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

ции резервуаров, особенностей их теплового режима и механи­ ческого взаимодействия с промерзающими и оттаивающими грунтами.

При строительстве резервуаров на мёрзлых грунтах исполь­ зуются два основных принципа:

принцип I предусматривает сохранение грунтов в мерзлом состоянии как в процессе самого строительства, так и на протя­ жении всего заданного периода эксплуатации сооружения;

принцип П предусматривает использование мерзлых грун­ тов в оттаявшем состоянии, причем такое оттаивание возможно как в период эксплуатации сооружения, так и до начала строи­ тельства. В последнем случае осуществляют искусственное от­ таивание мерзлых грунтов на расчетную глубину.

Выбор того или иного принципа использования мерзлых грунтов в основаниях резервуаров, а также выбор средств, с по­ мощью которых достигается предусмотренное состояние грун­ тов, определяется, главным образом, условиями площадки строительства с учетом стоимости, материалоемкости, энерго­ емкости и продолжительности строительства. Поэтому при вы­ боре принципа использования мерзлых грунтов особое значение приобретают технико-экономические расчеты, связанные с оп­ ределением не только стоимости строительства, но и затрат на обеспечение надежности выбранного принципа на протяжении всего периода эксплуатации сооружения. При этом на всей вы­ бранной строительной площадке должен быть предусмотрен один и тот же принцип использования мерзлых грунтов.

Основным принципом использования мерзлых грунтов в качестве оснований резервуаров следует считать принцип I, так как предварительное оттаивание грунтов на глубину сжимаемой толщи оказывается малоэффективным как с экономической, так и с технической точки зрения. До настоящего времени в практи­ ке строительства использовались в основном две конструкции фундаментов, обеспечивающих сохранение мерзлых грунтов в природном состоянии: свайные фундаменты и фундаменты в виде железобетонной плиты с вентиляционными каналами. В последние годы проходит экспериментальную проверкую Еще один способ возведения резервуаров на мерзлых грунтах, свя­ занный с использованием изолирующих песчаных подушек, обеспечивающих сохранение мерзлого состояния грунтов в ос­

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 3 9 2 - объектов в условиях Севера

нованиях резервуаров на протяжении всего периода эксплуата­ ции.

При строительстве резервуаров на мерзлых грунтах по принципу I наиболее распространенным типом фундаментов является свайный. Этому способствует несколько обстоя­ тельств. Во-первых, практикой строительства накоплен большой опыт применения свайных фундаментов в районах распростра­ нения мерзлых грунтов. К настоящему времени построено и ус­ пешно эксплуатируется огромное число промышленных и граж­ данских сооружений, в том числе и сооружений, эксплуатация которых связана с выделением большого количества теплоты. Во-вторых, использование свайных фундаментов позволяет практически полностью механизировать работы по их возведе­ нию, что в немалой степени способствует широкому распро­ странению свай в районах с ограниченными трудовыми ресур­ сами. И, наконец, в-третьих, в строительных нормах указано, что основным типом фундаментов при использовании мерзлых грунтов как оснований по принципу I должны предусматривать­ ся свайные фундаменты. Такое требование норм, хотя и отража­ ет современное состояние дел в строительстве, не может спо­ собствовать творческому развитию фундаментостроения и во многом ограничивает инициативу создания новых конструкций фундаментов.

Принципы проектирования свайных фундаментов на мерз­ лых грунтах практически те же, что и в талых грунтах. Основ­ ные отличия состоят лишь в том, что в мерзлых грунтах свай­ ные фундаменты всегда возводятся с высоким ростверком, что обеспечивает вентиляцию пространства между ростверком и грунтом что обеспечивает изоляцию мерзлого грунта от воздей­ ствия положительных температур со стороны хранимого в ре­ зервуарах продукта. Второе отличие состоит в способах погру­ жения свай.

Все виды свай должны прорезать слой сезонного оттаива­ ния и заглубляться в мерзлый грунт на такую глубину, при ко­ торой будет обеспечена требуемая несущая способность свай. В соответствии с действующими нормативными документами не­ сущая способность основания вертикально нагруженной сваи может быть определена либо расчетом с использованием табу­ лированных значений расчетных сопротивлений мерзлого грун­

та под нижним концом сваи и по ее боковой поверхности, либо по результатам испытаний свай вдавливающей статической на­ грузкой.

Расстояния между отдельными сваями в фундаменте и рас­ стояние между поверхностью грунта и низом ростверка назна­ чают исходя из обеспечения требуемого температурного режи­ ма, обеспечивающего предусмотренную проектом температуру мерзлого грунта. Среднегодовую температуру в вентилируемом пространстве между ростверком и грунтом вычисляют в соот­ ветствии с требованиями нормативных документов. Высота проветриваемой зоны зависит не только от размеров фундамен­ та в плане, но и в не меньшей степени от других факторов, таких как среднегодовая скорость ветрового потока в районе строи­ тельства, теплопроводность материала ростверка, плотность за­ стройки резервуарного парка, толщина снежного покрова и т. п.

Как видно, применение свайных фундаментов позволяет довольно просто решить вопрос о сохранении мерзлого состоя­ ния грунтов в процессе эксплуатации резервуаров. Однако эта простота достигается слишком большой ценой - повышенным расходом бетона и металла, значительными затратами трудовых ресурсов и высокой общей стоимостью фундаментов. Поэтому до настоящего времени продолжается поиск экономически и технически выгодных конструкций фундаментов резервуаров, возводимых на мерзлых грунтах.

Искусственное охлаждение мерзлых грунтов в основаниях резервуаров

Одним из путей повышения эффективности строительства резервуаров на мерзлых грунтах является использование охлаж­ дающих установок для сохранения мерзлого состояния грунтов в основаниях. Технологические особенности строительства ре­ зервуаров позволяют решить эти задачи без существенных за­ трат на устройство охлаждающих систем. Практикой строитель­ ства на мерзлых грунтах выработано несколько приемов, позво­ ляющих искусственным путем поддерживать требуемую отри­ цательную температуру грунта и даже понизить ее в тех случа­ ях, когда это необходимо. Применительно к строительству ре­ зервуаров наиболее эффективным способом является примене­ ние саморегулирующих охлаждающих устройств, с помощью

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 3 9 4 - объектов в условиях Севера

которых за счет циркуляции газа или жидкости осуществляется искусственное охлаждение грунта и создаются температурные заслоны, предохраняющие мерзлый грунт от воздействия поло­ жительных температур хранимого в резервуарах продукта.

Рис. 16.19. Прокладка охлаждающих труб в песчаной подушке 1 - резервуар; 2 - подушка; 3 - охлаждающие трубы; 4 - грунт

Трубы охлаждающих установок укладывают, как правило, в пределах грунтовых подушек, устраиваемых непосредственно под резервуарами (рис. 16.19). Расстояние от днища резервуара до охлаждающих труб составляет обычно 2/3 высоты подушки. Трубы располагаются в направлении север-юг, и охлаждающие установки следует располагать в теневой стороне резервуара для обеспечения более благоприятных условий охлаждения жидко­ сти, используемой в качестве носителя холода. Обычно для это­ го используется керосин. Большую часть года конвективная циркуляция керосина в охлаждающей системе происходит за счет его охлаждения наружным воздухом. Однако для повыше­ ния эффективности охлаждения, особенно в период с положи­

тельными температурами воздуха, такая система охлаждения позволяет использовать и принудительную циркуляцию за счет использования электрических холодильных установок.

Предложенная система предохранения мерзлых грунтов от оттаивания под воздействием положительных температур хра­ нимого в резервуаре продукта оказывается весьма эффективной, поскольку позволяет полностью автоматизировать процесс под­ держания необходимой температуры мерзлого грунта. В осно­ ваниях резервуаров устанавливают температурные датчики, по сигналам которых происходит автоматическое включение охла­ ждающих установок при изменениях температуры мерзлого грунта. Такая автоматизация позволяет свести к минимуму рас­ ход энергии, затрачиваемой на охлаждение, и обеспечивает на­ дежное сохранение мерзлого состояния грунта на протяжении всего периода эксплуатации резервуаров.

Кроме своей основной функции охлаждающие трубы в ос­ новании резервуаров служат в качестве элементов, армирующих грунтовую подушку. Для повышения армирующего эффекта труб системы охлаждения целесообразно предусматривать ук­ ладку по ним дополнительных армирующих элементов, распо­ ложенных в перпендикулярных направлениях и образующих сетчатую армирующую конструкцию. Для обеспечения совме­ стной работы охлаждающих труб с дополнительными арми­ рующими элементами в местах пересечения следует предусмат­ ривать их надежное соединение друг с другом с помощью вин­ товых хомутов или других устройств.

Несмотря на кажущуюся простоту, такая конструкция ос­ нования оказывается весьма надежной с точки зрения обеспече­ ния эксплуатационной надежности оснований резервуаров. Она имеет и достаточно высокую экономическую эффективность, поскольку для устройства всей охлаждающей системы могут быть использованы трубы из синтетических материалов, обла­ дающие не только высокими механическими параметрами, но и хорошей стойкостью к воздействию агрессивных сред. Приме­ нение описанной конструкции основания позволяет полностью исключить расход металла и бетона на устройство оснований и фундаментов под резервуары и достичь высоких технико­ экономических показателей.

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 3 9 6 - объектов в условиях Севера

Рассмотренные способы строительства резервуаров в боль­ шей или меньшей степени применяются в практике и обеспечи­ вают надежную эксплуатацию резервуаров, построенных по принципу I использования мерзлых грунтов. Однако при этом требуются дополнительные затраты на строительство, особенно в случае применения свайных фундаментов.

Поиски путей повышения эффективности строительства ре­ зервуаров на мерзлых грунтах вынудили инженеров обратиться к опыту строительства таких линейных сооружений, как авто­ мобильные и железные дороги. Особенностью этих сооружений является отсутствие каких-либо фундаментов и возведение на­ сыпи непосредственно на мерзло грунте. Основной вопрос, ко­ торый возникает при отсыпке насыпей на мерзлый грунт, это скорость оттаивания мерзлого грунта под насыпью в летний пе­ риод года. Главной причиной, приводящей к оттаиванию грунта под насыпями линейных сооружений, является солнечная ра­ диация. Применительно к основаниям резервуаров, возводимых на песчаных насыпях, эта причина не является главной, по­ скольку резервуар препятствует непосредственному прогреву основания лучами солнца. В то же время высокая температура продукта, поступающего в резервуар, создает благоприятные условия для проникания теплоты в основание оттаивания мерз­ лого грунта. Последствия такого оттаивания имеют, как прави­ ло, катастрофический характер, о чем свидетельствует печаль­ ный опыт строительства сооружений на песчаных подушках как у нас в стане, так и за рубежом. Вместе с тем способы возведе­ ния песчаных подушек позволяют полностью предохранить расположенный под ними мерзлый грунт от оттаивания и от­ крывают большие возможности для использования такого мето­ да в резервуаростроении.

Для успешного применения песчаных подушек при строи­ тельстве резервуаров по принципу I использования мерзлых грунтов целесообразно рассмотреть опыт применения таких по­ душек и оценить их достоинства и недостатки. Анализ опыта строительства на мерзлых грунтах позволил определить основ­ ные факторы. Влияющие на эффективность использования пес­ чаных насыпей и подушек. Знание этих факторов позволит пра­ вильно использовать песчаные подушки в основаниях резервуа­ ров, обеспечит сохранение мерзлого состояния грунтов на про­

тяжении всего периода эксплуатации резервуаров и уменьшит вероятность развития неравномерных осадок.

Основные факторы, влияющие на глубину оттаивания мерзлых грунтов под резервуаром

Влияние ориентации площадок снежного покрова и ветра. Ориентация площадок строительства резервуарных парков по отношению к сторонам света имеет большое значение для со­ хранения мерзлого состояния грунтов, поскольку разные части этих площадок по-разному подвергаются воздействию солнеч­ ной радиации, снежного покрова и ветра. Наряду с теплотой, поступающей в грунт от хранимого в резервуаре продукта, ос­ новную роль в оттаивании мерзлых грунтов играет теплота сол­ нечной радиации. По мере продвижения строительства на север угол падения солнечных лучей уменьшается и возникает суще­ ственное различие в количествах теплоты, поступающей в грунт с солнечной и теневой сторон резервуара. С этой точки зрения целесообразно площадки строительства ориентировать в мери­ диональном направлении с тем, чтобы уменьшить вероятность прогрева солнечными лучами оснований резервуаров.

Опыт показывает, что после возведения насыпей возникает довольно значительная разница в температурах грунта между участками площадки, расположенными с наветренной и подвет­ ренной сторон. Причем это различие в температурах вызвано не только дополнительным охлаждением грунта с наветренной стороны резервуаров, но также и концентрацией снежного по­ крова с подветренной стороны. Совместное воздействие этих двух факторов приводит к различному охлаждению и оттаива­ нию мерзлых слоев грунта с противоположных сторон резер­ вуаров, что в конечном счете приводит к развитию неравномер­ ных осадок грунта и кренов резервуаров. Исходя из этого при выборе площадок строительства и решении вопросов размеще­ ния резервуаров необходимо принимать во внимание господ­ ствующие направления ветров в районе строительства и распо­ лагать резервуары таким образом, чтобы их ряды были ориенти­ рованы вдоль направлений основного ветрового потока.

Хорошо известно, что возведение насыпей под резервуары в значительной мере изменяет существовавшие условия стока поверхностных вод и приводит к их скоплению на отдельных

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 3 9 8 - объектов в условиях Севера

участках площадки строительства. При отсутствии дренажа та­ лые воды проникают в тело песчаных подушек и создают благо­ приятные условия для оттаивания мерзлых грунтов в основани­ ях резервуаров, что в свою очередь, приводит к развитию до­ полнительных осадок. В связи с этим на площадках резервуар­ ных парков должны быть предусмотрены хорошо организован­ ные системы сброса талых поверхностных вод и эффективные системы дренажа, предохраняющие основания резервуаров от оттаивания в результате движения воды. Кроме того, необходи­ мо принимать эффективные меры, обеспечивающие функцио­ нирование дренажных систем на протяжении всего периода по­ ложительных температур воздуха. В зимний период площадки резервуарных парков должны систематически очищаться от скоплений снега.

Влияние толщины и материала подушек. Как показывают обследования насыпей, возведенных в районах распространения мерзлых грунтов, толщина насыпей оказывает существенное влияние на глубину оттаивания.

При определенной толщине подушек, на которых возведе­ ны резервуары, обеспечивается хорошая изоляции мерзлого грунта от воздействия положительных температур и его состоя­ ние остается стабильным. В отдельных случаях наблюдается даже подъем уровня мерзлого грунта выше его природного по­ ложения. Если к тому же будут приняты меры по теплоизоляции подушек с южной стороны, вероятность оттаивания мерзлого грунта под действием солнечной радиации будет практически полностью исключена.

При толщине песчаных подушек менее 1,5 м их теплоизо­ лирующие свойства оказываются недостаточными для предо­ хранения мерзлых грунтов от оттаивания как под действием солнечных лучей, так и под действием потока тепла со стороны хранимого в резервуарах продукта. Наблюдения показывают, что при такой высоте подушек невозможно обеспечить стабиль­ ность положения верхней границы мерзлого грунта, и эксплуа­ тация резервуаров в этих условиях неизбежно связана с боль­ шими деформациями в результате неравномерных осадок при оттаивании грунта в основаниях. Однако отсюда вовсе не следу­ ет, что чем больше толщина подушки, тем устойчивее положе­ ние уровня мерзлого грунта под ней. Исследования показали

[18], что при большой толщине насыпей наблюдается неравно­ мерное оттаивание мерзлого грунта. Объясняется это тем, что высокие насыпи и подушки большой толщины являются хоро­ шими аккумуляторами теплоты. Прогреваясь под воздействием солнечных лучей, насыпи создают благоприятные условия для оттаивания мерзлого грунта под ними и приводят к увеличению глубины оттаивания.

В период с отрицательными температурами воздуха такие насыпи предохраняют грунт от проникания холода. Длительные наблюдения за насыпями позволили установить, что оттаявший грунт не успевает полностью замерзнуть в зимний период, и по­ этому зона оттаивания проникает все глубже и глубже. По­ скольку этот процесс происходит неравномерно в пределах на­ сыпи, наблюдаются значительные неравномерные осадки резер­ вуаров, возведенных на подушках большой толщины. Практи­ кой установлена оптимальная толщина подушек под резервуа­ рами, равная 2 - 3 м. При такой толщине создаются оптималь­ ные условия для сохранения мерзлого состояния грунтов в ос­ нованиях резервуаров.

Существенную роль в сохранении мерзлого состояния грунтов в основаниях резервуаров играет также и материал, из которого устроены подушки, так как разные материалы имеют различную теплопроводность. Например, при устройстве поду­ шек из суглинистых или супесчаных грунтов их плотность ока­ зывается достаточно высокой, а поры, большей частью замкну­ тые, не имеют связи друг с другом. Передача теплоты в этом случае происходит от одних частиц грунта к другим, а замкну­ тые поры играют роль теплоизоляторов. В результате скорость теплового потока в таких подушках оказывается невысокой.

В тех случаях, когда для устройства подушек под резервуа­ ры используются крупные пески или гравийно-песчаные смеси, пористость таких подушек оказывается высокой. Перенос теп­ лоты в таких подушках происходит не только за счет контактов между частицами, но и за счет конвективного движения воздуха в порах. В результате тепловой поток проникает на большую глубину и способствует интенсивному оттаиванию мерзлого грунта. Наблюдения за опытными насыпями показали, что в на­ сыпях из крупных песков оттаивание происходит со скоростью 1-1,5 м в месяц, в то время как в насыпях из супесчаного грунта

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 4 0 0 - объектов в условиях Севера

эта скорость составляет лишь 0,4-0,8 м в месяц. Средняя темпе­ ратура в пределах супесчаной насыпи также оказывается намно­ го ниже, чем в насыпях, возведенных из крупного песка.

Использование супесчаных материалов для устройства по­ душек под резервуары предпочтительнее также для предохране­ ния мерзлых грунтов от воздействия талых вод и атмосферных осадков. Использование крупных песков в этом случае способ­ ствует фильтрации воды под насыпями и приводит к более глу­ бокому оттаиванию мерзлых грунтов. Таким образом, при вы­ боре материала для устройства подушек под резервуары необ­ ходимо выбирать те из них, которые обеспечивают более плот­ ную укладку и обладают меньшими фильтрационными свойст­ вами. При использовании местных грунтов они должны быть полностью оттаявшими и иметь оптимальную влажность. Для этого грунты должны укладываться в промежуточные карьеры с таким расчетом, чтобы в летний период года они полностью от­ таяли под действием тепловой радиации солнечных лучей, а из­ быток влаги ликвидировался за счет естественной фильтрации.

Теплоизоляция оснований резервуаров

Опыт строительства песчаных насыпей на мерзлых грунтах показывает, что насыпи не могут полностью обеспечить сохра­ нение мерзлого состояния грунтов в основаниях резервуаров и всегда существует опасность развития неравномерных осадок в период эксплуатации. С учетом этого было предложено исполь­ зовать насыпи совместно с дополнительным теплоизолирующим слоем, уложенным в тело песчаной подушки. В большинстве случаев для этого могут быть использованы синтетические теп­ лоизолирующие материалы, изготовленные в виде плит различ­ ной толщины с заданными теплоизолирующими свойствами. Плиты, уложенные в тело грунтовой подушки, будут не только предохранять основание резервуара от теплового потока со сто­ роны хранимого продукта, но и выполнять роль арматуры, по­ вышая тем самым устойчивость не только самой подушки, но и основания в целом. Песчаная насыпь с теплоизолятором оказы­ вается особенно эффективной в малоосвоенных районах аркти­ ческой зоны страны, поскольку ее реализация не требует дос­ тавки на площадку строительства, тяжелой техники и большого количества железобетонных изделий.