Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, актуальность, цель, задачи и методика исследований 8
1.1. Особенности климатических и мерзлотно-грунтовых условий региона. Состояние водопропускных сооружений на первых километрах на ж. д. линии Обская – Бованенково 8
1.2. Обзор технической литературы. Актуальность и цель работы 17
1.3. Возможные пути повышения надежности водопропускных труб. Задачи работы 27
1.4. Методы исследований 30
2. Тепловое влияние водного потока в зоне водопропускной трубы 46
2.1. Проведение натурных обследований и выявление основных нарушений в режиме работы водопропускной трубы и деформаций в ее зоне 46
2.2. Особенности водного потока на вечной мерзлоте при пересечении дороги 71
2.3. О целесообразности более широкого применения фильтрующих прорезей для пропуска малых водотоков на вечной мерзлоте 79
2.4. Формирование протекания потока под насыпью (под водопропускной трубой) 89
2.5. Выводы и рекомендации по главе 2 102
3. Снегоотложения в зоне водопропускной трубы 104
3.1. Специфика влияния снегоотложений на работу водопропускных труб в регионах с сильным снегопереносом 104
3.2. Натурные наблюдения за характером снегоотложений в зоне водопропускной трубы 107
3.3. Особенности снегопереноса в осенний период
3.4. Анализ специальных охлаждающих устройств на водопропускных трубах. 124
3.5. «Идеальная модель» водопропускной трубы с точки зрения учета снегоотложений 135
3.6. Выводы по главе 3 146
4. Разработка методики учета теплового влияния климатических и мерзлотно-грунтовых условий при проектировании водопропускных труб на вечно мерзлых грунтах заполярной трундры 148
4.1. Основные положения, принятые при разработке методики расчета температурного режима грунтов тела и оснований насыпи в зоне водопропускной трубы 148
4.2. Схема зон граничных условий для Заполярной тундры 155
4.3. Разработка системы мониторинга 156
4.4. Выводы по главе 4 163
5. Влияние мерзлотного состояния высокой насыпи на напряженно-деформированное состояние водопропускной трубы 167
5.1. Принципиальная схема теплового и силового взаимодействия высокой насыпи и водопропускной трубы 167
5.2. Изменение характера мерзлого состояния грунтов в зоне водопропускной трубы от высоты насыпи и различных конструктивно-технологических мероприятий 169
5.3. Напряженно-деформированное состояние водопропускной трубы при различных мерзлотных состояниях 179
5.4. Анализ состояния водопропускных труб на км 268 и км 271 ж. д. линии Обская – Бованенково 182
5.5. Выводы по главе 5 192
6. Внедрение, области применения и эффективность разработок 196
6.1. Строительство железных и автомобильных дорог 196
6.2. Разработка современной системы нормативно-методических документов по проектированию, строительству и эксплуатации железных дорог в Заполярной тундре п-ва Ямал 198
6.3. Геотехнический мониторинг 202
6.4. Внедрение основных положений диссертации 204
Основные результаты и выводы 209
Список использованных источников .
- Возможные пути повышения надежности водопропускных труб. Задачи работы
- О целесообразности более широкого применения фильтрующих прорезей для пропуска малых водотоков на вечной мерзлоте
- Особенности снегопереноса в осенний период
- Схема зон граничных условий для Заполярной тундры
Введение к работе
Актуальность. Водопропускная труба в зоне вечной мерзлоты является одним из тех мест, где формируются самые неблагоприятные условия, способствующие негативному воздействию на земляное полотно. При пересечении земляным полотном дороги полос стока нарушается естественный режим протекания поверхностных и грунтовых вод, в результате чего образуются зоны с подтоплением, где тепловые процессы интенсифицируются в направлении протаивания грунтов, формируются термокарстовые явления, дополнительное обводнение с последующим усилением теплового влияния на грунты. В зоне водопропускной трубы скапливаются значительные снежные отложения, препятствующие в зимний период поступлению холода в грунт. В результате в настоящее время именно в зоне водопропускных труб образуются максимальные деформации земляного полотна. Кроме того деформации самих водопропускных труб способствуют нарушению режима водотока и способствуют дальнейшим деформационным процессам.
Таким образом, актуальность работы определяется, с одной стороны, значимостью водопропускных труб для нормальной эксплуатации дороги, большим их количеством на дороге, а с другой – недостаточной их изученностью в рассматриваемых природных условиях и несовершенством существующих их технических решений.
Целью работы является повышение эксплуатационной надежности водопропускных труб на вечномерзлых грунтах Заполярной тундры.
Задачами работы являются выявление для условий Заполярной тундры особенностей:
- теплового влияния водного потока в зоне трубы;
- теплового взаимовлияния фильтрующих массивов грунта с
окружающими зонами;
- теплового влияния снежных отложений в зоне трубы;
- влияния мерзлотного состояния насыпи на напряжённо-
деформированное состояние водопропускной трубы.
Методы исследования – натурные наблюдения за поведением водопропускных труб на полуострове Ямал в сочетании с математическим моделированием тепловых процессов на ЭВМ и опытно-конструкторскими разработками.
Научная новизна работы (положения, выносимые на защиту) заключается в выявлении новых закономерностей:
1. Выявлены:
- условия обводнения территории у оголовков труб;
- особенности фильтрации поверхностных и грунтовых вод вне зоны
водопропускной трубы.
2. Установлены зависимости:
- характера обводнения территории у оголовков труб от поперечного
уклона местности;
- крупности пор заполнителя фильтрующей прорези от степени её пропускной способности в весенний период;
- снегозаносимости и заполнения инеем продухов от их конструкции;
- деформаций водопропускных труб от высоты насыпи и вида
температурного воздействия. Рассмотрены 5 видов мерзлотных состояний в
зоне водопропускной трубы: ненарушенная мерзлота, мерзлотная опора,
мерзлотная траншея, мерзлотная балка, мерзлотная арка или рама.
3. Определены скорости заносимости снегом в осенний период.
4. Разработаны основные положения методики проведения
температурных наблюдений при осуществлении мониторинга.
Практическая значимость. На основании выполненных
исследований получены следующие результаты:
разработано техническое решение водопропускной трубы, позволяющее устранить обводнение;
разработано техническое решение, позволяющее устранить нарушение протекания поверхностных и грунтовых вод в водопропускной трубе по сравнению с естественными условиями;
разработаны конструкции продухов, обеспечивающих отсутствие заполнения снегом и инеем;
разработана схема водопропускной трубы для условий сильной снегозаносимости;
разработана методика учета теплового влияния климатических и мерзлотно-грунтовых условий при проектировании водопропускных труб;
- разработана методика теплофизического мониторинга
водопропускных труб.
Апробация работы. Основные положения работы обсуждались на семинарах, технических и производственных совещаниях и докладывались на научно-практической конференции «Проектирование и строительство автодорог в криолитозоне», г. Салехард, 2013, на научно-практической конференции с международным участием «Качество, системность и партнёрство в современной экономике: от качества управления до качества жизни», посвящённой 120-летию МИИТ, г. Москва, 2015, на секции учёного совета ОАО ЦНИИС в 2014 г. Достоверность полученных результатов подтверждается общей сходимостью результатов теоретических расчётов и непосредственных измерений в натуре.
Реализация результатов работы. Результаты работы реализованы при проектировании, строительстве и мониторинге ж. д. линии Обская – Бованенково и ряда других объектов п-ва Ямал. Материалы исследований использованы в серии нормативно-рекомендательных документов.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 25 работ, в том числе 10 из перечня ВАК. Кроме того диссертант участвовал в разработке основных положений, изложенных в ряде научно-технических отчётов
Научно-исследовательского института транспортного строительства (ОАО ЦНИИС).
Структура и объём работы. Диссертационная работы состоит из введения, шести глав, раздела «Основные результаты и выводы», списка использованных источников. Она содержит 118 страниц текста, 114 рисунков, 5 таблиц.
Возможные пути повышения надежности водопропускных труб. Задачи работы
По наблюдениям О.В. Снежко [83] большое влияние на преобладание тех или иных видов деформаций оказывают местные условия (рельеф, свойства грунтов оснований и др.). Трубы, расположенные на маревых участках, часто подвержены заиливанию лотков и застою воды у оголовков и внутри. Трубы на косогорных участках чаще подвергаются растяжкам звеньев и повреждениям оголовков. При наличии в основании труб льдонасыщенных просадочных при оттаивании грунтов характерны просадки звеньев и т. п. При этом для большинства труб типично наличие сразу нескольких видов деформаций.
На основании обследования 250 водопропускных труб на западном участке Амурской ж. д. О.В. Снежко получил следующие данные о частоте проявления различных видов деформаций: растяжка звеньев - 54% труб; просадки и пучение – 24% труб; продольные трещины – 16,3% труб; деформации оголовков – 36,1% труб. Таким образом, растяжка звеньев и деформации оголовков являются наиболее распространенными повреждениями труб. Величина раскрытия швов достигала до 50 см. Важным выводом, вытекающим из результатов обработки полученных данных, является то, что большинство труб (65%), имеющих растяжку звеньев, не имеет просадки, т. е. просадка звеньев не является первопричиной их растяжки. Однако несомненна их связь. Вода, попадающая через раскрытые швы в основания, вызывает оттаивание вечномерзлого грунта и вынос мелких частиц, что приводит к просадке звеньев.
Анализ возможных причин, вызывающих растяжку звеньев, привел автора к выводу о том, что они кроются в температурных деформациях, обусловленных сезонными колебаниями температуры воздуха, осложненным влиянием частиц грунта, попадающих в зазор и препятствующих свободному удлинению.
Основными причинами разрушения оголовков признается пучение грунта. Обследования состояния водопропускных труб на строящихся ж. д. линиях Тайшет – Лена, Абакан- Тайшет, Хребтовая – Усть-Илимская [5, 32], проводившихся в 60-х годах 20-го века, показали, что такие деформации, как осадки оснований и растяжки звеньев типичны и для сборных железобетонных конструкций водопропускных труб.
Обследование пяти деформирующихся труб, построенных с использованием вечномерзлых оснований по принципу II на ж. д. линии Тайшет – Лена [5], показало значительную горизонтальную растяжку звеньев. Одинаковые деформации обнаружены у труб независимо от конструкции их фундаментов и грунтов основания [5]. Основной причиной этих деформаций считается развитие в грунтах насыпей и оснований пластических деформаций, приводящих к возникновению значительных горизонтальных усилий, передающихся трубам. Последние по своей конструкции не способны сопротивляться этим нагрузкам.
Высказывается предположение, что глубокое промерзание грунта, резкие перепады температур воздуха и наледи могут усиливать и дополнять процесс деформаций, но они не являются главными факторами, вызывающими эти деформации. Подобные деформации насыпей и труб могут проявляться и при отсутствии вечномерзлых грунтов в основании, как это наблюдалось на линии Абакан – Тайшет. Активному развитию пластических деформаций в грунтах насыпей способствуют нарушения технологии при отсыпке высоких насыпей, такие как недостаточное уплотнение, повышенная влажность грунтов.
Для исключения деформаций труб рекомендовано применять замену грунтов и усиление фундаментов.
В период с 1967 по 1971 гг. Дальгипротрансом и СибЦНИИСом проведено обследование 33 водопропускных бетонных труб овоидального и прямоугольного сечения на одном из неэксплуатируемых участков, примыкающих к БАМ [68]. Оказалось, что 80% обследованных труб подвержены тем или иным деформациям, наиболее распространенными из которых являются растяжка швов и отжатие оголовков, разрушение монолитного бетона, трещины в звеньях и оголовках. Во многих случаях на одной и той же трубе имеется несколько, а иногда и все виды указанных деформаций. Величина растяжки у трети деформированных труб достигает 5 – 15 см. Осыпающийся через зазоры грунт внутрь трубы приводит к заиливанию лотка и образованию пустот в теле насыпи. Отмечено, что растяжка швов и отжатие оголовков встречаются только у труб на основаниях из глинистых грунтов. В этих же условиях и только у труб, имеющих растяжку, отмечается и неравномерная осадка секций, часто с перекосами и кренами. О причинах, вызывающих растяжку швов и неравномерные осадки секций труб авторы работ [5, 68] высказывают предположение, что к этому приводит недостаточная прочность и устойчивость грунтов оснований под нагрузкой от насыпи в зоне трубы. В результате постепенного повышения температуры мерзлых грунтов в основании процесс деформаций может продолжаться длительное время.
Для предупреждения деформаций предлагается применять уположение откосов, устройство берм или замену грунтов, предварительное оттаивание и уплотнение или укрепление. Рассматривается также возможность конструктивного приспособления трубы к восприятию продольных усилий.
У 42% обследованных труб отмечены трещины в оголовках различных типов с раскрытием до 4 см. В основном это горизонтальные трещины в крыльях и реже наклонные. В портальной части наблюдается сеть трещин различной ориентации и сколы. Основной причиной этих деформаций является пучение грунта основания. Повсеместно наблюдаются застои воды и заиливание лотков. В руслах около оголовков труб и у подошвы откосов подходных насыпей встречаются заполненные водой углубления.
В работе [69] приведены результаты обобщения данных обследования водопропускных труб, выполненных СибЦНИИСом совместно с Сибгипротрансом, Томгипротрансом и Дальгипротрансом в 1962 – 1975 гг. на участках ж. д., географически близких к БАМ, с высокотемпературной мерзлотой (от – 0,1 до – 1,2 оС). Из более чем 900 обследованных труб около 80 сооружены на вечномерзлых грунтах. Наиболее распространенной деформацией труб, построенных на мерзлых грунтах, является растяжка с максимальным раскрытием отдельных швов до 50 см. Наибольшее раскрытие швов отмечено в средней части сооружения. Обследования 19 труб на 3-й и 6-й год после постройки и наблюдения за температурным режимом в их основаниях показали, что на многих объектах происходит оттаивание вечномерзлых грунтов. Проведен анализ эффективности мероприятий по обеспечению стабильности труб. Трубы, построенные с заменой грунтов основания подушкой из скальных материалов шириной в 4 – 6 раз большей глубины замены, а также трубы, вынесенные на борт лога, не деформировались. Замена грунта только в габаритах ширины подошвы фундамента или увеличение высоты фундамента без замены грунта стабильность сооружения не обеспечивают.
О целесообразности более широкого применения фильтрующих прорезей для пропуска малых водотоков на вечной мерзлоте
Рассмотрим несколько конкретных сооружений. Труба на км 107 (ПК 5077 + 88,5). Водопропускная металлическая труба диаметром 1,42 м уложена в насыпи высотой 3,50 м. Окружающая местность – плоская тундра со слабым уклоном с востока на запад. Прилегающая к входному (западному) оголовку местность сильно обводнена. Непосредственно к откосу насыпи примыкает обширное озеро, глубина вода в котором достигает 1,0 м и более. Озеро образовалось в результате термокарстовой просадки грунта в его донной части. Территория у выходного оголовка заболочена и покрыта углублениями, заполненными водой. С западной стороны от оси ж. д. земляного полотна на расстоянии 15 – 20 м проходит притрассовая автодорога. Выпуск воды из пазухи между железной и автомобильной дорогами обеспечивается трубой, уложенной под автодорогой. План территории, примыкающей к трубе, приведен на рис. 2.1.
На рис. 2.2 показан вид на входной и выходной оголовки трубы. Отчетливо видно, что лотковая часть трубы находится выше зеркала воды в озере. Именно это и является непосредственной причиной обводнения территории со стороны входного оголовка. Вода из озера фильтруется через насыпь, далее проходит путь между железной и притрассовой дорогами и фильтруется через тело автодороги. На рис. 2.2,в видно понижение проезжей части автодороги в зоне фильтрации. Обская
Водопропускная труба на км 107 (ПК 5079+88,5): а, б – вид со стороны ст. Обская соответственно на входной и выходной оголовки; в – вид с насыпи на притрассовую дорогу. Виден путь фильтрации 3.11.2007 г. Труба на км 109 (ПК 5093 + 65,5). Водопропускная металлическая труба диаметром 1,42 м в насыпи высотой 6,0 м. Труба уложена в месте пересечения насыпью лога с крутыми бортами. Со стороны входного оголовка непосредственно к откосу насыпи (западному) примыкает обширное и глубокое озеро. С правой (восточной) стороны от насыпи на расстоянии 15 – 20 м проходит притрассовая автодорога. Пропуск воды из образовавшейся пазухи между железной и автомобильной дорогами осуществляется через металлическую трубу диаметром 1,42 м, уложенную под автодорогой. План территории в месте расположения трубы показан на рис. 2.3. На рис. 2.4 показана местность, примыкающая с востока к притрассовой автодороге и сама автодорога. Видно значительное обводнение территории у выходного оголовка трубы под автодорогой. Вид на оголовки трубы показан на рисунке 2.5. Создается впечатление, что труба не выполняет своего предназначения, о чем свидетельствуют скопления поверхностной воды у ее оголовков, в то время как труба под автодорогой также бездействует (см. рис. 2.6).
В конце августа 2008 г. было проведено повторное обследование. При предыдущем обследовании в ноябре 2007 г. было отмечено значительное обводнение местности у выходного оголовка трубы, уложенной под автодорогой, а также скопление воды у оголовков трубы под насыпью железной дороги. Как следует из фотографий на рис. 2.7 и 2.8, ситуация с обводнением территории, примыкающей к водопропускной трубе, практически не изменилась. Обнаружено, что со стороны озера происходит фильтрация воды под насыпью, о чем свидетельствуют следы суффозии грунта из-под насыпи и ручей, пробивающийся с низовой стороны земляного полотна (рис. 2.7).
Труба на км 176 (ПК 8814+22). Водопропускная металлическая двухочковая труба диаметром 1.42 м уложена под насыпью высотой 4.5 м, расположенной на косогоре. Труба размещается в месте пересечения a і і і і і і 1 ЛЛЯ 111 [\ і Бованенково
Водопропускная труба на км 109 (ПК 5903+66): а, б – общий вид со стороны ст. Обская, входного оголовка соответственно железной и автомобильной дорог Рис. 2.6. Водопропускная труба на км 109 (ПК 5903+66). Общий вид притрассовой дороги. Вид со стороны ст. Обская а) і
Водопропускная труба на км 109 (ПК 5903+66). 29.08.08 г. а – зона входного оголовка автодорожной трубы, б – коричневое дно на выходе у южного пруда: следы выноса фильтрацией частиц; здесь же замечен ручей из-под насыпи Рис. 2.8. Водопропускная труба на км 109 (ПК 5903+66). Круговая панорама зоны трубы со стороны автодороги. 29.08.08 г. насыпью начала выраженной полосы стока. План прилегающей к трубе территории показан на рис. 2.9.
При обследовании трубы установлено, что ее продольная ось существенно сместилась относительно проектного положения вследствие осадки при оттаивании грунта основания. Низ лотковой части трубы со стороны входного оголовка погрузился относительно проектного положения на 1.20 м, так, что рабочее сечение трубы для пропуска воды сократилось до 0.20 м. Положение выходного оголовка осталось неизмененным (рис.2.10, 2.13). Одной из причин вызвавших разрушение бермы (высота бермы у водопропускного сооружения по сравнению с прилегающими участками ниже на 1.35м и фактически сравнялась с дневной поверхностью тундры) является расположение водоотжимной бермы в естественном логу. Это спровоцировало активное развитие термокарста и разрушение самой водоотжимной бермы. Общая панорама территории, примыкающей к рассматриваемому участку железнодорожной линии представлена на рис. 2.11. На рис. 2.12 показан общий вид на территорию со стороны входного оголовка трубы. Вид на выходной оголовок трубы приведен на рисунке 2.13.
Вид местности в зоне размещения трубы на период обследования в 2008 г. показан на рис. 2.14 – 2.17. На рис. 2.14 показаны панорамные снимки зоны выходного оголовка трубы. Состояние насыпи и трубы со стороны выходного оголовка – удовлетворительное. У входного оголовка отмечаются скопления поверхностных вод в виде цепочки озерков, располагающихся вдоль подошвы откоса насыпи на всем пространстве от водоразделительной дамбы до оголовка трубы (рис. 2.15). Вид на насыпь и место примыкания к ней водоразделительной дамбы показан на рис. 2.16. На них хорошо видны характер деформаций бермы и дамбы вследствие оттаивания грунтов основания. Скопление поверхностных вод у подошвы откоса со временем приводит к развитию поперечной (по отношению к оси дороги) фильтрации. Такое явление было отмечено в сечении на ПК 8814 + 05, где из под низового
Особенности снегопереноса в осенний период
В регионах с сильным снегопереносом следует отметить три основные особенности, определяющие работу водопропускных труб.
Первая особенность – это тепловое влияние снежных отложений в зоне теплового влияния трубы. Известно [111], что в зависимости от толщины снега на поверхности на глубине нулевых амплитуд может формироваться как очень низкая температура (рис. 3.1) при оголенной от снега поверхности, так и положительная температура при толщине снега 0,5 м и более. В зоне основной площадки насыпи снег зимой сдувается, поэтому оттуда идет охлаждение. У подошвы откоса насыпи скапливаются значительные снегоотложения, что приводит к растепляющему влиянию.
Вторая особенность – в результате заноса снегом оголовков трубы полость трубы оказывается изолированной от наружного воздуха, и температура воздуха внутри полости становится равной температуре окружающего грунта [42]. На рис. 3.2 представлен график изменения температуры воздуха внутри полости трубы в течение года.
Третья особенность – большие снежные отложения у оголовков приводят к тому, что весной в период начала паводка труба не может пропустить воду. Для ликвидации этой опасности требуются каждой весной трудоемкие работы по расчистке (рис. 3.3).
График изменения среднемесячных температур воздуха в полости трубы по данным измерений на п-ве Ямал: 1, 2, 3 – соответственно наружного воздуха, в открытых трубах и в закрытых трубах
Для описания особенностей снегозаносимости водопропускных труб целесообразно выделить три группы перехода через водоток: - ясно выраженное русло водотока отсутствует; - имеет место ярко выраженное русло; - труба расположена в глубоком логе, при этом возможны в плане изгибы лога или другие препятствия. Водопропускных трубы без выраженного русла В первом случае, т. е. когда отсутствует ярко выраженное русло водотока, снегоотложения в зоне практически повторяют снегоотложения в зоне прилегающих участков насыпи. На рис. 3.4 приведены фотографии снегозаносов в зоне водопропускной трубы на км 115. Это ровный участок Лаборовых болот, где отсутствуют существенные изменения в рельефе в зоне трубы по сравнению с прилегающими участками.
Аналогичную картину мы видим на рисунке 3.5 (водопропускная труба на км 78).
Были проведены систематические замеры [71], в результате которых, а также дополнительных наблюдений, проведенных в разное время, разработаны расчетные значения, приведенные в главе 4.
Водопропускные трубы с выраженным руслом. Принципиальным отличием этой группы труб по сравнению с предыдущей является с позиции теплофизики то обстоятельство, что непосредственно тело трубы расположено на пересечении двух линейных зон (водотока и насыпи) с повышенным тепловым влиянием.
Дело в том, что в условиях п-ва Ямал происходит выравнивание верхней поверхности снегоотложений. При этом лог заносится снегом гораздо больше, чем прилегающая территория. На рис. 3.6 приведены фото снегоотложений в характерном для этой группы водопропускной трубе на км
Водопропускная труба на км 176. Панорама со стороны Обская. 12.03.09 лога на этих снимках не видно – он занесен. На рис. 3.7 приведены замеренные снегоотложения по оси трубы и рядом. Четко видно из рисунка, что величины снегоотложений в зоне лога выше, чем рядом с ним на величину, равную глубине лога. Для сравнения на рис. 3.8 приведена эта же панорама в летний период. Водопропускные трубы в сложных условиях рельефа местности. Эта группа характеризуется наиболее сильными тепловыми воздействиями на вечномерзлые грунты оснований. Это объясняется тем, что для снегоотложений формируется «ловушка» с трех сторон или четырех сторон: во-первых, снег скапливается в глубоких логах независимо от наличия водотока. К этому добавляются снегоотложения непосредственно в зоне водотока. Очень сильно влияют препятствия, расположенные параллельно оси железной дороги (автодорога, поворот лога и т.п.).
На рис.3.9 – 3.10 приведены снегоотложения в зоне водопропускных труб на км 268 и 271. Толщина снега даже в середине откоса насыпи (высотой порядка 10 м) превышает 3,0 м, а у подошвы откоса достигает 5 м. На рис. 3.11 и 3.12 представлены панорамы этих труб в летний период.
Основные наблюдения за снегоотложениями ведутся в период максимальных величин этих снегоотложений – в весенний период. Однако для правильного прогнозирования температурного режима необходимо знание характера формирования снежных отложений за весь зимний период. В этом отношении описываемые в этом разделе обследования происходили в важный период – период начала снегоотложений. Но не только это – они происходили в уникальный момент, в момент резкого изменения погоды, когда удалось за короткий срок наблюдать один и тот же объект при разных стадиях снегоотложений.
Схема зон граничных условий для Заполярной тундры
Расчеты напряженно-деформированного состояния массива грунтов насыпи и ее основания с устроенной в теле насыпи водопропускной трубой выполнены в пространственной постановке с использованием программного комплекса «Plaxis 3D Foundation». Программный комплекс предназначен для решения геотехнических задач, широко используется во всем мире и сертифицирован в Российской Федерации. В основу комплекса положен метод конечных элементов. Работа выполнена совместно с группой Бадеева А.М. (ОАО ЦНИИС) [3, 47].
Программа Plaxis 3D Foundation позволяет автоматически создавать нерегулярные двухмерные конечно-элементные сетки в горизонтальной плоскости (в плане) с возможностью общего и локального измельчения сетки. Из двухмерной сетки автоматически создается трехмерная сетка с учетом напластования грунтов и геометрии сооружений, которые были заданы в буровых колонках и рабочих плоскостях.
Программные средства Plaxis автоматически сопоставляют напряжения со свойствами грунтов и обеспечивают соответствие картины напряжений условиям равновесия. Моделирование грунта выполнено с помощью апробированного в современных геотехнических расчетах упругопластических моделей Mohr-Coulomb и Hardening soil, учитывающих увеличение параметров жесткости с ростом напряжений и разницу в значениях модулей деформации при нагрузке и разгрузке. Программа учитывает внешнюю распределенную нагрузку (в данном случае – железнодорожную на основной площадке насыпи).
Для сопоставления напряженно-деформированного состояния насыпи с трубой при различных ее мерзлотных состояниях в соответствии с разделом 5.2 выбрана 12-метровая насыпь (ширина основной площадки 6,5 м, ширина в основании 54,5 м) на мерзлом основании с частичным начальным протаиванием основания под трубой (глубина 1,5 м) и в зоне подошвы откоса насыпи (глубина 4 м).
Это начальное состояние является характерным на момент окончания теплого периода (октябрь). Было принято, что грунты насыпи и основания – одинаковы (супесь), но в связи с разной влажностью имеющие разные параметры. Представленные выше результаты теплофизических расчетов показали, что грунты как в насыпи, так и в основании могут находиться в разных зонах в трех состояниях: талом, пластичномерзлом и твердомерзлом. Соответственно будут меняться их физико-механические свойства, определяющие характер напряженно-деформированного состояния. Программа использует следующие основные характеристики грунтов: модуль деформации Е, кгс/см2; коэффициент Пуассона, б/р; угол внутреннего трения j, град.; коэффициент сцепления с, кгс/см2.
Для одного и того же грунта в талом, пластичномерзлом и мерзлом состояниях основные характеристики будут разными. Следует отметить, что для надежного прогнозирования напряженно-деформированного состояния конкретной насыпи следует предварительно получить перечисленные выше характеристики путем полевых испытаний зондом, штампом и т. п. Нам же пришлось использовать литературные источники [117, 13, 30, 44, 43, 116, 25, 82, 26, 85, 87, 78, 84]. В результате анализа и обобщения была составлена табл. 5.1 для супеси. Приведенные в ней характеристики были применены в расчетах.
Программа предполагает определение напряженно-деформированного состояния конструкции в определенном сочетании свойств материала и нагрузки по сравнению с другим состоянием, называемым начальным.
За начальное температурное состояние во всех расчетах было принято следующее. Ниже уровня естественной поверхности температурное состояние было принято в соответствии с рис. 5.5 для ненарушенной зоны, т. е. на 1,0 м от поверхности – талый грунт, далее на 1,0 м – пластичномерзлый, далее – твердомерзлый. Выше уровня естественной поверхности все тело насыпи предполагается в талом состоянии. При расчете начальных деформаций учитывается поездная нагрузка. Это соответствует действительности, поскольку грунты основания на момент отсыпки насыпи еще мерзлые (они растепляются в процессе эксплуатации за счет подсекающего теплового импульса с боков), а насыпь должна быть отсыпана из талых грунтов, иначе требуемого смерзания грунтов не произойдет.
После проявления деформаций от собственного веса насыпи и поездной нагрузки температурное состояние изменялось по четырем вариантам, и определялись относительно начального состояния три расчетных параметра: [u] – прогиб трубы, м;
N – эпюры продольной силы «растяжки» трубы, kН; М – эпюра изгибающих моментов, kН м.
В первом варианте вся насыпь остается талой, как в начальном состоянии, но происходит растепление грунтов оснований до пластичномерзлого состояния в соответствии с рис. 5.6 (ниже естественной поверхности).
Во втором варианте по оси трубы имеет место точно такое же температурное состояние, как в варианте 1, но в соседних с трубой участках насыпи пластичномерзлые грунты заходят в тело насыпи в соответствии с рис. 5.6,б (выше естественной поверхности), но при этом твердомерзлые грунты отсутствуют. Этот случай соответствует «мерзлотной траншее».
В третьем варианте мерзлотное состояние и ниже и выше естественной поверхности полностью соответствует рис. 5.6. Это случай «мерзлотной балки».
На рис. 5.8 представлена расчетная схема для первого расчетного случая. На рис. 5.9, 5.10, 5.11 представлены формы получаемых расчетом на ЭВМ результатов: соответственно эпюры вертикальных прогибов, растягивающих сил и изгибающих моментов. Сводные результаты, по которым можно оценивать эффективность предлагаемых конструктивных мероприятий, сведены в табл. 5.2. и рис. 5.12. Анализируя таблицу 5.2 и рис. 5.12, можно сделать следующие выводы. 1. Мерзлотные состояния насыпи с водопропускной трубой, такие как «мерзлотная траншея», «мерзлотная балка» и «мерзлотная арка» уменьшают деформации от поездной нагрузки и собственного веса насыпи, т. е. носят благоприятный характер. В связи с этим создание условий для их формирования является желательным. 2. Искусственное создание рассмотренных мерзлотных образований возможно за счет применения локальной теплоизоляции и локального применения охлаждающих устройств (термоопор, термосифонов и т. п.).