автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Исследование водно-теплового режима откосной части земляного полотна, укрепленного ребристыми плитами

Р Г 8 О*

гаэдлрсгввшй ДСРОЖКЫЙ

Ч ЪПЗ аЩ^О-КССЩОВАТКЛЬашЯ ИНСТИТУТ (СОЩЦОРНИИ)

На правах рукописи ЯРМСИВШЕИЙ вллдаир АПОЛЕНАРЬБВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ В0ДНЮ-ТЫТЛ030Г0 РЕЖИМА ОТКОСНОЙ ЧАСТИ ЗЖШНОРО ПОЛОТКА, УКРЕПЛЕННОГО РЕБРИСТЫМИ ПЛИТАМИ

Специальность C5.23.II - "Строительство автомобильных аорог и азропромов"

Автореферат

виссергации кв соискание ученой степени кандидата технических наук

Мссява- 1994

Работа выполнена в Хабаровском государственном техническом университете.

доктор технических наук, профессор Кулиш В.И. кандидат технических наук, доцент Милютин В.М.

доктор технических наук, старший научный сотрудник Рувинский В.И. кандидат технических наук, доцент Шкицкий Ю.П. Государственное объединение "Хабаровскавтодор"

Защита состоится " ¿5 " 1994г. в час. на

*

заседании Специализированного Совета К 133.02.01 при Государственном дорожном научно-исследовательском институте (Союздорнии) по адресу: Московская область,г.Валашиха-б,ш.Энтузиастов", 79, актовый зал Союздорнии.

С диссертацией мояно ознакомится в библиотеке Союздорнии. Просим принять участие в работе Совета или направить отзывы в ивух экземплярах,заверенные подписью и печатью руководителя, по адресу:143900,Московская область,г.Балашха-6,Союздорнии, Ученый Совет.

Справки по телефону: 521-20-06 Автореферат разослан "л? "¿У/У^г^р? 1994г.

Ученый секретарь Специализированного совета,

кандидат технических наук,старший научн.сотр. Б.С.Марышев^

Научные руководители:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. При строительстве высоких насыпей в.сложных грунтово-гидрологических. условиях актуальной проблемой является обеспечение местной устойчивости откосов. Известно,.что местная устойчивость определяется- в основном водно-тепловым режимом активного слоя откосной-части, земляного полотна.

Особенно актуальна эта проблема для условий Дальнего Востока, харачтеризудаНосся4' муссонйтг- климатом. Из-за периодически возникающих паводков-мусонного характера, многие малые искусственные сооружения работают в напорном режиме-* Это обуславливает большой объем укрепительных работ. Наиболее распространенным топом укрепления откосов в этих условиях являются плитные. Имеющий место в западных и северных районах: России ¡весенний паводок, сопровождающийся ледоходом, здесь, отсутствует.. Вследствие этог,рг;появдяется .возможность облегчить конструкцию бетонных плит ввиду того, что нет ударной нагрузки'от лепохотга.' Облегчение конструкции возможно за счет применения ребристых плит. В результате воздушной полости можно '"добиться значительной- экономии -бетона',' при "эт'ом 'обеспечив требуемые: прочностные ка^естта--плитаогот-.ук'реплемйяТ"-1

Предложенное ..новое _конструктивное3,решенда,.траздционного;ллит-ного укрепления откосов обусловит изменение водно-теплового режима откосной частй''земляного полотна.'"Это' составляет прелмбт'настоящих исследований. гиот

Целью диссертации является, исследование особенностей;водно-теплового режима откосной части земляного полотна,укрепленного ребристыми плитами.

Научная новизна работы состоит

- в разработке концепции направленного регулирования водно-теплового режима откосной части земляного полотна на основе-предложенной теории переменных температурных полей;

- в приоритетном конструктивном решении "данной проблемы за счет искусственного создания.потенциалагтепломассопереноса ребристой плитой; . • - -

: - в,.теоретическом обосновании^ процесса тепломассопереноса в условиях двумерного теплового поля, создаваемого ребристой плитой;

- в лабораторных и полевых результатах апробации предложенного мероприятия.

Автор защищает метод расчета водно-теплового режима откосной части земляного полотна, укрепленного ребристыми плитами.

Практическая ценность заключается в разработке рекомендаций по расчету водно-теплового режима откосной части земляного полотна, укрепленного ребристыми плитами.

Реализация результатов осуществлена в организациях Хабаровск-автодора путем опытного строительства и применения в качестве нормативного документа основных материалов исследования.

Апробация работы осуществлена на 32-й научно-технической конференции Хабаровского политехнического института (1992г.) и на межвузовской научно-технической конференции "Экономика Дальнего Востока в условиях перехода к рынку" (1993г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатных статьи.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и содержит 130 страниц текста, 30 рчсунков, II таблиц, списка литературы из ИЗ наименований, в том числе 13 на иностранных языках и б приложений на 54 страницах.

СОДКРЖАНИК РАБОТЫ

Первая .глава диссертации посвящена.обзору современных способов укрепления откосов и анализу существующих методов регулирования водно-теплового режима земляного полотна. Определены цель и задачи исследования.

Обзор мероприятий по повышению устойчивости откосов показал, что в современной практике строительства применяют несущие, защитные, изолирующие и биологические типы укреплений. Выбор того или иного способа зависит от их реакции на силовые и погодно-климати-ческие воздействия.

Широкий круг исследований, посвященных проблеме укрепления откосов и конусов земляного полотна, был проведен учеными Союздорнин и других организаций. Благодаря исследованиям В.Д.Казарновского,• Э.М.Доброва,Ю.М.Львовича,Б.Ф.Перевозникова в дорожном строительстве нашли широкое применение решетчатые сборные конструкции укрепления. Монолитные конструкции из стабилизированных грунтов нашли

отражение в работах А.В.Линцера.С.И.Матейковича,В.И.Юрчекко.Гибкие железобетонные покрытия для защиты подтопляемых откосов насыпей описаны Л.Н.Юпиным,Г.А.Малючит.А.Ф.Высоцким.Б.И.Цкеловдб исследовал способы повышения устойчивости откосов биологическими типами укреплений.

Анализируя существующие метопы укрепления откосов и конусов, очевидно, что все они выполняют несущие, изолирующие или защитные функции, но не предусматривают регулирование водно-теплового режима откосной части земляного полотна. Тем не менее, в районах с сезонным промерзанием значительную долю нарушений общей и особенно местной устойчивости откосов составляют пучинные деформации. Предлагаемая конструкция укрепления откосов ребристыми пиитами позволяет помимо несущих, изолирующих и защитных функций осуществлять регулирование водно-теплового режима и стабилизировать устойчивость откосов земляного полотна.

Для аналитического описания процесса изменения температуры, влажности и плотности грунта откоса необходимо воспользоваться расчетными методами прогноза вояно-теплового режима земляного полотна. Анализируя современное состояние этого вопроса, в первую очередь следует отметить теорию переноса тепла и влаги А.В.Лыкова, описывающую процесс системой дифференциальных уравнений. Данный метод лег в основу создания расчетных теорий В.М.Сиценно, И.А.Золотаря.Е.И.Шелопаева. Расчетные метопы В.М.Сиденко и Е.И.Ше-лопаева нашли применение в районах П-1У дорожно-климатических зон, а метод И.А.Золотаря - в районах многолетней мерзлоты.

Значительный вклад в развитие теории водно-теплового режима внесли работы А.Я.Тулаева, Н.А.Пузакова, М.Б.Корсунского. Метод Н.А.Пузакова до недавнего времени являлся основой для расчета характеристик вояно-теплового режима в районах с сезонным промерзанием грунтов. Однако в последние голы получила теоретическое обоснование и практическое применение физико-техническая теория водно-теплового режима В.И.Рувинского, которая легаа в основу создания Пособия к СНиП 2.05.02-85 по проектированию методов регулирования водно-теплового режима верхней чести земляного полотна.

Анализ существующих расчетных методов прогноза и регулирования водно-теплового режима земляного полотна показал, что они позволяют в той или иной степени описать процессы, происходящие в грунте откоса, укрепленного ребристыми плитами.

Однако, в специфических условиях переувлажненного грунта откосной части земляного полотна наиболее приемлемой является физико-техническая теория В.И.Рувинского, позволяющая описывать круглогодичное изменение влажности и плотности в условиях полной капиллярной влагоемкости. Процесс, обуславливающий миграцию влаги в переменном температурном поле, сознаваемом ребристой плитой,необходимо рассматривать как двумерный. Вследствие этого воспользоваться одномерной моделью, положенной в основу физико-технической теории в чистом виде, не представляется возможным. Нужен новый математический аппарат, позволяющий синтезировать основополагаю- ' щие принципы физико-технической теории применительно к решению указанной проблемы. Для этого в диссертационной работе были поставлены следующие задачи:

- обосновать и разработать методику расчета водно-теплового режима откосов земляного полотна, укрепленных ребристыми плитами;

- исследовать влияние конструктивных параметров ребристой плиты на водно-тепловой режим откоса земляного полотна;

- исследовать в полевых и лабораторных исследованиях влияние рзбристых плит на водно-тепловой режим откосной части земляного полотна; '

- разработать рекомендации по назначению размеров ребристых

плит.

Во второй главе рассмотрены теоретические вопросы водно-теплового режима откосной части земляного полотна с ребристыми плитами. Физическая идея, заложенная в предлагаемую конструкцию ребристой плиты, заключается в следующем.

Тепловые потоки (как положительные, так и отрицательные) (рис.1) легче проходят через край плиты (ребро),чем через ее середину, где имеет место дополнительное термическое сопротивление низкотеплопроводного воздуха (воздушной прослойки).В силу этого создается перепад температур в верхнем слое грунта - между зонами под серединой плиты и под ребрами.В свою очередь, это ведет к дополнительной миграции влаги от "теплой" зоньг грунта к "холодной" за счет тормовлагопрокодности. Соответствующим образом, под-бирзя соотношение параметров ребристой плиты, можно решать следующие задачи:

- регулирогать влажностный режим, осушая грунт под куполом

плиты;

- регулировать тепловой режим в период оттаивания, обеспечм- ' вал замедление оттаивания грунта поп куполом плиты, а результате чего создается "сотовое" армирование относов земляного полотна;

- обеспечивать при оттаивании откосов направленный отвод грунтовой воды, частично поступающей в слой дорнита у ребер плит, а также всю конденсационную влагу, скапливающуюся на внутреннем куполе плиты.

Рис Л. Схема работы купольных ребристых плит:

I - ребристая пл'ита;2- воздушная полость; 3 - дорнит; 4 - грунт откоса;6 - температура воздуха; 0*, - температура на внешней и внутренней поверхности плиты; , - то же под ребрами плиты

Эффективность предлагаемого решения- зависит от размеров плиты, толщины воздушной прослойки, характера передачи тепла: Соответственно с этим будет меняться температурное поле, Прогноз температурного поля был выполнен на основании решения уравнения теплопроводности методом конечных разностей.

Расчет процесса промерзания-протаиввния грунтового, массива основывается на следующих основных предпосылках: вся расчетная' область делится на две части - зону талого и зону мерзлого грунта, которые разделены точкой в одномерной постановке, линией в двумерной постановке и поверхностью в трехмерной постановке. В процессе промерзания-протаивания происходит перемещение указанной границы, при этом на границе отрабатывают скрытые теплоты .. при фазовом .переходе материала.

¡.'атематмческая постановка при одномерной схеме:

см = > х<х3си): ц)

Ш' х>ъ (2)

где , 6т -' температура соответственно мерзлого и талого грунта; ОС - координата точки, для которой формулируется условие;

Ям ' Лг ~ коэффициент теплопроводности соответственно мерзлого и талого грунта; Си ,Ст - то же, теплоемкость; ( У ) - фунн -ция изменения во. времени положения границы промерзания; ¿5 -температура, при которой происходит изменение фазового состояния грунта; & - скрытая теплота при фазовом переходе.грунта.

Математическая постановка при двумерной схеме:

(мерзлая зона); (4)

г Иг - Л , •} Зг1г (талая зона); (5)

Сг д<€~КГ -¿¿г +^г ду1

ЬшЬшй , ** я +

^ ~ т дп I ^ * '

(на границе

дЬ дЬ Л . Л промерзания) ^

Реализация задачи была осуществлена автором под руководством В.В.Пассека в лаборатории теплофизических исследований ЦНИИС.

При разработке алгоритмов и программ был использован метод элементарных балансов, реализованный в конечно-разностной форме явного типа. В' соответствии с этим методом расчетная область разбивалась на'блоки (конечные элементы) линейные - при решении одномерной задачи, плоские прямоугольники - при решении двумерной задачи, прямые прямоугольные призмы - при решении трехмерной.задачи. Таким образом каждый элемент оказывался соединен соответственно с двумя, четырьмя или шестью соседними элементами.За неизвестные принимались температуры в центрах элементов. Время рассматривалось дискретно. Приращение температуры за один временной шаг от прохождения теплового потока в каждом измерении определялось по уравнению

■а

7 *„ 1* .

где д - приращение температуры в блоке " п. " за один временной шаг;-¿п., , , - соответственно средние за рассматриваемый шаг температуры в центрах блоков (л-1 ), п и ( п +1 );

Т - длительность временного шага; Ип~, , Яп - термические сопротивления соответственно между блоками" п-1 " и " п "И " и " п + 1и; Сп — теплоемкость блока " п ".

Полное приращение температуры за один временной шаг определялось суммой приращений температур от прохождения теплового потока в каждом измерении.

Исследования температурного поля проводились при помощи ПЭШ 7ВМ РС/ЛТ. Применительно к условиям г.Хабаровска при одномерной постановке задачи были получены распределения температур по глубине грунта в характерные моменты времени в течение года:на начало промерзания и начало протаивания. Решение задачи в двухмерной постановке дополнило картину промерзания и оттаивания грунта под купольной ребристой плитой. Нулевая изотерма на глубинах 1,3,5,10,20,30 см "отстает" под серединой плиты на 2-3°С от соответствующих точек по глубине под ребром (рис.2). При оттаивании наблюдается аналогичная картина, но менее характерная, чем при

Рис.2.Распределение температур в грунте поп ребристой плитой через:1 - сутки после установления отрицательных тем-

ператур воэцуха -8,1°С(ноябрь);2. - то же через 1,5суток; 3 - то же через 2,5суток', Л - то же через 5 суток.

Анализ температурного поля поп ребристой плитой позволил сделать следующие выводы.

Ребра плиты заметно влияют на температурное поле земляного .полотна в пределах слоя а 1 от поверхности откоса. В этом ..слое наблюдается различие между, температурами грунта под ребром плиты • и в середине плиты. В нижележащих слоях грунта температура выравнивается. Для плит с размерами: ширина ребер =20-30см, полуширина полости С = (2-3)еГ , высота полости (толщина воздушной прослойки) 5 см, .толщина плиты над полостью 5см, можно принять д 1 - 0,5 м при условии укладки плит без заглубления ребер в грунт. При заглублении ребер плиты в грунт или укладке между ребрами пенопласта, толщина слоя л 2 увеличивается. Характер распределения температур в'слое показывает, что в зону

промерзания грунта под ребрами плиты может поступать вода из грунта пол средней частью плиты с воздушной прослойкой. При таких условиях нужно рассматривать процесс изменения плотности и влажности грунта под ребристыми платами в зимний период как двумерный процесс. '

Теоретический анализ показал, что расчет плотности и влажности грунта в условиях переменного температурного поля можно осуществлять на основе физико-технической теории водно-теплового режима земляного полотна.

При расчете последовательно определяют: влажность грунта перед промерзанием; температурное поле земляного полотна в зимний период; скорость промерзания грунта; .значение градиента не-замерзшей воды; функцию влияния нагрузки на пучение грунта; расход пленочной воды, поступающей в мерзлый слой из талого грунта;■ значение расхода капиллярной волы, которая может поступить к мерзлому слою земляного полотна; влажность и плотность скелета грунта под границей промерзания после оттока воды из талого грунта в мерзлый слой; среднее значение расхода пленочной воды,поступающей из талого грунта в мерзлый слой; среднее значение влажности грунта в мерзлом слое земляного полотна; влажность грунта отдельных мерзлых прослоек; пучение грунта за счет миграционного льдонакопления; усадку грунта в пределах мерзлого и талого слоев

земляного полотна в зимний период; пучение грунта; осадку грунта при его оттаивании в весенний период и усадку в летний период; плотность и влажность грунтов весной и летом.

Указанный метод прогноза разработан применительно для решения одномерной задачи. Для решения поставленной в диссертации задачи нужно дополнительно учитывать поступление капиллярно-подвешенной воды из грунта поя средней частью плиты к границе промерзания под ребрами плиты.

При движении капиллярно-подвешенной вот по горизонтальному направлению (рис.3) можно выразить возможную величину расхода этой волы (£}р(С,2),м3/с), поступающей к границе промерзания под ребрами плиты в следующем виде:

о fft'w jj , . А? £ * ) ' - «Д \SJbH Sfyg + 5/ЫГ (8)

где Wk& , Wept - соответственно, капиллярная влажность и оптимальная влажность грунта; U>rp - площадь поперечного сечения грунта, м^; к , %1с , - удельные движущие силы менисков соответственно в I, П, Ш группах капилляров с капиллярно-подве- . шенной водой, Па; , 1<(» , Kw- - коэффициенты просачивания воды соответственно в I, П и Ш группах капилляров грунта, м/с; .

S - среднее расстояние, на которое перемещается капиллярно-подвешенная вода, м; JT - ускорение свободного падения, м/с^. '

С учетом перемещения капиллярно-подвешенной воды по вертикальным и горизонтальным направлениям; получено выражение .'для . определения влажности грунта Wo (доли единицы) под границей . промерзания после оттока воды из талого грунта в мерзлый слой . при. двумерном решении задачи.

Для грунта под ребрами плиты имеем: '•

K-V/oc- > ■ " . .(9) .

где Qpcoj - величина расхода пленочной воды, поступающей в' -мерзлый слой из талого грунта с влажностью более оптимальной, mVc;

Sp ~ среднее значение расхода капиллярно-подвешенной во-

ды, которая может поступить к границе промерзания из грунта,рас- -положенного ниже рассматриваемого слоя йЪ земляного полотна, ■ м3Ус; ifnp - скорость промерзания грунта, м/с. .

Рис.3. Расчетная схема процесса влагонакопления поп ребристой плитой. I - капиллярная вода; 2 - лед из вопи, находящейся в грунте до замерзания; 3 - связанная вода; 4 - лед из волы,, поступившей из нижележащих слоев грунта в зону промерзания; 5 - лед из вопы, поступившей из центра плиты к фронту промерзания;6 - слой, в котором свободная вода превращается в лед;7 - давление от веса вышележащего грунта и плит покрытия;8 -линзы и кристаллы льда в зоне льдообразования;9 - направление миграции капиллярной волы d горизонтальном направлении;10 -направление миграции капиллярной воды в вертикальном направлении из нижележащих слоев грунта.

-Величина QP fc,z) , определяемая по формуле (8),не может быть более значения Q{> fol . В противном случае принимают

QpCCfZ.) = Qpfo) . При получении отрицательного значения выражения в скобках (формула (9),принимают ( Qp<0j 0.

Для грунта в середине плиты имеем:

w:

, у/ -

(10)

Чомикение влажности грунта поя границей промерзания происхо-<ю величины равной олт-имальноП влажности. ''оэтому пчачений^

не могут быть меньше оптимальной влажности независимо от результатов расчета.

Входящее в формулу (9) и (10) значение расхода йР(лг) определяется по известной формуле В.И.Рувинского:

о - (Мяв - У/ср<) Нуюс)Аистах) ¿Огр

Цр(Л г)---- *

Включая в расчет величину расхода вопы ЦрСс,?) , получим выражение для определения_среднего за период промерзания значения расхода пленочной вопы ( бр<ъ)ер.«3/с), поступающей из талого грунта в мерзлый слой при - У/ор1.

Для грунта поп ребрами воды имеем: п' п' Л ('-)Я*ос)Япщах)УррСйгр ,12\

Для грунта поп серединой плиты имеем:

п" -п' о . Мое• VГв^)Ну(ве;Лттах)у£сдге ,то, Црго)ср -цр(л,г)-0.р<с,г) + уз • (13)

Очевидно, что значение расхода не может быть

больше величины

, Мое Сйгр ЧрГЛ.Ц* -д--(14)

.Согласно физико-технической теории водно-теплового режима земляного полотна цучение и осадка грунта зависят от давления ( Ро » Па ) на зону пучения и осадки грунта по направлению фронта промерзания и оттаивания.

Величина давления от плиты на поверхность откоса насыпи определяется массой плиты и площадью поверхности грунта под ребрами плиты. Площадь передачи нагрузки на грунт увеличивается с глубиной. С инженерной точностью можно принять, что на глубине эта площадь равна

Тогда можно выразить давление на зону пучения грунта в слое

под ребрами плиты в следующем виде:

где у- - масса плиты, кг; а ,Ъ - ширина и длина плиты в плане, м; т - заложение откоса насыпи.

С учетом изложенного можно выразить среднее давление на.зону пучения грунта в слое Д? по середине плиты с воздушной прослойкой в следующем виде:

С^Фт!^ ■ (17)

Формулы (16) и. (17) действительны при Сз-£^5д1,в противном случае в расчет вместо 0,5 д 1 необходимо вводить величину „с",

В остальном расчет плотности и влажности грунта не отличается от изложенного в Пособии по проектированию методов регулирования водно-теплового режима верхней части земляного полотна (к СНиП 2.05.02-85).

В третьей главе излагаются результаты экспериментальных исследований. Для подтверждения теоретических предпосылок было осуществлено исследование предложенного мероприятия на лабораторных моделях.

Моделирование процесса промерзания-оттаивания грунта под ребристыми плитами осуществлялось в морозильной камере Мемл , обеспечивающей режим перепада температур от -30 до +50°С. При промораживании-оттаивании образцов размером 60x60x100см было обеспечено воздействие теплового потока на поверхность модели по граничному условию третьего рода. Тем самым моделировался процесс промораживания отдельного массива грунта в реальных условиях.Обеспечение граничного условия третьего рода достигалось за счет обязательной теплоизоляции модели с боков и с низу. Поверхность испытуемого массива грунта покрывалась конструкцией из смежных ребристых полуплит, окаймляющих центральную плиту размером 25x25см.

Испытывались ребристые плиты с различными соотношениями ребер, воздушной полости и воздушной прослойки. Режим промораживания осуществлялся при постоянной температуре -8,1°С, соответствующей средним условиям начала промерзания в условиях г.Хабаровска.

Режим оттаивания осуществлялся при температуре +3,1°С из этих же соображений. Действие температуры продолжалось до полного промораживания или оттаивания грунта модели. Температура и влажность в процессе эксперимента фиксировались с помощью датчиков ЭТС-2У и АМ-11.

Точечная картина температурного поля, получаемая на основании данных датчиков температуры, была преобразована в математическую модель.

Для анализа была принята двухфакторная модель третьего порядка. Выбор порядка модели обусловлен сложностью фактического температурного поля и желанием более качественно его описать.

В качестве факторов использованы XI и Х2 координаты образца. Факторное пространство представлено на рис.4.Так как модель симметричная, предложено для обработки увеличить число точен плена. Общее число точек плана - 12(по эксперименту 8), Нумерация точек плана принята слева-направо и сверху-вниз. Номер точки плана указан слева от обозначения точки (я). Справа от обозначения точки указан номер термодатчика. УроЕни изменения факторов приведены в табл.1.

Искомая математическая модель описывается уравнением Ч'АО+А1- +А5-Х6+АМ1 +Ав*ХВ 1-АЭ'Хд, (18)

XI

-20 , +20 *-\-

I* 4 2*10 3*4

4* 7 5* 8 6*7

7* 5 8* 9 9x5

Юх 2 Их I 12x2

Х2

Рис.4. Факторное пространство температурного поля

Таблица I

Уровни изменения факторов

Номер точки плана Уровень изменения факторов

XI Х2

I -20 5

2 0 5

3 20 5

А - 20 20

5 0 2С

6 20 20

п / -20 15

8 0 45

9 20 45

Ю -20 60

II . 0 60

12 20 60

Исходя из метода наименьших квадратов в матричной форме система линейных уравнений записывается

(И» х)" А = Х^Г, ~(22)

где ХЧ. - транспортированная матрица X.

Матрица X имеет вил:

-20, 5, 400, 25, -100, -8000, 125, 500, 2000

0, 5, 0, 25, 0, 0, 125, 0, 0

20, 5, 400, 25, 100, 8000, 125, 500, 2000

-20, 20, 400, 400, -400, -8000, 8000, -8000, 8000

0, 20, 0, 400, 0, 0, 8000, 0, 0

20, 20, 400, 400, 400, 8000, 3000, 8000, soco

-2b, 45, 400, 2025, * -900, -8000, 9II25, -40500, 18000

0, 45, 0, 2025, 0, 0, 9II25, 0, 0

20, 45, 400, 2025, 900, 8000, 9II25, 40500, 18000

-20, 60, 400, 3600, -1200, -8000, 216000, -72000, 24000

0, 60, 0, 3600, 0, 0, 216000, 0, 0

20, 60, 400, 3600, 1200, 8000, 216000, 72000, 24000

Вектор-столбец У для периода наблюдений, например, 2.80с.ут.

имеет вид:

Вектор-столбец Номер точки плана Помер термодатчика

-0,7 I 4

2,6 2 Ю

-0,7 3 4

0,9 4 '7

3,4 5 8

0,9 6 7

0,9 7 5

4,2 8 9

0,9 9 5

2,6 * 10 2

3,4 II I

2,6 12 2

Исходя из симметрии факторного пространства функций отклика, коэффициенты математической модели AI, А5, Аб и А8 равны нулю. Поэтому в результате решения системы уравнений методом вращения были определены оставшиеся 6 коэффициентов модели для каждого этапа наблюдений. Подготовка матриц для решения систем уравнений, ¡чтений уравнений и формирование файла коэффициентов реализовано •■1 программе ,R££QESS BAS.

В качестве дополнительных исходных данных для выполнения этой программы использован файл ТЕМПЕй - фекторов столбцов для каждого периода наблюдений. Результаты расчетов коэффициентов модели помецены в файл R.S£fг£SS и использованы для расчета температурных полей. Например, для периода наблюдений 2,80сут. математическая модель температурного поля в образце гмеет вид:

Т = 1.85114+0.186Ю*Х2-8.803ПЕ-03»Х1А2-5.94340а-03»Х2А2 +

+5.69694Е-05»Х1А3+8.04802Е-05«ХГ2*-Х2 (23)

Для наглядной графической интерпретации математических моделей составлена программа lZOL.ll>/ ВЯ5 . В результате выполнения программы на экране монитора показывается схема образца с нанесенными на нее изолиниями одинаковых температур.

Поиск точек факторного пространства с заданной температурой осуществлен по следующей схеме: '

- задается уровень температура, кратный градусу;

- выполняется перебор Х2 от 0 до 80 с заданным шагом;

- вычисляются значения XI по нижеприведенной зависимости Х1А2 = (У-А0-А2»Х2 - А4«-Х2*2 -А7«-Х2лЗ)/(ЛЗ+А9«Х2)

Если найденные корни находятся в пределах (+ -) 20 и при отсутствии разрывности изображения, проводится соответствующая изолиния. •

Графическая интерпретация математической модели (рис.5) хорошо согласуется с результатами натурных исследований на опытном участке.

Рис.5. Распределение температуры спустя 5,Зсуток с момента начала промерзания

Для исследования вопно-теплового режима откосной части земляного полотна, укрепленного ребристыми плитами в 1992 году на 3 км автомобильной дороги Благодатное-Долми в пределах подтопляемой поймы реки Обор был построен опытный участок. На участке были устроены три секции, протяженностью 30м каждая. Первая секция включала укрепление откоса насыпи неткэнным синтетическим материалом "дорнит".

На второй секции укрепление состояло из слоя дорнита с уложенными поверх него сплошными бетонными плитами размером 50х50х 10см, изготовленными из бетона марки В-25.

Третья секция имела укрепление откоса дорнитом, поверх которого укладывались ребристые плиты из бетона марки В-25 размером 50х50хЮсм с воздушной полостью 5 см и шириной ребра 10см.

Земляное полотно опытного участка было сооружено из легкого пылеватого суглинка.В момент строительстрэ участка влажность грунта равнялась 0,82.

Достоверность результатов эксперимента во многом зависит от точности показаний приборов и датчиков,используемых для наблюдения за температурой,влажностью и плотностью грунта.Наряду с традиционными датчиками для измерения температуры,влажности,плотности и промерзания грунта были впервые применены полупроводниковые и емкостные датчики температуры и влажности конструкции Милютина-Ярмолинского.

Схемы датчиков (рис.6) представляют собой кольцо из интегратора I и гистерезисного компоратора 2. Чувствительным элементом схемы датчика температуры являются четыре германиевых диода Д9К,включенных в цепь обратной связи компоратора.

Предложенные схемы обладают большими достоинствами в плане точностных возможностей,так как исключают влияние помех и утечек по ппдвопя'дим проводникам на чувствительный элемент.Выходной сигнал в схемах формируется с помощью каснада,выполненного на транзисторе по схеме "открытый коллектор".Оба датчика помещены в один герметичный корпус,состоящий из эпоксидной смолы и стеклоткани.

Достоинством предложенных приборов является возможность произ-

Рис.6.Принципиальные схемы датчиков температуры(а) и влажности (б)

При организации набледенкй за зсдко-Тбцзовыа резсшоа опасных секций ставились следупцие задачи:

- исследовать влияние рзбристюс пае? ка saps&ssp тенвзра-турного поля; >»

- проверить корректность про-исаэшсЯ теоретической недели расчета влаяности-влотности грунта в среде перченного температурного поля, создаваемого ребриепшн пянтакз;

- проверить налкчио "сотового" ареефоэакня откоса робрас-ткш шштаыи.

Натурный эксперимент полностью подтворим теоретические предпосылки.

Ход промерз алия опытных секгрй (рис.7) свидетельствует сб отставании промерзания под цектроы ребристой пгигы на 18 суток. При этом прослеживается следусгая юрт:та.

Проыерзакио начинается под робрши зупагькьа пакт и интенсивно' нарастает в глубин. По нерэ нарастания израаого тала у ребер уменьшается объем талой сердцевины под осьо вупоаынгЗ шиты и до определенного времена, которое определяется параметрами ребристой ¡шли, пед ее центром сохраняется ста&якь-1&Я шисовой резин.

Рис.7. Распределение нулевых изотеры при промерзании на 5,10,15,20 сутки и гвдроизогипсы влажности на 20 сутки в грунте откоса под ребристой и сплошной плитами.

Одним из главных положительных моментов рассматриваемого мероприятия является увеличение времени тепловлагообмена при промерзании откоса земляного полотна, укрепленного ребристыми плитами. Увеличение времени тепдовлагообмена обеспечивает перемещение влаги от центра к ребрам плит. Таким образом осуществляется розовое армирование откоса и обеспечивается его устойчивость. Гвдроизогипсы влажности грунта подтверждают это положение. Так, после замыкания нулевой изотермы под куполом плиты (на 20 сутки после начала промерзания) влажность грунта уменьашяась с 0,82 до 0,72 псд центром и увеличилась до 0,90 под ребром.

На контрольном участке наблюдалось дополнительное перемещение влаги с 0,82 до 0,84 к поверхности откоса.

Картина оттаивания опытной конструкции во многом напоминает обратную промерзании. Только она менее контрастна. Разница в сроках оттаивания пой ребром и куполом плиты по сравнению с про-

мерзанием сокращается на 30 %. Это еде раз подтверждает то обстоятельство, что помимо теплотехнических характеристик ребристой плиты на характер промерзания существенно влияет сорбщонный гистерезис тепловлагопереноса в режиме замораживания-оттаивания.

Использование дориита в качестве подкладки под купольные плиты положительно влияет на процесс стабилизации влажности откосной части в весеннее время. Так, за счет отжатия воды в слой дорнита влажность в подреберной части уменьшилась с 0,90 до 0,68 .

Сравнительные результаты (табл.2) влажности и плотности грунта в слое толщиной 0,5 м от поверхности откоса, свидетельствует о правильности выбранных теоретических предпосылок. Разница в результатах не превышает 5 %, что свидетельствует о достаточной точности теоретических расчетов.

Таблица <

Сравнительные результаты влажности и плотности грунта в слое толщиной 0,5 м от поверхности откоса

Период времени Относительная влажность грунта Коэффициент уплотнения грунта

под ребрами под серединой плита под ребрами под серединой плиты

Летний период перед укладкой плит 0,62 0,62 0,96 0,96

Осенний период перед промерзанием грунта 0,81/0,82 0,81/0,82 0,96/0,96 0,96/0,96

Зимний,после промерзания грунта 0,90/0,90 0,71/0,72 0,95/0,95 0,96/0,96

Весенний, после оттаивания грунта 0,90/0,88 0,82/0,76 0,95/0,95 0,96/0,96

Нетний, после /■садки грунта 0,62/0,72 0,62/0,68 0,97/0,96 0,97/0,97

1римепание: числитель - рассчитанные теоретически;

знаменатель - измеренные на опытном участке.

Тают образок, проведенные экспериментальные исследования подтверадают, что работа купольных плит отвечает концепции осу-ття откосов земляного полотна автомобильных дорог в осенне-босэнний периоды.

В четвертой главе даются рекомендации по назначению размеров ребристых плит и предпосылки их использования.

Как уже было отмечено, в специфических условиях Дальнего Востока расчетным периодом работы укрепительных сооружений является период ыусокных доздей. Имевдий место в Западных и Северных районах России весенний паводок, сопровождающийся ледоходоы, здесь отсутствует. Вследствие этого появляется возможность облегчать конструкцию бетонных плит укрепления ввиду того, что ударная нагрузка на них от ледохода практически отсутствует.

Использование ребристых плит предусматривает ряд особенностей по сравнению со сплошными.

Это обязательная укладка ребристых плит на подкладку - из доркита, предусмотрение запаса по высоте ребра для осадки плиты в грунт в процессе цучения и осадки, шахматное расположение плит а плане для увеличения эффекта "сотового" армирования и ряд других требований, возникающих при анализе особенностей их работы.

Использование дорнита позволяет уменьшить неравномерное поддатне и оцускание плит при цучении и осадке грунта, препятствует выпиранию грунта из-под ребер при оттаивании, способствует отводу грунтовой воды и препятствует высачивают грунта.

ОБЩИЕ ШВДШ

Проведенные исследования особенностей водно-теплового режима откосной части земляного полотна, ¿'крепленного ребристыми плитами позволили сделать следующие выводы:

I. Теоретически и экспериментально доказана возможность целенаправленного регулирования водно-теплового режима откосной части земляного паютна.

г. На основе физико-технической теории водно-теплового ре-аима разработан метод расчета влажности и плотности грунта в условиях двумерного тегловлагоперечсса, создаваемого воздушными прослойками иелду поверхностью грунта и укрепляющей конструкцией«,

3. Б целях конструктивного решения задачи для создания воздушных прослоек предложено применение ребристых плит, что позволяет осушать грунт под центром плиты, обеспечивает замедление оттаивания и приводит к образования эффекта "сотового" армирования грунта откосной части земляного полотна.

4. Предложенная конструкция ребристых шит совместно с дор-ннтом позволяет отводить воду из грунта откосной части земляного полотна в период его оттаивания.

5. Направленное регулирование водно-теплового режима (осушение средней части, увеличение времени оттаивания под куполом, образование "сотового" армирования, отвод воды из подреберной части грунта) повышает устойчивость откосов высохих подтопляемых насыпей в период оттаивания.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах;

1. Ярмолинский В.А., Терещенко H.H., Ярмолинский А.И. Влияние конструкции и заполнения ребристых плит покрытия на водно-тепловой режим откосов земляного полотна /Тезисы 32 научно-технической конференции. Хабаровск: Хабар.политехн.ин-т,1992, е.79-60.

- 2. Ярмолинский В.А., ^улиш В.И., Ярмолинский А.И. Оценка влажности и плотности грунта откосов земляного полотна в условиях переменных температурных полей/Моделирование и расчеты на прочность искусственных сооружений: Сб.науч.тр.Хабаровск: Хабар.гос.техн.ун-т, 1993. С.19-23.

3. Ярмолинский В.А. Оценка эффективности регулирования водно-теплового режима подтапливаемых откосов земляного полотна бетонными ребристыми плитами/ Моделирование и расчеты на прочность искусственных сооружений: Сб.науч.тр.Хабаровск: Хабар, гос.техи.ун-т, I993.,c.94-I0G.

4. Ярмолинский В.А. Экспериментальные исследования водно-теплового режима откосной части земляного полотна, укрепленного купольными ребристыми плитами/Моделирование и расчета на прочность искусственных сооружений: Сб.науч.тр.Хабаровск: Хабар. гос.техн.ун-т,1993. C.I04-IC6.