Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,682

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫЕ ГРУНТЫ ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБ С ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫМ СЛОЕМ В ОСНОВАНИИ (НА ПРИМЕРЕ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ ЛИНИИ БОВАНЕНКОВО – КАРСКАЯ)

Алексеенко Е.С. 1
1 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения»
Проведено математическое моделирование температурного режима грунтов на участке железнодорожной линии Бованенково – Карская, с целью составления прогноза отепляющего влияния насыпи в местах расположения водопропускных труб (с укладкой слоя пеноплекса под трубой), и предупреждения возможности возникновения опасных геокриологических процессов в теле насыпи и непосредственно прилегающих к ней областях. В работе предложена схематизация задачи: рассмотрены три варианта, которые характеризуют возможные крайние случаи, когда будут формироваться наихудшие и наилучшие условия с точки зрения теплового и механического взаимодействия водопропускной трубы с многолетнемерзлыми грунтами. Результаты моделирования показали, что для уменьшения теплового влияния трубы по вертикали под ее нижней образующей целесообразно укладывать слой пенополекса толщиной 10 см. Тепловое влияние трубы в горизонтальном направлении при укладке слоя пеноплекса значительно.
водопропускная труба
математическое моделирование
многолетнемерзлые грунты
теплоизоляционный слой
1. ВСН 26-90 Инструкция по проектированию и строительству автомобильных дорог нефтяных и газовых промыслов Западной Сибири.
2. BCН 61-89 Изыскания, проектирование и строительство железных дорог в районах вечной мерзлоты.
3. Геотехнический мониторинг земляного полотна в строительный период (участок 366-525 км) на строящейся железнодорожной линии Обская - Бованенково, ЯНАО. Отчет. Фонды ПНИИИС. М., 2009.
4. Кондратьев В. Г. Геокриологические проблемы железных и автомобильных дорог в криолитозоне. Материалы Четвертой конференции геокриологов России. Т. 3. М.: Университетская книга, 2011. С. 48-54.
5. «Новая железнодорожная линия Обская - Бованенково. Участок станция Бованенково - станция Карская» в составе стройки «Новая железнодорожная линия Обская - Бованенково». Инженерно-геологические изыскания. Пояснительная записка. ООО «Инжиниринговый центр Ямал». Лабытнанги. СПб., 2009.
6. «Новая железнодорожная линия Обская - Бованенково. Участок станция Бованенково - станция Карская» в составе стройки «Новая железнодорожная линия Обская - Бованенково». Технологические и конструктивные решения линейного объекта. Искусственные сооружения. Земляное полотно. Верхнее строение пути. Пояснительная записка. ООО «Инжиниринговый центр Ямал». Лабытнанги. СПб., 2009.
7. Программа расчета теплового взаимодействия инженерных сооружений с вечномерзлыми грунтами WARM / Хрусталев Л. Н., Емельянов Н. В., Пустовойт Г. П., Яковлев С. В. Cвидетельство № 940281. РосАПО, 1994.
8. СНиП 2.02.04-88 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах».
9. СНиП 2.05.03-84 (2000) Мосты и трубы.
10. СП 32-101-95 Проектирование и устройство фундаментов опор мостов в районах распространения вечномерзлых.

Введение

Одним из важнейших условий обеспечения устойчивости земляного полотна при строительстве в криолитозоне является устройство эффективного водоотвода. Застои теплых поверхностных вод в основании насыпи категорически недопустимы. Их отепляющее воздействие приводит к деградации мерзлоты и серьезным деформациям земляного полотна скорее, чем отепляющее влияние самой насыпи. Поэтому необходимо применять водопропускные трубы, размещаемые в нижней части насыпи [1, 6, 9, 10]. 

Для принятия технических решений при проектировании водопропускных труб необходимо определять температурные поля в окружающем грунте [2, 4].

Постановка задачи

Для составления прогноза отепляющего влияния насыпи в местах расположения водопропускных труб (с укладкой слоя пеноплекса под трубой) и предупреждения возможности возникновения опасных  геокриологических процессов в теле насыпи и непосредственно прилегающих к ней областях было проведено математическое моделирование температурного режима грунтов на участке железнодорожной линии Бованенково - Карская. Для моделирования использовалась компьютерная программа «WARM». Программа разработана на кафедре геокриологии геологического факультета МГУ под руководством проф. Л. Н. Хрусталева [7].

Водопропускная труба рассматривается как бесконечная в линейном направлении. Значительные сложности возникают при назначении граничных условий на поверхности трубы. В летние месяцы в первом приближении температура поверхности трубы может быть принята равной среднемесячной температуре воздуха. В зимние месяцы труба постепенно заносится снегом. Она может заноситься полностью или частично. В последнем случае по трубе будет циркулировать холодный воздух. Также необходимо учитывать чрезвычайно сложную динамику накопления снега на откосах насыпи. Это в значительной степени влияет на температурный режим трубы и, следовательно, на температурное состояние окружающего ее грунта.

Учитывая сложность и неоднозначность условий на разных участках трассы, отсутствие данных о динамике снегонакопления, в диссертации предложена схематизация задачи. Рассмотрены три варианта:

  1. труба в течение всего зимнего периода не заносится снегом; среднемесячная температура ее поверхности в течение всего года принимается равной среднемесячной температуре воздуха. В этом случае в летний период вокруг трубы должен формироваться ореол сезонного оттаивания грунта, зимой оттаявший грунт будет промерзать.
  2. в летний период труба остается открытой и ее температура равна температуре воздуха, зимой труба полностью заносится снегом, и ее температура равна среднемесячной температуре грунта насыпи на уровне середины трубы.
  3. температура поверхности трубы в течение всего года равна среднемесячной температуре грунта насыпи на уровне середины трубы.

Очевидно, что в реальных условиях ни один из этих вариантов не реализуется. Однако эти варианты характеризуют возможные крайние случаи, когда будут формироваться наихудшие и наилучшие условия с точки зрения теплового и механического взаимодействия водопропускной трубы с многолетнемерзлыми грунтами.

Рассмотрим частный случай, характеризующий условия формирования температурного режима грунтов на конкретном участке трассы ПК 14673. Для того чтобы реализовать второй и третий варианты условий снегонакопления на участке расположения водопропускной трубы, необходимо иметь данные о среднемесячной температуре грунта насыпи на глубине расположения середины трубы. Для этого была решена дополнительная задача - расчет температурного режима тела насыпи.

Конструкция насыпи железной дороги, согласно проекту, включает сверху вниз: земляное полотно с крутизной откосов 1:4, составляющей 3/4 высоты насыпи, полуобойму мощностью 0,4-0,5 м, теплоизоляционной слой в верхней части насыпи и защитный слой мощностью 0,4-0,5 м. Высота насыпи принята 3,0 м. Защитный слой представляет грунтовую массу в пропорции 70/30, где 70 % - составляет скальный грунт с крупностью не более 0,15 м, а 30 % - местные грунты в виде пылеватого песка. В качестве теплоизолятора используется пеноплекс толщиной 0,1 м. Полуобоймы и земляное полотно отсыпаются из местных грунтов [6].

Под насыпью залегают многолетнемерзлые грунты ненарушенного сложения со среднегодовой температурой минус 4 0С. Состав грунтов и необходимые для расчета физические свойства получены по данным инженерно-геологических изысканий [5], теплофизические свойства приведены в соответствие с СНиП 2.02.04-88 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах» (таблица) [8].

Глубины залегания слоев в таблице 1 даны от поверхности насыпи.

№ слоя

Интервал глубин, м

Состав грунта

Засоленность, Dsal, %

Температура начала замерзания грунта, °С

Коэффициент теплопровод-ности грунта, Вт/(м·°С)

Объемная теплоемкость грунта,

Вт·ч/(м³·°С)

Затраты тепла на фазовые переходы, QФ, Вт·ч/м³

Талого, λт

Мерзлого, λм

Талого, Ст

Мерзлого, См

1

0-0,5

Песок

0

0

1,91

2,14

800

560

36118

2

0,5-0,6

Пеноплекс

0

0

0,03

0,03

128

128

111

3

0,6-3,0

Песок

0

0

1,91

2,14

800

560

36118

4

3,0-6,3

Суглинок

0,31

-1,1

1,57

1,8

740

505

40173

5

6,3-49,8

Песок

0,025

0

1,40

2,00

800

560

36118

Таблица 1. Состав и теплофизические свойства грунтов

Зная температурный режим тела насыпи, среднемесячную температуру воздуха [5], характер снегонакопления [3], можно решать задачу о динамике температурного поля грунтов на участках заложения водопропускных труб. На поверхности трубы заданы граничные условия первого рода - значения среднемесячной температуры либо воздуха, либо грунта на глубине заложения трубы.

По результатам математического моделирования на десятый год эксплуатации получены значения среднемесячной температуры грунта насыпи на глубине расположения центра водопропускной трубы. Значения температуры поверхности трубы для трех указанных в начале раздела случаев приведены в табл. 2.                                                       

Таблица 2.  Среднемесячные температуры поверхности трубы, принятые при расчетах

Значения температуры, °С

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

XI

XII

Принята равной температуре воздуха

-20.0

-21.9

-18.9

-12.9

-5.5

2

7.3

6.9

3.5

-4.0

-12.6

-17.8

Принята равной температуре насыпи

-2.4

-3.0

-5.6

-6.5

-6.2

-4.7

-1.8

-0.1

0.6

0.1

-0.2

-0.4

Принята равной температуре: летом - воздуха, зимой - насыпи

-2.4

-3.0

-5.6

-6.5

-6.2

2

7.3

6.9

3.5

0.1

-0.2

-0.4

Фрагмент разбивки расчетной области на блоки показан на рис. 1.      

 

              1                       2                          3

Рисунок 1.  Фрагмент разбивки расчетной области на блоки:

1 - граничные условия первого рода; 2 - граничные условия второго рода; 3 - граничные условия третьего рода.

 

Полученные результаты

Некоторые результаты моделирования приведены на рис. 2. Шкала температур в °С показана на рис. 2 (май, вариант 3).

Рисунок 2.  Температурное поле грунтов на участке расположения водопропускной трубы ПК 14673. Под нижней образующей трубы уложен слой пеноплекса  1 - температура на поверхности трубы равна среднемесячной температуре воздуха; 2 - температура на поверхности трубы в летний период равна среднемесячной температуре воздуха, в зимний период - среднемесячной температуре грунта в теле насыпи на уровне центра тубы; 3 - температура на поверхности трубы в течение всего года равна среднемесячной температуре грунта в теле насыпи на уровне цента трубы.

 

Продолжение рисунка 2

Проведенные расчеты позволяют выявить некоторые закономерности. В течение всего года при всех рассмотренных вариантах температурного режима в трубе оттаивание грунта под ее нижней образующей не происходит (рис. 3).

Рисунок 3.  Величина оттаивания насыпи по вертикали при укладке теплоизолятора

При циркуляции в трубе атмосферного воздуха либо круглогодично, либо только в теплый период (варианты 1 и 2 на рис. 2), оттаивание грунта насыпи начинается в июне и достигает максимума в боковом направлении в конце сентября (0,8-1,0 м от края трубы). Грунт насыпи полностью промерзает в декабре и с этого момента до конца мая находится в мерзлом состоянии. В том случае, когда температурный режим в трубе определяется только тепловым состоянием насыпи (вариант 3), оттаивание грунта происходит только в сентябре - октябре и не превышает 0,1 м в боковом направлении (рис. 4).

Рисунок 4.  Величина оттаивания насыпи по горизонтали при укладке теплоизолятора

По результатам моделирования динамики температурного поля грунтов на участках заложения водопропускных труб можно отметить, что для уменьшения теплового влияния трубы по вертикали под ее нижней образующей целесообразно укладывать слой пенополекса толщиной 10 см. Тепловое влияние трубы в горизонтальном направлении при укладке слоя пеноплекса значительно.

Также следует отметить, что влияние мощного снежного покрова невозможно учесть при построении расчетной модели, т.к. очень сложно рассчитать динамику снегонакопления, изменение плотности, теплопроводность и другие параметры, необходимые для определения коэффициента теплообмена. Для разработки такой модели необходимо провести натурные исследования и определить закономерности изменения и взаимодействия различных показателей.

Рецензенты:

  • Коваленко Николай Иванович, д.т.н., профессор кафедры «Путь и путевое хозяйство» Института пути, строительства и сооружения Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения», г. Москва.
  • Луцкий Святослав Яковлевич, д.т.н., профессор кафедры «Организация, технология и управление строительством» Института пути, строительства и сооружения Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения», г. Москва.

Библиографическая ссылка

Алексеенко Е.С. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫЕ ГРУНТЫ ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБ С ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫМ СЛОЕМ В ОСНОВАНИИ (НА ПРИМЕРЕ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ ЛИНИИ БОВАНЕНКОВО – КАРСКАЯ) // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 3.;
URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=6146 (дата обращения: 13.12.2018).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252