К.т.н., Айтбаев К, Абдулманапова Д.

ХКТУ им. А.Ясави, г. Туркестан, Республика Казахстан

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОДНО-ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА В ДОРОЖНОЙ КОНСТРУКЦИИ С ПОДЗЕМНОЙ ТЕПЛОВОЙ МАГИСТРАЛЬЮ НА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

Целью настоящих исследований является определение водно-теплового режима грунтового основания городской дорожной конструкции с подземной тепловой магистралью. Вывод о тесной связи между температурным полем в грунте и уровнем влагонасыщенности последнего приведен в классической монографии Сиденко В.М. [1], посвященной исследованию водно-теплового режима автомобильных дорог общего пользования Украины. Показано, что основным фактором, являющимся необходимым для появления избыточной влажности в грунтовом основании дорожной одежды, является наличие влагонепроницаемой поверхности, на которой конденсируется парообразная влага. Причем, нужно, чтобы на нижней поверхности влагонепроницаемого асфальтобетонного слоя, сохранялась отрицательная температура, в то время как, в грунте будет держаться положительная температура, необходимая для появления парообразной влаги.

Как известно [1], в дорожной одежде и земляном полотне одновременно происходят несколько процессов. Это конвективный теплообмен дорожного покрытия с приземным воздухом, диффузия пара и воды в порах материала, влагообмен между дорожным покрытием и приземным воздухом, инфильтрация осадков через трещины в одежду и полотно, инфильтрация воды в полотно со стороны обочины и др.

Из всех перечисленных источников наиболее актуальным для грунтового основания городских дорог с подземным теплопроводом является диффузный источник.

Характер распределения влажности по толщине дорожной конструкции определяется периодом года, т.е. изменением упругости пара и температуры. В холодный период года максимальное увлажнение отмечается на поверхности грунтового основания, а в теплый период - на глубине залегания грунтовых вод [1]. Следовательно, зимне-весенний период года является наиболее благоприяным для накопления избыточной влажности в грунтовом оснований дорожной одежды. Если учесть, что в этот период городские дорожные конструкций с подземным теплопроводом подвергаются интенсивному подогреву снизу, то следует ожидать максимальной конденсации влаги на нижней поверхности асфальтобетонного слоя дорожной одежды.

Итак, если все эти положения перенести на городские, дорожные конструкции с подземными тепловыми магистралями, то задачей исследования на математической модели процесса формирования температурного поля вокруг подземного теплопровода является установление интервала изменения температуры наружного воздуха, при котором наступают благоприятные условия для интенсивной конденсации парообразной влаги в грунтовом основании дорожной конструкции.

Исследование температурного поля в дорожной конструкции на математической модели (рисунок 1) начинается с назначения конкретных числовых значений исходных параметров.

Из подрисуночного текста понятно, что исследуемая область является многослойной, многосвязной и неоднородной. Подземная теплотрасса представляет собой пару стальных труб, по которым текут горячая вода, поступающая потребителям и остывшая вода, направляемая в ТЭЦ. Стальные трубы заключены в прямоугольные железобетонные коробки, называемые коллекторами. На рисунке 1 температура воздуха внутри коллекторов обозначена, соответственно, через T_k1 и T_k2.

Рисунок 1. Условные обозначения: I – двухслойный асфальтобетон, II – щебень из твердых пород, III – гравийно-песчаная смесь, IV – грунт естественного залегания, суглинок легкий, T_В – температура наружного воздуха, T_h – температура грунта на глубине h м, T_k1 и T_k2 – температура воздуха внутри коллекторов, h_k=1.40 м высота железобетонного коллектора, h₁ – коэффициент конвективного теплообмена между наружным воздухом и поверхность дорожного покрытия.

На глубине h=5.95 м температура в грунте считается постоянной в течение года и равной T_h=+10 ⁰С. По бокам расчетной схемы температура меняется от T_h до температуры воздуха окружающей среды Т_В по линейному закону. На поверхности дорожного покрытия происходит конвективный теплообмен с наружным воздухом. Коэффициент конвективного теплообмена равен h₁=20 Вт/(м²∙К). Конвективный теплообмен между воздухом внутри коллекторов и внутренней поверхностью коллекторов происходит с коэффициентом h₂=23 Вт/(м²∙К) [2].

Плоская задача теплопроводности в стационарной постановке решается методом конечных элементов.

Рисунок 2. Графики изменения температур на глубинах h=80 см, h=50 см и h=20 см при значениях Т_В=-15.0 ⁰С, Т_к1=62.46 ⁰С, Т_к2=41.04 ⁰С.

Рисунок 3. Изотермы температурного поля при Т_В=-15.0 ⁰С, Т_к1=62.46 ⁰С, Т_к2=41.04 ⁰С.

Как уже было отмечено, необходимым условием конденсации парообразной влаги в грунтовом основании дорожной одежды является наличие поверхности, на которой температура будет отрицательной.

Следовательно, искомый диапазон изменения температуры наружного воздуха будет лежать в области отрицательных температур. Из возможного интервала изменения температуры наружного воздуха в зимнее время от 0 ⁰С до -25.0 ⁰С, в расчетах принята температура наружного воздуха, равная среднестатистическому значению Т_В= -15.0 ⁰С.

На рисунках 2-3 приведены графики изменения температуры на различных глубинах и изотермы температурного поля в дорожной конструкции, соответствующие температуре наружного воздуха Т_В= -15.0 ⁰С и температурам воздуха внутри подземных коллекторов Т_к1=62.46 ⁰С, Т_к2=41.04 ⁰С.

При температуре наружного воздуха Т_В=-15.0 ⁰С сформировавшееся температурное поле вокруг поземных коллекторов как раз и будет способствовать интенсивной конденсации водяных паров на нижней асфальтобетонной поверхности дорожной одежды. Действительно, графики распределения температур на глубинах h=80 см, h=50 см и h=20 см показывают (рисунок 2), что уже на глубине h=20 см вся область, находящаяся непосредственно под асфальтобетонным слоем ниже нулевой отметки изотерм будет находиться под влиянием положительных температур, в то время как, вся верхняя часть дорожной одежды, включая асфальтобетонный слой дорожной одежды будет находиться в зоне отрицательных температур (рисунок 3). Хотя, температура в коллекторах держится на довольно высоком уровне (Т_к1=62.46 ⁰С, Т_к2=41.04 ⁰С), нулевая линия изотерм не претерпевает разрыв над коллекторами, и над ней образовывается сплошная зона отрицательных температур.

Литература

1. Сиденко В.М. Расчет и регулирование водно-теплового режима дорожных одежд и земляного полотна. Научно-техническое издательство Министерства автомобильного транспорта и шоссейных дорог РСФСР. Москва, 1962.-116 с.

2. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. М: Мир, 1979. – 392 с.

Аннотация

В работе приводятся результаты исследования на математической модели процесса формирования стационарного температурного поля в дорожной конструкции с подземным теплопроводом. Результаты исследований представлены в виде графиков распределения температуры на различнық сечениях и в виде изотерм.