Вертикальная планировка – это искусственное изменение рельефа участка и один из основных этапов строительства, определяющий температурно-влажностный режим многолетнемерзлых грунтов (ММГ) в основании сооружений. Поскольку устройство насыпей, подсыпок, выемок или срезки грунта применимо для большинства объектов, при проектировании необходимо учитывать все факторы, влияющие на механическую безопасность зданий и сооружений. В статье показаны особенности моделирования работ по вертикальной планировке строительных площадок в программном комплексе Frost 3D:
- основные виды вертикальной планировки;
- инструменты Frost.Термо для моделирования вертикальной планировки;
- материалы для отсыпки насыпи, подбор высоты насыпи;
- влияния материала насыпи на глубину сезонно-талого слоя (СТС);
- моделирование вертикальной планировки при строительстве по I и II принципам;
- влияние теплоизоляции на температурный режим грунтов;
- особенности теплотехнического моделирования насыпей;
- влияние различных видов покрытия на температурный режим ММГ;
- учет изменения климата при теплотехническом моделировании насыпей;
- рекомендации по моделированию вертикальной планировки на ММГ.
|
Основные виды вертикальной планировки
Отсыпка насыпи, I принцип использования ММГ в качестве оснований
- насыпи — наиболее распространенный вариант вертикальной планировки, применяется при I и II принципе использования ММГ в качестве оснований согласно СП 25.13330.2020;
- срезка грунта – применяется преимущественно для площадок, используемых по II принципу. Для площадок, где грунты используются по I принципу, проведение работ по срезке допускаются при мероприятиях по защите вскрытых льдистых грунтов от протаивания, размыва и оползания склонов.
При проектировании мероприятий по вертикальной планировке необходимо стремиться к уменьшению объемов земляных работ, зависящих как от компоновочного решения генерального плана, так и от высоты насыпи или срезки, величину которых возможно обосновать с помощью программного комплекса Frost 3D.
Графические инструменты Frost.Термо для моделирования вертикальной планировки
01Инструменты для построения и задания формы объекта (насыпи, выемки)
«Построить элемент геометрии» (в режиме построения геометрии объектов)
Базовый инструмент для создания контура объекта (например, основания насыпи или границы котлована) в Редакторе 2D. Позволяет строить прямоугольные или произвольные полигональные контуры. Рекомендуется использовать для насыпей на локальном участке расчетной области.
Инструмент «Экструзия» (выдавливание)
Превращает плоский 2D-контур в объемное 3D-тело. В свойствах объекта (вкладка «Экструзия») задается высота насыпи или глубина выемки, а также крутизна откосов.
- Инструменты для создания сложной геометрии насыпи
Позволяют создавать составные объекты, например, отдельно моделировать подошву, основное тело и верх насыпи, что необходимо для задания разных свойств и граничных условий для каждой части.
Учет насыпи или срезки в составе геологической скважины
В случаях, когда насыпь расположена на всей поверхности расчетной области, допускается учитывать насыпной слой в составе геологической скважины. В случаях срезки на всей поверхности расчетной области возможно удалить часть геологических слоев или уменьшить толщину геологического слоя на необходимую величину.
02Инструменты для детализации и задания свойств частей объекта
Разделение объекта на грани
Автоматически делит выдавленные объекты на отдельные грани. Это позволяет, например, независимо задавать граничные условия для северного и южного откосов или для подошвы откосов и верха насыпи.
Назначение материалов
В свойствах объекта (вкладка «Положение и принадлежность») каждому элементу (насыпь, теплоизоляция) присваивается соответствующий материал из базы данных. Это определяет его теплофизические свойства для расчета.
- Инструменты для моделирования теплоизоляции
Позволяют строить слои теплоизоляции как отдельные объекты, которые размещаются в теле или под подошвой насыпи. Для их построения можно использовать инструмент выдавливания по траектории.
03Инструменты для позиционирования и
массового создания элементов
Импорт модели рельефа
Автоматическое построение рельефа по облаку точек или изолиниям, что критически важно для точной «посадки» насыпи на местность.
Инструменты клонирования
Позволяют быстро создавать массивы термостабилизаторов или охлаждающих труб вдоль протяженных объектов (насыпей, дорог).
- Инструменты построения наклонных СОУ
Возможность создавать наклонные термостабилизаторы (задавая угол наклона и точку загиба), которые часто используются для стабилизации грунтов под насыпями.
Импорт чертежа (декорации)
Возможность загрузить чертеж в качестве фона в Редакторе 2D для построения модели с высокой геометрической точностью по проекту.
04Инструменты для
подготовки расчета и анализа
Автоматическая расстановка маркеров (расчетной сетки)
Специализированные типы расстановки для строительных объектов с экструзией, включая «Расстановку по откосам», которая позволяет сгустить сетку именно на откосах насыпи для повышения точности тепловых расчетов.
Задание граничных условий (ГУ)
Возможность назначать различные условия теплообмена на поверхности объекта, в том числе с учетом солнечной радиации и снегопереноса, для разных участков (например, откосов и горизонтальной поверхности).
Материалы, применяемые при возведении насыпей
непучинистые ;
неразмокаемые ;
морозостойкие ;
водопроницаемые ;
способные воспринимать проектные нагрузки .
Подобным требованиям соответствуют крупнообломочные и песчаные грунты , а также отходы промышленного производства .
Высота насыпи
|
|
Вертикальная планировка при строительстве по принципу I
Сезон и методика подготовки
При строительстве по принципу I в ходе вертикальной планировки производится преимущественно отсыпка насыпи. Работы по отсыпке выполняются в зимний период на промерзшую не менее чем на 0,2 м очищенную от снега поверхность, с сохраненным почвенно-растительным слоем.
Период отсыпки насыпи указывается в проекте организации строительства. Наиболее неблагоприятное время отсыпки насыпи в части влияния на температуру ММГ оснований – в начале зимнего периода, когда грунты СТС не успели полностью замерзнуть. Также неблагоприятно на температуру ММГ влияет отсыпка талым или охлажденным грунтом.
Влияние периода отсыпки песчаной насыпи высотой 4 м (15 сентября талым грунтом (недопустимо), 15 ноября, 15 января, 15 марта) на температуру ММГ на период 10 лет для условий п. Тазовский
Параметры насыпи
Высота насыпи должна быть не менее 1,5 м, а на участках с сильнольдистыми грунтами (ii > 0,4) и подземным льдом – не менее расчетной глубины ее сезонного оттаивания. На пониженных заболоченных участках должен предусматриваться подъем планировочной отметки на 2 м выше уровня подземных вод.
Оценка влияния теплоизоляции на температурный режим грунтов
В зависимости от льдистости грунта в конструкцию насыпи могут добавляться слои теплоизоляции и системы термостабилизации грунта:
- на льдистых основаниях (0,2 < ii ≤ 0,4) укладывается слой теплоизоляции на откосах и бермах;
- на сильнольдистых основаниях (ii ≥ 0,4) и основаниях, имеющих подземные льды на глубине менее двойной мощности СТС укладывается под насыпью слой теплоизоляции или система горизонтальных охлаждающих труб.
|
Площадные объекты могут потребовать очень большого объема теплоизоляции. Ввиду высокой стоимости укладки теплоизоляции и, особенно, установки системы горизонтальных охлаждающих труб, подобные мероприятия выполняются очень редко. Экономически эффективнее увеличить высоту насыпи из местных строительных материалов или, если этого недостаточно, изменить компоновку генерального плана, исключив участки с льдистым и сильнольдистым грунтом, либо применять теплоизоляцию локально.
В случае применения теплоизоляции в теле насыпи наиболее эффективно заглублять ее на величину до 1,0 м от планировочной поверхности. С увеличением глубины заложения теплоизоляции ее эффективность уменьшается, а в случаях заглубления более 2 м – полностью пропадает.
Вертикальная планировка при строительстве по принципу II
При строительстве по принципу II вертикальную планировку осуществляют как отсыпкой насыпи, так и срезкой. Работы преимущественно проводятся в период с положительными температурами воздуха, когда СМС (СТС) находится в талом состоянии. Отметки планировочной поверхности назначаются с учетом осадки грунтов при оттаивании.
В случае залегания в основании ММГ несливающегося типа в виде пластичномерзлых и сильнольдистых грунтов может потребоваться предварительное оттаивание грунта. В зависимости от вида грунта может изменяться тип оттаивания – электрооттаивание, парооттаивание, гидрооттаивание. Подобные мероприятия выполняются на основе теплотехнических расчетов численными методами в специализированных расчетных комплексах, таких как Frost.Термо, с подбором схемы расположения оттаивающих установок и их типа, а также глубины заложения. Проектирование мероприятий по вертикальной планировке с учетом предварительного оттаивания осложняется тем, что:
- рекомендуется проведение инженерных изысканий до и после проведения работ по оттаиванию грунта, что приводит к удорожанию проекта и увеличению длительности проектных работ;
- период консолидации грунтов может достигать нескольких лет;
- в ряде случаев может потребоваться усиление оттаявших грунтов для возможности восприятия проектных нагрузок.
Срезка грунта, II принцип использования ММГ в качестве оснований
Особенности теплотехнического моделирования насыпей
При возведении насыпей необходимо учитывать, что работы могут проводиться как послойно , в том числе разными грунтами, так и с разделением на участки. Для насыпей, особенно большой высоты длительность работ по отсыпке может достигать нескольких месяцев. При прогнозном моделировании температурного режима грунтов допускается моделировать одномоментное возведение насыпи в тех случаях, когда работы проводятся в соответствующий нормативной документации период .
При проектировании насыпей требуется уточнять крутизну заложения откосов, зависящую от материала насыпного слоя, высоты насыпи и от снегопереноса .
Сравнение температурных полей для случая одномоментной отсыпки насыпи и послойной отсыпки насыпи высотой 6 м для условий г. Ленск. Начало работ – 1 ноября, деятельный слой промерз не полностью
Влияние различных видов покрытия площадок на температурный режим ММГ
при отсыпке насыпей
При проектировании насыпей необходимо учитывать, что на площадке могут быть как поверхности, укрепленные посевом трав , так и участки без растительности , с покрытием из асфальта, дорожных плит, щебня. Отметим, что почвенно-растительный слой является естественным теплоизолятором, а поверхности без растительности подвержены нагреву вследствие разницы в альбедо поверхности . Поэтому для участков строительной площадки без растительности рекомендуется учитывать температурные поправки, зависящие как от материала на поверхности, так и от месторасположения объекта . В зимний период, когда поверхность покрыта снегом, температурные поправки на нагрев и испарение подстилающих пород и фазовых переходов в них могут быть отрицательными и, в таком случае, допускается их не применять. Следует учитывать, что для откосов и горизонтальной поверхности температурные поправки рассчитываются по разным методикам.
Как правило, посев трав и формирование почвенно-растительного слоя на площадках нового строительства производится в летний период, предшествующий окончанию строительных работ. Поэтому в период строительства рекомендуется учитывать температурные поправки для всех типов поверхностей.
|
Учет изменения климата при теплотехническом моделировании насыпей
Температура воздуха увеличивается на протяжении нескольких десятилетий, и наибольший рост температуры наблюдается в Арктике – вплоть до 1,4°С за последние 10 лет . На период до 2100 года составлены различные сценарии изменения климата, и во всех сценариях предусмотрено повышение температуры воздуха. Подобные изменения неблагоприятно влияют на ММГ – с ростом температуры увеличивается величина сезонного оттаивания.
При проведении прогнозных теплотехнических расчетов необходимо учитывать изменение климата. Как правило, в расчетах учитываются изменения температуры, зафиксированные в ежегодных докладах об особенностях климата на территории Российской Федерации, выполненные НИУ Росгидромет, и распространяются на проектный период эксплуатации.
В наибольшей группе риска находятся площадки с наличием высокотемпературных ММГ, способных дать большую осадку при оттаивании. Как правило, при моделировании на период 30-50 лет ММГ сливающегося типа переходят в ММГ несливающего типа, что требует от проектировщиков учитывать осадку оттаявшего грунта и предусматривать стабилизирующие мероприятия.
Динамика изменения температуры грунтов для насыпи из щебенистого грунта для условий г. Мирный, с переходом ММГ сливающегося типа в ММГ несливающегося типа
При проведении расчетов в Frost.Термо необходимо для каждого года эксплуатации подбирать величину максимального сезонного промерзания-оттаивания и фиксировать положение кровли ММГ. Затем на основе выполненного расчета в Frost.Осадка возможно рассчитать осадку грунта при оттаивании.
Рекомендации по моделированию вертикальной планировки на ММГ
01 Сбор исходных данных:
- по материалам ИГМИ – учесть температуру воздуха, скорость ветра, высоту снежного покрова, суммарную солнечную радиацию и величину снегопереноса;
- по материалам ИГИ – подобрать скважины с наиболее сложными условиями, учитывая льдистость ii, засоление Dsal, относительную осадку при оттаивании δ, выполнить анализ типа ММГ, величины СТС-СМС, наличия грунтовых вод;
- по материалам поиска карьеров ОПИ – уточнить характеристики грунта отсыпки;
- предварительно определить принцип использования грунтов в качестве оснований;
- уточнить период проведения работ согласно графику строительства.
02 Строительство по I принципу (преимущественно для ММГ сливающегося типа):
- принять высоту насыпи не менее 1,5 м, для сильнольдистых грунтов – не менее расчетной глубины сезонного оттаивания насыпи, при наличии грунтовых вод – обеспечить расстояние от уровня грунтовых вод до уровня планировки не менее 2 м;
- проводить отсыпку в холодный период на промерзший грунт с сохранением почвенно-растительного или торфяного слоя;
- допускается одномоментная отсыпка;
- дополнительно учесть теплоизоляцию на откосах и бермах для льдистых оснований (0,2 < ii ≤ 0,4), в основании насыпи с заглублением не более 1 м для сильнольдистых оснований (ii > 0,4);
- проверить сохранение кровли ММГ в теле насыпи на весь моделируемый период;
- выполнить расчет осадки оттаявшего основания в Frost.Осадка при переходе ММГ из сливающегося в несливающийся тип.
03 Строительство по II принципу (преимущественно для ММГ несливающегося типа):
- учесть проведение работ по насыпи или срезке в теплый период для оттаявшего СМС;
- провести отсыпку насыпи талым грунтом;
- выполнить расчет осадки оттаявшего основания в Frost.Осадка и оценить необходимость предварительного оттаивания грунта.
04 Прочие рекомендации по моделированию:
- учитывать потепление климата;
- предусмотреть температурные поправки для откосов и поверхности насыпи в период строительства, в период эксплуатации учитывать температурные поправки для поверхностей со значительно изменившимися условиями относительно естественных;
- рассмотреть различные варианты снегонакопления для характерных участков площадки (проезды, открытые площадки, свободная от застройки территория);
- подобрать максимальные значения СТС/СМС для каждого моделируемого года;
- моделировать откосную часть насыпи совместно с горизонтальной поверхностью при расположении участка в области снегопереноса.
01 Сбор исходных данных:
- по материалам ИГМИ – учесть температуру воздуха, скорость ветра, высоту снежного покрова, суммарную солнечную радиацию и величину снегопереноса;
- по материалам ИГИ – подобрать скважины с наиболее сложными условиями, учитывая льдистость ii, засоление Dsal, относительную осадку при оттаивании δ, выполнить анализ типа ММГ, величины СТС-СМС, наличия грунтовых вод;
- по материалам поиска карьеров ОПИ – уточнить характеристики грунта отсыпки;
- предварительно определить принцип использования грунтов в качестве оснований;
- уточнить период проведения работ согласно графику строительства.
02 Строительство по I принципу (преимущественно для ММГ сливающегося типа):
- принять высоту насыпи не менее 1,5 м, для сильнольдистых грунтов – не менее расчетной глубины сезонного оттаивания насыпи, при наличии грунтовых вод – обеспечить расстояние от уровня грунтовых вод до уровня планировки не менее 2 м;
- проводить отсыпку в холодный период на промерзший грунт с сохранением почвенно-растительного или торфяного слоя;
- допускается одномоментная отсыпка;
- дополнительно учесть теплоизоляцию на откосах и бермах для льдистых оснований (0,2 < ii ≤ 0,4), в основании насыпи с заглублением не более 1 м для сильнольдистых оснований (ii ≥ 0,4);
- проверить сохранение кровли ММГ в теле насыпи на весь моделируемый период;
- выполнить расчет осадки оттаявшего основания в Frost.Осадка при переходе ММГ из сливающегося в несливающийся тип.
03 Строительство по II принципу (преимущественно для ММГ несливающегося типа):
- учесть проведение работ по насыпи или срезке в теплый период для оттаявшего СМС;
- провести отсыпку насыпи талым грунтом;
- выполнить расчет осадки оттаявшего основания в Frost.Осадка и оценить необходимость предварительного оттаивания грунта.
|
Frost 3D Прогнозные расчеты при проектировании на многолетнемерзлых грунтах |
04 Прочие рекомендации по моделированию:
- учитывать потепление климата;
- предусмотреть температурные поправки для откосов и поверхности насыпи в период строительства, в период эксплуатации учитывать температурные поправки для поверхностей со значительно изменившимися условиями относительно естественных;
- рассмотреть различные варианты снегонакопления для характерных участков площадки (проезды, открытые площадки, свободная от застройки территория);
- подобрать максимальные значения СТС/СМС для каждого моделируемого года;
- моделировать откосную часть насыпи совместно с горизонтальной поверхностью при расположении участка в области снегопереноса.
Вам также может быть интересно: