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

g/Разработка предварительно оттепленного грунта по принципу II

-16 1 -

иглы заполнена минеральным маслом. Такие иглы объединяют в группы по 20...40 шт. и присоединяют к сети переменного тока напряжением 220 В. Расход энергии составляет 10...20 кВт-ч/м3.

Глубинное оттаивание, осуществляемое токами высокой частоты с использованием специальных установок, не нашло распространения вследствие больших затрат энергии, сложно­ сти соблюдения правил безопасности и малой скорости оттаи­ вания.

Известны электромагнитные способы оттаивания, заклю­ чающиеся в том, что электромагнитные волны, создаваемые ге­ нераторами, передаются в грунт с помощью волноводов и излу­ чателей.

8.5. Оборудование для парового оттаивания грунта

Паровое оттаивание осуществляют путем подачи пара через металлические трубы, погружаемые в вечномерзлый грунт по мере его оттаивания под действием собственного веса, реже принудительно или вручную.

Оттаивание грунта паром осуществляют нагревателями от­ крытого типа, направляющими пар непосредственно в вечно­ мерзлый грунт, и закрытого типа в виде герметичных труб, на­ полненных паром. Нагреватели закрытого типа применяются редко, так как их необходимо погружать в предварительнопробуренные скважины.

Оборудование для оттаивация грунта паром включает ком­ плект паровых игл и наконечников, инвентарные подмости, рас­ пределители пара, составные паропроводы (разводящий и маги­ стральный) и источник пара.

Чем ниже температура вечномерзлого грунта и больше раз­ мер поперечного сечения сваи, тем большее число паровых игл необходимо использовать для оттаивания грунтов. Эффективное оттаивание песчаных грунтов под одну сваю обеспечивается блоком из трех-четырех паровых игл, а глинистых блоком из двух-трех паровых игл [22].

Паровые иглы изготовляют из цельнотянутой стальной тру­ бы с внутренним диаметром 25...40 мм. Они имеют длину до 9 м, что обеспечивает глубину пропаривания до 7...8 м. Нако-

1 Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых

~1 6 2 - объектов в условиях Севера

нечник крепят к трубе сваркой или резьбовым соединением (рис. 8.3). Назначение наконечника - увеличение скорости вы­ хода пара для ускорения оттаивания вечномерзлого грунта. В наконечнике сверлением выполняют каналы, ориентированные в стороны и вниз. Диаметр каналов 4...6 мм, а их число для од­ ного наконечника составляет 4...9 шт. Число каналов зависит от типа грунта и его температуры. Чем прочнее грунт, тем большее число каналов должен иметь наконечник.

Наконечник для оттаивания песчаных грунтов имеет систе­ му отверстий, расположенных под углом 40...50° и 130... 140° к оси трубы, что обеспечивает интенсификацию процесса оттаи­ вания. Угол заострения наконечников назначают в пределах 30.. .500.

Наконечник для оттаивания твердомерзлых глинистых грунтов имеет систему отверстий, расположенных под углом 30.. .400 к оси трубы. В нижней части эти наконечники имеют одно отверстие, совпадающее по направлению с осью трубы. Угол перехода от внутреннего диаметра трубы к осевому каналу наконечника составляет 20...300.

Рис. 8.3. Наконечник для оттаивания вечномерзлых грунтов паром

а - песчаных, б- глинистых, в - для допаривания грунта, г- шаблон

^Разработка предварительно отепленного грунта по принципу И

-1 6 3 -

Наконечник для допропаривания грунтов имеет систему боковых отверстий, расположенных под углом 90° к оси трубы, и одно отверстие по оси трубы. Для этого наконечника характе­ рен повышенный расход пара, поэтому для снижения сопротив­ лений внутри иглы переходная часть от внутреннего диаметра трубы к вертикальному выходному отверстию выполнена в виде конуса с углом 30...50°. Угол заострения наконечника 90°.

Наконечник-шаблон предназначен для определения разме­ ров оттаянной зоны. С помощью этого наконечника может быть осуществлено частичное допропаривание грунта. Пар, выходя из отверстий, расположенных на сгибах трубчатой металлокон­ струкции кубической формы, способствует нагреванию боковых стенок. Габаритный размер наконечника-шаблона равен 1,2 бо­ кового размера сваи при работе в глинистых грунтах и 1,3 раз­ мера при работе в песчаных грунтах.

Паровые иглы с помощью системы шлангов и паропрово­ дов соединяют с распределителем пара и паровым котлом.

Распределитель пара - цилиндр, имеющий диаметр, равный диаметру распределительного паропровода. На подводящем па­ ропроводе в месте его соединения с распределителем устанав­ ливают манометр для контроля уровня давления. С другой сто­ роны распределителя расположены штуцера с вентилями, кото­ рыми осуществляют регулирование расхода пара на каждую па­ ровую иглу и их включение и отключение. Число штуцеров за­ висит от мощности парового котла, но их должно быть не менее четырех на одном распределителе. На одну паровую иглу долж­ но приходиться не менее 3...4 м? нагреваемой поверхности кот­ ла. Распределители соединяют с источником пара паропрово­ дом, состоящим из стыкованных на фланцах водопроводных или газовых труб. Их диаметр подбирают из условия обеспече­ ния скорости движения пара не менее 30 м/с с учетом потерь на конденсатообразование. Паропровод в зимнее время года тепло­ изолируют для сокращения потерь теплоты.

Паропровод состоит из распределительной (на строитель­ ной площадке) и подводящей (от котла) линий. В месте стыков­ ки линий устанавливают вентиль для перекрытия подачи пара при переносе распределительных паропроводов по мере оттаи­ вания грунта.

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых 1 6 4 - объектов в условиях Севера

Паровые иглы для оттаивания грунта под одну сваю объе­ диняют в блок с помощью фиксатора положения. Блок паровых игл подвешивают на крюке самоходного гусеничного крана со­ ответствующей грузоподъемности и вылета стрелы. Над осью сваи устанавливают легкие переносные подмости (высотой до Зм), на которых имеется фиксатор взаимного расположения игл. По направляющим нижнего фиксатора паровые иглы свободно перемещаются вверх и вниз. Взаимное расположение игл опре­ деляется расстоянием между их центральными осями, которые подбирают в процессе оттаивания.

Рациональное давление пара зависит от вида вечномерзлого грунта и составляет 0,6...0,8 МПа для песчаных грунтов с граве- листо-галечниковыми включениями, 0,4...0,6 МПа для песчаных грунтов и 0,3 ...0,4 МПа для глинистых однородных грунтов. В песчаных грунтах в зоне годовых нулевых колебаний темпера­ туры -4,5°С талую зону для сваи сечением 40x40 см длиной 8 м получают за 2 - 3 ч при оттаивании тремя-четырьмя иглами, по­ гружаемыми непрерывно до проектной отметки [42]. Скорость оттаивания составляет около 3 м/ч.

Сваю устанавливают резким опусканием после подъема. Для облегчения погружения сваи в устье скважины подается горячая вода. Наибольшая производительность работ при уста­ новке свай в г. Якутск составляет 20... 25 свай в смену.

На продолжительность вмерзания сваи значительное влия­ ние оказывают температура вечномерзлого грунта, размеры от­ таянной зоны и время года производства работ. Время вмерза­ ния свай, установленных в период наибольшего оттаивания грунта, больше времени вмерзания свай, установленных в зим­ ний период.

Для ориентировочного определения сроков вмерзания свай (сут) в зависимости от средней на глубине температуры вечно­ мерзлого грунта t(°C ) можно использовать следующие зависи­

мости для свай, установленных в разный период года [42]: зимне-весенний

(8.8)

легне-осеннии

т =200/|/|.

(8 .9 )

8. Разработка предварительно оттепленного грунта по принципу II

-1 6 5 -

При средней температуре грунта в зоне заделки сваи -3°С

ее вмерзание происходит за 50...70 сут, при -2°С за 76...100 сут,

апри температуре -1°С за 150...200 сут. После окончания вмер­ зания свай, установленных опускным способом, на поверхности

грунта образуются провалы, которые необходимо засыпать. Эти работы целесообразно осуществлять до начала монтажа соору­ жения.

816. Комбинированные способы оттаивания

Эти способы основаны на сочетании разных методов оттаи­ вания вечномерзлых грунтов. Например, для ускорения оттаи­ вания вечномерзлого грунта используют дождевальное оттаива­ ние под покрытием из светопрозрачных пленок. Под этим по­ крытием прокладывают трубопроводы с разбрызгивателями. Покрытие способствует увеличению теплового радиационного потока на поверхности вечномерзлого грунта, а дождевание со­ вместно с дренированием - интенсификации конвективного пе­ реноса теплоты с поверхности в толщу вечномерзлого грунта.

Электрогидроигловое оттаивание заключается в использо­ вании гидроигл, одновременно являющихся электродами, фильтрационное оттаивание ускоряется благодаря оттаиванию электродами.

Взрывогидравлическое оттаивание осуществляется фильт­ рацией воды между питающей и приемной скважинами, созда­ ваемой в (результате глубинных взрывов ВВ в скважинах на расстоянии 5... 15 м друг относительно друга. Этот вид оттаива­ ния применим только для вечномерзлых грунтов, толщина кото­ рых не превышает 20...30 м, т. е. для зоны распространения пла­ стично-мерзлых грунтов (см. рис. 2.6). Глубина скважин назна­ чается несколько большей толщины вечномерзлых грунтов и должна достигать уровня талого хорошо фильтрующего воду грунта.

8.7.Образование и разработка сушенцев

Сушенцами называют рыхлые отложения на территории вечномерзлых грунтов, имеющие незначительное количество

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 1 6 6 - объектов в условиях Севера

влаги легко разрабатываемые в естественном состоянии даже а зимнее время года. К таким грунтам относятся гравийногалечниковые породы без глинистого заполнителя. Причина об­ разования сушенцев малая водоудерживающая способность крупнообломочных грунтов. В зимний период года естествен­ ные сушенцы эффективно разрабатываются отвалами бульдозе­ ров на базовом тракторе с тяговым усилием 100 кН [12]. Основ­ ным условием разработки сушенцев является их незначительная влажность, благодаря которой грунт в зимний период года явля­ ется сыпучемерзлым. На Таймыре сушенцы влажностью 4,.5% эффективно разрабатываются бульдозерами на гусеничных тя­ гачах тягового усилия 400 кН.

По всей территории вечномерзлых грунтов отмечается на­ личие локальных зон талого грунта (таликов). Образование этих зон вызвано действием грунтовых вод. Однако разработка зон талого грунта затруднена вследствие быстрого их промерзания в зимний период года при снятии верхнего естественного слоя грунта, служащего теплоизолятором. Задача эффективной обра­ ботки таких зон грунта сводится к созданию искусственных су­ шенцев за счет предварительного дренирования площадок и предохранению грунтов от промерзания. Дренирование осуще­ ствляют с помощью описанных выше способов фильтрационнодренажного оттаивания. Подготовку искусственных сушенцев осуществляют на гравийно-галечниковых грунтах с коэффици­ ентом фильтрации более 80 м/сут при содержании пылевато­ глинистых частиц не более 5% и частиц размером до 2 мм не более 30%.

Для предохранения оттаявшего слоя грунта от промерзания в верхней части в зимний период года используют термический и химический способы. Химический способ предохранения грунтов от промерзания называют засолением. С помощью это­ го способа можно снизить температуру замерзания грунтов бла­ годаря увеличению концентрации порового раствора. Расчетная концентрация раствора определяется минимально необходимой температурой замерзания грунта (°С) в следующих пределах: -25°С более 25...30%, -15°С - 20...30%, -10°С -Ю...25%, -5°С до 15%. Большие значения концентрации раствора назначают для грунтов с меньшей плотностью в сухом состоянии. По степени увеличения эффективности химические реагенты образуют ряд:

^ Разработка предварительно отепленного грунта по принципу II

-167-

нитрит натрия, нитрит кальция (СаЫ0з)г2Н20 , нитрат натрия (NaNO^+NaNCb), мочевинно-кальциевая селитра (€aN0j)2C0(NH2)3H20. Наибольшей эффективностью обладает нитрат кальция-мочевина (CaN03)24C0(NH)2. В условиях Чу­ котки при использовании химического способа (расход соли 10...15 кг/м3) обеспечивается сохранение пластических свойств мелкодисперсных грунтов при глубине, равной 1м [12]. Эффек­ тивность предохранения глинистых грунтов от промерзания по сравнению с песчаными значительно ниже, так как коэффици­ ент фильтрации глинистых грунтов мал. Соль растворяют в воде в подогреваемых баках, устанавливаемых в кузовах автомоби­ лей и снабженых насосными установками. Расход раствора на 1м2 площади песчаных грунтов, зависящий от их влажности и температуры [11], составляет 10...60 кг/м3. Затраты на химиче­ ское засоление грунта составляют 0,2... 0,4 руб/м3 при трудоем­ кости 0,3...0,4 чея-дн/м3.

Термический способ предохранения оттаявшего грунта от промерзания заключается в создании на поверхности термоизо­ ляционного слоя в виде пены. Пену, представляющую собой смесь воды, воздуха и поверхностно-активных веществ, изго­ товляют в специальных передвижных или самоходных установ­ ках. Получаемая пена перемещается пневмотранспортными средствами к месту укладки. Создана барботажная пеногенери­ рующая установка производительностью 10 м3/мин. Замерзшая пена имеет высокую пористость и удельную теплоемкость око­ ло 2,1 кДж/(кг°С). Плотность пены при температуре -40°С - со­ ставляет 60...80 кг/м3 а теплопроводность около 0,12 Вт/(м°С).

Эжекционная установка состоит из насосной и пеногенера­ торной установок и пеноукладчика, монтируемых на автомоби­ ле. Пеноукладчик, двигаясь вдоль площадки строительства, за первый проход наносит слой пены небольшой толщины J1...2 см). Необходимое условие эффективной работы - замерза­ ние этого слоя пены. Оно выполняется тогда, когда поверхность грунта имеет хотя бы незначительную отрицательную темпера­ туру. При последующих проходах слой наносимой пены резко увеличивают. Каждый слой последовательно замораживается.

Пеногенераторные установки ПГУ-1 и ПГУ-П, нашедшие применение на Кольском полуострове, состоят из растворных баков, смесительного устройства, компрессора и пенопроводов,

.	Механика меРзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых
-1 О о -	объектов в условиях Севера

смонтированных на автомобильном прицепе. Пена транспорти­ руется на расстояние до 40 м.

В процессе зимнего резкого понижения температур в верх­ нем слое грунта возникают растягивающие напряжения. Если интенсивность снижения температуры велика, то возникающие напряжения могут достигнуть предела сопротивления грунта на разрыв. В результате образуются морозобойные трещины. Ин­ тенсификация процесса морозобойного растрескивания достига­ ется предварительным нарезанием щелей и принудительным охлаждением вечномерзлого грунта установленными в них пло­ скими холодильниками или вентиляторами.

ВОПРОСЫ

1.Какие вам известны способы оттаивания грунта?

2.В чем заключаются преимущества и недостатки радиа­ ционного оттаивания грунтов?

3.В чем заключается принцип электроотаивания вечно­

мерзлых грунтов?

4.Какое предусмотрено оборудование для парового оттаи­ вания вечномерзлых грунтов?

5.Какие вам известны комбинированные способы оттаива­ ния вечномерзлых грунтов?

£Требования к эксплуатации машин для земляных работ в суровых	-1 6 9 -
ровнях вечномерзлых грунтов_______________________________

ТРЕБОВАНИЯ К ЭКСПЛУАТАЦИИ МА­ ШИН ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ В СУРО­ ВЫХ УСЛОВИЯХ ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ

9.1. Общие сведения

Для территории вечномерзлых грунтов характерны пони­ женная температура окружающего воздуха и вечномерзлого грунта (- 60 °С); продолжительный период отрицательных тем­ ператур воздуха (до 300 дней в году); положительная темпера­ тура поверхностных слоев грунта и воздуха (до 40 °С) в корот­ кий летний период года и др. Эти климатические факторы сле­ дует учитывать при изготовлении и эксплуатации машин в ус­ ловиях вечномерзлых грунтов.

Машины для земляных работ в условиях вечномерзлых грунтов должны обеспечивать работоспособность всех систем при температуре воздуха от + 40 до - 60°С благодаря примене­ нию в их конструкции специальных сталей и сплавов, топлив, резинотехнических, смазочных и других материалов.

Для предпускового разогрева беновного и пускового двига­ телей в конструкции машин предусматривают систему подогре­ ва, обеспечивающую подготовку дизеля к работе под нагрузкой в течение 1 ч при температуре воздуха - 60°С и систему под­ держания нормального теплового режима.

Пуск двигателя осуществляют электростартером, ручной пуск является резервным. В системе охлаждения можно исполь­ зовать антифриз и воду.

Ходовая система должна обеспечивать эксплуатацию зем­ леройной машины на вечномерзлых грунтах и скальных поро­ дах, так и на сезонно-талых грунтах. Гусеницы машин следует Оснащать грунтозацепами, а пневмоколеса - цепями противо­ скольжения.

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 1 7 0 - объектов в условиях Севера

Аккумулятор землеройной машины должен иметь повы­ шенную емкость и автономную систему обогрева или дополни­ тельно обогреваться от системы охлаждения дизеля. Аккумуля­ тор закрепляют в герметичном изолированном металлическом ящике, оборудованном отводным патрубком для удаления газов; Землеройную машину целесообразно оснащать генератором по­ вышенной мощности, штепсельными розетками дня внешнего источника тока и топливным баком повышенного объема, обес­ печивающим непрерывную двухсменную работу дизеля.

Обогреватель кабины землеройной машины должен рабо­ тать на том же топливе, что и двигатель. Лобовые стекла следу­ ет выполнять двойными. Угол обзора из кабины должен состав­ лять 180°, а площадь очистки стекол стеклоочистителями - 60% требуемого поля зрения [55].

Радиатор имеет утепляющий чехол, площадь открываемых; карманов которого составляет не менее 30% его поверхности.

Машины для земляных работ, эксплуатируемые в условиях; вечномерзлых грунтов, оснащают противотуманными фарами, усиленным звуковым сигналом и управляемым из кабины про­ жектором.

Территория вечномерзлых грунтов (см. рис. 2.6) представ-; лена арктической зоной преимущественного распространения вечномерзлых грунтов твердомерзлого состояния и более юж-- ными зонами вечномерзлых грунтов пластично-мерзлого сб-; стояния. Арктическая зона имеет температуры воздуха до - 60°С, а более южные зоны до - 45°С. Эти зоны объединяют по­ нятиями арктическая и зимняя зоны эксплуатации машин для земляных работ. Такое распределение зон эксплуатации прин­ ципиально, так как затраты на арктическую эксплуатацию ма­ шин для земляных работ при температуре воздуха -45°С...-60°С в 1,5...2 раза выше аналогичных затрат при эксплуатации этих машин в зимних условиях при температуре до -45°С. Этот фак­ тор следует учитывать при использовании технических жидко­ стей, которые разделяют на зимние и арктические сорта.