Глава 10. Особенности строительства объектов в условиях Крайнего Севера

Запасы нефти и газа в благоприятных климатических условиях истощаются, новые месторождения открываются в основном на шельфах арктических морей и в зоне вечномерзлых грунтов.

Рис. 10.1. Планируемая структура добычи нефти (млн.т) по регионам России в соответствии с энергетической стратегией

Из приведенной диаграммы [12] (рис. 10.1) следует, что в ближайшие годы основная добыча нефти будет производиться в Западной Сибири. По этой причине студенты, готовящиеся разрабатывать нефтяные и газовые месторождения в северных районах должны знать методы проектирования и строительства в условиях вечной мерзлоты. В Тюменском нефтегазовом комплексе более одного миллиона квадратных километров территории сложено вечномерзлыми грунтами. Группа авторов Тюменского государственного нефтегазового университета дает определение мерзлым породам [12]. «Под собственно мерзлыми породами понимаются естественно исторические геологические образования, характеризующиеся отрицательной температурой и содержащие незамерзшую (пленочно-связанную) воду и лед, цементирующий минеральные частицы или заполняющие пустоты, поры и трещины в породе. К ним могут быть отнесены дисперсные породы (обломочные, песчаные, глинистые, торфяные) и трещиноватые или выветренные магматические, метаморфические и сцементированные осадочные породы».

К районам вечномерзлых грунтов относятся Якутия, Магаданская область, большая часть Читинской и Иркутской областей, Красноярского и Хабаровского краев, частично Тюменская и Свердловская области и Бурятия. Выделяют арктическую, субарктическую, умеренно холодную и южную зоны распространения вечномерзлых грунтов [8]. Арктическая зона имеет среднюю глубину вечномерзлого грунта 600 м, температуру на глубине 10 м минус 9–10 ^оС и среднюю глубину сезонного оттаивания 0,7 м. Субарктическая зона имеет глубину вечномерзлого грунта в среднем 350 м, температуру минус 3-5 ^оС и глубину летнего оттаивания в среднем 1 м. Вечномерзлые грунты умеренно-холодной зоны оттаивают летом в среднем на 1,5 м и имеют глубину вечномерзлого грунта в среднем 250 м при температуре минус 1-3 ^оС. Южная зона имеет глубину вечномерзлого грунта до 10 м при температуре от 0 до - 1°^оС. Строительно–климатические зоны даны в СНиП 11- 1- 82. Имеются таблицы зависимости разрыву, сжатию и сдвигу различных мерзлых грунтов от температуры [8 ]. Прочность мерзлого грунта возрастает с увеличением в нем количества частиц песка, это объясняется образованием в мерзлом песке жесткого каркаса, прочно армированного льдоцементными связями.

Существует три системы группировки грунтов по трудности разработки: Первая система используется для нормирования параметров землеройных машин в процессе их конструирования и эксплуатации по числу ударов плотномера.

По второй системе талые грунты разделены на шесть групп, а мерзлые на четыре группы для определения норм времени и расценок при выполнении земляных работ.

Третья система разделения грунтов основана на скорости прохождения упругих волн через грунт, измеряемый сейсмографом. В зависимости от степени заполнения пор различают лед-цемент четырех типов: контактный лед расположен только в местах контакта частиц скелета; пленочный лед облегает поверхность частиц сплошь, не заполняя значительной части пор; поровый лед заполняет поры целиком; базальтовый лед образует основную массу породы, в которой погружены разобщенные части скелета. Лабораторные испытания показывают, что разрушение грунта при механической его разработке происходит по граням частиц, слагающих грунт, т.к. прочность этих частиц много выше, чем прочность льда-цемента, поэтому важное значение приобретает размер частиц и плотность их укладки в породе. Чем меньше пористость грунта, тем выше его прочность. Прочность мерзлого грунта резко снижается при повышении температуры, исследованиями установлено, что при повышении температуры мерзлого грунта на 3-4°^оС приводит к снижению его прочности в 2-3 раза (данные ДОРНИИ).

В настоящее время вместо блочных, ленточных фундаментов в центральной полосе России, а особенно в Западной Сибири, нашли применение свайные фундаменты. Сваи в вечномерзлый грунт погружают в основном тремя способами: буроопускным, опускным, бурозабивным. Наиболее применим буроопускной способ. Сваи, которые работают под действием сопротивления грунта сдвигу боковой поверхности (сопротивление грунта сжатию под торцом незначительно и составляет 5-15 %), называют висячими, а сваи, которые работают под действием сопротивления сжатию грунта, находящегося под торцом сваи, называют сваями – стойками. Наиболее ответственным сооружением в процессе добычи нефти является резервуар для хранения неподготовленной и товарной нефти или используемый в технологической цепочке ее подготовки. В вечномерзлых грунтах резервуары монтируются на свайном фундаменте с теплоизолирующей подушкой, или на насыпном фундаменте с теплоизолирующим слоем (рис. 10.1).

Теплоизолирующая подушка на свайном фундаменте

Теплоизолирующая подушка на свайном фундаменте

Рис. 10.2. Резервуары с теплоизоляционной подушкой

Толщина изолирующего слоя рассчитывается в зависимости от его теплопроводности и температуры продукта в резервуаре. Принцип использования вечномерзлых грунтов в качестве основания трубопровода должен приниматься в зависимости от способа прокладки трубопровода, режима его эксплуатации, инженерно геокриологических условий и возможности изменения свойств грунта.

Участки трубопроводов в зависимости от отдачи тепла в грунт классифицируются на горячие, теплые и холодные. Горячие участки - температура которых в течение всего года выше 0°С. Теплые участки, на которых температура может быть выше и ниже 0°С, но среднегодовая - ниже нуля. Холодные участки, температура труб на которых ниже 0°С в любое время года. В условиях мерзлых грунтов, как и вне зон вечной мерзлоты, применяются три вида прокладки трубопроводов: подземная, наземная и надземная. Категории трубопроводов, прокладываемых в вечномерзлых грунтах (ВМГ), принимают в зависимости от категории просадочности ВМГ при оттаивании (табл. 10.1).

Таблица 10.1

Категории просадочности трубопроводов

Способы прокладки трубопроводов и их расчеты в вечномерзлых грунтах хорошо освещены в работах Э.Д. Ершова «Инженерная геокриология», «Механика грунтов в трубопроводном строительстве» [8], «Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых объектов в условиях Севера» [12].

В зависимости от вида грунтов существует несколько категорий трудности их разработки (табл. 10.2).

Таблица 10.2

Шкала трудности разработки грунтов землеройными машинами по числу ударов динамического плотномера конструкции ДОРНИИ

Поиск по сайту: