CC BY
21Т Е Х Н И Ч Е С К И Е
НАУКИ
УДК 62
В.Д. Амичба
МЕТОДЫ ПО УПРОЧНЕНИЮ СВОЙСТВ ОСНОВАНИЙ ТРУБОПРОВОДОВ
В статье рассматриваются вопросы проблематики прокладки и эксплуатации оснований трубопроводов в условиях распространения льдистых многолетнемерзлых грунтов на территории России.
Ключевые слова: трубопроводы, прокладка, основания трубопроводов, льдистые грунты.
Рассмотрим подробнее карту распространения льдистых многолетнемерзлых грунтов на территории России (Рисунок 1), представленную в нормативном документе СТО Газпром 2-2.1-435-2010 [3]. В зависимости от объема льдистости мерзлые грунты классифицируют на: •сильнольдистые (50% и более льда в грунте) •льдистые (25-50 % льда в грунте) •слабольдистые (менее 25% льда в грунте)
Сильнольдистым грунтам свойственна просадка грунта при оттаивании, сильно сжимаются при воздействии нагрузки и имеют маленькую несущую способность. Слабольдистым грунтам свойственна меньшая просадка, маленькая сжимаемость, благодаря меньшему содержанию льда в грунте. Льдистые грунты имеют средние свойства между сильнольдистыми и слабольдистыми грунтами.
Именно поэтому так важно поддержание многолетнемерзлых пород в их мерзлом состоянии, чтобы избежать процессов, которые в свою очередь повлекут просадки, обводнения, оползни, снижение несущей способности мерзлых грунтов, как оснований сооружений.
Мощность многолетнемерзлых толщ составляет от нескольких метров от южной границы их распространения до полутора километров в северо-восточных регионах. Строение многолетнемерзлых толщ сложное. По вертикальному разрезу отмечаются как сплошные многолетнемерзлые слои, так толщи, разделенные талыми слоями (Рисунок 2).
© Амичба В.Д., 2021.
Научный руководитель: Филиппов Алексей Владимирович - преподаватель, Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, Россия.
Рис. 1. Схематическая карта распространения льдистых многолетнемерзлых грунтов на территории России [3]
Рис. 2. Схема вертикального разреза мерзлых толщ по направлению с юга на север [2] I - многолетнемерзлые толщи; II - сезонномерзлые толщи; 1а - слои сезонного промерзания;1б - слои сезонного оттаивания;2 - современные сливающиеся мерзлые толщи;3 - современные несливающиеся мерзлые толщи; 4 - древние мерзлые толщи ( а - сливающиеся, б - несливающиеся );5- сквозные талики;6
- несквозные талики;
Рассмотрим подробнее температурное поле и изменение амплитуды колебаний температуры многолет-немерзлых пород по глубине для случая их непрерывного залегания (Рисунок 3). Как видно на рисунке, в слое сезонного оттаивания температура меняется от положительной до отрицательной. При этом амплитуда колебания температуры для слоя сезонного оттаивания тем больше, чем континентальнее район расположения многолетнемерзлых пород. Ниже слоя сезонного оттаивания до глубины И температура грунтов, оставаясь отрицательной, меняется в течение года. Глубина И0 называется уровнем нулевой годовой амплитуды. Величина И0 зависит от континентальности и геологических условий района. В нормативных документах среднее значение И0 принято равным 10м. Температура на этой глубине принимается равной среднегодовой температуре грунта и является расчетной при определении глубины оттаивания, а также прогнозе температурного режима оснований сооружений.
Рис. 3. Изменение температуры мерзлых грунтов 0г по месяцам года, амплитуд колебания температур
Аг по глубине, температуры пород во времени на глубине 0,4м (1), 2м(2), 2,4м(3) и в воздухе(4)[2]
Главной особенностью вечномерзлых грунтов как оснований является возрастание их прочности с понижением температуры. В связи с этим при возведении фундаментов на таких грунтах особое значение приобретают способы искусственного охлаждения грунта. Так, например, при понижении температуры мерзлого грунта от -0,3 до -1 С° несущая способность свайных фундаментов увеличивается в 2,5 раза, а при снижении температуры таких грунтов до -2 С° - в 3,8 раза [1]
Таким образом, искусственное охлаждение грунта является весьма эффективным и притом простейшим способ изменения свойств оснований в целях повышения долговечности и несущей способности. Негативные криогенные явления
В процессе оттаивания и промерзания многолетнемерзлых грунтов происходит формирование специфических особенностей рельефа и развитие криогенных явлений и образований.
Криогенные процессы, формирующие криогенные явления, образования и рельеф, подразделяются на следующие:
1)протекающие при относительном постоянстве массы горных пород
2)связанные с аккумуляцией материала горных пород, включая и накопление подземных льдов
3)способствующие ходу денудации или непосредственно участвующие в денудации.
Роль криогенных явлений в геологическом процессе определяются направленностью процессов промерзания и оттаивания. Различают три случая. Первый - процессы, связанные с сезонным чередованием протаивания и промерзания без преобладающего воздействия того или другого; второй - процессы, преобладающим воздействием фактора промерзания; третий - процессы, протекающие под преобладающим воздействием фактора протаивания.
Сочетание геологических и криогенных факторов и определяет место того или иного криогенного явления.
Криогенные явления и процессы, протекающие с сохранением относительно постоянной массы горных пород под воздействием протаивания и промерзания:
Морозное пучение - связано с миграцией влаги в пределах деятельного слоя и замерзание ее в течение осени и зимы, в результате чего образуется бугор пучения, который может разрушаться вследствие прота-ивания в летний период.
Наледеобразование - процесс связанный с сезонным промерзанием водных потоков, в том числе потоков грунтовых вод, вследствие чего вода изливается на поверхность и замерзает в форме ледяных тел. Способствует разрушению склонов и образованию ниш.
Морозобойное растрескивание грунтов - трещины, возникающие вследствие изменения объема горных пород, которые, в свою очередь вызываются температурными градиентами и изменениями состояния воды.
Криогенные явления и процессы, участвующие в аккумуляции, протекающие под воздействием промерзания и протаивания:
Многолетние бугры пучения - формируются в результате длительного многолетнего процесса промерзания и льдообразования, протекающего в условиях непрерывного поступления воды. Может приводить к выраженным изменениям формы рельефа.
Инъекционное льдообразование - способствует простиранию трещиноватых зон и полос пучения.
Формирование повторно-жильных льдов - представляет собой морозобойное растрескивание пород при проникновении трещин ниже сезонноталого слоя, заполнение их водой и последующим ее замерзании. Приводит к постепенному росту ледяных клиньев.
Криогенные явления и процессы, участвующие в денудации, протекающие под воздействием промерзания и протаивания:
Термокарст - вызвано изменением прочностных свойств мерзлых пород в связи с таянием содержащихся в них льдов.
Термосуффозия - в отличие от термокарста развивается в слабольдистых породах преимущественно песчаного состава. Суффозионный вынос песка водами источников приводит к формированию полостей в мерзлой толще, их рост и обрушение.
Термоабразия и термоэрозия - вследствие взаимодействия с морскими и речными водами мерзлые породы протаивают, проседают и оплывают, что приводит к ускоренному отступанию берегового уступа.
Солифлюкция - медленное течение сверху вниз горных пород, пропитанных водой.
Криогенное сползание - сползание рыхлых масс вниз по склону в результате изменения их объема под воздействием процесса промерзания - протаивания. Методы снижения негативного воздействия на трубопровод
Магистральные трубопроводы, которые проходят по северным регионам, с сильдольдистыми и льдистыми грунтами, которым свойственна просадка и переход в пластичное состояние с малой несущей способностью, пучение, в периоды промерзания и оттаивания. Для таких грунтов свойственны те негативные криогенные процессы, которые были описаны выше: термокарст, термоэрозия, криогенное сползание и т.д. Все эти явления негативным образом оказывают воздействие на эксплуатируемый трубопровод и его техническое состояние.
Практически всегда строительство трубопроводов на заболоченной и обводненной местности, которая распространена в Западной Сибири, происходит в зимний период. По причине этого в летний период, в связи с температурным расширением, в стенках трубопровода возникают продольные усилия сжатия, в сочетании с маленькой удерживающей способностью обводненных грунтов, и происходит потеря устойчивости трубопровода
Именно поэтому очень важен анализ технических решений по закреплению трубопроводов, которые обеспечивают проектное положение трубопровода, на всех стадиях жизненного цикла проекта.
В этой области технических решений можно выделить две группы методов, имеющих существенное различие между собой. Первая группа - это уменьшение негативных воздействий на трубопровод, куда входит раздел по улучшению свойств основания и закрепление массива грунта, который мы рассмотрим более подробно. В эту группу методов включают мероприятия, уменьшающие продольные усилия и изгибающие моменты в трубопроводе, которые возникают при прокладке, обеспечения устойчивости грунтового основания или массива грунта засыпки, окружающего трубопровод. Выделяют такие воздействия на трубопровод как морозное пучение грунта, архимедова сила при оттаивании обводненных грунтов, положительный температурный перепад, вызывающий потерю устойчивости трубопровода. В схеме (Рисунок 4) приведены основные мероприятия, входящие в эту группы методов:
-улучшение свойств основания трубопровода;
-уменьшение влияния водной эрозии на засыпку трубы на уклонах трассы;
-прокладка трубопровода с искривленной осью, компенсирующее влияние изгибающих моментов;
-создание предварительных продольных напряжений в стенках трубопровода, противоположных по знаку эксплуатационным.
Вторая группа методов направлена на закрепления трубопроводов от всплытия и выхода из траншеи в обводненных грунтах с использованием специальных конструкций и способов их применения. Речь идет
об анкерных устройствах и средствах балластировки. Основное назначение методов закрепления - компенсировать выталкивающую силу обводненного грунта и продольные сжимающие усилия в трубопроводе, способствующие его всплытию и выходу на поверхность.
Методы снижения негативных воздействий на трубопровод систематизируются в виде схемы технических решений (Рисунок 5). К группе А относятся методы улучшения свойств грунтового основания, окружающего трубопровод. Среди них можно выделить методы температурного воздействия на грунты основания - подгруппы А1, А2, при этом нагревание основания и управление ореолами оттаивания - промерзания относятся к группе А1, а охлаждение - А2.
Снижение нагрузок от пучения грунтов может быть достигнуто с учетом динамики изменения мерзлотных условий. Например, для трубопроводов криолитозоны используется прогноз взаимодействия с веч-номерзлыми грунтами, при этом различают «теплые» и «холодные» участки газопровода в зависимости от среднегодовой температуры газа.
Участки газопровода с положительной среднегодовой температурой, на которых развиваются ореолы оттаивания, подвергаются дополнительному обвалованию, обеспечивающему устойчивость газопровода. Для контроля температуры стенки трубы используют термодатчики.
При понижении температуры до 0(°С) перекачиваемый продукт нагревают, регулируя ореол оттаивания вмещающих пород в пределах 1,6 диаметра трубы. На участках неустойчивых при оттаивании предлагается применить разветвленную прокладку из нескольких ниток трубопровода в виде лупингов с целью ограничения развития ореола оттаивания.
Рис. 4. Схема методов обеспечения устойчивости трубопроводов
Рис. 5. Схема методов снижения негативных воздействий на трубопровод
Подача перекачиваемого продукта переключается по ниткам в зависимости от величины ореолов оттаивания, тем самым регулируется процесс теплового взаимодействия трубопровода с вечномерзлым грунтом.
Используются также способы непосредственного нагревания грунта основания трубопровода. Например, с помощью электродов-анкеров связывающих трубопровод с основанием через теплоизоляционную подушку и нагревающих массив пучинистого до границы его сезонного промерзания, исключив тем самым процесс пучения.
Известны так же способы погружения в разжиженный грунт трубопровода с утяжелителями, по которому перекачивают высокотемпературный (до +80°С) теплоноситель, причем может попутно применяться трубка - спутник с паром, которая устанавливается в предварительно прорезанную щель вдоль оси трубопровода.
Принцип «вмораживания» трубопровода в вечномерзлый грунт используются в случаях, когда температура перекачиваемого газа отрицательная. Например, копают траншею, укладывают трубопровод, сооружают перемычки и заливают воду до всплытия трубы. После промерзания воды засыпают траншею мерзлым грунтом. Заливка воды в траншею с последующим ее замерзанием обеспечивает ровное дно для трубопровода, а последующее перекрытие его слоем нетканого синтетического материала (НСМ) с обливанием водой до образования прочного покрытия, закрепляет трубопровод в траншее. Известен способ «вмораживания» газопровода с охлажденным газом в засыпанный слоями грунт, причем, слои сначала нагревают, они уплотняются и при замерзании образуют монолит, окружающий трубу и предотвращающий доступ к ней воды. Существует способ замораживания талого грунта, охлаждаемого в зимнее время с помощью термосвай до образования прочного льдогрунтового массива.
Кардинально решает проблему сохранения основания в мерзлом состоянии - перекачка природного газа в охлажденном или сжиженном состоянии
Существуют способы улучшения свойств основания для трубопровода путем создания опорных массивов и тяг. Как правило, эти технические решения применяются в пучинистых и просадочных грунтах с целью предотвращения размыва грунта на дне и стенках траншеи, повышения темпа строительства и надежности прокладки за счет исключения воздействия сил пучения и просадки трубопровода. В качестве опор используются грунтоцементные массивы, устанавливаемые в траншее с определенным шагом. Опорные массивы сохраняются в мерзлом состоянии, несмотря на протаивание основания и его осадку на остальном протяжении трубопровода. Опоры также могут быть выполнены из железобетонных блоков или в виде опорных тяг, связывающих трубопровод в просадочном грунте с верхними перекладинами. Тяги ограничивают осадку трубопровода по допустимому профилю без перенапряжения по изгибу.
Улучшение свойств основания трубопровода достигается также за счет применения подсыпок, теплоизолирующих и пленочных экранов, амортизирующих материалов и различных добавок. Изменение свойств основания снижает напряжение изгиба участка трубопровода в сложных условиях.
Так, при подземной прокладке трубопровода, пересекающего участок неустойчивого вечномерзлого грунта, этот грунт при разработке траншеи удаляют, а по границам выбирают и часть талого грунта таким образом, чтобы уложенный трубопровод пересекал участок вечной мерзлоты с допустимым изгибом.
Для защиты основания от проникновения теплопотоков и влаги используют различного рода изолирующие экраны. Трубопровод укладывают на слой фильтрующего материала с размещением между ними листа гидроизоляционного материала - полиэтилена. Над верхом засыпанной трубы располагают плоский теплоизолированный экран из геотекстиля, защищенного водонепроницаемой оболочной. Экран снизу предотвращает попадание влаги, а теплоизоляционный сверху - проникновения холода. В результате засыпка не замерзает и процесс пучения не развивается. Защита трубопровода от морозобойного растрескивания грунта достигается путем прорезки щелей с обеих сторон траншеи и помещение теплоизоляционных экранов на дне траншеи. Щели заполняют пенообразующим составом. Морозобойные трещины останавливаются в щелях, а снизу трубопровод защищен экраном.
Уменьшение тепловых потерь перекачиваемого продукта может быть получено путем оптимизации глубины заложения. Трубопровод укладывают на подушку и засыпают грунтом с меньшим коэффициентом теплопроводности, чем грунт ненарушенной структуры вокруг траншеи. При этом глубина траншеи и глубина залегания трубопровода связаны зависимостью, содержащую заданные значения коэффициентов теплопроводности.
Проблема снижения напряжений в трубопроводе, пересекающего участки грунта с различными свойствами, может быть решена путем помещения на границах этих участков амортизирующего материала, более податливого, чем окружающий грунт.
Существует направление искусственного улучшения свойств слабых грунтов за счет различных добавок. При сооружении трубопроводов чаще всего применяют химические методы. Среди вяжущих выделяют продукты нефтепереработки, такие как гудрон, крекинг - остаток.
Библиографический список
1.Вялов С.С. и др. Термосваи в строительстве на Севере / С.С. Вялов - Л.:Стройиздат, 1984. - 148с.
2.Роман Л.Т. Механика мерзлых грунтов / Л.Т. Роман. - М.: МАИК "Наука/Интерпериодика", 2002.- 426 с.
3.СТО Газпром 2-3.1-435-2010 «Проектирование оснований, фундаментов, инженерной защиты и мониторинга объектов ОАО Газпром в условиях Крайнего Севера».- М.: Газпром экспо, 2010.-232с.
АМИЧБА ВАЛЕРИЙ ДАУРОВИЧ - магистрант, Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, Россия.
