Межпромысловый гозопровод

Таким образом, эксплуатационная надёжность трубопроводов зависит от того, как будут учтены особенности мёрзлых грунтов при оттаивании, повторном замерзании, вновь оттаивании и т.д.

 

2. Свойства пучинистых грунтов

 

К пучинистым грунтам относят пески мелкие и пылеватые, супеси, суглинки и глины, а также крупнообломочные грунты с содержанием в виде заполнителя частиц размером менее 0,1 мм в количестве более 30 вес. %, если они промерзают в условиях достаточного увлажнения или возможного притока вод по капиллярам.

К непучинистым грунтам относятся скальные, крупнообломочные с содержанием частиц грунта диаметром менее 0,1 мм меньше 30 вес. %, пески гравелистые, крупные и средней крупности.

Следует заметить, что подразделение  грунтов на пучинистые и непучинистые условно, так как один и тот  же грунт в одних условиях может  быть пучинистым, а в других —  непучинистым. Поэтому более правильно  говорить о пучинистом или непучинистом состоянии грунтов. В связи с  этим можно различать три состояния  грунтов по степени морозной пучинистости.

1.  Непучинистое, соответствующее случаю, когда при промерзании грунт в естественных условиях не увеличивается в объеме (V=const).

2.  Слабопучинистое, когда миграции влаги к фронту промерзания не происходит, а увеличение объема грунта развивается только за счет изменения объема воды, переходящей в лед (ΔV≤9%); при этом возможно даже некоторое отжатие воды от фронта промерзания. Увеличение объема грунта при замерзании в этом случае обычно не превышает 3%.                                                     

3.  Пучинистое, когда увеличение объема грунта развивается за счет миграции влаги к фронту промерзания и увеличения объема воды, переходящей в лед (ΔV > 9%). При пучинистом состоянии объем грунта часто увеличивается главным образом за счет повышения его влажности вследствие миграции воды из нижних слоев. Миграция воды в промерзающих грунтах происходит в парообразном и жидком состоянии каждый раз, когда нарушается равновесное состояние фаз грунта при изменении его температуры, влажности, давления и других факторов, приводящих к возникновению соответствующих градиентов. В результате миграции влаги в промерзающих грунтах образуются включения кристаллов льда в виде прослоек, линз, гнезд и т. п.

 В зависимости от характера включений льда, образовавшихся в грунте при его промерзании, различают следующие три текстуры мерзлого грунта.

1.  Массивная, характеризующаяся наличием только льда-цемента, т. е. кристаллов льда, относительно равномерно распределенных в порах грунта без заметного нарушения однородности. Массивная текстура образуется при непучинистом или слабопучинистом состоянии грунта. При ее образовании кристаллы льда либо совершенно не нарушают первоначального сложения грунта, либо лишь местами незначительно раздвигают минеральные частицы.

2.  Слоистая, сопровождающаяся включениями льда преимущественно в виде прослоек и линз различной мощности — от долей миллиметра до нескольких сантиметров. Эти включения при слоистой текстуре располагаются более или менее взаимно параллельно.

3.  Сетчатая, для которой также характерно наличие прослоек льда, но расположенных в виде пространственной сетки взаимно пересекающихся ледяных включений. При образовании одной из двух последних текстур резко нарушается первоначальное сложение грунта. Такие грунты при оттаивании уменьшаются в объеме за счет вытаивания включений льда и отжатия части образовавшейся при этом воды из пор грунта.

По пучинистости многолетнемерзлые  грунты и талые грунты при обратном промерзании подразделяются согласно ГОСТ 25100–95 (таблица Б.27) на: сильнопучинистые и чрезмернопучинистые – торфы, супеси пластичные и текучие, суглинки и глины мягкопластичные, текучепластичные, текучие; среднепучинистые - суглинки и глины тугопластичные; слабопучинистые - пески пылеватые, суглинки и глины полутвердые; практически непучинистые – пески мелкие, средней крупности и крупные, суглинки и глины твердые.

Интенсивность пучения грунтов  в  значительной степени зависит  от условий притока воды к фронту промерзания. Поэтому чем выше уровень грунтовых вод во время промерзания, тем более интенсивное пучение испытывают грунты. Если в мелких и пылеватых песках, а также в супесях положение уровня грунтовых вод может быть установлено по данным замеров в скважинах, то в суглинках и тем более в глинах такой метод далеко не всегда эффективен. Это объясняется тем, что они при отсутствии прослоев и гнезд хорошо фильтрующих грунтов (песок, супесь) и отсутствии трещиноватости практически не отдают воду в скважины и другие выработки. Следовательно, говорить о положении уровня грунтовых вод в глинах и суглинках не имеет смысла. Тем не менее они часто обладают значительной пучинистостью за счет миграции влаги по пленкам воды, окружающим твердые частицы грунта, и тонким капиллярам.

Исследованиями  установлено, что большее пучение проявляется  в тех грунтах, в составе которых  преобладают пылеватые частицы. Наличие в грунтовой воде водорастворимых  солей, таких, например, как хлористый  калий, магний, натрий, кальций и т. д., существенно понижает температуру начала замерзания грунта и приводит к резкому уменьшению его пучения при промерзании. Как показывают опыты, при температуре начала замерзания лишь часть воды, содержащейся в грунте, переходит в твердое состояние (лед). С понижением отрицательной температуры в глинах и суглинках в пределах интенсивных фазовых переходов все большее количество воды переходит в лед, вследствие чего такие грунты иногда продолжают увеличиваться в объеме (пучатся) [……].

Существенным фактором, влияющим на пучение грунта при промерзании, является его влажность. В грунтах  с высокой начальной влажностью наблюдается значительно большее пучение, чем в тех же грунтах, находящихся при прочих равных условиях, но обладающих меньшей начальной влажностью.

На пучение грунта влияет и скорость промерзания. При быстром промерзании может оказаться, что процесс миграции влаги к фронту промерзания хотя и возникнет, но не успеет развиться в полной мере. Поэтому пучение при быстром промерзании грунта оказывается обычно меньше, чем при медленном.

Кроме этих факторов большую  роль играют и условия промерзания: промерзает открытый и закрытый объем  грунта. Если система открытая и фронт промерзания распространяется от поверхности грунта вглубь, то происходит подток влаги к замерзающей части грунта из нижней незамерзающей его части. Это приводит к увеличению объема пучения. Если же имеет место закрытая система, то при замерзании процесс пучения происходит без внешнего подтока влаги. Как показывают наблюдения, наибольшего значения пучение достигает в суглинистых грунтах при открытой грунтовой системе (поверхность грунта связана с атмосферой). Пески, наоборот, при открытой системе практически не вспучиваются, а при закрытой - становятся пучинистыми (при влажности соответствующей полной влагоемкости).

В природных условиях вследствие неоднородности грунтов, неравномерного распределения влажности, плотности, неодинаковых условий промерзания  и многих других факторов пучение, как  правило, бывает неравномерным.

Из перечисленных факторов следует, что на развитие морозного пучения и образования пучин обычно влияет комплекс неблагоприятных условий.

Таким образом, при прогнозировании  пучения совершенно необходим  учет трех основных факторов: механический состав грунта (песчаный или суглинистый грунт), его влажность и система замерзания (закрытая или открытая).

 

3. Схема взаимодействия трубопровода с грунтом

 

При проектировании подземных  трубопроводов необходимо учитывать  характер их взаимодействия с промерзающими  пучинистыми грунтами. Поскольку  трубопровод пересекает участки, характеризующиеся различными мерзлотно-геологическими условиями, при промерзании грунта происходит неравномерное перемещение трубы. Возникающие при этом напряжения, суммируясь с напряжениями от давления, температурного воздействия и другими, как показывает практика эксплуатации, могут превзойти предел прочности. Перемещения трубопровода при морозном пучении, помимо состава и свойств грунта, в значительной степени зависят от технологических параметров: температурного режима, диаметра, глубины заложения трубы и т.п. Эти перемещения определяются так называемой "эффективной" мощностью мерзлого грунта, обусловленной началом и концом пучения трубопровода.

Начало перемещений наступит в момент, когда силы пучения превысят силы сопротивления движению. При  различном сочетании факторов этот момент может наступить или до того, как слой промерзающего грунта достигнет нижней образующей трубы, или при уже сформировавшемся под трубой слое мерзлого грунта некоторой  мощности.

Окончание перемещения трубопровода наступит либо с окончанием процесса пучения (окончание промерзания), либо в тот момент, когда возрастающие силы сопротивления перемещению превысят нагрузки на трубопровод от пучения. Таким образом, эффективная мощность мерзлого грунта может быть найдена из условия равновесия сил, возникающих в процессе пучения грунта.

Допустим,  на какой-либо длине трубопровод пересекает три  различные по свойствам грунта (рисунок 2.1.3.1).

 

Рисунок 2.1.3.1 – Искривление трубопровода в зоне пучения грунта

 

Если по трубопроводу перекачивается газ, то в зависимости от времени года  газ  может  иметь  положительную  или  отрицательную температуру. Находясь в пределах деятельного слоя, трубопровод при замерзании оттаявшего грунта смерзается с ним и перемещается вверх вместе с замерзающим грунтом. В результате перемещение (новое положение трубопровода показано в пределах каждого слоя пунктирными линиями) в грунтах 1, 2, 3 должно оказаться различным. Однако трубопровод   скачкообразно   на   границах   сечения   перемещаться не может. В результате в пределах участка 2 труба окажется изгибаемой за счет морозного пучения. Причем на границах различных грунтов могут возникнуть столь значительные перерезывающие силы, что труба разрушится. Подъем поверхности грунта зависит от глубины оттаивания, влажности грунта, скорости замерзания и колеблется в пределах нескольких сантиметров, достигая иногда 20 — 30 см.

 

 

В зависимости от температурного режима трубопровода и окружающего грунта возможны два основных случая их взаимодействия.

В первом случае трубопровод  уложен в пределах слоя сезонного или многолетнего промерзания грунта, и температурный режим трубопровода не отличается от температуры грунта. Промерзание при этом происходит с поверхности почвы (плоское промерзание). Этот случай наиболее характерен для труб с небольшим заглублением малого диаметра при значительной мощности слоя сезонного промерзания, либо при нарушении природных условий на поверхности почвы, вызывающих развитие многолетнего промерзания талых грунтов.

Во втором случае трубопровод  уложен в талые грунты, и его  температура хотя бы в течение  части года отрицательна. Промерзание грунта возникает от трубы и в зависимости от температурного режима трубопровода сопровождается формированием сезонных или многолетних ореолов промерзания. Возможны различные сочетания в указанных случаях, определяемые конкретными температурами грунта и трубопровода.

В первом из рассматриваемых  случаев характер взаимодействия трубопроводов  с мерзлыми грунтами можно представить  в следующем виде. До момента, пока фронт промерзания не достигнет верхней образующей трубы, отсутствуют перемещения трубопровода вверх. Как показали экспериментальные исследования, в этот период возможна даже осадка трубопровода[ 1 во взаимодействии].

По достижении фронтом  промерзания верхней образующей трубопровода происходит смерзание твердомерзлого грунта с поверхностью трубы. Начиная с этого момента, возникает потенциальная возможность вертикального перемещения трубопровода [взаимодействие].

 

 

 

 

4. Пучение грунта по трассе межпромыслового газопровода

 

Торфяные бугры пучения  образуются в результате неравномерного промерзания пород деятельного слоя при условии миграции влаги к фронту промерзания. Торф и мох всегда содержат много влаги и поэтому теплопроводность их в мерзлом состоянии больше, чем в талом. Зимой они

охлаждаются больше, чем  нагреваются летом. Кроме того, большое  количество солнечного тепла летом расходуется на испарение влаги с поверхности мха и торфа, что приводит к понижению температуры их нагревания по сравнению с участками без мохового и торфяного покрова.

Явления неравномерного охлаждения и нагревания мха и торфа вызывают миграцию влаги под влиянием термодиффузии в направлении теплового потока к определенным участкам и скопление ее у выпуклых поверхностей мерзлых пород. Зимой эта влага замерзает, образуются прослои и линзы льда, что вызывает вспучивание пород под торфом и мхом. Впоследствии на таких вспученных участках накапливается меньше снега, что способствует большему охлаждению вершин бугров. В результате миграция влаги к буграм усиливается, и рост их ускоряется. Так возникают торфяные бугры больших размеров (рисунок 2.1.4.1).

 

 

   Рисунок 2.1.4.1 – Бугор пучения по трассе межпромыслового газопровода

 

 Отдельные бугры пучения высотой от 1,5 до 2,6 м встречены на участке между ПК 106 – ПК 120 и на ПК 107+50. Приурочены они к участкам залегания глинистых грунтов и торфов большой мощности. На бугре пучения, высота которого до 2,6 м, в глинистых грунтах встречен подземный лед мощностью до 0,6 м (скважина 867, ПК 107+50 трассы газопровода). Этот участок при срезке торфа потенциально опасен с точки зрения возможного развития сезонного термокарста. Поэтому на данном участке рекомендуется срезка торфа и льда до суглинка (до глубины 4,1 м) и подсыпка песком. Эти участки неблагоприятны для строительства.