книги / Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых объектов в условиях севера
..pdfl l Принципы строительства здании и сооружении на мерзлых грунтах |
-2 1 1 - |
12.3. Данные, необходимые для расчета и порядок проектирования фундаментов по принципу I
В отличие от расчета и проектирования фундаментов на та лых грунтах, расчеты фундаментов в условиях мерзлых грунтов, проектируемых по принципу сохранения мерзлого состояния грунтов, требуют дополнительных характеристик, таких как:
глубина максимального летнего оттаивания грунтов ht в
проветриваемых зимой подпольях зданий и сооружений; глубина заложения фундаментов от уровня максимально
летнего оттаивания; максимальная температура на уровне глубины заложения
фундаментов (для определения значений расчетных сопротив лений) и температура толщи мерзлых грунтов на уровне нуле вых годовых теплооборотов (необходимая по СНиП для тепло технических расчетов);
теплофизические, механические и реологические свойства мерзлых грунтов данного гранулометрического состава, льдистости и величины отрицательной температуры.
Как отмечалось ранее, при расчете и проектировании фун даментов необходимо знать:
основные физические свойства мерзлых грунтов
(гуд>гЛм>К);
тепловые свойства мерзлых грунтов ( Xth, X j-, Cth, Сj , с'м ),
определяемые по физическим свойствам мерзлых грунтов и су ществующим таблицам (СНиП 2.02.04-88), позволяющие опре делять данные температуры, глубины протаивания, промерзания
и т.д.; |
|
|
|
показатели |
длительной |
прочности мерзлых |
грунтов |
«Г * ,Сдя,Тдл) для расчета несущей способности оснований; |
|||
показатели деформируемости мерзлых грунтов |
и |
||
8 ' или Т и а '^ |
или а'0 и |
ит.д.). |
|
С учетом количества незамерзшей воды при заданной отри цательной температуре 9 = -10°С по СНиП 2.02.04-88 объемная теплоемкость грунта в мерзлом состоянии равна
Механшса мерзлых грунтов н принципы строительства нефтегазовых - 2 1 2 - объектов в условиях Севера
с/ = |
“ ИГ„) + СЛ ](к к а л /(м 3град), |
(Ш ) |
™tot
где Cth и С у тепловые свойства мерзлых грунтов.
Порядок проектирования фундаментов по методу сохране ния мерзлого состояния грунтов оснований
Глубина заложения фундаментов, считая от уровня плани ровки (подсыпки или срезки), назначается с учетом требований СП 50-101-2004 [52] и принятого принципа использования веч номерзлых грунтов в качестве основания сооружения и должна проверяться расчетом по устойчивости фундаментов на дейст вие сил морозного пучения грунтов согласно указаниям СНиП 2.02.04-88.
При использовании вечномерзлых грунтов в качестве осно вания по принципу 1 минимальную глубину заложения фунда
ментов d min необходимо принимать по табл. 12.1 в зависимости
от расчетной глубины сезонного оттаивания грунта d th, опре
деляемой согласно обязательному приложению 3 СНиП 2.02.0488 [47].
|
Т а б л и ц а 12.1 |
|
Фундаменты |
Минимальнаяглубина заложения |
|
Фундаменты всехтипов» |
фундаментов d^mм |
|
<4+1 |
||
кроме свайных |
||
|
||
Свайные фундаменты зданий |
dth*2 |
|
и сооружений |
d,h+4 |
|
Сван опор мостов |
||
Фундаменты зданий и |
Не нормируется |
|
сооружений» возводимых на подсыпку |
||
|
При использовании вечномерзлых грунтов в качестве осно ваний сооружений по принципу I для сохранения мерзлого со стояния грунтов основания и обеспечения их расчетного тепло вого режима в проектах оснований и фундаментов следует пре дусматривать: устройство холодных (вентилируемых) подполий или холодных первых этажей, укладку в основании сооружения охлаждающих труб, каналов или применение вентилируемых
|2. Принципы строительства зданий и сооружений на мерзлых грунтах |
-2 1 3 - |
фундаментов, установку сезоннодействующих охлаждающих устройств жидкостного или парожидкостного типов - СОУ, а также осуществление других мероприятий по устранению или уменьшению теплового воздействия сооружения на мерзлые грунты основания.
При этом могут применяться свайные, столбчатые и другие талы фундаментов, в том числе фундаменты на искусственных (насыпных и намывных) основаниях. Выбор типа фундамента и способа устройства основания устанавливается проектом в зави симости от инженерно - геокриологических условий строитель ства, конструктивных особенностей сооружения и технико экономической целесообразности.
Проектирование фундаментов включает в себя следующие расчеты:
расчет устойчивости и температурного режима мерзлых грунтов в основаниях возводимых зданий и сооружений;
определение глубины заложения фундаментов (при нали чии; проветриваемого подполья) и расчет максимальной темпе ратуры мерзлых грунтов на уровне подошвы фундаментов;
расчет фундаментов по несущей способности мерзлых грунтов и по предельным деформациям (осадкам) в пластичномерзлом состоянии.
На рис. 12.1 приведена схема теплопотоков в здании с по лами по грунту в условиях мерзлых грунтов.
Рис. 12.1. Схема теплопотоков Вздании с полами иа грунте в условиях вечномерзлых грунтов
-2 1 4 - |
Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых |
объектов в условиях Севера |
При ширине здания, во много раз превышающей глубииу деятельного слоя, пренебрегая теплопотерями в стороны, колй| чество тепла Q, выделяемое в грунт через пол здания (ккал/м2)) определяют по известному уравнению Фурье для устанавливаем мого движения тепла
где Г* - положительная температура внутри помещения, °G; То - расчетная среднегодовая температура мерзлой толщи, °С; t - время, час; R0- сопротивление теплопередаче перекрытия над подпольем, м2-ч-град/ккал.
Однако поток тепла от здания в грунт будет иметь место постоянно с различной интенсивностью в зависимости от разно сти температур 7* - Г0 и величины температурного сопротивле ния пола Д0. Тепло, поступающее в мерзлый грунт, будет изме нять температуру мерзлого грунта и формировать под подошвой здания чаши протаивания. Таким образом, только с помощью вентилируемого зимой подполья или другими способами можно обеспечить сохранение грунта в мерзлом состоянии.
12.4. Требования к материалам и изделиям при строи тельстве нефтегазовых объектов в условиях Севера
К конструкциям и материалам, используемым в особых ус ловиях Севера, предъявляются требования к маркам по прочно сти, морозостойкости и водонепроницаемости. При этом конст руктивные решения должны обеспечивать наименьшие затраты при монтаже, сведение к минимуму мокрых процессов, малый вес и пригодность деталей для перевозки в сложных транспорт ных условиях. Эти требования в наибольшей степени удается удовлетворить при применении современных эффективных ма териалов (алюминиевых сплавов, пластмасс, специально обра ботанных видов древесины, штампованных стальных настилов и др.). Однако в настоящее время еще широко используются тра диционные материалы - дерево, сталь, кирпич, бетон и железо бетон.
ЩПринципы строительства зданий и сооружений на мерзлых грунтах |
- 2 1 5 - |
Марки каменных и бетонных материалов по морозостойко сти назначаются в зависимости от срока службы конструкции, который определяется классом сооружения по капитальности. Класс сооружения должен содержаться в заданиях на проекти рование.
Устанавливается степень долговечности основных конст руктивных элементов:
I класс - не ниже 1-ой степени долговечности (срок службы неменее 100 лет);
II и III классы - не ниже 2-ой степени долговечности (срок службы не менее 50 лет);
IV класс - не ниже 3-й степени долговечности (срок службыне менее 20 лег).
Проектные марки бетона по морозостойкости и водопрони цаемости несущих бетонных и железобетонных конструкций' зданий и сооружений, эксплуатируемых при расчетных темпе ратурах воздуха -40°С и ниже, принимаются по табл. 12.2, кро ме свай, для которых следует пользоваться данными табл. 12.3, составленной в соответствии с требованиями ГОСТ 19804-74 «Сваи забивные железобетонные квадратного сечения».
Для армирования железобетонных конструкций могут при меняться углеродистые арматурные стали.
Марки сталей для металлических конструкций в зависимо сти от расчетной температуры и группы, характеризующей от ветственность конструкций в условиях их эксплуатации, выби раются в соответствии с п.2 и приложенями 2 и 3 СНиП П-В.З- 72 «Стальные конструкции. Нормы проектирования».
За расчетную температуру наружного воздуха принимается средняя температура наиболее холодной пятидневки. Испыта ние свай по прочности производят в соответствии с ГОСТ 10180-67 и ГОСТ 10105-62, по морозостойкости - в соответст вии с ГОСТ 10060-62, по водонепроницаемости - в соответст вии с ГОСТ 4800-59.
Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых -216- объектов в условиях Севера
Т а б л и ц а 12.2
Проектные марки бетона по морозостойкости
иводонипроницаемости для несущих бетонных
ижелезобетонных конструкций
Условия эксплуатации
1.Попеременное замораживание
иоттаивание в водонасыщенном состоянии для конструкций, предназначенных для эксплуатаии при расчетных температурах -40°С и ниже
2.Попеременное замораживание
иоттаивание в условиях эпизо дического водокасыщения для
конструкций, предназначен-ных для эксплуатации при расчетных температурах - 40°С и ниже 3* В грунте при возможном эпи
зодическом воздействии на кон струкции температур 40°С и ниже (например, в период строи тельства, монтажа и др.)
4. Внутренние конструкции со оружений и отапливаемых зда ний при возможном эпизодиче ском воздействии на конструк ции температур - 40°С и ниже (например, в период строитель ства, монтажа и др.)
|
Проектная марка бетона, не ниже |
|
|||||
по морозостойкости |
по водонепрони |
||||||
|
(Мрз) |
|
|
цаемости (В) |
|||
|
для зданий и сооружений классов |
|
|||||
I |
п |
ш |
IV |
I |
П |
щ |
т |
300 |
200 |
150 |
100 |
6 |
4 |
2 |
2 |
200 150 100 100 4 2 2 2
150 100 50 |
50 |
Не нормируется |
100 50 |
50 |
50 |
Не нормируется |
Примечание. При наличии агрессивной среды проектные марки бетона по морозостойкости и водонепроницаемости должны быть не ниже требуемых СНиП П-28-73 «Защита строи тельных конструкций от коррозии».
'ШПринципы строительствазданий и сооружений на мерзлых грунтах |
-2 1 7 - |
Т а б л и ц а |
12.3 |
Проектные марки бетона по морозостойкости и водонепрони цаемости сплошных железобетонных свай прямоугольного сечения
([ Условия эксплуатации
1 Находящиеся в условиях постоянного смачивания переменнымуровнем воды воткрытых водоемах 2. Являющиеся одновре
менно надземными опора ми конструкций (высокий свайный ростверк, эстака дыидр.)
, 3. Погружаемые на всю
;глубинув грунт 4. Выступающие над по
верхностью 1рунта и нахо дящиеся внутри помеще ний с положительными температурами, подвер-
'женные воздействиютем ператур ниже 0°Св период строительства
|
Проектная марка бетона, не ниже |
|
|||||
по морозостойкости |
по водонепрони |
||||||
|
(Мрз) |
|
|
цаемости (В) |
|
||
I |
для зданий и сооружений классов |
IV |
|||||
п |
ш |
IV |
I |
П |
ш |
||
300 |
200 |
150 |
100 |
6 |
4 |
4 |
2 |
200 |
150 |
100 |
75 |
4 |
4 |
2 |
2 |
150 |
100 |
75 |
50 |
4 |
2 |
2 |
2 |
100 |
75 |
50 |
50 |
2 |
2 |
2 |
2 |
Трубы, изоляция, сварка
Для линейной части трубопррводов в соответствии с гид равлическим расчетом выбраны трубы определенного диаметра. По климатическим показателям принимаются трубы в хладо стойком исполнении, обеспечивающем высокие значения удар ной вязкости при отрицательных температурах и хорошую сва риваемость. При изготовлении труб в хладостойком исполнении предъявляются специальные требования к химическому составу металла, позволяющему эксплуатировать трубы в условиях низ ких температур без опасения хрупкого разрушения.
Назначение категории для магистрального трубопровода определяет требования к толщине стенки труб, к величине ис пытательного давления и к объему неразрушающего контроля 'сварных соединений. Такая толщина стенки обеспечивает на-
Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых -2 1 8 - объектов в условиях Севера
дежность трубопровода и его безаварийную работу.
Дня сохранения эксплуатационных параметров трубопро вода предусматривается защита рабочего трубопровода от поч венной коррозии в соответствии с ГОСТ Р51164-98 и другими нормативными документами. Защита представлена трехслой ным полимерным покрытием усиленного типа с повышенной морозостойкостью, предназначенного для применения в услови ях Крайнего Севера, толщиной не менее 3 мм на основе экстру дированного полиэтилена, наносимым в заводских условиях.
ВОПРОСЫ
1.Какими нормативными документами регламентированы принципы строительства на мерзлых грунтах?
2.Что следует отнести к особенностям нефтегазового строительства?
3.Как производится выбор принципа строительства на мерзлых грунтах?
4.Какие данные необходимы для расчета и проектировав ния сооружений по принципу I?
5.Какие дополнительные требования предъявляются к ма териалам при строительстве в условиях Севера?
13. Методы температурной стабилизации грунтов оснований зданий |
- 2 1 9 - |
и сооружений_______________________________________________ |
МЕТОДЫ ТЕМПЕРАТУРНОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ ГРУНТОВ ОСНОВАНИЙ ЗДАНИЙ И СО ОРУЖЕНИЙ ПРИ СТРОИ ТЕЛЬСТВЕ В РАЙОНАХ РАС ПРОСТРАНЕНИЯ МНОГОЛЕТ НЕМЕРЗЛЫХ И ВЕЧНОМЕРЗ ЛЫХ ГРУНТОВ
13.1.Общие положения
Внастоящей главе излагаются результаты научных разра боток, натурных экспериментальных работ, опыта строительст ва современных систем управления тепловым режимом грунтов оснований зданий и сооружений в районах распространения многолетнемерзлых и вечномерзлых грунтов.
Сохранение мерзлого состояния грунтов в основаниях зда ний и сооружений является важнейшей задачей. При постоянно
положительной температуре Ты внутри помещений зданий или
сооружений и постоянно отрицательной температуре мерзлой
толщи Тт г , количество тепла, выделяемое полом здания, со
гласно уравнению Фурье для установившегося режима, будет прямо пропорционально разности температур, обратно пропор
циональна термическому сопротивлению пола R 0 и беспрерыв
но растет с увеличением времени t , т.е. поток тепла будет не прерывным, что вызовет формирование чаши протаивания, не допустимое при строительстве по принципу I.
При увеличении термического сопротивления пола R0 по
Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 2 2 0 - объектов в условиях Севера
ток тепла уменьшится, но одной теплоизоляцией его нельзя со всем ликвидировать, так как устранить теплоизоляцию с терми ческим сопротивлением, большим 3 -5 м2-ч-град/ккал практиче ски невозможно.
Сохранить мерзлое состояние грунта можно применением либо фундаментов (свайных, столбчатых, опор-оболочек и пр.)* закладываемых ниже максимальной глубины установившейся чаши простаивания, либо специальных методов, позволяющих изменить условия теплообмена на поверхности мерзлого грунта.
Внастоящее время при строительстве сооружений пб прин ципу I наиболее эффективным путем обеспечения необходимых проектных прочностных характеристик основания является его замораживание и глубокое охлаждение различными техниче скими средствами. Эффективность и объемы применение таких средств напрямую зависят от обосновывающих их проектных решений.
Вглаве рассмотрены пути повышения надежности зданий и сооружений за счет обеспечения стабильности механических характеристик грунтов основания. Приведены обобщения нако пленных проектных и технических решений систем темпера турной стабилизации оснований с целью повышения их надеж ности в процессе строительства и эксплуатации, а также суще ствующие различные системы замораживания и охлаждения грунтов на площадках: до начала строительства, в процессе строительства и в период эксплуатации.
Приведены примеры теплофизических расчетов взаимодей ствия систем температурной стабилизации с грунтами основа ния. Методы расчета включают решение краевых задач уравне ний математических моделей системы атмосфера-сооружение- грунт.
13.2.Охлаждение грунтов оснований с поверхности
Один из методов - естественное охлаждение грунтового основания. Для этого зимой проводят систематическую уборку снега и мусора, а летом защищают поверхность грунта термо изоляцией. Длительность указанных мероприятий - два - четыре зимних сезона. Задача расчета естественного охлаждения осно