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

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.3)

При типизации грунтовых толщ территории их мощность принималась нами равной 12 м, что обусловлено повсеместным использованием свайных фундаментов 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 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 q_c и f_s, в качестве которых рассматривались выборочное среднее и квантильные значения соответствующих случайных величин.

На основании построенных гистограмм значений q_c и f_s, 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 грунтов по данным статического зондирования положены квартильные 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 (I_c).

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
				t > 3oC						t = 0 - (-1)oC
				С постоянным увлажнением			С переменным увлажнением			С постоянным увлажнением
				а	б	в	г	д	е	ж	з
Сложенные грунтами одного класса	Дисперсные	Однопородные	1		П	П	П		П
			2		III					III
		Двухпородные	3		П	П	П		П
			4	I	П I III IV		П I		I	III IV
			5	I II	I II	I	I II	I
			6		II
			7			III					III IV
		Многопородные	8			П I II IV
			9			I II III IV					III 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/терраса; II - вторая н/терраса; III - третья н/терраса; IV - четвертая н/терраса.

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 непосредственном 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 грунтов Нижневартовского нефтегазоносного района отмечается слабое, но закономерное увеличение радиуса зоны разупрочнения с ростом влажности грунта. Этот процесс, например, для легких пылеватых суглинков данного района может быть аппроксимирован уравнением (рис. 6) R=1.06 + 0.02 W, где W - влажность грунта в диапазоне 23-48 %, R - 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 гранулометрических разновидностей грунтов в пределах рассматриваемой территории.

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: R = 4,53 - 1,99 δ, где δ - 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 водонасыщенные 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 водонасыщенные 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 водонасыщенные 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.

Третья группа включает тяжёлые суглинки и лёгкие глины (III озёрно-аллювиальная терраса), характеризующиеся критическими значениями удельной рассеянной энергии от 209 до 271 кДж/м³. 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 давление 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 грунтов, включающий такой фундамент на висячих сваях, характеризуется пониженной несущей способностью.

Энергетика динамических воздействий на массивы грунтов от сооружений нефтегазодобывающего комплекса. На территории Нижневартовского нефтегазоносного района широко распространены разнообразные сооружения, являющиеся источниками динамических нагрузок на грунты. Учитывая постоянство этого воздействия в течение десятков лет существования промыслового хозяйства, нельзя исключить определенное накопление деформаций в грунтах 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 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 σ (Па) в соответствии с выражением: σ = ρCV, где ρ - плотность грунта в приповерхностном слое (кг/м³), C- 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 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 f₀ = 25 Гц. Тогда функцию скорости смещения частиц в волне от этого источника можно представить в виде

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

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

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

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 - 7-10 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 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 (f_s) и влажность на пределе текучести (w_L).

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

Полученную зависимость (рис. 17) можно разбить на две области, разделенные граничным значением сопротивления грунта на муфте трения f_s = 100 кПа. Выше этого уровня наблюдается быстрый рост удельной рассеянной энергии с повышением величины f_s, 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 многом 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.

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 прогнозировать 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 нефтегазопромысловых 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 восстановления 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 вибропоглощающих 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 нагружении 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 нефтегазопромысловое 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: