CC BY
24
РАЗДЕЛ II
СТРОИТЕЛЬСТВО. СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ
УДК 625.73: 517.9
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ (ТЕПЛОВОЙ) УСТОЙЧИВОСТИ ОСНОВАНИЯ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ
Е. А. Бедрин, А. М. Завьялов, М. А. Завьялов
Аннотация. Проведено прогнозное исследование тепловой устойчивости массива мёрзлого грунта, находящегося в основании земляного полотна под слоем сезонно оттаивающего и сезонно промерзающего грунта, посредством анализа циклограммы температурного поля этого слоя.
Ключевые слова: прогнозное исследование; грунт, находящийся в основании земляного полотна; термическая устойчивость; климатический индекс.
Введение
Простым и достаточно обоснованным способом [1] оценки тепловой устойчивости массива мёрзлого грунта является известное условие существования этого массива [2, 3, 4]. Это условие можно словесно сформулировать следующим образом: тепловое состояние массива мёрзлого грунта устойчиво, если оттаивающий летом слой грунта полностью промерзает зимой. Это условие имеет ряд аналитических представлений, в частности, в наиболее простом виде оно может быть представлено как [4]
4м| Ом
Лт о т
> 1 ■
(1)
Лм I Ом Лт о т
> 1,3
(2)
Было доказано, что межгодовая изменчивость сезонного оттаивания при стабильности компонентов природного комплекса не выходит за пределы 20-30%. То есть, координата границы фазовых переходов является устойчивой [5]. В работе [3] отмечается также, что в районах севернее 58-го градуса северной широты максимальная глубина промерзания превышает максимальную глубину оттаивания примерно в 1,2 раза. Это указывает на возможность образования и накопления мерзлоты в основании дороги в процессе её длительной эксплуатации.
Поэтому условие тепловой устойчивости (1) с учетом вышесказанного можно записать в виде
здесь и в формуле (1): Лм и Лт - коэффициенты теплопроводности грунта массива в мерзлом и талом состоянии, соответственно;
Ом - сумма отрицательных градусо-часов
поверхности грунта; От - сумма положительных градусо-часов поверхности грунта. Основная часть
Назовем отношение, стоящее в левой части обоих неравенств, коэффициентом термической устойчивости и обозначим
Лм I °м|
кт.у.
(3)
Из нестрогого неравенства (2) следует,
что:
кту > 1,3 .
(4)
С другой стороны, произведение коэффициента теплопроводности на сумму градусо-часов (Л-О) можно рассматривать как величину тепловой энергии, приходящейся за сезон промерзания или оттаивания на один метр глубины слоя грунта. Тогда, если считать, что между количеством тепла, поступившего за сезон промерзания (оттаивания), и глубиной промерзания (оттаивания) грунта,
находящегося в основании земляного полотна, имеет место линейная зависимость, то коэффициент термической устойчивости можно представить следующим выражением:
Ям
(5)
к = 1Ж
кту- Ят ,
здесь hм и Ят - соответственно величины промерзания и оттаивания грунта, находящегося в основании земляного полотна.
И, следовательно, отношение, стоящее в правой части формулы (5), также починяется неравенству
> 1,3,
Ят
(6)
Лм ОМ
м | м
Лт О т
(7)
Отношение I обозначим как
О.
I = -
|О
о т
(8)
(9)
Лм
Вариационными же величинами являются
и Лт.
(10)
Л
нее, еще на стадии проектирования, прогнозировать теплофизические свойства грунта, находящегося в основании земляного полотна автомобильных дорог, обеспечивающие термическую устойчивость основания.
Возможно также решение и обратной задачи.
Так, зная значение рассматриваемого отношения, можно определить (прогнозировать) потребное значение климатического индекса для реализации условия (2).
Тогда неравенство (10) удобнее записать в виде
I > 1,3.
Лм
(11)
а линейная зависимость величиной тепловой энергии и глубиной промерзания (оттаивания) дает следующую пропорцию
Анализ расчетных значений теплофизических характеристик талых и мерзлых грунтов
[6] дал следующие результаты.
Средние значения отношения коэффици-
ентов теплопроводности
Лт
Лм
и назовем климатическим индексом.
Эту величину можно считать постоянной, стационарной, то есть не зависящей от времени, для данной территории, на достаточно продолжительном промежутке времени, на котором еще существенно не меняется климат.
Будем считать, что
Тогда условие (2) можно представить в виде нестрогого неравенства, в левой части которого стоит отношение коэффициентов теплопроводности для грунта, находящегося в основании земляного полотна, в мерзлом и талом состоянии:
Лм ^ 1,3 .
Выражение (10) назовем критерием термической устойчивости грунта, находящегося в основании земляного полотна.
Критерий (10) дает возможность, исходя из значения климатического индекса I, зара-
1) для песка - 0,86 при влажности 20-25%;
2) для супеси - 0,91 при влажности 2025%;
3) для суглинка и глины - 0,91 при влажности 20-25%;
4) для торфа - 0,60 при суммарной влажности 4-6 долей единицы.
Исходя из формулы (11), нижними границами значений климатического индекса для различных грунтов, находящихся в основании земляного полотна, соответственно, будут:
1) для песка I > 1,12;
2) для супеси I > 1,18;
3) для суглинка и глины I > 1,18;
4) для торфа I > 0,78.
Таким образом, в том случае, когда грунтом, находящимся в основании земляного полотна, является торф, климатический индекс фактически не играет роли, поскольку нестрогое неравенство
I > 0,78. (12)
является по сути тождественным, то есть этот температурный режим выполняется практически для всех природноклиматических зон, где имеют место мёрзлые грунты. Если же значение климатического индекса превосходит 1,18, то условие тепловой устойчивости (2) будет выполняться независимо от типа грунта.
Проведем прогнозное исследование тепловой устойчивости массива мёрзлого грунта,
Я
т
находящегося в основании земляного полотна под слоем сезонно оттаивающего и сезонно промерзающего грунта.
Для этого рассмотрим случай, когда грунт, находящийся в основании земляного полотна промерзает на 0,3h больше, чем оттаивает (рис.1). Произведём прогнозное моделирование устойчивости основания земляного полотна посредством анализа циклограммы температурного поля слоя грунта, находящегося в основании земляного полотна, при следующих условиях. Значение климатического индекса положим равным 1,20, то есть I = 1,20
[7]. В данном случае критерий термической устойчивости (10) выполняется практически для всех типов грунтов. Выберем значение отношения коэффициентов теплопроводности, например, для суглинка и глины - 0,91. Коэффициент термической устойчивости получается немного большим, чем 1,3. Тогда анализ циклограммы температурного поля слоя грунта, находящегося в основании земляного полотна (рис.2), позволяет сделать следующий вывод.
Заключение
Геокриологические характеристики грунта, находящегося в основании земляного полотна, формируют границу нулевых годовых температурных амплитуд, влияющую на стабильность температурного поля рассматриваемого грунта, а значит на тепловую устойчивость массива подстилающих мёрзлых грунтов. Это даёт возможность прогнозировать термическую (тепловую) устойчивость основания земляного полотна автомобильных дорог в процессе длительной эксплуатации.
Рис. 1. Слой грунта, находящийся в основании земляного полотна: расчетные уровни; h - толщина слоя
Рис. 2. Циклограммы температурного поля T ((x,t)) слоя грунта, находящегося в основании земляного полотна:полотна: I-XII - месяцы;
1-4 - различные уровни по глубине деятельного слоя (сверху - вниз)
Библиографический список
1. Щур Ю. Л. Верхний горизонт толщи мерзлых пород и термокарст. - Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1988. - 213 с.
2. Крылов М. М. К теплотехническому анализу промерзания грунтов// Вестник инженера и техника. -1934. - № 1. - С. 55-61.
3. Сумгин М. И., Качурин С. П., Толстихин Н. И., Тумель В. Ф. Общее мерзлотоведение. - М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1940. - 326с.
4. Карлсон Г. Расчет глубины протаивания мерзлого грунта// Мерзлотные явления в грунтах. М.: Изд-во иностр. лит. - 1955. - С. 239-270.
5. Завьялов А. М. Влияние теплового диода на мощность подстилающих вечномерзлых грунтов / А. М. Завьялов, М. А. Завьялов, Е. А. Бедрин / Вестник СибАДИ. - №1(19). - Омск: Изд-во СибА-ДИ, 2011. - С. 25-28.
6. СНиП 2.05.08-85 Аэродромы. Теплофизические свойства мёрзлых грунтов. // Госстрой СССР. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1985. - 59с.
PROGNOSIS OF THERMAL STABILITY OF ROAD BASIS
E. A. Bedrin, A. M. Zavyalov, M. A. Zavyalov
Thermal stability of frozen ground that is in the basis of construction under a layer of seasonally thawing - freezing ground is researched, and it also is conducted the analysis of this layer temperature field cyclogram.
Бедрин Евгений Андреевич - канд.техн.наук, доцент, начальник отдела ОАО «Омский Со-
юзДорНИИ». Основное направление научных исследований - Разработка ресурсосберегающих технологий в дорожном строительстве. Имеет 35 опубликованных работ. E-mail: BEDRIN-
Звьялов Александр Михайлович - заслуженный работник высшей школы Российской Федерации, доктор технических наук, профессор, про-
фессор кафедры «Высшая математика». Основное направление научных исследований: математическое моделирование динамики взаимодействий рабочих органов дорожных и строительных машин с контактной средой и геокриологических процессов в грунтах. Имеет 267 опубликованных научных работ.
УДК 625.7/.8
КОМПЛЕКСНЫЙ КРИТЕРИЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПАРКА МАШИН ДЛЯ СОДЕРЖАНИЯ СЕТИ ДОРОГ
Т. В. Боброва, И. В. Слепцов
Аннотация. Парк машин для содержания сети дорог представлен в качестве структурного элемента системы «парк машин - дорога - транспортный поток -среда» (ПМ-Д-ТП-С). Факторы, активно воздействующие на эффективность функционирования системы, условно разделены на три группы: требования к технике, обеспечение нормативных требований к уровню содержания дорожной сети с использованием инновационных технологий, условия движения транспорта. Рациональный выбор варианта комплектования парка машин путем плановой модернизации предложено осуществлять с учетом комплексного интегрального критерия.
Ключевые слова: интегральный критерий эффективности, парк машин, инновационные технологии, уровень содержания дорожной сети, условия движения.
Введение
Нормативные требования пользователей к потребительским качествам дорог в условиях ограниченных ресурсов могут быть обеспечены только при использовании новых современных технологий содержания дорог на базе многофункциональных машин. Принятая на первой Всероссийской конференции «Инновационным технологиям - современную технику» (г.Калуга, 24-25 июня 2010г.) [1] концепция модернизации парков машин направлена в первую очередь на преобразование дорожно-эксплуатационных предприятий (ДЭП) в современные предприятия инновационного типа.
В последние годы для содержания дорог предлагаются высокопроизводительные машины различного назначения (специальные, универсальные, комбинированные, со сменным оборудованием) отечественных и зарубежных производителей, отличающиеся по цене и качественным показателям. При расширении возможностей приобретения техники каждая дорожно-эксплуатационная организация должна решать задачу формирования парка машин на основе рационального выбо-
ра с учетом условий содержания дорожной сети региона, используя современные информационные технологии и методы экономико-математического моделирования.
Следствием использования для ремонта и содержания дорог устаревшей техники является ухудшение основных показателей, характеризующих результаты дорожной деятельности: высокая себестоимость работ, снижение качества и долговечности автомобильных дорог и сооружений на них, ухудшение условий и безопасности движения на дорогах. Такое положение предопределило выход на первый план вопросов замены устаревшей техники на современную, т.е. модернизацию и реструктуризацию парков машин при выполнении работ по ремонту и содержанию региональной сети автомобильных дорог.
Управление комплектованием парка машин
Управление структурой парка машин -сложный многоплановый процесс, характеризующийся большим многообразием состояний системы «парк машин - дорога - транспортный поток - среда» (ПМ-Д-ТП-С) и включающий в себя решение многочисленных задач
