Freeze-1

Сибирский государственный университет путей сообщения
	Кафедра «Изыскания, проектирование и постройка железных и автомобильных дорог» Лаборатория НИЛ Лавин
Методика назначения противопучинных мероприятий и выбора их параметров на железных и автомобильных дорогах на базе программного комплекса «Freeze-1»

	Программный комплекс «Freeze-1» с дополнительным модулем Freeze-1z Разработанный на кафедре «Изыскания проектирование и постройка железных и автомобильных дорог» СГУПС программный комплекс *Freeze-1* предназначен для расчета одномерного нестационарного температурного поля земляного полотна железных дорог и, в частности, для получения оценок глубины сезонного промерзания-оттаивания и зоны интенсивного морозного пучения грунта по оси пути с учетом всех необходимых природных и техногенных факторов:
	среднемесячной температуры воздуха в годовом цикле; температуры грунта на глубине нулевых годовых амплитуд; теплофизических характеристик грунтов земляного полотна; среднемесячных толщин снежного покрова; среднемесячных теплофизических характеристик снега; теплофизических характеристики теплоизолирующих материалов.
	Программный комплекс включает в себя два автономных модуля (программы) ориентированных на использование применительно к различным климатическим условиям - зонам с сезоннопромерзающими (модуль *Freeze-1) и сезоннооотаивающими (модуль Freeze-1z*) грунтами. Ниже приводятся основные формы модуля для сезоннопромерзающих грунтов, характеризующие его возможности и интерфейс.

	Рисунок 1. Главное окно интерфейса программного модуля Freeze-1 На рис. 1 показан главный экран интерфейса программного модуля Freeze-1 после завершения расчета глубины промерзания грунта с укладкой пенополистирола на основной площадке. В центральном окне экрана выводится текущее распределение температуры грунта по глубине и скорость его промерзания в процессе расчета. Здесь T_год - среднегодовая расчетная температура поверхности балласта. В правом верхнем окне выведен график глубины промерзания-оттаивания грунта во времени в рамках одного расчетного цикла. Синим цветом показана линия промерзания (фазовых переходов) грунта, красным – линия оттаивания. H_фаз – максимальная глубина промерзания грунта под основной площадкой, определяемая максимальной глубиной фазовых переходов в грунте. В правом нижнем окне можно наблюдать за изменением температуры грунта на любой из трех заданных глубин в течение одного расчетного цикла. Одной из главных задач расчета является определение глубины зоны интенсивного морозного пучения под основной площадкой, которая обозначена как H_пуч, а сама зона закрашена бирюзовым цветом.

	Рисунок 2. Форма задания температуры воздуха

	Рисунок 3. Форма задания толщин слоев железнодорожного пути и его основания

	Рисунок 4. Форма задания характеристик грунта Для автоматизированной оценки высоты морозного пучения, в форме задания характеристик грунта можно использовать два варианта задания коэффициента пучения - по формулам (3)-(5), приведенным в разделе «Методика», и путем его прямого введения в соответствующее окно (рис.4). В последнем случае напротив введенного значения ставится «галочка», и тогда расчет высоты морозного пучения в программе ведется с использованием этого значения.

	Рисунок 5. Форма задания толщины снега на балласте

	Рисунок 6. Форма задания теплофизических параметров снега
	Главным результатом расчета в программе является график промерзания-оттаивания земляного полотна, пример которого показан на рис. 7.

	Рисунок 7. График промерзания-оттаивания земляного полотна в годовом цикле
	Бирюзовым цветом показана зона интенсивного морозного пучения, граница которой в данном примере определяется температурой -1,5⁰С. Данный график показывает, что пучение глинистого грунта (суглинка) приведет к поднятию балласта на высоту 11 мм. Толщина слоя, вовлеченного в процесс пучения (H_фаз = 0,76 м), отсчитывается от нижней границы защитного слоя, сложенного дренирующим грунта, который в процессе пучения «не участвует». Динамику изменения температурного поля земляного полотна в годовом цикле можно просматривать с шагом 10 суток. На рис. 8, 9 приведены график изменения температуры по глубине на 180 сутки, начиная с 1 октября - начальной точки отсчета в расчетном алгоритме программы, и его температурный градиент с градуированной шкалой.

	Рисунок 8. График распределения температуры по глубине на 1 апреля

	Рисунок 9. Температурный градиент по глубине промерзания на 1 апреля
	На рис.9 белой полосой обозначена зона фазовых переходов в грунте при его замерзании. Также в программе предусмотрена возможность вывода максимальных и минимальных значений температуры в годовом цикле по глубине расчетной зоны вплоть до глубины нулевых годовых амплитуд (рис.10).

	Рисунок 10. Максимальные и минимальные значения температуры в годовом цикле
	Еще одна важная характеристика процесса промерзания грунтов земляного полотна - скорость промерзания, выводится в программе синхронно с выполняемым расчетом (рис.1, 11).

	Рисунок 11. График скорости промерзания земляного полотна
	Здесь зеленым цветом показан процесс промерзания балласта и защитного слоя, не влияющий на пучинообразование. Синим цветом показана скорость промерзания глинистого грунта, оказывающая непосредственное влияние на интенсивность процесса пучения.
	В помощь проектировщику в программном комплексе Freeze-1 также предусмотрен вывод окончательных результатов теплотехнического расчета с использованием теплоизолирующего покрытия, который реализуется активацией вкладки «Вывод результатов» вверху главного экрана (рис. 1). В форме «Вывод результатов расчета» (рис. 12) достаточно ввести дополнительную информацию - скорость движения поездов и расчетную высоту пучения по краям участка (обычно это допустимая высота пучения), после чего в нижней части формы программно генерируются результаты, готовые для их включения в проектную документацию.

	Рисунок 12. Вывод результатов теплотехнического расчета с теплоизолирующим покрытием
	Принципиальным отличием программного модуля *Freeze-1z* от *Freeze-1* является изменение последовательности фаз промерзания и оттаивания грунтов земляного полотна. В модуле *Freeze-1z, изначально, весь грунт находится в мерзлом состоянии и, следовательно, расчет начинается с фазы его оттаивания, началом которой в программе выбрана дата 1 апреля. Как следствие, годовой цикл процесса, по аналогии с рисунком 7, представляется графиком оттаивания-промерзания земляного полотна. В остальном, работа с модулем Freeze-1z* идентична работе с модулем *Freeze-1*.