МТС-1 (одномерная задача)- для прогноза температурного режима грунтовых массивов, намываемых или отсыпаемых в заданном режиме послойно в течение одного и более лет с учетом межсезонных перерывов и переменных во времени условий теплообмена на поверхности, включая учет конвективного переноса тепла при намыве;
Рис. 4. Зависимость толщины слоя пенопласта δиз от суммы градусо-часов приведенных температур воздуха за теплый период Ал и допустимой глубины оттаивания грунта под теплоизоляцией s при укладке пенопласта:
a - на поверхности грунта; б - на глубине 0,4 м от поверхности; в - на глубине 0,8 м от поверхности; г - на глубине 1,6 м от поверхности.
Лед-2 и Лед-3 (двухмерная задача) - для прогноза изменений мерзлотно-грунтовых условий в однородных и разнообразных по теплофизическим свойствам, основаниях зданий, земляного полотна, мостов, водопропускных труб.
Лед-3 (двухмерная задача) - предназначена для моделирования процессов нестационарной теплопередачи в расчетной области со сложным ломаным контуром (например, насыпи с бермами, выемки с террассированными откосами и т.п.). Учитывает конвективный перенос тепла воздухом или фильтрующей водой при намыве и при оттаивании грунтов. На внешнем контуре расчетной области можно учитывать до 12-ти переменных во времени и одно постоянное снизу граничные условия. Расчетная область может включать неограниченное число разнообразных по свойствам материалов. Программа оттранслирована на языке Альфа-6 на ЭЦВМ БЭСМ-6;
ТСЛ-1-М (трехмерная задача). Позволяет учесть наличие в расчетной области до 8-ми различных материалов и 8-ми различных переменных во времени граничных условий. Может быть исследована сложная конфигурация расчетной области в виде комбинации блоков из прямоугольных параллелепипедов и призм. Данный алгоритм позволяет также решение задач в одно- и двухмерной постановке. В частности, разработан алгоритм ТЛ-1-М, для решения двухмерных задач;
Т-17а (двухмерная задача) предназначена для исследования процессов нестационарной теплопередачи в расчетной области со сложным ломаным контуром (например, насыпи и выемки на косогорах и т.п.). Позволяет учитывать влияние грунтовой воды, циркулирующей в деятельном слое, склонов и откосов выемок. На внешнем контуре расчетной области допускается 6 переменных во времени и одно постоянное граничные условия. Расчетная область может включать до 4-х разнородных материалов;
ТЛ-2 (двухмерная задача) предназначена для исследования процессов теплопередачи в расчетной области цилиндрического очертания. Допускается до 4-х видов разнородных материалов (включая твердеющий бетон). Температурный режим можно рассчитывать с учетом экзотермического выделения тепла при твердении бетона, в том числе в цилиндрических опорах мостов и тоннельной обделке, находящихся в контакте с вечномерзлым грунтом, а также исследовать ход нарастания прочности бетона во времени.
РQ007 (одно-, двухмерные задачи) объединяет возможности алгоритмов ТЛ-1-М и ТЛ-2. Она записана на языке Фортран и протранслирована на машине Минск-32 (1, 2).
Рабочая программа расчета может быть составлена ЭВМ из модулей - программных единиц, имеющихся в библиотеке ЭВМ, по указаниям головной программы, написанной программистом для конкретной задачи.
7.2. Для выполнения расчетов на ЭВМ необходимы исходные данные, характеризующие условия:
климатические (приведенная температура воздуха, толщина и плотность снежного покрова, скорость ветра);
мерзлотно-грунтовые (геологическое строение грунтового массива, физические и теплофизические свойства грунтов, вид поверхностного покрова, распространение и мощность вечномерзлых грунтов, температура грунта на глубине нулевых амплитуд, толщина слоя сезонного оттаивания или промерзания), а также конструктивно-технологические параметры, вооружения (конструкция и размеры, температура внутри сооружения, теплофизические характеристики материалов, сезон строительства и технология работ).
7.3. Выполнение расчетов включает: подготовку исходных данных, расчет на ЭВМ, обработку полученных результатов.
7.4. Расчет на ЭВМ состоит в последовательном выполнении следующих операций: ввод в читающее устройство ЭВМ программы расчета и исходной информации, счет по заданной программе и вывод результатов расчета на печать. Длительность расчета зависит от быстродействия ЭВМ, величины временного шага, количества блоков и продолжительности исследуемого процесса, составляя в большинстве случаев от 30 - 40 мин, до 2 - 3 ч на БЭСМ-4 и от 10 - 15 мин до 30 - 40 мин на БЭСМ-6.
7.5. Результаты расчета фиксируются печатающим устройством машины в виде значений температур и количеств теплоты фазовых переходов в блоках на любые наперед заданные моменты времени. По результатам расчета строят графики изменения во времени глубины промерзания и оттаивания, а также температуре поля, соответствующие экстремальным условиям промерзания и оттаивания: при расчете максимального промерзания - по состоянию на март-апрель, максимального оттаивания - на сентябрь-октябрь.
В зависимости от цели прогноза результаты расчета могут быть представлены также графиками: изменения изотермы оттаивания в процессе формирования установившегося температурного режима (для расчета динамики осадки сооружения, изменения температуры грунта по глубине в характерных сечениях области (например, у фундамента здания при расчете его на выпучивание) и др.
8. Примеры расчета.
Пример 1. Требуется определить глубину сезонного оттаивания грунта под подушкой из песчано-гравийной смеси толщиной 0,8 м (λт = 1,2 ккал/м∙ч∙°С, Qг = 10000 ккал/м3), подстилаемой супесчаным льдонасыщенным грунтом (λт = 0,3 ккал/м∙ч∙С, Qо = 29100 ккал/м3).
Сумма градусо-часов приведенных температур воздуха за летний период Ал = 55000 град-ч.
1. По номограмме 3 при Ал = 55000 град-ч находим:
hсо = 1,58 м, hпо = 2,45 м; определяем h0 = 2,45 - 1,58 = 1,88 м;
2. По формуле (19):
3. По формуле (20):
4. По формуле (21): ho = 1,88 - 1,58 = 0,30 м;
5. По формуле (22):
6. Полная глубина оттаивания от поверхности подсыпки составит
h = 0,82 + 0,67 = 1,49 м.
Пример 2. Требуется определить изменение температуры грунта на глубине нулевых годовых амплитуд по оси полосы грунта шириной = 30 м, оголенной от растительного покрова. Среднегодовая температура грунта на окружающей территории, определенная в период изысканий, составляет минус 3,2 °С. Климатические условия района характеризуют следующие данные: среднемесячные величины приведенных температур самого теплого и самого холодного месяцев составляют tл = 18,2 °С, t3 = -32,1 °С; среднее термическое сопротивление снежного покрова за зимний период равно Rз = 1,4 м2∙ч∙°С/ккал; грунты площадки представлены льдонасыщенной супесью, имеющей коэффициенты теплопроводности в талом и мерзлом состояниях соответственно λт = 0,30 ккал/м∙ч∙°С, λм = 0,75 ккал/м∙ч∙°С, глубина нулевых годовых амплитуд Н0 = 15 м.
1. По формуле (6) определяем амплитуду годового хода среднемесячных приведенных температур воздуха
2. По формуле (4) определяем
tв = 18,2 - 25,15 ≈ - 7 °С.
3. Вычисляем значение параметра kλ, необходимого для пользования номограммой рис. 1
4. По номограмме рис. 1 при tв = - 7, R = 1,4 и kλ =0,4 определяем tг = 4,8 °С, тогда tг = 4,8 - 7 = - 2,2 °С.
5. Вычисляем значения безразмерного параметра Е, необходимого для пользования графиком рис. 2.
6. По номограмме рис. 2 находим:
D = 0,575.
7. По формуле (13) находим температуру на глубине нулевых годовых амплитуд по оси полосы оголенного грунта
tг = - 3,2 - 0,575 (- 3,2 + 2,2) = - 2,6 °С.
Пример 3. Для условий, рассмотренных в примере 1, требуется определить толщину слоя пенопласта, который следует уложить под песчаной подушкой мощностью 0,8 м, чтобы полностью исключить оттаивание подстилающих льдонасыщенных грунтов.
1. По графику рис. 4, в при Ал = 55000 град-ч и s = 0 м получаем
δ = 17 см.
2. Если слой теплоизоляции разместить в толще насыпного грунта на глубине 0,4 м от поверхности и допустить оттаивание слоя дренирующего грунта ниже пенопласта на глубину 0,4 м, то по графику рис. 4, б определяем толщину слоя пенопласта, равную 6 см.
Список литературы
1. Пассек В.В., Бродский А.М. Алгоритм «Расчет трехмерных температурных полей в основании и теле транспортных сооружений» (РQ021), Госфонд алгоритмов и программ, П004942, Бюлл. № 6 (44), 1981.
2. Пассек В.В. Алгоритм «Расчет температурного режима основания и тела транспортных сооружений (РQ007)», Госфонд алгоритмов и программ, П005248, Бюлл. № 3 (47), 1982.
Приложение 7
Рекомендуемое
Методика расчета толщины слоя замены слабого и пучинистого грунта дренирующим
Величину замены определяют расчетами, исходя из условий: обеспечения требуемой прочности основной площадки и ограничения величины деформаций железнодорожного пути под воздействием морозного пучения грунтов земляного полотна.
Расчет величины замены с целью обеспечения требуемой прочности основной площадки выполняют в такой последовательности:
1. Устанавливают величину нормативного давления под подошвой шпалы от воздействия поездной нагрузки.
2. Производят расчет и составляют график распределения нормальных напряжений по глубине от бровки полотна h от действия постоянной и поездной нагрузок (рис. 1).
3. Определяют величину критического давления ркр для двух значений глубины h, например h = 0, h = 1 м по формуле
(1)
где А и Б - параметры, значения которых устанавливают по номограмме рис. 2, в зависимости от сдвиговых характеристик грунта - сцепления С, кПа и угла внутреннего трения, , град.
Рис. 1. Кривые распределения по глубине нормальных напряжений в грунтах основания в зависимости от внешнего давления ркр:
1, 2, 4 - при давлении под шпалой, равном соответственно 2,4 и 6 кг/см2; 3 - прямая изменения бытового давления ркр грунта при С = 0,15 кг/см2; γ = 10° (к примеру расчета)
Значения критического давления при h = 0 и h = 1 м наносят на график =f(h) и через них проводят прямую ркр = f(h), характеризующую закономерность изменения критического давления по глубине.
4. По точке пересечения кривой ?? = f(h), величине нормативного давления поездной нагрузки и прямой ркр = f(h) устанавливают глубину hкр, на которой величина действующих напряжений равна величине критического давления для данного грунта. Согласно теоретическим зависимостям на этой и больших глубинах возможность возникновения остаточных деформаций грунта в пределах основной площадки земляного полотна при действии расчетной нагрузки исключается. Поэтому толщину слоя замены hз можно назначать по условию
hз ³ hкр. (2)
Рис. 2. Кривые зависимости параметров А и Б от прочностных характеристик грунта:
1 - А = f(γ), 2 - 7 - кривые зависимости параметра Б от γ при С, равном соответственно 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0 т/м3
5. Величину замены слабого грунта h’3 с целью ограничения деформаций пути под воздействием морозного пучения промерзающих грунтов земляного полотна определяют по формуле
(3)
где Н - глубина сезонного промерзания; hд - допустимая высота пучения промерзающих грунтов основания, принимаемая в зависимости от скорости движения поездов, км/ч; f - интенсивность пучения грунтов естественного основания в долях единицы, принимаемая по табл. 1 рекомендуемого приложения 9; λ, λдр - коэффициенты теплопроводности соответственно мерзлого и дренирующего грунтов замены, Вт/м∙°С;
|
Скорость движения поездов, км/ч |
Допустимая величина суммарного пучения hд, мм |
|
50 51 - 70 71 - 120 121 - 180 |
50 35 25 20 |
6. Толщину слоя замены целесообразно назначать равной большей из величин, полученных по формулам (1) - (3), но не более 1,5 м.
Примеры расчета
Дано. При инженерно-геологических изысканиях установлено, что основание выемки сложено пылеватыми суглинками, имеющими естественную влажность, равную Wр + 0,5 Wп, и следующие величины физико-механических и теплофизических характеристик:
γ = 2 т/м3; С = 15 кПа, = 10°;
глубина сезонного промерзания Н = 240 см.
Решение. Выполняют расчет по условиям прочности основной площадки земляного полотна.
Строят график распределения напряжений = f(h) по глубине (см. рис. 1). Для построения прямой по номограмме, приведенной на рис. 2, в зависимости от заданных величин С и находят значения А = 0,32 м3/т и Б = 2,0 м.
Задаваясь значениями глубины h = 0 и h = 1 м, получают точки прямой, характеризующей бытовое давление на этих глубинах при полученных значениях А и Б
По этим точкам на график распределения напряжений (см. рис. 1) наносят прямую и находят точку ее пересечения с кривой 2; ордината точки пересечения соответствует глубине hкр. В данном примере hкp = 90 см.
Выполняют расчет по условиям воздействия морозного пучения.
При скорости движения до 70 км/ч находят hд = 35 мм. Интенсивность пучения f = 0,15 (см. табл. 2 рекомендуемого приложения 9) при влажности Wр + 0,5 Wп. Теплопроводность пылеватого суглинка при этой влажности λ =1,75 ккал/м∙град-ч, теплопроводность дренирующего грунта λдр = 1,35 ккал/м∙град-ч (песок, γ = 1,6 т/м3 при влажности W = 10 %).
Подставляя приведенные данные в формулу (3), получим
В данном случае h’3 > h3. поэтому величину вырезки требуется назначать по величине h’3. Но учитывая, что она больше 1,5 м, назначаем толщину слоя замены, равную 1,5 м, и одновременно предусматриваем мероприятия, направленные на осушение глинистых грунтов основания в зависимости от гидрогеологических, топографических и других природных условий1.
1 Методические рекомендации по проектированию земляного полотна железных дорог на пучинистых грунтах в суровых климатических условиях, М., ЦНИИС, 1986.
Приложение 8
Рекомендуемое
Методика расчета укрепления откосов обсыпками из дренирующего и крупнообломочного грунтов
1. Укрепление откосов обсыпками из дренирующих и крупнообломочных грунтов применяют для предотвращения эрозионных повреждений поверхности откосов или образования сплывов. Для защиты откосов от эрозионных процессов толщину обсыпки назначают конструктивно в пределах от 0,2 до 0,5 м, в зависимости от высоты и крутизны откоса, вида грунта в откосе и материала обсыпки.
