ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЙ И СТАТИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ РАМПОВОГО УЧАСТКА В ТРЁХМЕРНОЙ ПОСТАНОВКЕ

Целью работы является рассмотрение вопросов расчёта и проектирования подводного тоннельного транспортного комплекса, в частности рампового участка. В ходе работы проведён анализ нормативной литературы, содержащей данные о вечномёрзлых грунтах, произведён теплотехнический расчёт, создана конечно-элементная модель рампового участка, выполнены статические расчёты, определены зависимости напряжённо-деформированного состояния (далее НДС) от температурного режима грунтового массива.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Изучение научных и нормативных источников по исследуемой теме;

2. Подбор программных комплексов, отвечающих современным требованиям при проведении расчётов для конструкций, обозначенных в цели исследования;

3. Анализ и формирование исходных данных;

4. Формирование расчётных схем для каждого программного комплекса;

5. Моделирование и расчёт конструкций, с последующими выводами.

Развитие подземного строительства в криолитозоне сдерживается в значительной мере сложностью и высокой стоимостью проходки горных выработок существующими методами и недостаточной изученностью процессов, происходящих в технической системе «мёрзлый грунт – подземное сооружение». Именно поэтому в настоящее время проектирование практически любых сооружений в криолитозоне сопровождается комплексом мероприятий научно-исследовательского характера.

При отрицательных среднегодовых температурах создаются условия для сохранения мерзлого состояния грунтов длительное время (длительномёрзлые или вечномёрзлые грунты). Формирование вечномерзлой толщи горных пород относится к ледниковому и послеледниковому периодам, а возраст их измеряется величиной в пределах десятка тысяч лет и более. В теплый период года поверхностный слой земной коры в районах распространения вечномерзлых грунтов оттаивает на определенную глубину. Этот слой, получивший название деятельного слоя, в нормативной литературе характеризуют как сезоннопротаивающий или сезонноталый слой (далее СТС). Он всегда подстилается вечномерзлыми грунтами: непосредственно (сливающийся деятельный слой) или отделен промежуточным слоем талого грунта (несливающийся деятельный слой).

Сезонное промерзание и сезонное протаивание являются сложными теплофизическими процессами, сопровождаемыми фазовыми переходами, миграцией и фильтрацией влаги в талой и мерзлой зонах слоя, усадкой грунтов, морозным пучением.

Требования нормативных документов [1] устанавливают, что несущие конструкции тоннельных сооружений должны, в том числе, отвечать требованиям надёжности.

В соответствии с нормами проектирования основным условием, определяющим надежность сооружений, является невозможность превышения в его элементах предельных состояний при действии наиболее неблагоприятных сочетаний расчетных нагрузок в течение расчетного срока службы.

Рамповый участок состоит из корытообразной обделки для однопутного движения железнодорожного транспорта. Сооружается из сборно-монолитного железобетона в котловане, который частично находится в вечномерзлых грунтах, а частично в сезоннопромерзающих (оттаивающих). Предварительно назначаем толщину обделки с учётом железобетонной рубашки 0,5 м.

Строительство на этом участке предполагается вестись по первому принципу – с сохранением мёрзлого состояния грунтов. Конструкция рампового участка представлена на рисунках 1, 2.

Рисунок 1. Продольный план открытого рампового участка

Рисунок 2. Корытообразная обделка первого варианта рампового участка

Одна из основных задач при проектировании транспортных сооружений в условиях сезоннопромерзающих грунтов является прогноз изменения НДС в процессе заморозки и оттаивания грунтов.

Проблемы оценки на морозоопасных грунтах с сезонным промерзанием НДС постоянных сооружения до сих пор не решены в полной степени.

Теоретический прогноз негативного влияния изменения температурного режима грунта не может быть выполнен на основе традиционных аналитических решений в механике мёрзлых грунтов. Это и определило необходимость использования численных методов для решения поставленных задач.

Для решения задач была выбрана программа QFrost.

QFrost — программа для моделирования теплофизических процессов в грунтах. Она позволяет решать разнообразные задачи геокриологии, в частности проводить расчёты теплового взаимодействия инженерных сооружений с вечномёрзлыми грунтами.

В геокриологии постоянно встречаются задачи, решение которых затруднено или невозможно при использовании аналитических методов, точных и приближённых. Такие задачи, как правило, могут быть решены численно. Один из возможных способов их численного решения основывается на методе конечных разностей.

При решении задач инженерной геокриологии, связанных с кондуктивным теплообменом с наличием фазовых переходов, давно используется и хорошо себя зарекомендовала двухслойная явная схема с применением метода балансов и с энтальпийной формулировкой задачи. Алгоритм счёта по такому методу впервые был предложен Л. Н. Хрусталёвым и реализован сотрудниками кафедры геокриологии геологического факультета МГУ в пакете программ «Тепло», которая используется уже почти 2 десятка лет. Этот же метод описан в нормативе РСН 67-87.

При промерзании немёрзлых грунтов и при оттаивании мерзлых происходят изменения их механических свойств, обусловленные фазовыми превращениями норовой влаги, которые резко отражаются на сцементированности льдом твёрдых минеральных частиц. Механические свойства сезонномёрзлых грунтов зависят от многих факторов: вида, состава и состояния грунта перед промерзанием; условий промерзания, текстуры грунта в мерзлом состоянии, его температуры, льдистости, содержания незамерзшей воды, времени действия нагрузки, т.е. во многом определяются развитием криогенных процессов при промерзании грунта.

Процессы промерзания, миграции влаги и морозного пучения глинистых грунтов приводят к разрушению существующих структурных связей грунтов в талом состоянии и образованию определенной морозной (криогенной) текстуры. Вследствие зимнего влагонакопления в сезонномёрзлом слое влажность грунта может быть больше его удерживающей способности в талом состоянии. Следствием указанных процессов является существенное снижение прочности оттаивающих грунтов. Одновременно с этим происходит уплотнение таких грунтов. Оттаивающие грунты обладают повышенными фильтрационными свойствами, способствующими постепенному восстановлению «потерянной» первоначальной (до промерзания) прочности и преобразованию посткриогенной структуры грунта, приближающейся к первоначальной (перед промерзанием).

Результат теплотехнического расчёта представлен на рисунке 3.

Рисунок 3. Результат теплотехнического расчета

Как видно, грунт вокруг выработки (см. рисунок 3), в теплый период года начинает оттаивать за счет поступления воздух и в среднем глубина оттаивания составляет около 2 м. В дальнейшем произведем моделирование в ПК Midas GTS и установим какое влияние окажет изменение температурного режима грунта, а как следствие изменение прочностных и деформационных характеристик грунта, на НДС в системе.

Существующие инженерные методы, отраженные в нормах проектирования, часто не позволяют должным образом оценить или спрогнозировать поведение грунтового массива для многих задач современного строительства.

Допущение о рассмотрении грунтового массива в виде сплошной среды дало возможность использования математического аппарата теории упругости и пластичности. С развитием компьютерных вычислительных возможностей начало формироваться относительно новое прикладное направление механики грунтов, сочетающее в себе основы МКЭ, механики сплошных сред и инженерного грунтоведения. Современные научные достижения в этом направлении позволяют решать различные задачи оценки напряженно-деформированного состояния грунтового массива, учитывающие историю нагружения, деформации, температурный режим, реологические свойства в одном комплексе.

Всем этим критериям соответствует программный комплекс Midas GTX. Данная программа позволяет создавать модели, которые при наличии необходи00,2мых и достаточных исходных данных, адекватно отражают физику явлений, и позволяет производить количественный и качественный анализ процессов морозного пучения. Это позволяет сократить объемы расчетов и соответственно время, затраченное на выполнение проекта.

Расчет совместной работы рампы с промерзающим грунтом имеет некоторые сложности, такое положение связано с множеством факторов, влияющих на процессы оттаивания и заморозки.

В результате моделирования процесса оттаивания грунта в программном комплексе Midas GTS NX получены следующие результаты:

• В результате оттаивания, мерзлый грунт, характеристики которого похожи на характеристики скального грунта, в процессе оттаивания меняет их, так как лед, изначально связывающий все частицы в мерзлом грунте, переходит в состояние воды, что резко изменяет структуру грунта, происходит разрушение льдоцементационных связей.
• Характер этого изменения зависит от состава и состояния грунта до промерзания, типа криогенной структуры, сформировавшейся в процессе промерзания; интенсивности процесса оттаивания, величины внешнего воздействия.
• Оттаивание грунтового массива является фактором, вследствие которого возникают повышаются нагрузки на сооружение и возникает возможность формирования призмы обрушения.

Рисунок 5. Деформации грунтового массива до оттаивания грунта

Рисунок 6. Деформации грунтового массива после оттаивания грунта

Заключение

Возведение сооружений в мёрзлых грунтах имеет свою специфику, неучет который приводит к значительным деформациям сооружений, таких как:

- осадки и просадки сооружений в результате оттаивания мёрзлых грунтов;

- выпучивание сооружений при замерзании грунтов;

- деформации за счёт наледных явлений.

Неравномерное оттаивание является одной из основных причин неравномерных осадок сооружений. При взаимодействии промерзающего оттаявшего грунта, подверженному морозному пучению, с сооружением возникают направленные вверх касательные напряжения по боковым граням рампы, а также нормальные напряжения по нижней части рампы, так как она так же расположена в пределах активной зоны.

Список литературы:

1. СП 122.13330.2012. Тоннели железнодорожные и автодорожные. М.: Минрегион России, 2012. 146 с.
2. Цытович Н.А Механика грунтов, 1983.
3. Карлов В.Д. Основания и фундаменты на сезоннопромерзающих пучинистых грунтах. – Санкт-Петербург: 2007. – 362 с.
4. Полянкин Г.Н., Пусков В.И. Расчет совместой работы основания и фундамента в промерзающих грунтах. В кн.: Совершенствование методов проектирования и строительства железных дорог в суровых климатических условиях, М., 1979. С 179-181.
5. РСН 67-87 Инженерные изыскания для строительства, составление прогноза изменений температурного режима вечномерзлых грунтов численными методами. – М.: Госстрой РСФСР, 1987.