Криогенные деформации здания насосной станции на месторождении «Заполярное» Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Арктика и Антарктика

Правильная ссылка на статью:

Марахтанов В.П. — Криогенные деформации здания насосной станции на месторождении «ваполярное» // Арктика и Антарктика. - 2020. - № 1. DOI: 10.7256/2453-8922.2020.1.31807 URL: https;//nbpublish.com'library_read_article.php?id=31807

Криогенные деформации здания насосной ста месторождении «Заполярное»

Марахтанов Вадим Петрович

кандидат географических наук

Старший научный сотрудник, МГУ им. МВ. Ломоносова, географический факультет, НИ лаборатория

геоэкологии Севера

117638, Россия, г. Москва, ул. Сивашская, 6, корп. 2, кв. 22

El [email protected]

Статья из рубрики "Грунты холодных равнинных и горных регионов"

DOI:

10.7256/2453-8922.2020.1.31807

Дата направления статьи в редакцию:

30-12-2019

Аннотация.

Предметом исследования явилось определение причин длительной деформации конструкций технологического оборудования внутри здания насосной станции, обеспечивающей водоснабжение промышленных объектов и жилых зданий инфраструктуры Заполярного нефтегазоконденсатного месторождения, расположенного на территории криолитозоны Западной Сибири, вблизи Северного Полярного круга. Основными задачами исследования были выявление механизма этих деформаций (причины которых ранее не были установлены) и разработка практических рекомендаций по стабилизации конструкций и предотвращению их дальнейшего разрушения на основе анализа полученных результатов. Обследование проводилось с использованием комплекса методов, предусмотренных действующими нормативными документами (визуальный и измерительный контроль, геодезические работы, термометрические наблюдения в скважинах). Нынешняя ситуация на объектах такого значения на момент нашего исследования не имела аналогов. Анализ результатов обследования конструкции приводит к выводу, что причиной возникновения деформаций явились просчеты при проектировании, строительстве и эксплуатации сооружения. Это должно было быть сделано с участием специалистов в области инженерного мерзлотоведения.

Ключевые слова: криолитозона, Заполярное, месторождение, насосная, станция,

обследование, деформации, оттаивание, осадка, грунта

ВВЕДЕНИЕ

Практический аспект мерзлотоведческой науки находит наиболее полное воплощение в инженерном мерзлотоведении, изучающем научные основы проектирования и строительства различных сооружений на мерзлых горных породах, их водной и тепловой мелиорации и другие прикладные задачи. Основы этой дисциплины были заложены трудами сотрудников кафедры мерзлотоведения геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова под руководством В.А. Кудрявцева-^. Дальнейшее развитие инженерного мерзлотоведения во многом было связано с накоплением опыта строительства и эксплуатации объектов промышленного и гражданского строительства на территории криолитозоны, благодаря которому были разработаны многочисленные нормативные документы, а также соответствующая учебная литература 4 12].

В ходе хозяйственного освоения территорий криолитозоны на севере Западной Сибири важной проблемой является сохранение устойчивости различных объектов промышленного и гражданского строительства. Эффективным способом решения проблемы является создание специализированных служб инженерно-геокриологического мониторинга. Для выяснения причин деформаций зданий и сооружений специалистами подобных служб разрабатывается методика наблюдений, проводится анализ различных видов деформаций, выполняются дополнительные инженерно-геологические изыскания и формулируются главные причины деформаций зданий и сооружений В сферу деятельности таких служб обязательно должны быть включены объекты, отвечающие за жизнеобеспечение создаваемых инфраструктур. В противном случае отсутствие необходимого контроля за техническим состоянием таких объектов может иметь плачевные последствия, примером чего является один из объектов водоснабжения, который был обследован при участии автора.

Исследования были выполнены в 2011 г., в соответствии с Техническим заданием договора № 54-12/91/11-з/46-251-11 от 0.5 05. 2011 г. «Обследование технического состояния фундаментов и основания полов здания насосной станции хозяйственно-питьевого и противопожарного водоснабжения В0С-3000 Заполярного газонефтеконденсатного месторождения (ГНКМ)», заключенного между ООО «Газпроэнергодиагностика» и Уренгойским филиалом ООО «Газпром энерго», В то время автор работал (в порядке совместительства) в ООО «Газпромэнергодиагностика»

Обследование технического состояния фундаментов и основания полов здания насосной станции было выполнено в соответствии с требованиями и положениями следующих нормативных документов:

- «Положения о системе технического диагностирования оборудования и сооружений энергохозяйства ОАО «Газпром» (СТО РД Газпром 079-2010) [6];

- РД.22-01.97 «Требования к проведению оценки безопасности эксплуатации производственных зданий и сооружений поднадзорных промышленных производств и объектов (обследования строительных конструкций специализированными организациями)» [7];

- СНиП 11-02-96 «Инженерные изыскания для строительства»

- СП 11-104-97 «Инженерно-геодезические изыскания для строительства» Ш^;

- СНиП 2.02.04-88 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах»

В данных работах автор принимал участие в качестве ответственного исполнителя и основного автора научно-технического отчета, материалы которого были использованы для написания настоящей статьи.

1. ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ

ЗДАНИЯ НАСОСНОЙ СТАНЦИИ

1.1. Характеристика мерзлотно-грунтовых условий в основании сооружения

Здание насосной станции (рис. 1) находится на территории Заполярного месторождения, расположенного на севере Западной Сибири, вблизи полярного круга. Северное положение территории определяет суровые природно-технические условие эксплуатации в ее пределах зданий и сооружений, причем основную сложность представляет наличие в их основании многолетнемерзлых грунтов.

Рис. 1. Внешний вид здания насосной станции

Площадка насосной станции перед началом ее строительства представляла собой полого-наклонную кочковатую поверхность, с небольшими мочажинами, занятую лиственничным редколесьем, с абсолютными отметками 45,4 - 46,2 м. Впоследствии здесь была выполнена песчаная отсыпка, спланированная до отметок 46,5 - 47,8 м (рис. 2).

Грунты под песчаной отсыпкой в основании здания насосной станции представлены суглинком с прослоями и линзами глины и пылеватого песка (рис. 3).

Рис. 2. Зарастающая поверхность песчаной отсыпки территории площадки ВОС-3000

Рис. 3. Грунтовый разрез в основании здания насосной станции

В период изысканий, выполненных институтом ФУНДАМЕНТПРОЕКТ (2002 г), грунты находились в многолетнемерзлом состоянии; среднегодовая температура их составляла около —0,8 °С . Криогенная текстура суглинка и глины слоистая и слоисто-сетчатая (льдистость 0,12 - 0,37), песка и супеси - массивная. Льдистые суглинок и глина при оттаивании дают осадку, что может вызвать деформации возводимых на них сооружений. В табл. 1 представлены обобщенные инженерно-геокриологические характеристики грунтов в основании здания насосной станции, полученные институтом ФУНДАМЕНТПРОЕКТ в процессе изысканий.

Таблица 1.

Инженерно-геокриологические свойства грунтов в основании здания насосной станции

Наименование грунта

Глубина

залегания слоя (от подошвы песчаной о тс ыпки),

Влажность,

%

Плотность, г/см3

Плотно сть скелета,

г/см

3

Содержание

ледяных

включений, доли ед.

Те мпе ра тура °С

м

суглинок 2,5 - 3,3 33 - 52 1,50 -1,76 0,98 -1,32 0,22 - 0,37

глина 3,3 - 5,5 37 1,58 1,15 0,28 -0,8

песок пылеватый 3,0 - 6,4 19 1,94 1,63 -

суглинок 4,3 - 10,0 27 1,88 1,50 0,12

1.2. Конструкции основания полов, фундаментов и опор, системы охлаждения грунтов

Основание пола здания насосной станции представляет собой многослойную конструкцию, расположенную на поверхности песчаной отсыпки площадки ВОС-3000 (рис. 2), Верхний слой песка залегает внутри цоколя, стены которого расположены на металлических ранд-балках, опирающихся на ростверки свайного фундамента (см. рис. 4). На рис. 4 видно, что между краями ранд-балок существует зазор, очевидно предусмотренный конструктивно для компенсации температурных деформаций металла ранд-балки. Наличие таких зазоров по периметру здания, как будет показано ниже, отрицательно сказывается на устойчивости грунтового основания пола.

Рис. 4. Краевые части двух ранд-балок, опирающихся на ростверк

Бетонное основание пола представляет собой не монолитную конструкцию, а состоит из отдельных плит (рис. 5), которые, в случае осадки грунтов под ними, могут испытывать неравномерные деформации, могущие передаваться опирающемуся на них технологическому оборудованию.

восточная стена здания насосной станции

ftj рл P5J .и 1 ма к< н

__________________■__IX __ ___

и tl J к ' «i ш чг au И •п V* -г ■ J I - -г- II 11 U *1 M J

• IM ни* f ! ■J г* ■ V I) я 1 лаг g

tl M Г п I и Г» 1 »

- 10J [(Г .г a f* ИТ

п ч г 1 II > - Я Г1 1

и ч К г n

западная стена здания насосной станции

Рис. 5. Схема расположения плит основания здания насосной станции. Н2 -фундаментные опоры с расположенными на них насосами; Р11 - ростверки, на которые опираются стены здания; < 205 точки геодезической съемки с величиной осадки

поверхности плит; • 2 термометрическая скважина и ее номер

Основная часть опор трубопроводов опирается не на свайный фундамент, а на плиты пола. Поэтому устойчивость данных конструкций напрямую связана с устойчивостью бетонного основания пола, которая, в свою очередь, определяется устойчивостью положения поверхности грунта, на которое это основание опирается.

Система температурной стабилизации грунтов в основании здания насосной станции представлена на рис.6. Она состоит из термостабилизаторов ТК 32/10.М1 (рис. 6А) двух типов: вертикальных, размещенных по периметру сооружения (обеспечивают устойчивость свайного основания стен) и наклонных (рис. 6Б), нейтрализующих действие на грунты в основании полов теплового потока от здания, внутри которого проектная температура составляла 10 °С. Согласно проекту, наклонные стабилизаторы закладываются на спланированную песчаную поверхность под полом здания и должны иметь уклон 1:25. Необходимыми условиями эксплуатации термостабилизаторов, обеспечивающими их нормальное функционирование, являются недопущение механических повреждений и покраска алюминиевой пудрой для ослабления радиационного прогрева радиаторной части. К этому можно добавить недопущение покрытия радиаторной части снегом, препятствующего охлаждению поверхности радиатора, от которого зависит эффективность работы устройства. Данная конструкция термостабилизаторов предусматривает

Рис. 6. Система температурной стабилизации грунтов. А. Конструкция термостабилизатора ТК 32/10.М1: 1 - корпус, 2 - конденсатор, 3 - узел заправки, 4 -утеплитель, 5 - наконечник. Б. Схема размещения наклонных стабилизаторов под частью здания насосной станции

возможность их только сезонной эксплуатации - в зимний период. В остальное время система температурной стабилизации грунтов основания бездействует. Более того - если температура надземной (радиаторной) части термостабилизатора выше температуры подземной части, в последней может происходить конденсация паров аммиака, вызывающая дополнительное отепление грунтов основания здания насосной станции. Отмеченные условия эксплуатации термостабилизаторов соблюдены не были, что явилось причиной многочисленных деформаций конструкций внутри здания насосной станции.

2. МЕТОДИКА РАБОТ 2.1. Визуально-измерительный контроль

Обследование конструкций методом визуально-измерительного контроля имело своей целью: - проверку соответствия конструкций проектной документации, фактической геометрической неизменяемости, выявление отклонений, дефектов и повреждений элементов и узлов конструкций; - сравнение фактических и проектных нагрузок и воздействий.

Осмотр здания насосной станции выполнялся визуально, с использованием в необходимых случаях бинокля. Использовались цифровые фотоаппараты, снимки с которых впоследствии печатались на цветном принтере. В процессе обследования было сделано большое количество фотографий (значительно больше помещенных в статью с целью более тщательного изучения результатов обследования здания.

Техническое состояние конструкций здания определено методом визуального осмотра с выявлением поврежденных мест, участков, элементов и т.д. и обязательным их измерением. Наиболее поврежденные места подвергались детальному осмотру для определения степени повреждения элементов конструкций.

2.2. Геодезические работы

Геодезические работы выполнялись на основе следующих нормативных документов:

- строительных норм и правил СНиП 11-02-96 «Инженерные изыскания для строительства. Основные положения» ^^

- инструкции по топографической съемке масштаба 1:5000-1:500 -Ш.

Геодезическая съемка производились полярным методом, с использованием электронного тахеометра Sokkia Set 550 №110116 и телескопической вешки с одиночным отражателем. Ввиду загромождения внутреннего помещения здания насосной станции разнообразными конструкциями и технологическим оборудованием, съемку приходилось выполнять с нескольких станций. В процессе съемки определялось высотное положение поверхности полов и фундаментов насосов.

2.2. Буровые работы

Бурение скважин производилось внутри здания насосной станции В03-3000 двумя различными буровыми установками: УБШМ и УПБ-25. Установкой УБШМ пробурены три термометрические скважины глубиной 12 м (№№ 1, 2, 3) по периферии здания насосной станции (см. рис. 5). Скважины были оборудованы колонной металлических наблюдательных труб с кондуктором для термометрических наблюдений.

В центральной части машинного зала насосной станции выполнить бурение установкой УБШМ не представлялось возможным, поскольку габариты установки не вписывались в пространство между конструкциями цеха. Там была использована буровая установка УПБ-25, с помощью которой пробурены 2 скважины (см. рис. 5):

- глубиной 4,5 м с колонной полиэтиленовых обсадных труб (№ 4);

- глубиной 6,0 м с колонной металлических обсадных труб (№ 5).

В процессе бурения выполнялись описание инженерно-геологического разреза и отбор проб для определения влажности грунта.

2.3. Термометрические наблюдения

Термометрические наблюдения производились в скважинах глубиной 10-12 м, оборудованных колонной обсадных металлических труб с приваренной снизу заглушкой и с патрубком поверху. Для предотвращения конвекции воздуха, могущей исказить реальную картину распределения температур в скважине, патрубок прикрывался крышкой.

Измерения выполнялись ртутными термометрами ТМ-4, с ценой деления шкалы 0,2 °С. Для повышения инерции показания температура термометры «заленивливались», т.е. помещались в стеклянную запаянную с концов трубку, с выкаченным воздухом, а последнюю - в эбонитовый корпус, с укреплением в концах резиновыми пробками. Это позволяло термометру не изменять измеренную им температуру в течение 2-3 минут. Термометры связаны в «косу» с интервалом через 1 м для измерения температуры на глубинах 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 и 10 м. Для получения достоверных данных о температуре грунтов «коса» термометров выдерживалась в скважине в течение двух суток, пока температура внутри них не сравняется с температурой окружающего грунта.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ОБСЛЕДОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ 3.1. Состояние полов

Конструкции полов здания насосной станции в процессе ее эксплуатации испытывали постоянную осадку, влекущую за собой деформации технологического оборудования, опирающегося на плиты пола. Имеющуюся информацию об осадке полов можно подразделить на данные предыдущих обследований и результаты технического освидетельствования, выполненного специалистами ООО «Газпромэнергодиагностика» в текущем году.

3.1.1. Данные предыдущих обследований

Первым обнаруженным фактором, ухудшающим техническое состояние грунтового основания полов здания насосной станции, явилось попадание воды в песчаный грунт под слой тепловой изоляции из пенополистерола, выявленное в ходе строительства здания в июле 2002 г. Это свидетельствует о недостаточной гидроизоляции здания, что подтверждается отсутствием вокруг него водоотвода, а также негерметичностью конструкций вблизи земной поверхности (см. рис. 4).

Здание насосной станции было сдано в эксплуатацию в декабре 2003 г. Осадка полов документально была зафиксирована впервые в середине декабря 2005 г. В дальнейшем были выполнены обследования в 2006, 2009 и 2010 г.г. Результаты этих обследований удобно представить в табличной форме с присутствием колонки, показывающей промежутки времени между сроками наблюдения (см. табл. 2). Такое представление данных поможет оценить временную динамику развития осадки. В последней строке табл. 2 содержится значение максимальной осадки, установленное в процессе обследования здания специалистами ООО «Газпромэнергодиагностика» (см. табл. 2).

Анализ данных табл. 2 показывает затухание со временем деформаций полов здания насосной станции с приближением к стабильному состоянию конструкций полов в ближайшие годы.

Таблица 2

Максимальная осадка пола в различные сроки наблюдения

Да та

Максимальная Промежуток времени

Приращение осадки

обследования осадка пола, мм между сроками наблюдения, мес. между сроками обследования, мм/мес.

15.12.2005 80 - -

12.01.2006 100 0,9 22

02.10.2006 150 8,7 6

01.12.2009 300 38 4

25.01.2010 305 1,8 3

09.06.2011 307 16,5 0,12

3.1.2. Результаты обследования 2011 г.

Визуально-измерительный контроль выявил наличие существенных деформаций конструкции полов здания, что заметно даже при беглом осмотре помещения (см. рис. 7).

Рис. 7. Общий вид машинного зала насосной станции

При этом деформации пола подчеркиваются деформациями расположенных на них опор трубопроводов и, как следствие, деформациями последних (рис. 8). Визуально прослеживается более значительное проявление деформаций пола в половине здания, ограниченной восточной его стеной. Осадка пола сопровождалась возникновением трещин между плитами и разрушением облицовки, перекосом стоек трубопроводов и зависанием их над стойками (см. рис. 8). У стены осадка подчеркивается смещением вниз труб отопления, опирающихся на пол, причем может быть измерена как расстояние от кронштейна до уровня смещенной трубы. Смещение вниз труб отопления сопровождается разрушением вокруг них стен здания.

Рис. 8. Деформации облицовки пола и конструкций

Особо следует отметить, что вблизи западной стены осадка пола практически отсутствует, что подтверждается стабильным положением труб отопления на первоначальном уровне.

Геодезическая съемка, как и визуально-измерительный контроль, показала, что при повсеместном развитии осадки, она в наибольшей степени затронула половину здания, примыкающую к восточной стене. При этом область наибольших осадок вытянута вдоль длинной оси здания со смещением 2-3 м в сторону западной стены (см. рис. 5).

3.2. Состояние системы температурной стабилизации грунтов

Обследование показало неравнозначную эффективность работы данной системы в половинах здания, примыкающих к его восточной и западной стене, что, в свою очередь, вызвало соответствующую асимметрию поля деформации осадки полов (см. раздел 3.1.2). Данные различия связаны с наличием вдоль западной стены и части северного фасада здания защитного короба (непредусмотренного проектом ООО НПФ «СТРОЙАРКОС»), конструктивно состоящего из металлического каркаса, обтянутого нетканым материалом и перекрытого полосой из рифленого кровельного металла (рис. 9). Внутри короба находятся термостабилизаторы, охлаждающие западную половину здания (рис. 10).

Защитная функция, выполняемая коробом, двоякого рода. Во-первых, он препятствует накоплению у стены здания снега, оказывающего отепляющее влияние на грунты основания. Во-вторых, он обеспечивает нормальную работу стабилизаторов - опять-таки из за защиты их радиаторов от отепляющего влияния снега и солнечной радиации в зимний период и радиационного прогрева в летнее время.

Рис. 9. Защитный короб вдоль западной стены здания насосной станции

Рис. 10. Внутренность защитного короба с термостабилизаторами

Вдоль восточной стены здания защитного короба нет, в результате чего зимой радиаторы стабилизаторов утопают в снегу (рис. 11) и круглый год в солнечные дни

Рис. 11. Занесенные снегом термостабилизаторы вдоль восточной стены здания

подвергаются радиационному прогреву. Снег также оказывает отепляющее влияние на грунты, прилегающие к восточной стене здания. У некоторых термостабилиаторов радиаторы смяты, покрыты пятнами цементного раствора (рис. 12).

Рис. 12. Поврежденные термостабилизаторы

3.3. Результаты буровых работ и термометрических наблюдений

Инженерно-геокриологические условия в основании пола здания насосной станции были изучены в процессе бурения 5 скважин, местоположение которых показано на рис. 5. При этом грунтовый разрез в целом соответствует тому, что было получено в ходе предшествующих изысканий (см. рис. 3). Под слоем бетона мощностью 23 - 35 см (преимущественно 32 см) существует воздушная полость толщиной от 2 до 8 см), под которой залегают (сверху вниз):

- до глубины около 2 м - песок насыпной, среднезернистый, светло-коричневый, влажный;

- слой теплоизоляции толщиной около 15 см;

- до глубины около 3 м - песок разнозернистый, водонасыщенный (плывун);

- до подошвы разреза - суглинок темно-серый, в верхней части разреза (мощностью около 1 м) с пятнами ожелезнения, в талом состоянии влажный, в мерзлом состоянии со слоистой и линзовидной криогенной текстурой. В суглинке встречаются линзы и прослои песка разнозернистого (от пылеватого до среднезернистого, темно-серого, мерзлого, с массивной (без видимых ледяных включений) криогенной текстурой.

Ниже приведены литологические колонки пробуренных скважин, а также температуры грунта по глубинам, представленные в графической форме на рис. 13.

Рис. 13. Литологические колонки и температуры грунтов

¡КНй"« бетонное оснозание пола бззззи слой теплоизоляции

сугливо к т еын о-серыи

песок насыпной, средаезернисши, влажный песок разнозернистый: водонзсыщенный (ялывув) песок от пылевагого до среднезернистого

т—¡- поверхность мерзлых грунтов

Рис. 14. Условные обозначения к рис. 13

Согласно этим данным, максимальная глубина залегания поверхности мерзлых грунтов отмечена в скважине № 5, расположенной вблизи области развития максимальной осадки пола (см. рис. 5).

4. ПРИЧИНЫ И МЕХАНИЗМ ДЕФОРМАЦИИ КОНСТРУКЦИЙ ПОЛОВ

Выявить истинную причину деформаций полов здания насосной станции можно, учитывая следующие факты.

1. В основании полов под песчаным насыпным грунтом залегают льдистые суглинки, подверженные при оттаивании значительной осадке, могущей составить более 30 % от мощности оттаявшего слоя (см. табл. 1).

2. Работа термостабилизаторов, особенно расположенных в восточной половине здания,

недостаточно эффективна (см. раздел 3.2), вследствие чего они слабо препятствуют проникно в е нию в грунты о с но в а ния по лов те пло в о го по тока со с то р о ны з да ния .

3. Максимальное оттаивание грунтов под полами совпадает с участками их максимальной осадки и приурочено к центральной осевой части здания с некоторым смещением в сторону восточной стены, что связано с различной эффективностью работы термостабилизаторов под западной и восточной половинами здания (см, раздел 3.2).

4. Система водоотвода вокруг здания (водоотводные канавы) отсутствует, между элементами конструкции у земли существуют зазоры (см. рис. 4), снегоуборочные работы вокруг здания не выполнялись, что привело к попаданию под здание насосной станции талых и дождевых вод, отепляющих грунты.

Сопоставляя изложенные факты, можно сделать вывод о том, что причиной деформации конструкций полов, опор и расположенных на них технологических трубопроводов и труб отопления в здании насосной станции является тепловая осадка оттаивающего льдистого суглинистого грунта в основании полов. Развитие осадки во времени и пространстве совпадает с пространственно-временной динамикой оттаивания данного грунта и в целом соответствует механизму формирования чаши оттаивания

многолетнемерзлых пород под тепловыделяющими зданиями [2, 6]. Весьма важно, что формирование чаши оттаивания происходит с постоянно снижающейся скоростью вплоть до нулевой, когда наступает стабильное состояние (при неизменных параметрах процесса) и осадка поверхности оттаивающего грунта, а вместе с ней и деформации расположенных на этой поверхности конструкций, прекращаются. Практически важно определить время наступления стабилизации и максимальную глубину чаши оттаивания, теоретически приуроченную к центру здания. С этой целью был выполнен соответствующий теплотехнический расчет.

5. РАСЧЕТ ДИНАМИКИ ОТТАИВАНИЯ ГРУНТА ПОД ЦЕНТРОМ ЗДАНИЯ

Теплотехническим параметром, определяющим условия осадки и стабилизации грунтов в основании здания насосной станции, является глубина их оттаивания в процессе

эксплуатации сооружения. В соответствии с [10' Приложение 8], расчет глубины оттаивания грунтов в основании сооружения под его серединой Нс , м (считая от поверхности грунта под сооружением), за время его эксплуатации t , с (ч), производится по формуле:

где кп - коэффициент, определяемый по Приложение В, та&л. 1] в зависимости от отношения ЫВ (соответственно длина н ширина сооружения, м) и значений

£( и д; - коэффициенты, определяемые по графикам [0, Приложение 8, черт. 1] в зависимости от значений шрамегряв \ir._

здесь Дл н /у - соответственно теплопроводность талого и мерзлого грунта, В: (м-"С) На - сопротивление теплопередаче пола первого этажа или подвала сооружения, м* "С Вт

- расчетная среднегодовая температура зечномерзлого грунта, СС, определяемая з

I» - температура начата замерзания грунта. СС, определяемая по [9: Приложение 1. п. 5]; Ты - расчетная температура воздуха внутри сооружения, :С;

- теплота таяния мерзлого грунта, Дж 'м3 (ккал'М3), определяемая по Приложение 1,

Расчеты глубины оттаивания мерзлых грунтов под сооружением выполняются для различных промежутков времени от начала его эксплуатации. Полученные результаты, оформленные в виде таблицы и графика, дают возможность определить время начала стабилизации чаши оттаивания под сооружением и, соответственно, время прекращения осадки поверхности оттаивающего грунта, вызывающей деформацию расположенных на ней конструкций.

Учитывая конструктивные особенности основания полов здания насосной станции и способ его строительства (с сохранением грунтов с поверхности в мерзлом состоянии), расчет выполнялся в два приема. Первоначально определялась динамика оттаивания верхней части основания пола, состоящей из бетонной конструкции, песчаного грунта и размешенного внутри него слоя теплоизоляции (см. рис. 13). В динамике оттаивания песчаного грунта выделяются, в свою очередь, два этапа: оттаивание до теплоизолирующей прослойки из пенополистерола и оттаивание под теплоизолятором. На протяжении этих двух этапов происходит осадка песчаного грунта, которая практически близка к 0 и ей можно пренебречь. Затем рассчитывается глубина оттаивания льдистого суглинка через равные интервалы времени (1 год). Эта глубина суммируется с толщиной конструкции основания пола, залегающего над суглинком, в результате чего определяется динамика положения кровли мерзлоты под центром здания. На каждом из этапов расчета использовались различные значения параметров, входящих в формулы (2) - (4), что отражает таблица 3.

Таблица 3

Параметры расчета и динамика чаши оттаивания грунта под центром здания

кп ; В wtot ww гб lth L п Т о Tbf Tin ? 0

Бетонное основание пола (0,24 м) + песок (1,1 м). Время оттаивания 2 мес.

1; 12 0,15 0 1,6 1,8 2 80400000 -2,5 0 15 0,15

Спой теппоизопяиии (0 15 м) + песок (1 3 м) Время оттаивания 1 9 мес

1; 12 0,2 0 1,6 2,15 2,37 107200000 -2,5 0 15 3,76

Льдистый суглинок

1; 12 0,4 0,12 1,2 1,57 1,73 112560000 -0,7 -0,2 15 4,6

Динамика оттаивания суглинка

Годы от начала оттаивания Глубина, м

0,25 (3 месяца) 0,24

1 0,96

2 1,44

3 1,8

4 2,04

5 2,28

6 2,4

7 2,52

8 2,64

9 2,64

В табл. 3 используемые в расчетах значения естественной влажности грунта (\wtot ), влажности за счет ледяных включений ), плотности скелета грунта (^ )

определялись по образцам, отобранным в процессе бурения. Среднегодовая температура грунта Т о на период оттаивания до поверхности суглинка (-2,50С) принималась равной среднегодовой температуре грунта на площадке В03-300, определенной по данным температурных наблюдений в двух скважинах вне здания насосной станции. Величина Т о на период оттаивания суглинка определялась как средняя по данным замеров в скважинах №№ 1 - 3 (см. рис. 13).

6. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКОГО РАСЧЕТА

Результаты теплотехнического расчета удобно представить в табл. 4, составленной путем обобщения данных табл. 3.

Таблица 4

Результаты теплотехнического расчета

Дата Годы от начала эксплуатации здания Расчетная величина о тта ив а ния по д центром здания, м Примечания

декабрь 2003 г. 0 0 Оттаивание до слоя теплоизоляции

февраль 2004 г. 3 месяца 1,54

сентябрь 2005 г. 1 год и 9 месяцев 3 О тта ив а ние до суглинка

декабрь 2005 г. 2 3,23 Оттаивание суглинка

декабрь 2006 г. 3 3,95

декабрь 2007 г. 4 4,43

декабрь 2008 г. 5 4,79

декабрь 2009 г. 6 5,03

декабрь 2010 г. 7 5,27

декабрь 2011 г. 8 5,39

декабрь 2012 г 9 5 51

декабрь 2013 г. 10 5,63 Стабилизация

декабрь 2014 г. 11 5,63

Данные табл. 4 в виде графика представлены на рис. 15.

Рис. 15. Расчетная динамика оттаивания грунта под центром здания насосной станции

Анализ данных табл. 4 и рис. 15 приводит к выводу о наступлении стабилизации (прекращении оттаивания грунта под зданием насосной станции) ориентировочно к концу 10 года от начала эксплуатации насосной станции (конец 2013 г). При этом расчетная максимальная глубина оттаивания (5,63 м) близка к фактической, наблюдаемой в скважине № 5 (около 6 м), расположенной в близи области с максимальными значениями осадки пола, а значит, с максимальной величиной оттаивания. Следует отметить, что в расчете невозможно было учесть дополнительный приток тепла в чашу оттаивания вместе с талой и дождевой водой (конвективный теплоперенос), а также недостаточную эффективность работы термостабилизаторов (см. раздел 3). Тем не менее, ориентировочные оценки с помощью полученных результатов представляются возможными. Косвенно это подтверждается фактом затухания величины осадки пола к моменту время выполнения обследования (см. раздел 3.1.1).

7. КОМПЕНСИРУЮЩИЕ МЕРОПРИЯТИЯ

Автором был определен и рекомендован эксплуатирующей организации комплекс мероприятий, предотвращающих дальнейшее оттаивание льдистого грунта в основании полов здания насосной станции и сводящихся к следующему.

1 . Устроить вдоль восточной стены и северного фасада здания защитный короб, аналогичный существующему вдоль западной стены здания и включающий в себя систему термостабилизаторов (см. раздел 3.2).

2. Устроить вокруг здания водоотводные канавы.

3. Выполнить герметизацию швов между ранд-балками (см. рис. 4) для предотвращения попадания через них воды в грунты в основании полов.

4. Периодически выполнять вокруг здания снегоочистительные работы, в особенности не допуская снегонакопления перед началом весеннего снеготаяния.

5. Отключить внутри здания часть секций отопления, добиваясь снижения температуры в помещении (фактическая 15 °С) до величины, не выше проектной (10 °С).

6 . После выполнения вышеперечисленных мероприятий, через 1 год после

обследования произвести повторную нивелировку поверхности полов и фундаментов насосов, а также замеры температуры грунта в термометрических скважинах внутри здания.

7 . В случае отсутствия динамики осадки и снижения температур грунта выполнить выравнивание полов и опор трубопроводов.

8. СИСТЕМА ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

На случай, если бы деформация пола и конструкций внутри здания продолжались, автором было рекомендовано оборудовать здание системой дополнительного охлаждения грунтов в основании полов, состоящей из труб с циркуляцией внутри них в зимний период внешнего атмосферного воздуха. Диаметр и количество труб определялись исходя из размеров основания здания и минимального расстояния (L min) между осями труб, которое определяется из условия смыкания ореолов сезонного промерзания грунта вокруг двух соседних труб и равно:

L min = d + h (5),

где d - диаметр трубы, h - мощность слоя сезонного промерзания вокруг трубы. Величина h рассчитывается по формуле:

Беличина h рассчитывается по формуле [5]:

к = £

А

где С - туйина сезонного промерзания груш а под плоской поверхностью. Формула для расчета величины £ имеет следящий вид [5]:

-Ь + ^Ь2- Ш

£,см = 100-

2d

О),

сто ; | = oß + aßЪ + ovo: a=Atp+ о; ß = (Äv - [г?])ег:

где d= aS: b = ао - а2а 1

ßf „ О . А % , ß

ltl

íf - среднегодовая температура фунта, ~'С\Ао -физическая аьплитуда годового колебания температуры на поверхности Ер унт а. °С\ О - теплота фазовых переходов, ккал'лг: С -теплоемкость талого грунта, жгтлг^С); л - коэффициент теплопроводности мерзлого Ерунта, ккал/мсгюс^С): Г- год, разный 3760 ч. Б формуле (7) показатели тепло физических свойств грунта выражены через килокалории. В случае использования для расчета £ тепло физических характеристик с размерностью в системе единиц СИ необходимо величину О с размерностью и величину С с размерностью кДж^^С) делить на

4,18, а величину/., с размерностью Вт/\г°С) делить на 1,163.

Значения температурных параметров и АО , входящих в формулу (7), устанавливались путем обобщения данных температурных наблюдений на площадке В0С-3000 за период 2007 - 2010 г.г. (табл. 5).

Таблица 5

Осредненные значения среднемесячных температур воздуха на площадке ВОС-3000

(за период 2007 - 2010 г.г.)

Месяцы

I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

Среднее за год

(^ )

-23,2 -29,2 -20,0 -9,7 -6,0 6,4 13,2 9,6 4,3 -3,7 17,7 -26,3 -8,6

Величина t£ равна алгебраической сумме величины t0 из табл. 1 и температуры грунта в основании пола на уровне верхней образующей трубы (на глубине около 1 м), которая, в соответствии с данными температурных замеров в трех скважинах внутри здания (скважины №№ 1-3), принимается равной 9,5 °С (см. рис 13). Таким образом, t£ = 0,9 °С.

Величина АО равна половине суммы абсолютных значений температуры воздуха самого холодного (февраля) и самого теплого (июля) месяца, т.е., в соответствии с данными табл. 5, она составляет 21,2 °С.

Теплофизические характеристики Q и А , используемые при расчете величины £ ,для песка, в котором размещаются трубы системы охлаждения, берутся из табл. 3 (грунт выше теплоизоляции, параметры L п, I/ ), откуда получается: Q = L п, /4,18 = 80400/4,18

= 19200 ккал/м3, А = I/7 /1,163 = 2/1,163 = 1,72 ккал/м-час-°С. Величина теплоемкости мерзлого песка С определялась по [6, Приложение 1, таб.п. 31 для песка с влажностью 0,20 (осредненные результаты лабораторных определений образцов из скважин), что соответствует 450 ккал/м3-°С.

При таких значениях параметров расчет по формуле (7) дает величину ^ = 3,15 м,

Поскольку величина h в формуле (2) одновременно является одним из аргументов, уравнение решается методом подбора. В табл. 6 приведены результаты расчета для труб различного диаметра. Анализ данных табл. 6 показывает, что с возрастанием диаметра труб охлаждающий эффект снижается. Для системы охлаждения грунтов целесообразно использовать трубы диаметром около 100 мм (см. табл. 6).

Таблица 6

Результаты расчета системы охлаждения грунтов

с использованием труб различного диаметра

£ , м d , м h , м Охлаждающий эффект (h /d ) L тт, м Количество труб для здания (длиной 36 м)

3,15 0,05 0,77 15,4 0,82 44

0,10 0,97 9,7 1,07 34

0,15 1,10 7,3 1,25 29

0,20 1,20 6,0 1,40 26

0,25 1,28 5,1 1,53 24

0,30 1,35 4,5 1,65 22

0,35 1,40 4,0 1,75 21

Трубы рекомендовалось проложить в наклонных скважинах (уклон 1:14), с устьем у основания восточной стены здания (с временно демонтированным защитным коробом) и забоем, выходящим в канаву глубиной около 1,5 м, выкопанную вдоль внешнего края отмостки западной стены (расстояние около 2 м от стены). К концам труб около

восточной стены, перед их помещением в скважины, приварить вертикальные кондукторы длиной 2 м с защитными колпаками диаметром примерно в 2 раза больше диаметра трубы, на высоте 5 - 10 см над обрезом кондуктора, для предотвращения попадания внутрь трубы атмосферных осадков. В концы труб, протягиваемые под зданием, вставить временные деревянные заглушки для предотвращения попадания в трубы песка. После протягивания труб до канавы заглушки вынуть, к концам труб приварить вертикальные кондукторы, аналогичные кондукторам у восточной стены здания, канаву закопать. Восстановить защитный короб вдоль восточной стены. Периодически проверять (в летнее время) через кондукторы у западной стены здания наличие конденсационной атмосферной воды и при обнаружении ее откачивать. В летний период 2013 г. произвести повторную нивелировку поверхности полов и фундаментов насосов, а также замеры температуры грунта в термометрических скважинах внутри здания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Любые просчеты в проектировании, строительстве и эксплуатации сооружений, направленных на жизнеобеспечение действующих инфраструктур и, в особенности, на территории криолитозоны могут обернуться весьма неприятными последствиями. Пример насосной станции на территории Заполярного месторождения - наглядное тому подтверждение. Были бы предусмотрены устройство водоотвода и обязательные снегоочистительные работы вокруг здания станции - не попадали бы талые и дождевые воды в песчаный грунт в основании полов и не возникло бы дополнительное отепление грунта над льдистым суглинком, способствующее его оттаиванию и осадке. Запроектировали бы защитные короба для термостабилизаторов вокруг западной и восточной стен здания - и система охлаждения грунтов работала бы эффективно. К тому же, как показала история предыдущего обследования здания, можно было значительно раньше принять необходимые меры, не дожидаясь, пока деформации станут столь велики, если бы в состав экспертной группы входил хотя бы один специалист в области инженерного мерзлотоведения.

Библиография

1. Гребенец В. И., Рогов В. В. Инженерное мерзлотоведение: учебное пособие. М: МГУ. 2000. 96 с.

2. ГКИНП 02-033-82 «Инструкция по топографической съемке в масштабах 1:5000, 1:2000, 1:1000 и 1:500» М.: Недра, 1982. 98 с.

3. Емельянова И.А. Основные причины деформаций зданий и сооружений городов криолитозоны // Литосфера, 2011, № 3. С. 144-149.

4. Илларионов В.А. Инженерное мерзлотоведение: учебное пособие. Сыктывкар: СыктГУ. 2014.104 с.

5. Основы мерзлотного прогноза при инженерно-геологических исследованиях. М: МГУ, 1974. 431 с.

6. «Положение о системе технического диагностирования оборудования и сооружений энергохозяйства ОАО «Газпром» (СТО РД Газпром 079-2010). М., 2010.

7. РД.22-01.97 «Требования к проведению оценки безопасности эксплуатации производственных зданий и сооружений поднадзорных промышленных производств и объектов (обследования строительных конструкций специализированными организациями)». М.: ЦНИИПРОЕКТПРОМСТАЛЬКОНСТРУКЦИЯ, 1997. 27 с.

8. СНиП 11-02-96 «Инженерные изыскания для строительства». Актуализированная редакция. М.,2012. 151 с.

9. СНиП 2.02.04-88 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах». М., 1990.

10. СНиП 11-3-79* СТРОИТЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТЕХНИКА. М.: Минстрой России,1995.

11. СП 11-104-97 «Инженерно-геодезические изыскания для строительства». М., 1997. 139 с.

12. Хрусталев Л. Н. Основы геотехники в криолитозоне. Учебник по строительству инженерных сооружений в криолитозоне. М.: МГУ, 2005. 544 с.

Результаты процедуры рецензирования статьи

В связи с политикой двойного слепого рецензирования, данные о рецензенте не указываются.

Рецензия на статью

Предмет исследования обладает безусловной практической важностью для организации работ, строительства и реконструкции зданий в условиях Севера. Методология исследования представлена совокупностью методов, изложенных в нормативно-технической документации, отвечает поставленным задачам и целям исследования. Актуальность исследования очевидна из-за продолжающихся работ на Заполярном месторождении, однако поскольку статья базируется на исследовании 2011 года, то рекомендуется уточнить данные о том, были ли проведены рекомендованные автором мероприятия и, если да или нет, то к каким последствиям это привело. Научная новизна исследования обусловлена объектом обследования и, в большей степени, заключена в практических выводах и рекомендациях по данному объекту с экстраполяцией выводов на всю систему проектирования и строительства в криолитозоне. Стиль, структура, содержание статьи больше соответствуют научно-техническому отчету, чем научной статье. В некоторых местах статьи оставлены формулировки, актуальные для 2011 года, например "Имеющуюся информацию об осадке полов можно подразделить на данные предыдущих обследований и результаты технического освидетельствования, выполненного специалистами ООО «Газпромэнергодиагностика» в текущем году". Также вызывает вопрос решение вставить формулу из раздела 5 и 8 в виде скриншотов. Библиография содержит только нормативно-техническую документацию, желательно было бы использовать работы коллег, оценить, рассматривалась ли подобная проблема другими исследователями, к каким выводам они пришли. Заключение рекомендовал бы изложить в менее полемичной форме. Несмотря на отмеченные недостатки работа имеет большую практическую значимость и будет интересна специалистам в данной области.