Jump to content

Морская геотехническая инженерия

Платформы на шельфе Мексики.

Морская геотехническая инженерия является подобластью геотехнической инженерии . Он занимается проектированием фундаментов, строительством, обслуживанием и выводом из эксплуатации искусственных сооружений в море . [1] Нефтяные платформы , искусственные острова и подводные трубопроводы являются примерами таких сооружений. Морское дно должно выдерживать вес этих конструкций и приложенные нагрузки. геологические опасности Необходимо также учитывать . Потребность в разработке морских месторождений обусловлена ​​постепенным истощением запасов углеводородов на суше или вблизи береговой линии, поскольку новые месторождения разрабатываются на больших расстояниях от берега и в более глубоких водах. [2] с соответствующей адаптацией исследований морских объектов. [3] Сегодня на глубине воды до 2000 м и более работает более 7000 морских платформ. [2] Типичная разработка месторождения простирается на десятки квадратных километров и может включать несколько стационарных сооружений, внутрипромысловых выкидных трубопроводов с экспортным трубопроводом, ведущим к береговой линии или соединенным с региональной магистральной линией. [4]

Различия между береговой и морской геотехнической инженерией

[ редактировать ]

Морская среда имеет несколько последствий для геотехнической инженерии. К ним относятся следующие: [1] [4]

  • Благоустройство территории (на морском дне) и исследование площадки обходятся дорого.
  • Почвенные условия необычны ( например, наличие карбонатов, неглубокий газ).
  • Морские сооружения высокие, часто возвышающиеся над фундаментом более чем на 100 метров (330 футов).
  • Морским сооружениям обычно приходится выдерживать значительные боковые нагрузки ( т.е. большие моментные нагрузки по отношению к весу сооружения).
  • Циклическая нагрузка может стать серьезной проблемой при проектировании.
  • Морские сооружения подвергаются более широкому спектру геологических опасностей . [5]
  • Кодексы и технические стандарты отличаются от тех, которые используются для береговых разработок.
  • При проектировании основное внимание уделяется предельному состоянию, а не деформации.
  • Изменения конструкции во время строительства либо нецелесообразны, либо очень дороги.
  • Расчетный срок службы этих конструкций часто колеблется в пределах 25–50 лет.
  • Экологические и финансовые затраты в случае неудачи могут быть выше.

Оффшорная среда

[ редактировать ]

Морские сооружения подвергаются различным нагрузкам окружающей среды: ветру , волнам , течениям , а в холодных океанах — морскому льду и айсбергам . [6] [7] Нагрузки окружающей среды действуют преимущественно в горизонтальном направлении, но имеют и вертикальную составляющую. Некоторые из этих нагрузок передаются на фундамент (морское дно). Режимы ветра, волнения и течений можно оценить на основе метеорологических и океанографических данных, которые вместе называются метеорологическими данными . Могут возникать и сейсмические нагрузки – они идут в обратном направлении: от фундамента к конструкции. В зависимости от местоположения, другие опасные геологические процессы также могут представлять собой проблему. Все эти явления могут повлиять на целостность или работоспособность сооружения и его фундамента в течение всего срока эксплуатации – их необходимо учитывать при проектировании морского объекта.

Природа почвы

[ редактировать ]

Ниже приведены некоторые особенности, характеризующие почву в морской среде: [8]

  • Почва состоит из отложений , которые обычно считаются насыщенными соленая вода заполняет поровое пространство.
  • Морские отложения состоят из обломочного материала, а также остатков морских организмов, образующих известковые почвы.
  • Общая толщина отложений варьируется в региональном масштабе: вблизи береговой линии она обычно выше, чем вдали от нее, где они также более мелкозернистые.
  • Местами морское дно может быть лишено осадков из-за сильных придонных течений.
  • Состояние консолидации почвы бывает либо нормально консолидированным (из-за медленного отложения наносов), либо сверхконсолидированным (местами - реликт оледенения), либо слабоконсолидированным (из-за большого поступления наносов).

Метеорологические аспекты

[ редактировать ]
Воздействие волн на морскую структуру.

Волновые силы вызывают движение плавучих сооружений по всем шести степеням свободы – они являются основным критерием проектирования морских сооружений. [9] [примечание 1] Когда орбитальное движение волны достигает морского дна, оно вызывает перенос отложений. Это происходит только на глубине около 200 метров (660 футов), что является общепринятой границей между мелководьем и глубокой водой . Причина в том, что орбитальное движение распространяется только на глубину воды, которая составляет половину длины волны, а максимально возможная длина волны обычно считается равной 400 метрам (1300 футов). [7] На мелководье волны могут вызвать повышение порового давления в почве, что может привести к скольжению потока, а повторяющиеся удары о платформу могут вызвать разжижение и потерю поддержки. [7]

Течения являются источником горизонтальных нагрузок на морские сооружения. Из-за эффекта Бернулли они также могут оказывать направленное вверх или вниз усилие на поверхности конструкций и вызывать вибрацию проводных линий и трубопроводов. [7] Потоки вызывают образование водоворотов вокруг сооружений, которые вызывают размыв и эрозию почвы. [7] Существуют различные типы течений: океанические циркуляционные , геострофические , приливные , ветровые и плотностные . [7]

Геологические опасности

[ редактировать ]
Два типа сейсмических профилей (вверху: чирп; внизу: водяная пушка) разлома морского дна в Мексиканском заливе.
Распространение по всему миру газовых гидратов, которые представляют собой еще одну потенциальную опасность для морских разработок.
Пример гидролокатора бокового обзора — устройства, используемого для исследования морского дна.
Трехмерное изображение системы каньона Монтерей, пример того, что можно получить с помощью многолучевых эхолотов.

Геологические опасности связаны с геологической деятельностью, геотехническими особенностями и условиями окружающей среды. Мелководные геологические опасности – это те, которые происходят на глубине менее 400 метров (1300 футов) ниже морского дна. [10] Информацию о потенциальных рисках, связанных с этими явлениями, можно получить посредством изучения геоморфологии, геологической обстановки и тектонической структуры интересующей территории, а также посредством геофизических и геотехнических исследований морского дна. [5] Примеры потенциальных угроз включают цунами , оползни , активные разломы , грязевые диапиры и характер слоистости почвы (наличие карста , газовых гидратов , карбонатов). [10] [11] [12] В холодных регионах пропахивания льда представляют угрозу для подводных сооружений, таких как трубопроводы. [13] [14] [5] Риски, связанные с конкретным типом геологических опасностей, зависят от того, насколько подвержена структура событию, насколько серьезным является это событие и как часто оно происходит (для эпизодических событий). Любую угрозу необходимо отслеживать и смягчать или устранять. [15] [16]

Исследование сайта

[ редактировать ]

Исследования морских объектов мало чем отличаются от исследований, проводимых на суше (см. «Геотехнические исследования »). Их можно разделить на три этапа: [17]

  • Кабинетное исследование , включающее сбор данных.
  • Геофизические исследования , как мелкое, так и глубокое проникновение на морское дно.
  • Геотехнические исследования , включающие отбор проб/бурение и испытания на месте.

Кабинетное исследование

[ редактировать ]

На этом этапе, который может длиться несколько месяцев (в зависимости от размера проекта), собирается информация из различных источников, включая отчеты, научную литературу (журнальные статьи, материалы конференций) и базы данных, с целью оценки рисков. оценка вариантов проектирования и планирование последующих этапов. Батиметрия , региональная геология, потенциальные геологические опасности, препятствия на морском дне и метеорологические данные. [17] [18] – это некоторая информация, которую ищут на этом этапе.

Геофизические исследования

[ редактировать ]

Геофизические исследования могут использоваться для различных целей. Один из них заключается в изучении батиметрии в интересующем месте и создании изображения морского дна (неровности, объекты на морском дне, латеральная изменчивость, ледяные пропахивания и т. д.). Сейсмические исследования рефракции можно проводить для получения информации о стратиграфии мелководного морского дна ; их также можно использовать для обнаружения таких материалов, как песок, отложения песка и гравий, для использования при строительстве искусственных островов . [19] Геофизические исследования проводятся с исследовательского судна, оснащенного гидроакустическими устройствами и сопутствующим оборудованием, таким как однолучевые и многолучевые эхолоты , гидролокаторы бокового обзора , «буксировщики» и дистанционно управляемые аппараты (ROV) . [20] [21] Для стратиграфии поддонной зоны используются следующие инструменты: бумеры, спаркеры, пингеры и чирп. [22] Геофизические исследования обычно требуются перед проведением геотехнических исследований; в более крупных проектах эти этапы могут переплетаться. [22]

Геотехнические изыскания

[ редактировать ]

Геотехнические исследования включают в себя сочетание отбора проб, бурения, испытаний на месте, а также лабораторных испытаний почвы, которые проводятся на море и с образцами на суше. Они служат для обоснования результатов геофизических исследований; они также предоставляют подробную информацию о стратиграфии морского дна и инженерных свойствах грунтов. [23] В зависимости от глубины воды и гидрометеорологических условий геотехнические исследования могут проводиться с помощью специального геотехнического бурового судна , полупогружного аппарата , самоподъемной установки , большого судна на воздушной подушке или других средств. [24] Они выполняются в ряде определенных мест, при этом судно сохраняет постоянное положение. Для этой цели используются динамическое позиционирование и швартовка с помощью четырехточечной системы крепления.

Геотехнические исследования с неглубоким проникновением могут включать отбор проб грунта с поверхности морского дна или механические испытания на месте. Они используются для получения информации о физических и механических свойствах морского дна. [25] Они простираются до первых нескольких метров ниже линии дна. Исследования, проводимые на этих глубинах и которые могут проводиться одновременно с геофизическими исследованиями на мелководье, могут оказаться достаточными, если конструкция, которую необходимо развернуть в этом месте, относительно легкая. Эти исследования также полезны для планирования маршрутов подводных трубопроводов.

Целью геотехнических исследований глубокого проникновения является сбор информации о стратиграфии морского дна на глубинах до нескольких 100 метров ниже линии дна. [10] [26] Эти обследования проводятся, когда в этих местах планируются более крупные сооружения. Для сверления глубоких отверстий требуется несколько дней, в течение которых сверлильный агрегат должен оставаться точно в том же положении (см. динамическое позиционирование ).

Отбор проб и бурение

[ редактировать ]
Гравитационный пробоотборник грунта, используемый для отбора керна морского дна.
Гравитационный пробоотборник грунта, используемый для отбора керна морского дна.
Коробчатый кернер для извлечения проб грунта с морского дна.

Отбор проб с поверхности морского дна можно производить с помощью пробоотборника или коробчатого керна . [27] почвы Последний предоставляет нетронутые образцы, на которых можно проводить испытания, например, для определения относительной плотности , содержания воды и механических свойств . Отбор проб также может быть осуществлен с помощью трубчатого керна, либо с гравитационным приводом, либо который может быть вставлен в морское дно с помощью поршня или с помощью вибрационной системы (устройство, называемое вибропробой). [28]

Бурение — еще один способ отбора проб морского дна. Он используется для получения данных о стратиграфии морского дна или скальных образований под ним. Установка, используемая для отбора проб из фундамента морской структуры, аналогична той, которая используется в нефтяной промышленности для обнаружения и оконтуривания залежей углеводородов, с некоторыми различиями в типах испытаний. [29] Бурильная колонна состоит из серии сегментов трубы диаметром 5 дюймов (13 см), соединенных концами винтами, с узлом бурового долота внизу. [28] Когда сверло (зубья, идущие вниз от бурового долота) врезаются в почву, образуются обрезки почвы. Вязкий буровой раствор, стекающий по бурильной трубе, собирает этот шлам и выносит его за пределы бурильной трубы. Как и в случае с береговыми геотехническими исследованиями , для отбора проб почвы из буровой скважины можно использовать различные инструменты, в частности «трубки Шелби», «поршневые пробоотборники» и «пробоотборники с разрезной ложкой».

Исследование почвы на месте

[ редактировать ]
Схема, показывающая принцип действия конусного пенетрометра для определения профиля прочности грунта.
Схема, показывающая принцип работы сдвигающей лопасти для измерения пиковой и остаточной прочности грунта.

Информацию о механической прочности грунта можно получить на месте (с самого морского дна, а не из пробы грунта в лаборатории). Преимущество этого подхода в том, что данные получены из почвы, которая не подверглась никаким нарушениям в результате ее перемещения. Двумя наиболее часто используемыми инструментами, используемыми для этой цели, являются конусный пенетрометр (CPT) и срезная лопасть . [30] [31]

CPT представляет собой инструмент в форме стержня, конец которого имеет форму конуса с известным углом при вершине ( например, 60 градусов). [32] Когда его вдавливают в почву, измеряется сопротивление проникновению, что позволяет определить прочность почвы. [33] Втулка за конусом позволяет независимо определять сопротивление трения. Некоторые конусы также способны измерять поровое давление воды . Испытание на сдвиговую лопатку используется для определения прочности на сдвиг в недренированном состоянии мягких и среднесвязных грунтов . [34] [35] Этот инструмент обычно состоит из четырех пластин, приваренных под углом 90 градусов друг к другу на конце стержня. Затем стержень вставляют в почву и к нему прикладывают крутящий момент, чтобы добиться постоянной скорости вращения. Измеряется сопротивление крутящему моменту, а затем используется уравнение для определения прочности на сдвиг в недренированном состоянии (и остаточной прочности), которое учитывает размер и геометрию лопатки. [35]

Морские сооружения и геотехнические соображения

[ редактировать ]

Морские сооружения в основном представлены платформами , в частности самоподъемными буровыми установками , конструкциями со стальными опорами и конструкциями гравитационного типа . [36] При планировании этих разработок необходимо учитывать характер морского дна. Например, гравитационная конструкция обычно занимает очень большую площадь и является относительно плавучей (поскольку она включает в себя большой открытый объем). [37] В этих обстоятельствах вертикальная нагрузка на фундамент может быть не такой значительной, как горизонтальные нагрузки, создаваемые волновыми воздействиями и передаваемые на морское дно. В этом сценарии скольжение может быть доминирующим видом отказа. Более конкретным примером является конструкция стальной оболочки Woodside «North Rankin A» на шельфе Австралии. [38] Мощность шахты свай, составляющих каждую из опор конструкции, оценивалась на основе традиционных методов проектирования, особенно при забивке в кремнистые пески. Но почва на этом участке представляла собой известковый песок меньшей емкости. Чтобы исправить это упущение, потребовались дорогостоящие восстановительные меры.

Правильная характеристика морского дна также необходима для швартовных систем . Например, при проектировании и установке вакуумных свай необходимо учитывать свойства грунта, в частности, его прочность на сдвиг в недренированном состоянии. [39] То же самое относится и к установке и оценке мощности пластинчатых анкеров . [40]

Подводные трубопроводы

[ редактировать ]

Подводные трубопроводы — еще один распространенный тип искусственных сооружений в морской среде. [41] Эти конструкции либо опираются на морское дно, либо помещаются внутри траншеи, чтобы защитить их от рыболовных траулеров , перетаскивания якорей или усталости из-за колебаний, вызванных течением. [42] Прокладку траншей применяют также для защиты трубопроводов от пропахивания ледяными килями . [13] [14] В обоих случаях планирование трубопровода предполагает геотехнические соображения. Трубопроводы, лежащие на морском дне, требуют геотехнических данных вдоль предлагаемого маршрута трубопровода для оценки потенциальных проблем устойчивости, таких как пассивное разрушение грунта под ним (трубопровод падает) из-за недостаточной несущей способности или разрушение при скольжении (смещение трубопровода в сторону), из-за к низкому сопротивлению скольжению. [43] [44] В процессе рытья траншей, когда это необходимо, необходимо учитывать свойства почвы и то, как они повлияют на продолжительность вспашки. [45] Потенциал потери устойчивости, вызванный осевой и поперечной реакцией заглубленного трубопровода в течение срока его эксплуатации, необходимо оценить на этапе планирования, и это будет зависеть от сопротивления вмещающего грунта. [44]

Морские встроенные якоря

[ редактировать ]

Морские закладные якоря — это якоря , мощность которых зависит от сопротивления трения и/или несущей способности окружающего их грунта. Это противоположно гравитационным якорям, грузоподъемность которых зависит от их веса. По мере того как морские разработки перемещаются в более глубокие воды, гравитационные конструкции становятся менее экономичными из-за большого требуемого размера и стоимости транспортировки. Это оказывается подходящим для использования встроенных анкеров.

См. также

[ редактировать ]

Примечания

[ редактировать ]
  1. ^ Например, данная структура может подвергнуться 2x10 8 волновые циклы в течение расчетного срока службы.
  1. ^ Перейти обратно: а б Дин, с. 1
  2. ^ Перейти обратно: а б Рэндольф и Гурвенек, с. 1
  3. ^ Колк и Вегериф, 2005 г.
  4. ^ Перейти обратно: а б Рэндольф и Гурвенек, с. 3
  5. ^ Перейти обратно: а б с Карденас и др. 2022 год
  6. ^ Рэндольф и Гурвенек, Раздел 2.4
  7. ^ Перейти обратно: а б с д и ж Гервик, 2000 г.
  8. ^ Рэндольф и Гурвенек, Раздел 2.3
  9. ^ Рэндольф и Гурвенек, с. 24
  10. ^ Перейти обратно: а б с Пеухен и Раап, 2007.
  11. ^ Рэндольф и Гурвенек, рис. 3.14.
  12. ^ Колк и Вегериф, с. 151
  13. ^ Перейти обратно: а б Палмер и Бин, 2011 г.
  14. ^ Перейти обратно: а б Заколка 2011 г.
  15. ^ Хоган и др., 2008 г.
  16. ^ Юнес и др., 2005 г.
  17. ^ Перейти обратно: а б Рэндольф и Гурвенек, гл. 3
  18. ^ Дин, раздел 1.4
  19. ^ Дин, с. 33
  20. ^ Дин, раздел 2.2
  21. ^ Рэндольф и Гурвенек, с. 34
  22. ^ Перейти обратно: а б Рэндольф и Гурвенек, с. 32
  23. ^ Рэндольф и Гурвенек, с. 31
  24. ^ Дин, с. 47
  25. ^ Дин, раздел 2.3
  26. ^ Дин, раздел 2.4
  27. ^ Дин, рис. 2.5.
  28. ^ Перейти обратно: а б Дин, с. 43
  29. ^ Рэндольф и Гурвенек, с. 44
  30. ^ Дин, раздел 2.3.4
  31. ^ Ньюсон и др., 2004 г.
  32. ^ Дин, с. 45
  33. ^ Это, с. 646
  34. ^ Дин, с. 60
  35. ^ Перейти обратно: а б Это, с. 406
  36. ^ Дин, 2010 г.
  37. ^ Рамакришнан, с. 9
  38. ^ Рэндольф и Гурвенек, с. 146
  39. ^ Бай и Бай, стр. 121, 129.
  40. ^ Бай и Бай, с. 131
  41. ^ Палмер и Кинг, 2008 г.
  42. ^ Рамакришнан, с. 186
  43. ^ Чжан и Эрбрих, 2005 г.
  44. ^ Перейти обратно: а б Кэти и др., 2005 г.
  45. ^ Брансби и др., 2005 г.

Библиография

[ редактировать ]
  • Бай Ю. и Бай К. (2010) Справочник по подводной инженерии . Gulf Professional Publishing, Нью-Йорк, 919 стр.
  • Барретт, П. (2011). «Защита морских трубопроводов от пропахивания морского дна льдом: обзор» . Наука и технологии холодных регионов . 69 (1): 3–20. Бибкод : 2011CRST...69....3B . doi : 10.1016/j.coldregions.2011.06.007 .
  • Брансби М.Ф., Юн Г.Дж., Морроу Д.Р. и Браннинг П. (2005) Производительность трубопроводных плугов в слоистых почвах. В: SCM Gourvenec (редактор), «Границы морской геотехники» , Тейлор и Фрэнсис, Перт, Австралия, стр. 597–605.
  • Карденас, IC; и др. (2023). «Морские геологические опасности: выявлены неопределенности» . Морские георесурсы и геотехнологии . 41 (6): 589–619. Бибкод : 2023MGG....41..589C . дои : 10.1080/1064119X.2022.2078252 . HDL : 11250/3058338 .
  • Кэти Д.Н., Джек К., Баллард Дж.-К. и Винтгенс Ж.-Ф. (2005) Трубопроводная геотехника – современное состояние. В: SCM Gourvenec (редактор), «Границы морской геотехники» . Тейлор и Фрэнсис, Перт, Австралия, стр. 95–114.
  • Дас Б.М. (2010) Принципы геотехнической инженерии , Cengage Learning, Стамфорт, США, 666 стр.
  • Дин ЭТР (2010) Морская геотехническая инженерия – принципы и практика , Томас Телфорд, Рестон, Вирджиния, США, 520 стр.
  • Гервик BC, (2000) Строительство морских и морских сооружений , CRC Press, Бока-Ратон, США, 657 стр.
  • Хоган П., Лейн А., Хупер Дж., Бротон А. и Романс Б. (2008) Проблемы геологических опасностей при разработке СПГ Woodside OceanWay Secure Energy, на шельфе Южной Калифорнии, Материалы 40-й конференции по морским технологиям (OTC) , документ OTC19563 , Хьюстон.
  • Колк Х.Дж. и Вегериф Дж. (2005) Исследования морских объектов: новые горизонты. В: SCM Gourvenec (редактор), «Границы морской геотехники» , Тейлор и Фрэнсис, Перт, Австралия, стр. 145–161.
  • Ньюсон Т.А., Брансби М.Ф., Браннинг П. и Морроу Д.Р. (2004)Определение параметров прочности на сдвиг в недренированном состоянии для устойчивости подземного трубопровода в дельтовых мягких глинах, Материалы 14-й Международной конференции морских и полярных инженеров , Международное общество морских и полярных инженеров ( ISOPE), Тулон, стр. 38–48.
  • Палмер, А.С. и Бин К. (2011) Геологические опасности для трубопроводов в арктических условиях. В: В. О. Маккаррон (редактор), Глубоководные фундаменты и геомеханика трубопроводов , издательство J. Ross Publishing, Форт-Лодердейл, Флорида, стр. 171–188.
  • Пеухен Л.Дж. и Раап К., (2007) Каротаж, отбор проб и тестирование морских геологических опасностей, Материалы 39-й конференции по морским технологиям (OTC) , документ 18664, Хьюстон.
  • Рамакришнан ТВ (2008). Морская инженерия , Gene-Tech Books, Нью-Дели, Индия, 347 стр.
  • Рэндольф М. и Гурвенек С. (2011) Морская геотехническая инженерия , Spon Press, Нью-Йорк, 550 стр.
  • Юнес А.И., Гибсон Дж.Л. и Шипп Р.К. (2005) Оценка геологических опасностей глубоководного месторождения Принцесс в северо-восточной части Мексиканского залива: Пример оценки сложных разломов при подводной разработке, Материалы 37-й конференции по морским технологиям (OTC) , документ 17577, Хьюстон .
  • Чжан Дж. и Эрбрих К.Т. (2005)Проектирование устойчивости незаглубленных трубопроводов – геотехнические аспекты. В: SCM Gourvenec (редактор), «Границы морской геотехники» , Тейлор и Фрэнсис, Перт, Австралия, стр. 623–628.
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 443dbe66cdd5dd6b1aa3d3ee6450d969__1714264800
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/44/69/443dbe66cdd5dd6b1aa3d3ee6450d969.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Offshore geotechnical engineering - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)