Материалы Третьей Общероссийской конференции изыскательских организаций. Инженерные изыскания в строительстве

Подождите немного. Документ загружается.

170

МАТЕРИАЛЫ III ВСЕРОССИЙСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ

бугров пучения, на плоском торфянике в 2006 г.

осадка не наблюдалась.

Ранее отмечалось, что в естественных услови-

ях свежих термокарстовых форм не наблюдает-

ся. При снятии растительного покрова и части

торфа, напротив, термокарст может активизи-

роваться и приводить к образованию отрица-

тельных форм. Однако, затопление территории,

окружающей бугры профиля I-I, даже на фоне

потепления климата и развития тепловой осад-

ки, пока не привело к образованию термокар-

стовых форм.

Результаты дешифрирования космоснимков

залетов 1989 и 2004 гг. отражены в таблице 1. Они

свидетельствуют о том, что происходит незначи-

тельное расширение площади, занятой озерами.

Между тем, как показывают наземные наблюде-

ния, часть озер зарастает и превращается в боло-

та. Эта тенденция согласуется с увеличением ко-

личества атмосферных осадков (рис. 2). Площа-

ди, занятые болотами, также увеличиваются.

Максимальное увеличение площади болот отме-

чено на плоской, малорасчлененной II надпой-

менной террасе реки Надым, где ММП имеют

пониженную кровлю, а роль водоупора играют

мелкие пылеватые пески с прослоями и линзами

суглинков.

Дешифрирование аэроснимков нарушенной

территории III террасы р. Надым (озерно-аллю-

виальной равнины) показывает, что площадь бо-

лот с 1977 по 1987 гг. увеличилась с 29 до 57%.

Выводы

1. Наблюдается снижение интенсивности много-

летнего пучения, происходящее вследствие по-

тепления климата и повышения температурно-

го фона при техногенном воздействии.

2. Термокарст в естественных условиях не акти-

вен, несмотря на потепление климата. Он акти-

визируется при снятии растительного покрова

и части торфяного горизонта. Тепловая осадка

на буграх пучения, вызванная затоплением ок-

ружающей территории в 2006, 2007 гг. не приве-

ла к образованию термокарстовых форм.

3. Заболачивание в естественных условиях актив-

но протекает на II надпойменной террасе под

влиянием увеличения количества летних атмо-

сферных осадков. В нарушенных условиях оно

развивается на III террасе – озерно-аллювиаль-

ной равнине.

Таблица 1

ПЛОЩАДИ ОЗЕР И БОЛОТ В ПРЕДЕЛАХ РАЗНЫХ ЛАНДШАФТОВ В 1989 И 2004 ГГ.

Ландшафт Год Площадь озер Площадь болот

III терраса 1989 4,1 19,3

(озерно-аллювиальная равнина) 2004 6,8 20,8

II надпойменная терраса 1989 0,09 16,8

р. Надым 2004 0,21 25.9

Пойма реки Хейге-Яхи 1989 7,1 37,7

2004 8,2 37,7

Sbornic_New_1 01/12/2008 19:42 Page 170

171

ольшое количество объектов нефтегазовой

отрасли как промышленного, так и хозяйст-

венного значения, в том числе и селитебные ком-

плексы, расположены в области вечной мерзло-

ты, где активно развиваются различные криоген-

ные процессы. Необходимо обеспечить надеж-

ность работы различных зданий и сооружений,

сохраняя природные ландшафты для снижения

негативных последствий взаимодействия природ-

ных и техногенных комплексов.

Одним из самых главных факторов, влияющих

на геотехническую безопасность малонагружен-

ных зданий и сооружений, является криогенное

пучение грунтов. Криогенное пучение снижает

геотехническую безопасность в криолитозоне и

на территориях с глубоким сезонным промерза-

нием.

Криогенное пучение – сложный процесс, вы-

зываемый, как правило, местным неравномер-

ным увеличением объема грунтов вследствие за-

мерзания (льдовыделения) содержащейся в них и

подтянутой в процессе миграции влаги [3]. Важ-

нейшими физико-географическими факторами,

влияющими на пучение, являются: климат, опре-

деляющий возможность промерзания грунтов,

растительность, почвы, ландшафты, поверхност-

ные и грунтовые воды.

Суровые климатические условия предопреде-

ляют существование криолитозоны и интенсив-

ное развитие криогенеза в массивах горных по-

род. Криогенез воздействует на самые разнооб-

разные типы литогенной основы ландшафтов: от

скальных грунтов до органогенных. Реакция раз-

личных почвогрунтов и их компонентов на цик-

лическое промерзание-протаивание очень разно-

образно, определяется начальными свойствами

грунтов и процессами криогенного преобразова-

ния. Изменения, происходящие в грунтах, каса-

ются устойчивых (дисперсность, общий химиче-

ский и минералогический состав) и неустойчивых

(пористость, микростроение) признаков строе-

ния [2]. С ростом дисперсности пород возрастает

миграционный поток влаги из талой зоны в мерз-

лую. В результате в ряду от грубообломочных по-

род к глинам доля массивного распучивания в об-

щей деформации пучения закономерно уменьша-

ется, а пучения за счет сегрегационного льдовы-

деления — возрастает, достигая в глинах 95%

(т.е. до 20-30 см и более на метр промерзающего

грунта). Вместе с тем, при увеличении дисперсно-

сти пород возрастают деформации, вызванные не

только сегрегационным льдовыделением, но и

усадкой, что в итоге приводит к уменьшению ве-

личины пучения. Усадка грунта, сопутствующая

процессу пучения, вызывается действием проис-

ходящих в грунте гидродинамических процессов,

связанных с миграцией влаги к фронту промерза-

ния, понижением уровня грунтовых вод и уплот-

нением при этом слоя талого грунта, подстилаю-

щего промерзающий слой.

Пучение грунтов является одной из основных

причин появления различных форм криогенного

рельефа (бугры пучения, площадное пучение и

др.), а в сочетании сезонного промерзания – про-

таивания (пучение – осадка грунтов сезонно-та-

лого слоя или сезонно-мерзлого слоя) и микро-

рельефа. Процесс имеет достаточно широкое рас-

пространение и эти формы рельефа во многом

определяют выбор трасс газо- и нефтепроводов и

других сооружений. Активизация криогенного

пучения существенно влияет на условия для стро-

ительства и эксплуатации объектов, так напри-

мер, длительное промерзание достаточно увлаж-

ненных таликовых зон приводит к общему подня-

СНИЖЕНИЕ ГЕОТЕХНИЧЕСКОЙ

БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ АКТИВИЗАЦИИ

КРИОГЕННОГО ПУЧЕНИЯ ГРУНТОВ

ВГАЗОДОБЫВАЮЩИХ РАЙОНАХ СЕВЕРА

ЗАПАДНОЙ СИБИРИ

Аблязина Д.И.

МГУ им. М.В. Ломоносова, географический ф-т, Москва

Sbornic_New_1 01/12/2008 19:42 Page 171

тию территории на 1-3 м, что, предпочтительнее

для строительства, а небольшие бугорки и пло-

щадное неравномерное пучение могут привести к

заметным деформациям линейных сооружений,

прежде всего, автодорог [4]. Силовой эффект яв-

ления пучения, воспринимаемый промерзающим

грунтом, а через него фундаментами и конструк-

циями сооружений, наиболее часто проявляется в

виде выпучивания, которое приводит к изгибу

сверх допустимых пределов и разрушению трубо-

проводов различного назначения. Совместное

воздействие прямых и касательных сил пучения

приводит к «выдавливанию» малонагруженных

фундаментов из грунтов.

Примером значительного воздействия крио-

генного пучения на природные и геотехнические

объекты может служить Ямбургское газоконден-

сатное месторождение (ЯГКМ), расположенное в

Тазовской геокриологической области Хараса-

вэй-Новоуренгойской подзоны. Главные черты

современного рельефа территории определяются

ее центральным положением на плоской низмен-

ности Тазовского полуострова [1].

Для этой области характерно сплошное рас-

пространение многолетнемерзлых пород (ММП)

сингенетического типа практически на всех гео-

морфологических уровнях. Здесь представлены

преимущественно песчано-глинистые отложе-

ния, что обусловило широкое распространение на

этой территории современных криогенных про-

цессов. Криогенные процессы происходят в про-

мерзающих, мерзлых и оттаивающих грунтах и

горных породах. К ним относятся: сезонное про-

мерзание–оттаивание грунтов, морозобойное

растрескивание, криогенное пучение (сезонное и

многолетнее), термокарст, термоэрозия, термоаб-

разия, термосуффозия, солифлюкция.

Пучение грунтов в сингенетических отложени-

ях ММП происходит на территории ЯГКМ благо-

даря глубокому сезонному протаиванию до 1,5 м.

В то же время, в пос. Чокурдах, расположенном

на 71°с.ш., с сингенетическими отложениями и с

температурой ММП до -5 ÷ -7°С и глубиной СТС

не более 0,8 м, интенсивность и разнообразие ин-

женерно-криогенных процессов существенно

меньше [5].

В пределах рассматриваемой территории ос-

новные нарушения природных ландшафтов свя-

заны с механическими нарушениями почв и грун-

тов. Изменение рельефа, связанное со строитель-

ством, сопровождается разрушением грунтов СТС

и изменениями условий стока. Наиболее интен-

сивно в пределах трасс трубопроводов pазpуша-

ются микpо- и нанофоpмы рельефа.

Активное сезонное и многолетнее пучение во

многом связано именно со строительством и экс-

плуатацией объектов месторождений, при кото-

рых происходит увеличение деятельного слоя и

последующее его промерзание. Процесс сезонно-

го пучения начинается уже при промерзании са-

мых верхних горизонтов (до 5 см) СТС и продол-

жается практически в течение всего периода про-

мерзания в открытой системе. Этому процессу на

территории ЯГКМ подвержены фактически все

грунты сезонно-талого слоя – от тяжелых глин до

пылеватых песков. Сезонное пучение грунтов

проявляется повсеместно практически на всех

элементах рельефа. Величина сезонного пучения

(в зависимости от состава и влажности пород се-

зонно-талого слоя) может изменяться от несколь-

ких сантиметров до 0,8-1,0 м.

Среди современных ландшафтообразующих

процессов преобладают торфообразование, тер-

мокарст и криогенное пучение, которые тесно

взаимосвязаны.

Песчаные отложения, широко распространен-

ные на территории месторождения, по своей при-

роде не относятся к пучинистым грунтам, но в

связи с широким развитием торфа и высокой пы-

леватостью, также распучиваются каждый сезон.

Максимальная льдистость отмечается либо в тор-

фе, либо в минеральных грунтах на контакте с пе-

рекрывающим их торфом. Данные о влиянии тор-

фа на развитие криогенного пучения немногочис-

ленны и свидетельствуют о зависимости их от ви-

да торфа, его влажности, температуры, степени

разложенности и т.д. Для оценки влияния торфов

на процесс криогенного пучения поставлена се-

рия лабораторных исследований. Все экспери-

ментальные исследования проводились на образ-

цах хорошо разложившегося торфа и пылеватых

грунтов (табл. 1). Образцы замораживались в хо-

лодильной камере, величина пучения измерялась

с помощью индикаторов часового типа, с точно-

стью до 1 мм.

Многолетнее пучение распространено ограни-

чено, и представлено в основном двумя типами

многолетних бугров пучения – торфяные и тор-

фо-минеральные. Торфяные бугры пучения

встречаются в пределах днищ небольших хасыре-

ев, а также на пониженных и заболоченных уча-

стках водоразделов (высота не превышает 2-4 м).

Они имеют самую разнообразную форму: от ок-

руглых куполообразных до слившихся в единую

группу бугров, разделенных незначительными

перегибами. Бугры второго типа расположены в

пределах днищ крупных хасыреев или обширных

заболоченных понижений на междуречных про-

172

МАТЕРИАЛЫ III ВСЕРОССИЙСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ

Sbornic_New_1 01/12/2008 19:42 Page 172

173

Перспективы развития инженерных изысканий в Российской Федерации

странствах, они связаны с промерзанием замкну-

тых таликов в осушенных озерных котловинах

(высота бугров достигает 5-6 м и более). Верши-

ны большинства бугров подвержены термоэро-

зии и лишены растительности, торф изрезан се-

тью трещин.

При строительстве зданий и сооружений на ме-

сторождениях стараются обходить бугры пучения,

но это возможно не всегда, поэтому на некоторых

участках нитки газопроводов протягивают через

бугры. Строительство на буграх пучения приводит

к быстрому развитию деформаций, связанных как

с пучением, так и с оплывинами, растрескивани-

ем. По характеру нагрузки на Ямбургском место-

рождении выделяются линейные и площадные

нарушения. Линейные нарушения представлены

на железных и автомобильных дорогах, включая

вездеходные следы. На рассматриваемой террито-

рии присутствуют также ЛЭП и трубопроводы:

магистральные и межпромысловые. Все перечис-

ленные объекты сильно подвержены процессам

сезонного пучения, несмотря на отсутствие этого

процесса до строительства. Площадные наруше-

ния представлены на площадках промышленных

и жилых сооружений.

В условиях, когда литогенетический состав тер-

ритории почти однороден, деформации пучения

во многом связаны с глубиной деятельного слоя,

негативные воздействия происходят на тех терри-

ториях, где глубина этого слоя больше. Увеличе-

ние глубины протаивания происходит неравно-

мерно и приурочено к зданиям и сооружениям,

отмечается в основании опор газопровода, что

приводит к выпучиванию.

Одним из способов борьбы с негативными про-

явлениями пучения при эксплуатации объектов

месторождения является использование термоси-

фонов, как при строительстве для дополнитель-

ного предпостроечного льдовыделения, так и при

эксплуатации для уменьшения глубины СТС. На

Заполярном месторождении термосифоны ис-

пользуются повсеместно, поэтому в настоящее

время деформации пучения объектов практиче-

ски отсутствуют.

Криогенное пучение грунтов является одной из

важнейших геотехнических проблем, поэтому не-

обходимо проводить дальнейшие изучение про-

странственно-временных закономерностей раз-

вития процессов пучения и поиск возможностей

корректного численного учета этих процессов.

Таблица 1

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ПУЧИНИСТОСТИ ОТОРФОВАННЫХ ПЫЛЕВАТЫХ ПЕСКОВ

w % w% торфа w% грунта Мощность Т°С на Глубина Пучение,

естественная после торфа, см поверхности промерзания, см

влажность промерзания см

торфа

280 350 14 3 -4,1 9,5 0,6

270 320 18 -2,9 7 0,8

ЛИТЕРАТУРА

1. Андрианов В.Н., Войцеховская И.В., Гречищев С.Е.,

Крицук Л.Н., Невечеря В.Л., Стремяков А.Я., Увар-

кин Ю.Т., Шаманова И.И., Шур Ю.Л. Условия раз-

вития и распространения криогенных геологиче-

ских процессов и явлений // Геокриология СССР.

Западная Сибирь. М., Недра, 1989, с. 135-155.

2. Конищев В.Н., Рогов В.В. Методы криолитологиче-

ских исследований. М., Изд-во МГУ, 1994, с. 136.

3. Орлов В.О. Криогенное пучение тонкодис-

персных грунтов. М., Изд-во АН СССР, 1962,

188 с.

4. Основы мерзлотного прогноза при инженерно-

геологических исследованиях. М., Изд-во МГУ,

1978, 431 с.

5. Сухов А.Г., Кузнецова И.Л., Лахтина О.В., Дроз-

дов Д.С., Чекрыгина С.Н. Тазовская область // Ге-

окриология СССР. Западная Сибирь. М., Нед-

ра, 1989, с. 236-247.

Sbornic_New_1 01/12/2008 19:42 Page 173

174

троящаяся железнодорожная линия «Обская-

Бованенково» расположена в юго-западной

части полуострова Ямал. Эта территория характе-

ризуется крайне суровыми природными условия-

ми. Ее инженерно-геокриологические особенно-

сти обусловлены сплошным распространением

дисперсных, преимущественно глинистых и пы-

леватых супесчаных отложений. Многолетнемерз-

лые грунты имеют сплошное по площади и моно-

литное по разрезу распространение; их среднего-

довая температура в естественных условиях изме-

няется от -7°С до 0°С, при фоновых ее значениях

-4 – -6°С. Широкое распространение имеют такие

криогенные процессы, как термокарст, криоген-

ные оползни и сплывы, термоэрозия.

По прогнозным оценкам техногенные наруше-

ния природных ландшафтов при строительстве

железнодорожной линии вызовут активизацию

процессов термокарста и заболачивания, термо-

эрозии, многолетнего пучения, криогенных

оползней и сплывов.

Для наблюдений за возникновением и развити-

ем нежелательных экзогенных процессов летом-

осенью 2007 г. на участке 267-292 км строящейся

железной дороги, в пределах уже проложенной

насыпи и в 50-метровой прилегающей полосе,

были организованы мониторинговые наблюде-

ния. Результаты наблюдений позволяют оценить

изменения основных параметров свойств грунтов

насыпи в процессе их оттаивания и последующе-

го промерзания, определить комплекс защитных

мероприятий, обеспечивающих устойчивость на-

сыпи и разработать более совершенные конструк-

ции насыпи для условий Ямала.

В рамках геомониторинговых наблюдений в

сентябре 2007 г. на участке трассы 267 – 292 км бы-

ло проведено обследование железнодорожной на-

сыпи и прилегающей территории с целью опреде-

лить наличие и степень развития деструктивных

термоденудационных процессов. На момент об-

следования были выявлены значительные техно-

генные нарушения естественной поверхности в

пределах 100-метровой полосы территории, приле-

гающей к насыпи, которые служат предпосылкой

для возникновения деструктивных процессов. На-

рушения, в первую очередь, обусловлены проездом

транспорта в зимне-весенний период и складиро-

ванием грунта вдоль железной дороги для досыпки

тела насыпи и ее откосов в весенне-летний период.

В результате наблюдений было выделено четыре

типа деструктивных термоденудационных процес-

сов, развивающихся на откосах насыпи и у ее осно-

вания – термокарст, эрозионные процессы, сплывы

грунта и образование продольных трещин отрыва.

Термокарст. Снятие растительного покрова, на-

рушение естественного рельефа при возведении

насыпи приводят к застаиванию воды в образую-

щихся углублениях и канавах, в результате чего у

основания насыпи активизируются термокарсто-

вые процессы.

В течение всего периода проводимых по трассе

изысканий, начиная с 1986 г., в результате проезда

транспорта в непосредственной близости от осно-

вания насыпи происходили нарушения естест-

венной поверхности. В образующихся колеях

накапливаются и застаиваются воды, что может

стать предпосылкой для понижения кровли мно-

голетнемерзлых пород и образования зоны расте-

пления грунтов вблизи насыпи (рис. 1).

Заболачивание и подтопление основания на-

сыпи приводят к сплыванию грунтов нижней час-

ти откоса насыпи, провоцируют и усиливают раз-

витие эрозионных процессов, образование тре-

щин отрыва. Проведение геомониторинга позво-

лит установить наблюдение за очагами развития

прогрессирующего термокарста, а также своевре-

ДЕСТРУКТИВНЫЕ

ТЕРМОДЕНУДАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ,

ВЫЯВЛЕННЫЕ ПРИ МОНИТОРИНГОВЫХ

НАБЛЮДЕНИЯХ НАСЫПИ СТРОЯЩЕЙСЯ

ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ ЛИНИИ «ОБСКАЯ-

БОВАНЕНКОВО» (ПОЛУОСТРОВ ЯМАЛ)

Цветкова М.Г.

ОАО «ПНИИИС», Москва

Sbornic_New_1 01/12/2008 19:42 Page 174

менно минимизировать и предотвращать разви-

тие этого процесса.

Эрозионные процессы. Вымываемый из верхней

и средней частей откоса насыпи материал образует

конусы выноса у основания насыпи. Образование

эрозионных канав и борозд в большинстве случаев

идет в комплексе с подтоплением основания насы-

пи. Эрозионные процессы (рис. 2) начинают ак-

тивно проявляться во время и непосредственно по-

сле выпадения дождевых осадков. Глубина борозд

изменяется в пределах 2-20 см, ширина – 15-30 см;

расстояние между бороздами на участках активно-

го развития эрозии 10 см. На участках сильного

подтопления эрозионный процесс начинается от

основания насыпи, развитие борозд идет вверх и

сопровождается образованием трещин и отседани-

ем блоков переувлажненного грунта.

Сплывы грунта. Образование сплывов грунта

(рис. 3) является следствием проседания нижней

части откосов насыпи в зонах подтопления, а так-

же вымывания грунта эрозионными процессами,

с образованием конусов выноса вымытого грунта

размерами от 20-30 см до 2-3 м. На исследуемом

участке сплывы грунта наблюдались при углах на-

клона откоса насыпи от 7,2 до 22,7°.

Трещины отрыва. Образование продольных тре-

щин в верхней и средней частях откоса насыпи

(рис. 4) наблюдалось в основном в комплексе с

эрозионными процессами и подтоплением осно-

вания насыпи. Протяженность трещин – от не-

скольких сантиметров до 30-40 м. Углы наклона

откоса насыпи, при которых образуются трещи-

ны, изменяются от 3,3 до 19,0°.

Таким образом, основной фактор, определяю-

щий интенсивность деструктивных термоденуда-

ционных процессов на насыпи и в ее основании –

подтопление и заболачивание прилегающей к

трассе территории. Развитие процессов происхо-

дит как при высоких (18-20°), так и при низких

(3-7°) значениях угла наклона откоса насыпи.

В настоящее время при строительстве насыпи

железной дороги восстановление нарушенных

процессами участков производится путем вырав-

нивания и уплотнения откосов. Однако проведе-

ние этих работ при сохранении зон подтопления

у основания насыпи не исключает повторного

развития деструктивных процессов на выровнен-

ных участках.

Установление мониторинговой сети наблюде-

ний за состоянием откосов насыпи и развитием

нежелательных термоденудационных процессов

позволит выявлять очаги их активного проявле-

ния и принимать своевременные меры по их пре-

дотвращению и минимизации.

175

Перспективы развития инженерных изысканий в Российской Федерации

Рис. 1. Термокарст по следам проезда техники

Рис. 2. Эрозионные борозды по всей длине

откоса насыпи

Рис. 3. Конус выноса вымытого грунта, длиной

3-4 м, шириной около 10 м. Угол наклона откоса

насыпи 18,5°

Рис. 4. Трещины в средней части насыпи при

угле наклона откоса насыпи 15,0-15,6°

Sbornic_New_1 01/12/2008 19:42 Page 175

176

последнее время активизируются работы по

разведке и освоению новых нефтяных и газо-

вых месторождений в Архангельской, Мурман-

ской, Тюменской областях и в Республике Коми.

Планируется строительство новых промышлен-

ных, гражданских и транспортных комплексов.

Однако, освоение этих регионов сопряжено с

большими затратами и техническими трудностя-

ми, которые обусловлены сложными инженерно-

геологическими условиями и, в частности, рас-

пространением на поверхности многолетнемерз-

лых торфяных массивов.

Необходимо изучение состава, строения, физи-

ко-механических свойств, температуры грунтов в

массивах, разработка моделей формирования на-

пряженно-деформированного состояния (НДС)

грунтов в основании конкретных сооружений, а

также методов инженерно-геологических иссле-

дований многолетнемерзлых торфяных массивов.

Торфяные массивы на территории криолитозо-

ны представлены, в основном, четырьмя морфо-

логическими типами: полигональными, бугри-

стыми, кочковатыми и грядово-мочажинными,

из которых первые два находятся в многолетне-

мерзлом состоянии [1]. Распространение полиго-

нальных торфяных массивов характерно для са-

мых северных районов. Так, на севере полуостро-

вов Ямал и Гыдан мощность торфа плоскополиго-

нальных и валиково-полигональных торфяных

массивов достигает 1,5-2,0 м. Бугристые торфя-

ные массивы располагаются, как правило, южнее

полигональных и характеризуются распростране-

нием крупных торфяных бугров высотой от 0,5-

1,0 до 11-12 м. Они могут иметь различную форму

и площадь до нескольких тысяч квадратных мет-

ров. Среднегодовая температура полигональных и

бугристых торфяных массивов колеблется от 0,0

до -5°С, что говорит о значительной деформируе-

мости таких грунтов под нагрузкой [5].

Строительство на мерзлых торфяных грунтах,

особенно с устройством фундаментов мелкого за-

ложения, вызывает необходимость осторожного

подхода к их использованию. Одним из важней-

ших вопросов проектирования сооружений неф-

тегазового комплекса на таких грунтах является

правильный учет фактора формирования и изме-

нения НДС грунтов в их основании.

Все современные прочностные расчеты горных

пород основываются на двух критериях прочности:

1) критерий прочности по Мору, базирующийся на

законе Кулона; 2) критерий прочности по Боткину.

Трехосные испытания позволяют применять для

оценки прочности горных пород не только теорию

прочности Кулона-Мора, но и октаэдрическую

теорию прочности Мизеса-Боткина.

Доказано, что в рамках октаэдрической теории

прочности Мизеса-Боткина деформируемость и

прочность мерзлых торфяных систем в предель-

ном состоянии существенно зависит от вида НДС

по параметру Лодэ µ

, (рис. 1), что не учитывает

теория прочности Кулона-Мора (рис. 2) [2, 6].

Поэтому вопрос прогнозирования и моделирова-

ния видоизменения НДС пластично-мерзлого

торфяного основания конкретных сооружений в

настоящее время является особо актуальным.

В качестве примера зависимости вида НДС от

различных факторов рассмотрено влияние техноло-

гии строительства дороги на торфяном грунтовом

основании. На рис. 3 представлена схема отсыпки

дорожной насыпи, из которой видно, что в зависи-

мости от способа отсыпки насыпи по полосам, со-

ответственно, изменяется параметр вида НДС .

Применительно к строительству дорог на тор-

фяном основании с учетом разработанного ново-

го способа возведения насыпи по полосам и с уче-

том фактора промерзания и оттаивания основа-

ния, в качестве основной модели выбирается

штамп и его работа на упругопластичном основа-

нии (рис. 4). В зависимости от технологии строи-

тельства задается и соответствующий тип штампа:

штамп с кольцевым пригрузом, кольцевой штамп,

собственно штамп.

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ПЛАСТИЧНО-

МЕРЗЛОГО ОСНОВАНИЯ НЕФТЕГАЗОВЫХ

СООРУЖЕНИЙ ПРИ ИХ ИНЖЕНЕРНО-

ГЕОЛОГИЧЕСКОМ ОБСЛЕДОВАНИИ

Трофимов В.И.

ТГТУ, Тверь

Sbornic_New_1 01/12/2008 19:42 Page 176

177

Перспективы развития инженерных изысканий в Российской Федерации

Рис. 1. Зависимость между октаэдрическими

напряжениями при соответственно: 1 – µ

= -1,

2 – µ

= 0, 3 – µ

= +1

Рис. 2. Зависимость предельного напряжения

сдвигу от нормального напряжения: 1 – σ

> σ

= σ

= const, 2 – µ

= -1, 3 – µ

= 0, 4 – µ

= +1

Рис. 3. Варианты технологии отсыпки дорожной насыпи: а) моделирование НДС в основании насыпи;

б) отсыпка насыпи в летнее время; в) отсыпка насыпи в зимнее время. 1 – центральная полоса; 2 –

крайние полосы

Рис. 4. Полевое моделирование работы дорожной насыпи: а) работа штампа с кольцевым

пригрузом; б) работа кольцевого штампа; в) работа собственно штампа. 1 – штамп; 2 – кольцевой

пригруз

Sbornic_New_1 01/12/2008 19:42 Page 177

Для моделирования отдельных случаев дефор-

мирования торфяного основания дорожной на-

сыпи, с учетом изменения его НДС, предлагается

лабораторная модель с регулируемой вязкостью

моделируемых слоев (рис. 5).

На рис. 6 (а, б, в) представлен пример цикличе-

ского изменения НДС грунта в основании резер-

вуара при его загрузке и разгрузке. В реальных ус-

ловиях деформирования основания под нагруз-

кой центр тяжести куба напряжений, вписанного

в активную зону деформирования, будет все вре-

мя перемещаться в направлении действия соглас-

но технологии заполнения и разгрузки нефтес-

борника. Это обстоятельство несколько искажает

лабораторную модель трехосных испытаний (рис.

6б) А.Л. Крыжановского. Другая известная мо-

дель трехосных испытаний (рис. 6в), предложен-

ная И.М. Васильевым и Л.Н. Синяковым, будет

еще в большей степени неадекватно воспроизво-

дить НДС рассматриваемого сооружения.

Центр тяжести – точка А – модельного образца

в процессе его нагружения смещается по диагона-

ли в плоскости N-N (рис. 6в), что приводит к воз-

никновению в нем дополнительных касательных

напряжений и, соответственно, к искажению дей-

ствительного поля НДС. Все это необходимо учи-

тывать при назначении траектории нагружения в

процессе моделирования работы основания кон-

кретного сооружения.

Другой пример видоизменения НДС в процессе

строительства или реконструкции нефтесборника

представлен на рис. 7. НДС основания может видо-

изменяться от µ

= -1 (рис. 7а) до µ

= +1 (рис. 7б).

При этом, важное значение имеет технология

178

МАТЕРИАЛЫ III ВСЕРОССИЙСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ

Рис. 5. Лабораторное моделирование работы дорожной насыпи: а) работа комбинированного

штампа; б) моделирование работы в условиях сжатия-растяжения; в) моделирование

компрессионного сжатия. 1 – обойма; 2 – эластичная оболочка с модельной жидкостью; 3 –

кольцевая цилиндрическая эластичная оболочка с модельной жидкостью; 4 – образец грунта; 5 –

штамп; 6 – кольцевой пригруз; 7 – опорная балка

Рис. 6. Схемы деформирования грунта в основании резервуара (а) и в условиях трехосного сжатия (б, в)

Sbornic_New_1 01/12/2008 19:42 Page 178

строительства. Например, если строительство

нефтяных резервуаров ведется одновременно

(рис. 7б) или в разное время, то и поле НДС актив-

ной зоны деформирования в основании сооруже-

ния на глубине h будет формироваться неодно-

значно: равномерное (однородное) для случая

симметричного возведения резервуаров и нерав-

номерное (неоднородное) для случая несиммет-

ричного возведения резервуаров, т.е. процесс ви-

доизменения НДС основания сооружения сопро-

вождается изменением как объема активной зоны

деформирования, так и её формы. При этом изме-

нение формы активной зоны деформирования

приводит к усложнению операции её оконтурива-

ния (замера напряжений в выбранных точках) и,

соответственно, определения вида НДС этой зоны

и дальнейшего трехосного моделирования про-

цесса деформирования образца грунта в условиях

объемно-напряженного состояния.

До последнего времени прогноз, контроль и мо-

делирование изменения вида НДС в основаниях

сооружений в инженерно-геологической практике

практически не производился. В связи с этим

предложена новая методика оценки НДС грунта и

модель основания по расчету его напряженности

(рис. 8) [3, 7]. Методика оценки НДС грунтового

основания базируется на его сейсмоакустическом

просвечивании. При этом просвечивание осущест-

вляют одновременно в двух точках массива грунта

на одной глубине – одно за пределами сооруже-

ния, другое под сооружением 1. Для этого бурятся

три пары скважин, по две для каждой точки. В

свою очередь, точки наблюдений находятся в цен-

тре пространства между скважинами, образующи-

ми форму куба. Полученные значения средних

главных напряжений для двух точек сравнивают и

по их разнице рассчитывают параметр Лодэ µ

, ха-

рактеризующий вид напряженного состояния.

= 2 σ

∠ σ

/ σ

∠ σ

, (1)

где σ

, σ

– главные напряжения, действу-

ющие по граням куба.

Зная значения главных напряжений: σ

, σ

в различных точках грунтового основания оконту-

ривают активную область деформирования 3, ис-

пользуя, например, для этого критерий Цытовича

Н.А.: σ

≤

стр

, где σ

– нормальное напряжение,

действующее на глубине z в основании резервуара

в направлении главного напряженияσ

; σ

стр

–

структурная прочность грунтовой среды. Затем, в

активной зоне деформирования 3 основания со-

оружения 1 выделяют точки, расположение кото-

рых соответствует наибольшему объему, близкому

179

Перспективы развития инженерных изысканий в Российской Федерации

Рис. 7. Схема видоизменения напряженного состояния в процессе строительства или реконструкции

сооружения (симметричное нагружение): а) схема деформирования основания одним резервуаром;

б) схема деформирования основания линейно установленными резервуарами; в) схема

напряженного состояния в основании одного резервуара; г) схема напряженного состояния в

основании линейно установленных резервуаров

Sbornic_New_1 01/12/2008 19:42 Page 179