Магистерская диссертация Суслов А.В. ИВ2 ДВГУПС 2017 (Автоматизированная система мониторинга температуры грунта в районах вечной мерзлоты вдоль железных и автомобильных дорог), страница 3

В качестве теплоизоляционного материала были использованы плиты из экструзионного пенополиститрола. Толщина теплоизоляции равна δ=0,06 и 0,012 м; плотность ρ=0,25 т/м³; теплопроводность λ=0,06 Вт/(м·⁰С); объемная теплоемкость С = 170 кДж/(м³·⁰С) для условий эксплуатации группы Б. Среднемесячная температура воздуха станций Московской железной дороги (Москва), Забайкальской железной дороги (Могочи, Белогорска) и Дальневосточной (Хабаровск).

Рисунок 4 – Расчетная схема насыпи на длительно

эксплуатируемом участке

На рисунке цифрами обозначены:

– 1 железобетонная шпала;

– 2 щебень;

– 3 теплоизоляция из экструзионного пенополистирола;

– 4 песчано-гравийная смесь;

– 5 пылеватый суглинок;

– 6 основание из суглинка.

В качестве теплоизоляционного материала были использованы плиты из экструзионного пенополиститрола. Толщина теплоизоляции равна δ=0,06 и 0,012 м; плотность ρ=0,25 т/м³; теплопроводность λ=0,06 Вт/(м·⁰С); объемная теплоемкость С = 170 кДж/(м³·⁰С) для условий эксплуатации группы Б [6]. Среднемесячная температура воздуха станций Московской железной дороги (Москва), Забайкальской железной дороги (Могочи, Белогорска) и Дальневосточной  (Хабаровск) принималась согласно [7]. Расчетные значения теплофизических характеристик грунтов в талом и мерзлом состоянии принимались по экспериментальным данным и согласно [8]. Нормативная глубина промерзания грунтов в климатических районах исследования составляет d_fn=1,2…..3,5 м, температура наружного воздуха опускается до t = –30,3⁰С, а величина пучения грунтов на участках достигает h_f =10-12 см.

Исследовались различные технологии укладки экструзионного пенополистирола, которые применяются или могут быть применены при производстве работ путевыми ремонтными машинами типа РМ-80 или «Самсон»:

1 – укладка плит длиной L=4 м и толщиной δ=0,06 м. для снижения или ликвидации промерзания грунтов насыпи при воздействии отрицательной температуры перпендикулярно основной площадке;

2 – укладка плит по всей ширине основной площадки земляного полотна в два слоя толщиной δ=0,12 м и в один слой на откосе шириной 0,6 м для снижения или ликвидации промерзания грунтов насыпи при воздействии отрицательной температуры перпендикулярно основной площадке и со стороны откоса;

3 – укладка плит по всей ширине основной площадки земляного полотна в два слоя δ=0,12 м, в три слоя от края шпалы до откоса и на откосе шириной 0,6 м в один слой для снижения или ликвидации промерзания грунтов насыпи при воздействии отрицательной температуры перпендикулярно основной площадке и со стороны откоса;

4 – укладка плит по всей ширине основной площадки земляного полотна в два слоя δ=0,12 м, от края шпалы до откоса в три слоя, и на откосе шириной 0,6 м в один слой при температуре грунтов насыпи в Могоче Т=0⁰С для снижения промерзания и предохранения оттаивания вечномерзлых грунтов насыпи при воздействии отрицательной и положительной температуры в течение всего года перпендикулярно основной площадке и со стороны откоса;

5 тип – укладка плит по всей ширине основной площадки земляного полотна в один слой δ=0,06 м, от края шпалы до откоса в два слоя для снижения или ликвидации промерзания грунтов насыпи при воздействии отрицательной температуры перпендикулярно основной площадке. Результаты исследований, полученных в ходе экспериментов, представлены на рисунке 5.

Рисунок 5 – Температура грунта на основной площадке насыпи высотой 2 м под краями шпалы при укладке теплоизоляции по 3-му типу: 1, 2– для условий Хабаровска, соответственно со стороны междупутья и поля; 3, 4 – для условий Могочи соответственно со стороны междупутья и поля

 Как видно из рисунка 3, для условий Хабаровска 3-й тип укладки наиболее эффективен, так как практически не позволяет опуститься температуре грунта ниже нуля. Эпюры распределения температуры в разных сечениях насыпи и основания для условий Хабаровска на конец февраля показывают, как изменяется по глубине нулевая изотерма по всему сечению, визуализация представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 – Эпюры распределения температуры насыпи Н = 2 м и основания в

Хабаровске на конец февраля по 3-му типу укладки теплоизоляции

В поле на данный период она находится на глубине 1,6 м, а под краями шпалы со стороны междупутья – 1,2 м и со стороны откоса 
– 1,64 м. При этом в зоне промерзания температура грунтов в поле изменяется от –16^ºС до нуля практически по треугольному закону в зоне мерзлого грунта и по экспоненте в зоне фазовых переходов. Под теплоизоляцией в зоне промерзания температура грунта изменяется от – 0,55^ºС до нуля.

Для условий Могочи укладка теплоизоляции по 3-му типу существенно снижает отрицательную температуру грунта на основной площадке, но не исключает полностью действие сил морозного пучения на верхнее строение пути.

Согласно обобщенным результатам исследований рациональными технологиями реконструкции насыпи будут следующие:

– для Московской железной дороги – 5-й тип укладки теплоизоляции. Температура грунта на основной площадке земляного полотна в самый холодный месяц (февраль) опускается до – 0,5⁰С. Для сравнения отметим, что укладка теплоизоляции по 1-му типу не исключает промораживания грунта  основной площадки для этой же дороги под концами шпалы до температуры –1,2^ºС, т.е. идет незначительный процесс морозного пучения с января по апрель.

– для Дальневосточной железной дороги (климатические условия Хабаровска) – 3-й тип укладки теплоизоляции. Температура грунта на основной площадке земляного полотна в самый холодный месяц (февраль) опускается до – 0,55^ºС.

При остальных типах укладки теплоизоляции эффективность ее снижается и не исключается воздействие сил морозного пучения на грунты тела насыпи.

Для исследованных районов Забайкальской железной дороги – Белогорска и Могочи (среднегодовая температура грунтов тела насыпей составляет около +1…..0^ºС) при укладке теплоизоляции 3-го типа (рисунки 6–8) происходит снижение температуры промерзания грунта основной площадки, но воздействие сил морозного пучения на грунты тела насыпи полностью не исключаются.

На рисунке 7 хорошо видно, как изменяется по глубине нулевая изотерма по всему сечению: в поле на данный период она опускается на глубину –2,8 м, под краями шпалы со стороны междупутья –2,6 м, со стороны откоса –3,0 м. При этом в зоне промерзания температура грунтов в поле изменяется от  –19,9⁰С до нуля практически по треугольному закону в зоне мерзлого грунта и по экспоненте в зоне фазовых переходов. Под теплоизоляцией (тело насыпи) в зоне промерзания температура грунта изменяется от –1,8 до –2,2⁰С, т.е. находится в зоне температур морозного пучения грунтов.

Рисунок 7 ­– Изолинии и эпюры распределения температур в теле насыпи для

климатических условий Белогорска на февраль месяц при укладке теплоизоляции по 3-му типу

Для насыпи с пластичномерзлыми грунтами в районе станции Могоча при укладке теплоизоляции по 3-му типу (рисунок 7, 8) в зимний период температура грунта основной площадки снижается от –3,6⁰С (под краем шпалы со стороны междупутья) до –6,9⁰С (под краем шпалы со стороны поля).

Рисунок 8 – Температура грунта на основной площадке насыпи высотой 2 м в Могоче для условий вечномерзлых грунтов в основании и теле насыпи при 3-м типе укладки теплоизоляции: 1 – под краем шпалы со стороны поля; 2 – под осью пути; 3 – под краем шпалы со стороны междупутья

 Рисунок 9 – Изолинии и эпюры распределения температур в теле насыпи для климатических условий станции Могоча на февраль при 3-м типе укладки теплоизоляции

При детальной разработке проекта необходимо рассмотреть также изменение влияния влажности по глубине на грунты тела насыпи, находящиеся в интервале температур активного морозного пучения (-0,5….–7,0 ⁰С).

В теплое время года при укладке теплоизоляции 3-го типа оттаивания грунта в Могоче под теплоизоляцией не происходит, т.е. процесс осадок насыпи в весенне-летний период исключается, что позитивно влияет на состояние конструкции земляного полотна.

Расчеты показали, что использование теплоизоляционных материалов позволяет уменьшить, а в случае необходимости – исключить промерзание грунтов и вредное влияние мо­розного пучения. Для Московской железной дороги силы морозного пучения почти исключаются. Для Забайкальской и Дальневосточной железных дорог в каждом конкретном случае необходимо делать геотехническое обоснование деформированного участка с последующим мониторингом работ.

Для обеспечения безопасной эксплуатации насыпей в промерзающих пучинистых грунтах необходим геотехнический прогноз, на основе которого можно рекомендовать современные эффективные геотехнологии по стабилизации грунтов.

1. Природно-климатические факторы, влияющие на мерзлоту

Значительная часть железнодорожных магистралей Дальнего Востока эксплуатируется в суровых климатических условиях. При этом наиболее опасным фактором с точки зрения эксплуатационной надежности транспортных сооружений, является наличие вечной мерзлоты в их основании.

Вечномерзлые грунты определяются мощностью, температурой и характером распространения, которые зависят от широтной и высотной зональности. Южные районы характеризуются мощностью до 30 метров и имеют температуру на уровне нулевых амплитуд минус 0,5-1 градус (ст. Новый Ургал). При продвижении на север мощность мерзлоты возрастает, а температуры на уровне нулевых амплитуд понижаются. Так, в районе г.Тында мощность достигает 100-150 метров при температуре минус 3-5 градусов, а в Якутске – до 700 метров при температуре минус 7-13 градусов. Характер распространения вечной мерзлоты подразделяется на островной (южные районы) и сплошной.

Проблема формирования термического режима оснований сооружений связана прежде всего с изменением прочностных (физико-механических) параметров вечномерзлых грунтов при их оттаивании, и как следствие, потере устойчивости. Во многих источниках температурная стабильность вечной мерзлоты, изменяющая под влиянием ряда факторов, напрямую определяет деформативность опор мостов [13,18,31,37,60].

Таким образом, эксплуатационная надежность и устойчивость малых и средних мостов, эксплуатирующихся на вечномерзлых грунтах не может быть обеспечена традиционными приемами, поэтому необходима разработка ряда инструментов, которые позволили бы учесть взаимодействие малых мостов с вечной мерзлотой.

В связи с этим в настоящее время актуальной задачей является учет комплекса природно-климатических, конструктивно-технологических и техногенных параметров, характерных для инженерных сооружений, а именно: