Эффективность применения теплоизоляции земляного полотна на пучинистых участках железнодорожного пути (стр. 4 )

Суглинки тяжелые пылеватые с числом пластичности 0,13…0,17 при влажности на границе текучести 0,32…0,38, раскатывания 0,16…0,25. Грунты средней степени водонасыщения (коэффициент водонасыщения 0,75…0,78) и насыщенные водой (коэффициент водонасыщения 0,83…0,85). По показателю текучести суглинки, преимущественно, полутвердой консистенции (показатель текучести 0,06…0,25), реже тугопластичной (показатель текучести 0,31…0,50) и мягкопластичной (показатель текучести 0,63). Плотность грунта составляет (1,81…1,93)г/см3, плотность сухого грунта (1,46…1,57) г/см3, коэффициент пористости 0,739…0,870.

Скважинами глубиной 3,0 м грунтовые воды на момент обследования не вскрыты.

Слагающие земляное полотно полутвердые суглинки при природной влажности на момент обследования – слабопучинистые, реже среднепучинистые, тугопластичные суглинки – средне и сильнопучинистые, мягкопластичные – чрезмернопучинистые.

Для измерений были использованы три термоплети. На каждой термоплети через 0,5 м. расположены шесть ЭДТ. В качестве измерительного прибора был использован лабораторный мост сопротивления Р 4833 с классом точности 0,02/1,5х10-4 Ом.

Измерения температуры грунтов проводились с декабря 2001 г. по март 2002 г. один раз в месяц. По результатам измерений и вычислений построены графики изменения температур по глубине скважин для каждого измерения (рис.1). Построены также температурные поля в поперечном профиле земляного полотна на каждую из дат измерений.

Из полученных данных видно, что в декабре, в связи с резким похолоданием и из-за небольшого снежного покрова, произошло интенсивное промерзание верха балластного слоя (чистого щебня) на глубину более 0,5 м, то есть в промерзшую зону попал и пенополистирол, и асбест. На данном этапе их теплоизолирующая роль практически не проявляется. В январе интенсивность морозного воздействия снизилась, мощность снежного покрова увеличилась, и скорость промерзания уменьшилась. Причем, на II пути отрицательные температуры практически достигли грунта основания земляного полотна. В феврале каких-либо заметных изменений ни в средней температуре воздуха, ни в измеренных температурах в скважинах не произошло. В марте ситуация коренным образом не изменилась: на втором пути отрицательные температуры проникли в грунты земляного полотна, а под пенополистиролом на поверхности грунтов основной площадки минимальная температура не достигла отрицательных значений и составила около 0,50С.

С декабря 2002 г. по март 2003 г. один раз в месяц проводилось нивелирование отметок головки рельса наружной нити обоих путей опытного участка (по 150 м в каждую сторону от рассматриваемого поперечника – 6 звеньев).

Нивелирование производилось геометрическим способом из середины при максимальном расстоянии нивелирования (100…150)м в каждую сторону. В качестве измерительного прибора был использован нивелир Н-3К, рейка типа РН­ 3.

В декабре, январе и феврале пучинных деформаций отмечено не было. В марте по второму пути на протяжении 100 м было отмечено равномерное пучение с высотой горба 5…7 мм.

В четвертом разделе описано расчетное моделирование промерзания подрельсового основания на персональном компьютере. В настоящее время при усиленном капитальном ремонте пути верхний, как правило, асбестовый слой балласта заменяется на щебень твердых пород, что, учитывая теплотехнические

Изменение температуры грунтов по глубине по данным наблюдений

Наклонная скважина; Ось I пути; Край шпалы II пути.

рисунок 1

характеристики асбеста и щебня, приводит к увеличению глубины промерзания, увлажнению глинистых грунтов земляного полотна и, как следствие, к росту пучения. Прогнозирование глубины промерзания земляного полотна в новых условиях выполнялись решением системы дифференциальных уравнений теплопроводности применительно к расчету процессов промерзания и оттаивания грунтовых оснований по программе «Led - IA» на ПК (рис. 2).

Моделирование процесса промерзания и оттаивания подрельсового основания сводится таким образом к расчету системы из n обыкновенных алгебраических уравнений вида:

где Сi, λi, и Q – соответственно, объемная теплоемкость, коэффициент теплопроводности и количество теплоты фазовых переходов грунтовой влаги в 1 м3 грунта;

ΔХi – толщина i-го слоя подрельсового основания, м;

Δτ – временной шаг дискретной модели, назначаемый из условия сходимости решения:

.

Условиями однозначности полученной системы уравнений являются приведенная температура воздуха и температура на глубине нулевых годовых амплитуд.

Приведенная температура устанавливалась с учетом радиационного теплообмена и затрат тепла на испарение влаги.

Термическое сопротивление теплообмену на поверхности балластной призмы определялось с учетом ее теплоотдачи, а также толщины и плотности снежного покрова.

Для установления степени сходимости результатов расчетов, полученных при помощи программы «Led-IА», с натурными данными смоделирован поперечный профиль на ПК 32723+80,00 в соответствии со скважинами, где были произведены замеры температур. Климатические данные приняты по наблюдениям Новосибирской метеостанции.

Расчетные величины теплофизических характеристик грунтов установлены в соответствии с методикой прогноза геокриологических условий в основаниях транспортных сооружений. По результатам расчетов построены графики распределения температур в грунте по месяцам (рис.3).

Сравнение этих графиков с наблюденными показало идентичность распределения температур в грунте земляного полотна, причем особенно наглядно просматривается влияние пенополистирола на «заторможенность» промерзания. Необходимо учесть, что зима 2001 – 2002 г. г., когда производились натурные измерения, была сравнительно теплой.

Блок схема рис, 2

Результаты математического моделирования промерзания грунтов

Скважина С-1	Скважина С-2	Скважина С-3
			19
Декабрь Январь Февраль Март

Рисунок 3.

Прогнозируемая величина пучения по II пути оказалась завышенной не более чем на 15%, что объясняется запасом расчета, вводимым для возможных случаев аномально холодных зим. Таким образом, был сделан вывод о том, что программа «Led-IА» достоверно, с высокой точностью описывает процессы промерзания – оттаивания в грунтах земляного полотна и может быть использована для моделирования тепловых процессов при любом сочетании природных факторов и конструкций пути.

В этом же разделе работы при помощи программы «Led‑IА» было изучено влияние различных сочетаний природных факторов на глубину промерзания подрельсового основания.

При этом выделены три группы численных экспериментов.

В первой группе изучено влияние влажности грунта на процесс пучинообразования при прочих неизменных условиях.

Исходные данные: грунт - суглинок пылеватый, его плотность в сухом состоянии принята постоянной, соответствующей предзимнему периоду инженерно-геологических исследовании в октябре 2001 г: ρd = 1,50 т/м3. Относительное пучение при влажности W=0,8WL f = 0,112. Влажность на границе раскатывания WР изменялась от 15% до 30% с шагом 5%. Расчет рассмотренных выше величин произведен в табличной форме. Мощность балластных материалов 1,58 м.

Полученные результаты подтвердили обратно пропорциональную зависимость величины пучения от влажности грунта в предзимний период. Для исследованных условий она имеет вид: p = 69,44 - 0,448W.

Это объясняется тем, что величина пучения зависит от количества миграционной влаги, поступающей в пучащий слой в зимний период, а чем выше влажность пучащегося грунта, тем ниже темп промерзания и доля миграционной влаги, а значит и величина пучения.

Во второй группе экспериментов рассмотрена зависимость величины пучения от климатических условий.

Грунт - суглинок пылеватый, влажность на границе раскатывания WР = 25%. Температура воздуха принималась по среднемесячным значениям в четырех вариантах:

- в соответствии со СНиП 23-01-99;