Механизм образования бугров пучения

В конечном итоге льдонакопление определяется соотношением между скоростью промерзания и скоростью подтока воды к промерзающей поверхности. Баланс тепла, предполагающий непрерывный рост шлира льда при отсутствии непосредственного промерзания минерального грунта, обычно представляется в виде:

Vпр.кр.

Vпр.max.

Vпр.опт.

Vпр.

iм.

V_пр.кр.=(5,6…11,1)×10^-9 м/с

V_пр.опт.=(1,9…2,8)×10^-7 м/с

V_пр.max.=(2,2…4,2)×10^-6 м/с

Рисунок 16.2 - Характер зависимости величины миграционного потока влаги от скорости промерзания грунта

q_м = q_мг + q_т, (16.1)

где:

q_м - тепловой поток от границы промерзания в атмосферу;

q_мг - тепловой поток, соответствующий количеству тепла, выделяющемуся при кристаллизации мигрирующей влаги;

q_т - тепловой поток из талого грунта к границе промерзания.

Сегрегационное накопление льда идет по нижней границе шлира, которая представляет собой "цепочку" игольчатых кристаллов, проникающих между агрегатами в поровое пространство, т.е., они, как бы, прорастают в талый грунт. Пленочное движение наблюдается в зоне нарастания кристаллов льда. Обезвоживающийся талый грунт не может достаточно быстро уменьшить свой объем на величину объема потерянной воды, и в результате образуется вакуум.

Подтягивание воды, при наличии градиента, объясняется фильтрацией под влиянием вакуума в зоне талого грунта.

Такое толкование находится в соответствии с вакуумно-фильтрационным механизмом перемещения. Причем льдонакопление может происходить и сверху, если имеется подток воды. Располагающим моментом является многократное промерзание и протаивание грунта сверху. Колебания границы промерзания приводят к возникновению вакуума, вследствие уменьшения объема льда при его таянии. Это вызывает фильтрацию воды из водоносного горизонта в протаивающую зону. По данным Н.Ф. Полтева, при последующем промерзании вода фиксируется в количестве до 9 % объема тающего льда.

Особый интерес представляет эффект стабильного снижения влажности грунта вокруг магистрального нефтепровода Тарасовская – Муравленковская. Не смотря на то, что система труба – грунт является открытой системой, где возможен подток влаги извне, обводнения грунта, окружающего трубопровод, не происходит. Это объясняется тем, что в неводонасыщенном грунте движущая сила, в конечном итоге, определяется градиентом температуры, и влага движется в сторону уменьшения температуры.

Как меру борьбы с "буграми пучения" можно рассматривать условие ограничения скорости протаивания dR₀/dt по величине в период "смерзания" талика. Практика эксплуатации трубопроводов в районах пучинобразования и анализ исследований по этому вопросу позволяет предположить, что в период сезонных подвижек фронта промерзания, когда скорости его перемещения близки к V_пр.опт, (рис. 16.2), происходит чрезмерное подтягивание влаги к фронту промерзания, что в конечном итоге формирует образование ледяных прослоев, линз и бугров пучения в деятельном слое массива.

Таким образом, при регулируемом теплообмене скорость продвижения границы промерзания dR₀/dt должна быть за пределами интервала скоростей, при которых происходит нарастание бугра пучения: V_пр.кр.…V_пр.опт.…V_пр.max. (рис.16.2). Для условий эксплуатации нефтепровода это условие (16.2):

. (16.2)

"Оптимальная" скорость промерзания (оптимальная в том смысле, что при ней создаются наиболее благоприятные условия для миграции и "подтягивания" влаги в зону промерзания) составляет V_пр.опт = (1,9...2,8)×10^-7м/с. Миграционный поток при этом максимален.

Миграции влаги, а следовательно и формирования бугров пучения не наблюдается при скоростях, меньших V_пр.кр×= (0,056...0,110) 10^-7 м/с и превышающих V_пр.max = (22...42)×10^-7 м/с.

Правильно рассчитанный регламент должен обеспечивать безопасные пределы изменения dR₀/dt. Условие (16.2) следует принимать как второе дополнительное и достаточное условие при решении задач подобного рода.