Offshore geotechnical engineering

مقوله طراحی در مهندسی ژئوتکنیک فراساحلی از رویه های موجود در خشکی نشأت گرفته است، اما با گذشت زمان در طول 30 سال گذشته این دو حوزه بسیار از یکدیگر فاصله گرفته اند که بخشی از آن به دلیل تفاوت قابل توجه در اندازه پی و عناصر مهاری استفاده شده در دریا و تا حدی به دلیل تفاوت های اساسی در اجرا (یا روش های نصب) است. در نتیجه، مهندسی ژئوتکنیک فراساحلی به عنوان یک تخصص در ابتدا در میان مهندسان و محققان حرفه ای رشد کرده است، اما به تدریج از طریق آموزش عالی در قالب دوره های تخصصی در سطوح کارشناسی ارشد و کارشناسی گسترش یافته است.
منشأ این کتاب از دوره ای در زمینه ژئومکانیک فراساحلی است که در ابتدا در سال 1998 به عنوان بخشی از مدرک کارشناسی ارشد در مهندسی نفت و گاز در دانشگاه استرالیای غربی (UWA) تدریس شده است. از آن زمان، علاوه بر دوره کارشناسی ارشد که هر سال یا بیشتر ارائه می شود، اکنون یک دوره انتخابی سال آخر سالانه در مقطع کارشناسی در مقطع کارشناسی مهندسی عمران در UWA ارائه می شود. اکثراً، اما نه همه دانشجویانی که این دوره ها را می گذرانند، دوره های قبلی را که مبانی مکانیک خاک و طراحی پی را پوشش می دهد، گذرانده اند. بنابراین هدف این بوده است که مواد اولیه کافی را در برگیرد تا به خوانندگان اجازه دهد تا بر دانش قبلی خود بیفزایند، اما تمرکز متن کتاب مهندسی ژئوتکنیک فراساحلی بر مسائل مربوط به پیشرفت ‌های مهندسی فراساحل مدرن که اکنون به عمق آب بیش از 2000 متر رسیده است، می باشد.

با یک یا دو استثنا، به ویژه ژئوتکنیک دریایی (Poulos 1988)، این حوزه از مهندسی ژئوتکنیک پوشش کمی داشته است و امید است که این کتاب هم به عنوان چارچوبی برای سایر دوره های کارشناسی و کارشناسی ارشد باشد و هم برای مهندسان حرفه ای متخصص در این زمینه جذاب باشد. صنعت فراساحل مانند هر کتاب درسی، نویسندگان مجبور به اتخاذ تصمیمات دشوار در رابطه با (الف) دانش قبلی در مورد مکانیک خاک و مهندسی ژئوتکنیک و (ب) میزان تخصص نویسندگان در پیرامون (یا فراتر از آن) هستند.

رویکرد نویسنده کتاب مهندسی ژئوتکنیک فراساحلی این بوده است که از تکرار صرف مواردی که در جاهای دیگر بهتر پوشش داده می‌شوند، هم از نظر اصول و هم با توجه به حوزه ‌های تخصصی مانند طراحی لرزه ای یا منطقه به سرعت در حال توسعه ارزیابی خطرات زمین، اجتناب شود. به عنوان بررسی حداقلی، مروری کوتاه به همراه پیشنهادهایی برای مطالعه بیشتر، اما بدون تلاش برای بازنویسی مطالبی که آشنایی محدودی با آنها داریم، ارائه شده است. با این حال، به عنوان یک هدف خاص، تمرکز بر روی شناسایی موارد تحقیقاتی جدید و حوزه ‌هایی بوده است که رویکردهای طراحی سنتی – از جمله برخی که بخشی از دستورالعمل‌ های صنعت را تشکیل می‌دهند – مانند موسسه نفت آمریکا و سازمان بین‌المللی استاندارد، در پرتو پیشرفت های کنونی، ناقص به نظر می رسند.

ساختار کتاب مهندسی ژئوتکنیک فراساحلی از یک الگوی آشنا پیروی می کند که جریان یک پروژه معمولی ژئوتکنیک دریایی را تقلید می کند. فصل های اولیه با مروری کوتاه بر محیط دریا و ویژگی ‌های ژئوتکنیکی رسوبات بستر دریا در فعال‌ترین مناطق هیدروکربنی دریایی آغاز می شوند.

رسوبات دریایی غالباً از بقایای موجودات دریایی و مواد انتقال یافته از خشکی تشکیل می شود. بنابراین، این رسوبات به دو دسته کلی تقسیم می شوند:

• رسوبات آواری (terrigenous) که شامل رسوبات تشکیل شده با منشا موادی است که از خشکی به دریا منتقل شده است. مواد به واسطه رودخانه ها، فرسایش ساحلی، فعالیت های بادی یا یخبندان وارد دریا می شوند.

• رسوبات پلاژیک: رسوباتی که منشا دریایی داشته و در بستر ته نشین می شوند رسوبات پلاژیک بسیار آهسته رسوب می کنند و در زیر رسوبات terrigenous قرار می گیرند.

به غیر از این دسته بندی کلی تعدادی طبقه بندی فرعی نیز وجود دارد. طبقه بندی های فرعی مورد استفاده برای توصیف رسوبات آواری بر اساس اندازه ذرات است. رسوبات خاک زا معمولاً دانه های کانی های مبتنی بر سیلیکات مانند کوارتز و فلدسپات هستند و عمدتاً از فرسایش سنگ ها تشکیل می شوند.

رسوبات پلاژیک عموماً ریزدانه هستند و در عوض بر اساس ترکیباتشان طبقه بندی می شوند. رسوبات پلاژیک آلی یا بیوژن از بقایای نامحلول موجودات دریایی مانند پوسته ها، اسکلت ها، دندان ها تشکیل می شوند. رسوبات پلاژیک لیتوژن زمانی که ذرات توسط باد به اقیانوس منتقل می شوند، قبل از ته نشین شدن در ستون آب، تشکیل می شوند. رسوبات دریایی همچنین می توانند از واکنش های بیولوژیکی و شیمیایی که در ستون آب یا درون رسوبات رخ می دهد تشکیل شوند و به آنها رسوبات هیدروژنی گفته می شود.

تمامی این موارد با جزئیات در کتاب مهندسی ژئوتکنیک فراساحلی ذکر شده است.

یکی دیگر از موضوعات بیان شده ابزارهای مختلف بررسی ویژگی ‌های بستر دریا است که با رویکردهای ژئوفیزیکی سطح بالا، شروع می‌شود و از طریق روش ‌های ژئوتکنیکی در محل که در استفاده رایج در خارج از ساحل استفاده می‌شود تا انواع مختلف آزمایش های آزمایشگاهی ادامه می یابد. فصلی در مورد رفتار خاک، به موازات گزارش «تفسیری» یک پروژه صنعتی نیز در کتاب گنجانده شده است. پس از آن نویسنده تلاش می کند تا مشخص کند چگونه ویژگی های کلیدی خاک که بر طراحی تأثیر می گذارند را می توان از طریق روش ‌های مختلف کاوش های صحرایی تعیین کرد. نقش مدل‌ سازی فیزیکی نیز در این موضوع مورد بحث قرار می گیرد و به جنبه‌ هایی از واکنش خاک یا اندرکنش خاک و سازه پرداخته می شود چرا که کمتر قابل تجزیه و تحلیل هستند و مدل های مقیاس شده ممکن است بینش ویژه ای ارائه دهند.

سه فصل مرکزی به ترتیب به طراحی ژئوتکنیکی پی های شمعی، پی های کم عمق و سیستم های مهاری و لنگر می پردازد. صنعت فراساحلی در خط مقدم رویکردهای طراحی جدید بوده است که از طریق ابتکارهای تحقیقاتی با سرمایه صنعت فراساحل توسعه یافته است و متعاقباً در دستورالعمل های طراحی به تصویب رسید. مدل های پاسخ جانبی برای شمع‌ها در دهه 1970، رویکردهای ظرفیت محوری توسعه یافته در دهه 1980 برای خاک رس و در چند سال اخیر برای شن و ماسه و چارچوبی برای ارزیابی اثرات بارگذاری سیکلی بر عملکرد پی ‌ها، از مثال های آشکار در این زمینه است. علاوه بر این، این که تا چه حد این مدل های طراحی واقعیت را به تصویر می کشند مورد بحث و بررسی قرار گرفته است. اما در مجموع با بررسی روند پیشرفت های صورت گرفته می توان گفت که سیستم های مهاری در پاسخ به رانش بی امان صنعت به سمت آب های عمیق تر، به سرعت به تکامل خود ادامه می دهند اما با این وجود، به روزرسانی روش های طراحی به کمک مطالعات عددی و آزمایشگاهی همچنان باید از اولویت های محققین در ژئوتکنیک باشد.

این سه فصل که در آن طراحی ژئوتکنیکی به طور مجزا بررسی می شود، خود توسط سه فصل دنبال می شود که در آن یک رویکرد چند رشته ای بیشتر مورد نیاز است. اولین فصل کتاب مهندسی ژئوتکنیک فراساحلی به طراحی دکل های حفاری متحرک، به ویژه دکل های به اصطلاح “جک آپ” می پردازد، که همیشه ثابت کرده اند که اتفاقاً در بسیاری از موارد از درجه عملکردی بالایی نیز برخوردار هستند. در این فصل روش های جدید برای مدل‌سازی اندرکنش بین پی ها و اسپادکن با خاک و ادغام آن پاسخ با مدل‌ سازی سازه ای و هیدرودینامیکی کل دکل مشخص شده اند. دو فصل دیگر در این گروه به ترتیب به خطوط لوله و مخاطرات زمین می پردازند که هر دو در پیشرفت های صورت گرفته در آب های عمیق تر اهمیت بسیار بیشتری پیدا کرده اند. ارزیابی خطر زمین عمدتاً حوزه زمین شناسان مهندسی و ژئومورفولوژیست های دریایی است، در حالی که طراحی خط لوله خود یک رشته تخصصی است.

خطرات زمین به عنوان شرایط یا فرآیندهای زمین شناسی و سیال دینامیکی تعریف می شود که می تواند منجر به حرکت خاک، سنگ، سیال مایع یا گاز در طی رویدادهای ناگهانی اپیزودیک یا تغییر شکل های تدریجی پیش رونده شود. برای توسعه نفت و گاز فراساحلی، خطرات زمینی این پتانسیل را دارا هستند، یعنی احتمال وقوع آسیب یا تلفات جانی، آسیب به محیط زیست یا زیرساخت ‌ها در محیط های دریایی وجود دارد و به تبع این خطرات می توانند هزینه ‌های اضافی را بر پروژه تحمیل کنند. خطرات زمینی متعددی با مهندسی در کف اقیانوس مرتبط هستند و اغلب شایع تر می شوند و پیامدهای آنها در آب های عمیق تر قابل توجه تر است. دو دسته کلی از مخاطرات زمینی وجود دارد:

• رویدادهای خطرناک: رویدادهایی که ماهیت نادر و اپیزودیک دارند. به عنوان مثال می توان به زلزله و پدیده های مرتبط با آن، حرکات شیب زیردریایی، جریان های کدورت و دفع گاز اشاره کرد.

• شرایط زمینی خطرناک: شرایطی که شامل فرآیندهای آهسته است که ماهیتی پیشرونده دارند. به عنوان مثال می توان به خزش خاک، خزش گسل غیر زمین ساختی و زمین ساخت گل یا نمک اشاره کرد.

 با این حال، مانند پروژه های مختلف در خشکی، هر منطقه دارای جنبه های ژئوتکنیکی منحصر به فرد است و مناطق مختلف می توانند از نظر ویژگی های مختلف نظیر پایداری بستر در اثر زمین لغزش، اندرکنش میان خط لوله و بستر دریا با یکدیگر متفاوت باشند. این دو مورد مذکور یعنی ارزیابی پایداری بستر در برابر زمین لغزش و اندرکنش مین خط لوله و بستر موضوع اصلی این فصل ها است.