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

комбинированные способы [26,27] разработки мерзлых и веч­ номерзлых грунтов, среди которых выделим термомеханиче­ ские.

2.7. Методы термического разрушения мерзлого грунта

Методы термического разрушения мерзлого грунта, пред­ шествующего его экскавации рабочими органами землеройных машин, реализуются разными способами. При этом используют различные нагревательные элементы, электродуговое и воздей­ ствие от сгорания различных веществ, от создания знакопере­ менных термических нагрузок (тепло - холод).

Исследованиями А. Н. Зеленина было установлено, что по­ вышение температуры мерзлого грунта на 3 - 4°С приводит к снижению прочности, измеряемой ударником ДОРНИИ, в 2 - 3 раза.

Прочность на сжатие, изгиб, сдвиг, разрыв, а также сопро­ тивление резанию в зависимости от температуры мерзлого грунта достаточно точно описываются выражением вида

где А - нормирующий коэффициент, зависящий от вида раз­ рушения, влажности и гранулометрического состава грун­ та, Т(0) - абсолютное значение температуры.

С целью оценки разупрочняющего действия тепла опреде­ лим сопротивление, например, на сдвиг для двух значений тем­ пературы грунта Т] (до растепления) и Тг (после растепления). Тогда напряжения разрушения образцов грунта, соответствую­ щие данным температурам, составят

Установлено, что при оттаивании мерзлых грунтов, даже от солнечной радиации, производительность разработки грунта возрастает при увеличении частоты съема оттаявшей его части (рис. 2.13). Отсюда следует, что скорость термомеханической разработки мерзлого грунта определяется не только его тепло­

физическими свойствами и параметрами источника тепла, а также характером взаимодействия рабочего органа с грунтом.

Результаты расчетов зависимости глубины оттаивания при постоянном источнике нагрева от числа съемов оттаявшего грунта.

Длительность периода междусъемамигрунта

Рис. 2.13. Суммарная глубина разработки в зависимости от частоты съема грунта

Число съемов растопленного грунта примем кратным сни­ жению времени нагрева по сравнению с базовым i —и/(ь- Глу­ бину протаивания Ис за время tb находим пропорциональным увеличением по числу объемов.

Результаты расчетов показывают, что:

-с возрастанием температуры возрастает и толщина сни­ маемого грунта, но незначительно (при возрастании температу­ ры вдвое hc увеличилось на 40 %);

-редкий съем оттаявшего грунта дает слабый эффект, и лишь при частоте съема через каждые 100 - 200 с суммарная за 0,5 ч глубина оттаивания начинает резко возрастать, особенно в зоне от 1 до 10 с, наиболее характерной для землеройных машин непрерывного действия.

Изменение температурного поля мерзлого грунта, возни­ кающего при воздействии на него теплового потока в виде ин­ фракрасного излучения характеризуется графиком, представ­ ленным на рис. 2.14.

Для каждой конкретной глубины заложения датчиков тем­ пературы скорость растепления мерзлого грунта vp в начальный момент резко вырастает от нуля до определенного максимума, а затем уменьшается и на каком-то уровне стабилизируется (рис. 2.15). На всех глубинах процесс растепления стабилизиру­ ется после 500 с и vp практически совпадает со скоростью ста­ тического растепления. Скорость движения теплового потока резко возрастает, снижается и стабилизируется за счет измене­ ния теплофизических свойств грунта при практически постоян­ ной температуре нагрева. В мерзлых грунтах большая часть во­ ды переходит в лед, коэффициент теплопроводности которого равен 2,33 Вт/(м-к), т.е. в четыре раза больше, чем у воды.

Рис. 2.14. Зависимость изменения температуры грунта от времени растепления.

Глубина заложения датчиков 1-2 мм, П - 6 мм, Ш - 8 мм, IV - 10 мм

Скорость растепления vp, зависящая от глубины h, опреде­ ляется дифференцированием dT/dt согласно нижеследующему выражению (2.4). Для рассматриваемого случая при A=const.

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых -54- объектов:в условиях Севера___________________

При этом; она не зависит от начальной температуры растеп­ ления. Графики функции для ряда характерных глубин растеп­ ления А представлены на рис. 2.15.

Рис. 2.15. Скорость растепления мерзлого грунта

Процесс растепления при тепловом воздействии наиболее интенсивно проходит при температуре от -20°С до -5°С. Проч­ ностные характеристики мерзлых грунтов в диапазоне темпера­ тур (-4°С...-10°С) минимальны, и поэтому практическую реали­ зацию разрушения необходимо проводить при этом состоянии грунтов. Наибольший эффект может быть достигнут при соче­ тании теплового и механического воздействия таким образом, чтобы разрыв по времени между ними был минимальным. В идеале необходимо стремиться к совпадению этих воздействий по времени.

2.8. Общие сведения о технологии земляных и буро­ вых работ в вечномерзлых грунта^

Объем земляных работ при разработке котлованов, траншей и планировочных работ составляет 34...35 % общего объема зем-

ляных работ, отсыпка земляного полотна - 40...41 %, вскрыш­ ные работы - 24...26 %.

Работы по проходке скважин в вечномерзлых грунтах вы­ полняют главным образом ударным способом (по данным 1980 г., бурение скважин этим способом составило 83%), ре­ же - с помощью шнековых буровых машин и трубчатых буров. Основным типом фундаментов сооружений, возводимых на тер­ ритории вечномерзлых грунтов, является свайный, а наиболее распространенным способом погружения свай является буро­ опускной (по данным 1980 г. погружение свай этим способом составило 74 %).

Земляные и буровые работы в вечномерзлых грунтах - наи­ более продолжительная и трудоемкая часть строительного про­ изводства. Например, устройство скважин под сваи, устанавли­ ваемые буроопускным способом при строительстве девятиэтаж­ ного четырехподъездного жилого дома, занимает от двух меся­ цев до полугода. Разработка вечномерзлого грунта гусеничным рыхлителем тягового усилия 250 кН и перемещение грунта в отвал бульдозером при устройстве котлована такого дома зани­ мает один - два месяца. -Нередко разработка вечномерзлого грунта невозможна без применения мощных рыхлителей, пред­ варительного буровзрывного рыхления или оттаивания.

Существуют следующие способы разрушения грунтов: ме­ ханический с отделением грунта от массива рабочим органом под действием статических, динамических или вибрационных нагрузок; гидравлический, использующий энергию жидкости; взрывной - разрушающий грун? давлением газов, выделенных при сгорании взрывчатых веществ; физический - разрушающий или уменьшающий прочность грунта с помощью воздействия теплоты, ультразвука, токов высокой частоты и т. п.; химиче­ ский, при котором для отделения грунта от массива его перево­ дят в жидкое или газообразное состояние.

Наиболее распространен механический способ разрушения вечномерзлых грунтов. Реже применяют комбинированные спо­ собы (термомеханический, газодинамический и т.д.), обеспечи­ вающие разработку вечномерзлых грунтов в предварительно отепленном состоянии для уменьшения их прочностных свойств.

Технология земляных работ состоит из следующих процес­ сов: отделения, измельчения, перемещения, переработки (сорти­ рования), укладки (обработки) и смешения грунтов. СуществуютЗклассификации систем рабочий орган — грунт по характеру пресйладаю1^х(процессов, по природе разрушающих напряже­ ний, атакже по виду предаваемой на грунт энергии: механическаяртрмическая, химическая, электромагнитная.

Согласно СНиП 2.02.04-88, существует два принципа ис­ пользования вечномерзлых грунтов в качестве оснований лю­ бых сооружений: I принцип - сохранение вечномерзлого состоя­ ния грунта в основании сооружения в течение всего срока его строительства и эксплуатации; II принцип - оттаивание грунта при строительстве и эксплуатации сооружений.

Относительно процессов разработки вечномерзлых грунтов следует заметать, что вечномерзлый грунт обладает свойством разупрочнения в процессе зимнего охлаждения вследствие мо­ розного иссушения и последующего морозобойного растрески­ вания [28, 41]. Отсюда следует принципиальная возможность разработки вечномерзлого грунта с его предварительным охла­ ждением. С учетом этого установлены три принципа разработки грунта для строительства: 1 принцип - разработка грунта естест­ венного состояния; 2 принцип - разработка предварительно оте­ пленного грунта; 3 принцип - разработка предварительно охла­ жденного грунта.

Принцип 1, наиболее распространенный, включает способы разработки грунтов, при которых не происходит существенного изменения их физико-механических свойств. При этом осущест­ вляют отделение грунта от массива и его обработку диспергиро­ ванием (измельчением), перемещение и обработку для укладки.

Принцип 2 объединяет способы разработки предварительно отепленного грунта. Отепление грунта осуществляют путем подвода к массиву термической, радиационной (солнечная ра­ диация), химической, электрической и других видов энергии. К комбинированным методам воздействия на грунт, включающим использование двух и более видов энергии, следует отнести термомеханический, механоэлектрический, механохимический (бурение скважин и последующее разрушение с помощью взрывчатых веществ) и др.

Принцип 3 включает разработку предварительно охлажден­ ного грунта, что приводит к его разупрочнению в результате образования сети трещин. Процесс растрескивания наиболее интенсивен на расчищенных от снега участках грунта при рез­ ком понижении температуры воздуха и большой скорости ветра. Наиболее густая сеть трещин отмечена в пучинистых грунтах, т. е. пылеватых и глинистых, широко распространенных на терри­ тории вечномерзлых грунтов. Глубина растрескивания не пре­ вышает зоны сжатия грунтов, т.е. глубины деятельного слоя (слоя сезонного оттаивания). Глубина морозобойных трещин составляет 1 - 2 м при ширине на поверхности от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров. Поверхность грунта покрыта сетью трещин. Повышение эффективности разработки вечномерзлого грунта по принципу 3 достигается дополнитель­ ным охлаждением грунта (плоскими холодильниками или вен­ тиляторами). Охлаждение осуществляют не только на поверхно­ сти, но и в заранее нарезанных щелях, а разработку грунта про­ изводят послойно по мере его разупрочнения.

Основной объем земляных работ выполняется при разра­ ботке вечномерзлых грунтов естественного состояния, т.е. по принципу 1 разработки грунта.

Земляные работы по функциональному назначению разде­ ляют на следующие виды: рыхление грунта для устройства кот­ лованов и траншей, бурение скважин и шпуров для свайного строительства и буровзрывных работ, оттаивание грунта для ослабления прочности и погружения свай, удаление разрыхлен­ ного или оттаявшего грунта с площадок строительства.

В предварительно оттаянных вечномерзлых грунтах, т.е. по принципу 2 разработки, выполняется значительно меньший объ­ ем земляных работ. К работам этого вида относят оттаивание грунтов паром при устройстве свай опускным способом и рабо­ ты по оттаиванию грунтов солнечной радиацией водой и др. Ра­ боты по предварительному охлаждению грунтов, т.е. по прин­ ципу 3 разработки грунтов, находятся в стадии опытного освое­ ния.

Для удаления грунта с площадки строительства после пред­ варительного рыхления, оттаивания или взрывания применяют бульдозеры, одноковшовые экскаваторы и скреперы. При отсут­ ствии мощных гусеничных рыхлителей и оборудования для бу­

Механика мерзлых гр ато в и-принципы строитепьства нефтегазовых “5 о ~ ; объектов в условиях Севера::

ровзрывных работ, что имеет место в условиях рассредоточен­ ного строительства в Арктике, в летнее время года применяют йстодё! радиационного и гидравлического оттаивания с исполь­ зованием бульдозеров для удаления грунта.

Условия производства земляных работ в вечномерзлых грунтах, зависящие от свойств и состояния последних, характе­ ризуются низкой степенью сосредоточенности (малым количе­ ством разрабатываемого грунта на единицу площади сооруже­ ния), незначительной интенсивностью и сезонностью выполне­ ния. Эти показатели наряду с составом парка машин и видом строящегося объекта определяют технологию земляных работ.

Любой технологический процесс состоит из подготови­ тельных, основных и заключительных операций. Подготови­ тельные и заключительные операции называют вспомогатель­ ными. Основными операциями при производстве земляных ра­ бот в вечномерзлых грунтах являются: рыхление, бурение, экс­ кавация (выемка) и перемещение при разработке грунта (по принципу 1); предварительное оттаивание или отепление грунта и последующая разработка при земляных работах (по принципу 2); предварительное охлаждение грунта и его последующая раз­ работка (по принципу 3). Операции, например, очистка от снега площадки строительства и ее разметка, укрепление стенок скважин и котлованов и другие, относят к вспомогательным.

Технология буровых и, следовательно, свайных работ зави­ сит от принципа использования вечномерзлого грунта как осно­ вания сооружения [42]. Прямая забивка свай в вечномерзлые грунты практически невозможна из-за высокой их прочности. Сваи в вечномерзлый грунт погружают в основном тремя спо­ собами:

буроопускным - погружение сваи в предварительно пробу­ ренную скважину диаметром большим, чем размер сваи, и по­ следующее вмерзание сваи в раствор, замоноличивающий околосвайное пространство;

опускным - погружение сваи в оттаянный с помощью паро­ вых игл грунт с последующим вмерзанием сваи;

бурозабивным - принудительное погружение сваи в предва­ рительно устроенную в грунте лидерную скважину диаметром меньшим, чем размер сваи.

Буроопускной способ погружения сваи применим в любых грунтах и наиболее распространен. Бурозабивной способ по­ гружения свай осуществляют забивкой или вибрированием. Он применим только в пластично-мерзлых грунтах. Известны также бурообсадной и буронабивной способы устройства свай. При бурообсадном способе применяют полые круглые сваиоболочки с ножевым кольцом, погружаемые путем разбурива­ ния забоя через полость сваи с периодическим их обсаживанием забивкой. Полость такой сваи заполняют бетоном или грунтом. Буронабивной способ устройства реализуют посредством ук­ ладки бетона в предварительно пробуренную скважину с уста­ новленным в ней арматурным каркасом.

Сваи, используемые в строительстве по принципу I, назы­ вают висячими, а по принципу П - сваями-стойками. Первые работают в основном под действием сопротивления грунта сдвигу боковой поверхности (сопротивление грунта сжатию под торцом незначительно и составляет 5 - 1 5 %), а вторые под дей­ ствием сопротивления сжатию грунта, находящегося под тор­ цом сваи.

Наибольшее распространение получили железобетонные сваи, передающие на грунт значительные нагрузки и используе­ мые для любых вечномерзлых грунтов. Железобетонные сваи по длине и форме поперечного сечения разделяют на квадратные, квадратные с фасками, трапециевидные, прямоугольные, круг­ лые и трубчатые. Сваи могут быть выполнены целыми, состав­ ными и стыкованными. Металлические и деревянные сваи при­ меняют реже.

При любом способе погружения свай в вечномерзлый грунт необходимо пробурить скважину или оттаять зону необходимо­ го размера и формы. Процесс погружения свай зависит от каче­ ства работ по проходке скважин или оттаиванию грунта. Сваи при буроспускном способе стыкуют, поэтому длина их не огра­ ничена.

Бурозабивной способ погружения свай применим только для пластично-мерзлых грунтов при длине свай до 12 м.

Опускной способ погружения свай с оттаиванием грунта паром применяют в грунтах с небольшим количеством валун­ ных включений. Длина этих свай не более Ю м . Наибольшая продолжительность вмерзания зафиксирована при опускном

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых

-60 - объектов в условиях Севера

способе погружения свай, установленных с оттаиванием грунта паром, меньшая - при буроопускном и минимальная - при буро­ забивном.

По совокупности технико-экономических показателей предпочтительным способом погружения свай в вечномерзлые грунты твердомерзлого состояния является буроопускной, а в пластично-мерзлые грунты - бурозабивной. Выбор конструкции, материала свай и способа их погружения зависит от типа строящегося объекта и его отдаленности от строительной базы, грузоподъемности подъемно-транспортного оборудования и имеющегося бурового оборудования.

Верхняя часть сваи, расположенная над поверхностью грунта и в деятельном слое вечномерзлого грунта, испытывает влияние периодического увлажнения и значительных отрица­ тельных температур, поэтому она разрушается значительно бы­ стрее, чем нижняя часть. Защиту верхней части сваи осуществ­ ляют битумом или цементно-песчаным раствором в оболочке из металла, приваренной к закладным деталям. При буроопускном и бурозабивном способах погружения свай бетонную или ас­ фальтовую поверхность проветриваемых подполий сооружений необходимо выполнять до начала или в процессе свайных работ, оставляя «окна» для бурения скважин и забивки свай.

2.9. Производство земляных работ

Согласно своду правил по сооружению магистральных га­ зопроводов СП 104-34-96 и ведомственным строительным нор­ мам ВСН 004-88, при производстве земляных работ существуют следующие нормы и правила.

Работы по рекультивации земель. Снятие плодородного слоя почвы, как правило, производится до наступления устой­ чивых отрицательных температур. В исключительных случаях, по согласованию с землепользователями и органами, осуществ­ ляющими контроль за использованием земель, допускается сня­ тие плодородного слоя почвы в зимних условиях.

При выполнении работ по снятию плодородного слоя поч­ вы в зимнее время года рекомендуется мерзлый плодородный