|
DOI: 10.7256/2453-8922.2022.2.38103
EDN: ENCKQG
Дата направления статьи в редакцию:
19-05-2022
Дата публикации:
25-07-2022
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
Abstract: One of the important parameters determining technical solutions in the design of highways in the cryolithozone is the depth of thawing of the soils of the road base. The aim of the work was to quantify the degree of influence of the iciness of the soil foundations of roads in the cryolithozone on the depth of their seasonal thawing. For the analysis, the classical formula for calculating the thawing depth for bodies of plane symmetry, obtained by solving the single-phase Stefan problem, was used. The results of calculations are presented in the form of 2D and 3D graphs, which allow us to visually assess the effect of the iciness of the soil and the degree of its change during the operation of the road on the depth of thawing of the road base. It was found, in particular, that the degree of change in the depth of thawing at the same value of the increase in ice content in different ranges (for example, from 10 to 20% and from 30 to 40%) for the considered typical case of the ground base of the cryolithozone decreases by almost 1.3 times. It is shown that the greater the initial iciness of the soil, the degree of decrease in the depth of thawing when the iciness changes by a constant value will be less. A 3D graph was built to determine the depth of thawing of the soils of the active layer of the road base in a wide range of possible changes in ice content during the construction and use of the highway. The availability of a schedule allows to quickly assess possible options for changing the depth of thawing and make a correct, informed technical decision when designing the road. For example, when assessing the need to use a special heat-protective layer in road clothing. Further directions of research in this area should be aimed at studying the effect of humidity (iciness) of dispersed soils on the depth of thawing of road foundations, taking into account the dependence of the density and thermal conductivity of the soil on the iciness.
Keywords: automobile road, permafrost, forecast, thawing depth, iciness, 3D graph, designing, degree of change, temperature, calculation
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: τ – длительность теплого периода года, с; λ – коэффициент теплопроводности талого грунта, Вт/м·К;t – средняя температура воздуха за период оттаивания, 0С; 𝜌 – плотность грунта, кг/м3;L – скрытая теплота плавления льда, Дж/кг; ω – 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 [11] 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 «β», характеризующий степень изменения глубины оттаивания грунтов деятельного слоя дорожного основания при изменении влажности (льдистости) в период эксплуатации автомобильно дороги.
 (2)
Где:ωi– влажность (льдистость) грунта, естественная (i=1) и техногенная (i=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) преобразуем к виду
 (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 – «Nt», месяц·оС.
Рис. 1. Глубина оттаивания грунта дорожного основания в зависимости от льдистости W, (д.е.) для различных значений комплекса «Nt» (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 (Nt)=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 «Nt»,месяц·оС)
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 оттаивания
|
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 «β», 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».М.: «Геомаркет», 2018. С.309-314.
2. Железняк М.Н., Шестернев Д.М., Литовко А.В. Проблемы устойчивости автомобильных дорог в криолитозоне//Материалы докладов XIV Общероссийской научно-практической конференции и выставки «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации» М.: «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 М.М. Современное состояние городской инфраструктуры г. Якутска и пути повышения ее надежности// Геориск. – 2011. – №2. – С. 40–46.
5. Сериков С.И., Шац М.М. Морозобойное 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. М. Методы управления сезонным промерзанием грунтов в Забайкалье. – Новосибирск: Наука. – 1987. – 128 с.
8. Геокриология СССР. Средняя Сибирь / Под.ред. Э.Д. Ершова. – М.: 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».-МЦНС «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. — М.: 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. GalkinА.F.,Kurta I.V., PankovV.Yu. Calculation of thermal conductivity coefficient of thermal insulation mixtures.IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 918 (2020) 012009.
References
1. Shesternev D.M., Litovko A.V. Comprehensive research on the identification of deformations on the Amur highway Materials of the XIV All-Russian Scientific and Practical Conference and Exhibition "Prospects for the Development of Engineering Surveys in Construction in the Russian Federation". Moscow: "Geomarket", 2018. P.309-314.
2. Zheleznyak M.N., Shesternev D.M., Litovko A.V. Problems of stability of roads in cryolithozone // Materials of reports of the XIV All-Russian Scientific and Practical Conference and Exhibition "Prospects for the Development of Engineering Surveys in Construction in the Russian Federation" M.: "Geomarket", 2018. P. 223-227.
3. Kondratyev V.G., Kondratyev S.V. How to protect the federal highway "Amur" Chita-Khabarovsk from dangerous engineering and geocryological processes and phenomena // Engineering geology. 2013. No 5. P. 40-47.
4. Schatz M.M. The current state of the city infrastructure of Yakutsk and ways to improve its reliability // Georisk. – 2011. – N2. – P. 40–46.
5. Serikov S.I., Shats M.M. Morozoboynoe cracking of soils and its role in the state of the surface and infrastructure of Yakutsk // Vestnik Permskogo natsional'nogo issledovatel'nogo polytechnicogo universiteta. Applied ecology. Urbanistics. 2018. №1. pp. 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. Zheleznyak I. I., Sakisyan R. M. Methods of management of seasonal freezing of soils in Transbaikalia. – Novosibirsk: Nauka. – 1987. – 128 p.
8. Geocryologiya SSSR. Srednyaya Sibir / Pod. red. E.D. Ershova. – M.: Nedra. – 1989. – 414 p.
9. Pankov V.Yu., Burnasheva S.G. Analysis of ways to protect roads from negative cryogenic processes / / B sat. "The best student article 2020".-ICNS "Science and Education"-2020-P.52-55.
10. Handbook of Construction on Permafrost Soils / Ed. by Yu.Y. Veli, V.V. Dokuchaev, N.F. Fedorova. — L.: Stroyizdat, 1977. —552 p.
11. Galkin A.F., Kurta I.V. The influence of temperature on the depth of thawing of frozen rocks. Mining Information and Analytical Bulletin (scientific and technical journal). – 2020. – No 2. – P. 82–91. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-2-0-82-91.
12. Goodman T.R. Application of integral methods in nonlinear problems of non-stationary heat transfer // Collection of articles: Problems of heat exchange. — M.: Atomizdat, 1967.— P. 41-95.
13. Galkin A.F., Kurta I.V., Pankov V.Yu., Potapov A.V. Evaluation of the effectiveness of using the layered structure of thermal protection in the construction of roads in cryolithozone // Energy safety and energy saving. – 2020.-No 4.-P.24-28. DOI: 10.18635/2071-2219-2020-4-24-28
14. Klochkov Ya.V., Nepomniashchikh E.V., Lineitsev V.Yu. Application of foam glass for the regulation of the thermal regime of soils in complex climatic conditions // Vestnik ZabGU. 2015. No 06 (121). P. 9-15.
15. GalkinА.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-D -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.
|
Перевести страницу на:
Статья опубликована с лицензией Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License (CC BY-NC 4.0) – Лицензия «С указанием авторства – Некоммерческая».
© 1998 – 2024 Nota Bene. Publishing Technologies. NB-Media Ltd.
