Силовое воздействие наледей на сооружения

Силовое воздействие наледей на конструкции искусственных сооружений проявляется в трубах при их заполнении наледным льдом, а также в мостах. Это воздействие происходит при изменении температуры наледного тела.

Коэффициент температурного расширения льда в несколько раз больше, чем бетона, поэтому заполняющий отверстие трубы наледный лед при повышении его температуры оказывает давление на стенки трубы. Повышение температуры наледного льда может происходить при изменении температуры воздуха или при растекании наледной воды по поверхности наледи в трубе.

А. Б. Ивченко и А.П. Кузьминых в 1971 г. провели экспериментальные исследования силового воздействия наледей в двух трубах на Забайкальской железной дороге. Первая труба, круглая железобетонная, отверстием 1,5 м, вторая - каменная овоидальная, отверстием 2,08 м.

Круглая труба ежегодно затопляется грунтовой наледью на высоту 0,4 м. Экспериментальные исследования проводились в феврале, когда формирование наледи закончилось. Измерение нормальных напряжений и температур в теле наледи производилось датчиками температуры и специально разработанными для льда датчиками напряжений. Датчики располагались попарно на глубинах 4, 16, 25 и 38 см от поверхности наледного льда в пробуренной по оси трубы скважине на расстоянии 6,5 м от оголовка (рис. 42). После установки датчиков заполнение скважины осуществлялось намораживанием льда слоями по 1—2 см. Регистрация показаний датчиков осуществлялась прибором с автономным питанием, который находился в тепляке около трубы.

Рис. 42. Исследование напряжений в наледи, заполняющей железобетонную трубу (А. Б. Ивченко, А. И. Кузьминых): 1 - железобетонная водопропускная труба; 2 — наледь мощностью 0,4 м в отверстии трубы; 3 — наледная вода на поверхности наледи; 4 — датчики температуры; 5 —датчики напряжений; 6 — провода к измерительной аппаратуре; 7 — термограф

Кроме температур и напряжений в теле наледи, производились измерения температур наружного воздуха и в трубе над наледью, регистрировались время выхода воды на поверхность наледи и продолжительность ее замерзания. Датчики напряжений были ориентированы для измерения горизонтальных напряжений, действующих поперек трубы.

Растекание воды на наледном льду создавалось искусственно, при этом продолжительность ее пребывания на поверхности наледи и толщина получаемых слоев льда примерно соответствовали природным условиям.

Результаты измерения температуры и напряжений в теле наледи на глубине 4 см приведены на рис. 43. При нахождении на поверхности наледного льда воды температура его повышается, а так как расширение льда в трубе ограничено ее стенками, то в теле наледи возникают сжимающие напряжения. На глубине 4 см от поверхности наледи напряжения равнялись 0,6 МПа. При понижении температуры наледного льда в нем возникают растягивающие напряжения до 0,2 МПа. Значительно меньшая величина растягивающих напряжений, возможно, объясняется тем, что в трубе на поверхности наледи была продольная трещина с раскрытием до 0,5—1 мм.

Рис. 43. Кривые погонных усилий на трубу, температур и напряжений на глубине 4 см в теле наледи при выходе воды на лед (А. Б. Ивченко, А. П. Кузьминых): 1 — кривая изменения температуры; 2 — кривая горизонтальных напряжений, действующих поперек трубы

По мере увеличения глубины расположения датчиков (8, 16, 25, 38 см) каждая их пара регистрировала все меньшие пики температур и напряжений при нахождении воды на поверхности наледи. На глубине 38 см кривые изменения температуры и напряжений совсем мало отклонялись от горизонтальной линии.

Аналогичные результаты получены при исследовании во второй трубе. На величину напряжений в теле наледи больше влияли выходы воды на ее поверхность, чем изменение температуры воздуха. При изменениях температуры воздуха на 20°С погонная распирающая нагрузка на трубу составляла 23 кН/м, тогда как при выходе воды на наледный лед она достигала 70 кН/м. Наибольшие напряжения возникают в верхней, более "активной” зоне наледи.

Лед не является упругим материалом. Поэтому замеренные в натуре напряжения в несколько раз меньше тех, которые должны были бы возникнуть при упругой деформации. На величину напряжений в наледи, кроме температуры тела наледи, влияет скорость ее изменения. Однако, как видно на рис. 43, от термического давления напряжения в трубах возникают небольшие. За много лет работы на Севере автор не наблюдал деформаций и расстройств труб, связанных с указанным фактором.

В мостах при затоплении отверстия наледью в бетоне опор могут возникать неравномерные температурные поля со значительными перепадами как в поперечном сечении опор, так и по их высоте. Перепады температуры по высоте опор могут возникать зимой из-за более быстрого охлаждения части опоры, находящейся на воздухе по сравнению с частью опоры, находящейся в наледи. Летом перепад температуры по высоте может возникать от быстрого нагрева части опоры, находящейся над наледью. Перепады температур по радиусу поперечного сечения опоры возникают из-за более быстрого охлаждения поверхностных слоев опоры.

По исследованиям В. П. Величко, в бетоне столбчатых опор от температурных перепадов, вызванных наледями, могут возникать растягивающие напряжения, которые по величине приближаются к нормативному сопротивлению бетона на растяжение.

Кроме нагрузки от термического давления и температурных перепадов, на искусственные сооружения воздействует статическая нагрузка от массы наледей. При заполнении отверстия моста наледь смерзается с опорами и некоторыми элементами пролетных строений (например, подкосами в деревянных мостах). Весной вода промывает в наледи узкую щель и стекает в русло под наледью. Постепенно водой размывается на всю ширину подошва наледи, вся остальная ее часть сказывается висящей под руслом, будучи примерзшей к элементам конструкции моста. В таком состоянии наледь может своей массой создавать большие напряжения в элементах конструкции.

На автодороге Магадан - Усть-Нера до 1965 г. существовал деревянный арочно-подкосный мост через ключ Каскадный. В районе мостового перехода этот ключ на протяжении 800—900 м протекает в глубоком каньоне среди отвесных скал. На расстоянии 200—450 м выше моста из трещин коренных пород правого берега постоянно функционируют четыре подземных источника с небольшими дебитами. Зимой вода источников ежегодно формирует наледь, которая простирается через отверстие моста до р. Паутовой (200 м ниже моста).

Мост перекрывал каньон одним пролетом 26 м с возвышением низа пролетного строения над руслом ключа на 12 м. В связи с увеличением подвижной нагрузки мост был усилен треугольно-подкосной системой и дополнительными опорами. На конец развития уровень наледи достигал арочного пояса моста, а ее мощность составляла - 11,5-12 м. При этом треугольно-подкосная система усиления и арочно-подкосное пролетное строение оказывались погребенными в теле наледи. Весной и летом, когда вода промывала во льду щель и текла под наледью, масса наледного льда повисала на элементах конструкции усиления и подкосах основной системы.

В июле 1965 г. давление льда на конструкцию оказалось настолько большим, что произошло обрушение всего моста.