В статье проведено обзорно-аналитическое сравнение существующих современных методов укрепления грунтов со слабой несущей способностью при строительстве объектов нефтегазового комплекса. Дана оценка перспективам и тенденциям развития рассматриваемых методов в рамках настоящей проблематики.
Ключевые слова: слабонесущие грунты, геофизические свойства грунта, механика грунтов, химические способы укрепления, стабилизация грунта.
The article provides an overview and analytical comparison of existing modern methods for strengthening soils with weak load-bearing capacity in the construction of oil and gas facilities. The prospects and trends of development of the considered methods in the framework of this issue are evaluated.
Keywords: weak-bearing soils, geophysical properties of soil, soil mechanics, chemical methods of strengthening, soil stabilization.
Одной из ключевых проблем при сооружении нефтегазопроводов на грунтах со слабой несущей способностью, является их стабилизация. Например, механические свойства мягких глинистых грунтов включают в себя прочность на сжатие, жесткость, пластичность, осевую деформацию, эластичность и многое другое. Именно эти свойства определяют деформационный потенциал почв (обработанных или необработанных). Большинство современных геотехнических исследований сосредоточены на установлении соответствия испытуемых грунтов с удовлетворением минимальных требований по свойствам, описанным выше. Реология этих свойств на исследуемых грунтах заключается в определении посредством лабораторных испытаний, поведения свойств грунта при разрушении. Таким образом, это установление максимальных значений для тех или иных свойств, за пределами которых исследуемый грунт считается непригодным для сооружения.
Стабилизация грунта — это метод, используемый в механике грунтов в качестве способа улучшения свойств испытуемых грунтов. Благодаря этому процессу в почве увеличивается прочность и уплотнение. Рассмотрим некоторые возможные методы и процедуры стабилизации грунта более подробно.
Одна из современных технологий упрочнения слабонесущих грунтов основана на улучшении прочностных характеристик грунта путем смешивания его со связующим веществом. Чаще это называет объемным армированием, целью которого является улучшение механических и деформационных параметров грунта без сильного воздействия на окружающую среду.
Способ заключается во введении в субстрат специальной мешалки, которая разрушает структуру почвы и смешивает ее с вводимым одновременно связующим веществом (рис. 1).
Рис. 1. Схема стабилизации грунта с использованием объемного армирования
Объемную стабилизацию следует разделить на два типа:
− влажное затвердевание;
− сухое затвердевание.
Влажное затвердевание заключается в смешивании грунта с цементом или цементно-зольной суспензией. Технология применяется для укрепления связных грунтов с низкой прочностью на сдвиг, в условиях без дренажа или для несвязных грунтов.
Сухое затвердевание заключается в смешивании грунта со связующим веществом (например, цементом, золой, цементно-зольными смесями) без дополнительной воды. Такая обработка позволяет почве высохнуть, вызвав процесс гидратации, а затем связаться. Технология применяется для укрепления органических грунтов и связных грунтов с низкой прочностью на сдвиг в условиях без дренажа. Дополнительным условием является естественная влажность почвы, величина которой должна быть выше 60 %.
Преимуществом метода отверждения является использование легкого оборудования, что позволяет осуществлять его в местах, недоступных традиционным машинам. Кроме того, это экологически чистая технология, так как при ее реализации не образуется отходов, которые необходимо вывозить со строительной площадки. Ограничением метода является глубина, на которой может быть выполнено армирование. Максимальная глубина работ составляет около 6 м.
На сегодняшний день, наиболее известный и применяемый способ увеличения несущей способности грунтов при сооружении нефтегазопроводов — геосинтетическая стабилизация. При этом для более точного понимания процедуры стабилизации грунта геосинтетические материалы необходимо трактовать как «плоский продукт, изготовленный из полимерного материала, используемого с почвой, породой, землей или другими связанными с геотехникой материалами или геоматериалами в качестве неотъемлемой части искусственной проектной структуры или системы». Это относится ко всем изготовленным синтетическим материалам, которые обычно являются полимерными материалами, используемыми в различных геотехнических приложениях, таких как дренаж или армирование.
Геосинтетические материалы (рис. 2) все чаще используются в геотехнической и геоэкологической инженерии в течение последних четырех десятилетий. На протяжении многих лет эти продукты помогали проектировщикам и подрядчикам решать несколько инженерных задач, где применение обычных строительных материалов было бы ограничено или значительно дороже.
Рис. 2. Геосинтетический глинистый вкладыш (ГКЛ)
Основные классификации геосинтетических материалов включают: [1]
− геотекстиль,
− георешетки,
− геомембраны,
− геокомпозиты,
− геосинтетические глинистые вкладыши (ГКЛ),
− геотрубки,
− геоэлементы,
− геопены и др.
Еще одной современной технологией стабилизации слабонесущих грунтов является биополимерная обработка почвы ( далее — БПОП) , имеющая высокую перспективу дальнейшего развития не только с экологической точки зрения, но и в части экономической целесообразности. Основная концепция БПОП предполагает использование биополимеров, полученных из культивационных комплексов, где имеется как количественный, так и качественный контроль. Кроме того, прямое смешивание биополимера с почвой образует однородные смеси обработанного биополимером грунта, которые проявляют мгновенное упрочнение за счет электростатического формирования матрицы биополимер-почва (рис.3).
В частности, рассматривая данную технологию для нужд нефтегазового комплекса, стоит обратить внимание на биополимеры имеющие свойства укрепления грунта, например крахмал.
Рис. 3. Схема биополимерной обработки почвы
Крахмал является одним из наиболее распространенных природных биополимеров, содержащихся в семенах, зернах и корнях растений, включая кукурузу, рис, пшеницу, картофель. Внешний вид и свойства этого природного биополимера варьируются в зависимости от источника. Крахмалы в основном состоят из моносахаридов или молекул сахара с α-D-1,4 и/или α-D-1,6 связями.
В строительстве и геотехнике крахмалы применяются в качестве клеев для буровых растворов. Кроме того, крахмал может улучшить механические свойства почвы, включая прочность на сдвиг, модуль упругости и функцию проницаемости, в виде предварительно желатинизированного порошка. Он также может быть использован для повышения устойчивости к напряжению сдвига. Кроме того, крахмал демонстрирует успешную борьбу с эрозией почвы путем агрегирования почвенных частиц. [2]
В заключении хотелось бы отметить, что все рассмотренные методы стабилизации слабонесущих грунтов должны рассматриваться для каждых конкретных условий более детально. Тем не менее, все они имеют перспективу использования для нужд нефтегазового комплекса при сооружении нефтегазопроводов, во многом в части экономической целесообразности.
Литература:
- Jendrysik, K. Mass stabilization as a modern method of substrate strengthening / K. Jendrysik, M. Jonczyk, P. Kanty. — Direct text // Materials Today: Proceedings. 2020. — № 1. — P. 1–5.
- Chang, I. Review on biopolymer-based soil treatment (BPST) technology 0n geotechnical engineering practices / I. Chang [et al.]. — Direct text // Transportation Geotechnics. — 2020. — № 24. — P. 1–22.
