книги / Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых объектов в условиях севера

И, Расчет и проектирование оснований и фундаментов в условиях Севера

- 2 0 1 -

Рис. 1.7. Зависимость коэффициента теплопроводности талых Л,А(а) и

мерзлых Лу (б) грунтов от степени влажности Sr

1 - песок, 2- суглинок, 3-торф.

Для расчетов миграции влаги в грунте основной массобоменной характеристикой мерзлых грунтов является коэффици­ ент потенциалопроводности, который определяется по выраже­ нию:

а ' =

(11.5)

где X - коэффициент влагопроводности,

кг/(м-ч-ед.потенциала), с' - удельная влажность грунта, 1/ед.потенциала.

Величина а ' определяется для талого грунта по кривым изменения влажности по глубине ниже границы промерзания.

Для мерзлых грунтов величину OL находят по аналогичным кривым льдистости в пределах глубины промерзшего слоя.

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых -202- объектов в условиях Севера

ВОПРОСЫ

1.Дайте определение и представьте график модели мерз­ лого грунта.

2.Как классифицируются мерзлые грунты?

3.Что такое ползучесть мерзлых грунтов?

4.Что включает в себя понятие релаксации?

5.Чем различаются длительная и мгновенная прочность мерзлых грунтов?

6.Каковы основные теплофизические свойства мерзлых грунтов?

12;Прнншшы строительства здании и сооружений на мерзлых грунтах

- 2 0 3 -

ПРИНЦИПЫ СТРОИТЕЛЬСТВА

ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ НА

МЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ

12.1. Специфические особенности нефтегазового строительства и использования грунтов Западной Сйбйри в качестве оснований зданий и сооружений

К специфическим особенностям нефтегазового строитель­ ства следует отнести:

незначительные по величине нагрузки на грунтовое основа­ ние. Так давление магистрального нефтепровода диметром 1000 мм, заполненного продуктом, на дно траншеи при подземной прокладке не превышает 1 кг/см2 (0,1 МПа), а нагрузки на ко­ лонны административных зданий, укрытий насосных и ком­ прессорных станций не превышают 40 тонн;

значительная протяженность нефтегазопроводов. Посколь­ ку нефтегазопроводы являются сооружениями линейными, они rib длине трассы пересекают территории с различным рельефом, а грунтовые и гидрогеологические условия постоянно изменя­ ются. Поэтому для значительного по протяженности участка не могут быть приняты единые технические решения. При этом по длине трассы постоянно изменяются температура транспорти­ руемого продукта и давление;

широкий диапазон объектов, различающихся по характеру нагрузок. Так, нефтегазопроводы в процессе эксплуатации ис­ пытывают длительные по времени малоцшсловые нагрузки, обу­ словленные внутренним давлением системы и колебаниями температур. Кроме того, трубопроводы испытывают вибраци­ онное нагружение, обусловленное работой насосных и компрес­ сорных агрегатов. Значительные циклические нагрузки испыты­ вают вертикальные резервуары, так как постоянно изменяется

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 2 0 4 - объектов в условиях Севера

степень их заполнения. Эти циклические нагрузки передаются на грунтовые основания, которые, в конечном счете, во многом определяют их надежность и устойчивость.

Инженерно-геологические условия Западной Сибири разнообразны и отличаются большой сложностью с точки зрения использования грунтов в качестве оснований зданий и сооруже­ ний. К таким особенностям, прежде всего, следует отнести не­ однородность литологического состава пород. Все литологиче­ ские разновидности аллювиальных и озерно-болотных отложе­ ний многократно переслаиваются. Минеральные грунты повсе­ местно непостоянны по толщине, имеют сложный характер пе­ реслаивания с выклиниванием и заменой одного слоя грунта другим.

Изучение и анализ многочисленных геологических разрезов рассматриваемого региона свидетельствуют о том, что только в исключительных случаях в переделах одной строительной пло­ щадки и тем более месторождения в основаниях сооружений имеет место однородный грунт. При этом по глубине и в плане меняется вид грунта или его состояние. Такая неоднородность грунтов значительно осложняет их использование в качестве оснований сооружений. Неучет неоднородности при проектиро­ вании и строительстве сооружений ведет к их неравномерным осадкам и неизбежно связан с потерей устойчивости и дополни­ тельными материальными затратами.

В подавляющем большинстве случаев грунты региона об­ ладают низкой несущей способностью и по всем критериям оценки относятся к категории «слабых». Расчетное сопротивле­ ние минеральных грунтов в 50% случаев не превышает 0,1 МПа,

адля торфов и заторфованных грунтов 0,05 МПа считается пре­ дельным. Несущая способность свай по результатам многочис­ ленных испытаний статическими нагрузками, а также данным статистического зондирования, составляет для свай железобе­ тонных призматических длиной 6 м сечением 30x30 см 15-16 т,

адля 9-ти метровых - 20-24 т.

Для грунтов региона характерна высокая деформируемость. Минеральные грунты имеют низкие значения модуля деформа­ ции. Так, модуль деформации суглинков составляет всего 4,0-6,0 МПа, а торфа - 0,05-0,15 МПа. Поэтому в 75% случаев минеральные грунты оказываются малопригодными и непри­

ЩПринципы строительства зданий и сооружений на мерзлых грунтах

-2 0 5 -

годными для их использования в качестве естественных оснований инженерных сооружений.

Анализ характера деформаций зданий и сооружений Запад­ ной Сибири указывает на единственную причину - неравномер­ ную осадку отдельных их частей, вызванную различной сжи­ маемостью слоев грунта в пределах пятна застройки.

Наиболее важной и отличительной особенностью грунтов Среднего Приобья является их пылеватость. Достаточно сказать, что содержание в них пылеватой фракции крупностью от 0,05 до 0,005 мм колеблется от 30 до 60%. Пылеватость значительно ухудшает строительные свойства грунтов. Увеличение содержа­ ния; пылеватой фракции на 10% влечет за собой уменьшение значений Е ,С и (р соответственно на 15, 20 и 10%. Исключе­ ние составляет лишь изменение величины удельного сцепления С в большую сторону с увеличением пылеватости до 45%. Это объясняется тем, что по зерновому составу эти грунты ближе к пылеватым пескам и лишь благодаря наличию пылеватой фрак­ ции приобретают пластичность и переходят в супеси.

Высокая пылеватость минеральных грунтов обусловливает их склонность к морозному пучению, которое, как правило, свя­ зано с миграцией влаги при отрицательных температурах, уве­ личением объема грунта вследствие образования льда и потерей связей между частицами при его оттаивании. Опыт строительст­ ва в Западной Сибири свидетельствует о том, что силы пучения минеральных грунтов значительные и составляют до 0,2 МПа, а величина подъема грунта при пучении - до 20% от толщины промерзающего слоя грунта.

Практически все минеральные грунты Западной Сибири в соответствии с действующими нормами относятся к пучинистым. Значительное пучение пылеватых грунтов в регионе обу­ славливается близким залеганием к поверхности уровня грунто­ вых вод, продолжительным зимним периодом и резким колеба­ нием отрицательных температур.

Строительство нулевого цикла зданий и сооружений Запад­ ной Сибири, как правило, не удается завершить в течение летне­ го периода, поэтому устройство оснований и возведение фунда­ ментов требует от строителей применения дорогостоящих ме­ роприятий, обеспечивающих снижение влияния морозного пу­ чения грунта на устойчивость зданий.

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 2 0 6 - объектов в условиях Севера

Специфической особенностью грунтовых условий западной Сибири является их обводненность. Из-за равнинного (бессточ­ ного) рельефа местности и значительного превышения годовых осадков над их испарением для региона характерен высокий уровень грунтовых вод, который колеблется от 0,5 до 1,8 м в минеральных грунтах и от 0,0 до 0,3 м - в торфах. Так как под­ стилающие торфяные толщи являются водоупором, болотные воды питаются атмосферными осадками. Превышение осадков над испарением составляет на севере Тюменской области 150 мм/год, а на юге - 250 мм/год. Таким образом, в 85% случаев уровень грунтовых вод выше глубины заложения фундаментов;

Работы, связанные с систематической откачкой воды из подвальных помещений зданий, неизбежно влекут расход элек­ троэнергии и значительные затраты по обслуживанию оборудо­ вания. Кроме того, откачка воды неизбежно связана с выносом пылеватой фракции из грунта, что влечет за собой дополнитель­ ную осадку сооружения.

Как уже отмечалось выше, к особенностям использования грунтов региона в качестве оснований зданий и сооружений следует отнести и суровый климат с продолжительной холодной зимой и коротким летом. Это является причиной значительной глубины сезонного промерзания грунтов. Нормативная глубина промерзания грунтов на юге области составляет 1,5-1,7м, а на севере - до 3 м и более. Фактические величины глубин промер­ зания, как правило, совпадают с нормативными, однако, в хо­ лодные зимы они достигают более 4 м (г. Сургут, 1969 г.)

Средняя глубина промерзания торфа - 0,5 - 0,7 м, иногда до метра и более. Оттаивание мерзлых грунтов и торфов происхо­ дит в июне - августе. Таким образом, все работы по подготовке оснований при выполнении работ нулевого цикла ведутся, как правило, с промерзшим грунтом.

Перечисленные особенности использования грунтов Тю­ менской области в качестве оснований неизбежно влекут за со­ бой трудности технологического характера при выполнении ра­ бот нулевого цикла и значительное их удорожание.

Из всех факторов, определяющих особые (специфические) условия Севера, - суровый климат, природные и экологические показатели, обусловленные отдаленностью и малой освоенно­ стью территорий, - грунтовый фактор (мерзлое состояние грун­

ЙШринципы строительства зданий и сооружений на мерзлых грунтах

- 2 0 7 -

та) является решающим при освоении нефтяных и газовых ме­ сторождений. Именно он определяет особые методы разработки Мерзлого грунта и сооружения зданий, а также инженерные ме­ тоды расчета и проектирования оснований и фундаментов. При этом сохраняются общие принципы проектирования по пре­ дельным состояниям.

Реально ситуация сложилась так, что значительная часть (более 80%) нефтяных и газовых месторождений расположена в северных и Северо-Восточных регионах России. При этом сле­ дует помнить, что 70% территории России сложены мерзлыми грунтами. Так, из анализа инженерно-геологических условий следует, что все без исключения нефтяные, газовые и газокон­ денсатные месторождения Ямала расположены в зоне распро­ странения вечномерзлых грунтов и шельфах северных морей, а значительная часть Ханты-Мансийского автономного округа - в зоне грунтов с глубоким (до 4 м) сезонным промерзанием.

12.2. Выбор принципа строительства и метода проек­ тирования фундаментов в условиях мерзлых грунтов

При проектировании и строительстве зданий и сооружений в условиях мерзлых грунтов предварительно решается вопрос о выборе принципа строительства, т. е. о выборе основного на­ правления, по которому будут осуществляться проектирование, эксплуатация и строительство объектов. При этом решается принципиальный вопрос - следует ли сохранять мерзлое со­ стояние грунтов весь период эксплуатации сооружений или воз­ можно оттаивание мерзлого грунта в период существования со­ оружения.

Основой такого выбора является оценка геокриологических условий территории строительства (температуры толщи мерз­ лых грунтов, их льдистости, проседаемости и т. д.) и особенно­ стей конструктивной схемы возводимых зданий (теплового ре­ жима, размеров площадки застройки, наличие подвала и т. д.).

При выборе принципа строительства особо значимы и должны быть полностью использованы материалы инженерно­ геокриологических изысканий. Для обоснования того или иного принципа строительства необходимы, как минимум, следующие

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых ■208объектов в условиях Севера

характеристики мерзлых грунтов:

температура на глубине нулевых годовых амплитуд Э0;

суммарная влажность мерзлого грунта WtQt;

коэффициент оттаивания (коэффициент тепловой осадки) A(h.

По температуре на глубине нулевых годовых амплитуд $0

толщу мерзлых грунтов относят к той или иной строительной криозоне (северной - субарктической, центральной или южной); что имеет большое значение при выборе принципа строитель! ства. При этом в зависимости от состава, температуры и степени влажности мерзлого грунта в соответствии с ГОСТ 25100-95 (приложение А) с учетом сжимаемости под нагрузкой мерзлые грунты подразделяются на твердомерзлые, пластично-мерзлые й сыпучемерзлые.

По данным суммарной влажности Wlof и по количеству не­

замерзшей воды Ww(по влажности Wic и Ww) в соответствии

со СНиП 2.02.04-88 (Приложение 1) определяют суммарную

льдистость i(Qt и относят мерзлые грунты к сильнольдистым

( i(ot >0,5) или к слабольдистым (ilol <0,25). При этом обяза­

тельно до начала проектирования по величине коэффициента

(А) оцениваются просадочность мерзлых грунтов (если А >

0,02 - грунты просадочные, если А <0,02 - непросадочные). Таким образом, даже при перечисленном минимуме показа­

телей свойств мерзлых грунтов с учетом особенностей конст­ рукций возводимых сооружений можно обоснованно подойти к выбору принципа строительства на вечномерзлых грунтах.

Проектирование и строительство сооружений на мерзлых грунтах регламентируются СНиП 2.02.04-88 «Основания и фун­ даменты на вечномерзлых грунтах». В зависимости от конст­ руктивных и технологических особенностей зданий и сооруже­ ний, инженерно-геокриологических условий и возможности це­ ленаправленного изменения свойств грунтов действующими нормами рекомендовано два принципа использования мерзлых грунтов в качестве оснований.

11 Принципы строительства зданий и сооружений на мерзлых грунтах

- Z U ? -

Принцип I - вечномерзлые грунты основания используются ямерзлом состоянии, сохраняемом в процессе строительства и в течение всего периода эксплуатации сооружения.

Этот метод целесообразно и сравнительно просто приме­ нять в северной (субарктической) и центральной зонах распро­ странения вечномерзлых грунтов, где они имеют значительную мощность и, как правило, находятся в твердомерзлом состоянии. При этом возводимые сооружения не выделяют значительного количества тепла и имеют ограниченные размеры в плане, а также во всех других случаях (когда вечномерзлые грунты силь-

нольдистые ( itot > 0,5), или при оттаивании просадочных( А >

0,02) или находящихся в пластичновязком состоянии мерзлых грунтов). Использование метода сохранения мерзлого состояния грунтов полностью исключает их оттаивание и поэтому позво­ ляет использовать в основания зданий и сооружений любые мерзлые грунты. При этом появляется возможность заанкерировать фундаменты и неоттаивающую толщу мерзлого грунта и избежать выпучивания железобетонных, столбчатых, свайных и других фундаментов.

Принцип I следует применять, если грунты основания мож­ но сохранить в мерзлом состоянии при экономически целесооб­ разных затратах на мероприятия, обеспечивающие сохранение такого состояния. На участках с твердомерзяыми грунтами, а также при повышенной сейсмичности района следует прини­ мать, как правило, использование вечномерзлых грунтов по пшнципу I.

При строительстве на пластично-мерзлых грунтах следует, как правило, предусматривать мероприятия по понижению тем­ пературы до установленных расчетом значений, а также учиты­ вать в расчетах оснований пластические деформации этих грун­ тов под нагрузкой согласно указаниям СНиП 2.02.04-88.

Принцип II - вечномерзлые грунты основания используют­ ся в оттаянном или оттаивающем состоянии (с их предваритель­ ным оттаиванием на расчетную глубину до начала возведения сооружения или с допущением их оттаивания в период эксплуа­ тации сооружения).

Метод предварительного оттаивания применятся в случаях, когда необходимо уменьшить будущую осадку оттаивающих и оттаявших грунтов путем предварительного уплотнения собст­

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 2 1 0 " объектов в условиях Севера

венным весом или другим путем, а также в случаях необходи­ мости уменьшать неравномерность осадок в основаниях, сло­ женных неоднородными по сжимаемости в мерзлом и оттай; вающем состоянии грунтами.

Принцип II следует применять при наличии в оснований скальных и других малосжимаемых грунтов, деформации кото­ рых при оттаивании не превышают предельно допустимых зна­ чений для проектируемого сооружения, при несплошном рас­ пространении вечномерзлых грунтов, а также в случаях, когда по технологическим и конструктивным особенностям сооружен ния и инженерно - геокриологическим условиям участка при сохранении мерзлого состояния грунтов основания не обеспечи­ вается требуемый уровень надежности сооружений.

Выбор принципа использования вечномерзлых грунтов в качестве основания сооружений, а также способов й средств, необходимых для обеспечения принятого в проекте температур­ ного режима грунтов, следует производить на основании срав­ нительных технико-экономических расчетов.

В пределах застраиваемой территории (месторождение, промышленный узел, поселок, городской микрорайон и т.д.) надлежит предусматривать, как правило, один принцип исполь­ зования вечномерзлых грунтов в качестве оснований. Это тре­ бование следует учитывать также при проектировании новых и реконструкции существующих зданий и сооружений на застро­ енной территории, размещении мобильных (временных) зданий и прокладке инженерно-технических сетей.

Линейные сооружения допускается проектировать с приме­ нением на отдельных участках трассы разных принципов ис­ пользования вечномерзлых грунтов в качестве основания. При этом следует предусматривать меры по приспособлению их конструкций к неравномерным деформациям основания в мес­ тах перехода от одного участка к другому, а при прокладке их в пределах застраиваемой территории следует соблюдать указан­ ные выше требования.