Узнай больше

Выберите список(-ки):

Выполним контрольные, курсовые, дипломные работы жд техникумов
 banerputeetz2

Регулирование тепловых процессов в земляном полотне и основании

Регулирование тепловых процессов в земляном полотне

Ежегодно при периодических изменениях температур воздуха с переходом их в зимнее время через ноль изменяется температура верхней толщи грунта, а в поверхностном слое возникает его промерзание. При этом влага, замерзающая в грунте, приводит к изменению его структуры, возникновению морозного пучения, а в последующем при переходе температуры обратно через ноль в положительную область, к оттаиванию грунта с его разупрочнением.

В результате этих процессов в зимнее время на железнодорожном пути происходит образование пучин с искажением геометрии рельсовой колеи, а в весеннее время при оттаивании за счет снижения прочности грунта — деформации в виде весенних просадок пути. В районах распространения многолетнемерзлых грунтов в приповерхностных слоях грунта, наоборот, в теплое время происходит их сезонное оттаивание с резким уменьшением прочностных свойств.

С наступлением отрицательных температур воздуха этот слой начинает промерзать и в нем происходит пучение. Такой слой грунта, где в условиях многолетней мерзлоты происходят сезонные изменения состояния грунтов с мерзлого на талое и возврат обратно, называется деятельным слоем.

Строительство земляного полотна в условиях мерзлоты приводит к изменению сложившегося теплового режима основания, что может вызвать как деградацию (оттаивание) мерзлоты в основании, так и обратный процесс — поднятие мерзлоты в тело земляного полотна.

Для предотвращения этих негативных процессов, вызванных изменением температурного режима грунтов, применяются различные методы регулирования тепловых процессов, теоретическое обоснование которым наиболее полно было дано в 80-гг. XX в. в работах российского ученого А.А. Цернанта. На основе физики протекания тепловых процессов все известные и вновь создаваемые методы и устройства управления были разделены на 4 группы:

  • методы и устройства для регулирования внешнего теплообмена поверхности грунтового массива с окружающей средой (тепловые экраны);
  • методы и устройства для управления амплитудой и периодом температурного поля (тепловые амортизаторы);
  • методы и устройства для управления теплооборотами, основанные на создании температурной сдвижки в системе при циклических изменениях внешнего теплообмена (тепловые диоды), парожидкостные устройства;
  • методы и устройства для управления потоками тепла, основанные на использовании дополнительной внешней работы (тепловые трансформаторы).

К тепловым экранам, регулирующим условия теплообмена в поверхностных слоях, которые нашли применение в земляном полотне, относятся экраны поверхности откосов насыпей и выемок из легких материалов типа навесов или коробов (рис. 1).

Рис. 1. Функциональная схема теплового экрана поверхности насыпи: 1 — вентиляционный короб; 2 — коллектор; 3 — вентиляционная шахта; 4 — земляное полотно; 5 — снежный покров

Охлаждающий эффект экранов возникает благодаря нейтрализации отепляющего воздействия снежного покрова в зимнее время и теневой защиты от солнечных лучей летом.

К тепловым амортизаторам, уменьшающим амплитуды температурного поля в земляном полотне и его основании, относят теплоизоляционные покрытия, нашедшие наибольшее применение для земляного полотна. Теплоизолирующие устройства и покрытия применяются для уменьшения сезонного промерзания или оттаивания и соответственно устранения деформации морозного пучения и осадок, которые возникают при промерзании и оттаивании грунтов земляного полотна. Теплоизолирующими устройствами считаются различные подушки из теплоизоляционных материалов, имеющие толщину более 0,20 метра, а покрытиями — тонкие слои, имеющие толщину от 0,20 метра и менее.

Основным способом для теплоизоляции земляного полотна, применяющимся в последнее время, являются покрытия, выполняемые из пенопластов, имеющих низкий коэффициент теплопроводности (на порядок ниже коэффициента теплопроводности грунта). В покрытиях используются жесткие полистирольные, поливинилхлоридные или полиуретановые пенопласты, имеющие мелкую замкнуто-ячеистую структуру. Наибольшее распространение для применения в противопучинных покрытиях земляного полотна железных дорог в некоторых странах за последнее время получили плиты экструдированного пенополистирола, основные характеристики плит, применяемых на отечественных железных дорогах приведены в таблице ниже.

Толщина покрытий изменяется в зависимости от климатических и грунтовых условий в пределах от 4 до 20 см и принимается на основе теплотехнического расчета. Покрытия с учетом цели их применения могут укладываться на основной площадке непосредственно под балластной призмой, на откосах либо по подошве насыпи (рис. 2).

Рис. 2. Варианты укладки теплоизоляции в земляном полотне: непосредственно под балластной призмой; б — на откосах земляного по¬лотна; в — по подошве насыпи

При укладке теплоизолирующих покрытий на основной площадке с целью предупреждения пучения для создания плавного изменения теплофизических свойств и величины пучения по краям покрытия устраиваются специальные конструкции сопряжений. Сопряжения применяются в счет ступенчатого уменьшения величины толщины плит на 1 см до минимального размера 4 см и дальше при неизменном минимальном размере толщины плит или с установкой их с зазорами А (вариант 1, рис. 3, а), или за счет постепенного изменения ширины покрытия В (вариант 2, рис. 3, б).

Рис. 3. Конструкции сопряжений покрытий из пенополистирола: а — с изменением размера зазоров; б— с уменьшением ширины покрытия

К тепловым диодам, которые имеют различную проводимость тепла при изменении направленности возможного теплового потока, нашедшим применение при сооружении земляного полотна, как правило, следует отнести каменные наброски и сезонные охлаждающие установки, далее сокращенно (СОУ). Фотографии конструкций земляного полотна в условиях мерзлоты с тепловыми диодами представлены на рис. 4.

Рис. 4. Применение земляного полотна с тепловыми диодами: а — каменная наброска из фракционного камня (восточный БАМ); б — парожидкостные СОУ (линия Сургут—Коротчаево)

Применение тепловых диодов эффективно и нашло наибольшее применение для охлаждения грунтов земляного полотна и основания с целью предупреждения деградации мерзлоты.

Охлаждающий эффект на каменных набросках откосах или земляного полотна из глыбовых материалов добивается за счет максимальной интенсивной конвекции и теплоотдачи в холодное время, а так же теневой защиты в летний период. При этом предпочтение следует делать на глыбовые разновидности крупнообломочных грунтов с повышенным содержанием не менее 75 % от общей массы частиц фракций даметром от 200 до 500 мм.

Материал фракционного камня изготавливают из глыбовых крупнообломочных грунтов с его последующей сортировкой, и использованием в охлаждающих набросах и бермах, при необходимости с сохранением мерзлоты на основной площадке земляного полотна. При этом максимально крупные фракции диаметром 200—500 мм должны составлять не меньше 90 % от общей массы, с учетом среднего размера камня 400 мм.

Камень должен применяться из невыветриваемых или слабовыветриваемых, неразмягченных пород с установленной морозостойкостью не менее F 50. Конструкции из камня для охлаждения грунтов оснований представлены на рис. 5.

Рис. 5. Схемы конструкций из камня для охлаждения фунтов оснований: а — каменная наброска на откосах; б — скальные бермы; в — клещевидная обойма

Для искусственного охлаждения грунтов оснований различные сооружений большое распространение получили парожидкостны СОУ, работающие автоматически в холодное время года и не требующие затрат и обслуживающего персонала. Эти установки представляют собой тепловые трубы, в которых отвод тепла от грунтов основания осуществляется за счет циркуляции в них пара и жидкости Простейшими из этих устройств являются термосифоны, в которые циркуляция осуществляется за счет сил тяжести.

Установки работают исключительно в холодный период времени, когда температура наземной части меньше температуры грунта основания, и останавливаются в тёплый период года (не нагревая грунты), когда температура воздуха выше температуры грунта.

Первые парожидкостные СОУ были применены в 1960 г. американским ученым Лонгом. Они широко использовались в фундаментах опор Трансаляскинского нефтепровода, где было установлено 112 тыс. устройств.

Парожидкостные СОУ изготавливаются из стальных или алюминиевых труб d 32—57 мм, которые герметизируются с заполнением их хладоагентом (фреон, аммиак, углекислый газ). Верхняя часть СОУ, располагаемая над поверхностью грунта и называемая конденсатором, для развития поверхности выполняется с оребрением. Расположение парожидкостных СОУ для охлаждения мерзлых грунтов основной площадки земляного полотна приведено на рис. 6.

Рис. 6. Варианты использования СОУ: а — горизонтальные; б — вертикальные; 1 — земляное полотно; 2 — термоси¬фон; 3 — теплоизоляция; 4 — начальное положение мерзлоты; 5 — тоже после устройства СОУ

Поделиться в соц. сетях

Опубликовать в Одноклассники
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Яндекс
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal

Также на эту тему Вы можете почитать

1 комментарий “Регулирование тепловых процессов в земляном полотне и основании”

Оставить комментарий

Место вашей рекламы