Работа с вузами

Выбрать язык:

Разработчик: simmakers.ru
Расчет основания автодороги на многолетнемерзлых грунтах с учетом отепляющего воздействия расположенного поблизости водоема и фильтрации грунтовых вод в программе Frost 3D.Автодорога на ММГ

Автомобильные дороги относятся к наиболее распространенным линейным сооружениям, строительство и эксплуатация которых требует соблюдения строгих требований безопасности. Аварийное состояние дорог напрямую влияет на хозяйственную деятельность предприятий, и в ряде случаев может нести угрозу жизни и здоровью людей. В области распространения многолетнемерзлых грунтов (ММГ) в результате многократных циклов их промерзания и оттаивания автодороги подвергаются высокому риску деформации и разрушения, что требует особого внимания к мерзлотно-геологическим условиям в пределах их строительства.

В данном примере рассматривается моделирование температурного режима грунтов основания автомобильной дороги с учетом отепляющего воздействия расположенного поблизости водоема и фильтрации грунтовых вод.

Прогноз температурного режима грунтов основания автомобильной
дороги в программном комплексе Frost 3D

Постановка задачи

Рассматриваемый в расчете участок представляет собой пересечение двух автомобильных дорог, расположенных в южной части п-ова Ямал, в области распространения ММГ. Автодорога пролегает вдоль озера, гидрологический и температурный режим которого оказывают негативное влияние на ММГ.

Цель проведения расчета: обосновать необходимость применения мероприятий по термостабилизации грунтов (ТСГ) для сохранения верхнего горизонта ММГ в теле дорожной насыпи на основе вариативной проработки.

План участка автодороги, в пределах которого производится теплотехнический расчет

План участка автодороги, проходящей вдоль озера

Инженерно-геологическое строение участка автодороги (разрез А-А)

Инженерно-геологическое строение участка автодороги (разрез А-А)

Инженерно-геологическое строение участка автодороги (разрез Б-Б)

Инженерно-геологическое строение участка автодороги (разрез Б-Б)

1

Инженерно-геологическое строение:

Переслаивание песков, супесей, суглинков и глин. Верхние 3 м – слабозасоленные. Донные отложения озера представлены оторфованными суглинками и перекрывающим их торфом.

2

Геокриологические условия:

ММГ сливающегося типа. Локально распространены участки с высокой льдистостью. Средняя температура ММГ составляет -1,6...-2,0°С. Мощность сезонно-талого слоя (СТС) - 1,3...1,5 м.

3

Гидрологические условия:

Размер озера – 90х40 м, глубина - до 4 м. Питание водоема – дождевое и снеговое, сток отсутствует. В период паводка размер водоема увеличивается до 160х110 м, а глубина - до 6 м. В зимний период побережье озера промерзает с поверхности, в результате чего процессы фильтрации приостанавливаются.

4

Гидрогеологические условия:

В пределах рассматриваемого участка грунтовые воды не вскрыты. В летний период возможно образование надмерзлотных безнапорных вод («верховодки»). Участок относится к сезонно подтапливаемому в естественных условиях. Трасса проектируемых автодорог проходит по участкам с наиболее высокими отметками, что уменьшает возможность появления заболоченных участков вблизи откосов дорожной насыпи.

5

Климат:

Климат субарктический, с продолжительной суровой зимой и холодным летом. Среднегодовая температура воздуха составляет -4,8 °С. Среднегодовая скорость ветра – 4,2 м/с. За зиму с максимальной продолжительностью метелей (общих и низовых) снегоперенос составляет 1500 м3/м, величина максимального объема переносимого снега по преобладающему направлению за зиму - 390 м3/м.

Объект строительства

Пересечение двух автомобильных дорог технической категории III-в, по которым осуществляется эксплуатация объектов нефтегазового комплекса.

Грунт земляного полотна – песок среднезернистый сухомерзлый (песчаный грунт с суммарной влажностью не более 6%).

Дорожное покрытие – из плит ПДН размером 2,0х6,0х0,14 м, уложенных продольно в 3 ряда. В местах, где укладка плит невозможна (примыкания, виражи), обустраиваются монолитные участки из бетона класса В30 W6 F300 толщиной 140 мм.

Руководящая отметка дорожной насыпи составляет 1,75 м. Расчет насыпи на устойчивость производился в соответствии с ВСН 84-89.

Заложение откосов 1:3 с укладкой геотекстиля в основании. Высота насыпи с учетом дорожной одежды – 3,1-3,3 м.

Объект строительства

Модель автодороги на ММГ с термостабилизаторами

Мероприятия по термостабилизации

Проектирование автодороги на ММГ без мероприятий по термостабилизации

Поперечный профиль земляного полотна (вариант 1)

Проектирование автодороги на ММГ с термостабилизаторами

Поперечный профиль земляного полотна (вариант 2)

В соответствии с СП 313.1325800.2017, земляное полотно используется по 1 принципу . Для сохранения требуемого температурного режима грунтов были проработаны 2 варианта устройства насыпи:

  • Вариант 1. Без мероприятий по термостабилизации.
  • Вариант 2. В случае перехода верхнего горизонта ММГ из тела дорожной насыпи в естественные грунты в процессе эксплуатации предусмотреть монтаж слабонаклонных термостабилизаторов, установленных на ближайшей к озеру стороне в нижней части откоса, с шагом 3 метра, в зонах деградации мерзлоты.

В программном комплексе Frost 3D реализована возможность построения расчетной модели «дорога-основание», учитывающей реальное геологическое строение, фильтрационные процессы в грунтах и расположение граничных условий в характерных точках модели.

Моделирование температурного режима грунтов основания

Этап адаптации модели

На этапе адаптации модели выполняется построение трёхмерной задачи, на основе которой в дальнейшем будет проводиться моделирование этапов строительства и эксплуатации.

После построения геологической модели подбирается такая величина плотности и теплопроводности снега для граничных условий в зоне водоема, в зоне сезонного паводка и в незатопляемой части расчетной области, при которой температура грунтов при расчете на длительный период будет соответствовать температуре грунтов, измеренной при проведении инженерно-геологических изысканий.

Моделирование развития талика в пределах озера

Тепловое распределение в 3D модели, характерное для естественных условий (январь)

Моделирование развития талика в пределах озера

Тепловое распределение в 3D модели, характерное для естественных условий (февраль)

Моделирование развития талика в пределах озера

Тепловое распределение в 3D модели, характерное для естественных условий (март)

Моделирование развития талика в пределах озера

Тепловое распределение в 3D модели, характерное для естественных условий (апрель)

Моделирование развития талика в пределах озера

Тепловое распределение в 3D модели, характерное для естественных условий (май)

Моделирование развития талика в пределах озера

Тепловое распределение в 3D модели, характерное для естественных условий (июнь)

Моделирование развития талика в пределах озера

Тепловое распределение в 3D модели, характерное для естественных условий (июль)

Моделирование развития талика в пределах озера

Тепловое распределение в 3D модели, характерное для естественных условий (август)

Моделирование развития талика в пределах озера

Тепловое распределение в 3D модели, характерное для естественных условий (сентябрь)

Моделирование развития талика в пределах озера

Тепловое распределение в 3D модели, характерное для естественных условий (октябрь)

Моделирование развития талика в пределах озера

Тепловое распределение в 3D модели, характерное для естественных условий (ноябрь)

Моделирование развития талика в пределах озера

Тепловое распределение в 3D модели, характерное для естественных условий (декабрь)

Этап проведения строительно-монтажных работ (СМР)

I стадия СМР (01.12.2024 – 01.05.2025):

  • Расчистка снега при сохранении почвенно-растительного слоя.
  • Монтаж слабонаклонных термостабилизаторов
    (для варианта 2).
  • Укладка геотекстиля на почвенно-растительный слой.
  • Отсыпка тела насыпи и берм из песка среднезернистого сухомерзлого до общей высоты 2,5-2,7 м.
Граничные условия в модели автодороги на ММГ на I стадии строительно-монтажных работ

Граничные условия в модели на I стадии СМР

II стадия СМР (01.05.2024 – 01.10.2025):

  • Досыпка насыпи до проектных отметок (в среднем 0,6 м) песком сухомерзлым.
  • Укладка дорожных плит на слой геотекстиля по слою грунтоцемента.
  • Устройство монолитных участков дорожного покрытия.
  • Укрепление обочин щебнем, откосов – посевом многолетних трав.
  • Установка дорожных знаков, сигнальных столбиков.
Граничные условия в модели автодороги на ММГ на II стадии строительно-монтажных работ и в период эксплуатации

Граничные условия в модели на II стадии СМР и в период эксплуатации

Вариант 1. Основные этапы строительства

Вариант 2. Основные этапы строительства

Вариант 1. Прогноз температуры ММГ на этапе строительства автодороги

Вариант 2. Прогноз температуры ММГ на этапе строительства автодороги

I стадия СМР (01.12.2024 – 01.05.2025):

  • Расчистка снега при сохранении почвенно-растительного слоя.
  • Монтаж слабонаклонных термостабилизаторов (для варианта 2).
  • Укладка геотекстиля на почвенно-растительный слой.
  • Отсыпка тела насыпи и берм из песка среднезернистого сухомерзлого до общей высоты 2,5-2,7 м.
Граничные условия в модели на I стадии СМР

Граничные условия в модели на I стадии СМР

II стадия СМР (01.05.2024 – 01.10.2025):

  • Досыпка насыпи до проектных отметок (в среднем 0,6 м) песком сухомерзлым.
  • Укладка дорожных плит на слой геотекстиля по слою грунтоцемента.
  • Устройство монолитных участков дорожного покрытия.
  • Укрепление обочин щебнем, откосов – посевом многолетних трав.
  • Установка дорожных знаков, сигнальных столбиков.
Граничные условия в модели на II стадии СМР и в период эксплуатации

Граничные условия в модели на II стадии СМР и в период эксплуатации

Вариант 1. Основные этапы строительства

Вариант 2. Основные этапы строительства

Вариант 1. Прогноз температуры ММГ на этапе строительства автодороги

Вариант 2. Прогноз температуры ММГ на этапе строительства автодороги

Этап эксплуатации

На этапе эксплуатации проводится расчет температурного поля и поля скоростей фильтрации на 25 лет с учетом тренда глобального потепления климата. На этом этапе учитывается совместное воздействие следующих граничных условий:

Пониженное снегонакопление на поверхности дороги в зимний период. Также для поверхности дороги необходимо рассчитать приведенную температуру, учитывающую воздействие солнечной радиации и испарения с оголенной поверхности.
Повышенное снегонакопление на поверхности откосов, величина которого рассчитывается с учетом снегопереноса. Для поверхности откосов необходимо рассчитать приведенную температуру, учитывающую воздействие солнечной радиации и испарения с поверхности, засеянной посевом многолетних трав.
Повышенное снегонакопление за пределами подошвы откосов насыпи в случаях расположения участка в зоне снегопереноса. Размер этой зоны зависит от величины снегопереноса и от высоты дорожной насыпи.

В прочих местах расчетной области (зона естественных (ненарушенных) условий, зона сезонного паводка, поверхность водоема и т.д.) назначаются граничные условия, характерные для этапа адаптации.

Граничные условия, описывающие воздействие внешних условий на автодорогу

Граничные условия, воздействующие на автомобильную дорогу

Результаты расчета

Моделирование температурного режима грунтов основания автодорог при стадийном проведении СМР было проведено для двух вариантов устройства насыпи:

  • Без мероприятий по ТСГ с учетом фильтрации (вариант 1) через 15 лет эксплуатации наблюдается деградация ММГ в основании дорожной насыпи. Оттаивание происходит неравномерно, на участке автодороги, расположенном вблизи водоема. Отметим, что в случае проведения расчета этого варианта без учёта фильтрации процессов деградации ММГ непосредственно под основанием дороги не происходит.
  • В варианте 2 был предусмотрен монтаж слабонаклонных термостабилизаторов в той части автомобильной дороги, где было выявлено оттаивание ММГ. Результаты моделирования показали, что верхний горизонт ММГ находится в теле дорожной насыпи на протяжении всего периода эксплуатации.

Вариант 1. Прогноз температуры ММГ на этапе эксплуатации автодороги с учетом фильтрации

Сечение в зоне максимального оттаивания ММГ в основании дороги на этапе эксплуатации – вариант без мероприятий по термостабилизации, расчет с учетом фильтрационных процессов

Вариант 1. Прогноз температуры ММГ на этапе эксплуатации автодороги без учета фильтрации. Процесса деградации ММГ непосредственно под основанием дороги не происходит

Сечение в зоне максимального оттаивания ММГ в основании дороги на этапе эксплуатации – вариант без мероприятий по термостабилизации, расчет без учета фильтрационных процессов. Процесса деградации ММГ непосредственно под основанием дороги не происходит

Вариант 2. Прогноз температуры ММГ на этапе эксплуатации автодороги с учетом фильтрации. Процесса деградации ММГ непосредственно под основанием дороги не происходит

Сечение в зоне максимального оттаивания ММГ в основании дороги на этапе эксплуатации – вариант с термостабилизаторами, расчет с учетом фильтрационных процессов. Процесса деградации ММГ непосредственно под основанием дороги не происходит

Выводы

Неравномерная осадка основания автодороги на ММГ без мероприятий по термостабилизации. Расчет, учитывающий фильтрационные процессы

Прогноз осадки основания дороги с учетом фильтрации (вариант 1 – без мероприятий по термостабилизации)

Осадка основания автодороги на ММГ с СОУ. Расчет, учитывающий фильтрационные процессы

Прогноз осадки основания дороги с учетом фильтрации (вариант 2 – с термостабилизаторами)

  • Для рассматриваемого участка оптимальным решением является устройство дорожной насыпи высотой 3,1-3,3 м с установкой слабонаклонных термостабилизаторов (вариант 2). Только в этом случае верхний горизонт ММГ располагается в теле насыпи в течение всего периода эксплуатации и выполняется условие 1 принципа СП 313.1325800.2017. Следует отметить, что для автодорог подобные мероприятия применяются достаточно редко.
  • Для сооружений, расположенных на ММГ, с длительным сроком эксплуатации , обязательно проведение прогнозных расчетов температурного режима грунтов численными методами, т.к. расчеты аналитическими методами не способны корректно учесть сочетание неблагоприятных факторов , усиливающих свое воздействие на ММГ в течение периода эксплуатации.
  • Моделирование температурного режима участка автодороги по варианту 1 с учетом фильтрации показало превышение глубины оттаивания на 1 м. При наличии процессов фильтрации расчет необходимо производить в программном комплексе, способном учитывать этот фактор.

В составе программного комплекса Frost 3D поставляется модуль Frost.Осадка, с помощью которого можно производить расчет составляющей осадки основания, обусловленной действием собственного веса оттаивающего грунта. На основе этих данных пользователь может рассчитать относительную осадку грунта основания после его оттаивания, что позволит провести точный расчет насыпи на устойчивость, а также провести расчет строительной осадки основания и дорожной конструкции.