PZ Syrvacheva (1227705), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

2 МОРОЗНОЕ ПУЧЕНИЕ ГРУНТА

2.1 Понятие морозного пучения грунта

Промерзание поверхностных слоев земной коры обусловливает объемное деформирование многих влажных дисперсных горных пород, почв и грунтов, выражающееся в увеличении объема и неравномерном поднятии их поверхности вследствие замерзания воды и образования ледяных включений. Процесс такого деформирования пород в строительной практике принято называть морозным пучением, а сами грунты, подвергающиеся пучению, пучинистыми или морозоопасными [6].

Необходимость учета и предупреждения воздействий промерзающих морозоопасных грунтов на инженерные сооружения (что сопряжено с оценкой деформаций и сил морозного пучения) является одним из основных условий обеспечения устойчивости, эксплуатационной пригодности и долговечности объектов, возводимых в районах сезонного промерзания грунтов.

Напряженно-деформированное состояние грунта при морозном пучении обусловливает недопустимые перемещения и серьезные повреждения инженерных сооружений. Особенно широко деформации сооружений имеют место в районах глубокого сезонного промерзания грунтов, а также на территории с вечномерзлыми породами, где в условиях преимущественного распространения сильнопучинистых пылеватых грунтов воздействующие на сооружения силы пучения достигают значительных величин.

Под морозным (криогенным) пучением понимают внутриобъемное деформирование промерзающих влажных грунтов, приводящее к увеличению их объема за счет миграции влаги к фронту промерзания и избыточного льдообразования. Это вызывает неравномерное поднятие дневной поверхности грунтов при их промерзании и опускание при оттаивании, приводит к возникновению напряжений в грунте [7].

Пучение происходит при следующих условиях:

• промерзание;

• обводнение;

• наличие пылевато - глинистых частиц или свободного выхода (отжатия) воды из грунта.

При отсутствии хотя бы одного из условий пучение невозможно.

Пучение грунтов обусловливает развитие давления в зоне промерзания. Это давление характеризует собственно силы пучения, или гидродинамические силы пучения, под которыми понимается сопротивление растущим кристаллам льда при замерзании и объемном расширении воды.

Силы, действующие на инженерные сооружения со стороны грунта (выталкивающие силы):

• касательные силы пучения, возникающие от вертикальной подвижки, примерзшего к граням (боковой поверхности) объектов пучащегося грунта;

• нормальные силы пучения, действующие перпендикулярно поверхности объекта, возникающие при замерзании пучинистого грунта под его подошвой.

Наиболее опасно совместное действие на объекты указанных сил.

Пучение, как правило, неравномерный процесс. Объясняется это следующими причинами:

• неоднородностью состава и сложения грунтов;

• неравномерным увлажнением грунтов, их различной обводняемостью поверхностными или подземными водами;

• неравномерностью промерзания грунтов (изменением теплофизических свойств, различным распределением теплоизоляционных покрытий, неравномерным облучением, обдуваемостью и т.п.).

При избыточном и неравномерном льдообразовании формируются сложные сетчатые криогенные текстуры, что вызывает распученность грунта. При последующем оттаивании в таких грунтах протекает обратный процесс, сопровождающийся их осадкой, разуплотнением и снижением несущей способности. Как и морозное пучение осадки при оттаивании крайне неравномерны [8].

Необходимо помнить, что морозное пучение резко изменяет физико-механические свойства пылевато-глинистых грунтов при оттаивании. Эти изменения пропорциональны интенсивности пучения. При оттаивании распученных грунтов повышается их водопроницаемость и сжимаемость, значительно снижается несущая способность, что приводит к осадке сооружений, к весенним просадкам земляного полотна. Процесс восстановления механических свойств протекает длительно и зависит от характера уплотнения грунта и условий дренирования. В грунтах с сегрегационным (неравномерным) льдообразованием полностью механические свойства не восстанавливаются.

Процесс морозного пучения грунтов зависит от многих факторов, которые можно разделить на четыре группы [9]:

• географо-клима­ти­чес­кие условия;

• инженерно-геологические и гидрогеологические особенности территории; теплофизические характеристики грунтов;

• техногенные факторы.

Географо-климатические особенности территорий строительст­ва, то есть средняя годовая температура грунтов, годовая амплитуда колебания температур на их поверхности и другие, прежде всего, определяют широтную и высотную зональность сезонного промерзания грунтов. Средняя годовая температура воздуха и грунта не остается постоянной из года в год, она непрерывно колеблется. Изменяется и глубина промерзания грунтов.

Существенное влияние на процесс морозного пучения, на глубину промерзания грунтов оказывают инженерно- и гидрогеологические особенности территории. В зависимости от состава и влажности грунтов в каждом регионе глубина сезонного промерзания может изменяться в широких пределах, которые могут быть вычислены по существующим расчетным формулам, учитывающим среднюю годовую температуру грунтов, амплитуду температур на их поверхности, состав грунтов и их влажность.

Основные факторы, количественно характеризующих интенсивность пучения:

• гранулометрический, минералогический и химический состав грунтов;

• водно-физические свойства и глубина залегания подземных вод в период промерзания;

• плотность грунта;

• степень охлаждения грунта, зависящая от температуры наружного воздуха и теплоизоляции на его поверхности, скорость промерзания;

• техногенные факторы, связанные с обустройством и застройкой территории.

Важным физическим показателем склонности грунтов к морозному пучению является степень раздробленности минеральных частиц, то есть дисперсность грунтов. В зависимости от размеров и формы частиц наблюдается различная активность взаимодействия грунтовых частиц с водой и способность к морозному деформированию [10].

Наибольшему пучению подвергаются грунты с преобладающим содержанием пылеватой (0,05 ... 0,005 мм) фракции, что обеспечивает наиболее благоприятные условия миграции влаги [11].

К пучинистым грунтам относятся все глинистые грунты, пески мелкие и пылеватые, а также крупнообломочные грунты и пески от гравелистых до песков средней крупности, содержащие пылевато-глинистый заполнитель [5]. Крупнообломочные грунты, пески гравелистые, крупные и средние, не содержащие пылевато-глинистых фракций, считаются непучинистыми при любом уровне подземных вод.

Процесс пучения связан с миграцией воды. При этом первостепенную роль играет пленочная (рыхлосвязанная) вода, которая своим перераспределением в зоне промерзания оказывает влияние на пучение грунта.

Наибольшее количество пленочной воды содержится в тонкодисперсных грунтах, имеющих большую удельную поверхность минеральных частиц, поэтому наиболее пучиноопасны глинистые грунты.

Влияние минерального состава тонких фракций на пучение в крупнообломочных и песчаных грунтах практически отсутствует. Оно становится заметным в глинистых грунтах, у которых химическая активность взаимодействия частиц с водой зависит от природы глинистых минералов.

Наиболее опасны грунты с каолинитовой основой, которые обладают достаточно жесткой кристаллической структурой, а значит и повышенной влагопроницаемостью. На Дальнем Востоке в грунтах преобладают минералы каолинита, этим проблемы строительства на пучиноопасных грунтах усугубляются [12].

Интенсивность пучения грунтов повышается при их увлажнении, при наличии подземных вод в пределах слоя сезонного промерзания или близком расположении их к границе промерзания.

Пучение обусловлено предзимним увлажнением грунтов. Основным источником увлажнения служат атмосферные осадки и подземные воды. Наиболее распространенным путем увеличения слоя сезоннопромерзающих грунтов является капиллярное передвижение воды в пределах каймы капиллярного поднятия от уровня подземных вод (УПВ).

Влияние плотности грунта на интенсивность пучения неоднозначно и зависит от степени водонасыщения грунта. По мере увеличения плотности при неполном заполнении пор грунта водой, интенсивность пучения суглинка возрастает и при полном водонасыщении грунтов наблюдается обратная зависимость: с увеличением плотности пучение уменьшается.

По температурному признаку процесс пучения характеризуется интервалом температур, краевые значения которого определяют начало процесса пучения и его прекращение Т_к. Как правило, значение температуры начала процесса пучения бывает на несколько десятых долей градуса ниже температуры начала замерзания свободной воды в грунте. Прекращается процесс пучения глин при температуре минус 4^оС и ниже.

Влияет на процесс пучения и скорость промерзания. Наиболее опасны значения скорости от 1–2 до 4–5 см/сут [13].

Техногенные факторы также оказывают влияние на интенсивность пучения грунта. Как уже отмечалось, строительство и другая деятельность человека приводят к подтоплению территорий. Происходит это не только из-за «мокрых» процессов, утечек из водонесущих коммуникаций, но и вследствие нарушения структуры грунтов, их природного сложения. Mногочисленные обратные засыпки, подсыпки из глинистых грунтов на застроенных территориях аккумулируют влагу атмосферных осадков и техногенных вод, постоянно удерживают более высокую влажность, чем природный грунт. Наличие запасов свободной воды в обратных засыпках обеспечивает прочное смерзание их с фундаментами, а возможность капиллярного подтока влаги к фронту промерзания вызывает избыточное льдообразование в промерзающем грунте. Следствием этого является интенсивное проявление сил морозного пучения [14].

2.2 Взаимодействия подземного трубопровода с пучинистым грунтом

Повреждения магистральных нефтепроводов вызываются действием двух групп факторов. Первая группа связана со снижением несущей способности нефтепровода, вторая – с увеличением нагрузок и воздействий. Снижение несущей способности нефтепровода происходит из-за наличия дефектов в стенке труб и старения металла. Факторы второй группы появляются при эксплуатации действующего нефтепровода. В процессе эксплуатации на нефтепровод действует целый ряд силовых факторов. К их числу относятся внутреннее давление, напряжения от воздействия температур перекачиваемой нефти и окружающего трубу грунта, давление слоя грунта над трубой, различные статические и подвижные нагрузки, деформация земной поверхности на подрабатываемых территориях, сейсмические воздействия. Эти факторы формируют в трубах кольцевые и продольные напряжения, способствуют перемещениям трубопровода в продольном и поперечном направлениях [12].

Климатические изменения в атмосфере также влияют на состояние трубопровода. Изменения температуры наружного воздуха вызывают изменение температуры грунта, в котором уложен нефтепровод. При замерзании или оттаивании грунта эти изменения приводят иногда к разрушению трубопровода. Замороженные влажные грунты при оттаивании дают значительную осадку как за счет происходящего уплотнения, так и вследствие понижения сопротивления сдвигу; при этом чем больше глинистых частиц в грунте, тем меньшим сопротивлением сдвигу он обладает. В результате неравномерной осадки грунта, возникающей под действием веса трубы, происходит изгиб трубопровода. Создание в трубопроводе дополнительных изгибающих напряжений при наличии других неблагоприятных факторов (например, плохого качества сварки), как правило, приводит к нарушению прочности отдельных стыков [15].

Магистральный трубопровод находится в сложном напряженном состоянии под воздействием высокого внутреннего давления, температурного перепада, неравномерного давления грунта, упругих искривлений, повторяющих неровности рельефа, воздействий грунта, связанных с изменением его структуры - пучением, просадкой и т.д. Эти факторы приводят к появлению в трубопроводе напряжений от изгиба с растяжением, или изгиба со сжатием [16].

Напряжения, возникающие в грунтах при пучении, смещают трубопроводы, изменяя их плановое и высотное положение. Такие деформации характерны для районов глубокого сезонного промерзания и распространения вечномерзлых грунтов [17].

Трубопровод может быть уложен в пределах слоя сезонного промерзания и оттаивания грунта (деятельный слой), ниже деятельного слоя, а также в пределах слоя многолетнемерзлого грунта. Температура транспортируемого продукта по трубопроводу может быть как положительной, так и отрицательной, причем технология транспорта может предусматривать изменение режимов температур, которые связаны с условием подготовки продукта к транспорту на компрессорных или насосных станций. Изменение температуры грунта, окружающий трубопровод, с положительной на отрицательную, вне зависимости от того вызвано ли это температурой окружающего воздуха или продукта, обуславливает морозное пучение грунта. Под морозным пучением понимается внутриобъемное деформирование промерзающих влажных почв, нескальных пород и грунтов, приводящие к увеличению их объема вследствие замерзания в них воды и образования ледяных включений в виде прослойков, линз, поликристаллов и т.п. [18] [19].

Характеристики

Список файлов ВКР