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

1. Региональная и историческая геокриология

-21-

1.2. Распространение вечномерзлых грунтов по терри­ тории России

К районам вечномерзлых грунтов относятся Якутия, Мага­ данская область, большая часть Читинской и Иркутской облас­ тей, Красноярского и Хабаровского краев, частично Тюменская

иСвердловская области и Бурятия. Чем больше среднегодовая отрицательная температура воздуха и, следовательно, темпера­ тура грунта на уровне их нулевых значенний, тем больше толща вечномерзлых грунтов. В отдельных пунктах России вечномерз­ лые грунты встречаются на глубине 350 м (Мархинская скважи­ на в Якутии). Выделяют арктическую, субарктическую, умерен­ но холодную и южную зоны распространения вечномерзлых грунтов [31]. Арктическая зона имеет среднюю глубину вечно­ мерзлого грунта 600м, температуру (на глубине 10м) - (9...10)°С

исреднюю глубину сезонного оттаивания 0,7м. Эго самая хо­ лодная зона, занимающая побережье Ледовитого океана. Суб­ арктическая зона имеет глубину вечномерзлого грунта в сред­ нем 350м, температуру - (3...5)°С и глубину летнего оттаивания в среднем 1 м. Вечномерзлые грунты умеренно-холодной зоны оттаивают летом в среднем на 1,5м и имеют глубину вечномерз­ лого грунта в среднем 250м при температуре - (1...3)°С. Аркти­ ческая, субарктическая и умеренно-холодная зоны составляют территорию сплошного распространения вечномерзлых грунтов. Южная зона имеет глубину вечномерзлого грунта до 10 м при температуре от 0 до -1°С. Глубина летнего оттаивания вечно­ мерзлого грунта в южной зоне<достигает Зм и более. В южной зоне выделяют подзоны прерывистого, островного и редкоост­

ровного распространения вечномерзлых грунтов.

Зона сплошного распространения вечномерзлого грунта со­ ставляет 63% территории вечномерзлого грунта, в том числе арктическая зона 9%, субарктическая 27% и умеренно-холодная зона 27%. Южная зона составляет 37% территории вечномерз­ лого грунта. В целом наблюдается преобладание вечномерзлых грунтов с температурой от - 1 до - 9°С. Грунты с этой темпера­ турой - занимают 60,3% территории вечномерзлых грунтов.

Согласно СНиП П-1-82 территория для строительства раз­ делена на четыре строительно-климатические зоны: 1-Ш - зоны равнинных территорий; IV - зона горных областей. К строитель­

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых -22- объектов в условиях Севера_____________________________________________

но-климатической зоне I относятся арктические, тундровые и таежные территории, причем в ней преобладают грунты, имею­ щие избыточное водонасыщение, т. е. переувлажненное состоя­ ние. Строительно-климатическая зона П представлена грунтами, имеющими в отдельные годы избыточное или неустойчивое водонасыщение. Строительно-климатическая зона Ш, самая юж­ ная по расположению, имеет грунты недостаточного водонасыщения.

На Азиатскую часть приходится 77% территории России. В этой части преобладает строительно-климатическая зона I, при­ чем 79% ее территории занимают вечномерзлые грунты. В Ев­ ропейской части России вечномерзлые грунты занимают 8,2% территории что обусловило первостепенное изучение процесса разработки .талых и сезонно-мерзлых грунтов. Систематическое изучение вечномерзлых грунтов как материала, подлежащего разработке, начато в 70-е годы и связано с возрастанием объе­ мов капитального строительства в Азиатской части России.

Природно-климатические условия территории вечномерз­ лых фунтов определяются в основном температурой воздуха и грунта, типом и состоянием грунта, скоростью ветра, влажно­ стью воздуха, наличием полярных дней и ночей и другими фак­ торами, объединенными в группы температурно-радиационных, влажностно-ветровых и мерзлотно-грунтовых условий эксплуа­ тации машин для земляных работ (табл. 1.1).

Температурно-радиационные условия определяются темпе­ ратурными и радиационными режимами района строительства. Температурный режим зависит от годовых и суточных значений температуры окружающего воздуха и ее колебаний. Практиче­ ски температурный режим определяет средняя температура ян­ варя и июля месяцев. Радиационный режим района определяют по интенсивности прямой солнечной радиации.

Влажностно-ветровые условия определяют средними ско­ ростью ветра и влажностью воздуха. Если средняя скорость вет­ ра за три зимних месяца будет более 5 м/с, то необходимо вы­ полнить специальные расчеты на ветровую нагрузку. Влажность воздуха учитывают при выборе материалов для отделки кабин и электрооборудования специального исполнения.

Т а б л и ц а 1.1 Климатические факторы строительно-климатических зон территории России_________

Показатель

Средняя месячная температура, °С: Январь

Июль Средняя скорость

ветра за три зим­ них месяца, м/с Водонасыщение грунтов

Среднемесячная

относительная влажность воздуха в июле, %

				Строительно-климатическая зона и ее подрайон
I				II			1П	Б		IV		В	Г
А	1 Б	В	Г	А	Б	В	А		В	А	Б
Боле -28		-21	-21	-9	-9	-9	-17	-1	-9	-1	4	-1	5
и	6	6	17	10	17	17	23	23	24	>31	25	26	29
	более		-	более		-	-	-	-	-	-	-	-
-	5			5
						неус
избыточное						той-	недоста­			-	-	-	-
						чи-	точное
						вое
										ме­	бо­	бо­	ме­
-	более 75		-	более 75		-	-	-	-	нее	лее	лее	нее
										30	50	30	30

геокриология историческая и Региональная1.

- 23-

Температура воздуха, °С

Рис. 1.2. Климатические факторы, определяющие условия эксплуатации землеройных машин

Влажность воздуха учитывают при выборе материалов для отделки кабин и электрооборудования специального исполне­ ния. Кроме того, при положительных температурах воздуха и высокой относительной влажности воздуха (более 75%) отмече­ но переувлажнение поверхностных слоев вечномерзлого грунта.

Среди климатических районов выделяют: жаркий, жаркий сухой, умеренно теплый, умеренно холодный, холодный и очень холодный (рис. 1.2). Холодные и очень холодные климатиче­ ские районы определяют диапазон условий эксплуатации земле­ ройных машин.

Определяющим фактором разработки и использования грунтов считают мерзлотно-грунтовые условия. Особенность вечномерзлых грунтов заключается в непрерывном изменении их температуры, состава и свойств. Свойства вечномерзлых грунтов зависят от климатических условий. В общем ряду со­ противляемости материалов разрушению вечномерзлые грунты занимают промежуточное положение между такими материала­ ми, как бетон и сыпучие пески.

Грунт

Щебенистый Песок развеваемый и закрепленный

Супесчаный и песча­ ный Глинистый и сугли­ нистый Лессовой Торфяной и болотный Засоленный

Грунт горных и лед­ никовых территорий Всего

										т а 1.2.
Строительно-климатическая зона для							Европейская		Азиатская
грунтов				вечно			часть		часть
талых						Всего по	Грунт
				мерзлых
						России	вечно		вечно
I	II	III	IV	I	II		мерз	талый	мерз	талый
							лый		лый	2,3
0,3	0,1	0,9	1,4	1,2	0,0	3,9	0,0	0,2	1,4
0,0	0,0	0,9	1,7	0,0	0,0	2,6	0,0	0,2	0,0	2,4
2,0	3,3 '	1,3	0,1	1,0	0,2	8,5	0,3	5,5	0,9	1,8
8,2	4,5	4,9	1,1	17,6	0,2	36,5	0,7	8,5	17,0	10,3
2,9	2,2	3,0	0,5	0,3	0,0	8,9	0,0	4,2	0,3	4,4
2,8	0,7	0,0	0,0	2,4	0,1	6,0	0,4	1,1	2,2	2,3
0,7	0,0	1,4	0,3	0,0	0,0	2,4	0,0	0,4	0,0	2,0
3,2	i,6	1,2	0,4	24,5	о , з	31,2	0,5	0,9	24,4	5,4
20,1	13,0	13,6	5,5	47	0,8	100,0	1,9	21,0	46,2	30,9

геокриология историческая и Региональная1.

25-

-

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых

- 2 6 - объектов в условиях Севера

Определение состояния грунта в момент разработки (талое или вечномерзлое) и его разновидности осуществляют по карте распространения вечномерзлых грунтов по территории России (СНиП Н-А 6-72) 'и картотрамме механического состава кров­ ных образований территории России (табл. 1.2).

ВОПРОСЫ

1.Что изучает региональная геокриология?

2.Какие факторы, формирующие климат, относятся к по­ стоянно действующим?

3.Какие климатические факторы действуют продолжи­ тельное время и какие кратковременно?

4.Чем определяется радиационный баланс системы Земля как атмосфера?

5.Как распространены вечномерзлые грунты на террито­ рии России?

2. Разработка мерзлых грунтов - неотъемлемая часть нефтегазового строительства	-27-
в условиях Севера

РАЗРАБОТКА МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ - НЕ­

ОТЪЕМЛЕМАЯ ЧАСТЬ НЕФТЕГАЗОВОГО

СТРОИТЕЛЬСТВА В УСЛОВИЯХ СЕВЕРА

2.1. Общие положения и особенности физико-механи­ ческих свойств мерзлых грунтов

Наибольшее распространение для разработки вечномерзлых грунтов получили мощные гусеничные рыхлители и буровые станки ударного действия. Менее распространены рыхлители динамического действия, машины для нарезания щелей, станки вращательного бурения, трубчатые буры для проходки лидер­ ных скважин и оборудование для оттаивания грунта паром при устройстве опускных свай. При отсутствии рыхлителей и буро­ вых станков в летнее время года применяют методы радиацион­ ного, электрического и гидравлического оттаивания вечномерз­ лых грунтов.

Вечномерзлое и талое состояния грунтов являются стацио­ нарными, а сезонно-талое и сеЗонно-мерзлое состояния возни­ кают в результате смены времен года. Вечномерзлые грунты твердомерзлого и пластично-мерзлого состояний отличаются от сезонно-мерзлых грунтов повышенной прочностью и, следова­ тельно, категорией трудности разработки, льдистостью (влагонасыщенностью), четырехфазным трехслойным строением, ус­ тойчивой криогенной текстурой, увеличенной примерзаемостью к рабочим органам, морозобойным растрескиванием, сезонным выпучиванием валунных включений и т. д.

Грунты при отрицательных температурах резко меняют свои свойства, так как лед, образующийся при замерзании вода, связывает частицы грунта в сплошной высокопрочный монолит.

Прочностные свойства мерзлых грунтов зависят от ряда факторов, и даже небольшое изменение одного из них значи­

Механика мерзлых грунтов ^принципы строительства нефтегазовых

- 2 о - ____ объектов в условиях Севера

___________________________________________

тельно меняет величину сопротивления разрушению. Вода за­ мерзает в грунтах по-особому из-за взаимодействия ее с поверх­ ностью минеральных частиц грунта, а также наличия в воде рас­ творенных солей, сюрбенностей механического и минералогиче­ ского состава грунта и пр. Температура кристаллизации воды, находящейся в силовом поле поверхности минеральных частиц, ниже О °С.

Процесс замерзания грунтов хорошо исследован как в ла­ бораторных, так и в полевых условиях. В начале процесса грунт охлаждается, а затем переохлаждается без выделения льда. При температуре -3 ... -5°С (далее везде температура приводится в градусах Цельсия) начинает замерзать свободная вода, не свя­ занная молекулярными силами с минеральными частицами. Эту температуру называют температурой переохлаждения. В даль­ нейшем в грунте постепенно замерзает свободная поровая вода.

В мерзлых грунтах далеко не вся вода замерзает даже при температуре -10°, когда в них не замерзшей воды может быть еще до 25% и более. Если в песке практически вся она замерзает при температуре -2°, то в глине прочносвязанная вода замерзает при -70° и ниже. Это объясняется тем, что более дисперсные грунты имеют большую поверхность минеральных частиц и, следовательно, обладают большей способностью связывать поровую воду.

Влажность грунта влияет не только на условия его замора­ живания, но и на прочность. В мерзлом грунте с влажностью, не превышающей полной влагоемкости, и быстро замороженном невозможно визуально обнаружить скопления кристаллов льдацемента. Такой грунт представляет собой монолит со слитной криогенной структурой. При замораживании грунта повышен­ ной влажности в нем появляются линзы и прослойки льда, раз­ деляющие монолитную структуру; включения льда встречаются и в грунтах небольшой влажности, так как образование их зави­ сит от рода и плотности грунта, скорости и температуры замо­ раживания. При малой влажности льдоцементные связи не обеспечивают монолитной структуры грунта и он легко подда­ ется экскавации. При влажности, соответствующей полной влагоемкбсти грунта, прочность в мдэзлом состоянии наибольшая, так как льдоцементные связи в этом случае наиболее полно со­ единяют между собой отдельные частицы грунта.

2. Разработка мерзлых грунтов - неотъемлемая часть нефтегазового строительства	-29-
в условиях Севера

Каждому грунту с определенной влажностью свойственна температура промораживания, при которой пленочная и капил­ лярная вода подтягивается к фронту промерзания, а также к по­ рам и крупным пустотам, чем вызывается максимальная ско­ рость выделения льда. В результате этого образуются слоистая и ячеистая структуры мерзлого грунта (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Основные виды криогенных текстур мерзлых грунтов:

а - слитная; б - слоистая; в - ячеистая.

Так как из-за линз и прослоек льда текстура мерзлого грун­ та неоднородна, его механическая прочность уменьшается.

Миграция влаги происходит и в замерзшем грунте, однако интенсивность ее значительно меньше, чем в талом, что объяс­ няется небольшим содержанием не замерзшей воды и затруд­ ненностью ее передвижения.

Мерзлые грунты разрушаются землеройными машинами под влиянием растягивающих, сдавливающих или сдвигающих напряжений. При этом весьма важное значение для оценки со­ противления мерзлых грунтов имеет мгновенная или кратко­ временная прочность, которую приравнивают к их временному сопротивлению. Следует заметить, что для различных рабочих органов землеройных машин значения сопротивления разруше­ нию или резанию одного и того же грунта могут значительно различаться.

Разрушение мерзлого грунта растяжением наименее энер­ гоемко, так как его прочность на разрыв наименьшая. Предел прочности о в быстро увеличивается с понижением температу

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых -30- объектов в условиях Севера

а)

б)

Рис. 2.2. Зависимость временного сопротивления мерзлых грунтов разрыву при различной температуре:

а - песка; б - супеси; в - суглинка; г - глины; влажность грунтов, %: 7 - 4,1; 2 -12,4; 3 - 19,3; 4 - 40; 5 - 28; 6 - 20; 7 - 57; 8 - 22,3; 9 -19; /0-51; 77 -26; 12-30.

ры (рис. 2.2), особенно у песка и супеси, которые при темпера­ туре -5° имеют значительно большую прочность, чем суглинки и глины. Прочность мерзлого грунта возрастает с повышением влажности до полной его влагоемкости (рис. 2.3); при большем содержании влаги временное сопротивление мерзлого грунта всем видам напряжении уменьшается, и в пределе оно становит­ ся равным временному сопротивлению льда.

Прочность мерзлого грунта возрастает также с увеличением в нем количества частиц песка, что резко отличает мерзлые грунты от талых (рис. 2.4). Объясняется это образованием в мерзлом песке жесткого каркаса, прочно армированного льдо­ цементными связями.