Температурный режим дорожного полотна и основания во многих случаях является определяющим фактором безопасной и надежной эксплуатации автомобильных дорог в районах распространения многолетней и островной мерзлоты [1-3]. Особенно, как отмечают многие исследователи [4-6], важно учитывать тепловой фактор при наличии в зоне теплового влияния дороги льдогрунтовых и ледяных тел различного генезиса [7-9]. Существенная зависимость прочностных свойств льда, льдогрунтов и дисперсных пород от температуры (даже в диапазоне отрицательных значений) [10-12] значительно осложняет как выбор правильных технических решений при проектировании, так и обеспечение заданного уровня надежности и безопасности при эксплуатации дорог в криолитозоне. На формирование температурного режима объектов антропогенного воздействия человека на окружающую среду (к которым можно отнести и объекты транспортного сообщения – железные и автомобильные дороги) оказывают влияние различные факторы, такие как теплофизические свойства грунтов, наличие ледяных включений в зоне теплового влияния, скорость и температура воздуха на конкретном участке дороги, вид покрытия и конструкция дорожной одежды и т.д. [13-15]. Каждый фактор в той или иной степени определяет уровень негативного влияния антропогенного воздействия на окружающую среду [16-18]. Поэтому важно уже на стадии проектирования определить степень ожидаемого теплового воздействия на грунтовое основание и зону теплового влияния проектируемой или реконструируемой автомобильной дороги [19-21]. Одним из важных показателей, используемых в тепловых расчетах при проектировании автомобильных дорог в криолитозоне, является температура внешней поверхности дорожной одежды или, при отсутствии таковой, поверхности дорожного полотна [22].
Целью настоящей работы являлось исследование влияния климатических условий (температуры и скорости воздуха), а также теплофизических свойств грунтов дорожного основания на изменение температуры поверхности дорожного полотна.
Материалы и методы исследования
Опираясь на зависимость, приведенную в работе [22], расчетную формулу для определения безразмерной температуры поверхности дороги запишем в следующем виде:
Q = (T – Te) / (t – Te), (1)
где Q – безразмерная температура поверхности дорожного полотна; T – температура поверхности дорожного полотна, °С; Te – температура на глубине зоны теплового влияния поверхности дороги, °С; t – температура воздуха, °С.
С другой стороны, используя известное решение одномерного уравнения теплопроводности Фурье при граничных условиях третьего рода, можно записать [23; 24]:
, (2)
, (3)
где D – коэффициент теплоусвоения грунта дорожного основания, Дж/м2Кс0,5; α – коэффициент конвективного теплообмена, Вт/м2К; τ – время, с; ρ – плотность грунта, кг/м3 ; c – удельная теплоемкость грунта, Дж/кг×К; λ – теплопроводность грунта, Вт/м×К.
Коэффициент конвективного теплообмена между воздухом и поверхностью дороги может быть найден по формуле [25; 26]:
α = 6,16 + 4,19V, 0 ≤ V ≤ 5, (4)
где α – коэффициент конвективного теплообмена, Вт/м2К; V – средняя скорость ветра на рассматриваемом участке дороги, м/с.
Собственно размерное значение температуры поверхности дорожного полотна, выраженное в градусах Цельсия, может быть определено по простой формуле, вытекающей из выражения (1):
T = Te + (t – Te)Q. (5)
Результаты исследования и их обсуждение
Анализ формул (1), (2) и (3) показывает, что температура поверхности дороги в различные сезоны года зависит от теплофизических свойств подстилающего грунта в летний и зимний периоды: чем больше отличие свойств грунтов в талом и мерзлом состоянии, тем больше разница между температурой поверхности дорожного полотна и температурой атмосферного воздуха. При этом зависимость температуры поверхности от коэффициента конвективной теплоотдачи (скорости ветра) и времени обратная: чем больше их значения, тем разница между температурами воздуха и поверхности дороги меньше. В работе [26] показано, что при увеличении значения коэффициента конвективного теплообмена (средней скорости ветра на рассматриваемом участке трассы) температура поверхности дороги будет близка к температуре атмосферного воздуха.
Для достижения цели были проведены вариантные расчеты, результаты которых представлены в виде графиков на рисунках 1-3. При проведении расчетов были использованы исходные данные, характерные для различных климатических условий эксплуатации автомобильных дорог в криолитозоне: температура горных пород на глубине зоны теплового влияния в диапазоне от -1,0 до -7,0 °С; среднелетняя температура атмосферного воздуха в диапазоне от +8,0 до +12,0 °С; среднезимняя температура в диапазоне от -15,0 до -25,0 °С. Коэффициент теплоусвоения грунта был принят переменным, изменяющимся в диапазоне от 1200 до 1500 Дж/м2Кс0,5 в летний период года. И в интервале от 1500 до 1800 Дж/м2Кс0,5 в зимний период года. Коэффициент теплоотдачи для летнего периода принимался равным 15,0 Вт/м2К , а для зимнего 12,0 Вт/м2К.
На рис. 1 представлены 3D-графики изменения безразмерной температуры дорожного полотна в летний (А) и зимний (Б) периоды года в зависимости от температуры грунта и средней температуры воздуха на рассматриваемом участке трассы.
А Б
Рис. 1. Изменение безразмерной температуры поверхности дороги в зависимости от средних значений температур воздуха и средних отклонений температуры воздуха и поверхности дороги при различной естественной температуре пород: 1 – -1,0 °С; 2 – -5,0 °С; А) в теплый (летний) период года; Б) в холодный (зимний) период года
Рис. 2. Изменение параметра Q в зависимости от показателя теплоусвоения грунта «D» (Дж/м2Кс0,5) при различной длительности рассматриваемого периода «N» (месяцы): 1 – D = 1200; 2 – 1500; 3 – 1800
Из графиков видно, что безразмерная температура существенно зависит от разности температур поверхности дороги и воздуха как в летний, так и в зимний периоды года. Причем в оба периода при увеличении разности температур между атмосферным воздухом и поверхностью дорожного полотна значение безразмерной температуры уменьшается. Сравнение характера плоскостей, например № 1 и № 2 на рисунке 1, подтверждает этот вывод.
На рис. 2 представлены графики изменения значений безразмерной температуры поверхности дороги на рассматриваемом участке трассы в различные периоды года в зависимости от коэффициента теплоусвоения грунтов дорожного основания.
Рис. 3. Изменение параметра Q в зависимости от показателя теплоусвоения грунта и длительности рассматриваемого периода N (месяцы) для различных средних скоростей ветра: 1 – 2,0 м/с; 2 – 1,5 м/с; 3 – 0,0 м/с
Анализ графиков на рисунке 2 позволяет сделать следующие выводы. Коэффициент теплоусвоения грунта сильнее влияет на температуру поверхности грунта в зимний период, чем в летний. При этом зависимость безразмерной температуры от коэффициента теплоусвоения снижается с течением времени как для летнего, так и зимнего периода приблизительно в одинаковом темпе. Средняя скорость ветра на конкретном участке трассы также оказывает существенное влияние на значение безразмерной температуры поверхности дороги как в зимний, так и в летний периоды года, что необходимо учитывать в тепловых расчетах при обосновании проектных решений строительства автомобильных дорог в криолитозоне. Причем это влияние остается не остается постоянным и снижается с увеличением длительности рассматриваемого временного периода.
Так, например, изменение средней скорости ветра с 0,0 до 2,0 м/с при длительности рассматриваемого периода в 1 месяц (для коэффициента теплоусвоения грунта «D» 1800,0 Дж/м2Кс0,5) приводит к уменьшению безразмерной температуры в 1,17 раза. А при длительности рассматриваемого периода в 5 месяцев – в 1,08 раза. С уменьшением коэффициента теплоусвоения грунта в 1,5 раза (с 1800 до 1200), т.е. при переходе от зимнего к летнему периоду года, степень уменьшения составляет 1,12 и 1,05 соответственно. То есть с течением времени влияние скорости ветра на значение безразмерной температуры как в летний, так и в зимний периоды снижается. Но темп изменения данного параметра в зимний период почти в 1,3 раза выше. Это свидетельствует о более сильном влиянии скорости ветра на значение безразмерной температуры в зимний период, чем в летний.
На рисунке 3 представлены обобщающие 3D-графики изменения безразмерной температуры поверхности дорожного полотна в зависимости от показателя теплоусвоения грунта и длительности рассматриваемого периода N (месяцы) для различных средних скоростей ветра.
Графики наглядно подтверждают сделанные ранее выводы о степени влияния теплофизических свойств грунтов дорожного основания и климатических параметров в зоне эксплуатации автомобильной дороги на температуру поверхности дорожного полотна. Графики также указывают на правомерность использования средней температуры ветра на рассматриваемых участках при проведении тепловых расчетов. Об этом свидетельствует сравнительный характер плоскостей 1 и 2 на рисунке: изменение скорости ветра в 1,3 раза (с 1,5 до 2,0 м/с) не приводит к изменению безразмерной температуры более чем на 3-7%. То есть ошибка вычисления укладывается в допустимый в инженерной практике диапазон (≤ 10,0%).
Заключение
Выполнен комплексный качественный и количественный анализ влияния температурных условий эксплуатации автомобильных дорог и теплофизических свойств грунтов дорожного основания на изменение безразмерной температуры поверхности дорожного полотна. В частности, показано, что значение безразмерной температуры поверхности дороги существенно зависит от разности температур поверхности дороги и атмосферного воздуха как в летний, так и в зимний периоды года. Причем, независимо от периода года, при увеличении разности температур между атмосферным воздухом и поверхностью дорожного полотна значение безразмерной температуры уменьшается. Коэффициент теплоусвоения грунта дорожного основания сильнее влияет на температуру поверхности дороги в зимний период, чем в летний. При этом зависимость безразмерной температуры от коэффициента теплоусвоения снижается с течением времени как для летнего, так и зимнего периода приблизительно в одинаковом темпе. С увеличением длительности временного периода влияние скорости ветра на значение безразмерной температуры (как в летний, так и в зимний сезоны года) снижается. Но темп изменения данного параметра в зимний период почти в 1,3 раза выше. Это свидетельствует о более сильном влиянии скорости ветра на значение безразмерной температуры в зимний период, чем в летний.
Результаты численных расчетов представлены в виде 2D- и ЗD-графиков, которые позволяют наглядно оценить влияние исходных климатических и теплофизических параметров на диапазон изменения безразмерной температуры поверхности дорожного полотна в летний и зимний периоды года.
Статья имеет прежде всего методическое значение и позволяет на конкретном примере детально проследить пути качественного и количественного анализа влияния исходных параметров на конечный результат при проведении инженерных расчетов. Статья может быть полезна как научным работникам в области инженерной геокриологии, так и инженерам-проектировщикам дорожной отрасли. Статья может представлять методический и научный интерес для аспирантов, а также для студентов, обучающихся по специальности 08.02.05 «Строительство и эксплуатация автомобильных дорог и аэродромов». Дальнейшие исследования должны быть направлены на оценку изменения температуры поверхности дорожного полотна в переходные периоды года: периоды оттаивания или промерзания грунтов дорожного основания.
Библиографическая ссылка
Галкин А.Ф., Железняк М.Н., Жирков А.Ф. РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ ДОРОЖНОГО ПОЛОТНА // Успехи современного естествознания. – 2022. – № 11. – С. 124-129;URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37939 (дата обращения: 25.04.2024).