Моделирование теплового режима дорожной одежды и земляного полотна лесовозных дорог

В.И. Клевеко

doi:10.37482/0536-1036-2024-5-133-142

Авторы

В.И. Клевеко Пермский национальный исследовательский политехнический университет https://orcid.org/0000-0001-7251-9598

DOI:

https://doi.org/10.37482/0536-1036-2024-5-133-142

Ключевые слова:

лесные дороги, глубина промерзания, тепловой режим, сезонное промерзание, численное моделирование промерзания, датчики температуры

Аннотация

Почти на всей территории лесных районов Российской Федерации в зимний период наблюдается промерзание грунтов. Воздействие отрицательных температур на пылевато-глинистые грунты становится причиной ряда неблагоприятных процессов, которые изменяют свойства самих грунтов. В число самых неблагоприятных из этих процессов входит накопление влаги в грунтах под влиянием перемещения фронта промерзания. При замерзании водонасыщенные глинистые грунты резко увеличиваются в объеме. Это приводит к появлению морозного пучения в активной зоне земляного полотна лесных дорог, что крайне негативно воздействует на конструкцию всей дорожной одежды и может повлечь за собой повреждение покрытия с резким ухудшением транспортно-эксплуатационных качеств лесных дорог. Для борьбы с морозным пучением необходимо изучение закономерностей изменения водно-теплового режима дорожных конструкций. Наибольшее значение для прогнозирования морозного пучения и разработки мероприятий по борьбе с этим явлением имеет глубина промерзания дорожной одежды и земляного полотна. В статье описаны разработанная система мониторинга температуры дорожной конструкции на глубину до 3 м и результаты измерений, позволяющие оценить изменение температуры на различной глубине от поверхности дороги и определить глубину промерзания. Всего было установлено 32 датчика с шагом 10 см. Выполнено численное моделирование процесса промерзания дорожной одежды и верхней части земляного полотна лесной дороги со сравнением результатов с показателями натурных наблюдений. Выявлена хорошая сходимость данных. По итогам опытных исследований промерзание составило 173 см, численного моделирования – 190 см. Средняя погрешность результатов численного моделирования процесса промерзания покрытия и верхней зоны земляного полотна лесной дороги – 8–10 % по сравнению с опытными данными.

Скачивания

Данные скачивания пока недоступны.

Биография автора

В.И. Клевеко, Пермский национальный исследовательский политехнический университет

канд. техн. наук, доц.

Библиографические ссылки

Апталаев М.Н., Жалко М.Е. Влияние водно-теплового режима основания автомобильной дороги на состояние дорожной одежды // Трансп. сооружения. 2016. Т. 3, No 4. Ст. No 2. Режим доступа: https://t-s.today/PDF/02TS416.pdf (дата обращения: 11.09.24). Aptalaev M.N., Zhalko M.E. Effect of the Water-and-Thermal Regime of the Auto-Road Base on the Pavement State. Transportnyye sooruzheniya = Russian Journal of Transport Engineering, 2016, vol. 3, no. 4, art. no. 2. (In Russ.). https://doi.org/10.15862/02TS416

Богатырева Т.В. Моделирование промерзания грунта земляного полотна автомобильной дороги с использованием расчетных программных комплексов // Ежегодная национальная научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов Мытищинского филиала МГТУ им. Н.Э. Баумана по итогам научно-исследовательских работ за 2020 г.: сб. тез. докл. Красноярск: Науч.-инновац. центр, 2021. С. 44–45. Bogatyreva T.V. Modeling of Freezing of the Roadbed Soil Using Calculation Software Packages. Annual National Scientific and Technical Conference of the Teaching Staff, Postgraduate Students and Students of the Mytishchi Branch of Bauman Moscow State Technical University Based on the Results of Research Work for 2020: Collection of Abstracts of the Reports. Krasnoyarsk, Research and Innovation Centre, 2021, pp. 44–45. (In Russ.).

Бургонутдинов А.М., Кашапова К.Р., Клевеко В.И., Моисеева О.В. Моделирование сезонного промерзания земляного полотна автомобильной дороги // Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе: материалы науч.-практ. конф. с междунар. участием. Пермь: ПНИПУ, 2015. С. 346–350. Burgonutdinov A.M., Kashapova K.R., Kleveko V.I., Moiseeva O.V. Modeling Seasonal Freezing of the Roadbed. Modernization and Scientific Research in the Transport Complex: Materials of Scientific and Practical Conf. with International Participation. Perm, Perm National Research Polytechinc University, 2015, pp. 346–350. (In Russ.).

Бургонутдинов А.М., Рудов С.Е., Григорьев И.В., Ефимов Д.С., Швецова В.В. Экспериментальные исследования теплового режима в слоях дорожного покрытия магистральных лесовозных дорог // Изв. вузов. Лесн. журн. 2022. No 2. С. 146–158. Burgonutdinov A.M., Rudov S.E., Grigoriev I.V., Efimov D.S., Shvetsova V.V. Experimental Studies of the Thermal Regime in the Pavement Layers of Long-Distance Forest Roads. Lesnoy Zhurnal = Russian Forestry Journal, 2022, no. 2, pp. 146–158. (In Russ.). https://doi.org/10.37482/0536-1036-2022-2-146-158

Вырко Н.П., Ращупкин С.В. Влияние морозного пучения на состояние транспортных путей // Тр. Белорус. гос. технол. ун-та. Сер. 2: Лесн. и деревообраб. пром-сть. 2002. No 10. С. 119–122. Vyrko N.P., Rashchupkin S.V. The Influence of Frost Heaving on the Condition of Transport Routes. Trudy BGTU. Seriya 2. Lesnaya i derevoobrabatyvayushchaya promyshlennost’ = Proceedings of the BSTU. Series 2. Forest and Woodworking Industry, 2002, no. 10, pp. 119–122. (In Russ.).

Гаврилов Т.А., Хорошилов К.В., Колесников Г.Н. Сезонное промерзание лесовозной грунтовой дороги: моделирование условий появления поперечных трещин // Resources and Technology. 2018. Т. 15, No 3. С. 29–42. Gavrilov T.A., Khoroshilov K.V., Kolesnikov G.N. Seasonal Freezing of a Logging Dirt Road: Modeling of Conditions of Transverse Cracks Emergence. Resources and Technology, 2018, vol. 15, no. 3, pp. 29–42. (In Russ.). https://doi.org/10.15393/j2.art.2018.4201

Жалко М.Е. Промерзание грунта, как причина ДТП на территории Пермского края // Интернет-журн. Науковедение. 2014. No 1 (20). Ст. No 62. Режим доступа: https://naukovedenie.ru/PDF/06TVN114.pdf (дата обращения: 11.09.24). Zhalko M.E. The Freezing of the Soil, as the Cause of Road Accidents in the Perm Region. Internet-zhurnal Naukovedenie, 2014, no. 1 (20), art. no. 62. (In Russ.).

Жалко М.Е., Бургонутдинов А.М. К вопросу процесса промерзания грунта с точки зрения математического моделирования // Теория и практика соврем. науки. 2021. No 12 (78). С. 124–132. Zhalko M.E., Burgonutdinov A.M. To the Issue of the Soil Freezing Process from the Point of View of Mathematical Modeling. Teoriya i praktika sovremennoy nauki, 2021, no. 12 (78), pp. 124–132. (In Russ.).

Жалко М.Е., Бургонутдинов А.М. Влияние водно-теплового режима основания лесовозной автомобильной дороги на состояние дорожной одежды // Теория и практика соврем. науки. 2021. No 12 (78). С. 133–140. Zhalko M.E., Burgonutdinov A.M. Influence of Water-Thermal Regime of the Base of a Logging Road on the Condition of Road Clothing. Teoriya i praktika sovremennoy nauki, 2021, no. 12 (78), pp. 133–140. (In Russ.).

Золотарь И.А. Теоретические основы применения тонкодисперсных грунтов для возведения земляного полотна автомобильных дорог в северных районах области многолетнемерзлых грунтов. М.: Транспорт, 1988. 134 с. Zolotar’ I.A. Theoretical Foundations of the Use of Fine-Grained Soils for the Construction of Roadbeds in the Northern Regions of Permafrost Soils. Moscow, Transport Publ., 1988. 134 p. (In Russ.).

Илларионов В.А., Слабиков В.С., Вайс К.Е. Исследование влияния природно-климатических условий Севера на строительство зданий и сооружений и автомобильных дорог // Науч. знание современности. 2017. No 4 (4). С. 124–130. Illarionov V.A., Slabikov V.S., Weiss K.E. Study of the Influence of Natural and Climatic Conditions of the North on the Construction of Buildings and Structures and Highways. Nauchnoe znanie sovremennosti, 2017, no. 4 (4), pp. 124–130. (In Russ.).

Корсунский М.Б., Россовский П.Д., Волчанский Г.В. Регулирование водно-теплового режима земляного полотна автомобильных дорог в районах сезонного промерзания // Труды СоюзДорНИИ. Вып. 13. М., 1966. С. 83–94. Korsunskij M.B., Rossovskij P.D., Volchanskij G.V. Regulation of Water-Thermal Conditions of the Roadbed in Areas of Seasonal Freezing. Trudy SoyuzDorNII. Moscow, 1966, iss. 13, pp. 83–94. (In Russ.).

Краев А.Н., Пермитина Т.В., Завьялов В.А. Методы прогноза водно-теплового режима земляного полотна и основания автомобильной дороги на примере ЯНАО // Актуальные проблемы строительства, экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири: сб. материалов Междунар. науч.-практ. конф.: в 3 т. / редкол.: М.Н. Чекардовский, Л.Н. Скипин, В.В. Воронцов, А.Е. Сбитнев. Т. I. Тюмень: РИО ТюмГАСУ, 2014. С. 32–40. Kraev A.N., Permitina T.V., Zav’yalov V.A. Methods for Predicting the Water-Thermal Regime of the Roadbed and Foundation of a Highway Using the Example of the Yamal-Nenets Autonomous District. Current Issues of Construction, Ecology and Energy Saving in Western Siberia: Collection of the Materials of the International Scientific and Practical Conference: in 3 vol. Ed. board: M.N. Chekardovskij, L.N. Skipin, V.V. Vorontsov, A.E. Sbitnev. Tyumen, RIO TyumGASU, 2014, vol. 1, pp. 32–40. (In Russ.).

Лопашук А.В., Лопашук В.В., Ермолин В.Н. Регулирование водно-теплового режима автомобильных дорог Камчатского края с учетом региональных особенностей // Вестн. Евраз. науки. 2021. Т. 13, No 2. Ст. No 8. Режим доступа: https://esj.today/PD-F/16SAVN221.pdf (дата обращения: 11.09.24). Lopashuk A.V., Lopashuk V.V., Ermolin V.N. Kamchatka Krai Highways Water-Thermal Regime Regulation. Vestnik Evraziyskoy nauki = The Eurasian Scientific Journal, 2021, vol. 13, no. 2, art. no. 8. (In Russ.).

Никитина О.В. Факторы развития процессов морозного пучения, сезонного набухания и оттаивания грунтов на автомобильных дорогах Чувашской Республики // Естественнонауч. исследования в Чувашии. 2015. No 2. С. 81–84. Nikitina O.V. Factors in the Development of Frost Heaving, Seasonal Swelling and Thawing of Soils on Highways in the Chuvash Republic. Estestvennonauchnyye issledovaniya v Chuvashii, 2015, no. 2, pp. 81–84. (In Russ.).

Погода России. Режим доступа: http://meteo.infospace.ru/ (дата обращения: 08.12.23). Russia’s Weather. Available at: http://meteo.infospace.ru/ (accessed: 08.12.23). (In Russ.).

Сапелкин Р.С., Меерсон В.Э., Меерсон М.В., Скрыпников А.В., Казачек М.Н. Особенности районов строительства лесовозных автомобильных дорог // Resources and Technology. 2022. Т. 19, No 3. С. 30–43. Sapelkin R.S., Meerson V.E., Meerson M.V., Skrypnikov A.V., Kazachek M.N. Features of Regions for Forest Roads Construction. Resources and Technology, 2022, vol. 19, no. 3, pp. 30–43. (In Russ.). https://doi.org/10.15393/j2.art.2022.6323

Сергеев А.С., Юшков Б.С. О промерзании глинистого грунта и миграции воды в конструкции дорожной одежды // Трансп. сооружения. 2014. Т. 1, No 1 (1). Ст. No 2. Режим доступа: https://t-s.today/PDF/02TS114.pdf (дата обращения: 11.09.24). Sergeev A.S., Yushkov B.S. On the Freezing of Clay Soil and Water Migration into the Pavement Design. Transportnyye sooruzheniya = Russian Journal of Transport Engineering, 2014, vol. 1, no. 1, art. no. 2. (In Russ.). https://doi.org/10.15862/02TS114

Burgonutdinov A.M., Kleveko V.I. Monitoring of Changes in the Thermal Regime in the Road Structure. Journal of Physics: Conference Series, 2021, vol. 1928, art. no. 012047. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1928/1/012047

Gates J.B., Scanlon B.R., Mu X., Zhang L. Impacts of Soil Conservation on Groundwater Recharge in the Semi-Arid Loess Plateau, Сhina. Hydrogeology Journal, 2011, vol. 19, pр. 865–875. https://doi.org/10.1007/s10040-011-0716-3

Huo S., Jin M., Liang X., Lin D. Changes of Vertical Groundwater Recharge with Increase in Thickness of Vadose Zone Simulated by One-Dimensional Variably Saturated Flow Model. Journal of Earth Science, 2014, vol. 25, pp. 1043–1050. https://doi.org/10.1007/s12583-014-0486-7

Ibrahim M., Favreau G., Scanlon B.R., Seidel J.L., Coz Le M., Demarty J., Cappelaere B. Long-Term Increase in Diffuse Groundwater Recharge Following Expansion of Rainfed Cultivation in the Sahel, West Africa. Hydrogeology Journal, 2014, vol. 22, iss. 6, pp. 1293–1305. https://doi.org/10.1007/s10040-014-1143-z

Jong de G., Kouwenhoven M., Bates J., Koster P., Verhoef E., Tavasszy L., Warffemius P. New SP-Values of Time and Reliability for Freight Transport in the Netherlands. Transportation Research Part E: Logistics and Transportation Review, 2014, vol. 64, pp. 71–87. https://doi.org/10.1016/j.tre.2014.01.008

Kouwenhoven M., Jong de G.C., Koster P., Berg van den V.A.C., Verhoef E.T., Bates J., Warffemius P.M.J. New Values of Time and Reliability in Passenger Transport in the Netherlands. Research in Transportation Economics, 2014, vol. 47, pp. 37–49. https://doi.org/10.1016/j.retrec.2014.09.017

Kozlov V.G., Skrypnikov A.V., Sushkov S.I., Kruchinin I.N., Grigorev I.V., Nikiforov A.A., Pilnik Y.N., Teppoev A.V., Lavrov M., Timokhova O.M. Enhancing Quality of Road Pavements through Adhesion Improvement. Journal of the Balkan Tribological Association, 2019, vol. 25, iss. 3, pp. 678–694.

Kurtzman D., Scanlon B.R. Groundwater Recharge through Vertisols: Irrigated Cropland vs. Natural Land, Israel. Vadose Zone Journal, 2011, vol. 10, iss. 2, pp. 662–674. https://doi.org/10.2136/vzj2010.0109

Peer S., Koopmans C.C., Verhoef E.T. Prediction of Travel Time Variability for Cost-Benefit Analysis. Transportation Research Part A: Policy and Practice, 2012, vol. 46, iss. 1, pp. 79–90. https://doi.org/10.1016/j.tra.2011.09.016