МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

УТВЕРЖДАЮ Зам. директора института Г. Д. ХАСХАЧИХ

"4" мая 1984 г

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАСЧЕТУ НАДВИГА ЛЬДА НА ЗЕМЛЯНОЕ ПОЛОТНО ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

Одобрены Глаетрэнспроектом

Москва 1984

Коэффициент трения fa

По свежему снегу толщиной 2 см ......... 0,27

То же толщиной 15 см .......................    0,92

2.12,    Физико-механические свойства льда должны определяться на основе данных натурных исследований, а

лрн их отсутствии попускается принимать J* -940кг/м³; С *= 2 кН/м²; = 0,35^0,52 рад.

2.13.    Линейная нагрузка на сооружение от ледяного покрова ^ ^кН/м, действующая в его горизонтальной плоскости, вследствие термического расширения сплошного (монолитного) ледяного покрова, течения воды и ветра рассчитывается по формуле

Я ' Tf ( Pt ⁺ Pa + Pv ) ,    (5)

где yf - коэффициент надежности по нагрузкам; принимается при классе капитальности сооружений 1 - 1,20; П-1,15; Ш - 1,05; 1У - 1,0. p_t - нагрузка от сплошного ледяного покрова при его температурном расширении, кН/м; p_Q - нагрузка, вызываемая ветром, т,е. трением воздуха о наружную поверхность ледяного поля, кН/м;

р_и- нагрузка, вызываемая течением, т.е, трением водного потока о нижнюю поверхность ледяного поля, кН/м.

2.14. При изучении ледового режима водоема должны быть выявлены и проанализированы все ранее происшедшие случаи надвига льда на берег и сооружения. По размерам этих надвигов необходима установить величину линейной нагрузки ^    . Если фактическая величина линейной наг

рузки больше, чем вычисленная по формуле (Б), то она должна быть принята в качестве расчетной в пределах данного водоема.

И

3. НАГРУЗКА ОТ СПЛОШНОГО ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА ПРИ ЕГО ТЕМПЕРАТУРНОМ РАСШИРЕНИИ,

ДЕЙСТВИИ ВЕТРА И ТЕЧЕНИЯ ВОДЫ

3.1 • Нагрузка от сплошного ледяного покрова при его температурном расширении P_t , кН/м, определяется по формуле

P_t = b_dP{*),    (8)

2

где P(*V* давление в толще льда, кН/м , на расстоянии х, м, от начала координат (см.п.1.6) при температурном расширении;

Р(Х) » Р_и + -²--Й- v_tth ( Lb - X^е) .    (7)

Здесь Р_и - предел упругости льда, где х = L ц , который при отсутствии опытных данны к допускается принимать равным 50 кН/м2; коэффициент температурного линейного расширения льда) для практических целей его Можно принимать при температуре от О до минус 20°С в среднем равным «*«,=0,000055 (или 5,5♦ 1СГ⁸), 1/°С    ;

£ - коэффициент вязкости льда, кПа.ч; принимается в соответствии со СНиП ILQ6.04-82, п.5 Л; исходные данные:    ti    - температура

льда, °С{ tf - начальная температура воздуха, °С, от которой начинается ее повышение; h_s#m£_n - наименьшая толщина снежного покрова за расчетный период, м, устанавливаемая по данным натурных наблюдений, а при их отсутствии принимаемая h$.min " 0; гг^ т - средняя скорость ветра, м/с;

В ширина сплошного (монолитного) ледяного поля, м;

V - скорость повышения температуры льда,°С/ч;

12

Примеч а н н е. Нагрузка, вызываемая трением водного потока о нижнюю поверхность ледяного покрова, в том случае, когда направление потока совпадает с направлением ветра, в формуле (5) принимается со знакам плюс, при встречном течении - со знаком минус*

4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ И ОТКОСНЫХ БЕРЕГОЗАЩИТНЫХ СООРУЖЕНИЙ В ЗОНЕ НАДВИГА ЛЬДА

4.1* В соответствии с требованиями СНиП П-39-76 (лселезные дороги колеи 1520 мм)^п. 3.8 бровка земляного полотна железной дороги на линиях 1-Ш категория должна быть выше высоты нагромождения льда в навале на 0,5 м (см.рис.4).

Н₀ - Н_р +0,5 .

4.2, Удаление бровки земляного полотна от линии сопряжения подводной поверхности льда с дном по горизонтальному лраложению (см.рис.4) должно быть больше длины однослойного надвига льда на откос

(14)

4,3. Поперечный профиль земляного полотна в зоне возможного надвига льда должен включать берму, ширина которой подлежит определению с учетом п.4.2. Конструкция бермы проектируется из условий зашиты земляного полотна от воздействия волн.

В случае размещения всего объема навала льда на берме допускается снижение отметки бровки земляного полотна из условия обеспечения

(15)

14

4.4,    В зоне возможного надвига льда, приуроченного к приглубому участку берега, осложняющему формирование припая, рекомендуется предусматривать перед бермой (см.п.1.3) подводный банкет. Конструкция банкета определяется из условия защиты земляного полотна от воздействия волн. Ширина банкета устанавливается в соответствии с пп. 2.4-2.6. Угол наклона откоса банкета должен соответствовать углу наклона поверхности подводного пляжа, характерного для данного водоема.

4.5.    В целях ух^ирения существующей полосы припая допускается применять гравитационные массивные подводные волноломы со скошенной наружной гранью при условии формирования на них в осенне-зимнее время наллес-ковых форм льда в качестве дополнительной защиты от надвигов льда. Образующийся лед с береговой стороны таких волноломов при понижении уровня воды в водоеме должен достигать дна*

4.8. При проектировании земляного полотна железной дороги в зоне возможного надвига льда, приуроченного к вершине подводного каньона, подходящего непосредственно к урезу воды, трасса дороги должна быть отнесена в сторону суши на безопасное расстояние (см.п.4.2)*

15

Приложение

ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА НАДВИГА ЛЬДА НА ЗЕМЛЯНОЕ ПОЛОТНО ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ

ПРИМЕР 1, Определить нагрузки по фактическим случаям надвига льда на откосы земляного полотна.

Исходные данные; фактические замеры приведены в таблице; для всех случаев толщина льда hd * 0,8 м; принятые значения J> = 940 кг/м³; fd » 0,16; с * 2 кН/м^.

Слу чай Число, месяц, ГОД Фактические данные Нагруз- ка, кН/м »fc рал. ic ,м нс. м 1 29.04.1044 0,30 48 13,5 274 2 20.04.1976 0,31 19 6,0 112 з : 29.04.1078 0,30 38 11,0 217 4 29.04.1978 0,12 57 6,8 233 S 29.04.1976 0,16 34 5,2 148

Расчет* Линейная нагрузка на сооружение от действия сплошного ледяного покрова    ,    кН/м,    опре деляется по формуле (2)

_ JclfS'M³' hd (sin tf_c + f_d cos. tf_c) + c] (cos Ч'с ~f_d Sit, lf_c )

П 38 Со.94 « 9.81 * 0.8 (Stn 0,30+0,15COS Q.3Q) + &    ,

^l*'³    (    cos    0,30    -    0,15 Stn 0,30)    ’

0 _ 57 [0,94-9,81 »0,8 ( Stfi 0.12+0,15 COS P,12) + 2}

™    (C03    0.12    -    0,15 Sin 0,12)    m,

_fl 34 do.84 • 8.81 • 0.8 ( St>i 0.16 + 0,15 COS Q,16) + 23 ,_Q „

°^s    (    COS    0,18    -    0,15 Stn 0,10)    -148K / .

Результаты сведены в таблицу*

ПРИМЕР 2_% Определить давление льда при сплошном ледяном покрове от его температурного расширения в створе с координатой зс = 0    ,    в    которой    давление    имеет

максимальную величину ( P_t " Pt* man )*

Исходные д а н н ы е! £L$,    =180    км;

В =40 км (с.л.рис, 1), hj = h_mCut ~ 0,8м}    0}

^■§ =—4,0^С} v^^rrf¹10м/с; Tf-t-iCL —0,5 С/ч$ Ь *= вч}

Р_и=50кН/м²;    <**    =5,5.10"⁵ 1/°С.

Расчет. Согласно СНиП 11,06*04-82^,5.7 определяется коэффициент теплоотдачи от воздуха и поверхности снежного покрова A _t Вт/м^; при отсутствии снега он вычисляется по формуле

* = e/V_W|/n+0,3' = 6 (Щ$ = /5,2 Вт/м*.

Приведенная толщина ледяного покрова    м,    опре-

деляется по формуле (136) СНиП 11*06,04-82

^Ved * ^/лах ⁺ 1 »43    ^    * 0,8+    ^ш    0,92    м,

Относительная толщина ледяного покрова    м,    сог

ласно формуле (135) СНиП П.06,04-82

откуда

P_t = h_d * P -0,8*198-158 кН/м.

ПРИМЕР 3, Определить нагрузку от сплошного ледяного покрова при действии на него ветра*

Исходные данные: ветер северо-восточного направления; расчетная скорость ветра v*_W)max- 25 м/с? половина длины сплошного (монолитного) ледяного поля

Lfo —80км*    ^    $    26 * ю""®

Р а с ч е т* По формуле (10)

—7    2    4

■ 4 • Ilf кН-с /м, по формуле (9)

Ра - 4 • 10”⁷* 25² « 2 • 8 • Ю"⁴ - 41,3 кН/м,

ПРИМЕР 4. Определить нагрузку от сплошного ледяного покрова при действии на него течения воды. Исходные данные: скорость течения воды в подледном слое v*> 0,2 м/с; половина длины сплошного (монолитного) ледяного поля ^lh-80km,

Р а с ч е т. По формуле (12) определяем -3

89*10    5    24

^Kv - V0 2' ё •to'¹''" " ⁷’¹⁰ кН*с /м .откуда согласно

формуле (11) Р-jr "7*10"⁵ • 0,2²-2 • 8 • 10⁴ -О.бкН/м.

ПРИМЕР 5, Определить размеры надвига льда на откос земляного полотна железной дороги от сплошного ледяного покрова при его температурном расширении и действия на него течения воды и ветра*

Исходные данные;!. Уровни воды в ьодоеме; в период формирования наплескозых форм льда в осенне-энмнее время + 0,03 м; при ледоставе + 0,38 м;

В период возникновения надвига льда -0,0 м.

2* Расчетная высота волны    -5,8 м_к длина вол

ны Лгл ®105м, высота волны по линии последнего обрушения h_i% -3,5 м.

19

3.    Ледовые условна указаны в примере 2, Для расчета принято h_d -0,8, f* -0,15, f -940кг/м®

f₀ * 0,10, с -2кН/м^, V, -0,43 рад,

4,    Ветровые условна указаны в примере 3,

8. Подледное течение воды дано в примере 4,

6, Земляное полотно размещено вдоль берега водоема► Класс капитальности сооружений 1 ( y_f М,20);    -

0,12рад;    4>_Р -0,30рад. Согласно СНиП И,0В,04 -82, п,1.14,

табл, 6 шероховатость откоса в зоне наката волн

Д

~т— - 0,02, откуда К_д - 0,9; К _нп .0,8, к_с -1,2;

к_нг — 0,8,

Р а с ч е т, 1. Ширина полосы наплесковых форм льда в осенне-зимний период до ледостава (см, п,2,2)

*и =(К_А К_н„К_ЕК_нЛ_у>) сЦ • (0,9 • 0 • 8 • 1,2 х *0,8 *3,5) «8,35 - 15,2 м.

2.    Ширина припая льда (см, п,2,4)

~ ( Hf-thj )ctjj -(0.38 + 0,8) ■ 8,35 -6,8 м.

3,    Линейная нагрузка на сооружение от действия ледяного покрова (см, л, 2,13) по результатам расчетов, изложенных в примерах 2,3 и А_у равна £ *

- 1,20 (15 8    41,3    +    0,5    )    -    240    кН/м.

Учитывая указания п, 2.14 и результаты расчетов, изложенные в примере 1 (см,таблицу, случай 1) для дальнейших расчетов принимается ф. - 274 кН/м,

4, Длина однослойного надвига льда на откос сооружения (см, п. 2.6) по формуле (2) равна

J4A&&-9JQ Г,P,t?. ^s.^.-0,302- -48 оu

0,84 • 8,81 • 0«8 ( Stn0,30+ 0,15 COS 0,30) + 2 ^,им

5* Высота однослойного надвига льда на откос сс^ру-^ения по формуле (3)

Н_с - 48 Sin 0,30 - 0,8 - 13,4 м.

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящих Методических рекомендациях изложен расчет надвига льда в замкнутых водоемах на откосные берегозащитные сооружения и земляное полотно железных дорог от температурного расширения ледяного поля, ветра н течения воды в условиях сплошного ледяного похро-ва. Результаты расчета рекомендуется использовать при проектирования вновь строящихся н реконструируемых железных дорог, а также берегозащитных сооружений откосного профиля, включая волногесящне бермы из несортированной горной массы. По размерам надвига льда г од л ежат определению высотная отметка бровки земляного полотна и его поперечный профиль, а также ширина и профиль отч-косного берегозащитного сооружения*

В основу расчета положены требования СНиП I1-3G-70, СНиП 11,08*04-82, СИ 288-64, СН 528-80, теоретические разработки В.В.Проскурякова и В.П.Берденникова (ГГИ, 1988гЛ« К*Н*Коржавнна и В.М.Самочкина (НИИЖТ.1971 г.)_% а также дакиые натурных исследований М.Ш,Фурмана к Н.Н*Янтер (Иркутская обсерватория км* проф* А.Б.Воз-несенского Госкомгидромета} н др*

Методические рекомендации временные* Они предназначены для проектных институтов Миатрансстроя СССР, Методические рекомендации составлены в Черноморском отделенин морских берегозащитных сооружений им, А*М*Жданова ЦНИИСа канд.техн.наук Е.К*Гречкщевым, инженерами Г.Г.Зубаренковой и Л.И.Супруновым*

Предложения и замечания следует направлять по адресу: 354002, г.Сочи, ул,Я .Фабрициуса, 1 , Черноморское отделение ЦНИИСа.

Зав*Черноморсккм

отделением

В.В.Ков алев

3

6.    Высота нагромождения льда в навале при надвиге на откос сооружения по формуле (4)

Н 274 Sin 0,43 (COS 0.43-0.10 sin Q.43)    n    ft    -

^p "0,94 *9,81 «0,8(Sin 0,43 * 0,10 CCS 0,43)+2    *

■ 16,5 m,

7.    Исходя из полученных результатов и требований СНнП П-39-76, п.3.8 бровка земляного полотна железной дороги 1 категории должна находиться, считая от уровня воды в период надвигов льда, на высоте И© ■13,4 + 0,5*

- 13,9 м.

Удаление бровки земляного полотна от линии сопряжения подводной поверхности льда с дном должно составлять не менее £о • 13,9 ctg. 0,30 - 46,2 м. При этом на длине однослойного надвига льда на откосе земляного полотна может образоваться нагромождение льда на высоту от уровня воды до 16,5 м, однако основная площадка земляного полотна будет находиться за его пределами.

1. ОБШИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1*1. Настоящие Методические рекомендации допускается применять при определении размера надвига льда в замкнутых водоемах на откосные берегозащитные сооружения и земляное полотно железных дорог, когда эти надвиги возникают при сплошном ледяном покрове под действием температурного расширения льда, течения воды и ветра. Результаты определения надвига льда используются при проектировании вновь строящихся сооружений: земляного полотна железных и автомобильных дорог, а также берегозащитных сооружений откосного профиля,включая волногасящие бермы из несортированной горной массы,

Примеч ание. Под замкнутыми водоемами понимаются озера, водохранилища и глубокие заливы морей, перекрытые дамбами, по которым в зимнее время образуется по всей акватории сплошной ледяной покров,

1.2,    При расчете надвига льда на сооружения следует определять превышение бровки земляного полотна над расчетным уровнем водоема и поперечное сечение земляного полотна или берегозащитного сооружения с учетом технико-экономической целесообразности сдвижки оси земляного полотна от берега, создания искусственной отмели или применения массивных берегозащитных конструкций (см, СН 288-64, п. 11,4),

1.3,    Согласно СНиП П-39-76, пп. 1,2 и 3*8 ( железные дороги колеи 1520 мм), зашита от надвига льда железнодорожного полотна дорог всех категорий, кроме 1У-У, должна обеспечиваться_?как для сооружений 1 класса капитальности.

Примечание, Для железных дорог 1У-У категорий, автомобильных магистралей и гидротехнических сооружений класс их капитальности устанавливается по результатам специальных исследований.

1.4,    Настоящие Методические рекомендации допускается использовать для расчета надвига льда на сооружения

4

при следующих- условиях:

в зимнее время вся акватория водоема покрывается льдом;

в период зимы сохраняется или понижается (срабаты-вается)уровень водоема;

полоса неподвижного льда-припая охватывает весь периметр водоема;

время надвига льда на берег или сооружение соответ-* ствует зимнему или весеннему, перед вскрытием водоема, периодам;

наибольшая толщина льда в водоеме не превышает 1,5 м.

1,5. Методическими рекомендациями не разрешается пользоваться:

при возможности удлиненич ледяного поля (при его температурном расширении) в сторону открытой воды,расположенной вдоль берега за границей припая;

если берегозащитные сооружения выдвинуты в зону плавающего льда, т.е. за границу припая,

1*6. Толщина льда и его физико-механические свойства, входящие в расчет навала льда на сооружение, должны устанавливаться по данным натурных наблюдений и исследований за период не менее 5 лет, а также по материалам изучения других аналогичных объектов. По результатам изучения ледового режима водоема должно быть проведено районирование площади ледяного покрова по его прочностным характеристикам (разряженный, сплоченный, монолитный ледяной покров) и размещению становых трещин.

Исходя из размещения в плане монолитного ледяного покрова для дальнейших расчетов устанавливается положение прямоугольной системы координат (рис. 1), За ось X принимается продольная ось монолитного ледяного покрова 2L^ , м, за ось У - его ширина В, м. Начало координат расположено в середине монолитного покрова.

Б

Рис, 1. Пример расположения системы координат

в водоеме:

1 - граница монолитного ледяного покрова; 2 -контур ледяного покрова, принятый для расчета;

3 - место возможного надвига льда на сооружение

2. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА

2,1, Расчетными уровнями воды в водоеме являются уровни в период открытой воды во время формирования на пляже наплесковых форм льда, ледостава и вскрытия (рис. 2).

В зависимости от класса капитальности сооружения, защищаемого от надвига льда, обеспеченность расчетных уровней воды в водоеме принимается по следующей таблице.

хУ?(^

Щ-УоГЗ) - ~Л ....................... hj Т Т ‘■ЖГЛШП1ФМ|1''|||1 II 1 -k ь» —V* ь — —----—--—-7

Рис. 2. Расчетные уровни воды в водоеме:

Ур (1) “ уровень открытой воды; Ур{2) - периода ледо-става; Ур(3) - вскрытия от льда

Примечание, Расчетные уровни для 1-Ш классов капитальности сооружений необходимо принимать по наивысшим годовым уровням, для 1У класса - по среднегодовым.

2.2.    Ширина полосы напЛесковых форм льда на поверхности откоса сооружения в осенне-зимний период до ледостава принимается равной ширине наката расчетных волн и определяется в соответствии с требованиями СНиП П.06,04-82, п. 1.14, формула (25).

Примеч ание. Допускается ширину наплесковых форм льда на поверхности откоса сооружения определять по ширине наката воля, полученной по данным гидротехнического моделирования.

2.3.    Величина понижения поверхности льда в водоеме в результате уменьшения притока или сработки воды в период от ледостава до вскрытия (см,рис.2) находится как разность отметок уровней Hf , м^в соответствии с таблицей.

2,4. Ширина припая (неподвижной полосы льда вдоль берега) измеряется от уреза воды до линии сопряжения подводной поверхности льда с дном или с подводной частью откосного сооружения* От уровня воды в период ледостава линия сопряжения льда с дном находится на глубине Hf ⁺    ,    Mj    где    hj    -    расчетная    толщина    льда

обеспеченностью 1%^м.

Ширина припая Ef , м (см,рис.2) вычисляется по формуле

где    -    угол    наклона    поверхности    дна    к    горизонту,

рад*

2.6. Длина и высота надвига льда на сооружение отсчитываются от линии сопряжения нижней поверхности льда с дном или подводным откосом сооружения (точка А на рис* 2-4)*

сооружения

8

2.6. Длина однослойного надвига льда на откос сооружения £_с , м (см.рис.3) определяется по формуле

р    »(cos % ~ Ы sui % )    ₍₂₎

^с    +    fdC0s4_c)⁺    с    ’

где q, - линейная нагрузка на сооружение от действия ледяного покрова, кН/м;

% ~ У^гол откоса, по которому происходит однослойный надвиг льда на сооружение, рад;

- коэффициент трения льда по поверхности откоса;

р - плотность льда, кг/м ; д - ускорение, м/с2;

С - сила - сцепление льда, кН/м^.

2.7* Высота однослойного надвига льда на откос сооружения Н_с, м(см.рис.З) находится по формуле

н₀= e₀sinv_c-h_d    (з)

и отсчитывается от уровня воды, отвечающего периоду вскрытия водоема от льда (см.рис.З).

2*8. Высота нагромождения льда в навале Н ,м (см. рис, 3) при его надвиге на откос сооружения определяется по формуле

- угол естественного откоса льда в навале, рад;

f_e - коэффициент трения льда по льду.

Высота льда в навале отсчитывается от уровня воды, соответствующего периоду вскрытия водоема от льда (см.рис.З). Пустотность льда в навале может приниматься равной 50% первоначального объема.

2.9.    Протяженность навала льда на откос сооружения вдоль линии берега устанавливается по результатам натурных исследований морфологии подводной зоны на рассматриваемом участке. При этом случай навала льда, вычисляемый по формулам (2) - (4), относится к наиболее опасным зонам; вершине подводного каньона, близко подходящей к урезу воды; наиболее приглубому месту дна; участку берега, расположенному по нормали к продол; юй оси монолитного ледяного поля (см.рис.1 , точка 3) и т.д,

2.10.    Углом откоса Ч*_с * рад, по которому происхо

дит однослойный надвиг льда на сооружение, следует считать угол между горизонтом и линией, соединяющей точку А с бровкой земляного полотна (см.рис.4). При наличии перед основной площадкой земляного полотна спедк-ально устроенных ледорезов угол    определяется ис

ходя из высотного положения их гребня.

2.И* Коэффициент трения льда    при надвиге

ixiiда па откос сооружения принимается равным коэффициенту статического трения:

Надвиг льда    Коэффициент    трения    fd

Лед по льду .....................................    0,10

По бетону ............................... 0,10

По грунту .............. 0,15

По свежему снегу толщиной 0,5 см ...... 0,17