Магистерская диссертация Суслов А.В. ИВ2 ДВГУПС 2017 (1189802), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

В 2002 году по БАМу было перевезено 2,8 млн пассажиров дальнего следования.

В 2003 году по БАМу было перевезено 3,5 млн пассажиров дальнего следования.

В 2004 году по БАМу было перевезено 4,8 млн пассажиров дальнего следования. Основные пассажироперевозки осуществлялись со станций Северобайкальск, Тында, Нерюнгри, связывая эти населенные пункты с Центральным, Южным и Дальневосточным регионами страны. По отдельным участкам магистрали за сутки следовали до 9 пар дальних пассажирских поездов. При этом пригородное движение на БАМе практически отсутствовало.

1. Полезные ископаемые БАМа

Месторождения, которые в настоящее время разрабатываются в промышленных объемах и играют грузообразующую роль для загрузки Байкало-Амурской магистрали:

Нерюнгринское и Ургальское угольные;

Коршуновское и Рудногорское железорудные.

Наиболее изученные месторождения с оцененной экономической эффективностью разработки:

– Апсатское, Огоджинское и Эльгинское угольные;

– Чинейское, Таежное и Гаринское железорудные;

– Удоканское медное;

– Куранахское и Катугинское полиметаллические;

– Евгеньевское апатитов;

– Ковыктинское газовое;

– Талаканское, Верхнечонское, Чаяндинское, Среднеботуобинское, Ярактинское, Дулисьминское, Аянское и Адниканское нефтегазовые.

Разработка этих месторождений требует развития транспортной инфраструктуры.

Перспективные месторождения, требующие доразведки и оценки экономической эффективности разработки показаны (Приложение Б):

– Нерюндинское, Капаевское, Поливское железорудные;

– Хлодненское и Шаманское полиметаллические;

– Голевское сынныритов;

– Укдуска и Селигдарское апатитов;

– Непский калийный бассейн.

1. Роль БАМа

Строительство БАМа решило задачи общенационального уровня:

– открыт доступ к природным ресурсам огромного региона;

– обеспечены транзитные перевозки;

– создан кратчайший межконтинентальный железнодорожный маршрут Восток-Запад, проходящий на протяжении 10 тыс. км по российским железным дорогам;

– в военно-стратегическом смысле магистраль парирует возможные сбои и перерывы в движении поездов на Транссибе.

В последние годы роль БАМа значительно возросла, это обусловлено тремя основными факторами. Во-первых, после распада Советского Союза вместе с отделившимися республиками Россия лишилась значительной части ресурсов. Во-вторых, сейчас страна стала ощущать дефицит ресурсов. В-третьих, нарастает демографическая асимметрия. Плотность населения по разные стороны границы – в России и Китае – разнится в десятки раз.

1. Проблематика железнодорожных насыпей в условиях вечной мерзлоты

   1. Морозные пучения

Борьба с морозным пучением грунтов на железных дорогах России находится в центре внимания с момента строительства и эксплуатации земляного полотна в условиях глубокого сезонного промерзания грунтов. Причиной этого являются многочисленные деформации рельсового пути, вызываемые пучением. Неравномерное пучение настолько искажает профиль рельсового пути, что для обеспечения безопасного движения поездов на пучиноопасных участках требуется постоянная выправка пути, связанная с затратой значительных средств. По статистическим данным Департамента путей и сооружений МПС РФ, в течение последних 30 лет протяженность деформирующихся и дефектных мест земляного полотна на сети железных дорог России остается на уровне 10–14% Диаграмма деформации приведена на рисунке 3. По данным на 2014 г. [3], протяженность деформированных участков в сравнении с началом 2000-х гг. сократилась примерно на 2%. При этом отдача от финансовых вложений в капитальный ремонт земляного полотна невелика.

Рисунок 3 –Деформации земляного полотна железных дорог России от сил

морозного пучения

Для ликвидации имеющихся деформаций и стабилизации земляного полотна на пучиноопасных участках чаще всего выполняют укладку теплоизоляционного покрытия из экструзионногопенополистирола для предупреждения сезонного промерзания, пучения и оттаивания. Этот метод был признан наиболее эффективным в самых неблагоприятных условиях, при затрудненном поверхностном водоотводе и в зонах повышенных силовых воздействий. Работы производятся специальными путевыми ремонтными машинами типа РМ-80 или «Самсон», которые позволяют работать на путях с использованием 6-8- часовых окон в движении поездов; производить выемку, очистку и укладку щебня практически одновременно и без остановок; выполнять укладку теплоизоляционных плит параллельно с заменой щебеночного балласта. Опыт использования этой технологии с применением современных материалов при реконструкции Октябрьской железной дороги позволил рекомендовать его и для использования на остальных железных дорогах России. На сети железных дорог России используется технология укладки теплоизоляции из пенополистирола толщиной 0,06 м, длиной 4,0 м, шириной 0,6 м сплошным слоем над всей поверхностью основной площадки деформирующегося участка земляного полотна.

При проектировании таких способов защиты требуется оценка теплофизических характеристик и напряженно-деформированного состояния грунтов в процессе их промерзания–оттаивания.

Наиболее точно процесс промерзания–оттаивания описывается уравнением теплопроводности с учетом фазовых превращений в спектре отрицательных температур для нестационарного теплового режима в трехмерном грунтовом пространстве:

,

где С_th(f) – удельная теплоемкость талого или мерзлого грунта, Дж/кГ⁰С; _d – плотность сухого грунта, кГ/м³; Т – температура, ⁰С; t –время, с; L₀ – удельная теплота фазовых превращений “вода – лед” в расчете на единицу массы, Дж/кг;  – теплопроводность грунтов (мерзлого или талого), Вт/м⁰С; x, y, z – координаты, м; q_V – мощность внутренних источников тепла, Вт/м³; W_w – влажность незамерзшей воды в грунте.

Приведенная формула позволяет учитывать изменения компоненты скрытой теплоты фазовых переходов в спектре отрицательных температур, поглощенной или отданной грунтом из-за изменений фазы грунтовой воды.

Начальным условием для этого уравнения является температурное поле в исследуемой области Т (х, у, z) грунта в момент времени t=t₀.

Граничные условия могут быть четырех видов:

1) если известна температура грунта на дневной поверхности S, то

2) если через поверхность S_q задан тепловой поток.

Линейными источниками тепла являются проложенные в грунте трубы водотеплоснабжения, водяного пара, кабели энергоснабжения или связи. В каждом из этих случаев площадь поперечного сечения трубы или кабеля мала по сравнению с размерами окружающего грунта;

3) если на поверхности грунта S_α происходит конвективный теплообмен;

4) если на границах рассматриваемой области задан тепловой поток.

Напряженно-деформированное состояние пучиноопасных грунтов изменяется при уменьшении температуры ниже 0⁰С вследствие действия сложной комбинации объемных сил сжатия и расширения. При температуре от 0⁰С до Т_bf (температуры начала замерзания) происходит уменьшение объема грунта (усадка). В интервале температур от Т_bf до Т_f (температуры окончания активного пучения) увеличивается объем грунта – происходит деформация пучения, преобладающая над деформацией морозной усадки. Интегрально эта деформация определяется параметром ₂ . При температурах ниже Т_f деформации пучения уменьшаются, превалирует морозная усадка. В отмеченных случаях морозное пучение и усадку можно представить в виде дополнительных сил, вызывающих увеличение или уменьшение объема конечного элемента на величину V.

Для решения задач отмеченного класса применяется программа «Термомеханика», которая включена в программный комплекс «FEM models», разработанный в НПФ «Геореконструкция». Это позволяет решать задачи процесса промерзания-оттаивания с помощью уравнения теплопроводности. При этом учитывается наличие фазовых превращений в спектре отрицательных температур для нестационарного теплового режима в трехмерном грунтовом пространстве. Напряженно-деформированное состояние оценивается по установленным температурным полям. Это позволяет определять деформации и усилия в конструкциях земляного полотна в различное время года и предусматривать мероприятия, исключающие негативное воздействие сил морозного пучения на верхнее строение пути. При этом можно оценить ход развития промерзания и оттаивания грунтов, а также установить величины деформаций подъема (вследствие морозного пучения) и осадки (вследствие оттаивания) любых расположенных в грунтовой среде конструкций.

Для железнодорожных насыпей и выемок распределение отрицательных температур в грунте принимается в зависимости от температуры воздуха у поверхности. Вертикальные относительные деформации пылевато-глинистого грунта при промерзании в соответствии с данными экспериментов аппроксимируются кусочно-линейной зависимостью _fh-Т, где _fh – относительная деформация морозного пучения.

Для решения задач данного класса принята модель промерзающего, оттаивающего и мерзлого грунта предложенная Н.А. Цытовичем и Я.А. Кроником [4]. В ее основе лежит принцип равновесного состояния фазовых переходов воды в грунте, который учитывает механические и физико-химические процессы, физико-механическое состояние и переменность характеристик грунтов в зависимости от изменения их температуры и напряженно-деформированного состояния. Эта модель включает четыре зоны с соответствующими температурными интервалами, в которых теплофизические и термодинамические параметры грунта изменяются по определенным закономерностям.

В качестве модели работы грунта в пространственных условиях применяется упругопластическая модель, предполагающая упругую работу в пределах поверхности, описываемой критерием Мизеса–Шлейхера–Боткина, и равнообъемное течение при достижении напряжениями этой поверхности. В такой модели используются механические параметры среды, определяемые стандартными испытаниями при инженерно-геологических изысканиях.

Предполагаются, что прочностные и деформативные характеристики конечного элемента промерзающего и мерзлого грунта зависят от их начальных значений в талом состоянии, температуры и коэффициентов упрочнения. Указанные зависимости должны устанавливаться в ходе экспериментов.

По установленным в ходе расчета с учетом времени температурным полям вычисляются механические характеристики промерзающего и мерзлого грунтов, на основе которых рассчитываются деформации пучения или температурного сжатия.

В программе «Термомеханика» механические характеристики грунта вычисляются по линейным зависимостям вида:

,

где А₀ – механическая характеристика для талого состояния; К _i – показатель упрочнения; Т – абсолютные значения средних отрицательных температур конечного элемента в рассматриваемый момент времени.

Анизотропия деформаций пучения учитывается введением коэффициента .

В программе «Термомеханика» предусмотрено наличие негрунтовых конструкций и непучинистых грунтов. Возможность задания нулевых перемещений позволяет имитировать смерзание грунта с фундаментами и опорами, а вариация размеров и свойств элементов – вводить в контактные слои малопрочные элементы, имитирующие незамерзающую обмазку. Имея информацию о состоянии элементов, можно сделать заключение о развитии и росте трещин в промерзающей и мерзлой зонах. Это может рассматриваться как вариант решения задачи о морозобойных трещинах.

Группой научных сотрудников ДВГУПС был проведён ряд экспериментов учитывающих процессы [8] промерзания, морозного пучения и оттаивания железнодорожных насыпей высотой 2,0; 4,0 и 6,0 м для климатических условий Московской, Забайкальской и Дальневосточной железных дорог. Поперечное сечение насыпей принято по их осредненным профилям, образовавшимся в результате длительной эксплуатации, согласно данным Департамента пути и сооружений МПС РФ для Восточного полигона сети МПС, расчётная схема представлена на рисунке 4.

Характеристики

Список файлов ВКР