Совершенствование методов расчета глубины сезонного промерзания пучинистых грунтов земляного полотна железнодорожного пути

• Автор: Ким Хюн Чол
• Шифр специальности: 05.23.11
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 139 с. : ил.

1. ОБЗОР МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И РАСЧЕТА ПРОМЕРЗАНИЯ ГРУНТОВ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ
1.1. Существующие методы измерения температурного поля в грунте
1.2. Методы расчета промерзания земляного полотна железных дорог
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПРОМЕРЗАНИЯ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА НА ПОЛИГОНЕ СГУПС
2.1. Лабораторные исследования грунтов на полигоне СГУПС
2.2. Постановка и описание экспериментов по измерению температуры в земляном полотне
2.3. Результаты измерения температуры в земляном полотне в годовом цикле и их анализ
3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПРОМЕРЗАНИЯ ГРУНТОВ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА И ЕГО ОСНОВАНИЯ
3.1. Одномерная теплофизическая модель промерзания земляного полотна
3.2. Определение параметров задачи для расчета промерзания земляного полотна железных дорог
3.3. Двухмерная теплофизическая модель нестационарного температурного поля земляного полотна
3.4. Анализ сравнения результатов численных расчетов с экспериментальными данными

3.5. Численные эксперименты по установлению закономерностей влияния различных факторов на расчетную глубину промерзания земляного
полотна железных дорог
4. ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ И РЕКОМЕНДАЦИИ
4.1. Схема выполнения расчетов по оценке морозного пучения грунтов земляного полотна
4.2. Результаты практических расчетов
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЕ А
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
ПРИЛОЖЕНИЕ В

Проблема морозного пучения грунтов, несмотря на кажущуюся ее локальность, является одной из наиболее значимых при эксплуатации железных дорог в Северном полушарии. По происхождению и характеру проявления морозное пучение подразделяется на сезонное, связанное с промерзанием и оттаиванием грунтов основания земляного полотна железных дорог в годовом цикле, и многолетнее, вызванное перманентным промерзанием толщи грунта. И тот и другой вариант морозного пучения имеет место на протяженных участках Транссибирской магистрали. Классическим регионом в проявлении пучения грунтов является Забайкальский участок Байкало-Амурской магистрали. Здесь можно встретить весь спектр проявления морозного пучения грунтов - от одиночных включений ледяных линз и наледей до масштабных участков вечной мерзлоты, частичное оттаивание которой в летний период может привести к полному отказу пути, т.е. к полной остановке движения поездов. Все вышеупомянутые регионы объединены одной особенностью - сильно увлажненными суглинистыми грунтами, которые в условиях сурового резкоконтинентального климата превращаются в настоящую мину замедленного действия для эксплуатируемых железных дорог. Чтобы обезвредить эту мину недостаточно одного опыта специалистов-практиков, которые чаще всего пользуются традиционным подходом - устранение проблемы после ее появления. Задача исследователей - прогнозирование потенциально возможных вредоносных явлений и в сотрудничестве с практиками разработка мер по недопущению появления подобных проблем, чтобы с ними не приходилось бороться постфактум. Решение этой задачи невозможно без надежного метода оценки процессов промерзания и оттаивания грунтов основания земляного полотна железных дорог, учитывающего весь спектр климатических факторов и внешних условий в проблемных регионах.
Процессы и явления, сопровождающие годовые циклы протекания воднотеплового режима земляного полотна железных дорог, расположенных на

Очевидно, что для железнодорожного пути наиболее опасной является зона интенсивного пучения грунта (четвертый уровень), т.к. силы морозного пучения, возникающие на начальной стадии замерзания грунта обычно недостаточны для того чтобы вызвать деформацию верхнего строения пути.
Глядя на правую часть рис.3.1, становится очевидным, что при определении границ интенсивного пучения грунта, необходим корректный учет особенностей процесса фазовых переходов в грунте.
На рис. 3.2 сплошной линией схематично показана зависимость изменения влажности грунта в процессе его промерзания, где Щ) и IVн1 - влажность талого (начальная влажность) и полностью замерзшего (конечная влажность) грунта. Поскольку практическое определение температурных границ (Тм,ТК) и формы кривой фазовых переходов, описывающей процесс превращения воды из жидкого состояния в твердое, сопряжено с большими трудностями, то при численном моделировании представляется естественным аппроксимировать реальную кривую ступенчатой функцией (штриховая линия), где Тф- условная граница фазовых переходов в грунте. Таким образом, простейшая модель фазовых переходов в грунте может быть описана тремя параметрами - РГ0, 1¥1а и Тф.
Определившись с формализацией фазовых переходов жидкой составляющей структуры грунта, можно приступить к построению математической модели процесса сезонного промерзания-оттаивания глинистого грунта, слагающего земляное полотно и его основание.
3.1. Одномерная теплофизическая модель промерзания земляного полотна
Численному решению задачи о промерзании грунтов земляного полотна посвящено значительное количество работ различных авторов [2, 41, 42, 54, 76, 85, 92-94]. Каждый из существующих алгоритмов задачи характеризуется двумя главными особенностями: