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