книги / Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых объектов в условиях севера
..pdfН.Н. Карнаухов, С.Я. Кушнир, А.С. Горелов,
Г.М. Долгих
МЕХАНИКА МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ
ИПРИНЦИПЫ СТРОИТЕЛЬСТВА НЕФТЕГАЗОВЫХ ОБЪЕКТОВ
ВУСЛОВИЯХ СЕВЕРА
Рекомендовано Учебно-методическим объединением по университетскому политехническому образованию в качестве
учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направ лению подготовки 150300 - Прикладная механика.
М осква - 2008 г.
УДК 662.32.02
ББК 33.36 К 62
Ре ц е н з е н т ы : доктор технических наук, профессор Н.А. Малюшин (ОАО «Институт «Нефтегазпроект»); доктор технических наук, профессор
А.И.Полшцук (Томский государственный архитектурно-строительный универсщ тет)
Н.Н.Карнаухов, С.Я. Кушнир, А.С. Горелов, Г.М. Долгих
К62 М еханика мерзлых грунтов и принципы строительства неф тегазовых объектов в условиях Севера: Учебник / Под ред.
Н.Н.Карнаухова - М: Изд.ЦентрЛитНефтеГаз. - 2008. - с. 432 -
(Серия «Высшее нефтегазовое образование») ISBN 978-5-902665-27-4
Книга соответствует содержанию федеральных дисциплин государственных образовательных стандартов по направлениям подготовки дипломированных специалистов 130501 «Проектирование, сооружение и эксплуатация газонефтепроводов и газохранилищ», 150301 «Динамика и прочность машин», 190205 «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование» и 130503 «Разработка и эксплуатация нефтяных месторождений».
В книге рассмотрены особенности строительства нефтегазовых объектов в условиях Севера. Приведены основные положения механики мерзлых грунтов. Освещены проблемы разработки мерзлых грунтов, методы разрушения мерзлого грунта и применение для земельных работ в условиях Севера машин и оборудо вания для разрушения грунта. Сформулированы требования к эксплуатации машин для земляных работ в условиях Севера.
Рассмотрены принципы строительства на мерзлых грунтах. Приведены рас четы и методы проектирования зданий и сооружении на вечномерзлых грушах, в том числе и нефтегазовых объектов. Сформулированы основные требования и нормативные документы для охраны окружающей среды.
Учебник предназначен для студентов высших учебных заведений нефтега зового профиля по направлениям подготовки дипломированных специалистов 130501 «Проектирование, сооружение и эксплуатация газоиефтепроводов и газо хранилищ», 150301 «Динамика и прочность машин», 190205 «Подъемнотранспортные, строительные, дорожные машины и оборудование» и 130503 «Разработка и эксплуатация нефтяных месторождений».
Тюменский государственный нефтегазовый университет и авторы вы ражают признательность и благодарность ОАО «ЛУКОЙЛ» за поддержку и участие с издании настоящего учебника для студентов вузов нефтегазового профиля.
ISBN 978-5-902665-27*4 © Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет», 2008
Оглавление |
|
|
- з - |
|
О главлен и е |
|
|
Введение .................. |
—................................................................. |
|
10 |
Глава 1 |
|
|
|
Региональная и историческая геокриология.................... |
|
14 |
|
1.1. Факторы, определяющие существование |
|
|
|
мерзлых грунтов на земле............................................................ |
|
15 |
|
1.2. Распространение вечномерзлых грунтов |
|
|
|
на территории России.................................................................... |
|
21 |
|
Вопросы........................................................................................... |
|
|
26 |
Глава 2 |
|
|
|
Разработка мерзлых грунтов - неотъемлемая часть |
|
||
нефтегазового строительства в условиях С евера............. |
27 |
||
2.1. Общие положения и особенности |
|
|
|
физико-механических свойств грутов........................................ |
|
27 |
|
2.2. Проблема разработки мерзлых грунтов................ |
|
33 |
|
2.3. Классификация мерзлых грунтов и их состояние |
|
||
в момент разработки................. |
|
|
34 |
2.4. Физико-механические и теплофизические |
|
|
|
свойства мерзлых грунтов........................................................... |
|
37 |
|
2.5. Классификация вечномерзлых грунтов по трудности |
|
||
разработки........................... |
.................................................. |
;..... |
43 |
2.6. Природа прочности мерзлых грунтов................................ |
|
46 |
|
2.7. Методы термического разрушения мерзлого грунта...... |
51 |
||
2.8. Общие сведения о технологии земляных и |
|
|
|
буровых работ в вечномерзлых грунтах.................................... |
|
54 |
|
2.9. Производство земляных работ.............................................. |
|
60 |
|
Вопросы........................................................................................... |
|
|
64 |
Глава 3 |
|
|
|
М ашины и оборудование для рыхления |
|
|
|
вечномерзлых грунтов — __________............ |
__................ |
65 |
|
3.1. Рыхлители статического действия................................... |
|
65 |
|
- 4 - |
|
3.2. Рыхлители динамического действия.................................. |
74 |
3.3. Машины, разрушающие грунт отрывом............................ |
78 |
3.4. Машины для нарезания щелей |
|
в вечномерзлых грунтах ............................................................. |
80 |
Вопросы......................................................................................... |
83 |
Глава 4 |
|
Машины и оборудование для проходки скважин |
|
и шпуров в вечномерзлых грунтах....................................... |
84 |
4.1. Общие сведения................................ .................................... |
84 |
4.2. Машины ударного бурения................................................... |
86 |
4.3. Машины вращательного бурения........................................ |
87 |
4.4. Оборудование для проходки лидерных скважин.............. |
88 |
4.5. Оборудование для буровзрывных работ............................ |
91 |
Вопросы......................................................................................... |
94 |
Глава 5 |
|
Механика разрушения вечномерзлых грунтов |
|
рыхлителями................................................................................ |
95 |
5.1. Параметры процесса рыхления........................................... |
95 |
5.2. Изнашивание наконечников рыхлителей........................... |
103 |
5.3. Определение сил сопротивления рыхлению |
|
вечномерзлого грунта................................................ ................. |
107 |
5.4. Управление температурным режимом |
|
наконечников рыхлителей........................................................... |
119 |
Вопросы.......................................................................................... |
122 |
Глава 6 |
|
Теплофнзические процессы системы |
|
«рабочий орган - грунт»........................................................... |
123 |
6.1. Общие сведения ................................................................... |
123 |
6.2. Распределение теплоты между контактирующими |
|
поверхностями системы «рабочий орган - грунт»................. |
126 |
Вопросы......................................................................................... |
138 |
Оглавление |
- 5 - |
Глава 7 |
|
Рыхление и перемещение грунта естественного |
|
состояния по принципу I .......................................................... |
139 |
7.1. Рыхление и перемещение грунта бульдозерами ........... |
139 |
7.2. Устройство траншей неглубокого заложения |
|
с экскаваторами............................................................................... |
142 |
7.3. Удаление разрыхленного грунта скреперами................... |
145 |
Вопросы........................................................................................... |
148 |
Глава 8 |
|
Разработка предварительного отепленного грунта |
|
по принципу I I ...................................................................... |
149 |
8.1. Способы оттаивания грунта................................................. |
149 |
8.2. Радиационное опаивание..................................................... |
151 |
8.3. Гидроопаивание.................................................................... |
153 |
8.4. Электроотаивание.................................. |
158 |
8.5. Оборудование для парового опаивания........................... |
161 |
8.6. Комбинированные способы опаивания............ ............... |
165 |
8.7. Образование и разработка сушенцев.................................. |
165 |
Вопросы........................................................................................... |
168 |
Глава 9 |
|
Требования к эксплуатации машин для земляных |
|
работ в суровых условиях вечномерзлых грунтов .......... |
169 |
9.1. Общие сведения ..................................................................... |
169 |
9.2. Стали и другие материалы, используемые при |
|
конструировании машин для вечномерзлых грунтов............. |
171 |
9.3. Требования к кабинам машин............................................... |
172 |
Вопросы.................................... |
173 |
Глава 10 |
|
Охрана окружающей среды при производстве |
|
земляных работ в вечномерзлых грунтах.......................... |
174 |
Вопросы.............. |
178 |
- 6 -
Глава11 |
|
|
Расчет и проектирование оснований и фундаментов |
|
|
в условиях Севера....................................................................... |
|
179 |
11.1. Теоретические основы теплового и механического |
|
|
взаимодействия инженерных сооружений с мерзлыми |
|
|
грунтами и основные положения механики мерзлых |
|
|
грунтов.......................................................................................... |
|
180 |
11.2. Физические свойства и классификация мерзлых |
|
|
грунтов. Прочность и критическое сопротивление............... |
183 |
|
11.3. Реологические принципы в мерзлых грунтах................ |
189 |
|
11.4. Релаксация и длительная прочность |
|
|
мерзлых грунтов............................................................................. |
|
193 |
11.5. Основные теплофизические характеристики |
|
|
мерзлых грунтов............................................................................. |
|
198 |
Вопросы........................................................................................... |
|
202 |
Глава 12 |
|
|
Принципы строительства зданий и сооружений |
|
|
на мерзлых трутах........................................................................ |
|
203 |
12.1. Специфические особенности нефтегазового |
|
|
строительства и использования грунтов Западной |
|
|
Сибири в качестве оснований зданий и сооружений............. |
203 |
|
12.2. Выбор принципа строительства и метода |
|
|
проектирования фундаментов в условиях |
|
|
мерзлых грунтов............................................................................ |
|
207 |
12.3. Данные, необходимые для расчета и порядок |
|
|
проектирования фундаментов по принципу I .......................... |
211 |
|
12.4. Требования к материалам и изделиям при |
|
|
строительстве нефтегазовых объектов в условиях Севера.... |
214 |
|
Вопросы........................................................................................... |
|
218 |
Глава 13 |
|
|
Методы температурной стабилизации грунтов |
|
|
оснований зданий и сооружений при строительстве |
|
|
в районах распространения многолетнемерзлых и |
|
|
вечномерзлых грунтов ...... |
____ .................................... . |
219 |
Оглавление |
- 7 - |
13.1. Общие положения............ .................................................. |
219 |
13.2. Охлаждение грунтов оснований с поверхности............. |
220 |
13.3. Охлаждение грунтов оснований продувкой воздуха |
|
в скважинах.................................................................................... |
222 |
13.4. Искусственное охлаждение и замораживание |
|
грунтов............................................................................................. |
228 |
13.5. Проветриваемые подполья............... |
232 |
13.6. Вентилируемые охлаждающие трубы, каналы, |
|
фундаменты.................................................................................... |
235 |
13.7.Сезоннодействующие охлаждающие утройства (СОУ) 238
13.8.Теплофизические расчеты охлаждения и
замораживания грунтов систем температурной |
|
стабилизации................................................................................ |
259 |
Вопросы................................................... |
271 |
Глава 14 |
|
Расчеты оснований и фундаментов по |
|
предельным состояням........................................................ |
272 |
14.1. Общие положения.................................... |
272 |
14.2. Определение глубины заложения фундаментов при |
|
строительстве по принципу I................... |
273 |
14.3. Расчет температурного режима вентилируемого |
|
подполья........................................................................................... |
275 |
14.4. Расчет оснований при строительстве по способу |
|
стабилизации верхней поверхности мерзлых грунтов........... |
281 |
14.5. Расчет оснований и фундаментов по несущей |
|
способности.................................................................................... |
283 |
14.6. Расчет оснований по деформациям................................... |
295 |
Вопросы........................................................................................... |
296 |
Глава 15 |
|
Устройство оснований н фундаментов при |
|
использовании мерзлых грунтов по принципу II............... |
297 |
15.1. Общие положения................................................................ |
297 |
15.2. Особенности проектирования оснований и |
|
- 8 - |
|
фундаментов при использовании мерзлых грунтов |
|
по принципу II................................................................................. |
299 |
15.3. Основания и фундаменты на оттаивающих |
|
мерзлых грунтах............................................................................. |
302 |
15.4. Определение расчетного сопротивления грунта............. |
303 |
15.5. Расчет оснований и фундаментов по устойчивости и |
|
прочности........................................................................................ |
312 |
15.6. Расчет оснований и фундаментов по устойчивости |
|
на воздействие сил морозного пучения...................................... |
314 |
15.7.Особенности проектирования оснований
ифундаментов на сильнольдистых мерзлых грунтах
и подземных льдах.......................................................................... |
|
322 |
Вопросы........................................................................................... |
|
329 |
Глава 16 |
|
|
Расчет и проектирование нефтегазовых объектов |
|
|
в условиях мерзлых грутов.___ .....__ .............. |
___.....__... |
330 |
16.1. Общие положения. Особенности проектирования |
|
|
прокладки и взаимодействия трубопроводов с |
|
|
мерзлыми грунтами....................................................................... |
|
330 |
16.2.Расчет остывания продукта при его транспортировке.. 339
16.3.Расчет глубины оттаивания и промерзания грунта
в основании подземных трубопроводов........................... |
340 |
16.4. Расчет подземного трубопровода на прочность и |
|
устойчивость................................................................................... |
344 |
16.5. Расчет наземного трубопровода на прочность и |
|
устойчивость........................................................ |
352 |
16.6. Особенности расчета и проектирования призм |
|
обвалования магистральных газопроводов в условиях |
|
мфзлых грунтов............................................................................ |
359 |
16.7. Расчет свайных опор надземного трубопровода............. |
365 |
16.8. Применение СОУ при устройстве свайных |
|
фундаментов в условиях мерзлых грнутов............................... |
376 |
16.9. Задача теплового режима сезоннодейсгвующих |
|
охлаждающих устройств.............................................................. |
383 |
Оглавление |
|
- 9 - |
16.10. Особенности расчета осадок зданий компрессорных |
||
и насосных станций в условиях мерзлых грунтов |
................... |
387 |
16.11. Особенности строительства резервуаров |
|
|
в условиях мерзлых грунтов.............................................. |
|
389 |
Вопросы....................... |
|
406 |
Глава 17 |
|
|
Охрана окружающей среды при строительстве |
|
|
в условиях Севера ............................................... |
---- ...... |
— 407 |
17.1. Требования по охране окружающей среды при |
|
|
проведении строительных работ в зоне М М Г ......................... |
|
412 |
17.2. Воздействие на атмосферный воздух............................... |
|
422 |
Вопросы........................................................................................... |
|
425 |
Литература..................................................................................... |
|
426 |
Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 1 0 - объектов в условиях Севера
ВВЕДЕНИЕ
Учебник написан на основе курсов лекций, читаемых авто рами на протяжении многих лет студентам Тюменского госу дарственного нефтегазового университета.
Цель учебника - научить выпускников вуза учитывать спе цифические особенности мерзлых грунтов при проектировании, строительстве и эксплуатации нефтегазовых объектов в клима тических условиях Севера, составлять алгоритмы решения прак тических задач подготовки грунтовых оснований и устройства фундаментов с реализацией их на ПЭВМ.
Острая необходимость издания такого учебника обусловле на тем, что единственное учебное пособие по механике мерзлых грунтов было написано Н. А. Цытовичем и издано издательст вом «Высшая школа» в 1973 году. С тех пор прошло более 30 лет, в течении которых получено много новых сведений, нуж дающихся в анализе и обобщении. Попытка такого анализа обобщения выполнена в монографии Л. Т. Роман, изданной МАИК «Наука/интерпериодика» (Москва) в 2002 году.
Среди монографий в области механики мерзлых грунтов, изданных за последние годы, следует выделить отечественные публикации: Э.Д.Ершов «Общая геокриология» (1990 г), «Осно вы геокриологии» под ред. Э. Д. Ершова (1995-1999 гг), А. Д. Фролов «Электрические и упругие свойства мерзлых по род и льдов» (1998 г), К. Ф. Войтковский «Основы гляциоло гии» (1999 г), С. С. Вялов «Реология мерзлых грунтов» (2000 г).
Роль нефтегазового комплекса в экономике России всегда была велика. В 90-е годы прошлого столетия она еще более воз росла по причине конкурентоспособности ее продукции и не значительности снижения объемов производства по сравнению с другими отраслями.
Обозначенные энергетической стратегией России уровни добычи нефти и газа и их распределение по территории страны (рис. 1) свидетельствуют, что обеспечение эксплуатационной надежности усложнится уже в ближайшее время. Связано это с освоением неразведанных ресурсов нефти и газа, сосредоточен ных в основном, на шельфах арктических морей и в зоне вечно