Характеристика мерзлых грунтов

Вечномерзлые грунты

Мерзлые грунты на территории России

Распространение вечномерзлых грунтов по территории России представлено на рисунке 3.

 

 

Рисунок 3 – Карта вечной мерзлоты на территории РФ

Способы проектирования трубопроводов на вечномерзлых грунтах

Расчет теплоизолированного трубопровода в мерзлоте

Тепловая изоляция подземного нефтепровода позволяет уменьшить теплоотдачу и поддерживать температуру транспортируемой нефти на более высоком уровне, уменьшить гидравлическое сопротивление трубопровода и снизить удельные энергозатраты на перекачку.

В таком случае температура нефти t_бал будет значительно выше, чем при перекачке ее по нетеплоизолированному трубопроводу. Температура t_из на поверхности теплоизолированного трубопровода обычно невысокая (рисунок 4), термодинамические процессы происходят в грунте под действием низких температур, теплообмен можно рассматривать как низкотемпературный.

В течение года температура грунта на глубине заложения трубопровода меняется, но изменение в течение одного месяца невелико, в пределах 1 °С, что позволяет считать режим теплообмена нефтепровода квазистационарным.

 

 

Рисунок 5 – Схема распределения температур в зоне теплового влияния нефтепровода

Сопряжение решений внутренней и внешней задач теплообмена нефтепровода с мерзлым грунтом обеспечивает режим, при котором выполняется одновременно два условия:

– обеспечивается изотермическое течение нефти по трубопроводу с положительной температурой t_бал, превышающей температуру t_е мерзлого грунта в естественном состоянии;

– поддерживается сохранность окружающей среды за счет ограничения размеров ореола протаивания вокруг трубопровода.

 

Теплогидравлический расчет

Исходные данные

Годовой объем перекачки G_год = 7 млн т/год.

Плотность нефти при 20 °С ρ₂₀= 890 кг/м³.

Кинематический коэффициент вязкости нети при 5 °С ν₅ = 0,00007 м²/с.

Кинематический коэффициент вязкости нети при 35 °С ν₃₅ = 0,000008 м²/с.

Коэффициент теплопроводности мерзлого грунта λ _м = 1,42 Вт/(м·К).

Коэффициент теплопроводности талого грунта λ _т = 1,20 Вт/(м·К).

Температура фазовых переходов t_фп = 0 °С.

Температура грунта на глубине заложения оси трубопровода в ненарушенном состоянии t_е = – 4,5 °С.

Наружный диаметр трубопровода D = 426 мм.

Толщина стенки трубы δ = 8 мм.

Коэффициент объемного расширения β_р = 0,000746 1/°С.

 

Вечномерзлые грунты

Характеристика мерзлых грунтов

Мерзлые и вечномерзлые грунты в зависимости от их температуры и длительности ее действия делят на немерзлые (талые), мерзлые и вечно-мерзлые.

Мерзлыми называются грунты с отрицательной температурой, в которых часть поровой воды находится в замерзшем состоянии (в виде кристаллов льда). Мерзлые грунты являются четырехкомпонентными системами, в которых кроме твердой, жидкой и газообразной фаз существует лед.

Если неминерализованная вода замерзает при 0 °С, то грунт при такой температуре замерзает только при наличии в них свободной неминерализованной воды, поскольку связанная вода в виде тонких пленок и минерализованная вода замерзает при более низкой температуре.

Вечномерзлыми называют грунты, находящиеся в мерзлом состоянии в течение трех лет и более. Вечномерзлые грунты представляют собой ярко выраженные структурно-неустойчивые грунты, так как при их оттаивании происходят просадки в результате нарушения природной структуры.

При промерзании оттаявшего грунта возможно его пучение.

Поверхностный слой грунта, промерзающий зимой и оттаивающий летом, называют деятельным слоем, или слоем сезонного промерзания и оттаивания, поскольку в нем происходят интенсивные процессы, связанные с промерзанием и оттаиванием грунта.

Если наблюдать за образцом глинистого грунта (по Б.И. Далматову, 1988), помещенного в морозильную камеру, то при изменении температуры полученная кривая будет иметь четыре участка, представленные на рисунке 1.

Первый участок аb соответствует понижению температуры с переохлаждением поровой воды. Второй участок bc характеризует резкое повышение температуры грунта, что связано с кристаллизацией части воды в образце грунта до значения Т_bƒ, соответствующего началу замерзания. Третий участок cd, параллельный оси времени t, характеризует резкий переход большей части воды в лед. На четвертом участке de происходит постепенное понижение температуры уже замерзшего грунта, т.е в этот период замерзает вода, не замерзшая при значении Т_bƒ.

 

 

Рисунок 1 – График процесса замерзания грунта по времени (по Б.И. Далматову, 1988)

 

 

В зависимости от вещественного состава и температурно-влажностны условий мерзлые фунты делятся на твердомерзлые, пластичномерзлые и сыпучемерзлые.

К твердомерзлым относят грунты, характеризуемые относительно хрупким разрушением и практической несжимаемостью под нагрузкой. Под действием нагрузок от сооружений такие фунты практически не сжимаются (модуль деформации Е > 100 МПа), так как сцементированы льдом.

К твердомерзлым относятся крупнообломочные грунты с суммарной влажностью ω_tot > 0,03, а также песчаные и глинистые, если их температура ниже значений, при которых грунт переходит из пластичного в твердомерзлое состояние.

Пластичномерзлыми являются грунты, сцементированные льдом, но имеющие вязкие свойства и характеризуемые сжимаемостью под нагрузкой. К ним относятся песчаные и пылевато-глинистые грунты с температурой выше температуры перехода из пластичного в твердое состояние. Они характеризуются достаточной сжимаемостью (Е < 100 МПа) и вязкими свойствами.

Сыпучемерзлые — это крупнообломочные, гравелистые и песчаные грунты, имеющие отрицательную температуру, но не сцементированные льдом вследствие малой их влажности. Суммарная влажность таких грунтов ωtot≤ 0,03. Их свойства практически не изменяются под влиянием температуры и близки к свойствам тех же грунтов в немерзлом состоянии.

По глубине мёрзлые породы могут распространяться неоднородно. Их распространение представлено на рисунке 2.

 

1 – cлой сезонного промерзания (протаивания); 2 – современные сливающиеся; 3 – современные несливающиеся толщи; 4 – древние сливающиеся и несливающиеся толщи

 

Рисунок 2 – Схема вертикального разреза мёрзлых толщ при движении с юга на север

 

В частности, кратковременномёрзлые и сезонномёрзлые толщи представляют собой обычно непрерывные по вертикали слои, верхняя поверхность которых совпадает с дневной поверхностью, а нижняя поверхность находится на некоторой небольшой(от сантиметров до единиц метров) глубине.

Залегание многолетнемёрзлых толщ более сложно. Их верхняя поверхность залегает на различных глубинах ниже дневной поверхности вследствие процессов сезонного или многолетнего протаивания. Многолетнемёрзлые толщи называются «сливающимися», если их верхняя поверхность совпадает с нижней поверхностью слоя протаивания; если же их верхняя поверхность находиться глубже подошвы слоя сезонного протаивания или промерзания,они называются «несливающимися».Наблюдаются также залегания двух и более слоёв многолетнемёрзлых пород друг над другом, разделённых талыми прослоями их называют «многослойными или слоистыми».Такие глубоко залегающие несливающиеся древние мёрзлые толщи могут встречаться значительно южнее южной границы распространения современных или сравнительно молодых мёрзлых толщ.

Для мерзлых пород характерны некоторые геокреологические процессы.

Термокарст – представляет собой образование просадочных и провальных форм рельефа вследствие вытаивания подземных льдов или оттаивания мёрзлого грунта. Механизм процесса заключается в уплотнении оттаявших сильнольдистых пород или пород, содержащих мономинеральные залежи льда. Причиной возникновения термокарста является такое изменение теплообмена на поверхности почвы,при котором глубина сезонного оттаивания начинает превышать глубину залегания подземного люда или сильнольдистого многолетнемёрзлого грунта, либо происходит смена знака среднегодовой температуры и начинается оттаивание мёрзлых толщ. При развитии термокарста по повторно-жильным льдам образуются положителные формы рельефа: бугристые полигоны.

Морозобойное растрескивание – механизм процесса заключается в том, что при охлаждении в соответствии с распределением температур по глубине в мёрзлых породах возникают сжимающие и растягивающие напряжения, накопление которых приводит к разрыву пород и образованию трещин.

Морозное пучение –дисперсных пород это поднятие поверхности земли, обусловленное увеличением объёма замёрзшей влаги и льдообразованием(вследствие миграции воды) при промерзании. В услових развития отложений, содержащих как мелкозём, так и крупнообломочные грунты, происходит выпучивание крупнообломочного материала и образование на поверхности каменных полей (курумов), или сортировка грунтов с образованием каменных полигонов или полос на склонах.

Для прогноза возможности возникновения геокриологических процессов, периода их протекания, а также для оценки мёрзлых грунтов, как оснований сооружений необходимо знание физических, механических и тепло- массообменных характеристик.