m_0867

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

съема определенного резистора, показания которого необходимо получить.

Электрическая схема гирлянды представлена на рис. 3. Общий вид гирлянды представлен на рис. 4.

Для измерения температурного поля земляного полотна было изготовлено три гирлянды терморезисторов для расположения их в различных условиях. Количество терморезисторов в гирляндах – 23, 20 и 19 штук соответственно.

Каждый терморезистор был тарирован по девяти температурным точкам, после чего на него был составлен паспорт, в который занесены значения сопротивления току в каждом терморезисторном датчике (по показаниям мультиметра) в зависимости от температуры. В результате тарировки для каждого терморезистора была получена функциональная зависимость между сопротивлением току и температурой.

Рис. 3. Принципиальная схема подключения гирлянды термодатчиков к измерительному прибору: 1 – гирлянда электрических термометров сопротивления; 2 – разъем; 3 – переключатель; 4 – общий провод;

5 – компенсационный провод; 6 – электрические термометры сопротивления с номиналом 3,9 кОм;

7 – образцовый резистор (стабилизированный манганин) с номиналом

R0 = 100 Ом (± 0,01 %);

8 – измерительный прибор

21

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

Рис. 4. Общий вид гирлянды терморезисторов:

1 – плата с гнездами подачи и съема электрического тока;

2 – терморезисторные датчики;

3 – соединительные провода;

4 – уплотнитель; 5 – подвесной груз

22

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

Тарировка датчиков была произведена следующим образом. В камеру холода была помещена гирлянда, состоящая из параллельно соединенных терморезисторов сопротивлением 3,9 кОм, отстоящих друг от друга на расстояние 10 см. Каждый датчик был соединен с прибором для измерения сопротивления. Температура в камере холода снижалась постепенно с шагом 5 ˚С, начиная с +20 ˚С до –20 ˚С с выдержкой 15 мин на каждом шаге измерений. В процессе снижения температуры с каждого датчика гирлянды были сняты показания сопротивления, соответствующие текущему значению температуры, и занесены в паспорт датчиков.

Общий вид морозильной установки и рабочей камеры показан на рис. 5, 6.

Рис. 6. Вид рабочей камеры

Рис. 5. Общий вид с гирляндой терморезисторов морозильной установки

Таким образом, для каждого терморезистора по девяти точкам была построена тарировочная кривая в диапазоне температур от +25 ˚С до –20 ˚С, которая аппроксимировалась степенной зависимостью температуры окружающей среды в зависимости от величины сопротивления тензодатчика. Пример тарировочной кривой для некоторых тензодатчиков гирлянды № 1 приведен на рис. 7.

23

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

Рис. 7. График тарировки терморезисторов

№7, 10, 22 гирлянды № 1

Втечение срока наблюдения за температурным полем земляного полотна (с 2009 по 2012 гг.) тарировка производилась не менее трех раз для каждой гирлянды. Максимальная погрешность измерений составила порядка 7 %, что может быть объяснено выходом из строя отдельных терморезисторных датчиков. В течение эксплуатации гирлянды некоторые датчики были заменены на новые. В среднем погрешность измерений не превысила 5 %, что может говорить о достаточной точности проведенных измерений.

Для изучения изменения температурного поля земляного полотна по глубине в различных условиях (в частности, при различном роде грунта, слагающего земляное полотно) гирлянды были расположены на разных участках земляного полотна:

– на насыпи, сложенной суглинком, вне зоны укладки пенополистирола (глубина скважины – 2,3 м, количество терморезисторов – 23 шт.);

24

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

–на насыпи, сложенной суглинком, в зоне укладки пенополистирола толщиной 4 см (глубина скважины – 2,0 м, количество терморезисторов – 20 шт.);

–на насыпи, сложенной золошлаковой смесью (глубина скважины – 2,0 м, количество терморезисторов – 19 шт.).

На рис. 8 представлена схема экспериментов по регистрации температурных полей в теле полномасштабной модели земляного полотна (гирлянды терморезисторов № 1 и № 2). Схематичный разрез насыпи с указанием мест установки гирлянд показан на рис. 9.

Рис. 8. Схема эксперимента по регистрации температурного поля земляного полотна по его глубине

Рис. 9. Схема полномасштабной модели на полигоне СГУПСа

Проведение эксперимента началось в ноябре 2009 г., с появлением отрицательных среднесуточных температур. Для установления зависимости промерзания грунта земляного полотна от температуры воздуха в течение всего периода исследования производи-

25

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

лось регулярное измерение температуры воздуха (ежесуточно трижды: в 0 ч, 8 ч и 16 ч) и температуры в насыпи (не менее 1 раза в 2–3 дня). Такая частота измерений была обусловлена значительно изменяющимися значениями температуры воздуха в течение суток, что влияет на значение среднесуточной температуры; однако влияние этих температур на изменение температуры в грунте было значительно менее выделяющимся, в силу того что этот процесс не происходит мгновенно, а несколько растянут во времени. Таким образом, выбранной частоты измерений оказалось вполне достаточно для составления объективного представления о процессе промерзания грунта в экспериментальной насыпи.

На рис. 10–12 показаны диаграммы среднесуточной температуры воздуха в районе полигона за исследуемый период с 1 ноября по 31 октября каждого из трех сезонов измерения.

26

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

Рис. 10. График среднесуточной температуры воздуха в период с 01.11.2009 г. по 31.10.2010 г.

27

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

Рис. 11. График среднесуточной температуры воздуха в период с 01.11.2010 г. по 31.10.2011 г.

28

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

Рис. 12. График среднесуточной температуры воздуха в период с 01.11.2011 г. по 31.10.2012 г.

На рис. 13, 14 показаны температуры в грунтовом массиве насыпи, измеренные на различных участках на уровне 10 см выше уровня основной площадки и 10 см ниже его: на участке с уложенным на основной площадке слоем пенополистирола толщиной 4 см (рис. 13) и без него (рис. 14).

Таким образом, была собрана весьма существенная база информации, позволяющей составить представление о процессах, имеющих место в земляном полотне с наступлением отрицательных температур.

29

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

Рис. 13. Температура грунта насыпи на различных глубинах за 2009–2012 гг. с уложенным слоем пенополистирола:

а– на уровне 10 см выше основной площадки;

б– на уровне 10 см ниже основной площадки

Рис. 14. Температура грунта насыпи на различных глубинах за 2009–2012 гг. без пенополистирола:

а– на уровне 10 см выше основной площадки;

б– на уровне 10 см ниже основной площадки

Следует отметить, что каждый из наблюдаемых сезонов имел яркие отличительные особенности. Так, зимний сезон 2009–2010 гг. отличался значениями отрицательных температур существенно ниже нормы для этого времени. Температуры зимнего сезона 2010– 2011 гг. существенно не отличались от среднестатистических, однако толщина снежного покрова была больше ожидаемой в этом регионе. И, наконец, сезон 2011–2012 гг., наоборот, отличался очень ма-

30