книги / Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых объектов в условиях севера
..pdf1. 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.