CC BY
61
УЕБТЫНС
мвви
УДК 627.4
И.С. Соболь
ФГБОУВПО «ННГАСУ»
РЕЗУЛЬТАТЫ ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ОБРУШЕНИЯ ТЕРМОАБРАЗИОННЫХ БЕРЕГОВ АРКТИЧЕСКИХ ВОДОЕМОВ
Представлены опытные данные о длительном сопротивлении разрыву мерзлых грунтов в условиях обрушения надводных уступов термоабразионных берегов арктических морей и водохранилищ криолитозоны.
Ключевые слова: мерзлый берег, термоабразия, обрушение подводных уступов, мерзлые грунты, сопротивление разрыву.
Переформирование термоабразионных берегов водохранилищ в области вечной мерзлоты, также как берегов арктических морей, является циклическим процессом, включающим в себя выработку волнами термоабразионной ниши в подножии берегового уступа с обрушением нависающего над нишей массива мерзлого берега, оттаивание обрушившегося массива, размыв оттаявшего грунта с отложением продуктов размыва в береговой отмели, претерпевающей тепловую осадку в связи с оттаиванием основания [1]. Глубина термоабразионных ниш на побережье морей и больших водохранилищ может достигать 4...7 м и более, длина обрушившихся массивов мерзлого грунта 500...700 м [2] (рис. 1).
Рис. 1. Берег Восточно-Сибирского моря близ устья р. Кондратьевой, сложенный ископаемым льдом, с выраженной картиной термоабразии (вертикальный уступ, термоабразионная ниша, обрушившийся и оттаивающий массив берега, береговая отмель). Фото 1909 г. [3]
ВЕСТНИК 6/2013
6/2013
Как в российских, так и в зарубежных публикациях по динамике берегов арктических водоемов [4—9] наличие термоабразионных ниш фиксировалось, но количественные показатели обрушения нависающего над нишей массива мерзлых пород не исследовались. Для прояснения наблюдавшейся в натурных условиях ситуации в ННГАСУ произведены физические опыты.
Массив берега, нависающий над нишей, представлен консолью объемом Шк, м3/пог. м, несущей распределенную нагрузку от собственного веса, с максимальным напряжением в заделке, Па
Отах = (3Кк РмгЯ4ни )) > (1)
где рмг — плотность мерзлого грунта, кг/м3; — глубина ниши, м; Н5 — высота берега над нишей.
Условие обрушения консоли берега принято следующим СТ тах > СТр, (2)
где ор — сопротивление мерзлого грунта разрыву, Па.
Как известно, сопротивление ар зависит от длительности приложения нагрузки и условий нагружения [10]. Физическое моделирование было направлено на определение его значений в условиях, отражающих рассматриваемую натурную ситуацию, так как в научной литературе даже последних лет [11] подобные сведения отсутствуют.
Опыты проведены при температуре воздуха -5,4 °С по следующей методике:
в формовочные ящики укладывался грунт, пропитывался водой, естественным образом промораживался, получались бруски мерзлого грунта объемом Щбр = £бр хкхЬ = 1,50х0,20х0,10м3;
бруски размещались в обойме на столе (рис. 2), выдвигалась консоль, ставился груз;
опыт продолжался 120 ч, фиксировались моменты приложения нагрузки и обрушения консоли, положение поверхности обрушения;
обрушившаяся часть бруска взвешивалась, затем снова помещалась в обойму на столе, но уже с меньшей длиной консоли, опыт повторялся;
исходя из веса Ок и размеров обрушившейся части бруска оценивалось сопротивление разрыву
а, = 1 ((/2 + Р)б/ (2); (3)
все обломки разрушенного бруска собирались вместе, взвешивались (бр), определялась плотность грунта рмг = С6р[Ж6р ; прокаливались, снова взвешивались (Gск), определялась плотность скелета рск = ОсК/Жбр и суммарная влажность грунта Жс = (рмг —рск )/рск ; затем просеиванием через сита определялся гранулометрический состав, по которому уточнялся вид грунта.
Таким способом было испытано 24 бруска с разной длиной консолей из суглинка, песка, галечникового грунта.
Результаты представлены в табл. 1, 2. На рис. 3 представлены зависимости сопротивления разрыву мерзлых грунтов во времени по данным проделанных опытов и приведены кривые длительной прочности, полученные испытанием образцов тех же грунтов на одноосное растяжение по известной методике, а также привлеченные данные по супеси и льду.
0,1м
Л
OJ
О.
0,1
1Ш1
1
0,1
Ш
I
0,1
!
м
2
1
I
1
7ШШШШШШШШШ "ШШШШШШ
Рис. 2. Схема опыта с обрушением консолей мерзлого грунта: 1 — стол; 2 — брусок мерзлого грунта; 3 — удерживающая его обойма; 4 — груз
Табл. 1. Данные опытов по обрушению консолей мерзлых грунтов
Грунт Длина Вес груза Р, кгс Момент обрушения консоли t, часы — минуты Сопротивление разрыву ор
консоли, см кгс/см2 МПа
Суглинок 100 75 50 25 20 20 20 20 (40) (40) (40) (40) 0-40 4-30 28-00 (0-10) (1-00) (3-40) (98-00) 5,86 3,72 2,30 (8,91) (5,97) (3,76) (1,56) 0,57 0,36 0,22 (0,87) (0,580 (0,36) (0,15)
Песок 100 75 50 25 20 20 20 20 0-20 2-30 7-00 (0-10) (6-00) (11-30) (~260-00) 5.80 3.81 2,07 (5,64) (4,01) (2,00) (0,95) 0,57 0,37 0,20 (0,55) (0,39) (0,19) (0,10)
Галечниковый грунт 100 75 50 25 20 20 20 20 0-10 4-00 17-30 (0-02) (2-30) (11-00) (108-00) 6,08 3,83 2,15 (5,98) (4,00) (2,15) (0,93) 0,59 0,37 0,21 (0,58) (0,39) (0,21) (0,09)
Примечание. t = 0 — момент приложения нагрузки. В скобках — данные второй серии опытов. Прочерк означает, что образец за 120 ч не разрушился.
Табл. 2. Физические свойства исследованных мерзлых грунтов
Вид грунта Плотность грунта, кг/м3 Плотность скелета, кг/м3 Суммарная весовая влажность (на сухую навеску) Содержание, %, частиц диаметром, мм
0 л о 1...0,25 0,25.0,05 0,05.0,005 < 0,005
Суглинок 1870 1480 0,26 — — 2,5 30,0 47,5 20,0
Песок средней крупности 1810 1420 0,27 — 5,0 62,0 19,0 9,5 4,5
Галечниковый грунт 1950 1610 0,21 57,0 1,0 21,0 8,5 7,0 5,5
ВЕСТНИК
ор, ]
0,90,80,7 0,60,50,4 030,2
0,1 0
I, часы
Рис. 3. Сопротивление разрыву мерзлых грунтов
Посредством моделирования были выявлены следующие закономерности: обрушение консолей происходит путем разрыва мерзлого грунта по поверхности, близкой к вертикальной (отклонения на образцах до 0,02 м);
значения сопротивления разрыву при обрушении консолей меньше, чем при одноосном растяжении мерзлых грунтов, но для инженерных расчетов разница несущественна;
крупнодисперсный (галечниковый) мерзлый грунт имеет значения сопротивления разрыву более низкие, чем мелкодисперсный (песчаный);
если термоабразионные ниши в берегах вырабатываются быстро (за несколько часов шторма), то возможность обрушения нависающих над ними консолей берега следует оценивать по значению сопротивления мерзлых грунтов разрыву, промежуточному между значениями мгновенного и длительного сопротивления;
сопротивления разрыву мерзлых грунтов и льда близки между собой, так что возможное присутствие жильных льдов в массиве берега не внесет существенных корректив в общую картину его обрушения.
Полученные данные о сопротивлении мерзлых грунтов разрыву можно использовать в инженерных расчетах обрушения мерзлых термоабразионных берегов водохранилищ [12], расценивая как ориентировочные.
6/2013
Испытанные обрушением
Ш-- I 1 консолей: — о — суглинок, — д — песок, -*- галечниковый грунт. Испытанные одноосным растяжением: —□— суглинок, -л- песок, у галечниковый грунт. Привлеченные данные: ---->— супесь при -4°С, ---о - - дед ПЛОТНОСТЬЮ 883 и/м3 при -4 °С_
1
1 №
кх
|> 1 V-—г
\ °— ч \ V га
-А
0 24 48 72 96 120
Библиографический список
1. Соболь С.В. Водохранилища в области вечной мерзлоты. Нижний Новгород : Нижегородский гос. архит.-строиг. ун-т, 2007. 432 с.
2. Арэ Ф.Э. Разрушение берегов арктических приморских низменностей. Новосибирск : Академическое изд-во ГЕО, 2012. 291 с.
3. Якутия / под. ред. П.В. Виттенбурга. Л. : Изд-во АН СССР, 1927. 752 с.
4. Оникиенко Т.С. Особенности инженерно-геокриологических условий районов эксплуатируемых и проектируемых ГЭС на Крайнем Севере // Проблемы инженерного мерзлотоведения в энергетическом строительстве : сб. тр. М. : Моск. инж.-строит. ин-т им. В.В. Куйбышева, 1987. С. 75—85.
5. Кривоногова Н.Ф., Свительская Л.И., Федоров Д.К. Особенности переработки берегов водохранилищ в криолитозоне // Известия Всероссийского научно-исследовательского института гидротехники им. Б.Е. Веденеева. 2009. Т. 255. С. 25—33.
6. Harper I.R. The physical processes affecting the stability of tundra clift coasts. Department of Marine Sciences. Louisiana State University. Ph. D. dissertation: Baton Rouge. Louisiana, 1978. 212 p.
7. Are F.E., Reimnitz E., Kassens H. Cryogenic processes of Arctic land-ocean interactions // Polarforcchung. 2000. V. 68. рp. 207—214.
8. Pilkey O.Y., Young R. S., Riggs S.R. et al. The concept of chore face of equilibrium: f critical review // I. Goastal Res. 1993. V. 9 (1). рp. 255—278.
9. Kobayashi N., Reimnitz E. Thermal and mechanical erosion of slopes and beaches // Arctic coastal processes and slope protection design / A.T. Chen, C.B. Leidersdorf (Eds.). Amer. Soc. of Civil Eng. New York, 1988, pp. 46—62.
10. Цытович Н.А. Механика мерзлых грунтов. М. : Высш. шк., 1973. 466 с.
11. Словарь-справочник. Инженерное мерзлотоведение в гидротехнике / под ред. А.А. Кагана, Н.Ф. Кривоноговой. С.-Петербург : Изд-во ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева», 2001. 431 с.
12. Соболь И.С., Хохлов Д.Н. Автоматизация инженерных расчетов берегопере-формирований на водохранилищах криолитозоны // Проблемы инженерного мерзлотоведения : Материалы IX Междунар. симпозиума. Якутск : Изд-во Ин-та мерзлотоведения СО РАН, 2011. С. 115—120.
Поступила в редакцию в апреле 2013 г.
Об авторах: Соболь Илья Станиславович — кандидат технических наук, доцент кафедры гидротехнических сооружений, декан инженерно-строительного факультета, ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО «ННГАСУ»), г. Нижний Новгород, ул. Ильинская, д. 65, gs@nngasu.ru;
Для цитирования: Соболь И.С. Результаты физического моделирования обрушения термоабразионных берегов арктических водоемов // Вестник МГСУ 2013. № 6. C. 197—203.
I.S. Sobol
THE RESULTS OF PHYSICAL SIMULATION OF THERMOABRASION BANK COLLAPSE OF ARCTIC WATER BODIES
Process of downfall of frozen ground overhanging above a thermoabrasion cave under its own mass forms the cycle of thermoabrasive destruction of sea shores and
ВЕСТНИК 6/2013
6/2013
reservoir banks in the cryolite zone. Russian and foreign papers on arctic coastal dynamics merely state the existence of thermoabrasion caves, but quantitative measurements of the collapsed frozen ground overhanging the caves have never been done. It is difficult to measure parameters of this process under natural conditions, therefore, physical tests were carried out. Testing was performed at freezing air temperatures and comprise several steps. Blocks of frozen ground were manufactured in forming boxes. Blocks were placed in a cartridge on a table, a console imitating frozen ground overhanging a cave was pulled out, a load was applied. Moments of load application and the console failure were registered. In this way there were tested 24 blocks with various length of console of loam, sand, and pebble. Presented are test results and physical properties of the frozen soils under investigation, graphs of their breaking strength plotted on the basis of test data. The simulation has revealed the following: console failure is caused by the rupture of frozen ground along a surface which is almost vertical; breaking strength value at the moment of the console failure is smaller than that at the uniaxial tension of frozen soils, but this difference is negligible for engineering calculations; coarse frozen ground (pebble) shows lower breaking strength as compared with fine one (sand); when the thermoabrasion caves in the shores are formed quickly (during a few hours of storm), the probability of overhanging ground failure should be evaluated by the value of frozen ground breaking strength, which is intermediate between the instantaneous and prolonged strength values. The obtained data may be used in engineering calculations of arctic thermoabrasion shore downfall
Key words: frozen bank, thermoabrasion, experimental data, collapse of water shelves, frozen soils, tensile strength.
References
1. Sobol S.V. Vodokhranilisha v oblasti vechnoi merzloty [Rezervoirs in Permafrost Zones]. Nizhny Novgorod: Nizhny Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering, 2007, 432 p.
2. Are F.E. Razrushenie beregov arkticheskikh primorskikh nizmennostei [Destgruction of the Banks of Arctic Seaside Lowlands]. Novosibirsk, GEO academic publ., 2012, 291 p.
3. Yakutia P.V. Vittenburg (Ed.). Leningrad, Publishing house of USSR AS, 1927. 725 p.
4. Onikienko T.S. Osobennosti inzhenerno-geokriologicheskikh usloviy raionov ekspluat-iruemykh i proektiruemykh GES na Krainem Severe [Peculiarities of Building and Geological Conditions of Territories where Operating and Projected Water Power Plants in the Thule are Placed] // Problemy ingenernogo merzlotovedenia v energeticheskom stroitelstve [Problems of Engineering Permafrost Studies in Power Building], Collection of articles. Moscow, Kuibyshev Moscow Institute of Civil Engineering, 1987, pp. 75—85.
5. Krivonogova N.F., Svitelskaya L.I., Fyodorov D.K. Osobennosti pererabotki beregov vodokhranilish v kriolitozone [Peculiarities of Redevelopment of Reservoirs Banks in Kri-olitozone], News of Vedeneev VNIIG. St.-Petersburg, 2009, vd. 255, pp. 25—33.
6. Harper I.R. The physical processes affecting the stability of tundra clift coasts. Department of Marine Sciences. Louisiana State University. Ph.D. dissertation: Baton Rouge. Louisiana, 1978, 212 p.
7. Are F.E., Reimnitz E., Kassens H. Cryogenic processes of Arctic land-ocean interaction. Polarforschung. 2000, vd. 68, pp. 207—214.
8. Pilkey O.H., Young R.S., Riggs S.R. et al. The concept of shoreface profile of equilibrium: a critical review. J. Coastal Res. 1993, vd. 9(1), pp. 255—278.
9. Kobayashi N., Reimnitz E. Thermal and mechanical erosion of slopes and beaches. Arctic coastal processes and slope protection design, A.T. Chen, C.B. Leidersdorf (Eds.). Amer. Soc. Of Civil Eng., New York, 1988, pp. 46—62.
10. Tsytovich N.A. Mekhanika myorzlykh gruntov [Mechanics of Frost Soils]. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1973, 466 p.
11. Kagan A.A., Krivonogova N.F. Slovar Spravochnik, Inzhenernoe merzlotovedenie v gidrotekhnike [Dictionary-reference book. Engineering Permafrost Studies in Hydropower Engineering]. (Eds.). St.-Petersburg: Publishing house JSC Vedeneev VNIIG, 2001, 431 p.
12. Sobol I.S., Khokhlov D.N. Avtomatizatsia inzhenernykh raschyotov beregopere-formirovaniy na vodokhranilischakh kriolitozony [Automation of Engineering Calculations of Redevelopment of Banks of Reservoirs in Kriolit Territories]. Problemy inzhenernogo mer-zlotovedenia [Problems of Engineering Permafrost Studies]. In proceedings of IX International symposium. Yakutsk: Publishing house of the Institute of cryopedology SB RAS, 2011, pp. 115—120.
About the authors Sobol Ilya Stanislavovich — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Hydrotechnical construction, Dean Faculty of Civil Engineering, Nizhny Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering (NNGASU),
65, Il'inskaya Str., Nizhny Novgorod, 603950, Russian Federation, +7(831)430-42-89, gs@ nngasu.ru.
For citation: Sobol I.S. Rezyl'taty fizicheskogo modelirovaniya obrysheniya termoabrazion-nykh beregov arkticheskikh vodoemov [Peculiar The Results of Physical Simulation of Thermoabrasion Bank Collapse of Arctic Water Bodies] Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no.6, pp. 197—203.
