Нашли ошибку? Выделите ее мышкой
и нажмите Ctrl + Enter

Как снизить расходы на строительство промысловых дорог для нефтегазовых предприятий?

Главная / Нефтегазовый сектор / Как снизить расходы на строительство промысловых дорог для нефтегазовых предприятий?

08.12.2021

Основные геотехнические задачи при освоении нефтегазовых 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.

В «НИП-Информатика» нашли решение проблемы: компания предлагает методику расчета, реализованную в программном геотехническом комплексе PLAXIS. Постановку задачи можно упростить до одномерной, соответствующей принятым методикам расчёта (ВСН 26–90), а при необходимости выполнять расчеты полноценно с высокой степенью достоверности.

Решение с помощью PLAXIS

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

*Рис. 1. Блок-схема предварительной оценки*

Общие рекомендации по применению геосинтетических материалов в противодеформационных конструкциях следующие:

Растепление многолетнемерзлых (ММГ) грунтов под откосной частью при проектировании по первому принципу устраняется использованием армирующей прослойки, уложенной по принципу полуобоймы. Соблюдение первого принципа определяется результатами теплотехнических расчетов, в том числе моделированием (PLAXIS 2D).
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.).
При наличии в основании торфяных грунтов в зависимости от типа болот рекомендуются армирующие прослойки, обеспечивающие снижение осадки за счет 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 надежности проектируемого сооружения рекомендуется выполнять в соответствии с блок-схемой на рисунке 2.

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

С учетом недостатков 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 объема привозных материалов и их снижения за счет различных мероприятий;
учет разнообразных армирующих прослоек, их сочетаний и местоположения;
учет некондиционных и других материалов для тела насыпи.

Величина осадки естественного основания складывается из следующих составляющих:

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

Однако на практике часто возникает потребность выполнить приближенный расчет на основе табличных (прикидочных) характеристик грунтов. Для этого была предназначена методика ВСН 26–90, однако в силу ее 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 расчету насыпей автомобильных дорог на слабых грунтах основания с применением геосинтетических материалов» — предназначены для выполнения геотехнической оценки надежности проектируемого сооружения, поэтому требуют наличия испытаний грунтов с целью получения параметров прочности и жесткости.

При этом первый документ предназначен для упрощенной аналитической оценки и имеет ряд ограничений и допущений, а второй документ регламентирует численное моделирование, что позволяет решать любые задачи (выполнять расчет 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 надежности 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 расчетной 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 расчеты 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 расчета осадки кустовой площадки тоже является одномерной.

расчетная схема строительства промысловой дороги — *Рис. 3. Расчетная схема*

Анализ таблицы региональной типизации ВСН 26–90 для торфяных грунтов типа 1-А, 1-Б и 2 показывает возможность аппроксимировать приведенные 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 «НИП-Информатика» определила параметры модели Мора-Кулона (МС) с учетом нелинейности между напряжениями и деформациями. Стандартный набор параметров модели МС позволяет задавать жесткость в виде модуля деформации (компрессионного E’ или одометрического Eoed); прочностные параметры в зависимости от выбранного типа поведения модели (с и φ или сопротивление по крыльчатке Cu), а кроме того, дает возможность задать нелинейную зависимость между напряжениями и деформацией в виде переменного значения модуля деформации.

Нелинейность определяется путем задания отметки yref в расчетной 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 путем 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 жесткости грунта с глубиной*

При необходимости можно выполнить более тщательную калибровку параметров, однако в компании считают, что условность региональных параметров описана вполне удовлетворительно. Таким образом, на основе верификации с региональной типизацией получены параметры модели Мора-Кулона.

Параметр	Тип А	Тип Б	Тип 2
E_oed, кПа	250	130	100
E’_inc, кПа	10	12	8,5
Cu, кПа	15	10	5

Для сравнения рассмотрен пример вычисления осадки по ВСН 26–90 и предложенной методике (расчетная схема в виде столбиков с моделями грунта, полученными приведенным 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.

Расчет осадки в соответствии с ВСН 26–90 по методике расчета конечной осадки на основе региональной типизации торфяных грунтов. Двухслойная система приведена к однослойной с эквивалентной мощностью Нэ1-Б = 3,9 м. Результаты расчета: давление на поверхность сжимаемой толщи Р = 50 кПа, конечная осадка S≈1,5 м.

Определение осадки по ВСН 26-90 — *Рис. 6. Определение осадки по ВСН 26–90*

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

Однако методика ВСН 26–90 предполагает решение одномерной задачи без учета 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 расчетной 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*

Анализ методики ВСН 26–90 показывает, что она может быть пригодна для расчета 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.

Предлагаемый вариант расчета объектов инженерной инфраструктуры нефтегазовой отрасли нормативно регламентируется ОДМ 218.3.120–2020 «Методические рекомендации по расчету насыпей автомобильных дорог на слабых грунтах основания с применением геосинтетических материалов», при этом дает результаты, аналогичные отмененному 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 напряженного состояния с учетом прочности на сдвиг и с определением степени развития в основании пластических деформаций, что возможно только в численном моделировании методом конечных элементов в PLAXIS.

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.

Любые геотехнические расчеты предполагают работу с одним из самых сложных материалов — с грунтом. Описать его константами можно лишь в конкретном напряженном состоянии, что делает все табличные значения ограниченными в применении.

Отсутствие «измерения» грунтов в виде лабораторных испытаний делает выполнение расчетов нецелесообразным либо переводит их в статус приближенных или прикидочных. Отчасти промысловые дороги снижают требования к точности расчетов, однако это нельзя сказать про обычные автомобильные дороги общего пользования.

Описанный в статье способ оцифровать таблицу региональной типизации позволяет использовать простую и надежную псевдонелинейную модель Мора-Кулона для расчетов осадки. Однако возможности других, действительно нелинейных моделей для слабых грунтов тоже могут быть использованы в расчетах.

Методика ВСН 26–90 и предложенный способ расчета 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.

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.

Внедрение в практику этих методов или создание региональных корреляционных зависимостей, позволяющих получать параметры моделей по физическим характеристикам, возможно на основе научно-исследовательской работы соответствующих структур.

Автор статьи: научный консультант в компании «НИП-Информатика» Евгений Владимирович Федоренко.

На правах рекламы