CC BY
48
РАЗДЕЛ II
СТРОИТЕЛЬСТВО. СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ
УДК 625.731
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОМЕРЗАНИЯ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ИЗ ЗОЛОШЛАКОВОЙ СМЕСИ
Е. В. Иванов, А. Л. Исаков, В. В. Сиротюк
Аннотация. Выполнена обработка экспериментальных данных исследования температурного поля земляного полотна из золошлаковой смеси. Рассмотрено моделирование температурного поля по методике расчета глубины промерзания грунтов земляного полотна, реализованной в программе Freeze-1. Произведено сравнение экспериментальных данных и теоретических расчетов. Сделаны выводы об адекватности методики.
Ключевые слова: водно-тепловой режим, земляное полотно, методика расчета, температурное поле, золошлаковая смесь.
Введение
Водно-тепловой режим дороги - сложный процесс изменения температурного и влажностного полей в массиве грунта. Изучение этого процесса особенно важно в периоды осеннего влагонакопления и зимнего промерзания земляного полотна. На основе моделирования исследуемых процессов можно сделать вывод о пригодности конкретного грунта для строительства в данных климатических условиях, рекомендовать конструктивные решения для повышения устойчивости земляного полотна.
Разработано множество методик и программ по расчету водно-теплового режима. Однако они ориентированы на использование традиционных грунтов (песок, супесь, суглинок, глина) в качестве материала земляного полотна. Золошлаковые смеси (ЗШС) можно рассматривать как особую разновидность техногенного грунта, получаемого при сжигания твердого топлива на тепловых электростанциях, при совместном удалении золы-уноса и шлака в золоотвалы. ЗШС обладают специфическими физико-механическими свойствами, такими как микропористость частиц, малый объемный вес, низкий коэффициент теплопроводности в сухом и водонасыщенном состоянии, повышенная влагоудерживающая способность [1, 2].
Уникальные свойства данных материалов оказывает эффект на водно-тепловой режим
земляного полотна. Земляное полотно из ЗШС промерзает с гораздо меньшей скоростью и на меньшую глубину, нежели из традиционно используемых при строительстве грунтов. В то же время повышенная влажность ЗШС в совокупности с медленным промерзанием не означает, что этот материал обладает высокой степенью пучинистости. Важными характеристиками, влияющими на величину деформации морозного пучения дорожной конструкции, являются глубина и скорость промерзания этой конструкции.
Основная часть
Определение этих характеристик производилось в процессе исследования полномасштабной модели земляного полотна. В 2010 году в СибАДИ сооружен экспериментальный участок земляного полотна из ЗШС [3]. Для насыпи использована ЗШС из золоот-вала ТЭЦ-5 г. Омска, полученная при сжигании Экибастузского угля. Конструкция представляет собой насыпь высотой 1,2 м с дорожной одеждой: щебень фракционный с рас-клинцовкой 18 см, мелкозернистый, горячий асфальтобетон 7 см (рис.1.). Основание насыпи сложено из суглинка легкого.
Рис. 1 . Поперечный профиль дорожной конструкции экспериментального участка
По длине насыпь из ЗШС разделена на промерзания. Тем самым моделировались
две части при помощи вертикальной геомем- условия 1-ой и 3-ей схемы увлажнения рабо-
браны (рис. 2.). У подошвы устроен лоток, чего слоя земляного полотна по СНиП
служащий для удерживания воды у откоса. 2.05.02-85*. Пробы грунта на влажность отби-
Одна из частей насыпи подвергалась интен- рались из насыпи ручным горизонтальным
сивному увлажнению в осенний период до бурением.
Рис. 2. Укладка геомембраны (а, б) и водоотводного лотка (в)
На участках установлены многозонные ры грунта с точностью 0,1 °С, как по высоте, цифровые датчики температуры (термокосы), так и по ширине насыпи (рис. 3).
которые регистрируют изменение температу-
Рис. 3. Схема расположения датчиков термокосы в теле земляного полотна
Снятие отсчётов температуры с датчиков сировалась соответствующая среднесуточная термокос производилось с начала промерза- температура воздуха (рис. 4.). ния до полного оттаивания грунта. Также фик-
Рис. 4 . Диаграмма изменения температуры датчиков и окружающего воздуха в зимний период 2010-2011 года (дата начала 1 ноября 2010 г.): 2, 3, 4, 5 - среднесуточная температура датчиков термокосы (номера датчиков соответствуют рис.3),
8 - среднесуточная температура окружающего воздуха
Анализируя данные по температурным показателям, снятым с датчиков термокосы, можно сделать заключение, что глубина распространения изотермы Т=0,0°С не достигает основания насыпи. Для того чтобы в дальнейшем прогнозировать глубину и скорость промерзания земляного полотна из ЗШС в конкретных климатических условиях необходимо выбрать и адаптировать методику расчета температурного поля под специфические свойства ЗШС.
Используя методику расчета глубины промерзания грунтов земляного полотна, реализованную в программе Freeze-1 [4, 5], произведен расчет глубины промерзания земляного полотна из ЗШС на участке с 1-ой схемой увлажнения рабочего слоя зимой 2010-2011 года. Одномерная расчетная схема, используемая в методике, позволяет получить распределение температур по глубине земляного полотна для произвольного момента времени t.
Температура /-го элемента на шаге времени t+Лt определяется следующим выражением [4]
Ті (і + М) = Ті (1)+ а, • ^ • [т,- (і)- Ті (1)] - [Ті (і) - Ті+1 (і)]
д^_ + Q ф (А!)
Сі
, (1)
где а, =—— - коэффициент температуро-
РгСг
проводности /'-го элемента;
АН - высота /-го элемента, м; р1 - плотность /-го элемента, кг/м3;
- коэффициент теплопроводности /-го элемента, Вт/(мград);
С, - удельная теплоемкость /-го элемента, Дж/(кгград).
Теплофизические характеристики ЗШС изменяются в широком интервале в зависимости от гранулометрического и фазовоминералогического состава, фактической
влажности, агрегатного состояния воды, процентного содержания пористого шлака.
Характеристики ЗШС, используемые при расчете процесса распространения температурного поля, получены из непосредственных лабораторных испытаний образцов и отбором проб с экспериментального участка (табл. 1.).
Таблица 1 - Расчетные характеристики грунта земляного полотна и основания
Расчетные характеристики
№ п/п Наименование материала (расположение) Плотность твердых частиц Рв, кг/м3 Коэффициент пористости е Влажность W, д.е. Удельная теплоемкость твердых частиц Св, Дж/кг/град Коэффициент теплопроводности в талом состоянии Хт, Вт/м/град Коэффициент теплопроводности в мерзлом состоянии Хм, Вт/м/град Температура замерзания (фазовых переходов) Тф, °С
1 Асфальтобетон (покрытие) 2300 - - 1420 0,75 0,70 0,0
2 Щебень (основание) 2650 0,50 0,05 920 1,16 1,40 0,0
3 Золошлаковая смесь (земляное полотно) 2120 1,43 0,25 1410 0,39 0,60 -0,3
4 Суглинок легкий (основание насыпи) 2700 0,59 0,17 900 1,33 1,51 -0,7
Примечание. Для асфальтобетонного слоя в графе «Плотность твердых частиц» указана плотность материала слоя
Задача решается путем вычисления тем- с шагом Дt. Результат расчета в программе пературы с помощью выражения (1) в двой- приведен на рис. 5. ном цикле - по глубине с шагом ДС и времени
Изменение глубины промерзания во времени
Рис. 5 . Изменение глубины промерзания земляного полотна из ЗШС во времени (дата начала - 1 октября 2010 г.): 1 - граница промерзания ЗШС (Тф = -0,3°С);
2, 3 - граница оттаивания ЗШС (Т = 0,0°С); 4 - зона интенсивного морозного пучения,
ограниченная изотермой Т = -2,0°С
Главной целью расчета является определение глубины зоны интенсивного морозного пучения под дорожной одеждой. На рис. 5. она обозначена как Нпуч, а соответствующая ей зона обозначена цифрой 4. Нфаз - максимальная глубина промерзания грунта, а соответствующая ей линия 1 - линия промерзания
1фаз
(фазовых переходов). Значения Нпуч и Н(
отсчитываются от низа дорожной одежды. Линия 2 ограничивает зону оттаивания грунта снизу, которое происходит при Т = 0,0°С. За-
вершение оттаивания соответствует точке встречи двух нулевых изотерм - нижней (линия 2) и верхней (линия 3), которая описывает траекторию оттаивания грунта с поверхности.
Таким образом, по результатам расчета земляное полотно из ЗШС промерзло не ПОЛНОСТЬЮ, грунт основания насыпи не попал в зону интенсивного пучения.
На рис.6. представлены и сопоставлены графики, полученные расчётным и экспериментальным путём.
Рис. 6 - Ход изотерм во времени в процессе промерзания насыпи из ЗШС (дата начала - 1 октября 2010 г.): 1, 2, 3, 4 - номера линии соответствуют рисунку 5;
5 - экспериментальная изотерма Т = 0,0°С; 6 - экспериментальная изотерма Т= -0,3°С; 7 - экспериментальная изотерма Т= -2,0°С
Заключение
В результате анализа расчетного и экспериментального распределения температурного поля в земляном полотне из ЗШС можно сделать следующие выводы:
- расчетная глубина промерзания земляного полотна (изотерма Т= -0,3°С) близка (в пределах точности расчета) к экспериментальной;
- более раннюю расчётную дату начала промерзания (разница с экспериментом - 8 дней) можно объяснить влиянием снежного покрова небольшой толщины, периодически образовывавшегося в ноябре на поверхности покрытия экспериментального участка;
- расчетная скорость промерзания (1,25 см/сут.) близка к экспериментальной (1,29 см/сут.), что позволяет сделать вывод о корректном описании динамики промерзания зем-
ляного полотна в рамках принятой расчетной схемы;
- дискретная модель, положенная в основу расчета по программе Freeze-1, хорошо описывает общий ход изотерм в процессе промерзания земляного полотна из ЗШС по 1-ой схеме увлажнения рабочего слоя.
Библиографический список
1. Иванов Е. В. Физико-механические характеристики золошлаковой смеси Омских ТЭЦ. Материалы 63-ой научно-технической конференции ГОУ «СибА-ДИ» / СибАДИ. - Омск, 2009. Книга 1. - с. 103-107.
2. Сиротюк В. В., Иванов Е. В. Исследование свойств золошлаковых отходов Омских ТЭЦ для применения в дорожном строительстве. Вестник МАНЭБ / Научно-технический журнал. - С-Петербург, - Изд-во МАНЭБ, 2011. - Том 17, № 2. - с. 66-74.
3. Сиротюк В. В., Иванов Е. В., Шевцов В. Р. Результаты мониторинга опытного участка земляного
полотна автодороги из золошлаковой смеси. Материалы IV Международного научно-практического семинара. Золошлаки ТЭС: удаление, транспорт, переработка, складирование. 19-20 апреля 2012 г. / Издательский дом МЭИ. - Москва, 2012. - с. 85-88.
4. Исаков А. Л., Ким Хюн Чол. Теплофизическая дискретная модель промерзания грунта земляного полотна / Транспорт Урала, вып. 2, Екатеринбург, 2012. - с. 121-124.
5. Исаков А. Л., Ким Хюн Чол. Моделирование процесса промерзания земляного полотна на полигоне СГУПС / «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации земляного полотна и искусственных сооружений»: Труды VIII научнотехнической конференции. - М., 2011, С. 137-142.
EXPERIMENTAL STUDY AND
MATHEMATICAL MODELING OF ROAD BED FREEZING MADE OF ASH MIXTURE
E. V. Ivanov, A. L. Isakov, V. V. Sirotuk
Experimental research data of road bed temperature field made of ash mixture were performed processing. Modeling of temperature field by calculation method of soil freezing depth of road bed realized in the Freeze-1 were considered. A comparison of experimental data and theoretical calculations were performed. The
conclusions about adequacy of calculation method were made.
Иванов Евгений Владимирович, старший преподаватель кафедры «Проектирование дорог» ФГБОУ ВПО "СибАДИ". Применение золошлаковых отходов в дорожном строительстве. Общее количество публикаций - 21. E-mail:
ivanoveuvl@gmail. com
Исаков Александр Леонидович, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Изыскания, проектирование и постройка железных и автомобильных дорог» СГУПС. Механика сплошных сред, проектирование, расчет и диагностика земляного полотна железных и автомобильных дорог в сложных природных условиях. Общее количество публикаций - более 100. E-mail: [email protected]
Сиротюк Виктор Владимирович, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Проектирование дорог» ФГБОУ ВПО "СибАДИ". Применение геосинтетических материалов в дорожных конструкциях, применение золошлаковых отходов в дорожном строительстве. Общее количество публикаций - более 220. E-mail: [email protected]
УДК 625.7
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ТРАНСПОРТНЫЕ СООРУЖЕНИЯ В ГОРНОЙ МЕСТНОСТИ НА ОСНОВЕ БИОНИЧЕСКОГО ПОДХОДА
М. И. Зимин, С. А. Зимина
Анотация. Рассматриваются проблемы прогнозирования воздействия взаимосвязанных процессов на транспортные сооружения. Описана двухуровневая интел-
лектуальная система, использованная ол* Ключевые слова: дорога, сооружение, Введение
Обеспечение безопасности эксплуатации транспортных сооружений является неотъемлемым требованием, предъявляемым к современной инфраструктуре. Она, в частности, обеспечивается проектирование мероприятий и конструкций по инженерной защите этих объектов от воздействия природных процессов. Однако в настоящее время отсутствуют математические модели, учитывающие взаимовлияние и комплексный характер различных факторов, приводящих к их возникновению и развитию, что не позволяет прогнозировать многие опасные ситуации, вызывае-
' предсказания селей и лавин.
нагрузка, лавина, сель.
мые неблагоприятным сочетанием различных компонентов. В тоже время их разработка весьма актуальна, поскольку эти явления нередко отличается многоплановостью и взаимодействием различных параметров, информация о которых может быть весьма неопределённой.
Например, достаточно часто серьёзную угрозу для объектов в горной местности представляют снежные лавины. Физические и механические явления в зоне их зарождения не протекают изолированно, а оказывают значительное воздействие друг на друга. Данные о снеге в лавиносборах неточны, так как опас-
