in the conditions of permafrost can be reduced by using cone-shaped piles. To verify the hypothesis put forward, two types of piles were modeled using the ANSYS software package and the results were compared.
Keywords: cylindrical pile, cone-shaped pile, pile foundation, pile geometry, bearing capacity, pile field, computer-aided design system, ANSYS, permafrost, liquefied natural gas, finite element method.
For citation: Shvayko Y.V., Abdullin N.V. PERFORMANCE ANALISYS OF CONE-SHAPED PILES USING ANSYS SOFTWARE. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons. 2024, no. 3-4, pp. 19-22.
DOI:10.24412/0131-4270-2024-3-4-19-22
В нашей стране природный газ добывается в основном в районах Крайнего Севера, включая Арктическую зону (реализуемые в настоящее время проекты «Ямал СПГ» и «Арктик СПГ 2» ПАО «НОВАТЭК» на п-ове Ямал и п-ове Гыдан, а также перспективные - «Таймыр СПГ» и «Кара СПГ» ПАО НК «Роснефть» на п-ове Таймыр и архипелаге Новая Земля) [1]. Это связано не только с расположением крупнейших месторождений в вышеуказанных регионах, но и с тем, что холодный климат способствует более быстрому и эффективному достижению температуры накопления и хранения сжиженного природного газа (СПГ) перед отправкой потребителю. В качестве средства накопления и хранения СПГ применяются резервуары различных типов.
Сооружение резервуара для хранения СПГ на много-летнемерзлом (вечномерзлом) грунте (ММГ) сопряжено с рядом существенных трудностей, включая чрезвычайно низкую температуру окружающей среды и грунта в зимний период, колебания температуры в пределах толщины деятельного слоя и слоя вечномерзлого грунта, промерзание и оттаивание грунтов, залегающих выше границы оттаивания, морозное пучение грунта и ряд других [2].
В условиях вечной мерзлоты при сооружении резервуаров СПГ традиционно применяются фундаменты двух типов: столбчатый и свайный [3]. В качестве объекта исследования, результаты которого приводятся в настоящей статье, был выбран свайный фундамент резервуара СПГ с высоким ростверком и проветриваемым подпольем как наиболее распространенный в настоящее время.
При сооружении свайного фундамента резервуара СПГ в условиях ММГ, как правило, применяются буронабив-ные железобетонные цилиндрические трубчатые сваи-оболочки. Исторически данный тип является наиболее широко распространенным в отрасли. Однако с точки зрения формы существует большое количество типов свай, обладающих рядом преимуществ по сравнению с цилиндрическими сваями, но специалисты, к сожалению, зачастую обходят их своим вниманием. Более подробно типология свай с точки зрения формы представлена на рис. 1.
Рис. 1. Типы свай: а - призматическая; б - цилиндрическая; в - пирамидальная; г - трапецеидальная; д -ромбовидная; е - с уширенной пятой (булавовидная)
а)
б)
V
В)
П г)
д) П е)
Предварительный теоретический анализ позволил выявить ряд преимуществ пирамидальных, трапецеидальных, ромбовидных, биклинарных, а также конических свай (то есть свай с уклоном боковых граней под определенным углом) по сравнению с цилиндрическими (без уклона боковых граней), которые заключаются в следующем: 1) более интенсивное уплотнение грунта под острием и по боковым граням при забивке сваи; 2) более интенсивное расклинивание и уплотнение грунта между соседними сваями; 3) более развитая боковая поверхность трения сваи о грунт; 4) увеличенная площадь горизонтальной поверхности оголовка, что обеспечивает увеличенную площадь опи-рания ростверка резервуара хранения СПГ.
Вышеуказанные положения находят свое подтверждение в работах А.Л. Готмана и С.А. Крутяева. Говоря о преимуществах сваи пирамидальной формы (является вариацией сваи конической, имеет уклон боковой грани от строго вертикального положения) по сравнению с другими типами, авторы отмечают, что за счет развитого поперечного сечения в верхней части пирамидальной сваи обеспечивается большее сопротивление горизонтальной нагрузке, чем у сваи постоянного по длине сечения (призматической) при равном их объеме [4].
Необходимо подробнее остановиться и на таком аспекте, как несущая способность сваи по грунту, под которым в строительной механике понимается способность строительной конструкции уравновешивать нагрузку от веса строения и сопротивления грунта. Ее находят как сумму сопротивлений, оказываемых грунтами основания под нижним концом сваи и по ее боковой поверхности [5]. На рис. 2 приводятся графики несущей способности призматических и пирамидальных свай, из которых наглядно видны преимущества последних [6].
Табл. 1 содержит сопоставление удельной несущей способности свай разной формы, из которой также видно, что пирамидальные и конические сваи обладают более высокими характеристиками по сравнению с цилиндрическими [6].
Необходимо тем не менее отметить, что достоинства свай пирамидальной формы, представленные на рис. 2 и в табл. 1, относятся к грунтам с сезонным промерзанием и не распространяются на практику применения элементов фундамента данного типа в условиях ММГ. Анализ существующего опыта сооружения промышленных объектов в условиях ММГ показал, что применение пирамидальных свай в указанных условиях практически отсутствует.
Таким образом, с учетом вышеизложенных теоретических положений, была выдвинута гипотеза, что
применение свай конической формы взамен цилиндрических при сооружении фундамента резервуара СПГ в условиях ММГ может позволить повысить его эксплуатационные свойства.
Говоря о способе верификации выдвинутой гипотезы, необходимо подробно остановиться на работе И.А. Рыбниковой и А.М. Рыбникова, в рамках которой исследование несущей способности буронабивных конических свай осуществлялась в грунтовом лотке. В результате проведенного эксперимента авторы приходят к выводу, что с увеличением угла конусности несущая способность моделей конических свай возрастает [7].
Тем не менее при всех своих достоинствах эксперимент И.А. Рыбниковой и А.М. Рыбникова имеет ряд аспектов дискуссионного характера, а именно: 1) рассматриваются сваи значительно меньших размеров по сравнению с реальными (1/10 натурной величины); 2) моделируется только один вид грунта - песок, в то время как в реальных условиях количество инженерно-геологических слоев может достигать 11-13 (то есть не учитывается многослойность); 3) в качестве материала для моделей свай в рамках проведенного натурного эксперимента была принята древесина твердых пород - бук, а не железобетон и сталь, как в реальности; 4) не учитывается фактор вечной мерзлоты.
Рис. 2. Графики несущей способности цилиндрических, пирамидальных и конических свай
I
Таблица 1
Сравнительная удельная несущая способность свай разной формы
Тип сваи Динамические Статические испытания испытания Средний кф
Р, МПа = р„/р! Р, МПа 1 кф = р„/р
Цилиндрическая 144 1,0 103,0 1,00 1,00
Треугольная пирамидальная 158 1,10 175,0 1,70 1,40
Квадратная пирамидальная 215 1,50 160,0 1,55 1,52
Коническая 180 1,25 207,0 2,00 1,62
С учетом вышеизложенных дискуссионных аспектов для верификации выдвигаемой гипотезы о том, что применение свай конической формы по сравнению с цилиндрическими при сооружении фундамента резервуара СПГ в условиях ММГ является более эффективным, было принято решение использовать вычислительный комплекс ANSYS. Выбор данного программного обеспечения связан с тем, что он является одним из наиболее авторитетных решений в отрасли и успешно применяется для расчетов по принципу механики деформируемого твердого тела (МДТТ) для определения критических нагрузок на элементы строительных конструкций [7].
Таблица 2
Механические свойства материалов конструктивных элементов и грунта применяемых при моделировании
Элемент Материал
Свая
Свойства
модуль коэффици Юнга (Па) Пуассон ент а угол внут. удельное плотность . . 3. трения сцепление (кг/м) (град.) (кПа)
Бетон B25, F300, W8 3,0107 0,16 2500 - -
Сталь (труба) 21011 0,3 7900 - -
Глина 2,3107 0,2 1500 15 50
Супесь 8107 0,3 1600 27 15
Песок 13107 0,49 1700 35 5
Грунт
Рис. 3. Результаты моделирования сваи цилиндрической формы в ANSYS по схеме «свая-грунт» (суммарная деформация)
I
Рис. 4. Результаты моделирования сваи конической формы в ANSYS по схеме «свая-грунт» (суммарная деформация)
В качестве вида инженерного анализа был выбран статический прочностной анализ (Static Structural) как наиболее полно отвечающий цели и задачам исследования. В табл. 2 приводятся механические свойства материалов конструктивных элементов и грунта для моделирования свай цилиндрической и конической формы в условиях ММГ.
В модели были заданы следующие геометрические параметры элементов (Space Claim):
- свая цилиндрическая: круглого сплошного сечения, цельная, длина - 6000 мм, диаметр - 300 мм (по всей длине сваи), материал - бетон В25, труба стальная - толщина стенки 5 мм;
- свая коническая: круглого сечения, цельная, длина - 6000 мм, диаметр -300 мм (наконечник), 500 мм (оголовок), материал - бетон В25, труба стальная - толщина стенки 5 мм, угол наклона боковой грани - 1 град.;
- грунт: из 13 инженерно-геологических слоев, присутствующих в исследуемом районе распространения ММГ согласно нормативно-технической документации, было выбрано три наиболее мощных слоя (глина, супесь, песок), толщина каждого слоя (округленно) - 2000 мм.
С точки зрения типа конструктивные элементы были заданы в модели как оболочки. Цилиндрическая свая была задана как свая-стойка, то есть опирающаяся на малосжима-емый грунт. Коническая свая была задана как висячая, то есть удерживаемая в проектном положении за счет сил сцепления, действующими между боковой поверхностью сваи и грунтом. При генерировании сети конечных элементов для получения более достоверных данных на наиболее нагруженных участках свай была задана детализация (Refinement) - наконечник и оголовок. Нижняя граница наконечника была определена в качестве граничного условия расчета (Fixed Support) для сваи-стойки. Для висячей сваи в качестве граничного условия была определена нижняя граница нижнего слоя грунта (песок). Тип контакта между боковой поверхностью сваи и грунтом задан как связанный (Bonded). Вес от постройки (резервуар СПГ) - как вертикальная осевая нагрузка, равная 100 кН. Горизонтальная нагрузка моделировалась как перемещение грунта (Displacement) в горизонтальном направлении на величину 20-30 мм.
Были выполнены следующие типы расчета: суммарная деформация (Total Deformation), эквивалентное
механическое напряжение (Equivalent Stress) и эквивалентная деформация (Equivalent Strain).
На рис. 3 и 4 представлены модели двух анализируемых свай - цилиндрической и конической - с применением всех вышеуказанных условий расчета.
Результат расчета показал, что величина суммарной деформации сваи конической формы под действием существующих в условиях ММГ горизонтальных и вертикальных нагрузок меньше по сравнению с цилиндрическими сваями в 1,7 раза - 0,133 мм и 0,218 мм соответственно - при незначительном увеличении материалоемкости конической сваи. Максимальное эквивалентное механическое напряжение для цилиндрической и конической свай составляет 7,706+106 Па и 7,286+106 Па соответственно. Значение эквивалентной деформации равняется 0,00013 м/м и 4,1528+10-5 м/м.
Учитывая результаты, полученные в ходе проведенного исследования свай двух типов, можно сделать следующие выводы.
1. Одним из недостатков текущего решения при сооружении фундамента резервуара хранения СПГ в условиях ММГ, а именно цилиндрических свай, является их большая длина (24-30 м) и количество в составе свайного поля (948 шт.). Кроме того, цилиндрическая свая является сваей-стойкой, что означает, что при ее сооружении необходимо достичь
слоя малосжимаемого грунта для выполнения осуществления опирания. Замена цилиндрической сваи на коническую позволит сделать выбор в пользу висячего типа, что может сократить общую длину свай, так как с увеличением угла боковой поверхности сваи увеличивается площадь ее контакта с грунтом. Специалисты при этом могут возразить, что увеличение веса висящей сваи приводит к ухудшению ее несущей способности. Решением в данном случае может быть конструкция сваи с полостью.
2. Необходимо также отметить, что эффект от замены цилиндрической сваи на коническую при сооружении резервуаров СПГ становится очевидным в масштабе свайного поля, которое, как уже отмечалось выше, состоит из нескольких сотен свай.
3. Меньшее количество свай, входящих в состав свайного поля, и их сравнительно меньшая материалоемкость позволят сократить объем и стоимость работ по транспортировке материалов (бетон, стальная арматура, трубная продукция и т.д.) на стройплощадку, погрузке-разгрузке, позволит сократить общую площадь складирования конструктивных материалов на стройплощадке, работ по бурению лидерных скважин и устройству свай, объем строительного контроля и т.д. Данный аспект может стать объектом изучения отдельного исследования экономической направленности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дорожкин В.Ю., Мастобаев Б.Н. О совершенствовании процессов хранения СПГ при эксплуатации систем технологий сжижения природного газа // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2021. № 4. С. 64-70.
2. Макаров А.В., Тян В.Ю., Журавлев А.В. Особенности строительства фундаментов в вечномерзлых грунтах. URL: http://ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2019/5501 (дата обращения 14.07.2024).
3. Баранов А.Ю., Соколова Е.В. Хранение и транспортировка криогенных жидкостей: учеб. пособие. Ч. 1. СПб.: Ун-т ИТМО, 2017. С. 68-79.
4. Готман А.Л., Крутяев С.А. Расчет пирамидальных свай на горизонтальную нагрузку и изгибающий момент с учетом действия вертикальной нагрузки // Construction and Geotechnics. 2022. Т. 13. № 3. С. 28-39.
5. Нагаева С.П., Кочеткова А.А. Определение несущей способности сваи в вечномерзлых грунтах: учеб.-ме-тод. пособие. Н. Новгород: ННГАСУ, 2022. 73 с.
6. Опыт строительства оснований и фундаментов. URL: http://www.stroimt.rU/rural/experience/2.html (дата обращения 15.07.2024).
7. Рыбникова И.А., Рыбников А.М. Разработка конструкции буронабивных конических свай // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2017. № 2. С. 68-72.
REFERENCES
1. Dorozhkin V.YU., Mastobayev B.N. On improving LNG storage processes during operation of natural gas liquefaction technology systems. Transport i khraneniye nefteproduktov i uglevodorodnogo syr'ya, 2021, no. 4, pp. 64-70 (In Russian).
2. Makarov A.V., Tyan V.YU., Zhuravlev A.V. Osobennostistroitel'stva fundamentov v vechnomerzlykh gruntakh (Features of foundation construction in permafrost soils). Available at: http://ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2019/5501 (accessed 14 July 2024).
3. Baranov A.YU., Sokolova YE.V. Khraneniyei transportirovka kriogennykhzhidkostey. CH. 1 [Storage and transportation of cryogenic liquids. Part 1]. St. Petersburg, Universitet ITMO Publ., 2017. pp. 68-79.
4. Gotman A.L., Krutyayev S.A. Calculation of pyramidal piles for horizontal load and bending moment taking into account the action of vertical load. Construction and Geotechnics, 2022, vol. 13, no. 3, pp. 28-39 (In Russian).
5. Nagayeva S.P., Kochetkova A.A. Opredeleniye nesushchey sposobnosti svai v vechnomerzlykh gruntakh [Determination of the bearing capacity of piles in permafrost soils]. Nizhny Novgorod, NNGASU Publ., 2022. 73 p.
6. Opyt stroitel'stva osnovaniy i fundamentov (Experience in the construction of foundations). Available at: http://www. stroimt.ru/rural/experience/2.html (accessed 15 July 2024).
7. Rybnikova I.A., Rybnikov A.M. Development of the design of bored conical piles. Vestnik BGTU im. V.G. Shukhova, 2017, no. 2, pp. 68-72 (In Russian).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS ~
Швайко Ярослав Вячеславович, магистрант кафедры проектирования Yaroslav V. Shvayko, Graduate Student of the Department of Design and
и строительства объектов нефтяной и газовой промышленности, Уфимский государственный нефтяной технический университет. Абдуллин Наил Винерович, к.т.н., доцент кафедры проектирования и строительства объектов нефтяной и газовой промышленности, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Construction of Oil and Gas Facilities, Ufa State Petroleum Technological University.
Nail V. Abdullin, Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of the Department of Design and Construction of Oil and Gas Facilities, Ufa State Petroleum Technological University.
