Взаимодействие подземных трубопроводов с мерзлыми грунтами. Учебное пособие

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Тюменский индустриальный университет»

С. А. Пульников, Ю. С. Сысоев, Е. В. Марков

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПОДЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ С МЕРЗЛЫМИ ГРУНТАМИ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям

08.03.01 - Строительство и 21.03.01 - Нефтегазовое дело по курсам «Механика грунтов», «Основания и фундаменты», «Основания и фундаменты в условиях Севера»

Тюмень

ТИУ

2016

1

УДК [621.644.07+624.139.4](075.8) ББК 39.76я73

П 884

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор А. А. Тарасенко доктор технических наук, профессор В. А. Иванов

Пульников С. А. Взаимодействие подземных трубопроводов с П 884 мерзлыми грунтами: учебное пособие / С. А. Пульников,

Ю. С. Сысоев, Е. В. Марков. – Тюмень: ТИУ, 2016. – 86 с. ISBN 978-5-9961-1225-8

В учебном пособии рассматриваются физико-химические и реологические процессы, связанные с изменением фазового состояния поровой воды в мерзлых и промерзающих грунтах. Описываются процессы, приводящие к осадкам оттаивающих грунтов и процессы криогенной миграции влаги в промерзающих породах, сопровождающиеся сегрегационным льдовыделением и развитием процессов пучения. Предлагаются методики прогнозирования напряженно-деформированного состояния трубопровода при оттаивании просадочных многолетнемерзлых грунтов и промерзании пучинистых грунтов. Затронут вопрос оценки эксплуатационной надежности трубопроводов в сложных инженерно-геологических условиях.

Пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлениям 08.03.01 - Строительство и 21.03.01 - Нефтегазовое дело по курсам «Механика грунтов», «Основания и фундаменты», «Основания и фундаменты в условиях Севера», а также для магистрантов и аспирантов, занимающихся проблемами нефтегазового строительства в сложных инженерно-геологических условиях.

УДК [621.644.07+624.139.4](075.8) ББК39.76я73

3

ВВЕДЕНИЕ

Определяющим фактором эксплуатационной надежности трубопроводов является их взаимодействие с грунтовой средой. Процессы, протекающие в грунтах, имеют сложную динамику, которая обусловлена как климатическими, так и техногенными воздействиями.

Наиболее опасными для трубопроводов являются процессы, приводящие к коренному изменению структуры грунтов: промерзание или оттаивание. Это связано со способностью поровой влаги значительно изменяться в объеме при изменении фазового состояния, мигрировать в зону промерзания и способностью льда цементировать минеральные компоненты.

При оттаивании льдистых грунтов разрушается цементирующая основа, теряется несущая способность, происходит гравитационное расслоение компонентов и формирование вдольтрассовых рек и болот. Это приводит к осадкам пригруженныхтрубопроводовивсплытиюплохозакрепленных.

При замерзании грунтов, наоборот, происходит миграция влаги к фронту промерзания, где она, превращаясь в лед, увеличивается в объеме и вызывает вертикальные деформации морозного пучения трубопроводов.

Строгое математическое описание этих процессов затрудняется необходимостью учета дисперсности грунтовой среды. Один и тот же грунт, находясь в разных температурно-влажностных условиях и при различном характере нагружения, может хорошо описываться следующими моделями механики сплошных сред: упругая, упруго-пластическая, вязкоупругая, вязкая, теплопроводная, тепломассопроводная, диффузионная, фильтрационно-консолидационная. Переход от одной расчетной модели к другой требует учета специфических свойств грунтов и проведения уникальных лабораторных испытаний, характеризующих совместную работу трубопровода и грунта лишь в данных, конкретных, условиях. Этот факт находит своё отражение и в нормативной документации РФ, где не приводится строгих указаний по расчету трубопроводов в условиях динамичности фазовых состояний грунтов.

Однако, не смотря на всю сложность этих процессов, в результате многочисленных исследований, удалось выявить общие закономерности, которые позволяют упрощать расчеты, связанные с осадкой грунта при оттаивании и пучением грунта при обратном промерзании.

В данном учебном пособии мы рассмотрим основные положения, необходимые для оценки напряженно-деформированного состояния трубопроводов при прокладке в условиях многолетнемерзлых пучинистых и просадочных грунтов.

4

ГЛАВА 1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ

1.1. Распространениемноголетнемерзлыхгрунтов

На земном шаре многолетнемерзлые породы занимают около 25% суши иболее65% территорииРоссии(рис. 1.1).

Рис.1.1 – РаспространенностьмноголетнемерзлыхгрунтоввРоссии

Строение многолетнемерзлых толщ сложное. По вертикальному разрезу отмечаются как сплошные многолетнемерзлые слои, так и толщи, не сливающиеся с подошвой слоя сезонного промерзания, и слоистые толщи, разделенные талыми слоями (рис. 1.2). Мощность многолетнемерзлых толщ составляет от нескольких метров у южной границы их распространения до полутора километров в северо-восточных регионах.

В зависимости от характера распространения многолетнемерзлых пород по площади выделяются области сплошного, прерывистого и островного их развития. Сплошноераспространениемерзлыхпород характернодлясеверных районов. Однако и здесь под водоемами или в зонах интенсивных потоков подземных вод существуют талики, количество и площадь распространения которыхвозрастают ссеверанаюг.

Температурное поле и амплитуды колебаний температуры многолетнемерзлых пород по глубине имеют следующие характерные черты: в пределах слоя сезонного оттаивания в зависимости от времени температура меняется от

5

положительной до отрицательной. При этом амплитуда колебания температуры для слоя сезонного оттаивания тем больше, чем континентальнее район расположения многолетнемерзлых пород. Ниже слоя сезонного оттаивания температура грунтов, оставаясь отрицательной, меняется в течение года. На глубине около 10-25 м температура грунта перестает изменяться в течение года. Это глубина называется уровнем нулевой годовой амплитуды или изотермой нулевых годовых амплитуд. Глубина этого уровня зависит от континентальности и геологических условий района. В нормативных документах среднее значение принято равным 10 м. Температура на этой глубине принимается равной среднегодовой температуре грунта и является расчетной при определении глубины оттаивания, а также прогнозе температурного режима оснований сооружений и других тепловых расчетах. Проверять и уточнять глубину данной изотермы рекомендуется расчетным путем.

Рис.1.2 – Вертикальныйразрезтолщимноголетнемерзлыхпород внаправлениисюганасевер:

I - многолетнемерзлыетолщи; II - сезонномерзлыетолщи; 1аслойсезонногопромерзания; 1бслойсезонногооттаивания;

2 - современныесливающиесямерзлыетолщи;

3 - современныенесливающиесямерзлыетолщи; 4 - древниемерзлыетолщи(а- сливающиеся, б- несливающиеся);

5- сквозныеталики; 6- несквозные(«ложные») талики.

Ниже уровня нулевой годовой амплитуды обычно с глубиной отмечается постепенное повышение температуры, оно обусловлено влиянием геотермического градиента, равного ≈3°С на 100 м глубины. Следует отметить, что в нижней зоне толщи пород, имеющей отрицательную температуру, некоторый слой грунтов может находиться в талом состоянии ввиду большого давления, понижающего температуру кристаллизации. Этот - слой грунтов содержит только переохлажденную воду без кристаллов льда. Слои грунтов с переохлажденной водой могут формироваться также под влиянием понижения температуры замерзания грунтовой влаги, обусловленного содержанием растворимых солей. Солевые растворы с отрицательной температурой называются, по определению Н. И. Толстихина, криопэгами.

6

Таликовые зоны с отрицательной температурой, а также слой летнего оттаивания и глубина зимнего промерзания в районах многолетнемерзлых пород являются важными характеристиками многолетнемерзлой толщи. Это важные определяющие факторы при строительстве сооружений, а также выборе технологий для освоения северных регионов.

Следует отметить, что мерзлое состояние пород и их температурный режим не постоянны, а меняются одновременно с изменением уровня теплообмена на поверхности Земли, т.е. - с изменением климата. Причинами потепления и похолодания служат как внешние (космические), так и внутренние (земные) факторы(рис.1.3 и1.4).

39, 28

27, 85

Рис.1.3 – ПрогнознаяоценкаколичестваозериболотвЗападно-Сибирскомрегионе: 1 – заозеренность; 2 – доляозериболотвобщейплощадирегиона

Космические факторы определяют изменение количества солнечной радиации, поступающей к верхней границе атмосмоферы Земли (вхождение Солнца в пылевые скопление или выход из них, циклы изменения солнечной активности, повторяющиеся через 11, 22, 44 года). При анализе причин возникновения и эволюции мерзлых толщ учитываются также изменения параметров орбитыЗемли(эксцентриситет, наклоноси, скоростьвращения).

Внутренние (земные) причины, вызывающие изменения в развитии многолетнемерзлых горных пород, взаимосвязаны с изменениями в атмосфере, лито- и гидросфере, а также в недрах Земли, которые проявляются в снижении потока тепла из недр Земли, увеличении площади суши и дрейфа материков, изменениисодержанияватмосфереуглекислогогазаикислорода.

Перечисленные факторы влияют на климат Земли не однозначно и не мгновенно. Период их воздействия длительный и прослеживается в течение сотен, тысяч и даже миллионов лет.

7

1 2

м%

1

2

Рис.1.4 – ПрогнознаяоценкаразвитиямерзлотынаболотахвЗападно-Сибирскомрегионе: 1 – глубинамерзлоты; 2 – доляплощадимерзлотывданномтипеместности

Однако в настоящее время обострилась проблема возможности быстрого глобального потепления климата Земли за счет техногенного увеличения в атмосфере углекислого газа, который пропускает коротковолновое и активно поглощает длинноволновое радиоактивное излучение, создавая «парниковый эффект».

Результат прогнозов в этом направлении, по данным климатологов, географов, мерзлотоведов, неоднозначен, но некоторые из них показывают, что уже в ближайшие десятилетия среднегодовая температура воздуха может повыситься в северных регионах на 2-4 °С, что приведет к повышению температуры и, следовательно к оттаиванию многолетнемерзлых пород вдоль южной границы их распространения. Эти процессы в свою очередь повлекут просадки, обводнения, оползни, снижение несущей способности мерзлых грунтов как оснований сооружений и другие негативные явления.

Основными задачами инженерного мерзлотоведения являются прогноз негативных явлений и оценка устойчивости и долговечности существующих сооружений, разработка мероприятий и технологий закрепления грунтов оснований, а также рекомендации, которые необходимо учитывать при перспективном строительстве и хозяйственном освоении северных регионов. Эти работы не могут быть выполнены без учета закономерностей, раскрывающих физикомеханические свойства мерзлых грунтов, которые позволяют выполнять прогнозы формирования напряженно-деформированного состояния в широком диапазонетепловыхимеханическихнагрузокивремениихвоздействия.

8

КОНТРОЛЬНЫЕВОПРОСЫ

1.Какуютерриториюзанимаютмерзлыепороды?

2.Опишитехарактерраспространениямноголетнемерзлыхпород.

3.Какой может быть толщина многолетнемерзлых пород в зависимости отрегиона?

4.Чтотакоеглубинанулевойгодовойамплитудытемператур?

5.Чтотакоегеотермическийградиент?

6.Опишите климатические тенденции и их влияние на многолетнемерзлыепороды.

7.Вчемзаключаетсяосновнаязадачаинженерногомерзлотоведения?

1.2. Составистроениемерзлыхгрунтов

По агрегатному состоянию мерзлые грунты относятся к твердым телам. Однако по составу они являются многофазными, включая многообразные по физико-химическим и механическим свойствам компоненты, находящиеся в различном фазовом состоянии (твердом, пластичном, жидком, квазижидком, паро- и газообразном). Все компоненты мерзлых грунтов находятся в механическом, физическом и химическом взаимодействии, которое формирует физи- ко-механические свойства, обусловливающие поведение мерзлых грунтов при действии внешних нагрузок. В связи с этим мерзлые грунты необходимо рассматривать как сложную многофазную систему, включающую:

1.Твердыеминеральныечастицы.

2.Биогенные включения как растительного, так и животного происхождения.

3.Воду в связанном и свободном состояниях, которая может содержать растворенныесоли, кислоты, щелочи.

4.Идеально пластические включения льда (лед-цемент, обусловливающийсмерзаниечастицгрунта, иледпрослойков).

5.Газообразныекомпоненты(пары, газы).

Твердые минеральные частицы оказывают существенное влияние на механические свойства мерзлых грунтов. При этом существенное значение имеют размеры и форма частиц, их компоновка, а также минеральный состав частиц и состав поглощенных катионов. По размерам частиц и их относительному содержанию мерзлые грунты классифицируются, так же как и немерзлые на крупнообломочные, песчаные и глинистые грунты (пески, супеси, суглинки, глины).

Дисперсность минеральных частиц в мерзлых грунтах обусловливает физико-химические поверхностные процессы, интенсивность которых зависит от удельной поверхности и минерального состава. Удельная поверхность дисперсных грунтов может составлять от нескольких квадратных метров до нескольких сотен и даже тысяч квадратных метров на один грамм грунта. Например, в каолинитовой глине удельная поверхность частиц близка к 10 м2/г, а в монтмориллонитовой она составляет около 800 м2/г.

9

Одни минералы (кварц, полевой пшат) менее активно взаимодействуют с водой, другие (монтмориллонит, каолинит) - более активно, обладая значительной энергией химических связей с грунтовой влагой и льдом.

Существенное влияние на свойства мерзлых грунтов оказывает форма твердых минеральных частиц, которая в значительной мере определяет величину контактных усилий, передаваемых от внешней нагрузки. Как показано Н. А. Цытовичем и М. И. Сумгиным (1937), давления на контактах круглых песчаных зерен с плоской прослойкой льда равнялось ~1170∙105 Па, что в 585 раз превышало внешнее давление (2∙105 Па). При плоской форме минеральных частиц давление на их контакте практически равно внешнему.

Следует отметить, что высокое давление на остроугольных контактах минеральных частиц может привести к их разрушению, сдвигу частиц относительно друг друга, их быстрому уплотнению. В процессе такого уплотнения увеличивается площадь контактов между частицами и снижается напряжение. Однако возникновение высоких давлений изменяет структуру и текстуру, вызывает таяние льда в точках контакта, что в свою очередь влияет на характер деформирования.

Биогенные включения имеют меньшую прочность, чем минеральные частицы. Они обладают повышенной гидрофильностью, т.е. способностью удерживать значительное количество влаги. Мерзлые грунты с биогенными остатками имеют повышенную льдистость и содержат больше незамерзшей воды.

В связи с этим наличие биогенных включений в мерзлых грунтах приводит к снижению их прочности, проявлению вязких деформаций под нагрузками.

Вода в связанном и свободном состояниях имеет исключительное влияние на механические свойства мерзлых грунтов. Гравитационная вода цементирует при замерзании минеральные и биогенные частицы, увеличивая в десяткираз, прочностьивместестемобусловливаядлительнуюползучесть.

Вода характеризуется рядом аномальных свойств: при замерзании она увеличивается в объеме (в 1,09 раза при нормальных условиях), ее плотность имеетмаксимумпритемпературе4 °С.

Аномальные свойства воды обусловлены прочными водородными связями. По данным С. Я. Самойлова, в воде сохраняется льдоподобный каркас. При оттаивании льда разрывается всего около 12% связей, что вытекает из соотношения теплоты плавления и сублимации льда (0,334 кДж / 2,834 кДж). Остальные молекулы воды группируются в неустойчивые кристаллические образования, которые называют ассоциатами. Представление о воде, как о веществе с размытой кристаллической структурой позволяет объяснить её малую сжимаемость.

Гетерогенная теория фазового перехода вода-лёд также подразумевает существование размытой кристаллической структуры у воды (наличие неустойчивых ассоциатов). При понижении температуры воды до температуры начала замерзания ассоциаты служат естественными центрами кристаллизации. Однако не каждый ассоциат может сформировать полноцен-

10