CC BY
28
© В.М. Улипкий, С.А. Кудрявцев, В.Н. Парамонов, И.И. Сахаров, Е.В. Городнова, 2015
УДК 624.131.7
В.М. Улицкий, С.А. Кудрявцев, В.Н. Парамонов, И.И. Сахаров, Е.В. Городнова
ТРАНСПОРТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ НЕФТЕГАЗОВОГО КОМПЛЕКСА В УСЛОВИЯХ ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ АРКТИЧЕСКОГО ПОБЕРЕЖЬЯ
Рассмотрены проблемы, связанные с промерзанием и оттаиванием грунтов в основании железнодорожных насыпей. Решение тепло-физических задач промерзания, морозного пучения и оттаивания грунтов представлено в пространственных условиях, результаты которых сопоставлены с практикой.
Ключевые слова: земляное полотно, промерзание и оттаивание грунтов, фронт промерзания, деформации морозного пучения, численное моделирование.
Полуостров Ямал является одним из важнейших стратегических нефтегазоносных регионов России. Промышленное освоение месторождений Ямала и прилегающих акваторий имеет принципиальное значение для обеспечения роста российской добычи газа после 2010 года. В рамках «Мегапроекта Ямал» изучается возможность строительства на Ямале завода по сжижению газа. Полуостров Ямал отличается достаточно низкой развитостью транспортной инфраструктуры, а промышленное освоение региона невозможно без соответствующего развития железнодорожного сообщения. В настоящее время доставка значительного объема грузов на Ямал осуществляется морским транспортом в период летней навигации.
Северный морской путь — кратчайший морской путь между Европейской частью России и Дальним Востоком. Законодательством РФ определен как «исторически сложившаяся национальная единая транспортная коммуникация России в Арктике». Расстояние от Санкт-Петербурга до Владивостока
Рис. 1. Участок «Мертвой дороги» Са' лехард - Игарка в настоящее время
по Северному морскому пути составляет свыше 14 тыс. км. Северный морской путь обслуживает порты Арктики и крупных рек Сибири (ввоз топлива, оборудования, продовольствия; вывоз леса, природных ископаемых). Для обеспечения возможности круглогодичных грузопассажир-
ских перевозок на полуостров Ямал ведется строительство новой железнодорожной линии «Обская - Бованенково».
При проектировании железных дорог учитываются многолетние природные процессы, поэтому проектировщикам необходимо знать, какие процессы будут происходить с земляным полотном и верхним строением пути на десятилетия вперед. Особенно это важно в зоне вечной мерзлоты, по которой в России проложено более 5000 кмжелезнодорожных путей.
В этом аспекте брошенные участки строительства 501 и 503 («Мертвая дорога» Салехард - Игарка, рис. 1) представляют уникальный объект для сбора научных данных о долговременных процессах, происходящих с железнодорожным полотном и верхним строением пути.
Противопучинные мероприятия
По статистическим данным Департамента пути и сооружений МПС РФ, в течение последних 30 лет протяженность деформирующихся и дефектных мест земляного полотна на сети железных дорог России остается на уровне 10-14%. Расчеты, выполненные институтом Гипротранстэи МПС РФ совместно со специалистами МИИТа и ВНИИЖТа, показывают, что суммарные потери отрасли от эксплуатации дефектного и деформирующегося земляного полотна составляют 2678.1 млн рублей в год (в ценах 2001 года). На Забайкальской дороге деформации земляного полотна от сил морозного пучения в 2002 г. составили около 21% к общей длине дороги [1].
В настоящее время для ликвидации имеющихся деформаций и стабилизации земляного полотна на пучиноопасных уча-
стках железных дорог России (по схеме: эффективность = затраты + технологичность + долговечность) для предупреждения сезонного промерзания, пучения и оттаивания в большинстве случаев назначают укладку теплоизоляционного покрытия из экструзионного пенополистирола. Этот метод реконструкции железнодорожных насыпей в испытаниях МПС занял особое место по основным показателям и был признан наиболее эффективным в самых неблагоприятных условиях при затрудненном поверхностном водоотводе и в зонах повышенных силовых воздействий [2].
Транссибирская железнодорожная магистраль в Восточном полигоне сети МПС проходит по территориям в условиях глубокого сезонного промерзания грунта, максимальная глубина которого достигает 4,5 м в районах Забайкалья. Абсолютное большинство грунтов, залегающих в пределах этой глубины, являются пучиноопасными. Наиболее уязвимыми в таких условиях являются фундаменты опор контактной сети. Многие распространенные методы борьбы с выпучиванием фундаментов не являются долговечными и после нескольких лет эксплуатации теряют свою эффективность. Одним из методов обеспечения надежной работы подземных конструкций в морозопасных грунтах является способ заанкеривания фундаментов в талых слоях грунта, расположенных ниже глубины сезонного промерзания. В ЛИСИ были проведены натурные наблюдения за различными конструкциями столбчатых фундаментов [3].
Исследования эффективности противопучинных мероприятий выполнялись на опытном участке Забайкальской железной дороги Транссибирской магистрали, представлявшей собой насыпь высотой до 2 м, расположенную в заболоченной долине р. Алеур на косогоре. Уклон поверхности долины способствовал скоплению дождевых и талых вод у земляного полотна в период паводков, создавая эффект ограждающей дамбы. Этот участок железной дороги подвергался сезонным деформациям морозного пучения в зимний период и оттаивания в виде просадок пути летом. Инженерно-геологические изыскания опытного участка выявили напластование грунтов насыпи и основания, представленное на рис. 2. В гидрогеологическом отношении исследуемый участок характеризовался постоянно
Рис. 2. Расчетная схема опытного участка: 1 - щебеночный балластный слой; 2 - шлаковая противопучинная подушка; 3 - суглинок полутвердый; 4 -подошва насыпи, представленная пылеватым мягкопластичным суглинком; 5 - несущий слой -супесь заторфованная; 6 - песок крупный с примесью гравия и гальки водонасыщенный; 7 - супесь пластичная с примесью дресвы и щебня
действующим водоносным горизонтом, находящимся в слое аллювиальных отложений песка крупного с гравием и галькой. Глубина залегания подземных вод, по результатам замеров в разведочных скважинах, колебалась от 0,3 до 0,7 м от дневной поверхности. Температура воздуха в период наблюдений на экспериментальном участке составляла от +36 0С летом до -630С зимой.
Земляное полотно имеет направление с северо-запада на юго-восток. При этом южная экспозиция солнечной радиации расположена на правом откосе насыпи в направлении Чита-Хабаровск. Откос с северной стороны (скважины 3, 6, 9 на рис. 2) меньше облучается солнцем и поэтому промерзает на большую глубину.
По архивным материалам и нивелировкам дистанции пути установлено, что до устройства противопучинной подушки на данном участке с наступлением периода отрицательных темпе-
ратур происходило образование пучин высотой свыше 200 мм, а после устройства подушки - свыше 100-150 мм.
Деформации морозного пучения были связаны с высоким уровнем подземных вод и постоянным переувлажнением силь-нопучинистых заторфованных супесей, залегающих в основании насыпи.
Экспериментальные наблюдения показали, что после устройства противопучинной подушки к концу ноября насыпь промерзает на всю толщину со стороны откосов, а по оси пути только наполовину. К апрелю глубина промерзания находится уже ниже исходного уровня подземных вод.
Наиболее интенсивно деформации морозного пучения растут в течение ноября-декабря при промерзании грунта до 1,5 м; в январе-марте при постепенном промерзании грунтов основания деформации пучения превышают 30 мм. Наибольшая скорость промерзания наблюдается в ноябре месяце. Спад интенсивности пучения при максимальной глубине промерзания в апреле месяце объясняется повышением температуры воздуха и оттаиванием грунтов с дневной поверхности, происходящих с наибольшей скоростью в мае месяце.
Проведенные исследования показали, что устройство противопучинной врезной подушки на экспериментальном участке уменьшило глубину промерзания по оси пути, однако процесс промерзания захватывал пучинистые грунты основания и способствовал интенсивной миграции влаги из водоносного крупного песка, поэтому величина морозного пучения продолжает оставаться значительной - до 150 мм.
Для комплексного изучения проблемы было проведено численное моделирование (рис. 2-4) с использованием программного модуля «Тегшодгоип<<», разработанногоспециа-листами Санкт-Петербургского государственного университета путей сообщения (бывший ЛИИЖТ) и Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета (бывший ЛИСИ) для решения теплофи-зических задач. В основу численного моделирования положен программный комплекс РЕМшо<<е18, широко внедряемый в практику проектирования группой компаний «Геореконструкция» вмногообразных грунтовых условиях различных регионов России.
а
Рис. 3. Изолинии и эпюры распределения температуры в насыпи и ее основании на апрель месяц: а — до противопучинных мероприятий; б — с устройством врезной подушки; в — с укладкой экструзионного пенополи-стирола
а
Рис. 4. Изолинии и эпюры распределения влажности в насыпи и ее основании на апрель месяц: а — до противопучинных мероприятий; б — с устройством врезной шлаковой подушки; в — с устройством врезной шлаковой подушки и укладкой экструзионного пенополистирола пучения
Для исследования процесса промерзания, морозного пучения и оттаивания были промоделированы различные варианты работы насыпи в течение года:
1) до устройства противопучинных мероприятий;
2) с устройством шлаковой врезной подушки;
3) с укладкой теплоизоляционных материалов.
На рис. 3 и 4 показаны, соответственно, изолинии и эпюры распределения температуры и влажности грунтов на апрель месяц до и после реализации противопучинных мероприятий. Промерзание тела насыпи и грунтов основания способствует миграции влаги к фронту промерзания и значительным деформациям морозного пучения.
В теплый период года происходит полное оттаивание грунтов в теле насыпи и основании. Дополнительное устройство теплоизоляционного материала из экструзионного пенопо-листирола снижает величину отрицательной температуры в теле насыпи по оси пути до значений, незначительно влияющих на деформации морозного пучения (рис. 3, в). Увеличение влажности грунта в зоне промерзания основной площадки земляного полотна находится в пределах 5% (рис. 4, в). Такое конструктивное мероприятие снижает влияние процессов промерзания, морозного пучения и оттаивания в теле насыпи, уменьшая величину деформаций морозного пучения до величин 10-15 мм.
Устройство врезной подушки не исключает проникновения отрицательной температуры в тело насыпи (рис. 3, б) и, соответственно, только снижает величину деформаций морозного пучения до 100-150 мм.
В целом по всей длине исследуемого участка из-за разных величин деформаций морозного пучения и оттаивания происходит искривление плана и профиля пути. Противопучинная врезная подушка не дала должного эффекта в данных климатических и инженерно-геологических условиях. Для суровых климатических условий Забайкалья замена морозоопасного грунта на непучинистый материал оказалась недостаточной. На данном экспериментальном участке насыпи было предложено выполнить укладку экструзионного пенополистирола на основную площадку земляного полотна.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кудрявцев С. А., Сахаров И. И., Парамонов В. Н. Промерзание и оттаивание грунтов (практические примеры и конечноэлементные расчеты) / Группа компаний «Геореконструкция», СПб, 2014 г. - 247 с.
2. Парамонов В. Н. Расчетная оценка эффективности геоматериалов для противопучинной защиты реконструируемых транспортных сооружений / В. Н. Парамонов, И. И. Сахаров, С. А. Кудрявцев. Применение геоматериалов при строительстве и реконструкции транспортных объектов: Материалы междунар. науч. — техн. конф. (2; 17-18 янв.2002г.; СПб) / ПГУПС — СПб., 2002. — С.69-72
3. Улицкий В.М. Исследование особенностей работы анкерных фундаментов в пучинистых грунтах. Автореф. дис. канд. техн. наук. Ë.: 1969. — 24 с. ШЪ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Улицкий Владимир Михайлович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой, лауреат государственной премии РФ, Парамонов Владимир Николаевич - доктор технических наук, профессор, Городнова Елена Владимировна - кандидат технических наук, доцент, [email protected],
Санкт-Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I,
Сахаров Игорь Игоревич - доктор технических наук, профессор, i [email protected],
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет,
Кудрявцев Сергей Анатольевич - доктор технических наук, профессор, [email protected],
Дальневосточный государственный университет путей сообщения.
UDC 624.131.7
TRANSPORT SUPPORT OIL AND GAS INDUSTRY IN CONDITIONS PERMAFROST OF THE ARCTIC COAST
Ulitsky Vladimir, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Department, State Prize of the Russian Federation, Department of «Bases and foundations» Saint Petersburg State Transport University Emperor Alexander I , Russia,
Paramonov Vladimir, Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of «Bases and foundations» Saint Petersburg State Transport University Emperor Alexander I , Russia, Gorodnova Elena, Ph.D., Associate Professor, [email protected], Department of «Bases and foundations» Saint Petersburg State Transport University Emperor Alexander I , Russia,
Sakharov Igor, Doctor of Technical Sciences, Professor, [email protected], Geo-technical Department, Saint-Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering, Russia,
Kudryavtsev Sergey, Doctor of Technical Sciences, Professor,[email protected], Department of «Bridges, tunnels and underground structures,» Far Eastern State Transport University , Russia.
The problems concerning freezing and thawing of soilsunder the railway embankments are discussed. Solution of thermophysical problems of freezing, frost heaving and thawingis represented in 3D conditions, the results of which are compared with practice.
Key words: roadbed, freezing and thawing of soil,front of freezing, frost heave, numerical modeling.
REFERENCES
1. Kudrjavcev S. A., Saharov I. I., Paramonov V. N. Promerzanie i ottaivanie gruntov (prakticheskie primery i konechnojelementnye raschety) (Freezing and thawing of soils (practical examples and finite element calculations)) / Gruppa kompanij «Georekonstrukcija», SPb, 2014. 247 p.
2. Paramonov V. N. Raschetnaja ocenka jeffektivnosti geomaterialov dlja protivopu-chinnoj zashhity rekonstruiruemyh transportnyh sooruzhenij (The estimated efficiency of geomaterials for protivopozharnoi protection of the reconstructed transport facilities) / V. N. Paramonov, I. I. Saharov, S. A. Kudrjavcev. Primenenie geomaterialov pri stroitel'stve i re-konstrukcii transportnyh ob#ektov: Materialy mezhdunar. nauch.-tehn. konf. (2; 17-18 janv.2002; SPb) / PGUPS, SPb, 2002. pp.69-72
3. Ulickij V.M. Issledovanie osobennostej raboty ankernyh fundamentov v puchinistyh gruntah (Study of peculiarities of the work of anchor foundations in heaving soils). Avtoref. dis. kand. tehn. nauk. L.: 1969. 24 p.
