m_0867

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

ПРЕДИСЛОВИЕ

В статьях сборника приводятся результаты исследований по вопросам проектирования, строительства и эксплуатации железных и автомобильных дорог в сложных условиях, диагностики состояния земляного полотна в зимних условиях, защиты железных дорог и других объектов от снежных лавин.

Приведены результаты исследований промерзания земляного полотна с помощью двухмерной модели на опытном полигоне СГУПСа, дается методика расчета противолавинных сооружений на олимпийских объектах. Освещены особенности лавинообразования на участках Восточно-Сибирской железной дороги. Ряд статей посвящен особенностям технологии сооружения и эксплуатации тоннелей.

Показаны возможности использования новых приборов и геодезических методов для мониторинга состояния и работы транспортных объектов. Подробно представлен лазерный комплекс для сопровождения работы железнодорожного пути.

Разработанные методики и рекомендации предназначены для использования в проектировании, строительстве и эксплуатации дорог в сложных условиях.

Публикуемые материалы рассчитаны на инженернотехнических и научных работников различных ведомств.

3

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

УДК 625.12:624.139

А.Л. Исаков, Ким Хюн Чол

ДВУХМЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНОГО ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ

ВЗЕМЛЯНОМ ПОЛОТНЕ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

В[1] был описан алгоритм решения задачи о промерзании земляного полотна железных дорог в одномерной постановке. В данной работе приводится теплофизическая дискретная двухмерная модель расчета нестационарного температурного поля, построенная на базе вышеупомянутого алгоритма для одномерной задачи. Особенностью модели является ее направленность на же-

лезнодорожные конструкции земляного полотна.

Постановка задачи: пусть на момент времени t 0 задано температурное поле для всех N элементов среды и известна функция изменения температуры внешней среды в годовом цикле

Tвозд (t) F(t).

Требуется определить распределение температур в каждом элементе среды в плоскости OXY (рис. 1) для произвольного значения времени t .

T = T0 на глубине нулевых годовых амплитуд

Y

Рис. 1. Двухмерная геометрическая модель земляного полотна

4

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

Решается краевая задача первого рода для двухмерной области с заданной температурой на ее границах:

сверху задается температура первого слоя грунта (или снега), находящегося в непосредственном контакте с воздухом;

снизу задается температура (константа для данного региона) на глубине нулевых годовых амплитуд.

Температура первого слоя грунта (или снега) в задаче определяется температурой воздуха с учетом поправки на радиационный баланс:

R

коэффициент поверхностного теплообмена, кДж/м2/град/ч. Далее будем считать, что поток тепла в направлении оси OZ ,

перпендикулярной плоскости OXY , для всей рассматриваемой области пространства равен нулю.

Разобьем рассматриваемую область на отдельные элементы – прямоугольные параллелепипеды единичной длины в направлении оси OZ с поперечными размерами (см. рис. 1): h – высота элемента; x – ширина элемента.

Площадь поперечного сечения Sh , перпендикулярного оси OY , такого элемента будет равна: Sy x 1 м2.

Площадь поперечного сечения Sx , перпендикулярного оси OX , такого элемента будет равна: Sx h 1 м2.

Запишем уравнение теплопроводности для (i, j) -го элемента в виде:

где Qi, j – количество тепла, отданного или полученного извне (i, j) -м элементом за время t :

Ji 1 – поток тепла, проходящий через единицу площади от (i, j) -го

к(i 1, j)-му элементу в единицу времени:

5

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

Ji 1 – поток тепла, проходящий через единицу площади от (i, j) -го

к(i 1, j)-му элементу в единицу времени:

Jj 1 – поток тепла, проходящий через единицу площади от (i, j) -го

к(i, j 1)-му элементу в единицу времени:

Jj 1 – поток тепла, проходящий через единицу площади от (i, j) -го

к(i, j 1)-му элементу в единицу времени:

грунта при его замерзании (или оттаивании); Tф – температура фа-

зовых переходов в грунте при его замерзании (оттаивание незасоленного грунта, как правило, происходит при нулевой температуре).

Тогда температура i -го элемента на шаге по времени t t определяется выражением

6

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

та (i, j) -го элемента; i, j – коэффициент теплопроводности (i, j) - го элемента, Вт/(м·град); Ci, j – удельная теплоемкость (i, j) -го

элемента, Дж/(кг·град).

Теплофизические константы грунта задаются в зависимости от агрегатного состояния воды, содержащейся в его порах:

Ст Cs WCв – удельная теплоемкость талого грунта;

1 W

См Cs (W Wн )Cл WнзCв – удельная теплоемкость мерз-

1 W

лого грунта;

Wнз kwWp – относительное количество незамерзшей в грунте

воды, %;

kw – коэффициент содержания незамерзшей воды в грунте [5]; Wp – влажность грунта на границе пластичности;

грунте, Дж/кг;

Qл – удельная теплота плавления льда, Дж/кг;

Моделирование фазовых переходов в грунте реализовано в соответствии с рис. 2, где показаны реальная и используемая в модели схемы изменения агрегатного состояния воды, содержащейся в грунте [2].

7

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

Рис. 2. Схема моделирования фазовых переходов в глинистых грунтах

Здесь сплошной линией схематически показана реальная зависимость изменения влажности при замерзании глинистого грунта от исходного состояния (W Wнач) до полностью замерзшего, где

Wнз – относительное количество незамерзшей воды, не зависящее от начальной влажности Wнач . Штриховой линией показана ступенчатая аппроксимация реальной зависимости, где Tф – темпера-

турная граница, ниже которой грунт находится в полностью замерзшем состоянии, а выше – в талом.

На рис. 3 приведены расчеты температурных полей по данным полномасштабной модели земляного полотна на полигоне СГУПСа, полученным в 2011–2012 гг. [3].

а)

Рис. 3 (начало). Расчетное температурное поле в насыпи на полигоне СГУПСа на 10 марта 2012 г.:

а – без пенополистирола

8

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

б)

Рис. 3 (окончание). Расчетное температурное поле в насыпи на полигоне СГУПСа на 10 марта 2012 г.:

б – с пенополистиролом

Сопоставление расчетных данных, полученных в рамках одномерной [1] и двухмерной моделей, показывает, что увеличения глубины промерзания насыпи по ее оси за счет наличия боковых поверхностей – откосов насыпи и балластной призмы – практически не происходит при наличии на них снежного покрова. Основным отличием является увеличение глубины промерзания под концами шпал в пределах 15–20 %.

Библиографический список

1.Исаков А.Л., Ким Хюн Чол. Теплофизическая дискретная модель промерзания грунта земляного полотна // Транспорт Урала. Вып. 2. Екате-

ринбург, 2012. С. 121–124.

2.Исаков А.Л., Ким Хюн Чол. Численный анализ глубины промерза-

ния земляного полотна с использованием программ Freeze-1 и Freeze-2 // Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации земляного полотна и искусственных сооружений: Тр. IХ науч.-техн. конф. М., 2012. С. 159–161.

3.Ким Хюн Чол, Морячков Ю.С. Экспериментальные исследования температурного режима грунтов земляного полотна на полигоне СГУПСа // Железные и автомобильные дороги в сложных условиях: Сб. науч. тр. Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2014. С. 18–34.

4.Лукьянов В.С, Головко М.Д. Расчет глубины промерзания грунтов.

М.: Трансжелдориздат, 1957. 164 с.

5. СНиП 2.02.04–88. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. М., 1990.

9

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

УДК 625.123:624.143

А.И. Белозеров, Ю.Г. Григоровский, А.Н. Филатов

АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОТИВОНАЛЕДНЫХ МЕРОПРИЯТИЙ НА БАЙКАЛО-АМУРСКОЙ МАГИСТРАЛИ

Хорошо известно, что наледи наносят огромный ущерб железнодорожным и другим строительным объектам. В процессе исследования установлено, что если на стадиях изысканий, проектирования и строительства железных дорог не учитываются факторы формирования наледей, то при эксплуатации сооружений в течение всего или продолжительного срока их службы приходится вести дорогостоящую и малоэффективную противоналедную борьбу. Ущерб наносится и в тех случаях, когда при прогнозировании наледей преувеличивается опасность их вредного воздействия на ЖДП. Исходя из этого одной из актуальных проблем транспортного строительства становится разработка обоснованных методов прогнозирования формирования наледей.

Опыт строительства и эксплуатации железных дорог Восточной Сибири и Дальнего Востока показывает, что одним из неблагоприятных физико-геологических явлений в этих районах сурового климата являются наледи, которые здесь имеют широкое распространение и весьма отрицательно влияют на условия эксплуатации и устойчивость дорожных сооружений.

Впервые борьба с наледями на железных дорогах началась на строительстве Транссиба. Она носила вынужденный характер и заключалась в «оборонительных» (оградительных) мероприятиях против воздействия наледей на земляное полотно, верхнее строение пути, мосты и трубы.

До 1960-х годов предыдущего столетия наледи воспринимались как стихийное бедствие, возникающее при строительстве и эксплуатации железных дорог. Поэтому установилось мнение, что противоналедные мероприятия можно назначать лишь в период строительства. Для обеспечения сохранности транспортных сооружений и безопасного пропуска поездов они устраивались на тех наледных участках, где возникала угроза нарушению устойчивости сооружения и движению транспортных средств.

10