Влияние инсоляции на температурный режим грунтов

Науки о Земле

УДК 624.139.26

Клочков Яков Владимирович Yakov Klochkov

ВЛИЯНИЕ ИНСОЛЯЦИИ НА ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ ГРУНТОВ

THE INFLUENCE OF INSOLATION ON THE TEMPERATURE REGIME OF SOILS

При проектировании, строительстве и эксплуатации автомобильных и железных дорог особое внимание необходимо уделить теплотехническим расчетам. Согласно исследованиям по влиянию возведенных насыпей на состояние многолетнемерзлых грунтов, возможно внедрение верхней границы мерзлоты в тело насыпи. Для определения степени влияния ориентации откосов насыпи произведено моделирование температурного режима насыпи высотой 10 м, построенной на многолетнемерзлых грунтах для климатических условий г. Чита. При определенной экспозиции, когда откосы направлены на север и юг, возможно расположение границы многолетнемерзлых грунтов в виде асимметричного по форме мёрзлого «горба», смещённого к центру откоса северной экспозиции. Температурное поле насыпи с ориентацией откосов север-юг имеет существенное отличие от температурного поля насыпи с ориентацией откосов запад-восток. В первом случае внедрение границы многолетнемерзлых грунтов происходит в основном с северной стороны, а во втором — равномерно с восточной и западной. Если происходит внедрение границы многолетнемерзлых пород в тело насыпи, то необходимо рассмотреть вопрос устойчивости ее откосов. Если тело насыпи состоит из супеси, то коэффициент устойчивости откосов насыпи составит 1,19, а с южной — 1,16. При увлажнении свойства грунтов могут измениться, что, соответственно, приведет к снижению коэффициента устойчивости: с северной стороны до 1,12, с южной — до 1,02. Все это может привести к нарушению стабильной работы сооружения и чрезвычайным ситуациям. Поэтому проектирование, строительство и реконструкция железных и автомо-

In the design, construction and maintenance of roads and railways special attention is paid to thermal calculations. According to researches on the effect of high embankment built on permafrost soil it is possible to introduce the upper permafrost layer in the body of the mound. To determine the degree of embankment slopes' orientation influence, a temperature mode of the embankment with a height of 10 m was built on permafrost soils for the climatic conditions of Chita. At a certain exposure, when the slope faces the North and the South, it is possible to locate the border of permafrost soils in the form of asymmetric frozen «hump», which is offset to the center of the slope of the Northern exposure. The temperature field of the embankment with the orientation of the slopes to the North-South has a significant difference from the temperature field of the embankment with the orientation of the slopes from the West to the East. In the first case, the introduction of the boundaries of permafrost soils occurs mainly on the North side and the second uniformly to the East and the West. If the boundary of permafrost is in the body of the mound, it is also important to change the sustainability of its slopes. If the body of the mound consists of a sandy loam, the coefficient of the slope stability of the embankment would be 1.19, and from the South — 1.16. In wet soils the resistance coefficient reduces at the North side to 1.12, at the South side to 1.02. All this may lead to violation of construction's stable operation and emergency situations. Therefore, the design, construction and reconstruction of railways and roads in the areas of permafrost soils, especially in winters with little snow and a large number of hours with the sun, must be made with consideration of the region's peculiarities

бильных дорог в районах распространения вечной мерзлоты, особенно в условиях малоснежных зим и большого количества часов с солнцем, должны производиться с учетом особенностей региона

Ключевые слова: земляное полотно, многолет-немерзлые грунты, температурный режим, математическое моделирование, инсоляция, экспозиция

Key words: permafrost soils, temperature regime, mathematical modeling, insolation, exposure, permafrost

При проектировании, строительстве и эксплуатации автомобильных и железных дорог особое внимание необходимо уделить теплотехническим расчетам [4, 5, 6, 8], которые учитывают тепловой режим грунтов насыпи и ее основания, возможные изменения мощности снежного покрова, мерзлотно-грунтовых, гидрогеологических и других естественных условий в связи с постройкой данного сооружения, скорость и глубину оттаивания грунтов основания, смещение границы многолетнемерзлых грунтов. Одним из регионов, где наблюдается самое большое количество солнечных дней при отрицательной среднегодовой температуре, является Забайкалье [2, 7].

Климат Забайкалья — резко континентальный и характеризуется незначительной облачностью и малым количеством осадков. Благодаря прозрачной атмосфере, происходит быстрое прогревание поверхности земли летом и быстрое ее охлаждение зимой. Такие же значительные температурные колебания происходят в течение суточного цикла. Как следствие значительных перепадов температуры воздуха здесь обычно морозная зима, которая длится на три месяца дольше календарной, и жаркое лето. Малое количество снега и морозы способствуют промерзанию почвы, итогом чего становится многолетняя мерзлота со сплошным распространением в северных районах территорий и островным — в южных. С половины декабря до конца января морозы доходят до минус 40 С. Суточные летние колебания температуры в пределах 15...18 °С. Таким образом, необходимо выделить следующие природно-климатические особенности Забайкалья: малос-

нежные зимы, большая протяженность холодного периода года, большое количество солнечных часов, распространение много-летнемерзлых грунтов.

Согласно исследованиям по влиянию возведенных насыпей на состояние много-летнемерзлых грунтов, возможно внедрение верхней границы мерзлоты в тело насыпи [1]. При определенной экспозиции, когда откосы направлены на север и юг, возможно расположение границы много-летнемерзлых грунтов в виде асимметричного по форме мёрзлого «горба», смещённого к центру откоса северной экспозиции. Наличие в теле насыпи значительного по высоте мёрзлого «горба» асимметричной формы может послужить причиной сползания верхней части южного откоса насыпи по поверхности мерзлоты.

С ростом высоты насыпей их отепляющее влияние на термику грунтов основания возрастает [9, 10, 11]. Увеличивается также степень влияния ориентации откосов насыпи на глубину залегания верхней границы мерзлоты под различными элементами конструкции земляного полотна и температурный режим подстилающих грунтов.

Скорость этих процессов зависит от многих совместно действующих природно-климатических, инженерно-геологических и антропогенных (конструктивно-технологических) факторов. Однако, судя по темпам стабилизации осадки насыпей на эксплуатируемых железных дорогах, можно заключить, что этот процесс растягивается на многие десятки лет и варьирует в диапазоне 25...70 лет и более.

Для расчета температурного поля автором разработана математическая мо-

дель, общее поступление теплоты в которой определяется по формуле

где <2Т = <Зт(х,уД, с ) — функционал, определяющий количество теплоты, поступившее за счет теплопроводности;

Ок = ОЛКУ.Т^) - функционал, определяющий количество теплоты, поступившее за счет конвекции;

= ЩУ, Тввз) - функционал, определяющий количество теплоты, отданное за счет излучения;

5". = т, фф ~ функционал, определяющий количество теплоты, получаемое за счет солнечной радиации;

Щ = (х,у, ГЕ0Д) - функционал, оире-деляющий количество теплоты, получаемое грунтом за счет фильтрации грунтовых вод;

; = — коэффициент теплопроводности грунта, Вт/м °С;

с = с(Г) — теплоемкость грунта, Дж/ кг°С;

Т — температура грунта, С; TB0=TS0S{t) — температура воздуха, °С; S = (5(0 — склонение солнца; i>s = 4's(t) — азимут солнца; т = тщ — часовой угол Солнца; твод — температура грунтовых вод, С. t — время.

Для определения степени влияния ориентации откосов насыпи на температурный режим грунтов произведено моделирование температурного режима насыпи высотой 10 м и ее основания для климатических условий г. Чита, построенной на многолетне-мерзлых грунтах. Первоначальная глубина залегания многолетнемерзлых грунтов 3 м. По результатам моделирования двадцатилетней эксплуатации насыпи получено следующее распределение температурных полей в момент наибольшего оттаивания грунтов (рис. 1, 2).

Рис. 1. Результаты моделирования температурного поля в грунте при ориентации насыпи Север - Юг

Восток

Запад

Рис. 2. Результаты моделирования температурного поля в грунте при ориентации насыпи Восток - Запад

Температурное поле насыпи с ориентацией откосов север — юг имеет существенное отличие от температурного поля насыпи с ориентацией откосов запад — восток. В первом случае внедрение границы многолетнемерзлых грунтов произошло в основном с северной стороны, а во втором — равномерно с восточной и западной. Необходимо отметить, что температурный режим насыпей, сооружаемых в южных районах распространения многолетнемерзлых грунтов, отличается неустойчивостью и реагированием на любые изменения внешних условий теплообмена, и вопрос о глубине залегания верхней границы мерзлоты и температурном режиме грунтов в основании насыпей в каждом конкретном случае следует обосновывать теплотехническими расчётами. Отсутствие рассмотрения данных факторов может привести к существенному увеличению затрат на противодеформационные мероприятия при текущем содержании объекта, которые по своим размерам могут превысить капитальные вложения при строительстве.

В случае, если происходит внедрение границы многолетнемерзлых пород в тело насыпи, необходимо рассмотреть вопрос

Литература_

1. Васильев И.С. Реакция термического режима почвогрунтов Якутии на современные изменения климата / / Метеорология и гидрология. 1999. № 2. С. 98-103.

2. Геокриологические опасности. Тематический том / под ред. Л.С. Гарагули, Э.Д. Ершова. М.: Издательская фирма «КРУК», 2000. 316 с.

3. Жданова С.М. Особенности развития деформации насыпей на слабых при оттаивании веч-номерзлых основаниях: тезисы докладов XXXVII науч.-техн. конф. ХабИИЖТа. Хабаровск, 1991. С. 124-125.

4. Жданова С.М. Принципы обеспечения стабилизации земляного полотна в южной зоне вечной мерзлоты: автореф. дис. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. Хабаровск, 2007. 160 с.

5. Клочков Я.В., Непомнящих Е.В. Мероприятия по улучшению водно-теплового режима водоотводных сооружений // Вестник Забайкальского государственного университета. 2014. № 12 (115). С. 12-21.

устойчивости ее откосов. В случае, если тело насыпи состоит из супеси, то коэффициент устойчивости откосов насыпи при нагрузке 8,3 кН с северной стороны по методике профессора Г.М. Шахунянца составит 1,19, а с южной — 1,16. Однако отмечены случаи, что при наличии много-летнемерзлых грунтов в теле насыпи наблюдается повышение влажности грунтов, если в теле насыпи есть площадки водоупорного слоя, где вода может застаиваться, как, например, при ориентации откосов север — юг. При увлажнении грунтов насыпи происходит снижение коэффициента устойчивости: с северной стороны до 1,12, с южной — до 1,02. Все это может привести к нарушению стабильной работы сооружения и чрезвычайным ситуациям.

Таким образом, инсоляция оказывает сильное влияние на температурный режим грунтовых сооружений, а проектирование, строительство и реконструкция железных и автомобильных дорог в районах распространения вечной мерзлоты, особенно в условиях малоснежных зим и большого количества часов с солнцем, должны производиться с учетом особенностей региона.

_References

1. Vasiliev I.S. Meteorologiya i gidrologiya (Meteorology and Hydrology), 1999, no. 2, pp. 98-103.

2. Geokriologicheskie opasnosti. Tematicheskiy tom [Geocryological danger. Thematic volume]: ed. L.S. Garagulya, E.D. Yershov. Moscow: Publishing Firm «CROOK», 2000. 316 pp.

3. Zhdanova S.M. Tezisy dokladov XXXVII nauchno-tehnicheskoy konferentsii HabIIZhTa (Abstracts of the XXXVII scientific and engineering. conf. of HablIZhT). Khabarovsk, 1991, pp. 124-125.

4. Zhdanova S.M. Principles of subgrade stabilization in the southern permafrost [Printsipy obespech-eniya stabilizatsii zemlyanogo polotna v yuzhnoy zone vechnoy merzloty]: abstract. diss. cand. tehn. sciences. Khabarovsk, 2007.

5. Klotchkov Ya.V., Nepomnyashchikh E.V. Vestn. Zab. Gos. Univ. (Transbaikal State University Journal), 2014, no. 12 (115), pp. 12-21.

6. Крылов Д.А., Мельникова Ю.С. Математическое моделирование распределения температурных полей в криолитозоне. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. С. 94-97.

7. Кудрявцев С.А. Численные исследования теплофизических процессов в сезонномерзлых грунтах // Криосфера Земли. 2003. № 4. Т. VII. С. 76-81.

8. Обеспечение надежности строящихся сооружений железнодорожной линии Томмот-Кердем на участке «ледового комплекса»: мат-лы семинара-совещания 11-12 сентября 2007 г. в г. Якутск. Якутск: ООО «Центр Трансстройиздат», 2007. 165 с.

9. Пассек В.В., Цернант А.А., Цуканов Н.А., Пассек В.В., Пшеничникова Е.С., Вербух Н.Ф. Методические рекомендации по применению конструктивных мероприятий для сохранения вечномерзлых грунтов в основаниях земляного полотна и искусственных сооружений на автомобильных дорогах Центральной Якутии. М., 2010.

10. Сигачев Н.П., Клочков Я.В., Коновалова Н.А. Применение полимерной грунтоукрепляющей смеси «Криогелит» в условиях Забайкальской железной дороги // Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути: тезисы докладов. М., 2013. С. 95-96.

6. Krylov D.A., Melnikov Yu.S. Matematiches-koe modelirovanie raspredeleniya temperaturnyh pol-ey v kriolitozone [Mathematical modeling of the distribution of temperature fields in permafrost]. Moscow: MSTU. N.E. Bauman, 2009. P. 94-97.

7. Kudryavtsev S.A. Kriosfera Zemli (Cryosphere of the Earth), 2003, no. 4, vol. VII, pp. 76-81.

8. Obespechenie nadezhnosti stroyashhihsja sooruzheniy zheleznodorozhnoy linii Tommot-Kerdem na uchastke «ledovogo kompleksa» (Ensuring the reliability of building structures at the railway line of Tom-mot Kerdem on the site of «ice complex» ) : materials of the seminar-meeting, September 11-12, 2007, Yakutsk. Yakutsk: «Center of Transstroyizdat», 2007. 165 pp.

9. Passek V.V., Tsernant A.A., Tsukanov N.A., Passek V.V., Pshenichnikova E.S., Verbukh N.F. Metodicheskie rekomendatsii po primeneniyu kon-struktivnyh meropriyatiy dlya sohraneniya vechno-merzlyh gruntov v osnovaniyah zemlyanogo polotna i iskusstvennyh sooruzheniy na avtomobilnyh dorogah Tsentralnoy Yakutii [Guidelines on the application of structural measures for the preservation of permafrost in the roadbed foundations and structures on the roads of Central Yakutia]. Moscow, 2010.

10. Sigachyov N.P., Klotchkov Ya.V., Konov-alova N.A. Sovremennye problemy proektirovaniya, stroitelstva i ekspluatatsii zheleznodorozhnogo puti (Modern problems of design, construction and operation of the railway line): thesis of reports. Moscow, 2013. P. 95-96.

Коротко об авторе _

Клочков Я.В., аспирант, Забайкальский институт железнодорожного транспорта, г. Чита, Россия klochkov .zabirt@mail.ru

Научные интересы: температурный режим грунтов, математическое моделирование, изыскания и проектирование

_ Briefly about the author

Ya. Klochkov, postgraduate, Transbaikal Institute of Railway Transport, Chita, Russia

Scientific interests: temperature regime of soils, mathematical modeling, designing