Расчетное обоснование устройства земляного полотна железных дорог на вечномерзлых грунтах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчетное обоснование устройства земляного полотна железных дорог на вечномерзлых грунтах

Кудрявцев С.А.,

Кажарский А.В.,

Котенко Ж.И.,

Вальцева Т.Ю.

ДВГУПС, г. Хабаровск, Россия

Абстракт

В статье приведены результаты расчетного обоснования методом конечных элементов исследования процесса промерзания и оттаивания земляного полотна в программном комплексе "FEMmodels" на длительный период. Расчёт по программе предполагает, что исследуемая область вместе с сооружением разбивается на конечные элементы с одинаковой температурой и характеристиками грунта. На верхней границе действует переменный во времени тепловой поток, задаваемый приведёнными температурами воздуха и коэффициентами теплоотдачи. Результаты моделирования позволяют выбрать при проектировании рациональные конструкции земляного полотна, которые снижают величины деформаций до допускаемых величин.

Ключевые слова: скальные охлаждающие конструкции, врезные бермы, каменная наброска, земляное полотно железнодорожной насыпи

Kudryavtsev S. A., Kajarsky A. V., Kotenko Zh. I., Valtseva T. Y.

FESTU, Khabarovsk, Russia

ESTIMATED JUSTIFICATION FOR ARRANGEMENT OF THE EARTH LAYER OF THE RAILWAY ON PERMAFROST GROUNDS

The article presents the results of a calculation study of the process of freezing and thawing of a roadbed in the "FEMmodels software" for a long period by the finite element method. Calculation of the program assumes that the investigated area together with the structure is divided into finite elements with the same temperature and soil characteristics. At the upper boundary, the heat flux, variable in time, is acted upon by the given air temperatures and heat transfer coefficients. The results of modeling allow choosing rational designs of the roadbed in the design, which reduce the values of deformations to the allowed values.

Keywords: rock cooling design, mortise berms, stone riprap, earth layer of railway embankment

Введение

В настоящее время ведется строительство вторых путей Восточного полигона Байкало-Амурской магистрали. На объекте целесообразно запроектировать скальные охлаждающие конструкции, которые представляют собой бермы и покрытия откосов земляного полотна фракционированным скальным грунтом. Технические характеристики конструкций из фракционированного скального грунта разработаны и опробованы Тындинской мерзлотной станцией в данном криологическом районе и показали свою эффективную работу в течение более 20 лет. Необходимо проводить усиление оттаявшего слабого основания и создавать условия для консолидации оттаявших грунтов. В зависимости от глубины деградации мерзлоты и при применении охлаждающих мероприятий на приостановление оттаивания и стабилизацию осадок потребуется не менее 3-5 лет.

В плане охлаждающая конструкция проектируется конструктивно, исходя из возможностей реального поперечного профиля земляного полотна. Чтобы снизить или исключить послепостроечные осадки берм, их основания должны быть выполнены из хорошо дренирующего местного грунта с тщательным послойным уплотнением, так как у заложения откосов насыпи, там где имеются связные льдистые грунты, залегает, как правило, разжиженный оттаявший грунт, выдавливаемый из-под насыпи.

Теплофизические расчеты

Численное моделирование производились в программном комплексе "FEM-models", разработанным ПИ "Геореконструкция" г. Санкт-Петербург. Составной частью "FEM-models" является программа "Termoground", которая позволяет исследовать с помощью численного моделирования в пространственной постановке процессы промерзания, морозного пучения и оттаивания в годичном цикле методом конечных элементов [1].

Расчёт по программе предполагает, что исследуемая область вместе с В расчетной модели задаются начальные и граничные условия, далее решается теплотехническая задача, в результате которой определяются температурные и влажностные поля на каждый период времени.

Начальными условиями является заданная по глубине температура грунта, граничными условиями является температура на поверхности грунта (под каменной наброской) различная по времени.

Общее уравнение, описывающее процесс промерзания-оттаивания для нестационарного теплового режима в трехмерном грунтовом пространстве можно представить в виде следующего выражения:

где Cth(f) - удельная теплоемкость грунтов (мерзлого или талого); р - плотность грунта; Т - температура; t - время; Ath(f) - теплопроводность грунтов (мерзлого или талого); х, у, z - координаты; qv - мощность внутренних источников тепла.

В основу математической модели теплофизических процессов в программе "Termoground" принята модель промерзающего, оттаивающего и мерзлого грунта, предложенная Н.А. Цытовичем и Я.А Кроником, В.Ф. Киселевым.

Основным фактором, определяющим приведённые температуры на поверхности элементов земляного полотна и примыкающей местности, является температура атмосферного воздуха и условия его теплообмена с поверхностью, зависящие от ветрового режима, солнечной радиации, испарения и т.д [3,4].

Расчётная величина приведённой среднемесячной температуры воздуха определена по формуле:

где Т - среднемесячная температура воздуха, °С; Atr и Ate - поправки к

среднемесячным температурам воздуха за счёт солнечной радиации и испарения, °С.

Представленный к расчету участок находится в климатических и мерзлотно-грунтовых условиях, определяемых по метеостанции Сковородино. Теплофизические характеристики грунтов тела и основания насыпи в талом и мёрзлом состоянии приняты в соответствии со СНиП 2.02.04-88.

Прогнозный расчет выполнен на момент максимального протаивания грунтов - октябрь расчетного года. Расчет производился на 10ый год эксплуатации земляного полотна.

Температура грунта по глубине принята в соответствии с представленными техническим отчетом инженерно-геологических изысканий.

Результаты расчета показали, что под насыпью многолетнего оттаивания грунтов не наблюдается. Однако без применения скальной наброски с сохранением текущих среднемесячных температур наблюдаются локальные зоны увеличения глубины сезонного протаивания. В случае повышения среднегодовых температур возможно увеличение глубины сезонного протаивания [5]. Применение скальной наброски дало положительный эффект и способствовало восстановлению мерзлого состояния грунтов в основании земляного полотна. Для эффективной работы скальной наброски необходимо обеспечить хорошую работу водоотводных сооружений, исключить застои воды [6]. промерзание земляной конструкция

Рекомендуется сооружение охлаждающих скальных набросок на обоих откосах насыпи толщиной не менее 1 м из фракционного камня диаметром 0,2-0,5 м с содержанием не менее 75 % по массе.

Результаты расчетов к поперечному профилю без устройства и с применением скальной наброски приведены на рис. 1-3.

Рис. 1. Расчетная схема реконструируемой насыпи с применением каменной скальной наброски.

Рис. 2. Распределение температур на 1 октября 10 года эксплуатации без применения охлаждающих мероприятий

Рис. 3. Распределение температур на 1 октября 10 года эксплуатации при применении скальных охлаждающих конструкций

1. Результаты теплофизических расчетов показали, что под насыпями участка температура многолетнемерзлых грунтов повышается от плюс 0.6 до до плюс 1.0 С, с образованием чаши протаивания.

2. Глубина оттаивания грунта в полевых условиях вне влияния насыпи составляет от 1.1 -1.8 м.

3. Результаты расчетов выполнены для случая исправных водоотводов и не учитывают отепляющее влияние инфильтрации атмосферных осадков, застоев воды, фильтрацию воды через тело, и основание насыпи.

4. Для сохранения многолетнемерзлых грунтов в мерзлом состоянии и поднятия верхней границы мерзлоты были проведены расчеты с применением охлаждающих мероприятий в виде скальной наброски на откосы и устройством врезных берм с двух сторон насыпи. При применении охлаждающих и стабилизирующих мероприятий граница вечной мерзлоты поднимается в тело насыпи от 3 до 4.1 м.

5. Для оценки эффективности применения врезных берм и каменной наброски и влияния ее на напряженно-деформированное состояние насыпи были проведены совместные численные расчеты с учетом поездной нагрузки на конструкцию насыпи и основание.

6. Результаты расчетов напряженно-деформированного состояния показали эффективность применения врезных берм в грунты основания откосов и охлаждающих мероприятий в виде каменной наброски на откосы. Вертикальные деформации основной площадки земляного полотна железнодорожной насыпи на период максимального воздействия процесса оттаивания составят до 3-4 см.

Библиографические ссылки на источники

1. Kudryavtcev S.A. Numerical modeling of the freeing, frost heaving and thawing soils. Soil Mechanics and Foundation Engineering. 2004. Springer New York Consultants Bureau. V. 41. № 5. Pp. 177-184.

2. Kudryavtcev S.A., Ulitskii V.M.,Paramonov V.N., Sakharov I.I. Bed - structure system analysis for soil freezing and thawing using the termoground program. Soil mechanics and foundation engineering: 2015. Springer New York Consultants Bureau, ISSN: 0038-0741. P.1-7.

3. Kudryavtcev S.A., Berestyanyy U.B., Valtseva T.U., Barsukova N.V. Practice of use of positive properties of geosynthetic materials on building objects in severe climatic conditions of the Far East of Russia. 1st International conference on new developments in geoenvironmental and geotechnical engineering. November 9-11, 2006. University of Incheon. Korea. P. 423-427.

4. Kudryavtsev S.A., Berestianyi Y.B., Valtseva T.U., Mikhailin R.G., Goncharova E.D. (2014). Motorway Structures Reinforced with Geosynthetic Materials in Polar Regions of Russia. The 24rd International Offshore (Ocean) and Polar Engineering Conference. Bussan, Korea. June 26-30, Р.502-506.

5. Kudryavtsev S.A.,Berestianyi Y.B Kazharskyi A.V. Goncharova E.D. (2014). Study of moisture migration in clay soils considering rate of freezing. The 10th International Symposium on Permafrost Engineering in Cold Regions. Sciences in cold and arid regions. Harbin. Chi- na.Volume 6. Issue 5. October P. 474-478.

6. Kudryavtsev S.A.,Valtseva T.U., Mikhailin R.G.,Goncharova E.D. Using designs of variable rigidity on weak soils roads in the Russian Far East 6th International geotechnical symposium on Disasters Mitigation in Special Geoenvironmental Conditions. January 21-23, 2015, Indian Institute of Technology, Madras, Chennai, India. P.409-412.

Размещено на Allbest.ru