Определенное сочетание параметров внешних нагрузок с характеристиками моноопоры может привести к ее разрушению или к возникновению таких деформаций, при которых осуществлять с нее технологические операции по бурению скважин опасно и неэффективно. Поэтому на стадии проектных работ необходимо выполнять поверочные расчеты моноопорных оснований. Цель таких расчетов: 1) определение максимального напряжения в моноопоре и его сравнение с напряжением, допускаемым по условию надежности ее работы при заданных эксплуатационных режимах; 2) определение максимальных углов поворота моноопоры и их сравнение с нормативно допустимыми по условию удовлетворительной работы оборудования.

Размеры поперечного сечения моноопоры по сравнению с длиной и радиусом кривизны ее осевой линии малы. Поэтому при расчете моноопор следует применять стержневую модель. В механике стержней приняты в качестве аксиом следующие классические допущения.

1. Материал стержня (моноопоры) подчиняется закону Гу- ка, и возникающие в нем максимальные напряжения остаются меньше предела пропорциональности.

2. Плоские до деформации поперечные нормальные к продольной оси сечения стержня остаются нормальными и плоскими также после деформации, т.е. сдвиги не учитываются (гипотеза Бернулли).

3. Осевая линия стержня считается нерастяжимой.

4. Различные, но статически эквивалентные, локальные нагрузки вызывают в стержне одно и то же (за исключением местных напряжений) напряженное состояние (принцип Сен- Венана).

Бурение с моноопоры эффективно при угле поворота ее верхнего поперечного сечения не более, чем 10° (« 0,17 рад) от вертикали. Поэтому исследование напряженно-деформированного состояния моноопоры можно ограничить областью указанного предела ее углового отклонения. В этой области расчет моноопоры допустимо выполнять по линейной теории изгиба, которая основана на предположении, что под действием нагрузок перемещения конструкции остаются малыми по сравнению с ее длиной, а квадраты углов (в радианах) поворота оси моноопоры остаются малыми по сравнению с единицей. Использование линейной теории позволяет свести решение задачи к рассмотрению только линейных дифференциальных уравнений равновесия.

Напряженное состояние моноопоры складывается из напряжений изгиба, сжатия и кручения. Определяющим является напряжение изгиба. В режимах эксплуатации моноопоры оно значительно превосходит напряжения сжатия и кручения.

При малых перемещениях и углах поворота моноопоры для расчета напряжений сжатия и кручения, в отличие от напряжений изгиба, не имеет значения, какое положение займет моноопора под действием внешней нагрузки, какова форма ее изогнутой линии. Достаточно иметь данные только о внешней продольной нагрузке, внешнем крутящем моменте и геометрии моноопоры. Поэтому основной задачей расчета напряженного состояния моноопоры является нахождение значений внутренних изгибающих моментов в ее опасных сечениях.

Для моноопоры постоянного поперечного сечения опасным (с максимальным напряжением) можно считать сечение с максимальным изгибающим моментом. Для моноопоры переменного поперечного сечения из-за изменяющегося по высоте момента сопротивления наиболее опасным может стать сечение, в котором внутренний изгибающий момент может быть меньше максимального. Расчет моноопоры целесообразно начинать с определения ее напряженно-деформированного состояния в равновесном положении, т.е. со статического расчета, который выполняют, как правило, для всех проектируемых конструкций. Он позволяет получить первое общее представление об их работоспособности. В статическом расчете все действующие на моноопору нагрузки рассматриваются как квазистатические, т.е. постоянные во времени. Переменным во времени нагрузкам присваивается их максимальное значение.

Волновое давление на моноопорные основания в течение периода прохождения через них волны непостоянно. Поэтому оно становится причиной вынужденных поперечных колебаний моноопор. Теоретические и натурные исследования колебаний морских свайных сооружений, установленных на глубинах 1030 м, показали [33], что при определенных сочетаниях геометрических характеристик этих сооружений и режимов эксплуатации происходит резкое увеличение амплитуд их колебаний. Это свидетельствует о том, что период и основная частота собственных колебаний сооружений в этих случаях оказались близки или совпали с периодом и частотой сил волнового давления (резонанс).

Эксплуатация в резонансных режимах негативно отражается на напряженно-деформированном состоянии сооружений и нередко становится причиной их разрушений. А так как интервал глубин акваторий 10-30 м представляет для бурения с моноопорных оснований большой практический интерес, можно ожидать, что статический расчет не всегда будет способен дать полное представление о возникающих в них напряжениях и деформациях. Поэтому во многих случаях для моноопор дополнительно необходимо выполнять динамический расчет.

Основные задачи динамического расчета моноопоры для бурения в конкретных гидрологических условиях моря следующие: определение возможных частот равнодействующей волновой нагрузки; определение частоты колебаний системы моноопора - буровые механизмы; определение гидрологических условий и режимов работы, при которых происходит резкое ухудшение напряженно-деформированного состояния моноопоры из-за совпадения частоты равнодействующей волновой нагрузки с частотой собственных колебаний системы моноопора - буровые механизмы (резонанс). Эксплуатировать моноопору в резонансном режиме нерационально. Поэтому для бурения в указанных гидрологических условиях необходимо выбрать моноопору с иной геометрией ее поперечного сечения.

Распределение массы моноопоры по высоте обусловливает существование бесконечного множества ее собственных частот. Однако многочисленными наблюдениями и экспериментами установлено, что на практике вынужденные колебания морских свайных сооружений осуществляются по первой собственной форме колебаний [33]. Этой форме соответствует первая (основная) собственная частота. Следовательно, из бесконечного спектра собственных частот колебаний системы моноопора - буровые механизмы достаточно определять только первую. А оценку возможности возникновения в процессе эксплуатации моноопорного основания резонансных режимов следует давать, сравнивая первую собственную частоту моноопоры с частотой действия волновой нагрузки.

Характер зависимости частоты равнодействующей волновой нагрузки от времени и высоты морской волны описан в разделе 3. Первую собственную частоту колебаний системы моноопора - буровые механизмы можно определить, исследовав процесс собственных колебаний этой системы.

В процессе эксплуатации моноопора подвергается нагруже- нию технологическими силами, направление действия которых жестко связано с ориентацией верхнего сечения моноопорного основания. Эти силы по своей природе не консервативны. В системах, нагруженных неконсервативными силами, возможно возникновение динамической потери устойчивости [4, 10]. При этом сколь угодно малое случайное импульсное возмущение даже в отсутствие других нагрузок переменного характера приводит к развитию колебаний с нарастающими амплитудами. Поэтому при проектировании моноопорных оснований следует уделять внимание и вопросу их динамической устойчивости. Ответ на этот вопрос можно получить, проанализировав характер колебаний моноопоры, возникающих после возмущения.

Для практического расчета напряженного состояния моноопоры, выявления резонансных режимов эксплуатации и решения вопроса о ее устойчивости необходимо:

1. разработать расчетные схемы моноопорного основания;

2. получить уравнения равновесия и собственных колебаний моноопоры;

3. предложить методы и приемы решений полученных уравнений.