К вопросу о проблеме расчётов промысловых дорог и кустовых площадок

Основные геотехнические задачи при освоении месторождений — обеспечение транспортной доступности (строительство подъездных дорог) и проектирование кустовых площадок. В свете отмены ВСН 23-90 возникла проблема быстрого определения осадки насыпей и площадок на основе приближенных данных региональной типизации торфов. Предлагается решение проблемы в виде методики расчёта, реализованной в программном геотехническом комплексе PLAXIS. Постановку задачи можно упростить до одномерной, соответствующей принятым методикам расчёта (ВСН 26-90), а при необходимости — выполнять расчёты полноценно с высокой степенью достоверности.

Введение

Добыча нефти, газа и других видов минерального сырья всегда сопровождается инженерной инфраструктурой: нефтехимические предприятия, обогатительные фабрики, резервуары хранения нефти и сжиженного газа и, конечно, дороги. Сложные инженерно-геологические условия строительства таких объектов требуют тщательного выполнения геотехнических расчётов по обоснованию конструктивных решений.

При проектировании автомобильных дорог промыслового назначения необходимость тех или иных противодеформационных мероприятий или конструкций зависит от геотехнической проблемы, которую необходимо решить. На рисунке 1 показана упрощённая блок-схема, позволяющая принимать предварительные решения, направленные на устранение указанных проблем.

Рис. 1. Блок-схема предварительной оценки (ММГ — многолетнемёрзлые грунты)

Общие рекомендации по применению геосинтетических материалов в противодеформационных конструкциях следующие:

1. Растепление многолетнемёрзлых (ММГ) грунтов под откосной частью при проектировании по первому принципу устраняется использованием армирующей прослойки, уложенной по принципу полуобоймы. Соблюдение первого принципа определяется результатами теплотехнических расчётов, в том числе моделированием (PLAXIS 2D).
2. При проектировании по второму принципу грунтовое основание рассматривается как слабое и к нему применяются все известные варианты усиления и стабилизации: армирование, химическое закрепление, лежневой настил, свайное основание и пр.
3. При наличии в основании торфяных грунтов в зависимости от типа болот рекомендуются армирующие прослойки, обеспечивающие: снижение осадки за счёт уменьшения расползания погруженной части насыпи (1 тип); устойчивость откосов (2 тип); работу насыпи как плавающей при достаточной для обеспечения стабильности основания ширине (3 тип).

Выбор требуемого показателя при оценке надёжности проектируемого сооружения рекомендуется выполнять в соответствии с блок-схемой на рисунке 2.

Рис. 2. Блок-схема выбора показателя (ГМ — геосинтетический материал)

Учитывая недостатки аналитического подхода (упрощения и допущения), численное моделирование методом конечных элементов является наиболее подходящим способом решения разнообразных геотехнических задач:

• Определение осадки и времени консолидации;
• Оценка устойчивости и стабильности в любой момент времени;
• Определение объёма привозных материалов и их снижения за счёт различных мероприятий;
• Учёт разнообразных армирующих прослоек, их сочетаний и местоположения;
• Учёт некондиционных и других материалов для тела насыпи.

Величина осадки естественного основания складывается из следующих составляющих:

S_осн = S_сж + S_бок + S_пл + S_пз, (1)

где S_сж — осадка за счёт сжатия грунта; S_бок — осадка за счёт бокового смещения грунта; S_пл — осадка за счёт пластических деформаций в областях, где нарушается условие прочности (К_стаб<1 или σ_h ≥ p_кр); S_пз — осадка за счёт ползучести грунта (реологические свойства).

Однако в практике часто возникает потребность выполнить приближенный расчёт на основе табличных (прикидочных) характеристик грунтов. Для этого была предназначена методика ВСН 26-90, однако в силу её недействующего статуса возможность простой и доступной предварительной оценки исчезла. Действующие в системе Росавтодора документы: 1) «Пособие по проектированию автомобильных дорог на слабых грунтах» и 2) ОДМ 218.3.120-2020 «Методические рекомендации по расчёту насыпей автомобильных дорог на слабых грунтах основания с применением геосинтетических материалов» предназначены для выполнения геотехнической оценки надёжности проектируемого сооружения, поэтому требуют наличия испытаний грунтов с целью получения параметров прочности и жёсткости. При этом первый документ предназначен для упрощённой аналитической оценки и имеет ряд ограничений и допущений, а второй документ регламентирует численное моделирование, что позволяет решать любые задачи (выполнять расчёт любых мероприятий по стабилизации и усилению) и получать любые необходимые результаты, но требует наличия полноценных и качественных исходных данных, прямо пропорциональных требуемой степени детальности результатов или оптимальности получаемого решения. Последнее обстоятельство, с одной стороны, предлагает преимущества в применении PLAXIS, поскольку обеспечивает проектные институты инструментом для технико-экономического сравнения вариантов и поиска оптимального с точки зрения надёжности и экономической целесообразности решения. Но, с другой стороны, затрудняет применение этого инструмента при отсутствии исходных данных.

Выходом в сложившейся ситуации может стать целенаправленное использование геотехнического инструмента для решения конкретной задачи. Суть заключается в том, что данные по региональной типизации грунтов можно оцифровать и представить в виде базы данных по грунтам в программе PLAXIS, таким образом исключив необходимость получения исходных данных на этом этапе. Дальнейшая конкретизация целенаправленного использования заключается в способе задания расчётной схемы, а именно в постановке задачи как одномерной. Это означает, что моделировать насыпь в виде трапеции нет необходимости по двум причинам: во-первых, методика ВСН 26-90 предполагает именно одномерное решение задачи; а во-вторых, отсутствие реально измеренных характеристик грунтов делает полноценные расчёты насыпи нецелесообразными. Таким образом, задавая схему в виде столбика грунтов с соответствующим геологическим строением (любые последовательности ИГЭ и их мощности) и задавая любые толщины насыпного грунта, можно использовать сложный инструмент геотехнического моделирования PLAXIS достаточно просто и быстро. Кроме того, задача расчёта осадки кустовой площадки тоже является одномерной.

Рис. 3. Расчётная схема

Анализ таблицы региональной типизации ВСН 26-90 для торфяных грунтов типа 1-А, 1-Б и 2 показывает возможность аппроксимировать приведённые зависимости между напряжениями и деформацией прямыми линиями. В графической форме результаты показаны на рисунке 4.

Рис. 4. Зависимость модуля деформации от давления

Для возможности выполнения численного моделирования были определены параметры модели Мора-Кулона (МС) с учётом нелинейности между напряжениями и деформациями.

Стандартный набор параметров модели МС позволяет задавать жёсткость в виде модуля деформации (компрессионного E’ или одометрического E_oed); прочностные параметры в зависимости от выбранного типа поведения модели (с и φ или сопротивление по крыльчатке C_u), а кроме того, даёт возможность задать нелинейную зависимость между напряжениями и деформацией в виде переменного значения модуля деформации. Нелинейность определяется через задание отметки y_ref в расчётной схеме, начиная с которой происходит прирост модуля деформации на заданную величину E’_inc на каждый метр глубины.

Подбор параметров модели по таблице региональной типизации выполнен путём моделирования грунтовой колонки высотой 10 м, что по эффективным напряжениям соответствует максимальной нагрузке 100 кПа. По результатам получены параметры для модели грунта в PLAXIS, которые показывают удовлетворительную сходимость с табличными данными. Для наглядности результаты представлены в виде зависимости жёсткости от глубины.

Рис. 5. Изменение жёсткости грунта с глубиной

При необходимости можно выполнить более тщательную калибровку параметров, однако, на наш взгляд, условность региональных параметров описана вполне удовлетворительно.

Таким образом, на основе верификации с региональной типизацией получены параметры модели Мора-Кулона.

Таблица 1. Параметры модели Мора-Кулона

Для сравнения рассмотрен пример вычисления осадки по ВСН 26-90 и предложенной методике (расчётная схема в виде столбиков с моделями грунта, полученными приведённым выше способом) для грунтовых условий: насыпь высотой 2 м (удельный вес 20 кН/м³) на основании, представленном торфом типа 1Б — 2 м, подстилаемым торфом 2 типа 1,5 м, ниже малосжимаемые грунты.

Расчёт осадки в соответствии с ВСН 26-90 по методике расчёта конечной осадки на основе региональной типизации торфяных грунтов. Двухслойная система приведена к однослойной с эквивалентной мощностью Н_э1-Б = 3,9 м. Результаты расчёта: давление на поверхность сжимаемой толщи P = 50 кПа, конечная осадка S ≈ 1,5 м.

Рис. 6. Определение осадки по ВСН 26-90

Результаты численного моделирования с использованием полученных моделей грунта показывают аналогичный результат, осадка 1,5 м.

Рис. 7. Осадка в численном расчёте

Однако методика ВСН 26-90 предполагает решение одномерной задачи без учёта сдвиговых деформаций и бокового отжатия. Реальные деформации насыпи складываются из различных форм изменения состояния грунтовой толщи.

Рис. 8. Характер деформаций насыпи на слабом основании

Моделирование расчётной схемы в виде насыпи, а не столбиков грунта в условиях компрессионного сжатия, показывает большее значение осадки — S = 2,2 м.

Рис. 9. Изополя деформаций (вертикальные и горизонтальные)

Горизонтальные деформации составляют около 1,3 м, максимальные значения закономерно проявляются в слое торфа типа 2, имеющего низкие прочностные характеристики.

Рис. 10. Изополя горизонтальных деформаций

Таким образом, анализ методики ВСН 26-90 показывает, что она может быть пригодна для расчёта осадки широких площадей загружения, например, кустовых площадок, но не отражает всех особенностей периферийных частей площадок и трапецеидального загружения от дорожных насыпей.

Методика ВСН 26-90 не учитывает сдвиговые деформации и деформации бокового отжатия, что не позволяет учитывать эффект армирования геосинтетическими материалами.

Заключение

1. Предлагаемый вариант расчёта объектов инженерной инфраструктуры нефтегазовой отрасли нормативно регламентируется ОДМ 218.3.120-2020 «Методические рекомендации по расчёту насыпей автомобильных дорог на слабых грунтах основания с применением геосинтетических материалов», при этом даёт результаты, аналогичные отменённому ВСН 26-90 и не противоречит «Пособию по проектированию автомобильных дорог на слабых грунтах» в части единства законов механики грунтов. Кроме того, п. 7.25 СП 34.13330 регламентирует выполнять устойчивость основания насыпей на основе анализа напряжённого состояния с учётом прочности на сдвиг и с определением степени развития в основании пластических деформаций, что возможно только в численном моделировании методом конечных элементов в PLAXIS.
2. Несмотря на отмену ВСН 26-90, региональная типизация, по сути, сохранилась в действующем «Пособии по проектированию автомобильных дорог на слабых грунтах» в виде таблицы характеристик торфяных грунтов. Исходный вариант этих характеристик заимствован «Пособием» и ВСН 26-90 из работ И. Е. Евгеньева и В. Д. Казаровского [2].
3. Любые геотехнические расчёты предполагают работу с одним из самых сложных материалов — с грунтом. Описать его константами можно лишь в конкретном напряжённом состоянии, что делает все табличные значения ограниченными в применении. Отсутствие «измерения» грунтов в виде лабораторных испытаний делает выполнение расчётов нецелесообразным либо переводит их в статус приближённых или прикидочных. Отчасти промысловые дороги снижают требования к точности расчётов, однако этого нельзя сказать про обычные автомобильные дороги общего пользования.
4. Описанный в статье способ оцифровать таблицу региональной типизации позволяет использовать простую и надёжную псевдонелинейную модель Мора-Кулона для расчётов осадки. Однако возможности других, действительно нелинейных моделей для слабых грунтов тоже могут быть использованы в расчётах.
5. Методика ВСН 26-90 и предложенный способ расчёта в виде грунтовых колонок являются весьма условными и не отражают реально происходящие процессы. Учесть все особенности можно только в численном моделировании в соответствии с положениями ОДМ 218.3.120-2020, что требует наличия исходных данных.
6. Следует отметить, что современное развитие геотехники (в мировой практике) позволяет получать необходимые исходные данные экспресс методами, например, статическим зондированием пьезоконусом или буровым зондированием Г. Г. Болдырева. Для внедрения в практику этих методов или создания региональных корреляционных зависимостей, позволяющих получать параметры моделей по физическим характеристикам, возможно на основе научно-исследовательской работы соответствующих структур.

Список использованных источников

1. ВСН 26-90 «Инструкция по проектированию и строительству автомобильных дорог нефтяных и газовых промыслов Западной Сибири», 1990 г.
2. Евгеньев И.Е. Казарновский В.Д. Земляное полотно автомобильных дорог на слабых грунтах / И.Е. Евгеньев, В.Д. Казарновский– М.: Транспорт, 1976. – 271 с.
3. «Методические указания по проектированию земляного полотна на слабых грунтах», 1968 г.
4. СП 34.13330.2012 «Автомобильные дороги».
5. «Пособие по проектированию земляного полотна автомобильных дорог на слабых грунтах» (к СНиП 2.05.02-85), 1989 г.
6. «Пособие по проектированию земляного полотна автомобильных дорог на слабых грунтах», 2004 г.
7. «Рекомендациях по проектированию земляного полотна дорог в сложных инженерно-геологических условиях» ЦНИИС, 1974.
8. ОДМ 218.3.120-2020 «Методические рекомендации по расчету насыпей автомобильных дорог на слабых грунтах основания с применением геосинтетических материалов».
9. ВСН 2-105-78 Инструкция по строительству временных дорог для трубопроводного строительства в сложных условиях (на обводненной и заболоченной местности).
10. Указания по проектированию земляного полотна автомобильных дорог на болотах. Союздорпроект, 1963 г.