ПРИНЦИПЫ ОПИСАНИЯ ДЕФОРМАЦИОННО-ПРОСТРАНСТВЕННОЙ НЕСТАБИЛЬНОСТИ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ

THE PRINCIPLES DESCRIBE THE DEFORMATION-SPATIAL INSTABILITY OF CLAY SOILS

Victor Nasledov

competitor Samara State Technical University, Department of “Oil and gas wells”, Russia, Samara

Vera Zhivaeva

phD, docent, Samara State Technical University, Head of Department of “Oil and gas wells”,

Russia, Samara

АННОТАЦИЯ

Исследованы факторы деформационно-пространственной нестабильности глинистых грунтов. Показано, что к числу главных факторов, определяющих деформационное поведение глинистых грунтов, относятся микроструктура, поровое пространство и характер взаимодействия твердой основы грунта с водой.

ABSTRACT

The factors of deformation and spatial instability of clay soils. It is shown that among the main factors that determine the deformation behavior of clay soils are microstructure, the pore space and the nature of a solid foundation of soil and water.

Ключевые слова: глинистых грунтов, деформационно-пространственной нестабильности, микроструктура, поровое пространство.

Keywords: clay soils, deformation and spatial instability, microstructure, pore space.

Предмет настоящего исследования – факторы деформационно-пространственной нестабильности глинистых грунтов [3; 4].

Обеспечение устойчивости ствола скважины при прохождении глинистых отложений относится к числу технических и технологических проблем, возникающей при строительстве скважин и требующей для решения значительных ресурсов интеллектуального и материального плана. Деформационно- пространственная нестабильность (ДПН) глинистого грунта- свойство грунта сохранять пространственную форму – размеры в трех координатах, объем, не допускать таких проявлений, как:

• обрушение стенок скважины, диффузионно-осмотическими перетоками и обменными процессами;
• сужении ствола скважины в интервалах залегания неустойчивых терригенных пород, и, в результате, посадке и затяжке бурильного инструмента;
• образование сальников – при намыве глинистой составляющей в буровой раствор;
• избыточном диспергировании пластичных глин и резком загустевании буровых растворов;
• поглощении буровых растворов и проявления агрессивных пластовых вод и др.

Термин динамическая неустойчивость грунта предложен Е.А. Вознесенским [3], который применил микроструктурные подходы к исследованию грунта. Динамическая неустойчивость грунта трактуется этим автором как повышение вероятности разрушения грунта при динамическом нагружении по сравнению со статическими условиями.

При вибровоздействии неводонасыщенный слабосвязанный грунт сначала теряет прочность, а затем не только восстанавливает ее, но и может превысить первоначальную прочность.

Одно из основных свойств глинистых грунтов – тиксотропия – полное или частичное разрушение структурных связей грунта при динамическом воздействии и последующем самопроизвольным их восстановлением после прекращения действия нагрузки.

Квазитиксотропные природные грунты на стадии восстановления либо не достигают, либо превышают начальный уровень прочности, рис. 1.

Поведение связанных грунтов характеризуется многообразными и сложными явлениями, одним из которых как внезапное разжижение супеси при некоторой частоте вибрации и влажности.

Рисунок 1. Кинетика восстановления прочности тиксотропной системы (а) и квазитиксотропных природных грунтов (б, в)

В [4] исследованы закономерности поведения массивов дисперсных грунтов в условиях динамических нагрузок от сооружений нефтегазодобывающих и транспортных комплексов на примере обширной территории в Среднем Приобье.

Показано, что среди мало устойчивых к динамическим нагрузкам грунтов можно 5 основных групп по величине критического значения удельной рассеянной энергии.

Наиболее чувствительные к динамическому воздействию пылеватые суглинки первой группы, в основном из разрезов среднечетвертичной равнины, характеризуются критическими значениями удельной рассеянной энергии от 2.5 до 60 кДж/м³. Существенное увеличение скорости накопления деформаций для образцов из этой группы, начинается уже при амплитудах 30–40 кПа, рис. 2.

Таким образом, механизм деформационного поведения исследованных грунтов состоит в постепенном накоплении деформации, и ее резком ускорении после достижения некоторых пороговых значений.

Закономерности формирования зоны разупрочнения грунтов в массиве при вибрационных воздействиях от свай проводились по схеме возбуждения колебаний в толще грунта через индентор, Установлено закономерное снижение разупрочнения с увеличением глубины расположения индентора в толще грунта на глубинах до 10 м.

Рисунок 2. Кинетика накопления деформаций мягкопластичного среднего суглинка (laQ_II^2-4, Хохряковское месторождение) при динамической нагрузке с амплитудами 25–40 кПа

В [3] рассмотрены вопросы деформации массива трёхфазного грунта с учётом массопереноса солей в неизотермическом режиме.

В случае учёта ползучести грунтового скелета избыточные напоры рассеиваются быстрее, чем без учёта ползучести скелета грунта в тех подобластях, где грунт не перешел в переуплотнённое состояние. Такое явление объясняется тем, что учёт ползучести приводит к уменьшению давления в поровой жидкости и к увеличению напряжений в скелете грунта.

Таким образом, динамическая неустойчивость грунта характеризуется вероятностью разрушения грунта при динамическом воздействии по сравнению со статическими условиями, а тиксотропия – одно из основных свойств глинистых грунтов.

Представления физико-химической механики дисперсных пород как основа моделирования глинистых грунтов.

Прочность дисперсной структуры Рс при одновременном разрушении контактов пропорциональна средней силе сцепления между частицами P₁ и числу разрушенных контактов в единице площади поверхности разрушения χ [5]

Pc = P₁ χ

С позиций физико-химической механики глинистые грунты представляют собой гетерогенные многокомпонентные системы с сильно развитой внутренней межфазной поверхностью, т. е. с избыточной свободной межфазной энергией σ.

Одним из первых подходов для оценки количества контактов в плоскости разрушения является глобулярная модель, предложенная П.А. Ребиндером, Е.Д. Щукиным и Л.Я. Марголисом (1964) для структур, сложенных частицами сферической формы и имеющих пористость более 48 %. Для построения глобулярной модели используются прямолинейные цепочки, состоящие из касающихся друг с другом шаров одинакового диаметра. Цепочки расположены по трем взаимно перпендикулярным направлениям и, пересекаясь, образуют узлы структуры. Способ упаковки характеризуется структурным параметром N – средним числом частиц от узла до узла.

Авторы [5] для оценки достоверности теоретических расчетов механической прочности глинистых покрышек различных классов провели сопоставление получаемых результатов с данными по реальным образцам. Сравнение теоретических и экспериментальных данных показывает удовлетворительное согласие.

Микроструктурные факторы глинистого грунта при построении модели деформационно-пространственной нестабильности

Особенность глинистых грунтов состоит в многообразии фазовых и структурно- физических проявлений, и в характеристике условий перехода глин из одного состояния в другое. Так, водонасыщенные глинистые грунты способны к быстрым переходам из псевдожидкого в псевдотвердое состояние при незначительном изменении концентрации жидкой фазы, при этом имеет место значительное изменение деформационных свойств грунта.

Анализ литературных источников [1; 6] указывает на две возможности для проявления деформационно-пространственной нестабильности глинистых грунтов:

• изменение объема грунта в результате удаления или поглощения свободной воды;
• деформационные процессы, сопровождаемые такими проявлениями как пластическое течение, нарушение сплошности и целостности, отделение фрагментов и др.

Механизмы деформационно- пространственной нестабильности глинистых грунтов связаны с процессами взаимного перемещения жидкой и твердой фаз грунта.

Деформационное поведение глинистых грунтов имеет основополагающее значение при обеспечении устойчивости ствола скважины при строительстве скважин.

Анализ классических работ по грунтам показывает, что к числу главных факторов, определяющих деформационное поведение глинистых грунтов, относятся микроструктура, поровое пространство и характер взаимодействия твердой основы грунта с водой. Микроструктура глин представлена иерархией областей с различной плотностью – микроагрегы и агрегаты.

Связи между микроагрегатами менее прочные, чем внутри них. Агрегаты по размерам превосходят микроагрегаты в несколько десятков.

Подвижность твердой фазы много меньше, чем жидкой. В ходе уплотнения или разжижения грунта имеет место удаление или приток воды, и одновременно происходит изменение морфологии как порового пространства, так и пространственного каркаса. По данным [5] поровое пространство глинистых пород с матричной микроструктурой представлено четырьмя категориями пор, при этом на тонкие поры с размерами менее 1 мкм приходится до 93,8 % общей пористости.

С учетом вышеизложенного, глинистый грунт при моделировании может быть описан следующим образом:

• двухфазное тело, составленное из твердой и жидкой компонент, связанными между собой в пространственную структуру;
• промежутки между твердыми частицами заполнены жидкой фазой, имеющей определенную связь с твердыми частицами;
• при деформации грунта происходит перемещение фаз и изменение параметров порового пространства;
• одно из основных свойств глинистого грунта состоит в его способности к восстановлению внутренних структурных связей между частицами после прекращения воздействия – тиксотропия, обусловленная высоким сродством минеральных компонентов глины к воде.

Список литературы:

1. Алексеев С.И. Механика грунтов: учебное пособие для студентов вузов / С.И. Алексеев. – СПб.: Петербургский государственный университет путей сообщения, 2007. – 111 с.
2. Власюк А.П., Мартынюк П.Н. ФИЛЬТРАЦИОННАЯ КОНСОЛИДАЦИЯ ТРЁХФАЗНЫХ ГРУНТОВ С УЧЁТОМ ПОЛЗУЧЕСТИ СКЕЛЕТА И ВЛИЯНИЯ СОЛЕПЕРЕНОСА В НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ 2010 год, том 22, номер 4, С. 32–56.
3. Вознесенский Е.А. Динамическая неустойчивость грунтов / Е.А. Вознесенский. – М.: Эдиториал УРСС, 1999. – 263 с.
4. Коваленко В.Г. Динамическая устойчивость массивов дисперсных грунтов и управление ею при функционировании нефтегазопромысловых сооружений: на примере месторождений Среднего Приобья: диссертация ... доктора геолого-минералогических наук: 25.00.08 / Коваленко Владимир Георгиевич; [Место защиты: Моск. гос. ун-т им. М.В. Ломоносова. Геол. фак.] – Москва, 2008. – 344 с.: ил. РГБ ОД, 71 09-4/7.
5. Осипов В.И., Соколов В.Н., Еремеев В.В. Глинистые покрышки нефтяных и газовых месторождений. – M.: Наука, 2001. – 238 с; ил.
6. Трофимов В.Т., Королев В.А., Вознесенский Е.А. и др. Грунтоведение. Под ред. Трофимова В.Т. – 6-е изд., перераб. и доп. – М.: Изд-во МГУ, 2005. – 1024 с.