Группа российских ученых из Московского физико-технического института и НИЦ «Курчатовский институт» провела тщательное исследование вибраций железнодорожных путей в условиях вечной мерзлоты. В результате они сделали неожиданное открытие о том, что ледяные линзы, которые считаются одним из самых опасных проявлений вечной мерзлоты, имеют двойственную природу.
С помощью сложных компьютерных моделей исследователи показали, что ледяная линза, которая изначально создает пиковые нагрузки на конструкцию, со временем превращается в стабилизирующий элемент, который рассеивает разрушительную энергию. Этот результат, полученный в рамках государственного задания НИЦ «Курчатовский институт», имеет большое значение для безопасного строительства железных дорог в Арктике.
Освоение Арктики невозможно без надежной транспортной инфраструктуры, но ее строительство и эксплуатация в зоне вечной мерзлоты затруднены из-за морозного пучения грунта. Влажная почва при промерзании образует ледяные включения, которые деформируют железнодорожную насыпь и рельсы, создавая угрозу безопасности движения. Предсказать поведение системы под динамической нагрузкой от поезда – одна из сложнейших задач инженерной геологии.
Большинство исследований изучали долгосрочные процессы, такие как просадка грунта, с помощью метода конечных элементов. Однако для анализа мгновенной реакции конструкций на ударную волну от поезда и волновых процессов длительностью доли секунды требуются более точные подходы. Ученые сосредоточились на быстрой, «ультразвуковой» динамике.
Исследователи создали цифровую модель для изучения структуры «шпала – балласт – грунт – ледяная линза» сразу после прохождения поезда. Они использовали сеточно-характеристический метод для моделирования распространения упругих волн. Главной задачей было точное описание сложной формы ледяной линзы. Для этого был применен метод пересекающихся сеток (Chimera meshes).
В ходе экспериментов ученые смоделировали прохождение поезда над участком пути с ледяной линзой и без нее. Результаты показали, что ледяная линза сначала увеличила пиковое давление у основания балластной призмы на 13%. Однако последующие переотражения волн превратили линзу в рассеиватель, стабилизируя путь. В итоге нагрузка на конструкцию в стационарном режиме без линзы оказалась выше.
Ледяная линза создает пик напряжений, который нужно учитывать при проектировании. Если конструкция не выдержит, инженеры могут использовать искусственную заморозку грунта. В противном случае линза придаст дополнительную устойчивость железнодорожному пути.
Исследование также показало, что необходимо усилить края балластной призмы, так как именно в этих местах происходят наибольшие смещения.
Полученные данные могут быть использованы в сочетании с долгосрочными моделями для более глубокого и всестороннего анализа проектируемых железнодорожных объектов в Арктике, что позволит повысить их безопасность и надежность.
Источник: zanauku.mipt.ru
распечатать статью
