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

2. Разработка мерзлых грунтов - неотъемлемая часть нефтегазового строительства	-31-
в условиях Севера

Рис 2.3. Влияние влажности на сопротивление мерзлых грунтов а- песка; б- супеси; <*- глины разрыву при различной температуре (°С):

5° (1); -15° (2); -25° (3); -40° (4).

т,МПа

Рис; 2.4. Зависимость временного	Рис. 2.5. Сопротивление мерзлых
сопротивления мерзлых грунтов	грунтов сдвигу при изменении
сжатию от температуры:	температуры и влажности:
} - песок; 2 - супесь; 3 - глина;	супесь, W-22 %; песок, W -16 %;
	суглинок, W=22 %; глина, W=36 %;

Временное сопротивление сжатию мерзлого грунта при прочих равных условиях в 3 - 5 раз больше, чем растяжению. Прочность грунта при сжатии зависит от его влажности при­ мерно в том же соотношении, что и при разрыве.

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых -32- объектов в условиях Севера

Временное сопротивление мерзлых грунтов сдвигу т (рис. 2.5) очень важно для определения прочности грунта анали­ тическим путем для правильного выбора теории прочности. По данным А. Н. Зеленина, при т/ор < 1 мерзлый грунт разрушается как пластичный материал, при т/ор> 1 - как хрупкий.

Временное сопротивление мерзлых грунтов сдвигу харак­ теризует их как хрупкие материалы при температуре ниже -5°. Для песка отношение т/ор при этом примерно равно 2, для супе­ си, суглинка и глины -1,6. При температуре -1...4°С, по опыт­ ным данным, некоторые мерзлые грунты имеют свойства, сход­ ные со свойствами пластичных теп. Увеличением влажности грунта выше полной влагоемкости уменьшается временное со­ противление мерзлых грунтов сдвигу.

Надо отметить, что величина временного сопротивления мерзлых грунтов и значительной степени зависит и от скорости приложения нагрузки. Предел длительной прочности мерзлых грунтов при постоянной нагрузке значительно ниже временного сопротивления, что объясняется пластическим деформировани­ ем его аналогично пластическому течению льда.

При увеличении скорости приложения нагрузки сопротив­ ление мерзлого грунта возрастает. По различным данным, со­ противление резанию при увеличении скорости на 1 м/с увели­ чивается на 5 - 12%. Однако эти сведения противоречивы. Оче­ видно, что с увеличением скорости приложения нагрузки изме­ няется характер разрушения, уменьшается пластическая дефор­ мация грунта разрушение происходит как разрушение хрупкого или квазихрупкого тела. Основным становится предельное каса­ тельное напряжение, не изменяющееся при увеличении скоро­ сти.

Мерзлые грунты, как и не мерзлые, по трудности разработ­ ки подразделены классификацией на четыре группы. Эта клас­ сификация имеет недостатки (например, по ней песок отнесен к I группе по трудности разработки как в не мерзлом, так и в мерзлом состоянии, хотя из рис. 2.2 и 2.4 ясно, что прочность мерзлого песка значительно больше, чем глины, относимой ЕНиР к Ш - IV группам. Значительно точнее можно классифи­ цировать мерзлые грунты по трудности разработки с помощью динамического плотномера ДорНИИ.

2. Разработка мерзлых грунтов - неотъемлемая часть нефтегазового строительства	-3 3 -
в условиях Севера

2.2. Проблема разработки мерзлых грунтов

Разработка мерзлых грунтов ведется землеройными маши­ нами. При этом работа землеройных машин непрерывного дей­ ствия в мерзлых и вечномерзлых грунтах характеризуется низ­ кой производительностью, невысокой надежностью и большим износом режущего инструмента. Так производительность ро­ торных экскаваторов на заторфованных вечномерзлых грунтах составляет всего 20 - 30 пог. м в смену, т. е. почтя в семь раз меньше, чем на талых грунтах. Практика использования экска­ ваторов ЭТР-231 и ЭТР-153А в грунтах прочностью до 700 уда­ ров плотномера ДорНИИ показала, что их производительность не превышает 30 - 40 пог. м в смену. Это во многом определяет­ ся частыми остановками экскаваторов для смены режущих ин­ струментов из-за их высокой изнашиваемости. При этом зубья с твердосплавными наплавками у экскаваторов ЭТР-253 при ра­ боте в условиях мерзлых грунтов изнашиваются за одну смену. Более того, уже через 2 - 3 часа после установки нового острого режущего инструмента он затупляется настолько, что энергоем­ кость разработки мерзлого грунта возрастает в 3 - 4 раза. При этом на преодоление сил трения приходится расходовать 30 - 60 % от усилия копания. Большие объемы земляных работ при сооружении протяженных выемок для нефте- и газопрово­ дов в северных районах страны и перечисленные выше трудно­ сти в использовании землеройной техники определяют актуаль­ ность проблемы разработки мерзлых грунтов.

В существующем виде теориядрезания грунтов, в том числе й; мерзлых, сформирована работами В.Д. Абезгауза, К.К. Ар­ темьева, И.Я. Айзенштейна, И.Г. Басова, Д.П. Волкова, В.П. Га­ льперина, Н.Г. Домбровского, А.Н. Зеленина, И.А. Недорезова, А.Ф. Николаева, В.Д. Теяушкина, М.Н. Ровинского, В.К. Рудне­ ва, Д.И. Федорова, А.М. Холодова, Г.А. Шлойдо и другими вид­ ными учеными стран Содружества Независимых Государств.

Исследованием теплофизических процессов в мерзлых грунтах при их разработке рабочими органами землеройных машин занимался ряд ученых, среди которых необходимо выде­ лить С.С. Кутателадзе, И.И. Вотякова, А.Г. Колесникова, И.К. Растягаева, Б.Г. Хазина, П.А. Белова и других. Из анализа

-34-	Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых
	объектов в условиях Севера

этих работ следует, что вопросы интенсификации разрушения мерзлых грунтов изучены недостаточно.

2.3. Классификация мерзлых грунтов по их состоянию в момент разработки

Классификацию грунтов, в том числе и мерзлых, определя­ ет ГОСТ 25-100-95. Подробно классификация грунтов изучается студентами в курсе "Механика талых и мерзлых грунтов". По­ этому в этой книге рассмотрены лишь показатели мерзлых грунтов, определяющие их разработку машинами и механизма­ ми.

Мерзлые грунты подразделяют следующим образом. Твердомерзлые грунты, прочно сцементированные льдом.

Характеризуются несжимаемостью и хрупким разрушением. Температура твердомерзлых грунтов ниже температуры перехо­ да грунтов из пластично-мерзлого в твердомерзлое состояние при замерзании: супеси - 0,6 °С, суглинки - 1,0 °С и глины -1,5 °С.

Пластично-мерзлые грунты, слабо сцементированные льдом, обладают вязкими свойствами и способностью сжимать­ ся под нагрузкой. Эти грунты имеют небольшую отрицательную температуру в диапазоне от начала замерзания грунта до начала твердомерзлого состояния.

Сыпучемерзлые грунты (крупнообломочные и песчаные) имеют низкую прочность, так как не сцементированы льдом вследствие малой влажности.

На карте распространения вечномерзлых грунтов различно­ го состояния по территории России показаны районы преиму­ щественного распространения твердомерзлых и пластично­ мерзлых грунтов (рис. 2.6). Для грунтов смешанного типа пока­ заны области твердомерзлых и пластично-мерзлых, а также пла­ стично-мерзлых и талых грунтов. Наиболее распространены твердо-мерзлые грунты - 48,5 %, затем пластично-мерз­ лые - 21,0 %. Смешанные твердомерзлые и пластично-мерзлые грунты занимают 12,4 % территории вечномерзлых грунтов.

Сезонно-талые и талые грунты в южных районах - это в ос­ новном сухой сыпучий и сухой связный грунты, характерные

2. Разработка мерзлых грунтов - неотъемлемая часть нефтегазового строительства	-3 5 -
в условиях Севера

	твердо-мерзлые грунты; Ш Я- пластично-мерзлые грунты;
|	смешанные твердо-мерзлые и пластично-мерзлые грунты;

Рнс. 2.6. Распространение вечномерзлых грунтов различного состояния по территории РФ

для южных районов; в северных районах грунты естественной влажности и переувлажненные ipym u.

Характер стружкообразования при отделении грунта от массива рабочими органами землеройных машин послойного резания соответствует состоянию грунтовых сред. Элементная стружка характерна для процессов разработки твердомерзлых, пластично-мерзлых и сухих связных грунтов. Сдвиговое стружкообразование наблюдается при разработке пластично-мерзлых грунтов и грунтов естественной влажности. Сливное стружкообразование характерно при разработке переувлажненных и су­ хих сыпучих грунтов. Стружки отрыва сопровождают процесс разработки твердомерзлых грунтов, имеющих значительную отрицательную температуру. Они имеют разнообразную форму, определяемую геометрией рабочего органа, скоростью прило­ жения нагрузки и другими факторами. Элементное стружкообразование отмечено при разработке пластично-мерзлых грунтов, а также твердомерзлых грунтов, имеющих незначительную от­ рицательную темпд>атуру.

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 3 6 - объектов в условиях Севера

Важным параметром прочности грунта является его темпе­ ратура. Изменение температуры вечномерзлого грунта по глу­ бине в летне-осенний период года представлено на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Изменение температуры грунтов по глубине

Температура поверхности грунта в точке А соответствует положительной температуре наружного воздуха. При увеличе­ нии глубины температура грунта уменьшается и в точке В она равна О °С. Положение точки В определяет границу слоя оттаи­ вания грунта. Наибольшие положительные температуры сезон­ но-талого слоя грунта отмечены в осенний период, когда грунт прогрет на наибольшую глубину.

Для определения сопротивления вечномерзлого грунта ра­ бочим органам землеройных машин необходимо определить его температуру на любой глубине в течение года (рис. 2.8).

На глубине менее 0,3 м температуру грунта принимают равной температуре воздуха:

tr (я

(2.1)

2. Разработка мерзлых грунтов - неотъемлемая часть нефтегазового строительства								-37-
в условиях Севера
-8	-7	-6 - 5	-4	-3	- 2 - 1	0	1	t. C

Рнс. 2.8. Изменение температуры вечномерзлого суглинистого грунта по глубине и месяцам года.

2.4. Физико-механические и теплофизические свойства мерзлых грунтов

Предел прочности грунта при сжатии - это отношение на­ грузки, при которой происходит разрушение образца грунта, к площади его первоначального поперечного сечения (ГОСТ 21153.2 - 75 и ГОСТ 17245 - 79).

Прочность грунтов характеризуется пределом прочности при сжатии, разрыве, сдвиге и изгибе.

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых

-3 о - объектов в условиях Севера

А.Н. Зеленин предложил оценивать принадлежность грунта

ктой или иной категории по числу ударов С динамического плотномера конструкции ДорНИИ.

Энергия одного удара прибора составляет 10 Дж. Число ударов, необходимое для полного погружения круглой пики се­ чением 1 см2 длиной 10 см в грунт, называют числом ударов плотномера С. Для вечно-мерзлых грунтов С может достигать 600 и более.

Изменение прочности слоев сезонного оттаивания и актив­ ного криолитогенеза вечномерзлого грунта в течение года опре­ деляется изменением их температуры и льдистости. Прочность слоя вечномерзлого грунта, расположенного ниже этих слоев (глубина более 10 -15 м), в течение года является постоянной.

Таким образом, для расчета числа ударов С (технологиче­ ского показателя трудности разработки грунта) необходимо знать температуру и влажность для вечномерзлых грунтов и для сезонно-талых грунтов (рис. 2.9) - только влажность.

Рис. 2.9 Изменение прочности вечномерзлого (7) и сезонно мерзлого (2) грунтов от влажности

2. Разработка мерзлых грунтов - неотъемлемая часть нефтегазового строительства	-39-
в условиях Севера

Рабочие органы землеройных машин статического действия р1азрабатывают лэунт со скоростью 10'1 -1 0 м/с, динамического действия 10 - 10f м/с, а взрывание вечномерзлого грунта осуще­ ствляется со скоростью 104 - 105 м/с. Принято считать, что при относительной скорости деформирования вечномерзлого грунта более 0,1 м/с изменение показателей прочности носит условно­ мгновенный характер, и в таком случае реологическими свойст­ вами грунтов пренебрегают.

Пластичность вечномерзлых и сезонно-мерзлых грунтов оценивают влажностью и льдистостью, а также числом пла­ стичности.

Абразивность - это способность грунта изнашивать кон­ тактирующие с ним поверхности землеройных машин. Абразив­ ное изнашивание рабочих органов землеройных машин проис­ ходит в результате процессов микрорезания и микропластического деформирования металлов абразивным телом, которым является вечномерзлый грунт. Микропластическое деформиро­ вание металла является следствием значительных контактных напряжений и повышенных температур. Микропластическое деформирование имеет место, если частицы твердой фазы грун­ та^(абразив) имеют твердость больше, чем у металла, а частицы твердой фазы - заострены. Микрорезание происходит, если от­ ношение твердости поверхностного слоя металла к твердости абразива составляет менее 0,5. Во всех других случаях имеет место микропластическое деформирование и усталостное раз­ рушение поверхностного слоя.

Интенсивность изнашивания рабочих органов в первую очередь зависит от твердости частиц твердой фазы грунта, т. е. от твердости минералов. Песчаные грунты, состоящие из квар­ ца, полевых шпатов и гранитов, обладают наибольшей абразив­ ностью. Меньшую абразивность имеют глинистые грунты, со­ стоящие из глинных минералов и органических образований.

Абразивность грунтов возрастает последовательно в ряду: торф, глина, ил, суглинок, супесь, мелкий и крупный песок, дресва, галька и щебень. Чем больше в грунте крупных частиц кварца, тем больше его абразивность. Зерна кварцевого песка имеют микротвердость от 7 до 13 ГПа при размере частицы 0,1 - 1,0 мм. Наиболее часто встречаются частицы размером 0,2 - 0,3 мм, имеющие микротвердость 10-12 ГПа.

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых **40объектов в условиях Севера

С понижением температуры грунта возрастает твердость льда-цемента, составляющая 7 ГПа при температуре -30 °С. В любом случае, чем ниже температура, тем абразивнее грунт.

Разрыхляемость — это способность грунта увеличиваться в объеме в результате нарушения структурных связей при раз­ работке. Разрыхляемость грунтов оценивают коэффициентом разрыхления, равным отношению объема разрыхленного грунта к тому объему, который он занимал в массиве. Значения коэф­ фициента разрыхления для вечномерзлых и сезонно-мерзлых грунтов составляют 1,3 -2,0, для талых грунтов 1,1 - 1,3, а для взорванных попускальных и скальных пород 1,1 - 1,2 при взры­ вании «на встряхивание» и 1,3 - 1,5 при взрывании «на развал».

Угол естественного откоса - это угол у основания конуса, получаемого при отсыпке грунта. Сухой сыпучий и переувлаж­ ненный сезонно-талый грунты имеют меньший угол естествен­ ного откоса, чем грунты естественной влажности. У глинистых грунтов с увеличением влажности уменьшается угол естествен­ ного откоса. Для разрыхленных вечномерзлых и сезонно­ мерзлых грунтов угол естественного откоса составляет 40 - 60° в зависимости от размеров разрыхленных элементов грунта. Угол естественного откоса вечномерзлых грунтов больше, чем талых.

Прилипаемость - это свойство грунта (сезонно-талого пе­ реувлажненного состояния) прилипать к рабочим органам ма­ шин. Для суглинистых грунтов прочность прилипания составля­ ет 0,07 - 0,09 МПа при влажности 17 - 23%, для глинистых 0,012 - 0,014 МПа при влажности 20 - 28%. Производительность одноковшовых экскаваторов при разработке сезонно-талых пе­ реувлажненных грунтов уменьшается на 15 - 25%.

Примерзаемость - это свойство грунта примерзать к рабо­ чим органам машин, т. е. происходит твердение оттаявшего слоя вечномерзлого и сезонно-мерзлого грунтов. Прочность пример­ зания при температуре - 25°С составляет для суглинков 1,6 МПа при влажности 20 - 25%, а для глин - 2,1 МПа при влажности 26 - 31 %. С понижением температуры вечномерзлого грунта прочность возрастает и составляет 2,5 - 3,0 МПа при температу­ ре -50°С. Большие значения прочности примерзания и прилипа­ ния отмечены при разработке полностью влагонасыщенных вечномерзлых грунтов.