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

12.3. Данные, необходимые для расчета и порядок проектирования фундаментов по принципу I

В отличие от расчета и проектирования фундаментов на та­ лых грунтах, расчеты фундаментов в условиях мерзлых грунтов, проектируемых по принципу сохранения мерзлого состояния грунтов, требуют дополнительных характеристик, таких как:

глубина максимального летнего оттаивания грунтов ht в

проветриваемых зимой подпольях зданий и сооружений; глубина заложения фундаментов от уровня максимально

летнего оттаивания; максимальная температура на уровне глубины заложения

фундаментов (для определения значений расчетных сопротив­ лений) и температура толщи мерзлых грунтов на уровне нуле­ вых годовых теплооборотов (необходимая по СНиП для тепло­ технических расчетов);

теплофизические, механические и реологические свойства мерзлых грунтов данного гранулометрического состава, льдистости и величины отрицательной температуры.

Как отмечалось ранее, при расчете и проектировании фун­ даментов необходимо знать:

основные физические свойства мерзлых грунтов

(гуд>гЛм>К);

тепловые свойства мерзлых грунтов ( Xth, X j-, Cth, Сj , с'м ),

определяемые по физическим свойствам мерзлых грунтов и су­ ществующим таблицам (СНиП 2.02.04-88), позволяющие опре­ делять данные температуры, глубины протаивания, промерзания

С учетом количества незамерзшей воды при заданной отри­ цательной температуре 9 = -10°С по СНиП 2.02.04-88 объемная теплоемкость грунта в мерзлом состоянии равна

Механшса мерзлых грунтов н принципы строительства нефтегазовых - 2 1 2 - объектов в условиях Севера

™tot

где Cth и С у тепловые свойства мерзлых грунтов.

Порядок проектирования фундаментов по методу сохране­ ния мерзлого состояния грунтов оснований

Глубина заложения фундаментов, считая от уровня плани­ ровки (подсыпки или срезки), назначается с учетом требований СП 50-101-2004 [52] и принятого принципа использования веч­ номерзлых грунтов в качестве основания сооружения и должна проверяться расчетом по устойчивости фундаментов на дейст­ вие сил морозного пучения грунтов согласно указаниям СНиП 2.02.04-88.

При использовании вечномерзлых грунтов в качестве осно­ вания по принципу 1 минимальную глубину заложения фунда­

ментов d min необходимо принимать по табл. 12.1 в зависимости

от расчетной глубины сезонного оттаивания грунта d th, опре­

деляемой согласно обязательному приложению 3 СНиП 2.02.0488 [47].

При использовании вечномерзлых грунтов в качестве осно­ ваний сооружений по принципу I для сохранения мерзлого со­ стояния грунтов основания и обеспечения их расчетного тепло­ вого режима в проектах оснований и фундаментов следует пре­ дусматривать: устройство холодных (вентилируемых) подполий или холодных первых этажей, укладку в основании сооружения охлаждающих труб, каналов или применение вентилируемых

При ширине здания, во много раз превышающей глубииу деятельного слоя, пренебрегая теплопотерями в стороны, колй| чество тепла Q, выделяемое в грунт через пол здания (ккал/м2)) определяют по известному уравнению Фурье для устанавливаем мого движения тепла

где Г* - положительная температура внутри помещения, °G; То - расчетная среднегодовая температура мерзлой толщи, °С; t - время, час; R0- сопротивление теплопередаче перекрытия над подпольем, м2-ч-град/ккал.

Однако поток тепла от здания в грунт будет иметь место постоянно с различной интенсивностью в зависимости от разно­ сти температур 7* - Г0 и величины температурного сопротивле­ ния пола Д0. Тепло, поступающее в мерзлый грунт, будет изме­ нять температуру мерзлого грунта и формировать под подошвой здания чаши протаивания. Таким образом, только с помощью вентилируемого зимой подполья или другими способами можно обеспечить сохранение грунта в мерзлом состоянии.

12.4. Требования к материалам и изделиям при строи­ тельстве нефтегазовых объектов в условиях Севера

К конструкциям и материалам, используемым в особых ус­ ловиях Севера, предъявляются требования к маркам по прочно­ сти, морозостойкости и водонепроницаемости. При этом конст­ руктивные решения должны обеспечивать наименьшие затраты при монтаже, сведение к минимуму мокрых процессов, малый вес и пригодность деталей для перевозки в сложных транспорт­ ных условиях. Эти требования в наибольшей степени удается удовлетворить при применении современных эффективных ма­ териалов (алюминиевых сплавов, пластмасс, специально обра­ ботанных видов древесины, штампованных стальных настилов и др.). Однако в настоящее время еще широко используются тра­ диционные материалы - дерево, сталь, кирпич, бетон и железо­ бетон.

Марки каменных и бетонных материалов по морозостойко­ сти назначаются в зависимости от срока службы конструкции, который определяется классом сооружения по капитальности. Класс сооружения должен содержаться в заданиях на проекти­ рование.

Устанавливается степень долговечности основных конст­ руктивных элементов:

I класс - не ниже 1-ой степени долговечности (срок службы неменее 100 лет);

II и III классы - не ниже 2-ой степени долговечности (срок службы не менее 50 лет);

IV класс - не ниже 3-й степени долговечности (срок службыне менее 20 лег).

Проектные марки бетона по морозостойкости и водопрони­ цаемости несущих бетонных и железобетонных конструкций' зданий и сооружений, эксплуатируемых при расчетных темпе­ ратурах воздуха -40°С и ниже, принимаются по табл. 12.2, кро­ ме свай, для которых следует пользоваться данными табл. 12.3, составленной в соответствии с требованиями ГОСТ 19804-74 «Сваи забивные железобетонные квадратного сечения».

Для армирования железобетонных конструкций могут при­ меняться углеродистые арматурные стали.

Марки сталей для металлических конструкций в зависимо­ сти от расчетной температуры и группы, характеризующей от­ ветственность конструкций в условиях их эксплуатации, выби­ раются в соответствии с п.2 и приложенями 2 и 3 СНиП П-В.З- 72 «Стальные конструкции. Нормы проектирования».

За расчетную температуру наружного воздуха принимается средняя температура наиболее холодной пятидневки. Испыта­ ние свай по прочности производят в соответствии с ГОСТ 10180-67 и ГОСТ 10105-62, по морозостойкости - в соответст­ вии с ГОСТ 10060-62, по водонепроницаемости - в соответст­ вии с ГОСТ 4800-59.

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых -2 1 8 - объектов в условиях Севера

дежность трубопровода и его безаварийную работу.

Дня сохранения эксплуатационных параметров трубопро­ вода предусматривается защита рабочего трубопровода от поч­ венной коррозии в соответствии с ГОСТ Р51164-98 и другими нормативными документами. Защита представлена трехслой­ ным полимерным покрытием усиленного типа с повышенной морозостойкостью, предназначенного для применения в услови­ ях Крайнего Севера, толщиной не менее 3 мм на основе экстру­ дированного полиэтилена, наносимым в заводских условиях.

ВОПРОСЫ

1.Какими нормативными документами регламентированы принципы строительства на мерзлых грунтах?

2.Что следует отнести к особенностям нефтегазового строительства?

3.Как производится выбор принципа строительства на мерзлых грунтах?

4.Какие данные необходимы для расчета и проектировав ния сооружений по принципу I?

5.Какие дополнительные требования предъявляются к ма­ териалам при строительстве в условиях Севера?

МЕТОДЫ ТЕМПЕРАТУРНОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ ГРУНТОВ ОСНОВАНИЙ ЗДАНИЙ И СО­ ОРУЖЕНИЙ ПРИ СТРОИ­ ТЕЛЬСТВЕ В РАЙОНАХ РАС­ ПРОСТРАНЕНИЯ МНОГОЛЕТ­ НЕМЕРЗЛЫХ И ВЕЧНОМЕРЗ­ ЛЫХ ГРУНТОВ

13.1.Общие положения

Внастоящей главе излагаются результаты научных разра­ боток, натурных экспериментальных работ, опыта строительст­ ва современных систем управления тепловым режимом грунтов оснований зданий и сооружений в районах распространения многолетнемерзлых и вечномерзлых грунтов.

Сохранение мерзлого состояния грунтов в основаниях зда­ ний и сооружений является важнейшей задачей. При постоянно

положительной температуре Ты внутри помещений зданий или

сооружений и постоянно отрицательной температуре мерзлой

толщи Тт г , количество тепла, выделяемое полом здания, со­

гласно уравнению Фурье для установившегося режима, будет прямо пропорционально разности температур, обратно пропор­

циональна термическому сопротивлению пола R 0 и беспрерыв­

но растет с увеличением времени t , т.е. поток тепла будет не­ прерывным, что вызовет формирование чаши протаивания, не­ допустимое при строительстве по принципу I.

При увеличении термического сопротивления пола R0 по­

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 2 2 0 - объектов в условиях Севера

ток тепла уменьшится, но одной теплоизоляцией его нельзя со­ всем ликвидировать, так как устранить теплоизоляцию с терми­ ческим сопротивлением, большим 3 -5 м2-ч-град/ккал практиче­ ски невозможно.

Сохранить мерзлое состояние грунта можно применением либо фундаментов (свайных, столбчатых, опор-оболочек и пр.)* закладываемых ниже максимальной глубины установившейся чаши простаивания, либо специальных методов, позволяющих изменить условия теплообмена на поверхности мерзлого грунта.

Внастоящее время при строительстве сооружений пб прин­ ципу I наиболее эффективным путем обеспечения необходимых проектных прочностных характеристик основания является его замораживание и глубокое охлаждение различными техниче­ скими средствами. Эффективность и объемы применение таких средств напрямую зависят от обосновывающих их проектных решений.

Вглаве рассмотрены пути повышения надежности зданий и сооружений за счет обеспечения стабильности механических характеристик грунтов основания. Приведены обобщения нако­ пленных проектных и технических решений систем темпера­ турной стабилизации оснований с целью повышения их надеж­ ности в процессе строительства и эксплуатации, а также суще­ ствующие различные системы замораживания и охлаждения грунтов на площадках: до начала строительства, в процессе строительства и в период эксплуатации.

Приведены примеры теплофизических расчетов взаимодей­ ствия систем температурной стабилизации с грунтами основа­ ния. Методы расчета включают решение краевых задач уравне­ ний математических моделей системы атмосфера-сооружение- грунт.

13.2.Охлаждение грунтов оснований с поверхности

Один из методов - естественное охлаждение грунтового основания. Для этого зимой проводят систематическую уборку снега и мусора, а летом защищают поверхность грунта термо­ изоляцией. Длительность указанных мероприятий - два - четыре зимних сезона. Задача расчета естественного охлаждения осно­