автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.13, диссертация на тему:Теоретические основы и практические методы сооружения насыпей с использованием мерзлых глинистых и торфяных грунтов

од

> »..ч .•,[*«

На правах рукописи

Шуваев Анатолий Николаевич

"Теоретические основы и практические методы сооружения насыпей с использованием мерзлых глинистых и торфяных грунтов"

(специальность 05.15.13 " Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ")

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Тюмень 1998

Работа выполнена в Тюменской государственной архитектурно-строительной академии

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор С.Я.Кушнир, доктор технических наук, профессор В.Н.Ефименко, доктор технических наук, профессор С.Е.Гречищев.

Ведущая организация - Гипротюменнефтегаз

Научный консультант - Заслуженный деятель науки и техники РФ, Академик Академии транспорта , доктор технических наук, профессор В.Д.Казарновский

Защита состоится 16 мая 1998 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 064.07.02. ВАК РФ при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625000, г.Тюмень, ул.Володарского, 38, т. 25-08-61

Ваши отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба выслать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тюменского государственного нефтегазового университета.

Автореферат разослан " 16 " апреля 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

В.Д.Шантарин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из основных проблем, которая серьезно осложняет реализацию программ освоения нефтянных и газовых месторождений и транспортного строительства, предусмотренных "Основными направлениями развития энергетического комплекса РФ", является обеспечение требуемых обьемов грунта для отсыпки площадок под обьекты при обустройстве нефтяных и газовых месторождений, а также, для возведения земляного полотна транспортных сооружений в районах распространения вечной мерзлоты.Эти районы, занимающие 51 % территории РФ, характеризуются суровыми климатическими и неблагоприятными грунтово-гидрологическими условиями, отсутствием талых дре-нирующих грунтов. Для обеспечения прочности и устойчивости грунтовых насыпей в таких районах, большой обьем земляных работ приходится выполнять при значительной дальности возки грунта и проведении подготовительных работ по его осушению.

Одним из основных путей решения указанной проблемы является переход к нетрадиционным (специальным ) способам возведения насыпей, где в качестве исходного материала применяются мерзлые переувлажненные глинистые и торфяные грунты. Это позволяет уменьшить стоимость и ускорить темпы строительства при обустройстве месторождений.

Исследования прблемы сооружения насыпей нетрадиционными способами проводились автором с 1970 по 1996 гг. в рамках выполнения тематического плана научно-исследовательских и опытно-экспериментальных работ Минтрансстроя СССР, Министерства нефтяной и газовой промышленности, Министерства высшего и среднего образования РФ.

Целью исследования являлась разработка научных основ сооружения насыпей различного назначения, отсыпаемых при строительстве трубопроводов, баз и хранилищ, из переувлажненных мерзлых глинистых и торфяных грунтов с установлением механизма формирования тела насыпи и обоснования основных методов управления процессом формирования насыпи при производстве работ в районах вечной мерзлоты.

Научная новизна работы заключается в установлении основных закономерностей водно-тепловых процессов и изменений напряженно-деформированного состояния насыпей во времени и пространстве, определяющих характер и величину изменений плотности, влажности, температуры грунта и осадки насыпей, сооружаемых из переувлажненных мерзлых глинистых и торфяных грунтов в районах вечной мерзлоты.

В рамках решения этой задачи:

- разработана комплексная модель для сопряженного расчетно-теоретического анализа и прогнозирования водно-теппового режима и напряженно-деформированого состояния переувлажненных глинистых мерзлых грунтов нарушенной структуры в теле насыпи в процессе ее формирования на стадии строительства и эксплуатации;

- рассмотрены различные модификации нестандартных моделей (трехмерная, квазитрехмерная, двухмерная, одномерная ) в интегральной и дифференциальной формах, для обеспечения универсальности моделей и простоты анализа отдельных определяющих явлений;

- разработан алгоритм и компьютерная программа для реализации расчета нестандартных моделей нестационарных процессов при формировании и эксплуатации насыпей из мерзлых переувлажненных глинистых и торфяных грутов;

- обосновано введение безразмерного критерия начала локального морозного пучения грунта Кэ = оср/гз' + гч + ^ +с1у*> 1, где параметры интенсивности кристаллизации льда /23', объемной деформации остаточного (защемленного) объема газа & и относительных объемов фаз с1у* находятся в предложенном вычислительном процессе;

- разработаны основные организационно-технологические способы формирования насыпей из нестабильных слоев, отсыпанных из переувлажненных мерзлых глинистых грунтов нарушенной структуры ;

- разработана технология возведения насыпей из торфяных грунтов, используемых в нижней части земляного полотна, и изучение условия обеспечения проходимости землеройно-транспортных машин в процессе технологического цикла.

На защиту выносятся: механизм формирования насыпей, отсыпаемых из переувлажненных мерзлых глинистых и торфяных грунтов нарушенной структуры и метод прогнозирования водно-теплового режима и напряженно-деформированного состояния грунтовых сооружений в районах, занятых вечной мерзлоты.

Достоверность научных положений и рекомендаций, содержащихся в диссертационной работе, подтверждена результатами комплекса экспериментов, выполненных в лаборатории, на стендах, полигонах, при строительстве опытных участков, на эксплуатируемых насыпях, а также, данными систематических многолетних наблюдений за элементами, формирующими водно-тепловой режим и напряженно-деформированное состояние земляного полотна, обслуживаемых постоянными станциями, и эпизодических наблюдений на специальных постах. При проведении исследований использованы современная стандартная, в том числе радиометрическая аппаратура для измерения физико-механических и теплофи-зических характеристик и созданные автором стенды, аппаратура и приборы, электронно - вычислительная техника.

Практическая значимость работы состоит в решении крупной народно - хозяйственной задачи при строительстве насыпей обьектов нефтегазового комплекса, автомобильных и железных дорог, в гидротехническом строительстве за счет более широкого и обоснованого использования местных переувлажненных мерзлых глинистых и торфяных грунтов в теле насыпей, на основе выявленных закономерностей механизма формирования насыпных конструкций из этих грунтов и прогноза их стабилизации.

Реализация работы. Результаты исследований использованы при составлении "Методических рекомендаций по использованию торфа в нижней части насыпи при строительстве автомобильных дорог на болотах". Москва, СоюзДорНИИ, 1973 г. Инструкции по проектированию автомобильных дорог нефтяных промыслов Западной Сибири. ВСН 26-80. -Тюмень, Гипротюменьнефтегаз, 1981г.. Инструкция по проектированию и строительству промысловых автодорог на нефтяных и газовых месторождениях Западной Сибири. ВСН 26-90. - Тюмень, 1991г..

Апробация работы. Содержание работы и результаты исследований в полном объеме доложены, обсуждены и одобрены на научно-технических конференциях в ТюмИСИ, Союздорнии, ТИИ (19721997). На научно-производственных конференциях и совещаниях " Нефть и газ Западной Сибири", " Проблемы обустройства ЗСНГК", " Проблемы повышения качества строительства промысловых автомобильных дорог" в г. Новый Уренгой, Нижневартовск , Тобольск, Сургут, Надым, Салехард, Тюмень (1972-1997). На кафедре "Автомобильные дороги" Томского государственного архитектурно-строительного университета (1997), на заседании Ученого Совета по защите докторских диссертаций Тюменского государственного университета (1997). На научно-технических совещаниях в рамках государственной научной программы комитета ВО РФ "Строительство " (1992, 1993 ) в г.г. Воронеже и Белгороде.

Публикации. Основная часть выполненных теоретических и экспериментальных исследований по указанной проблеме вошла в книгу "Земляное полотно из мерзлых грунтов", Энергия, Москва., 1997г., 152стр. По теме диссертационной работы опубликовано печатных работ 28, из них в центральной печати 17.

Объем диссертации. Диссертация состоит из введения и семи глав, объемом 301 стр.; в том числе: основного текста 297 стр., 62 рисунка, 5 таблиц на 5 стр., список использованной литературы из 188 наименований, 3 приложения на 4 стр.

Работа выполнена на кафедре "Автомобильные дороги" Тюменской государственной инженерно-строительной академии. Автор выражает глубокую признательность специалистам, оказавшим помощь в проведении работы на разных ее этапах : Заслуженному деятелю науки и техники РФ, академику Академии транспорта РФ, доктору технических наук, профессору Казарновскому В.Д., доктору технических наук, академику РАЕН А.Б.Шабарову, доктору технических наук, доктору технических наук, профессору Линцеру A.B., кандитату технических наук, чл.-корр. Академии транспорта В.А.Кретову, кандидату технических наук, доценту Болштянскому М.П., главному инженеру треста Уренгойдострой Н.Л. Шварцману, управляющему трестом Надымдорстрой В.Д. Блинову, доктору физико-математических наук, профессору Б.Г.Аксенову, сотрудникам кафедры И.А.Солдатову, В.В.Скрипке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Введение. Дано обоснование важности и актуальности темы диссертационной работы для решения одной из проблем народного хозяйства страны. Сформулирована ее основная цель, которая заключается в создании теоретических основ и практических методов сооружения насыпей с использованием переувлажненных мерзлых глинистых и торфяных грунтов с учетом специфики их структуры, состояния, свойств и условий работы для повышения надежности проектирования конструкций.

1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследований Более 11 млн.км или почти 51% территории России занято мно-голетнемерзлыми породами. Эти районы отличаются экстремальными по сложности и разнообразию условиями, создающими значительные трудности в строительстве. Обеспечение долговременной программы комплексного освоения Западно-Сибирского нефтегазоносного района, значительная часть которого входит в пределы указанной территории, требует опережающего развития обустройства нефтяных и газовых месторождений. В этих условиях возможности использования традиционных способов и методов проектирования, строительства и эксплуатации нефтяных и газовых объектов ограничены. Наличие вечной мерзлоты и торфяных болот предопределяет расположение всех нефтегазопромысловых сооружений не на естественной поверхности земли, а на грунтовых искусственно отсыпаемых насыпях. Это относится также и к транспортным объектам: промысловым дорогам, подъездным и построечным проездам. Данная ситуация требует выполнения громадных земляных работ на всех этапах обустройства месторождений. Так, по данным Табакова Н.В. (Гипротюмен-нефтегаз), за последние десять лет объем земляных работ по нефтяной отрасли Западной Сибири составлял от 120 до 160 млн.м3 грунта в год, а при строительстве промысловых автомобильных дорог на вечномерзлых грунтах в системе только бывшего Минтрансстроя составляет до 32 млн.м3 грунта в год. Характерным примером объектов нефтегазопромыслового строительства, на которых широко применяется устройство насыпей с достаточно высоким уровнем предъявляемых нормами требований служат автомобильные дороги. Одной из наиболее сложных и пока еще недостаточно разработанных проблем является использование для возведения насыпей мерзлых глинистых и торфяных грунтов, с которыми строители в рассматриваемых условиях всегда имеют дело. СНиП 2.05.02-85 и 3.06.0385 не разрешают сооружать насыпи полностью из мерзлых грунтов, но допускают наличие нестабильных слоев. Нестабильность, которая, как правило, проявляется при оттаивании мерзлых переувлажненных грунтов. Использование сыпуче- и сухомерзлых грунтов в теле насыпи показало нереальность (ввиду их дефицитности) выполнения необходимого объема земляных работ при имеющихся средствах, всегда ограниченных. Практика транспортного строительства в Сибири ( не имеющая мирового-аналога ) за последние десятилетия накопила опыт и расширила пе-реченъ применяемых местных (некондиционных) материалов. Все при-

нятые проектные решения по конструкциям и технологии сооружения насыпей, в том числе из твердомерзлых грунтов, себя в целом оправдали. Задачи и методы управления напряженно-деформированным состоянием земляного полотна при его сооружении из талых и мерзлых грунтов существенно различаются. В отличие от. грунтовых массивов естественного сложения, процесс формирования искусственно создаваемых (техногенных) массивов сознательно управляем и состоит из двух этапов -техногенеза и эпигенеза. Мерзлый и торфяной грунт в конструкции земляного полотна традиционно рассматривался как источник потенциальной потери ее устойчивости или как фактор повышенной деформативности. Все компоненты грунта, обладая спецефическими свойствами, находятся во взаимодействии друг с другом, а также под влиянием внешних воздействий - температуры, давления и т. д. Оттаивание мерзлого грунта связано с проявлением значительных деформаций консолидации, которая протекает сложнее и медленнее, чем консолидация талого грунта.В связи с этим, практика выработала соответствующие приемы, позволяющие исключать или ограничивать эти деформации. В отношении мерзлоты в основании насыпей эти приемы выражаются в так называемых принципах проектирования земляного полотна в районах распространения вечно-мерзлых грунтов. Реально при строительстве в этих условиях практикуют использование мерзлых грунтов в теле насыпи, но ни в одном из существующих нормативных документов, достаточно полно не разработаны требования к сухо- и твердомерзлым грунтам, как к материалу для возведения земляного полотна. Также, как и спецефические требования к конструкции из таких грунтов, вместе с тем известно, что при использовании мерзлых грунтов в составе или основании насыпи в качестве первоочередной возникает проблема прогноза осадки насыпи при оттаивании мерзлого грунта. Расчетные формулы для прогноза осадок грунтов в основаниях сооружений при оттаивании предложены рядом исследователей (Н.А.Цытович, М.В.Малышев, Г.М. Фельдман, Ю.К.Зарецкий, В.Г. Григорьев, В.Д.Казарновский, Е.С.Пшеничникова, ВАФлорин и др.). Формулы, основанные на одномерной задаче, могут быть применены только для упрощенных прогнозов осадки сооружений. Вместе с тем, осадки оснований под широким нежестким сооружением будут разными в разных точках поперечника. Для их более строгого прогноза нужна двухмерная нужна двухмерная или трехмерная постановка задачи. Тем более это относится к рассматриваемому в настоящей работе случаю, где речь должна идти об осадках тела насыпей, отсыпаемых из мерзлых грунтов. Кроме того, большинство предлагаемых формул рассматривают получение только конечных осадок, не учитывая, что они идут во времени. Прогнозирование консолидации требует проведения сложных лабораторных испытаний по определению консолидационных характеристик (поровое давление, коэффициент фильтрации и т.п.) грунтов в специально оборудованных лабора-ториях.Для рассматриваемой в настоящей работе задачи важно знать динамику осадки во времени, т.к. от этого зависит оценка долговечности

конструкции и прогнозирование срока завершения формирования насыпи. В предложенных методиках прогнозирования глубины оттаивания грунта в насыпи на основе теплофизического расчета не учитываются закономерности изменения теплофизических и деформационных характеристик грунта насыпи (дисперсность, температура, влажность, плотность и т. д.) в процессе оттаивания. Решение вопросов прогнозирования осадок насыпей при оттаивании мерзлых грунтов невозможно без рассмотрения криогенных физико-геологических явлений, возникающих в результате теплового состояния грунтов. Анализ работ, посвященных криогенным физическим процессам, в которых обобщены экспериментальные и теоретические исследования процессов теплообмена в грунтах (А.В.Лыков, С.Е.Гречищев, Л.В.Чистотинов, Ю.Л.Шур, И.А.Лопатин, Н.А.Цытович, В.И.Штукенберг,

B.Т.Баловаев, П.И.Мельников, А.И.Толстихин, В.А.Кудрявцев, В.П.Бабакин,

A.Г.Гольтман, А.Ф.Чудноский, Г.М.Фельдман, А.В.Павлов, А.Д.Олавин,

C.Д.Ершов, В.Я.Хаин, А.Г.Колесников, Г.А.Мартынов, В.А.Кудрявцев и др.) позволил определить ряд факторов, влияющих на процессы формирования насыпных сооружений из мерзлых грунтов.

Была выявлена важная роль незамерзшей воды при расчетах. А учет зоны фазовых переходов приводит к более существенным уточнениям в сравнении с классической задачей Стефана, чем учет миграции влаги. Задачи о промерзании (протаивании) грунта в спектре температур рассматривалась в одномерной постановке. Теплофизические характеристики грунта - теплоемкость и теплопроводность - зависят от их физических свойств и изменения температуры. С точки зрения термодинамики причиной миграции воды и пара в дисперсных породах является неравновесное состояние системы "грунт-влага", вызываемое изменением во времени и в пространстве термодинамических параметров (температуры, давления, концентрации ионов, влажности, электрического, магнитного и гравитационного потенциалов и др.). Теплотехнический расчет такой системы, заключающийся в определении глубины ее оттаивания (промерзания) либо времени оттаивания, вызывает необходимость решения ряда задач, каждая из которых достаточно сложная. Это описание теплопередачи с учетом фазовых переходов в спектре температур, массопереноса и наличия слоев разнородных материалов.

Расчет процесса теплообмена при наличии границы фазовых переходов по условию Стефана аналитически не был решен. Было получено несколько приближенных решений, но в практических расчетах их применение не представляется возможным в связи с использованием приближенных значений количества незамерзшей воды и неучета влияния минералогического состава грунта и других параметров. Аналогичная ситуация возникает при попытке учесть влияние массопереноса в процессе теплообмена.

Большая часть известных решений задачи о теплопередаче в грунтовом массиве - таких, как В.С.Лукьянова, В.Г.Меламеда,

B.А.Кудрявцева, Р.М.Фельдмана и других - получена для однослой-

ной системы. Попытка введения в расчет второго слоя с иными теплофи-зическими характеристиками приводит к существенному осложнению, связанному с необходимостью учета изменения температурного поля при переходе от одного слоя насыпи к другому. Поэтому в последние годы (В.В.Пассек и А.М.Бродский) стал широко применяться метод численного анализа. Его преимущество состоит в том, что с помощью этого метода можно решить любую задачу неустановившейся теплопередачи, используя при этом уравнение теплового баланса элементарного слоя.

При рассмотрении теплообмена в твердых монолитах, пористых или дисперсных средах не исследуется конвективный теплобмен, а теплообмен излучением рассматривается только на границе области и при постановке задачи учитывается в граничном условии. Поэтому везде процесс теплообмена описывается уравнением теплопроводности, обычно нелинейным или с нелинейным граничным условием.

Вопросу использования торфяных грунтов при возведении насыпей посвящены работы И.Е.Евгеньева, И.И.Вихляева, П.А.Дрозда, М.П.Болштянского, В.Ф.Архиповой. В этих работах выполнены исследования применительно к естественному торфяному основанию и не проведены натурные исследования уплотнения торфяных грунтов, что затрудняет использование полученных им результатов для применения торфа в теле насыпи.

Таким образом, кратко изложенные результаты анализа применимости теорий, положений и принципов, заложенных в современную методику прогноза формирования насыпей, отсыпанных из мерзлых и торфяных грунтов, подтвердили необходимость их усовершенствований для обеспечения более надежного описания закономерностей изменения во времени свойств насыпей объектов обустройства месторождений.

В свете вышесказанного, основной целью диссертационной работы является - разработка теоретических основ и аппарата для проектирования насыпей, отсыпаемых из переувлажненных мерзлых глинистых и торфяных грунтов, включая прогнозирование процесса формирования их во времени и обоснование основных методов его регулирования при производстве работ.

Для достижения поставленной цели автор предполагал решить следующие основные задачи:

* разработать комплексную модель для прогнозирования водно-теплового режима и напряженно-деформированного состояния насыпи из глинистых мерзлых грунтов нарушенной структуры в процессе ее формирования на стадии строительства и эксплуатации с учетом обеспечения универсальности модели и простоты анализа отдельных определяющих явлений;

* определить и оценить основные факторы, влияющие на формирование температурного поля мерзлых грунтов нарушенной структуры в насыпи с разработкой модели по прогнозированию температурного режима грунтового сооружения;

* разработать алгоритм и компьютерную программу для реализации расчета нестандартных моделей нестационарных процессов при формировании и эксплуатации насыпей из мерзлых переувлажненных глинистых и торфяных грунтов, используя методы упрощающие расчетный анализ;

* разработать основные способы регулирования механизма формирования насыпей из переувлажненных мерзлых глинистых грунтов нарушенной структуры в процессе производства земляных работ;

* разработать технологию возведения насыпей из торфяных грунтов, используемых в нижней части земляного полотна взамен привозного минерального грунта и в качестве устройства тепловых диодов, из условий обеспечения проходимости машин и формирования грунтовой конструкции в процессе технологического цикла;

* провести экспериментальные полевые и лабораторные исследования с целью обобщения опыта применения насыпей с "нестабильными" слоями и проверки разрабатываемых решений.

2. Состав и общая методика проведения работ 2.1.Исследования по использованию мерзлых грунтов в теле насыпи

Общая методика исследований состояла из проведения теоретических исследований, лабораторных (в том числе на моделях в специальной установке) и полевых обследований существующих проектных и экспериментальных участков промысловых дорог.

Полевые работы проводили в период с 1970 по 1979гг. в Среднем Приобъе, а с 1985 по 1995гг. в Заполярной части Западной Сибири. В процессе натурных исследований проводилась отработка технологии производства работ и обследование ранее построенных и опытных участков промысловых дорог где определялась влажность, плотность и температура грунтов в разных точках земляного полотна, положение границы вечно-мерзлых грунтов, осадки и деформации насыпи. Лабораторные исследования преследовали цель изучения напряженно-деформированного состояния при оттаивании и замораживании грунтов в различных условиях (температура, нагрузка, характеристика грунтов) и физико-механические характеристики торфяных грунтов нарушенной структуры. Результаты исследований обрабатывались на ПЭВМ.

Целью теоретических исследований является разработка математической модели, которая позволяет рассчитывать изменение во времени и в пространстве, ограниченном дорожной одеждой, основных параметров мерзлых и оттаявших грунтов: влажности \/У(х, у,гД); льдистости Цх, у, г, Ц; температуры Т(х,у,г,1), а также нормальных и касательных напряжений в грунте <л (х, у, г, 1), ц (х.у^Д), \Л/, деформаций е, (х,у,гД).

Принципиальным моментом, отличающим предлагаемую модель от известных, является достаточно подробный учет взаимного влияния температурного поля, распределения влажности, льдистости, а также напряжений и деформаций. Такое влияние является существенным в целом ряде случаев, имеющих важное значение на практике. Разработка теоретических основ водно-теплового режима и напряженно-деформированного

состояния насыпи из мерзлых грунтов базировалась на использовании квазитрехмерного подхода при математическом моделировании и физических законов сохранения массы и энергии в форме уравнения теплопроводности с учетом теплоты фазовых переходов, уравнения баланса влаги в разных фазах, определяющих влагонасыщенность в различных частях рассматриваемой области, а также уравнения, определяющие напряжения и деформации. При записи уравнений была использована общепринятая гипотеза континиума, предполагающего осреднение параметров в пределах малых расчетных объемов, что позволяет избежать необходимости рассмотрения структуры скелета грунта, формы пленок связной воды и другие тонкие структуры.

Влияние геометрических параметров насыпи и толщины снежного покрова на температурный режим конструкции было определено решением задачи нестационарной теплопроводности в постановке Стефана для области с меняющейся конфигурацией. Расчет осуществляется по численной схеме чередующихся направлений, на каждом шаге вычислений производится корректировка вычисленных значений температуры с учетом теплоты фазовых превращений. Эта коррекция позволяет избежать численной неустойчивости, которая неизбежно возникает в таких задачах при малых величинах интервала фазовых переходов. Точность получаемого решения контролируется уравнением баланса тепла. Для решения плоской задачи температурного поля грунтов земляного полотна применяется метод сеток. Полученные математические алгоритмы реализованы в виде программного продукта. Весь процесс расчета от ввода данных до выдачи результатов протекает с использованием графического режима, что позволяет визуально наблюдать формирование температурного поля и процессы консолидации грунтов на поперечном профиле насыпи.

В процессе исследования по использованию мерзлых грунтов нарушенной структуры для возведения земляного полотна необходимо было знать их физико-механические характеристики как в талом, так и в мерзлом состоянии. При определении основных параметров талых грунтов использовались стандартные методики.

Имеющиеся в настоящий период справочные данные по тепло-физическим характеристикам мерзлых и талых грунтов относятся в основном к грунтам естественного сложения. В данной работе исследуется грунт нарушенной структуры. Кроме того, в процессе формирования насыпи исходный мерзлый комковатый грунт переходит в талое состояние, агрегатная (зернистая) среда переходит в квазисплошную, что, в свою очередь, меняет физические свойства грунта: плотность, влажность, пористость и другие параметры, влияющие на теплофизические характеристики.

Для определения теплофизических характеристик мерзлого комковатого грунта нарушенной структуры использовали метод сравнения.

Этот метод заключается (метод сравнения) в одновременном определении теплофизических параметров мерзлого грунта монолитной и нарушенной структуры. Опыты по опреде-

лению напряженно-деформированного состояния мерзлых грунтов при оттаивании проводились в грунтовом лотке на специально разработанной установке. Контролируемыми параметрами, при которых испытывался массив грунта, были: температура наружного воздуха, т.е. температура воздуха в морозильной камере, температура грунта в различных точках емкости, удельное давление, осадка, напряжения, влажность и плотность грунта. Штамповые испытания в грунтовом лотке позволили определить некоторые характеристики грунта, а также наблюдать за нестационарным температурным полем. Моделирование же всей насыпи позволило изучить процессы и характер оттаивания мерзлого грунта под нагрузкой, его напряженно-деформированное состояние и водно-тепловой режим, близкие к реальным натурным условиям работы конструкции. На первом этапе было рассмотрено геометрическое и механическое подобие мерзлого комка грунта под нагрузкой и модельной насыпи, что позволило обосновать величину нагрузки и геометрические параметры модельной насыпи. На втором этапе исследований определялись: осадка, плотность, влажность и температура мерзлого грунта в комках в различных точках модельной насыпи при оттаивании и после стабилизации осадки.

Изучение процессов формирования натурных (ранее построенных и опытных) конструкций с применением мерзлых и некондиционных грунтов потребовало применить более совершенные и мобильные методы полевых экспериментальных исследований, позволяющие получать достаточно достоверные данные, характеризующие начальные мерзлотно-грунтовые условия в пределах изучаемых объектов строительства; способы, время и продолжительность строительства земляного полотна и динамику стабилизации земляного полотна с учетом местных мерзлотно-грунтовых условий.

В опытных конструкциях при отсыпке нижней части насыпи использовались твердомерзлые грунты с различными вариантами расположения геотекстильного материала. Изучение существующих конструкций позволило выявить факторы и обобщить их для установления закономерностей изменения влажности и плотности грунтов в теле насыпи от использования различных видов материалов (грунтов, геотекстиля и др.) и от их местоположения и конфигурации в земляном полотне.

3. Исследования по использованию торфяных грунтов в теле насыпи

Общая методика исследований по применению торфа в теле насыпи состояла из цикла теоретических и экспериментальных работ. Разработка эффективной технологии, приспособленной к местным условиям, базировалась на основе теоретических исследований, состоящих из: устойчивости земляного полотна; проходимости дорожных машин в процессе производства работ; установки параметров технологических процессов; нормативного хронометража технологии строительства с целью создания прогрессивной нормали процесса; составление технологических

карт и схем. Экспериментальные исследования были выполнены в производственных условиях.

Разработка технологии производства работ осуществлялась исходя из соблюдения следующих условий: максимальной механизации строительного процесса; высокого темпа строительства; круглогодичности производства работ и обеспечения стабилизации физико-механических параметров торфа за наиболее короткий период времени. Исследования по отработке технологии были выполнены в производственных условиях на трех опытных участках, протяженностью более 5,6 км на болотах ! типа глубиной 3-6 м. Выбор ведущих и вспомогательных машин производился в первую очередь из условия обеспечения местной устойчивости и максимальной производительности. Проходимость машин была исследована исходя из трех условий: обеспечение местной устойчивости машины из условия ее веса и несущей способности торфяного основания, обеспечение местной устойчивости с учетом силы тяги и обеспечение устойчивости из условия осадки торфяной насыпи. В процессе отработки технологии для каждой технологической операции проводился технический хронометраж для определения нормали производства, что позволило обосновать параметры поточного метода организации возведения земляного полотна.

3. Теоретические предпосылки формирования насыпи из мерзлых грунтов во времени

Грунтовая насыпь с действующими на нее внешними силами рассматривается как замкнутая механическая и термодинамическая система, параметры которой связаны между собой определенными пространственно-временными соотношениями - уравнениями механики и термодинамики. Под замкнутым массивом земляного полотна подразумевается система, включающая собственно земляное полотно, основание и часть прилегающего пространства, на параметры состояния которого насыпь оказывает непосредственное влияние. Вопрос о выделении системы в пространстве контрольными поверхностями зависит от целей и методов управления состоянием (качеством) этой системы. На контрольных поверхностях определены потоки массы и энергии (массовые и потенциальные силы), от которых зависит состояние выделенной системы. Из-за неоднородности и пространственно временной изменчивости внешних воздействий и теплобалансовых соотношений на различных элементах верхней контрольной поверхности выделенной термодинамической системы, она находится в состоянии постоянной перестройки параметров состояния, в соответствии со вторым законом термодинамики. Периодические и знакопеременные изменения составляющих уравнения радиационно-теплового баланса представлены следующим выражением:

Р?-Р\Л/-Ру-РН = 0

где: Я - радиационный баланс; - затраты энергии на фазовые переходы влаги; Ру - затраты тепловой энергии на турбулентный обмен

между поверхностью и атмосферой; РН - теплообмен между поверхностью и толщей грунтового массива.

Важнейшее значение имеют фазовые переходы внутри системы, поскольку они предопределяют непрерывное протекание термодинамических процессов, вызывают необратимость структурной перестройки и развитие деформации фунтового массива. По отношению к выделенной термодинамической системе первые три составляющие теплового баланса являются внешними воздействиями, определяющими характер и интенсивность энергетического обмена системы с окружающим пространством, а четвертая определяет характер переноса энергии внутри системы.

Насыпь, отсыпанная из мерзлых грунтов, в условиях , когда температура грунта меняется , будет давать те или иные деформации, т.е. оказывается нестабильной, с точки зрения практической задачи создания насыпи степень нестабильности будет в конечном итоге определяться величиной возникающих деформаций. Однако, применительно к условиям сравнительно невысоких насыпей (высотой 1,5-Зм ) наиболее широко применяемым за окончание нестабильного периода в первом приближении может быть принят момент условий стабилизации температурного режима насыпи с учетом влияния фаз фунта на этот режим. Отсюда прогноз стабилизации может быть сведен к решению соответствующей теплофизи-ческой задачи. В работе рассматривается задача о теплофизической стабилизации насыпи, отсыпаемой из мерзлого грунта на мерзлое или частично оттаявшее основание. Верхняя часть насыпи может быть отсыпана из сухомерзлого или талого грунта. Нижняя часть насыпи отсыпается из мерзлого комковатого глинистого грунта. При этом моделируются следующие варианты сооружения насыпи (рис.1): 1.1. Зимняя отсыпка: насыпь отсыпается на промерзшее основание в зимнее время. Нижняя часть - из комковатого глинистого грунта, верхняя - из сухомерзлого грунта.

/ сухомерзлый грунт и, с4\ч J И4

мерзлый грунт <з.с3 А Из

г.в.м. 12, С2 112

вечномерзлая толща 11, С1

111=00

Рис.1. Расчетная схема насыпи I

Подвариант: грунт верхнего слоя - талый песчаный отсыпается в летнее время после оттаивания. 1.2. Летняя отсыпка: насыпь отсыпается на частично оттаявшее основание (деятельный слой) - в конце лета - из мерзлых комьев. На мерзлые комья сразу отсыпают верхний талый слой. Внешние

факторы:температура воздуха - задается функцией во времени; отложение снега на поверхности территории и на откосах (с учетом снегоочистки с поверхности насыпи). Определяется: время и местоположение формирования нового горизонта вечной мерзлоты. Поскольку горизонт будет колебаться, то устанавливается изменение его положения за заданный период времени и время сохранения на каждом горизонте с заданной вероятностью.

Для математического описания распределения температуры и влажности грунтовой насыпи, используются основные физические законы сохранения массы и энергии многофазной Среды, состоящей из материала скелета фунта, воды (связанной и свободной), льда и газовой смеси воздуха и паров воды. Для произвольного малого, но конечного объема V (рис.2) выделенного в момент времени Т в расчетной области, и ограниченного поверхностью Б, выделяются для анализа компонентов V) и пц .

координатные линии: г=сопз1

У=сопз^

У

(п) Ум,к

Начало координат, определяемое из условия /у отсутствия перемещения при

Л • сезонных деформациях

Т

Рис.2. Оснобная система координат (х.,у,г) и контрольный объем расчетной Схемы

Для отдельных фаз, с учетом имеющихся фазовых переходов, в расчетную систему включены следующие уравнения сохранения массы:

<Эр1 Эрг /-СЛ/ = -/Ь"<13 (1) ]-ЙУ = -^СЮ + ^32 ау +13*2 & (2)

V т В 8 У *

фз 5р<

5-¿V = -I ;з"с18 + №гз (3) \-С!У = - / + /Л24 dv (4)

где: р1 - плотность частиц грунта, р2 - плотность воды, р3 - плотность льда, р4- плотность паровоздушной смеси, = - ^ - интенсивность фазового перехода массы из \ в ¡-ю составляющую в единице объема за единицу времени, кг/м3с."

Поток жидкообразной влаги в коллоидном капиллярно-пористом теле в общем случае обусловлен диффузионным, конвективным и эффу-зионным потоками (А.В.Лыков, 1972г.) и определяется линейными соотношениями Онзагера: _

Ь=рг ь2 = - Х2тУв - Л2тТУГ - к2УР (5)

1 Эю

где:У0 = — (Vw)т -градиент потенциала переноса влаги;Ст = (-)т

Ст дв

- изотермическая удельная влагоемкость; А.2т=а2тР1Ст - коэффициент

ент влагопроводности; Х.2тТ=-8 - коэффициент термовлагопро-

Ст

водности; а2т = агк + кпл; а2тт = кпл т; аг« - коэффициент диффузии воды в грунте, кпл и кпл т - коэффициенты изотермического и неизотермического пленочного движения жидкости в грунте, кг - коэффициент молярного переноса воды.

Поток паровоздушной смеси при учете молекулярного, капиллярного и молярного механизмов переноса записывается:

Хд

¡4=Р4 04 = - \4mVG--УТ - к4УР (6)

С т

где: ^4т , . к4- соответственно коэффициенты переноса молекулярной газопроводности, термогазопроводности и переноса газа в грунте. Для грунтов нарушенной структуры коэффициенты тепломассопереноса определяются опытным путем в лаборатории с привязкой для реальных условий по температуре, влажности, пористости и дисперсности.Запись интен-сивностей потока воды \2 и паровоздушной смеси \л в форме соотношений (5) и (6) делает возможным расчет полей влажности, льдистости и паросодержания в рамках единых по виду расчетных

формул, но с применением переменных коэффициентов тепло-влагопереноса. Уравнение баланса тепла представлено в виде: а(рН') т

I-= -^(УТ)" йЭ, (7), где Н = ] еЭфС1Т - эквивалентная зн-

V ^

тальпия грунтовой смеси, определяемая с учетом наличия материала скелета грунта, льда, незамерзшей воды, и паровоздушной смеси как непрерывно дифференцируемая аппроксимирующая функция от температуры с учетом зависимости содержания незамерзшей воды от температуры = (т) в области фазового перехода То - е < Т < Т0 + е. Уравнение консолидации грунта для контрольного объема V принимается в форме гн 1 ЗН* 1 даг 1+е

/-= /(V--+- --кУНпс!3 (8)

" 31 о) 31 2у со ' 2усо( с!е)

сш

Р (3(1+е) где: Н = — + 2- напор воды в грунте; со = 1--.

РЯ 2(Ье)

d0

В качестве допущения, предложенного и обоснованного В.А.Флориным, принимаем, что параметр аг + 2р напряженного состояния грунтовой среды в целом в любой момент времени! совпадает с аналогичным параметром напряженного состояния грунтовой среды в предположении мгновенной ее консолидации стг+2р = <т2*+2р\

Для написания уравнения связи напряжений и деформаций в общей математической модели тепловлажностного и напряженно-деформированного состояния грунта применим теорию наследственной ползучести Больцмана-Вольтерры с ее современными модификациями для квазитрехмерного случая, в пределах участка дороги длиной Ах:

1 ( оаЕ

е(0 = е (^)--5 и)--1-[а0 + а, {1 - ехр[- у, № - Ъ )]с« (9)

1 + £ 1 + Е, 40 Я

где: 8 Ъ,) = а0 + а1 {1 - ехр[- у1 (1 - и )],где: а0 , а1, у1 - экспериментально определяемые параметры ползучести. Тогда выражения для относительных деформаций твердой фазы (грунта и льда) ех, ег, еу линейных деформаций и Бу в направлениях 2. и У и скоростей деформации Уц и : ае

еудеф =--относительная объемная деформация (10)

1+е

Эг (Ь т,у) = к( и г,у)<1г ; Эу= [су( 1, г,у)с!у ; (11)

при V, = = V (О, VI,, У1г)

£удеф |1у Судеф С12

О; У12=--; Vu=--

1 + цу сК 1 + цу сИ

В качестве начальных условий в момент времени принималось заданное по телу насыпи распределение параметров: 1=10, р^рю, Т=То, е = во, о ~ а о, Н=Но.

Граничные нестационарные условия по температуре и влажности задаются на внешней поверхности и на расстоянии и>1_о, где 1_с-характеризуется отсутствием влияния параметров насыпи на физические параметры грунта:

дТ РР

(X— )Р +а(ТР-Тв) +рзазр— (Щ -\Л/8) = 0 (12) дп Ьр

Рр д\М дТ РР

— { — )Р + Х.зрЬР( — )П + Х3 — (WF -Мв) = 0 (13) Ьр дп дп Ьр

Р 2

В соотношениях (12), (13): \\1 = — - влажность на внешней поверхно-

Р1

сти;а , азн - коэффициент теплоотдачи и влагоотдачи поверхностью насыпи и откосами земляного полотна, Т„ и \М„- температура и влажность граничного атмосферного воздуха.

Ьг - ; Т = Т«,; W = УУ«,; р1 = Р1«о; рз = рз«,; рл - рь*', сг» ; н„. (14)

Совокупность приведенных зависимостей определяет математическую модель теплофизического процесса, происходящего в насыпи. Разработанная модель, в частности, позволяет определять в процессе расчета изменение объема пор за счет увеличения объема льда при фазовом переходе, объема сжатого газа и т.д.

При этом имеется возможность определить начало морозного пучения грунта через предлагаемый в работе критерий.

Вычисляя линейную деформацию по формуле 11, можно найти условие проявления вертикальных деформаций на внешней поверхности насыпи в процессе оттаивания и замерзания.Практическая реализация модели осуществляется путем выполнения на ЭВМ комплексного расчета водно-теплового и деформационного процессов. Комплексный расчет. Последовательность расчета строится в соот-ветствиис фазами строительства и эксплуатации насыпи: Первая стадия -

возведение земляного полотна ( с момента отсыпки насыпи из мерзлых грунтов до момента окончания стабилизации влажности и плотности грунтов насыпи) ¡вторая стадия - досыпка насыпи до проектных разме-ров;третья стадия - эксплуатация насыпи.

Начальные параметры каждой фазы в момент времени I = Ь в узлах контрольного объема \Л^(п): рь р2(т' , р3 , р4 ,Т , Р, стЕ. Граничные условия: соотношения 12; 13; 14.

Основные этапы расчетного метода включают^следующее: 1.Вычисляются потоки воды ¡2 и паровоздушной смеси ¡4 через поверхности ограничивающие контрольный объем по соотношениям (5; 6). 2. По соотношениям в интегральной форме (2) и (4) находятся плотностир2 и р4 по разностной схеме. 3. По аналогичной разностной схеме вычисляют энтальпию и по ней температуру на (п+1) временном слое.4.По найденной по п.З энтальпии Н'смеси находят температуру, фазовый состав и интенсивность фазового перехода Л2з. 5. Вычисляются влажность \Л/, пористость е (предвари-тельно), льдистость и (предварительно).б.Из уравнения (8) определяется напор воды Н, где

Н(п+1)-Н*(п) (аУп+1)-а/п) ад (1+е)кУНп(пМ,2) ДБД1 н(п*1)_н<п) +-+-+2- - (15)

и 2ую Ле V

2уш(-)

Д0

давление в момент времени Ь = ^ + Дв Р = pqH + Т 7.Вычисляют и ае в момент времени 12 : = 2р"- 2р.8.На основе уравнения наследственной затухающей ползучести (9) вычисляют коэффициент пористости грунта е(Ь) = е(л+1) в объеме Д\Л,к<п+1).9.Находят изменение объема, вызванное приложенными напряжениями ст^ за время ДМО.Применяя критерий локального возникновения морозного расширения находят изменение объема ДУу|< за счет фазового переходам 1.Вычисляют суммарное изменение объема Д\/ук за время Д1 с учетом факторов, определенных в п.8 и п.9.12.Находят относительные деформации в продольном и поперечном направленииЛЗЛНаходят деформационные скорости идвф скелета грунта щ и льда и3.14.Вычисляют потоки массы скелета грунта и массы льда через грани контрольного фиксированного объема Д\А)к по соотношениям

4(6)

-2 р ( идвф )" АЭП (16)

П=1

15.Вычисляют по уравнениям (1) и (3) осредненные значения плотности скелета грунта р1 и льда рз. 16. Проводят аналогичные вычисления параметров по п.(1)-(15) для всех узлов рассматриваемой расчетной области с учетом условий на границах, согласно условиям 12,13.17. Осуществляют

новый цикл итераций по п.(1)-(15) с учетом средних значений параметров на (п)-ом и (п+1)-м временных слоях для всех расчетных узлов сетки.В итоге определяют значения искомых параметров в контрольных объемах за расчетный период 0 < t < Т времени: pi(t), p2(t), p3(t), p4(t),co{t), L(t), P(t), T(t), Sz(t), Sy(t). В реальных задачах влияние различных факторов будет неравнозначным. В частности, для условий комковатых насыпей из мерзлых грунтов влияние порового давления может оказаться существенным только после достаточно большого уплотнения. Однако, предложенная модель позволяет в принципе учесть все основные факторы, хотя и может быть при необходимости адаптирована.

4. Результаты исследований по формированию насыпей, построенных с использованием мерзлых грунтов

В данном разделе представлены результаты теоретических, лабораторных исследований и материалы полевых испытаний и обследований опытных и эксплуатируемых участков насыпей по формированию термодинамического равновесия и стабилизации физико-механических характеристик грунтового массива из мерзлых грунтов. Расчеты проводились с использованием программного продукта математической модели водно-теплового режима и деформированного состояния насыпи с использованием мерзлых глинистых грунтов. При построении модели, исходили из схемы квазисплошного грунта(т.е. пор, заполненных льдом и водой), в котором может возникать поровое давление. Здесь имелось ввиду, что от общей модели можно перейти к частной (уплотнение агрегатного грунта) без особых трудностей. Расчетные значения характеристик грунтов принимались для двух его состояний- агрегатного и дисперсного. Для приближения к натурным условиям, свойства грунтов в агрегатном состоянии принимали соответствующим не комку мерзлого грунта, а определенным свойствам конструкции из мерзлых комьев. На тепловой режим насыпи, кроме теплофизических характеристик грунта, оказывают влияние геометрические параметры насыпи, объемы снегоотложений и снегопереносов и т.д. Теоретические расчеты, проведенные с учетом снежного покрова, показывают его довольно резкий отепляющий эффект. Так, для связных грунтов с W = 1,5WonT. и при толщине снежного покрова 80 см ВГМ находится в насыпи при ее высоте более 2,2 м, в песчаных грунтах при высоте до 4 м - в основании. Без учета снежного покрова, ВГМ проходит в насыпи при ее высоте более 1 м для связных грунтов и для песка - более 1,6 м. Влияние вида грунтов и их влажности на температурное поле весьма мало. Полученные теоретические кривые имеют большую сходимость с результатами натурных обследований ТюмГАСА и Надымской экспедиции О.ф. СоюзДорНИИ на автодорогах "Н-Уренгой-Ямбург 280" и "Тундра-Песцовое". Максимальная глубина оттаивания мерзлого грунта насыпи (в случае возведения земполотна зимой) происходит в течении первого летнего периода. Это объясняется, прежде всего, отепляющим эффектом снежного покрова , высоким коэффициентом теплопроводности и высокой фильтрационной способностью грунтов агрегатного состояния. При перемещении

оттаявшей воды из верхней части насыпи в нижнюю, вода играет роль теплоносителя и ускоряет процесс оттаивания всего массива грунта земляного полотна. После первого летнего периода наблюдается изменение положения верхней границы вечной мерзлоты . Это связано с изменением влажности и плотности грунта и его агрегатного состояния, что в свою очередь, изменяет теплофизические характеристики грунта. На рис.3 представлен характер изменения положения границы вечной мерзлоты по оси насыпи и рис.4 в поперечном сечении для мелкого песка и суглинка. Для песчаного грунта стабилизация ВГМ наступает на третий год, суглинка с влажностью 27% - на пятый летний период, а при использовании в качестве теплового диода торфа в нижней части насыпи - на второй год. При высоте насыпи 2.5 м стабилизированое положение ВГМ находится выше поверхности основания на расстоянии: для песка - 30 см, суглинка - 65 см, с торфом в нижнем слое - 80 см.

Основой формирования температурного режима насыпи, отсыпанной из мерзлых грунтов после их оттаивания , являются их влажность и плотность. Значения этих характеристик в течении первых лет эксплуатации насыпей непостоянны. Наблюдается общая тенденция их стабилизации, которая была получена в процессе теоретических исследований и изучена при проведении экспериментальных исследований на грунтовых моделях и натурных обследованиях насыпей на Ямбурге в Тюменской области.

Стабилизация влажности зависит, как от вида грунтов, так и от их местоположения в насыпи. Наиболее длительный период достижения постоянных значений - для связных мерзлых грунтов. В верхней части насыпи это происходит в течении трех лет до значения влажности ниже оптимальной. Аналогичный период и для грунтов в нижней части насыпи, влажность которых выше оптимальной на 40 %.

Общеизвестно, что мерзлые грунты невозможно уплотнить до нормативного коэффициента уплотнения в процессе технологического цикла. Нормативная плотность мерзлых грунтов достигается после полного их оттаивания за счет веса вышележащих слоев грунта досыпки и их искусственного уплотнения.

Для насыпи из твердомерзлого суглинка после шести лет окончания строительства коэффициент уплотнения грунта верхней и нижней частей насыпи без искусственного уплотнения меньше нормативного и равен соответственно 0,88 и 0,92. Повышение плотности достигается после отсыпки верхней части насыпи из песчаного грунта с последующим его уплотнением. В этом случае, в течении шести лет происходит уплотнение песчаного слоя от нормативного коэффициента уплотнения 0,95 до 1,05 . Суглинок в верхней зоне нижней части насыпи уплотняется до К уг, = 0,93 и остается без изменений в последующие годы.

Обобщая результаты по изменению влажности и плотности грунтов в земляном полотне, можно выделить четыре характерные зоны в поперечном сечении рис.5:

первая зона - верхняя часть насыпи на всю ее ширину, отсыпанная из твердомерзлых грунтов, толщиной 0,8-1,0 м после первого летнего периода, имеет влажность грунта меньше оптимальной, коэффициент уплотнения грунта 0,82-0,85; нормативный К уп достигается через 4-5 лет без искусственного уплотнения; вторая зона - верхние части насыпи под обочинами, время стабилизации влажности и плотности аналогично первой зоне, но в весенне-летний период верхний слой толщиной 0,3-0,5 м подвержен переувлажнению; четвертая зона - нижние части насыпи под обочинами, характеризуется колебаниями влажности в пределах 1,2-1,5 от оптимальной; в течении 2,0-2,5 лет с момента окончания отсыпки, грунт находится в переувлажненном состоянии; в летний период наблюдается выпор грунта под воздействием статической и динамической нагрузок; третья зона - нижний слой средней части насыпи, наиболее неблагоприятная с точки зрения обеспечения устойчивости и несущей способности земляного полотна, влажность остается выше оптимальной на 20-60 %, коэффициент уплотнения 0,92-0,95.

Необходимо считать четвертую зону основным фактором неустойчивого состояния всей насыпи. Образование мерзлотного ядра и неравномерное оттаивание грунта существенно влияет на фильтрацию влаги. Вышеуказанные явления способствуют переувлажнению нижней части насыпи, т.е. зона талого грунта нижней части насыпи, практически не имеющая несущей способности, становится основной причиной образования недопустимых деформаций всего земляного полотна. Для твердомерзлых связных грунтов достижение нормативной плотности без специальных конструктивных решений не представляется возможным. На это указывает и установившееся постоянное значение влажности суглинка выше оптимальной в нижней части насыпи.

При зимней технологии процесс осадки мерзлого грунта в насыпи необходимо рассматривать в две стадии. Первая стадия соответствует осадке мерзлого грунта, находящегося в начальной стадии в агрегатном состоянии и после его полного оттаивания, переходящего в дисперсное.

Осадка второй стадии соответствует консолидации насыпи, возведенной из переувлажненных грунтов по традиционной технологии, довольно подробно изучена группой ученых под руководством В.Д. Казарновского.

Проведенные в лаборатории модельные испытания насыпи показали следующее. Относительные осадки на первом этапе прямо пропорциональны влажности грунта и незначительно зависят от вида грунтов. Наблюдается неравномерность осадки по ширине насыпи. Наиболее длительный период оттаивания характерен для связных грунтов. Скорость оттаивания увеличивается с увеличением влажности грунта.

На рис.6 даны теоретические кривые и экспериментальные точки осадки мерзлого грунта агрегатного состояния и в смеси его с сухомерз-лым песком при различной их влажности.

Динамика осадки грунта насыпи представлена на рис.7 тео-

ретическая кривая 1 соответствует насыпи, отсыпанной из мерзлого суглинка с влажностью 27 % , рабочая высота насыпи была принята, исходя из условия равенства глубины оттаивания грунта земляного полотна в первый летний период (зимняя технология). Вторая кривая - осадка насыпи, рабочая высота которой больше глубины оттаивания грунта в первый летний период. Третья кривая - динамика осадки двухслойной насыпи, у которой верхний песчаный слой отсыпается после полного оттаивания нижнего слоя из суглинка в первый летний сезон.

Максимальная скорость осадки наблюдается в третьем случае и практически осадка заканчивается к концу второго летнего периода. Это объясняется тем , что в первый летний период происходит переход грунта по всему объему насыпи из агрегатного состояния в дисперсное, что в свою очередь ускоряет процессы стабилизации (установление постоянных значений) параметров влажности, плотности грунта и положения верхней границы мерзлоты. Дополнительный уплотняющий эффект проявляется и от веса верхнего песчаного слоя, толщиной 80см. Длительный период осадки у второй конструкции насыпи, в которой физические характеристики грунтов принимают постоянные значения за более длительный период (до пяти лет), что соответствует установлению термодинамического равновесия грунтового массива (положение верхней границы мерзлоты выше подошвы насыпи).

Наибольший эффект по ускорению осадки насыпи достигается использованием торфа в нижней части земляного полотна в качестве теплового диода рис.8. В течении первого года эксплуатации устанавливается постоянное положение верхней границы мерзлоты выше подошвы насыпи на 60-80 см (толщина торфа 60 см, влажность 350-400% ). В первый летний период происходит основная часть осадки оттаявших слоев суглинка и торфа. Этого не наблюдается при толщине слоя больше, чем глубина оттаивания.

При исследовании на моделях и обследовании конструкций насыпей были выявлены закономерности формирования свойств грунта в процессе его термодинамической стабилизации при различных режимах оттаивания и нагружения.

В результате эксперимента по изучению осадки насыпи из мерзлых грунтов агрегатного состояния при оттаивании получены: зависимость осадки грунтов при оттаивании от влажности, видов грунтов и их составов, а также качественный процесс времени осадки насыпей.

Результаты экспериментов, полученные при испытаниях в цилиндрическом лотке значительно отличаются от результатов исследований на модельных насыпях и на экспериментальных участках. Штамповые испытания в лотке позволили определить теплотехнические характеристики и наблюдать за нестационарным температурным полем.

Эффективное управление качеством земляного полотна предполагает, прежде всего, управление напряженно-деформированным состоянием грунтового массива.

с

2 о

и

а о

Е X

о (О

ч

Г»

а

а>

2

о

■з

X

а 3

а. 3

N X

а

ас о

ас о

X X

X и

а. о

а

СО т

-1

• . • - .

/ /о

З'

/н о 8 а н и е осип и

\ 'г в рем 4 Я . б Летни) Ь' год к период

Рис| 3.Стабилизация ВГМГ (Нм=2,5м) по гос

Верхняя граница мерзлоты — с учетом аккумуляции тепла: 1-песок 12%). 2—суелимок (\*=27%);3-суглинок \У=27%. Н=2м + торф №=350%,Н=0,5м;беэ учета аккумуляции тепла (Нс=80): 5-песок. 4-суглинок

4+

-с т- ■ тг х—

4

Рис 4 ПОЛОЖЕНИЕ СТАБИЛИЗИРОВАННОЙ ГРАНИЦЫ МЕРЗЛОТЫ

а) песок. *=12%. третий леткиа период

б) суглинок. пгтиа летниа период - данные поле&ых обследований

оснобание - суглинок. *=26/Ч

Рис.|5 Разделение поперечного сечения земляного полотна на зоны по влажности

50

а о X а

Ф

Е

з о

0

1

Е о

40

К <о

30

о 20

а> о

у/О +

л )

у? + 5^8

5+- Г

30 в

40

%

10 20 Влажности

Рис! 6 ОСАДКА ГРУНТА НАСЫПИ ПРИ ОТТАИВАНИИ

1 - 50% мерзлый^суглинок + 50% сухомерзлый песок

2 - 100% комковатый мерзлый суглинок - результаты модельных испытаний

+ - результаты полеВых обследобаний

0 i п Время, В год. WucJ 7 Динамика осадки насыпи (по оси)

1 - суглинок W = 27%. Homm = Нраб - б первый

летний период. Г) - пол.

2 - суглинок W = 27ЙТ Homm < Нраб, оттаивание

за Второй летний период, + — пол.

3 - суглинок W = 27%. Нотт = Нраб, второй летний период - с/мерэлвй песок W = 7%, $- пол.

j Время, б год.

Рис, 8 Динамика осадки

насыпи

1 - торф W - 3505?, Н = 0,5м, суглинок W = 27%, Но

2 - торф W = 350%, Н = 0,5м,суглинок W = 27%, Но =

< Hp : Hp

Наиболее важным является вопрос ускорения стабилизации положения ВГМ. Занимая свое постоянное положение , оно будет способствовать установлению постоянной толщины деятельного слоя грунта верхней части насыпи. А это , в свою очередь, минимизирует деформации земляного полотна при замораживании-оттаивании грунтов, что положительным образом сказывается на устойчивости и прочности инженерных сооружений, расположенных на насыпи.

В условиях глубокого сезонного промерзания и распространения многолетнемерзлых грунтов важнейшими параметрами состояния насыпи, отсыпанной из переувлажненных мерзлых глинистых и торфяных грунтов, определяющими характер изменения и величины их физико-механических и теплофизических характеристик, являются влажность, фазовое состояние поровой влаги и агрегатное или дисперсное состояние грунта. Поэтому управление водно-тепловым режимом грунтового массива является необходимым и достаточным условием эффективного управления качеством земляного полотна. Методы управления условиями сопряжения с окружающей средой и процессами тепло- и массопереноса внутри системы составляют основной арсенал воздействий, используемых для управления качеством земляного полотна через его водно-тепловой режим. Известная классификационная схема приемов управления криогенными процессами в грунтовых массивах, разработанная Э.Д.Ершовым и В.А.Кудрявцевым, А.А.Цернантом ,была в данной работе дополнена рис.9. В предложенной классификационной схеме наибольший интерес, с позиции совершенствования технологии сооружения насыпи, представляют тепловые диоды и организационно-технологические методы.

Как показали результаты теоретических исследований в разделе 4, при формирование земляного полотна из мерзлых грунтов основными факторами являются: водно-тепловой режим, геометрические параметры насыпи, климатические условия и технология производства работ. Существует прямая связь между температурным режимом насыпи, ее высотой и влажностью грунта. Для обеспечения устойчивости и прочности необходимым условием является установление стабильных характеристик плотности и влажности. Результаты обследований существующих, строящихся и опытных участков инженерных сооружений подтверждают теоретические предпосылки по времени стабилизации основных физико-механических характеристик мерзлых грунтов при использовании в теле насыпи.Толщина нижнего слоя насыпи из мерзлого грунта (существующие способы строительства) назначается без учета температурного режима грунтов основания. Вследствие этого, в зависимости от вида грунта и его влажности, нулевая изотерма может находиться в течение нескольких лет, как в теле насыпи, так и в основании. В этом случае, при отсутствии стабилизированной ( постоянного положения) границы вечной мерзлоты, возникают вертикальные необратимые деформации, протекающие длительный период (5-10 лет). При нахождении верхней границы мерзлоты ниже подошвы насыпи, глубина оттаивания грунта основания будет максимальная.

ю

оо

Рис.9. Классификация методов управления тепловым режимом насыпей

Это, в свою очередь, соответствует максимальному значению суммирующей осадки - осадки грунтов насыпи и осадки грунтов основания. Стабилизировать границу мерзлоты крайне сложно из-за невозможности регулировать водно-тепловой режим в деятельном слое основания, увлажняющегося надмерзлотными и поверхностными водами. В случае положения верхней границы мерзлоты выше подошвы насыпи, ее стабилизация происходит за более короткий промежуток времени (1-3 года), процесс становится управляемым и, кроме того, обеспечивается мерзлое состояние постоянно переувлажненного грунта нижней части насыпи.

Предлагаемый автором способ возведения насыпи из мерзлых глинистых грунтов разработан, исходя из следующих условий: при укладке твердомерзлого грунта в насыпь, толщина рабочего слоя соответствует глубине оттаивания грунта в первый летний период; нулевая изотерма в первый летний период должна проходить по подошве насыпи; по окончании стабилизации физико-механических характеристик грунта в насыпи, верхняя граница мерзлоты должна находиться в насыпи .

В процессе производства работ возможны три случая:

1) н птв > Нотт; 2) н птв < Нет! 3) Нптв — Нотт: где Нптв - проектная толщина слоя твердомерзлого грунта; НОГг - расчетная толщина оттаивания твердомерзлого грунта в насыпи в первый летний период. В первом случае когда НТвп > Н0тт мерзлый грунт укладывается на толщину Нотт- Второй этап соответствует досыпке твердомерзлого грунта до проектных размеров после первого летнего периода. Во втором случае, когда Нтвп < Нотт мерзлый грунт отсыпается не на проектную высоту, а на расчетную толщину оттаивания. В конце первого летнего периода производится разработка лишнего грунта и его перемещение на новое место устройства нижнего слоя или досыпку. После этого производится доведение насыпи до проектных отметок из сыпуче- или сухомерзлых грунтов.

Предлагаемые способы позволяют: сократить сроки стабилизации верхней границы мерзлых грунтов в 2-3 раза по сравнению с традиционными; ускорить осушение твердомерзлых грунтов в средней части насыпи; исключить эрозионные процессы, возникающие при осушении грунта в буртах; сократить затраты на погрузо-разгрузочные работы.

Тепловые экраны, амортизаторы и тепловые диоды по существу являются конструктивными элементами земляного полотна, поэтому вопрос о целесообразности и возможности их применения не может быть конкретно решен без разработки эффективных технологий их устройства. Наиболее экономично использование местных материалов. Применение торфа в качестве теплового диода в настоящий период представляется возможным. Исследованиями Болштянского М.П., Архиповой В.Ф., Линцера A.B. установлены условия, при которых влажность торфа в теле насыпи принимает свое постоянное значение (стабильное) 350% - 400%. Торф является влагоемким материалом и работает как устройство для управления тепловыми потоками в грунтовом массиве, основанное на создании темпе-

ратурной сдвижки за счет циклических изменений плотности теплового потока. Разработанная автором технология возведения насыпи с использованием торфа в нижней ее части (раздел 5), позволяет использовать торфяной грунт, как в качестве теплового диода, так и в качестве материала насыпи. Натурные эксперименты и широкое внедрение, доказывают практичекую значимость полученных результатов.

5. Результаты исследований формирования земляного

полотна с нижним слоем из торфяных грунтов Проверка и уточнение теоретических исследований были проведены в натурных условиях в процессе опытно-производ-ственного строительства. Возведение земляного полотна с использованием торфа в теле насыпи производилось двумя способами: - разработка торфа в боковых резервах экскаваторами-драглайн с укладкой в насыпь: - разработка торфа в сосредоточенном карьере экскаваторами драглайн и с обратной лопатой с погрузкой в автосамосвалы. По первому способу разработано два варианта технологии - зимний и летний. Летний технологический процесс состоит их следующих операций: а) расчистка полосы отвода от леса и кустарника с сохранением мохо-растительного покрова бульдозером болотной модификации; б) разработка торфа с перемещением и отсыпкой в вал по оси трассы. Экскаваторы перемещаются по бермам. По условиям техники безопасности расстояние между экскаваторами в продольном направлении должно быть не менее 30 м; - технологический перерыв, равный 5-10 суткам, необходим для естественной просушки торфа в вале; - уплотнение торфа в вале с последующим приданием ему необходимых проектных геометрических параметров. Эта операция осуществляется проходами в продольном направлении от оси к краю тракторами и бульдозерами болотной модификации. Для получения требуемой плотности и влажности необходимое число проходов машин по одному следу - от 22 до 27; в) - транспортировка песка автосамосвалами и его укладка методом "от себя". Возведение верхнего слоя из песчаных грунтов производится послойно. Первый слой отсыпается толщиной 0,6-0,8 м, последующие по традиционной технологии. Одновременно, слоем толщиной 20-30 см, засыпаются откосы торфяной насыпи. С точки зрения технологичности и трудоемкости выполнения операций, наиболее оптимальным является способ укладки грунта в непрерывный вал. Он позволяет сократить сроки снижения влажности торфа в два-три раза, по сравнению с послойной отсыпкой, до величин, обеспечивающих выполнение последующих технологических операций дорожно-строительной техникой.

При производстве работ в зимнее время, технологические операции в целом соответствуют вышеприведенным. Проходимость экскаваторов неболотной модификации обеспечивается промораживанием берм на глубину не менее 50 см с наступлением морозного периода. Для зимнего варианта технологии при разработке торфа в боковых резервах приемлем только способ послойной укладки или укладка торфа на всю толщину

торфяного слоя. Разработка торфа в сосредоточенном карьере с последующей транспортировкой автосамосвалами предусматривает только послойную отсыпку методом "на себя" с предварительным промораживанием основания для обеспечения проезжаемости автосамосвалов. В зависимости от емкости кузова автосамосвала определяется количество слоев укладываемого материала. Наиболее эффективным является укладка торфа в один слой. Разравнивание грунта производится болотным бульдозером через 1-2 суток. При температуре воздуха ниже 20°С, эта операция может выполняться в конце рабочей смены во избежание чрезмерного смерзания торфа, препятствующего его уплотнению и получению однородного массива. Скомплектованы машино-дорожные отряды, отвечающие требованиям проходимости и местной устойчивости ведущих и вспомогательных машин и обеспечивающие производительность МДО 80-100 м/смену. В процессе исследований проходимости техники, определены области применения землеройно-транспортных машин и условия выполнения основных и вспомогательных операций для "зимней"и "летней" технологии производства работ. На болотах первого типа возможна работа экскаваторов болотной модификации без специальных приспособлений, с обычной ходовой частью - на инвентарных щитах. Операции разравнивания и уплотнения выполняются при влажности торфа, соответственно 900 % и 700 %.

Разработанные технологии прошли производственную проверку и внедрены на нефтегазопромысловых автомобильных дорогах в Среднем Приобье и на Ямбургской группе месторождений I ДКЗ, где торфяные грунты используются в нижних слоях насыпи, взамен минеральных грунтов и для устройства " тепловых диодов". Штамповые испытания показали (М.П.Болштянский, В.А.Семенов, В.Ф.Архипова, В.М. Маркуц), что при толщине слоя супеси 40-60 см модуль упругости на поверхности земляного полотна находится в пределах 180-260кГ/см2 'при диаметре круглого штампа 33см), что соответствует насыпям из минеральных грунтов. Физико-механические характеристики торфа в нижнем слое насыпи стабилизировались в течении одного года.

В целом, результаты многолетних наблюдений за физико-механическими свойствами конструкций с применением торфяных грунтов в теле насыпи, показали их стабильность.

6. Оценка технико-экономической эффективности применения земляного полотна с использованием "нестабильных" слоев

Экономическая эффективность предлагаемого способа стабилизации насыпей выражается в экономии приведенных затрат по предлагаемому способу, в сравнении с существующим.

Капитальные затраты и эксплуатационные расходы по вариантам определяются только по разнице видов и объемов работ, ~ . ^ ' -

В качестве существующего варианта выбирается применяемое на практике мероприятие, позволяющее поддерживать насыпь в эксплуатационном состоянии в течении 10 лет.

В условиях эксплуатации земляного полотна, возведенного на просадочных при оттаивании вечномерзлых грунтах, таким наиболее распространенным мероприятием является двухстадийное возведение насыпи.

На первой стадии производится возведение земляного полотна из мерзлых переувлажненных глинистых и торфяных грунтов. На второй стадии осуществляется досыпка земляного полотна до проектных отметок из сыпуче- или сухомерзлых грунтов.

Через 3 года эксплуатации насыпи наступает термодинамическое равновесие и стабилизация физико-механических параметров грунта в насыпи, вследствие чего прекращаются осадки насыпей (разд 5).

Экономический эффект на десятый год эксплуатации составляет - 0,78тыс.руб/1000м2.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Решена крупная научная проблема, имеющая важное народно-хозяйственное значение, заключающаяся в обосновании возможности и условий использования переувлажненных мерзлых глинистых и торфяных грунтов нарушенной структуры для возведения насыпей в районах распространения вечной мерзлоты.

2. Установлены основные закономерности температурных и деформационных процессов во времени и пространстве, определяющих характер и величину изменений плотности, влажности, температуры и осадки грунтов насыпи и ее основания в периоды строительства и эксплуатации насыпи.

На основе этих закономерностей определены условия формирования во времени насыпей из переувлажненных мерзлых глинистых и торфяных грунтов.

3. Предложена и разработана комплексная модель для прогнозирования параметров водно-теплового режима и напряженно деформированного состояния насыпи из мерзлых грунтов нарушенной структуры, в рамках которой учитывается взаимное влияние температурного поля, распределение влажности и льдистости, напряжений и деформаций.

Модель основана на сочетании в единой связанной системе уравнений основных физических законов сохранения массы и энергии, механики и теплофизики многофазных сред с учетом фазовых превращений и обобщенных опытных данных , о коэффициентах тепловлагоперено-са наряду с уравнениями консолидации грунтов.

4.Разработан алгоритм и компьютерная программа, реализующая расчет квазитрехмерных нестационарных процессов в теле насыпи. Использован метод контрольного объема , позволяющий непосредственно, минуя переход к дифференциальным операторам, аппроксимировать интегральные соотношения алгебраическими зависимостями, что существенным образом упрощает расчетный анализ.

Алгоритм позволяет проводить расчеты для различных фаз строительства и эксплуатации конструкции, начиная с отсыпки насыпи из мерзлых комковатых грунтов, оттаивания, осушения, уплотнения, изменения свойств грунта в процессе строительства и эксплуатации в различные времена года.

Расчетный аппарат позволяет разрабатывать и обосновывать решения по обеспечению устойчивости и прочности насыпи, основанные: на методах управления водно-тепловым режимом грунтовых массивов путем регулирования составляющих внешнего и внутреннего (в грунтовых массивах) теплообмена с целью сохранения вечной мерзлоты в теле насыпи или ограничения глубины ее протаивания; на применении конструкций грунтовых сооружений, приспособленных к знакопеременным перемещениям, возникающим при сезонном промерзании-оттаивании грунтов.

5. Предложена и разработана модель для прогнозирования параметров температурного режима мерзлых грунтов нарушенной структуры в насыпи. Модель основана на решении задачи о фазовом переходе в области неправильной формы с переменными коэффициентами, отражающими теплофизические свойства среды - неоднородного грунтового массива в плоской области.

Модель учитывает влияние геометрических параметров насыпи, характеристик снежного покрова, состояния грунтов (агрегатного или сплошного) и его влажности, плотности.

6. На основе модели температурного поля предложен и обоснован способ управления положением верхней границы мерзлоты в насыпи, являющейся основополагающим фактором устойчивости и прочности конструкции.

7. Разработанные в результате исследований рекомендации использованы при строительстве инженерных объектов нефтегазового комплекса и сети промысловых автомобильных дорог в Среднем Приобье и на Ямбургской группе месторождений I ДКЗ а/д Н-Уренгой - Ямбург-280, Тундра-Песцовое, Н-Уренгой - Коротчаево, Медвежье-Ямбург.

8. Результаты выполненной работы могут быть использованы для решения задачи снижения стоимости земляных работ и ускорения темпов обустройства нефтяных и газовых месторождений на широко распространенных территориях с переувлажненными мерзлыми глинистыми и торфяными грунтами.

Устойчивость и прочность проектируемых грунтовых сооружений обеспечивается регулированием и управлением водно-

теплового режима и напряженно-деформированного состояния насыпей на стадиях их проектирования, строительства и эксплуатации. Результаты использованы в ряде нормативно-технических документов.

Основные публикации по теме диссертации Нормативные технические документы:

1. Методические рекомендации по использованию торфа в нижней части насыпи при строительстве автомобильных дорог на болотах. -Москва, СоюздорНИИ, 1973г.

2. Инструкция по проектированию автомобильных дорог нефтяных промыслов Западной Сибири. ВСН 26-80. - Тюмень, Гипротюменьнеф-тегаз, 1981г.

3. Инструкция по проектированию и строительству промысловых автодорог на нефтяных и газовых месторождениях Западной Сибири. ВСН 26-90. - Тюмень, Гипротюменьнефтегаз, 1991г.

Отдельные издания:

1. Шуваев А.Н. Земляное полотно из мерзлых грунтов. - М.: Недра, 1997, с.155.

Основные периодические издания: 1. Шуваев А.Н., Линцер A.B., Болштянский М.П. и др. Применение торфа в качестве материала для возведения нижней части земляного полотна при строительстве нефтепромысловых автомобильных дорог в Западной Сибири. - М.: РНТС ВНИИОЭНГ: Нефтепромысловое строительство, N8, 1971, 15-18с.

2 . Шуваев А.Н., Линцер A.B., Семенов В.А. и др. Применение торфа в конструкциях нефтепромысловых автомобильных дорог Западной Сибири. - Калинин: Материалы к первой Всесоюзной конференции по строительству на торфяных грунтах, 1972, с.24-30.

3. Шуваев А.Н., Архипова В.Ф. и др. Уплотнение торфа, используемого в насыпях нефтепромысловых автомобильных дорог Западной Сибири. - РНТС ВНИИОЭНГ: Нефтепромысловое строительство, N1,1972.

4. Шуваев А.Н., Линцер A.B., и др. Технология возведения торфяных насыпей при строительстве внутрипромысловых автомобильных дорог Западной Сибири. - М. Нефтепромысловое строительство, N9, 1974, 6-10 с.

5. Шуваев А.Н., Семенов В.А., Архипова В.Ф. и др. Применение торфа в качестве материала насыпи при строительстве подземных внутри-промысловых автомобильных дорог Западной Сибири. - Труды ТИИ, вып.29, 1974, с.14-18.

6. Шуваев А.Н. Исследования водно-теплового режима на Севере Тюменской области. - Тюмень. Сборник трудов ТюмИСЙ, 1990г.

7. Шуваев А.Н., Аксенов Б.Г. Алгоритм расчета времени консолидации насыпи частично построенной из мерзлого грунта. - М., НТС, ВНИИОЭНГ, 1990г.

8. Шуваев А.Н., Аксенов Б.Г. Алгоритм и програмные средства для прогноза процесса консолидации насыпи автомобильных дорог, по-

строенных из мерзлых грунтов. - М..НТС, ВНИИОЭНГ, 2 выпуск, 1992, 11-13с.

9. Шуваев А.Н., Аксенов Б.Г., Фаттахов Б.Р. Моделирование процесса консолидации насыпи автомобильной дороги, отсыпанной из мерзлых грунтов,-Новосибирск:Изв. вузов. Строительство, N10, 1993,911 с.

10. Шуваев А.Н., Аксенов Б.Г. Механизм влагопереноса при консолидации промерзающих грунтов. - Новосибирск: Изв. вузов. Строительство, N4, 1994, 67-71 с.

11. Шуваев А.Н. Разработка конструкции и технологии строительства автодорог с использованием ресурсосберегающих местных дорожно-строительных материалов. - Омск: Совершенствование методов проектирования и строительства автомобильных дорог России, 1994, 57-59с.

12. Шуваев А.Н. Температурное поле земляного полтна, возведенного из мерзлых переувлажненных грунтов. - Кемерово: Сборник научных трудов "Совершенствование методов проектирования и строительства автомобильных дорог горнодобывающих предприятий", 1997, 72-77 с.

13. Шуваев А.Н. Стабилизация земляного полотна, возведенного из мерзлых грунтов. - Кемерово: Сборник научных трудов "Совершенствование методов проектирования и строительства автомобильных дорог горнодобывающих предприятий", 1997, 77-82 с.

14. Шуваев А.Н. Экспериментальные исследования осадки земляного полотна, возведенного из мерзлых грунтов, при их оттаивании. -Кемерово: Сборник научных трудов "Совершенствование методов проектирования и строительства автомобильных дорог горнодобывающих предприятий", 1997, 82-87 с.

В тезисах докладов, сборников трудов конференций:

1. Шуваев А.Н. К вопросу о водно-тепловом режиме автомобильных дорог применительно к районам газовых месторождений ЗСНГК. Тезисы докладов НПК "Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации промысловых дорог газовых месторождений ЗСНГК". - Тюмень, Областной совет НТО, 1988.

2. Шуваев А.Н., Полуяхтова Л.Е. К вопросу по обоснованию проектной отметки земляного полотна в I дорожно-климатической зоне. Тезисы докладов международной научно-технической конференции "Нефть и газ Западной Сибири",-Тюмень, ТНГУ, 1996.

3. Шуваев А.Н. Новая концепция обоснования конструкций транспортных сооружений в районах распространения вечной мерзлоты. Тезисы докладов международной научно-технической конференции "Нефть и газ Западной Сибири".-Тюмень, ТНГУ, 1996.

4. Шуваев А.Н., Салдаева О.Г. Осушение грунтов земляного полотна. Тезисы докладов республиканской научно-технической конференции "Проблемы дорожного строительства".- Суздаль, 1996.

5. Шуваев А.Н. К вопросу по использованию мерзлых грунтов в земляном полотне автомобильных дорог". Тезисы докладов республиканской научно-технической конференции "Проблемы дорожного строительства".- Суздаль, 1996.

6. Шуваев А.Н., Аксенов Б.Г., Кушакова Н.П. Водно-тепловой режим насыпи. Сборник тезисов докладов научно-технической конференции ТюмИСИ- Тюмень, ТюмГАСА, 1996.

7. Шуваев А.Н. Формирование деятельного слоя в основании насыпи. Сборник тезисов докладов научно-технической конференции ТюмИСИ.-Тюмень, ТюмГАСА, 1996.

8. Шуваев А.Н., Полуяхтова Л.Е. Снегозаносимость земляного полотна автомобильных дорог в I дорожно-климатической зоне. Сборник тезисов докладов научно-технической конференции ТюмИСИ,- Тюмень, ТюмГАСА, 1996.

9. Шуваев А.Н., Аксенов Б.Г. Влагоперенос при консолидации мерзлых грунтов в земляном полотне. Сборник тезисов докладов научно-технической конференции ТюмИСИ.- Тюмень, ТюмГАСА, 1996.

10. Шуваев А.Н., Аксенов Б.Г. Консолидация насыпи из мерзлых грунтов в первый год эксплуатации. Сборник тезисов докладов научно-технической конференции ТюмИСИ,- Тюмень, ТюмГАСА, 1996.

11. Шуваев А.Н., Матейкович С.И., Елькин Б.П. Нормативы ассигнований на содержание автомобильных дорог общего пользования ЯНАО. Сборник тезисов докладов научно-технической конференции ТюмИСИ,-Тюмень, ТюмГАСА, 1996.

В научных отчетах:

1. Шуваев А.Н. Разработка конструкций и технологии строительства автомобильных дорог с использованием ресурсосберегающих местных дорожно-строительных материалов. Программа "Строительство" Комитета по высшему и среднему специальному образованию РФ. Отчет , № государственной регистрации 01.92.0000421.-Тюмень, 1993, 148 с.

2. Шуваев А.Н. Разработка ресурсосберегающих конструкций при строительстве автомобильных дорог в районах распространения вечной мерзлоты. Отчет, № государственной регистрации 01.87.0056019. -Тюмень, 1989, 90 с.

Тюменская государственная архитектурно-строительная академия

На правах рукописи

Шуваев Анатолий Николаевич

Теоретические основы и практические методы сооружения насыпей с использованием мерзлых глинистых и торфяных грунтов

05.15.13 - Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов,

баз и хранилищ

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант: заслуженный деятель науки и техники РФ,

академик Академии транспорта, доктор технических наук, профессор

ОГЛАВЛЕНИЕ

Общая характеристика работы....................................................................6

Введение.....................................................................................................11

I. Состояние вопроса. Цель и задачи исследований................................18

1.1.Грунтовые насыпи при обустройстве нефтяных и газовых месторождений Западной Сибири.............................................................................18

1.2.Транспортные насыпи с использованием мерзлых глинистых и торфяных грунтов, применяемые при освоении нефтяных и газовых месторождений.....................................................................................................20

1.2.1.Состояние транспортных сооружений, построенных с использованием мерзлых глинистых и торфяных грунтов в теле насыпи земляного полотна........................................................................................................20

1.2.2.Процессы формирования во времени насыпей в районах распространения вечномерзлых грунтов..............................................................32

1.2.3.Анализ действующих нормативных документов, используемых при строительстве насыпей промысловых дорог на вечномерзлых грунтах и заболоченных территориях.......................................................................48

1.3.Прогнозирование теплофизических процессов в насыпях................62

пи.......................................................

2.1.Общая методика исследований 2.2. Теоретические исследования...

.91 91

2.3.Лабораторные исследования по определению физико-механических и теплофизических характеристик талых и мерзлых грунтов нарушенной

структуры.....................................................................................................95

2.4.Опыты по определению напряженно-деформированного состояния

мерзлых грунтов при оттаивании в грунтовом лотке..............................101

2.5.Изучение температурного режима и консолидации мерзлых грунтов

при оттаивании в модельной насыпи......................................................106

2.5.1 .Моделирование геометрического и механического подобия насыпи из мерзлого комковатого грунта...............................................................106

2.5.2.Испытание мерзлого грунта в модельной насыпи.........................111

2.5.3.Полевые испытания напряженно-деформированного состояния и водно-теплового режима насыпи.............................................................114

3. Исследования по применению торфяных грунтов в теле насыпи.....123

3.1.Общая методика исследований.........................................................123

3.2. Отработка технологии производства работ в полевых условиях... 123

4.Теоретические предпосылки формирования насыпей из мерзлых и торфяных грунтов во времени.................................................................129

4.1. Математическое моделирование водно-теплового режима и напряженно-деформированного состояния мерзлых грунтов нарушенной структуры в теле насыпи..........................................................................129

4.2. Основы комплексного (сопряженного) расчета водно-теплового режима и напряженно-деформированного состояния грунтов насыпи...............................................................................................................153

4.3. Математическое моделирование температурного режима насыпи из мерзлых грунтов при решении частных задач........................................158

4.3.1. Расчет теплового режима..............................................................158

4.3.2.Влияние геометрических размеров насыпи и снежного покрова на температурное поле земляного полотна.................................................163

4.4. Устойчивость торфяного основания при возведении земляного полотна с использованием торфа в нижней его части...............................170

4.5. Обеспечение местной устойчивости и проходимости дорожно-строительных машин при возведении торфяных насыпей....................173

4.6. Разработка технологии работ по устройству нижнего слоя насыпи из торфа.........................................................................................................178

5. Результаты исследований по формированию насыпей, построенных с использованием мерзлых грунтов...........................................................180

5.1. Динамика стабилизации температурного режима насыпи, сооружаемой с использованием мерзлых грунтов.................................................180

5.2. Консолидация мерзлых грунтов в насыпи........................................190

5.3. Стабилизация физико-механических характеристик мерзлых грунтов в насыпи....................................................................................................201

5.4. Полевые обследования насыпей, построенных с использованием мерзлых грунтов.......................................................................................209

5.5. Лабораторные исследования мерзлого грунта при оттаивании в грунтовом лотке........................................................................................216

5.6. Рыхление мерзлых грунтов...............................................................221

5.7. Управление водно-тепловым режимом насыпи, отсыпанной из мерзлого грунта........................................................................................230

5.8. Организационно-технологические методы......................................233

5.9. Инженерные методы..........................................................................239

6. Результаты исследований формирования земляного полотна с нижним слоем из торфяных грунтов.............................................................242

6.1. Формирование слоя из торфяного грунта в процессе технологического цикла................................................................................................242

7.Оценка технико-экономической эффективности применения земляного полотна с использованием "нестабильных" слоев при оптимальном процессе формирования насыпей из мерзлых и торфяных грун-

tob..............................................................................................................260

Заключение...............................................................................................2^

Литература................................................................................................268

Приложения...............................................................................................

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из основных проблем, которая серьезно осложняет реализацию программ освоения нефтянных и газовых месторождений и транспортного строительства, предусмотренных "Основными направлениями развития энергетического комплекса РФ" и " Дороги России", является обеспечение требуемых обьемов грунта для отсыпки площадок под обьекты при обустройстве нефтяных и газовых месторождений, а также, для возведения земляного полотна транспортных сооружений в районах распространения вечной мерзлоты и болотистой местности.

Эти районы, занимающие 69 % территории РФ, характеризуются суровыми климатическими и неблагоприятными грунтово-геологичес-кими условиями, отсутствием талых дренирующих грунтов. Для обеспечения прочности и устойчивости грунтовых насыпей в таких районах, выполняют большой обьем земляных работ при значительной дальности возки грунта и проведении подготовительных работ по его сушке.

Одним из основных путей решения указанной проблемы является переход к нетрадиционным ( специальным ) способам возведения насыпей, где в качестве исходного материала применяются переувлажненные мерзлые глинистые и торфяные грунты. Их применение позволяет уменьшить стоимость и ускорить темпы строительства при обустройстве месторождений.

Исследования сооружения насыпей нетрадиционными способами проводились автором с 1970 по 1996 гг. в рамках выполнения тематического плана научно-исследовательских и опытно-экспериментальных работ Минтрансстроя СССР, Министерства нефтяной и газовой промышленности, Министерства высшего и среднего образования РФ.

Целью исследования являлась разработка научных основ сооружения насыпей различного назначения, отсыпаемых при строительстве трубопроводов, баз и хранилищ из переувлажненных мерзлых глинистых и торфяных грунтов с установлением механизма формирования тела насыпи и обоснования основных методов управления процессом формирования насыпи при производстве работ в районах вечной мерзлоты.

Научная новизна работы заключается в установлении основных закономерностей водно-тепловых процессов и изменений напряженно-деформированного состояния насыпей во времени и пространстве, определяющих характер и величину изменений плотности, влажности, температуры грунта и осадки насыпей, сооружаемых из переувлажненных мерзлых глинистых и торфяных грунтов в районах вечной мерзлоты.

В рамках решения этой задачи:

- разработана комплексная модель для сопряженного расчетно-теоретического анализа и прогнозирования водно-теплового режима и напряженно-деформированого состояния переувлажненных глинистых мерзлых грунтов нарушенной структуры в теле насыпи в процессе ее формирования (технологии строительства) и эксплуатации;

- рассмотрены различные модификации нестандартных моделей (трехмерная, квазитрехмерная, двухмерная, одномерная ) в интегральной и дифференциальной формах, для обеспечения универсальности моделей и простоты анализа отдельных определяющих явлений;

- разработан алгоритм и компьютерная программа для реализации расчета нестандартных моделей нестационарных процессов при формировании и эксплуатации насыпей из мерзлых переувлажненных глинистых и торфяных грунтов;

- обосновано введение безразмерного критерия начала локального морозного пучения грунта, при этом параметры интенсивности кристаллизации льда, объемной деформации, остаточного (защемленного) объема газа и относительных объемов фаз находятся в предложенном вычислительном процессе;

- разработаны основные организационно-технологические способы формирования насыпей из нестабильных слоев, отсыпанных из переувлажненных мерзлых глинистых грунтов нарушенной структуры ;

- разработана технология возведения насыпей из торфяных грунтов, используемых в нижней части земляного полотна и условия обеспечения местной устойчивости и проходимости землеройно-транспортных машин в процессе технологического цикла.

На защиту выносятся: механизм формирования насыпей, отсыпаемых из переувлажненных мерзлых глинистых и торфяных грунтов нарушенной структуры и метод прогнозирования водно-теплового режима и напряженно-деформированного состояния грунтовых сооружений в районах, занятых вечной мерзлоты.

Достоверность научных положений и рекомендаций по технологии и организации строительства, содержащихся в диссертационной работе, подтверждена результатами комплекса экспериментов, выполненных в лаборатории, на стендах, полигонах, при строительстве опытных участков, на эксплуатируемых насыпях, а также, данными систематических многолетних наблюдений за элементами, формирующими водно-тепловой режим и напряженно-деформированное состояние земляного полотна на участках дорог, обслуживаемых постоянными станциями, и эпизодических наблюдений на специальных постах. При проведении исследований использованы современная стандартная, в том числе радиометрическая аппаратура для измерения физико-

механических и теплофизических характеристик и созданные автором стенды, аппаратура и приборы.

Практическая значимость работы состоит в решении крупной народно - хозяйственной проблемы при строительстве насыпей обьек-тов нефтегазового комплекса, автомобильных и железных дорог, в гидротехническом строительстве за счет более широкого и обоснованого использования местных переувлажненных мерзлых глинистых и торфяных грунтов в теле насыпей, на основе выявленных закономерностей механизма формирования насыпных конструкций из этих грунтов.

Реализация работы. Результаты исследований использованы при составлении "Методических рекомендаций по использованию торфа в нижней части насыпи при строительстве автомобильных дорог на болотах". Москва, СоюзДорНИИ, 1973 г.. Инструкции по проектированию автомобильных дорог нефтяных промыслов Западной Сибири. ВСН 2680. - Тюмень, Гипротюменьнефтегаз, 1981г.. Инструкция по проектированию и строительству промысловых автодорог на нефтяных и газовых месторождениях Западной Сибири. ВСН 26-90. - Тюмень, 1991г..

Апробация работы. Содержание работы и результаты исследований в полном объеме доложены, обсуждены и одобрены на научно-технических конференциях в ТюмИСИ, Союздорнии, ТИИ (1972-1997). На научно-производственных конференциях и совещаниях " Нефть и газ Западной Сибири", " Проблемы обустройства ЗСНГК", " Проблемы повышения качества строительства промысловых автомобильных дорог" в г. Новый Уренгой, Нижневартовск , Тобольск, Сургут, Надым, Салехард, Тюмень (1972-1997). На кафедре "Автомобильные дороги" Томского государственного архитектурно-строительного университета (1997), на заседании Ученого Совета по защите докторских диссертаций Тюменского государственного университета (1997). На научно-технических совеща-

ниях в рамках государственной научной программы комитета ВО РФ "Строительство " (1992, 1993 ) в г. Воронеж, Белгород.

Публикации. Основная часть выполненных теоретических и экспериментальных исследований по указанной проблеме вошла в книгу "Земляное полотно из мерзлых грунтов", Недра, Москва., 1997г., 154стр. По теме диссертационной работы опубликовано 28 печатных работ, из них в центральной печати 17.

Объем диссертации. Диссертация состоит из введения и семи глав, объемом 289 стр.; в том числе: основного текста 285 стр., 62 рисунка, 5 таблиц на 5 стр., списка использованной литературы из 188 наименований, 3 приложения на 4 стр.

Работа выполнена на кафедре "Автомобильные дороги" Тюменской государственной архитектурно-строительной академии. Автор выражает глубокую признательность специалистам, оказавшим помощь в проведении работы на разных ее этапах : Заслуженному деятелю науки и техники РФ, академику Академии транспорта РФ, доктору технических наук, профессору Казарновскому В.Д., доктору технических наук, академику РАЕН А.Б.Шабарову, доктору технических наук, профессору Лин-церу A.B., кандитату технических наук, чл.-кор. Академии транспорта В.А.Кретову, кандидату технических наук, доценту Болштянскому М.П., главному инженеру треста Уренгойдострой Н.Л. Шварцману, управляющему трестом Надымдорстрой В.Д. Блинову, доктору физико-математических наук, профессору Б.Г.Аксенову, сотрудникам кафедры "Автомобильные дороги" И.А.Солдатову, В.В.Скрипке.

ВВЕДЕНИЕ

Развитие Западно-Сибирского региона, являющегося основной топливно-энергетической базой России, предопределяет интенсивное строительство, ремонт и реконструкцию промышленных и гражданских объектов с использованием больших земляных масс. Это связано с тем, что наличие вечной мерзлоты и торфяных болот не позволяет применять естественные грунты природного залегания в качестве оснований возводимых сооружений. Строительство производится на насыпях, отсыпаемых из местных грунтов. В Западной Сибири за последние 15 лет по нефтяной отрасли производится до 130 млн. кубометров грунта в год по газовой, только в системе Минтрансстроя, до 32 млн. кубометров.

Интенсивное развитие нефтегазового комплекса в настоящее время осуществляется за счет ввода новых месторождений на территориях наиболее удаленных от развитых районов нефтегазодобычи. Современные магистральные трубопроводы являются сложными комплексами, включающими, кроме собственно трубопроводов и промежуточных перекачивающих станций, транспортные, промышленные, административные, хозяйственные и другие сооружения.

Поэтому общий уровень расходов по земляным работам в трубопроводном строительстве не снижается, а остается достаточно высоким и является одним из факторов высокой себестоимости энергетической продукции. Низкие темпы производства земляных работ и значительные затраты иногда сдерживают на несколько лет добычу полезных ископаемых в удаленных и труднодоступных районах Западной Сиби-ри(Заполярье, Ямбург, п-ов Ямал и т.д.). Основной причиной такого положения является отсутствие возможности использовать традиционные способы и методы возведения насыпей.

Действующие нормы по проектированию и строительству насыпей объектов нефтегазового комплекса, в промышленно-гражданском, гидротехническом и транспортном (автомобильные и железные дороги) строительстве предусматривают в основном использование грунта в конструкциях в талом виде. Однако, в естественных условиях существует период с отрицательными температурами, и грунт в конструкциях земляного полотна обязательно оказывается в течении того или иного времени в мерзлом состоянии. При последующем переходе грунтов в талое состояние возникают соответствующие деформации грунтов насыпи. При определенных условиях эти деформации могут быть настолько значительны, что неучет их может повлиять на устойчивость и прочность, находящихся на них сооружений.

Реально эта проблема может возникнуть при использовании мерзлых грунтов для возведения насыпи ( например, при производстве работ в зим