Совершенствование методов расчета глубины сезонного промерзания пучинистых грунтов земляного полотна железнодорожного пути

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.).

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 решены следующие задачи:

1. На базе результатов трехлетнего мониторинга водно-теплового режима грунтов земляного полотна уточнен механизм сезонного цикла «промерзание-оттаивание» грунтов под основной площадкой земляного полотна и выявлено влияние погодных условий на глубину его промерзания.

2. Разработана дискретная модель нестационарного температурного поля земляного полотна железных дорог в одномерной и двухмерной постановках с трехпараметрической формализацией фазовых переходов в глинистых грунтах и возможностью определения глубины зоны интенсивного морозного пучения грунтов.

3. Выполнено обоснование основных параметров математического моделирования промерзания земляного полотна, необходимое для обеспечения получения достоверных оценок глубин промерзания и зон интенсивного пучения грунтов.

4. Установлено влияние толщины теплозащитного покрытия из пенополисти-рола и высоты снежного покрова на глубину зоны интенсивного морозного пучения грунтов земляного полотна. 1 2 3 4 5 6 7 8 9.