Введение к работе
Актуальность работы.
Процессы и явления, сопровождающие годовые циклы протекания водно- теплового режима земляного полотна железных дорог, расположенных на территориях глубокого сезонного промерзания, а также распространения много- летнемёрзлых 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 влагонакопле- ния, 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 резкоконтинентального 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 земля- ного полотна железных дороги его основания, учитывающего весь спектр климатических факторов и внешних условий в проблемных регионах.
Степень разработанности темы.
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 «Termoground», 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 достоверности определения размеров зон морозного пучения грунтов земляного полотна применительно к разработке противопучинных мероприятий.
Основные задачи исследований:
-
Провести долгосрочный 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.
-
На базе проведенных экспериментов разработать математическую модель нестационарного температурного поля земляного полотна железных дорог.
-
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.
Методы исследований:
комплексный мониторинг процессов промерзания-оттаивания грунтов земляного полотна в натурных и лабораторных условиях;
анализ результатов экспериментальных исследований с выявлением закономерностей изменения температурного поля земляного полотна в годовом цикле;
численное моделирование нестационарного температурного поля земляного полотна железных дорог в рамках принятой идеализации процесса его промерзания.
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;
-
в использовании комплексного критерия интенсивного пучения грунтов, объединяющего в себе условия превышения критических значений температур и температурных градиентов.
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;
На защиту выносятся:
-
-
Результаты трехлетних исследований температурного режима земляного полотна на экспериментальном полигоне СГУПС.
-
Математическая модель процесса промерзания глинистых грунтов земляного полотна.
-
Методика оценки глубины промерзания и зоны интенсивного пучения грунтов земляного полотна.
Личный вклад автора состоит:
-
в разработке технического обеспечения и проведении натурных и лабораторных экспериментов;
-
в анализе экспериментальных данных и постановке задач математического моделирования исследуемых процессов;
-
в проведении численных экспериментов по определению влияния отдельных параметров математических моделей на результаты расчетов.
Достоверность полученных результатов определяется применением классических законов теплофизики в математических моделях, сравнением результатов математического моделирования с экспериментальными данными и известными аналитическими решениями.
Реализация исследований. 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.).
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на конференциях: «Проблемы земляного полотна железных и автомобильных дорог» (Новосибирск, 2010), «International scientific conference on railway management and engineering» (Корея, 2010), «Наука и молодёжь XXI века» (Новосибирск, 2011), «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации земляного полотна и искусственных сооружений» (Москва, 2011, 2012), «Инновационные факторы развития Транссиба на современном этапе» (Новосибирск, 2012), научный семинар СГУПС при диссертационном совете (Новосибирск, 2013).
Публикации: по теме диссертации опубликовано 5 научных работ.
Структура и объём диссертации. Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных источников и 3 приложений. Общий объём работы 139 страниц, включая 47 рисунков и 21 таблицу. Список использованных источников включает 97 наименований.
Похожие диссертации на Совершенствование методов расчета глубины сезонного промерзания пучинистых грунтов земляного полотна железнодорожного пути
-
