ВЛИЯНИЕ ЛЬДИСТОСТИ ГРУНТА НА ГЛУБИНУ ОТТАИВАНИЯ ДОРОЖНОГО ОСНОВАНИЯ Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Арктика и Антарктика

Правильная ссылка на статью:

Галкин А.Ф., Панков В.Ю. — Влияние льдистое™ грунта на глубину оттаивания дорожного основания // Арктика и Антарктика. - 2022. - № 2. DOI: 10.7256/2453-8922.2022.2.38103 EDN: ENCKQG URL: https;//nbpublish.com'library_read_article.php?id=3 8103

Влияние льдистости грунта на глубину оттаивания дорожного основания

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. 677010, Якутск, ул. Мерзлотная, 36, ИМЗ СО РАН. Лаборатория геотермии

криолитозоны

И afgalkin@yandex.ru

Панков Владимир Юрьевич

кандидат геолого-минералогических наук

доцент, кафедра "Автомобильные дороги и аэродромы", Северо-Восточный федеральный университет

им. М.К. Аммосова

677027, Россия, республика Саха(Якутия), г. Якутск, ул. Белинского, 58

И pankov1956@gmail.ru

Статья из рубрики "Природные ресурсы Арктики и Антарктики"

DOI:

10.7256/2453-8922.2022.2.38103

EDN:

ENCKQG

Дата направления статьи в редакцию:

19-05-2022

Аннотация: Одним из важных параметров, определяющих технические решения при проектировании автомобильных дорог в криолитозоне, является глубина оттаивания грунтов дорожного основания. Целью работы являлась количественная оценка степени влияния льдистости грунтовых оснований дорог в криолитозоне на глубину их сезонного оттаивания. Для анализа использовалась классическая формула расчета глубины оттаивания для тел плоской симметрии, полученная при решении однофазной задачи Стефана. Результаты численных расчетов представлены в виде 2D и ЗD графиков, которые позволяют наглядно оценить влияние льдистости грунта и степени его

изменения в период эксплуатации дороги на глубину оттаивания дорожного основания. Установлено, в частности, что степень изменения глубины оттаивания при одинаковом значении увеличения льдистости в разных диапазонах (например, с 10 до 20% и с 30 до 40%) для рассмотренного типичного случая грунтового основания криолитозоны, уменьшается почти в 1,3 раза. Показано, что, чем больше начальная льдистость грунта, тем степень уменьшения глубины оттаивания при изменении льдистости на постоянную величину будет меньше. Построен 3Dграфик для определения глубины оттаивания грунтов деятельного слоя дорожного основания в широком диапазоне возможного изменения льдистости в период эксплуатации автомобильной дороги. Наличие графика позволяет оперативно оценить возможные варианты изменения глубины оттаивания и принять правильное, обоснованное техническое решение при проектировании. Например, обосновать необходимость использования специального теплозащитного слоя в дорожной одежде. Дальнейшие направления исследований в данной области должны быть направлены на изучение влияния влажности (льдистости) дисперсных грунтов на глубину оттаивания дорожных оснований с учетом зависимости плотности и теплопроводности грунта от льдистости.

Ключевые слова: автомобильная дорога, многолетняя мерзлота, прогноз, глубина оттаивания, льдистость, 3Д график, проектирование, степень изменения, температура, расчет

Введение

Эксплуатация автомобильных дорог в криолитозоне осложнена многими объективными причинами, в том числе и зависимостью прочностных свойств грунтов оснований от температурного фактора и от естественной или техногенной влажности (льдистости)

грунтов деятельного слоя дороги[1,2,3]. Причем, как отмечается в работах[4,5], наибольшую роль играет именно техногенное увлажнение грунтов деятельного слоя. Поэтому при проектировании автомобильных дорог важно знать не только естественную влажность (льдистость) грунтов дорожного основания, но и степень их изменения в процессе эксплуатации автомобильной дороги. Одним из основных параметров проектирования технических объектов, взаимодействующих с грунтами (горными

породами) криолитозоны, является глубина оттаивания [6'7,8]. Это относится и к

проектированию автомобильных дорог в криолитозоне [9,10].

Цель исследований - количественная оценка степени влияния льдистости грунтовых оснований дорог в криолитозоне на глубину их сезонного оттаивания.

Методы

Для достижения цели воспользуемся известной формулой для определения глубины

оттаивания грунтов[10,11,12] при их начальной температуре, равной температуре плавления льда.

(1)

Где: т - длительность теплого периода года, с; Л - коэффициент теплопроводности талого грунта, Вт/м-К;£ - средняя температура воздуха за период оттаивания, 0С; □ -плотность грунта, кг/м3;^ - скрытая теплота плавления льда, Дж/кг; ш - влажность (льдистость) грунта, д.е.

Данная формула не учитывает количество тепла, которое идет на нагревание мерзлого грунта от естественной отрицательной температуры до температуры плавления льда. В

связи с этим, в работе нами была сделана оценка корректности данного допущения при прогнозе глубины оттаивания пород в подземных сооружениях криолитозоны. Показано, что для большинства практически интересных случаев применение формулы (1) не приводит к погрешности большей, чем допустимая в инженерной практике погрешность (обычно равная 10%). Поэтому применение данной формулы для цели, преследуемой в данной работе, будем считать вполне приемлемым.

Для удобства анализа, дополнительно введем параметр «в», характеризующий степень изменения глубины оттаивания грунтов деятельного слоя дорожного основания при изменении влажности (льдистости) в период эксплуатации автомобильно дороги.

р = зуг^^!шг) (2)

Где:ш / - влажность (льдистость) грунта, естественная (¡ = 1) и техногенная (¡ = 2), д.е.

В формуле (1) входит время в секундах, что не очень удобно при расчетах сезонного оттаивания грунта. Поэтому, учитывая, что скрытая теплота плавления льда для рассматриваемого случая величина постоянная, равная 335,0 кДж/кг, формулу (1) пре обра з уе м к в иду

(3)

Где: N - количество месяцев в теплый период года, ед.

Результаты и обсуждение

Для достижения цели по приведенным формулам были проведены вариантные расчеты, результаты которых представлены в виде 2D и 3D графиков на рис. 1-3. На рис. 1 представлена зависимость глубины оттаивания типичного для криолитозоны грунта с

плотностью 1600 кг/м3 и коэффициентом теплопроводности 1,4Вт/м-К в зависимости от льдистости для различных климатических зон, характеризующихся, в данном случае, произведением длительности теплого периода на среднюю температуру воздуха -месяц-°С.

Рис. 1. Глубина оттаивания грунта дорожного основания в зависимости от льдистости W, (д.е.) для различных значений комплекса (месяц-оС): 1- 25,0; 2 - 35,0; 3 - 50,0.

Из графиков на рисунке видно, что с увеличением льдистости грунта (степени

заполнения пор льдом), глубина оттаивания увеличивается во всем рассмотренном диапазоне изменения льдистости, независимо от климатической зоны расположения дороги. Причем, чем меньше диапазон изменения льдистости, тем зависимость глубины оттаивания от льдистости сильнее. Об этом свидетельствует как характер кривых на рис.1, так и количественный анализ. Например, для случая (N^=25 (кривая 1 на рисунке), при изменении льдистости с 0,1 до 0,2 (увеличение на 0,1) глубина ореола оттаивания увеличивается в 1,4 раза. А, при изменении льдистости с 0,3 до 0,4 (увеличение на 0,1), глубина ореола оттаивания увеличивается в 1,15 раза. Что почти в 1,3 раза меньше.

На рис. 2 представлены 3D графики, которые наглядно демонстрируют эту закономерность (см. область синего и коричневого цвета на рис. 2).

Рис. 2. Глубина оттаивания грунта дорожного основания в зависимости от льдистости W, (д.е.) и климатических характеристик теплого периода года ( значений комплекса

<<^»,месяц-°С)

Сделанный вывод также подтверждается простым количественным анализом расчетной формулы. Результаты анализа представлены в таблице.

Таблица.

Степень изменения глубины оттаивания грунта в различном диапазоне

увеличения его льдистости

Диапазон увеличения льдистости 0,1 - 0,2 0,2 - 0,3 0,3 - 0,4 0,4 - 0,5 0,6 - 0,7 0,7 - 0,8 0,8 - 0,9

Степень изменения глубины о тта ив а ния 1,41 1,22 1,15 1,12 1,08 1,07 1,06

Из данных, приведенных в таблице, следует, что чем больше начальная льдистость грунта, тем степень уменьшения глубины оттаивания при изменении льдистости на постоянную величину (в данном случае увеличение на 0,1) будет меньше.

На рис. 3 представлен 3D график зависимости параметра «в», характеризующего степень изменения глубины оттаивания грунтов деятельного слоя дорожного основания при изменении льдистости в период эксплуатации автомобильно дороги.

Рис.3.Степень изменения глубины оттаивания грунтов деятельного слоя дорожного основания при изменении льдистости со значения W1 дозначения W2 в период

эксплуатации автомобильно дороги.

График наглядно демонстрирует не только ранее описанные закономерности, но и позволяет оценить степень изменения глубины оттаивания, как при возможном увеличении льдистости в период эксплуатации автомобильной дороги, так и при уменьшении льдистости (например, за счет иссушения грунта). Наличие графика позволяет оперативно оценить возможные варианты и принять правильное, обоснованное техническое решение при проектировании автомобильной дороги в криолитозоне. Например, обосновать необходимость использования специального

теплозащитного слоя в дорожной одежде [13,14,15].

Заключение

Исследовано влияние влажности (льдистости) грунтовых оснований автомобильных дорог в различных климатических зонах на изменение глубины оттаивания в теплый период года. Результаты численных расчетов представлены в виде графиков и таблицы, которые позволяют наглядно оценить влияние льдистости грунта и степени его изменения в период эксплуатации дороги на глубину оттаивания дорожного основания. Установлено, в частности, что степень изменения глубины оттаивания при одинаковом значении увеличения льдистости в разных диапазонах (например, с 10 до 20% и с 30 до 40%) для рассмотренного типичного случая грунтового основания криолитозоны, уменьшается почти в 1,3 раза. Показано, что, чем больше начальная льдистость грунта, тем степень уменьшения глубины оттаивания при изменении льдистости на постоянную величину будет меньше. Построен 3D график для определения глубины оттаивания грунтов деятельного слоя дорожного основания в широком диапазоне возможного изменения льдистости в период эксплуатации автомобильной дороги. Наличие графика позволяет оперативно оценить возможные варианты изменения глубины оттаивания и принять правильное, обоснованное техническое решение при проектировании. Например, обосновать необходимость использования специального теплозащитного слоя в дорожной одежде. Дальнейшие направления исследований в данной области должны быть направлены на изучение влияния влажности (льдистости) дисперсных грунтовна глубину оттаивания дорожных оснований с учетом зависимости плотности и теплопроводности грунта от льдистости.

Библиография

1. 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»^.: «Геомаркет», 2018. С.309-314.

2. Железняк M.K, Шестернев Д.M., Литовко А.В. Проблемы устойчивости автомобильных дорог в криолитозоне/^атериалы докладов XIV Общероссийской научно-практической конференции и выставки «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации» M.: «Геомаркет», 2018. С.223-227.

3. 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.

4. Шац M.M. Современное состояние городской инфраструктуры г. Якутска и пути повышения ее надежности// Геориск. - 2011. - №2. - С. 40-46.

5. Сериков С.И., Шац M.M. Mорозобойное 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.

6. Galkin A.F. Efficiency evaluation of thermal insulation use in criolithic zone mine openings// Metallurgical and Mining Industry.-2015.-No 10,-.P. 234-237.

7. Железняк И. И., Сакисян Р. M. Mетоды управления сезонным промерзанием грунтов в Забайкалье. - Новосибирск: Наука. - 1987. - 128 с.

8. Геокриология СССР. Средняя Сибирь / Под.ред. Э.Д. Ершова. - M.: Недра. - 1989. -414 с.

9. Панков В.Ю., Бурнашева С.Г. Анализ способов защиты автомобильных дорог от негативных криогенных процессов//В сб. «Лучшая студенческая статья 2020».^ЦНС «Наука и просвещение»-2020-С.52-55.

10. Справочник по строительству на вечномерзлых грунтах / Под ред. Ю.Я. Вели, В.В. Докучаева, Н.Ф. Федорова. — Л.: Стройиздат, 1977. —552 с.

11. Галкин А.Ф., Курта И.В. Влияние температуры на глубину оттаивания мерзлых пород. Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2020. - № 2. - С. 82-91. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-2-0-82-91.

12. Гудмен Т.Р. Применение интегральных методов в нелинейных задачах нестационарного теплообмена // Сборник статей: Проблемы теплообмена. — M.: Атомиздат, 1967.— С. 41-95.

13. Галкин А.Ф., Курта И.В., Панков В.Ю., Потапов А.В. Оценка эффективности использования слоистой конструкции тепловой защиты при строительстве дорог в криолитозоне// Энергобезопасность и энергосбережение. - 2020.-№ 4.-С.24-28. DOI: 10.18635/2071-2219-2020-4-24-28

14. Клочков Я.В., Непомнящих Е.В, Линейцев В.Ю. Применение пеностекла для регулирования теплового режима грунтов в сложных климатических условиях// Вестник ЗабГУ. 2015. № 06 (121). С.9-15.

15. GalkinA.F.,Kurta I.V., PankovV.Yu. Calculation of thermal conductivity coefficient of thermal insulation mixtures.IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 918 (2020) 012009.

Результаты процедуры рецензирования статьи

В связи с политикой двойного слепого рецензирования личность рецензента не

раскрывается.

Со списком рецензентов издательства можно ознакомиться здесь.

Предмет исследования: является, по мнению автора статьи количественная оценка степени влияния льдистости грунтовых оснований дорог на глубину их сезонного оттаивания в зоне эксплуатации автомобильных дорог в криолитозоне. Однако давая характеристику предмета исследования следовало бы обозначить и задачи исследования с точки зрения совокупности конкретного территориального комплекса. Это связано с региональными особенностями глубины оттаивания, проявлением заморозков, метеорологических событий.

Методология исследования: Авторы позиционируют анализ информации с помощью математического метода при помощи справочной литературы, в тоже время ими использованы методы графического моделирования.

Актуальность проблемы состоит в выявлении задач и развитии проектирования автомобильных дорог с естественной влажностью грунтов дорожного основания и степенью изменения в процессе эксплуатации автомобильной дороги. Одним из основных параметров проектирования технических объектов, взаимодействующих с грунтами криолитозоны, является глубина оттаивания с позиции повышения эффективности использования.

Научная новизну автор статьи не позиционирует, ими проведен анализ данных по оценки влияние влажности (льдистости) грунтовых оснований автомобильных дорог в различных климатических зонах на изменение глубины оттаивания в теплый период года. Построен 3^ -график для определения глубины оттаивания грунтов деятельного слоя дорожного основания в широком диапазоне возможного изменения льдистости в период эксплуатации автомобильной дороги. Наличие его позволяет оперативно оценить возможные варианты изменения глубины оттаивания и принять правильное, обоснованное техническое решение при проектировании

Стиль, структура, содержание стиль изложения результатов научный, структура построения и изложения материала выстроена достаточно логично. Авторы статьи представили в статье в виде таблицы, содержащие цифровую информацию, полученные в ходе исследования, а также в виде графиков разного типа.

Однако есть ряд вопросов, в частности: автору статьи следовало бы избегать излишнего цитирования, что загружает статью (Например, обосновать необходимость использования специального теплозащитного слоя в дорожной одежде [13,14,15]». Автору следовало бы привести данные по особенностям климата в разных климатических зонах, обозначить перспективы изменения климатических условий при тенденции потепления. Однако это не снижает авторский вклад в исследование процесса. Библиография обширна, содержит в основном как актуальные, так и классические источники.

Апелляция к оппонентам в выявлении проблемы на уровне имеющейся информации, полученной автором в результате анализа многочисленного ряда литературных источников и расчетами проведенными самостоятельно на основе анализ а параметров разных климатических зон.

Выводы, интерес читательской аудитории Приводимый автором вывод резюмирует содержание статьи, выводы статьи является констатирующими, обозначены перспективы использования, однако отсутствует объяснения причин и потребитель, представленной информации в статье, авторами не определён.