ACCOUNTING OF SOLAR RADIATION IN NUMERICAL MODELLING OF THE THERMOPHYSICAL PROCESSES OF FREEZING AND THAWING OF PERMAFROST SOILS

Abstract


The article considers options for stabilizing the thawing process of permafrost soil of railways during the reconstruction period. The analysis of the engineering and geological conditions made it possible to design rock cooling structures at this facility, which are berms and cover slopes of the subgrade with fractionated rocky soil. The technical characteristics of fractionated rock soil structures have been developed and tested in this cryological area and have shown their effective operation for more than 30 years. As a result of the operation of the railway embankment, permafrost degrades and its boundary is at different depths depending on local conditions and the condition of the drainage systems from the subgrade. The position of the upper permafrost boundary should be established during surveys, if it is not advisable to restore the frozen base to a depth of 10 m, it is necessary to strengthen the thawed weak base and create conditions for the consolidation of thawed soils. Geographic latitude determines zoning in the distribution of climate elements. Solar radiation enters the upper boundary of the atmosphere, depending on geographic latitude. It determines the midday height of the Sun and the duration of the radiation. The absorbed radiation is distributed more difficultly, since it depends on cloud cover, the albedo of the earth's surface, and the degree of transparency of the air. Zoning also underlies the distribution of air temperature. The temperature depends not only on the absorbed radiation, but also on the circulating conditions. Zoning in the temperature distribution leads to zoning of other meteorological climate values. The influence of geographical latitude on the distribution of meteorological values becomes more noticeable with height when the influence of other climate factors associated with the earth's surface weakens.

Full Text

Введение В данный момент накоплен колоссальный опыт проектирования, строительства и эксплуатации зданий и сооружений на Транссибирской и Байкало-Амурской магистралях в условиях вечномерзлых и промерзающих грунтовых оснований. С целью возведения качественных и надежных конструкций на Восточном полигоне ОАО «РЖД» применяются наиболее современные и качественные сооружения, новейшие технологии строительства, а также эффективные методы расчета и эксплуатации [1]. Области распространения многолетнемерзлых грунтов отличаются континентальным климатом с большими перепадами температур на протяжении всего года. Годовая амплитуда температуры воздуха - это разность средних месячных температур самого теплого и самого холодного месяцев. Большая разница температур в континентальном климате формируется снижением зимних температур. Годовые разницы таких температур составляют 25-40 °С, где максимальные и минимальные величины обнаруживаются непосредственно после солнцестояний. Исходя из этого, минимальные температуры определяются в январе, а максимальные - в июле [2, 3]. 1. Солнечная радиация Температура воздуха изменяется в течение всех суток следом за температурными перепадами земной поверхности. На основании этого берут в расчет среднее значение температуры за многолетний промежуток времени. Средняя разница перепадов температур в сутки обусловливается географический широтой, связана с расположением объекта (с увеличением значения широты суточная температура воздуха уменьшается, поскольку уменьшается высота солнца над линией горизонта в 12 ч дня), видом поверхности земли (чем выше разница температуры поверхности земли, тем выше разница температуры воздуха), расположением водных бассейнов, ландшафтных форм поверхности земли (на выступающих формах - вершинах и склонах гор и холмов - суточная разница температуры воздуха ниже по сравнению с ровной поверхностью местности, а во впадинах - долинах, оврагах, лощинах - выше) [4]. В летнее время перепады температур обусловлены распределением в зависимости от расположения относительно географической широты: самая низкая температура - на арктическом побережье и наиболее высокая - на южных границах простирания вечномерзлых грунтов. Особенными в этой закономерности представлены побережья Берингова и Охотского морей, поскольку в летнее время сохраняется температура воздуха ниже, чем на тех же широтах в континентальных районах [5, 6]. Лучистая энергия Солнца, или солнечная радиация - это главный источник света и тепла для земной атмосферы и поверхности земли. Численной характеристикой солнечной радиации является энергетическая освещенность или плотность радиационного потока, которая поступает на поверхность, выражается в Вт/м2, т.е. на 1 м2 в секунду приходится 1 Дж лучистой энергии [7]. За счет солнечной радиации энергетическую освещенность измеряют солнечной постоянной So, которая определяется солнечной излучательной способностью и расстоянием между Землей и Солнцем. При помощи различных летательных аппаратов было установлено, что So = 1367 Вт/м2 с поправкой 0,3 %, а среднее расстояние между Солнцем и Землей принималось 149,6 106 км [5, 6]. На солнечную постоянную воздействуют систематические колебания солнечной активности. Энергия, которая поступает в течение 36 ч от Солнца, сравнима с энергией от электростанций всей планеты Земля, которая вырабатывается на протяжении одного года. На освещенную площадь планеты Земля, находящуюся в верхней части земной атмосферы, воздействует приблизительное количество энергии за год 5,49 ∙ 1024 Дж, которое сравнимо с выделяемым теплом от сжигания 400 тыс. т каменного угля [6, 7]. Мощность воздействия прямой солнечной радиации обусловлена временем года, высотой солнца, географической широтой, светопрозрачностью воздуха и местом расположения. Мощность воздействия прямой солнечной радиации в летнее время самая максимальная на востоке в 7-8 ч утра, а на западе - в 16-17 ч вечера. Доля прямого солнечного воздействия по причине влияния атмосферных газов и аэрозолей трансформируется в рассеянное солнечное воздействие, доходит поверхности земли, в некоторой мере отражается от земли и отчасти поглощается (около 20 %). Чем выше расположение солнца и чем сильнее загрязнение воздуха, тем сильнее рассеянная радиация, которую усиливает снижение прозрачности атмосферы [4]. Снежный покров способствует усилению рассеянной радиации, который имеет высокую отражательную способность [6]. Разные характеристики особенностей северных районов Дальнего Востока и Сибири объясняются разницей в теплопритоке. Области, имеющие большое количество вечномерзлых грунтов, объясняют пониженный теплоприток длительной ночью и пониженным расположением солнца над линией горизонта. Как следствие, значительный объем тепла, приобретаемого от солнечной радиации, тратится на излучение [3, 5, 6]. Уменьшение теплопритока объясняется значительной способностью отражения тепла льдом и снегом, а также тратой тепла на таяние. Действие солнечной радиации на температурные показатели учитывают в качестве добавочного прогрева на величину до 100 °С освещаемой солнцем поверхности мощностью 15 см [7]. Суммарная прямая и рассеянная солнечная радиация, воздействующая на вертикальную поверхность при безоблачном небе, МДж/м2, представлена в табл. 9.1. СП 131.13330.2012. Строительная климатология. Актуализированная редакция СНиП 23-01-99*. 2. Теплофизическая модель промерзания, морозного пучения и оттаивания В ходе рассмотрения существующих моделей оттаивающих и промерзающих грунтов был разработан программный модуль Termoground [8, 9], который дает возможность подвергать анализу различные процессы промерзания [10], оттаивания и морозного пучения грунтов [11] по имеющимся температурным показателям и влажности. Данный программный модуль разработан на основе программного комплекса FEM models [12-14]. Происходящие в грунте процессы морозного пучения, промерзания и оттаивания описаны уравнением теплопроводности и представляют нефиксированный тепловой режим грунта в трехмерном пространстве уравнением (1) где - удельная теплоемкость мерзлого или талого грунта; r - плотность грунта; Т - температура; t - время; - теплопроводность мерзлого или талого грунта [11]; x, y, z - координаты; qv - мощность внутренних источников тепла [15-17]. Функция теплоемкости слагается из двух составляющих. Первая составляющая - объемная теплоемкость талого или мерзлого грунта, вторая составляющая - скрытая теплота фазовых превращений в промежутке отрицательных температур, которая была абсорбирована или выделена грунтом по причине изменений фазы грунтовой воды, продемонстрирована следующим уравнением: , (2) где L0 - теплота фазовых превращений вода - лед; Ww - влажность мерзлого грунта за счет незамерзшей воды. Если функция содержания незамерзшей воды в грунте определена, то общее содержание незамерзшей воды выражается как , (3) где Wр - влажность на границе раскатывания; Kw - коэффициент содержания незамерзшей воды в мерзлых глинистых грунтах, принимается согласно [3]. Подставляя равенство (1) в равенство (2), получим полноценное дифференциальное уравнение: (4) Данное выражение (4) может принимать во внимание преобразования компонента скрытой теплоты фазовых превращений в промежутке отрицательных температур, абсорбированной или выделенной грунтом из-за изменений фазы грунтовой воды [10]. Начальными исходными данными для выражений (1) и (4) является заданное значение поля температуры в необходимой зоне Т (х, у, z) грунта в момент времени t = T0 (рис. 1). Рис. 1. Граничные условия задачи теплопроводности Fig. 1. Boundary conditions of the heat conduction problem Граничные условия могут быть четырех видов: 1. Известна температура грунта на поверхности S, поэтому T = T0 (S, t). 2. Внутри области Sq задан тепловой поток, поэтому где n - вектор направления внешней нормали к поверхности; qn - плотность теплового потока, который рассматривают как положительную, если грунт отдает теплоту [10]. 3. На поверхности грунта Sα происходит конвективный теплообмен, поэтому где α - коэффициент теплоотдачи; Tа - температура окружающего пространства. 4. На границах рассматриваемой области задан тепловой поток [10], поэтому 3. Численное моделирование процесса морозного пучения, промерзания и оттаивания с учетом влияния солнечной радиации на земляное полотно дорог Байкало-Амурская магистраль находится в области со сложными природными и климатическими условиями на 52-56 широтах, под разным углом света и сквозь зоны распространения вечномерзлых грунтов мощностью от одного до нескольких сотен метров, а также с высокой сейсмической активностю до 9 баллов. При строительстве магистрали и проходящей модернизации применяются современные конструкции, разработаны, апробированы и запатентованы новые способы возведения и эксплуатации сооружений в тяжелых инженерных условиях [18-20]. В качестве иллюстрации ниже приведены результаты температурных расчетов в годовом цикле состояния дорожной насыпи, трассированной в широтном направлении. Ежемесячная солнечная радиация принималась в соответствии с п. 8 и 9 [21-23]. Облачность в запас не учитывалась. На рис. 2 представлена расчетная схема поперечного профиля железнодорожной насыпи для численного моделирования влияния солнечной инсоляции в зависимости от широты и направления по сторонам света на период двух лет. Рис. 2. Расчетная схема поперечного профиля железнодорожной насыпи: 1 - насыпь; 2 - мерзлое основание Fig. 2. The design diagram of the transverse profile of the railway embankment: 1 - embankment; 2 - frozen base На рис. 3 представлены изолинии температур насыпи и основания без учета влияния солнечной радиации. На рис. 4 обозначены зоны талого и мерзлого грунтов без учета влияния солнечной инсоляции. Толщина оттаявшего грунта составляет до 1,3 м. Под насыпью грунт остается в мерзлом состоянии. Рис. 3. Изолинии температур насыпи и основания без учета влияния инсоляции Fig. 3. The contours of the temperature of the embankment and the base without taking into account the influence of solar insolation Рис. 4. Зоны талого и мерзлого грунтов насыпи и основания без учета влияния инсоляции Fig. 4. Zones of thawed and frozen soils of the embankment and base, excluding the impact solar insolation На рис. 5 представлены деформации оттаивания мерзлых грунтов насыпи без учета влияния солнечной радиации. Рис. 5. Деформации оттаивания основной площадки и откосов насыпи без учета влияния солнечной радиации Fig. 5. Defrosting of the main site and slopes of the embankment without taking into account the influence of solar insolation Без учета влияния солнечной радиации деформации основной площадки насыпи на период двух лет составляют до 8 см, а в основании откоса - до 27 см. На рис. 6 изображены изолинии температур насыпи и основания с учетом влияния инсоляции в зависимости от широты расположения насыпи и направления света. Рис. 6. Изолинии температур насыпи и основания с учетом влияния солнечной инсоляции и направления по сторонам света на период двух лет Fig. 6. Temperature contours of the embankment and base, taking into account the influence of solar insolation and the direction of the cardinal directions for a period of two years На рис. 7 представлены зоны талого и мерзлого грунтов без учета влияния солнечной инсоляции с учетом влияния солнечной инсоляции в зависимости от широты и расположения насыпи по направлению света. Величина оттаявшего грунта составляет более 2 м в поле и до 1,8 м под насыпью с южной стороны света, а с северной стороны оттаивание составляет 1,3 м. Рис. 7. Зоны талого и мерзлого грунтов с учетом влияния инсоляции в зависимости от широты и расположения насыпи по направлению света Fig. 7. Zones of thawed and frozen soils, taking into account the influence of solar insolation, depending on the latitude and location of the embankment in the direction of light На рис. 8 приведены деформации оттаивания мерзлых грунтов насыпи с учетом влияния солнечной инсоляции в зависимости от широты и расположения насыпи по направлению света. Величина деформирования насыпи при оттаивании грунта составляет от 34 см в основании откоса и до 30 см у бровки основной площадки насыпи с южной стороны света, а с северной стороны от 21 см в основании откоса и до 12 см бровка основной площадки насыпи. Рис. 8. Деформации оттаивания мерзлого грунта насыпи и основания учетом влияния инсоляции Fig. 8. Deformation of thawing of frozen soils of the embankment and base, taking into account the influence of solar insolation Как видно по эпюре деформаций, наиболее деформируем участок дороги с южной стороны с величиной деформаций до 34 см и оттаивание основания под насыпь составляет до 1,8 м за период в два года. Такое протаивание ведет к неравномерным деформациям южного и северного склона насыпи и ее крену, что часто наблюдается на практике. Заключение 1. В настоящее время накоплен опыт проектирования, строительства и эксплуатации зданий и сооружений в условиях вечномерзлых и промерзающих грунтов. 2. Лучистая энергия Солнца, или солнечная радиация - это главный источник света и тепла и для поверхности Земли, и для ее атмосферы [4], поэтому целесообразно для получения корректных результатов теплофизических расчетов использовать в качестве исходных данных представленную в нормативных документах суммарную прямую и рассеянную солнечную радиацию. 3. Неравномерные перемещения отдельных участков поперечников насыпей, обусловленные их различной экспозицией, без принятия тех или иных конструктивных мер, являются неизбежными, что ведет к деформациям рельсовых путей. Для устранения неравномерностей деформаций поперечников, накапливающихся в ходе эксплуатации, можно предложить следующие мероприятия: 3.1. Снижение влияния солнечной радиации, которое может быть достигнуто устройством теплоизоляции южных частей поперечников. 3.2. Уменьшение осадок протаивания, для чего в зонах оттаивания следует предусмотреть укладку материалов с малыми коэффициентами относительного оттаивания.

About the authors

S. A Kudryavtsev

Far Eastern State Transport University

T. U Valtseva

Far Eastern State Transport University

A. V Kajarskii

Far Eastern State Transport University

J. I Kotenko

Far Eastern State Transport University

V. N Paramonov

Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University

I. I Sakharov

Saint-Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering

References

  1. Soil Research for Strengthening Railroad Bed Design in Cold Regions of Far East / S.M. Zhdanova, A.R. Edigarian, N.A. Gorshkov, O.S. Neratova // Advances in Intelligent Systems and Computing. Springer, Cham. - 2020. - Vol. 1116. - P. 49-59. https://doi.org/ 10.1007/978-3-030-37919-3_6
  2. Влияние условий оттаивания и вида испытаний на деформационные характеристики оттаивающих грунтов / П.И. Котов, Л.Т. Роман, И.И. Сахаров, В.Н. Парамонов, М.В. Парамонов // Основания и фундаменты, механика грунтов. - 2015. - № 5. - С. 8-13.
  3. Abrashitov A., Sidrakov A. Laboratory study of ballast material reinforced by flat geogrid under the dynamic load // MATEC Web of Conferences. - 2019. - Vol. 265. - 01006. https://doi.org/10.1051/matecconf/201926501006
  4. Ulitsky V., Sakharov I., Paramonov V. Thermal-physical calculations as a basis of design solutions of buildings and structures in the permafrost zone // MATEC Web of Conferences. - 2019. - Vol. 265. - 05009. https://doi.org/10.1051/matecconf/201926505009
  5. Боровик Г.М. Искусственные сооружения на железных дорогах. - Хабаровск.: Изд-во ДВГУПС, 2006. - 174 с.
  6. Сахаров И.И., Парамонов В.Н., Парамонов М.В. Процессы промерзания и оттаивания при устройстве подземных и заглубленных сооружений // Жилищное строительство. - 2009. - № 9. - С. 21-23.
  7. Ершов Э.Д. Деградация мерзлоты при возможном глобальном потеплении климата // Соросовский образовательный журнал. - 1997. - № 2. - С. 23-27.
  8. Пасек В.В. Тепловое воздействие гофрированных водопропускных труб большого диаметра с вечномерзлыми грунтами тела и оснований земполотна железных и автомобильных дорог // 5-й Междунар. симп. по проблемам инженерного мерзлотоведения. - Якутск, 2002. - Т. 2. - С. 94-98.
  9. Парамонов В.Н. Метод конечных элементов при решении нелинейных задач геотехники. - СПб.: Геореконструкция, 2012. - 262 с.
  10. Кудрявцев С.А. Расчетно-теоретическое обоснование проектирования и строительства сооружений в условиях промерзающих пучинистых грунтов: автореф. дис. … д-ра техн. наук. - СПб., 2004. - 42 с.
  11. Конструкция усиления насыпей железных дорог / С.А. Кудрявцев, А.В. Кажарский, Т.Ю. Вальцева, Ж.И. Котенко, Л.Д. Москвичев, А.П. Фарышев // Проектирование развития региональной сети железных дорог. - 2016. - № 4. - С. 243-250.
  12. Справочник геотехника. Основания, фундаменты и подземные сооружения / под общ. ред. В.А. Ильичева, Р.А. Мангушева. - М.: Изд-во АСВ, 2014. - 728 с.
  13. Парамонов М.В. Напряженно-деформированное состояние системы «основание - сооружение» при неодномерном промерзании: автореф. дис. … канд. техн. наук. - СПб., 2013. - 24 с.
  14. Парамонов М.В. Исследование линейных и объемных деформаций морозного пучения в лабораторных условиях // Вестник гражданских инженеров. - 2012. - № 6 (35). - С. 84-86.
  15. Ulitskii V.M., Shashkin A.G. Successful construction of high-speed motorways: the geotechnical constituent // Transport of the Russian Federation. - 2016. - № 2-3. - Р. 36-39.
  16. Парамонов В.Н., Набоков А.В. Особенности конечноэлементного моделирования деформаций морозного пучения и оттаивания грунтов // Взаимодействие оснований и сооружений. Подземные сооружения и подпорные стены: тр. Междунар. конф. по геотехнике Технического комитета 207 ISSMGE. - СПб., 2014. - Т. 2. - С. 65-69.
  17. Kudruavtsev S.A., Valtseva T.Y. The use of geosynthetic materials in special engineering geological conditions of the Far East // Proceding 11th ICG - International Conference on Geosynthetics, 16-21 September. - Seoul, Korea, 2018. - P. 321-326.
  18. Strengthening design for weak base using geomaterials on “Amur” automobile road section Internationa / S.A. Kudruavtsev, T.Y. Valtseva, A.V. Kazharsky, E.D. Goncharova // Scentific Conference Energy Manegement of Municipal Transportation Facicties Transport EMMFT 2017. Advances in Intelligent Systems and Computing - Springer International Publishing AG. - 2017. - P. 145-153.
  19. Geosynthetical materials in design of highways in cold regions Far East / S.A. Kudruavtsev, T.Y. Valtseva, E.D. Goncharova, Zh.I. Kotenko, A.V. Peters, S.A. Bugunov // 5th International Conference on Road and Rail Infrastructure, 17-19 May. - Zadar, Croatia, 2018. - P. 233-240. https://doi.org/10.5592/CO/CETRA2018.953
  20. Numerical Simulation of the Work of a Low-Settlement Embankment on a Pile Foundation in the Process of Permafrost Soil Thawing / S.A. Kudruavtsev, T.Y. Valtseva, S.A. Bugunov, Zh.I. Kotenko, V.N. Paramonov, I.I. Sakharov, N.I. Sokolova // Advances in Intelligent Systems and Computing. Springer, Cham. - 2020. - Vol. 1116. - P. 188-198. https://doi.org/10.1007/978-3-030-37919-3_18
  21. The Study of the Effect of Heat Mains Laid in the Automobile Road Embankment Pavement on Its Base / S.A. Kudruavtsev, T.Y. Valtseva, Zh.I. Kotenko, A.V. Peters, V.U. Shemyakin, Y.A. Bugunova, N.I. Sokolova // Advances in Intelligent Systems and Computing. Springer, Cham. - 2020. - Vol. 1116. - P. 21-28. https://doi.org/10.1007/978-3-030-37919-3_3
  22. Gavrilov T., Kolesnikov G., Stankevich T. Influence of Temperature and Soil Thermal Expansion on Cracking of Dirt Road Surface During Seasonal Freezing // Advances in Intelligent Systems and Computing. Springer, Cham, 2020. - Vol. 1116. - P. 268-276. https://doi.org/10.1007/978-3-030-37919-3_26
  23. Gavrilov T., Kolesnikov G. Method for Estimating Tensile Stresses and Elastic Modulus of Frozen Soil with Evolving Crack // Advances in Intelligent Systems and Computing. Springer, Cham, 2020. - Vol. 1116. - P. 296-305. https://doi.org/10.1007/978-3-030-37919-3_29

Statistics

Views

Abstract - 8

PDF (Russian) - 10

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2020 Kudryavtsev S.A., Valtseva T.U., Kajarskii A.V., Kotenko J.I., Paramonov V.N., Sakharov I.I.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies