Содержание к диссертации
Введение
1. Особенности работы и состояния малых искусственных сооружений в районах с суровым климатом
1.1. Анализ влияния природно-климатических факторов на образование и развитие деформаций и повреждений малых искусственных сооружений 1Н
1.2. Анализ и оценка инженерных принципов учёта природно-климатических воздействий Б практике проектирования сооружений
1.3. Цели и задачи исследования 47
2. Исследование тшпературного воздействия наледей и снежного покрова на малые искусственные сооружения
2.1. Методика исследований
2.2. Воздействие наледей на температурный режим вечномёрзлых оснований сооружений
2.3. Исследование формирования снежных отложений в зоне малых искусственных сооружений
2.4. Влияние снежного покрова на температурный режим вечномёрзлых оснований сооружений 85
2.5. Влияние конструкции фундаментов малых искусственных сооружений на температурный режим вечномёрзлых грунтов
2.6. Выводы по разделу 2
3. Обоснование принвдпов учёта термического воздействия природно-климатических факторов на малые искусственные сооружения
3.1. Обоснование критериев выбора принципов использования вечномёрзлых грунтов в качестве оснований сооружений
3.2. Назначение глубины заложения опор и фундаментов малых мостов и труб в вечномёрзлые грунты
3.3. Принципы учёта изменений инженерно-геокриологических условий в зоне сооружений при расчёте их на выпучивание
3.4. Оценка полученных результатов в сравнении с данными натурных исследований и расчётов на ЭВМ №9
3.5. Выводы по разделу 3
Заключение 150
- Анализ и оценка инженерных принципов учёта природно-климатических воздействий Б практике проектирования сооружений
- Воздействие наледей на температурный режим вечномёрзлых оснований сооружений
- Влияние конструкции фундаментов малых искусственных сооружений на температурный режим вечномёрзлых грунтов
- Принципы учёта изменений инженерно-геокриологических условий в зоне сооружений при расчёте их на выпучивание
Анализ и оценка инженерных принципов учёта природно-климатических воздействий Б практике проектирования сооружений
Все многообразие факторов, оказывающих влияние на состояние и работу малых искусственных сооружений, можно подразделить следующим образом /31, 53 / : 1) нагрузки - постоянные, временные и прочие; 2) природно-климатические условия - температура воздуха, ветер, солнечная радиация, влажность, атмосферные осадки и сток, снежный покров, вечномёрзлые грунты, мерзлотные явления и другое; 3) химические воздействия - агрессивность внешней среды; 4) конструктивное оформление сооружений и их элементов; 5) ЕИД и качество строительных материалов; 6) ошибки проектирования, качество строительных и ремонтных работ; 7) периодичность и качество текущего содержания и ремонта; 8) непредвиденные воздействия - стихийные бедствия , крушения и другое,
Из совокупности отмеченных факторов особое место следует ОТвесТИ природно-климатическим условиям. Они в значительной степени влияют на выбор технически и экономически целесообразных решений при проектировании, определяют приёмы производства работ в строительный период и вносят существенные изменения в режим эксплуатации сооружений. Поэтому в настоящем исследовании уделяется основное внимание природно-климатическим факторам, как одним из наиболее важных и в то же время недостаточно освоенных в практике проектирования, строительства и эксплуатации искусственных сооружений в суровых климатических условиях.
Температура воздуаа. Районы с суровым климатом характеризуются большой продолжительностью холодного периода (более 200 дней), среднегодовой температурой воздуха ниже 0С, низкими суточными отрицательными температурами (ниже - 40С), значительными температурными перепадами, суточными - более 20С и годовыми - до 80 900С.
Отмеченные условия влияют прежде всего на выбор материалов для элементов МОСТОЕ и труб, а также на развитие значительных температурных деформаций в элементах конструкций.
Кроме того, температурный режим толщи грунта, в пределах которой закладываются фундаменты малых искусственных сооружений, непосредственно СЕязан с температурой воздуха. Она определяет состояние температурных полей в основаниях, что особенно важно для соор7жений, имеющих в основании вечномёрзлые грунты. Известно, что с изменением температуры вечномёрзлых грунтов, изменяются их физико-механические характеристики. При оттаивании мерзлоты значительно снижается прочность грунтов оснований и увеличивается их деформативность / 129 / .
Учёт температурного фактора для искусственных сооружений получил достаточно полное развитие. Это нашло своё отражение в нормативных документах / 61, 107, 116, 118 - 120 / и в научно-исследовательских разработках / 5, 15, 28, 52, 53, 75, 88, 129 / . Атмосферные осадки и сток. Для северных районов Союза ССР характерна значительная неравномерность в распределении среднегодового количества осадков как в географическом плане, от 100 мм до 700 мм, так и по сезонам-до 90 95 в тёплое время и 10 холодное время года.
Указанная неравномерность оСЭДКов в сочетании со своеобразными природными условиями районов с суровым климатом ( вечная мерзлота, наличие слабоЕПИтывающих поЧЕ, широкое распространение марей) определяют и своеобразие условий стока. Неправильная оценка динамики формирования стока может привести к деформациям и повреждениям малых мостов и водопропускных труб как вследствие воздействия водного потока (размывы), так и при локальном протаивании вечномёрзлых оснований за счёт отепляющего влияния больших масс аккумулирующейся воДЫ /30, 33, 81 / . Влияние атмосферных осадков на температурный режим вечно-мёрзлых грунтов может проявляться также в виде переноса тепла инфильтрующейся водой /22, 28, 31, 35, 58, 80, 114, 129 / .
При этОМ тЄПЛОвое прОЯЕЛеНИе инфИЛЬтраЦИи сущеСТЕеННО, в оснOE ном, для сооружений, расположенных на суходолах, и для грунтов с высокими фильтрационными свойствами. Из отмеченного выше следует, что атмосферные осадки и своеобразие условий стока необходимо учитывать при определении расходов и отверстий малых искусственных сооружений, а также как фактор, влияющий на температурный режим вечномёрзлых оснований.
Снеж ный покров. Продолжительность сохранения снежного покрова в районах с суровыми климатическими условиями составляет 175 225 дней, а мощность его колеблется в пределах от 10 + 15 см до 100 см и более.
Скопление снега в пределах искусственных сооружений, прежде всего, оказывает влияние на температурный режим вечномёрзлых грунтов, окружающих опоры и фундаменты /27, 46, 77, 78 /. Отепляющее ЕЛИЯНИЄ снежного покрова приводит к деградации вечной мерзлоты и, как следствие этого, к нарушению общей устойчивости опор малых МОсТОв и элементов водопропускных труб со всеми вытекающими последствиями. Таким образом, снежный покров, являясь одним из факторов формирования термического режима вечномерзлых оснований, требует обязательного учёта при проектировании искусственных сооружений.
В е т е р. Для районов с суровым климатом характерны частая повторяемость и высокие скорости ветров, особенно в зимнее время. Средняя скорость ветра за три наиболее холодных месяца составляет около б т 7 м/сек, а максимальнае скорости достигают 20 30 м/сек.
Воздействие ветра на состояние и работу малых искусственных сооружений сказывается следующим образом: Опыт эксплуатации малых искусственных сооружений в условиях воздействия ветровых нагрузок, характерных для рассматриваемых районов, показывает, что случаев их повреждения или разрушения не имеется. Это даёт основание считать, что существующие нормативы по учёту ветровых нагрузок / 61, 108, 116, 121 / для искусственных сооружений удовлетворяют и условиям районов с суро-вЫМ климатом.
Воздействие наледей на температурный режим вечномёрзлых оснований сооружений
Для малых искусственных сооружений, эксплуатируемых в районах с суровым климатом, неблагоприятное влияние снежного покрова заключается прежде всего в том, что оно приводит к изменению температурного режима вечномерзлых грунтов оснований. Являясь хорошим теплоизолятором, снег, с одной стороны, обуславливает уменьшение глубины промерзания и снижение сил выпучивания, с другой стороны - определенная величина снежных отложений вызывает или понижение верхней границы вечной мерзлоты или даже её оттаивание, что связано с нарушением общей устойчивости элементов мостов и труб,
Оуществующие разработки по учету воздействия снега либо сложны, либо не охватывают ряда особенностей,характерных для искусственных сооружений /35, 58, 85, 86/. В частности, в литературе недостаточно рассмотрен вопрос об отложении снега в зоне искусственных сооружений. Обычно это ссылки на натурные наблюдения /46/ или же привязка к метеорологическим наблюдениям по снегопереносу /93/. При этом совершенно выпущен из виду тот факт, что и само сооружение влияет на условия выпадения,перемещения и накопления снега в его зоне.
Снежный покров в зоне искусственных сооружений может формироваться в условиях спокойного снегопада, верховой и дефляционной (низовой) метелей /36/. Определяющим фактором в формировании
После падения они остаются лежать неподвижно или включаются в процесс дефляции. Дефляционная (низовая) метель - переме-щение ветром снега, %е Двшего на земную поверхность в м момент или отложившегося ранее. снежного покрова является скорость ветрового потока. При скорости ветра в приземном слое менее 3-4 м/сек снежный покров будет формироваться в условиях спокойного снегопада или верховой метели, а при скорости более 3-4 м/сек - в условиях дефляционной метели. Для уточнения критерия, определяющего случай спокойного снегопада или дефляционной метели, были определены выборки скоростей ветра за зимние месяцы по метеостанциям, расположенным в северных районах, а именно: в Магаданской области, Чукотском национальном округе. Амурской области и в Хабаровском крае. Для районов с небольшими скоростями ветров установлены численные значения скоростей ветра по 77 метеостанциям, а для районов с сильными ветрами по 62 метеостанциям. Обработка этих данных показала, что фактические распределения случайных величин по скоростям ветра описываются нормальным законом. При этом коэффициенты вариации находятся в пределах от 0,27 до 0,30. Используя правило трех сигм, можно обосновать критерий, разделяющий случай спокойного снегопада (верховой метели) и дефляционной метели: среднеквадратическое отклонение скорости ветра. При спокойном снегопаде и верховой метели снег распределяется по земной поверхности практически равномерно /36/. Исходя из этого, поверхность земли в районе моста и пролетное строение будут покрыты снегом, а подмостовое пространство останется оголенным (рис.2.8). Количество отложившегося снега и его мощность для местностей, где имеют место условия спокойного снегопада или верховой
Вышеприведенные рассуждения относительно формирования снежного покрова в условиях спокойного снегопада и верховой метели можно проиллюстрировать натурными снегосъемками, выполненными у искусственных сооружений в районе станции Ургал (рис.2.9т2.П). Анализ метеоданных для района Ургала показывает, что величина ( Vcp +36 ) составляет 1,3 м/сек, что меньше скорости ветра, равной 4 м/сек. Это указывает на преимущественное отложение снега в условиях спокойного снегопада.
При дефляционной метели осуществляется перенос снега, поэтому распределение его по земной поверхности существенно отличается от случаев спокойного снегопада и верховой метели. Искусственные сооружения являются препятствием на пути движения метели и поэтому в зоне их действия происходит перераспределение скоростей сне-говетрового потока. По характеру работы во время метелей мосты в первом приближении можно уподобить снеговыдувающим устройствам. На это указывает идентичность профилей отложения снега у снеговы-дувающих щитов и у мостов (рис.2.12). Таким образом, теоретический анализ скоростного поля ветра в зоне мостов может быть осуществлен по аналогии со снеговыдувающими устройствами, а именно: скорость снеговетрового потока в любой точке приземного слоя за препятствиями определяется из уравнения /36/:
Выражение (2.15) может быть представлено в более простом виде при использовании следующих допущений. Определение приземных скоростей снеговетрового потока за мостом следует производить с учетом его сжатия. В начальном сечении струи, проходящей под мостом, можно принять 1/н =Vn , но далее, на расстоянии ЭС , равном высоте моста Н , где струя испытывает максимальное сжатие и её сечение уменьшается до величины/ Hi {JU - коэффициент сжатия), средняя скорость возрастает до - - V n . Если начало координат положить в точке Xt-H и считать, что в этом сечении (у - просветность моста ), Нк- // , а скорости соответственно где Ні - свободная высота моста; Н - полная высота моста; I - отверстие моста. Рассмотрение всех существующих к настоящему моменту типовых решений малых мостов показывает, что их просветность изменяется в пределах от 0,6 до 0,8 (рис.2.13), а соответствующие этим про-светностям коэффициенты сжатия - от 0,66 до 0,72 (рис.2.14). Разница между крайними значениями коэффициентов сжатия составляет 0,06 и поэтому для упрощения вычислений коэффициент сжатия потока может быть принят постоянным и равным 0,7.
Уравнением (2.17) описывается профиль изменения приземной скорости снеговетрового потока за сооружением (рис.2.15). Анализ кривой скорости потока позволяет выделить две характерные области - область локального повышения скорости ветра и область относительного затишья в пространстве за мостом. Отсюда следует, что подмостовое пространство, равное 2т4 кратной высоте моста, будет оголенным, а далее будет формироваться снежный вал, который занимает пространство в 4 6 высот моста и определяет максимальную мощность снежного покрова.
Влияние конструкции фундаментов малых искусственных сооружений на температурный режим вечномёрзлых грунтов
Для определения дополнительных величин оттаивания вечно-мёрзлых грунтов за счёт отепляющего воздействия наледей и снежного покрова рекомендуется использовать материалы исследований автора, изложенные в главе 2.
Оттаивание под влиянием наледей, образующихся в зоне малых мостов и водопропускных труб ( А ДА ), определяется по формуле (2.10).
Величина дополнительного оттаивания под влиянием снежных отложений ( A ken ) может быть найдена из выражений (2,27 ... 2.29). Эти формулы пригодны для использования при песчаных и глинистых грунтах, имеющих влажность от 15 до 55 , а также в широком географическом диапазоне в о сти со среднегодовой температурами воздуха ( Гб ) в пределах от О до минус 8С.
Для облегчения использования выражений (2.28 и 2.29) при решении практических задач, их целесообразно представить в виде номограмм (рис. 3.2). Порядок нахождения величины Д Гісн по номограммам следующий: мощность снеж а) по формуле (2.26) определяется критическая ного покрова, а затем избыточная (сверхкритическая величина снега; б) для рассматриваемых условий необходимо установить краевое значение избыточной мощности снежного покрова по формуле (2.27); рис. 3.2,8. а при hu hu, P -но в) тогда при fcp , необходимо использовать номограмму, приведённую на рис. 3.2,а, а «orpaly причину на рис.3. . При этом по номограмме (см. рис.3.2,.) величин; деградации вечной мерзлоты (Л Aw ) определится неППсТІРПСТЕЄННО пта известных климатических условиях ( f6 ), а также по виду и влажности грунта. По номограмме (см. рис. 3,2,а), в зависимости от этих же параметров, определится численное значение отношения hct-hcHK (шш тоже самое " ). затем, используя ранее численную величину (смо еункт а)— можно опремелить деградацию Евыномёрзлых грунтин под .лияниеа снежных отложелий ( Л kcH ом
Величина нетаиванияо зависящая от конструктивных особенностей фундаментот малых искусствянных сооружений в х /icp н сожет быть епределена сигласно рекомендациям ийструктивно-норматижной литературы / а2с НО / ир выражений: ой для СЕайных и столбчатыи зундажентов ькг-гол+омкт ,(3.13)
Дополнительные величины оттаивания от ЕЛИЯНИЯ укрепления русла и конусоЕ ( Л Ду ) и особенно условий осуществления строительства ( Лкстр ) весьма трудно поддаются количественному определению. Однако, оттаивание вечномёрзлых грунтов вследствие проявления этих параметров может быть сведено к минимуму при осуществлении следующих условий:
Предлагаемая методика определения величины опускания верхней границы вечномёрзлых грунтов даёт возможность учесть большинство факторов, влияющих на процесс деградации мерзлоты в зоне малых искусственных сооружений. Использование её для целей назначения глубины заложения фундаментов позЕОЛИТ значительно повысить надёжность работы малых мостов и водопропускных труб в районах с суровым климатом. Кроме того, изложенные положения могут применяться и при разработке проектов лечения и реконструкции малых искусственных сооружений для оценки положения ВГВМ.
Принципы учёта изменений инженерно-геокриоло-гибких условий в зоне сооружений при расчёте их на выпучивание
В уравнения устойчивости сооружений при расчётах их на выпучивание входит величина расчётной площади боковой поверхности фундамента ( !F ), которая определяется как произведение пери -метра фундамента на расчётную глубину слоя сезонного промерзания или оттаивания (соответственно ПМ и пт в СНиП 11-I5-74 и к прогнозу деградации верхней границы вечной мерзлоты в зоне искусственных сооружений и назначению глубины заложения их фундаментов в вечномёрзлые грунты
Величины Ни и Нт Е уравнеНИЯХ усТОЙЧИвосТИ играют идентичные роли и определяются лишь в зависимости от принципов использования вечномёрзлых грунтов в качестве оснований или при отсутствии таковых (рис. 3.4), т.е. это мощность деятельного слоя, в пределах которого развиваются силы пучения ( Нп ).
Используемый в настоящее время метод расчёта малых искусственных сооружений на выпучивание в части применимости его к сооружениям с наличием вечномёрзлых грунтов в основаниях обладает на наш взгляд рядом недостатков, а именно:
а) при определении мощности деятельного слоя, в пределах которого развиваются силы пучения, учитываются преимущественно конструктивные особенности фундаментов сооружений /
б) из комплекса действующих природно-климатических факторов рассматривается влияние лишь снежного покрова, причём, в рекомен дациях последних лет изданий /88, 93 / . Однако, и здесь отеп ляющее влияние снежных отложений учитывается в отрыве от условий формирования их в зоне искусственных сооружений, что может при вести к существенным ошибкам в назначении величины Нп ;
в) при определении величины слоя, где возникают силы пуче ния, не учитывается также явление развития вечномёрзлых толщ в процессе эксплуатации малых водопропускных сооружений.
В связи с изложенным, для повышения эксплуатационной надёж ности малых искусственных сооружений при работе их в условиях пучения грунтов необходимо наряду с конструктивными параметрами учитывать и влияние ОСНОЕНЫХ природно-климатических факторов, обусловливающих изменение мощности слоя сезонного промерзания--оттаивания
Принципы учёта изменений инженерно-геокриологических условий в зоне сооружений при расчёте их на выпучивание
Материалы выполненных исследований докладывались и были одобрены: - на конференции молодых учёных Хабаровского института инженеров железнодорожного транспорта (Хабаровск, 1973 г.); - на ХХУШ; XXIX; XXX; XXXI; ХХХП и ХХХШ научно-технических конференциях кафедр Хабаровского института инженеров железнодорожного транспорта с участием работников железных дорог, строек Дальнего Востока и организаций, участвующих в сооружении Восточной части БАМ (Хабаровск, 1973, 1975. 1977, 1979, I98I, 1983 г.г.); - на научно-технической конференции "Повышение эффективности эксплуатации автомобильных дорог в условиях Дальнего Востока " (Хабаровск, 1973 г.); - на второй научно-производственной конференции по пробле мам строительства на мёрзлых грунтах (Чита, 1974 г.); - на Зональной научно-технической конференции "Современные направления развития и совершенствования оснований и фундамен 15Ц тов в транспортном, промышленном и гражданском строительстве" (Хабаровск, 1975 г.); - на научно-методической конференции по проблемам, связанным с сооружением БАМ, в Новосибирском институте инженеров железнодорожного транспорта (Новосибирск, 1975 г.); - на научно-технической конференции по проблемам проектирования, строительства и эксплуатации БАМа в Ленинградском институте инженеров железнодорожного транспорта (Ленинград, 1976 г.); - на научно-практической конференции по безопасности движения поездов работников Дальневосточной ордена Октябрьской Революции железной дороги а Хабаровского института инженеров железнодорожного транспорта (Хабаровск, 1977 г.); - на научно-техническом семинаре "Совершенствование методов проектирования и строительства железных дорог в суровых климатических условиях Сибири" в Новосибирском филиале научно-исследОЕательского института транспортного строительства (Новосибирск, 1979 г.).
Основные положения работы изложены в следующих публикациях:
. Смышляев Б.Н. К оценке эффективности термотехнических мероприятий.- В кн.: Материалы научной конференции молодых учё ных кафедр Хабаровского института инженеров железнодорожного транспорта. Вып. 5. Секция строительная. Хабаровск, 1973, с. 167-178.
. Смышляев Б.Н. Принципы учёта воздействия наледей на искусственные сооружения.- Б кн.: Повышение эффективности эксплуатации автомобильных дорог в условиях Дальнего Востока: Тез.докл. Научно-техническая конференция. Хабаровск, 1973, с.51-53.
. Дмитриев Ю.Б., Смышляев Б.Н. К учёту влияния снежного покрова при проектировании "искусственных сооружений на вечно-мёрзлых основаниях.- Записки/ Заб.филиал Географического общества СССР, 1974, вып.99(2). Исследования и материалы по строительству и эксплуатации зданий и сооружений на мёрзлых грунтах, с.44-47.
.Дмитриев Ю.Б., Смышляев Б.Н. К учёту влияния снежного покрова при проектировании мостовых сооружений в суровых климатических условиях.- В кн.: Материалы ХХУШ научно-технической конференции кафедр Хабаровского института инженеров железнодорожного транспорта с участием представителей железных дорог, строительств и предприятий Дальнего Востока. Вып.10. Секция "Пути и строительства". Хабаровск, 1974, с.41-45.
. Дмитриев Ю.В., Смышляев Б.Н. Оценка надёжности расчётов искусственных сооружений на выпучивание.- В кн.: Современные направления развития и совершенствования оснований и фундаментов в транспортном, промышленном и гражданском строительстве: Тез. докл. Зональная научно-техническая конференция.Хабаровск, 1975, с.34-35.
.Дмитриев Ю.В., Смышляев Б.Н. К учёту влияния снежного покрова при проектировании искусственных сооружений на вечномёрзлых грунтах,- Записки /Заб.филиал Географического общества СССР, 1975, ЕЫП.104. Проблемы строительства на мёрзлых грунтах, с.63-73.
.Дмитриев Ю.Б., Смышляев Б.Н. Вопросы оценки и учёта термического и силового воздействия наледей на искусственные сооружения.- Труды/НИИЖТ, 1975, ЕЫП.170. Научные проблемы сооружения Байкало-Амурской железнодорожной магистрали, с.96-110.
Дмитриев Ю.Б., Смышляев Б.Н. Вопросы формирования термического режима фундаментов мостовых опор столбчатого типа в процессе их строительства на вечномёрзлых основаниях .-В кн.: Совершенствование МЄТОДОв проектирования и строительства железных дорог в суровых климатических условиях Сибири: Тез.докл. Научно-технический семинар /Новосибирский филиал ЦНИИС:- М., 1979, с.135-137.
Разработанные методы для обоснования принципов использования вечномёрзлых грунтов в качестве оснований малых искусственных сооружений, назначения глубины заложения опор и фундаментов малых МОСТОв и труб в вечномёрзлые грунты, а также принципы учёта изменения геокриологической обстановки для целей расчётов сооружений на внимание были использованы следующими организациями:
Службой пути Дальневосточной железной дороги и Хабаровским филиалом проектного института Желдорпроект для оценки проектных решений институтов Главтранспроекта Минтрансстроя, а также для разработки проектов лечения и реконструкции малых мостов и водопропускных труб на вечномёрзлых грунтах;
