В ПНИПУ создали систему, прогнозирующую просадку грунта с точностью 99%

Детальный анализ поведения водонасыщенных почв под циклическим воздействием наполнения и опорожнения резервуаров в нефтехранилищах позволил ученым Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) разработать уникальную методику точной оценки риска проседания емкостей в таком грунте до начала строительства, 14 октября сообщила пресс-служба вуза. Ежегодно в России происходят десятки аварий из-за просадки под нагрузкой глинистых грунтов, которые занимают до 50% территории страны и на которых в основном располагаются резервуары для хранения нефтепродуктов. Поэтому задача обеспечения их безопасности очень актуальна. Подход, предложенный учеными Пермского Политеха, который с точностью более 99% предсказывает величину просадки конкретного грунта на весь срок службы объекта по единственному параметру — показателю текучести глины, позволяет заранее предотвратить аварию. Его применение обеспечит экономическую эффективность нефтепредприятия и экологическую безопасность для людей и природы. Глинистые почвы под нагрузкой сжимаются, как пластилин, и уже не восстанавливают первоначальную форму. Поэтому каждый цикл наполнения и опорожнения резервуара с углеводородами, размещенного на таком основании, необратимо деформирует несущий слой грунта. За несколько лет эксплуатации число таких циклов может достигнуть двух тысяч. И постепенное накопление микродеформаций вызовет перекос сооружения, который, в свою очередь, приведет к возникновению трещин в конструкциях и может стать причиной аварии с серьезными экологическими и экономическими последствиями. Применяемые в настоящее время методы укрепления почв (щебеночные подушки, частичная замена и уплотнение грунта и др.) не могут полностью решить проблему проседания, так как не учитывают длительность воздействия наполненных емкостей на грунтовые основания. Существующие методы расчета усадки грунтов учитывают только их первоначальные параметры, но не постепенное изменение под нагрузкой. Особенно это касается слабых водонасыщенных глин, где и усиленное основание земли под воздействием тысяч повторяющихся нагрузок будет неуклонно и значительно деформироваться. Чтобы учесть воздействие таких нагрузок, исследователи ПНИПУ отобрали образцы аллювиальных отложений (грунтов, сформированных реками), так как крупные нефтехранилища, нефтеперерабатывающие заводы и трубопроводы нередко размещают именно вблизи водных артерий. Они исследовали образцы в трех различных состояниях, соответствующих разным стадиям изменения грунта, а именно: до стадии относительно плотной мягкопластичной глины, стадии менее устойчивой текучепластичной и наиболее проблемной — жидкой консистенции. Доцент кафедры «Строительное производство и геотехника» ПНИПУ, кандидат технических наук Евгения Акбулякова рассказала о проведенном исследовании: «Мы испытали эти пробы в одометре — приборе, создающем давление, как от реального резервуара. После каждого цикла „нагрузка-разгрузка“ основание возвращало форму не полностью, образуя постоянное изменение структуры. За 10 циклов проявилась тревожная закономерность: с каждой новой нагрузкой способность основания к восстановлению снижалась, а необратимые деформации накапливались. Это напоминает усталость металла: после многократных изгибов он ломается. Так и грунт со временем „устает“, теряя свои несущие свойства». С помощью полученных экспериментальных данных ученые разработали в специализированной программе для расчета взаимодействия оснований (грунта) и конструкций PLAXIS 2D цифровую модель нефтяного резервуара объемом 3000 кубометров, первыми выведя простые и точные формулы для определения величины осадки грунта по его свойствам. «Мы получили две формулы. Первая, основанная на данных лабораторных испытаний, описывает, как деформируется сам образец грунта. Вторая, выведенная из результатов компьютерного моделирования всего резервуара, прогнозирует осадку всего сооружения. Обе формулы имеют высокую точность, описывая более 99% всех возможных случаев, и используют всего один легко определяемый параметр — показатель текучести глины», — пояснила Евгения Акбулякова. В результате модель дает возможность с высокой точностью получать прогноз поведения почвы под давлением резервуара, зная только показатель текучести глины. Достоинством модели пермских ученых в отличие от существующих стандартных расчетов является ее глубокая калибровка по реальным экспериментальным данным. Разработчики не использовали усредненные параметры, а «обучили» программу, подобрав уникальные коэффициенты, которые точно описывают поведение каждого конкретного типа глины. Это позволило исследователям смоделировать 20 полных циклов заполнения и опорожнения резервуара и проанализировать полученный кумулятивный эффект. «Исследование показало, — дополнила Евгения Акбулякова, — что наиболее интенсивная просадка оснований происходит в первые 7–9 циклов нагрузки, когда формируется до 93% необратимой деформации — грунт сжимается и не восстанавливает форму. После этого количества циклов характер деформации меняется: он начинает работать преимущественно как пружина, восстанавливаясь после разгрузки, однако каждый новый цикл наполнения резервуара продолжает медленно увеличивать общую осадку, добавляя миллиметры к деформации почвы». Подход ученых ПНИПУ позволяет получать долгосрочный прогноз поведения основания резервуара и развитие опасного осаждения грунта на весь заложенный срок службы. Такие данные не могут дать традиционные расчеты, которые учитывают только первоначальные свойства основания, но не накапливающуюся «усталость» от циклических нагрузок. Особенно важны расчеты для слабых водонасыщенных глин, так как в их случае осадка может выйти из допустимых значений норм безопасности. Поэтому при проектировании строительства нефтяных емкостей на таких основаниях необходимо закладывать специальные мероприятия, такие как замена слабого грунта, устройство щебеночных подушек или армирование геосинтетическими материалами — специальными полимерными сетками или тканями. Результаты проведенного исследования ученые представили в статье «Анализ влияния циклического нагружения на осадку глинистого основания резервуара», опубликованной в журнале «Вестник МГСУ». Том 20, № 8. Новая методика, разработанная учеными ПНИПУ, дает прогноз осадки грунтов под нефтяными резервуарами на весь срок их службы. Учет этих данных позволит нефтекомпаниям не тратиться на избыточное укрепление оснований там, где в этом нет необходимости, и заранее позаботиться о безопасности для населения и окружающей среды там, где риск аварии с разливами нефтепродуктов велик. glavno.smi.today