Проблематика
Основания железных дорог, расположенных в зонах распространения многолетнемерзлых грунтов, независимо от срока эксплуатации испытывают проблемы с устойчивостью. Причинами могут являться осадки при оттаивании льдистых грунтов или пучение при промерзании влажных дисперсных грунтов. В силу сезонных процессов оттаивания, усиливаемых глобальным потеплением климата, насыпь железной дороги, а вследствие, и железнодорожные пути, деформируются, что может приводить к значительным повреждениям участков сети железных дорог. Специфика железных дорог, как протяженных линейных объектов, состоит и в том, что им свойственны разнообразные мерзлотно-грунтовые и климатические условия, различные условия снегонакопления, интенсивности воздействия солнечной радиации и т.д.
Железная дорога в зоне распространения вечной мерзлоты
Требования нормативной документации к прогнозу температурного режима основания
В связи с вышеперечисленными причинами, в районах распространения вечномерзлых грунтов при проектировании необходимо оценивать эффективность и целесообразность тех или иных защитных мероприятий, например, промораживания грунта с помощью сезоннодействующих охлаждающих устройств (СОУ), укладки теплоизоляционных экранов, установки солнцеосадкозащитных навесов, использования каменных набросок и т.д.
Согласно основным положениям проектирования железных дорог в районах вечной мерзлоты (СП 447.1325800.2019) прогноз температурного режима грунтов рекомендуется выполнять двумя методами: точным и приближенным. Для точного расчета рекомендуется применять современные программные комплексы, основанные на численных методах, такие как Frost.Термо.
3D-модель железной дороги
Постановка задачи для выполнения прогноза температурного режима основания железнодорожного полотна
Рассматриваемый протяженный участок железной дороги сложен различными мерзлотно-грунтовыми условиями. Вдоль ж/д путей встречаются участки с распространением высокотемпературной мерзлоты, а также участки с ее заглубленной кровлей. В связи с этим для участков могут применятся I и II принципы использования ММГ в качестве основания, а, соответственно, и различные технические решения.
Необходимо провести моделирование теплового режима основания насыпи участка железной дороги на границе применения I и II принципа проектирования. Вдоль всего моделируемого участка применена теплоизоляция, выполненная из гранулированного теплоизоляционного материала, укладываемого в откосе насыпи. В зоне применения I принципа дополнительно применены пологонаклонные термостабилизаторы (СОУ). По итогам моделирования следует сделать вывод о достаточности применяемых защитных мероприятий для обеспечения I принципа использования ММГ в качестве основания на конец прогнозного периода и о допустимости применения II принципа на оставшемся участке ж/д путей.
Схема расстановки термостабилизаторов под ж/д полотном (вид сбоку)
Схема расстановки термостабилизаторов под ж/д полотном (вид сверху)
Ориентация откосов насыпи: Север–Юг. Высота снега на откосах принята с коэффициентом 1,7 к высоте в естественных условиях, на основной площадке, в связи с постоянной очисткой железнодорожного пути по условиям эксплуатации, – 0,1 м. Для оценки дополнительного теплопритока на южный откос насыпи и естественную поверхность грунта за счет воздействия солнечной радиации на горизонтальную поверхность для 51° с. ш. использованы данные из СП 131.13330 «Строительная климатология».
Тепловой прогнозный расчет необходимо провести на срок 20 лет с даты замера в термометрической скважине.
Температурный режим грунтов железной дороги в естественных условиях
Трехмерная модель объекта
После построения геометрии на редакторе 2D, заполнения базы данными по материалам и граничным условиям, используемым в расчете, получаем интересующую нас 3D-модель.
Создание сложных элементов 3D-геометрии может сопровождаться трудностями, однако широкий инструментарий Frost.Термо позволяет удобно моделировать откосы насыпи, теплоизолятор на откосах и у подошвы насыпи, термостабилизаторы (СОУ), а также прочие объекты любой сложности.
Элементы 3D-модели железнодорожного полотна, влияющие на теплотехнический расчет
Особенности дискретизации расчетной модели
После построения 3D-модели и назначения объектам материалов, а граням расчетной модели – граничных условий, осуществляется этап построения расчетной сетки. На данном этапе, для улучшения дискретизации в месте заложения теплоизоляционного материала, была локально сгущена область расчетной сетки на стыке элементов со сложной геометрией (откосов, теплоизолятора, СОУ).
Расчетная сетка для 3D-моделирования железнодорожного полотна
Анализ результатов моделирования
После того как построена расчетная сетка и проверена корректность перенесенных граничных условий, происходит запуск модели на расчет. Результаты моделирования во Frost.Термо можно оценить в виде 3D-модели, цветовое распределение которой соответствует полю температур, полученному в расчетную итерацию.
Результат прогноза: температурное распределение в теле ж/д насыпи с учетом работы СОУ (участок с I принципом проектирования)
Результат прогноза: температурное распределение в теле ж/д насыпи на участке без СОУ (участок с II принципом проектирования)
Анализ результатов также возможен в виде двухмерных сечений с изотермами и бергштрихами.
Распределение температур под ж/д полотном с индикацией мерзлых и талых зон посредством бергштрихов (участок с I принципом проектирования)
Доля незамерзшей воды под ж/д полотном с индикацией мерзлых и талых зон посредством бергштрихов (участок с I принципом проектирования)
Помимо перечисленных также используется инструмент для создания графиков. Доступен импорт числовых значений в таблицу Excel.
Графики температурного распределения грунтов в различные периоды эксплуатации железной дороги (участок с I принципом проектирования)
Выводы по расчету
Участок с I принципом проектирования
По результатам моделирования расчетного участка железной дороги в рассматриваемых мерзлотно-геологических условиях, с учетом работы СОУ и наличия теплоизоляционного материала, частично уложенного в откосную часть согласно предложенной схеме, можно отметить, что деятельный слой в основании путей на протяжении всего расчетного периода находится в теле насыпи. Принятые конструктивные решения обеспечивают надежность эксплуатации ж/д дороги на весь моделируемый период.
Эффективность применения СОУ для защиты грунтов основания ж/д насыпи
Участок с II принципом проектирования
Согласно результатам прогнозного моделирования, с увеличением срока эксплуатации под действием климатического фактора, учитывающего глобальное потепление, наблюдается формирование таликовой зоны в рассматриваемом расчетном участке. В основании южного откоса наблюдается более интенсивное оттаивание в силу учета дополнительного влияния солнечной радиации. На основании произведенного расчета требуется выполнение расчета осадки грунтов основания с помощью, например, Frost.Осадка. С учетом полученных значений осадки грунтов основания может потребоваться рассмотрение других конструктивных решений по устройству насыпи или дополнительных защитных мероприятий для обеспечения устойчивости откосов насыпи и соблюдения I принципа использования ММГ в качестве основания.