1. Методы моделирования
А) Понятийные модели (1 класс моделей) являются первыми в сложном процессе моделирования природных явлений. Понятийная модель геокриологического процесса представляет собой обычно сжатую характеристику его основных наиболее типичных черт и включает в себя объяснение механизма этого процесса.
Б) Лабораторное моделирование. Определяются зависимости свойств пород от каких-либо факторов. Результаты, полученные на небольших образцах переносятся на весь массив пород прогнозирования (следовательно минус метода – существование массивного эффекта + не получается моделировать процессы).
В) Натурное моделирование (использование природных аналогов). Моделирование в естественных условиях. К данному методу относиться метода опытных стационарных площадок. При натурном моделировании используются методы инженерно-геологических аналогий, физико-географического сравнения, сравнительно-геологический, ключевых участков и т.д. Применение метода аналогий (сравнения) базируется на ряде исходных положений: 1) принципиальная правомерность аналогии; 2) правила перехода от оригинала к модели (выбор модели); 3) правила перехода от модели к оригиналу (реализация метода). Минусы метода: 1. Нельзя не задумываясь переносить данные полученных результатов на другую площадку, т.к. не весь коплекс условий может соответствовать площадке моделирования; 2 . Время наблюдений. 3. Дорогой.
Г) Аналоговые модели. Изучение развития процесса, используя аналоги (например – гидроинтегратор, электроинтегратор). В настоящее время практически не используются.
Д) Математические модели. Наиболее широко использующийся метод. Обеспечивает прогнозную количественную оценку важнейших характеристик сезонно- и многолетнемерзлых пород (температуры, мощности, льдистости и др.), а также самой вероятности существования мерзлых толщ и развития тех или иных криогенных процессов. Благодаря успехам, достигнутым в разработке теплофизических основ геокриологии, и применению современной вычислительной техники значительно расширился круг процессов тепло- и массообмена в промерзающих (и протаивающих) породах, доступных количественному анализу, что значительно укрепило расчетную базу геокриологического прогноза.
Минусы метода: 1. Параметры для моделирования получаются какими-то методами, следовательно возникают ошибки статистической неоднородности грунтов; 2. Неточное определение всех параметров, которые воздействуют на определяемый фактор.
Составляется генетическая классификация – описание закономерностей развития процесса на основе анализа факторов, определяющих этот процесс.
Методы экстраполяций (во времени и в пространстве) – метод использует принцип актуализма.
Метод экспертных оценок – основан на опыте, интуиции, профессиональной подготовки специалистов.
Выбор методов всегда зависит от конкретных поставленных задач.
18. Способы управления температурным режимом, процессами промерзания и оттаивания пород. Принципы строительства на многолетнемерзлых породах.
Весь существующий комплекс приемов разделяется на три группы.
Первая группа приемов позволяет направленно изменять мерзлотный процесс благодаря изменению параметров внешнего теплообмена. Она включает две системы приемов, одна из которых регулирует соотношение составляющих радиационного баланса, другая — теплового баланса. Каждая система состоит из трех отделов, которые направленно изменяют элементы внешнего теплообмена: суммарную и отраженную коротковолновую радиацию, эффективное излучение земной поверхности, турбулентный теплообмен с приземным воздухом, теплоту фазовых превращении влаги (испарение—конденсация), теплообмен поверхности с нижележащими породами. Основными мероприятиями, изменяющими внешний теплообмен, являются: устройство навесов, покрытие поверхности различного рода теплопрозрачными пленками, искусственное окрашивание поверхности, удаление и насаждение растительного покрова, кустарников, деревьев, изменение условий снегонакопления и др.
Вторая группа объединяет мероприятия, направленные на регулирование процессов тепло- и массообмена в грунте посредством изменения состава и свойств пород. Она подразделяется на две системы приемов, изменяющих: первая — состав, свойства и тепловое состояние; вторая — свойства и тепловое состояние мелиорируемых пород. В первой выделяются два отдела, один из которых включает мероприятия, позволяющие направленно менять состав органоминеральной части пород, другой — направлен на изменение их влажностного режима. Мероприятия второй системы позволяют регулировать тепло-и массообмен в грунтах посредством изменения свойств и теплового состояния пород без существенного преобразования их вещественного состава.
Приемы третьей группы применяются для изменения температурного режима и теплового состояния мелиорируемых пород с использованием дополнительных источников и стоков тепла. Она подразделяется на две системы, использующие естественные и искусственные источники и стоки тепла. Первая включает в себя два отдела, выделение которых предопределяется видом теплоносителя (вода, воздух), используемого для интенсификации процесса массообмена. Вторая состоит из трех отделов, каждый из которых использует в качестве искусственных источников и стоков тепла либо электрическую энергию, либо термохимические смеси, либо пар, огонь, тепловые штампы.
Принципы строительства.
Принцип I — многолетнемерзлые грунты основания используются в мерзлом состоянии, сохраняемом в процессе строительства и в течение всего заданного периода эксплуатации сооружения; подошва фундамента опирается на многолетнемерзлые грунты. Способы обеспечения устойчивости сооружений могут создаваться путем: 1) сохранения мерзлого состояния фунтов основания (или понижения температуры многолетнемерзлых грунтов); 2) ограничения оттаивания многолетнемерзлых грунтов основания; 3) предварительного промораживания грунтов основания; 4) промораживания грунтов основания в процессе строительства и эксплуатации сооружений.
Принцип II — многолетнемерзлые грунты основания используются в оттаявшем состоянии (с допущением оттаивания их в процессе эксплуатации сооружений или с их оттаиванием на расчетную глубину до начала строительства); подошва фундамента расположена выше кровли многолетнемерзлых пород. Сюда относятся способы обеспечения устойчивости сооружений путем: 1) приспособления надфундаментной конструкции к неравномерным осадкам основания при оттаивании многолетнемерзлых пород в процессе эксплуатации (конструктивный метод); 2) предварительного оттаивания многолетнемерзлых грунтов под всем зданием: 3) предварительного локального оттаивания многолетнемерзлых грунтов (оттаивание производится только в местах передачи нагрузки на основание от зданий); 4) стабилизации начального положения верхней границы многолетнемерзлых грунтов.
Выбор принципа строительства на многолетнемерзлых грунтах и способа его обеспечения основывается, с одной стороны, на всестороннем изучении геокриологических условий территории с учетом их возможных изменений при строительстве и эксплуатации сооружений, с другой — на учете конструктивных особенностей сооружений (размеров фундаментов, используемых строительных материалов, сроков службы сооружений), режимов эксплуатации (с тепловыделением или без него с применением мокрого или сухого процесса и т.д.). Реализация I принципа строительства в криолитозоне достигается специально разработанными способами.
Способ обеспечения устойчивости сооружения путем сохранения мерзлого состояния грунтов основания (или его ужесточения). Применение способа основано на полном удалении тепла, выделяемого зданием или сооружением, т.е. на сохранении существующего температурного режима многолетнемерзлых грунтов основания или их охлаждении до более низкой температуры, чем естественная. Самой распространенной конструкцией, обеспечивающей теплоотвод от зданий, является вентилируемое подполье, получившее широкое применение на практике благодаря простоте конструкции и надежности эксплуатацииПри этом обычно применяются подполья нескольких конструкций (рис. 2.1.1, а, б, в): 1) сквозные, т.е. открытые со всех сторон пространства под зданием или сооружением, свободно вентилируемые воздухом круглогодично (зимой и летом); 2) закрытые с продухами, устраиваемые с помощью перекрытия подпольного пространства цоколем и созданием в нем вентиляционных отверстий, по которым циркулирует воздух, необходимый для сохранения или ужесточения мерзлого состояния основания; 3) с холодным цоколем без продухов, устраиваемые, как правило, в районах с сильными ветрами, так как зимой продухи забиваются снегом.
Способ обеспечения устойчивости сооружений ограничением оттаивания многолетнемерзлых грунтов основания. Согласно этому способу допускается оттаивание многолетнемерзлых пород на некоторую глубину, определяемую теплотехническим расчетом. Фундаменты заглубляют в многолетнемерзлые
Рис. 2.1.1. Конструкция сооружений при I принципе использования грунтов в качестве основания:
а—в — подполья (а — проветриваемые сквозные, б — проветриваемые закрытые с продухами, в—с холодным первым этажом); г—е — конструкции сооружений (г — на подсыпках с охлаждающими трубами в основании, д — с ограничением оттаивания многолетнемерзлых грунтов, е — с предварительным промораживанием грунтов); 1— 3— границы многолетнемерзлых грунтов (1 — в естественных условиях, 2 — в условиях, сформировавшихся в процессе эксплуатации сооружений, 3 — после предварительного промораживания)
грунты ниже стационарной чаши оттаивания (см. рис. 2.1.1, д). Этот способ применяется крайне редко, в основном для временных сооружений. Ему присущи два существенных недостатка, обусловленных оттаиванием многолетнемерзлых грунтов в процессе эксплуатации здания. Во-первых, по мере опускания верхней границы мерзлых грунтов на боковую поверхность фундамента действуют силы негативного трения (оттаявший грунт зависает на фундаменте), увеличивая общую нагрузку на фундамент; с ростом оттаивания силы негативного трения увеличиваются. Во-вторых, по мере оттаивания грунта основания происходит уменьшение объема его мерзлой части (за счет растепления). Таким образом, при этом способе в процессе эксплуатации здания происходит увеличение нагрузки на основание с одновременным уменьшением его несущей способности. Преимущество способа — отсутствие в здании охлаждающей системы.
Способ обеспечения устойчивости сооружений путем предварительного промораживания грунтов основания. В области островного распространения многолетнемерзлых пород не всегда удается полностью разместить сооружение только на мерзлых участках. В этом случае под подошвой фундаментов, которые попадают на талые грунты, предварительно промораживают слой талого грунта (см. рис. 2.1.1, е) и далее поддерживают его в мерзлом состоянии с помощью охлаждающей системы. Предварительное охлаждение проводят в зимнее время естественной вентиляцией наружным воздухом очищенной от снега поверхности дна котлована/под столбчатые фундаменты и искусственной вентиляцией скважин под свайные фундаменты. Промораживание, как правило, производят установками искусственного холода, что обходится очень дорого, и такой метод не получил широкого распространения.
Способ обеспечения устойчивости сооружений путем промораживания грунтов основания в процессе строительства и эксплуатации. При этом способе подошву фундаментов закладывают в слое талого грунта, подстилаемого многолетнемерзлым. После возведения фундаментов рядом с каждым из них устанавливают охлаждающие установки, которые заглубляют на 0,5 - 1,0 м в многолетнемерзлый грунт и приступают к монтажу вентилируемого подполья и надфундаментных конструкций. Промораживание грунта вокруг охлаждающих установок приводит к увеличению его объема, возникновению больших горизонтальных давлений в талом грунте, расположенном между охлаждающими установками Силы давления защемляют фундамент, мешая ему перемещаться вверх под действием сил пучения. Со временем происходит полное промерзание грунтов основания с сохранением устойчивости фундамента. Для промораживания используется только естественный холод, поэтому стоимость промораживания значительно уменьшается. Кроме того, на несколько месяцев сокращаются сроки строительства за счет совмещения операций по промораживанию и монтажу надфундаментной конструкции. Наконец, уменьшается потребность в замораживающих колонках, поскольку их располагают не по всей площади зданий, а только возле фундаментов
II принцип использования многолетнемерзлых грунтов в качестве оснований, как было отмечено выше, включает в себя также несколько способов обеспечения устойчивости сооружений.
Способ обеспечения устойчивости сооружений путем приспособления надфундаментной конструкции к неравномерным осадкам основания при допущении оттаивания многолетнемерзлых пород в процессе эксплуатации (конструктивный метод проектирования и строительства). При строительстве этим способом за счет тепловыделения от зданий и сооружений в их основании формируется чаша (ореол) оттаивания (рис. 2.1.2, а), происходит осадка грунта, как правило, неодинаковая из-за литологической неоднородности грунтов основания, неравномерности тепловыделения здания и распределения в нем нагрузок, разной глубиной оттаивания под центром и краями здания. Проектирование фундаментов по этому способу применяют лишь при полном учете последствий оттаивания, при соблюдении мероприятий по обеспечению приспособления конструкций фундамента и сооружения к тем деформациям, которые будут развиваться в ходе оттаивания. Поэтому при строительстве на оттаивающих грунтах необходимо обеспечить как можно более медленное и равномерное по площади оттаивание грунта, способствующее равномерности осадок. Если же будет допущено быстрое развитие осадок, то конструкция здания может не успеть приспособиться к ним, в результате чего возникают недопустимые деформации сооружений, приводящие к аварийным ситуациям.
Рис. 2.1.2. Конструкции фундаментов при II принципе использования грунтов в качестве основания:
а—с допущением оттаивания многолетнемерзлых грунтов в процессе эксплуатации, б—с предварительным оттаиванием многолетнемерзлых грунтов, в—по метолу стабилизации положения верхней границы многолетнемерзлых грунтов, 1—4— границы (1 — многолетнемерзлых грунтов в естественных условиях, 2 — после предварительного оттаивания, 3 — сформировавшихся в процессе эксплуатации, 4 — сезоннопромерзающего слоя)
На оттаивающих грунтах применяют в основном две конструкции фундаментов — жесткую и гибкую. Первая из-за своей жесткости мало чувствительна к неравномерным осадкам. Для обеспечения жесткости конструкций сооружений используются сплошные плитные фундаменты, система жестких железобетонных ленточных фундаментов, коробчатые фундаменты, способные воспринимать значительные неравномерные осадки оттаивания основания. Усиления жесткости схемы конструкций добиваются также устройством так называемых поясов жесткости, когда производится обвязка стен зданий, несущих конструкций, свайных фундаментов железобетонными или железными поясами. Нередко также большие в плане здания и их фундаменты разбивают (осадочными швами) на отдельные жесткие отсеки, каждый из которых отдельно армируют поясами жесткости, т.е. в этом случае здание построено по жесткой схеме для отдельных блоков, которые могут перемещаться независимо друг от друга. Гибкая схема обеспечивает приспособление конструкций к неравномерным осадкам. Работает она на принципе возможности выравнивания деформирующихся элементов сооружения. Для этого используют шарнирные соединения элементов и частей зданий. Принцип шарнирных соединений исключает возникновение напряжений в местах перекосов, и здания практически следуют осадке. Применение гибкой схемы сооружений дает возможность «лечения» зданий: в таком случае заранее предусматривается установка в подполье домкратов, с помощью которых поднимают покосившиеся конструкции.
Наблюдения за состоянием зданий и сооружений, построенных по способу приспособления к неравномерным осадкам, показывают, что многие из них деформируются в процессе эксплуатации. Очевидно, рассмотренный способ фундаментостроения пригоден лишь для застройки участков с непросадочными или малопросадочными (просадочность менее 0,03) при оттаивании многолетнемерзлыми грунтами. При этом в последнем случае необходимо производить сложный расчет увеличения прочности конструкции, исходя из возможной неравномерности осадок основания.
Способ обеспечения устойчивости сооружений путем предварительного оттаивания многолетнемерзлых грунтов (рис. 2.1.2, б). Он заключается в том, что перед устройством фундамента проводят оттаивание мерзлых пород на такую глубину, при которой дальнейшее оттаивание грунта под действием тепла от здания за весь период его эксплуатации не вызовет осадки конструкции выше нормативной. После оттаивания в течение двух-шести месяцев грунту дают возможность уплотниться под собственным весом, а затем на нем возводят фундамент; в качестве последнего обычно применяют перекрестные ленты или плиты. Вынужденный перерыв в производстве работ для уплотнения грунта вызывает большие осложнения в технологическом процессе. Для сокращения перерыва применяют вертикальный дренаж и злектроосмос. При площадном оттаивании размер подготавливаемого массива в плане (длина и ширина) принимают больше размеров здания на величину глубины оттаивания.
Как показывают расчеты, глубина предварительного оттаивания зависит от многих параметров, главными из которых являются просадочность мерзлых пород при оттаивании и величина их отрицательной температуры. В Южной геокриологической зоне, где температура мерзлого грунта близка к нулю, глубина предварительного оттаивания максимальна.
В отличие от I принципа система «здание—основание», возводимая по II принципу, более инерционна и обладает свойством накопления повреждений. Это означает, во-первых, что последствия нарушений теплового режима грунтов будут замечены не сразу, а по прошествии определенного времени, когда произойдет существенное растепление основания, и, во-вторых, при ликвидации источника нарушения система не восстановит свое первоначальное состояние.
Способ обеспечения устойчивости сооружений путем стабилизации начального положения верхней границы многолетнемерзлых пород (Рис. 2.1.2, в). Способ предусматривает заложение фундаментов (как правило, свайных) в талом слое, подстилаемом многолетнемерзлыми породами, и устройство под зданием вентилируемого подполья со средней многолетней температурой воздуха около 00С. При таком температурном режиме глубина сезонного промерзания пород в подполье становится равной глубине сезонного оттаивания, в связи с чем выше подошвы фундамента в течение всего года существует фазовая граница, на которой стабильно поддерживается температура замерзания. Вторая граница находится на кровле многолетнемерзлых пород. Между двумя фазовыми границами располагается слой талой породы — «буферный слой», в котором температурные градиенты, а следовательно, и теплопотоки через него, равны нулю. «Буферный слой» является той теплонепроницаемой завесой, которая обеспечивает стабилизацию начального положения верхней границы мерзлых пород. В действительности возможны отклонения средней многолетней температуры воздуха в подполье в область как положительных, так и отрицательных значений. В первом случае произойдут оттаивание мерзлых пород и осадка фундаментов, а во втором — начнется многолетнее промерзание грунтов и появится опасность выпучивания фундамента.
Способ обеспечения устойчивости путем локального предварительного оттаивания многолетнемерзлых пород разработан. Он заключается в том, что предварительное оттаивание проводят только в местах расположения фундаментов. Затем после уплотнения оттаянного грунта под собственным весом на нем возводят фундамент (рис. 2.1.3) из столбов и свай. Преимуществом способа является то обстоятельство, что оттаивание мерзлых пород непосредственно под подошвой фундамента начинается не сразу после ввода здания в эксплуатацию, а по прошествии определенного времени, в течение которого глубина общего оттаивания мерзлых пород под зданием достигает подошвы слоя локального оттаивания. При большой мощности слоя это время может быть равно периоду эксплуатации, что, казалось бы, позволяет применить такой способ на участках с высокопросадочными при оттаивании многолетнемерзлыми породами. Однако это невозможно сделать, поскольку просадочные грунты при оттаивании резко теряют прочность и не могут воспринять боковое давление находящейся под фундаментом породы. В результате происходят просадки фундамента за счет выдавливания предварительно оттаянного грунта в сторону. Поэтому локальное оттаивание может быть рекомендовано только на прочных слабольдистых грунтах.
Рис. 2.1.3. Схема возведения здания с локальным предварительным оттаиванием многолетнемерзлых пород: 1 — предварительно оттаянный грунт; 2— многолетнемерзлые породы; 3— свайный фундамент; 4 — здание