УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОНИТОРИНГА ДЕФОРМАЦИЙ ГРУНТОВ В КРИОЛИТОЗОНЕ
DEVICE FOR MONITORING SOIL DEFORMATIONS IN CRYOLITE ZONE

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для контроля деформаций грунтовых оснований фундаментов промышленных и гражданский объектов, строящихся и эксплуатируемых в суровых климатических условиях Крайнего Севера при освоении газовых и нефтяных месторождений.
В настоящее время, мониторинг деформаций зданий и сооружений нефтегазового комплекса выполняется преимущественно с использованием специальных деформационных марок, устанавливаемых непосредственно на несущих строительных конструкциях. Также используются поверхностные и глубинные грунтовые марки. Последние устанавливаются на глубине подошвы слоя песчаной отсыпки, с целью измерения деформаций поверхности природных грунтов площадки, в их естественном залегании. Однако практика показывает, что указанных видов марок бывает недостаточно для обоснованного суждения о механизме деформаций оснований фундаментов в криолитозоне, особенно если деформации грунтов развиваются глубже подошвы слоя сезонного промерзания-оттаивания. Такие ситуации описаны в научно-технической литературе и возникают, например, при промерзании грунтов оснований на площадках с заглубленной кровлей многолетнемерзлых пород или в пределах сформировавшейся во время строительства чаши оттаивания. Поэтому разработка устройства для мониторинга деформаций и является актуальной задачей.
Из уровня техники известна глубинная марка, содержащая телескопические секции обсадной трубы, реперную штангу и якорь, заостренный с одного конца, а с другого имеющий сферическую головку [Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №549685, опубликовано 05.03.1977]. Причем секции обсадной трубы между собой и якорем соединены с помощью эластичных цилиндрических прокладок. На верхней секции имеются упоры, на которые установлен защитный колпак. Устройство устанавливается в грунт посредством забивания его на необходимую глубину. Деформации промежуточных слоев грунта воспринимаются телескопическими секциями обсадной трубы, при этом якорь остается неподвижным, пока не начнет перемещаться содержащий его слой грунта. В результате повышается точность измерения перемещений якоря марки. К недостаткам устройства можно отнести вероятность попадания воды внутрь глубинной марки через зазор между секциями, даже при наличии эластичных прокладок. При замерзании воды и образовании льда внутри устройства невозможно установить реперную штангу на сферическую головку якоря. Кроме того, данное устройство имеет ограниченные функциональные возможности, так как не позволяет измерять величину пучения или осадки дифференцировано по глубине грунтового основания. Поэтому для измерения величины послойных деформаций грунтов требуется установить несколько таких глубинных марок, что повышает издержки производства работ.
Известен прибор для наблюдений за промерзанием и оттаиванием грунтов, включающий вертикальный стержень, защемляемый нижним концом в грунте ниже глубины промерзания, с нанизанными на нем дисками, соединенными в определенной последовательности с вертикальными стержнями (фиксаторами перемещений), выходящими на поверхность земли верхними концами [Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №125396, опубликовано 00.00.1960]. Диски расположены на стержне с определенными интервалами, с возможностью перемещения независимо друг от друга вверх на 15-20 мм и вниз на 2-3 мм. Зазоры между дисками перекрыты резиновыми манжетами. Внутренняя полость прибора заливается жидким маслом. Прибор устанавливается в скважину или шурф. Перемещение дисков прибора в процессе пучения и осадков определяется по перемещению соответствующих стержней-фиксаторов с помощью штангенциркуля. К недостаткам данного прибора можно отнести большое количество движущихся деталей и резиновых манжет, что может привести, в следствие конструктивных особенностей, к защемлению стержней-фиксаторов движущимися деталями или мерзлым грунтом и льдом в процессе промерзания деятельного слоя, а также вытеканию жидкого масла из внутренней полости прибора и изменению свойств и состояния вмещающих грунтов.
Известно устройство конструкции O.K. Ткачева (многоточечная глубинная марка), предназначенное для измерения послойных деформаций грунтового основания одновременно на разных глубинах по одной вертикальной линии (скважине) под фундаментами зданий и сооружений в течение длительного времени [Руководство по наблюдениям за деформациями оснований и фундаментов зданий и сооружений. - М.: Стройиздат, 1975. - 156 с.]. Устройство собирается из однотипных звеньев. Отдельное звено состоит из основной трубы и патрубка большего диаметра, соединенных сваркой. Основная труба входит в патрубок с зазором 3-5 мм. Внутренний диаметр основной трубы имеет размеры 30-100 мм. К каждому звену приваривается реперный стержень из гладкой стальной арматуры диаметром 6-20 мм. При сборке звеньев образуется колонна длиной, равной глубине исследований основания. Зазор между основными трубами смежных звеньев устанавливается исходя из предполагаемого перемещения слоев. Измерение деформаций слоев выполняется по верхним концам реперных стержней, выходящих на дневную поверхность, посредством геодезического нивелирования и штангенциркуля. Недостатком данной конструкции является смерзание грунта со звеньями глубиной марки по всей площади их поверхности, что делает невозможным определить величину пучения дифференцировано на заданных отметках по разрезу промерзающего массива. Кроме того, существует вероятность попадания воды внутрь колонны через стыки ее отдельных звеньев, при высоком уровне грунтовых вод или воздействии гидростатического (гидродинамического) давления в процессе промерзания водонасыщенных грунтов в пределах чаши оттаивания, гидрогенных таликов и т.п. При замерзании воды в колонне реперные стержни будут заблокированы льдом, и дальнейшая эксплуатация устройства станет невозможна.
Известная глубинная многоярусная (телескопическая) марка, предназначенная для наблюдения за осадкой земляных сооружений и их грунтовых оснований [Рекомендации по проектированию сооружений хвостохранилищ в суровых климатических условиях. - М.: Стройиздат, 1977. - 115 с.]. Конструкция включает несколько однотипных звеньев. Каждое звено состоит из металлической или бетонной плиты (анкера) с жестко прикрепленной вертикальной трубой стойкой. Диаметр труб-стоек подбирается таким образом, чтобы каждое вышерасположенное звено свободно надевалось на вертикальную трубу-стойку нижележащего звена. Надземная часть труб-стоек обрезается на разных уровнях, для удобства установки рейки при нивелировании и закрывается защитной трубой с крышкой. Устройство может быть установлено двумя способами. В первом случае, выполняют последовательное наращивание звеньев снизу вверх, в процессе послойной отсыпки тела земляного сооружения. Во втором случае, наращивание звеньев осуществляют сверху вниз следующим образом: бурится скважина до определенной точки и расширяется ее нижняя часть, затем в нее заливается цементный раствор и устанавливается металлическая труба диаметром 114 мм. После схватывания раствора производится бурение внутри этой трубы до следующей нижележащей отметки, заливается цементный раствор и устанавливается труба диаметром 75-80 мм. В дальнейшем вся процедура повторяется до необходимой глубины. К недостаткам устройства относится вероятность возникновения ошибки при измерении послойных деформаций по глубине промерзающего грунтового основания, так как отдельное звено может перемещаться не только при деформации нижележащего слоя грунта, расположенного под его бетонной плитой (анкером), но и за счет развития касательных сил пучения в вышележащем промерзающем слое грунта, который смерзается с вертикальной трубой-стойкой рассматриваемого звена на участке между смежными анкерами устройства.
Наиболее близким к заявляемому изобретению (прототипом) является трубчатая глубинная марка конструкции НИИ оснований, которая предназначена для измерения величины послойного сжатия грунтов оснований, залегающих непосредственно под зданием [Руководство по наблюдениям за деформациями оснований и фундаментов зданий и сооружений. - М.: Стройиздат, 1975. - 156 с.]. Устройство состоит из внутренней рабочей трубы диаметром 50 мм, с полусферической головкой из малоокисляющегося металла; наружной защитной трубы диаметром 75-100 мм; опорного диска и сальников из просмоленной пакли. Данное устройство может устанавливаться в буровые скважины или шурфы. Для обеспечения перемещения рабочей трубы относительно защитной между нижним обрезом последней и поверхностью опорного диска оставляют пространство (зазор) размером 50-100 мм. После установки трубчатой глубинной марки скважина засыпается вынутым грунтом с уплотнением. Для измерения величины послойного сжатия грунтов оснований необходимо установить несколько трубчатых глубинных марок на разной глубине. Последовательно определяя разность осадок внутренних труб посредством геометрического нивелирования, получают величины деформаций каждого слоя, находящегося между опорными дисками совокупности трубчатых глубинных марок. Данное устройство позволяет измерять величины послойного сжатия (пучения) грунтов основания с необходимой точностью. Однако его установка в грунт, для измерения послойных деформаций на различной глубине, требует проходки нескольких буровых скважин или глубокого шурфа, что может негативно сказаться на несущей способности грунтов основания, увеличивает стоимость и длительность работ.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение информативности и достоверности результатов мониторинга деформаций по разрезу промерзающих и оттаивающих грунтовых оснований геотехнических систем добычи углеводородов и сопутствующей инфраструктуры.
Технический результат достигается устройством для мониторинга деформаций грунтов в криолитозоне, включающем рабочие трубы с опорными дисками, защитные трубы и сальники, причем, трубы образуют отдельные звенья для измерения деформаций, состоящие из рабочей трубы с опорным диском и надетой на нее защитной трубы, которые коаксиально установлены на анкерном стержне с использованием сальников, причем длина защитных труб равна расстоянию между опорными дисками смежных звеньев, с учетом повышающего коэффициента, зависящего от прогнозируемой величины пучения грунтов.
Устройством для мониторинга деформаций грунтов в криолитозоне, в своих частных случаях выполнения, характеризуется признаками, указанными в предыдущем абзаце, в совокупности со следующими признаками:
- Для измерения температуры грунтов используется полый анкерный стержень, причем его нижнее отверстие заглушено, например, с помощью сварки, а верхнее отверстие закрывается герметичной пробкой или крышкой.
- Для измерения деформаций методом геометрического нивелирования, в верхней части устройства на стержне и рабочих трубах жестко укреплены сферические или полусферические головки.
- Для сохранения установившегося температурного режима грунтов основания, межтрубное пространство 1-го от дневной поверхности звена заполнено теплоизолирующим материалом, например, гранулами пенополистирола.
- Для уменьшения габаритов и веса конструкции, защитные трубы изготовлены из синтетических материалов, например, геомембраны ПНД (HDPE), монтаж которой осуществляется с помощью тепловой сварки, причем внутренняя поверхность геомембраны смазывается пластичной смазкой, а сальники устанавливаются только между отдельными звеньями устройства.
Использование заявляемого устройства для мониторинга деформаций грунтов в криолитозоне позволит:
- измерять деформации грунтов дифференцированно по разрезу основания;
- измерять величину пучения (осадки) и температуру грунта одновременно в заданной точке;
- повысить достоверность результатов измерения деформаций.
Устройство для мониторинга деформаций грунтов в криолитозоне (Фиг. 1), включающее полый анкерный стержень 1 с лопастью 2, на котором коаксиально расположены рабочие трубы 3,4,5 с опорными дисками 6,7,8 и защитные трубы 9,10,11, образующие отдельные звенья для измерения деформаций. Количество звеньев в устройстве равно количеству условно выделенных слоев грунтового основания, деформацию которых необходимо измерить. Межтрубное пространство гидроизолировано посредством сальников 12. Если для защиты рабочей трубы от смерзания с грунтом выше опорного диска используется геомембрана, то ее внутренняя поверхность смазывается пластичной смазкой и сальники между рабочей и защитной трубами не применяются. Сальники устанавливаются только между отдельными звеньями устройства.
Межтрубное пространство 1-го звена, с целью снижения отепляющего влияния колонны труб, заполнено теплоизолирующим материалом, например, гранулами пенополистирола 13. На верхней части стержня и труб для измерения деформаций методом геометрического нивелирования жестко укреплены сферические головки 14. Верхнее отверстие полого стержня закрыто герметичной пробкой или крышкой 15 для предупреждения конвекции воздуха в трубе и образования ледяных пробок. Выступающая из грунта на земную поверхность часть устройства теплоизолирована посредством теплозащитного короба 16 со съемной крышкой 17.
Устанавливается устройство для мониторинга деформаций грунтов в криолитозоне следующим образом.
Проходят буровую скважину, глубиной превышающей мощность слоя годовых теплооборотов и диаметром ориентировочно равным диаметру бурения под свайный фундамент.
Сборка устройства осуществляется на поверхности в горизонтальном положении. Звенья собираются таким образом, чтобы при опускании в скважину опорный диск 6 рабочей трубы 1-го звена 3 располагался на отметке кровли 1-го от дневной поверхности слоя грунта, деформацию которого необходимо измерить, при этом на рабочую трубу 3 надевается защитная труба 9; опорный диск 7 рабочей трубы 2-го звена 4 располагался на отметке кровли 2-го слоя грунта, деформацию которого необходимо измерить, при этом на рабочую трубу 4 надевается защитная труба 10, длина которой равна расстоянию от опорного диска 7 до опорного диска 6, с учетом повышающего коэффициента. Значение повышающего коэффициента зависит от прогнозируемой величины пучения грунтов основания.
п
Значение повышающего коэффициента (К) определяется по выражению:
п
i
p
i
К=(l+d+(h×z))/l
i
p
p
где l - расстояние между опорными дисками смежных звеньев, м; d - ширина сальника, м; h - прогнозируемая величина пучения грунтов основания в год, м/год; z - заданный период наблюдений (срок эксплуатации устройства), год. Значение h определяется статистическим методом прогнозной экстраполяции по результатам измерения деформаций сооружения в рамках геотехнического мониторинга или другими известными методами.
п
Из выражения следует, что К зависит от прогнозируемой величины пучения грунтов за заданный период наблюдений.
п
Например, если расстояние между опорными дисками 6 и 7 смежных звеньев устройства равно 1,0 м, ширина сальника 0,1 м, прогнозируемая величина пучения грунтов основания в год составляет 0,034 м/год, а режимные наблюдения с использованием устройства планируется выполнять в течение 3 лет, то значение К составит:
п
i
p
i
К=(l+d+(h×z))/l=(1+0,1+(0,034×3))/1=1,202
Тогда длина защитной трубы 10 будет равна расстоянию между опорными дисками 6 и 7, с учетом повышающего коэффициента 1,202. То есть составит: 1,0 м × 1,202=1,202 м. Расчетная длина защитной трубы 10, равная 1,202 м, позволит обеспечить целостность и герметичность конструкции на период эксплуатации устройства.
Сборка последующих звеньев аналогична сборке 2-го звена.
Устройство устанавливается в скважину с применением подъемного крана. Предварительно анкерный стержень 1 и рабочие трубы 3,4,5 в верхней части устройства, для сохранения целостности конструкции жестко фиксируются с помощью сварки. После установки в скважину затрубное пространство заполняется вынутым грунтом или грунтовым раствором с послойным уплотнением, например, покачиванием или вибрированием конструкции, штыкованием или другими известными способами.
Сварное соединение труб срезается спустя определенное время, например, 2-3 недели после установки. В течение этого времени происходит стабилизация процессов уплотнения грунтов обратной засыпки в таликах или промерзание в массиве многолетнемерзлых грунтов.
Устройство для мониторинга деформаций грунтов в криолитозоне работает следующим образом.
Для определения величины деформаций пучения дифференцировано по глубине промерзающего основания, опорный диск рабочей трубы 1-го звена 6 устанавливается на подошве слоя сезонного промерзания-оттаивания, опорные диски последующих звеньев 7,8 устанавливаются по разрезу основания с определенным интервалом, равным, например, 1 или 2 м. В результате рабочая труба 1-го звена 3 начнет перемещаться относительно анкерного стержня только при промерзании грунтов ниже подошвы слоя сезонного промерзания-оттаивания, так как деформации грунтов деятельного слоя будут экранироваться защитной трубой 1-го звена 4.
При опускании границы промерзания глубже опорного диска 2-го звена 7, относительно анкерного стержня будут перемещаться рабочие трубы 1-го и 2-го звеньев, 3 и 4 соответственно. По мере продвижения границы промерзания, положение которой фиксируется посредством термометрических измерений в полом анкерном стержне 1, перемещаться относительно стержня начнет опорный диск 8, и рабочая труба 5.
Измерение величины пучения наблюдаемых слоев выполняется методом геометрического нивелирования, с установкой рейки на сферические головки 14, жестко закрепленные на анкерном стержне и рабочих трубах. Также с помощью нивелирования можно определять высотное положение только анкерного стержня 1, а относительные перемещения рабочих труб 3,4,5 измерять линейкой или штангенциркулем. Если высотное положение анкерного стержня 1 стабильное, то его можно использовать в качестве репера для измерения относительных перемещений отдельных звеньев устройства.
Последовательно определяя разность величин пучения отдельных звеньев, установленных на границах различных слоев грунтового основания, находят величину деформаций каждого слоя, находящегося между опорными дисками рабочих труб смежных звеньев.