CC BY-NC
9Урбанистика
Правильная ссылка на статью:
Галкин А.Ф. — Глубина зоны теплового влияния автомобильных дорог // Урбанистика. - 2022. - № 4. DOI: 10.7256/2310-8673.2022.4.38879 EDN: HCXRIZ URL: https//nbpublish.com/Hbrary_read_article.ptp?id=38879
Глубина зоны теплового влияния автомобильных дорог
Галкин Александр Фёдорович
ORCID: 0000-0002-5924-876Х доктор технических наук
профессор, главный научный сотрудник Института мерзлотоведения им. П.И.Мзльникова СО РАН 677010, Россия, г. Якутск, ул. Мерзлотная, 36, ИМЗ СО РАН. Лаборатория геотермии криолитозоны
И afgalkin@yandex.ru
Статья из рубрики "Aрхитектvра и среда"
DOI:
10.7256/2310-8673.2022.4.38879
EDN:
HCXRIZ
Дата направления статьи в редакцию:
04-10-2022
Дата публикации:
03-11-2022
Аннотация: Тепловой режим дорожных одежд и оснований является важным фактором, определяющим их надежную и безопасную эксплуатацию в криолитозоне. Целью исследований являлась количественная оценка возможности замены слоистой среды грунтового основания дороги эквивалентным однородным грунтом со средним коэффициентом температуропроводности при расчете глубины зоны теплового влияния дороги. Рассмотрены два способа усреднения теплофизических свойств слоистой среды: средневзвешенный и среднеарифметический. Получены зависимости для определения степени отклонения свойств и толщин слоев грунтового основания, при которых оба способа являются приемлемыми для инженерных расчетов. В качестве примера, рассмотрена двухслойная среда дорожного основания. Для анализа использовалась классическая формула глубины теплового влияния, полученная из решения интегральным методом одномерного уравнения нестационарной теплопроводности. Приведены простые инженерные формулы для относительной ошибки определения значений глубины теплового влияния при использовании в расчетах эквивалентного слоя дорожной одежды. Рассмотрен конкретный пример расчета глубины зоны теплового влияния в двухслойном грунте дорожного основания. Получено уравнение
функциональной связи между параметрами, характеризующими степень отклонения толщины и теплофизических свойств отдельных слоев друг от друга, которое обеспечивает ошибку в расчетах глубины зоны теплового влияния меньше допустимого значения. Результаты численных расчетов представлены в виде 2D и ЗD графиков, которые позволяют наглядно оценить влияние диапазона изменения значений коэффициентов температуропроводности отдельных слоев грунта на правомерность использования различных способов построения эквивалентной однослойной конструкции дорожного основания.
Ключевые слова:
автомобильная дорога, многолетняя мерзлота, тепловой режим, прогноз, коэффициент, слой, эквивалентный, теплопроводность, ошибка, расчет
Введение.
Тепловой режим дорожных одежд и оснований является важным фактором, определяющим их надежную и безопасную эксплуатацию в криолитозоне
[1'2,3'4,5].Особенно, негативное влияние теплового фактора сказывается при строительстве и эксплуатации дорог, когда в зоне теплового влияния дороги, в грунтах
дорожного основания присутствуют крупные ледяные включения Г6'7'8'9"". В обычных природных условиях тепловой режим гелиотермозоны (зоны годовых теплооборотов) достаточно устойчив и, практически, не изменяется столетиями [10,11,12]. При антропогенном воздействии, к которым относится строительство автомобильных дорог, тепловой и влажностный режим зоны годовых теплооборотов существенно
изменяется[13'14'15'16]. Это приводит к развитию негативных криогенных процессов, таким как пучение грунтов, морозобойное растрескивание дорожных одежд и оснований,
кавернообразование и т.п. [17'18'19'20]. Даже при отрицательной температуре ледяные включения и льдонасыщенные дисперсные породы изменяют свои прочностные характеристики, что сказывается на надежности и безопасности эксплуатации дорог в
криолитозоне [21'22'23'24]. В связи с этим, прогноз теплового режима дорожных оснований является обязательным и важным элементом обоснования проектных решений для строительства и реконструкции автомобильных дорог в зонах распространения сплошной и островной мерзлоты Г25'26'27'28'29"!. Одним из расчетных параметров, которые определяют выбор технических решений и технологию строительства дорог, является глубина зоны сезонного теплового влияния дороги. Глубина зоны теплового влияния зависит от многих факторов, главным из которых является температуропроводность грунтов дорожного основания. При этом, как правило в зоне теплового влияния грунты неоднородны, как за счет естетвенной слоистой текстуры и теплофизических свойств, так и за счет сезонного изменения их льдистости (влажности) в пределах деятельного слоя. Целью настоящих исследований являлась количественная оценка возможности замены в тепловых расчетах слоистой среды грунтового основания дороги эквивалентным однородным грунтом со средним коэффициентом температуропроводности.
Метод расчета.
Глубина теплового влияния автомобильной дороги может быть определена, используя известное решение одномерного нестационарного уравнения Фурье при граничных условиях первого рода, полученное интегральным методом для однородной среды, по
формуле-^30!;
(1)
Где: Н- глубина зоны теплового влияния дороги, м; а - температуропроводность грунта, м2/с; т - время,с.
Такая запись формулы не совсем удобна в инженерных расчетах, где время протекания исследуемых тепловых процессов исчисляется неделями, иесяцами или годами. Поэтому,
воспользовавшись зависимостью, приведенной в формулу (1) преобразуем к виду:
Где: N - время, месяцы.
Запись в такой форме является очень удобной, так как коэффициент температуропроводности большинства грунтов имеет порядок «Р-10-б».
Коэффициент температуропроводности слоистого грунта может быть определен как:
а) среднеарифметическое значение
аа = (Е^а.ЗЛ
(3)
б) средневзвешенное значение
(4)
Известно, что среднеарифметическое значение параметра является частным случаем средневзвешенного, и справедливо, в данном случае, при равенстве толщин отдельных слоев грунтового основания дороги. Действительно, если принять, что ^ = , то в ыра ж е ние (4) пре о б ра з уе тс я к в иду
(5)
Как видим, формулы (3) и (5) для определения эквивалентного коэффициента температуропроводности грунта совпадают.
Для оценки степени влияния способа усреднения коэффициента температуропроводности грунта на конечный результат (глубину зоны теплового влияния дороги) определим расчетную ошибку по формуле
(1-у-юо 7^70-100»
= (1
Где Н1 и Н2 это глубина теплового влияния дороги, определенная по формуле (1) при вычислении коэффициента температуропроводности грунта по формулам (3) и (4), с о о тв е тс тв е нно .
В инженерных расчетах приемлемой относительной ошибкой считается ошибка, не превышающая 10%. Используя это допущение можно определить допустимое соотношение коэффициентов температуропроводности, вычисленных по формулам (3) и (4).
в > (ав/аа) > 0,81 (б)
Где ав и аа это коэффициенты температуропроводности грунта, определенные по формулам (4) и (3), соответственно.
Для примера рассмотрим простое двухслойное грунтовое основание дороги. В этом случае, подкоренное отношение, входящее в выражение (5), можно записать в следующем виде
в = (ав/аа) = 2(а^1+а2б2)/(а1+а2) (61+62) (7)
Введем параметр «к », характеризующий степень неравенства коэффициентов температуропроводности материалов отдельных слоев, т.е. а2 = к -а^ Аналогично, отношение отдельных толщин слоев примем равным равным некоторому параметру «т », т.е. 62 = т -61В этом случае формула (7) преобразуется к следующему виду
Легко проверить, что в случае, когда «к » или «т » равны единице, отношение «ав/аа» также равно единице. Это значит, что два способа усреднения дают одинаковый результат. Иначе можно сказать, что средневзвешенное и среднеарифметическое значения коэффициента температуропроводности грунта равны между собой. Используя выражения (6) и (8) после несложных преобразований можно получить уравнение функциональной связи между параметрами «к » и «т », которое обеспечит ошибку меньше допустимой
(9)
Результаты и обсуждение.
Для достижения цели, по приведенным выше формулам были проведены вариантные расчеты, результаты, которых представлены в виде 2D и 3D графиков на рисунках 1-4. На рисунке 1 представлена зависимость отношения усредненных коэффициентов температуропроводности двухслойного грунтового основания «в » (формула 8) от степени отклонения толщины и теплофизических свойств отдельных слоев друг от друга, которые характеризуются параметрами «к » и «т ».
Рис.1. Отношение усредненных коэффициентов температуропроводности двухслойного грунтового основания в зависимости от степени отклонения толщины и теплофизических
свойств отдельных слоев друг от друга
Как видно из графиков на рисунке эта зависимость имеее явно нелинейный характер. Причем, в точке равенства параметров (т = к = 1) характер кривых качественно изменяется. Если раньше при увеличении параметра «т» параметр «в» увеличивался, то
после точки равенства он уменьшается. Это характерно для всех значений параметра «к». Но, в количественном плане, темп изменения параметра «в» с увеличением параметра «к» уменьшается во всей рассматриваемой области изменения параметра «т».
На рис.2 приведены в графической форме результаты расчетов ошибки определения глубины зоны теплового влияния при замене средневзвешенного коэффициента температуропроводности среднеарифметическим.
Рис.2. Процентная ошибка в определении глубины зоны теплового влияния при разных соотношениях параметров «т » и «к », характеризующих степень отклонения свойств и
толщин отдельных слоев друг от друга
Анализ графиков на рисунке показывает, что при определенных соотношениях параметров «т » и «к », характеризующих степень отклонения свойств и толщин отдельных слоев друг от друга, ошибка расчета может превышать допустимую в инженерной практике. В то же время, область допустимой ошибки (е < 10%) достточно большая, и охватывает широкий диапазон изменения параметров «т » и «к ». Для наглядности, на рис.3 приведен 3D график изменения процентной ошибки в определении глубины зоны теплового влияния при разных соотношениях параметров «т » и «к ».
Рис.3. Зависимость абсолютного значения ошибки усреднения
от значений параметров «к» и «т»,
Из рисунка видно, что область соотношения параметов «к» и «т» для значения ошибки меньше 10% значительно больше, чем область превышения значений ошибки больше допустимой. То есть, на практике вероятность попасть в допустимый диапазон ошибки при определении глубины зоны теплового влияния дороги при двухслойном грунтовом основании значительно выше.
На рис. 4 приведены графики, полученные в результате вариантных расчетов по формуле (9), которые позволяют определить соотношение параметров «к» и «т»,
обеспечивающее ошибку меньше допустимой величины.
Рис.4. Соотношение параметров «к» и «та», обеспечивающее ошибку
меньше допустимой величины.
Как видно из рисунка, кривые являются зеркальным отображением друг друга. То есть, можно было просто поменять обозначения на осях, не прибегая к расчетам. Собственно, это следует из простого анализа формулы (9 ), выражающей функциональную зависимость между параметрами «т» и «к». Если выразить параметр «т» как функцию от «к» ( поменять обозначение функции и аргумента), то вид функциональной зависимости не изменится.
Заключение. Получены простые инженерные зависимости для определения ошибки, возникающей при расчете глубины зоны теплового влияния дороги путем замены слоистой конструкции дорожного основания на эквивалентную однослойную со средним коэффициентом температуропроводости. Для наглядности использован простой пример расчета термического сопротивления двухслойной конструкции грунтового основания. Для комплексной оценки введены промежуточные параметры, характеризующие степень отклонения теплофизических свойств и толщин отдельных слоев друг от друга. Рассмотрен конкретный пример расчета глубины зоны теплового влияния в двухслойном грунте дорожного основания. Получено уравнение функциональной связи между параметрами, характеризующими степень отклонения толщины и теплофизических свойств отдельных слоев друг от друга, которое обеспечивает ошибку в расчетах глубины зоны теплового влияния меньше допустимого значения. Результаты численных расчетов представлены в виде 2D и ЗD графиков, которые позволяют наглядно оценить в л и я н и е диапазона изменения значений коэффициентов температуропроводности отдельных слоев грунта на правомерность использования различных способов построения эквивалентной однослойной конструкции дорожного основания. Статья имеет прежде всего методическое значение и позволяет на конкретном примере детально проследить пути качественного и количественного анализа влияния усреднения исходных параметров на конечный результат при проведении инженерных расчетов. Статья может быть полезна как инженерам-проектировщикам и практикам дорожной отрасли, так и научным работникам в области инженерной геокриологии. В методическом плане статья может представлять интерес для аспирантов, обучающимся по различным специальностям направления 1.6. «Науки о Земле», а также студентам, обучающимся по специальности 08.02.05 «Строительство и эксплуатация автомобильных дорог и аэродромов». Дальнейшие исследования должны быть направлены на оценку влияния усреднения исходных параметров на точность расчета таких важных при проектировании дорог в криолитозоне величин как, например, глубина оттаивания или промерзания дорожного основания.
Библиография
1. Шац М.М. Современное состояние городской инфраструктуры г. Якутска и пути повышения ее надежности// Геориск. 2011. №2. С. 40-46.
2. Сериков С.И., Шац М.М. Морозобойное растрескивание грунтов и его роль в состоянии поверхности и инфраструктуры г. Якутска// Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Прикладная экология. Урбанистика. 2018. №1. С. 56-69. DOI: 10.15593/2409-5125/2018.01.04.
3. Шестернев Д.М., Литовко А.В. Комплексные исследования по выявлению деформаций на автомобильной дороге «Амур» //Материалы докладов XIV Общероссийской научно-практической конференции и выставки «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации».М.: «Геомаркет», 2018. С.309-314.
4. Железняк М.Н., Шестернев Д.М., Литовко А.В. Проблемы устойчивости автомобильных дорог в криолитозоне//Материалы докладов XIV Общероссийской научно-практической конференции и выставки «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации» М.: «Геомаркет», 2018. С.223-227.
5. Кондратьев В.Г., Кондратьев С.В. Как защитить федеральную автодорогу «Амур» Чита - Хабаровск от опасных инженерно-геокриологических процессов и явлений // Инженерная геология. 2013. № 5. С. 40-47.
6. Галкин А.Ф. Программа исследований теплового режима грунтов при наличии крупных ледяных включений в породах гелиотермозоны // Энергобезопасность и энергосбережение. 2021. № 1. С.40-44. DOI 10.18635/2071-2219-2021-1-40-44
7. Галкин А.Ф., Панков В.Ю. Влияние льдистости грунта на глубину оттаивания дорожного основания //Арктика и Антарктика, 2022, №2. С.13-19. DOI: 10.7256/2453-8922.2022.2.38103
8. Шапран В. В., Фазилова З. Т. Факторы, оказывающие влияние на развитие продольных профильных деформаций земляного полотна в криолитозоне// Мир транспорта, 2020, том 18, № 2. С. 82-101
9. Станиловская Ю. В., Мерзляков В. П., Сергеев Д. О., Хименков А. Н. Оценка опасности полигонально-жильных льдов для линейных сооружений // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология.Геокриология. - 2014. - № 4. - С. 367-378.
10. Гречищев С.Е. Прогноз оттаивания и распределения вечной мерзлоты и изменения криогенного растрескивания грунтов на территории России при потеплении климата//Криосфера Земли. 1997. № 1. С. 59-65.
11. Шур Ю.Л. Верхний горизонт толщи мерзлых пород и термокарст. Новосибирск: Наука, 1988.-213 с.
12. Павлов А.В. Расчет и регулирование температурного режима почвы.--Новосибирск: Наука, 1980.-240с.
13. Варламов С.П., Жирков А.Ф., Находкин Д.А. Температурный режим почвогрунтов при нарушении покровов в современных климатических условиях Центральной Якутии//Наука и образование. 2017. № 4 (88). С. 65-71.
14. Жирков А.Ф., Варламов С.П., Железняк М.Н. Результаты годичного цикла наблюдений температурного режима грунтов в естественных условиях и при нарушении покровов//В сборнике: Материалы пятой конференции геокриологов России. Часть 5-7. 2016. С. 52-58.
15. Калиничева С.В., Федоров А.Н. Прогноз изменения температуры мерзлотных ландшафтов при удалении напочвенного покрова//В сборнике: География и краеведение в Якутии и сопредельных территориях Сибири и Дальнего Востока.
Якутск, 2022. С. 40-44
16. Жирков А.Ф., Железняк М.Н., Шац М.М., Сивцев М.А. Численное моделирование изменения мерзлотных условий взлётно-посадочной полосы аэропорта Олекминск// Маркшейдерия и недропользование. 2021. № 5 (115). С. 22-32.
17. Фазилова З. Т., Шапран В. В., Скворцов О. В. Профильные деформации земляного полотна в условиях вечной мерзлоты // Путь и путевое хозяйство. -2018. - № 11. -С. 22-24.
18. Galkin A.F., Pankov V.Yu. Thermal Protection of Roads in The Permafrost Zone // Journal of Applied Engineering Science. 2022. Vol.20, №2. P.395-399.DOI: 10.5937/jaes0-34379
19. Панков В.Ю., Бурнашева С.Г. Анализ способов защиты автомобильных дорог от негативных криогенных процессов//В сб. «Лучшая студенческая статья 2020».МЦНС «Наука и просвещение». 2020. С.52-55.
20. Бессонов И. В., Жуков А.Д., Боброва Е.Ю., Говряков И.С., Горбунова Э.А. Анализ конструктивных решений в зависимости от типа изоляционных материалов в дорожных покрытиях в многолетнемерзлых грунтах// Транспортное строительство. 2022.№1. С.14-17. DOI: 10.18635/2071-2219-2020-4-24-28
21. Вотяков И.Н. Физико-механические свойства мерзлых и оттаивающих грунтов Якутии. - Новосибирск: Наука, 1975.-176 с.
22. Teng J, Shan F, He Z, Zhang S, Sheng D (2018) Experimental study of ice accumulation in unsaturated clean sand. Géotechnique. https://doi.org/10.1680/jgeot.17.P.208
23. Guofang Xu, Jilin Qi, Wei Wu. Temperature Effect on the Compressive Strength of Frozen Soils: A Review. Recent Advances in Geotechnical Research, Springer Series in Geomechanics and Geoengineering. 2019, рр. 227-236.
24. Гречищев С. Е. Чистотинов Л.В., Шур Ю.Л. Криогенные физико-геологические процессы и их прогноз.-М.: Недра, 1980. 383 с.
25. Галкин А.Ф., Железняк М.Н., Жирков А.Ф. Повышение тепловой устойчивости дорожных одежд в криолитозоне//Строительные материалы. 2021. № 7. С. 26-31.
26. Galkin, A.F. Controlling The Thermal Regime of the Road Surface in the Cryolithic Zone. Transportation Research Procedia. 2022. V.63, pp. 1224-1228.
https ://doi.org/10.1016/j.trpro.2022.06.128
27. Завьялов А.М., Бедрин Е.А., М.А. Завьялов М.А., Лонский В.Н. Моделирование температурного поля массива многолетнемерзлых грунтов/ //Вестник СибАДИ. 2010. № 3(17). С.49-52.
28. Галкин А.Ф. Определение допустимой глубины оттаивания дорожного полотна в криолитозоне//Энергобезопасность и энергосбережение. 2021. № 5. С. 18-22. DOI: 10.18635/2071-2219-2021-5-18-22
29. Давыдов В.А., Бондарева Э.Д. Изыскания и проектирование автомобильных дорог на многолетнемёрзлых грунтах. Омск: ОГПИ, 1989.-183 с.
30. Гудмен Т.Р. Применение интегральных методов в нелинейных задачах нестационарного теплообмена // Сборник статей: Проблемы теплообмена. — М.: Атомиздат, 1967.— С. 41-95.
Результаты процедуры рецензирования статьи
В связи с политикой двойного слепого рецензирования личность рецензента не
раскрывается.
Со списком рецензентов издательства можно ознакомиться здесь.
Предметом исследований являлась количественная оценка возможности замены в тепловых расчетах слоистой среды грунтового основания дороги эквивалентным однородным грунтом со средним коэффициентом температуропроводности. Методология исследований включала сравнительный анализ расчета по двум формулам, которые по-разному учитывали расчетное значение среднего коэффициента
температуропроводности грунта в пределах зоны теплового влияния. Актуальность исследований обосновывалась кратким обзором литературных источников по теме исследований, из которого сделан вывод о важности теплового фактора при эксплуатации автомобильных дорог в криолитозоне. на основе анализа показано, что при антропогенном воздействии, к которым относится строительство автомобильных дорог, тепловой и влажностный режим зоны годовых теплооборотов существенно изменяется. Это приводит к развитию негативных криогенных процессов, таким как пучение грунтов, морозобойное растрескивание дорожных одежд и оснований, кавернообразование и т.п. Даже при отрицательной температуре ледяные включения и насыщенные льдом дисперсные породы изменяют свои прочностные характеристики, что сказывается на надежности и безопасности эксплуатации дорог в криолитозоне. В связи с этим, прогноз теплового режима дорожных оснований является обязательным и важным элементом обоснования проектных решений для строительства и реконструкции автомобильных дорог в зонах распространения сплошной и островной мерзлоты. научная новизна работы заключается в следующем. Получены зависимости для определения ошибки, возникающей при расчете глубины зоны теплового влияния дороги путем замены слоистой конструкции дорожного основания на эквивалентную однослойную со средним коэффициентом температуропроводности. Для наглядности использован простой пример расчета термического сопротивления двухслойной конструкции грунтового основания. Для комплексной оценки введены промежуточные параметры, характеризующие степень отклонения теплофизических свойств и толщин отдельных слоев друг от друга. Получено уравнение функциональной связи между параметрами, характеризующими степень отклонения толщины и теплофизических свойств отдельных слоев друг от друга, которое обеспечивает ошибку в расчетах глубины зоны теплового влияния меньше допустимого значения. Результаты численных расчетов представлены в виде 2D и ЗD графиков, которые позволяют наглядно оценить влияние диапазона изменения значений коэффициентов температуропроводности отдельных слоев грунта на правомерность использования различных способов построения эквивалентной однослойной конструкции дорожного основания. Стиль и структура статьи соответствуют современным требованиям, предъявляемым к публикации результатов научных исследований. Содержание статьи достаточно полно отражают цель и задачи исследований. рисунки информативны. Список литературы актуален и отвечает требованиям журнала. На все источники есть ссылки в тексте статьи. Статья будет полезна как инженерам-проектировщикам и практикам дорожной отрасли, так и научным работникам в области инженерной геокриологии. В методическом плане статья может представлять интерес для аспирантов, обучающимся по различным специальностям направления 1.6. «Науки о Земле», а также студентов строительных специальностей.
