Термомеханические расчеты систем «Грунтовое сооружение - вечномерзлое основание» с учетом криогенных процессов для прогноза безопасности

ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ СИСТЕМ «ГРУНТОВОЕ СООРУЖЕНИЕ - ВЕЧНОМЕРЗЛОЕ ОСНОВАНИЕ» С УЧЕТОМ КРИОГЕННЫХ ПРОЦЕССОВ ДЛЯ ПРОГНОЗА БЕЗОПАСНОСТИ

Я.А. Кроник

Проблемы строительства и надежной эксплуатации зданий и сооружений на вечно-мерзлых и сезоннопромерзающих, пучинистых грунтах, занимающих более 90% территории России, остаются всегда весьма актуальными, особенно для районов Сибири, Дальнего Востока и Крайнего Севера. Несмотря на столетние исследования этих проблем, большой опыт успешного и неудачного строительства, эксплуатации разного вида зданий и сооружений в северных районах, весьма высокая аварийность отдельных строительных объектов (СО) и целых комплексов (городов, поселков, промышленных зон и узлов) вынуждает ежегодно затрачивать свыше миллиарда долларов только на их после-аварийный ремонт и восстановление после воздействия экстремальных криосферных явлений и опасных криогенных процессов.

Актуальность рассматриваемых проблем в последние годы возрастает, по крайней мере, и даже без учета социально-экономических факторов, по двум важнейшим причинам:

1. За последние 16 лет существенно, даже катастрофически возрастает число аварий зданий и разного рода сооружений с ежегодным непрекращающимся трендом (нарастанием) от 30-40% для транспортных и гидротехнических сооружений, до 120% для про-мышленно-гражданских зданий, северных городов и поселков (по сравнению с 1990 г.) [1, 2 и 9].

2. В последние 20 лет отмечается в некоторых регионах начало естественного (при-родно-цикличного) и, в большей степени, техногенного потепления климата, особенно негативно проявляющегося в криолитозоне и районах сурового климата.

Анализ причин резкого повышения аварийности и снижения надежности зданий и сооружений в области распространения вечномерзлых грунтов, выполненный разными авторами (смотри труды В. П. Мельникова, А. Л. Рагозина, Я. А. Кроника, Риск-2000 и другие) выявил серьезную недооценку опасностей экстремальных криосферных явлений и опасных криогенных процессов (ОКП) при проектировании, а также весьма слабую изученность закономерностей современного теплового и механического (термомеханического) взаимодействия сооружений и вечномерзлых оснований и практически полное отсутствие в современных отечественных и зарубежных строительных и экологических нормативных документах даже приближенных (инженерных) методик расчетов безопасности, надежности и долговечности единой и взаимосвязанной системы «сооружение -вечномерзлое основание - криосфера». Более того, в существующих нормах (СНиП, СП, РСН и т.п.) все элементы этой единой и взаимосвязанной системы рассматриваются (проектируются и рассчитываются) раздельно и безо всякого учета криосферных явлений и геокриологических опасностей, а также без обязательного учета реальной динамики изменений климата [3, 4, 9, 5]. Ввиду всего выше изложенного комплексную проблему разработки эффективных методик расчета устойчивости, надежности и безопасности систем «сооружение - вечномерзлое основание - криосфера» с учетом криосферных явлений и криогенных процессов и ожидаемых изменений климата следует считать весьма актуальной, требующей своего скорейшего решения в самые ближайшие 10-15 лет.

В качестве первых шагов в решении этой сложной и комплексной проблемы автором предлагается решение частной задачи разработки эффективных методов термомеханических расчетов устойчивости и надежности системы «грунтовое сооружение - вечномерз-лое основание» с учетом поэтапности возведения и процессов: промерзания - оттаивания с учетом фазовых переходов, зависящих от уровня напряжений, льдообразования, температурного деформирования и морозобойного растрескивания.

К грунтовым сооружениям относятся все виды насыпей и подсыпок территорий, выполненные из естественных и искусственных (техногенных) грунтов и исполняющие

к.

функции инженерных сооружений и специальных, планомерно организованных (по проекту) отвалов и хранилищ [3, 4]. Примерами грунтовых сооружений являются насыпи автомобильных и железных дорог, аэродромы, плотины и дамбы из грунтовых материалов, шлако- и золоотвалы и другие накопители промышленных отходов, насыпи трубопроводного транспорта, подсыпки селитебных и промышленных территорий, искусственные (насыпные и намывные) основания зданий и сооружений, отвалы вскрышных пород и отходов производства, планомерно возведенные по специальному проекту.

До настоящего времени, к сожалению, отсутствуют теории и методики прогноза прочности, устойчивости и надежности таких сложных геотехнических систем, как предлагаемая к рассмотрению система «грунтовое сооружение - вечномерзлое сооружение - крио-сфера», с учетом опасных криосферных воздействий и криогенных процессов. В соответствии с существующей практикой и нормами проектирования расчеты грунтовых сооружений на вечномерзлых основаниях выполняются с использованием детерминированных подходов и простейших моделей, без учета криогенных процессов и, как правило, раздельно для самих сооружений и, реже, для их оснований, при этом раздельно ведутся также тепловые и механические расчеты [4, 5] без учета их взаимосвязи и взаимовлияния.

Целью настоящей работы является разработка единой комплексной методики совместного теплового и механического - термомеханического расчета грунтовых сооружений совместно с вечномерзлым основанием с учетом основных криогенных процессов и криосферных явлений для прогнозов температурного режима, термонапряженно-деформированного состояния (ТНДС) и устойчивости системы «сооружение - основание -криолитосфера» (на 1 этапе) и методики оценки ее надежности (на II этапе исследований по теме).

Совместное решение теплофизических и механических задач в несвязной и, особенно, в связной постановке с учетом криогенных процессов предлагается выполнять с использованием разработанных автором энтальпийных термомеханических моделей горных пород, промерзающих-оттаивающих грунтов и криогенных процессов [3, 4, 7, 8], объединив их в единый алгоритм термомеханического расчета по единой расчетной схеме, включающий постадийное (поэтапное) определение температурных полей и термонапряженно-деформированного состояния (ТНДС) системы «грунтовое сооружение -вечномерзлое основание». Разработанная методика и алгоритм термомеханического расчета ТНДС, прочности и устойчивости системы «грунтовое сооружение - вечномерзлое основание» учитывает геометрическую изменяемость системы в период ее создания (поэтапность ее возведения в строительном периоде) и предусматривает применение численно-аналитических методов и современных персональных компьютеров для решения двух - и трехмерных задач.

На первой стадии (I этапе) решается задача прогноза температурного режима системы «грунтовое сооружение (ГС) - основание (Ос)» или задача прогноза температурно-фильтрационного режима [8], если в системе «ГС - Ос» имеются фильтрующие элементы (в сооружении или в оттаюивающем-талом основании) [см. 8 с. 441].

На втором этапе по полученным температурным полям с использованием термоупругих моделей (для малых дамб и насыпей, плотин III и IV класса и т.п.) или термореологических и термомеханических моделей (для более ответственных грунтовых сооружений I и II класса и сложных систем «ГС - Ос») [6] рассчитываются необходимые на данном этапе характеристики термонапряженного состояния: нормальные, касательные, главные, температурные и другие необходимые для анализа напряжения и их тензоры.

На третьей стадии по полученным для каждой расчетной точки системы (узла расчетной схемы, конечного элемента в МКЭ и др.) характеристикам напряжений и в зависимости от уровня напряжений уточняются все характеристические температуры соответствующих зон фазовых переходов и различного термомеханического состояния грунтовой среды (по принятой термомеханической модели) [7, 8], после чего производятся итерационные термомеханические перерасчеты температурных полей и всех необходимых характеристик ТНДС: напряжения, перемещения, относительные деформации и их тензоры; коэффициенты запаса прочности на сдвиг и на растяжение.

На следующей 4 стадии термомеханического расчета по уточненным характеристикам ТНДС для каждого расчетного этапа (или на требуемый для анализа момент времени) строятся с использованием компьютерной графики соответствующие поля напряжений, перемещений, деформаций, коэффициентов запаса, по ним выполняется анализ ТНДС и выясняются потенциально опасные по прочности и устойчивости области: пластического течения и разрушения, трещинообразования и запредельных смещений и деформаций, неравновесного состояния и оползания откосов, и другие опасные и запредельные (критические) области в рассматриваемой системе «грунтовое сооружение (ГС) - основание Ос».

Пятая стадия термомеханического расчета включает непосредственно аналитический (по известным закономерностям и уравнениям) или численный инженерный прогноз основных криогенных процессов в грунтовой среде системы «ГС - Ос» с учетом полученных на предыдущей стадии уточненных температурных полей и динамики термонапряженно-деформированного состояния системы. Например, если в исследуемой геотехнической системе «ГС - Ос» имеются элементы, состоящие (или сложенные) из пористых крупнообломочных или каменно-кусковых грунтовых материалов (типа горной массы, валунно-глыбовых отвалов, каменной наброски и т.п.), в которых после возведения насыпи развивается специфический процесс инфильтрационнош и смешанного типа льдообразования с постепенным сплошным заполнением пор льдом, то прогноз сроков и динамики сплошного льдозаполнения выполняется по установленным автором закономерностям и уравнениям, приведенным, например, в работах [3, 8].

Так, для каменно-земляных и каменно-набросных плотин, в низовой призме которых развиваются криогенные процессы различного типа льдообразования, добавляется на этом (пятом) этапе расчет сроков /Л7- и динамики сплошного льдообразования по формулам [КроникЯ.А., 1974, 1979]:

; а)

я 1,09 (И1Г+Ис + Ит) 1,09Ух/7.Д?.

и.=—- ;

п , =п----- ,

Р

где: Ирр - высота зоны мерзлого крупнообломочного грунта (каменном наброски) в низовой призме, где развивается льдообразование, в м;

/?Л7- - высота слоя сплошного льдообразования за период А/,-, м;

А,- И у. Ьс и т1Х - высота слоя воды (м), поступающей в поры крупнообломочного грунта (каменной наброски) за рассматриваемый период времени А/,- (год) за счет инфильтрации {Иф от снежно-дождевых осадков и таяния снега и льда на поверхности призмы и в верхнем деятельном слое с/^,; за счет конденсации (Ис) при конвективном переносе воздуха - пара в низовой призме и смешанного типа или за счет других видов поступающей в поры воды (сток с бортовых примыканий и соседних более высоких отметок основания, приток из нижнего бьефа и др.) - йи„-т; к - число слоев грунта.

п и п^- - пористость и эффективная пористость крупнообломочного грунта (каменной наброски) низовой призмы с начальной влажностью IVп и плотностью скелета рс(. р,- плотность льда.

Многолетний опыт расчетов льдообразования по приведенным формулам (1), (2) и (3) показывает их весьма высокую достоверность и хорошую сопоставимость с многолетними натурными данными по льдообразованию в низовых упорных призмах из каменной наброски каменно-земляных плотин Усть-Хантайской, Вилюйской и Колымской ГЭС в течение более 20 лет [8] (см. рис.1). 131

до ¿(й

JI, годы

Рис. 1. Динамика сплошного льдозаполнения низовой каменно-набросной призмы Вилюйской плотины: 1 - данные натурных наблюдений за постепенным льдозаполнением каменной наброски по замерам нарастания слоя льда к^ в колодцах глубинных марок ГМ-1, 2 и 3 по запатентованной методике ЛИМЭС МИСИ (осредненные значения по трем колодцам глубиной 20 и 21 м); 2 - расчет по формулам (1)-(3) по среднемноголетнему значению годового количества осадков, выполненный в 1973 году; 3- расчет по формулам (1)-(3) по данным ежегодного количества выпавших осадков за 1977-1989 гг.

Рис. 2. Расчетные поля вертикальных смещений и границы сплошного льдозаполнения в теле ка-менно-земляной плотины Колымской ГЭС в строительный период на момент первого наполнения водохранилища для сечения на пикете 5+00: 1-13 (заключены в кружок) - пикетаж контрольных расчетных сечений: 1,5-1,5 - изолинии расчетных осадок, м; 1 - противофильтрационное ядро из суглинков с включениями галечно-гравийных обломков; 2 - низовая призма из несортированной гранитной горной массы (каменной наброски); 3, 4 - секции Л-3 и Л-4 железобетонной подходной левобережной галереи, попадающие в данное сечение плотины на пикете 5+00; 5 - слой подсыпки песчано-гравийного грунта под левобережную галерею; 6 - первый слой низового фильтра из песка; 7 - второй слой фильтра (переходный слой) из песчано-гравийного грунта; 8 - железобетонная цементационная галерея (потерна); 9 - скальное основание из оттаивающих гранитов; 10 - нижний слой первичного гидрогенного (инъекционного) льдообразования со сплошным льдозаполнением; 11 - верхние границы сплошного льдозаполнения в низовой призме. 12 - граница зоны многолетнемерзлых грунтов; 13 - зона внутреннего проседания и просыпания грунтов фильтров в левобережную галерею через трещины во время аварийной фильтрации. НПУ - нормальный подпорный уровень; УВБ - уровень верхнего бьефа, УНБ - уровень нижнего

бьефа; - см. рис. 1.

После прогнозов криогенных процессов в системе «грунтовое сооружение - основание» (ГС - Ос), например, после вышеописанного прогноза льдообразования в пористой каменно-набросной насыпи, на 6 стадии термомеханического расчета уточняются все теплофизические и физико-механические характеристики грунтов, слагающих изучаемую систему и изменивших свои свойства и криогенное строение под воздействием криогенных процессов (например, за счет льдозаполнения в определенных элементах и зонах). Затем с уточненными характеристиками грунтов выполняются итерационные термомеханические перерасчеты температурных полей и термонапряженно-деформированного состояния (ТНДС) системы.

На заключительной 7 стадии предлагаемого термомеханического расчета по полученным окончательно полям характеристик ТНДС с учетом криогенных процессов (в данном случае с учетом температурного деформирования, криогенного трещинообразо-вания и льдообразования) выполняется аналогично четвертой стадии детальный анализ с выделением прогнозируемых потенциально опасных критических областей в системе «грунтовое сооружение - основание»: областей потери местной (локальной) прочности и общей устойчивости склонов, откосов и оснований, областей разрушения и пластического течения грунтов, трещинообразования и разуплотнения, зон запредельных деформаций и критических состояний, например рис.2.

На последующих этапах исследований по теме (и на следующих стадиях термомеханического расчета) будут выполнены анализ состояния и прогнозы надежности системы «грунтовое сооружение - вечномерзлое основание - криосфера» с учетом ожидаемых изменений климата.

Работа выполнена при поддержке Минобразования РФ по федеральной целевой научно-технической программе фундаментальных исследований (шифр грунта ТОО - 12.1 - 1797 в рамках подпрограммы «Архитектура и строительство»).

Литература

1. Риск-2000. Оценка и управление природными рисками. Материалы Общероссийской конференции. РАН, МЧС, РФФИ, Правительство Москвы. М. Издательство «АН-КИЛ». 2000. 480 с.

2. Кроник Я. А. Аварийность и безопасность природно-техногенных систем в крио-литозоне. В кн.: Материалы 2 конференции геокриологов России. Том. 4. Инженерная геокриология. М. Изд. МГУ 2001, с. 138 - 147.

3. Кроник Я. А. Криогенные процессы и явления в грунтовых сооружениях и их основаниях. В кн.: Инженерное мерзлотоведение. Материалы III международной конференции по мерзлотоведению. Новосибирск. «Наука». 1979, с. 204 - 213.

4. Кроник Я. А. Грунтовые сооружения в сложных геолого-климатических условиях. Часть I. Учебное пособие для курсов переаттестации и повышения квалификации. М. МГСУ, 2004. 29 с.

5. Надежность систем энергетики. Терминология. Вып. 95. Ан СССР. «Наука». М. 1980. 14с.

6. СНиП 2.06.05-84*. Плотины из грунтовых материалов. Госстрой СССР М. 1991. 50с.

7. Кроник Я. А. Термомеханические модели мерзлых грунтов и криогенных процессов В. сб.: Реология грунтов и инженерное мерзлотоведение. АН СССР М. «Наука». 1982, с. 200 - 212.

8. Основы геокриологии. Часть 5. Инженерная геокриология. Под. ред. Э.Д. Ершова. Глава 13. Автор - Я. А. Кроник. Изд. МГУ М. 1999. с. 413 - 445.

9. Кроник Я. А. Криосферные и геокриологические опасности в городах. Материалы Международной конференции «Город и геологические опасности». Часть I. ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева, Санкт-Петербург. 2006 г., с. 126-131.