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

9.2. Стали и другие материалы, используемые при конструировании машин для вечномерзлых грунтов

Для деталей машин, предназначенных для эксплуатации в районах с холодным климатом (ХЛ), применяют стали с гаран­ тируемой ударной вязкостью при отрицательных температурах. Низколегированные стали (в зависимости от механических свойств и химического состава) разделены на 15 категорий. Ос­ новной характеристикой металлических материалов является ударная вязкость до и после механического старения. Стали ка­ тегорий 6...9 имеют гарантированную ударную вязкость при температуре -40...-70°С. Стали категории 12..Л5 дополнительно подвергают испытаниям на механическое старение. Стали по­ ступают на машиностроительные заводы в термообработанном 'состоянии (нормализация или закалка и отпуск).

Склонность сталей к хрупкому разрушению зависит в ос­ новном от размера зерна, структуры, состава и наличия вредных примесей. Менее склонны к хрупкому разрушению стали, Имеющие мелкозернистую структуру. Для получения этих ста­ лей применяют: модифицирование добавками алюминия, тита­ на, ниобия и ванадия при выплавке; раскисление неметалличе­ ских включений; термическую обработку горячекатаного ме­ талла.

Повышение хладостойкости конструкционных сталей дос­ тигается термоупрочнением (закалкой и отпуском). Низколеги­ рованные хладостойкие стали, применяемые для деталей машин, 09Г2, 09Г2С, 09Г2Д, 09Г2СНД Л0Г2С1, 10Г2С1Д, 10ХСНД, 15ХСНД, легированные - ЗОХМА и 40ХНМА, с карбонитридньш упрочнением - 14ХГ2АФ, 16Г2АФ и др.

Хладостойкие модификации сталей НОГ, 13Л, 35Л, 35ГЛ, 40ХЛ, ЗОХНМЛ и др. получают методами микролегирования алюминием и добавками лигатур редкоземельных элементов. Эти стали используют в качестве отливок для изготовления де­ талеймашин я рабочих органов. Режим термической обработки отливок следующий: нормализация при температуре 1100°С; закалка при температуре 880°С; отпуск при температуре 650°С. Для деталей (зубчатые колеса, звенья гусениц и т. д.), испыты­ вающих ударные нагрузки, применяют закаленные стали Г13Л.

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 17 2 - объектов в условиях Севера

При температуре воздуха до -50°С применяют флюсы АН348 с проволокой Св-ЮНМ или ОСЦ-45 с Св-08ХИМ. При тем­ пературе ниже -20°С обязателен предварительный прогрев мес­ та сварки.

При конструировании металлоконструкций машин следует учитывать следующие требования: минимальное количество концентраторов напряжений; отсутствие резких изменений се­ чений; ребра жесткости не должны доходить до поясов, испы­ тывающих растягивающие напряжения; отсутствие сплошных поперечных швов; использование только наклонных сварочных швов на элементах металлоконструкций, испытывающих растя­ гивающие напряжения.

Подробно эти вопросы рассмотрены в работах [5, 19, 55, 57 идр.].

Для работы в условиях низких температур (-60°С) исполь­ зуют специальные резины ИРП, В и Г (ИРП-1321, ИРП-1346, В- 14-1 и др.), применяемые в амортизаторах, уплотнениях, прог кладках, манжетах тормозов и пальцев, работающих в масле.

Врайонах с холодным климатом рекомендованы следую­ щие пластмассовые изделия: полиамид П-68, пенопласт, поли­ этилен, фторопласты 3 и 4 (для электроизоляции).

9.3.Требования к кабинам машин

Кфакторам, влияющим на работу оператора землеройных машин в условиях вечномерзлых грунтов, можно отнести сле­ дующие: длительность холодного периода года, когда средняя суточная температура воздуха ниже 0°С; продолжительный пе­ риод года с температурой воздуха ниже -40°С; действие ветро­ вого режима и влажности воздуха в зимнее время года; повы­ шенная прочность вечномерзлых грунтов; световой режим года, характеризующийся наличием полярных дней и ночей; большие и частые суточные колебания температуры и другие факторы,

Взимний период года при скорости ветра 5...7 м/с ухудша­ ется передвижение машин, а видимость из кабин сокращается до 2...3 м.

Кабины землеройных машин должны иметь сплошную теп­ лоизоляцию по всей поверхности и герметизацию благодаря

применению уплотнителей дверей из морозостойкой резины. Дм утепления кабин применяют пенопласты. Потолок и стены кабины покрывают пластиком, а пол — войлоком и линоле­ умом. Коэффициент теплопередачи в кабине должен быть 1,1...1,2 Вт/(1|Г-0С). Стекла кабины следует обдувать с внутрен­ ней стороны воздухом, нагретым до температуры +50...+б0°С. Системы отопления я вентиляции кабины машин должны обес­ печивать: равномерное распределение теплового потока благо­ даря использованию нескольких отопителей; два режима работы отопителей (рециркуляционный и смешанный) с очисткой и по­ догревом наружного воздуха; автоматическое поддержание за­ данного уровня температуры воздуха в кабине, применяя кон­ тактные термометры и термостаты. Отопитель кабины включает систему отопительно-вентиляционных агрегатов или пластинча­ тых радиаторов с вентиляторами.

К неблагоприятным производственным факторам, оказы­ вающим влияние на операторов буровых станков и землеройных машин, относят плохую освещенность в зимнее время года и уровень шума, особенно в кабинах мощных гусеничных рыхли­ телей, при ударном способе бурения и забивке лидеров молота­ ми. Общий уровень шума при ударном бурении составляет не менее 110... 120 дБ (нормативный не более 80 дБ).

ВОПРОСЫ

1.Каковы основные требования к эксплуатации машин для земляных работ в суровых условиях вечномерзлых грунтов?

2.Каковы основные требования к кабинам машин?

3.Какие стали применяют для деталей машин, предназна­ ченных для эксплуатации в районах с холодным климатом?

4.Какие климатические факторы учитываются при изго­ товлении и эксплуатации машин в условиях вечномерзлых хрунтов?

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых -174- объектов в условиях Севера

ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ

СРЕДЫ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ

ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ В ВЕЧНО­

МЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ

При строительстве на вечномерзлых грунтах изменяются условия теплообмена между грунтом и средой, физико­ механические свойства грунтов и их температурные режимы.

При освоении северных территорий отдается предпочтение принципу I, т.е. разработке грунта в естественном состоянии. При разработке грунтов по принципу II, т. е. с их предваритель­ ным оттаиванием, воздействие на среду не должно превышать некоторого критического уровня.

При строительстве на вечномерзлых грунтах выделяют два вида воздействия на среду в зависимости от состояния вечно­ мерзлого грунта.

К первому виду относят районы вечномерзлого грунта пла­ стично-мерзлого состояния, сложенные высокотемпературными грунтами: Воркутинский, Магаданский, Восточное Прибайка­ лье, Южная Якутия, побережье Тихого океана и районы, близ­ кие к южной границе распространения вечномерзлого грунта (см. рис.2.6). Типичными явлениями, сопровождающими строи­ тельство в этих районах, являются: усиление процесса забола­ чивания вследствие интенсивного освоения земель и нарушения травяного покрова, формирование бугристо-западинного релье­ фа и термокарстовых озер, более глубокое сезонное промерза­ ние и позднее оттаивание грунта и пересушивание поверхност­ ного слоя.

Ко второму виду относят районы с низкотемпературными вечномерзлыми грунтами твердомерзлого состояния: Северная Чукотка, Таймыр, полярный Урал, территории побережья Ледо­ витого океана, Якутия и др. В этих районах развиты термокар­ стовые образования на участках концентрированного стока по­

верхностных вод, а также на колеях, образовавшихся от движе­ ния гусеничных землеройных машин в летнее время. В этих районах имеют место неглубокое протаивание и незначитель­ ный растительный покров.

При повреждении растительного покрова, например в трак­ торных колеях, глубина протаивания увеличивается на 0,б...0,8 М ; В летнее время года колеи заполняются водой вследствие слабого дренирования поверхностных слоев, подстилаемых веч­ номерзлым грунтом. В результате образуются промоины и овра­ ги глубиной до 5 м, шириной в верхней части 7... 10 м вследст­ вие интенсивной термоэрозии и термокарста. Особенно быстро этот процесс протекает на склонах сопок и холмов, имеющих большую глубину протаивания, чем равнинные участки. Если растительный покров только поврежден, то в ближайшие 2—3 года глубина протаивания будет увеличена на 20...40 см, а на восстановление растительного покрова потребуется несколько лет.

При строительстве городов в районах первого вида, т.е. на вечномерзлых грунтах пластично-мерзлого состояния, наблю­ даются более глубокое залегание толщи и повышение темпера­ туры вечномерзлых грунтов. В г.Воркута 80...90 % территории города, на которой до строительства слой сезонного промерза­ ния грунта сливался с вечномерзлой толщей, имеются участки с глубоким залеганием вечномерзлых грунтов, так как жилищное строительство на 15...20 % увеличило передачу теплового пото­ ка в грунт. Понижение температуры грунтов отмечено только на участках, на которых снег удалялся или уплотнялся.

При строительстве городов (г. Норильск) в районах второго вида, т.е. на грунтах твердомерзлого состояния, грунты в вечно­ мерзлом состоянии сохраняют в течение всего срока эксплуата­ ции сооружения применением свайных фундаментов и провет­ риваемых подполий под домами. Здесь отмечено общее пони­ жение температуры вечномерзлых грунтов вследствие умень­ шения степени их прогревания солнечной радиацией и большее промерзание из-за меньшего снегового покрова. В этих услови­ ях наблюдается анакриогенез, т.е. наращивание слоя вечномерз­ лого грунта сверху.

Факторы, вызывающие нарушение мерзлотно-грунтовых условий при земляных работах на Севере, могут быть обуслов-

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых ” 1 7 6 “ объектов в условиях Севера

лены тремя причинами. Первая выбранная схема земляных ра­ бот, например, наличие «мокрых» процессов и т.д. Вто­ рая - ошибки при проектировании и строительстве. Характер­ ными примерами таких ошибок могут служить частая сетка свай, устанавливаемых с помощью пароттаивания, и выбросы воды при строительстве сооружений. Эти факторы наиболее опасны, так как не поддаются предварительной оценке. Третья причина - несовершенство землеройной техники, не приспособ­ ленной к работе в условиях вечномерзлых грунтов.

При любом строительстве последовательность технологи­ ческого цикла следующая. При подготовительных работах уст­ раивают временные зимние и летние дороги, удаляют лес и кус­ тарник, срезают растительный покров, убирают или уплотняют снег и др. К основному процессу относят собственно земляные и буровые работы. При выполнении земляных работ производят планировку местности, возводят насыпи и котлованы и др. При производстве буровых работ выполняют бурение или оттаива­ ние грунтов, проходку лидерных скважин и т.п. Далее возводят сооружения. При этом для районов с высокотемпературными грунтами и особенно заболоченными, что характерно для Бай­ кало-Амурской магистрали, верхний уровень вечномерзлого грунта понижается до 2...5 раз. Одновременно увеличивается слой сезонно-талого грунта и образуются талики грунта, так как глубина сезонного оттаивания становится больше глубины его сезонного промерзания. В течение 2 -5 лет формируется новый равновесный температурный режим вечномерзлых грунтов под построенными сооружениями.

Таким образом, можно выделить следующие основные ви­ ды воздействия на среду при строительстве инженерных соору­ жений в условиях Севера: устройство зимников и дорог, поруб­ ка и корчевание леса и кустарника, рыхление, срезка и подсыпка грунта, вертикальная планировка и устройство насыпей и котло­ ванов, устройство дренажных канав, бурение и оттаивание грун­ тов для устройства свайных фундаментов, тепловое действие шламов, бетона набивных свай, оттаянной паром зоны на грунт и др.

Практика строительства на Севере показывает, что можно рекомендовать ряд мероприятий [42], позволяющих свести к

минимуму изменение сложившихся природно-климатических условий:

преимущественная разработка грунтов по принципу I, т.е. в естественном состоянии;

планирование земляных работ по сезонам года с целью пе­ реноса наиболее активных процессов на зимнее время года;

опережающее строительство дорог, применение песчаных и щебеночных насыпей и подсыпок слоем 0,3...0,6 м;

категорическое запрещение перемещения гусеничных зем­ леройных машин в летнее время года и в период межсезонья по Тундре, когда мощность снежного покрова не превышает 0,3 м;

подготовительные работы по удалению леса и кустарника необходимо вести посредством рубки, а не корчевания;

сведение к минимуму планировочных и подготовительных работ, связанных с разработкой грунта и его перемещением, на­ рушающих естественный рельеф и растительный гоифов;

ограничение наибольшего срока эксплуатации временных сооружений на одном месте (1—2 года);

использование грунта из выемок для засыпки термокарсто­ вых понижений;

ограничение земляных работ по берегам рек и озер в радиу­ се 50 - 70 м;

категорическое запрещение использования не безопасных в пожарном отношении материалов и оборудования, так как вос­ становление поверхности Арктики и Субарктики, уничтоженной в результате пожара, в десятки раз продолжительнее, чем в средней полосе;

удаление участков поверхности грунта, поврежденных сма­ зочными материалами и топливом;

задернение (залужение) поврежденных грунтовых поверх­ ностей равнинных или слабонаклонных тундр.

Для охраны окружающей среды необходимо применять сборные облегченные конструкции для производства мини­ мальных земляных и строительно-монтажных работ непосред­ ственно на строительной площадке; увеличить объем земляных работ, выполняемых в зимнее время года, когда передвижение землеройных машин осуществляется по ледовым дорогам; соз­ дать землеройную и буровую технику для районов с холодным климатом с обязательным ограничением распределенных натру-

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 1 7 о - объектов в условиях Севера

зок на грунт; применять усовершенствованные тяговые средст­ ва, в качестве движителя которых используется воздушная по­ душка.

ВОПРОСЫ

1.Каковы основные виды воздействия на среду при строи­ тельстве инженерных сооружений в условиях Севера?

2.Какие основные мероприятия позволяют свести к миниму­ му изменение природно-климатических условий при разработке вечномерзлых грунтов?

3.Какие три основные причины нарушения мерзлотно­ грунтовых условий при земляных работах на Севере вы знаете?

РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ

ОСНОВАНИЙ И ФУНДАМ ЕН­

ТОВ В УСЛОВИЯХ СЕВЕРА

Настоящая книга написана для студентов старших курсов нефтегазовых вузов, которые в соответствии с учебными плана­ ми уже прослушали дисциплины механика грунтов, основания и фундаменты, а также механику мерзлых грунтов. Поэтому в на­ стоящем учебнике освещены теоретические основы, исходные концепции и основные положения механики мерзлых грунтов, без знания которых невозможно выполнение расчетов и проек­ тирования любых зданий и сооружений, в том числе и нефтега­ зовых, в условиях мерзлых грунтов.

Климат Западно-Сибирского региона резко континенталь­ ный с суровой продолжительной зимой и теплым летом. Суточ­ ное колебание температур здесь достигает 25 °С и более. По данным многолетних наблюдений Тюменской и Томской метео­ станций, среднегодовая температура воздуха колеблется от - 4,2 до - 0,2°С на севере Тюменской области и от 0,8 до 6,0°С - на юге. Максимальная положительная температура воздуха (июль) достигает 30 - 35°С, а отрицательная - -55°С.

Таким образом, годовая амплитуда колебаний температур достигает 90°С. Продолжительность безморозного периода со­ ставляет всего 105 дней.

Отличительными особенностями мерзлых грунтов являют­

ся:

зависимость геотехнических свойств мерзлых грунтов от температуры, что неизбежно и существенно изменяют их проч­ ность и деформируемость;

наличие явно выраженных реологических свойств, опре­ деляющий вязкий характер деформирования с проявлениями ползучести, релаксации и длительной прочности.

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 1 8 0 - объектов в условиях Севера

Эти особенности принудительно изменяют характер взаи­ модействия инженерных сооружений с мерзлыми грунтами.

11.1. Теоретические основы теплового и механическо­ го взаимодействия инженерных сооружений с мерз­ лыми грунтами и основные положения механики мерзлых грунтов

Тепловое взаимодействие инженерных сооружений с мерз­ лыми грунтами происходит, главным образом, за счет кондуктивного механизма переноса тепла. Поэтому все методы расче­ та, регламентированные действующими нормами проектирова­ ния, учитывают только этот механизм. При этом исходным яв­ ляется эмпирический закон Фурье, который устанавливает про­ порциональную зависимость между плотностью теплового по­

где коэффициент пропорциональности Я называют коэф­ фициентом теплопроводности, а знак «-» указывает на то, что тепловой поток направлен навстречу градиенту температуры.

При оценке механизма взаимодействия зданий и сооруже­ ний с мерзлыми грунтами считается, что массив мерзлого грун­ та находится в начальном напряженном состоянии, обусловлен­ ном собственным весом грунта с различными геодинамическими и криогенными процессами и температурными деформация­ ми. Поэтому дополнительные напряжения от действия внешних нагрузок накладываются на начальное поле напряжений в грун­ те. При определении результирующих напряжений применяется принцип суперпозиции, т.е. действие сил считается независи­ мым. Это позволяет рассчитывать напряжения от собственного веса грунта и внешних дополнительных нагрузок, а затем их суммировать. При этом широко используются уравнения теории упругости для случаев, когда при незначительных нагрузках действует принцип линейной деформируемости. Такое поле на­ пряжений соответствует конечному стабилизированному со­ стоянию, т.е. тому моменту времени, когда все деформации от действия внешних нагрузок уже завершились.