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

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 3 6 4 - объектов в условиях Севера

значение расчетных показателей физико-механических (прочно­ стных) свойств грунтов. Причины потери устойчивости откосов известны. Анализ факторов, определяющих устойчивость отко­ сов обвалования магистральных газопроводов, позволяет сде­ лать очень важный вывод - существующий порядок проектиро­ вания и устройства обвалования магистральных газопроводов не учитывает вероятностное изменение свойств грунтов в откосах в период их существования.

Расчеты устойчивости призм обвалования для всех видов прокладок при различных характеристиках мерзлых грунтов показали, что во всех случаях коэффициент устойчивости отко­ сов составлял более 1. Это значит, что призмы обвалования ма­ гистральных газопроводов должны служить много лет. Но это не так, потому что устойчивость зависит от прочностных харак­ теристик грунта, от высоты откоса призмы обвалования, от влажности и степени влажности грунта, которые не учитывают­ ся в расчетах при проектировании призм обвалования.

Материалы мониторинга магистральных газопроводов За­ полярное месторождение - Новый Уренгой позволяют опреде­ лить пути решения проблемы обвалования магистральных газо­ проводов в условиях мерзлых грунтов:

проектирование и сооружение обвалования магистральных газопроводов следует вести на расчетной основе и следует нау­ читься управлять прочностными характеристиками грунтов об­ валования на основе непрерывного мониторинга;

материал самой призмы обвалования должен быть не под­ вержен изменению свойств грунтов во времени под действием вероятностных изменений климатических и инженерно­ гидрологических условий, а основание призм обвалования должны рассчитываться по законам механики грунтов.

В настоящее время разработаны и уже применяются ООО

«Сургутгазпром» новые технологии устройства призм обвало­ вания, при которых материалом для балластировки и восстанов­ ления последних служат скальные грунты, заключенные в спе­ циальные шарнирно соединенные секции - габионные конст­ рукции.

16.7. Расчет свайных опор надземного трубопровода

Надземные трубопроводы могут прокладываться всюду, кроме заливных пойм, на которых есть ледоход. Трубы уклады­ ваются на отдельно стоящие опоры, расположенные с шагом 20 - 60 м (шаг зависит от диаметра трубы и определяется расче­ том). Опорой считается металлическая или железобетонная кон­ струкция, расположенная между трубой и фундаментом. Опоры могут быть в виде железобетонных плит, ригелей, рам и рамных конструкций. Конструкция опоры обычно предусматривает не­ большую регулировку высотного положения трубопровода. Вы­ соту опор над поверхностью земли принимают от 0,25 до 1,5 м (низкие опоры) и от 4,5 до 5,5 м и более (высокие опоры). Пер­ вые обычно располагают вне населенных мест, вторые - в насе­ ленных местах и на участках переходов через транспортные ма­ гистрали. Однако в практике известны случаи применения вы­ соких опор и более широко (например, Транс-Аляскинский неф­ тепровод). Опоры подразделяются на неподвижные (мертвые), продольноподвижные (перемещение только по оси трубопрово­ да), свободноподвижные (перемещение вдоль и поперек оси трубопровода) и качающиеся. Последние три вида опор устраи­ ваются для компенсации температурных деформаций труб, под­ вижность которых на этих опорах обеспечивается специальны­ ми скользящими, Катковыми, роликовыми и подвесными уст­ ройствами.

В качестве фундаментов под опоры применяют сваи и стол­ бы (заглубленные фундаменты), грунтовые призмы, деревянные ряжи, клетки и железобетонные короба, заполненные каменной наброской или грунтом (поверхностные фундаменты). Заглуб­ ленные фундаменты используются, в основном, для высоких опор, поверхностные - для низких.

На рис. 16.15 показаны основные виды опор и фундамен­ тов. Качающаяся рамная опора применяется лишь для трубо­ проводов диаметром меньше 400 мм, расположенных в основ­ ном в сейсмически опасных районах. Надземная прокладка тру­ бопроводов обязательно предусматривает компенсацию темпе­ ратурных деформаций труб. Для этого используется прямоли­ нейная прокладка труб с П-, Г- и Z-образными компенсацион­ ными контурами, зигзагообразная прокладка и прямолинейная прокладка с неравномерным шагом опор.

Прямолинейная прокладка с использованием компенсаци­ онных контуров (рис. 16.16, а) наиболее распространена. Рас­ стояние между контурами принимается 200 - 300 м. Контуры устраиваются из гнутых труб, которые изготовляют в процессе монтажа трубопровода. Компенсации не должны мешать снеж­ ные отложения, поэтому трубы в пределах контура укладывают­ ся выше поверхности максимально возможных снежных отло­ жений. Мертвые опоры располагаются в середине прямолиней­ ного участка, продольноподвижные - между мертвыми опорами и компенсационными контурами, свободноподвижные - в пре­ делах компенсационного контура.

Зигзагообразная прокладка (рис. 16.16, б) по сравнению с прямолинейной дает увеличение длины трассы на 2%. Угол зиг­ зага в плане принимают 23°, длину плеча - от 120 до 180 м. По­ ворот выполняют из гнутых вхолодную труб с радиусом 30 м. Мертвые опоры располагают в середине плеча, свободнопо­ движные - на углах поворота и один-два пролета за ними, про­ дольноподвижные - между мертвыми опорами и свободнопо­ движными. Трубы укладывают выше поверхности максимально возможных снежных отложений.

Прямолинейная прокладка с неравномерным шагом опор (рис. 16.16, в) обеспечивает компенсацию температурных де­ формаций труб за счет разного знака прогиба труб в соседних пролетах. Для этого пролеты между опорами чередуются: за ма­ лым пролетом следует большой и наоборот. Отношение длины большого пролета к малому принимают равным двум. При та­ ком способе прокладки число опор увеличивается на 30%.

Первым существенным преимуществом надземной про­ кладки по сравнению с остальными является доступность тру­ бопровода осмотру и проведению профилактических работ, что

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых -368- объектов в условиях Севера

снижает вероятность аварий, а при их появлении - затраты вре­ мени на ликвидацию.

Вторым малая зависимость от мерзлотно-геологических условий, поскольку трубопровод не оказывает прямого теплово­ го воздействия на ММП, а трубопровод на высоких опорах - и косвенного. Это также снижает вероятность появления аварий.

Кроме того, надземный трубопровод не препятствует есте­ ственному стоку поверхностных вод, а трубопровод на высоких опорах - и миграции диких животных.

К недостаткам надземной прокладки можно отнести ее вы­ сокую стоимость, уязвимость при внешних ударных воздейст­ виях, большие разрушения конструкций (газопроводы) и загряз­ нения окружающей среды (нефтепроводы) при авариях.

Поскольку надежность эксплуатации трубопроводов в су­ ровых климатических условиях Севера и удаленности трасс час­ то является определяющей при выборе способа их прокладки, то, несмотря на существенные недостатки, надземные трубо­ проводы могут оказаться предпочтительнее остальных. Об этом свидетельствуют известные в практике случаи, когда после мно­ гочисленных аварий подземная прокладка трубопроводов заме­ нялась на надземную.

При надземной схеме трубопровод укладывается на свай­

ные опоры, заглубляемые в мерзлый грунт на глубину hcg. В

этом случае взаимодействия трубопровода с грунтом, как меха­ ническое, так и тепловое, полностью исключены. Трубопровод является лишь нагрузкой на сваи, и расчет его устойчивости на мерзлом грунте сводится по существу к расчету устойчивости свай, к которым приложены вертикальные и горизонтальные нагрузки

Поскольку тепловое воздействие труб на грунт при надзем­ ной схеме исключается, то мерзлый грунт претерпевает лишь те изменения, которые характерны для него, в естественном со­ стоянии. Поэтому применение надземной схемы возможно на любых типах мерзлых грунтов. Но это не значит, что она явля­ ется самой лучшей и применение ее полностью решает пробле­ му прокладки магистральных трубопроводов в условиях мерз­ лого грунта. Дело в том, что надземная схема порождает ряд проблем, касающихся обеспечения надежной работы трубопро­ вода, уложенного на опоры.

Расчет свайных опор надземного трубопровода производит­ ся на действие вертикальных и горизонтальных нагрузок и сил пучения.

Вертикальные нагрузки образуются весом трубопровода, продукта, снега и гололеда.

Горизонтальные - давлением ветра. Целью расчета является установление количества свай в опоре и глубины их погружения в грунт. Вычисления начинают с проверки расчетного пролета трубопровода между опорами, который должен быть не более некоторой критической величины, далее следуют проверки ус­ тойчивости фундамента на действие вертикальных и горизон­ тальных нагрузок и сил пучения.

Проверка расчетного пропета трубопровода. Расстояния

бе, Па; P pi v - радиус упругого изгиба трубы в вертикальной

плоскости, м; qv - вертикальная нагрузка на 1 м трубопровода,

Н/м, определяется по формуле (16.64).

т

(16.63)

К К е

где т,кх,кге - то же, что и в формуле (16.16); <7^ - предел

текучести стали, Па.

Я, = Яpi + qins+ 0,95q pr + 0 ,9 ( q sn + q ice) , (16.64)

где Яsnу Яice ‘ нагрузки на 1 м трубы от снега и гололеда,

Н/м, остальные обозначения даны выше.

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых -3 7 0 - объектов в условиях Севера

(16.65)

^=1,77-104М „ . ’’

где Ps„,bjce нормативная нагрузка от снега (Па) и толщина

льда (мм), определяемые по СНиП 2.01.02-85.

Проверка устойчивости свайного фундамента на действие вертикальной нагрузки заключается в контроле выполнения предельного условия (СНиП 2.02.04-88):

где Fv - вертикальная нагрузка на одну сваю, Н; Fu - не­

сущая способность сваи, Н; уп - коэффициент надежности по

грунту равный 1,4.

где п - число свай в опоре, L - расстояние между опорами трубопровода, м.

где Ар - площадь поперечного сечения сваи, м2; ир - пе­

риметр сваи, м; / - глубина погружения сваи в грунт, м; 1р

длина изгибаемого участка сваи, расположенного в грунте, на ММП сливающегося типа определяется по формуле (16.68), м; R - расчетное давление на мерзлый грунт, определяемое по табл. 1 приложения 2 СНиП 2.02.04-88 в зависимости от расчет­ ной температуры Т2, Па; Raj - расчетное сопротивление мерз­

лого фунта сдвигу по поверхности смерзания, определяемое по табл. 3 приложения 2 СНИП 2.02.04-88 в зависимости от рас­

четной температуры Те, Па.