автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Совершенствование методов расчета глубины сезонного промерзания пучинистых грунтов земляного полотна железнодорожного пути

чинается процесс оттаивания грунта снизу - линия «В-С», который завершается в точке «С». Выделенная на графике область является зоной промерзания грунта в координатах «глубина-время». Второй зоной, требующей пристального рассмотрения, является так называемая зона интенсивного пучения грунта. По данным различных авторов (Орлов В.О., Голли O.P. 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 -1,5°С до -2,5°С. Если в нашем случае принять температуру начала интенсивного пучения грунта за -2°С, то на рис. 3 линией, ограничивающей зону интенсивного морозного пучения грунта будет изотерма (Т= -2°С).

Рисунок 4 - Процесс «промерзания-оттаивания» грунта в насыпи под основной

площадкой в 2009-2010 гг.

Скорости промерзания грунта, зафиксированные в разные годы, оказались следующими: в 2009-2010 гг. - 1,1 см/сут. без покрытия и 0,8 см/сут. с покрытием из пенополистирола; в 2011-2012 гг. - 0,9 см/сут. без покрытия и 0,42 см/сут. с покрытием. Среднезимняя толщина снега на балласте в 2009-2010 гг. составила 17 см при седнезимней температуре воздуха -16,3°С, а в 2011-2012 гг. - 15 см при седнезимней температуре воздуха -12,8°С.

Наряду с измерениями температуры грунта в теле насыпи на глубине 30 см под основной площадкой земляного полотна измерялась его влажность. Из-

К главным особенностям разработанной модели сезонного промерзания грунтов относятся ее ориентированность на железнодорожные конструкции пути и простота в использовании при необходимой точности расчета глубин промерзания 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 вышеприведенного 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 определения 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 полученных зависимостей с рис. 3 свидетельствует о хорошей сходимости расчетных значений этого показателя с экспериментальными.

Научные статьи и материалы выступлений на конференциях

2. Ким, Хюн Чол Анализ результатов наблюдения за температурным режимом насыпи, оборудованной теплоизолирующим покрытием / Ким Хюн Чол // Сборник научных трудов SWorld-201 l.-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 земляного полотна на полигоне СГУПС / А.Л. Исаков, Ким Хюн Чол // Современные 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, строительства и эксплуатации земляного полотна и искусственных сооружений: 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 21.02.2013 Объем 1,5 печ. л. Тираж 100 экз. Заказ №2651 Издательство ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения» 630049, Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук, 191

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

На правах рукописи

7| Ц

Г? V- С-

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 О (технические науки)

ю „ ю

со °

Диссертация на соискание ученой степени ОЛ кандидата технических наук

Ю О

СМ £

Научный руководитель: доктор технических наук, с.н.с. Исаков Александр Леонидович

Новосибирск - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................4

1. ОБЗОР МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И РАСЧЕТА ПРОМЕРЗАНИЯ ГРУНТОВ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ...........................................................................................8

1.1. Существующие методы измерения температурного поля в грунте .................................................................................................8

1.2. Методы расчета промерзания земляного полотна железных дорог .......................................................................................................12

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПРОМЕРЗАНИЯ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА НА ПОЛИГОНЕ СГУПС................................20

2.1. Лабораторные исследования грунтов на полигоне СГУПС.............20

2.2. Постановка и описание экспериментов по измерению температуры в земляном полотне...............................................................28

2.3. Результаты измерения температуры в земляном полотне в годовом цикле и их анализ................................................................43

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПРОМЕРЗАНИЯ ГРУНТОВ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА И ЕГО ОСНОВАНИЯ...................48

3.1. Одномерная теплофизическая модель промерзания земляного полотна ........................................................................................50

3.2. Определение параметров задачи для расчета промерзания земляного полотна железных дорог.......................................................59

3.3. Двухмерная теплофизическая модель нестационарного температурного поля земляного полотна...................................67

3.4. Анализ сравнения результатов численных расчетов с экспериментальными данными...............................................73

3.5. Численные эксперименты по установлению закономерностей влияния различных факторов на расчетную глубину промерзания земляного

полотна железных дорог.......................................................80

4. ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ И РЕКОМЕНДАЦИИ........................89

4.1. Схема выполнения расчетов по оценке морозного пучения грунтов земляного полотна .............................................................89

4.2. Результаты практических расчетов..........................................93

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................94

ЛИТЕРАТУРА....................................................................................95

ПРИЛОЖЕНИЕ А..............................................................................101

ПРИЛОЖЕНИЕ Б..............................................................................114

ПРИЛОЖЕНИЕ В..............................................................................132

Введение

Проблема морозного пучения грунтов, несмотря на кажущуюся ее локальность, является одной из наиболее значимых при эксплуатации железных дорог в Северном полушарии. По происхождению и характеру проявления морозное пучение подразделяется на сезонное, связанное с промерзанием и оттаиванием грунтов основания земляного полотна железных дорог в годовом цикле, и многолетнее, вызванное перманентным промерзанием толщи грунта. И тот и другой вариант морозного пучения имеет место на протяженных участках Транссибирской магистрали. Классическим регионом в проявлении пучения грунтов является Забайкальский участок Байкало-Амурской магистрали. Здесь можно встретить весь спектр проявления морозного пучения грунтов — от одиночных включений ледяных линз и наледей до масштабных участков вечной мерзлоты, частичное оттаивание которой в летний период может привести к полному отказу пути, т.е. к полной остановке движения поездов. Все вышеупомянутые регионы объединены одной особенностью — сильно увлажненными суглинистыми грунтами, которые в условиях сурового резкоконтинентального климата превращаются в настоящую мину замедленного действия для эксплуатируемых железных дорог. Чтобы обезвредить эту мину недостаточно одного опыта специалистов-практиков, которые чаще всего пользуются традиционным подходом - устранение проблемы после ее появления. Задача исследователей - прогнозирование потенциально возможных вредоносных явлений и в сотрудничестве с практиками разработка мер по недопущению появления подобных проблем, чтобы с ними не приходилось бороться постфактум. Решение этой задачи невозможно без надежного метода оценки процессов промерзания и оттаивания грунтов основания земляного полотна железных дорог, учитывающего весь спектр климатических факторов и внешних условий в проблемных регионах.

Процессы и явления, сопровождающие годовые циклы протекания водно-теплового режима земляного полотна железных дорог, расположенных на

территориях глубокого сезонного промерзания, а также распространения многолетнемёрзлых грунтов, приводят к значительным экономическим потерям, связанным со снижением скоростей или полной приостановкой движения грузовых 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 подразделяется 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 случае промерзание глинистых грунтов, при наличии повышенного влагонакопления, приводит к явлению морозного пучения, которое в особой степени проявляется 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 эксплуатируемых железных дорог в зимних условиях. Чтобы оценить степень негативных последствий от промерзания влагонасыщенных грунтов необходимо иметь точные оценки не только объемов грунтовых масс, вовлекаемых в процесс промерзания, но и характеристик этого процесса - скорости промерзания и его интенсивности (температурного градиента). Решение этих задач невозможно без надежного метода оценки процессов промерзания и оттаивания грунтов земляного полотна железных дороги его основания, учитывающего весь спектр климатических факторов и внешних условий в проблемных регионах.

Существующие методы расчета промерзания грунтов земляного полотна, используемые в проектных институтах, дают неоднозначную оценку размеров зоны промерзания подрельсового основания, используемую при расчете морозного пучения глинистых грунтов. При этом в применяемых методиках

отсутствует понятие глубины зоны интенсивного пучения, которое в итоге и определяет величину морозного пучения грунтов земляного полотна. Универсальные отечественные разработки, например, такие как программный комплекс «Тепж^гоипс!», имеют ограниченное распространение и сложны для широкого использования в проектной деятельности. В данной работе предпринята попытка совместить в одном подходе точность и простоту его реализации при оценке размеров зон промерзания и интенсивного пучения глинистых грунтов земляного полотна железнодорожного пути.

Целью работы является повышение точности определения размеров зон морозного пучения грунтов земляного полотна путем совершенствования методов расчета глубины их промерзания при разработке противопучинных мероприятий. Основные задачи исследований:

1. Провести многолетний мониторинг водно-теплового режима земляного полотна на полномасштабной модели земляного полотна с последующим анализом влияния основных природных факторов на промерзаемость грунтов в климатических условиях юга Западной Сибири.

2. На базе проведенных экспериментов разработать математическую модель нестационарного температурного поля земляного полотна железных дорог.

3. Обосновать выбор параметров метаматематического моделирования, обеспечивающий достоверность численных результатов решения задачи об определении глубины промерзания земляного полотна и зон морозного пучения.

Объектом исследования являются процессы промерзания пучинистых грунтов земляного полотна новых и длительно эксплуатируемых железнодорожных путей.

Предметом исследования является математическое моделирование процесса промерзания пучинистых грунтов земляного полотна с учетом природных факторов.

Идея работы заключается в сочетании идеализации математической постановки 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 воды в грунте при моделировании промерзания грунтов

- в разработке дискретной модели нестационарного температурного поля земляного полотна с алгоритмом определения глубины зоны интенсивного морозного пучения грунтов земляного полотна;

Практическую ценность работы составляют:

- расчетная схема определения глубин сезонного промерзания и зоны интенсивного морозного пучения грунтов земляного полотна железнодорожного пути;

- алгоритм выбора и задания исходных параметров математической модели для практических расчетов;

- адаптация методики расчета к типовым условиям железнодорожного пути;

Достоверность полученных результатов определяется применением классических законов теплофизики в математических моделях, сравнением результатов математического моделирования с экспериментальными данными и известными аналитическими решениями.

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.).

1. ОБЗОР МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И РАСЧЕТА ПРОМЕРЗАНИЯ ГРУНТОВ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

1.1. Существующие методы измерения температурного поля в грунте

Информация о распределении температурного поля в грунтах необходима для решения многих инженерных задач. К ним относятся задачи по определению минимальной глубины заложения фундаментов или укладки трубопровода, а также, к примеру, широкий спектр задач, направленный на выявление возможного появления процесса пучинообразования в грунтах и оценку его влияния на инженерные сооружения, весьма актуальный при строительстве, капитальном ремонте и эксплуатации земляного полотна железных и автомобильных дорог.

Основным документом, нормирующим методы и порядок измерения температурного поля грунта, является ГОСТ 25358-82. Согласно ему, измерение температурного поля в грунте следует проводить с помощью комплекта для полевого измерения температуры грунтов в скважинах, который представляет собой гирлянду (сборку) электрических датчиков температуры или ртутных термометров, закрепленных на несущем шнуре в соответствии с глубиной точек измерения. Принцип работы цепи из электрических датчиков основан на изменении сопротивления с изменением окружающей температуры. Этот принцип лёг в основу описываемых ниже экспериментов.

Однако при определении температурного поля возникает так же вопрос определения границы промерзания грунта. Глубина промерзания df является важной характеристикой пучиноопасности грунтов, так как именно в пределах мерзлой зоны накапливается абсолютная величина пучения hf . Глубина промерзания находится в зависимости от различных факторов, среди которых наиболее влиятельны:

- теплофизические характеристики грунтов в талом и мерзлом состояниях (Т.В. Дьякова [19], А.С. Кондратьева [33], Г.В. Порхаев и Г.М. Фельдман [58], А.В. Павлов [51, 52] и др.);

- влажность грунта в период промерзания (А.К. Бируля и B.JI. Сиденко [5], Б.И. Далматов [18], Т.Н. Жесткова [20, 21], В.Л. Невечеря и Л.В. Чистотинов [48], В.М. Соколова [73] и др.);

- климатические условия (Л. Апостолов [15], М.В. Заварина [23, 24], В.А. Кудрявцев [39], A.B. Павлов [52], В.М. Свистунов [64], K.M. Фролов [83, 84], Г.А. Череменский [89] и др.).

Глубина промерзания df может определяться откопкой шурфа или с помощью мерзлотомеров Ротомского или Данилина по ГОСТ 24847-81, П-5. Она может устанавливаться по данным ближайшей метеостанции или расчетом по формулам (1.4) и (1.7) или др.

Для предварительной оценки df может быть получена по картам глубин сезонного промерзания или оттаивания, приведенным в СНиП 2.01.01-82 [68а], в СНиП 2.02.01-88 [71], «Справочнике по строительству на вечномерзлых грунтах» [75] и других изданиях.

Глубина промерзания в натурных условиях обычно определяется откопкой шурфа с помощью мерзлотомеров Ротомского или Данилина в соответствии с ГОСТ 24847-81 (Приложение П-5). Однако с помощью мерзлотомеров можно получить не глубину промерзания грунта, а глубину проникновения нулевой изотермы. Глубина промерзания получается путем учета А df.

где df- глубина промерзания, м;

\к з | и |Тп0в | ~ абсолютные величины глубины проникновения температуры начала замерзания и поверхности, град.

Глубину промерзания определяют по формулам. Например, по формуле (1.2) или по другим аналогичным формулам [50, 51 и др]:

(1.2)

где

q = Q(WC - W„ )pdv - 0,5С „ (Г„ш + tH 3 ),

(1.3)

О, - удельная теплота фазовых переходов воды в лед и обратно, принимаемая равной 3,35-105 Дж/м3;

Хм, См - коэффициент теплопроводности и объемная теплоемкость мерзлого грунта, определяемые по таблице СНиП 2.02.01-83 [68];

Рам ~ плотность сухого мерзлого грунта, г/см ;

Жс - суммарная влажность грунта, доли;

Жн - весовое содержание незамерзшей воды, доли, определяемое для температуры, равной

0,5(7^ + ^) (1.4)

Тпов. - средняя температура поверхности грунта (или воздуха) за период отрицательных температур, град. Значения их при расчетах берутся по абсолютной величине. Иногда при необходимости особо точных расчетов температура поверхности грунта определяется с учетом поправок АТ, приведенных в [64].

К.з. ~ температура начала замерзания грунта, град.

При необходимости выполнения более точных расчетов глубины промерзания учитывается поток тепла или холода снизу - в зависимости от

региона. Тогда может быть рекомендована формула [100]:

- л

\-тпов+р-р

к\ Я

(1-5)

где Тп(ж - средняя температура поверхности грунта с учетом поправки АТ, град.; д - определяется по формуле (1.3);

- время промерзания, ч; /? — величина, учитывающая поток тепла или холода снизу, определяемая по формуле

= (1.6) д V л

где Си Л- объемная теплоемкость и коэффициент теплопроводности грунта в талом состоянии для промерзания и в мерзлом - для протаивания;

То - абсолютная величина температуры на уровне годовых нулевых амплитуд.

Температура на уровне нулевых годовых амплитуд определяется при инженерно-геологических изысканиях. Для региона вечномерзлых грунтов она может быть определена по карте на стр. 42 в [78]. В целом же температура нулевых годовых амплитуд может быть принята равной среднегодовой температуре воздуха в регионе с учетом температурной поправки.

При расчете глубины промерзания dß при оценке состояния грунта существенную роль играют температура начала замерзания tU3, связанная с фазовыми переходами на границе «вода-лед», и количество незамерзшей воды .

Проблемами фазовых переходов в грунтах занимались Боженова [6, 7], Герасимов A.C. [13], Жуков [22], Чистотинов [90], Тютюнов [77], A.JI. Уошборн [78], H.A. Цытович [86, 87], а также Anderson D.M. [91], Ноо Koatra Р. [96] и др. В настоящее время количество незамерзшей воды в мерзлых грунтах действующими в РФ нормативными документами рекомендуется определять по формуле

WH=0,9-WC^, (1.7)

кР

где Wc - суммарная влажность, доли;

кпр - концентрация норового раствора, определяемая по формуле

КР= ря w> (1-8)

pz - масса легко растворимых солей в поровом растворе в ед. объема, г/см3;

pd- плотность сухого грунта, г/см3;

W- влажность, доли;

кр - равновесная концентрация порового раствора, определяемая по таблице

1.1.

Количество незамерзшей воды может быть получено и в результате простого лабораторного определения всех физических характеристик на одном образце мерзлого грунта по методу, предложенному Голли O.P. [15].

Таблица 1.1

Температура, Т, "С Равновесная концентрация порового раствора Кр, до