Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, актуальность, цель и задачи работы, методика исследований 15
1.1. Состояние и перспективы железнодорожного строительства на полуострове Ямал. Актуальность работы 15
1.2. Существующие конструктивно-технологические решения земляного полотна в климатических и мерзлотно-грунтовых условиях полуострова Ямал. Цель и задачи работы 19
1.3. Методика исследований 38
2. Выявление перспективных направлений проектирования земляного полотна на основе обобщения опыта проектирования, строительства и эксплуатации железных дорог на севере западной сибири 55
2.1. Развитие нормативно-методической базы проектирования и строительства железнодорожного земляного полотна в криолитозоне 55
2.2. Анализ состояния существующих технических решений на построенных и эксплуатируемых участках железных дорог на Севере Западной Сибири 64
2.3. Анализ путей совершенствования норм и основных концепций проектирования земляного полотна при строительстве железных дорог на Ямале 86
Особенности температурного режима грунтов оснований с учетом глобального потепления климата в условиях п-ва ямал 105
3.1 Глобальное потепление и возможные последствия для
криолитозоны 105
3.2. Исходные данные для теплофизических расчетов 117
3.3. Одномерные расчеты температурного режима вечномерзлых грунтов в современных климатических условиях и с учетом прогнозируемого повышения температуры воздуха на ближайшие 50 лет 136
3.4. Выводы по главе 3 144
Исследование температурного режима насыпей в условиях глобального потепления 148
4.1. Исследование влияния различных конструктивных характеристик насыпей на температурный режим грунтов... 148
4.2. Влияние экстремальных краткопериодных повышений среднегодовой температуры воздуха на мерзлотные условия в основании насыпей на фоне долговременных процессов изменения климата 165
4.3. Исследование влияния разрывов в сплошности теплоизоляции на температурный режим подстилающих грунтов 171
4.4. Выводы по главе 4 183
Разработка конструктивно-технологических решений насыпей для п-ва ямал 187
5.1. Насыпь малой высоты 187
5.2. Насыпь большой высоты 195
5.3. Исследование влияния композитных модулей на напряженно-деформированное состояние земляного полотна 201
5.4. Технико-экономические оценки эффективности применения композитных конструкций земляного полотна 215
Заключение 227
Список использованных источников
- Существующие конструктивно-технологические решения земляного полотна в климатических и мерзлотно-грунтовых условиях полуострова Ямал. Цель и задачи работы
- Анализ состояния существующих технических решений на построенных и эксплуатируемых участках железных дорог на Севере Западной Сибири
- Одномерные расчеты температурного режима вечномерзлых грунтов в современных климатических условиях и с учетом прогнозируемого повышения температуры воздуха на ближайшие 50 лет
- Исследование влияния разрывов в сплошности теплоизоляции на температурный режим подстилающих грунтов
Введение к работе
В соответствии с «Энергетической стратегией России на период до 2020 года» освоение и ввод в эксплуатацию газовых и газоконденсатных месторождений севера Западной Сибири и полуострова Ямал является одним из важнейших условий сохранения стабильности на Российском и Европейском рынках энергетического сырья. Согласно стратегическим наметкам до 2010 г. должны быть завершены работы по обустройству Бованенковского месторождения. Затягивание сроков ввода в эксплуатацию новых месторождений, как показали события конца 2005 и начала 2006 годов, может поставить перед страной чрезвычайно сложные экономические и политические проблемы.
Для обустройства Ямальских месторождений необходимо доставить десятки миллионов тонн строительных грузов. Поэтому опережающее строительство надежных круглогодичных путей сообщения на полуострове Ямал было и остается одной из наиболее актуальных задач.
Строительство железных дорог на полуострове Ямал не следует рассматривать только как региональную проблему. Ямальские железные дороги - это также звенья транспортной решетки, объединяющей уже построенные широтные (ТрансСиб, СевСиб, СредСиб, БАМ) и меридиональные (Котлас - Воркута, Тюмень-Сургут-Коротчаево-Ямбург, АЯМ) железнодорожные магистрали, водные пути бассейнов Печоры, Оби, Енисея и Лены и Северный Морской Путь в Единую Транспортную Систему (ETC) страны. Дорога Обская - Бованенково - Харасавэй может рассматриваться в качестве северного участка меридианной Ямало -Уральской рокады (серебряного звена ETC [98]), определяющего начало формирования транспортного коридора Ямал - Ближний Восток -Центральная Азия, который позволит эффективно включить в хозяйственный оборот сотни новых месторождений минерального сырья и будет способствовать ускорению экономического развития примыкающих к нему территорий [74].
В специфических мерзлотно-грунтовых условиях Ямала ключевым объектом путевого комплекса железных дорог, определяющим экономическую целесообразность и экологическую безопасность строительства, а также безопасность движения поездов при эксплуатации является земляное полотно.
Однако, как показал анализ опыта проектирования, строительства и эксплуатации дорог в районах вечной мерзлоты, конструкции и технологии сооружения земляного полотна, разработанные для районов с меньшей, чем на Ямале, интенсивностью снегопереноса и с более благоприятными мерзлотно-грунтовыми условиями, не удовлетворяют современным требованиям к потребительским свойствам железных дорог в Заполярье. Необходимы другие принципы и методы проектирования и конструктивно-технологические решения.
Должны быть разработаны и применены конструктивно-технологические решения, обеспечивающие нормируемые потребительские свойства (критерии качества) земляного полотна по условиям эксплуатационной безопасности в специфических условиях арктической и субарктической тундры полуострова Ямал, в том числе, с учетом рисков, связанных с прогнозируемым глобальным потеплением климата.
В связи с предстоящим завершением строительства железной дороги Обская-Бованенково, совершенствование методов проектирования и строительства земляного полотна с максимальным использованием местных грунтов при гарантированном обеспечении прочности, устойчивости и стабильности пути является одной из наиболее актуальных задач в области железнодорожного строительства в специфических природных условиях Ямала.
В настоящей работе основное внимание уделено разработке и обоснованию конструктивно-технологических решений, обеспечивающих нормируемые потребительские свойства (критерии качества) земляного полотна по условиям эксплуатационной безопасности в специфических условиях арктической и субарктической тундры полуострова Ямал, в том числе, с учетом рисков, связанных с возможным развитием деструктивных криогенных процессов при повышении температуры или оттаивании вечномерзлых грунтов.
С целью обеспечения безопасности движения поездов в процессе эксплуатации в период глобального потепления климата необходимо определить условия и области рационального применения известных технических решений, разработать научно обоснованные новые конструктивно-технологические решения по земляному полотну для специфических природных условий Ямала, а также сформулировать предложения по учету новых результатов исследования при дальнейшем развитии и совершенствовании норм проектирования и строительства земляного полотна железных дорог в районах вечной мерзлоты.
Как показал анализ опубликованных источников информации и сложившейся проблемной ситуации для решения названных задач было необходимо:
1) На основе обобщения опыта проектирования и строительства дорог Обская-Паюта и Ягельная-Ямбург выявить закономерности формирования устойчивого равновесного состояния грунтовых массивов земляного полотна существующих конструкций с учетом влияния снеговых отложений на элементах поперечного профиля;
2) Разработать и обосновать конструктивно-технологические решения по сооружению земляного полотна композитно-модульного типа;
3) С использованием современных численных методов расчетов теплового режима и напряженно-деформированного состояния земляного полотна обосновать конструктивные параметры композитно-модульных конструкций земляного полотна применительно к железнодорожной линии Обская-Бованенково и разработать методики расчета необходимой толщины и глубины размещения прослоек пенопласта и глинистых грунтов в пределах модулей;
4) На основе применения предложенных композитно-модульных конструкций земляного полотна разработать рекомендации по совершенствованию норм проектирования и строительства железных дорог в условиях Ямала.
Комплексное решение сформулированных задач в соответствии с основными положениями паспорта специальности 05.23.11 возможно на основе экосистемного метода, стержнем которого является понятие о природно-технической системе, как об основном результате хозяйственной деятельности Человека при взаимодействии его с Природой.
Соответственно, должны быть системно обобщены и проанализированы результаты натурных исследований температурного режима грунтовых массивов земляного полотна железнодорожных линий Ягельная-Ямбург и Обская-Паюта, построенных в период с 1985 по 1992 годы по проектам, разработанным с участием и под руководством автора.
При этом расчетно-теоретические оценки и обоснования параметров новых конструкций насыпей должны быть обоснованы численными расчетами теплового режима насыпей с учетом прогнозируемого потепления климата, что раньше не учитывалось. В связи с тем, что в пределах сезонно деятельного слоя насыпей земляного полотна используются, в основном, дренирующие грунты, оценка прочности, устойчивости и стабильности земляного полотна может быть достаточно корректно выполнена по критериям сдвиговой прочности сезонно оттаивающего грунта под верхним строением пути с использованием известных программных комплексов для конечно-элементного анализа напряженно-деформированного состояния грунтовых массивов.
Выполненные автором в период с 1991 по 2006 гг. проектные разработки и теоретические и натурные исследования по названным выше вопросам позволили сформулировать основные научные положения, представленные к защите:
1. При сооружении земляного полотна на полуострове Ямал для обеспечения безопасного движения поездов следует применять композитно-модульные типы конструкций земляного полотна, отличающиеся тем, что их верхняя сезонно оттаивающая и наиболее нагруженная часть выполнена из непучинистых дренирующих грунтов и усилена геосинтетическими материалами, а нижняя часть выполнена из местных грунтов, сохраняемых в мерзлом состоянии в течение всего расчетного срока эксплуатации (обеспечение первого принципа использования вечномерзлых грунтов оснований).
2. Для гарантированного сохранения основания и нижней части дорожных насыпей в мерзлом состоянии и уменьшения риска деградации мерзлоты и образования термокарста у подошвы откосов вследствие прогнозируемого потепления климата необходимо применять комплекс методов и устройств для регулирования внешнего теплообмена и теплооборотов в грунтовом массиве земляного полотна.
3. Для регулирования внешнего теплообмена наиболее эффективно применение аэродинамически обтекаемой геометрии поперечного профиля насыпей и выемок, обеспечивающей ограничение толщины снеговых отложений на любых элементах профиля не более критических значений: не выше головки рельса на основной площадке и не более 0.4 - 0,8 м на откосах.
4. Для регулирования теплооборотов в грунтовом массиве рекомендуется применять прослойки из экструзионного пенопласта, выполняющие функции тепловых амортизаторов, выполняющие функции тепловых амортизаторов, толщину и глубину размещения которых устанавливают так, чтобы верхняя граница мерзлоты оставалась в пределах модуля при расчетных внешних воздействиях.
5. Восстановление термодинамического равновесия, нарушенного в результате сооружения земляного полотна, может быть обеспечено за счет применения эффективных методов регулирования теплового режима грунтовых массивов земляного полотна и прилегающих территорий. Это обусловливает необходимость проектирования, нормирования и выполнения комплекса работ по выправке пути, лечению и ремонту земляного полотна и искусственных сооружений, регулированию температурного режима грунтовых массивов до ввода дороги в постоянную эксплуатацию.
6. Для обеспечения функциональной, экономической и экологической безопасности железных дорог на Ямале в условиях глобального потепления климата необходимо контролировать параметры взаимодействия основных компонентов транспортной природно-технической системы с целью своевременного выявления и предупреждения развития опасных процессов, угрожающих безопасности движения (просадок, пучения, сплывов, оползней, обрушения откосов, размывов, подтопления). При этом скорость изменения нормируемых и контролируемых параметров (геометрии и температуры), может и должна быть ограничена за счет применения эффективных методов регулирования теплового режима грунтовых массивов на всех стадиях жизненного цикла дороги. Это принципиально новое требование должно быть включено в нормы по проектированию, строительству и эксплуатации земляного полотна железных дорог в районах вечной мерзлоты.
В ходе выполненных экспериментальных натурных и расчетно-теоретических исследований были получены новые научные результаты:
1) Выявлены закономерности формирования теплового режима грунтовых массивов существующего железнодорожного земляного полотна с традиционными и пологими аэродинамически обтекаемыми откосами в условиях полуострова Ямал;
2) Сформулированы требования к конструированию земляного полотна на основе учета закономерностей формирования снеговых отложений на элементах поперечного профиля насыпей в зависимости от их высоты и крутизны откосов;
3) Разработаны новые (патенты России № 2256031 и № 2256032) композитно-модульные конструкции земляного полотна минимальной высоты с применением геосинтетических материалов и местных мерзлых, в том числе глинистых, грунтов, сохраняемых в мерзлом состоянии в период эксплуатации;
4) Разработана методика определения оптимальной толщины и глубины размещения прослоек пенопласта и связного грунта в пределах модуля в конструкции земляного полотна;
5) Установлены основные требования к проектированию земляного полотна на основе учета закономерностей формирования устойчивого состояния грунтовых массивов в процессе строительства и временной эксплуатации железной дороги в условиях тундры Ямала с учетом прогнозируемого глобального потепления климата;
6) Результаты исследований включены в строительные нормы (Стандарт организации РАО Газпром) «Проектирование и строительство железных дорог на полуострове Ямал».
Результаты исследования применены при выполнении проектно-изыскательских и строительно-монтажных работ на железнодорожной линии Обская-Бованенково, а также при составлении нормативных документов, регламентирующих изыскания, проектирование, строительство и ввод в эксплуатацию заполярных железных дорог на севере Западной Сибири. Их реализация позволяет уменьшить стоимость и сократить сроки строительства и, соответственно, ускорить освоение газовых и газоконденсатних месторождений на полуострове Ямал.
В настоящее время основные результаты исследования используются ООО «Инжиниринговый Центр «Ямал», институтами ОАО «Ленгипротранс» и ОАО «ЮжНИИГипроГаз» при проектировании транспортных подходов к газовым и нефтяным месторождениям на Севере Западной Сибири, ОАО «Ямалтрансстрой» при строительстве железной дороги Обская-Бованенково и организации временной эксплуатации участка Обская-Паюта, а также ОАО «Ямальская железнодорожная компания» при реконструкции и вводу в постоянную эксплуатацию железнодорожной линии Коротчаево-Ягельная-Ямбург.
Материалы диссертации использованы при разработке проектной документации железнодорожной линии Обская-Бованенково и прошли соответствующую апробацию на научно-технических конференциях в Санкт-Петербургском государственном университете путей сообщения в 1999 и 2002 гг., рассмотрены и одобрены на секции комплексных проблем транспортного строительства Ученого Совета ЦНИИС (2002г., 2005г.), на научно-практическом семинаре в РАО ГазПром (09.04.2002г.), на научно-методической конференции ОАО ЦНИИС, посвященной 100-летию В.С.Лукьянова (2002г.), на коллегии МПС в г. Уренгое (2003г.), на научно-технической конференции ЗАО СИБЦНИИТС (2004г.). С использованием основных положений диссертации разработаны технические регламенты усиления и реконструкции земляного полотна железнодорожной линии Коротчаево-Уренгой- Ямбург.
Эффективность принципиальных технических решений по проектированию и сооружению земляного полотна обоснована результатами многолетних наблюдений на опытно-экспериментальных объектах железной дороги Обская-Паюта- разъезд Хралов.
Основные результаты исследования опубликованы в 6 научных статьях и использованы при разработке Технических Условий проектирования и строительства железных дорог на полуострове Ямал (Стандарт организации РАО Газпром, 2005г.). Две конструкции насыпей защищены патентами России.
Основная идея, положенная в основу настоящего исследования, заключается в поиске и обосновании технических решений по сооружению железнодорожного земляного полотна, основанных на принципах максимального ускорения достижения прогнозируемого равновесного состояния грунтовых массивов земляного полотна и оснований сооружений в процессе строительства, и минимизации скорости изменения параметров состояния (геометрии, температуры, плотности, влажности) грунтовых массивов земляного полотна в процессе эксплуатации дороги с учетом факторов риска в связи с прогнозируемым потеплением климата.
Реализация этой идеи позволяет обосновать концепцию скоростного круглогодичного строительства с применением композитно-модульных конструкций земляного полотна и эффективных методов и устройств для управления тепловым режимом и напряженно-деформированным состоянием грунтовых массивов. Применение новых конструкций насыпей позволит расширить объемы применения местных мерзлых грунтов при круглогодичном строительстве железных дорог и ограничить объемы применения привозных дренирующих грунтов за счет применения в конструкциях насыпей геосинтетических материалов для регулирования теплового режима и усиления наиболее нагруженной верхней подбалластнои части земляного полотна.
Реализация результатов исследования с учетом требований СНиП 32.01-95, ВСН 61-89, СП 32-104-98 позволит обеспечить технологическую (функциональную), экономическую и экологическую безопасность железнодорожного строительства на Ямале.
Автор выражает благодарность коллективу Центральной лаборатории инженерной теплофизики ОАО ЦНИИС, ее руководителю д. т. н. Пасеку В.В. и к. т. н. Цуканову Н.А. за консультационную помощь при проведении исследований.
Существующие конструктивно-технологические решения земляного полотна в климатических и мерзлотно-грунтовых условиях полуострова Ямал. Цель и задачи работы
Суровый климат района строительства обусловлен его географическим положением за Северным Полярным Кругом. Длина полуострова 750 км, а ширина колеблется от 140 до 240 км. Полуостров вытянут вдоль меридиана 70 в.д. до параллели 73 с.ш. На севере и западе Ямал омывается водами Карского моря и Байдарацкой губы, а на востоке -Обской губы.
Ямал имеет низкие плоские берега, затапливаемые в отдельных местах во время приливов. В целом это низменная равнина с абсолютными отметками в среднем 70 м над уровнем моря, расположенная в зоне вечной мерзлоты (в северной арктической части криолитозоны Евразии). Мощность многолетнемерзлых пород достигает 300-400 м, а на полярном Урале - до 700 м. Их среднегодовая температура изменяется от 0 +-1 на юге до -8 - --10 С на севере.
На территории полуострова насчитывается около 50000 больших и малых озер, преимущественно, термокарстового происхождения.
Территория полуострова открыта со всех сторон для вторжения масс арктического морского и континентального воздуха. Средняя скорость ветра 7-9 м/с. Число дней с ветром более 15 м/с доходит до 30% (ст. Марре-Сале в октябре - декабре). Повторяемость ветров со скоростями более 30 м/с 1 раз в году. Полярная ночь продолжается от нескольких дней на юге полуострова до 74 дней на 73 с.ш. Соответственно, полярный день длится на юге 23, а на севере 92 суток. Суммарное годовое количество тепла, поступающее от прямой солнечной радиации, составляет немногим более 20 ккал/см2 в год.
На Ямале четко выражена природно-климатическая широтная зональность. На рис. 1.1 показаны границы физико-географических подзон, примерно совпадающие со среднегодовыми изотермами на подошве деятельного слоя многолетнемерзлых грунтов: -9, -7, -6, -5, -3С [70, 71, 72].
Для северной тундры на полуострове Ямал характерен морской арктический, а для средней и южной тундры (средняя часть Ямала) -морской субарктический климат. На юге территории (лесотундры) преобладает умеренно-континентальный климат [29]. Самый холодный месяц на Ямале февраль (средняя многолетняя температура -23,9 С в п. Харасавэй). Средняя годовая температура воздуха на юге полуострова равна - 6,6 С, на севере -10,2 С. Летний период с положительной среднесуточной температурой воздуха продолжается 2 - 2,5 месяца. Годовое количество осадков превышает 400 мм, из них 150 -170 мм выпадает зимой в виде снега. Величина испарения в зависимости от ландшафта составляет 100 - 250 мм воды в год. Снеговой покров лежит на севере 9 - 9,5 месяцев, на юге 8 - 8,5 месяцев. Средняя высота снежного покрова в марте-апреле достигает 60-70 см. В понижениях рельефа высота сугробов достигает 3-4 и более метров. На водоразделах и возвышенных элементах рельефа толщина снегового покрова составляет лишь 5-Ю см. Плотность снега в лесотундре составляет 0,28 г/см , а в тундре - 0,3 - 0,4 г/см, а коэффициент теплопроводности, соответственно изменяется от 0,2 Вт/(м С) до 0,4 Вт/(м С).
Одной из наиболее характерных особенностей климата Ямала являются метели. Период метелей длится с сентября по июнь, но возможны метели и в июле и в августе. Число дней с метелью колеблется от 70 на юге до 120 на севере. Самый метельный месяц январь. Например, в Тамбее в январе 18 дней с метелью, в Новом Порту - 17, в Харасавэе - 19.
Продолжительность одной метели от 9 часов до 3 суток. Скорость ветра 10 -13 м/с при метелях наблюдается в 40% случаев, а более 20 м/с - в 4%. Интенсивность снегопереноса при метелях зависит от микрорельефа местности и характеризуется так называемым коэффициентом снегосноса, показывающим, какую часть выпадающего снега сносится с данной местности (рис. 1.2). Общий вид снегозаносов железнодорожной насыпи и последствия повышенных снегоотложений видны из рис. 1.3 и 1.4.
Величина этого коэффициента принимается равной 0,2 для равнины в холмистой тундре и 0,4 - для бугристой тундры. Для нижних наветренных склонов этот коэффициент равен 0,7, на поверхности замерзших водоемов и на равнине прибрежной тундры - 0,8, а на водоразделах и верхней части наветренных склонов - 0,8 - 0,9.
Геокриологические условия сильно зависят от типа ландшафта и в целом характеризуются слабой устойчивостью к нарушениям теплобалансовых характеристик поверхностей. Еще до начала строительства железной дороги отмечалось прогрессирующее ухудшение состояния оленьих пастбищ [6, 104] вызванное в основном перевыпасом и загрязнением воздуха и почв выбросами электростанций, машин и котельных на буровых установках. Экологи особо выделяют негативную роль используемого геологоразведочными партиями и частными лицами внедорожного транспорта [104]. Один вездеход наносит вреда больше, чем сотни машин в пределах дороги с жестким покрытием [52, 89]. Это обстоятельство в первые годы начала строительства железной дороги вызвало протесты местного населения, инициируемые «зелеными» [104]. Потребовались годы труда по повышению технологической и экологической культуры строителей и проведение комплекса масштабных исследований на опытных участках и наблюдений по всей трассе дороги за последствиями влияния различных воздействий при строительстве, включая режим рабочего движения.
Анализ состояния существующих технических решений на построенных и эксплуатируемых участках железных дорог на Севере Западной Сибири
Наиболее полное наблюдение за состоянием построенных сооружений производилось на ж. д. линии Обская - Бованенково. С момента начала ее постройки в середине 80-х гг. до настоящего времени систематические обследования и наблюдения осуществлялись ОАО Ленгипротрансом, ОАО ЦНИИСом, ООО Инжиниринговым центром «Ямал» (эти три организации имели или имеют в настоящее время постоянные подразделения на территории этой линии) и др. Поэтому наиболее полное представление о поведении сооружений можно сделать именно по этой линии. Проектирование и строительство ж. д. линии Обская - Бованенково велось с научным сопровождением ЦНИИСа и других организаций, поэтому проводились постоянные исследовательские работы, опытно-конструкторские проработки, которые оперативно внедрялись в процессе сооружения линии. Однако недостаточная изученность региона неизбежно привела к тому, что не все технические решения оказались достаточно жизнеспособными, и не все особенности природы были в полной мере учтены.
Основная часть железной дороги в настоящее время успешно эксплуатируется, хотя имеют место деформации, последствия которых в процессе содержания линии устраняются. Имеется ряд успешных технических решений, оправдавших себя, несмотря на все неблагоприятные воздействия среды. Имеется и отрицательный опыт.
К числу оправдавших себя технических решений можно отнести применение уширенных площадок в подходных насыпях к мостам [64], например, к мосту на км 24.
На капитальном однопролетном мосту через р. Пунчья на км 24 с металлическим пролетным строением длиной 88 м и устоями на железобетонных столбчатых фундаментах вечномерзлые грунты основания используются по принципу I. Для понижения температуры грунтов до проектных значений в зоне размещения устоев применены средства поверхностного охлаждения в виде уширенных площадок, отсыпанных из скального грунта в период строительства (март - апрель 1988 г.). Полностью строительство моста с досыпкой уширенных площадок до проектного уровня было завершено летом 1990 г. Общий вид и план мостового перехода показан нарис. 2.1. и2.2.
До начала строительства температурные условия грунта на площадке Обского устоя были неоднородными по площади. Температуры грунта изменялись на глубине 10 м от -0,5 С до -1,0 С. Мерзлотно-грунтовые условия на площадке Бованенковского устоя были более благоприятными. Здесь температура на глубине 10 м достигала -1,5 С в западной части площадки. С восточной стороны температура грунта была до -0,5 С и выше. Наблюдениями после сооружения моста было установлено, что под влиянием уширенных площадок в основаниях устоев вплоть до 2004 г. происходило понижение температуры вечномерзлых грунтов, хотя все еще сохраняется неоднородность в распределении температур на глубинах 10 м по площади.
Под западной (левой) стороной уширенной площадки Обского устоя наблюдается процесс постепенного увеличения ядра из твердомерзлого грунта с температурами от -1,5 С до -2,0 С. Процесс очень медленного улучшения температурных условий отмечен также и в восточной стороне, где до начала строительства была зона растепленного грунта (рис. 2.3).
Сущность работы уширенных площадок сводится к тому, что в условиях сильного снегопереноса на Ямале снег откладывается на элементах рельефа неравномерно. В низких местах он скапливается, а верхние поверхности оголяются. Оголенные поверхности являются своего рода проводником «холода» в зимний период. Суммарный за год тепловой баланс смещается в сторону отрицательных температур, и температура грунта в зоне уширенных площадок понижается. Распределение снега в зимний период в зоне уширенной площадки наглядно видно на рис. 2.1, б. Принцип уширенных площадок целесообразно использовать также и при проектировании удаленных от мостов участков насыпей, особенно при сложном рельефе местности..
Одномерные расчеты температурного режима вечномерзлых грунтов в современных климатических условиях и с учетом прогнозируемого повышения температуры воздуха на ближайшие 50 лет
Расчетная схема для решения одномерных задач представляла собой вертикальную колонку грунта с площадью поперечного сечения 1,0 м2 и глубиной от поверхности 25 30 м, т.е. значительно превышающей глубину нулевых годовых амплитуд температур в грунте. По высоте колонка разбивается на элементарные блоки, высота которых постепенно возрастает сверху вниз в соответствии с рис. 3.9.
На верхней поверхности выделенной области при расчетах задаются условия теплообмена с окружающей средой в виде приведенных среднемесячных температур воздуха и условных среднемесячных значений коэффициентов теплообмена, учитывающих наличие теплоизолирующего, растительного и снежного покровов на поверхности. На нижней границе области задается условие отсутствия теплового потока из глубины. Боковые плоскости колонки, вырезанной в грунте, рр осматриваются как полностью теплоизолированные, т.е. в процессе расчета горизонтальные потоки тепла отсутствуют.
При разбивке на блоки учитывался характер грунтового разреза в исследуемой точке, так чтобы границы раздела между различными слоями грунта совпадали с границами блоков.
На рис. 3.10 представлена расчетная схема области исследования и схема разбивки на элементарные блоки, применявшаяся при двухмерных расчетах температурного режима вечномерзлых оснований малых насыпей при различных условиях теплообмена с окружающей средой. Верхняя граница
Двухмерная расчетная схема и разбивка на блоки исследуемой области представлена насыпью и прилегающей к ней с обеих сторон полосами окружающей территории. Ввиду симметрии температурного поля относительно вертикальной оси насыпи рассматривалась половина выделенной области, ограниченная вертикальной осью насыпи, а справа вертикальной же границей, отстоящей от подошвы откоса насыпи на расстоянии порядка двух ширин основания насыпи. Нижняя граница области отстоит от верхней на расстоянии порядка двух ширин насыпи по основанию. Эти границы назначены из условия, чтобы до них не достигало тепловое влияние, вызванное сооружением насыпи за расчетное время прогноза.
На верхней границе области выделены участки с различными граничными условиями на поверхности, характеризующими различные условия теплообмена с атмосферой, зависящие от значений среднемесячных температур воздуха и коэффициентов теплообмена на поверхности. Всего на верхнем контуре расчетной схемы выделено 5 участков с различными граничными условиями. Это поверхность балластной призмы, верхняя часть откоса балластной призмы и остальная часть поверхности откоса, полоса с нарушенными поверхностными условиями вдоль подошвы откоса шириной 2,4 м и окружающая насыпь поверхность территории с ненарушенными поверхностными условиями. Рассматривалось два варианта ширины балластной призмы: 3,6 м и 7,6 м. Высота б ластной призмы 0,50 м. В ее подошве предусмотрена укладка теплоизоляции в виде плит полистирола толщиной 0,20 м по спланированной поверхности основания.
На нижней границе выделенной области задавалось условие отсутствия тепловых потоков в направлении оси У. На боковых границах задано условие отсутствия горизонтальных составляющий тепловых потоков.
Одномерные расчеты температурного режима вечномерзлых грунтов в современных климатических условиях и с учетом прогнозируемого повышения среднегодовой температуры воздуха на ближайшие 50 лет
Методом решения обратных задач в одномерной постановке были воссозданы условия теплообмена на поверхностях с естественными растительным и снежным покровами, обеспечивающими существование характерных для региона строительства ж.д. линии вечномерзлых грунтов с температурами в диапазоне от -2 С до -5 С. Результаты этих расчетов представлены на рис. 3.11 и 3.12. Полученные в результате этих расчетов значения условных коэффициентов теплообмена на поверхности (т.е. с учетом влияния поверхностных покровов зимой и летом) приводятся в табл. 3.8.
Распределение температуры по глубине грунта на площадке с ненарушенными поверхностными условиями без учета и с учетом повышения среднегодовой температуры воздуха постепенного повышения в течение предстоящих 50 лет среднегодовой температуры воздуха на 3,5 С. Результаты этих расчетов также приведены на рис. 3.11 и 3.12. Из них следует, что повышение среднегодовой температуры воздуха приведет к значительному потеплению мерзлоты. Мерзлые грунты, имевшие температуры -5 С уже через 25 лет повысят свою температуру на глубине 10 м до -1,7 С. В дальнейшем темп потепления резко замедляется и через следующие 25 и даже 50 лет приращение температуры на этой глубине составит всего 0,3 С. Важно отметить, что максимальные глубины сезонного оттаивания грунта с поверхности при этом практически не изменятся в соответствии с рис. 3.11.
Для мерзлых грунтов, имеющих в настоящее время температуру порядка -2 С последствия повышения среднегодовых температур воздуха будут более серьезными в соответствии с рис. 3.12. Уже через 25 лет температура грунта по всему разрезу приблизится к 0 С и начнется процесс деградации мерзлой толщи с поверхности. Через 25 лет верхняя граница вечномерзлого грунта опустится на 2,5 м относительно исходного состояния, а через 50 лет - уже на 4 метра.
Таким образом, расчеты показывают, что потепление климата повлечет за собой значительные изменения в глубинах оттаивания мерзлоты и ухудшения прочностных и деформационных свойств грунтов, что обязательно необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации сооружений.
Исследование влияния разрывов в сплошности теплоизоляции на температурный режим подстилающих грунтов
В целях регулирования температурного режима и очертаний поверхности вечномерзлых грунтов в зонах сопряжения утепленной и находящейся в естественных условиях зон основания наряду с вариантами сплошного теплоизоляционного покрытия были рассмотрены также варианты укладки покрытий с одно- и двукратным просветами различной ширины.
Была выполнена специальная серия расчетов в следующей постановке. Сплошное теплоизолирующее покрытие полушириной (от продольной оси) 5,4 м разрезается вдоль по линии, делящей его на две полосы шириной 3,8 и 1,6 м. По линии разреза полосы раздвигаются параллельно друг другу с образованием между ними просвета шириной «а». Значения а при расчетах принимались равными 0,6; 1,2; 2,0 и 3,0 м.
Результаты расчетов представлены на рис. 4.12. Анализ результатов показывает, что образование просветов позволяет понизить температуру грунта и улучшить условия сопряжения поверхностей мерзлого грунта в зонах контакта участков, защищенных теплоизоляцией и находящихся в естественных условиях.
Температурное поле в оснований наситиш 1.10.2050г на момент окончания теплого периода года при ширине теплоизоляции от оси насыпи 5.4 ми ширине разрыва на нарис, а, б, в, г соответственно 0.6м, 1.2м, 2.0м и 3.0м. На рис. б штриховыми линиями показано положение изотерм при ширине теплоизоляции 6.6м без просветов приведено распределение температур по глубине грунта в сечении по оси теплоизоляции в зависимости от ширины просвета «а». Из него следует, что с увеличением ширины просвета «а» температуры в грунте под покрытием понижаются сопоставлено положение границ сезонного оттаивания под балластной призмой при сплошном теплоизоляционном покрытии и при наличии в нем просвета шириной 1,2 м. Из рисунка видно, что устройство просвета в теплоизоляции позволяет улучшить очертания поверхности мерзлоты под откосом насыпи, создавая препятствие для возможного сплыва грунта в откосной части. Из этого же рисунка следует, что минимальная ширина средней полосы теплоизоляции под рельсо-шпальной решеткой по условиям устойчивости верхнего строения пути не должна быть менее 7,6 м. Наложение температурных полей под насыпью при сплошном теплоизоляционном покрытии и устройстве в нем разрыва шириной 1,2 м показывает также значительный эффект, проявляющийся в понижении температур мерзлоты в основании насыпи, достигаемый устройством разрывов в сплошной теплоизоляции.
Минимальная ширина просвета, при котором под серединой теплоизоляции происходит устойчивое понижение температур, находится в диапазоне 0,6 - 0,7 м.
Результаты исследования влияния однократных просветов в сплошном теплоизолирующем покрове позволяют прийти к следующим выводам:
1. Минимальная ширина сплошной полосы теплоизоляции под рельсо-шпальной решеткой между боковыми просветами по условиям обеспечения устойчивости верхнего строения пути должна быть порядка 7,6-8,0 м. 2. Ширина разрыва в теплоизоляции ар должна назначаться в пределах 3. С увеличением а температура грунта под теплоизоляцией понижается. 4. Для предотвращения фильтрации воды в грунте вдоль просветов их следует делать замкнутыми с устройством перемычек из теплоизоляции с определенным шагом 5-Ю м.
С помощью двух разрывов по краям теплоизоляции проверялась возможность улучшения очертаний подошвы слоя сезонного оттаивания под откосами балластной призмы. При этом, как и в предыдущем случае, ширина средней полосы теплоизоляции под рельсо-шпальной решеткой принималась 7,6 м. По ее краям предусмотрено устройство двух просветов одинаковой ширины ар, разделенных полосами теплоизоляции шириной ап. При расчетах значения ар принимались равными 0,3; 0,6; 1,0; 1,5 м, а ап - равными 0,3; 0,8; 1,5 м. Температурные поля под теплоизоляцией и на прилегающей территории по состоянию на 1.Х при различных, но равных между собой ап и ар приведены на рис. 4.14. Они показывают, что с увеличением ар температурный режим грунта под теплоизоляцией улучшается, но с точки зрения оптимизации очертаний подошвы сезоннооттаивающего грунта в зоне стыка теплоизолированного массива с окружающей территорией назначать ширину просветов более 0,6 м нецелесообразно. Вообще же уже просветы шириной 0,3 м достаточны для достижения поставленной цели. Характер распределения температур по глубине грунта по оси средней полосы теплоизоляции в октябре приведен на рис. 4.15.
Подытоживая результаты исследований теплоизоляционных покрытий с двумя разрывами по краям можно отметить следующее.
Для обеспечения плавного перехода от глубин сезонного оттаивания под теплоизоляцией к глубинам оттаивания на смежной территории без теплоизоляции ширина разрывов в теплоизоляционном покрытии ар в его краевых частях должна быть порядка 0,3 - 0,4 м.
