Математичне моделювання впливу атмосферних опадів на водно-тепловий режим земляного полотна автомобільної дороги

Опубліковано:
Номер: Випуск 32(2025)
Розділ: Будівництво та цивільна інженерія
Cторінковий інтервал статті: 141-147
Ключові слова: автомобільна дорога, вологість, водно-тепловий режим, ґрунт, дорожня конструкція, дощ, земляне полотно, опади, робочий шар.
Як цитувати статтю: Каськів В. І., Касай К. І. Математичне моделювання впливу атмосферних опадів на водно-тепловий режим земляного полотна автомобільної дороги. Дороги і мости. Київ, 2025. Вип. 32. С. 141–147.
Як цитувати статтю (references): Volodymyr Kaskiv, Kostiantyn Kasai. Mathematical modeling of the effect of atmospheric precipitation on the hydro-thermal regime of a road embankment. Dorogi і mosti [Roads and bridges]. Kyiv, 2025. Issue 32. P. 141–147 [in Ukrainian].

Автори

Національний транспортний університет (НТУ), м. Київ, Україна
https://orcid.org/0000-0003-3292-3339
Державне підприємство «Національний інститут розвитку інфраструктури» (ДП «НІРІ»), м. Київ, Україна
https://orcid.org/0000-0002-8074-6798

Анотація

Вступ. Автомобільні дороги формують базову інфраструктуру перевезень, а їхній технічний стан безпосередньо впливає на стабільність логістики, безпеку руху та економічну ефективність. Значна частина дорожньої мережі України має нежорсткий дорожні одяг, для якого вирішальну роль відіграє стан ґрунтів робочого шару земляного полотна.

Проблематика. Підвищення надійності дорожньої конструкції є актуальним питанням галузі. Ураховуючи, що міцнісні і деформативні показники нежорсткого дорожнього одягу залежать від фізико-механічних показників ґрунту основи і відповідно від його вологості, існує потреба в урахуванні всіх чинників впливу на них і у точних розрахункових залежностях.

Мета. Розробити інженерно-придатний підхід математичного моделювання впливу атмосферних опадів на водно-тепловий режим робочого шару земляного полотна.

Матеріали та методи. За основу взято модель водно-теплового режиму, яка базується на диференціальних рівняннях переносу тепла і вологості в часткових похідних.

Результати. Запропоновано для розрахунку поля вологості W(z, t) у шарі ґрунту за глибиною z замість функції f(t) — однорідного за глибиною і перемінного в часі джерела надходження вологи, ввести функцію f(z, t) = q(t) p(z), яка на думку авторів більш коректно відтворює надходження вологи від дощів у дорожню конструкцію.

Висновки. Запропонована постановка на базі дифузійного рівняння з просторово-часовим джерелом є збалансованою за складністю та точністю для інженерних розрахунків. Вона дозволяє використовувати фактичні дані опадів, враховувати реалістичну зміну вологості з глибиною, враховувати вид ґрунту.

Посилання

  1. FHWA (LTPP): Seasonal Variations in the Moduli of Unbound Pavement Layers (FHWA-HRT-04-079). URL: https://www.fhwa.dot.gov/publications/research /infrastructure/pavements/ltpp/04079/.
  2. Idaho DOT (ITD): Monitoring and Modeling Subgrade Soil Moisture for Pavement Design and Rehabilitation in Idaho (Final Report). URL: https://apps.itd.idaho.gov/apps/research/Completed/RP124C.pdf
  3. Ahmed Abdelgawad, Mostafa A. Abo-Hashema. Modeling of seasonal variation of subgrade resilient modulus using ltpp data.  13th Annual International Conference, Asphalt, Pavement Engineering and InfrastructureAt: Liverpool Centre for Materials Technology (LCMT), Liverpool, UK February 2014 URL: https://www.researchgate.net/publication/341213911_MODELING_OF_ SEASONAL_VARIATION_OF_SUBGRADE_RESILIENT_MODULUS_USING_LTPP_DATA.
  4. Rahman M. M. et al. (2023): Effect of Moisture Content on Subgrade Soils Resilient Modulus for Predicting Pavement Rutting. Geosciences 2023, 13(4), 103; DOI: https://doi.org/10.3390/ geosciences13040103.
  5. Norambuena‑Contreras J. et al. Nonlinear numerical simulation of rainwater infiltration through road embankments by FEM. Applied Mathematics and Computation. 219 (4). DOI: https://doi.org/10.1016/j.amc.2012.08.025.
  6. Каськів В. І. Математична модель розподілу вологості ґрунтів у робочому шарі високих насипів з врахуванням інфільтрації вологи дощів. Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. 2017. Вип. 100. С. 3–10. URL: http://publications.ntu.edu.ua/avtodorogi_i_stroitelstvo/100/003-010.pdf.
  7. Каськів В. І. Удосконалення показників робочої зони високих насипів з врахуванням інфільтрації атмосферних опадів : дис... канд. техн. наук : 05.22.11. К., 1998. 286 с.
  8. Петрович В. В., Касай К. І., Дослідження характеристик опадів для розрахунків поверхневого водовідведення й інфільтрації вологи в ґрунт земляного полотна автомобільних доріг. Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. 2024. Вип. 115-2. С. 137–146. URL: http://publications.ntu.edu.ua/avtodorogi_i_ stroitelstvo/115.2/137.pdf.
  9. Каськів В. І., Касай К. І. Аналіз підходів щодо оцінювання просочування опадів у ґрунт узбіччя автомобільних доріг. Дороги і мости. Київ, 2024. Вип. 30. С. 253–263. DOI: https://doi.org/10.36100/dorogimosti2024.30.253.
  10. Бубела А. В. Дослідження закономірностей зволоження дорожньої конструкції та методи його регулювання. Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. 2019. Вип. 105. C. 44–48. URL: http://publications.ntu.edu.ua/avtodorogi_i_ stroitelstvo/105/44.pdf
  11. Сіденко В. М. Розрахунок і регулювання водно-теплового режиму дорожніх одягів і земляного полотна. Автотрансіздат, 1962. 116 с. 
  12. Пузаков М. А., Золотарь І. О., Сіденко В. М., Тулаєв А. Я. Водно-тепловий режим земляного полотна і дорожніх одягів. Транспорт, 1971. 414 с.