Введение к работе
Актуальность. Значительная часть территории России расположена в зоне вечной мерзлоты.
Несущая способность вечномерзлых грунтов резко зависит от их температуры. Поэтому температурный режим грунтов в указанных регионах определяет не только особенности проектирования, строительства и эксплуатации, а подчас и саму принципиальную возможность сооружеїшя моста.
Разработка и внедрение методов прогнозирования температурного режима, позволяющих существешю сокращать длительность и трудоемкость проведения расчетов, а также решать круг вопросов, решение которых существующими методами практически трудно осуществимо, является одной из важных и актуальных задач.
В настоящее время существует целый ряд методов прогнозирования температурного режима грунтов оснований. Однако по мере освоения новых регионов со специфическими климатическими, гидрогеологическими и мерзлотными условиями, а также при разработке новых технических решений возникают трудности в методологии теплофизических исследований, в частности, расчетов.
Существенные трудности возникают при прогнозировшши температурного режима грунтов оснований опор мостов с учетом влияния всей территории мостового перехода в целом или значительной его части.
Указанные трудности определяются многочисленностью зон с различными условиями теплообмена на поверхности (оголенная от снега основная площадка насыпи, занесенные снегом ее откосы, русло реки с различной глубиной воды, регуляциошше сооружения, озера, заросли кустар-шіка и т.п.), их сложной конфигурацией в плане, различием теплофизических свойств грунта и т.п. Использование существующих алгоритмов требует больших затрат на подготовку исходных данных, обработку результатов, а также больших неоправданных затрат времени на проведешгс расчетов.
Таким образом, актуальность работы определяется, с одной стороны, важностью всестороннего и оперативного анализа температурного режима вечномерзлых грунтов оснований мостовых переходов, а с другой стороны, трудностями, с которыми связано использование существующих методов прогнозирования.
Цель работы - повышение эффективности анализа и прогнозирования температурного режима вечномерзлых грунтов оснований в пределах мостового перехода с учетом многочисленных зон на поверхности с различными теплофизическими особенностями, как на поверхности, так и по глубине.
Методы исследований - математическое моделирование тепловых процессов с использованием метода элементарных балансов (МЭБ) на ЭВМ и обобщение данных многолетних натурных наблюдений за температурным режимом грунтов оснований на мостах строящейся ж.д. линии Обская-Бованенково на п-ве Ямал.
Научная новизна работы заключается в следующем:
выявлены закономерности теплового взаимовлияния зон в пределах мостового перехода с различными условиями теплообмена (граничными условиями, теплофизическими характеристиками грунтов, начальными условиями и т.п.);
выведены формулы, учитывающие взаимосвязь теплового влияния зон на температуру в заданной точке мостового перехода в зависимости от удаленности указанных зон;
выявлены закономерности тепловых процессов, специфических для различных зон мостового перехода, расположенного в зоне вечной мерзлоты (для засоленных глинистых и песчаных грунтов, для каменной наброски, поверхностной и внутренней теплоизоляции и т.п.).
Практическая значимость. Разработанные в диссертации положения позволяют существенно снизить трудоемкость теплофизических расчетов для рассматриваемого круга задач и обеспечить практическую возможность при проектировании осуществить многовариантный поиск решения, что позволяет проектировать наиболее рационально как общую компоновку мостового перехода, так и его отдельные части. Итогом работы явились новые алгоритмы расчета, программы для ЭВМ, практические рекомендации по регулированию температурного режима, в том числе ряд конструктивно-технологических решений, часть из которых запатентована.
Реализация результатов работы. В процессе проведения исследований диссертант принял участие в более чем 70 научно-исследовательских работах ЦНИИС, в т.ч. в 11 был ответственным исполнителем всей работы или отдельных ее разделов. Для ряда строящихся мостов на ж.д. линии Обская-Бованенково проанализирован температурный режим, разработаны практические рекомендации, которые успешно внедрены в практику. Переработано или разработано заново 21 алгоритм по расчету процессов теплообмена. Они внедрены в Центральной лаборатории инженерной теплофизики ЦНИИ-
Ca, 1 алгоритм передан в Ленгипротранс, 1 алгоритм сдан в Российское Агентство по правовой охране ПрЭВМ, БД и ТИМС.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на секции «Строительство и реконструкция искусственных сооружений (Мосты, путепроводы, виадуки и т.п.)» Ученого совета ЦНИИСа, на Первой конференции геокриологов России (МГУ, Москва, 1996), на П-й Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта» (МИИТ, Москва, 1996).
Достоверность разработанной методики расчета подтверждается сравнением результатов, получаемых при параллельном использовании ее и других методов, а также сопоставлением их с данными натурных наблюдений за температурным режимом грунтов оснований на мостовых переходах ж.д. линии Обская-Бованенково.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 1 свидетельство на полезную модель, 1 патент на изобретение, 1 алгоритм, сданный в Российское Агентство по правовой охране ПрЭВМ, БД и ТИМС.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и приложений.
Она содержит 182 страницы текста, 58 рисунков, 13 таблиц. Библиография включает 156 наименований, из которых 17 - на иностранных языках.
