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

Коваленко, Владимир Георгиевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Динамическая устойчивость массивов дисперсных грунтов и управление ею при функционировании нефтегазопромысловых сооружений (на примере месторождений Среднего Приобья)
ВАК РФ 25.00.08, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Динамическая устойчивость массивов дисперсных грунтов и управление ею при функционировании нефтегазопромысловых сооружений (на примере месторождений Среднего Приобья)"

На правах рукописи УДК 624.131.4

Коваленко Владимир Георгиевин

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

МОСКВА 2008

003461436

Работа выполнена в отделе инженерных изысканий «НижневартовскНИПИ-нефть», 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

доктор геолого-минералогических наук, профессор Вячеслав Николаевич Соколов

доктор технических наук, профессор Владимир Давидович Казарновский

доктор физико-математических наук

Александр Степанович Алешин

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.

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

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 влажност-ная 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.

ное 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 (НПС), 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.

ты 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:

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

2. 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.

3. 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.

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

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

6. Выполнить анализ и обобщение собранного фактического материала.

7. 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 существу-

ет 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 ре-

зультатов 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, E.H. Самарину, М.Л. Владову, М.Ю. Калашникову, A.B. 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 неф-тегазопромыслов, 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, P.C. 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 го-лоценовых 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 по-рового 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 залега-

ния. Эти вопросы подробно рассматривались в работах А.Я. Рубинштейна, Б.И. Кулачкина, Ю.Г. Трофименкова, Л.Г. Мариупольского, И.В. Дудлера, Н.В. За-мориной, 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:

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

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

3) 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 ис-

питаний 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 фунтов 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-1 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.

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 ивдентора, 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.

1. 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 (г1,, ).

2. 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).

3. 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).

4. С помощью вибратора на наголовник сваи передавалась динамическая нагрузка выбранной частоты и амплитуды во времени. Замерялись показания лобового (т"л) и бокового (4) сопротивлений. Эксперимент велся до момента стабилизации показаний сопротивлений г'е -соп$г.

5. 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.

6. 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 При-обья 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 нагру-жения.

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 посте-

пенное 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.

Кроме того, изучение изменения зоны тиксотропных превращений при динамическом воздействии по схеме - передача динамической нагрузки на грунт через индентор, одновременно являющийся измерительным зондом, проводилось автором на разработанной им вибросдвиговой установке (Коваленко, 1989, 2006). Реализация этой схемы достаточно хорошо моделирует процессы, происходящие в грунтовом массиве при внедрении в него свай, а также при передаче на сваи вибровозбуждений от различных нефтепромысловых сооружений, например, от газлифтной компрессорной станции. В качестве внедряемого в грунт индентора в данной работе автор применял микрокрыльчатку или микролопаточку. Достоинство таких испытаний - появление возможности прямого определения зоны тиксотропного разупрочнения вокруг индентора.

Важнейшими условиями успешного практического применения энергетических критериев для оценки динамической устойчивости грунтов в массивах являются, во-первых, возможность непосредственного измерения параметров динамической нагрузки в реальных толщах, а во-вторых, методики определения характеристик поглощения грунтов, которые могут затем использоваться для расчетов рассеянной энергии. Рассмотрению этих аспектов практической оценки динамической устойчивости грунтов в массиве была посвящена специальная методическая часть нашего исследования.

Для решения сформулированных выше методических вопросов автором в 2001-2003 г.г. были организованы и проведены с участием других специалистов сейсмические наблюдения на разных участках Самотлорского нефтяного место-ровдения - территории с многочисленными источниками вибраций от тяжелого транспорта, нефтедобывающего и перекачивающего оборудования. Вблизи компрессорных станций и автодорог выполнены специализированные инженерно-геофизические работы, 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.

Сеть точек измерений разбивалась из соображений обследования направлений от источников вибраций и максимально равномерно распределенных точек по площади конкретного участка измерений. В каждой точке располагалась трехкомпонентная установка, составленная из трех взаимно перпендикулярных сейсмоприемников (Х,У и Ъ компоненты). Сейсмоприемники фиксировались в приповерхностном слое почвы. По всей территории наблюдений горизонтальные компоненты ориентировались одинаково (X компонента на север, У компонента на восток). Запись на каждой точке производилась 3-4 раза для исключения помех, вызванных другими источниками колебаний. Длительность каждой записи составляла 1 сек. Малоглубинная сейсморазведка проводилась в варианте профильных наблюдений с вертикальными ударами и вертикальными сейсмопри-емниками (Ъ-Ъ расстановка). Для этого использовалась 24-канальная коса. Наблюдения проводились по классической четырехточечной схеме. Для скважин-ных измерений использовалась установка, сделанная на основе сейсмоприемни-ка СВ-20, которая помещалась в водонаполненную скважину и перемещалась по ее стволу с шагом 0.5 м. Шаг был выбран таким образом, чтобы не пропустить возможные заметные изменения интенсивности измеряемой волны. В каждой точке производилась запись колебаний длительностью 1 сек.

Часть 3. Динамическая устойчивость массивов дисперсных грунтов Нижневартовского нефтегазоносного района и подходы к управлению ею

Третья часть диссертации включает 5 глав, в которых последовательно рассматриваются инженерно-геологическая характеристика массивов, динамическая устойчивость массивов дисперсных грунтов, инженерно-геологические и инженерно-технические мероприятия по управлению динамической устойчивостью массивов и также опыт управления динамической устойчивостью массивов дисперсных грунтов исследуемого района.

В главе 5 показано, что в пределах Нижневартовского нефтегазоносного района с поверхности повсеместно развиты сильноувлажненные песчано-глинистые, органо-минеральные и торфяные четвертичные отложения мощностью 30-50 м, сплошным чехлом перекрывающие породы олигоцена. По генезису они относятся к аллювиальным, озерно-аллювиальным, водно-ледниковым или болотным образованиям(рис.З)

При типизации грунтовых толщ территории их мощность принималась нами равной 12 м, что обусловлено повсеместным использованием свайных фун-

даментов в строительной практике рассматриваемого региона. На основании методического подхода, предложенного В.Т.Трофимовым с соавторами, нами было выделено и описано 8 типов грунтовых толщ, различающихся по составу, строению и современному состоянию. Показано,что к поверхности третьей надпойменной террасы р.Обь приурочены либо грунтовые толщи торфяные, подстилаемые глинистыми породами сильноувлажненные, либо преимущественно глинистые с торфяным слоем в верхней части также сильноувлажненные. Эти два типа грунтовых толщ занимают практически 80 % территории. Остальные типы грунтовых толщ приурочены к участкам долин р.Вах, Колин Еган и др.

Группа признаков, описывающих состав и строение грунтовых толщ, включает 4 структурных уровня. Что касается группы признаков, описывающих состояние грунтов верхней части разреза, то для ее адекватного отражения было введено 5-ти уровневое деление. Это обусловлено следующими причинами.

В соответствии с принятыми классификационными показателями увлажненность песчаных пород зависит от глубины залегания первого от поверхности водоносного горизонта. Такое деление грунтовых толщ является вполне оправданным для мелкомасштабной типизации крупных инженерно-геологических структур. Однако при переходе к более крупномасштабным картам такое деление уже не отражает всей полноты состояний грунтовых толщ. Так, для участков речных долин, характеризующихся приречным и террасовым гидродинамическими режимами, глубина уровня грунтовых вод может колебаться до 5 м и более, что обуславливает и различное увлажнение грунтовых толщ в течение годового цикла. Изменение увлажнения грунтовой толщи любого состава имеет существенное значение для целей крупномасштабных инженерно-геологических исследований. При классифицировании грунтовых толщ по состоянию был введен еще один структурный уровень, отражающий возможность изменения увлажнения в течение годового цикла, что, очевидно, будет влиять и на их динамическую устойчивость. Этот структурный уровень по иерархии, видимо, должен занимать четвертую ступень. По этому признаку грунтовые толщи подразделены нами на толщи с постоянным увлажнением в течение годового цикла (слабоувлажненные, увлажненные, сильноувлажненные) и толщи с переменным увлажнением в течение года.

Результатом такого подхода стала новая частная классификация грунтовых толщ территории Нижневартовского нефтегазоносного района (табл.1), основанная на совокупности литологических признаков (4 структурных уровня) и признаков, характеризующих современное состояние толщ и его вариации во

Масштаб: вертикальный 1 : 1000

горизонтальный I : 100 000

Условные обозначения:

I Щу I Современные болотные отложения. Торф.

I g.Q.»

Современные аллювиальные пойменные отложения. Суглинки, супеси, пески.

Верхнечеггвертичные-современные аллювиальные отложения 1 надпойменной террасы. Супеси, пески.

I ВеРхпечетвеРтич,пле озерно-аллювиальные отложения III террасы. Супеси, суглинки, пески.

\ f+laQ | Водно-ледниковые, озерно-аллювиальные отложения среднечет-- вертичной равнины. Пески, супеси, суглинки.

aQ,

Нижнечетвертичные аллювиальные отложения пра-долин. Пески.

Верхнечетвертичные аллювиальные отложения II надпойменной террасы. Пески.

1 Ог0ш

Рис 3. Схема соотношения четвертичных отложений Нижневартовского нефтегазоносною района (по Трофимову, Вознесенскому, Коваленко и др., 1999).

времени (5 структурных уровней), которая может использоваться для выделения в пределах рассмотренной территории участков развития массивов динамически малоустойчивых грунтов на основании данных инженерно- геологических изысканий/

Для расчленения разреза, а в последующем - и для оценки динамической устойчивости массивов грунтов нами широко использовалось статическое зондирование, которое является не только весьма информативным, но и экспрессным методом, позволяющим значительно увеличить темпы изысканий.

Показатели статического зондирования обладают значительной изменчивостью, а поэтому большое практическое значение имеет разработка надежных схем расчленения разреза с учетом территориальной специфики. Нами была предпринята попытка повысить достоверность данных изысканий с помощью уточненной схемы выделения в массиве разновидностей дисперсных грунтов по результатам статического зондирования. В ее основу были положены результаты статистической обработки данных многолетних исследований, проводившихся на территории Нижневартовского нефтегазоносного района с использованием зонда II типа.

Методика статистической обработки массива данных общим объемом свыше 4 тысяч частных значений заключалась в следующем. На начальной стадии исследования все значения показателей статического зондирования были разделены в соответствии с литологическим описанием, гранулометрическим составом и числом пластичности на три группы: характеризующие пески, супеси и суглинки. Данные статического зондирования далее разделены на 4 группы применительно к пескам насыпным, мелким, пылеватым и переслаиванию песков, супесей и суглинков. Для супесей были рассмотрены группы, разделенные по консистенции - твердые и пластичные. Суглинки были разделены на 6 групп в зависимости от их консистенции и приуроченности к разным геоморфологическим уровням. Для каждой выборки строились гистограммы распределения и определены характеристики рассеяния значений qc и в качестве которых рассматривались выборочное среднее и квантильные значения соответствующих случайных величин.

На основании построенных гистограмм значений qc и были проверены гипотезы о законе распределения данных случайных величин с использованием критерия Уилка-Шапиро. Значения бокового трения для всех описываемых разновидностей грунтов подчиняются нормальному закону распределения с уровнем значимости не более 1%. Характерный вид гистограмм приведен на рис. 4.

Наибольшие сложности с определением закона распределения связаны с сопротивлением под наконечником зонда супесчаных и суглинистых грунтов. Для обеих групп эти значения не подчиняются нормальному закону. Было высказано предположение о том, что в данном случае имеющиеся выборки наиболее удачно аппроксимируются логнормальным законом распределения. Действительно, после операции логарифмирования значений сопротивления грунта под конусом зонда гипотеза о нормальном законе была подтверждена. Характерный вид гистограмм представлен на рис.5.

При дальнейшем анализе проверялись гипотезы о возможности объединения выборок значений сопротивления под конусом зонда и на муфте трения для грунтов одной гранулометрической разности. Показано, что для грунтов рассматриваемой территории пески целесообразно разделять по гранулометрическому составу, а супеси и суглинки - по возрасту и консистенции. По степени водонасыщения пески по данным статического зондирования разбиению не поддаются. В основу дальнейшего классифицирования фунтов по данным статического зондирования положены квартальные значения диапазонов варьирования значений сопротивления грунта под конусом и на участке боковой поверхности зонда, а также индекса типа грунта. Это сделано ввиду неоднозначной интерпретации экспериментальных данных особенно в интервалах перехода между слоями с различной литологией. Из-за незначительного перекрытия диапазонов варьирования исследованных признаков, границы между отдельными типами грунтов устанавливались по середине граничных классов.

Кроме того в предлагаемой частной классификации лежат предположения о том, что рассматриваемые 3 показателя - два измеряемых и один интегральный, подчиняются нормальному или логнормальному закону распределения. В этом случае выделяемые таксоны, соотносимые с литологической характеристикой грунтов, могут быть построены на значениях квартилей десятичного логарифма удельного сопротивления под конусом зонда, выраженного в МПа, удельного сопротивления на муфте трения, выраженного в кПа, и индекса типа грунта (1с).

В итоге разработана классификационная схема дисперсных грунтов по результатам статического зондирования, которая отличается возможностью надежной идентификации в разрезе песков разной крупности, супесей и суглинков разной консистенции, а также горизонтов переслаивания песков и супесей; она статистически обоснована для территории Среднего Приобья и является составной частью классификации грунтов Нижневартовского нефтегазоносного района по их динамической устойчивости (глава 6).

Таблица 1

Систематика грунтовых толщ Нижневартовского нефтегазоносного района._

Грунтовые толщи С однородным состоянием по разрезу С неоднородным состоянием по разрезу

Немерзлые и талые Талые в верхней и нижней части, многолетнемерзлые в средней

1>3°С 1 = 0-(-1)°С

С постоянным увлажнением С переменным увлажнением С постоянным увлажнением

а б в г д е ж 3

Сложенные грунтами одного класса Дисперсные Однопородные 1 П П П П

2 ПГ Ш

Двухпородные 3 П П П П

4 I П I Ш IV П I I Ш IV

5 I II I II I I II I

6 II

7 III Ш IV

Многопородные 8 П I П IV

9 I П Ш IV Ш IV

10 III

Примечание: 1 - песчаные; 2 - глинистые; 3 - песчаные, подстилаемые глинистыми; 4 - глинистые, подстилаемые песчаными; 5 - песчаные и глинистые переслаивающиеся, с преобладанием песчаных в верхней части толщи; 6 - песчаные и глинистые переслаивающиеся, с преобладанием глинистых в верхней части толщи; 7 - торфяные, подстилаемые глинистыми; 8 - преимущественно песчаные с торфяным слоем в верхней части; 9 - преимущественно глинистые с торфяным слоем в верхней части; 10 - преимущественно торфяные; а - слабоувлажненные; б - увлажненные; в - сильноувлажненные; г — слабоувлажненные в межень и увлажненные в паводок; д - слабоувлажненные в межень и сильноувлажненные в паводок; е - увлажненные в межень и сильноувлажненные в паводок; ж - увлажненные с сильнольдистыми в средней части; з - сильноувлажненные с сильнольдистыми в средней части. Геоморфологическая приуроченность грунтовых толщ: П - пойменная терраса; I — первая н/тсрраса; П — вторая н/терраса; Ш — третья н/терраса; IV — четвертая н/терраса.

-20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Боковое сопротивление, хПа

Рис. 4. Гистограмма распределения значений бокового сопротивления по конусу П типа (£;, кПа) для пластичных супесей (68 определений). Сплошная линия соответствует

нормальному закону.

25 20

§ 10

5 0

2,6 2.8 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 4,2 4,4

Рис. 5. Гистограмма распределения значений десятичного логарифма лобового сопротивления по конусу П типа для твердых супесей (69 определений). Сплошная линия соответствует нормальному закону.

Глава 6 посвящена характеристике динамической устойчивости массивов дисперсных грунтов Нижневартовского нефтегазоносного района по результатам лабораторных и полевых экспериментальных исследований и закономерностям формирования в них зоны разупрочнения вблизи источника вибрации.

В соответствии с поставленными задачами и принятой методикой исследований автором при участии его коллег и соавторов, был собран, обобщен и проанализирован обширный фактический материал, который структурирован следующим образом.

Во-первых, это данные лабораторных испытаний на образцах глинистых и песчаных грунтов, выполненные лично автором в лаборатории отдела инженерных изысканий института «НижневартовскНИПИнефть» и при его непосредст-

венном участии в лабораториях кафедры инженерной и экологической геологии МГУ, которые позволяют охарактеризовать а) тиксотропные свойства грунтов рассматриваемой территории - возможный диапазон разупрочнения, основные факторы, влияющие на степень разупрочнения и ширину зоны деградации прочности грунта при вибрации, б) их деформируемость в условиях динамических нагрузок и в) вариации чувствительности всего спектра изученных грунтов с помощью энергетических критериев. Отмеченные данные получены двумя разными лабораторными методами - на вибростенде (вибросдвиговой установке) и методом динамического трехосного сжатия. В последние годы (1999-2006 г.г.) нами использовался преимущественно последний метод, тогда как на более ранних этапах работ применялась вибросдвиговая установка.

Во-вторых, это результаты полевых определений разупрочнения грунтов в массиве при вибрационном воздействии с помощью экспериментальной сваи, являющейся одновременно и измерительным зондом, организованных и проведенных под руководством автора. Направленная главным образом на установление величины зоны разупрочнения вокруг вибрирующей сваи, эта часть исследования в силу высокой трудоемкости и высокой стоимости опытных работ применялась ограниченно - на нескольких опытных площадках на территории Самотлорского месторождения, отражающих достаточно широкий диапазон их чувствительности к динамическим нагрузкам.

В-третьих, это результаты прямой экспериментальной оценки динамических нагрузок от разнообразного промыслового и перекачивающего оборудования, а также от автомобильного транспорта в массивах грунтов на территории ряда нефтегазовых месторождений Западной Сибири. Эти исследования были инициированы и организованы автором работы, им же были определены места проведения работ, а сами полевые наблюдения выполнялись специалистами кафедры сейсмометрии и геоакустики под его общим руководством в полевые сезоны 2003-2005 г.г.

И в-четвертых, это обработанный статистически массив собранных автором данных полевых испытаний грунтов статическим и динамическим зондированием, сформированный им для получения эмпирических зависимостей с прямыми показателями динамической устойчивости грунтов по данным лабораторных динамических испытаний. Кластерный, факторный и последующий регрессионный анализы полученной совокупности направлены на получение взаимосвязей между показателями зондирования и энергетическими критериями динамической

неустойчивости грунтов. Это наиболее трудоемкая и длительная часть исследования.

Основные результаты исследования квазитиксотропных свойств грунтов по данным вибростендовых испытаний могут быть суммированы следующим образом. Получено закономерное, близкое к линейному увеличение радиуса зоны разупрочнения с повышением амплитуды и частоты вибрации в диапазоне 0.5 - 1.5 мм и 10-15 Гц, соответственно, что объясняется повышением энергии вибровоздействия на прилегающий к индентору грунт. При этом возрастает кинетическая энергия частиц и микроагрегатов, вызывая разрушение все более прочных связей между ними.

Установлено, что для изученных фунтов Нижневартовского нефтегазоносного района отмечается слабое, но закономерное увеличение радиуса зоны разупрочнения с ростом влажности фунта. Этот процесс, например, для легких пы-леватых суглинков данного района может быть аппроксимирован уравнением (рис. 6) Д=1.06 + 0.02 IV, где IV - влажность фунта в диапазоне 23-48 %, Д - радиус зоны разупрочнения, мм. Такой эффект объясняется ослаблением связей между частицами с увеличением влажности системы, а также уменьшением затухания колебаний. Разная степень влияния влажности определяется разным ее диапазоном, характерным для данных фанулометрических разновидностей фунтов в пределах рассматриваемой территории.

5 4

м3 м

1*2

1 0

22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48

Рис. 6. Влияние влажности лёгкого пылеватого суглинка (1а(Зш2"3) на радиус зоны разупрочнения (А=1 мм, Г=15 Гц)

Влияние дисперсности грунта на величину зоны разупрочнения сложнее поддается анализу по причине полидисперсности элементов твердой фазы изучавшихся грунтов, однако по результатам лабораторных испытаний грунтов на вибростенде с микролопаточкой отмечены следующие тенденции.

Повышение содержания глинистых частиц (эквивалентный диаметр менее 1 мкм) при влажности грунтов 26-28% практически не влияет на величину радиуса зоны разупрочнения. Наблюдающиеся вариации этой величины при увеличении концентрации глинистых частиц свидетельствуют на более сильное влияние других факторов. Увеличение содержания частиц с эквивалентным диаметром более 50 мкм приводит к слабому увеличению зоны разупрочнения грунта, что может быть обусловлено влиянием инерции наиболее тяжелых частиц.

Зависимость величины зоны разупрочнения грунта от содержания органического вещества имеет сложный характер, что отражает влияние целой совокупности факторов, затрудняя ее интерпретацию. Можно, вероятно, согласиться с мнением Е.А. Вознесенского (1985), что влияние содержания гумуса на степень разупрочнения грунта при вибрации определяется тем, в каком - свободном или адсорбированном, концентрированном или рассеянном - состоянии присутствует он в грунте, что в свою очередь, определяется концентрацией органического вещества.

Диапазон изменения плотности скелета грунта составлял в наших исследованиях 1.35-1.57 г/см3, что соответствует максимальной встречаемости этих значений для глинистых грунтов территории. В целом, наблюдается тенденция к уменьшению радиуса зоны разупрочнения грунта около индентора с увеличением плотности скелета грунта, которую можно аппроксимировать зависимостью: Я = 4,53 - 1,99 6, где 5- плотность скелета грунта. Это может быть связано с относительным повышением устойчивости структуры грунта к вибрации при повышении его плотности за счет увеличения количества контактов и уменьшения подвижности частиц в менее "ажурной" системе.

Кроме того, нами исследован характер восстановления прочности природных глинистых грунтов в зоне их предшествующего разупрочнения. Получено, что заметное уменьшение зоны разупрочнения грунта проявляется лишь через 15 минут, а завершается восстановление прочности грунта в пределах зоны его предварительного разупрочнения (фиксируется по исчезновению этой зоны) уже через 3 часа после прекращения вибрационного воздействия. В отдельных случаях полное сокращение зоны разупрочнения наблюдалось уже через 1 час "отдыха" системы. Изменение радиуса зоны разупрочнения квазитиксотропных

грунтов после прекращения вибровоздействия, по-видимому, объясняется процессами восстановления прочности этого грунта, т.е. и причинами, характеризующими эти процессы, что согласуется с представлениями других занимавшихся этим вопросом авторов (Кожобаев, 1977, Николаева, 1982, Осипов и др. 1982, Вознесенский, 1985), значительной структурной перестройкой, изменением параметров порового пространства, увеличением количества контактов, образованием более устойчивой и равномерной структуры.

Характеристика динамической устойчивости грунтов по данным динамического трехосного сжатия. Была исследована динамическая устойчивость широкого спектра дисперсных грунтов, характерных для распространенных на данной территории массивов грунтов. Анализ полученных нами результатов позволяет сформулировать следующие основные закономерности поведения глинистых грунтов данного района Среднего Приобья при динамических воздействиях.

1. В целом, все исследованные грунты можно считать динамически достаточно устойчивыми - во всяком случае при воздействиях от существующих и проектируемых на этой территории сооружений. При динамических нагрузках их деформирование происходит с чрезвычайно низкой скоростью, а ускорение накопления деформаций отмечается при амплитудах динамических напряжений не менее 30-40 кПа, что существенно превышает возможные напряжения даже от наиболее мощных компрессорных установок.

2. С другой стороны, в разрезах разных исследованных массивов грунтов этой территории приисутствуют относительно менее устойчивые разности, для которых целесообразно проводить прогнозный расчет дополнительных деформаций основания за счет их виброползучести с учетом большой длительности работы сооружений. Для этих грунтов прирост деформаций, вызванных в их толще собственно динамическими усилиями от нефтепромыслового и перекачивающего оборудования, может быть существенным при практически непрерывной работе машин в течение 10-20 лет.

Для определения этой совокупности относительно менее устойчивых к динамическим нагрузкам грунтов вся изученная их выборка была разделена на несколько групп по величине критического значения удельной рассеянной энергии. Анализ вариаций этого показателя показал, что несмотря на достаточную в целом динамическую устойчивость глинистых грунтов территории их чувствительность к динамическим нагрузкам различается очень сильно. Величина удельной рассеянной энергии изменяется на несколько

порядков: от 2,5-10 кДж/м3 до 1800-2200 кДж/м3. Для выделения совокупности относительно менее устойчивых к динамическим нагрузкам грунтов вся изученная их выборка была разделена на 5 основных групп по величине критического значения удельной рассеянной энергии.

Наиболее чувствительные к динамическому воздействию пылеватые суглинки первой группы, в основном из разрезов среднечетвертичной равнины, характеризуются критическими значениями удельной рассеянной энергии от 2.5 до 60 кДж/м3. Существенное увеличение скорости накопления деформаций для образцов из этой группы, начинается уже при амплитудах 30-40 кПа (рис.7). К этой же группе относятся все изученные нами на этой территории водонасы-щенные пески. Это объясняется значительным содержанием в них пылевато-глинистых частиц, что резко снижает устойчивость песчаных грунтов к динамическим нагрузкам. Для песков рассматриваемой территории нами также установлено отчетливое снижение удельной рассеянной энергии с повышением содержания частиц мельче 0.05 мм (рис. 8). Интересно отметить, что как пылеватые, так и мелкие водонасыгценные пески характеризуются одним и тем же верхним уровнем удельной рассеянной энергии около 11.5 кДж/м3, хотя нижний уровень этого показателя у пылеватых песков несколько ниже - 2.4 кДж/м3 по сравнению с 6.8 кДж/м3 у песков мелких. Близкие характеристики энергоемкости динамического деформирования у песков разного гранулометрического состава обусловлены тем, что пылеватые водонасьпценные разности встречаются, в основном, на глубинах свыше 10 м, а мелкие залегают существенно ближе к поверхности - в целом не глубже 6 м. В неводонасыщенном эе состоянии динамическая устойчивость мелких песков заметно выше и, как показали наши эксперименты, достигает 62-80 кДж/м3. Такие динамически чувствительные грунты составляют порядка 16% всех изученных на рассматриваемой территории разностей, что требует непременного учета при проектировании.

Грунты второй группы динамически более устойчивы и характеризуются критическими значениями удельной рассеянной энергии в диапазоне 105 - 167 кДж/м3. Они представлены тяжёлыми суглинками и лёгкими глинами, преимущественно из разрезов III озёрно-аллювиальной террасы и составляют около 1/3 всей изученной выборки.

100

150

Рис.7. Кинетика накопления деформаций мягкопластичного среднего суглинка (1а(2ц2 4, Хохряковское месторождение) при динамической нагрузке с амплитудами 25-40 кПа

Содержание частиц мельче 0.05 мм

Рис. 8. Зависимость энергоемкости динамического деформирования песков Нижневартовского нефтегазоносного района от содержания пылевато-глинистых частиц

О 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Рис, 9. Кинетика накопления деформаций тугопластичного тяжелого суглинка (laQm2~3, Самотлорское месторождение) при динамической нагрузке с амплитудами 47-90 кПа).

Третья группа включает тяжёлые суглинки и лёгкие глины (III озёрно-аллювиальная терраса), характеризующиеся критическими значениями удельной рассеянной энергии от 209 до 271 кДж/м"\ Эти разности составляют 22% всей исследованной выборки.

Четвертую группу составляют 16% грунтов данной территории, залегающие в разрезах разных геоморфологических уровней, но всегда на глубинах свыше 6 м. Критические значения удельной рассеянной энергии для грунтов этой группы изменяются от 320 до 520 кДж/м3 (рис. 9).

И наконец, пятую группу составляют еще примерно 13% всех изученных разновидностей грунтов, характеризующиеся самыми высокими критическими значениями удельной рассеянной энергии - свыше 1000 кДж/м3, что не следует считать характерными значениями для грунтов этой территории.

Следует заметить, что отсутствие на исследуемой территории грунтов, характеризующихся энергоемкостью динамического деформирования в определенных дапазонах, на наш взгляд свидетельствует о существенном для поведения грунтов совокупном влиянии целого ряда факторов. Так, если бы природное дав-

ление было определяющим - мы получили бы практически непрерывный ряд увеличения удельной рассеянной энергии с глубиной залегания грунтов.

В целом, по итогам проведённых экспериментов можно сделать вывод о том, что около половины грунтов рассматриваемой территории, слагающие верхние 4 м их массивов, характеризуется невысокой энергоемкостью динамического деформирования, что требует непременного учета при проектировании нефтегазопромысловых объектов с длительно действующими динамическими нагрузками умеренной интенсивности.

Как уже отмечалось выше, для оценки динамической устойчивости массивов грунтов и для расчленения разреза, выделения слабых прослоев и линз, нами широко использовалось статическое зондирование, которое является не только весьма информативным, но и экспрессным методом, позволяющим значительно увеличить темпы изысканий. По данным статического зондирования расчленение разреза производится на основе значений удельного сопротивления грунта под конусом зонда и на участке его боковой поверхности. Кроме указанных показателей используют и так называемый индекс типа грунта.

Далее, используя установленные нами закономерные вариации динамической устойчивости грунтов территории и их разделение на группы по энергетическим критериям, предложенная классификационная схема расширяется. Она учитывает еще 2 показателя - глубину залегания и величину удельной рассеянной энергии, что позволяет выделять горизонты грунтов с разной ожидаемой устойчивостью при динамических нагрузках в толщах определенного возраста, генезиса и состава. Таким образом, зная показатели статического зондирования, геолого-геоморфологическую приуроченность участка исследований и глубину залегания грунтов, можно оценить динамическую устойчивость элементов грунтовой толщи определенной мощности.

В результате построена новая классификация грунтов Нижневартовского нефтегазоносного района по их динамической устойчивости (табл.2), которая отличается возможностью надежной идентификации в разрезе песков разной крупности, супесей и суглинков разной консистенции, а также горизонтов переслаивания песков и супесей; и дает возможность оценки динамической устойчивости грунтов в массиве с учетом его строения. По существу, эта логически завершенная классификация составляет основу легенды принципиально новой карты грунтовых толщ, отражающей распределение толщ разной динамической устойчивости на территории Нижневартовского нефтегазоносного района, которая может непосредственно использоваться при обустройстве месторождений

углеводородов, т.е. она представляет готовый инструмент для площадной оценки динамической устойчивости массивов грунтов для этой территории..

Закономерности формирования зоны разупрочнения грунтов в массиве при вибрационных воздействиях от свай. Полевые исследования тиксотропных свойств грунтов Самотлорского месторождения проводились автором по схеме возбуждения колебаний в толще грунта через индентор, являющийся одновременно измерительным зондом. В качестве индентора использовалась экспериментальная свая ЭС-1 диаметром 168 мм со штоком для измерения лобового сопротивления площадью 50 см2 и муфтой для измерения бокового сопротивления площадью 700 см2. Результаты этих исследований представлены в виде изолиний коэффициента разупрочнения в плане и в разрезе (рис.10-11). Интервал изучения толщи по глубине составлял 0.5 м . Всего было проведено более пятидесяти испытаний, по результатам которых установлено закономерное снижение разупрочнения с увеличением глубины расположения индентора в толще грунта на глубинах до 10 м. Уменьшение радиуса зоны разупрочнения с глубиной происходит нелинейно, что обусловливается неоднородностью массива по глубине и приводит к формированию в разрезе зоны разупрочнения сложной конфигурации.

Таким образом, 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 и свойств грунтов составляет от 5 до 8 диаметров отдельной висячей сваи. Это обусловливает неизбежное перекрытие зон разупрочнения соседних свай в группе, в связи с чем массив фунтов, включающий такой фундамент на висячих сваях, характеризуется пониженной несущей способностью.

Энергетика динамических воздействий на массивы фунтов от сооружений нефтегазодобывающего комплекса. На территории Нижневартовского нефтегазоносного района широко распространены разнообразные сооружения, являющиеся источниками динамических нагрузок на фунты. Учитывая постоянство этого воздействия в течение десятков лет существования промыслового хозяйства, нельзя исключить определенное накопление деформаций в фунтах оснований даже при умеренной интенсивности воздействия. Все перечисленные источники создают на этих промыслах постоянно существующее вибрационное поле с разной интенсивностью колебаний. Концентрация полей напряжений происходит вблизи пунктов

Таблица 2

Классификация голоцен-среднеплейстоценовых грунтов Нижневартовского нефтегазоносного района по их динамической устойчивости

Возраст, генезис, геоморфологическая привязка logioiqj 1« f„ кПа Литалогическое описание грунта Консистенция или крупность грунта Характерная глубина залегания Удельпая рассеянная энергия, кДж/м3 Группа по динамической устойчивости

а Qiv -<*2 Qu" 2,60-2,80 2,80-3,10 0,0-3,0 Текучепл. и текучий любая 2.5-60 I

Мягкопластичный <5 105-140 н

>5 209-240 III

2,80-3,10 2,75-3,20 19,9-39,8 а о Мягкопластичный <4м 105-167 П

la, Qu," я я 4-6 м 209-271 га

3,10-3,40 2,75-3,10 42,6-79,5 и >. О Туго пластичный > 6 м 320-520 IV

обычно 6-8 м > 1000 V

2,30-2,70 3,45-4,20 17,0-65,0 Текучепл. и текучий 2.5-35 i

tot Qu2"1 2,70-2,95 3,15-3,45 21,0-72,0 Мягкопластичный до 6 м 123-141 п

2,95-3,40 2,30-3,15 17,0-58,0 Тугопластичный 209-225 ш

a2 Qni3 * или tat Qu" 3,20-3,60 2,45-2,95 56,8-96,6 Супесь Пластичная <6 28-59 I

3,38-3,80 1,85-2,45 48,0-85,6 Твердая обычно > 6 м > 1000 V

a Qiv или ö2 Qu" или las Qu,2 3 или ^Qu" 3,20-3,80 3,85-3,95 2,25-2,70 1,95-2,25 24,0-70,0 85,0-99,0 Переслаивание супеси и песка Определяются соотношением входящих в состав толщи разностей

t Qiv , о Qiv или а2ОшМили /а3 Q,," или tat Qu2" 3,40-3,75 1,95-2,45 48,0-62,0 Песок Пылеватый > Юм 2,4-11,9 I

>3,75 <1,95 24,0-69,0 Мелкий До 6 м 6,8-11,5 (62-80*) I

* - В неводонасыщенном состоянии

230 В.«

25 30 35 40 V/, %

Рис. 10. Распределение зон разупрочнения грунта (коэффициент разупрочнения Кр определяется по сопротивлению грунта под конусом зонда) в зависимости от глубины опробования. Район Самотлорского месторождения. Цифрами обозначены: 1- изолинии коэффициента разупрочнения грунта, 2 - кровля исследуемого грунта, 3 - суглинок тяжелый пылеватый, 4 - суглинок средний пылеватый, 5 - суглинок легкий пылеватый, б - супесь тяжелая, 7 - эпюра изменения влажности грунта с глубиной.

Рис. 11. Распределение зон разупрочнения (Кр определялся по сопротивлению грунта под конусом зонда) в поперечном разрезе на глубине 2.5 м в суглинке среднем пылеватом (\у=27%) возле сваи ЭС-1. 1 -изолинии коэффициента разупрочнения грунта

сбора нефти и блочных кустовых насосных станций. Между тем, вибрационный фон этих участков нефтегазопромыслов пока еще плохо изучен, и поэтому в нашей работе было уделено особое внимание изучению техногенных вибраций в массивах прилегающих грунтов.

В результате впервые выполнена прямая оценка динамических нагрузок на массивы грунтов от разнообразного промыслового и перекачивающего оборудования, а также от автомобильного транспорта на территории нефтегазовых месторождений. Скважинными наблюдениями доказано, что компрессорные станции разной мощности, трубопроводы и автодороги с тяжелым транспортом генерируют в приповерхностном слое сейсмические волны, среди которых наибольшую долю энергии источника (более 86%) переносит поверхностная волна. Полученный результат измерений в скважинах был использован для построения карт-срезов на различных глубинах. Для построения карт пиковых напряжений на фронте волны от разных источников (рис. 12-13) измеренные значения скоростей смещения V (м/с) частиц были пересчитаны в напряжения о (Па) в соответствии с выражением: (7 = р • С - V , где р - плотность грунта в приповерхностном слое (кг/м3), С- скорость распространения волны (м/с).

Полученные карты распределения напряжений по площади на заданной глубине вблизи того или иного источника воздействия позволяют сделать выводы, что пространственно-временная плотность полей вибрации на территориях нефтегазовых месторождений Среднего Приобья характеризуется высокой степенью неоднородности и определяется соотношением зон влияния всех существующих источников динамических нагрузок. Зоны влияния компрессорных газлифтных, а также перекачивающих станций достигают 60-80 м в плане и до 15-16 м вглубь массива грунтов (рис. 14). Влияние автодороги на поле вибраций сказывается на расстоянии до 100 м от ее оси.

Важным моментом для успешного применения подхода в целях оценки динамической устойчивости грунтов в массиве являются необходимые сведения об энергии, рассеиваемой в нем, при распространении волн напряжений от реальных источников. Тот уровень рассеянной энергии, который должен быть сопоставлен с экспериментально полученным критическим значением, можно получить, умножая падающую энергию на коэффициент поглощения и на продолжительность воздействия. Оценивая динамическую устойчивость грунтов в энергетических терминах и полагая коэффициент поглощения функционально зависимым от уровня

Рис. 12. Карта распределения напряжений в поверхностной волне (горизонтальная компонента, проекция вектора на горизонтальную плоскость) на площадке компрессорной станции. Изолинии проведены: основные через 10 Па, промежуточные через 0.5 Па.

Рис. 13. Карта распределения напряжений в поверхностной волне (горизонтальная компонента, проекция вектора на горизонтальную плоскость) на площадке перекачивающей станции. Основные изолинии проведены через 10 Па.

Рис. 14, Распределение напряжения (Па) в сейсмической волне от компрессорной станции с глубиной (м) по скважине

деформации, а рассеянную энергию - аддитивной с точки зрения накопления «повреждений» структурных связей грунта величиной, эксперимент может быть резко сокращен по сравнению с реальной длительностью воздействия за счет повышения уровня действующих напряжений.

Для доказательства принципиальной возможности такого подхода выполнен расчет потока мощности вибраций по результатам сейсмоакустических измерений на примере компрессорных станций различных месторождений в Среднем Приобье, построены карты плотности потока мощности через поверхность земли и определено распределение интенсивности воздействия по глубине. Результаты измерения скорости смещения частиц на поверхности показали, что воздействие от компрессорной станции представляет собой практически гармоническое колебание с узким амплитудным спектром с центральной частотой ^ = 25 Гц. Тогда функцию скорости смещения частиц в волне от этого источника можно представить в виде

У(0 = ав

Поток энергии W, переносимый волной со скоростью смещения частиц на фронте через единицу площади за время ^ равен (Исакович, 1973):

V/ = рс ;

где С - скорость распространения поверхностных волн (м/с); р - характерное значение плотности грунтов в приповерхностной части разреза (кг/м3). Делая соответствующие подстановки, получим:

V/ = рСА2 ({вт2 (2М0ОЛ)/

Взяв верхний предел интегрирования в 1 секунду и произведя интегрирование, получим значение плотности потока мощности сейсмической волны (Ватт/м2)в точке

наблюдений:

= рСА2/2.

Изученные источники характеризуются разными значениями плотности потока мощности вибраций (рис. 15-16): компрессорная станция (газлифтная) - 5-6 мВатт/м2; компрессорная станция перекачивающая 40-50 мВатт/м2; автодорога - 710 мВатт/м2. Различия в мощности воздействия от разных источников в приповерхностных частях массивов определяются не только интенсивностью возбуждаемых колебаний, но и особенностями фундаментов установок. Так, газлифтные компрессорные станции располагаются здесь на массивном фундаментном блоке-ростверке, опирающемся на висячие сваи, и значительная часть сейсмической энергии от вертикальной моды колебаний уходит непосредственно в глубину массива с концевой части сваи, не формируя поверхностной волны.

В итоге выделяемая за счет вибраций мощность для газлифтной компрессорной станции в оценочном объеме около 47500 м3 составляет примерно 1000 Вт, а для перекачивающей станции (для каждого из 2 агрегатов оценки примерно одинаковы) при глубине распространения волны до 11 м в оценочном объеме около 116200 м3 выделяемая мощность вибраций составляет около 30000 Вт. Тогда удельная энергия воздействия, приходящаяся на единицу объема, составит 1,8 и 22,3 кДж/м3 в сутки, соответственно.

Таким образом, продемонстрирована возможность прямого определения удельной энергии, поглощаемой массивами грунтов при распространении волн

О 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280

О 20 40 60

10О 120 140 160 180 200 220 240 260 280

Рис. 15. Карта потока мощности поверхностной волны (горизонтальная компонента, проек ция вектора на горизонтальную плоскость) на площадке компрессорной газлифтной стан ции. Основные изолинии проведены через 10 10"3 (Ватт/м2)

20 40 60 80 100 1 20 140 1 60 1 80 200 220 240 260

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260

Рис. 16. Карта потока мощности поверхностной волны (горизонтальная компонента, проекция вектора на горизонтальную плоскость) на площадке перекачивающей станции. Основ-

ные изолинии проведены через 10 10 (Ватт/м ).

напряжений от различных источников колебаний, которая может непосредственно сопоставляться с критическим уровнем удельной рассеянной энергии по данным лабораторных динамических испытаний. Это открывает возможность непосредственного применения энергетических критериев для оценки динамической устойчивости грунтов в массиве.

Оценка динамической устойчивости грунтов в массиве на основе энергетических критериев. Далее нами был проведен поиск зависимости между параметрами динамической устойчивости грунтов, характеризуемой критической величиной удельной рассеянной энергии и массово определяемыми в полевых и лабораторных условиях показателями состава и свойств грунтов. Для этого были проанализированы данные испытаний для однородной выборки монолитов с территории Нижневартовского нефтегазоносного района. Поиск зависимости проводился с помощью методов математической статистки. Вначале был выполнен кластерный анализ по ряду переменных - показателей состава и свойств грунтов, который позволил установить, насколько тесно связана величина удельной рассеянной энергии с каждым из других показателей состава и свойств грунтов. Затем по показателям, характеризующимся наибольшей теснотой связи с энергоемкостью динамического деформирования грунтов был проведен регрессионный анализ, показавший, что число переменных может быть сокращено до двух, из которых наибольший интерес для последующей оценки удельной рассеянной энергии представляют удельное сопротивление грунта на муфте трения зонда и влажность на пределе текучести (\Уц).

В итоге для суглинков Нижневартовского нефтегазоносного района была установлена зависимость, описывающая взаимосвязь удельной рассеянной энергии с удельным сопротивлением грунта на муфте трения при статическом зондировании и влажностью верхнего предела пластичности в виде полинома второй степени .

ДV? = 499,ЗОм^ - 41,41/5 + 0,12// - 7,59^ +1,08/^ - 7927,55.

Полученную зависимость (рис. 17) можно разбить на две области, разделенные граничным значением сопротивления грунта на муфте трения ^=100 кПа. Выше этого уровня наблюдается быстрый рост удельной рассеянной энергии с повышением величины обусловленный, по-видимому, изменением характера структурных связей вследствие ожелезнения грунтов и малого содержания органического вещества. Ниже этого значения плавные и небольшие изменения удельной рассеянной энергии, объясняются изменениями влажности верхнего предела пластичности, во мно-

гом регулируемые дисперсностью грунта и содержанием органического вещества. Кроме того при низких значения удельного сопротивления грунта на муфте трения область применения регрессии существенно ограничена диапазоном вариаций верхнего предела пластичности от 31 до 39%.

Область практического использования полученной зависимости определяется генезисом, возрастом и разновидностью грунтов: она выведена для верхнеплейстоценовых озерно-аллювиальных суглинков и не может быть напрямую применена для других грунтов, хотя и открывает практический путь получения аналогичных зависимостей.

Итак, на основе кластерного, факторного и регрессионного анализа собранных данных получено надежное уравнение множественной регрессии, связывающее величину удельной рассеянной энергии (рассчитанной по данным динамических трехосных испытаний) с удельным сопротивлением грунта на боковой поверхности (по данным статического зондирования) и величиной верхнего предела пластичности.

1 1 3400

1 1 3200

1 13000

1 12300

[ 12600

1 12400

1 12200

Г~1 2000

Г~1 1800

03 1600

Ш 1400

Ш 1200

Н юоо

Ц800

Щ 600

Ш 400

ШЗ 200

с? НИ о

4.4 Ш -200

ш -400

ВВ -600

В -800

■ -1000

■ -1200

■ -1400

Рис. 17 30 поверхность квадратичной зависимости удельной рассеянной энергии от удельного сопротивления грунта на муфте трения и верхнего предела пластичности

Показано, что получаемые коэффициенты регрессии при всех переменных значимы, и полученная регрессия может быть использована для расчетов с доверительной вероятностью 85%. При этом множественный коэффициент корреляции составляет 0.88, что является очень высоким значением и подтверждает, что полученная зависимость может быть использована в расчетах удельной рассеянной энергии по данным статического зондирования грунтов в массиве.

Этот новый методический подход к оценке динамической устойчивости массивов дисперсных грунтов на основе сочетания зондировочных методов в комплексе с высокоточными лабораторными динамическими испытаниями на образцах, является оптимальным в современных условиях. Его преимущества 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, в) в возможности прогнозной оценки последствий динамической неустойчивости грунтов без отбора образцов и без проведения специальных видов лабораторных или полевых работ. Этот подход позволяет выделять динамически чувствительные разности дисперсных грунтов в разрезе массивов и прогаозировать снижение их физико-механических показателей и возможные деформации основания в результате динамических нагрузок от работающего нефтепромыслового оборудования и проходящего транспорта в зависимости от интенсивности воздействия.

Установление основных закономерностей поведения четвертичных глинистых грунтов Нижневартовского нефтегазоносного района под действием динамических нагрузок позволяет наметить основные подходы к разработке методов управления динамической устойчивостью массивов указанных грунтов. Этим вопросам посвящены 7-9 главы работы. Разработка адекватных мероприятий по управлению динамической устойчивостью массивов таких грунтов может быть направлена на:

1) управление параметрами динамических воздействий, передающихся от неф-тегазопромысловых объектов в массивы грунтов - инженерно-техническая по своей сути задача;

2) управление работой фундаментов сооружений с динамическими нагрузками путем учета влияния разупрочнения грунта и размеров формирующейся зоны с пониженной несущей способностью, а также возможностью квазитиксотропного вос-

становления прочности и несущей способности массива грунтов - также инженерно-техническая задача;

3) управление свойствами грунтов в составе массивов - снижение их чувствительности к генерируемым динамическим воздействиям - инженерно-геологическая задача.

Инженерно-технические мероприятия по управлению параметрами динамических воздействий, передающихся от сооружений нефтегазовых промыслов в массивы грунтов, направлены, главным образом, на снижение амплитуды возникающих волн напряжений. Этот эффект может быть достигнут несколькими путями.

Прежде всего, это уменьшение амплитуд колебаний фундаментов с помощью пассивной или активной виброизоляции машины путем введения вибропоглощаю-щих элементов (винтовых пружин, деревянных или резиновых настилов и т.п.) между установкой и фундаментом, либо путем установки динамических гасителей вибраций. Эти устройства, представляющие собой определенным образом подобранную массу, упруго соединенную с фундаментом, работают в резонансном режиме и «оттягивают» на себя энергию колебаний, возникающих при работе машины.

Уменьшение амплитуды напряжений на фронте сейсмической волны, уходящей с фундамента в массив грунтов, может быть также достигнуто за счет повышения ее затухания. Этого можно добиться путем увеличения мощности песчаной отсыпки или подушки между массивной или рамной конструкцией комбинированного фундамента и поверхностью массива настолько, чтобы в достаточной мере погасить энергию волн напряжений как за счет ее поглощения в материале подушки, так и за счет расхождения при таком увеличении пути распространения. Такой подход может быть эффективен как для фундаментов компрессоров и насосных агрегатов, так и для земляного полотна автодорог.

Наконец, снижение амплитуд колебаний конструкций может быть достигнуто и путем повышения их пространственной жесткости. Примером этого может стать применение балластировки или закрепления нефтесборных и магистральных трубопроводов на участках прокладки в динамически малоустойчивых грунтах. Балластировка трубы с одной стороны, уменьшает амплитуду колебаний трубопровода за счет ограничения ее подвижности, а с другой - повышает жесткость конструкции между точками ее закрепления, что приводит к повышению собственной частоты колебаний и соответствующему увеличению коэффициента поглощения.

Этим достигается общее снижение добротности колебательной системы «стержень-массив грунтов».

Инженерно-технические мероприятия по управлению работой фундаментов сооружений с динамическими нагрузками путем учета влияния разупрочнения грунта и размеров формирующейся зоны с пониженной несущей способностью, а также возможностью квазитиксотропного восстановления прочности и несущей способности массива грунтов могут быть реализованы в виде следующих решений.

Прежде всего, можно рассмотреть целесообразность изменения расположения объекта - передислокация трассы трубопровода, автодороги или площадки компрессорной станции. Если такой подход экономически или функционально нецелесообразен, эффект частичного разупрочнения грунта следует учесть в конструкции фундамента сооружения. Так, установлено, что при погружении инвентарной сваи виброударной нагрузкой в окружающем массиве грунта образуется конусообразная зона разупрочнения, диаметр которой на поверхности массива (основание конуса) составляет не менее восьми диаметров, а глубина (высота конуса) достигает 6,5-7 м. На основании этого можно рекомендовать:

а) располагать сваи (в свайном поле или свайной полосе) на расстояниях не менее 1 м с целью предотвращения влияния вибрирующей сваи фундамента на соседний массив грунта, в который погружена соседняя свая;

б) расчет несущей способности сваи осуществлять с учетом квазитиксотропного разупрочнения грунта лишь на глубину 7 м, а остальную часть сваи как погруженную в динамически устойчивый грунт.

Кроме того, поскольку установлено, что при повторном виброударном на-гружении прочность восстановившихся грунтов не превышает таковой после первого цикла нагружения, то не рекомендуется вибронагружение (добивка) свай после их "отдыха".

В связи с тем, что реализуемые сегодня подходы к проектированию различных инженерных объектов на динамически малоустойчивых грунтах основываются на введении зачастую необоснованно высоких коэффициентов запаса, и такие грунты достаточно широко распространены на территории Среднего Приобья, где нефтега-зопромысловое оборудование создает поля вибрации различной интенсивности, актуальным становится правильный выбор метода управления динамической устойчивостью массивов грунтов.

Суммируя опыт проектирования и строительства в указанном регионе сооружений различного назначения, а также результаты проведенных исследований и аналитических расчетов, основные методы управления динамической устойчивостью массивов глинистых грунтов можно собрать на двух основных направлениях, разделив их на инженерно-технические и инженерно-геологические.

Инженерно-технические мероприятия включают в себя два подхода. Первый направлен на рациональное размещение сооружения, создающего поле вибрации, относительно массивов чувствительных к динамическим воздействиям грунтов. Это означает либо расположение сооружения за границами массива динамически неустойчивых грунтов, либо выбор оптимального типа фундамента и технологии ведения строительных работ, которые максимально снижают влияние вибраций на массив грунтов, включающий линзы или прослои динамически неустойчивых грунтов. Второй - предполагает проведение специальных инженерных мероприятий, направленных на уменьшение воздействия вибраций на грунтовые основания за счет как снижения амплитуды колебаний самого сооружения, так и повышение их затухания в самом грунтовом массиве.

К инженерно-геологическим мероприятиям относятся методы борьбы с основными причинами, которые определяют возникновение и развитие неблагоприятных процессов, нарушающих нормальные условия эксплуатации сооружений. Поскольку в основе динамического разупрочнения глинистых грунтов лежат свойства грунтов, то проблема предотвращения недопустимых деформаций грунтовых оснований, чувствительных к воздействию вибрации, сводится к целенаправленному изменению их физико-механических свойств. Как показали проведенные исследования для этой цели могут быть использованы различные методы технической мелиорации, которые можно классифицировать по видам воздействия на состав и свойства грунтов:

• электрокинетические методы, направленные на изменение влажностного состояния и дисперсности грунтов, дополнительно сопровождающихся консолидацией массива под собственным весом;

• термические методы, направленные на глубокое преобразование минерального состава грунтов, приводящие к созданию прочных структурных связей;

• инъекционные химические методы упрочнения грунтов, направленные на образование цементирующего вещества в поровом пространстве.

Любой из них имеет преимущества и недостатки, поэтому выбор метода зависит от конкретного типа грунтового основания, а также конструкции проектируемого фундамента.

Выводы

3. Для территории Нижневартовского нефтегазоносного района, характеризующейся ярусным строением и четким соответствием верхней части геологического разреза определенному геоморфологическому уровню, по литологическому строению можно выделить 10 типов грунтовых толщ, сложенных песками, супесями, суглинками и глинами. При их дальнейшем классифицировании целесообразно рассматривать состояние толщ с учетом вариаций степени увлажнения во времени. Такой подход позволяет выделить на рассматриваемой территории по совокупности признаков 43 типа грунтовых толщ.

5. Компрессорные станции разной мощности, трубопроводы и автодороги с тяжелым транспортом генерируют в приповерхностном слое массивов грунтов сейсмические волны, среди которых наибольшую долю энергии (не менее 86%) источника переносит поверхностная волна, длина которой составляет немногим более 7 м, а глубина распространения не превышает 15-16 м.

6. Вибрационное воздействие от мощных компрессорных газлифтных станций, использующихся на месторождениях Среднего Приобья для поддержания давления в нефтеносном пласте, ограничено расстояниями 60-80 м в плане и 15-16 м по глубине. На участках перекачивающих станций влияние двух совмещенных блоков распространяется на площадь 180 х 180 м в плане при той же глубине влияния. Влияние же автодороги на существующее в верхней части массива грунтов поле напряжений в перпендикулярном к оси дороги направлении сказывается на расстоянии до 100 м.

7. Удельная энергия вибровоздействия от компрессорных станций и перекачивающего оборудования, приходящаяся на единицу объема прилегающего массива грунтов, составляет от 1.8 до 22.3 кДж/м3 в сутки. Ее количественная оценка позволяет перейти к непосредственному применению энергетических критериев для оценки динамической устойчивости грунтов в массиве.

8. В пределах верхних 4 м массивов грунтов рассматриваемой территории широко распространены грунты, обладающие невысокой энергоемкостью динамического деформирования. Наиболее чувствительные к динамическому воздействию разности характеризуются критическими значениями удельной рассеянной энергии от 2.5 до 60 кДж/м3. Наличие таких грунтов требует непременного учета их поведения при проектировании нефтегазопромысловых объектов с длительно действующими динамическими нагрузками даже умеренной интенсивности.

9. На месторождениях Среднего Приобья сооружения с динамическими нагрузками, в том числе и наиболее интенсивными - газлифтные компрессорные станции, устанавливаются на совмещенных массивных и рамных фундаментах на висячих сваях при таком расположении свай в группах, когда их динамическая реакция определяется в том числе и влиянием соседних свай. При таких конструкциях фундаментов основными излучателями волн напряжений в массивы грунтов служат сваи, и на первый план выходит именно характер динамической работы свай в группе. Между тем, вокруг висячих свайных фундаментов с динамическими нагрузками в массиве грунтов формируется зона разупрочненного грунта, размеры которой составляют 5-8 диаметров сваи.

10. Объем разупрочненного грунта в околосвайном пространстве зависит от размеров сваи, параметров динамической нагрузки, глубины залегания и свойств грунтов.

П.Получено надежное уравнение множественной регрессии, связывающее величину удельной рассеянной энергии (по данным динамических трехосных испытаний) с удельным сопротивлением грунта на муфте трения (по данным статического зондирования) и влажностью верхнего предела пластичности.

12. Система мер по управлению динамической неустойчивостью массивов дисперсных грунтов Нижневартовского нефтегазоносного района может включать как инженерно-технические, так и инженерно-геологические мероприятия. Адекватными инженерно-техническими мерами могут быть снижение амплитуды возникающих в массиве волн напряжений за счет виброизоляции фундаментов или повышения поглощения колебаний самими грунтами, а также учет возможности и степени разупрочнения грунтов при расчете фундаментов. Среди инженерно-геологических мероприятий, направленных на изменение состояния и свойств динамически неустойчивых грунтов, наиболее перспективными являются методы электрохимической обработки грунтов, термического упрочнения и инъекционная химическая обработка грунтовых массивов.

13. Применение как инженерно-технических, так и инженерно-геологических способов управления динамической устойчивостью массивов грунтов можно рекомендовать при наличии в их составе динамически наименее устойчивых грунтов 1-ой группы, характеризующихся энергоемкостью динамического деформирования менее 60 кДж/м3. Для массивов грунтов 2-3 групп с энергоемкостью динамического деформирования до 270 кДж/м3 целесообразно применение лишь инженерно-технических мер управления, а при размещении сооружений на массивах динамически наиболее устойчивых грунтов (4-5 групп) с энергоемкостью динамического деформирования свыше 320 кДж/м3 использование специальных управляющих мероприятий нерационально.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Применение пенетрационного метода для уточнения консистенции глинистых

грунтов с примесью растительных остатков района Среднего Приобья. «Инженерная геология», М.,1983 г., №5, с. 99-109 (Фиамский О.Б., Патаридзе Н.И.).

2. Исследование разупрочнения грунтов Самотлорского нефтегазового месторож-

дения при динамическом воздействии. В сб. «Повышение эффективности инженерных изысканий для строительства». Тюмень, 1984 г.(Вознесенский Е.А., Калачев В.Я.).

3. Определение несущей способности свай на Самотлорском месторождении. «Нефтепромысловое строительство», М., 1985г., №9, с. 9-13.( Биленко Н.З., Мухаметшин Г.Л.).

4. Тиксотропное разупрочнение глинистых грунтов Среднего Приобья. В сб. « Гли-

ны, глинистые минералы и их использование в народном хозяйстве», Алма-Ата, 1985г., с. 180 - 181.( Вознесенский Е.А., Трофимов В.Т., Калачев В.Я.).

5. Методика изучения динамических свойств грунтов в полевых условиях. В сб.

«Инженерно-геологические изыскания в области вечной мерзлоты», Благовещенск, 1986 г., с.122-124.( Калачев В.Я., Трофимов В.Т., Мухаметшин Г.Л.). -6. Динамические свойства глинистых грунтов Западной Сибири. «Бюллетень 4" МОИП», М., 1988г., №6, с. 119-129.( Трофимов В.Т., Калачев В. Я., Вознесенский Е.А.).

7. Поведение глинистых грунтов грунтов Самотлорского месторождения при виб-

рационном воздействии. Авт-рат. канд. дис. М., 1989

8. Квазитиксотропные изменения в глинистых грунтах (учебное пособие). Изда-

тельство Московского Университета, 1990г., с.143.( Вознесенский Е.А., Калачев В.Я., Трофимов В.Т.).

9. Modeling of soil dynamic behavior in the framework of energy approach. Ninth Inter-

national Conference on 'Soil Dynamics and Earthquake Engineering 'SDEE'99. August 9-12, 1999,Bergen, Norway. Abstract Volume. Elsevier. P.127.( Voznesensky E„ Samarin E., Nordal S„ Steenfelt J.)

10. Modeling of soil dynamic behaviour using the energy parameters. 31 International Geological Abstracts. Rio-de-Janeiro, Brazil, 2000. CD-ROM. Versao Brasiliera, HTM2028. General Symp. 22-1. (Voznesensky E., Samarin E., Nordal S, Steenfelt J.).

11. Поведение глинистых грунтов при низкочастотных динамических воздействиях. *f-«Вестник Московского университета». Сер.4. Геология. 2003 №6, стр. 36-42.( Фуникова В.В., Вознесенский Е.А., Юренкова П. В.).

12. Оценка динамической устойчивости грунтов с использованием данных полевых сейсмических наблюдений. Тезисы международной научно-практической конференции. Инженерная геофизика - 2005г. Геленджик, ГНЦ, «Южморгеоло-гия», 2005 г., с. 128-137.( Вознесенский Е.А., Владов M.JI., Кушнарева Е.С.)

> %

13. Механизмы динамического разжижения дисперсных грунтов и формы его проявления. В сб. «Новые технологии для ТЭК Западной Сибири», Том 1, Тюмень, 2005 г., стр. 3-16.( Грачев С.И., Вознесенский Е.А., Кушнарева Е.С.).

14. Методы оценки разжижаемости грунтов при сейсмических толчках. В сб. «Новые технологии для ТЭК Западной Сибири», Том 1, Тюмень, 2005 г., стр. 16-26.( Грачев С.И., Вознесенский Е.А., Кушнарева Е.С.).

15. Разжижение грунтов при циклических нагрузках. Издательство Московского Университета, 2005г., с. 134.( Вознесенский Е.А., Кушнарева Е.С., Фуникова В.В.).

16. Использование данных сейсмоакустических исследований для оценки динамической устойчивости грунтов в массиве. «Разведка и охрана недр». М.: Недра, 2005 г., №12, стр. 41-46. (Вознесенский Е.А., Владов M.JL, Кушнарева Е.С.).

17. Сейсмическое разжижение грунтов: механизм, последствия и инженерная оценка для целей сейсмического микрорайонирования территории. «Разведка и охрана недр». М.: Недра, 2005 г., №12, стр. 61-65.(Вознесенский Е.А., Фуникова В.В., Кушнарева Е.С.).

Je О tf, 18. Оценка динамической устойчивости массивов дисперсных грунтов в целях обустройства нефтегазовых месторождений в Среднем Приобье. Издательство СПб, Наука, 2006г., 264 с. "j Методика изучения динамической устойчивости массивов дисперсных грунтов.

"Южно-Российский вестник геологии, географии и глобальной энергии". 2006 вСг.иис стр.189-196. „

V 20. Подходы к управлению динамической устойчивостью массивов дисперсных

грунтов на территории нефтегазовых месторождений Среднего Приобья. «Вестник Московского университета». Серия 4 геология. 2007. №3. (Вознесенский Е.А.). (Mvp

V 21. Проблемы оценки динамической устойчивости массивов дисперсных грунтов. V

Основания, фундаменты и механика грунтов. 2007г. №4, стр.10-15. "Г

V 22. Классификация грунтовых толщ Аган-Вахского междуречья,(3ападная Сибирь)у i

« Геоэкология». 2007. № 5, стр.439-449. 23. Инженерно-геологические методы управления динамической устойчивостью массивов дисперсных грунтов (на примере Нижневартовского нефтегазоносного района). «Инженерная геология». Сентябрь, 2007, стр.36-42. ( Самарин E.H., Балыкова С.Д.).

V 24 .Некоторые варианты управления динамической устойчивостью массивов грун- v -j-

тов. «Промышленное и гражданское строительство», 2007, №12, стр.33-35. 25. Снижение геориска путем управления динамической устойчивостью массивов дисперсных грунтов. «ГеоРиск». Декабрь, 2007, стр.12-17.

Отпечатано в отделе оперативной печати Геологического ф-та МГУ Тираж 150 экз. Заказ № Н

Содержание диссертации, доктора геолого-минералогических наук, Коваленко, Владимир Георгиевич

ВВЕДЕНИЕ.

ЧАСТЬ I ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ПОЛЕЙ

ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК В МАССИВАХ ГРУНТОВ ОСНОВАНИЙ ПРОМЫСЛОВЫХ И ТРАНСПОРТНЫХ СООРУЖЕНИЙ НА МЕСТОРОЖДЕНИЯХ НЕФТИ И ГАЗА.

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

1.1. Конструктивные особенности фундаментов нефтегазопромыслового оборудования и их влияние на формирование полей вибрации в грунтах оснований.

1.2. Структура и параметры вибрационного поля промысловых сооружений на месторождениях нефти и газа.

1.3. Вибрационное поле транспортных сооружений.

1.4. О преобразовании воли напряжений при переходе из фундаментов в массивы грунтов основания.

Глава 2 Особенности реакции различных дисперсных грунтов Среднего

Приобья на динамические воздействия.

ЧАСТЬ II МЕТОДЫ И МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ

УСТОЙЧИВОСТИ ГРУНТОВ И ИХ МАССИВОВ.

Глава 3 Опыт использования зондировочных методов для оценки состава и физико-механических свойств грунтов.

3.1. Динамическое зондирование.

3.2. Вибропенетрация.

3.3 Взрывное «зондирование».

3.4. Стандартная пенетрация.

3.5. Беккер-пенетрация.

3.6. Статическое зондирование.

3.7. Сейсмическое зондирование.

Глава 4. Методика экспериментального изучения динамической устойчивости грунтов и их массивов.

4.1. Общий методический подход к оценке динамической устойчивости дисперсных грунтов в массиве.

4.2. Методика полевых исследований динамической устойчивости грунтов в массиве.

4.2.1. Состав работ при полевом изучении динамической устойчивости грунтов в массиве и их опробовании.

4.2.2. Методика исследования квазитиксотропных превращений грунтов в массиве с помощью вибрирующей сваи-индептора.

4.2.3. Методика исследования распространения зон разупрочнения грунта в массиве.

4.2.4. Методика исследования разупрочнения предварительно статически нагруженных грунтов.

4.2.5. Методика исследования разупрочнения предварительно статически нагруженных грунтов под влиянием циклов вибронагружения.

4.2.6. Методика исследования квазитиксотропных свойств предварительно статически нагруженных грунтов под влиянием циклов вибронагружения-восстановления.

4.3. Методика лабораторных динамических испытаний грунтов на образцах.

4.3.1. Методика динамического трехосного сжатия.

4.3.2. Методика определения зоны разупрочнения грунта с помощью лабораторной вибросдвиговой установки.

4.4. Методика оценки полей динамических напряжений в массиве от объектов нефтегазопромыслов.

ЧАСТЬ III ДИНАМИЧЕСКАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ МАССИВОВ ДИСПЕРСНЫХ ГРУНТОВ НИЖНЕВАРТОВСКОГО НЕФТЕГАЗОНОСНОГО РАЙОНА И ПОДХОДЫ К УПРАВЛЕНИЮ ЕЮ.

Глава 5. Инженерно-геологическая характеристика массивов грунтов

Нижневартовского нефтегазоносного района.

5.1. Строение грунтовых толщ Нижневартовского нефтегазоносного района.

5.2. Характеристика инженерно-геологических особенностей грунтов территории.

5.2.1. Характеристика состава и свойств песчаных грунтов разного возраста и генезиса.

5.2.2. Характеристика состава и свойств глинистых грунтов разного возраста и генезиса.

5.2.3. Детальное расчленение массивов дисперсных грунтов территории по данным статического зондирования и их классифицирование.

Глава 6. Динамическая устойчивость массивов дисперсных грунтов

Нижневартовского нефтегазоносного района.

6.1. Характеристика динамической устойчивости грунтов по данным лабораторных исследований.

6.1.1. Характеристика квазитиксотропных свойств грунтов по данным внбростендовых испытаний.

6.1.2. Характеристика динамической устойчивости грунтов по данным динамического трехосного сжатия.

6.2. Оценка динамической устойчивости грунтов в массиве.

6.2.1. Закономерности формирования зоны разупрочнения грунтов в массиве при вибрационных воздействиях от свай.

6.2.2. Энергетика динамических воздействий на массивы грунтов от сооружений нефтегазодобывающего комплекса.

6.2.3. Оценка динамической устойчивости грунтов в массиве на основе энергетических критериев.

Глава 7. Инженерно-геологические мероприятия но управлению динамической устойчивостью массивов дисперсных грунтов Нижневартовского нефтегазоносного района.

7.1. Основные предпосылки и вохможности применения инженерно-геологических мероприятий для управления динамической устойчивостью массивов дисперсных грунтов территории.

7.2. Электрохимическая обработка динамически неустойчивых грунтов

7.3. Термическая обработка динамически неустойчивых грунтов.

7.4. Обработка динамически неустойчивых массивов грунтов щелочными растворами.

Глава 8 Инженерно-технические мероприятия по снижению негативного влияния динамических воздействий на несущую способность массивов грунтов.

8.1. Инженерно-технические мероприятия по управлению параметрами динамических нагрузок на грунты оснований промысловых сооружений

8.2. Инженерно-технические мероприятия по управлению работой фундаментов в условиях динамических нагрузок, основанные на учете закономерностей поведения грунтов их оснований.

Глава 9 Опыт управления динамической устойчивостью массивов дисперсных грунтов Нижневартовского нефтегазоносного района.

9.1. Характеристика состава и свойств грунтовой толщи на участке опытных работ.

9.2. Методика проведения натурных испытаний по защелачиванию массивов дисперсных грунтов.

9.3. Оценка динамической устойчивости массивов глинистых грунтов после инъекционной обработки щелочным раствором.

9.4. Опыт применения инженерно-технических мероприятий для управления динамической устойчивостью массивов грунтов на территории Нижневартовского нефтегазоносного района.

ВЫВОДЫ.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Динамическая устойчивость массивов дисперсных грунтов и управление ею при функционировании нефтегазопромысловых сооружений (на примере месторождений Среднего Приобья)"

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 рад специальных вопросов, включающих:

• методические пути моделирования этих воздействий в эксперименте,

• 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.

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

1. В современной инженерной геологии динамическая устойчивость массивов грунтов является мало изученной областью, в связи с чем новый экспериментальный материал о закономерностях и особенностях ее формирования и проявления чрезвычайно 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 литологиче-ская, плотностная и влажностная неоднородность массивов, их напряженное состояние, а также упругих и демпфирующих свойств на их динамическую устойчивость. Между тем очевидно, что 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, дорогостоянщ 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 газ-лифтных станций, многочисленного нефтегазоперекачнвающего и нагнетательного оборудования, локальных и магистральных нефтесбориых 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, успешные случаи использования динамической неустойчивости грунтов в ряде геотехнических технологии. Так, при забивке свай учитывают тиксотропное разупрочнение слаболитифицированных глинистых грунтов и последующее "засасывание" свай во время "отдыха", при вибропогруже-шш - 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 слаболити-фицированные 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 в качестве типовой («ключевой») 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 кроме этого при характеристике массивов дисперсных грунтов региона использовались материалы, полученные на территории Среднего Приобья в пределах и других месторождений - 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 инженерных 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:

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

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

6. Выполнить анализ и обобщение собранного фактического материала.

Основные защищаемые положения работы. В работе обосновываются и выносятся на защиту следующие 5 основных положений.

2. 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, 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. 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.

Научная новизна работы

1. Впервые 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

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

6. Экспериментально показано существование зоны разупрочнения в массивах глинистых грунтов при динамическом воздействии от свайного фундамента, установлены размеры этой зоны и показана их зависимость от размера сван и строения массива.

7. Разработана новая карта грунтовых толщ района, которая может использоваться для локализации участков развития динамически чувствительных грунтов, рационального размещения нефтепромысловых объектов и выбора мероприятий по управлению динамической устойчивостью массивов дисперсных грунтов.

Практическая значимость работы заключается:

3) в доказательстве существования зоны разупрочнения в массивах грунтов вокруг стержневой конструкции (например, сван), 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 непосредственно использоваться в изысканиях (для корректного выделения типа грунта по данным статического зондирования), а также для разработки и совершенствования региональных нормативных документов;

Заключение Диссертация по теме "Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение", Коваленко, Владимир Георгиевич

выводы

1. Нижневартовский нефтегазоносный район представляет собой область распространения аккумулятивных равнин, сложенных преимущественно водно-ледниковыми, озерно-аллювиальными и лагунными отложениями среднего плейстоцена, а также террас р.Оби и ее притоков, где преобладают атлювиальные и озерно-аллювиальиые геолого-генетические комплексы голоцена-верхнего плейстоцена. Основными зональными факторами формирования инженерно-геологических условий этой территории являются избыточное увлажнение, умеренная теплообеспеченность и широкое развитие древесной растительности, которые обусловили островное и редкоостровное развитие высокотемпературных многолетне-мерзлых пород.

2. Верхняя часть геологического разреза Нижневартовского нефтегазоносного района представлена преимущественно дисперсными грунтами: песками, супесями, суглинками и глинами. Основными факторами, определяющими показатели физико-механических свойств песчаных грунтов этой территории, являются вариации гранулометрического состава, связанные с различным содержанием тонкодисперсных фракций, характер типо-морфных включений (особенно количество разложившихся органических остатков) и условия обводненности территории. Свойства глинистых грунтов определяются в основном приуроченностью к разным геоморфологическим уровням, литологической однородностью массивов, степенью их заторфованности и водонасыщения.

3. Для территории Нижневартовского нефтегазоносного района, характеризующейся ярусным строением и четким соответствием верхней части геологического разреза определенному геоморфологическому уровню, по литологическому строению можно выделить 10 типов грунтовых толщ, сложенных аллювиальными, озерно-аллювиальными и озерно-флювиогляциальными песками, супесями, суглинками и глинами среднего плейстоцена-голоцена. При их дальнейшем классифицировании целесообразно рассматривать состояние толщ с учетом вариаций степени увлажнения во времени, что особенно актуально для при-бровочных участков, характеризующихся террасным режимом грунтовых вод. Такой подход позволяет выделить на рассматриваемой территории по совокупности признаков 43 типа грунтовых толщ.

4. Распространенные на рассматриваемой территории четвертичные дисперсные грунты могут быть надежно идентифицированы в разрезе массивов по данным статического зондирования с конусом II типа на основе новой статистически обоснованной (более 4000 определений) региональной классификационной схемы. Поскольку среднеквартильные интервалы разброса значений удельного сопротивления грунта под конусом и на муфте трения зонда, а также индекса типа поведения грунта перекрываются не более чем на 510 % для различных по дисперсности и консистенции грунтов, то предложенная классификационная схема может широко использоваться при инженерно-геологических изысканиях на указанной территории.

6. Вибрационное воздействие от мощных компрессорных газлифтных станций, использующихся на месторождениях Среднего Приобья для поддержания давления в нефтеносном пласте, ограничено расстояниями 60-80 м в плане и 15-16 м по глубине. На участках перекачивающих станций влияние каждого из насосных агрегатов в плане ограничивается расстоянием 60-80 м, но для двух совмещенных блоков распространяется на площадь 180 х 180 м в плане при той же глубине влияния. Влияние же автодороги на существующее в верхней части массива грунтов иоле напряжений в перпендикулярном к оси дороги направлении сказывается на расстоянии до 100 м.

7. Удельная энергия вибровоздействия от компрессорных станций и перекачивающего оборудования, приходящаяся на единицу объема прилегающего массива грунтов, составляет от 1.8 до 22.3 кДж/м в сутки. Ее количественная оценка позволяет перейти к непосредственному применению энергетических критериев для оценки динамической устойчивости грунтов в массиве.

8. В пределах верхних 4 м массивов грунтов рассматриваемой территории широко распространены грунты, обладающие невысокой энергоемкостью динамического деформирования. Наиболее чувствительные к динамическому воздействию разности характеризуются критическими значениями удельной рассеянной энергии от 2.5 до 60 кДж/м3. Наличие таких грунтов требует непременного учета их поведения при проектировании нефтега-зопромысловых объектов с длительно действующими динамическими нагрузками даже умеренной интенсивности.

9. На месторождениях Среднего Приобья нефтепромысловые сооружения с динамическими нагрузками, в том числе и наиболее интенсивными - газлифтные компрессорные станции, устанавливаются на совмещенных массивных и рамных фундаментах на висячих сваях при таком расположении свай в группах, когда их динамическая реакция определяется в том числе и влиянием соседних свай. При таких конструкциях фундаментов основными излучателями волн напряжений в массивы грунтов служат сван, и на первый план выходит именно характер динамической работы свай в группе. Между тем, вокруг висячих свайных фундаментов с динамическими нагрузками в массиве грунтов формируется зона разупрочненного грунта, размеры которой составляют 5-8 диаметров сваи.

10. Объем разупрочненного грунта в околосвайном пространстве зависит от размеров сваи, параметров динамической нагрузки, глубины залегания и свойств грунтов. При этом:

• радиус формирующейся зоны разупрочнения снижается на 10-20% при наличии торфяного слоя мощностью не менее 2 м в силу высоких демпфирующих свойств торфа и изменения условий закрепления свай в массиве;

• зона разупрочнения грунта закономерно сокращается с увеличением глубины расположения сваи в толще грунта, что обусловлено как повышением затухания колебаний, так и ростом природного давления;

• с увеличением амплитуды вибрации разупрочнение грунта фиксируется на больших глубинах, поскольку интенсивность рассеяния энергии колебаний пропорциональна суммарной площади поверхности индентора и возрастает при его наращивании трубами;

• уменьшение радиуса зоны разупрочнения с глубиной происходит нелинейно, что обусловливается неоднородностью массива по глубине и приводит к формированию в разрезе зоны разупрочнения сложной конической конфигурации.

11. Получено надежное уравнение множественной регрессии, связывающее величину удельной рассеянной энергии (по данным динамических трехосных испытаний) с удельным сопротивлением грунта на муфте трения (по данным статического зондирования) и влажностью верхнего предела пластичности. Коэффициенты регрессии при всех переменных значимы, и она может использоваться для расчетов с доверительной вероятностью 85%, что позволяет использовать полученную зависимость для оценки динамической устойчивости грунтов в массиве по данным статического зондирования.

12. Наиболее высокой динамической устойчивостью среди глинистых грунтов Нижневартовского нефтегазоносного района обладают разности, характеризующиеся удельным сопротивлением на муфте трения зонда выше 100 кПа, что связано с появлением в них цементационных и переходных контактов, образовавшихся в процессе постседиментацион-ных преобразований и имеющих большую по сравнению с коагуляционными прочность.

Такое изменение типа структурных связей существенно увеличивает как удельную рассеянную энергию грунта, так и сопротивление грунта на участке боковой поверхности зонда, поскольку оба эти параметра грунта тесно связаны с его сдвиговой прочностью.

13. В области значений удельного сопротивления на муфте трения зонда до 100 кПа, что характерно для большинства массивов грунтов рассматриваемой территории, их динамическая устойчивость оказывается тесно связанной с величиной влажности грунта на пределе текучести, причем отчетливо нелинейным образом. Такой характер зависимости может быть объяснен одновременным влиянием содержания органического вещества и на динамическую устойчивость грунтов, и на влажность предела текучести.

14. Система мер по управлению динамической неустойчивостью массивов дисперсных грунтов Нижневартовского нефтегазоносного района может включать как инженерно-технические, так и инженерно-геологические мероприятия. Адекватными инженерно-техническими мерами могут быть снижение амплитуды возникающих в массиве волн напряжений за счет виброизоляции фундаментов или повышения поглощения колебаний самими грунтами, а также учет возможности и степени разупрочнения грунтов при расчете фундаментов. Среди инженерно-геологических мероприятий, направленных на изменение состояния и свойств динамически неустойчивых грунтов, наиболее перспективными являются методы электрохимической обработки грунтов, термического упрочнения и инъекционная химическая обработка грунтовых массивов.

15. Применение как инженерно-технических, так и инженерно-геологических способов управления динамической устойчивостью массивов грунтов можно рекомендовать при наличии в их составе динамически наименее устойчивых грунтов 1-ой группы, характерио зующихся энергоемкостью динамического деформирования менее 60 кДж/м . Для массивов грунтов 2-3 групп с энергоемкостью динамического деформирования до 270 кДж/м3 целесообразно применение лишь инженерно-технических мер управления, а при размещении сооружений на массивах динамически наиболее устойчивых грунтов (4-5 групп) с энергоемкостью динамического деформирования свыше 320 кДж/м использование специальных управляющих мероприятий нерационально.

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора геолого-минералогических наук, Коваленко, Владимир Георгиевич, Москва

1. Адаменко О.М. Основные закономерности геологического развития Кулундинской впадины. Автореф.канд.дисс. Новосибирск. 1967.

2. Адаменко О.М. Основные этапы мезозойской и кайнозойской истории Предгорного Алтая. Геология и геофизика. 1963, № 2.

3. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М.: МГУ, 1971, 487 стр.

4. Архипов С.А. О некоторых особенностях развития морфоструктуры Западно-Сибирской низменности. С сб.:»Кайнозой Западной Сибири». Новосибирск, «Наука», 1968.

5. Архипов С.А. Четвертичный период в Западной Сибири. Новосибирск, 1971.

6. Архипов С.А., Вдовин В.В., Мизеров Б.В., Николаев В.А. История развития рельефа Сибири и Дальнего Востока. Западно-Сибирская равнина. М.»Наука», 1970, 259 стр.

7. Аслибекян О.В. Влияние состава и структурных особенностей песчаных грунтов на их разжижение при вибрации. Автореферат дисс. канд. геол.-мин. наук. М., МГУ. 1986. 17 с.

8. Барон К.А., Кантор В.Х. Техника и технология взрывных работ в США. М., Недра, 1989. 376 с.

9. Батуев М.А. Опыт Качканарского ГОКа по созданию новых систем инициирования для карьеров // Горный журнал. 1995. № 8. С. 23-24.

10. Баулин В.В. и др. Геокриологические условия Западно-Сибирской низменности. Фонды ПНИСИС, 1968.

11. Баулин В.В., Белопухова Е.Б., Дубиков Г.И., Шмелев Л.М. Геокриологические условия Западно-Сибирской низменности М.: »Наука», 1967.

12. Баулин В.В., Ефимова И.В., Тимофеев В.Г. Распространение вечномерзлых пород в районе широтного течения р.Оби. Сб. статей "Мерзлотные исследования", вып.П, изд-воМГУ, 1971 г.

13. Баулин В.В., Шмелев Л.М. О следах древних криогенных процессов в верхнеплейстоценовых отложениях нижнего течения р.Оби. В сб.: «Вопросы криологии при изучении четвертичных отложений». М., изд-во АН СССР, 1962.

14. Бирюков Н.С., Казарновский В.Д., Мотылев IO.J1. Методическое пособие но определению физико-механических свойств грунтов. М., Недра. 1975. 175 с.

15. Богацкий В.Ф. Прогноз и ограничение сейсмической опасности промышленных взрывов. Взрывное дело 85/42. Сейсмика промышленных взрывов. М., Недра. 1983.

16. Боголепов К.В. Мезозойские и третичные отложения восточной окраины ЗападноСибирской низменности и Енисейского кряжа. М.:»Госгеолтехиздат», 1961

17. Бородавкин П.П. Исследования работы магистральных газонефтепроводов, сооружаемых в сложных условиях. Дисс. д.т.н. МИПХиГП им. И.М. Губкина. Москва. 1968.

18. Варламов И.П. и др. Объяснительная записка к карте новейшей тектоники ЗападноСибирской низменности, масштаба 1:2 500 000. Красноярск, 1969.

19. Вдовин В.В., Проводников Л.Я. История формирования мезозойско-кайнозойоких отложений и современного рельефа в бассейне реки Вах. Новосибирск, 1965.

20. Величко A.A. Главный климатический рубеж и этапы плейстоцена. «Изв. АН СССР», сер.геогр., 1968, № 3.

21. Вознесенский Е.А. Динамическая неустойчивость грунтов. Автореферат дисс. докт. геол.-мин. наук. М., МГУ. 2000. 54 с.

22. Вознесенский Е.А. Динамическая неустойчивость грунтов. Москва. УРСС Эдиториал. 1999. 263 с.

23. Вознесенский Е.А. Тиксотропные свойства глинистых грунтов центральных районов Западно-Сибирской плиты. Автореферат дисс. к. г.-м. н. Москва, МГУ. 1985. 18 с.

24. Вознесенский Е.А., Калачев В.Я., Самарин E.H. Изменение тиксотропных свойств глинистых грунтов при их защелачивании. Инженерная геология. 1991, № 5, стр.28-36.

25. Вознесенский Е.А., Кушнарева Е.С., Коваленко В.Г., Фуникова В.В. Разжижение грунтов при циклических нагрузках. 2005. М.: Изд-во Московского университета. 134 с.

26. Вознесенский Е.А., Трофимов В.Т., Калачёв В.Я., Коваленко В.Г., Мухаметшин Г.Л., Ефременко С.Д. Динамические свойства глинистых грунтов Западной Сибири // Бюллетень MOim. Отдел геологический. 1988. Т.63. Вып.6. С. 119-129.

27. Волков Ф.Е. Изменение состава и физико-механических свойств глинистых грунтов в результате взаимодействия с растворами щелочи (гидроокись натрия). Авто-реф.канд.диссертации. М.: МГУ, 1977, 24 стр.

28. Воробьева Л.С., Мухаметшин A.M., Яковлев М.В. Сейсмическая безопасность жилых зданий и сооружений от взрывных работ на действующих предприятиях в условиях городской застройки // Горный журнал. 1999. № 9-10. С.99-109.

29. Воронкевич С.Д. Основы технической мелиорации грунтов. М., «Научный мир», 2005, 504 стр.

30. ВСН 39-1.9-003-98. Конструкции и способы балластировки и закрепления подземных газопроводов (Ведомственные строительные нормы). ОАО «Газпром». Москва. 1998

31. ВСН 490-87. Проектирование и устройство свайных фундаментов и шпунтовых ограждений в условиях реконструкции промышленных предприятий и городской застройки. Минмонтажспецстрой СССР. 1987.

32. Геология СССР. Т.44. М.:»Недра», 1964.

33. Геоэкологическое обследование предприятий нефтяной промышленности. В.А. Шевнин и И.Н. Модин ред. М.: РУССО. 1999.511 с.

34. Гидрогеология СССР, т.16. Западно-Сибирская равнина. М.»Недра», 1970.

35. Гольберт A.B. Верхнеюрско-валанжинская терригеино-глауконитовая формация Западно-Сибирской низменности и ее рудоносность. Автореф.канд.дис. Новосибирск. 1966.39.

Информация о работе

Коваленко, Владимир Георгиевич
доктора геолого-минералогических наук
Москва, 2008
ВАК 25.00.08

Диссертация

Динамическая устойчивость массивов дисперсных грунтов и управление ею при функционировании нефтегазопромысловых сооружений (на примере месторождений Среднего Приобья) - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы