Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи работы 10
1.1. Характеристика климатических и мерзлотно-грунтовых условий. 10
1.2. Мостовые опоры с уширенными грунтовыми площадками одно из эффективных технических решений для условий Заполярной тундры. Актуальность, цель и задачи работы 25
1.3. Методика исследований 39
2. Натурные наблюдения за существующими мостовыми переходами с поверхностным охлаждением грунтов. определение гранинных условий 44
2.1. Общие особенности граничных условий 44
2.2. Граничные условия на характерных объектах ж.д. линии Обская-Бованенково 46
2.3. Характерные особенности граничных условий рассматриваемого региона 64
2.4. Выводы по главе 2 з
3. Закономерности формирования температурного режима грунтов оснований в зоне уширеннойплощадки 84
3.1. Анализ натурных наблюдений за температурным режимом 84
3.2. Расчет температурного режима и сопоставление с натурными данными 100
3.3. Анализ температурного режима грунтов в пределах зон, смежных с верхней поверхностью уширенных площадок 111
3.4. Разработка методики учета температурного режима грунтов в зоне площадки..: 118
3.5. Выводы по главе 3 123
4. Разработка конструктивно-технологических решений 126
4.1. Влияние конструктивных параметров уширенных площадок на температурный режим грунтов оснований 126
4.2. Влияние технологических факторов на .температурный режим грунтов в зоне уширенной площадки 137
4.3. Разработка метода повышения эффективности зимней отсыпки грунта тела площадки 139
4.4. Разработка системы, сочетающей уширенную площадку и теплоизолированную поверхность 148
4.5. Разработка схемы уширенных площадок для промежуточной опоры моста через большой или средний водоток 155
4.6. Выводы и рекомендации по главе 4 161
5. Разработка методики наблюдений за температурным режимом грунтов оснований в процессе постоянной эксплуатации мостов с поверхностным охлаждением 162
5.1. Разработка основной концепции наблюдений : 162
5.2. Влияние резких повышений среднегодовых температур воздуха на температурный режим грунтов оснований 169
5.3. Влияние изменений размеров площадки на температурный режим грунтов оснований 185
5.4. Выводы и предложения по методике наблюдений 188
Заключение 193
Список использованной литературы
- Мостовые опоры с уширенными грунтовыми площадками одно из эффективных технических решений для условий Заполярной тундры. Актуальность, цель и задачи работы
- Граничные условия на характерных объектах ж.д. линии Обская-Бованенково
- Анализ температурного режима грунтов в пределах зон, смежных с верхней поверхностью уширенных площадок
- Разработка системы, сочетающей уширенную площадку и теплоизолированную поверхность
Мостовые опоры с уширенными грунтовыми площадками одно из эффективных технических решений для условий Заполярной тундры. Актуальность, цель и задачи работы
Средняя месячная температура воздуха самого теплого месяца на севере полуострова (август) находится в пределах 5-6 С, а на юге (июль) 12-13 С. В отдельные дни температура может днем подниматься до 27-30 С.
Годовое количество осадков в большинстве районов Ямала, как правило, больше 400 мм, из них 150-170 мм выпадает в виде снега в холодный период. Летние осадки выпадают в виде длительных моросящих дождей, нередко со снегом. Вследствие широкого распространения слабоводопроницаемых мерзлых отложений большая часть летних осадков стекает и лишь малая часть их просачивается в грунт.
Снег выпадает в конце сентября - в октябре и сохраняется в течение 9-9,5 месяцев на севере полуострова и 8-8,5 месяцев на юге. Мощность снежного покрова равномерно возрастает с начала октября и достигает максимума в северной части полуострова в мае, в средней - в апреле-мае, а в южной - в апреле. В июне-июле снег полностью сходит.
По данным метеостанций средняя мощность снега изменяется в пределах 0,25-0,5 м. Благодаря ветровому переносу, расчлененности рельефа, влиянию растительности происходит формирование крайне неравномерной по площади мощности снежного покрова. Ветры сдувают снег с возвышенных участков, где его мощность не превышает 20-25 см, наоборот, в логах, долинах, ложбинах стока и у препятствий надуваются огромные массы снега мощностью 3-5 м. В результате на очень больших площадях мощности снежного покрова сравнительно невелики и составляют 5-15 см.
Метели являются одной из наиболее характерных особенностей климата Ямала. Поземные метели образуются уже при скоростях ветра 4-6 м/с обычно при низких температурах и сухом снеге.
Период метелей длится с сентября по июнь, но возможны метели и летом. Число дней с метелью за зиму колеблется от 70 на юге до 110-120 на севере. Самый метельный месяц - январь. В Новом Порту, например, в январе бывает до 17 дней с метелями.
Весной мощные скопления снега в долинах рек и ручьев быстро уничтожаются паводковыми водами.
Плотность снежного покрова высокая, т.к. сильные ветры уплотняют снег. В первую половину зимы, когда происходит интенсивное промерзание деятельного слоя грунта, плотность снежного покрова несколько более 0,2 г/см , а в конце января она достигает 0,3-0,35 г/см .
Климат Ямала также обусловлен неравномерным поступлением в течение года солнечной радиации, которое связано с высокоширотным положением области и чередованием полярного дня и полярной ночи. Полярная ночь продолжается от нескольких дней на юге до 74 дней на 73 с.ш. Продолжительность полярного дня колеблется от 23 суток на широте Северного полярного круга до 92 суток на 73 с.ш. В годовом ходе наибольшая продолжительность солнечного сияния приходится на апрель и июнь.
Несмотря на значительную интенсивность солнечной радиации, обусловленную высокой прозрачностью атмосферы, годовое количество тепла, поступающего от прямой солнечной радиации, невелико и составляет немногим более 20 ккал/см год. Это объясняется небольшой высотой солнца в полярный день и длительной полярной ночью, а также значительной облачностью нижнего и среднего ярусов. В годовом ходе поступления суммарной солнечной радиации наименьшие ее величины наблюдаются в зимние месяцы, наибольшие - летом.
Годовое количество суммарной радиации составляет в среднем 70 ккал/см2год на севере. Значительная часть приходящей радиации отражается в атмосферу. Зимой в заснеженной тундре величина коэффициента отражения солнечной радиации (альбедо) составляет около 80%, летом она находится в пределах 10-20%. Ход изменения альбедо в течение года определяет величину поглощенной радиации. В зимний период она практически равна нулю, в марте-апреле — 1-2 ккал/см2мес и достигает максимума (8-11 ккал/см мес) в июне-июле.
. Годовые суммы радиационного баланса в целом для региона положительны и изменяются в пределах 8-15 ккал/см2год соответственно от севера к югу.
Влияние солнечной радиации в процессах теплообмена между атмосферой-литосферой учитывается в форме радиационных добавок к температуре воздуха. Исправленные таким образом температуры воздуха называются приведенными. Значения приведенных температур воздуха для некоторых пунктов на п-ве Ямал приведены в табл. 1.2.
Полуостров Ямал расположен в пределах тундровой зоны. По направлению с севера на юг здесь выделяются следующие подзоны: арктических тундр, мохово-лищайниковых, курстарниковых тундр и лесотундры. Подзоны арктических и мохово-лишайниковых тундр находятся за пределами трассы ж.д. линии Обская-Бованенково. Большая часть дороги, за исключением южного участка, проходит по подзоне кустарниковых тундр, характеризующихся преобладанием в растительном покрове карликовой березы и ивы высотой 0,6-1,5-2,0 м. Южная граница этой подзоны совпадает с северной границей лесотундры.
Ерниково-лишайниково-моховые тундры занимают дренированные участки междуречий и террас. На таких же участках развиты ивняково-мохово-лишайниковые тундры с ивой и карликовой березой высотой 0,5-1,0 м. На пологих склонах и плоских вершинах холмов на песчаных, супесчаных и суглинистых почвах, протаивающих на 0,4-0,8 м развиты ивняково-моховые тундры. Помимо кустарниковых тундр отмечается обилие зарослей густых кустарников, особенно в речных долинах и нижних частях склонов, а также по полосам стока.
Граничные условия на характерных объектах ж.д. линии Обская-Бованенково
Поверхность у подошвы отсыпки, как было сказано выше, обводнена, несколько нарушена транспортными средствами и заросла луговой травой и пушицей (зона 12А).
По мере приближения к реке (подзона 11 Б) ширина полос стока увеличивается до 10-15 м, а высота карликовой березы достигает 1,0 м и более. Более выраженным становится и понижение полос стока относительно окружающей местности. Что касается рельефа, то пологий склон в 30 мот реки резким уступом высотой около 2,0 м обрывается к берегу реки. На расстоянии 30 м от подошвы площадки образовалась большая, широкая и глубокая ложбина выхода полосы стока к реке (подзона 11В), заросшая густым высоким до 2,0 м кустарником из ивы и карликовой березки.
Непосредственно у подошвы площадки поверхность нарушена и обводнена (подзона ПА). Участки с сочной луговой травой высотой до 1,0 м перемежаются с участками кочковатой тундры, поросшей карликовой березкой высотой 0,5-0,7 м. Вдоль берега имеется полоса из отдельно стоящих лиственниц высотой 6,0-8,0 м.
Восточная сторона северной площадки. Восточная сторона северной площадки представляет собой пологий ровный спуск к реке. На схеме рис.2.4 зоной 10 обозначена поверхность кочковатой тундры мощностью снежного покрова около 0,3 м, поросшей карликовой березкой высотой 0,2-0,4 м. Мохоторфяной покров слабо увлажнен. Встречаются отдельные невысокие до 3,0-4,0 м лиственницы. На поверхности имеются отдельные, диаметром до 2,0 м пятна, покрытые тонким слоем мха или вообще не имеющие растительного покрова и возвышающиеся на 0,3-0,4 м над окружающей поверхностью. В понижениях между пятнами образовался толстый моховой покров, поросший карликовой березкой до 0,6 м высотой. Пятна иногда отделяются трещинами, которые пересекают и сами пятна. Ближе к автодороге, проходящей в 150-200 м от подходной насыпи, имеются нарушения от передвижения транспортных средств, по следам которых образованы углубления 0,2-0,3 м, зарастающие травой и пушицей.
Прибрежная зона 9 состоит из двух подзон. Подзона 9Б - участок между уширенной площадкой спереди и руслом р.Няравеча зарос сочной густой и высокой до 1,0 м луговой травой.
К подзоне 9А принадлежит прибрежная полоса с мощным мохоторфяным покровом, поросшая густым кустарником из карликовой березки высотой 0,5-1,2 м. Второй ярус представлен высокими 6,0-8,0 м отдельно стоящими лиственницами. Поверхность сильно увлажнена.
Схема (план) мостового перехода представлен на рис.2.5. Основную ценность в данном случае с точки зрения материалов наблюдений представляют обширные по площади уширенные площадки, отсыпанные на южном и северном берегах р.Щучьи. В зимнее время эти площадки были оголены практически от снега. Динамика изменения температурного режима грунтов и особенности снегозаносов будут отражены в последующих разделах.
Как уже было отмечено, верхняя поверхность уширенных площадок является основной охлаждающей зоной, поэтому одной из главных задач многолетних натурных обследований был анализ действенности этого положения и его стабильности во времени. Обследования показали, что систематически, из года в год повторяется одна и та же картина: верхние поверхности уширенных площадок либо вообще оголены от снега, либо снежный покров составляет ничтожно малую величину. Характерный общий вид площадок в зимний период приведен на рис.2.8 ( мост км.24), снимок сделан в период максимальных снежных заносов (апрель). Поверхность площадки моста вообще оголена, либо имеется незначительный снежный покров, который по данным измерений не превышает 10-15 см. Для сопоставления на рис.2.6 и 2,7 приведен общий вид моста в летний период. Натурные наблюдения установили также, что в ряде случаев возможно образование местных снегозаносов на площадках при наличии ветровой тени. Ветровая тень может образовываться в результате различных завалов различными посторонними предметами или в результате неправильного сооружения верхнего яруса уширенных площадок.
Откосы верхнего и нижнего ярусов уширенных площадок Откосы верхнего и нижнего ярусов уширенных площадок занимают значительную часть поверхности уширенной площадки, поэтому анализ особенностей формирования снежных заносов необходим для выявления возможностей повышения эффективности работы площадок. Детальные исследования снегозаносов в области откосов применительно к условиям Заполярья проведены группой авторов под руководством В.В.Пассека в 1985 году в районе Н.Уренгоя [30]. Проведенные с участием автора наблюдения на ж.д. линии Обская-Бованенково позволили существенно уточнить и развить отдельные положения.
Прежде всего, следует отметить формирование снежных призм в области речных откосов по бокам пролетного строения. Это наглядно видно на рис.2.9. При этом непосредственно под пролетным строением снегозаносы практически отсутствуют. На боковых откосах снегозаносы образуют две ярко выраженные подзоны: верхняя часть откоса и нижняя часть откоса. Максимальные снегозаносы формируются в нижней части откоса. В связи с тем, что при пологости 1:5 снежные отложения практически отсутствуют, было предложено в нижней части откоса сделать переходную зону с откосом 1:5. На мосту км 24 такие переходные зоны были предусмотрены, однако при строительстве они сделаны не были. На рис.2.10 фактические очертания подошвы откосов показаны штриховой линией. Отклонения фактических размеров отсыпки от проектной напрямую видны, также на рис.2.11. В результате господствующие западные ветры образовали повышенные снежные заносы с восточной стороны.
Увеличение высоты снежных заносов происходило по двум причинам: во-первых, воздушные потоки, ударяясь о крутой западный откос насыпи, взмывают вверх и образуют ветровую тень с восточной стороны откоса, что, естественно, увеличивает на восточной стороне отложения снега; во-вторых, отсутствие дополнительной грунтовой призмы (толщина этой призмы на уровне подошвы откоса в соответствии с рис.2.11 составляет порядка 1.0 м) приводит к тому, что это пространство заполняется снегом. Кроме того с речной стороны на откосах сформировались дополнительные снежные призмы по бокам пролетного строения в соответствии с указанными выше причинами (см.рис.2.9).
На мосту км. 110 на подходной насыпи южной площадки переходные зоны с откосом 1:5 были фактически выполнены в соответствии с проектом (см.рис.2.5). Общий вид площадки и подходной части насыпи хорошо видны на рис.2.12. На рис.2.13 хорошо видно, что там, где имеются переходные зоны 1, снега нет, а там, где этих зон нет (позиция 2 на рис.2.13), толщина снега по данным замеров составляла порядка 1 м. На рис. 2.14 показано также, что при наличии переходных зон снегозаносы на откосах практически отсутствовали. Детально замеры снежных заносов на откосах площадок приведены в работе [92].
Анализ температурного режима грунтов в пределах зон, смежных с верхней поверхностью уширенных площадок
Как известно формирование температурного режима грунтов оснований зависит от большого количества факторов. Одним из основных является наличие снежного покрова. Для выявления этого влияния была выполнена серия одномерных расчетов с приведенными ниже в табл.3.1 и 3.2 исходными данными для района Салехарда; значения характеристик снежного покрова, представленные в табл.3.3 и-3.4 были подобраны на основании многолетних натурных исследований снегозаносимости мостовых переходов южного участка ж.д. линии Обская-Бованенково, толщина снега при этом принималась максимальной за зиму в пределах 0 hCH 2,0 м. Слой насыпного грунта составлял 3,5 м. Во всех случаях в летний период поверхность принималась оголенной.
На графике рис.3.13 показаны результаты расчетов в виде зависимости изменения температуры грунта на глубине нулевых амплитуд от.толщины снежного покрова при установившемся режиме. Очевидно, что для оголенной поверхности температура грунтов основания может, достигать -5,5 С, а при толщине снега hCH 0,5 м происходит деградация мерзлоты, причем- при высоте снега- более 1,0 м увеличение его высоты практически не сказывается на температуре грунтов.
С целью понижения температуры грунтов основания и сохранения их в мерзлом состоянии на южном участке ж.д. линии Обская-Бованенково были запроектированы охлаждающие уширенные площадки. Для оценки их работы необходимо было провести сопоставление натурных и расчетных данных. В связи с тем, что добиться практически оголенной поверхности площадки в зимний период невозможно, расчеты выполнялись для двух вариантов -оголенной площадки hCH = 0 и площадки с высотой снега в зимний период hCH = 0,2 м (в этом диапазоне, как видно из рис.3.13 обеспечивается понижение температуры грунтов). Кроме этого, было рассмотрено два возможных начальных состояния грунта, когда грунт имеет температуру близкую к 0 С, но находится в мерзлом и талом состояниях.
Результаты расчетов представлены на рис.3.14 и 3.15. распределение температур на рис.3.14а показывает, что в случае мерзлого грунта при оголенной от снега поверхности охлаждение грунта происходит интенсивно, тогда как при наличии талого грунта (см. рис.3.146) мерзлое ядро образуется только к 10-му году, а расчетная температура на глубине нулевых амплитуд при установившемся режиме достигается на 100-й год после сооружения площадки. Такая продолжительность достижения грунтами температур установившегося режима вызывается значительными затратами тепла, расходуемыми на фазовые переходы при превращении талого грунта в мерзлое состояние.
Аналогичная ситуация наблюдается на рис.3.15а, где представлено распределение температур при высоте снега в зимний период hCK = 0,2 м. Однако, как отмечалось выше (см. рис.3.13), минимальная расчетная температура грунтов в этом случае достигает -1,6 С. Для талого грунта (рис.3.156) даже на 100-й год зона и степень охлаждения грунта невелики, а температур установившегося режима грунты достигнут только к 500-му году.
Проведенные расчеты показали, что поверхностное охлаждение позволяет существенно понизить температуру грунтов, причем скорость
Результаты вычислений обобщены на рис.3.16 и 3.17а и б. Ординаты кривых на рис.3.16 и 3.17а представляют собой максимально низкую температуру «горба» мерзлой зоны на данный расчетный год, а на рис.3.176 -соответствующую высоту мерзлой зоны при1 начальном талом состоянии грунта. Расчетные данные, представленные на рис.3.14-3.17 обобщены на рис.3.18, где по оси абсцисс в логарифмическом масштабе отложено время, а по оси ординат вверх от оси абсцисс - максимально низкая температура зоны и вниз от. оси абсцисс - соответствующие им высоты мерзлых зон при- талом состоянии основного грунта. На графике наглядно показано, когда при различных состояниях грунта и наличия снега на охлаждающих площадках можно ожидать достижения грунтами достаточных для обеспечения строительства по принципу I температур, а также, когда наступает предельное состояние и с какой интенсивностью формируется при этом мерзлая зона.
Для сравнения с расчетными были отобраны распределения температур ряда скважин на уширенных площадках построенных мостов ж.д. линии Обская-Бованенково, где натурные начальные и граничные условия близки к расчетным.
На рис.3.19 приведено сопоставление расчетных и замеренных в натуре данных для капитального моста через р.Щучью. На этом мосту было отсыпано две площадки - на северном и южном берегах. На северном берегу начальная температура на глубине 10 т 15 м составляла примерно -3,5 С, а на южном -была близка к температуре замерзания супеси, т.е. -0,5 С. Площадки были отсыпаны в 1990 году. Данные замеров температур за 5 лет показали, что на северном берегу (кривая 5) имеет место некоторое растепление грунтов, а на
Разработка системы, сочетающей уширенную площадку и теплоизолированную поверхность
Начальное температурное состояние формируется как слагаемое двух состояний - естественного природного состояния, существовавшего до начала постройки сооружения, и нарушений теплового режима в процессе строительства. Поэтому необходизд-минимально вносить тепловые импульсы в процессе строительства, а если возможно, то наоборот, охлаждать грунты , основания в этот период.
Один из главных факторов для уширенных площадок, влияющих на температурный режим - это период отсыпки. Если имеет место зимняя отсыпка, то возможно внесение существенного импульса холода. Если имеет место летняя отсыпка , то грунты существенно растепляются. В работе [42] подробно исследовано влияние зимней и летней отсыпки грунта. В процессе проектирования важно знать, в какой период года будет осуществлена отсыпка. Если в летний период, то следует стремиться к меньшей высоте нижнего яруса площадки, если в зимний, - то высота площадки может быть увеличена. В работе [87] с участием автора был разработан способ зимней отсыпки площадки, позволяющий существенно увеличить импульс холода. Этот способ изложен в п. 4.3.
Вопрос выбора периода отсыпки грунта особенно важен при второй группе начального состояния, когда начальные температуры грунта выше предельных, но не выше -0,5 С.
При третьей группе начального состояния период отсыпки грунта практически теряет актуальность. В этом случае необходимо технологическое охлаждение термосифонами, турбохолодильными установками, азотом и т.п.
Обычно отсыпка І унта насыпи производится в летний период. Это связано с тем, что грунты удобнее уплотнять в талом состоянии, а иногда это единственно возможно. Однако в этом случае происходит существенное растепление нижележащих вечномерзлых грунтов основания, что снижает их несущую способность. Поэтому, когда это возможно, целесообразно стремиться к зимней отсыпке, при которой не только не растепляются нижележащие слои, но, наоборот, вносится импульс холода.
Проанализируем вначале общий характер температурного режима грунтов при летней отсыпке. На рис.4.9а представлено распределение температур по высоте при окончании отсыпки грунта в конце летнего периода (т.е. на 1 октября). По высоте Н отсыпки предполагаем постоянную температуру, равную среднемесячной температуре воздуха месяца отсыпки, т.е. сентября. Такую предпосылку можно сделать, поскольку грунт перевозится из резерва на место отсыпки самосвалами, далее послойно укладывается, поэтому практически успевает приобрести температуру окружающего воздуха. По глубине до 10 м предполагаем то распределение температур, которое имело место в естественных условиях на 1 октября: имеется какой-то деятельный слой, который к 1 октября весь протаял, а далее температура грунта, изменяясь, стремится к температуре грунта на глубине нулевых амплитуд.
Через 1 год (рис.4.9б), если высота Н достаточно большая, образуется талик, в котором удерживается постоянная температура, равная температуре замерзания грунта. Эта температура и задается граничным условием для основного грунта (т.е. лежащего ниже естественной поверхности). В результате происходит растепление грунта и кривая распределения температур приобретает очертание 2. Во второй и третий годы, если талик сохраняется, происходит дальнейшее растепление грунта (рис.4.9в и г), которое также определяется только температурой замерзания грунта в зоне талика. Наконец, наступает время, когда талик ликвидируется (в данном случае - четвертый год).
На рис.4.9д показано распределение температур в первый год после замерзания талика: внизу еще сохраняется растепленнная за три года зона, а в верхней части формируется «горб», который с годами распространяется вниз, обеспечивая на глубине нулевых амплитуд температуру грунта, соответствующую новым граничным условиям на поверхности отсыпки (в данном случае имеется в виду, что происходит постепенное охлаждение грунтов).
Таким образом, при летней отсыпке целый ряд лет идет растепление нижележащих грунтов и тем дальше, чем больше высота отсыпки Н. Посмотрим теперь, что происходит при зимней отсыпке.
На рис.4.10а приведено распределение температур по глубине в момент окончания отсыпки: в пределах отсыпки принимаем среднемесячную температуру воздуха месяца отсыпки, а в основном грунте может быть два варианта распределения температур. Распределение по кривой 2 имеет место в зимне-весенний период, когда при отсыпке уже отсутствует талик в пределах непромерздаего деятельного слоя, а по кривой 2а - имеет место в осенне-зимний период, когда в пределах деятельного слоя еще сохраняется талик.
В первый октябрь (на 1 октября) после зимней отсыпки грунта формируется распределение температур по кривой 3 (рис.4.106). Для сравнения на рис.4.106 приведено распределение температур на 1 октября в естественных условиях (до отсыпки). Разница ординат 1 и 3 составляет начальное охлаждение. В следующий год начальный импульс начинает постепенно рассасываться (рис.4.10в). Но при этом кривая 4 будет стремиться не к кривой 1, а к какой-то другой кривой, занимающей промежуточное положение между кривыми 1 и 4 и соответствующей новым граничным условиям на поверхности. Посмотрим теперь, какие резервы кроются в способе зимней отсыпки. Основная особенность - это то, что весь импульс холода сосредоточен в поверхностных слоях (т.е. в теле отсыпки) на момент начала теплого периода года. Поэтому с наступлением тепла он также легко «улетучивается» в воздух, а вниз, в основной грунт уходит лишь часть, иногда меньшая. К концу теплого периода температура поверхности отсыпки положительная, а значительная часть отсыпки - талая (рис.4.106). Возможно сохранить температуру поверхности близкой к 0 С, а тело отсыпки - в мерзлом состоянии к моменту окончания теплого периода года.
