Суровый холодный климат, а также распространение многолетнемерзлых грунтов (ММГ) осложняют эксплуатацию северных аэродромов, требующую применения особых мер надежности и безопасности. Деградация ММГ провоцирует развитие опасных криогенных процессов, вызывающих деформации основания взлетно-посадочных полос — основных элементов в составе аэродрома, т.к. по ним движутся самолеты в самые сложные этапы полета. Также оттаивание ММГ и изменения влажностного режима грунтов может провоцировать развитие карста, представляющего большую опасность для инженерных сооружений. Сложные условия эксплуатации требуют применения современных программных комплексов для точного прогнозирования динамики температуры ММГ.
В данном примере приводится моделирование температурного режима грунтов в основании взлетно-посадочной полосы в программном комплексе Frost 3D. Прогнозный расчет проводился с учетом отепляющего воздействия расположенной поблизости реки и фильтрации грунтовых вод.
Прогноз температурного режима грунтов основания
взлетно-посадочной полосы в программном комплексе Frost 3D
Постановка задачи
Рассматриваемый участок представляет собой фрагмент взлетно-посадочной полосы длиной 250 м, расположенной в Нюрбинском районе Республики Саха (Якутия), в области распространения ММГ. Прогноз температурного режима грунтов основания взлетно-посадочной полосы выполнен для участка сближения с рекой, гидрологический и температурный режим которой оказывают негативное влияние на ММГ.
Цели проведения расчета:
- подтвердить, что конструкция покрытия взлетно-посадочной полосы с применением теплоизоляционного экрана из экструдированного пенополистирола (ЭППС) толщиной 100 мм позволяет сохранить сезонно-талый слой (СТС) в пределах грунтового основания на протяжении всего периода эксплуатации;
- обосновать мероприятия по установке противофильтрационной завесы из 86 отдельностоящих сезонно-действующих охлаждающих устройств (СОУ), погруженных в грунт на 10 м, для снижения воздействия реки на грунты в основании взлетно-посадочной полосы.
Инженерно-геологическое строение участка строительства.
Разрезы А-А, Б-Б. Узел А
План участка взлетно-посадочной полосы
Инженерно-геологическое строение участка неоднородное:
В основании взлетно-посадочной полосы – переслаивание мергеля и известняка морозных, перекрытых супесями и суглинками, в том числе с включениями щебенистого и дресвяного грунтов. В пределах реки и ее поймы – суглинок и супесь галечниковая залегают в основании разреза, дресвяный грунт и пески средней крупности – в верхней части разреза.
Геокриологические условия:
ММГ преимущественно сливающегося типа, мощностью до 300 м. В основании взлетно-посадочной полосы температура грунтов изменяется от -1,5 до -1°С, ближе к реке температура грунтов повышается до -0,8…-0,6°С, непосредственно под рекой и её поймой расположен талик глубиной до 14 м. Величина СТС составляет 2,5-3,0 м.
Гидрологические условия:
Река относится к бассейну р. Вилюй, сток – сезонный, происходит только в весенне-летний период. Питание реки смешанное, преимущественно – за счет таяния снега и выпадения осадков. Для реки характерно пойменное меандрирование с образованием стариц. Ширина русла – от 10 до 25 м, глубина – до 2 м. В непродолжительный период половодья ширина реки увеличивается до 100 м, а глубина реки – до 4 м.
Гидрогеологические условия:
Грунтовые воды отсутствуют. В летний период возможно образование надмерзлотных безнапорных вод («верховодки») в пределах СТС. Участок относится к сезонно подтапливаемому в естественных условиях. При деградации ММГ и переходе их в несливающийся тип становится возможной инфильтрация речной воды в пески и дресвяный грунт. Расположенные в основании взлетно-посадочной полосы мергель и известняк в талом состоянии могут быть подвержены размыванию и выщелачиванию.
Климат:
Климат резко континентальный и засушливый, с продолжительной холодной зимой и теплым летом. Температура самого холодного месяца (январь) составляет -35,2°С, самого теплого (июль) – 17,5°С, в среднем за год -8,4°С. Для Нюрбинского района характерно небольшое количество осадков (менее 300 мм за год), выпадающих преимущественно в теплое время года. Высота снегового покрова в естественных условиях не превышает 30 см. Скорость ветра в течение года составляет от 2 до 3 м/с.
Объект строительства
Взлетно-посадочная полоса (класс Г по «Нормам годности к эксплуатации гражданских аэродромов») имеет искусственное покрытие и габариты 36×1700 м и обеспечивает эксплуатацию тяжёлых региональных самолётов.
Грунтовое основание из щебенистого грунта, не подвергающегося деформациям при промерзании и оттаивании. Высота грунтового основания в пределах участка моделирования изменяется от 2,5 до 6 м, вследствие слабопересеченного рельефа с перепадами высот до 3,5 м. На одном из участков планируется произвести срезку грунта до 1 м, что позволит снизить общий объем земляных работ.
Согласно СП 121.13330.2019, для грунтов основания принят I принцип использования грунтов в качестве естественных оснований аэродромного покрытия. Для сохранения грунтов основания в мерзлом состоянии в течение периодов строительства и эксплуатации применен теплоизоляционный экран толщиной 100 мм, укладываемый в основании искусственного покрытия из плит ПАГ-14.
Трехмерная модель участка строительства взлетно-посадочной полосы на ММГ
Граничные условия, учитываемые при моделировании взлетно-посадочной полосы
Моделирование температурного режима грунтов основания
Этап адаптации модели
На этапе адаптации выполняется построение трехмерной геологической модели, на основе которой в дальнейшем будет производиться моделирование этапов жизненного цикла сооружения.
После построения геологической модели подбирается такая величина коэффициента теплообмена на поверхности грунта для граничных условий в зоне реки, в зоне сезонного паводка и в незатопляемой части расчётной области, при которой температура грунтов и величина СТС при расчете на длительный период не будут изменяться относительно момента проведения инженерно-геологических изысканий. Затем производится расчет температурного поля на момент начала строительства.
Этапы строительства и эксплуатации
Этап строительства будет начат 1 ноября и продлится 11 месяцев. Затем сооружение должно быть введено в эксплуатацию, срок которой составит 30 лет. Расчет температурного поля и поля скоростей фильтрации выполнен с учетом тренда глобального потепления климата, и предусматривает совместное воздействие следующих граничных условий:
- отсутствие снегового покрова на поверхности взлетно-посадочной полосы, приводящее к промерзанию грунтового основания и коренных грунтов в зимний период. В летний период бетонная поверхность взлетно-посадочной полосы подвержена повышенному нагреву. Величину температурной поправки необходимо рассчитать согласно приложению Д СП 121.13330.2019;
- пониженное снегонакопление на обочинах и горизонтальных участках летной полосы. В результате эти поверхности в зимний период также промерзают, а в летний период щебенистая поверхность указанных выше элементов подвержена нагреву. Величину температурной поправки необходимо рассчитать согласно приложению Д СП 121.13330.2019. Также отметим, что величина температурной поправки зависит от материала;
- повышенное снегонакопление на откосах и подошве откосов летной полосы, зависящее от величины снегопереноса и от высоты грунтового основания. Для оголенной наклонной поверхности откосов из щебенистого грунта в летний период необходимо рассчитать величину температурной поправки ввиду усиления инсоляции.
Для взлетно-посадочной полосы допускается объединение этапов строительства и эксплуатации в рамках одного расчета, при условии учета длительности обоих этапов в расчетном периоде, ввиду неизменности граничных условий в модели в течение жизненного цикла сооружения.
Этап строительства включает в себя следующие работы:
- выемка (срезка) грунта на заданном участке для выравнивания поверхности;
- формирование грунтового основания взлетно-посадочной полосы из щебенистого грунта;
- устройство теплоизоляционного экрана из ЭППС в основании искусственного покрытия взлетно-посадочной полосы;
- монтаж искусственного покрытия из аэродромных плит ПАГ-14;
- устройство противофильтрационной завесы из 86 СОУ, установленных в шахматном порядке на участке залегания линзы дресвяного грунта, вне области сезонного паводка;
- монтаж инженерных сетей, светосигнального оборудования, благоустройство территории (монтаж системы водоотведения, освещения, ограждения площадки и т.д.).
В прочих местах расчётной области (область ненарушенных условий, область сезонного паводка, поверхность грунта под рекой и т.д.) назначаются граничные условия, которые были подобраны на этапе адаптации.
Выводы
Результаты расчетов подтвердили, что конструкция покрытия взлетно-посадочной полосы с теплоизоляционным экраном из ЭППС толщиной 100 мм обеспечивает сохранение СТС в пределах грунтового основания. Температурный режим грунтов соответствует проектным требованиям как в период СМР, так и в процессе эксплуатации объекта. Устройство противофильтрационной завесы из 86 СОУ полностью исключает фильтрационное воздействие реки на грунты основания взлетно-посадочной полосы.
Программный комплекс Frost 3D включает модуль Frost.Осадка, предназначенный для расчета составляющих осадки основания, вызванной собственным весом оттаивающего грунта. На основе полученных результатов пользователь может определить относительную осадку грунта после оттаивания, что обеспечивает точную оценку устойчивости основания.
Другие примеры расчетов: