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

2. Разработка мерзлых грунтов - неотъемлемая часть нефтегазового строительства	-41-
в условиях Севера

Углы внутреннего и внешнего трения при разработке вечномерзлых грунтов являются характеристикой коэффициен­ тов трения грунта.

Коэффициенты трения грунта по грунту/ внешнего трения разрыхленного грунта по грунту/> и внешнего трения грунта по металлу / зависят от льдистости (влажности) и температуры грунта, состояния поверхностей трения, давления, скорости процесса и других факторов. Для процессов рыхления вечно­ мерзлых грунтов важны значения коэффициентов внешнего трения грунта по стали и по грунту, определяемые при полной влажности грунта в значительном диапазоне отрицательных температур (табл. 2.1). С понижением температуры грунта до - 40°С коэффициент внешнего трения грунта по грунту для всех разновидностей грунтов уменьшается. Больший коэффици­ ент внешнего трения имеют глинистые грунты, меньший - пес­ чаные.

Т а б л и ц а 2. 1 Коэффициенты внешнего трения разрыхленного грунта

по грунту/ Р и грунта по стали / внутреннего трения грунта по грунту/j для вечно мерзлых грунтов разной температуры

Коэффициент	Темпера-			Грунт
трения	тура, ЬС	Песча­		Супесча­	Сугли­	Глинис­
	более 0	ный		ный	нистый	тый
		0,60-0,75			0,75-0,85	0,85-0,95
	-1	0,50-		0,51	0,65	0,62
/р	-10	0,45	"	0,50	0,58	0,61
	-20	0,42		0,39	0,56	0,60
	-40	0,40		0,30	0,55	0,59
	более 0		0,45-0,50		0,50-0,60	0,60-0,70
/	-1		0,23-0,26		0,28-0,36	0,35-0,45
	-10	0,47	|	0,50	0,53	0,62
/.	более 0		0,50-0,80		0,40-0,55	0,25-0,42
	-1		0,40-0,45		0,60-0,70	0,45-0,55

При разработке вечномерзлых грунтов отмечены процессы «сухого» и «жидкостного» трения вследствие таяния льдацемента на контакте рабочий орган —• грунт. В результате дав­ ления со стороны рабочего органа на поверхности грунта обра­ зуется водяная пленка, выполняющая роль смазки и уменьшаю­

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых -42- объектов в условиях Севера

щая силу трения. Эта жидкостная смазка появляется не только под действием давления, но и в результате теплоты, выделяю­ щейся при разрушении грунта и нагревании рабочего органа.

Основными показателями теплофизических свойств грун­ тов являются объемная теплоемкость, коэффициенты теплопро­ водности и температуропроводимости.

Объемная теплоемкость талых грунтов выше, чем мерз­ лых, в 1,2 - 1,5 раза при одинаковой влажности, что объясняется приблизительно в 2 меньшей раза теплоемкостью льда по срав­ нению с теплоемкостью воды. Большие значения теплоемкости имеют грунты с большей плотностью р твердой фазы. Объемная теплоемкость глинистых грунтов изменяется в пределах (1,7 - 3,5) 106Дж/(м3К) при изменении относительной влажности от 0,2 до 0,35.

Коэффициент теплопроводности Вт/(мК) - это отношение количества теплоты, перенесенного через изотермическую по­ верхность д к градиенту температуры |grad Т|.

Коэффициент теплопроводности мерзлых глинистых грун­ тов больше коэффициента теплопроводности талых грунтов в 1,05 - 1,5 раза. По абсолютному значению коэффициент тепло­ проводности супесчаных грунтов в среднем на 15 % больше ко­ эффициента теплопроводности суглинистых и глинистых грун­ тов, а коэффициент теплопроводности песчаного грунта больше коэффициента теплопроводности супесчаного.

Коэффициент теплопроводности возрастает с увеличением влажности грунта, так как вода, заполняющая поры и вытес­ няющая из них воздух, обладает большим коэффициентом теп­ лопроводности, чем воздух. В мерзлых грунтах большая часть воды переходит в лед, коэффициент теплопроводности которого равен 2,33 Вт/(мК), т. е. в 4 раза больше, чем у воды. Коэффици­ ент теплопроводности при влажности W > 0,2 для мерзлых гли­ нистых грунтов составляет 1,2 - 2,0 Вт/(мК), а для песчаных при W > 0,15 изменяется в пределах 1,5-3 Вт/(мК).

Коэффициент температуропроводности (м2/с) - это отно­ шение коэффициента теплопроводности грунта к его объемной теплоемкости.

Коэффициент температуропроводности мерзлого грунта мало зависит от отрицательной температуры грунта [28]. С воз­ растанием влажности грунта до полной влагоемкости коэффи­

2. Разработка мерзлых грунтов - неотъемлемая часть нефтегазового строительства	-43-
в условиях Севера

циент тшпературопроводности имеет следующие значения: для супесчаных грунтов при W = 0,2...0,3 и я=7,4-10'7 м2/с для гли­ нистых грунтов при W =0,25...0,35. При дальнейшем увеличе­ нии влажности коэффициент температуропроводности мерзлых глинистых грунтов уменьшается. Указанная закономерность характерна и для талых и для мерзлых глинистых грунтов. Для песчаных грунтов максимум при влажности до W =0,25 не уста­ новлен. Коэффициент температуропроводности песчаных грун­ тов в отличие от глинистых существенно зависит от плотности грунта. Коэффициент температуропроводности мерзлых грунтов в среднем в 1,4 раза больше коэффициента температуропровод­ ности талых.

При расчетах теплофизических условий зоны разрушения вечномерзлых грунтов рабочими органами землеройных машин используют теплофизический параметр, представляющий со­ бой отношение коэффициентов температуропроводности и теп­ лопроводности грунта [(м2К)/(Вт-с0 5)].

Коэффициенты теплопроводности и температуропроводно­ сти материалов рабочих органов изменяются в пределах 23 - 40 Вт/(м-К) и (50 - 80) 10"7 м2/с, т. е. в среднем в 20 и 10 раз больше соответствующих коэффициентов мёрзлых грунтов. По­ этому распространение теплоты, выделяющейся на рабочем оборудовании при разработке грунта, будет более интенсивным в сторону рабочего органа. Для сталей температуры нагревания влияют на коэффициент теплопроводности. В расчетах реко­ мендуется принимать значение теплофизических параметров сталей средними независимо от температуры нагревания [43].

2.5. Классификация вечномерзлых грунтов по трудно­ сти разработки

Существует три системы группировки грунтов по трудно­ сти разработки.

Первая система используется для нормирования параметров землеройных машин в процессе их конструирования и эксплуа­ тации по числу ударов плотномера С.

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

По второй системе талые грунты разделены на шесть групп, а мерзлые - на четыре группы для определения норм времени и расценок при выполнении земляных работ.

Третья система разделения грунтов основана на скорости прохождения упругих волн через грунт, измеряемой сейсмогра­ фом: 1500 - 2000 м/с для мягких и плотных грунтов; 2500 м/с и более для полускальных грунтов и 6000 - 7000 м/с для скальных грунтов. При этом грунты, имеющие скорости упругой волны до 3000 м/с, эффективно разрабатываются рыхлителями статиче­ ского действия.

Категорию вечномерзлых грунтов как разрабатываемого материала, наиболее просто и надежно определяют по числу ударов С плотномера.

По ГОСТ 17343-83 сезонно-мерзлые грунты по числу уда­ ров динамического плотномера конструкции ДорНИИ разделя­ ют на четыре категории: V - 35...70 ударов, VI - 70 - 140 ударов, VII - 140 - 280 ударов и VIII - 280 - 560 ударов. Установлено, что в вечномерзлых грунтах число С достигает 650 - 700 ударов при температуре воздуха - 40°С и ниже.

По шкале определения категории трудности разработки (табл. 2.2) вечномерзлые и сезонно-мерзлые грунты разделяют на шесть категорий с V до X, причем наибольшее число ударов С достигает 700. Разработанная шкала дает наименование раз­ новидности грунта и его состояние в момент разработки (талое, сезонно-мерзлое, сезонно-талое и вечномерзлое). Сыпучемерз­ лые грунты независимо от температуры относят к V категории.

Сезонно-мерзлые грунты в зимний период года имеют кате­ горию от V до VII—VIII. Вечномерзлые и сезонноталые грунты в зимний период года соответствуют V—X категориям трудно­ сти разработки. В шкале учитывается возрастание категории трудности разработки сезонно-талых грунтов в летнее время года в результате прилипания грунта к рабочим органам земле­ ройных машин.

При отсутствии на строительной площадке динамического плотномера конструкции ДорНИИ категорию трудности разра­ ботки грунта определяют по температуре окружающего воздуха и влажности грунта, используя специальные шкалы для различ­ ных грунтов.

2. Разработка мерзлых грунтов - неотъемлемая часть нефтегазового строительства	-4 5 -
в условиях Севера

Т а б л и ц а 2.2

Шкала трудности разработки грунтов землеройными машинами по числу ударов С динамического плотномера

конструкции ДорНИИ

				Талое, сезонно­
				талое, сезонно­		Вечномерзлое, сезонно-мерзлое,
	Состояние			мерзлое отта­		сезонно-талое замерзшее
				явшее
	грунта					сыпуче	пластич­	твердо
				песча­	глинис­			мерзлый
						мерзлый,	номерзлый
				ный	тый	песчаный	глинистый	глини­
								стый
				менее
			I		-	-	-	-
	1О н			4
			II		5-8		-
				-		-		-
	О	1
			III	-	9-15	-	-	-
	к	g	IV		16-34	-
	5 &			-			-	. : -
	& в		V	-	-	35-70	35-70
	§	5	VI	-	-	-	70-140	70-140
	(Ё.Ч2		VII	-	-	-	-	141-280
	о	S
	С	о<	VIII	-	-	-	-	281-420
	Й		IX	-	-	-	-	421-560
	и
			X	-	-	-	-	561-700

По этим шкалам можно определить категорию только по­ верхностных слоев грунта, так как температура воздуха условно принимается равной температуре грунта. Это допущение пра­ вомочно для незначительной глубины (до 0,3 м).

При проходке скважин для устройства свай в вечномерзлых грунтах в качестве комплексного технологического показателя используют коэффициент крепости М. М. Протодьяконова, оп­ ределяемый по формулеf=RJ 10. За единицу крепости /= 1 при­ нят крепкий талый глинистый грунт, предел прочности которого i?e=10 МПа. На основании этого показателя разработаны шкалы со значениями крепости до 20 и более, по которым определяют категорию буримых грунтов и горных пород. При ударном бу­ рении скважин в вечномерзлых грунтах и скальных породах ис­

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых -46“ объектов в условиях Севера

пользуют отепление забоя буровым шламом и долота с увели­ ченным диаметром до 0,5 - 0,8 м. Кроме того, возникает необхо­ димость бурения скальных пород при устройстве свай-стоек и др. Эти особенности учтены в классификации грунтов при удар­ ном бурении для последующей установки свай буроопускным способом [42]. Коэффициент крепости характеризует сопротив­ ляемость разрушению и изменяется от 0,5 для рыхлых песчаных грунтов I категории до 20 и более для крепчайших горных пород VII категории. Сезонно-мерзлые и вечномерзлые грунты отно­ сятся к III - IV категориям и имеют коэффициент крепости от 1 до 6.

2.6. Природа прочности мерзлых грунтов

Изнашивание режущего инструмента рабочих органов зем­ леройных машин определяется, с одной стороны, прочностью разработки мерзлых грунтов, а с другой - состоянием рабочих органов машин. Известно, что мерзлые грунты состоят из мине­ рального скелета, льда, незамерзшей воды и газов. Все эти ком­ поненты оказывают влияние на механические свойства грунтов, а значит, на их прочность. Повышение прочности грунта при его замерзании объясняется тем, что его минеральные частицы при отрицательной температуре цементируются льдом и рыхлая структура превращается в сплошное твердое тело. Чем больше грунтовой влага перешло в лед, тем прочнее грунт. Основным параметром, определяющим прочностные свойства мерзлых дисперсных пород, является его льдистость J - отношение массы льда к массе воды, содержащейся в грунте.

Цементация льдом не меняет главных первичных структур­ ных признаков грунтов. В зависимости от степени заполнения пор различают лед-цемент четырех типов:

контактный - расположен только в местах контакта частиц скелета;

пленочный - облегает поверхность частиц сплошь, не запол­ няя значительной части пор;

поровый - заполняет поры целиком; базалътный - образует основную массу породы, в которой

погружены разобщенные частицы скелета.

2. Разработка мерзлых грунтовнеотъемлемая часть нефтегазового строительства	-47-
в условиях Севера

Супеси

Суглинки

Глины

Пески

Категория трудности разработки

	| у |		V/	|				W			|		y ill			\	IX		|	к
	35 70		140				210			280		350			420		490	560		С.удар
w=20%				-5					-10				-15		-20		-30		10	-50
				\					\					t	H		I		____ i________
	-5					------- 1-----r								J		1*
w=25%			■ Ц					-15 -20						-30 -40
																l
w=30%	-5 •10 -15					-20			-30		■40			-50
	i	1		>
						-20				-3(3				-40	-£iO
,w =10%		5	-10
"w=25%							-5				I	-15			-20	-30		-40		-50
										-113
						____ 1____ D							1	f	4		* ........*			>
w=20%						1			\		П				-3(3		i		)0
						-5		-10		-15			-20				-40
w=30%											I					ii
						-5		-10			-20			-30 -i40			-50
						___ i__ i___ i . ______ i										— i— |---------
w=15%						1		I ' M			П---------- 1—
						5 -10				-15 -20				-30		-40	-50
w=40%					Il
			-5	-1 0			-20 -30 -40						-50
		i	i		i			i		i	i	i
			l		1
W=10% -10-‘20-40 -50
pw=3Q%						-5 -10 -1 5 -2 0 -30 -iШ -50
						__1		t	1____1i_!__ i__i____■								\
						1					M		I	I	I
						-5 -10 -20 -30-40 -5 0
w=40%				j 5 -10					-20		-30 -40				-50
'w=2U%			i			__ i____i__ Li___ i___ *__
						■10		-20			1	t		i
			-5							-3I0 -40				-50
w=50%			-5	- 10				-20 -30 - m					-so
5%									-5 -10 -20 -30 -40 -50
								i	ti		^		.	%i \
w=20%		10-213 -40 -50
w=10%			10			20		-4 0 -5 0
w=5%	-5 -50

Рис. 2.10. Шкала для определения категории трудности разработки вечномерзлых грунтов по температуре и влажности

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых -4 8 “ объектов в условиях Севера

Исследованиями Г.П. Мазурова, З.А. Нерсесовой, Н.А. Цытовича и других установлено, что льдистость грунта, а значит, и его прочность, зависят, в основном от его гранулометрического состава, влажности и температуры (рис. 2.10).

Разрушение грунта при механической его разработке про­ исходит по граням частиц, слагающих грунт, т.к. прочность этих частиц много выше, чем прочность льда-цемента, поэтому важ­ ное значение приобретает размер частиц и плотность их укладки в породе. Чем меньше пористость грунта, тем выше его проч­ ность.

а

6

Рис.2.11. Зависимость сдвиговых напряжений от температуры а - по Ю.В.Ветрову, б - экспериментальные значения

Влажность грунта оказывает большое влияние на прочность мерзлых грунтов. Если влажность грунта небольшая, то льда, образовавшегося при замерзании поровой влаги, недостаточно для цементирования его в сплошной монолит. Если влажность превышает поровую влагоемкость грунта, то при замерзании образуются прослойки и линзы льда, снижающие прочность мо­ нолита.

2. Разработка мерзлых грунтов - неотъемлемая часть нефтегазового строительства	-49-
в условиях Севера

Известно, что показатели механической прочности и сопро­ тивления резанию грунтов имеют сложную и значимую зависи­ мость от температуры (рис.2.11). Форма этой зависимости была качественно определена Ю.А.Ветровым.

Из элементарных данных (рис. 2.12) видно, что с увеличе­ нием льдистости грунт становится прочнее, а с увеличением влажности сопротивление грунта уменьшается. Это видно по графику в области I.

Рис. 2.12. Изменение льдистости в грунте в зависимости от температуры 1 - песок (W=l 1 %), 2 - суглинок (W=27 %), 3 - глина (W=45 %)

Наряду с повышенной прочностью, мерзлые грунты обла­ дают повышенной абразивностью.

Грунт представляет собой неоднородную массу, частицы которой имеют различную прочность: известняк - 1500 - - 2000 МПа, гранит - 2000 - 8000 МПа. Наибольшей прочностью обладают зерна кварцевого песка - 8000 - 10000 МПа. Количе­ ство таких зерен в грунтах различно. Это и определяет абразив­

: Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых -50 - объектов в условиях Севера

ные свойства грунтов, а, следовательно - различную скорость изнашивания режущего инструмента.

Процесс износа происходит следующим образом: абразив­ ная частица, двигаясь по поверхности металла рабочих органов, срезает микростружку или оставляет царапину. Количество же таких взаимодействий за рабочий цикл определяет интенсив­ ность процесса износа рабочих органов. Так, например, отвал бульдозера за межремонтный цикл (3500 машиночасов) "теряет” около 700 кг веса. Это требует постоянного восстановления его первоначальных размеров и формы.

При замерзании грунта его изнашивающая способность по­ вышается, поскольку зерна минерального скелета закрепляются льдом и теряют способность к относительному перемещению. Прослойки льда, соединяющие зерна абразива, при температу­ ре -30 °С обладают микротвердостью до 7000 МПа, что соизме­ римо с твердостью зерен кварцевого песка. В результате иссле­ дований, проведенных в ВНИИстройдормаше, было определено, что снижение температуры грунта от +20°С до -10°С приводит к увеличению скорости изнашивания режущих кромок рабочих органов землеройных машин в 1,75 раза, а при дальнейшем снижении температуры до -40°С она увеличивается в 2,5-3 раза по сравнению с первоначальной.

По характеру воздействия на мерзлые грунты все сущест­ вующие методы их разупрочнения перед механическим разру­ шением разделим на три группы. Их сущность заключается в:

сохранении структурного и энергетического состояния грунта при изменении внешних условий (предохранение грунта от промерзания);

растеплении грунта вплоть до изменения агрегатного со­ стояния льда перед механическим нарушением его структуры (растепление, искусственное оттаивание);

нарушении структурного состояния грунта за счет прило­ жения к нему дополнительной энергии (разрыхление).

Первая и вторая группы методов исследованы наиболее полно, широко используются на практике, но не могут решить проблему ввиду большой протяженности линейных выемок в трубопроводом строительстве. В последнее время все большее внимание при исследованиях и конструкторских реализациях их результатов уделяют методам третьей группы, обеспечивающим