Введение 15
1 Обзор литературы 18
1.1 Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации КС в
криолитозоне 20
1.2 Выбор принципа использования грунтов в качестве оснований зданий и
инженерных сооружений 21
1.2.1 Типизация строительных объектов по тепловому влиянию на ММП
23
1.2.2 Принцип использования грунтов оснований 25
2 Объект и методы исследования 27
2.1 Физико-географические и техногенные условия 27
2.2 Климатические условия 28
2.3 Гидрографические и гидрологические особенности 31
2.4 Геологическое строение и свойства грунтов 33
2.4.1 Сейсмотектоническое строение 33
2.4.2 Геологическое строение 35
2.4.3 Свойства грунтов 37
2.5 Геокриологические условия 38
2.6 Гидрогеологические условия 42
2.7 Геотехническая оценка площадки КС 45
2.8 Опасные природные процессы и явления 46
5 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение... 48
5.1 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения
научных исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения 48
5.2 Расчет затрат на реализацию проекта 49
5.3 Расчет эксплуатационных издержек 51
5.4 Технико-экономическое обоснование целесообразности разработки
устройства 53
6 Социальная ответственность при термостабилизации грунтов
компрессорной станции в криолитозоне 57
6.1 Профессиональная социальная безопасность 57
6.1.1. Анализ вредных производственных факторов и обоснование мероприятий по их устранению 59
6.1.2 Анализ опасных производственных факторов и обоснование мероприятий по их устранению 63
6.2 Экологическая безопасность 65
6.3 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 67
6.4 Законодательное регулирование проектных решений 68
Заключение 72
Список литературы 76
Приложение А 81
Актуальность работы. Одной из наиболее актуальных проблем проектирования, строительства и эксплуатации компрессорной станции в северных регионах России является обеспечение устойчивости оснований и эксплуатационной надежности КС в условиях криолитозоны. В результате теплового и механического взаимодействия КС с окружающей средой происходит нарушение равновесия в литотехнической системы «КС - грунт оснований» со значительным изменением естественных ландшафтов и с активизацией негативных геокриологических процессов, приводящих к деформациям работающих органов КС, потере их проектного положения и, нередко, к аварийным ситуациям. В условиях мерзлых грунтов при строительстве технических объектов, зданий получили широкое применение свайные основании что обусловливает актуальность темы обеспечения устойчивости их свайных оснований.
На сегодняшний день одним из наиболее применяемых и эффективных методов инженерной защиты сооружений в криолитозоне является технология и технические средства термостабилизации грунтов оснований. Однако методически принятие оптимальных проектно-техничеких решений, а также методика оценки эффективности применения данной технологии и технических устройств не в полной мере отражены в современной научно-технической и нормативной литературе.
Поэтому решение задачи повышения эксплуатационной надежности КС в криолитозоне с применением технологии и технических средств термостабилизации грунтов является актуальной темой исследований как с научной, так и с практической точек зрения.
Цель исследования. Состоит в разработке методов повышения эксплуатационной надежности КС в криолитозоне на основе применения технологии и технических средств активной термостабилизации грунтов.
Основные задачи исследования:
• анализ нормативно-технической литературы по вопросам особенностей проектирования, строительства и эксплуатации КС в криолитозоне, в т.ч. по проблемам инженерной защиты и термостабилизации грунтов оснований объектов газотранспортных систем; негативного влияния геокриологических процессов на устойчивость оснований и надежность КС, а также изучение существующих методик расчета теплового и механического взаимодействия сооружений на сваях с многолетнемерзлыми грунтами; анализ теоретических подходов к применению технологии и технических средств активной термостабилизации грунтов оснований;
• проведение сравнительных расчетов эффективности работы термостабилизаторов различных типов и усовершенствование методики их применения;
Научная новизна. В работе приняты оптимальные проектно-технические решении по обеспечению устойчивости грунтов оснований и методы повышения эксплуатационной надежности КС в криолитозоне на основе применения технологии и технических средств термостабилизации грунтов. В соответствии с разработанными методами проведена комплексная аналитическая оценка взаимодействия в литотехнической системе «КС - грунт основания», основывающаяся на прогнозном моделировании теплового и механического взаимодействия КС многолетнемерзлыми грунтами. Составлена систематизация основных типов охлаждающих устройств, а также представлено научно-методическое и нормативное обоснование их применения. Изучена методика сравнительной оценки эффективности работы и применения технологии и технических средств термостабилизации грунтов оснований.
Основные защищаемые положения:
• Проектное предложение повышения эксплуатационной надежности КС в криолитозоне на основе применения технологии и технических средств термостабилизации грунтов;
Практическая значимость. Проведения исследования вопроса обеспечения устойчивости оснований для повышения эксплуатационной надежности КС в криолитозоне с применением технологии и технических средств термостабилизации грунтов оснований и усовершенствованные предложении могут быть применены для выбора оптимальных проектных решений и приняты в основу разработки специальной методической и нормативной документации.
Усовершенствованная методика оценки эффективности технологии и технических средств термостабилизации грунтов оснований и результаты проведения по ней термодинамических расчетов являются теоретической и практической базой для выбора эффективных проектно-технических решений.
На сегодняшний день одним из наиболее применяемых и эффективных методов инженерной защиты КС в криолитозоне является применение технологии и технических средств термостабилизации грунтов оснований. Однако методический подход к прогнозу и принятию оптимальных проектно-технических решений, а также теоретическое обоснование применения данной технологии и охлаждающих устройств для ее реализации в полной мере не отражены в современной научно-технической и нормативной литературе.
В процессе решения по поставленными целями и задачами были сделаны следующие основные выводы:
1. Установлен подход к принятию оптимальных проектно-технических решений по обеспечению устойчивости оснований для повышения эксплуатационной надежности КС с применением технологии и технических средств термостабилизации грунтов оснований. Он основан на формировании единой базы данных всех объектов литотехнической системы, прогнозном моделировании их теплового и механического взаимодействия с учетом баз данных подсистем, а также расчетном и методическом обосновании решений по инженерной защите и термостабилизации грунтов.
2. По результатам моделирования теплового и механического
взаимодействия в системе «опоры КС - ММГ» были выявлены следующие особенности:
а) «Теплые» сваи основы КС формируют ореол талых грунтов вокруг околосвайного пространства, внутри которого развивается процесс оттаивания грунтов, их разуплотнения и т.д. При наличии льдистых грунтов активизируется процесс термокарста с последующей осадкой грунтов и обводнением, что впоследствии ведет к искривлению сваи.
«Обратное» промораживание участков талых грунтов (при отрицательной температуре транспортируемого газа) приводит к развитию процесса пучения грунтов и выпучиванию сваи. При этом под нижней образующей трубы в зоне максимальной миграции влаги процесс пучения идет интенсивней, что приводит к выпучиванию сваи.
Вне зависимости от температуры сваи КС при сезонном промерзании- оттаивании грунтов возможны следующие изгибные деформации трубопровода:
• при промерзании сверху ледяной массив, образующийся и смерзающий с верхней образующей сваи, продавливает сваю в нижележащие талые слои грунта;
• при оттаивании в весенний период в условиях нахождения верхней образующей сваи в талых грунтах избыточное давление на нижнюю образующую сваю, формируемое за счет мерзлых грунтов, приводит к выдавливанию сваи на дневную поверхность.
б) Наличие засоленности грунтов приводит к сдвижке температуры фазовых переходов в сторону отрицательных температур, что по результатам расчетов приводит к увеличению ореола оттаивания на величину порядка 0,5м и более.
в) При проводимых прогнозных расчетах необходимо наиболее полно учитывать всю ИГБД, в т.ч. наличие засоленности и содержание незамерзшей воды. Содержание не замерзшей воды в грунте увеличивается при наличии засоления. Отсутствие данного параметра при проводимых расчетах может дать погрешность результатов в 1°С , что недопустимо при наличии засоленных мерзлых грунтов и «вялой» мерзлоты (состояние близкое к фазовому переходу).
Промораживание засоленных ММГ приводит к отжатию солей в нижележащие слои грунтов и формированию высоконапорных рассолов - криопэгов, крайне негативно влияющих на несущую способность фундаментов, что необходимо учитывать при проектировании, строительстве и эксплуатации объектов обустройства ГТС.
г) Основными геокриологическими процессами, негативно влияющими на устойчивость оснований и эксплуатационную надежность КС, являются:
• термокарст;
• пучение грунтов и выпучивание сваи.
д) Результаты расчетов максимального потенциального негативного воздействия геокриологических процессов на сваи показали, что максимальные напряжения в трубе могут значительно превышать предел текучести материала и находятся в зоне пластических деформаций.
Наиболее негативным процессом по напряжениям в трубе и ее перемещениям, проявляющимся в реальных условиях, является процесс пучения грунтов. Расчетные напряжения трубы при фактических природных нагрузках от пучения в 5 раз превышают аналогичные напряжения.
4. Рассмотрена сравнительная оценка эффективности технологии и технических средств термостабилизации грунтов оснований.
5. Обоснование оптимизационных проектных решений по инженерной защите с применением технологии и инновационных технических средств термостабилизации грунтов оснований основано на сравнительных теплотехнических прогнозных расчетах и должно учитывать весь спектр особенностей различных типов термостабилизаторов. Приведенные в работе практические примеры обоснования проектных решений и их реализация
имеют научную значимость для специалистов соответствующих областей проектирования.
Для оценки эффективности работы ТС-ДТ следует использовать следующие характеристики: внутреннее термическое сопротивление; наружное термическое сопротивление в зоне испарителя; термическое сопротивление зоны конденсации; время выхода на рабочий режим (время самозапуска); средний темп замораживания грунта в первый месяц работы; градиент температуры по длине ДТ; коэффициент эффективности охлаждения. Таким образом, для решения задач активной термостабилизации грунтовых и свайных оснований объектов, сооружаемых в районах распространения ММГ, можно рекомендовать использование только термостабилизаторов, изготавливаемых на основе двухфазных термосифонов.
Применение инновационных технологий и технических средств термостабилизации на засоленных многолетнемерзлых грунтах позволяет увеличивать несущую способность оснований в 1,5 - 2 раза и, тем самым, обеспечивает устойчивость системы и эксплуатационную надежность объектов ГТС.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
