Методика расчета при строительстве набережных, причалов на вечной мерзлоте

Строительство набережных в климатических районах с вечной мерзлотой сопряжено с необходимостью решения ряда проблем, обусловленных оттаиванием и промерзанием грунтов в период и после строительства. Вечномерзлые грунты часто обладают большой льдистостью, в том числе за счет видимых включений и линз. При смене фазового состояния воды, содержащейся в грунте, происходит изменение прочностных характеристик грунтов и их деформация. Связные грунты (глины, суглинки и др.) в ряде случаев полностью теряют свою несущую способность после оттаивания. Промерзание таких грунтов приводит к их пучению и оказывает влияние на напряженное состояние сооружения.

Поэтому одним из вопросов, решаемых при проектировании в районах вечной мерзлоты, является определение термического состояния грунтов в обратной засыпке и в основании набережной.

Решение нестационарных задач об изменении температурных полей при переменных граничных условиях представляет собой определенную трудность. Задача эта многократно усложняется наличием в массиве влажного грунта, а также наличием внутри массива подвижной границы, разделяющей талую зону от мерзлой зоны, где задается условие изменения фаз (задача Стефана).

Теплотехнические расчеты набережных очень трудоемки, выполняются специально подготовленными специалистами и занимают много времени.

Проектировщиков, как правило, такое положение не устраивает. Они должны уже на начальной стадии проектирования определиться с местоположением и выбором наиболее рациональной и надежной конструкции, а также со способом её строительства. Для этого достаточно знать два крайних состояния температурных полей в грунте. Первое состояние – на период строительства сооружения и первый год его эксплуатации. Второе состояние – на момент времени, исчисляемый сроком службы сооружения. Если первое состояние известно и задается исходными данными для проектирования, то второе состояние должно прогнозироваться, т.е. определяться расчетом. Так как срок службы сооружения составляет несколько десятков лет, то в большом временном диапазоне квазиустановившееся температурное состояние грунта может рассматриваться как сумма стационарного состояния, полученного для средних многолетних температур на поверхности рассматриваемой области, и нестационарного состояния, обусловленного периодически ежегодно повторяющимся сезонным изменением температур по отношению к средним многолетним температурам.

Анализ теплотехнических расчетов набережных показывает, что сезонное изменение температур на внешних границах исследуемой области практически не оказывает какого-либо влияния на положение границы мерзлого грунта в основании сооружения и, следовательно, его можно не учитывать.

При назначении граничных условий следует исходить из положения, что температура грунта на равнинной местности обуславливается среднегодовой температурой воздуха в данной местности, условиями теплообмена на поверхности и геотермическим потоком из недр Земли (т.е. генезисом вечной мерзлоты пренебрегаем, считая, что мерзлота образовалась под воздействием указанных выше факторов).

Условия теплообмена на поверхности принимаются с учетом техногенных нарушений покрова, т.е. вызванных деятельностью человека, так как после постройки сооружения естественные условия теплообмена на поверхности могут изменяться. Квазиустановившийся температурный режим грунта, наблюдаемый в натуре, с достаточной для практических целей степенью точности, может характеризоваться среднегодовой температурой грунта, равной температуре того же грунта на глубине 10 м. При расчете границы мерзлого грунта в основании сооружения эту температуру, замеренную в скважинах или, для предварительных расчетов, определенную по справочным данным, следует принимать в качестве граничных условий, приложенных к границам исследуемой области соприкасающихся с воздухом.

Математическая модель для определения границы мерзлого грунта в основании сооружения строится методом наложения на этот стационарный температурный фон дополнительных граничных условий, обусловленных созданием водной акватории перед набережной.

Для решения этой задачи и разработана относительно простая методика расчета термического состояния грунтов.