Почти на всей территории России в зимний период начинается промерзание почв, водонасыщенные грунты увеличиваются в объеме, появляется морозное пучение, вызванное расширением льда при отрицательных температурах. Из-за этого покрытие дорог повреждается и впоследствии разрушается при оттаивании весной. Для разработки мероприятий по борьбе с этим фактором, в первую очередь, необходимы сведения о глубине промерзания грунта в активной зоне дорог. Можно проводить исследования в полевых условиях, однако это трудоемкий и дорогостоящий процесс, поэтому сейчас изучению промерзания дорог помогает компьютерное моделирование. Но оно не всегда в точности соответствует реальной ситуации. Ученые Пермского Политеха провели мониторинг температур дорожной одежды на глубине до 3 метров и установили, насколько точно с аналогичной задачей справляется компьютерная модель.
Статья опубликована в журнале «Известия вузов. Лесной журнал», № 5, 2024.
Большую опасность при строительстве и эксплуатации дорог представляют силы морозного пучения. Срок службы дорожного покрытия зависит от механических свойств грунтов, которые расположены ближе к поверхности земли. Под влиянием низкой температуры и высокой влажности почвы в основании дорог начинают деформироваться и разрушаться, что существенно затрудняет их эксплуатацию.
Климатические условия разных районов России существенно отличаются, поэтому для разработки рекомендаций по проектированию дорог для каждого региона необходимо проводить полевые исследования грунтов. Однако анализ процессов промерзания «на месте» — трудоемкое и дорогостоящее исследование, поэтому сейчас используют компьютерное моделирование. При этом важно, чтобы программа предельно точно создавала условия, аналогичные реальным, для получения достоверных данных.
Ученые Пермского Политеха провели эксперимент, чтобы проверить эффективность метода компьютерного моделирования. Они измерили глубину промерзания грунта в полевых условиях, а затем сравнили свои замеры с теми, которые получили при численном моделировании.
Вглубь грунта погрузили 32 температурных датчика с помощью пластиковой трубы длиной 3 метра. Они способны измерять температуру в диапазоне от -55 до +125 °С. Так получены данные в течение осенне-зимнего периода.
Аналогичный процесс промерзания дорожного полотна моделировался в специальном ПО — программе GeoStudio, одной из самых удобных в своем роде. В ее состав входит модуль Temp, который учитывает различные исходные данные и позволяет моделировать процессы промерзания грунта земляного полотна и дорожной одежды.
— На последнем этапе мы сравнили результаты, полученные в реальных условиях с теми, что показала программа. Глубина промерзания грунта по опытным данным составила 1,73 метра, а по результатам численного моделирования — 1,9 метров. То есть погрешность моделирования оказалась невелика — 8%. Таким образом, это ПО позволяет достаточно точно отображать процессы промерзания и оттаивания земляного полотна и дорожной одежды автомобильных дорог, — рассказывает Владимир Клевеко, доцент кафедры «Автомобильные дороги и мосты» ПНИПУ, кандидат технических наук.
Исследование ученых Пермского Политеха показало, что численное моделирование прогнозирует глубину промерзания с достаточной для практических расчетов точностью. Это позволяет экономить на измерении показателей, а также открывает новые возможности для разработки рекомендаций по проектированию и эксплуатации дорог в различных климатических условиях России, что особенно важно для обеспечения их надежности и долговечности в зимний период.