Динамическая устойчивость массивов дисперсных грунтов и управление ею при функционировании нефтегазопромысловых сооружений (на примере месторождений Среднего Приобья)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

УДК 624.131.4

Динамическая устойчивость массивов дисперсных грунтов и управление ею при функционировании нефтегазопромысловых сооружений (на примере месторождений Среднего Приобья)

специальность 25.00.08 «Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

Коваленко Владимир Георгиевич

МОСКВА 2008

Работа выполнена в отделе инженерных изысканий «НижневартовскНИПИнефть», ОАО НИЦ «Нефтегаз», Тюменском Государственном Нефтегазовом Университете, ОАО «НК «Роснефть», на кафедре инженерной и экологической геологии геологического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук, профессор

Вячеслав Николаевич Соколов

доктор технических наук, профессор

Владимир Давидович Казарновский

доктор физико-математических наук

Александр Степанович Алешин

Ведущая организация: ОАО «ПНИИИС»

Защита диссертации состоится 18 апреля 2008 года в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 501.001.30 в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В. Ломоносова, геологический факультет, аудитория № 415.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультета МГУ - зона “А” главного здания, 6 этаж.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 119991, ГСП-1, г. Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В. Ломоносова, геологический факультет, ученому секретарю диссертационного совета Л.Т. Роман.

Автореферат разослан 18 марта 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор геолого-минералогических наук,

профессор Л.Т. Роман

Общая характеристика работы

Работа посвящена решению важной и сложной проблемы современной инженерной геологии - оценке динамической устойчивости массивов дисперсных грунтов, испытывающих воздействие длительных вибрационных нагрузок. Эта научная проблематика охватывает целый ряд специальных вопросов, включающих:

· закономерности формирования полей вибрации в массивах грунтов вблизи промышленных и транспортных источников,

· методические пути моделирования этих воздействий в эксперименте,

· природу и закономерности реакции грунтов на динамические нагрузки с учётом квазитиксотропных эффектов и виброползучести,

· вопросы методики оценки динамической устойчивости грунтов в условиях их естественного залегания,

· оптимизацию инженерно-геологических изысканий,

· типизацию массивов дисперсных грунтов разного состава и состояния,

· возможности управления реакцией массивов грунтов на динамические нагрузки.

В связи с этим, основное содержание работы заключается в исследовании природы и закономерностей поведения массивов дисперсных грунтов в условиях динамических нагрузок от сооружений нефтегазодобывающих и транспортных комплексов на примере обширной территории в Среднем Приобье, охватывающей площади целого ряда месторождений углеводородов, в том числе и крупнейшего в России - Самотлорского. В работе на основе собственных исследований автора выполнена инженерно-геологическая типизация широкого спектра грунтов и грунтовых толщ, проведена количественная оценка их реакции на возможные динамические нагрузки и предлагается принципиально новый и практически перспективный методический подход к оценке динамической устойчивости массивов грунтов на основе оптимального сочетания высокоточных лабораторных испытаний с хорошо обоснованными в нормативных документах полевыми методами инженерно-геологических изысканий. Высокая информативность и полезность предложенного подхода доказываются экспериментально на основе новых инженерных решений, внедренных в практику изысканий.

Актуальность проблемы, решению которой посвящена данная работа, обусловлена следующими главными причинами.

1. В современной инженерной геологии динамическая устойчивость массивов грунтов является слабо изученной областью, в связи с чем новый экспериментальный материал о закономерностях и особенностях ее формирования и проявления весьма важен и интересен как для понимания главнейших факторов, определяющих и свойства массива, и его поведение при взаимодействии с инженерными сооружениями, так и для дальнейшего развития теоретической базы грунтоведения в целом. Неоднократно отмечаемые в специальной литературе случаи заметного расхождения наблюдаемой реакции массивов грунтов на динамические нагрузки с прогнозируемой на основании высококачественных и часто весьма сложных лабораторных экспериментов на образцах подтверждают высокую актуальность этого направления научных исследований.

2. Несмотря на обширный опубликованный материал о закономерностях поведения различных грунтов при динамических воздействиях, в мировой практике инженерно-геологических изысканий отсутствует общепринятый методический подход к оценке динамической устойчивости грунтов в условиях их естественного залегания. Это не позволяет перейти к изучению ряда важных закономерностей поведения массивов грунтов в полях вибраций разной интенсивности, выявить влияние таких факторов как литологическая, плотностная и влажностная неоднородность массивов, их напряженное состояние, а также упругих и демпфирующих свойств на их динамическую устойчивость. Между тем, изучение динамических свойств грунтов в образце неминуемо игнорирует ряд важных факторов, например, естественное напряженное состояние, поскольку надежное определение его характеристик для целей корректного проведения лабораторных испытаний чрезвычайно затруднительно. Поэтому практически невозможно использование образцов «ненарушенного сложения» в точном значении этого понятия. Существующие же технические решения для проведения динамических испытаний грунтов в массиве крайне трудоемки, дорогостоящи и не охватывают весь возможный круг инженерных задач, при решении которых требуется прямая оценка устойчивости грунтов при динамических нагрузках.

3. Проблема надежной оценки динамической устойчивости грунтов в массиве остается чрезвычайно актуальной в целом, но для проектирования и строительства нефтегазодобывающих сооружений она сегодня стоит особенно остро. Работа компрессорных и газлифтных станций, многочисленного нефтегазоперекачивающего и нагнетательного оборудования, локальных и магистральных нефтесборных трубопроводов, водоводов высокого давления, движение тяжелого транспорта, работа строительного оборудования формирует часто значительное по интенсивности и сложное по структуре вибрационное поле в массивах грунтов, служащих естественным основанием всех перечисленных сооружений. Дополнительные значительные сложности возникают при проектировании и эксплуатации объектов нефтегазодобычи в сейсмически активных районах и на морских акваториях, где они подвергаются циклическим ветровым, волновым, а также ледовым нагрузкам. Примеры печальных последствий, вызванных динамической неустойчивостью грунтов в основаниях зданий и сооружений бесчисленны. Известны, однако, и успешные случаи использования динамической неустойчивости грунтов в ряде геотехнических технологий. Так, при забивке свай учитывают тиксотропное разупрочнение слаболитифицированных глинистых грунтов и последующее “засасывание” свай во время “отдыха”, при вибропогружении - разжижение водонасыщенных песков. При использовании электроразрядной геотехнической технологии устройства набивных свай и других фундаментных конструкций вблизи стенки скважины возникают высокие гидродинамические давления импульсного типа, что требует корректной оценки реакции грунтов основания на такие воздействия.

4. В связи с тем, что основной объем добычи углеводородов на территории России сосредоточен в Западной Сибири, где с поверхности широко распространены слаболитифицированные высокоувлажненные дисперсные грунты преимущественно водного генезиса, служащие основаниями всех сооружений нефтегазодобывающих комплексов (НГК), проблема оценки динамической устойчивости грунтов именно этой территории настоятельно требует научно обоснованного и технически осуществимого решения. Одним из наиболее освоенных в этом отношении районов Западной Сибири, испытывающим высокую техногенную нагрузку от НГК, является Среднее Приобье, на территории которого в настоящее время разрабатывается свыше 50 нефтегазовых месторождений. Это обосновывает высокую актуальность решения проблемы динамической устойчивости грунтов в массиве именно для этой территории.

Важнейшей областью нефтегазодобычи в Среднем Приобье является территория Нижневартовского нефтегазоносного района, расположенная в пределах Аган-Вахского междуречья на правобережье Оби и включающая более десятка месторождений (Тюменское, Мегионское, Черногорское, Гунъёганское, Варьёганское, Тагринское, Ватинское, Нижневартовское, Ершовое, Хохряковское и др.), в том числе и крупнейшее в России - Самотлорское. Поэтому именно эта обширная территория была выбрана для разработки и тестирования нового подхода к оценке динамической устойчивости дисперсных грунтов в массиве. Работы выполнялись на ряде месторождений Нижневартовского нефтегазоносного района - Самотлорском, Хохряковском, Нижневартовском, Ершовом, но в ней использованы и материалы, полученные в пределах и других месторождений Среднего Приобья- Талинского, Приобского, Приразломного.

Цель работы. Основная цель работы заключается в новом решении актуальной проблемы инженерной геологии - надежной оценке динамической устойчивости грунтов в условиях естественного залегания на основе сочетания методов, доступных в практике инженернгеологических изысканий в России, с привлечением инновационного энергетического подхода к решению задач современной динамики грунтов и применительно к крупной территории, испытывающей высокую динамическую нагрузку от сооружений нефтегазодобывающих комплексов - Нижневартовскому нефтегазоносному району, что определяет ее большое научно-практическое значение.

Для достижения поставленной цели в работе были поставлены следующие основные задачи:

Изучить и обобщить опубликованный и фондовый материала по всем аспектам проблемы в основном за последние 40 лет.

Исследовать влияние параметров динамической нагрузки, природного напряженного состояния грунтов и их состава на особенности реакции массивов дисперсных грунтов на динамические нагрузки и сформулировать общие требования к методике исследований для получения однородных и воспроизводимых данных.

Разработать общий методический подход к оценке динамической устойчивости массивов дисперсных грунтов, включающий: а) определение наиболее перспективной комбинации полевых и лабораторных исследований динамической устойчивости грунтов, б) обоснование соотношения между получаемыми с их помощью показателями на основе практической оценки динамической устойчивости реальных массивов разных дисперсных грунтов.

Провести систематические экспериментальные полевые и лабораторные исследования различных грунтов, развитых на территории Нижневартовского нефтегазоносного района, для выявления закономерностей их динамической деформируемости и прочности.

Провести прямые экспериментальные определения динамических нагрузок от объектов нефтегазодобывающих комплексов в массивах грунтов.

Выполнить анализ и обобщение собранного фактического материала.

Определить перспективные пути управления динамической устойчивостью массивов дисперсных грунтов рассматриваемой территории с учетом установленных закономерностей.

Новизна решения поставленных задач заключается в использовании принципиально нового инновационного подхода, который позволяет непосредственно использовать фундаментальные энергетические параметры процесса в качестве практических критериев деформирования грунтов в массиве и не имеет аналогов в мире.

В работе обосновываются и выносятся на защиту следующие 5 основных положений.

1. Пространственно-временная плотность полей вибрации на территориях нефтегазовых промыслов Среднего Приобья характеризуется высокой неоднородностью и определяется взаимодействием всех существующих на них источников динамических нагрузок, размеры зон влияния которых достигают 80-100 м в плане на поверхности массивов грунтов и 15-16 м по глубине. При этом величина удельной энергии воздействия, поглощаемой массивами грунтов при распространении колебаний от различных объектов, может быть оценена на основе экспериментально определяемых показателей поглощения и измеренных параметров волн напряжений, что открывает возможность непосредственного применения энергетических критериев для характеристики динамической устойчивости грунтов в массиве.

2. Создан новый методический подход к оценке динамической устойчивости массивов дисперсных грунтов на основе сочетания методов, использующихся в практике инженерно-геологических изысканий в России, в комплексе с высокоточными лабораторными динамическими испытаниями на образцах. Преимущества этого оптимального в современных условиях методического приема заключаются: а) в простоте применения, б) в возможности получения научно обоснованной оценки динамической устойчивости грунтов в массовом порядке простыми, относительно дешевыми методами, обоснованными российскими стандартами: по данным статического зондирования и влажностью верхнего предела пластичности, в) в возможности выделения в разрезе массивов динамически чувствительных разностей дисперсных грунтов и прогнозной оценки последствий их динамической неустойчивости без отбора образцов и без проведения специальных видов лабораторных или полевых работ.

3. Установлено, что в околосвайном пространстве фундаментов нефтепромысловых сооружений с динамическими нагрузками в массиве грунта существует определенная зона разупрочнения, размер которой в зависимости от параметров вибраций оборудования и свойств грунтов составляет от 5 до 8 диаметров отдельной висячей сваи. Это обуславливает неизбежное перекрытие зон разупрочнения соседних свай в группе, в связи с чем массив грунтов, включающий такой фундамент на висячих сваях, характеризуется пониженной несущей способностью.

4. Установлено, что дисперсные грунты территории Нижневартовского нефтегазоносного района заметно различаются по своей динамической устойчивости, при этом в пределах верхних 4 м их массивов широко распространены разности, характеризующиеся невысокой энергоемкостью динамического деформирования, что требует учета прогнозных значений деформаций основания, вызываемых собственно динамическими усилиями от нефтепромыслового и перекачивающего оборудования, которые могут быть существенными при практически непрерывной работе этих машин в течение 10-20 лет.

5. Разработана принципиально новая карта динамической устойчивости грунтовых толщ Нижневартовского нефтегазоносного района, которая может использоваться для рационального размещения нефтепромысловых объектов и выбора мероприятий по управлению динамической устойчивостью массивов дисперсных грунтов, включающие как инженерно-технические, так и инженерно-геологические направления.

Научная новизна работы

1. Получены новые данные о количественных характеристиках динамических нагрузок, генерируемых в массивах грунтов нефтегазопромысловыми сооружениями, на основании которых выполнена прямая оценка энергии воздействия на массивы грунтов в основании этих сооружений.

2. Разработан новый методический подход к оценке динамической устойчивости дисперсных грунтов в массиве на базе полевых методов, применяющихся в современной практике инженерно-геологических изысканий. Он позволяет выделять динамически чувствительные разности дисперсных грунтов в разрезе массивов; прогнозировать снижение их физико-механических показателей в зависимости от интенсивности воздействия; оценивать возможные деформации основания в результате динамических нагрузок от работающего нефтепромыслового оборудования и проходящего транспорта на разных стадиях эксплуатации сооружений.

3. Показано, что энергетические критерии динамической устойчивости массивов грунтов могут быть надежно установлены экспериментально на основе результатов их статического зондирования с учетом некоторых стандартно определяемых характеристик.

4. Получены новые данные о количественных характеристиках динамической устойчивости дисперсных грунтов крупной территории в Среднем Приобье - Нижневартовского нефтегазоносного района.

5. Экспериментально показано существование зоны разупрочнения в массивах глинистых грунтов при динамических нагрузках от свайного фундамента, установлены размеры этой зоны и показана их зависимость от размера сваи и строения массива.

6. Разработана новая региональная классификационная схема выделения в массиве разновидностей дисперсных грунтов по результатам статического зондирования, позволяющая проводить расчленение разреза при инженерно-геологической разведке с большей надежностью и детальностью, выявляя элементы с потенциально разной чувствительностью к динамическим воздействиям.

7. Разработана новая карта грунтовых толщ района, которая может использоваться для локализации участков развития динамически чувствительных грунтов, оптимального размещения нефтепромысловых объектов и для выбора рационального сочетания управляющих мероприятий применительно к разным массивам дисперсных грунтов в зависимости от уровня их динамической устойчивости.

Практическая значимость работы заключается:

1) в создании нового методического подхода, позволяющего оценивать динамическую устойчивость грунтов в массиве по данным полевых измерений методами статического и сейсмического зондирования и их статистически обоснованных корреляционных связей с энергетическим критериями динамической деформируемости и прочности грунтов;

2) в совершенствовании методики инженерно-геологических изысканий, определяющей оптимальный набор необходимых исследований для оценки динамической устойчивости грунтов в массиве;

3) в доказательстве существования зоны разупрочнения в массивах грунтов вокруг стержневой конструкции (например, сваи), являющейся источником динамического воздействия, а также ее размеров, что существенно для проектирования фундаментов, принятых на территории Среднего Приобья;

4) в разработке новой классификации грунтовых толщ территории Нижневартовского нефтегазоносного района, учитывающей вариации их состояния во времени, которая может использоваться при крупномасштабной типизации инженерно-геологических условий этого района нефтегазодобычи для гражданского и нефтепромыслового строительства;

5) в разработке новой региональной схемы расчленения массивов дисперсных грунтов по данным статического зондирования, которая в силу своей высокой представительности (несколько тысяч частных определений показателей состава и свойств) и надежной статистической обоснованности может использоваться в изысканиях (для корректного выделения типа грунта по данным статического зондирования), а также для разработки и совершенствования региональных нормативных документов;

6) в создании карты динамической устойчивости грунтовых толщ и подхода к ее разработке, которая может использоваться для рационального размещения нефтепромысловых объектов и выбора мероприятий по управлению динамической устойчивостью массивов дисперсных грунтов.

7) в разработке инженерно-геологических и инженерно-технических мероприятий по управлению динамической устойчивостью массивов дисперсных грунтов Нижневартовского нефтегазоносного района.

Внедрение результатов работы. Предлагаемый методический подход и результаты исследований, положенные в основу настоящей работы, внедрены в разные годы Приобским НМЦИСИЗом, НижневартовскНИПИнефть, ООО «Фатум» и другими изыскательскими и проектными организациями в практику инженерных изысканий под газлифтные и компрессорные станции, автодороги, нефте- и газопроводы, водоводы высокого и низкого давления и прочие сооружения нефтегазовых промыслов на территориях Самотлорского, Хохряковского и Талинского месторождений в Среднем Приобье.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения и 3 основных частей, включающих 9 глав, в которых последовательно описываются динамические воздействия промысловых и транспортных сооружений месторождений нефти и газа и их влияние на устойчивость массивов дисперсных грунтов, дается характеристика принятого методического подхода и методов исследования, объекта исследований, анализируются полученные результаты и формулируются возможные подходы к управлению динамической устойчивости массивов грунтов рассматриваемой территории. Работа изложена на 340 листах, текст сопровождается 62 таблицами и 134 рисунками. Диссертация завершается выводами и списком цитированной в тексте отечественной и зарубежной литературы из 210 наименований.

Общая характеристика использованного материала и личный вклад автора.

Основные положения работы и ее выводы основываются на результатах научных исследований автора по данной проблематике с 1984 года. Общее количество проведенных испытаний не поддается точному подсчету. Объем выборки, положенной в основу полученных выводов, составляет несколько тысяч частных значений, что позволяет рассматривать ее в качестве генеральной совокупности. Теоретическая, экспериментальная и аналитическая части исследования выполнены лично автором или при его непосредственном участии в отделе инженерных изысканий института НижневартовскНИПИнефть, ОАО НИЦ «Нефтегаз», Тюменском государственном нефтегазовом университете, ОАО «НК «Роснефть», а также в лабораториях кафедр инженерной и экологической геологии МГУ им. М.В. Ломоносова и геотехники Норвежского университета науки и технологии (NTNU, Тронхейм). Основные положения диссертации опубликованы в 26 работах, в том числе в двух монографиях (1 в соавторстве), одном учебном пособии (в соавторстве) и 23 статьях в отечественных журналах, в том числе 8 - в журналах, рекомендованных ВАК России для публикации основных положений диссертаций на соискание ученой степени доктора наук.

Автор глубоко благодарен В.Т. Трофимову, В.Я. Калачеву, Е.А. Вознесенскому, Е.Н. Самарину, М.Л. Владову, М.Ю. Калашникову, А.В. Бершову, С.И. Грачеву, В.И. Шабунину, Е.С. Кушнаревой, Ф.А. Проворову и Д.В. Лагонской за постоянную и плодотворную помощь при выполнении исследований.

В 1998-2001 исследования по этой проблеме поддерживались грантом INTAS (Open 97-1493), в котором автор являлся соруководителем.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Часть 1. Закономерности формирования полей динамических нагрузок в массивах грунтов оснований промысловых и транспортных сооружений на месторождениях нефти и газа

Первая часть работы состоит из двух глав, в которых анализируются закономерности формирования полей динамических нагрузок в массивах дисперсных грунтов на месторождениях нефти и газа. В главе 1 рассмотрены основные источники динамических нагрузок на грунты в пределах нефтегазодобывающих комплексов - площадные (компрессорные и насосные станции), связанные с работой мощного высокочастотного оборудования, и линейные - автодороги и трубопроводы разного назначения. Эти сооружения создают постоянно существующее вибрационное поле разной интенсивности при концентрации полей напряжений вблизи пунктов сбора и перекачки нефти, насосных и компрессорных станций. Между тем, сейсмический фон этих участков нефтегазопромыслов пока еще плохо изучен, и поэтому в нашей работе было уделено особое внимание изучению техногенных вибраций в массивах прилегающих грунтов.

На территории месторождений Среднего Приобья нефтепромысловые сооружения с динамическими нагрузками, в том числе и наиболее интенсивными - газлифтные компрессорные станции, устанавливаются преимущественно на совмещенных массивных и рамных фундаментах на висячих сваях при расположении свай в группах на таком расстоянии, когда их динамическая реакция определяется в том числе и влиянием соседних свай. При таких конструкциях фундаментов основными излучателями волн напряжений в грунты основания служат сваи, и на первый план выходит характер динамической работы свай в группе.

Магистральные и локальные трубопроводы, вибрационные поля которых совершенно не исследованы, можно рассматривать в рамках тех же аналитических решений, что и свайные фундаменты, представляя их горизонтальной стержневой системой, находящейся под действием нагрузок от собственного веса, перекачиваемой жидкости, перепадов температур, грунтов обратной засыпки, а также балластных и фиксирующих устройств разной конструкции. При этом факторы, влияющие на динамическую реакцию свайных фундаментов и трубопроводов во многом совпадают.

Показано, что при анализе динамики как свайных и совмещенных фундаментов на сваях, так и трубопроводов, следует учитывать формирование вокруг каждой сваи или участка трубы зоны разупрочнения грунта, размеры которой и их зависимость от глубины до сих пор никем не были оценены. В связи с этим еще одной задачей нашего исследования было экспериментальное изучение зоны разупрочнения в массиве грунтов вокруг стержневой конструкции, являющейся источником динамического воздействия - типичного случая для фундаментов, принятых на территории Среднего Приобья.

Еще одним важнейшим источником вибрационных воздействий на территориях нефтегазовых месторождений является транспорт. Сведения о структуре и параметрах волн напряжений от транспорта в пределах нефтегазовых месторождений, которые могут обладать определенными особенностями по сравнению с другими автомагистралями, в опубликованной литературе отсутствуют, а поэтому любые данные их непосредственных измерений представляют большой интерес. В результате действия транспортных вибраций в массивах грунтов в непосредственной близости от автодорог возможно накопление деформаций, существенных для расположенных на этих грунтах различных сооружений. В связи этим принципиальное значение имеет правильное определение ширины зоны ощутимого влияния (в терминах скоростей колебаний грунтов или генерируемых дополнительных напряжений в грунтах) автодорог на территориях нефтегазопромыслов, где учет действия транспортных вибраций необходим. Поэтому оценка размеров этой зоны составляет одну из задач данной работы.

Исходя из опубликованных отрывочных данных и общих соображений о закономерностях распространения волн напряжений в реальных средах, можно обозначить следующие основные эффекты, имеющие место при переходе вибраций из фундамента в грунты основания: 1) спектральные максимумы колебаний смещаются в строну более низких частот, при наличии в исходном спектре возбуждения гармоник высокой частоты, они могут и просто выпадать из результирующего колебания в массиве; при квазигармоническом возбуждении частотный состав волны на границе фундамент/грунт не меняется; 2) амплитудные значения основных параметров колебания (виброскорости, ускорения) снижаются: это происходит в результате отражения части энергии от границы раздела сред с разными акустическим жесткостями (фундамент/грунт) и за счет распределения энергии воздействия между волнами разного типа, распространяющимися от этой границы в полубесконечной среде; 3) поскольку конструктивные элементы фундамента представляют из себя отражающие и преломляющие границы сред с разными акустическими жесткостями, то преобразование волн напряжений наиболее заметным образом происходит между элементами свайного фундамента; 4) изменение характера отражающих и преломляющих границ в системе фундамент/грунт может существенным образом изменить структуру и интенсивность поля напряжений техногенных вибраций, генерируемых сооружениями нефтегазодобывающих комплексов. Все эти эффекты следует принимать во внимание как при изучении поля вибраций нефтегазопромысловых сооружений, так и при разработке мер по управлению динамической устойчивостью массивов дисперсных грунтов в их основаниях.

В главе 2 анализируются имеющиеся данные об особенностях реакции дисперсных грунтов Среднего Приобья на динамические воздействия. Этим вопросам были посвящены работы В.Т. Трофимова, А.П. Мартынова, И.С. Бочаровой, Л.А. Горницкой, Г.Г. Зубкович, Р.С. Зиангирова, В.Н. Кутергина, Е.А. Вознесенского, В.Я. Калачева, В.Г. Коваленко, С.Д. Ефременко и др. Эти данные свидетельствуют о том, что породы региона могут терять от 5-10 до 80-95% первоначальной прочности, переходя в ряде случаев в разжиженное состояние. Степень разупрочнения грунтов Среднего Приобья подчиняется в целом описанным в специальной литературе закономерностям и для других связных грунтов и определяется двумя основными группами факторов: 1) параметрами внешнего динамического воздействия, 2) составом, строением и свойствами самого грунта. Так, разупрочнение грунтов региона закономерно возрастает по мере увеличения амплитуды и ускорения колебаний в связи с повышением энергии вибровоздействия, которое вызывает разрушение все более прочных связей, тогда как единого мнения по поводу влияния частоты вибрации на разупрочнение глинистых грунтов в настоящее время нет. Для ряда грунтов Среднего Приобья при участии автора установлено, что наибольшее разупрочнение верхнечетвертичных и голоценовых грунтов разного генезиса наблюдается при частоте около 20 Гц, что, вероятно, связано со специфическими особенностями структуры природных глинистых грунтов как среды распространения упругих колебаний.

Разбирая влияние дисперсности, влажности и содержания органического вещества на тиксотропное разупрочнение четвертичных грунтов Западной Сибири, отмечается, что результаты, полученные разными авторами, чаще всего практически несопоставимы и не согласуются между собой, так как нельзя сравнивать интегральные системы - природные грунты - по одному-двум параметрам. Необходим многофакторный анализ, основывающийся на статистических зависимостях.

Более подробно изучено влияние влажности на разупрочнение грунтов при вибрации. Роль различных видов воды в глинистых грунтах, ее влияние на их тиксотропные свойства были в основном рассмотрены уже в 60-х годах в работах Б.М. Гуменского. Многие исследования показали, что интенсивное тиксотропное разупрочнение начинается только при естественной влажности, превышающей предел раскатывания, и возрастает с ее увеличением. Другими авторами установлено, что увеличение влажности ускоряет процесс тиксотропного разупрочнения и для каждого грунта существует определенное ее значение, при котором отмечается максимальное его относительное разупрочнение при данных параметрах вибрации. А иногда зависимость разупрочнения грунта от его влажности в ряде случаев носит и более сложный характер.

Особенности тиксотропного восстановления природных глинистых грунтов Западной Сибири, структура которых была нарушена при динамическом воздействии, изучены еще слабо. В процессе восстановления природных грунтов их прочность, как правило, превышает исходную на 6-25%. Этот эффект четко выражен, что объясняется структурной перестройкой, изменением параметров порового пространства, увеличением количества контактов, а также эффектом «вибрационного упрочнения», что приводит к образованию более равномерно упакованной и устойчивой структуры. Необходимо отметить, что в грунтах ненарушенного сложения отдачи влаги обычно не происходит, так как она имеет возможность полностью перераспределиться в условиях неполного, хоть и высокого по величине, водонасыщения грунта. В связи с тем, что механизм процессов разупрочнения и восстановления природных глинистых грунтов не полностью соответствует сложившимся на сегодняшний день представлениям о поведении идеальных тиксотропных систем (отсутствие «мгновенного» упрочнения, повышение прочности в ходе восстановления выше исходной, формирование более устойчивой к вибрации структуры), то Е.А. Вознесенским с соавторами (1985) предложено считать их квазитиксотропными дисперсными системами.

Исходя из выполненного в первой части работы анализа опубликованной литературы, определены 4 основных направления дальнейшего изучения динамических свойств дисперсных грунтов этого региона. Каждое из них включает ряд теоретических и экспериментальных исследований, решение которых представляет актуальную научно-практическую задачу. Первое направление - совершенствование лабораторных и особенно полевых методов изучения, что позволит получить надежный и, главное, сопоставимый фактический материал для значительных площадей территории Западной Сибири. Второе направление - проведение значительного количества корректных лабораторных экспериментов на грунтах ненарушенного сложения для выяснения влияния внешних и внутренних факторов на разупрочнение и восстановление грунтов и их взаимовлияния. Третье направление - исследование закономерностей разупрочнения и восстановления дисперсных грунтов Западной Сибири в массивах с помощью полевых методов. Это направление имеет огромнейшее практическое значение и требует быстрейшего развития и внедрения. И четвертое - изучение возможностей управления тиксотропными изменениями грунтов, в первую очередь - разработка надежных методов снижения величины их разупрочнения при динамических воздействиях.

Часть 2. Методы и методика изучения динамической устойчивости грунтов и их массивов

Вторая часть диссертации включает две главы, в которых описаны существующие и применявшиеся методы экспериментальных исследований.

В третьей главе работы проведен анализ и обобщение опубликованного отечественного и зарубежного опыта применения разных зондировочных методов для изучения состава и свойств грунтов в условиях их естественного залегания. Эти вопросы подробно рассматривались в работах А.Я. Рубинштейна, Б.И. Кулачкина, Ю.Г. Трофименкова, Л.Г. Мариупольского, И.В. Дудлера, Н.В. Замориной, Т.А. Грязнова, Н.Я. Денисова, В.В. Попова, В.И. Лебедева, А.И. Черникова, К.П. Шевцова, П.Л. Иванова, Г.К. Бондарика, Г.Б. Сида, И. Идрисса, П. Робертсона, Р. Кампанеллы, Ван Импа, К. Ишихары, Л. Хардера, Г. Балди, П. де Альба, Т. Шибата, В. Тепаракса, Т. Лунне, Дж. Пауэлла, Т. Старка, С. Ольсена, К. Стокоу, Р. Андруса, Л. Яуда и многих других авторов.

При этом основное внимание в работе было уделено возможностям этих методов по оценке реакции грунтов на динамические воздействия. Высказывается тезис о том, что применение динамического зондирования для оценки динамической устойчивости глинистых грунтов возможно, но требует получения косвенных критериев для рассматриваемой выборки грунтов.

В целом по итогам проведенного анализа самым перспективным для целей нашего исследования среди широко использующихся полевых методов нам представляется статическое зондирование с зондом типа II (зонд с наконечником из конуса и муфты трения, позволяющий раздельно измерять удельное сопротивление грунта под наконечником зонда и на участке боковой поверхности зонда), что обусловлено следующими причинами:

это широко применяющийся в практике российских и зарубежных инженерных изысканий метод;

это метод относительно нетрудоемкий и недорогой, использующийся в значительных объемах при инженерно-геологической разведке;

в зарубежной практике этот метод уже применяется в том числе и для оценки сейсмической разжижаемости грунтов.

Последний момент очень важен, поскольку закладывает основу для непосредственной оценки динамической устойчивости грунтов. В самом деле, ключевым моментом является определение приведенного сопротивления грунта под конусом зонда по данным статического зондирования и индекса типа грунта. Эти характеристики грунта никак не зависят от параметров ожидаемой динамической нагрузки. Дальнейшая задача и заключается в том, чтобы, с одной стороны, ввести в рассмотрение показатель, характеризующий интенсивность динамического воздействия на грунты в массиве, а с другой - получить надежную зависимость между приведенным сопротивлением грунта под конусом зонда и прямой характеристикой его динамической устойчивости. Эту зависимость мы предполагали получить на основе результатов лабораторных динамических испытаний грунтов, применяя разработанный ранее Е.А. Вознесенским (1999) энергетический подход к проблемам динамики грунтов.

В четвертой главе диссертации для решения поставленных в ней задач рассматривается возможность и целесообразность использования как лабораторных, так и полевых методов исследований динамических свойств грунтов.

В основу разработки методики оценки динамической устойчивости грунтов в массиве нами, исходя из анализа состояния вопроса и собственного практического опыта, были положены следующие представления.

1. Использование существующей хорошо разработанной теоретической и аппаратурной базы зондировочных методов изучения грунтов в массиве (статического, динамического и сейсмического зондирования) в комбинации с высокоточными лабораторными динамическими испытаниями на имеющейся в нашем распоряжении аппаратуре. Такой подход в целом соответствует и общим принципам организации инженерных изысканий.

2. Использование разработанного Е.А. Вознесенским (1999, 2000) инновационного подхода, который позволяет непосредственно использовать фундаментальные энергетические параметры процесса в качестве практических критериев деформирования грунтов и не имеет аналогов в мире. Ключевыми идеями этого подхода являются единая энергетическая природа динамического деформирования и разрушения всех грунтов и количественные экспериментально измеряемые энергетические критерии, имеющие четкий физический смысл и зависящие только от состава, строения и состояния грунта.

3. Получение на этой основе научно обоснованной оценки динамической устойчивости грунтов в массовом порядке простыми, относительно дешевыми методами, обоснованными российскими стандартами. Разработка и опробование этой методики должна вестись на серии участков-прототипов эксплуатирующихся и проектируемых сооружений с динамическими нагрузками и автодорог с разным составом и строением земляного полотна.

4. Обеспечение возможности прогнозной оценки последствий динамической неустойчивости грунтов оснований без отбора образцов и без проведения специализированных лабораторных или опытных полевых работ.

Исследования динамической устойчивости грунтов в массиве проводилось на серии участков-прототипов, расположенных в пределах территорий нескольких нефтегазовых месторождений Среднего Приобья. На каждой опытной площадке выполнялся следующий комплекс работ.

1. Статическое зондирование (в двух точках - для повышения надежности данных) на глубину до 12 м, что определялось силовыми возможностями применявшихся установок и разрезом конкретной площадки.

2. Электродинамическое зондирование с помощью ручной установки ЭДЗ-1 с измерением сопротивления погружению зонда и силы тока в грунте вокруг наконечника.

3. Бурение 1-2 скважин с описанием и отбором образцов через каждые 0.5 м для последующих лабораторных исследований: отбирались образцы нарушенного (пески) и ненарушенного сложения (монолиты из глинистых грунтов).

4. Для каждой пробы на месте проводились контрольные определения плотности и влажности грунта.

5. Сейсмическое зондирование для определения скорости поперечных волн в каждом выделенном слое в разрезе массива грунтов с целью сопоставления с результатами зондировочных методов.

6. Кроме того, для оценки полей динамических напряжений от различных источников: тяжелого автотранспорта, нефтедобывающего и перекачивающего оборудования вблизи компрессорных станций и автодорог выполнены специальные сейсмические исследования, включавшие: 1) измерение вибраций по трем компонентам для получения скоростей смещения частиц грунта в сейсмических волнах; 2) малоглубинные сейсмические наблюдения; 3) измерение вибраций в скважинах для определения зависимости интенсивности колебаний от глубины.

7. Наконец, для прямой оценки изменения несущей способности грунтов в массиве при вибрационном воздействии была разработана и применена экспериментальная свая (ЭС-1), предназначенная для изучения влияния динамической нагрузки на прочностные свойства природных грунтов. Кроме этой основной задачи, с помощью сваи ЭС-1 решались другие вопросы, как например, исследование разупрочнения грунтов с тиксотропными свойствами в грунтовых толщах под влиянием увеличения циклов вибронагружения - восстановления ; изучение зоны разупрочнения грунтов вокруг вибрирующего индентора.

Таким образом, для решения поставленных в работе задач был применен комплексный подход на основе сочетания как общепринятых полевых и лабораторных методов исследования грунтов, так и оригинальных авторских разработок в комбинации с новыми энергетическими критериями для решения задач динамики грунтов.

Изучение тиксотропных свойств грунтов in situ сопряжено со значительными трудностями из-за практически полного отсутствия в мировой практике удовлетворительной методики испытаний и конструкций инденторов (свай) для её реализации. В условиях рассматриваемой территории целесообразно было использовать схему передачи динамической нагрузки на массив через индентор, одновременно являющийся измерительным зондом, что и моделирует работу элемента свайного фундамента с динамическими нагрузками. Причем, с целью предотвращения влияния масштабного эффекта размеры индентора должны соответствовать размерам свай в будущих свайных фундаментах, а параметры динамического воздействия на грунт - соизмеримыми с параметрами, возникающими при эксплуатации нефтепромыслового оборудования. Кроме того, такой индентор должен давать возможность измерять прочностные характеристики исследуемых грунтов до вибрации, во время её и после прекращения динамического воздействия.

Такой индентор (экспериментальная свая) разработан и создан автором совместно с В.Я. Калачевым, Г.Л. Мухаметшиным, В.Т. Трофимовым и Е.А. Вознесенским (рис. 1). Эта экспериментальная свая (ЭС-1) предназначена для изучения влияния динамической нагрузки на прочностные свойства природных грунтов. Схема проведения полевых экспериментов со сваей ЭС-1 приведена на рис. 2 и включает:

устройство 10 - 12 метровых анкерных свай и упорной балки, что связано с необходимостью проведения испытаний и погружения экспериментальной сваи;

погружение зонда сваи вместе с трубами при помощи гидродомкрата ДГ-100 с приводом от насосной станции НСР-400. По окончании погружения до заданной глубины на сваю ЭС-I прикладывается вертикальная нагрузка с имитацией части веса нефтепромыслового сооружения, например, газлифтной компрессорной станции, которая изменяется в пределах 2000-7000 кгс. Величина вертикальной нагрузки устанавливается расчетным путем по показаниям удельных лобового и бокового сопротивлений грунта при статическом зондировании установкой С-832 с учетом отношений периметров натурной и экспериментальной свай;

устройство реперной системы для фиксирования положения сваи ЭС-1 относительно анкерных свай;

передачу динамической нагрузки на наголовник сваи с помощью электровибратора ИВ-107, замер бокового и лобового сопротивлений внедрению зонда с помощью контрольно-измерительных приборов, питающихся от аккумуляторной батареи.

грунт промысловый транспортный нефть



Рис. 1. Полевая экспериментальная свая ЭС-1:измерительный узел (1), составной корпус (2, 20, 17), пята (4), шток (5), оголовок (6), пружина (8), упоры (9, 14, 16), втулка (11), ползун (12), винты (13), стопор (15) связан со (5), гайка (18), наголовник (19), тороидальные уплотнители (7, 22, 23).

Для определения величины разупрочнения грунта в массиве индентор (свая ЭС-1) подвергался воздействию вибрации с заданной амплитудой и частотой. Из-за трудоемкости полевых исследований необходимо было тщательно обосновать выбор площадок для натурных наблюдений и экспериментов. Основным критерием обоснования местоположения площадок была принята мощность суглинков, склонных к тиксотропным изменениям. Оценивая применяемые в настоящее время способы получения инженерно-геологической информации по исследованию свойств пород непосредственно в массивах или грунтовых толщах, можно выделить две технологические схемы:

в стенках скважин или горных выработок;

при внедрении в грунтовую толщу специальных зондов, обеспечивающих в процессе их погружения непрерывное получение комплексных данных о свойствах грунтов.

Рис. 2. Схема испытаний грунтов in situ вибрационным зондом-сваей: 1 - анкерная свая, 2 - упорная балка, 3 и 4 - реперная система для контроля перекоса сваи, 5 - гидродомкрат, 6 - электровибратор, 7 - измерительный зонд-свая, 8 - насосная гидросистема, 9 и 10 - измерительная система

Исследования зон разупрочнения грунта вокруг индентора, к которому прилагалась динамическая нагрузка, проводились по двум технологическим схемам. В первом случае необходимую информацию получали при помощи геофизических исследований в скважинах с помощью сейсмического каротажа по методике вертикального сейсмического профилирования (ВСП). По второй технологической схеме проводились исследования с помощью статического зондирования установкой С-832. При статическом зондировании вблизи источника вибровоздействия, в грунт как естественной прочности так и разупрочненный, с постоянной скоростью (V=1,0 м/мин) вдавливался специальный зонд и одновременно измерялось сопротивление этому вдавливанию. Зонд на установке оснащен электрическими тензодатчиками, позволяющими раздельно регистрировать сопротивление грунта наконечнику (лобовое сопротивление) и трение грунта по боковой поверхности элемента зонда (боковое сопротивление). Исследование распределения зон разупрочнения грунта в грунтовых толщах с помощью экспериментальной сваи ЭС-1 проводилось автором с бригадой рабочих по следующей программе.

Индентор (свая) погружался на проектную глубину и на этой глубине нагружался статической нагрузкой, имитирующей часть веса нефтепромыслового сооружения. Снимались показания через 5 мин, 15 мин., 30 мин, 1 ч 2 ч и т. д. до стабилизации остаточных напряжении в грунте (, ).

В двух предварительно пробуренных и обсаженных на расстоянии 0.3 м - 0.4 и 0.65 - 0.75 м от сваи скважинах, расположенных по обе стороны от точки зондирования, выполнялись сейсмокаротажные работы на всю предполагаемую глубину погружения зонда сваи (10 м - 15 м).

Статическое зондирование проводилось возле каротажной скважины, удаленной от сваи на 0.65-0.75 м и затем на расстоянии 1,3 и 2.6 м Глубина зондирования обусловлена предполагаемой глубиной погружения зонда сваи (10 - 15 м).

С помощью вибратора на наголовник сваи передавалась динамическая нагрузка выбранной частоты и амплитуды во времени. Замерялись показания лобового () и бокового () сопротивлений. Эксперимент велся до момента стабилизации показаний сопротивлений =const, =const.

После прекращения динамической нагрузки на экспериментальную сваю повторялись операции согласно пунктам 2 и 3. Глубина проведения опытов соответствует глубине погружения зонда сваи по данной проектной глубине.

Строились графики для определения потери несущей способности грунта по результатам сваи ЭС-1. Определялось изменение прочности грунта до вибрации и после её прекращения по соответствующим зависимостям. Выполнялись графики зависимости лобового и бокового сопротивлений зонда при статическом зондировании до и после прекращения вибрации.

7. Строились графики-схемы распределения зон разупрочнения грунта возле вибрирующей экспериментальной сваи ЭС-1 на проектную глубину .

8. Свая погружалась на следующий интервал опробования через 0.5 - 1.0 м и повторялись операции, перечисленные в пунктах 1, 4, 5, 6, 7. Комплекс исследований по определению зон разупрочнения грунта велся до глубины, где изменение прочности грунта после вибрации не было зарегистрировано.

Таким образом, предложенная в соавторстве экспериментальная свая ЭС-1 позволяет производить исследование тиксотропных превращений грунтов в массиве по схеме: индентор (носитель вибровоздействий) - измерительный зонд. Автором впервые предложена, разработана и опробована методика изучения зоны разупрочнения глинистых грунтов как в лабораторных условиях с помощью вибросдвиговой установки, так и в массиве с помощью экспериментальной сваи, геофизических исследований в скважинах статического зондирования грунтов. Кроме этого предложена методика исследования тиксотропных свойств грунтов в массиве.

Основным принципом лабораторных динамических испытаний является возможность адекватного моделирования динамического воздействия на произвольный выделенный в массиве объем грунта с помощью лабораторной установки. Однако наиболее вероятно, что создание такого аппарата невозможно в принципе, к чему в последнее время и пришли наиболее трезво мыслящие экспериментаторы. Проблема сводится, следовательно, к формулировке наиболее важных ограничений и допущений, которые служат основой для выбора наилучшего метода испытаний в конкретных условиях.

Трудность точного воспроизведения ожидаемых динамических нагрузок сложной формы может быть преодолена с помощью недавно разработанного (Вознесенский, 1999, 2000) энергетического подхода к оценке динамической устойчивости грунтов. Автор принимал непосредственное участие в экспериментальном тестировании этого подхода применительно к грунтам Среднего Приобья в рамках совместного проекта при поддержке INTAS. Были получены интересные и обнадеживающие результаты, изложенные в наших совместных работах. Среди лабораторных методов динамических испытаний грунтов в зависимости от типа грунта и доступности оборудования можно применять динамическое трехосное сжатие, динамические испытания по схеме простого сдвига, динамический крутильный сдвиг, динамический кольцевой сдвиг или вибростендовые испытания. В данной работе лабораторные исследования проводились в условиях динамического трехосного сжатия и на вибросдвиговой установке.

Испытания проводились на динамической трехосной установке пневматического действия конструкции проф. Й.П.Вэйда (Университет Британской Колумбии, Канада) в диапазоне частот 0,0125-0,5 Гц квазигармонического нагружения.

Цель этой части исследований заключалась в экспериментальной оценке энергетических критериев динамической устойчивости всего спектра дисперсных грунтов, распространенных на рассматриваемой территории. При проведении экспериментов учитывалось, что энергетические критерии динамической устойчивости грунтов не зависят от величины действующей нагрузки, однако, для повышения точности расчетов энергии амплитуда динамических напряжений должна обеспечивать плавное накопление поглощенной энергии и постепенное увеличение петли гистерезиса. Поэтому, исходя из аддитивности удельной рассеянной энергии, все испытания проводились с последовательным (через определенное количество циклов) увеличением амплитуды динамической нагрузки 3-5 ступенями от 15-30 до 80-100 кПа в зависимости от чувствительности грунта к приложенной нагрузке. Критерием окончания для всех опытов служило достижение 5%-ой осевой деформации. Продолжительность экспериментов была разной, в зависимости от устойчивости того или иного грунта к данным условиям нагружения - от 80 до 3000 циклов.

...