Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель, задачи и методика исследований 8
1.1. Основные факторы, влияющие на изменение температуры вечномерзлых грунтов оснований железных и автомобильных дорог. Роль водоотвода в обеспечении стабилизации температурного режима 8
1.2. Обзор известных технических решений систем водоотвода и основных работ, выполненных в этой области. Актуальность, цель и задачи работы 18
1.3. Методика исследований 38
2. Роль водоотвода в формировании температурного режима вечномерзлых грунтов оснований земляного полотна 55
2.1. Влияние изменения уровня грунтовых вод на температурный режим подстилающих вечномерзлых грунтов (постановка задачи) 55
2.2. Климатические и мерзлотно-грунтовьте особенности юго-восточной части криолитозоны России. Основные исходные данные для теплофизических расчетов
2.3. Исследования влияния изменения среднегодового уровня грунтовых вод на температурный режим подстилающих вечномерзлых грунтов 74
2.4. Исследования влияния сезонного изменения уровня грунтовых вод на температурный режим подстилающих вечномерзлых грунтов 79
2.5. Выводы по главе 2 85
3. Температурный режим в системе «земполотно - водоотводная канава - прилегающая территория» в целом и в отдельных ее элементах . 87
3.1. Температурный режим отдельной канавы 87
3.2. Температурный режим в системе «земполотно — канава — прилегающая территория» 95
3.3. Формирование температурного режима на стыках естественной поверхности, земполотна и водоотводной канавы 104
3.4. Предложения по конструктивному решению водоотводной канавы на льдонасыщенных грунтах 107
3.5. Выводы по главе 3 112
4. Температурный режим насыпи при наличии фильтрации воды 114
4.1. Опыт использования фильтрующих насыпей в юго-восточной части криолитозоны
4.2. Разработка методики расчета фильтрующей насыпи на ЭВМ температурного режима насыпи с учетом переноса тепла фильтрующей водой 131
4.3. Разработка конструкции насыпи большой высоты с дренирующей прорезью 138
4.4. Разработка конструкции фильтрующей выемки 145
4.5. Выводы по главе 4 152
5. Технология возведения водоотводных сооружений 153
5.1. Особенности возведения водоотводных сооружений на высокопроса-дочных грунтах 153
5.2. Разработка способа возведения водоотводных канав самоуглубляющегося типа 161
5.3. Формирование искусственных полос стока 166
5.4. Разработка бесканавного способа водоотвода 167
5.5. Выводы и рекомендации по главе 5 172
Заключение 174
Список использованной литературы 178
- Обзор известных технических решений систем водоотвода и основных работ, выполненных в этой области. Актуальность, цель и задачи работы
- Климатические и мерзлотно-грунтовьте особенности юго-восточной части криолитозоны России. Основные исходные данные для теплофизических расчетов
- Температурный режим в системе «земполотно — канава — прилегающая территория»
- Разработка методики расчета фильтрующей насыпи на ЭВМ температурного режима насыпи с учетом переноса тепла фильтрующей водой
Введение к работе
Актуальность. Значительная часть территории России расположена в зоне вечной мерзлоты.
Несущая способность вечномерзлых грунтов зависит от их температуры. Поэтому температурный режим грунтов в указанных регионах определяет не только особенности проектирования, строительства, и эксплуатации, а подчас и саму возможность возведения сооружений.
Многолетние исследования степени влияния различных природно-климатических и конструктивно-технологических факторов на устойчивость насыпей в районах вечной мерзлоты показывают исключительно важное влияние фильтрации поверхностной воды на тепловое состояние подстилающих насыпь вечномерзлых грунтов. Во всех случаях, за исключением фильтрующих насыпей и дренирующих прорезей, отсыпанных на полную высоту из фракционного скального грунта, даже еле заметное просачивание поверхностной воды вдоль или поперек насыпи, вызывает необратимое повышение температуры фунтов оснований и их многолетнее оттаивание, что нередко сопровождается развитием длительных и неравномерных осадок и просадок пути. Однако существующие в настоящее время конструкции далеко не всегда обеспечивают нормальный водоотвод, имеет место значительный процент их разрушений во времени эксплуатации.
Таким образом, актуальность работы определяется, с одной стороны, значимостью влияния поверхностных и грунтовых вод на температурный режим вечномерзлых грунтов, и, следовательно, на несущую способность оснований, а с другой - недостатками водоотводных систем, применяемых в рассматриваемых природных условиях.
В связи с этим целью работы является повышение эффективности и жизнеспособности систем водоотвода при сооружении земляного полотна железных дорог в зоне распространения вечномерзлых грунтов.
Методы исследования — натурные многолетние наблюдения за температурным режимом вечномерзлых грунтов в зонах теплового влияния водоотводных систем в регионах юго-восточной части криолитозоны России в сочетании с математическим моделированием тепловых процессов на ЭВМ.
Научная новизна работы заключается в выявлении новых закономерностей:
теплового влияния изменения уровней грунтовых и поверхностных вод на подстилающие грунты при возникновении подпора с верховой стороны земполотна после его сооружения;
теплового влияния системы «земляное полотно - водоотводная канава -прилегающая территория» в целом и в отдельных ее элементах;
переноса тепла при поперечной и продольной фильтрации воды сквозь тело насыпи;
- теплового влияния различных технологических процессов при
возведении водоотводных систем.
Практическая значимость. На основании выполненных автором исследований разработаны методы расчета температурного режима фунтов в зоне размещения водоотводов, новые конструктивно-технологические решения систем водоотвода, практические рекомендации по регулированию температурного режима, позволяющие снизить стоимость и трудоемкость возведения систем водоотвода и их дальнейшей эксплуатации в условиях вечномерзлых грунтов.
Реализация результатов работы. Результаты работы реализованы на многих участках БАМа и других дорог в юго-восточной части криолитозоны
России, Материалы исследований использованы в нормативно-рекомендательном документе.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на секции «Строительство и реконструкция искусственных сооружений» Ученого совета ЦНИИСа (2001 г.), на Второй конференции геокриологов России (МГУ, Москва, 2002 г.), на Конференции аспирантов и соискателей, посвященной 100-летию со дня рождения В.С.Лукьянова (ЦНИИС, 2002 г.), на научно-технической конференции «Строительство и эксплуатация транспортных сооружений в районах развития опасных геологических процессов» (МИИТ, Москва, 2003 г.). Достоверность полученных результатов подтверждается близкой сходимостью результатов теоретических расчетов и непосредственных измерений в натуре.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе получен один патент на изобретение. Кроме того, результаты работы автора отражены в более чем 30 научных отчетах Тындинской мерзлотной станции, где диссертант являлся либо руководителем, либо ответственным исполнителем отдельных разделов.
Автор выражает благодарность коллективу Тындинской мерзлотной станции, коллективу Центральной лаборатории инженерной теплофизики ОАО ЦНИИС, научному руководителю доктору технических наук Пассеку В.В. и научному консультанту доктору технических наук Цернанту А.А. за большую помощь при проведении работы.
Обзор известных технических решений систем водоотвода и основных работ, выполненных в этой области. Актуальность, цель и задачи работы
В настоящее время в районах распространения вечномёрзлых грунтов действует ряд широтных железных дорог: Восточно-Сибирская, Забайкальская, Дальневосточная и Северная, и их меридиональных железнодорожных линий: Хребтовая - Усть-Илимская, Известковая — Чегдомын, Сургут - Уренгой, Ягельная - Ямбург, Бамовская - Тында, Тында - Беркакит -Томмот, а также строящаяся - Томмот - Якутск. На всех этих железных дорогах (по данным Департамента пути и сооружений МПС России) более 30% водоотводов не обеспечивают нормальный отвод поверхностных и грунтовых вод от земляного полотна [2]. Отвод поверхностной воды на плоских маревых участках практически не решён современными нормами по проектированию и строительству железнодорожных линий.
Говоря о степени изученности данного вопроса нельзя не отметить, что глубоких исследований в этой области знаний до настоящего времени проведено не достаточно. Тем не менее, ряд авторов, посвятивших свои труды освещению различных аспектов дорожного строительства в районах вечной мерзлоты, попутно останавливались и на проблеме устройства водоотводных канав в этих условиях. Первые публикации, посвященные этой проблеме, стали появляться в связи с развернувшимися в начале 30-х гг. строительством на Дальнем Востоке и в Заполярье, изысканиями Байкало-Амурской магистрали. Но эти работы носили преимущественно описательный и региональный характер. Так, например, М.И. Евдокимов-Рокотовский [31], ознакомившись с работой водоотводных канав на Транссибирской магистрали, рекомендует назначить их глубину не более 0,4 м, а уклон дна от 0,003 до 0,008. По его мнению, канавы с такими параметрами русла не должны вызывать оттаивания вечномёрзлых пород. В 1938 г. появилась работа Н.П. Костенко, затрагивающая вопросы выбора направления при технико-экономическом обосновании трассы и назначении противодеформационных мероприятий для обеспечения устойчивости земляного полотна. Автор один из первых обращает на это внимание и ставит проблему: «при наличии участков с подземными льдами и в случае их большой мощности, обхода их». Первым нормативным документом явились «Временные технические условия на изыскания, проектирование и сооружение железных дорог в условиях вечной мерзлоты», изданные в 1939 г. До этого имелся очень небольшой перечень публикаций по вопросу выбора проектных решений в условиях вечной мерзлоты. Полагаясь на библиографию печатных издании и выписки из указателя важнейшей литературы по вечной мерзлоте М.И. Сумгина [100] можно утверждать, что до 1939 г. принципы сооружения и эксплуатации земляного полотна на вечномёрзлом основании осуществлялись без её учёта.
В.А, Кудрявцев [49], ссылаясь на результаты обследования малых водотоков в междуречье Быссы - Селемджи, указывал, что под малыми водотоками, русло которых сложено слабодренирующими грунтами, верхняя граница вечномёрзлых пород обычно приподнята над уровнем её залегания в пределах окружающей местности, а их температура на 1-2 С ниже чем на примыкающей территории. Если предположить, что малые ручьи и речки по размерам русла и расходу воды мало отличаются от водоотводных канав, то в их основании не должно наблюдаться глубокого протаивания вечномёрзлых пород.
Развернувшееся с 1938 г. строительство Байкало-Амурской железной дороги и крайне сжатые сроки на рабочее проектирование потребовали систематизировать весь предыдущий опыт строительства и эксплуатации на вечной мерзлоте и в районах сурового климата: Забайкалья, Приамурья и Якутии. Выводы Сковородинской мерзлотной станции, изложенные в книге Н.И. Быкова и П.Н. Каптерева «Вечная мерзлота и строительство на ней» [10], а также работа Н.П. Костенко [47] имели более глубокий характер, так как основывались на экспериментальных научно-исследовательских работах. Было отмечено влияние мерзлотно-грунтовых и климатических условий на развитие деформационных процессов: экспозиции откосов, рода грунтов насыпи и основания, растительно-мохового покрова, глубины деятельного слоя. Но логическое заключение авторов о том, что на Дальнем Востоке в насыпях из пылеватых суглинков вечная мерзлота поднимается выще дневной поверхности только при высоте 2,5 м, было явно ошибочным. На это справедливо указывали А.К. Ливеровский и К.Д, Морозов «Строительство в условиях вечной мерзлоты» [51]. По мнению этих исследователей для сохранения режима вечномёрзлых грунтов в основании сооружений необходимо осуществление ряда дополнительных мероприятий конструктивного характера. Авторы явились первыми в разработке «Проекта Технических условий по строительству железных дорог в районах вечной мерзлоты», составленного в 1939 г [14]. Для сооружения земляного полотна с сохранением вечной мерзлоты А.В. Куртиновым были составлены поперечные профили. Эти рекомендации явились основой для создания технических условий на проектирование земляного полотна в районах вечной мерзлоты, Байкало-Амурской железнодорожной магистрали.
Временные технические условия, изданные в 1939 г. предусматривали уже два принципа строительства на ВМГ: сохранение мёрзлого основания и оттаивание вечной мерзлоты. Но для сохранения вечной мерзлоты были рекомендованы сложные мероприятия, например: использование термоизоляции (торф, торфяные кирпичи, мох, тундровая дерновина или угольный шлак) в основаниях и на откосах выемки, в дренажных устройствах и лотках. Водоотводные сооружения должны были устраиваться в виде деревянного лотка с верховой стороны и открытой канавы с низовой стороны, В необходимых случаях деревянный лоток мог быть заменён открытой канавой. Минимальное расстояние от подошвы откосов насыпи до бровки водоотводных сооружений было принято равным 20 м. Однако в зависимости от рельефа местности и грунтов, подстилающих торф, оно могло быть уменьшено, но не должно было быть менее 5 м, считая от подошвы откоса торфяной бермы.
Климатические и мерзлотно-грунтовьте особенности юго-восточной части криолитозоны России. Основные исходные данные для теплофизических расчетов
Рассматриваемая территория расположена в пределах горного пояса юга Сибири и примыкающих к нему с юга озёрно-аллювиальных равнин [20,97]. В её состав входит юго-восточное Забайкалье, Приамурье, север южной части Дальнего Востока и юг Южной Якутии. В направлении с запада на восток по югу этой территории проходит западный участок восточной части Забайкальской железной дороги, ограниченный станциями Чернышевск -Талдан, по северу - большая часть восточной половины Байкало-Амурской магистрали, естественными границами которой являются: на западе — хребет Удокан, на востоке - Буреинский хребет. В субмеридиональном направлении данную территорию пересекает железная дорога Бамовская - Беркакит и её продолжение на Якутск — начальный участок АЯМа, ограниченный на севере станцией Хатыми (рис. 2.3), Геокриологическая карта СССР (фрагмент), 1976 г.
Климатические условия описываемой территории обусловлены, с одной стороны её положением внутри Азиатского материка и большой протяжённостью в меридиональном направлении, а с другой — проникновением муссонов Тихого океана. Наиболее характерными особенностями термического режима данной территории являются продолжительная и холодная зима. Помимо крайне низких температур воздуха нередко достигающих 45 - 50С, холодный период года характеризуется слабой ветровой деятельностью, инверсионными туманами в первую половину суток и яркой солнечной погодой во вторую их половину. Переходные сезоны года на рассматриваемой территории крайне непродолжительны. В целом на них здесь приходится не более двух месяцев. Схема типов распространения многолетиемерзлых пород в юго-восточной части криолитозоны России температура воздуха опускается до минус 5,0 - 10С). То же самое можно сказать и об осени, наступающей, как правило, в третьей декаде августа и заканчивающейся в первой декаде октября. Лето в районе исследований умеренно тёплое, но достаточно дождливое. Во второй половине тёплого периода, в конце июля - августа, здесь выпадает основная масса (до 85%) осадков в жидкой фазе, оказывающих серьёзнейшее влияние на глубину слоя сезонного оттаивания и температурный режим грунтов на участках территории, сложенных с поверхности грунтами, обладающими достаточно высокими фильтрационными свойствами.
Конкретное распределение климатических характеристик на различных участках рассматриваемой территории согласно данным [97] зависит: 1) от широтно-зональных изменений приходящей солнечной радиации, 2) - рельефа, 3) - удалённости от Тихого океана. Так, например, на юге описываемой территории, на начальном участке восточной части Забайкальской железной дороги, ограниченном станциями Чернышевск -Амазар, среднегодовая температура воздуха по данным наблюдений метеостанций Чернышевск, Ксеньевская, Могоча варьирует в диапазоне -5,1 —5,7С и является самой низкой для юго-восточного Забайкалья в целом. По мере приближения Забайкальской ж.д. к Тихоокеанскому побережью среднегодовая температура воздуха на примыкающей к ней местности повышается и составляет на юге северо-западного Приамурья на участке Забайкальской ж.д., ограниченном станциями Сковородино - Талдан, минус(4,7 - 3,4С). Отмеченное повышение среднегодовой температуры воздуха всецело объясняется влиянием летних муссонов, господствующих в конце лета над территорией Приамурья.
Снеговой покров на территории юго-восточного Забайкалья и юге северо-западного Приамурья практически одинаков. Средняя его мощность За период устойчивого лежания снега (XI - III месяца) составляет: В Ксеньевской - 13,8 см, Могоче - 11,2 см, Сковородине - 11,0 см. Маломощный снеговой покров на рассматриваемой территории является одним из важнейших фактов, способствующих глубокому зимнему промерзанию грунтов и наличию здесь вечномёрзлых пород. Причём, в юго-восточном Забайкалье на участке Забайкальской железной дороги, ограниченном станциями Чернышевск — Амазар, вечномёрзлые грунты встречаются практически повсеместно, в то время как на юге северозападного Приамурья вечномёрзлые породы имеют массивно-островное и островное распространение. Согласно данным Тындинской мерзлотной станции температура вечномёрзлых грунтов в зоне нулевых амплитуд на участках Забайкальской дороги, пересекающих различные ландшафтные элементы местности, изменяется в широких пределах от 0,0 до -3,5С. Наиболее низкие её значения (-2,0 —3,5С) характерны для марей травяной кочки. На других типах марей (могильниковые, бугристые, осоково-пырейниковые, ерниковые, смешанные и др.) она варьирует в диапазоне (-1,0 - -2,0С).
Слабоувлажнённые не занятые марями участки местности имеют температуру вечномёрзлых пород, изменяющуюся от 0,0 до -1,0С. И наконец, хорошо дренированные сухие водоразделы и склоны имеют либо близкую к 0С отрицательную температуру грунтов, либо же положительную, достигающую на склонах южных румбов 2,0 — 3,0С и более.
Из числа криогенных и посткриогенных процессов и явлений в рассматриваемом регионе широкое распространение имеют морозное пучение и растрескивание грунтов, оврагообразование. Термокарстовые озёра здесь встречаются очень редко. Как правило, термокарст прослеживается на участках местности с наличием близко залегающих к дневной поверхности повторно-жильных льдов.
В геологическом строении района исследования принимают участие в основном древние метаморфические и полуметаморфические породы архея, протерозоя, прорванные большим количеством гентрузий палеозойского и мезозойского возраста. Среди четвертичных и современных образований, покрывающих коренные породы на всём протяжении дороги, развиты аллювиальные, озёрно-болотные, делювиальные и делювиально-элювиальные отложения.
Аллювий русловой фации представлен, как правило, гравийно-галечниковым материалом с заполнителем из крупнозернистого песка. У подошвы слоя аллювия указанной фации концентрируются валуны. Пойменный аллювий содержит в своём составе гравий, гальку и песок. Неотъемлемой составной частью пойменного аллювия является пылеватая фракция, имеющая в своём составе как минеральную, так и органическую часть. Иловатость и заторфованность — одна из отличительных особенностей пойменных отложений в долинах рек описываемого района. На поймах и надпойменных террасах аллювиальные накопления прикрыты с поверхности отложениями озёрно-болотного комплекса. Эти отложения занимают значительные площади и состоят из часто чередующихся прослоек песка, ила, супеси и торфа, мощность которых достигает 3,0 - 5,0 м.
Делювиальные и делювиально-элювиальные отложения служат основанием земляного полотна на участках пересечения дорогой горных хребтов и коренных склонов. Механический состав этих отложений довольно разнообразен. В основном это пылеватые супеси, содержащие большое количество дресвы и щебня, коренных пород. Мощность этих отложений варьирует от нескольких десятков сантиметров до 10,0 — 15,0 метров,
Температурный режим в системе «земполотно — канава — прилегающая территория»
Целью данного раздела является получить качественную картину изменения температурных полей применительно к рассматриваемому случаю, т.е. к водоотводной канаве, удаляемой от насыпи в пределах реального диапазона расстояний. Для этого взяты значения граничных условий (табл. 3 Л), которые при принятых грунтовых условиях дают резко отличающиеся температуры t0 грунта на глубине нулевых амплитуд: резко растепляющее действие насыпи и водоотводной канавы (t0 = +2,3 С) на фоне очень слабой мерзлоты (t0 = — 0,5 С). Для расчетов принята насыпь с шириной подошвы 15 м и водоотводная канава общей шириной 5 м. Теплофизические условия для них приняты одинаковыми.
На рис.3.3 даны результаты расчета 4-х вариантов. Приведено очертание изотерм -0,4 С, т.е. температуры на 0,1 С выше фоновой мерзлоты. Таким образом, очертание изотерм -0,4 С показывает границы растепления мерзлоты. На рисунке показано 2 момента времени: положение изотермы -0,4 С через 5 и 50 лет после постройки сооружения.
В варианте 1 произведен расчет только для насыпи шириной по подошве 15 м. В вариантах 2, 3, 4 произведены расчеты для насыпи той же ширины и водоотводной канавы шириной поверху 5 м, удаленной от насыпи на расстояние соответственно 0, 10, 40 м.
Здесь уместно остановиться на том, что в зоне между насыпью и водоотводной канавой очень часто, особенно при небольшой ширине существенно нарушаются естественные условия (травяной и др. растительный покров), производится дополнительная отсыпка и т.п., что резко ухудшает средневзвешенные показатели «тепловой полосы» и ведет к дополнительному растеплению грунтов. Можно в указанной зоне, наоборот, рекомендовать устройство мероприятий, например, каменной наброски, которые способствуют понижению температуры грунта.
Сооружение водоотводных канав, так же как и других элементов железной и автомобильной дороги в высокольдистых грунтах, близко залегающих к дневной поверхности, связано с резким изменением условий теплообмена. Это связано с тем, что для указанных условий поверхность грунта характеризуется хорошим растительным покровом (трава, мох, кочкарник и др.), который препятствует в летний период поступлению тепла в грунт. Обычно деятельный слой в таких случаях равен порядка 0,6 м и редко превышает 1,0 м. Сами грунты, например, торф также сдерживают поступление тепла в глубинные слои. Замена грунтов производится плотными песками, песчано- гравийной смесью, суглинками, при которых с учетом изменения условий теплообмена на поверхности глубина сезонного оттаивания может составлять 2 и более метров. Таким образом, на контакте указанных зон создаются условия повышенной опасности деформационных процессов. На рис. 3.9 приведен наглядный пример такого деформирования.
Первоначальная деформация, указанная на рис. 3.9, может в дальнейшем вызвать увеличение деформаций в результате начавшегося стока воды, вплоть до образования оврагов. На рис. 3.10 приведены примеры таких разрушений.
В связи с этим самостоятельным вопросом, который необходимо изучать при проектировании и строительстве - это состояние контакта двух разнородных зон, где могут формироваться локальные разрушения. Эти локальные разрушения сами по себе могут представлять определенную опасность для сооружения, а также вызвать в дальнейшем более серьезные последствия.
Заполненный водой прогиб поверхности грунта, образующийся, как правило, с верховой стороны насыпей у подошвы их откосов или откосов берм в результате ткпловой осадки подстилающих вечномерзлых грунтов на слабосточных маревых участках местности при отсутствии у земляного полотна водоотводных канав (Дальневосточная ж. д., участок Ларба - Хорогочи, км2228 пк 7).
В соответствии с выводами предыдущего раздела (п. 33) была разработана конструкция водоотводной канавы, которая может быть применена в резко экстремальных условиях - в льдогрунтах, когда все другие виды канав будут разрушаться. Поперечное сечение такой канавы представлено на рис. 3.11. Конструкция разработана совместно с В.В. Пассеком, Н.А. Цукановым и Г.П. Минайловым, заявка на изобретение №2003129933 от 06.10.2003 г.
Водоотводная канава содержит массив 1 замененного грунта, верхней своей поверхностью формирующий русло водотока 2 глубиной hp, а снизу контактирующий с естественным грунтом 3, боковые переходные массивы 4, расположенные с обеих сторон массива замененного грунта 1, и призму 5 из фракционного скального грунта, уложенного в русло водотока и возвышающегося над естественной поверхностью 6 грунта на высоту hK. Массив замененного грунта 1 выполнен из слабодренирующего грунта и имеет боковые откосы, близкие к естественному откосу данного грунта.
Разработка методики расчета фильтрующей насыпи на ЭВМ температурного режима насыпи с учетом переноса тепла фильтрующей водой
Помимо дифференциальных уравнений температурное поле определяют условия однозначности: теплообмен с окружающей средой, распределение температуры в грунте в начале процесса, теплофизические характеристики грунта, размеры и форма области исследования.
Существуют точные методы расчета процессов теплопроводности с учетом переноса тепла фильтрующей водой [111, 110, 74]. Однако точные методы достаточно громоздки и требуют ряд исходных данных, которые точно трудно определить. В результате точные расчеты с неточными исходными данными могут привести к результатам, далеко не соответствующим действительности. Вышесказанное вызывает необходимость разработки более простых методик расчета.
Автором в результате многолетних наблюдений за поведением фильтрующих насыпей удалось выявить специфику переноса тепла фильтрующей водой применительно к этим насыпям, отбросить лишние факторы и предложить более простой и надежный алгоритм расчета. Работа выполнена под руководством д.т.н. В.В.Пассека.
Опыт показывает, что при малой высоте фильтрующей насыпи возможно не только сохранение, но и ужесточение мерзлоты. На рис. 4.1-4.4 представлена в качестве примера схема фильтрующей прорези из камня, за которой Тындинской мерзлотной станцией велись многолетние наблюдения. Представленные на этих рисунках распределения температуры показывают, что в зоне фильтрующей прорези температура понизилась по сравнению с той частью насыпи, где фильтрующая прорезь из камня отсутствует. По мере увеличения высоты насыпи или применения для засыпки иных грунтов охлаждающий эффект такой насыпи падает и переходит в обратный эффект — утепляющий.
На рис. 4.7 представлена принципиальная схема действия фильтрации. С правой стороны насыпи 1 образовался подпор воды 2. Для пропуска воды устроена прорезь, отсыпанная из камня, через которую происходит фильтрация воды. Направление фильтрации показано стрелкой 3. Верхняя граница расположения мерзлоты 4 (на момент окончания теплого периода года) относительно естественной поверхности 5 искривлена: на входе имеет место несколько большее протаивание, на выходе - меньшее. Эта разность высот протаивания объясняется разностью температур воды на входе и выходе, и приобретает заметную величину при высоких насыпях, когда путь фильтрации становится достаточно длинным. Указанная разность высот протаивания зависит от пористости материала, т.е. от скорости движения потока. При насыпях высотой до 3 м, отсыпанных из камня, этой разностью можно пренебречь.
Основная сущность работы фильтрующей насыпи в тепловом отношении сводится к следующему. Непосредственно у естественной поверхности 5 в пределах достаточно небольшого слоя 6 имеет место фильтрация. Следовательно, у подошвы насыпи в летний период имеет место положительная температура (при отрицательной температуре фильтрации быть не может, и насыпь тогда не выполняет своего прямого назначения). Чтобы в грунтах оснований формировалась отрицательная температура, необходимо, чтобы на этой же поверхности в зимнее время была отрицательная температура, причем количество градусочасов с отрицательной температурой превышало бы количество градусочасов с положительной температурой. Если бы не было фильтрации, то температура грунта на глубине нулевых амплитуд (условно на глубине 10 м) была бы равна отрицательному значению tm» а распределение максимальных отрицательных температур в зимний период определялось бы кривой 7 с температурой tn на поверхности основной площадки насыпи и температурой tio на глубине нулевых амплитуд. При наличии фильтрации слой 6 расположен по высоте посредине эпюры, заштрихованной на рис. 4.7 и ограниченной слева кривой 7, При этом по высоте насыпи и грунты оснований разбиваются слоем 6 на две части. На нижнюю часть в летний период влияет в тепловом отношении только температура этого слоя. При этом верхняя часть «отсекается» слоем 6 от участия в тепловом влиянии на нижнюю часть, но сама при этом растепляется как сверху со стороны теплого летом воздуха, так и снизу от слоя 6. В зимний же период холод, прежде чем проникнуть в грунты основания, должен заморозить верхнюю часть. Поэтому чем меньше высота насыпи, тем большие возможности охлаждения грунтов оснований в зимний период. Насыпи высотой более 10 м по определению кривой 7 всегда будут приводить к деградации мерзлоты в основании, а начиная с некоторой высоты насыпи, количества градусочасов с отрицательной температурой может не хватить для компенсации теплового вклада от фильтрации. При высоте насыпи больше, чем глубина сезонного протаивания для данной конкретной насыпи, считая от поверхности основной площадки, возможно перекрытие мерзлотой снизу пути фильтрации.
На втором этапе, используя условие совместности температурных режимов на контакте двух зон, находим температурный режим нижней зоны. Рассмотрим это подробнее. Этап первый. Цель расчетов на первом этапе определить граничные условия для основных расчетов, т.е. определить температурный режим грунтов оснований на втором этапе. Исходные данные на первом этапе: выделяется колонка 8 (см. рис. 4.7) высотой 20 м, в которой на уровне подошвы насыпи выделяется блок 9 с высотой, равной высоте слоя 6 фильтрационного потока (для упрощения - 0,25 м). Далее в период фильтрации его температура задается равной температуре фильтрующейся воды, а в остальное время определяется одномерным расчетом (при двумерной задаче постановка аналогичная); начальная температура всей насыпи задается равной температуре воды в последний месяц фильтрации, а распределение температур по глубине ниже подошвы насыпи назначается по данным изысканий на момент окончания теплого периода года; теплофизические характеристики грунтов задаются в соответствии с фактическими геологическими данными; верхние граничные условия соответствуют граничным условиям на основной площадке насыпи. Нижние граничные условия на глубине 20 м — отсутствие тепловых потоков; длительность расчета — период в течение первого года, определяемый моментом окончания фильтрации и далее осенне-зимне-весенний период до момента протаивания блока 9; исходя из данных изысканий, определяются возможные месяцы фильтрации. Расчетом затем уточняется время начала фильтрации по времени оттаивания сверху блока 9 в весенне-летний период. Начало расчета - момент окончания фильтрации; в исходных данных для анализа задаются температуры блока 9 в летние месяцы, когда происходит фильтрация.
