Механика мерзлых грунтов общая и прикладная
..pdfвиде льда и агрегатные превращения в ней при дальнейшем охлаж
дении не происходят.
Протаивание части подошвы плотины (сечение Е—Е), нагрева ние или охлаждение другой ее части (сечение Ж —Ж) под влиянием температурного поля основания и изменение температуры в основа нии под плотиной рассматриваются на основе уравнений теплового баланса. Подробные решения для различных случаев приведены в
цитированной выше монографии Н. А. |
Цытовича, Н. |
В. |
Уховой |
и др. *, где приводятся практические |
рекомендации |
по |
расчету |
температурных полей замороженных неоднородных плотин и их оснований и результаты исследований температурного режима моделей замороженных плотин.
Отметим, что для частного случая, когда плотина и основание выполнены из одного и того же грунта с одинаковыми характеристи ками материала, полное решение получено П. А. Богословским в ко нечных разностях (плоская задача) **.
Используя решения отмеченных относительно простых теплофи зических задач, можно установить точки, соответствующие опреде ленным температурам (0°; —1°; —2° и т. д.) и по ним, используя метод криволинейной, интерполяции, построить изотермы темпера турного поля плотины и вечномерзлого основания. Полученная кар тина дает возможность судить о температурной устойчивости во вре мени земляной плотины и ее основания.
Для иллюстрации изложенного способа расчета температурной устойчивости плотин из местных материалов (каменной наброски), возводимых в условиях вечномерзлых грунтов, на рис. 135, 136, а также на рис. 132 показаны в изотермах по вычислениям Н. В. Ухо вой температурные поля замороженной каменнонабросной плотины, состоящей из трех зон; каменной наброски с пустотами, заполнен ными льдом, ледяного ядра с потерной для принудительного охлаж дения и каменной наброски.
Изотермы рис. 135 показывают, что в начальный период эксплу атации (5 лет) следует опасаться оттаивания нижней части ядра и что стационарное тепловое поле (см. рис. 132) наступает не ранее 75 лет. Сравнение изотерм рис. 132 с данными, получаемыми на электрогидроинтеграторе ЭГДА-9/60, показало близкую сходимость. Проверка в лабораторном опыте на физической модели и сопостав ление с данными, полученными на ЭГДА-9/60, дало также вполне сопоставимые результаты (рис. 137).
Изложенный способ приближенной оценки температурной устой чивости плотин из местных материалов, возводимых в условиях рас пространения вечномерзлых грунтов, конечно, требует дальнейших усовершенствований и установления (на базе сравнения со строгим решением, в первую очередь, плоской задачи нестационарного тем пературного поля замороженных плотин) пределов применимости приближенного решения.
*См. сноску 5 на стр. 305.
**См. сноски 1 и 2 на стр. 305.
Рис. 135. Пример прогноза изменений температуры в теле и основании заморо женной плотины через 5 лет после заполнения водохранилища
УВ
Рис. 136. Изменение температуры в теле и основании плотины через 20 лет после заполнения водохранилища
Как приведенные материалы, так и другие *, им аналогичные, показывают, что для сохранения температурной устойчивости замо роженных плотин из местных материалов высотой более 10 м, воз водимых в условиях вечномерзлых грунтов, обязательно устройство водонепроницаемого ядра с искусственным машинным подморажи ванием возникающих таликов.
5. Расчет промораживания водонепроницаемых элементов пло тин с использованием машинного охлаждения следует вести, руко водствуясь рекомендациями X. Р. Хакимова ** или Н. Г. Трупака ***.
Рис. 137. Сравнение стационарного температурного поля, по строенного на ЭГДА-9/60 (сплошные линии) и полученного в лаборатории МИСИ на физической модели, в опыте № 3 (пунктир) для <=40 лет
При не очень больших радиусах г замораживающих труб (во всяком случае, меньших 2 м) и использовании в качестве хладоагента наружного воздуха, приближенный расчет радиуса заморо женного цилиндра грунта R можно определять по формуле, пред
ложенной А. А. Цвидом: **** |
---------’ |
|
3 |
(VIH.31) |
|
/ ? « у |
0)5г, |
где / — время действия охлаждающей системы, ч\ 0П— средняя температура поверхности трубы; Ям— коэффициент теплодровод-
* См. сноски на стр. 305. ** См. сноску на стр. 186.
***Н. |
Г. |
Т р у п а к. Специальные способы |
проведения горных выработок. |
Углетехиздат, 1951. |
|
||
**** А. |
В. |
С т о ц е н к о . Особенности крупного гидротехнического строи |
|
тельства в зоне вечной мерзлоты. «Материалы VII |
Межведомственного совещания |
||
по мерзлотоведению». Изд-во АН СССР, 1959. |
|
||
ности мерзлого грунта, ккал/м • ч • град; q — количество тепла, не обходимое для замораживания 1 м3 грунта, ккал/м3.
Используя теорию и методы подобия в совокупности с решени
ем большого количества |
частных задач |
на гидроинтеграторе |
||
В. С. Лукьянова, Р. М. Каменский * получил |
эмпирические зави |
|||
симости для определения |
продолжительности |
работы |
заморажи |
|
вающей системы до момента образования |
сплошной |
льдогрунто |
||
вой стенки определенных размеров с учетом взаимного теплового влияния двух соседних замораживающих колонок. Эти зависимо сти могут быть использованы при проектировании противофильтрадионных элементов плотин из местных материалов.
Продолжительность работы замораживающей системы до мо
мента смыкания льдогрунтовых цилиндров будет |
|
F o = 0 ,8 7 e x p (- l,66Bi°-U4)Ko [у - ]”°'Ш |
(VIII.32) |
и продолжительность образования льдогрунтовой стенки с мини мальным размером по ширине 2h
|
|
F o = 1,13exp( — 0,897Bi0>295) Ко |
°*15^ A j2’4_)_ |
|
|
|
|
|
(VIII.33) |
|
В этих формулах: |
|
|
|
Fo |
Ki |
критерий |
Фурье; |
|
|
|
|||
Bi |
adi |
критерий Био: |
|
|
|
|
|||
K o = — - |
------ критерий |
Коссовича; |
|
|
|
Си (®в) |
|
|
|
км; См— коэффициент теплопроводности и объемная теплоемкость мерзлого грунта; t — продолжительность работы замораживаю щей шстемы; ru d\ — внешние радиус и диаметр замораживающей колонки; h — шаг колонок; а — коэффициент теплоотдачи от воз духа к стенкам труб в кольцевом зазоре колонки; 0В— средняя за расчетный период температура воздуха в колонке; 0Н— начальная
температура |
грунта; q — затраты тепла на агрегатные превраще |
ния воды в 1 |
м3грунта. |
В статье Р. М. Каменского приведены номограммы для расче тов по формулам (VIII.32) и (VIII.33) и пример расчета для одно го из проектных вариантов плотины.
* Р. М. К а м е н с к и й . Теплотехнический расчет льдогрунтовой противофильтрационной завесы плотины с учетом взаимного влияния колонок. «Гидро техническое строительство», 1971, № 4.
6. Прочность ледяного ядра. При конструировании заморожен ных льдогрунтовых плотин, возводимых в условиях вечномерзлых грунтов, большое значение имеет оценка прочности ледяного ядра и обеспечение отсутствия выпора ледяного ядра вверх под дейст вием давлений от упорных призм из каменной наброски (рис. 138).
Полагая, что каменная наброска упорных призм .находится в предельном равновесии и рассматривая плоскую симметричную задачу статического равновесия тяжелых упорных призм, была по-
Рис. 138. Расчетная схема активного давления каменной наброски на ле дяное ядро
лучена * величина максимального давления (активного £ а) камен ной наброски на стенки ледяного ядра:
|
|
(VIII.34) |
где nz— sin У ~ cos (amax~ f) sin (ctma* ~ |
• |
(VII1.35) |
cos 2 i Sin (<1>—amax — <f) cos (amax — j) |
|
|
z — глубина от -верха каменной наброски.
Значение максимального угла наклона плоскости скольжения к горизонту аШах определяется графическим построением функцио нальной зависимости £ а= /(а ), принимая остальные углы наклона (t — угол наклона грани ледяного ядра к вертикали; / — угол на клона откоса каменной наброски к вертикали; ф = 90° — <р—г, см. рис. 138) постоянными.
Распределение давлений по высоте определяется |
выражением |
|
Р» |
дЕв =-(zm . |
(VI1I.36) |
|
dz |
|
*Н . А. Ц ы т о в и ч , А. Л. К р ы ж а н о в с к и й , 3. Г. Т е р - М а р т и р о - с я н. Приближенная оценка прочности ледяного ядра каменнонабросной плотины. «Труды Координационного совещания по гидротехнике», вып. XXIII, ВНИИГ, 1965.
Тогда полное давление на боковые грани ледяного ядра, нагру
женного по симметричной эпюре с учетом взвешивающего дейст вия воды,
|
/> = (Y'/n + |
YB)*, |
(VIII.36') |
где у' — объемный |
вес каменной наброски, |
облегченный взвеши |
|
вающим действием |
воды. |
|
|
Следуя далее задаче Прандтля |
о пластическом выдавливании |
||
материала, зажатого между двумя |
плоскостями, и полагая объем |
||
льда в ядре постоянным, напряжения как у поверхности ядра, так и в сечениях ядра, неизменными, а касательные напряжения ма лыми, получено условие, при котором не будет иметь место пласти
ческое выдавливание |
льда вверх: |
2 o s \ n b° + 2 ” tgi 1 + |
y c t g t j < ( v ' cos(])m+ YBsin / j /У2, (VIII.37) |
где bo — ширина ледяного ядра поверху; Н — высота каменнона бросной плотины; GS— длительное сопротивление сжатию льда — предел его текучести при данной отрицательной температуре.
Следует отметить, что величина as весьма невелика, что часто затрудняет выполнение условия (VIII.37).
Увеличение устойчивости на выдавливание ядра может быть достигнуто армированием льда включениями жестких материалов (камней, гравийно-галечных грунтов и т. п.), а также понижением его отрицательной температуры. Конечно, наличие жесткой обоймы (бортов каменной наброски) будет увеличивать сопротивление выдавливанию льда, но не ликвидировать его и, по-видимому, в дальнейшем необходимо будет при проектировании плотин учиты вать величину и нарастание во времени пластично-вязкого течения льда в ледяных ядрах плотин, что потребует соответствующей разработки теории прогноза. В ряде случаев для замороженных плотин из местных материалов, рассчитанных на длительный срок существования, придется отказаться от устройства ледяного ядра ввиду его постоянной деформируемости и малой устойчивости на выдавливание и заменить его устройством обычного водонепрони цаемого глиняного ядра, выполненного методом послойного уплот нения с предусмотренной установкой для искусственного промора
живания грунтов.
Все изложенное позволяет рекомендовать почти во всех случа ях в условиях вечномерзлых грунтов строительство плотин высо той более 10 ж по холодному (мерзлому) варианту — применение принудительного замораживания грунтов (особенно в ядре плоти ны) с помощью ряда скважин: в одних случаях (как это имело место в плотинах на р. Долгой и на р. Ирелях) при побудительной циркуляции естественного холода, в других — применяя холодиль ную технику замораживания грунтов.
§ 4, гл. I или по СНиП П-Б.6—66); 3) рассчитать по данным Wc и количеству незамерзшей воды (по влажности Wv и WT, пользуясь табл. 1 того же СНиПа) льдистость мерзлых грунтов или же опре делить ее непосредственно (ориентировочно) путем замера ледя ных прослойков, что позволит отнести вечномерзлые грунты к силь
нольдистым (при /Об^0,50) или к слабольдистым (при /Об^0,25) |
||
и, наконец, 4) |
установить (по величине коэффициента А), являют |
|
ся ли мерзлые |
грунты просадочными (если Л>0,02) |
или же не- |
просадочными (при А <0,02). |
показателей |
|
Все изложенное, даже при отмеченном минимуме |
||
свойств вечномерзлых грунтов, позволяет (с учетом |
особенностей |
|
возводимых сооружений) уже более обоснованно подойти к выбо |
||
ру принципа строительства на вечномерзлых грунтах в рассматри ваемом районе, уточняя (при составлении проектного задания) принятое решение на основе более подробных данных инженерногеокриологических изысканий и исследований вечномерзлых грун тов непосредственно 'места постройки.
Правильный выбор принципа строительства, обеспечивающего при соответствующих технических мерах надежность и устойчи вость физического состояния оснований во все время строитель ства и эксплуатации сооружений, создает надлежащие условия при строительстве на вечномерзлых грунтах.
Поэтому, во-первых, необходимо установить, какой принцип строительства следует избрать в данных геокриологических (мерз лотных) условиях: принцип I (по СНиП Н-Б.6—66) «использова ния вечномерзлых грунтов в мерзлом состоянии в течение всего периода эксплуатации зданий и сооружений» или принцип II (так же по СНиПу) «использования грунтов в оттаивающем и оттаяв шем состояниях»; и, во-вторых, какой метод проектирования и рас чета оснований и фундаментов должен быть применен, чтобы обес печить прочность и устойчивость сооружений, возводимых по тому или иному принципу.
В настоящее время при проектировании и расчете оснований и фундаментов и строительстве сооружений на вечномерзлых грун тах применяется несколько методов: метод сохранения мерзлого состояния грунтовых оснований; метод конструктивный (учета осадок оттаивания грунтов при расчете фундаментов по пре дельным деформациям оснований) и метод предпостроечного от таивания и упрочнения оснований.
Метод сохранения мерзлого состояния грунтовых оснований целесообразно и просто применять в северной (субарктической) и центральной зонах распространения вечномерзлых грунтов (где они имеют значительную мощность и часто находятся в твердо мерзлом состоянии) и когда возводимые сооружения не выде ляют значительных количеств тепла и не занимают больших пло щадей в плане (как, например, металлургические цехи, обогати тельные фабрики и др.), а также во всех других случаях, когда метод конструктивный (учета осадок оттаивания) будет не при меним.
Так, например, при наличии вечномерзлых грунтов сильнольдистых (г'об>0,50), при оттаивании просадочных (А>0,02) и находящихся в пластично-вязком состоянии (при отрицательной температуре их на уровне подошвы фундаментов — 0тах выше границы интенсивных фазовых переходов воды в лед — 0ф.п), кон структивный метод строительства применять нецелесообразно, а во многих случаях и невозможно. Устройство же фундаментов по методу сохранения мерзлого состояния оснований, полностью ис ключающему оттаивание вечномерзлых грунтов в основании со оружений, позволяет использовать любые мерзлые грунты в каче стве оснований для сооружений и осуществить заанкеривание фун даментов в неоттаивающую толщу мерзлых грунтов, что является почти единственно надежной мерой против выпучивания железобе тонных столбчатых, свайных и т. п. фундаментов.
Как показывает опыт строительства и теория вопроса, наилуч шей системой фундаментов в этом случае будет система фунда ментов с проветриваемым зимой (или круглогодично) подпольем. Метод возведения сооружений на вечномерзлых грунтах с приме нением проветриваемого зимой подполья найден строителя ми случайно после целого ряда неудачных попыток. Так, например, известны некоторые старинные здания (двухэтажный дом архиерея в Якутске и инженерные склады в Чите), имеющие проветривае мые подполья, которые сохранились без значительных деформаций длительное время *. Однако никаких выводов из этого опыта не было сделано и никаких инженерных расчетов и обоснований раз меров подполий и самих фундаментов, возводимых в условиях веч номерзлых грунтов, не существовало до конца 20-х годов н. в., когда автором** в Гипромезе (Государственном институте по про ектированию металлургических заводов), в связи с запросами практики, впервые были разработаны основы расчета фундаментов сооружений, возводимых на вечномерзлых грунтах по методу со хранения мерзлого состояния оснований. Следует отметить, что, например, в работе проф. В. Стаценко (1916 г.) *** из четырех описанных им типов фундаментов, применявшихся в условиях веч номерзлых грунтов, была и конструкция фундаментов со сводча тыми продухами для зимнего проветривания подполья, которая по казала себя более удачной по сравнению с тремя другими, оказав шимися совершенно неудовлетворительными; но и в данном случае
необходимых выводов из этого строительного опыта в то время сделано не было.
Расчетно-теоретическое и конструктивное обоснование принци па использования вечномерзлых грунтов в качестве оснований зда ний и сооружений по методу сохранения их мерзлого состояния было произведено, как отмечалось ранее, в конце 20-х годов в свя
. |
Г И. Лу к и н . «История развития фундаментостроения в Якутии». Сб. |
«Фундаменты сооружений на мерзлых грунтах Якутии». Изд-во «Наука», 1968.
*См. сноску на стр. 96.
***В. С т о ц е н к о . Части зданий. Петроград, 1916.