CC BY
31
ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ, ПОДЗЕМНЫЕ СООРУЖЕНИЯ
УДК 625.123
ВАСИЛЬЕВ СЕРГЕЙ ИВАНОВИЧ, канд. техн. наук, доцент,
Сибирский федеральный университет,
660074, г. Красноярск-74, ул. Ак. Киренского 20
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗРАБОТКИ СЕЗОННОМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ
Приведены результаты исследования температурных режимов промерзания грунтов Восточной Сибири в естественных условиях. Выполнен сравнительный анализ изменения температурных режимов промерзания грунтов в условиях применения пено-утеплителей применительно к суглинку, находящемуся в условиях третьего режима промерзания северной зоны Красноярского края.
Ключевые слова: трудность разработки, сезонное промерзание, полимерные композиции, теплозащитные свойства, гравийное каменистое включение, полимерная пена, сезонномерзлые грунты, затраты на экскавацию, гранулометрический состав грунтов, термическое сопротивление грунтов.
VASILYEV, SERGEY IVANOVICH, Cand. of tech. sc., assoc. prof.,
Siberian Federal University,
20 Ac. Kirenskogo st., Krasnoyarsk, 660074, Russia
INCREASE OF EFFICIENCY OF SEASONALLY FROZEN SOILS DEVELOPMENT
The results of research of temperature modes of soil freezing in the natural conditions of the Eastern Siberia are given in the article. The comparative analysis of changing the temperature modes of freezing of soils with using the foam-heaters for the loam which is in conditions of the third mode of freezing of northern zones in Krasnoyarsk region have been carried out.
Keywords: difficulty of cultivation, seasonal freezing, polymer composites, heat-protection properties, gravel stony bed (геологический пласт), polymer foam, seasonally frozen soils, foam-heater, thermal strength of soils, grading of soils, excavation costs
Объем земляных работ при выполнении подготовительных работ по обустройству нефтяного месторождения составляет в среднем от 300 до
© С.И. Васильев, 2010
1000 м3, при этом трудоемкость разработки сезонномерзлых грунтов в зимний период года по Красноярскому краю возрастает в 3-4 раза, что определяет и рост стоимости их разработки. В связи с малой изученностью грунтового фона площадок промышленного освоения нефтяных и газовых месторождений в мало освоенных районах Сибири, точность прогнозной оценки трудности разработки грунтов в зимних условиях невелика. В этой связи на первое место выдвигаются вопросы эффективной подготовки грунтов к разработке в зимний период года [1].
Для снижения трудоемкости разработки грунтов используется способ теплозащиты грунтов площадок промышленного освоения месторождений от сезонного промерзания с использованием пен новых полимерных композиций, обеспечивающих не только теплозащитные свойства, но и обладающих новыми физико-механическими свойствами, гидрофобной способностью и не имеющих объемной усадки (табл. 1).
Приведенные удельные затраты на разработку подготовленных (утепленных) однородных грунтов траншейными экскаваторами снижаются на 10-15 %, а удельные затраты на разработку подготовленных грунтов с гравийно-каменистыми включениями, в первую очередь зависящие от гранулометрического состава и процентного содержания фракций в разрабатываемых грунтах, в отдельных случаях могут снижаться и на 20 %.
Новые физико-механические свойства полимерных пен позволяют эффективно использовать полимерные композиции для утепления грунтов от сезонного промерзания.
Таблица 1
Физико-механические свойства карбамидной пены-утеплителя
Показатели Единица изм. Значение показателя
Объемная масса кг/м3 10-50
Прочность при 10 % сжатии МПа 0,196-0,0588
Водопоглощение за 24 часа кг/м2 1,1
Пористость % 95-98
Рабочая температура К От -193 до +373
Кратность изготовления 13-28
Технологическая усадка % 10-15
Коэффициент теплопроводности Вт/(м-К) 0,03-0,064
Коэффициент температуропроводности 10-3 м2/ч 4
Удельная теплоемкость Дж/(кгК) 0,34
Характеристиками, определяющими физико-механические свойства сезонномерзлых грунтов, являются их температура, гранулометрический состав, глубина промерзания и влажность. Исследования проведены на однородном сезонномерзлом суглинке, имеющем влажность 20 %, температуру на поверхности минус 5 °С.
В результате обработки массива информации грунта Восточной Сибири получено распределение отрицательных температур по глубине залегания грунта (Н), соответствующее четырем температурным режимам [2]. В табл. 2 приведены данные по статистической вероятности разработки сезонномерзлых грунтов, из которых следует, что суммарная вероятность разработки сезонномерзлых грунтов составляет 0,493, а вероятность разработки мерзлых грунтов под слоем талого - 0,042.
Таблица 2
Распределение температур по глубине грунта
Расчетный температурный режим Глубина промерзания Н, м Статистические вероятности Распределение отрицательных температур г, °С, по глубине Н, м
Т2 До 1,2 0,243 г = -4,58 + 11,96Н - 8,06Н 2
Т3 До 2,5 0,185 г = -6,67 + 6,64Н - 1,6Н2
Т4 Свыше 2,5 0,065 г = -10,11 + 7,43Н - 1,55Н 2
Т5 Мерзлый грунт под слоем талого 0,042 г = 3,96 - 3,93Н + 0,51Н 2
Распределение отрицательных температур по каждому из расчетных режимов сезонного промерзания грунта описывается полиномами второго порядка. Графические зависимости распределения температуры по глубине залегания грунта северной зоны Красноярского края (рисунок) позволяют с достаточной точностью определить предполагаемую глубину промерзания грунта в изучаемом регионе с учетом предполагаемого месяца разработки.
Распределение температуры суглинка по глубине залегания для зимних месяцев года: XI - ноябрь, XII - декабрь, I - январь, II - февраль
Как видно из рисунка, отрицательная температура грунта на севере Красноярского края на глубине 1,6 м устанавливается в декабре и существует до апреля включительно. В табл. 2 приведены данные распределения температур грунта по глубине залегания с указанием вероятностей работы машин на грунтах с различными глубинами промерзания. В таблице не приведен первый расчетный температурный режим промерзания грунта, так как он описывает распределение положительных температур по глубине залегания грунта. Для северной зоны Красноярского края по второму и третьему температурному режиму промерзания грунтов (табл. 2) характерны более низкие температуры на поверхности грунта, и точка перехода температуры через нулевое значение находится ниже по глубине на 0,4 м, чем в целом по Красноярскому краю. Анализ приведенных результатов показывает (табл. 3), что из общего объема ежегодно планируемых в Красноярском крае земляных работ 50,3 % выполняется в мерзлых грунтах, а также в условиях, когда по глубине отрываемых земляных сооружений встречаются мерзлые грунты. Оставшаяся доля объемов земляных работ приходится на грунты, находящиеся в талом состоянии. Сравнительный анализ выполняемых объемов земляных работ на грунтах, имеющих четвертый и пятый режимы промерзания, показывает, что эти грунты разрабатываются только в северной зоне Красноярского края, при этом относительное значение выполняемых работ по грунтам четвертого режима промерзания составляют 11,6 %, что является существенной долей в общих объемах работ. Как показали натурные эксперименты и промышленное использование пеноутеплителей [4], наиболее эффективна защита грунта от глубокого промерзания полимерными пенами, наносимыми на подготавливаемый грунт в осенний месяц до появления снега. Толщина слоя полимерного пеноутеплителя (И), способная предотвратить грунт от глубокого промерзания, зависит от режима промерзания грунта, предполагаемой глубины промерзания грунта (Н) (рисунок) и его термического сопротивления Я0 [1]:
И = К„ ЩКТК „Кг • Д - Яс),
где Кп - коэффициент усадки пеноутеплителя; Хп - коэффициент тепловодно-сти полимерной пены; Ку, Кг, К„ - коэффициенты влияния плотности грунта, срока нанесения полимерной пены и влажности грунта; Яс - термическое сопротивление снежного покрова.
С учетом физико-механических свойств полимерной пены, не имеющей объемной усадки (Кп = 1), обладающей гидрофобностью, а также влияния плотности снежного покрова (КС) на его термическое сопротивление указанная формула принимает вид:
Ип = ^п(КуКгД0 - КсЯс),
где Яс - термическое сопротивление снежного покрова; КС- коэффициент плотности снежного покрова.
Термическое сопротивление грунта, в первую очередь, зависит от влажности, гранулометрического состава грунта и процентного содержания гравийно-каменистых включений.
Таблица 3
Распределение температур по глубине и относительных значений разрабатываемых грунтов Красноярского края
Т2 Тз т4 т5
Регион Распределение температуры по глубине, °С Относительные значения объемов работ, % Распределение температуры по глубине, °С Относительные значения объемов работ, % Распределение температуры по глубине, °С Относительные значения объемов работ, % Распределение температуры по глубине, °С Относительные значения объемов работ, %
и ;,с -72 К'-'С -9.4 '• “С - Ю.1 и ,:,с $9
Красноярский край Ч Я, м 0.8 \ 13,77 Я, м \ 22,11 28 11,56 [ Я, м 2,89
г,°С -6 -10,7 /,°С -Ю.1 г, °С 49
Северная зона Красноярского края >, Я, м \ 2,89 \ Я, м 2,0 \ 5,78 ^Ям\ 2& 11,56 1 <г Я, м 2,89
198 Повышение эффективности разработки сезонномерзлых грунтов
Расход быстротвердеющей полимерной пены для утепления грунта для предотвращения от промерзания на каждые 200-300 мм предполагаемой глубины промерзания определяется по формуле
Qn = FhnYIKn,
где F - площадь утепления; hn, Y, Kn - толщина, плотность слоя, кратность пеноутеплителя. В исследованиях характеристик утепленного однородного сезонномерзлого суглинка, имеющего влажность 20 %, температуру на поверхности минус 5 °С
Экспериментальные исследования полимерных пен (толщина полимерного пеноутеплителя составила 0,15 м) в качестве утеплителя сезонно промерзающего суглинка влажностью 20 %, имеющего третий режим промерзания, позволили получить графические зависимости распределения температуры по глубине залегания грунта северной зоны Красноярского края в декабре.
Разница температур грунта в естественных условиях залегания и в условиях утепления увеличивается по глубине залегания грунта, и на глубине
0,83 м достигает наибольшего значения минус 2,1 °С, а на глубине 1,2 м температура утепленного грунта стабилизируется на величине плюс 1,64 °С.
Математический анализ экспериментальных данных проведен с применением программы Advanced Grapher, с помощью которой по табличным экспериментальным данным произведена математическая обработка натурного эксперимента. Для каждой функции распределения температур утепленного суглинка, характерных для зимних месяцев северной зоны Красноярского края, надежно описаны полиномом второй степени, табл. 4.
Таблица 4
Распределения температур по глубине утепленного грунта
Расчетный месяц Распределение отрицательных температур (г) по глубине залегания (Н) утепленного грунта Коэффициент корреляции
Ноябрь г = -0,1013729Н2 - 0,5575497Н - 0,4741855 0,98
Декабрь г = -0,0360997Н2 - 0,5072688Н - 1,6369544 0,94
Январь г = -0,0239553Н2 - 0,4517715Н - 2,1028933 0,98
Февраль г = -0,0250972Н2 - 0,4950154Н - 2,4443109 0,96
Графики функции температуры утепленного грунта по глубине его залегания для зимних месяцев года позволяют оценить коэффициент трудности их разработки, повысить эффективность разработки сезонномерзлых грунтов. Используемые полимерные пеноутеплители имеют кратность от 17 до 35 и выше, значение кратности определяется исходными материалами и технологией получения. Поры быстротвердеющей полимерной карбамидной пены имеют размеры от 0,25 мм внутри покрытия, до 3,15 мм на поверхности, удельный вес в сухом состоянии изменяется в широком диапазоне от 4 до 35 кг/м3.
Использование полимерных пен для защиты однородных грунтов от сезонного промерзания позволяет существенно снизить затраты на экскавацию подготовленного к разработке грунта, повысить производительность землеройной техники, снизить затраты на подготовку грунта к механической разработке.
Выводы
1. Использование пеноутеплителя позволяет существенно уменьшить понижение температуры разрабатываемого грунта и уменьшить глубину его промерзания; на глубине 1,2 м в декабре температура суглинка северной зоны Красноярского края, утепленного полимерной пеной, стабилизируется на уровне плюс 1,6 °С.
2. Распределения температур утепленного грунта по глубине для каждого зимнего месяца с хорошей достоверностью описываются полиномами второй степени и применимы на стадии прогнозной оценки трудности разработки сезонномерзлого грунта.
Библиографический список
1. Филиппов, Г. С. Комбинированный способ подготовки сырьевых материалов к зимней разработке / Г.С. Филиппов, В.М. Мелкозеров, А.И. Заика // Цемент. - 1985. - № 7. -С. 9-10.
2. Васильев, С.И. Принципы классификации мерзлых грунтов на основе использования коэффициента трудности разработки / С.И. Васильев, В.Г. Жубрин, З.С. Ташпаева. - М., 1988. - Деп. ЦНИИТЭСтроймаш 16.05.1990, № 39 СД90.
3. Мелкозеров, В.М. Охрана окружающей среды и рациональное недропользование / В.М. Мелкозеров, С.И. Васильев. - Красноярск, 2007. - ФГОУ ВПО СФУ. - 197 с.
4. Васильев, С.И. Способ предохранения грунтов Восточно-Сибирского региона от сезонного промерзания / С.И. Васильев, В.М. Мелкозеров. - Информ. листок № ИЛ 029-077-2008. -Красноярск.
5. Васильев, С.И. Мобильный промышленный комплекс по производству полимерного теплоизоляционного материала и сорбентов / С.И. Васильев, В.М. Мелкозеров. - Информ. листок № ИЛ 029-078-2008. - Красноярск.
