Строительство нефтегазовых объектов на Севере

В учебном центре «ЭнергоТерритория» (Екатеринбург) прошел семинар «Вопросы проектирования фундаментов на особых грунтах. Новые геотехнические конструкции и методы их расчетов», на котором с докладами выступили ведущие специалисты проектных организаций. Основной акцент был сделан на возведении объектов НГК на вечномерзлых грунтах.

Марк Минкин, генеральный  директор ОАО «Фундаментпроект» (Москва), доктор геолого-минералогических наук, профессор:
- Мерзлые грунты являются нестабильными, динамичными во времени образованиями, обладающими специфическими свойствами: реологическими, просадочными, пучинистыми, что необходимо учитывать при строительстве на них.
Основные проблемы фундаментостроения, которые должны решаться:
- обеспечение необходимой и достоверной инженерно-геологической информацией;
- соблюдение единой методологии фундаментостроения, включая этапы проектирования, строительства и эксплуатации;
- индивидуальный подход к объектам строительства;
- соблюдение предусмотренных проектами тепловых, водных режимов грунтов оснований и нагрузок на фундаменты.
Информация о природных условиях должна включать данные о распространении, условиях залегания, температурном режиме грунтов, развитию криогенных процессов, значениях физических, прочностных и деформационных свойств мерзлых грунтов. Должен даваться прогноз возможных изменений указанных характеристик в процессе строительства и эксплуатации объектов.

В соответствии с методикой планирования и оценки достаточности инженерно-геологических изысканий, основанной на вероятностно-статистическом подходе, устанавливаются управляющие параметры инженерно-геологических условий района строительства, определяется вероятность достижения этими параметрами значений, необходимых для обеспечения расчетного уровня надежности фундаментов, рассчитывается экономическая эффективность изысканий.
Определение геотехнических свойств мерзлых грунтов имеет ряд особенностей:
- при определении температур грунтов в скважинах следует соблюдать режимы выстойки скважин после бурения и выстойки измерительной аппаратуры;
- для определения глубин сезонного оттаивания замеренные глубины оттаивания следует пересчитывать согласно ГОСТ 26262-84;
- отбор образцов и определение физических и механических свойств мерзлых грунтов должны осуществляться с учетом масштабного эффекта, вызванного наличием ледовых прослоев в мерзлом грунте.
Данные инженерно-геологических изысканий должны накапливаться и обрабатываться с использованием баз данных и автоматизированных систем управления.
Проектирование оснований и фундаментов на мерзлых грунтах начинается с выбора принципа их использования. Обеспечение принятого принципа использования грунтов достигается применением мероприятий, которые разрабатываются в разделе «Термостабилизация грунтов»: вентилируемого подполья, теплоизоляции, термостабилизаторов и т.д. (I принцип), или тепловых экранов, греющих элементов, предварительного оттаивания (II принцип).
Для обеспечения проектного температурного режима грунтов оснований в последние годы широкое применение при I принципе строительства получили термостабилизаторы в комплексе с вентилируемым подпольем либо с тепловыми экранами из современных теплоизоляционных материалов. Термостабилизаторы по времени работы делятся на сезонные и круглогодичные, по форме – на вертикальные, горизонтальные и слабонаклонные, по хладагентам – на фреоновые, углекислотные, аммиачные и др.
При использовании грунтов оснований по II принципу должны решаться две основные задачи:
- определение способа и технологии оттаивания мерзлых грунтов;
- определение способа и технологии сохранения талых грунтов от промерзания и пучения.
Для решения первой задачи применяются: гидрооттаивание, парооттаивание, электрооттаивание. Для решения второй – тепловые экраны, греющие элементы и др., а также противопучинные мероприятия (тепловые и конструктивные).
Существенной частью фундаментостроения на вечномерзлых грунтах является инженерная защита от подтопления и опасных геологических процессов.
Разработана классификация опасности процессов по скорости их развития:

К элементам инженерной защиты относятся: планировка рельефа путем создания насыпей, устройство водоотводных канав, дренажей, укрепление откосов насыпей и склонов, устройство противофильтрационных завес, локальное поднятие кровли мерзлых грунтов и т.д.
Геотехнический мониторинг должен включать три этапа: предпостроечный, строительный, эксплуатационный. В предпостроечный устанавливаются фоновые показатели, в строительный – изменения, вносимые строительством, в эксплуатационный – изменения, вызванные техногенными воздействиями. В состав геотехнического мониторинга входят наблюдения за температурным и гидрогеологическим режимом, состоянием грунтов оснований, несущей способностью и деформациями фундаментов, развитием опасных геологических процессов и экологической безопасностью прилегающей территории, прогноз и управляющие мероприятия, позволяющие обеспечивать надежность оснований и фундаментов сооружений. Все данные мониторинга должны храниться в компьютерном банке данных.

Ольга Потапова, главный специалист отдела проектирования оснований и фундаментов ОАО «Фундаментпроект» (Москва):
- Выбор принципа строительства осуществляется на основании анализа мерзлотно-грунтовых условий площадок, конструктивных особенностей сооружений, опасности возникновения неблагоприятных геокриологических процессов и явлений, а также с учетом технических возможностей Заказчика.
Три основных типа фундаментов:
- свайный;
- фундамент мелкого заложения (плитный или столбчатый);
- поверхностный.
Сопровождающийся системами термостабилизации грунтов основания:
- вентилируемое подполье;
- теплозащитные экраны;
- сезонно-действующие охлаждающие установки (горизонтального и вертикального типов);
- охлаждающие установки круглогодичного действия (горизонтального и вертикального типов);
- греющие элементы.
Материалы фундаментных конструкций должны соответствовать требованиям, предъявляемым при работе в условиях низких температур наружного воздуха. Конструкции должны быть защищены от коррозии.
Самым распространенным типом фундамента является свайный фундамент из металлических свай. Количество свай в кусте, конструкция, длины и размеры поперечных сечений определяются в зависимости от:
- вертикальных вдавливающих и выдергивающих нагрузок (определяющим является расчет несущей способности свай по грунту);
- горизонтальных и моментных нагрузок (расчет свай по прочности материала);
- начального распределения температур, состава и физико-механических свойств грунтов;
- результатов прогноза его изменения в процессе строительства и эксплуатации сооружения.
Фундаменты мелкого заложения могут быть следующими:
- бетонные фундаментные блоки заводского изготовления;
- металлические конструкции, изготавливаемые на строительной площадке или в заводских условиях;
- монолитные железобетонные фундаменты.
По конструктивным особенностям все сооружения объектов обустройства нефтегазовых месторождений подразделяются на виды:
- компрессорные цеха на площадках ГКС и ДКС, насосные агрегаты на площадках НПС и ГНПС.
- каркасные здания;
- блочно-комплектные и модульные сооружения;
- вертикальные цилиндрические резервуары;
- заглубленные сооружения;
- открытые площадки с технологическим оборудованием и емкостями;
- мачтовые сооружения;
- линейные сооружения (на площадках и магистральные линейные объекты).
Для всех типов сооружений, возводимых на ВМГ, наиболее значимой характеристикой, определяющей характер теплового влияния сооружения на грунты основания, является наличие или отсутствие вентилируемого подполья.
Газоперекачивающие агрегаты (ГПА) на площадках ГКС и ДКС и нефтеперекачивающие насосы на площадках НПС и ГНПС. Характерной особенностью являются большие тепловыделения при работе оборудования, что требует особой защиты ВМГ, а также высокие требования по абсолютным и относительным величинам деформаций. В качестве фундаментной конструкции наиболее целесообразным является свайный фундамент с вентилируемым подпольем (для принципа I) или без него (для принципа II). Также возможны решения:
- фундамент на коротких столбчатых опорах;
- поверхностный вентилируемый фундамент (представляет собой плиту, на которую через стойки опирается верхняя плита);
- заглубленный в тело насыпи вентилируемый фундамент с принудительной вентиляцией (свайный или бессвайный);
- плитный бессвайный фундамент без вентилируемого подолья.



Каркасные здания. При строительстве по принципу I наиболее распространенным и целесообразным техническим решением является свайный фундамент с вентилируемым подпольем и дополнительным охлаждением грунтов.
Конструктивно цокольное перекрытие над вентилируемым подпольем может быть выполнено:
- в виде утепленной балочной клетки: поэлементная сборка на строительной площадке,
- из металлических укрупненных элементов заводской готовности.



- из сборных железобетонных плит;
- в виде плиты из монолитного железобетона.
По принципу II: полы по грунту в виде монолитной железобетонной плиты, уложенной по уплотненному грунту подсыпки, либо опирающуюся на сваи. Также пол может быть выполнен в виде металлической балочной клетки.
Блочные сооружения. Основной задачей по обеспечению устойчивости фундамента является его удерживание в грунте при воздействии сил морозного пучения.
Вертикальные цилиндрические резервуары. Основные варианты фундаментов, сочетаемые с системами термостабилизации основания:
- плитная конструкция под днище резервуара опирается на оголовки свай (для резервуаров с вентилируемым подпольем и без него);
- плитная конструкция под днище опирается через стойки на плитный или столбчатый фундамент мелкого заложения (с вентилируемым подпольем);
- кольцевой железобетонный фундамент на грунтовой подушке (без вентилируемого подполья);
- кольцевой железобетонный фундамент на промежуточной грунтовой подушке, опирающейся на сваи (без вентилируемого подполья).



Заглубленные сооружения. Задачей является вопрос теплоизоляционной и гидроизоляционной защиты конструкций, а также закрепление сооружения на фундаменте для обеспечения защиты против всплытия.
Площадки технологического оборудования, горизонтальные или вертикальные емкости с площадками разлива выполняются в виде герметичных площадок из монолитного железобетона, асфальтобетона, тротуарной плитки. Должны быть предусмотрены мероприятия по защите покрытия от деформаций, вызываемых морозным пучением грунтов.
Высотные легкие сооружения характеризуются большими опрокидывающими моментами в сочетании с малыми вдавливающими нагрузками на фундаменты. Устойчивость фундамента должна быть обеспечена на суммарные усилия от морозного пучения грунта и выдергивающих нагрузок от ветрового воздействия. Для решения этой задачи рекомендуется свайный фундамент с анкерными конструкциями свай (как вариант – винтовые сваи).
При проектировании фундаментов вертикальных и горизонтальных факелов должна быть обеспечена нейтрализация теплового потока, передающегося на грунты при горении факела.


Виктор Федоровский, к.т.н., заведующий  лабораторией механики грунтов НИИОСП им. Н.М. Герсеванова, директор ООО «Геотехнические консультации» (Москва):
- Комбинированный плитно-свайный фундамент (КПСФ) представляет собой комбинацию двух типичных фундаментов, широко используемых в строительстве – плиты и свай. В отличие от обычных свайных фундаментов, где почти вся нагрузка передается грунту через сваи, в КПСФ обе составляющих воспринимают значительную долю действующей нагрузки. В качестве примера подобной конструкции представим фундаментную плиту, дополненную сваями, расположенными в местах действия значительных сосредоточенных нагрузок от колонн или стен.
Плитно-свайные фундаменты являются частным случаем комбинации свай с фундаментом на естественном основании. Другие такие комбинации – это, например, усиление существующих ленточных (или плитных) фундаментов буроинъекционными или задавливаемыми сваями для предотвращения недопустимых неравномерных осадок или гравитационно-свайные фундаменты морских нефтегазопромысловых сооружений (Федоровский и др., 2003), где сваи восполняют дефицит несущей способности гравитационного фундамента на горизонтальную нагрузку.
Как показывает современный опыт проектирования и строительства, необходимость использования свай возникает не только в случае очевидно неблагоприятных грунтовых условий для фундаментов на естественном основании, но и при вполне удовлетворительных параметрах грунтового основания. В этом случае сваи могут существенно повлиять на неравномерные осадки отдельных (например, разноэтажных) частей здания или его общий крен. Кроме того, в ряде случаев использование свай может существенно улучшить экономические показатели фундамента.
Несмотря на очевидную перспективность КПСФ, их использование сдерживается отсутствием надежных методов расчета. Имеющиеся в литературе (см. Randolph, 1994) подходы не дают возможности расчета свай и плиты в составе КПСФ с детальностью, которая достигается для отдельных расчетов плит и свайных кустов. Скажем, в работе Федоровского и Безволева (1994) (см. также Федоровский и др., 2003) речь идет о регулярной и достаточно густой сетке свай, воспринимающей львиную долю нагрузки на фундамент.
Строго говоря, только фундамент с редкими сваями всегда относится к КПСФ, вариант с частыми сваями ближе к традиционным свайным фундаментам. Но предлагаемый нами метод расчета эффективен и для комбинированных фундаментов с более или менее регулярной сеткой свай. Он является естественным обобщением метода «условного» фундамента и позволяет существенно повысить эффективность проектирования большеразмерных свайных и плитно-свайных фундаментов. Существенно также, что анализ развития сопротивления свай по грунту с ростом нагрузки позволяет более обоснованно подойти к назначению несущей способности свай в поле, которая в действующих нормах принимается равной несущей способности одиночных свай.


Подготовил Олег НИКИТИН, EnergyLand.info
На первой фотографии: на семинаре (фото автора)

Ссылки по теме:
К расчету комбинированных плитно-свайных фундаментов (доклад)
Расчет осадок фундаментов на естественном основании (презентация)
СП 50-102-2003. Проектирование и устройство свайных фундаментов