Совершенствование методов расчета глубины сезонного промерзания пучинистых грунтов земляного полотна железнодорожного пути
На правах рукописи
КИМ Хюн Чол СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ГЛУБИНЫ СЕЗОННОГО ПРОМЕРЗАНИЯ ПУЧИНИСТЫХ ГРУНТОВ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ Специальность 05.23.11 – Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Новосибирск – 2013 2
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет путей сообщения» (СГУПС).
доктор технических наук, с.н.с.
Научный консультант:
Исаков Александр Леонидович
Официальные оппоненты: Кудрявцев Сергей Анатольевич доктор технических наук, проф. каф. «Железнодорожный путь, основания и фундаменты» ДВГУПС Колос Алексей Федорович кандидат технических наук, доцент зав. каф. «Управление и технология строительства» ПГУПС ФГБОУ ВПО «Иркутский государ Ведущая организация ственный университет путей сообще ния» (ИрГУПС)
Защита состоится «29» марта 2013 года в 11 часов на заседании диссерта ционного совета ДМ 218.012.01 при ФГБОУ ВПО «Сибирский государствен ный университет путей сообщения» по адресу: 630049, г. Новосибирск, ул. Д.
Ковальчук, 191, в ауд. 224.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Сибир ский государственный университет путей сообщения» (СГУПС).
Автореферат разослан «28» февраля 2013 года.
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент Соловьёв Л.Ю.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы.
Процессы и явления, сопровождающие годовые циклы протекания водно теплового режима земляного полотна железных дорог, расположенных на тер риториях глубокого сезонного промерзания, а также распространения много летнемёрзлых грунтов, приводят к значительным экономическим потерям, свя занным со снижением скоростей или полной приостановкой движения грузо вых и пассажирских поездов. Поэтому проблема недостаточной изученности вопросов промерзания грунтов земляного полотна железных дорог, несмотря на её кажущуюся локальность, является одной из наиболее серьезных при зимней оценке эксплуатационных характеристик транспортных магистралей особенно в азиатской части России.
По своему характеру и особенностям промерзание грунтов подразделяет ся на сезонное, связанное с изменением фазового состава грунтов земляного полотна железных дорог в годовом цикле, и многолетнее, где большие толщи грунтов постоянно находятся в промерзшем состоянии. И в том и в другом слу чае промерзание глинистых грунтов, при наличии повышенного влагонакопле ния, приводит к явлению морозного пучения, которое в особой степени прояв ляется на протяженных участках таких жизненно важных магистралей как Транссиб и БАМ. Особенностью этих участков является наличие сильно увлажненных глинистых грунтов, которые в условиях сурового резко континентального климата представляют серьезную опасность для эксплуати руемых железных дорог в зимних условиях. Чтобы оценить степень негативных последствий от промерзания влагонасыщенных грунтов необходимо иметь точ ные оценки не только объемов грунтовых масс, вовлекаемых в процесс промер зания, но и характеристик этого процесса – скорости промерзания и его интен сивности (температурного градиента). Решение этих задач невозможно без надежного метода оценки процессов промерзания и оттаивания грунтов земля ного полотна железных дороги его основания, учитывающего весь спектр кли матических факторов и внешних условий в проблемных регионах.
Степень разработанности темы.
Существующие методы расчета промерзания грунтов земляного полотна, используемые в проектных институтах, дают неоднозначную оценку размеров зоны промерзания подрельсового основания, используемую при расчете мороз ного пучения глинистых грунтов. При этом в применяемых методиках отсут ствует понятие глубины зоны интенсивного пучения, которое в итоге и опреде ляет величину морозного пучения грунтов земляного полотна. Универсальные отечественные разработки, например, такие как программный комплекс «Termoground», имеют ограниченное распространение и сложны для широкого использования в проектной деятельности. В данной работе предпринята попыт ка совместить в одном подходе точность и простоту его реализации при оценке размеров зон промерзания и интенсивного пучения глинистых грунтов земля ного полотна железнодорожного пути.
Целью работы является повышение достоверности определения разме ров зон морозного пучения грунтов земляного полотна применительно к разра ботке противопучинных мероприятий.
Основные задачи исследований:
Провести долгосрочный мониторинг водно-теплового режима зем 1.
ляного полотна на полномасштабной модели земляного полотна с последую щим анализом влияния основных природных факторов на промерзаемость грунтов в климатических условиях Юга Западной Сибири.
На базе проведенных экспериментов разработать математическую 2.
модель нестационарного температурного поля земляного полотна железных до рог.
Обосновать выбор параметров метаматематического моделирова 3.
ния, обеспечивающий достоверность численных результатов решения задачи об определении глубины промерзания земляного полотна и зон морозного пуче ния.
Объектом исследования являются процессы промерзания пучинистых грунтов земляного полотна новых и длительно эксплуатируемых железнодо рожных путей.
Предметом исследования является математическое моделирование про цесса промерзания пучинистых грунтов земляного полотна с учетом природных факторов.
Методы исследований:
• комплексный мониторинг процессов промерзания-оттаивания грун тов земляного полотна в натурных и лабораторных условиях;
• анализ результатов экспериментальных исследований с выявлением закономерностей изменения температурного поля земляного полот на в годовом цикле;
• численное моделирование нестационарного температурного поля земляного полотна железных дорог в рамках принятой идеализации процесса его промерзания.
Идея работы заключается в сочетании идеализации математической по становки задачи с использованием эмпирических параметров, обеспечивающей достижение поставленной цели.
Научная новизна работы состоит:
– в уточнении механизма сезонного цикла «промерзание-оттаивание» грунтов под основной площадкой земляного полотна;
– в трехпараметрической формализации процесса фазовых переходов во ды в грунте при моделировании промерзания грунтов – в разработке дискретной модели нестационарного температурного поля земляного полотна с алгоритмом определения глубины зоны интенсивного мо розного пучения грунтов земляного полотна;
– в использовании комплексного критерия интенсивного пучения грун тов, объединяющего в себе условия превышения критических значений темпе ратур и температурных градиентов.
Практическую ценность работы составляют:
– расчетная схема определения глубин сезонного промерзания и зоны ин тенсивного морозного пучения грунтов земляного полотна железнодорожного пути;
– алгоритм выбора и задания исходных параметров математической мо дели для практических расчетов;
– адаптация методики расчета к типовым условиям железнодорожного пути;
На защиту выносятся:
1. Результаты трехлетних исследований температурного режима земляно го полотна на экспериментальном полигоне СГУПС.
2. Математическая модель процесса промерзания глинистых грунтов зем ляного полотна.
3. Методика оценки глубины промерзания и зоны интенсивного пучения грунтов земляного полотна.
Личный вклад автора состоит:
– в разработке технического обеспечения и проведении натурных и лабо раторных экспериментов;
– в анализе экспериментальных данных и постановке задач математиче ского моделирования исследуемых процессов;
– в проведении численных экспериментов по определению влияния от дельных параметров математических моделей на результаты расчетов.
Достоверность полученных результатов определяется применением классических законов теплофизики в математических моделях, сравнением ре зультатов математического моделирования с экспериментальными данными и известными аналитическими решениями.
Реализация исследований. Результаты исследований диссертационной работы использованы в практических расчетах для Дирекции по ремонту пути ЗСЖД при проектировании противопучинных мероприятий на отдельных участках Западно-сибирской железной дороги (Пламя-Карбышево и Чебачий Зубково, 2012-2013 гг.);
в учебном курсе «Земляное полотно железнодорожного пути» на факультете СЖД СГУПС (2011-2012 гг.).
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на конференциях: «Проблемы земляного полотна железных и автомобильных дорог» (Новосибирск, 2010), «International scientific conference on railway man agement and engineering» (Корея, 2010), «Наука и молодёжь XXI века» (Новоси бирск, 2011), «Современные проблемы проектирования, строительства и экс плуатации земляного полотна и искусственных сооружений» (Москва, 2011, 2012), «Инновационные факторы развития Транссиба на современном этапе» (Новосибирск, 2012), научный семинар СГУПС при диссертационном совете (Новосибирск, 2013).
Публикации: по теме диссертации опубликовано 5 научных работ.
Структура и объём диссертации. Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных источников и 3 приложений. Общий объём работы 139 страниц, включая 47 рисунков и 21 таблицу. Список исполь зованных источников включает 97 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформи рована цель исследований, определены задачи для достижения цели, представ лена научная новизна и практическая ценность результатов.
В первой главе выполнен анализ существующих экспериментальных ис следований (Цытович Н.А., Орлов В.О., Достовалов Б.Н., Кудрявцев В.А., Гол ли О.Р., Чистотинов Л.В., Бредюк Г.П., Ефименко В.Н., Кондратьев В.Г., Пус ков В.И., Anderson D.M., Ноо Koatra Р. и др.) и инженерных подходов к расчё там промерзания грунтов земляного полотна железных и автомобильных дорог (Шахунянц Г.М., Лукьянов В.С., Ашпиз Е.С., Кудрявцев С.А., Палькин Ю.С., Золотарь И.А., Пузаков Н.А., Хрусталев Л.Н., Kojima K., Berg R.L., Liu J. и др.).
Проведённый анализ показал, что:
- разработка новых методов расчёта сооружений в условиях сезонного промерзания морозоопасных пучинистых грунтов, повышающих экс плуатационную надёжность проектируемых и реконструируемых со оружений, до настоящего является актуальной проблемой в области капитального строительства и эксплуатации сооружений;
- теоретический прогноз негативного влияния морозного пучения на окружающую среду не может быть выполнен на основе традиционных в механике мерзлых грунтов аналитических решений, что и предопре деляет необходимость использования в расчетах нестационарных и физически нелинейных соотношений.
Вторая глава посвящена натурным и лабораторным экспериментальным исследованиям процесса промерзания грунтов земляного полотна. Целью этих исследований являлось всестороннее изучение этого явления с последующей разработкой математической модели теплофизических процессов, происходя щих в теле земляного полотна с учетом таких факторов как суточное изменение температур, солнечная радиация, толщина снежного покрова и пр. В качестве объекта натурных исследований процесса промерзания грунта была выбрана полномасштабная модель земляного полотна на экспериментальном полигоне СГУПС. Такой выбор был обоснован следующими факторами:
1) возможностью проведения исследования в условиях, приближенных к реальным по конструкции земляного полотна;
2) возможностью размещения в теле насыпи необходимого оборудование для проведения измерений;
3) возможностью совмещения в рамках одной модели участков, оборудо ванных теплоизолирующим покрытием из пенополистирола и без него.
Экспериментальная насыпь высотой 2 м и длиной 24 м была возведена в 2007 г. преимущественно из легкого суглинка – грунта наиболее типичного для железных дорог Западно-Сибирского региона. К началу исследований в 2009 г.
в насыпи завершилась стабилизация напряженно-деформированного состояния и формирование постоянных характеристик грунта земляного полотна.
Рисунок 1 – Схема эксперимента по измерению температуры в грунте В течение трех лет на экспериментальном полигоне проводились следу ющие измерения: температуры грунта и балластных материалов, влажности грунта под основной площадкой земляного полотна, толщины снежного покро ва в зимний период на балласте, его откосах, на обочине и откосах насыпи. В качестве датчиков температуры были использованы терморезисторы типа ММТ-1, прошедшие тестирование в камере холода, и соединенные в две гир лянды, размещенные в теле земляного полотна (рис.1).
Трехлетний мониторинг температуры грунта вблизи основной площадки земляного полотна (+ 10 см и – 30 см) позволил выявить не только качествен ное, но и количественное влияние теплоизолирующего покрытия из пенополи стирола на промерзаемость грунта под основной площадкой (рис. 2,3). При наличии теплоизолирующего покрытия зимняя температура под ним увеличи вается незначительно (на 1-1,50С), в то время как над ним температура в балла сте понижается на 3-40С. Другим важным параметром, характеризующим про цесс промерзания грунта и, что самое главное, степень его пучиноопасности, является температурный градиент – чем он ниже, тем ниже интенсивность пу чения грунта.
а б Рисунок 2 – Мониторинг температуры грунта в насыпи с пенополостиролом толщиной 4 см (а) и без него (б) Как следует из рис. 3, наличие теплоизолирующего покрытия толщиной см приводит к заметному снижению значений температурного градиента в зоне промерзания грунта.
Рисунок 3 – Температурные градиенты при промерзании насыпи на полигоне СГУПС в 2009-2010 гг. (1 – без пенополистирола, 2 – с пено полистиролом 4 см) Наиболее емкую информацию об исследуемом процессе дает анализ из менения размеров зон промерзания грунта под основной площадкой во време ни. Традиционно график промерзания грунта изображается в виде изотерм ну левой температуры. На рис. 4 показаны две ветви этой изотермы – линия, ха рактеризующая процесс промерзания грунта (слева) и линия оттаивания (спра ва). Однако, как было экспериментально установлено, суглинок в насыпи на полигоне СГУПС промерзает при температуре, близкой к -0,70С. Поэтому важ ной, в данном случае, является изотерма (Т = -0,70С). Рассмотрим нижнюю точ ку, изотермы, характеризующую максимальную глубину промерзания грунта.
Из этой точки можно продолжить изотерму (Т = -0,70С) до выхода на верхнюю границу промерзшей зоны грунта. Однако дальнейшая стадия изменения тем пературного режима в грунте описывается другой траекторией. По данным многочисленных исследований, подтвержденным в работе, оттаивание незасо ленных грунтов всегда происходит при нулевых температурах. Поэтому, преж де чем в грунте начнутся обратные фазовые переходы – превращение льда в во ду, температура в нем должна подняться до нуля градусов. На графике (рис. 4) это показано прямой, соединяющей точку «А», лежащую на изотерме (Т = 0,70С) с точкой «В», лежащую на нулевой изотерме. И только после этого начинается процесс оттаивания грунта снизу – линия «В-С», который заверша ется в точке «С». Выделенная на графике область является зоной промерзания грунта в координатах «глубина-время». Второй зоной, требующей пристально го рассмотрения, является так называемая зона интенсивного пучения грунта.
По данным различных авторов (Орлов В.О., Голли О.Р. и др.) активное пучение каждого типа грунта начинается только после достижения температурой в нем определенных значений. Например, для суглинков эти значения варьируют в пределах от -1,50С до -2,50С. Если в нашем случае принять температуру начала интенсивного пучения грунта за -20С, то на рис. 3 линией, ограничивающей зо ну интенсивного морозного пучения грунта будет изотерма (Т = -20С).
Рисунок 4 – Процесс «промерзания-оттаивания» грунта в насыпи под основной площадкой в 2009-2010 гг.
Скорости промерзания грунта, зафиксированные в разные годы, оказа лись следующими: в 2009-2010 гг. – 1,1 см/сут. без покрытия и 0,8 см/сут. с по крытием из пенополистирола;
в 2011-2012 гг. – 0,9 см/сут. без покрытия и 0, см/сут. с покрытием. Среднезимняя толщина снега на балласте в 2009-2010 гг.
составила 17 см при седнезимней температуре воздуха -16,30С, а в 2011-2012 гг.
– 15 см при седнезимней температуре воздуха -12,80С.
Наряду с измерениями температуры грунта в теле насыпи на глубине см под основной площадкой земляного полотна измерялась его влажность. Из мерения проводились с помощью специальных датчиков «WaterScout SM100», фиксирующих диэлектрическую проницаемость грунта.
Рисунок 5 – Изменение влажности грунта в насыпи зимой 2011-2012 гг.
Мониторинг влажности грунта под основной площадкой насыпи показал, что при промерзании легкий суглинок сохраняет в себе около 8% весовой влажности незамерзшей воды. Те же данные были получены в лабораторных условиях при замораживании грунта с бльшими начальными значениями ве совой влажности. Подтверждение положения об инвариантности доли незамер зающей воды в грунте было использовано в дальнейшем при математическом моделировании фазовых переходов в грунте земляного полотна при его про мерзании.
Третья глава посвящена математическому моделированию процесса промерзания земляного полотна. Существующий подход к решению проблемы защиты земляного полотна от пучения в настоящее время сводится к выводу пучинистых грунтов из зоны промерзания. Однако само понятие «глубина про мерзания» далеко не однозначно. Это становиться понятным, если обратиться к рис. 6. Здесь показаны пять уровней, в той или иной степени характеризующих глубину промерзания грунта.
Рисунок 6 – Зоны сезонного промерзания глинистых грунтов Очевидно, что для железнодорожного пути наиболее опасной является зона интенсивного пучения грунта, т.к. силы морозного пучения, возникающие на начальной стадии замерзания грунта обычно недостаточны для того чтобы вызвать деформацию верхнего строения пути. Глядя на правую часть рис. 6, становится очевидным, что при определении границ интенсивного пучения грунта, необходим корректный учет особенностей процесса фазовых переходов в грунте.
На рис. 7 сплошной линией схематично показана зависимость изменения влажности грунта в процессе его промерзания, где W0 и Wнз – влажность тало го (начальная влажность) и полностью замерзшего (конечная влажность) грун та. Поскольку практическое определение температурных границ (Tн, Tк ) и формы кривой фазовых переходов, описывающей процесс превращения воды из жидкого состояния в твердое, для каждого грунта сопряжено с большими трудностями, то при численном моделировании представляется естественным аппроксимировать реальную кривую ступенчатой функцией (штриховая ли ния), где Tф – условная граница фазовых переходов в грунте. Таким образом, простейшая модель фазовых переходов в грунте может быть описана тремя па раметрами - W0, Wнз и Tф.
Рисунок 7 – Схема моделирования фазовых переходов в глинистых грунтах Численному решению задачи о промерзании грунтов земляного полотна посвящено значительное количество работ различных авторов, таких как Паль кин Ю.С., Ашпиз Е.С., Кудрявцев С.А., Хрусталев Л.Н. и др. Наиболее прора ботанной и сложной из существующих является модель, разработанная проф.
Кудрявцевым С.А., где зона фазовых переходов разбита на две области – зону замерзания поровой воды и зону замерзания рыхлосвязанной воды в грунте.
Теоретически такая детализация является обоснованной, но для практического использования модель становится достаточно громоздкой и требует больших усилий для достоверного определения температурных границ вышеупомянутых зон. В данной работе принята трехпараметрическая идеализация фазовых пе реходов воды в грунте, так, как это показано на рис. 7.
Предлагаемый в работе алгоритм решения одномерной задачи определе ния дискретного нестационарного теплового поля земляного полотна и верхне го строения железнодорожного пути построен по принципу использования за конов сохранения энергии и кондуктивного теплообмена применительно к от дельно взятому элементу грунта земляного полотна, верхнего строения пути или снежного покрова. Ниже приведены все необходимые для решения задачи уравнения для i-го элемента среды.
Закон сохранения энергии для i-го элемента Qi = i Ci S h [Ti (t ) Ti (t + t )] + Qф i S h T =T (1) ф Уравнение теплопроводности для i-го элемента Qi = ( J i 1 J i +1 ) S t (2) Поток тепла от i-го элемента к (i-1)-му элементу Ti 1 (t ) Ti (t ) (3) J i 1 = i h Поток тепла от (i+1)-го элемента к i-му элементу Ti (t ) Ti +1 (t ) (4) J i +1 = i h i - плотность i-го элемента, i - коэффициент теплопроводности i-го эле где мента, Ci - удельная теплоемкость i-го элемента, Qi - удельная теплота фазового перехода в грунте, h - шаг по глубине массива, t - шаг по времени.
В качестве граничных условий задачи использовались заданные темпера туры верхнего и нижнего элементов рассматриваемого массива: вверху – сред несуточной температуры воздуха с поправкой на радиационный баланс, внизу – температурной константы на глубине нулевых годовых амплитуд.
Наибольшую сложность в подобных моделях представляет алгоритмиза ция фазовых переходов – замерзания-оттаивания жидкости, содержащейся в грунте земляного полотна. Поэтому для проверки корректности моделирования фазовых переходов в предложенной модели, было выполнено сравнение ре зультатов тестового расчета по вышеописанному алгоритму с одним из про стейших теоретических решений задачи замерзания воды, имеющей температу ру близкую к 00С в безграничном водоеме при постоянной температуре воздуха на поверхности – минус 100С. Совпадение численного решения с аналитиче ским с точностью до степени дискретизации среды, свидетельствует о коррект ности разработанного алгоритма численного моделирования фазовых перехо дов в среде. Корректность описания кондуктивного теплообмена в среде обес печивается классическими законами теплофизики, реализованными в вышеопи санном алгоритме.
Степень влияния модельного параметра – температуры фазовых переходов, на результаты численного моделирования процесса промерзания земляного полотна была установлена в результате серии численных экспери ментов, выполненных применительно к типовой конструкции железнодорожно го пути с основанием из легкого суглинка (W = 0,2, Wp = 0,16, WL = 0,24) и толщиной снега на балласте 5 см, которые показали слабую корреляцию этого параметра с глубиной интенсивного морозного пучения.
Для проверки «чувствительности» решения задачи к изменению еще од ного параметра – температуры начала интенсивного пучения грунта Tпуч, была проведена еще одна серия численных экспериментов с различными значениями этого параметра. Как следует из приведенных на рис. 8 графиков, абсолютные отклонения расчетных значений глубины пучения при изменении Tпуч практически не зависят от толщины снежного покрова на поверхности и составляют около 10 см на каждые 0,50С неточности в задании температуры начала интенсивного пучения.
Рисунок 8 – Расчетные зависимости глубин зоны интенсивного пучения грунта от параметра Tпуч при раличной толщине снежного покрова:
1- Нсн = 5 см, 2 - Нсн = 10 см, 3 - Нсн = 20 см К главным особенностям разработанной модели сезонного промерзания грунтов относятся ее ориентированность на железнодорожные конструкции пу ти и простота в использовании при необходимой точности расчета глубин про мерзания земляного полотна и зон интенсивного морозного пучения.
Для выяснения роли «неодномерности» на результаты расчета глубин промерзания грунта была разработана двухмерная модель нестационарного температурного поля земляного полотна, построенная на базе вышеприведен ного алгоритма для одномерной задачи.
Рисунок 9 – Расчетное поле температур в насыпи на полигоне СГУПС в начале марта 2010 г.
На рис. 9 показан расчет температурного поля в насыпи на полигоне СГУПС в первой декаде марта – периоде максимальных глубин промерзания земляного полотна на Юге Западной Сибири. Отчетливо видно, что кривизна обеих изотерм в подшпальной области изменяется незначительно.
Как было отмечено ранее, наряду с температурой важным для определе ния степени пучения грунта является еще один показатель – температурный градиент. На рис.10 приведен пример расчета температурного градиента для экспериментальной насыпи в рамках двухмерной модели. Сравнение получен ных зависимостей с рис. 3 свидетельствует о хорошей сходимости расчетных значений этого показателя с экспериментальными.
На рис. 11 показаны сравнения расчетных и экспериментальных зависи мостей распределения температуры грунта по глубине насыпи, которые харак теризуют адекватность построенной модели описываемым процессам в грунте.
Рисунок 10 – Расчетные температурные градиенты при промерзании насыпи на полигоне СГУПС в 2009-2010 гг. (1 – без пенополистирола, 2 – с пено полистиролом 4 см) Рисунок 11 – Распределение температуры в теле насыпи по ее оси на полигоне СГУПС в середине февраля 2010 г. (штриховой линией показаны расчетные за висимости) Сравнение глубин промерзания и зоны интенсивного пучения грунта на полигоне СГУПС, полученных путем расчета в одномерной и двухмерной схе мах (рис. 12) с экспериментом (рис. 4) дало следующее. Во всех случаях, рас четные глубины промерзания и зоны интенсивного пучения грунта оказались немного большими при использовании двухмерной модели, которая дала ре зультаты более близкие к экспериментальным (±5%). Исключением были рас хождения в определении зон пучения под пенополистиролом из-за их незначи тельных размеров, где температурный градиент очень мал и эксперименталь ные значения температур оказались «размытыми». Что касается скоростей про мерзания, расчет также показал достаточно близкие значения с экспериментом (±10%) за тем же исключением. Таким образом, выполненный объем тестовых сравнений позволяет судить о корректности изложенного в работе математиче ского моделирования процесса сезонного промерзания грунтов земляного по лотна с учетом толщины снежного покрова.
Рисунок 12 – Результаты тестовых расчетов глубины промерзания грунта на полигоне СГУПС в 2009-2010 гг.
Поскольку приложения разработанных моделей связаны с действующими железнодорожными линиями, то представляет интерес сравнение двух расчет ных схем – одномерной и двухмерной при реальной толщине снежного покрова на балласте – не более 5 см. При этом оказалось, что в отсутствии пенополи стирола уже одномерная схема расчета дает несколько большие значения глу бин промерзания (на 3-5%), по сравнению с двухмерной. При наличии пенопо листирола данные практически выравниваются с небольшим увеличением глу бины промерзания в двухмерной схеме. Этот факт объясняется превалирующей ролью промерзания земляного полотна на действующий линиях сверху, т.е. от туда, где толщина снежного покрова минимальна.
В дополнение к глубине и скорости промерзания здесь приведены рас четные значения температурных градиентов при промерзании земляного по лотна с толщиной снежного покрова на балластной призме 5 см для климатиче ских условий Юга Западной Сибири. Анализ значений температурных градиен тов показывает, что толщина снежного покрова, превышающая 15-20 см (рис.
10), не позволяет создать в теле земляного полотна температурные градиенты, обеспечивающие условия для интенсивного морозного пучения. При толщине снежного покрова не более 5 см значения температурных градиентов (по Дуб нову Ю.Д.) попадают в область критических значений – 0,1…0,2 град/см, при которых формируются условия для интенсивного морозного пучения грунтов.
Рисунок 13 – Расчетные температурные градиенты при промерзании грунта земляного полотна железной дороги (1 – без пенополистирола, 2 – с пенополи стиролом 4 см) С учетом вышеизложенного, условие превышения температурным гради ентом некоторых критических значений следует рассматривать в качестве до полнительного к определению зоны интенсивного пучения грунта. В заключе ние следует отметить, что оба рассмотренных в работе критерия (по температу ре и температурному градиенту) являются необходимыми, но не достаточными условиями интенсивного пучения грунтов. Без достаточного влагонасыщения глинистого грунта, находящегося в зоне интенсивного пучения, определенной по вышеописанныму алгоритму, величина пучения может оказаться весьма не значительной или даже нулевой. Другими словами, величина морозного пуче ния hпуч определяется с помощью простой зависимости hпуч = К пуч H пуч, (5) где К пуч - коэффициент пучения, H пуч - глубина зоны, в которой могут разви ваться усилия, способные вызвать деформации основной площадки земляного полотна.
В четвёртой главе рассмотрены прикладные аспекты использования од номерной модели промерзания земляного полотна применительно к проектиро ванию противопучинных мероприятий на отдельных участках Западно сибирской железной дороги.
Заключение Диссертационная работа выполнена на актуальную тему оценки глубин промерзания и зон морозного пучения глинистых грунтов земляного полотна железных дорог в сложных природных условиях.
В результате проведённых исследований в работе решены следующие за дачи:
1. На базе результатов трехлетнего мониторинга водно-теплового режи ма грунтов земляного полотна уточнен механизм сезонного цикла «промерзание-оттаивание» грунтов под основной площадкой земляно го полотна с выделением стадии повышения температуры промерзше го грунта до температуры оттаивания (рис. 4), а также установлено ко личественное влияние теплозащитного покрытия из пенополистирола на глубину промерзания земляного полотна при различных погодных условиях.
2. Разработана дискретная модель нестационарного температурного поля земляного полотна железных дорог в одномерной и двухмерной по становках с трехпараметрической формализацией фазовых переходов в глинистых грунтах и алгоритмом определения глубины зоны интен сивного морозного пучения грунтов.
3. Выполнено обоснование основных параметров математического моде лирования промерзания земляного полотна, необходимое для обеспе чения получения достоверных оценок глубин промерзания и зон ин тенсивного пучения грунтов.
4. Установлено совместное влияние толщины теплозащитного покрытия из пенополистирола и высоты снежного покрова на глубину зоны ин тенсивного морозного пучения грунтов земляного полотна, где, в частности, показано, что двухсантиметровый слой пенополистирола по теплозащите грунта эквивалентен десятисантиметровому слою уплот ненного снега.
5. Приведен алгоритм выполнения практических расчетов глубин сезон ного промерзания и зон интенсивного пучения грунтов земляного по лотна железных дорог, учитывающий величину остаточной влажности замерзшего грунта.
Основные положения диссертации опубликованы в работах автора:
Статьи в рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендован ных ВАК Минобрнауки России 1. Исаков, А.Л., Ким, Хюн Чол Теплофизическая дискретная модель про мерзания грунта земляного полотна / А.Л. Исаков, Ким Хюн Чол // Транспорт Урала. – 2012. – вып. 2. – С.121-124.
Научные статьи и материалы выступлений на конференциях 2. Ким, Хюн Чол Анализ результатов наблюдения за температурным режи мом насыпи, оборудованной теплоизолирующим покрытием / Ким Хюн Чол // Сборник научных трудов SWorld. – 2011. – Том 1. – С.32-34.
3. Исаков, А.Л., Ким, Хюн Чол Экспериментальные исследования и расчет температурного режима грунтов земляного полотна на полигоне СГУПС / А.Л. Исаков, Ким Хюн Чол // Проблемы земляного полотна железных и автомобильных дорог в условиях Сибири: Вторая региональная научно практическая конференция: труды. – 2011. – С.8-12.
4. Исаков, А.Л., Ким, Хюн Чол Моделирование процесса промерзания зем ляного полотна на полигоне СГУПС / А.Л. Исаков, Ким Хюн Чол // Со временные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации земляного полотна и искусственных сооружений: Восьмая науч.-техн.
конф. с междунар. участием: труды. – 2011. – С.137-142.
5. Исаков, А.Л., Ким, Хюн Чол. Численный анализ глубины промерзания земляного полотна с использованием программ Freeze-1 и Freeze-2 / А.Л.
Исаков, Ким Хюн Чол // Современные проблемы проектирования, строи тельства и эксплуатации земляного полотна и искусственных сооруже ний: Девятая науч.-техн. конф. с междунар. участием: труды. – 2012. – С.159-161.
Ким Хюн Чол Совершенствование методов расчета глубины сезонного промерзания пучинистых грунтов земляного полотна железнодорожного пути Специальность 05.23.11 – Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей Подписано к печати 21.02. Объем 1,5 печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № Издательство ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения» 630049, Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук,