Современные методы проектирования транспортных сооружений в условиях криолитозоны

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Современные методы проектирования транспортных сооружений в условиях криолитозоны

Эксплуатационная надежность геотехнических систем (ГТС) транспортных сооружений в зоне распространения многолетнемерзлых пород (ММП) в основном определяется пространственной неизменяемостью инженерных конструкций под воздействием тепловой, технологической и природной нагрузки.

Строительство транспортных сооружений в криолитозоне вызывает существенное изменение природных условий в следствие:

· нарушения сложившихся в природе условий теплообмена на поверхности земли (удаление почво-растительного слоя);

· нарушения рельефа местности (как следствие образование участков с повышенным снегонакоплением зимой и изменение условий стока поверхностных вод в летний период);

· изменения альбедо поверхности (радиационная составляющая теплообмена);

что в процессе эксплуатации непременно ведет к деградации многолетнемерзлых пород оснований.

Достаточно широко известны многочисленные примеры геотехнических «отказов» различных элементов рассматриваемых транспортных систем (рис. 1).

В соответствии с положениями СП 32-101-95 проектирование систем магистрального транспорта в зоне распространения многолетнемерзлых пород регулируется, в том числе и
СП 25.13330.2012 "Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах". В свою очередь, СП 25.13330.2012 определяет требования к составу работ, выполняемых при проектировании инженерных сооружений в криолитозоне.

По сути, процесс проектирования инженерных сооружений в криолитозоне заключается в численном обосновании конструктивных особенностей проектируемого объекта с учетом:

· материалов инженерных изысканий (механические и деформационные характеристики грунтов);

· технологического режима эксплуатации инженерного сооружения (механические и тепловые эксплуатационные нагрузки);

· расчета теплового режима грунтов оснований в процессе строительства и эксплуатации;

· расчета механического взаимодействия объекта с многолетнемерзлыми грунтами оснований с возможным изменением этого взаимодействия в процессе строительства и последующей эксплуатации;

· выбора и расчет устройств и мероприятий, обеспечивающих соблюдение обоснованно го расчетом теплового режима грунтов в основании сооружения в процессе его строительства и эксплуатации.

Рис. 1. Геотехнические "отказы" транспортных систем на примере инфраструктуры Бованенковского месторождения.

Качественное выполнение упомянутых требований на этапе проектирования и определяет надежность геотехнической системы в криолитозоне.

Ключевым элементом упомянутой выше последовательности технологических операций, приводящей к положительному результату (проектированию надежного сооружения) является теплотехнический прогноз взаимодействия геотехнической системы "инженерное сооружение - грунты основания" с окружающей средой.

Многие представители "большой академической" и "ВУЗовской" науки начиная с 70-80-х годов неоднократно отмечали важность проблемы внедрения результатов прогнозирования в проектное дело. Как показывает опыт, отрыв научных исследований от практики обходится в миллионы рублей, которые идут на непредвиденное удорожание строительства и ремонтные работы, начинающиеся с первых лет эксплуатации.

Тем не менее, еще в 1987 году был разработан и введен в действие государственный нормативный документ, РСН 67-87, позволяющий выполнять точный численный геокриологический прогноз, а именно, решать численными методами систему неоднородных, нестационарных уравнений теплопроводности для сред, представляющих собой анизотропный, водонасыщенный массив грунтового основания с наличием в нем подвижной границы раздела фаз (постановка Стефана) и внутренних источников тепла (холода).

В настоящее время, в связи с развитием высокопроизводительной вычислительной техники и программного обеспечения, задача численного моделирования температурного поля вокруг конкретного сооружения по уровню трудоемкости сравнима с вычислениями по приближенным аналитическим формулам.

Авторам настоящей работы на основании программного комплекса «FREEZER 2.0» (разработка ПАО «ВНИПИгаздобыча») показаны примеры моделирования нестационарного 3D - расчета, регламентированного действующими российскими нормами (РСН 67-87) для расчета техногенного теплового воздействия на линейные транспортные сооружения.

На рис.2, 3 представлены результаты расчетов в виде пространственного температурного поля на различные моменты эксплуатационного периода для мостового перехода, расположенного на территории республики Саха (Якутия).

Рис. 2. Прогнозное 3-D температурное поле грунтов оснований мостового перехода, без мероприятий по ТСГ.

Рис. 3. Прогнозное 3-D температурное поле грунтов оснований мостового перехода, с учётом мероприятий по ТСГ.

Теплотехническое моделирование устоя моста показало, что без мероприятий по термостабилизации грунтов оснований проектная температура «минус» 1,0°С на границе свая-грунт на глубине нулевых амплитуд будет обеспечена лишь в первый год эксплуатации. В дальнейшем произойдет растепление грунтов основания (рис 2.), и на конечный, 30-й год эксплуатации, температура на глубине нулевых амплитуд будет составлять «минус» 0,2°С, что приведет к значительным осадкам и деформациям конструкций и, как следствие, к увеличению эксплуатационных затрат на содержание, и, возможно, к снижению срока эксплуатации сооружения.

При проведении мероприятий по термостабилизации грунтов основания (отдельностоящими СОУ), в первый зимний период происходит образование твердомерзлого ядра в теле насыпи (рис 3.), которое поддерживается в течение всего периода эксплуатации.

В качестве другого примера рассмотрим пересечение автодороги с «теплым» продуктопроводом (нефте- или газопроводом).

Рис. 4. Прогнозное 3-D температурное поле геотехнической системы в результате взаимодействия «теплого» продуктопровода и насыпи автодороги в районе распространения ММП.

Основными негативными факторами в данных условиях является повышенное снегонакопление на откосах и положительная температура носителя, которая может достигать значения «плюс» 50°С. В зависимости от температуры «продукта», геокриологических и инженерно-геологических условий ореолы протаивания могут достигать величины в 15-20 м (рис 4.). Зачастую при таких условиях может наблюдаться значительное обводнение грунтов и, как следствие, катастрофическая просадка земляного полотна. К тому же сам трубопровод подвержен неравномерным осадкам, что может привести к аварийной ситуации.

Таким образом, технические решения для обеспечения прочности устойчивости и неизменяемости для рассматриваемых конструкций мостового перехода и "теплого" трубопровода на участках ММП сливающегося типа найдены и обоснованы отсутствием сезонных и многолетних процессов.

На основании вышеизложенного, представляется обоснованным сформулировать следующие выводы:

1. На основе результатов применения численных методов прогноза теплового состояния грунтов определены варианты принципиальных технических решений по управлению тепловым состоянием многолетнемерзлых грунтов оснований в процессе эксплуатации мостовых переходов и автодорог. Обоснована принципиальная возможность обеспечить пространственную неизменность инженерных конструкций (проектный тепловой режим грунтов) для каждого характерного участка, путем организации необходимого уровня теплопередачи между элементами геотехнической системы.

2. Разработанный с учетом предложенной вариантности комплекс технических решений по устройству оснований, обеспечит требуемую прочность, эксплуатационную пригодность и надежность инженерных сооружений и строительных конструкций, как в процессе строительства, так и в последующей эксплуатации без проведения как минимум преждевременных работ по реконструкции.

3. Теплотехническое обоснование проектных решений является обязательным требованием строительных норм и правил и не может быть "игнорировано" при проектировании транспортных сооружений в зоне распространения многолетнемерзлых пород лишь по той причине, что участок строительства приурочен к территории распространения ММП несливающегося или островного типа.

4. Описанный в работе подход к численному обоснованию технических решений реализован на основе действующих нормативных документов и позволяет обоснованно принимать решения даже для территорий, не имеющих аналогов в строительной практике по степени сложности.

Библиографический список

транспортный сооружение многолетнемерзлый порода

СП 32-101-95 «Проектирование и устройство фундаментов опор мостов в районах распространения вечномерзлых грунтов» -- М.: 2012.

СП 25.13330.2012 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах» -- М.: Аналитик, 2012.

«Основы геотехники в криолитозоне» -- Л.Н.Хрусталев. МГУ, 2005, 541c.

РСН 67-87 «Инженерные изыскания для строительства. Составление прогноза измерений температурного режима вечномерзлых грунтов численными методами» -- Стройиздат, 1988, 71 с.

«К вопросу о теплотехническом обосновании при проектировании сооружений магистрального транспорта газа в криолитозоне» -- д.т.н. Попов А. П., Егоров В. А.,//III международная научно-техническая конференция GTS-2009, 90 c.

Постановление Правительство Российской Федерации от 16 февраля 2008 г. № 87 «О составе разделов проектной документации и требованиях к их содержанию»

Размещено на Allbest.ru