Оценка воздействия сил морозного пучения грунта на прибрежные сооружения в суровых климатических условиях

В представленной работе анализируются результаты исследований в области определения степени пучинистости грунта. Определены факторы, влияющие на формирования морозного пучения грунта к которым относится ряд климатических, геологических и техногенных факторов. Дается характеристика основных составляющих пучинистых грунтов, к которым относятся твердые минеральные частицы, вязко-пластичные включения льда, незамерзающая или прочносвязанная вода и газообразные включения. Описывается методика определения степени пучинистости грунта, приведенная в нормативной документации [1]. Производится поиск современного лабораторного оборудования для определения относительной деформации морозного пучения грунта на основании, которого выдвигается коммерческое предложение (см. приложение 1).
Проведено исследование напряженно-деформированного состояния грунтов в конструкции оболочки в процессе сезонного промерзания. При промерзании каждый из элементарных слоев грунта поочередно вступает в стадии: начального промерзания, активного промерзания и охлаждения. Наличие в таком грунте сооружения обуславливает их силовое и деформативное взаимодействие. На стадии начального промерзания происходит частичное замерзание свободной грунтовой воды и начинает формироваться морозная (криогенная) текстура грунта, происходит смещение и уплотнение минеральных частиц. В процессе активного промерзания и пучения происходит полное замерзание свободной воды и воды, поступающей в грунт вследствие криогенной миграции. В этой стадии грунт перемещается вверх и резко возрастают внутренние напряжения в горизонтальном направлении. Деформации и давление морозного пучения грунта возникают и развиваются в ограниченном по толщине слое грунта, переходящем из пластичномералого состояния в твердомерзлое. На стадии охлаждения, замерзание еще незамерзшей воды, имеющейся в мерзлом грунте, почти не вызывает увеличения объема грунта и приводит только к увеличению внутренних напряжений. Деформации морозного пучения в этой стадии незначительны. Перемещение грунта происходит только под влиянием давления нижележащего слоя, находящегося в стадии активного промерзания.
Адаптирована методика определения нагрузки на сооружения из заполненных оболочек от действия сил морозного пучения грунта. Определение влияния морозного пучения грунта на оболочку следует ввести поэтапно, прикладывая нагрузку, величина которой получена в результате расчетов по формулам 3.8 и 3.9. Расчет оболочки сводится к приложению давления морозного пучения грунта, в каждой точке по ее высоте и определению деформации конструкции от этого давления. Величина деформации оболочки не должна превышать допустимого значения для заданных условий.
Выполнен анализ численной модели взаимодействия сооружений из заполненных оболочек с грунтом при сезонном промерзании. Производится сравнительный анализ численного и аналитического методов определения давления морозного пучения грунта на сооружения из заполненных оболочек, который показал значительные расхождения результатов численного и аналитического решения, что позволяет поставить задачу экспериментальной проверки полученных результатов и дальнейшей корректировки модели «The Frozen and Unfrozen Soil Model».
Определена зависимость степени пучинистости грунта от коэффициента α, определяющего отношение заглубления конструкции оболочки к ее высоте α=f(ε_fh).
Полученные результаты могут быть использованы в расчете давления от действия сил морозного пучения грунта при проектировании причальных сооружений из заполненных оболочек в районах с сезонным промерзанием-оттаиванием грунтов. Результаты могут быть использованы для корректировки проектных решений во время строительства, а также в процессе эксплуатации для установления причин деформаций конструкций.

Актуальность работы. Большие территории Российской Федерации ха-рактеризуются суровыми природно-климатическими условиями, достаточно продолжительным зимним и коротким летним периодом. В настоящее время отдельные виды зданий и инженерных сооружений возводятся с использованием в основаниях и обратных засыпках пучинистых грунтов. Практика строительства на этих территориях выдвигает новые задачи разработки методов расчёта.
В связи с освоением природных богатств и энергетических ресурсов Севера европейской части, Урала, Сибири и Дальнего Востока предполагается строительство новых объектов энергетики, транспортных коммуникаций, дальнейшего развития жилищно-коммунального строительства. В 2012 году принят федеральный закон № 132-ФЗ «О внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации в части государственного регулирования торгового мореплавания в акватории Северного морского пути», которым предусмотрен ряд мер по развитию СМП, создано распоряжением Правительства РФ от 15 марта 2013 г. № 358-р. Существует международный проект «Северный морской коридор» по созданию на базе Северного морского пути единой транспортной системы портов и инфраструктуры в северной части Европы.
Это предопределяет потребность решения ряда проблем, связанных с обеспечением прочности устойчивости и снижением стоимости и трудоёмкости строительства сооружений, возводимых с использованием сезоннопромерзаемых пучинистых грунтов. Вопросу строительства с использованием пучинистых грунтов уделялось большое внимание. В основном исследователи изучали вертикальные силы морозного пучения и деформации в этом направлении применительно к фундаментам мелкого заложения. Горизонтальное давление, действующее на стены подземных сооружений при промерзании/оттаивании грунтов, остается малоизученным. Не известны количественные величины и не разработаны методы учета горизонтального давления, что препятствует принятию экономичных про-ектных решений. С другой стороны, недооценка давления, возникающего при промерзании пучиниcтого грунта, ведет к повреждению стен подземных соору-жений и требует дополнительных затрат на их восстановление. Таким образом, оценка величины и исследование закономерностей развития горизонтального давления, действующего на подземные сооружения (подпорные сооружения, оболочки) в результате промерзания грунта, а также разработка методики его определения и учета является одним из малоисследованных вопросов.
Изучение пучинистости грунтов является актуальным, так как морозное пучение оснований сооружений приводит к неравномерным деформациям кон-струкций, нарушает проектные режимы работ, а также является серьезным пре-пятствием при освоении территорий.
Степень разработанности темы исследований.
Расчетная оценка сил и деформаций морозного пучения развивалась с начала ХХ столетия усилиями Войслава С.Г., Вялова С.С., Голли О.Р., Голь-дштейна М.Н., Далматова Б.И., Ершова Э.Д., Зайцева В.Н., Карлова В.Д., Кима В.Х., Киселева М.Ф., Кудрявцева С.А., Мельникова А.В., Морарескула Н.Н., Невзорова А.Л., Орлова В.О., Перетрухина Н.А., Полянкина Г.Н., Пускова В.И., Роман Л.Т., Сахарова И.И., Алексеев А.Г., Толкачева Н.А., Улицкого В.М., Хачикянц Е.И., Цытовича Н.А., Штукенберга В.И., Anderson D.M., Teber S., Beskow G., Penner E. и др.
Существующие методы расчета степени пучинистости грунтов, используемые в нормативной документации и проектных рекомендациях, дают неоднозначную оценку воздействий на подпорные гидротехнические сооружения, используемую при расчете на действие сил морозного пучения.
Данные вопросы рассматривается в статье 2010 г. «Совершенствование методики определения пучинистых свойств грунтов» В.А. Шорин, Г.Л. Каган, А.Ю. Вельсовский. Также вопросы воздействия сил морозного пучения грунта на подпорные сооружения рассматриваются в статье 2010 г. «Воздействие морозного пучения грунта на подпорные стены гидротехнических сооружений» Е.В. Максименко, С.Н. Левачев.
Объектом исследования являются прибрежные и подпорные сооружения в районах глубокого сезонного промерзания грунта.
В качестве предмета исследования выступает напряженно-деформированное состояние системы «сооружение – грунт» при действии сил морозного пучения.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является развитие методики определения нагрузки на прибрежные сооружения от действия сил морозного пучения грунта в результате комплексного исследования температурного и напряженно-деформированного состояния пучинистого грунта засыпки в процессе замораживания-оттаивания.
Для достижения поставленной цели в работе решается комплекс задач, связанных с процессом морозного пучения грунта, включающий:
1. Обзор источников и анализ результатов исследований в области определения степени пучинистости грунта.
2. Анализ существующих методов расчета сил морозного пучения грунта на подпорные сооружения различных конструктивных решений.
3. Адаптацию методики определения нагрузки от действия сил мо-розного пучения на подпорные сооружения со сложной формой напорной грани.
4. Разработку численной модели сооружения из заполненных оболочек, воспринимающих нагрузку от действия сил морозного пучения грунта.
Научная новизна работы. Описание процесса и реализация в программном комплексе сезонного формирования толщи мерзлого грунта в составе обратной засыпки сооружений.
Теоретическая и практическая значимость исследования.
Практическая значимость исследования:
Адаптированная методика оценки действия сил морозного пучения грунта может быть использована при проектировании прибрежных гидротехнических сооружений в суровых климатических условиях. Это позволит обеспечить надежность их расчёта и получить существенный экономический эффект за счёт увеличения срока эксплуатации.
Теоретическая значимость исследования:
Развитие методов моделирования воздействия сил морозного пучения на прибрежные сооружения.
Методология и методы исследования.
1. Адаптация существующих методик расчета сил морозного пучения грунта с учетом конфигурации сооружения.
2. Сравнение данных расчетов и имеющихся результатов эксперимен-тальных исследований.
Положения, выносимые на защиту:
• новые положения методики расчета сил морозного пучения грунта на подпорные сооружения с учетом формы напорной грани;
• математическая модель сооружения из заполненных оболочек с уче-том процесса сезонного промерзания-оттаивания грунта, разработанная в про-граммном комплексе PLAXIS;
• анализ расчетов по аналитическому и численному методам оценки воздействия морозного пучения грунта.
Степень достоверности результатов исследования обеспечивается применением основных положений и моделей механики деформированного твердого тела и мерзлых грунтов, сравнением результатов математического моделирования с известными аналитическими решениями.
Личный вклад автора состоит в проведении численных расчетов по определению влияния морозного пучения грунта на конструкцию оболочки прибрежного сооружения.
Апробация работы. Результаты работы были доложены на семинарах кафедры гидротехники, теории зданий и сооружений.