авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Вениаминович развитие методов прогнозирования и регулирования водно-теплового режима земляного полотна эксплуатируемых автомобильных дорог (на примере алтайского края)

На правах рукописи

» Толстенёв Сергей Вениаминович Развитие методов прогнозирования и регулирования водно-теплового режима земляного полотна эксплуатируемых автомобильных дорог (на примере Алтайского края) Специальность - 05.23.11 - Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Омск- 2002 г / со Us

Работа выполнена в Алтайском государственном техническом уни верситете им. И.И. Ползу нова

Научный консультант: доктор биологических наук, профессор Горяев Владимир Егорович

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор Ефименко Владимир Николаевич кандидат технических наук, доцент Христолюбов Игорь Николаевич

Ведущая организация: Барнаульский филиал ОАО «ГИПРОДОРНИИ»

Защита диссертации состоится 2002 г. в 10.00 на засе дании диссертационного совета Д 212.250.01 при Сибирской государст венной автомобильно-дорожной академии по адресу:

644080 г. Омск 80, пр. Мира, 5, Зал заседаний

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирской госу дарственной автомобильно-дорожной академии.

Автореферат разослан 5 Н О Я Б Р Я 2002 г.

Ученый секретарь Vi Сиротюк В. В.

диссертационного совета Общая характеристика р а б ш м Актуальность работы. Опыт эксплуатации автомобильных дорог в условиях Сибири свидетельствует о незначительном сроке службы дорож ных одежд и существенных затратах на восстановление их транспортно эксплуатационных показателей до требуемых значений, установленных действующими нормативными документами, например. СНиП 2.05.02- или ВСН 21-83. Это является следствием недостаточного учёта особенно стей природно-климатических условий на стадии проектирования автомо бильных дорог в районах Зауралья, что ранее уже отмечаюсь в работах профессоров В.Н. Ефимснко, В В. Ушакова, А.Н. Шуваева, А.И. Ярмолин ского и др., проводивших исследования по изучению водно-теплового ре жима фунтов земляного полотна автомобильных дорог Западно-. Восточ но-Сибирского регионов и Дальнего Востока. Эти исследования на терри тории Западной Сибири в основном направлены на уточнение расчётных значений влажности фунтов при различных схемах увлажнения земляного полотна. Полученные при этом результаты способствуют обеспечению ка чества вновь проектируемых автомобильных дорог. Вместе с тем, до на стоящего времени остаётся актуальной проблема обеспечения надёжной эксплуатации уже существующей сети автомобильных дорог. Решению этой проблемы в определённой степени может способствовать продолже ние исследований водно-теплового режима глинистых фунтов земляного полотна в направлении развития методов его прогнозирования и регулиро вания.

Цель работы. Развитие методов прогноза и регулирования водно теплового режима глинистых фунтов земляного полотна эксплуатируемых автомобильных дорог Юго-Западной Сибири.

Задачи исследований. Для реализации сформулированной цели тре CIS бовалось решить следующие задачи:

1. Изучить закономерности промерзания, оттаивания и воздушный ре жим подмерзлотной зоны глинистых фунтов земляного полотна.

2. Изучить механизм, закономерности термофадиентного движения вла ги в сезоннопромерзаюших фунтах и на их основе обосновать физи ческие методы регулирования водно-теплового режима земляного по лотна.

3. Экспериментально изучить водно-тепловой и воздушный режимы фунтов земляного полотна.

4. Разработать рекомендации и технические решения по регулированию водно-теплового режима земляного полотна автомобильных дорог.

Выполнить технико-экономическую оценку разработок.

Объект исследования - водно-тепловой режим земляного полотна эксплуатируемых автомобильны^о$юе40*»3зпадной Сибири.

1 Ш 0 itwj) (И б * Л I к** Научная новизна.

1. Изучены закономерности промерзания, опаивания и воздушный ре жим подмерзлотной зоны глинистых грунтов земляного полотна. Изу чен механизм и природа возникновения разрежения вакуума в под мерзлотной зоне грунтов.

2. Установлено, что в грунтах с выраженной зоной аэрации (глубокое за легание грунтовых вод) вакуум возникает после формирования возду хонепроницаемого мерзлотного слоя, а в обводнённых грунтах вакуум в подмерзлотной зоне наблюдается в период опаивания грунтового массива у подвижной границы промерзания, что ранее в исследованиях специапистов-дорожников не учитывалось.

3. Разработана математическая модель промерзания грунта земляного по лотна, отражающая снижение темпа и глубины промерзания за счет восходящего тсрмогратиентного влагопсрсноса и потока напорных вол.

Уточнено, что в грунтах с выраженной зоной аэрации превалирует ме ханизм переноса влаги в парообразной форме (пародиффузионный ме ханизм), а в обводненных грунзах влага мигрирует в жидкой форме за счет работы объемных сил термического сжатия охлаждаемой твердой фазы (скелета) фунта.

4. Экспериментально-полевыми и лабораторными опытами выявлено, что аэрация подмерзлотной зоны грунта земляного полотна в период его замерзания позволяет ликвидировать возникающий в ней вакуу м и су щественно снизить величину восходящего влагопереноса. При этом ликвидация вакуума в период промерзания фунта земляного полотна позволяет снизить его влажность к моменту оттаивания на 20-30 %.



Защищаемые положения.

1. Обоснование механизма и природы возникновения вакуума в подмерз лотной зоне сезоннопромерзающсго грунта земляного полотна автомо бильных дорог.

2. Закономерности промерзания и механизм термофадиентной миграции влаги в фунте земляною полотна. Методика инженерного расчета и прогноза величины влагопереноса в сезоннопромерзающих грунтах.

3. Методы и лабораторно-полевое оборудование для экспериментального изучения водно-теплового режима сезоннопромерзающих фунтов.

4. Способы и технические средства регулирования водно-теплового ре жима фунта земляного полотна автомобильных дорог.

Практическая значимость работы:

В процессе исследований разработаны методы и лабораторно-полевое оборудование для экспериментального изучения вакуума и аэрации под мерзлотной зоны фунтов, изучения их водо- и воздухопроницаемости, по зволяющие определять параметры регулирования водно-теплового и воз душного режимов земляного полотна. Для практического применения предложена методика инженерного расчёта величины восходящего влаго переноса в фунте земляного полотна с выраженной зоной аэрации и в об водненном фунте. Выполненные исследования явились основой создания практических рекомендаций и методов регулирования водно-теплового и воздушного режимов грунта земляною полотна автомобильных дорог, по зволяющих повысить его несущую способность.

Достоверность основных результатов работы подтверждена сов падением теоретических и экспериментальных результатов, соответствием частных случаев экспериментальных данных данным, полученным други ми авторами, проведением экспериментачьных измерений с контролируе мой точносгью, использованием современных компьютерных технологий, обеспечивающих заданный уровень надежности результатов расчетов, а также Государственной экспертизой технических решений, полученных в результате работы.

Апробация результатов работы осуществлена на совещаниях, на учных и научно-практических конференциях территориального, регио нального, федерального и международного уровней: г. Новосибирск, НГАСУ. III между народный конгресс "Ресурсо- и энергосбережение в ре конструкции и новом строительстве" (9-10 февратя 2000 г.);

г. Омск.

СибАДИ, Между народная научная конференция "Современные проблемы транспортного строительства, автомобилизации и высокоинтеллектуаль ные научно-педагогические технологии" (13-15 ноября 2000 г.);

г. Барна ул, АлтГТУ, ГУГ1 «Алтайавтодор», администрация Алтайского края. Все российская научно-практическая конференция "Пути повышения качества и эффективности строительства, реконструкции и содержания автомо бильных дорог и искусственных сооружений на них" (19-23 марла 2001 г.);

г.Томск, ТГАСУ, научно-практический семинар "Проблемы и перспективы эксплуатации дорожной сети Сибири и Дальнего Востока" (9-12 октября 2001 г.);

г. Томск, ТГАСУ, Юбилейная научно практическая конференция, посвященная 100-летию строительного обра зования в Сибири и 50-летию ТГАСУ (10-12 сентября 2002 г.).

Разработанные способы и технические средства экспонировались на И Международной выставке "Дорсиб-2000", г. Новосибирск, 30.05 2.06.2000 г. По итогам выставки ГУЛ «Алтайавтодор» награждён малой золотой медалью в номинации "Дороги XXI" века за разработку и приме нение новых технологий в дорожном строительстве. Результаты исследо ваний опубликованы в 7 статьях. По материалам исследований получено 2 свидетельства на полезные модели и 2 патента РФ.





Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 146 страницах машинописного текста содержит 2 таблицы, 31 рисунок, приложения занимают 9 страниц. В списке литературы 160 источников.

Автор выражает благодарность научному руководителю профессо ру В. Е. Горяеву за консультации и осмысление полученных научных ре зультатов, а также инженерным службам Косихинского ДРСУ и Зарин ского ДРСУ-2 за активное участие в проведении производственных испы таний разработанных в диссертации методов.

1. Анализ современных достижений в области изучения водно leiLioBoio и деформативного режимов промерзающего грунта земля н о ю полотна автомобильных дорог Изучение закономерностей водно-теплового режимов сезоннопро мерзаюшего фунта земляного полотна базируется на работах отечествен ных и зарубежных учёных в области почвоведения, геокриологии и про ектирования автомобильных дорог. Существенный вклад в изучение ме ханизмов влагопереноса в фунтах внесли почвоведы A.M. Глобус.

Б.В. Дерягин, А.Ф. Лебедев, В.П. Панфилов, А.А. Роле и др.. которые ус тановили, что в процессе промерзания фунтов образуется воздухонепро ницаемый мерзлотный слой, иод которым протекает процесс термодиф фузиониой мифации жидкой и парообразной влаги к подвижной границе промерзания. Однако работы этих учёных Офаничены описанием особен ностей рассмафиваемых процессов и не предусматривают рассмотрение взаимосвязей параметров физических явлений, что офаничивает их ис пользование при решении инженерных задач по проектированию, строи тельству и эксплуатации автомобильных дорог.

В работах учёных, изучающих криогенные процессы в грунтах (В.О. Орлов, А.И. Попов, Г. М. Фельдман и др.), вопросы миграции влаги рассматриваются в связи с формированием ледяных структур, что позво ляет использовать их при оценке пучения и деформации глинистых фун тов в условиях регионов Сибири. В то же время в этих работах недоста точно уделяется внимание инженерному подходу к изучению давления пучения фунтов в зависимости от конкретных гидрогеологических усло вий местности.

Научные основы изучения и регулирования водно-теплового ре жима грунтов земляного полотна рассматриваются в работах И.А. Золота ря, В.Д. Казарновского, JI.A. Преферансовой, Н.А. Пузакова, В.И. Рувин ского, В.М. Сиденко, Н.А. Цыговича и их учеников. По нашему мнению, в связи с различными природно-климатическими особенностями регионов, до настоящего времени вопрос прогнозирования и регулирования состоя ния водно-теплового режима земляного полотна эксплуатируемых авто мобильных дорог изу чен недостаточно. Поэтому целью работы является развитие методов прогноза и регулирования водно-теплового режима глинистых фунтов земляного полотна эксплуатируемых автомобильных дорог Юго-Западной Сибири.

2. Особенности промерзания грунтов земляного полотна автомо бильных дорог Алтайского края Резко континентальный климат Юго-Западной Сибири характеризу ется колебаниями среднемесячной температуры воздуха от 40 °С летом до - 5 0 °С зимой. Перепады атмосферного давления значительно выражены в осенний и весенний периоды и достигают 0,5 м водного столба. Глубина промерзания фунтов в зимний период колеблется от 0,3 до 2,5 м Грунты земляного полотна автомобильных дорог Алтайского края в Приобье и на Бие-Чумышской возвышенности представлены суглинками легкими пылеватыми (реже супесями песчанистыми), а в предгорьях Са лаира - суглинками тяжелыми пылеватыми (реже глинами пылеватыми).

Полевыми опытами с использованием вмораживаемого зонда и жидкостного маномелра установлено, что процесс промерзания грунта земляного полотна сопровождается образованием разрежения (вакуума) в подмерзлотной зоне. Выявлено также, что в условиях Юго-Западной Си бири восходяший перенос влаги в грунтах земляного полотна начинается в III декаде сентября, когда температу ра поверхности земляного полотна Тс становится ниже температуры грунтовых вод Тг в В I декаде мая при условии Те Т г « восходящий влагоперенос сменяется на нисходящий.

Особенности промерзания грунтов земляного полотна рассмотрены с учетом физико-механических свойств фаз грунта и аномальных свойств воды. Это позволило дифференцировать стадии влагопереноса и объяснить особенности пучения переу влажненного грунта в период его замерзания и оттаивания (Рис.1).

к / 'hi /« О * « г Г Л » ю | /'/ drtauki.ияЮшцш t-w'Mffu/» riu.-r •;

.-/*?*•« '.•ну а.^тср&нх /W Расширение 7. Ж, В Ч t) (ма/чис /: ж, в Т - твердая фаза грунта.

Ж - вода в жидкой р) Расширение Т,П 12) С 'житие Г, В фазе:

1мьлшсЖ Хрониирение Ж Л - вода в твердой 1 3} Переход Ж н Л I "i Персхщ).7 л Ж Ре мое фазе (лед):

1 yucvncHue «Лмим на I \ иечыиешнг о/пм • \ к;

В - воздух.

\ V I! V Пучение / 1 Ршрежение.

•! \ С *»• и 41 не Т. /.В ' Наерсн Расширение 7.7, В П\ чение у » Ommencih. Расширение — т j/.H /Av«i«t :

Рис. 1. Динамика влагопереноса и термодеформативные состояния про мерзающего грунта с у четом аномальных свойств воды:

1 - влага мигрирует в зону промерзания (вверх);

2 - влага мигрирует вверх более интенсивно (расширение Ж);

3 - резкое снижение миграции (оттес нение влаги в талую зону, вниз);

4 - усиление влагопереноса;

5, 6 - ослаб ление влагопереноса;

7 - резкий подъем влаги: 8. 9 - ослабление влагопе реноса 3. Теоретические исследования водно-теплового режима земляно го полотна Для установления взаимосвязей параметров и оценки динамики про мерзания грунта земляного полотна автомобильных дорог приведена ма тематическая модель промерзания ф у н т а представленного однородной изотропной средой с изменяющейся влажностью. При этом для определе ния температуры поверхности промерзающего грунта земляного полотна Тс в работе использовано известное решение задачи промерзания много слойной дорожной одежды (Силенко B.M.), а для оценки динамики и глу бины промерзания грунта земляного полотна используется решение Сте фана (Лыков А.В., 1967) с учетом возрастающей влажности грунта на ве личину &W для конкретного отрезка времени. Решение математической задачи сводится к определению глубины промерзания грунта h в зависимо сти от времени промерзания т по уравнению.

/! = / ? / Г. (1) Коэффициент пропорцио к нальности Д характеризующий Т» Тг •. Rg h1.h2.h3...h* скорость углубления фронта _L i hiJzJ*... J* промерзания грунта, зависит от его теплофизических свойств и определяется графическим ре шением задачи промерзания или аналитическими расчетами в со отве!Сгвии с блок-схемой, при веденной на рис. 2.

На примере промерзания типичного грунта земляного по лотна большинства эксплуати руемых дорог Алтайского края, представленного суглинком лег ким пылеватым, выявлены тео ретические зависимости глуби ны его промерзания от темпера туры поверхности Тс и влажно Рис.2. Блок-схема расчета сти W. Исходными данными для глубины промерзания грунта расчета являются температура Влияние температуры поверхшчли Влияние начальной влажности h a) W = 24 % б) t =-15 °С Рис. 3. Влияние температу ры поверхности и влажности на динамику промерзания фунта земляного полотна (расчет для суглинка легкого пылеватого км 263 - км 265 автомобильной дороги М - 52 «Чу йский тракт») грунтовых вол Тг*--- То = 8°С, температура замерзания фунта Т3 = 0°С« а также его теплофизические свойства в мерзлом (индекс 1) и в талом (ин декс 2) состояниях (плотность р, = 1650 кг/м\ р 2 ~ 1730 кг/м3;

коэффици енты температуропроводности а, - 0,405» 10"6 м 2 /с, а2 = 0,58* 10"^ м 2 /с;

ко эффициенты теплопроводности X, - 1,09 Вт/(м*К), Х 2 = 1,77 Вт/(м*К);

теп лоемкость С, - 2,69* 106Дж/(м3*К), С 2 - 3,05* 106Дж/(м3*К). Данные теоре тических зависимостей приведены на рис. 3. Математическим моделиро ванием процесса промерзания фунта земляного полотна установлено, что повышение влажности фунта при термоградиентном переносе обусловли вает снижение темпа и глубины его промерзания.

Для количественной оценки и прогнозирования влагопереноса в ф у н те земляного полотна в работе рассмотрены два предельных случая термо градиентного переноса влаги в грунтах с выраженной зоной аэрации (поры заполнены воздухом, первый тип увлажнения) и во влагой асы щенных грунтах с влажностью не менее полной влагоемкости (поры заполнены во дой в жидкой форме, третий тип увлажнения). В первом случае имеет ме сто пародиффузионный влагоперенос, для которого определено су ммарное значение количества мигрируемой влаги ш:

т = тл+тж, (2) где т в - количество влаги, переносимой влажным воздухом пор фунта.

определяемое из зависимости т, = (3) т ж -количество влаги, переносимой в жидкой форме за счет' ее вытеснения из нижних пор в верхние при разности давления паров в этих порах. Зна чение тж определяется из зависимости:

тж-2УтpAP/(gh). (4) В формулах (3), (4) индекс «1» относится к начальному пункту влаго переноса (капиллярная кайма), индекс «2» - к конечному пункту влагопе реноса (фаница промерзания);

Qxn - теплота, отведенная от промерзающе го грунта;

i - теплосодержание влажного воздуха;

d - влагосодержание влажного воздуха;

V^p - объем пор фунта в зоне активного влагопереноса;

ЛР перепад давления паров влаги в зоне активного влагопереноса;

h - вы сота зоны активного влагопереноса g - ускорение свободного падения.

Природа и механизм термоградиентного движения влаги во влагона сышснных грунтах характеризуются термодеформативным состоянием твердой фазы грунта. При этом количественное значение влагопереноса в водонасышснных фунтах с четом работы твердой фазы А определяется по выражению:

т ж ~ 2А / (gh). (5) 4. Экспериментальные исследования методов диагностики и ре гулирования волно-теплового режима промерзающих грунтов земля ного полотна Для оценки сходимости численных значений глубины промерзания суглинка легкою пылеватого, полученных решением математической за дачи промерзания, с данными полевых замеров в осенне-зимний период на обочине дороги оыло прове дено опытное бурение сква жин. Сопоставление теорети ческих и опытных данных с учетом высоты переходной зоны промерзания, состав ляющей около 10 см, приве дено на рис. 4.

С учетом высоты пере ходной зоны максимальное значение отклонения теорети ческих и опытных значений не превышает 10 %, что сви детельствует о достаточно удовлетворительной сходимо сти теоретических и опытных Рис 4. Динамика промерзания грунта земля данных.

ного полотна в 2000-2001 гг. а/д М-52 «Чуй ский тракт» км 264+300 Предварительными опы тами на физических моделях (рис. 5). имитирующих взаи модействие промерзающего грунта с грунтовыми водами, в лабораторных условиях было выявлено, что замерзание суг линка с влажностью менее 18 % обусловливает возникновение разрежения в подмерзлотной зоне величиной 0,27 м вод. ст.

Образование вакуума способст вует подъему уровня фунтовых вод и переносу парообразной влаги к фанице промерзания фунта. Модельными и полевы Рис. 5. Лабораторная модель аэрации под- ми опытами установлено также, что аэрация подмерзлотной зоны мерзлотной зоны фунта:

фунта через скважины, соеди 1 - мерная емкость;

2 - колонка цилиндри няющие эту зону с атмосферой, ческая;

3 - пробковый кран;

4 - мерзлый способствует исчезновению ва грунт;

5 - трубка;

6 - пробковый кран куума и снижению величины восходящего влагопереноса.

В работе показано, что применение тепловых труб (рис. 6), исполь зующих теплоту глубинных слоев фунта и предотвращающих промерза ние скважин, позволяет осуществлять аэрацию подмерзлотной зоны в те чение всего зимнего периода. Для изучения особенностей диффузии воз духа в подмерзлотной зоне грунта и определения давления в этой зоне бы ло разработано полевое оборудование, включающее зонды для подачи воз духа и замера давления в подмерзлотной зоне (рис. 7).

Для изучения воздухопронииаемо р сти груша в подмерзлотной зоне по ме ре углубления фаницы промерзания в диссертации разработан метод ком прессионной аэрации фунта с помо щью модернизированного анализатора, сскцих с V l K ТГЛ С ГЛМ K t ЛКЮИСС Ul U в котором зонд для измерения давления в подмерзлотной зоне совмещен с уст нссулая кох)ши ройством дозированной закачки возду ха в эту зону из эластичной камеры.

Обработкой экспериментальных данных получены значения коэффици ентов диффузии для супесей песчани t l I IЩ VWM Ш.V I / фильтр стых с природной влажностью - 1 3 %, плотностью 1,65 г/см3. пористостью 45,5%. Д- 0,0399 см2/с;

для суглинка фщы рации ^ засыпка легкого пылеватого с природной влаж ностью - 19 %, плотностью - 1,78 г/см3, пористостью 44,4 %, Д - 0,029 см2/с;

для суглинка тяжелого пылеватого с природной влажностью - 3 1 %, плотно Рис. 6 Общий вид тепловой стью - 1,95 г/см3, пористостью - 45,6 %, трубы Д - 0.00917 см2/с. Эти данные положе ны в основу расчета зоны действия тепловой трубы.

Для обеспечения оперативной диагностики водно-теплового режима и аэрации подмерзлотной зоны фунта земляного полотна в течение всего зимнего периода в диссертации разработаны конструкции тепловых ф у б, Рис. 7 Схема дистанционной установки зондов в промерзшем фунте:

I - мерзлотный слой;

2 - зонд нагнетания воздуха;

3 - уплотнение;

4 - кран пробковый: 5 - манометр;

6 - зонд замера давления;

7 - уплотнение:

8 - жидкостный манометр;

9 - краны пробковые: 10 - трехходовой кран;

II - камера эластичная И центральный канал которых ooec печивает диффузию атмосферного воздуха в подмерзлотлую зону за счет образования в ней вакуума и перепадов атмосферного давле ния.

Влияние тепловых труб на процесс накопление влаги в грун те земляного полотна было изуче но в условиях глубокого залегания фунтовых вод на автомобильной дороге М-52 «Чуйский тракт».

Экспериментальные данные заме ров параметров температурного режима фунта во время установки Рис. 8. Температу рный режим тепловой трубы и в центральном фунта и тепловой трубы:

канате тепловой трубы № I при 1 - фунт при бурении скважин ведены на рис. 8. Опыты свиде 14.01.2000г;

тельствуют о том, что централь 2 - в полости трубы 02.03.2000 г;

ный канат тепловой трубы не 3 - в полости трубы 06.04.2000 г промерзает в течение всего зимне го периода. Анатогичные зависи мости были получены экспериментально и в тепловой трубе № 3. Глубина залегания грунтовых вод в местах установки фуб № 1 и X? 3 превышата м, а у трубы № 2 - 5 м.

w. % FicrtOMHitи: шьктой ipvoM.ii Рис. 9. Сравнительная оценка Рис. 10. Влажность фунта на влияния тепловой трубы на зим- глубине 0,5 м в зоне влияния нее влагонакопление фунта: тепловой трубы:

глубина затегания фунтовых 1 - перед промерзанием;

2 - перед оттаиванием (контроль);

вод 5м;

влажность на контроле 3 - перед оттаиванием в условиях (на расстоянии 100 м от тепло регулирования (на расстоянии 5 м вой грубы) W= 18,2% от трубы) Сравнительная оценка влияния тепловой трубы № 2 на зимнее накоп ление влаги в I.тинистом грунте приведена на рис. 9 и 10. Полевые опыты показываю!, что использование тепловых труб в глинистых грунтах зем ляного полотна с глубоким залеганием грунтовых вол позволяет умень шить их влажность к моменту оттаивания на 20-30 % в слое 0,5 - 1 м. Диа метр влияния тепловой трубы составляет около 50 м.

Для изучения влияния тепловых труб на водно-тепловой режим в об водненном грунте земляного полотна объектом исследований был выбран участок автомобильной дороги «Алтай-Кузбасс» в выемке с напорными грунтовыми водами (км 136+690), выходящими на дневную поверхность.

Глинистый фунт земляного полотна изобилует пылевидными фракциями (0,005-0,001 до 12,8%;

менее 0, твердое до 27,7 %).

На опытном участке в скважины пластичное были установлены тепловые фубы №1, №2, №3.

жидкое Скважины были пробурены на глу бин) Ю м е выходом Рис. 11 Изменение влажности и состояния на водоносный гори глинистого грунта по глубине земляного по- зонт. Тепловая труба лотна на расстоянии 30 м от тепловой трубы №1 установлена 14 мая 2000 г. в пе риод возведения земляного полотна, а тепловые ф у б ы № 2 и № 3 - после ч-/ месяцев эксплуатации дороги. На HZ) ружный диаметр тепловых труб - ж= мм, длина - 10.5 м, внутренний диа метр центрального канала - 50 мм.

При установке всех трех тепловых труб наблюдался самоизлив напор ных фунтовых вод.

г При оценке влияния тепловой п трубы № 1 на водно-тепловой режим земляного полотна на обочине дороги через 10 месяцев эксплуатации / / дороги было установлено, что 4 I 2 влажность глинистого фунта в Рис. 12. Устройство для опреде- поверхностном слое земляного ления давления пу чения замерзаю- полотна 0 - 0,5 м снижается с 27 % до щего фунта: 17 % на расстоянии 30 м от тепловой 1 - поддон;

2 - капсула;

3 - фунт, трубы. Результаты опытных замеров 4 - фланец;

5 - корпус;

6 - незамер- влажности фунта представлены на зающая жидкость;

7 - манометр;

рис. 11. Опыты показывают, что 8 - заливной патрубок;

9 - регулиро вочный винт диаметр влияния тепловых труб составляет около 70 м.

Установка тепловых труб позволила обеспечить снижение влажности грунта земляного полотна, перевести глинистый грунт из текучепластич ного состояния в твердое и тем самым практически исключить пучение грунта в зоне их действия.

Для изучения влияния влажности замерзающего грунта на величину давления, возникающего в нем при пучении, разработан метод, сущность которого заключается в том, что пробу грунта замораживают в изолиро ванном объеме незамерзающей жидкости, измеряют давление этой жидко сти в проиессе замерзания пробы, и по величине давления жидкости судят о величине давления пучения грунта (заявка на патент. Ь 2001114131/ сМ от 23.05.2001). Схема устройства для реализации метода предоставлена на рис. 12.

Предварительные исследования показывают, что при изменении влажности суглинка тяжелого пылеватого от 28 до 47 %, давление пуче ния, возникающее в нем при промерзании изменяется от 3,9 до 5,3 МПа (от 40 до 55 кг/см-).

5. Рекомендации по регулированию водно-теплового режима грунтов земляною полотна автомобильных дорог Юго-Западной Си бири Приведены результаты разработки методов и технических средств ре гулирования водно-теплового и термодеформативного режимов грунтов земляного полотна, которые включают:

1. Аэрацию подмерзлотной зоны грунтов (первый и второй типы ув лажнения) через затрубное пространство и центральный канал тепловой трубы, устанавливаемой в скважине, соединяющей подмерзлотную зону с атмосферой.

2. Снижение избыточного гидростатического давления грунтовых вод в подмерзлотной зоне (третий тип увлажнения, близкое залегание грунтовых вод), возникающего за счет промерзания грунта с фазовым пе реходом воды из жидкого состояния в лед и при наличии напорных вод.

Полевые опыты свидетельствуют о том, что тепловые трубы позволяют снизить давление грунтовых вод в подмерзлотной зоне, перехватить и вы вести напорные воды в продольный водоотвод.

Наряду с указанными факторами тепловые трубы позволяют в течение всего года осуществлять замеры изменения термодинамических парамет ров фунта земляного полотна (температура, давление влагосодержание воздуха фунта) и колебаний уровня фунтовых вод. Схема установки теп ловой ф у б ы на обочине автомобильной дороги приведена на рис. 13.

В обводненных грунтах с напорными водами тепловые трубы исполь зуются в качестве вертикального дренажа с последующим отводом воды.

Схема отвода напорных вод вертикальным и продольным водоотводом, испытанного в выемке на км 137 автомобильной дороги «Алтай-Кузбасс», приведена на рис. 14.

Разработанные методы и технические средства по регулированию водно-теплового и термодеформативного режимов земляного полотна вне дрены на эксплуатируемых и реконструируемых автомо | Pa бильных дорогах (М-52 «Чуй ский факт», «Алтай-Кузбасс»).

Особенностью разработан ных тепловых труб является то, что в них используется теплота подмерзлотной зоны фунта, а тепловая рубашка устройств снабжается специальными на правляющими, способствую щими более интенсивной цир куляции незамерзающего теп лоносителя.

Экономический эффект внедрения научных разработок составляет 177,65 тыс. руб. на один приведенный км содержа ния эксплуатируемых автомо бильных дорог.

Рис. 13. Тепловая труба для диаг ностики и регулирования водно теплового режима земляного полотна при глубоком залегании грунтовых вод (Патент РФ № 2184328):

1 - колодец;

2 - тепловая рубашка;

3 - центральный канал 6 7 8 штгт JV//A Рис. 14. Схема отвода напорных вод вертикальным и продольным дренажем (Положительное реше Що.YA ние по заявке на патент N° *. * •• « •• • •' 2001118420):

V •V// Л //\ 1 - земляное полотно: 2 - бутовый \\/ \ J- * '..*'. '1- '.-л чЧ I г // ////Лгщ камень;

3 - слой щебня и песка:

4, 5 - дренирующий слой с дор Y///////A нитом;

6 - дорожная одежда:

7 - тепловая труба;

8 - фильтра V/ // /\ / / / ционная засыпка;

9 - дренажная \• • - —' труба: 10 - водоносный горизонт О Б Щ И Е ВЫВОДЫ 1. Экспериментально установлено, что промерзание грунтов земля ного полотна автомобильных дорог Юго-Западной Сибири сопровождает ся образованием вакуума в подмерзлотной зоне, который исчезает при бу рении скважин, соединяющих подмерзлотную зону с атмосферой. Восхо дящий перенос влаги в промерзающих фунтах начинается в III декаде сентября и меняется на нисходящий в I декаде мая.

2. Математическим моделированием процесса промерзания фунта земляного полотна, совмещающим решение задачи промерзания много слойной среды (дорожная одежда) и изотропного полупространства (грунтов земляного полотна), показано, что термофадиентный перенос влаги из глубинных слоев фунта к промерзающему слою способствует снижению темпов и глу бины продвижения фронта промерзания.

На основе теории термодиффузионного тепло- и массопереноса раз работан расчетный метод определения величины зимнего восходящего влагопереноса в фунтах с выраженной зоной аэрации (первый тип увлаж нения), особенностью которого является учет отведенной теплоты, тепло содержания и влагосодержания воздуха пор грунта, а также учет фадисн та давления, обусловливающего передвижение конденсата в порах. Для переувлажненных грунтов (третий тип увлажнения) в расчетном методе учитывается перенос влаги в жидкой форме за счет работы объемных сил температурного сжатия твердой фазы фунта.

3. Экспериментально подтверждена сходимость теоретических и экспериментальных данных изучения динамики продвижения фронта промерзания фунта земляного полотна. Выявлено, что аэрация подмерз лотной зоны грунта через зафубное пространство скважины и централь ный канат тепловой трубы приводят к исчезновению вакуума в подмерз лотной зоне и снижению величины восходящего влагопереноса на 20 30 %. Установка тепловой трубы в промерзающих фунтах с избыточным увлажнением позволяет уменьшить влажность рабочего слоя фунта зем ляного полотна на 25-35 %. Максимальный диаметр действия тепловой ФУ бы составляет около 70 м.

4. Разработаны метод и технические средства ре1улирования водно теплового режима фунта земляного полотна автомобильных дорог, пре дусматривающие аэрацию подмерзлотной зоны фунта (первый и второй тип увлажнения) и снижения избыточного гидростатического давления фунтовых вод (третий тип увлажнения) тепловыми трубами с канатом, соединяющим подмерзлотную зону с атмосферой или продольным водо отводом, не применявшиеся ранее в практике эксплуатации автомобиль ных дорог.

Список опубликованных по теме диссертации работ:

• Научные статьи:

1. Горяев В.Е., Толстенёв С.В. Перспективные методы повышения моро зоустойчивости дорожных одежд ' Тезисы докладов 111 Международ ного конгресса "Ресурсо- и энергосбережение в реконструкции и новом строительстве". Сб. научных трудов НГАСУ - Новосибирск. 2000 г. С. 48- 2. Горяев В.Е., Толстенёв С.В. Гидротермический режим земляного по лотна и методы повышения морозоустойчивости конструкций автомо бильных дорог в Алтайском крае // Совершенствование организации и технологии ремонта и содержания автомобильных дорог / Сб. научных трудов СибАДИ - Омск, 2001 г. - С. 248- 3. Горяев В.Е., Калинин Е.В., Галкин Г.И., Толстенёв С.В. Метод изуче ния давления от пучения замерзающих гру нтов земляного полотна экс плуатируемых автомобильных дорог // Проблемы и перспективы экс плуатации дорожной сеги Сибири и Дальнего Востока / Материалы на учно-практического семинара, ТГАСУ, Томск, 9-12 октября 2001 г. С. 77- 4. Толстенёв С.В. О регулировании водно-теплового и деформагивного режимов дорожной конструкции на промерзающих грунтах // Пути повышения качества и эффективности строительства, реконструкции, содержания автомобильных дорог и искусственных сооружений на них. / Труды всероссийской научно-практической конференции, АлтГТУ, Барнаул, 19-23 марта 2001 г. - С. 116- 5. Толстенёв С.В., Горяев В.Е. Новый метод регулирования водно теплового режима грунтов земляного полотна эксплуатируемых авто мобильных дорог // Архитектура и строительство. Международная на учно-техническая конференция, ТГАСУ, Томск, 11-12 октября 2002 г С. 47- 6. Толстенёв С.В., Горяев В.Е. Регулирование водного и теплового режи мов промерзающих глинистых грунтов при различных схемах увлаж нения земляного полотна // Проблемы и перспективы эксплуатации до рожной сети Сибири и Дальнего Востока // Материаты научно практического семинара. ТГАСУ, Томск, 9-12 октября 2001 г. — С. 49 7. Хвоинский Л.А., Горяев В.Е., Толстенёв С.В. Влагоперенос в зоне аэрации сезоннопромерзаюшего земляного полотна автомобильных дорог // Пути повышения качества и эффективности строительства ре конструкции, содержания автомобильных дорог и искусственных со оружений на них. // Труды всероссийской научно-практической конфе ренции, АлтГТУ, Барнаул, 19-23 марта2001 г. - С. 121-127.

• Свидетельства на полезные модели и патенты Российской Федерации:

1. Патент РФ X» 2182301 RU, С1 Термосифон / Хвоннский Л.А., Толсте нёв С.В., Горяев В.Е., Будянская Л.А. Заявлено 11.09.2000 г.

2. Патент РФ № 2184328 RU, С2 Способ работы термосифона Евстшне ев В В., Горяев B E., Хвоинскнй Л.А., Толстенёв С.В. Заявлено 27.07.2000 г.

3. Свидетельство на полезную модель № 22816 RU. U1 Тепловая труба Хвоинский Л.А., Толстенёв С В., Горяев В.Е., Горяев К В. Заявлено 03.07.2001 г.

4. Свидетельство на полезную модель.V? 20374 RU, U1 Тепловая тр\ба Хвоинский Л.А., Толстенёв С.В., Горяев В.Е. Заявлено 06.04.2001 г.

5. Решение о выдаче патента по заявке № 2001118420/03 от 03.07. Способ регулирования гидротермического режима земляного полотна автомобильной дороги на участках с напорными водами.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.