Почему в Подмосковье разная глубина промерзания почвы?

Текст научной работы на тему «Исследование влияния промерзания грунта и крепежа на колебания грунта, вызванные высокоскоростным поездом в мерзлых районах»

С расширением сети высокоскоростных железных дорог в мире неизбежно прохождение железных дорог через регионы сезонного замерзания. Поскольку в сезонно замерзшем регионе механические свойства грунта могут значительно различаться между сезоном заморозков и теплым сезоном, вибрации грунта, вызванные поездом, также зависят от сезона, но до сих пор этому не уделялось должного внимания. В данной статье проводится исследование влияния промерзания грунта и крепежа на колебания грунта, вызванные высокоскоростным поездом в мерзлых регионах. На основе хорошо установленных взаимосвязей между механическими свойствами грунта и температурой замерзания показано, что мерзлый грунт по-прежнему представлен слоистым грунтом, и, следовательно, разработанные ранее модели для прогнозирования вибрации грунта, создаваемые поездом, движущимся по рельсовому пути, опирающемуся на слоистый грунт. грунт можно легко применить. Также рассмотрено влияние низкой температуры на динамические свойства крепежных изделий. Результаты показывают, что из-за повышенного модуля Юнга в условиях промерзания уровень вибрации мерзлого грунта вблизи пути ниже, чем у незамерзшего аналога. Однако на значительном удалении от пути уровень вибрации мерзлого грунта намного выше, чем у незамерзшего, в основном из-за гораздо меньшего коэффициента потерь мерзлого грунта, что приводит к более медленному затуханию вибрации при распространении. расстояние. Результаты также показывают, что разница в вибрации грунта между мерзлым грунтом и его незамерзшим аналогом в основном вызвана промерзанием грунта. Основное внимание в этом исследовании уделяется прояснению характеристик вибрации грунта, вызванной поездом, в мерзлых регионах и различиях между мерзлыми и незамерзающими областями, что дает некоторые новые фундаментальные представления об этой практической проблеме, которые имеют важное инженерное руководство и практическую ценность.

Введение

Железная дорога — это вид транспорта, который не только имеет большую пропускную способность, но и является экологически чистым по сравнению с другими видами транспорта. Многие страны планируют строить или развивать свои сети высокоскоростных железных дорог в различных регионах, неизбежно включая некоторые сезонные заморозки. На глобальную площадь вечной мерзлоты приходится от 20% до 25% площади суши, в основном распространенной в северном полушарии. Транссибирская железная дорога, железная дорога Гудзонова залива и планируемая высокоскоростная железная дорога Москва-Казань в России проходят через замерзшие регионы. Морозные регионы также широко распространены в Китае. Большая площадь вечной мерзлоты распространена на Цинхай-Тибетском нагорье и в северной части Китая, площадью около 2.15 млн км 2 , что составляет 22.4% территории Китая 1 . Есть несколько железнодорожных линий, таких как железная дорога Цинхай-Тибет, высокоскоростная линия Пекин-Харбин, высокоскоростная линия Харбин-Далянь и т. д., расположенные в замерзших регионах, и некоторые населенные пункты или здания также находятся рядом с этими железнодорожными линиями. как показано на рис. 1. В этих регионах вибрация грунта, вызванная работой железной дороги, может значительно различаться в разные сезоны. С развитием высокоскоростных железных дорог в мерзлых регионах вибрация грунта, создаваемая железнодорожными операциями в мерзлых регионах, становится важной темой исследований.

Железнодорожная линия и окружающие здания.

Когда температура почвы падает ниже 0°С, свободная вода в почве начинает замерзать. Из-за влияния поверхностной энергии частиц почвы связанная вода, адсорбированная на поверхности частиц почвы, также будет замерзать при дальнейшем понижении температуры. В результате жидкая вода превращается в кристаллы льда, а незамерзшая почва становится мерзлой. Кристаллы льда и частицы грунта сцементированы, в результате чего механические свойства мерзлого грунта значительно отличаются от свойств незамерзшего. Согласно исх. 2,3, механические свойства мерзлого грунта очень чувствительны к температуре и содержанию грунта/льда. В некоторых регионах температура атмосферы значительно меняется в зависимости от сезона, создавая цикл промерзания почвы зимой и оттаивания льда весной. Следовательно, механические свойства почвы и динамические характеристики грунта значительно меняются в зависимости от сезона. Можно ожидать, что вызванная поездом вибрация грунта также зависит от времени года.

Вибрации незамерзших грунтов, возникающие при работе железных дорог и т.п., широко изучались. Большое количество исследователей внесли свой вклад в создание аналитических или численных моделей для прогнозирования вибрации грунта. Метрикин 4 и Востроухов 5 изучали реакцию балки, периодически опертой на однородное полупространство и подвергаемой подвижной гармонической нагрузке. В противном случае земля всегда считается горизонтально-слоистой структурой. Хаскелл 6 и Томсон 7 предложили метод матрицы переноса для анализа такого слоистого грунта. Основываясь на этом методе, Sheng et al. 8,9 использовали динамическую гибкость слоистого грунта для прогнозирования вибрации грунта, создаваемой балластным путем, на который воздействует стационарная или движущаяся гармоническая нагрузка. Они упростили балластный путь, чтобы он был однородным в направлении пути, а сила сцепления (нормальное напряжение на границе раздела путь/земля) между путем и землей предполагается равномерно распределенной по ширине пути. Steenbergen и Metrikine рассматривают более реалистичную связь, допускающую неравномерное нормальное напряжение 10 . Ченг 11 и Ауэрш 12 также упростили систему рельсового пути/грунта, чтобы она была неизменной в направлении пути, чтобы предсказывать вибрации грунта, вызванные поездом. Все упомянутые выше модели являются в той или иной степени аналитическими, требующими, чтобы грунт имел строгую горизонтально-слоистую структуру и каждый слой грунта был однородным.

Ян и Хунг 13,14, 2.5 использовали численную модель, называемую двумерным (15D) методом конечных/бесконечных элементов, для прогнозирования вибрации грунта, вызванной поездом, а Ван и др. 2.5 обсуждались несколько ключевых проблем при расчете отклика поля при движущейся нагрузке с использованием метода конечных элементов 2.5D. По сравнению с аналитическими моделями подход 16,17,18D не имеет строгих ограничений на поперечное сечение системы путь/грунт, но по-прежнему требуется, чтобы структура и свойства ее материала оставались неизменными в направлении пути, что не всегда имеет место в упражняться. Из-за дискретной опоры рельса и прерывистости путевых плит система «путь/земля» конструктивно является периодической в направлении пути. Для этой периодической структуры, основанной на преобразовании Флоке, Клуто, Дегранд и Гупта и др. В работах 19, 20, 20 для прогнозирования земных вибраций, создаваемых поездами, движущимися в туннелях, использовался периодический метод конечных элементов и граничных элементов. Хусейн и др. XNUMX и Пэн и др. XNUMX также рассмотрел периодичность системы путь/земля и обнаружил, что режимы изгиба плиты пути могут влиять на частотную характеристику земли. В исх. В [XNUMX] авторы также исследовали условие, при котором плиты можно заменить бесконечно длинной балкой Эйлера–Бернулли.

Когда структура пути/земли сложная, например, туннели и здания, обычно требуется трехмерная модель конечных элементов. Ян и др. 21 использовали двухэтапный подход для прогнозирования вибраций, вызванных движущимися поездами крупномасштабного здания, построенного совместно с тоннелем метро. На первом этапе силы крепежа прогнозируются с использованием модели взаимодействия транспортного средства и пути во временной области. Эти усилия на крепеж преобразуются Фурье в частотные составляющие, а составляющие усилия на крепеж на каждой частоте на втором этапе применяются к трехмерной конечно-элементной модели, включающей плиты пути, туннель, грунт и здание. Чтобы лучше улавливать колебания плиты на средних и высоких частотах, Ян и др. 22 разработали динамическую модель пути для плиты на основе теории пластин Рейсснера-Миндлина, чтобы учесть влияние деформации сдвига и момента инерции плит. В дополнение к трехмерным моделям конечных элементов Фиала, Лопес и Колако и др. 23,24,25, 26, 27 использовали субструктурированные подходы для моделирования системы «дорожка-наземное строительство», используя различные методы для работы с различными частями системы, повышая эффективность вычислений. Численные модели вибрации грунта, вызванной поездом, также были разработаны Lombaert et al. 28, Kouroussis et al. 29, Ся и др. XNUMX и Ju et al. XNUMX .

Читайте также:

Основы удаления несущей стены

Вышеупомянутые исследования относятся только к незамерзающим регионам. В литературе, опубликованной на английском или китайском языках, по вибрации грунта, вызванной поездом, в мерзлых регионах можно найти немного работ. Несколько исследователей изучили земляное полотно и вибрацию грунта экспериментальным методом. Линг и др. 30,31 изучали вибрацию грунтового основания, вызванную движением поездов в сезонно замерзающих районах Дацина, Китай. Их результаты показывают, что затухание вибрации мерзлого грунта отличается от такового незамерзшего, хотя в обоих случаях вибрация земляного полотна увеличивается с ростом скорости поезда и нагрузки. Линг 32 также изучал вибрацию путей и грунта в районах вечной мерзлоты вдоль железной дороги Цинхай-Тибет с помощью полевого мониторинга. Jin 33 измерил ускорения опор и поверхности земли, создаваемые линией 3 легкорельсового транспорта Чанчуня зимой и летом. Результаты показывают, что вибрация опоры моста зимой ниже, чем летом, но в дальней зоне высокочастотная составляющая вибрации грунта выше, чем летом из-за меньшего демпфирования мерзлого грунта. Сюй 34 использовал метод конечных элементов 2.5D для прогнозирования вибрации мерзлого грунта, вызванной поездом, с целью изучения изоляции барьера ближнего поля. Ли 35 предложил термодинамическую совмещенную модель, которая учитывает пластическую деформацию насыпи из вечной мерзлоты для изучения осадки насыпи. Хотя благодаря этим исследованиям были получены некоторые предварительные представления о характеристиках вибрации и законе затухания мерзлого грунта, все еще требуются более всесторонние исследования с теоретической точки зрения по этой теме. Рассмотренные выше различные исследования незамерзающих грунтов могут стать прочной основой для этой темы.

В статье представлено исследование влияния промерзания грунта и крепежа на колебания грунта, вызванные высокоскоростными поездами. Следует отметить, что в этой статье основное внимание уделяется инженерному значению и прикладной ценности вибрации грунта, вызванной поездом, в мерзлых регионах. Поскольку поезда в Ледсгарде превышают критическую скорость земли, вызывая сильные вибрации земли и поездов и вызывая ряд социальных и экономических проблем 36 , вибрации земли, вызванные поездами, вызывают беспокойство у многих исследователей. Однако большинство исследований по такой важной теме ограничиваются только незамороженными областями и игнорируют замороженные области, которые не менее важны. Эта статья, основанная на инженерной точки зрения, направлена на то, чтобы получить некоторые знания об основных характеристиках вибрации грунта в мерзлых регионах ясным и кратким образом, обеспечивая некоторые новые фундаментальные представления об этой проблеме. Работа в этой статье исходит из практической инженерной проблемы и напоминает исследователям и инженерам-железнодорожникам о необходимости учитывать не только эффекты промерзания грунта, но и сезонную зависимость вибрации грунта при оценке вибрации грунта, вызванной поездом, в мерзлых регионах, которые имеют важное техническое руководство и прикладная ценность.

В исследовании данной статьи рассматриваются китайский CRTS ΙΙΙ безрельсовый путь и типичный высокоскоростной движущийся поезд. Плитный путь CRTS ΙΙΙ широко используется в Китае, а также может использоваться на многих запланированных высокоскоростных железнодорожных линиях, в том числе в регионах с морозами. Считается, что грунт имеет горизонтально-слоистую структуру, и метод динамической гибкости, разработанный в работах. 8,9 используется для анализа динамики грунта. Низкая температура атмосферы превращает землю в мерзлую и изменяет ее материальные свойства, что приводит к другой слоистой структуре. Взаимосвязь между параметрами мерзлого грунта (модуль Юнга, коэффициент Пуассона, коэффициент потерь) и температурой грунта сообщается в работах. 35,37 используются в этой статье и подробно объясняются в разделе «Материальные и динамические свойства мерзлого грунта и пути». Для мерзлого грунта температура почвы увеличивается с глубиной, будучи наименьшей (ниже 0 °С) на поверхности земли и 0 °С на так называемой глубине промерзания. Предполагается, что материальные свойства нижележащего грунта такие же, как и у непромерзшего. Чтобы четко разграничить температурную стратификацию грунта, вызванную градиентом температуры по глубине, естественно расслоенный мерзлый грунт дополнительно подразделяется на N горизонтальные слои одинаковой толщины. Определение N для различных температур поверхности и глубины промерзания поясняется в разделе «Материальные и динамические свойства мерзлого грунта и пути». Температура замерзающей атмосферы не только изменяет параметры грунта, но и оказывает существенное влияние на динамические характеристики крепежа. Влияние низкой температуры на динамические характеристики скрепления также рассмотрено в разделе «Материальные и динамические свойства мерзлого грунта и пути». Результаты представлены в разделе «Результаты». Работа завершается в «Заключении».

Материальные и динамические свойства мерзлого грунта и пути

Вещественные свойства немерзлого грунта изменяются при его промерзании низкой температурой атмосферы, особенно в вертикальном направлении, за счет образующегося в грунте температурного градиента. Для анализа таких изменений используется немерзлый грунт, параметры которого приведены в табл. 1. Грунт образован трехметровым слоем, перекрывающим однородное полупространство. Считается, что при трех температурах замерзающей атмосферы (– 3, – 5, – 10 °C), перечисленных в Таблице 20, немерзлый грунт (Грунт 2 в Таблице 1) становится мерзлым грунтом. Соответствующие глубины промерзания также приведены в Таблице 2. На глубины промерзания влияют многие факторы и особенности местности, и значения, приведенные в Таблице 2, являются типичными согласно Ref. 2 . Свойства грунта в пределах промерзшей глубины зависят от отрицательной температуры, но для грунта ниже свойства материала соответствуют свойствам непромерзшего грунта.

Читайте также:

Что делает мангал? (с картинками)

В этом разделе сначала формулируются материальные свойства мерзлых грунтов («Материальные свойства мерзлых грунтов как функция глубины»). Используются формулы, предложенные в работах 35,37 . Чтобы использовать теорию слоистого грунта, представленную в работах 8,9 , и в то же время иметь возможность описать зависимость свойств материала от глубины, мерзлый грунт делят на N горизонтальные и однородные слои одинаковой толщины. Номер слоя N определяется по дисперсионным кривым и смещениям поверхности грунта от кольцевых и полосовых гармонических нагрузок («Стратификации для мерзлых грунтов»). Параметры гусеницы рассмотрены в разделе «Зависимость жесткости и демпфирования системы крепления от температуры».

Вещественные свойства мерзлого грунта в зависимости от глубины

Когда температура, T, на поверхности грунта ниже 0 °С, верхняя часть грунта промерзнет. Согласно исх. 39,40 , температура T в почве можно предположить, что линейно увеличивается с глубиной h пока не достигнет 0 °C на так называемой глубине промерзания h_{замороженные}. Как только температура поверхности земли и глубина промерзания заданы, градиент температуры в направлении глубины может быть однозначно определен с помощью

в котором T T < 0, (0 le h le h_>>>) . Механические параметры грунта можно описать следующим образом 35,37,41

где, E, (ипсилон) и η – модуль Юнга (в МПа), коэффициент Пуассона и коэффициент потерь грунта соответственно. T температура грунта (в °C) при T < 0. Константы a_i, b_i (i = 1, 2), c₃ и m получают экспериментальным путем. Согласно исх. 35,37 , уравнения. (2)–(4) можно применять к глинистой почве и песчаной почве. a₁, a₂ и (эта_ ) – модуль Юнга, коэффициент Пуассона и коэффициент потерь немерзлого грунта. Для песчаного грунта, используемого в данной статье (верхний слой в таблице 1), b₁ = 41, b₂ = – 0.005, a₃ = 0.588, b₃ = 0.412 и c₃ = 4.233; для глины b₁ = 27, b₂ = – 0.008, a₃ = 0.32, b₃ = 0.69 и c₃ = 2.18. Для данного водного образца почвы эти константы могут быть непосредственно определены экспериментально, а мощность m в уравнении (2) обычно принимается равной 0.6 35,37 .

Согласно табл. 2, глубины промерзания мерзлых грунтов составляют менее 3 м, т. е. меньше мощности верхнего слоя немерзлого грунта. Зависимости между свойствами материала и глубиной верхнего слоя показаны на рис. 2, 3 и 4. Из рис. 2 видно, что модуль Юнга мерзлого грунта выше, чем немерзлого, и чем ниже локальная температура, тем выше модуль Юнга. При температуре -20 °C модуль Юнга составляет 317.4 МПа, что в 4.5 раза больше, чем у немерзлого грунта (70 МПа). На рис. 3 коэффициент Пуассона мерзлого грунта уменьшается с понижением температуры; при температуре -20 °С коэффициент Пуассона равен 0.25, в отличие от 0.35 для немерзлого грунта. На рис. 4 показан коэффициент потерь мерзлого грунта, который также уменьшается с понижением температуры. При температуре -20 °C коэффициент потерь составляет всего 0.059, что примерно вдвое меньше, чем в незамерзшем грунте.

Почему в Подмосковье разная глубина промерзания почвы?

Глубина промерзания грунта зависит от его типа, климата, местности, влажности и прочего. Особенности и параметры учитываются при бурении, строительстве и другой хозяйственной деятельности.

Какова глубина сезонного промерзания грунта? Что это измеряет?

Это случайная величина, и она не может быть постоянной. Это связано с тем, что одни факторы, влияющие на показатели, с течением времени почти не меняются (например, тип почвы, рельеф), а другие – наоборот, постоянно изменяются (влажность почвы, высота снежного покрова, интенсивность и продолжительность пониженной температуры). , так далее.). При строительстве зданий большое значение имеет глубина промерзания грунта. В Московской области сегодня ведется активное строительство. От степени заглубления конструкции фундамента зависит глубина промерзания грунта. При строительстве учтите, что в зимний период (в случае постоянного проживания) площадь под домом теплая. За счет этого расчетную глубину, на которую промерзает грунт, можно уменьшить процентов на пятнадцать-двадцать. Обеспечить максимальное сохранение тепла грунта способна качественная изоляционная лента шириной от полутора до двух метров. Его размещают вокруг дома, таким образом создавая теплоизолирующую отмостку.

Какова разная глубина промерзания почвы в Московской области?

Значения колеблются от 50 см до 1 м 80 см. Эту разницу специалисты объясняют различной плотностью почвы. Чем больше мороза и плотнее почва, тем сильнее промерзает земля. В почве, насыщенной влагой, показатели будут выше, чем в сухой. Как таковое среднее значение в Подмосковье отсутствует. Но существуют нормативные глубины промерзания грунта. СНиП устанавливает следующую величину – 1 метр 40 см. Но следует сказать, что при ее определении учитывались крайне суровые климатические условия: высокий уровень грунтовых вод, сильный мороз, отсутствие снега. На самом деле глубина промерзания грунта в Подмосковье отличается от существующих нормативов. Зачастую она не превышает одного метра. Если зима очень холодная, снега почти нет, то уровень может быть до полутора метров. На западе Московской области грунт промерзает примерно на 65 см, а на востоке, севере, юге – до 75 см.

Есть некоторые высказывания, которые, казалось бы, не нуждаются в объяснении, например, «обучение & ndash; свет и невежество – тьма». Но некоторые до сих пор не понимают их значения. Но не только для таких людей написана наша статья. Я.

Д. И. Менделеев был блестящим русским ученым-эрудитом, сделавшим много важных открытий в различных областях науки и техники. Многие знают, что он автор «Основ химии» и периодического закона хим.

Славяне (под этим названием), по мнению некоторых исследователей, появились в истории только в 6 веке н.э. Однако язык народности носит архаичные черты индоевропейской общности. Это, в свою очередь, говорит о том, что происхождение славян ч.

Влияние типа почвы

Глубина промерзания почвы в Подмосковье зависит от разных факторов. Одним из них является тип почвы. Так, грунт промерзает на большую, по сравнению с глиной, глубину. Это потому, что глина более пористая, чем песок. Для Подмосковья характерны супесчаные почвы, суглинки, крупнозернистые почвы, торфы и супеси. Точно уровень могут определить специалисты, учитывая при расчетах все факторы в совокупности. Например, крупнозернистый грунт начинает промерзать при температуре 0 градусов. Для песков и супесей глубина промерзания – 132 см, а для суглинистых и глинистых грунтов – 1.2 м.

Статья на других языках:

Алин Тродден – автор статьи, редактор
«Привет, я Алин Тродден. Пишу тексты, читаю книги, ищу впечатления. И я не плохо рассказываю вам об этом. Я всегда рада участвовать в интересных проектах».

Комментарии (0)

Эта статья не имеет комментариев, будьте первым!

В конце XVI века был избран первый русский патриарх. Это была работа, которая была митрополитом Московским и всея Руси. За период его патриаршества пришлось немало общественных кризисов. Ранние годы Будущая первая Русь.

Нейрон как структурно-функциональная единица нервной системы представляет собой узкоспециализированную клетку, способную генерировать и проводить электрические импульсы. В процессе эволюции нейроны утратили способность делиться.

Как бы вы себя чувствовали, просыпаясь каждое утро в одном доме со львом? А если есть пуму гулять? Размеры и потенциал агрессии этих животных не дают нам мысли помешать держать их дома вместо себя.

Для русского оружия 1709 год был полон славных побед. Под Полтавой Петр Великий разбил армию шведского короля Карла Двенадцатого, русские войска успешно вытеснили их с территории Прибалтики. К стре.

Звезды и планеты, галактики и туманности, когда часами смотришь на ночное небо, можно любоваться его сокровищами. Даже простое знание созвездий и умение находить их на небе — очень полезный навык. Ты сможешь .

На заболоченных территориях, территориях, где имеется большое количество водоемов, произрастают специфические растения. Многие из них обладают полезными и уникальными свойствами. Довольно обычен в лесной зоне мох сфагнум. Фото, где он растет, этот «природный спон.