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

(16.70)

Те = (^о ~~Tbf}<X e + Tbf

где Т0 - температура ММП на глубине нулевых годовых теплооборотов, °С; Т у - температура начала замерзания грунта,

°С; &z ,CLe - безразмерные коэффициенты, определяемые по табл. 16.2 в зависимости от величины

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых -374- объектов в условиях Севера

(16.36), Н/м3; Еь - модуль упругости материала сваи, Па; / -

экваториальный момент инерции сечения сваи, м4; /0 - высота сваи над поверхностью земли, м; Fh - горизонтальная нагрузка на сваю, Н; AQ,B Q>C0 - безразмерные параметры, определяе­ мые по данным табл. 16.3; Al,Bl,Cl,Dl - безразмерные пара­

п

где q win - ветровая нагрузка на 1 м надземного трубопро­

вода, Н/м; L - расстояние методу опорами трубопровода, м; и - число свай в опоре

„N N

где qst ,q djr) - статическая и динамическая составляющая давления ветра, Па; d lns - диаметр надземного трубопровода вместе с кольцевой изоляцией, м.

^ = 0 , 7 5 qZCx '

(16.83)

= о , 8 5 ^ ; ’

16. Расчет и проектирование нефтегазовых объектов в условиях мерзлых грунтов - 3 7 5 -

где д 0 - нормативное давление ветра в районе строитель­

ства, определяется по СНиП 2.01.02-85; С х - безразмерный ко­

эффициент, определяется в зависимости от числа

Re = 0 ,8 4 5 ^ 7 ? » v„ - динамический коэффициент, завися­

щий от расстояния между опорами трубопровода L ; д - дина­

мический коэффициент, зависящий от статического давления ветра, расстояния между опорами, жесткости трубы и постоян­ ной вертикальной нагрузки на трубу, входным параметром ко­ торой служит величина

ер =3,62*10“4L2 Я « ( Ф * ) + Яш+<1Рг . (16.84)

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых -37 6 - объектов в условиях Севера

Т а б л и ц а 16.4 Значения параметров Aj, Bi, Сь D]

16.8. Применение СОУ при устройстве свайных фун­ даментов в условиях мерзлых грунтов

Освоение нефтегазовых месторождений в районах распро­ странения вечномерзлых грунтов (Юбилейное, Южно-Русское, Заполярное и др.) связано с факторами, существенно снижаю­ щими эффективность свайных фундаментов. Это сложные мерз­ лотно-грунтовые условия площадок строительства: чередование; талых и мерзлых грунтов по площади и глубине, наличие сла­ бых пластично-мерзлых и льдистых грунтов, большая пучинистость грунтов, как деятельного слоя, так и подстилающих веч­ номерзлых грунтов.

Однако единственным способом, обеспечивающим необхо­ димую несущую способность и надежность оснований, служит применение свайных фундаментов при строительстве по прин­ ципу I. При этом необходимо согласно требованиям СНиП 2.02.04-88 предварительно (до начала строительства), а в ряде

случаев и в процессе строительства (при соответствующем рас­ четном обосновании) проморозить и охладить до расчетных температур талые и пластичномерзлые участки грунтов. Промо­ раживание и охлаждение грунтов (термостабилизация) могут проводиться с использованием различных методов охлаждения и их комбинаций. Наибольшее распространение в практике неф­ тегазового строительства для промораживания или охлаждения грунтов оснований сооружений в настоящее время получили вертикальные охлаждающие термоустановки (СОУ) парожидко­ стного типа - термостабилизаторы малого диаметра - (28-54) мм.

Основными конструктивными элементами парожидкостных СОУ являются испаритель, конденсатор, гибкая связь (в случае ее наличия), запорно-зарядная арматура.

Испаритель является грунтовым теплообменником, в кото­ ром происходит испарение жидкостного теплоносителя с отбо­ ром тепла из окружающего массива грунта. Он представляет собой трубу с заглушенным плоским или конусным торцом, по­ груженную в грунт на глубину, определяемую глубиной замо­ раживаемого или охлаждаемого массива грунта.

Конденсатор является воздушным теплообменником, в ко­ тором происходит переход теплоносителя из парообразного со­ стояния в жидкое с отдачей тепла окружающему воздуху. В простейшем случае испаритель и конденсатор представляют со­ бой одну трубу с оребрением надземной части (конденсатора), либо две трубы различного диаметра, расположенные коаксиально друг другу. В ряде случаев (например, при малой высоте подполья) конденсатор располагается, в стороне от испарителя и соединяется с ним гибкой связью. При конструировании кон­ денсаторов стремятся к развитию их поверхности, что достига­ ется их оребрением. Самым простым в технологическом отно­ шении является вертикальное оребрение, но оно приводит к не­ равномерному теплообмену при обдувании конденсатора возду­ хом, поэтому его применение целесообразно в районах со сред­ ней скоростью воздуха в активный период не более 4 м/с. Гори­ зонтальное оребрение несколько сложнее в изготовлении, но обеспечивает более равномерный теплосъем с поверхности кон­ денсатора. Возможно также использование в качестве конденса­ торов серийных ребристых труб, выпускаемых для холодильной промышленности, оребрение которых выполняют по винтовой

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

спирали.

Трубы испарителя и конденсатора выполняются как сталь­ ными (сталь 20,09Г2С, нержавеющая сталь), так и из алюминие­ вых сплавов, например, АД-31, что позволяет использовать СОУ в коррозионно-опасных засоленных грунтах, криопэгах и воде; Гидроизоляция стальных СОУ выполняется, как правило, би­ тумной грунтовкой в два слоя и лентой ПХВ-БК в два слоя. Оребрение СОу бывает как стальным, так и алюминиевым.

Наиболее распространенными теплоносителями для СОУ в настоящее время являются аммиак, хладоны (фреоны) 12 и 22, а также углекислота. Наибольшей величиной коэффициента теп­ лоотдачи обладает аммиак.

Обобщенным теплофизическим показателем эффективно­ сти конструкций СОУ является и как правило принимается в

теплотехнических расчетах (Хэф - эффективный коэффициент

теплоотдачи, Вт/(м2-°С) от грунта к наружному воздуху, что по­ зволяет от сложной сопряженной задачи теплообмена в системе наружный воздух - СОУ - грунт перейти к несопряженной за­ даче теплопроводности в грунте, с граничным условием Ш рода

на контакте СОУ - грунт при известных значениях (Х3ф и Тд,

где Тд - температура наружного воздуха (или температура воз­

духа в вентилируемом подполье). В общем случае ОСЭф слож­

ным образом зависит от скорости ветра, конструкции, материала и соотношения площадей конденсатора и испарителя, вида теп­ лоносителя и др.

В настоящее время в нефтегазовом строительстве в основ­ ном применяются термостабилизаторы (СОУ) малого диаметра конструкции следующих организаций:

ФГУП «Фундаментпроект»,

ООО«ВНИИГАЗ» - АОЗТ «Интер-Хит-Пайп»,

ОООНПО «Фундаментстройаркос»,

ООО«Олина»

Основные технико-экономические показатели СОУ малого диаметра, изготавливаемых указанными производителями, при­ ведены в работе [46].

/Теплотехническиерасчеты оснований свайных фундаментов с учетом теплового влияния системы СОУ

Указанные расчеты проводятся для оптимизации месторас­ положения, конструкции и количества СОУ, а также с целью прогноза изменения температурного режима грунтов оснований и их несущей способности с учетом календарных сроков и тех­ нологии устройства подсыпки, свайного поля системы СОУ и подполья. Расчеты, как правило, проводятся численными мето­ дами и сводятся к решению нелинейного уравнения нестацио­ нарной теплопроводности в грунте [46] в трехмерной постанов­ ке задачи.

В расчетах учитываются:

начальное распределение температур грунтов основания по глубине и площади в соответствии с данными инженерно­ геологических изысканий;

граничные условия на дневной поверхности грунта (сред­ немесячные значения температуры и скорости воздуха, терми­ ческие сопротивления снега и растительного покрова - с учетом данных ближайших метеостанций) до устройства перекрытия над вентилируемым подпольем, после этого среднемесячные значения температуры и скорости воздуха в подполье (по рас­ четным или опытным данным);

тепловыделения при погружении свай и теплообмен систе­ мы СОУ с грунтом. При этом СОУ рассматриваются как верти­ кальные цилиндрические источники тепла, на контакте которых с грунтом принимаются граничные условия III рода с эффектив­

ным коэффициентом теплоотдачи С,ОУ (ХЭф (в общем случае

характеризуется со среднемесячными значениями температур

наружного воздуха Тв или воздуха в подполье Тп в качестве граничных условий. Допускается принимать ОСэф — c o n s t (по

паспортным данным СОУ) в активный осеннее - зимний период (для большинства СОУ - с октября по март включительно) и

ССэф = О в пассивный период работы СОУ (с апреля по сентябрь

включительно). Расчеты сводились к решению нелинейного уравнения нестационарной теплопроводности в грунте. Конечно - разностное решение трехмерного уравнения теплопроводно­ сти в грунте выполнено компьютерным моделированием по

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 3 8 0 - объектов в условиях Севера

специально разработанным в НИИОСП им. Н.М.Герсеванова программам, позволяющим предоставлять результаты расчетов, как в привычном табличном виде, так и в разнообразной и весь­ ма информативной и наглядной графической форме.

Основные положения по проектированию и устройству термостабилизации грунтов оснований свайных фундаментов с помощью систем СОУ следующие.

Согласно положениям СНиП 2.02.04-88, при строительстве по принципу I на высокотемпературных мерзлых грунтах сли­ вающегося и несливающегося типа наряду с устройством венти­ лируемых подполий зданий как главного средства сохранения мерзлого состояния грунтов в их основании должны обязатель­ но предусматриваться меры по предварительному (до загружения фундаментов) понижению начальной температуры грунтов и промораживанию талых зон в основании сооружений (в дан­ ном случае с помощью систем СОУ). Это позволяет:

значительно со1фатить сроки передачи на сваи проектных нагрузок;

исключить выпучивание фундаментов в связи с многолет­ ним промерзанием грунтов в их основании под охлаждающим воздействием вентилируемого подполья здания или других тех­ ногенных факторов;

уменьшить глубину погружения свай и повысить их рас­ четную несущую способность.

В общей сложности все это позволяет существенно сокра­ тить стоимость, материалоемкость и сроки возведения свайных фундаментов и намного повысить уровень надежности их осно­ ваний.

Для промораживания талых зон и охлаждения пластично­ мерзлых грунтов рекомендуется применять термостабилизаторы (СОУ) малого диаметра. Основные параметры СОУ приведены в работе [46]. Выбор конкретной конструкции СОУ обосновы­ вается технико-экономическим расчетом с учетом мерзлотно­ грунтовых и климатических условий площадки строительства, конструкции и назначения проектируемого сооружения, сроков передачи на сваи проектных нагрузок и других влияющих фак­ торов. Как правило, СОУ должны располагаться вдоль продоль­ ных рядов фундаментов под несущие конструкции зданий кар­ касного типа с шагом до 2 м и возле каждого куста свай, а под