Товары в корзине: 0 шт Оформить заказ

Купить snip-id-52575 — официальный бумажный документ с голограммой и синими печатями. подробнее

Цена на этот документ пока неизвестна. Нажмите кнопку "Купить" и сделайте заказ, и мы пришлем вам цену.

Официально распространяем нормативную документацию с 1999 года. Пробиваем чеки, платим налоги, принимаем к оплате все законные формы платежей без дополнительных процентов. Наши клиенты защищены Законом. ООО "ЦНТИ Нормоконтроль".

Наши цены ниже, чем в других местах, потому что мы работаем напрямую с поставщиками документов.

Способы доставки

  • Срочная курьерская доставка (1-3 дня)
  • Курьерская доставка (7 дней)
  • Самовывоз из московского офиса
  • Почта РФ

В книге приведены результаты исследований влияния уширения дорог и на водно-тепловой режим земляного полотна. Излагается методология проектирования уширения дороги, которая позволяет обеспечить равнопрочность дорожной конструкции и равноустойчивость дорожной одежды по всей ширине проезжей части.

Книга предназначена для инженеров, занятых проектированием и строительством автомобильных дорог и аэродромов, а также может быть полезна научным работникам, преподавателям и студентам транспортных вузов.

Оглавление

Предисловие
1. Суть проблемы и пути её решения
1.1. Механизм изменения плотности и влажности грунтов
1.2. Особенности работы дорожных конструкций и их учет при проектировании дороги
1.3. Характеристика исследуемых грунтов и дорожных одежд
2. Влажность грунтов перед промерзанием земляного полотна
2.1. Прогноз влажности грунтов при 1-ой схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна
2.1.1. Объем воды, поступающей в грунт под дорожной одеждой
2.1.2. Влажность грунта рабочего слоя при отсутствии притока воды из существующего и вновь построенного земляного полотна
2.1.3. Миграция воды из существующего земляного полотна в рабочий слой на участке уширения дороги
2.1.4. Миграция воды из вновь возведенного земляного полотна в рабочий слой под существующей дорожной одеждой
2.2. Прогноз влажности грунтов при 2-ой схеме увлажнения рабочего слон земляного полотна
2.2.1. Условия поступления поверхностных вод в рабочий слой под дорожной одеждой проезжей части
2.2.2. Значения коэффициента уплотнения грунта в расчетные годы
2.2.3. Эпюры влажности грунтов перед промерзанием в расчетные годы
2.3. Прогноз влажности грунтов при 3-ей схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна
2.3.1. «Безопасная» глубина залегания подземных вод
2.3.2. Эпюры влажности грунтов перед промерзанием в расчетные годы
3. Прогноз плотности и влажности грунтов и их пучения в зимний период
3.1. Температурное поле земляного полотна
3.2. Влажность грунтов в зимний период на участках промерзания рабочего слоя земляного полотна
3.2.1. Расчетные зависимости
3.2.2. Результаты расчета влажности мерзлых грунтов в холодную зиму на участках дороги, относящихся к 1-ой схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна
3.2.3. Результаты расчета влажности мерзлых грунтов в холодную зиму на участках дороги, относящихся ко 2-ой схеме увлажнения рабочего слон земляного полотна
3.2.4. Результаты расчета влажности мерзлых грунтов в холодную зиму на участках дороги, относящихся к 3-сй схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна
3.2.5. Результаты расчета влажности мерзлых грунтов в теплую зиму на участках дороги, относящихся к 3-ей схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна
3.3. Прогноз величины пучения грунтов
3.3.1. Расчетные зависимости для определения пучения грунтов
3.3.2. Результаты расчета пучения грунтов в холодную зиму на участках дороги, относящихся к 1-ой схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна
3.3.3. Результаты расчета пучения грунтов в холодную зиму на участках дороги, относящихся ко 2-ой схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна
3.3.4. Результаты расчета пучения грунтов в холодную зиму на участках дороги, относящихся к 3-ей схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна
4. Влажность и плотность грунтов в весенний период и влияние на их величину дренирующего слоя дорожной одежды
4.1. Расчетные зависимости для определения влажности и плотности грунтов в весенний период
4.2. Результаты расчета влажности и плотности грунтов в весенний период на участках дороги, относящихся к 1-ой схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна
4.3. Результаты расчета влажности и плотности грунтов в весенний период на участках дороги, относящихся ко 2-ой схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна.
4.4. Результаты расчета влажности и плотности грунтов в весенний период на участках дороги, относящихся к 3-ей схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна.
5. Особенности прогноза значений влажности и плотности грунтов и их пучения в районе сопряжения существующей и вновь сооружаемой дорожной конструкции
5.1. Расчетная схема определения влажности, плотности и пучения грунтов
5.2. Результаты расчета влажности и плотности грунтов и их пучения
6. Учет влияния движения транспорта на прочностные и деформационные характеристики грунта рабочего слоя земляного полотна
6.1. Прогноз значений прочностных и деформационных характеристик грунтов при отсутствии промерзания рабочего слоя земляного полотна
6.1.1. Определение расчетного значения сцепления в грунте
6.1.2. Определение расчетного значения угла внутреннего трения в грунте
6.1.3. Метод определения приближенных значений характеристик грунта на участке уширения дороги
6.2. Прогноз значений прочностных и деформационных характеристик грунтов при наличии промерзания рабочего слоя земляного полотна
6.2.1. Определение расчетного значения сцепления в грунте
6.2.2. Определение расчетного значения угла внутреннего трения в грунте
6.2.3. Определение значений модулей упругости грунтов
7. Мероприятия по регулированию водно-теплового режима земляного полотна по ширине проезжей части дороги
7.1. Допустимые значения пучения грунтов
7.2. Мероприятия по обеспечению допустимой эпюры пучения грунтов по ширине проезжей части
7.3. Проверка дорожной одежды на осадкоустойчивость
7.4. Обеспечение равнопрочности дорожной одежды по ширине проезжей части
7.5. Особенности проектирования мероприятий по регулированию водно-теплового режима земляного полотна на участках сопряжения проезжей части с обочинами
Заключение
Список литературы

Показать даты введения Admin

СОЮЗДОРНИИ

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "ДОРОЖНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ"

В.И. Рувинский

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЧНОСТИ
И УСТОЙЧИВОСТИ ЗЕМЛЯНОГО
ПОЛОТНА НА УЧАСТКАХ УШИРЕИИЯ
АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

Москва 2006

Содержание

Предисловие

1. Суть проблемы и пути ее решения

1.1. Механизм изменения плотности и влажности грунтов

1.2. Особенности работы дорожных конструкций и их учет при проектировании дороги

1.3. Характеристика исследуемых грунтов и дорожных одежд

2. Влажность грунтов перед промерзанием земляного полотна

2.1. Прогноз влажности грунтов при 1-ой схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна

2.1.1. Объем воды, поступающей в грунт под дорожной одеждой

2.1.2. Влажность грунта рабочего слоя при отсутствии притока воды из существующего и вновь построенного земляного полотна

2.1.3. Миграция воды из существующего земляного полотна в рабочий слой на участке уширения дороги

2.1.4. Миграция воды из вновь возведенного земляного полотна в рабочий слой под существующей дорожной одеждой

2.2. Прогноз влажности грунтов при 2-ой схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна

2.2.1. Условия поступления поверхностных вод в рабочий слой под дорожной одеждой проезжей части

2.2.2. Значения коэффициента уплотнения грунта в расчетные годы

2.2.3. Эпюры влажности грунтов перед промерзанием в расчетные годы

2.3. Прогноз влажности грунтов при 3-ей схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна

2.3.1. «Безопасная» глубина залегания подземных вод

2.3.2. Эпюры влажности грунтов перед промерзанием в расчетные годы

3. Прогноз плотности и влажности грунтов и их пучения в зимний период

3.1. Температурное поле земляного полотна

3.2. Влажность грунтов в зимний период на участках промерзания рабочего слоя земляного полотна

3.2.1. Расчетные зависимости

3.2.2. Результаты расчета влажности мерзлых грунтов в холодную зиму на участках дороги, относящихся к 1-ой схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна

3.2.3. Результаты расчета влажности мерзлых грунтов в холодную зиму на участках дороги, относящихся ко 2-ой схеме увлажнения рабочего слон земляного полотна

3.2.4. Результаты расчета влажности мерзлых грунтов в холодную зиму на участках дороги, относящихся к 3-ей схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна

3.2.5. Результаты расчета влажности мерзлых грунтов в теплую зиму на участках дороги, относящихся к 3-ей схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна

3.3. Прогноз величины пучения грунтов

3.3.1. Расчетные зависимости для определения пучения грунтов

3.3.2. Результаты расчета пучения грунтов в холодную зиму на участках дороги, относящихся к 1-ой схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна

3.3.3. Результаты расчета пучения грунтов в холодную зиму на участках дороги, относящихся ко 2-ой схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна

3.3.4. Результаты расчета пучения грунтов в холодную зиму на участках дороги, относящихся к 3-ей схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна

4. Влажность и плотность грунтов в весенний период и влияние на их величину дренирующего слоя дорожной одежды

4.1. Расчетные зависимости для определения влажности и плотности грунтов в весенний период

4.2. Результаты расчета влажности и плотности грунтов в весенний период на участках дороги, относящихся к 1-ой схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна

4.3. Результаты расчета влажности и плотности грунтов в весенний период на участках дороги, относящихся ко 2-ой схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна.

4.4. Результаты расчета влажности и плотности грунтов в весенний период на участках дороги, относящихся к 3-ей схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна.

5. Особенности прогноза значений влажности и плотности грунтов и их пучения в районе сопряжения существующей и вновь сооружаемой дорожной конструкции

5.1. Расчетная схема определения влажности, плотности и пучения грунтов

5.2. Результаты расчета влажности и плотности грунтов и их пучения

6. Учет влияния движения транспорта на прочностные и деформационные характеристики грунта рабочего слоя земляного полотна

6.1. Прогноз значений прочностных и деформационных характеристик грунтов при отсутствии промерзания рабочего слоя земляного полотна

6.1.1. Определение расчетного значения сцепления в грунте

6.1.2. Определение расчетного значения угла внутреннего трения в грунте

6.1.3. Метод определения приближенных значений характеристик грунта на участке уширения дороги

6.2. Прогноз значений прочностных и деформационных характеристик грунтов при наличии промерзания рабочего слоя земляного полотна

6.2.1. Определение расчетного значения сцепления в грунте

6.2.2. Определение расчетного значения угла внутреннего трения в грунте

6.2.3. Определение значений модулей упругости грунтов

7. Мероприятия по регулированию водно-теплового режима земляного полотна по ширине проезжей части дороги

7.1. Допустимые значения пучения грунтов

7.2. Мероприятия по обеспечению допустимой эпюры пучения грунтов по ширине проезжей части

7.3. Проверка дорожной одежды на осадкоустойчивость

7.4. Обеспечение равнопрочности дорожной одежды по ширине проезжей части

7.5. Особенности проектирования мероприятий по регулированию водно-теплового режима земляного полотна на участках сопряжения проезжей части с обочинами

Заключение

Список литературы

Рувинский В.И. Обеспечение прочности и устойчивости земляного полотна на участках уширения автомобильных дорог.

В книге приведены результаты исследований влияния уширения дорог и на водно-тепловой режим земляного полотна.

Излагается методология проектирования уширения дороги, которая позволяет обеспечить равнопрочность дорожной конструкции и равноустойчивость дорожной одежды по всей ширине проезжей части.

Книга предназначена для инженеров, занятых проектированием и строительством автомобильных дорог и аэродромов, а также может быть полезна научным работникам, преподавателям и студентам транспортных вузов.

Предисловие

Одним из путей решения транспортной проблемы России и стран СНГ является уширение эксплуатируемых автомобильных дорог. К сожалению, существующая практика уширения земляного полотна может привести к ухудшению ровности покрытия и появлению трещин в дорожной одежде в процессе эксплуатации дороги в районах с сезонным промерзанием грунтов. Дело в том, что действующие нормативно-технические документы не учитывают особенности водно-теплового режима земляного полотна при контакте существующей и вновь создаваемой дорожной конструкции. Поэтому даже при соблюдении всех действующих документов по проектированию и технологии производства работ происходит ухудшение ровности покрытия и появляются трещины в дорожной одежде в процессе эксплуатации дороги.

Учитывая такое положение с дорогами, на которых было устроено уширение земляного полотна, Росавтодор предусмотрел в плане НИОКР работы по теме: «Исследование и совершенствование теоретических основ методологии регулирования водно-теплового режима земляного полотна и дорожных одежд на участках уширения автомобильных дорог». Исполнителем этой темы был автор настоящей книги.

В основу проведения автором исследований и разработки методологии проектирования уширения дороги положена физико-техническая теория водно-теплового режима земляного полотна [3].

Эта теория, разработанная автором книги, позволяет учесть влияние природно-климатических и грунтово-гидрологических факторов и конструктивных параметров, дороги на водно-тепловой режим земляного полотна во II-IV дорожно-климатических зонах.

Физико-техническая теория подтверждена результатами многолетних наблюдений на специальных станциях, построенных на дорогах, и проверена на многочисленных постах наблюдений и опытных участках [8].

На основе этой теории были разработаны: пособие к СНиП 2.05.02-85 [1] по проектированию методов регулирования водно-теплового режима верхней части земляного полотна, нормы ОДН 218.046-01 [2] по проектированию нежестких дорожных одежд в части обеспечения их морозоустойчивости и типовые решения [7] на пучинистых участках автомобильных дорог.

В настоящее время действует нормативный документ ОДН 218.046-01 «Проектирование нежестких дорожных одежд» [2]. Этот документ можно применять только при наличии следующих условий:

земляное полотно под дорожной одеждой возводится из одного и того же грунта;

рабочий слой по всей ширине проезжей части устраивается в один и тот же год;

грунт под проезжей частью уплотняется до нормативных значений; дорожная одежда по всей ширине проезжей части имеет одну и ту же конструкцию;

возвышение низа дорожной одежды над уровнем поверхностных и подземных вод удовлетворяет нормативным требованиям.

Строительство дорожных конструкций на участках уширения дороги проводится в других условиях. Поэтому применять ОДН 218.046-01 на таких участках можно только после соответствующей корректировки этого документа. В частности, нужно уточнить методику определения влажности и плотности грунтов и их прочностных и деформационных характеристик, а также нужно уточнить расчет дорожной одежды на морозоустойчивость с учетом взаимного влияния друг на друга существующей и вновь устраиваемой конструкции. Такая работа была выполнена. Ее результаты представлены в настоящей книге.

Методология проектирования дорожных конструкций на участке уширения дороги должна позволять решать вопросы по обеспечению равноморозоустойчивости и осадкоустойчивости, а также равнопрочности дорожной одежды по ширине проезжей части.

Для выполнения этих требований была изучена работа указанных конструкций в процессе эксплуатации дороги. Оказалось, что в этот период может происходить уменьшение плотности грунтов рабочего слоя земляного полотна. Изменение плотности грунтов во времени происходит с различной скоростью на участке существующего земляного полотна и на уширении дороги. Такие условия работы дорожных конструкций являются одной из важных причин появления трещин в дорожной одежде и ухудшения ровности покрытия. Другими факторами, которые влияют на деформацию дорожной одежды, являются поступление воды, и холода в земляное полотно со стороны раздела между существующей и вновь устраиваемой дорожной конструкцией.

Исследования показали, что равноморозоустойчивость и осадкоустойчивость дорожной одежды обеспечена в том случае, когда величина и интенсивность изменения пучения и осадки грунтов по ширине проезжей части не превышает величин, приведенных в книге. Обеспечение морозоустойчивости дорожной одежды не исключает необходимости ее проверки на осадкоустойчивость при оттаивании земляного полотна. Дело в том, что дорожная одежда может обладать необходимой морозоустойчивостью, но не быть осадкоустойчивой.

При проектировании дороги нужно стремиться к тому, чтобы была обеспечена равно прочность дорожной одежды по всей ширине проезжей части. Это может потребовать больших материальных затрат. Создавать или не создавать такую конструкцию - это технико-экономическое решение. В любом случае прочность дорожной одежды должна быть не менее требуемой по ОДН 218.046-01.

В книге представлены расчетные зависимости для прогноза водно-теплового режима земляного полотна на участках уширения дороги. Эти расчетные зависимости позволяют:

● определить значения притока воды из существующего дорожного полотна во вновь устраиваемое и обратно;

● установить расстояния, на которые промерзает грунт под существующей дорожной одеждой за счет поступления холода со стороны земляного полотна на участке уширения дороги;

● то же в отношении промерзания вновь устраиваемого земляного полотна;

● установить значения влажности и плотности грунтов и их пучения по ширине проезжей части.

По этим зависимостям были проведены соответствующие расчеты для конкретных грунтов, которые позволили установить пределы изменения различных параметров водно-теплового режима земляного полотна.

Требуемые условия работы дорожных конструкций на участках уширения дороги можно обеспечить путем применения различных мероприятий по регулированию водно-теплового режима земляного полотна. Применение некоторых из этих мероприятий стало возможным после проведения соответствующих исследований. В частности, такие исследования были проведены для дорожных конструкций, включающих теплоизолирующий слой из пенопласта, предотвращающего промерзание земляного полотна. Для таких конструкций не были известны значения прочностных и деформационных характеристик грунта. Без этих данных нельзя было оценить прочность дорожной одежды. Указанные исследования позволили разработать расчетные зависимости для определения таких характеристик грунта. Они представлены в книге. Тем самым была решена задача по обеспечению требуемой прочности дорожной одежды, включающей теплоизолирующий слой из пенопласта.

В книге приведен перечень мероприятий по регулированию водно-теплового режима земляного полотна и указаны особенности устройства этих мероприятий.

1. Суть проблемы и пути ее решения

1.1. Механизм изменения плотности и влажности грунтов

В период эксплуатации дороги в районах с сезонным промерзанием грунтов происходят изменения плотности-влажности грунтов [3]. В общем случае этот процесс состоит из четырех основных периодов: набухание осенью, пучение зимой, осадка грунта при оттаивании и усадка при высыхании весной и летом. Учитывая, что рабочий слой земляного полотна допускается устраивать только из ненабухающих и слабонабухающих грунтов, находящихся под давлением от веса дорожной одежды, можно не учитывать набухание грунтов при определении плотности и влажности грунтов и их пучения.

В процессе эксплуатации дороги может происходить уменьшение плотности грунтов в летний период по сравнению с плотностью, достигнутой при строительстве. Разуплотнение грунта происходит в том случае, когда его набухание осенью плюс пучение зимой будет больше суммарной величины осадки грунта при оттаивании весной и усадки при высыхании летом. Понижение плотности грунта происходит год за годом в течение примерно 5-10 лет, после чего этот процесс прекращается и устанавливается в летний период так называемая «бытовая» плотность.

Ку(б) = Ку(min)/(1 - еусад),                                                                                      (1)

где Ку(б) - коэффициент уплотнения грунта, соответствующий «бытовой» плотности;

Ку(min) - минимальное значение коэффициента уплотнения грунта после осадки в летний период;

еусад - относительная величина усадки грунта в летний период.

Значения коэффициента Ку(min) в формуле (1) приведены на рис. 12 (п. 4.1) в зависимости от начальной плотности, достигнутой при строительстве дороги и давления на грунт от веса дорожной одежды и вышележащих слоев грунта.

При 1-й схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна величина пучения грунтов зимой, как правило, не превышает суммарную величину осадки грунта при оттаивании весной и усадки при высыхании летом. Вследствие этого плотность грунта в конце летнего периода достигает значения равного величине плотности, достигнутой при строительстве дороги. Ежегодно такое явление имеет место в период эксплуатации сооружения [3].

При 2-ой и 3-ей схемах увлажнения рабочего слоя земляного полотна происходит указанное уменьшение плотности грунтов земляного полотна в процессе эксплуатации дороги до величины, равной «бытовой» плотности.

1.2. Особенности работы дорожных конструкций и их учет при проектировании дороги

Согласно изложенному плотность грунта земляного полотна уменьшается в процессе эксплуатации дороги при 2-ой и 3-ей схемах увлажнения рабочего слоя земляного полотна. При уширении дороги, находящейся в эксплуатации не менее 5-10 лет, плотность грунта существующего земляного полотна равна «бытовой» плотности. Такое значение плотности грунта в летний период сохраняется и после устройства уширения дороги.

На вновь устроенном земляном полотне плотность грунта в летний период не является постоянной величиной, а уменьшается, как уже было сказано, в период эксплуатации дороги. При изменении плотности грунта меняется и величина его пучения. При этом кривая зависимости между этими величинами имеет максимум при плотности грунта, показанного на рис. 9 (п. 3.2). Наличие таких условий приводит к тому, что ежегодно меняется соотношение между величинами пучения грунтов под существующей и вновь сооружаемой дорожной одеждой. В результате этого дорожная одежда оказывается разноморозоустойчивой по ширине проезжей части дороги. Аналогичная ситуация имеет место и в части прочности дорожной одежды. В период эксплуатации дороги ежегодно меняется соотношение между модулем упругости существующей дорожной одежды и модулем упругости дорожной одежды на участке уширения. В результате этого существующая и вновь сооружаемая дорожные одежды оказываются разиопрочиыми по ширине проезжей части.

Другими особенностями рассматриваемой конструкции являются поступление воды, и холода в земляное полотно со стороны раздела между существующей и вновь устраиваемой дорожной конструкцией. В результате этого увеличивается влажность, пучение и осадка грунта в «переходной» зоне [7]. Такое же положение и со значениями прочностных и деформационных характеристик грунта.

Из изложенного следует, что основной проблемой проектирования дорожных конструкций при уширении дороги является обеспечение равноморозоустойчивости, осадкоустойчивости и равнопрочиости дорожной одежды по ширине проезжей части.

Проверка дорожной одежды на морозоустойчивость, осадкоустойчивость и прочность должна проводиться для 3-х расчетных лет работы конструкции. Это следующие годы:

● первый год после уширения дороги;

● год установления максимального значения коэффициента пучения грунта (п. 3.2, рис. 9) на участке уширения дороги;

● год установления «бытовой» плотности грунта (форм. 1) на участке уширения дороги.

В указанные расчетные годы определяют:

● эпюры влажности и плотности грунтов по ширине проезжей части перед промерзанием земляного полотна;

● эпюры влажности и плотности грунтов и их пучения по ширине проезжей части в зимний период;

● эпюры влажности и плотности грунтов по ширине проезжей части в период оттаивания земляного полотна весной;

● средневзвешенные значения влажности грунтов в период высыхания земляного полотна весной и летом и в осенний период увлажнения земляного полотна;

● значения прочностных и деформационных характеристик грунтов по ширине проезжей части в различные периоды года.

При расчетах можно принять, что плотность грунта существующего земляного полотна равна «бытовой» плотности, но не менее величины, измеренной в период проведения работ по уширению дороги.

По полученным данным проектируют мероприятия по регулированию водно-теплового режима земляного полотна таким образом, чтобы была обеспечена допустимая эпюра пучения, и осадки грунтов по ширине проезжей части, то же в отношении равнопрочности дорожной одежды.

Указанное проектирование дорожной конструкции следует проводить с учетом классификации участков уширения дороги, изложенной в табл. 1 и 2.

Таблица 1

№ типа уширения дороги

Показатели уширения дороги

Существующая дорожная одежда

Дорожная одежда на участке уширения дороги

А

В дорожной одежде имеется дренирующий слой с коэффициентом фильтрации не менее требуемого по расчету

В дорожной одежде имеется дренирующий слой с коэффициентом фильтрации не менее требуемого по расчету

В

В дорожной одежде имеется дренирующий слой с коэффициентом фильтрации менее требуемого по расчету

В дорожной одежде имеется дренирующий слой с коэффициентом фильтрации не менее требуемого по расчету

С

В дорожной одежде нет дренирующего слоя

В дорожной одежде имеется дренирующий слой с коэффициентом фильтрации не менее требуемого по расчету

D

В дорожной одежде нет дренирующего слоя

В дорожной одежде нет дренирующего слоя

Примечание. При устройстве дорожной одежды из монолитных материалов на участке 1-й схемы увлажнения рабочего слоя земляного полотна на территории IV дорожно-климатической зоны следует принимать тип уширения дороги под номером «D».

Таблица 2

Подтипы уширення дороги

№ подтипа уширения дороги

Грунт под существующей дорожной одеждой и на участке уширения земляного полотна

№ подтипа уширения дороги

Грунт под существующей дорожной одеждой и на участке уширения земляного полотна

1

песок

песок

9

суглинок

песок

2

песок

супесь

10

суглинок

супесь

3

песок

суглинок

11

суглинок

суглинок

4

песок

глина

12

суглинок

глина

5

супесь

лесок

13

глина

песок

6

супесь

супесь

14

глина

супесь

7

супесь

суглинок-

15

глина

суглинок

8

супесь

глина

16

глина

глина

Принятые обозначения:

 - грунт под существующей дорожной одеждой;

 - грунт на участках уширения земляного полотна.

Для основных типов и подтипов уширения дороги проведены расчеты водно-теплового режима земляного полотна. В расчет включали грунты разных разновидностей (п. 1.3). Результаты этих расчетов приведены ниже.

1.3. Характеристика исследуемых грунтов и дорожных одежд

Принято, что рабочий слой земляного полотна устраивается из песка пылеватого, супеси легкой, суглинка легкого пылеватого, глины пылеватой. Дренирующий и морозозащитный слой дорожной одежды устраивается из песка средней крупности.

Характеристика этих грунтов следующая.

1. Песок пылеватый. Содержание пыли и глины не более 10 %, влажность на границе текучести - 15,0 %, оптимальная влажность 9,0 %, максимальная плотность скелета грунта по методу стандартного уплотнения - 1980 кг/м3, плотность частиц грунта - 2650 кг/м3, коэффициент фильтрации 0,2 м/сут.

Определяем полную влагоемкость грунта (в долях единицы):

Wпв = (ρгр - Ку·ρск(max)ρв/(ρгр·Ку·ρск(max)),                                                            (2)

где ρгр - плотность частиц грунта, кг/м3;

Ку - коэффициент уплотнения грунта;

ρск(max) - максимальная плотность скелета грунта, кг/м3;

ρв - плотность воды, кг/м3 (ρв - 1000 кг/м3).

По формуле (2) полная влагоемкость пылеватого песка при коэффициенте уплотнения Ку,. = 1,0 равна: Wпв = 0,128 (12,8 %).

Определяем капиллярную влагоемкость пылеватого грунта (в долях единицы):

Wкв = Wпв - ΔWв,                                                                                                (3)

где ΔWв - разница между полной и капиллярной влагоемкостью за счет объема воздуха в некапиллярных порах грунта, доли единицы. При Ку = 1,0 Wкв = 0,098 (9,8 %).

Высоту капиллярного поднятия воды (hк) в пылеватом песке определяем по табл. 3, в зависимости от величины «А», полученной эмпирическим путем.

Таблица 3

А

hк, см

А

hк, см

А

hк, см

1,00

5

0,025

40

0,007

75

0,50

10

0,020

45

0,006

80

0,20

15

0,015

50

0,005

85

0,10

20

0,012

55

 

 

0,050

25

0,010

60

 

 

0,040

30

0,009

65

 

 

0,030

35

0,008

70

 

 

А = Кф ρв/(Wкв - Wопт)Ку·ρск(тах),                                                                        (4)

где Кф(10) - коэффициент фильтрации воды в песке при температуре 10 °С, см/с;

Wопт - оптимальная влажность песка, доли единицы. Для пылеватого песка А = 0,015 при Ку = 1,0. При этой величине «А» имеем hк = 50 см.

Определяем среднеарифметическое значение удельных движущих сил менисков воды qср(п), гПа) в песке по формуле:

qср(п) = 10-4hк·ρв·g,                                                                                        (5)

где g - ускорение свободного падения, м/с2.

Для пылеватого песка qср(п) - 49 гПа.

Определяем коэффициент просачивания воды (Кw, м/с) в песке по формуле:

                                                                     (6)

где Кф - коэффициент фильтрации воды в песке при температуре 10 °С, м/с.

Для пылеватого песка Кw(10) = 146·10-6 м/с.

2. Песок средней крупности. Оптимальная влажность песка - 9,0 %, максимальная плотность песка - 1920 кг/м3, плотность частиц грунта - 2650 кг/м3, коэффициент фильтрации - 1,2 м/с. При Ку - 1,0 полная влагоемкость грунта равна по форм. (2) 0,143 (14,3 %), капиллярная влагоемкость грунта равна 0,113 (11,3 %) по форм. (3), высота капиллярного поднятия - 35 см по табл. 3.

3. Супесь легкая. Число пластичности - 4, влажность на границе текучести - 18,0 %, влажность на границе раскатывания - 14,0 %, оптимальная влажность - 10,5 %, максимальная плотность скелета грунта - 1950 кг/м3, плотность частиц грунта - 2660 кг/м3 грунта.

4. Суглинок легкий пылеватый. Число пластичности - 10, влажность на границе текучести - 27,0 %, влажность на границе раскатывания - 17,0 %, оптимальная влажность - 15,3 %, максимальная плотность скелета грунта - 1800 кг/м3, плотность частиц грунта - 2690 кг/м3 грунта.

5. Глина пылеватая. Число пластичности – 18 %, влажность на границе текучести - 37,0 %, влажность на границе раскатывания - 19,0 %, оптимальная влажность - 18,0 %, максимальная плотность скелета - 1750 кг/м3, плотность частиц грунта - 2720 кг/м3 грунта.

Значения полной и капиллярной влагоемкости глинистых грунтов, вычисленные по форм. (2) и (3), представлены в табл. 4.

Таблица 4

Ку

Супесь легкая

Суглинок легкий пылеватый

Глина пылеватая

wкв

wпв

wкв

wпв

wкв

wпв

1,0

11,3 %

0,63

13,7 %

0,76

16,6 %

0,61

18,4 %

0,68

19,6 %

0,53

20,3 %

0,55

0,98

11,9 %

0,66

14,7 %

0,82

17,2 %

0,64

19,5 %

0,72

20,3 %

0,55

21,5 %

0,58

0,96

12,5 %

0,71

15,8 %

0,88

17,9 %

0,66

20,7 %

0,77

21,1 %

0,57

22,8 %

0,62

0,94

13,2 %

0,73

17,0 %

0,94

18,6 %

0,69

21,9 %

0,81

21,8 %

0,59

24,0 %

0,65

0,92

13,8 %

0,77

18,1 %

1,01

19,4 %

0,72

23,2 %

0,86

22,5 %

0,61

25,3 %

0,68

0,90

14,6 %

0,81

19,4 %

1,08

20,3 %

0,75

24,6 %

0,91

23,4 %

0,63

26,7 %

0,72

Примечание. В знаменателе указаны значения влажности грунтов в долях от границы текучести.

Для указанных глинистых грунтов были установлены значения их показателей капиллярных свойств (3). Они представлены в табл. 5.

Влияние дорожной одежды на водно-тепловой режим земляного полотна оценивается 4-я показателями:

● наличием асфальтобетонного или цементобетонного покрытия;

● величиной термического сопротивления дорожной одежды;

● величиной давления на грунт от веса дорожной одежды;

● наличием или отсутствием дренирующего слоя в дорожной одежде.

Таблица 5

Грунт

Коэффициент уплотнения грунта

Показатели капиллярных свойств грунта по группам капилляров

I

II

III

IV

qк(10)

Кw(10)

qк(10)

Кw(10)

qк(10)

Кw(10)

qк(10)

Кw(10)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Супесь легкая

0,90

105

255·10-8

95

400·10-8

90

480·10-8

85

545·10-8

0,92

110

200·10-8

95

380·10-8

90

500·10-8

85

605·10-8

0,94

120

155·10-8

100

355·10-8

85

515·10-8

80

655·10-8

0,96

130

125·10-8

100

330·10-8

85

525·10-8

80

705·10-8

0,98

135

100·10-8

100

310·10-8

85

530·10-8

80

755·10-8

1,00

145

80·10-8

105

290·10-8

85

530·10-8

80

800·10-8

Суглинок легкий пылеватый

0,90

220

90·10-9

180

205·10-9

165

295·10-9

155

370·10-9

0,92

235

70·10-9

185

190·10-9

165

300·10-9

155

400·10-9

0,94

250

55·10-9

190

175·10-9

165

300·10-9

150

430·10-9

0,96

265

45·10-9

190

160·10-9

165

300·10-9

150

455·10-9

0,98

280

35·10-9

195

150·10-9

165

300·10-9

145

475·10-9

1,00

300

30·10-9

200

135·10-9

165

295·10-9

145

500·10-9

Глина пылеватая

0,90

440

70·10-10

325

220·10-10

280

385·10-10

255

555·10-10

0,92

465

55·10-10

330

205·10-10

280

385·10-10

245

585·10-10

0,94

490

45·10-10

340

190·10-10

280

380·10-10

245

615·10-10

0,96

525

30·10-10

345

170·10-10

280

380·10-10

245

645·10-10

0,98

555

25·10-10

355

155·10-10

280

375·10-10

240

675·10-10

1,00

585

20·10-10

360

145·10-10

280

375·10-10

240

695·10-10

Примечания: qк(10) - удельная движущая сила мениска воды в грунте, гПа, при температуре 10 °С, Кw(10) - коэффициент просачивания воды в грунте, м/с, при температуре 10 °С.

Величину термического сопротивления дорожной одежды (Rод, м2·К/Вт) определяют по формуле:

Rод = hод(экв)/λод + 1/а,                                                                                         (7)

где hoд(экв) - толщина эквивалентного по теплофизическим свойствам слоя дорожной одежды, м;

λод - коэффициент теплопроводности эквивалентного слоя дорожной одежды, Вт/(м2·К);

α - коэффициент теплообмена на поверхности дорожной одежды, Вт/(м2·К).

Величина α = f(v), где v - среднемесячная скорость ветра, м/с. Исследования показали, что величина 1/a ≈ 0,04 м2·К/Вт.

Толщину эквивалентного слоя дорожной одежды определяют по формуле:

                                                                           (8)

где noд - количество конструктивных слоев дорожной одежды;

-толщина конструктивного слоя дорожной одежды, м;

 - коэффициент теплопроводности слоя дорожной одежды, Вт/(м·К).

Коэффициент теплопроводности эквивалентного слоя дорожной одежды определяется по формуле:

                                                                               (9)

Расчеты по формулам (7)-(9) показали, что термическое сопротивление традиционных конструкций дорожных одежд составляет 0,3-0,8 м2·К/Вт при толщине дорожной одежды от 0,5 м до 1,2 м. Для указанных конструкций давление на грунт от веса дорожной одежды составляет 10-25 кПа.

2. Влажность грунтов перед промерзанием земляного полотна

2.1. Прогноз влажности грунтов при 1-ой схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна

2.1.1. Объем воды, поступающей в грунт под дорожной одеждой

Искомую величину определяют по формуле:

                                                                                  (10)

где qатм(пр.ч) - приток воды в грунт рабочего слоя земляного полотна от атмосферных осадков, выпадающих на поверхность проезжей части в осенний период влагонакопления и зимой до устойчивого промерзания грунта, м3 на 1 м2;

 - то же в грунт дренирующего слоя дорожной одежды, м3 на 1 м2.

qдр - величина отвода воды дренажем, м3 на 1 м2 (при отсутствии дренирующего слоя или его заиливания qдр = 0).

                                                                     (11)

αпр - коэффициент, учитывающий дополнительный приток воды, поступающей в грунт до и после последнего осеннего месяца, безразмерная величина, αпр = 1,3;

Нвп(пр.ч) - количество воды, впитывающейся в последний осенний месяц расчетного года в грунт под проезжей частью, мм;

           - площадь, м2 (гр - 1 м2);

Нвп(пр.ч) = Аод·Нвп(0),                                                                                            (12)

Аод - коэффициент, учитывающий испарение воды из дорожной одежды и нижележащего грунта и аккумуляцию влаги в слоях покрытия и основания конструкции (табл. 6);

Нвп(0) - количество атмосферных осадков, впитавшихся в дорожную одежду в последний месяц расчетного года, мм.

Таблица 6

Дефицит влажности воздуха 5 %-ной обеспеченности в последний осенний месяц, гПа

0

1

2

3

4

Аод

1,0

0,7

0,3

0,2

0,1

Нвп(0) = а0тдln(1 + b0 iд,                                                                    (13)

где а0 - показатель водопроницаемости покрытия (для асфальтобетонных покрытий а0 = 0,003 и а0 = 0,013 мм соответственно, находящихся в удовлетворительном состоянии и при возникновении трещин в покрытии, для цементобетонных покрытий а0 = 0,013 мм);

mд - число дождей;

bo - коэффициент, учитывающий степень заполнения влагой швов, микротрещин и пор бетонного камня перед дождем (для осеннего периода b0 = 80);

iд - средняя интенсивность дождя в последний осенний месяц расчетного года, мм/мин;

tвн(0) - средняя продолжительность впитывания воды в дорожную одежду при выпадении одного дождя, мм/мин.

tвн(0) = (iд·Тд - Нсм(пр.ч))/(iд·тд),                                                                            (14)

где Тд - продолжительность осадков, выпавших в последний осенний месяц расчетного года, мин;

Нсм(пр.ч) - суммарная величина смачивания поверхности проезжей части в последний осенний месяц расчетного года, мм.

                                                                          (15)

Нсмтд·max hсм,                                                                                              (16)

где асм, mахhсм - показатели смачивания поверхности проезжей части (для асфальтобетонного покрытия асм = 0,01 мм, maxhсм = 0,5 мм; для цементобетонного покрытия асм = 0,02 мм, maxhсм = 1,0 мм);

Т - продолжительность расчетного периода (месяца), мин.

Согласно изложенному (п. 1.3) дренирующий слой устраивают из песка средней крупности с коэффициентом фильтрации 1,2 м/сут. При 1-ой схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна принимаем толщину дренирующего слоя равной 0,3 м. Эта толщина меньше высоты капиллярного поднятия 0,35 м (табл. 3).

В этом случае величину отвода воды дренажем определяют по формуле:

                                       (17)

где hдр - толщина дренирующего слоя, м;

Ку, ρск(тах), Wonm, Wкв - характеристика песка дренирующего слоя.

Примечания: 1. При расчете по форм. (13) следует иметь в виду, что под знаком логарифма, входящего в показатель степени, не показан коэффициент равный единице, увязывающий принятые размерности. 2. При расчете по форм. (15) следует иметь в виду, что под знаком корня не показан коэффициент равный единице, увязывающий принятые размерности.

Для расчета притока воды в грунт было проведено районирование территории II и III дорожно-климатических зон по условиям увлажнения осадками. В основу районирования положены средиемноголетние значения дефицита влажности воздуха и осадков, выпавших в последний осенний месяц. При этом за конец осени принята дата устойчивого перехода среднесуточной температуры воздуха через 0 °С.

Указанная территория подразделяется на четыре района. К 1-му району относится территория дорожно-климатической зоны II, ко 2-му району - европейская часть территории II2, к 3-му району - азиатская часть территории II2 и европейская часть территории III, к 4-му району относится азиатская часть дорожно-климатической зоны III.

Расчеты по формулам (11)-(16) позволили определить значения  для отдельных пунктов районов 1-4 (табл. 7).

Таблица 7

№ района

Город

Метеорологические данные для последнего осеннего месяца

Приток воды в грунт 5 %-ной обеспеченности с начала осени до промерзания земляного полотна, м3 на 1 м2

Продолжительность осадков 5 %-ной обеспеченности, час.

Средняя интенсивность дождя, мм/мин

Число дождей 5 %-ной обеспеченности

Дефицит влажности воздуха 5 %-ной обеспеченности, гПа

1.

Архангельск

255

0,007

65

0,5

0,015

0,062

Сыктывкар

350

0,005

55

0,6

0,015

0,063

2.

Москва

240

0,007

65

0,9

0,011

0,048

Вятка

280

0,006

55

0,9

0,011

0,048

3.

Тамбов

210

0,006

55

1,0

0,008

0,035

Бугульма

255

0,006

45

1,1

0,009

0,040

Екатеринбург

290

0,005

55

1,0

0,010

0,041

Тюмень

240

0,005

45

1,0

0,008

0,033

4.

Омск

190

0,006

35

1,1

0,006

0,019

Минусинск

110

0,008

30

1,2

0,005

0,020

Примечания. В числителе указаны значения притока воды на поверхности грунта под проезжей частью на дорогах с асфальтобетонным покрытием, находящегося в удовлетворительном состоянии; в знаменателе - то же при наличии цементобетонного покрытия в удовлетворительном состоянии. При возникновении трещин в асфальтобетонном покрытии нужно принимать значение притока воды такое же, как для цементобетонного покрытия.

На основе указанного районирования, приведенного в табл. 7 и данных расчетов по формулам (10)-(17) составлена табл. 8 значений притока воды в грунт рабочего слоя земляного полотна на автомобильных дорогах во II и III дорожно-климатических зонах.

Таблица 8

№ района

Местоположение района

Приток воды (5 %-ной обеспеченности) в грунт рабочего слоя с начала осени до промерзания земляного полотна, м3 на 1 м2

На участках дорог с асфальтобетонным покрытием, находящимся в удовлетворительном состоянии

На участках дорог с цементобетонным покрытием, находящимся в удовлетворительном состоянии

1.

Дорожно-климатическая зона II1

0,015

0,015

0,065

0,015

2.

Европейская часть дорожно-климатической зоны II2

0,012

0,012

0,050

0,015

3.

Азиатская часть дорожно-климатической зоны II2 и Европейская часть III дорожно-климатической зоны

0,010

0,010

0,040

0,015

4.

Азиатская часть III дорожно-климатической зоны

0,005

0,005

0,020

0,015

Примечания. 1. При возникновении трещин в асфальтобетонном покрытии нужно принимать значение притока воды в грунт такое же, как для цементобетонного покрытия. 2. В числителе указаны значения притока воды в грунт при отсутствии дренирующего слоя в дорожной одежде, в знаменателе - то же при наличии такого слоя.

2.1.2. Влажность грунта рабочего слоя при отсутствии притока воды из существующего и вновь построенного земляного полотна

Перемещение воды в грунте происходит по капиллярной системе грунта. Эту систему можно представить состоящей из 4-х групп капилляров [3].

Для каждой группы капилляров движение воды описывается уравнением:

            (18)

                                                                                             (19)

                                                                                                       (20)

                                                 (21)

где tn - продолжительность движения воды на п-м участке, с;

п - число прямолинейных участков капилляра постоянного поперечного сечения, пройденном водой;

i - индекс участка капилляра;

ΔSi - длина i-го участка капилляра, м;

αi - угол между осью по направлению движения воды на i-м участке капилляра и горизонтальным радиусом тригонометрического круга, град (знак функции sin α зависит от того, в какой четверти тригонометрического круга лежит ось по направлению движения воды; при перемещении воды вертикально вниз sin α = -1);

qк(n) - удельная движущая сила мениска на i-ом участке капилляра, Па;

Кw(n) - коэффициент просачивания воды на n-ом участке капилляра, м/с:

Кw(i) - то же на i-м участке капилляра, м/с;

g - ускорение свободного падения, м/с2 (g = 9,8 м/с2);

ρв - плотность воды, кг/м3 (ρв = 1000 кг/м3).

Для определения продолжительности движения капиллярной воды по горизонтальному направлению используют уравнение:

                                                                      (22)

Расчет по указанным зависимостям (18)-(21) проводился с учетом выполнения следующих требований:

· продолжительность движения капиллярной воды в грунте должна быть не более продолжительности осеннего периода влагонакопления плюс предзимье (период между датами устойчивого перехода среднемесячной температуры воздуха через + 10 °С и – 5 °С):

· объем воды, который поступает в грунт на различные моменты времени, не должен превышать величину притока воды в грунт рабочего слон земляного полотна по табл. 8.

Vwqатм(пр.ч),                                                                                                    (23)

Vw = (sI + sII + sIII + sIV)(Wкв - Wопт)Ку·ρск(тах)·гр/(4·ρв),                                   (24)

где Vw - объем воды, который поступает в грунт, на рассматриваемый момент времени, м3 на 1 м2 поверхности;

sI, sII, sIII, sIV - расстояния, на которые просочилась вода в грунт на рассматриваемый момент времени соответственно в I, II, III и IV группах капилляров грунта, м.

Показатели капиллярных свойств исследуемых грунтов приведены в табл. 5. Учитывая, что при 1-м типе (схеме) увлажнения рабочего слоя земляного полотна не происходит разуплотнение грунтов в осенний период по сравнению с нормативными величинами принимаем в расчет значения показателей капиллярных свойств, соответствующих плотности грунта Ку - 0,98. В табл. 5 они даны при температуре +10 °С. Средняя температура капиллярной воды в осенний период составляет +5 °С. Поэтому необходимо внесение определенных корректив в значения показателей капиллярных свойств грунта по приведенным ниже формулам:

qк = qк(10)(1,02 - 0,002θв),                                                                                  (25)

Кw = Кw(10)(0,7 + 0,03θв),                                                                                   (26)

где qк - удельная движущая сила мениска при 10 °С, гПа;

Kw(10) - коэффициент просачивания при температуре 10 °С, м/с;

θв - температура воды в грунте, °С.

Определение эпюр влажности грунтов начинают с установления глубин просачивания воды в однородном грунте по вертикальному направлению вниз. В этом случае форм. (18) принимает следующий вид:

                                                         (27)

Значения s вычисляют для 4-х групп капилляров. Полученные значения sI, sII, sIII, и sIV сравнивают с расстоянием l от низа дорожной одежды до сечения, в котором устанавливается влажность грунта. При sI, sII, sIII, и sIV больших l все группы капилляров заполнены водой. В этом случае W = Wопт. При sI, sII, sIII, и sIV меньших значений l вода по капиллярам не достигла рассматриваемого сечения, тогда W = Wonm. При одной группе капилляров, заполненных водой, W = Wonm + (Wкв - Woпm)/4, при двух W =Woпm + (Wкв - Wonm)/2, при трех W = Wonm + 3(Wкв - Woпm)/4.

По указанной методике были проведены расчеты влажности грунта рабочего слоя при отсутствии притока воды из существующего и вновь построенного земляного полотна. Результаты расчета влажности грунта приведены в табл. 9-12.

Таблица 9

№ района

Схема увлажнения  рабочего слоя земляного полотна

Грунт

Условия отвода воды из дорожной одежды

Влажность грунта перед промерзанием на дорогах с асфальтобетонным покрытием, W/WL

Влажность грунта перед промерзанием на дорогах с цементобетонным покрытием, W/WL

Средняя по высоте влажность грунта в слое толщиной 0,5 м под дорожной одеждой

Средняя по высоте влажность грунта в слое толщиной 1,0 м под дорожной одеждой

Средняя по высоте влажность грунта в слое толщиной 0,5 м под дорожной одеждой

Средняя по высоте влажность грунта в слое толщиной 1,0 м под дорожной одеждой

1.

1-я схема

Песок пылеватый,

Ку = 1,0

Wопт = 0,60

Wкв = 0,65

Wкп = 0,85

Дренирующий слой отсутствует

0,65

0,65

0,65

0,65

Имеется дренирующий слой

0,65

0,65

0,65

0,65

2

1 -я схема

Дренирующий слой отсутствует

0,65

0,64

0,65

0,65

Имеется дренирующий слой

0,65

0,64

0,65

0,65

3.

1-я схема

Дренирующий слой отсутствует

0,65

0,62

0,65

0,65

Имеется дренирующий слой

0,65

0,62

0,65

0,65

4.

1 -я схема

Дренирующий слой отсутствует

0,63

0,61

0,65

0,65

Имеется дренирующий слой

0,63

0,61

0,65

0,65

Таблица 10

№ района

Схема увлажнения рабочего слоя земляного полотна

Грунт

Условия отвода воды из дорожной одежды

Влажность грунта перед промерзанием на дорогах с асфальтобетонным покрытием, W/WL

Влажность грунта перед промерзанием на дорогах с цементобетонным покрытием W/WL

Средняя по высоте влажность грунта в слое толщиной 0,5  м под дорожной одеждой

Средняя по высоте влажность грунта в слое толщиной. 1,0 м; под дорожной одеждой

Средняя по высоте влажность грунта в слое толщиной 0,5 м под дорожной одеждой

Средняя по высоте влажность грунта в слое толщиной 1,0 м под дорожной одеждой

1.

1-я схема

Супесь,

Ку = 0,98

Wопт = 0,58

Wкв = 0,66

Wкп = 0,82

Дренирующий слой отсутствует

0,65

0,63

0,66

0,66

Имеется дренирующий слой

0,65

0,63

0,65

0,63

2.

1-я схема

Дренирующий слой отсутствует

0,64

0,62

0,66

0,66

Имеется дренирующий слой

0,64

0,62

0,65

0,63

3.

1-я схема

Дренирующий слой отсутствует

0,64

0,61

0,66

0,65

Имеется дренирующий слой

0,64

0,61

0,65

0,63

4.

1-я схема

Дренирующий слой отсутствует

0,62

0,60

0,66

0,64

Имеется дренирующий слой

0,62

0,60

0,65

0,63

Примечания: 1. Влажность грунта на границе текучести WL = 18,0 %. 2. Значения влажности грунта даны для дорог с асфальтобетонным и цементобетонным покрытиями, находящихся в удовлетворительном состоянии. При появлении трещин в асфальтобетонном покрытии значения влажности грунта те же, что и для цементобетонного покрытия.

Таблица 11

№ района

Схема увлажнения рабочего слоя земляного полотна

Грунт

Условия отвода воды из дорожной одежды

Влажность грунта перед промерзанием на дорогах с асфальтобетонным покрытием, W/WL

Влажность грунта перед промерзанием на дорогах с цементобетонным покрытием, W/WL

Средняя по высоте влажность грунта в слое толщиной 0,5 м под дорожной одеждой

Средняя по высоте влажность грунта в слое толщиной 1,0 м под дорожной одеждой

Средняя по высоте влажность грунта в слое толщиной 0,5 м под дорожной одеждой

Средняя по высоте влажность грунта в слое толщиной 1,0 м под дорожной одеждой

1.

1-я схема

Суглинок,

Ку = 0,98

Wопт = 0,55

Wкв = 0,64

Wкп = 0,72

Дренирующий слой отсутствует

0,63

0,61

0,64

0,63

Имеется дренирующий, слой

0,63

0,61

0,63

0,61

2.

1-я схема

Дренирующий: слой отсутствует

0,62

0,60

0,64

0,63

Имеется: дренирующий слой

0,62

0,60

0,63

0,61

3.

1-я схема

Дренирующий слой отсутствует

0,61

0,59

0,64

0,63

Имеется дренирующий слой

0,61

0,59

0,63

0,61

4.

1-я схема

Дренирующий слой отсутствует

0,60

0,59

0,63

0,62

Имеется дренирующий слой

0,60

0,59

0,63

0,61

Примечания: 1. Влажность грунта на границе текучести WL = 27,0 %. 2. Значения влажности грунта даны для дорог с асфальтобетонным и цементобетонным покрытиями, находящихся в удовлетворительном состоянии. При появлении трещин в асфальтобетонном покрытии значения влажности грунта те же, что и для цементобетонного покрытия.

Таблица 12

№ района

Схема увлажнения  рабочего слоя земляного полотна

Грунт

Условия отвода воды из дорожной одежды

Влажность грунта перед промерзанием на дорогах с асфальтобетонным покрытием, W/WL

Влажность грунта перед промерзанием на дорогах с цементобетонным покрытием, W/WL

Средняя по высоте влажность грунта в слое толщиной 0,5 м под дорожной одеждой

Средняя по высоте влажность, грунта в слое толщиной 1,0 м под дорожной одеждой

Средняя по высоте влажность грунта в слое толщиной 0,5 м под дорожной одеждой

Средняя по высоте влажность, грунта в слое толщиной 1,0 м под дорожной одеждой

1.

1-я схема

Глина,

Ку = 0,98

Wопт = 0,49

Wкв = 0,55

Wкп = 0,58

Дренирующий слой отсутствует

0,53

0,51

0,55

0,54

Имеется дренирующий слой

0,53

0,51

0,53

0,51

2.

1-я схема

Дренирующий слой отсутствует

0,52

0,50

0,55

0,54

Имеется дренирующий слой

0,52

0,50

0,53

0,51

3.

1-я схема

Дренирующий слой отсутствует

0,52

0,50

0,55

0,54

Имеется дренирующий слой

0,52

0,50

0,53

0,51

4.

1-я схема

Дренирующий слой отсутствует

0,50

0,50

0,54

0,52

Имеется дренирующий слой

0,50

0,50

0,53

0,51

Примечания: 1. Влажность грунта на границе текучести WL = 37,0 %. 2. Значения влажности грунта даны для дорог с асфальтобетонным и цементобетонным покрытиями, находящихся в удовлетворительном состоянии. При появлении трещин в асфальтобетонном покрытии значения влажности грунта те же, что и для цементобетонного покрытия.

2.1.3. Миграция воды из существующего земляного полотна в рабочий слой на участке уширения дороги

При расчете значений влажности грунтов, приведенных в табл. 9-12, рассматривалось движение собственно капиллярной воды. После того как впитывается в грунт вся вода, объем которой определяется по форм. (24), нужно перейти к рассмотрению движения капиллярно подвешенной воды. Последняя ограничена по поверхности раздела вода - воздух менисками, кривизна которых минимальна в наиболее крупных капиллярах. В результате возникают силы, за счет которых капилляры меньших размеров высасывают воду из более крупных. Эти силы равны разности значений удельных движущих сил менисков воды в капиллярах грунта существующего земляного полотна и на участках уширения дороги. Миграция воды во вновь построенное земляное полотно происходит при наличии следующих условий:

 и ,

где WI и WII - средняя по высоте влажность грунта в слое толщиной 0,5 м соответственно под существующей дорожной одеждой и на участке уширения дороги. То же в слое толщиной 1,0 м.

Указанные условия необходимы, но недостаточны. Нужно также, чтобы

где  и  - среднее значение удельной движущей силы мениска (в Па) в грунте рабочего слоя соответственно под существующей дорожной одеждой и на участке уширения дороги.

                                                                    (28)

В основу уравнения миграции воды положена формула (22) движения капиллярной воды по горизонтальному направлению. Миграция воды из существующего земляного полотна в рабочий слой на участке уширения дороги описывается следующим уравнением:

                                               (29)

где sII - расстояние (в м) по ширине проезжей части, на которое просочилась капиллярно подвешенная вода, считая от границы между существующим и вновь возведенным земляным полотном;

tвл - продолжительность влагонакопления (в с.), равная осеннему периоду плюс предзимье;

 - продолжительность просачивания собственно капиллярной воды (в с.) в грунте;

 - среднее значение коэффициента просачивания воды в грунте (в м/с) на участке уширения дороги.

                                                                  (30)

Значения , , , ,     приведены в табл. 5 при температуре грунта +10 °С; величина  - в табл. 13

Таблица 13

Объем поступившей в грунт воды, м3 на 1 м2

Продолжительность просачивания воды (в сут.) в грунты:

Песок пылеватый, Ку = 1,0

Супесь легкая, Ку = 0,98

Суглинок легкий пылеватый, Kу = 0,98

Глина пылеватая, Ку = 0,98

0,005

<1

<1

1

2

0,010

«-»

«-»

2

6

0,012

«-»

«-»

3

8

0,015

«-»

«-»

4

11

0,020

«-»

«-»

7

19

0,040

«-»

«-»

20

70

0,050

«-»

«-»

30

90

0,065

«-»

«-»

45

>90

На участке под проезжей частью шириной sII по форм. (29) влажность грунта в слое толщиной 1 м от низа дорожной одежды равна капиллярной влагоемкости. При этом прирост влажности грунта за счет увлажнения капиллярно подвешенной водой (ΔW(+), доли единицы) составляет:

                                                                                            (31)

Расстояние sII по форм. (29) не может превышать определенной величины , которая зависит от объема капиллярной воды в слое грунта толщиной 1 м под существующей дорожной одеждой.

                                                                 (32)

где  - ширина существующей проезжей части, м. Значения W1, WIопт, КIу,  относятся к существующей дорожной конструкции; значения , ,  - относятся к дорожной конструкции на участке уширения земляного полотна.

В результате миграции капиллярно подвешенной воды из существующего земляного полотна там уменьшается влажность грунта. Величину уменьшения влажности грунта в слое толщиной 1 м под существующей дорожной одеждой определяют по формуле:

                                                                     (33)

Входящие в форм. (31) и (32) значения WI и WII даны в табл. 9-12.

Расчеты, проведенные по указанным выше формулам, позволили определить значения sII.

В табл. 14 они даны при  = 7,5 м.

Таблица 14

Откуда и куда происходит миграция капиллярно-подвешенной воды

Величина sII, м

Из песка в супесь

2,8х)

Из песка в суглинок

2,2

Из песка в глину

1,1

Из супеси в суглинок

1,8 хх)

Из супеси в глину

1,0

Из суглинка в глину

0,8

Примечания: х) - значение sII = 2,8 и относится к 1 и 2 району, в 3-м районе sII = 2,6 м, в 4-м районе sII = 1,1 м; хх) - значение sII = 1,8 м относится к 1 - 3 районам, в 4-м районе sII = 1,7 м.

С учетом указанных расстояний sII были установлены значения влажности грунтов рабочего слоя на участках существующей дорожной конструкции и на участках уширения земляного полотна. Они даны в табл. 15-19.

Таблица 15

№ района увлажнения рабочего слоя земляного полотна

Тип и подтип уширения дороги

Грунты

Ширина зоны sII на участке уширения дороги, м

Влажность грунта перед промерзанием в слое толщиной 1,0 м под дорожной одеждой, W/WL

на участке существующей дорожной конструкции

на участке уширения дороги

на участке существующей дорожной конструкции

в пределах зоны sII на участке уширения

за пределами зоны sII на участке уширения

1

2

3

4

5

6

7

8

1-й район, 1-я схема увлажнения

А-2

песок

супесь

2,8

0,64

0,66

0,63

А-3

песок

суглинок

2,2

0,64

0,64

0,61

А-4

песок

глина

1,1

0,64

0,55

0,51

А-7

супесь

суглинок

1,8

0,62

0,64

0,61

А-8

супесь

глина

1,0

0,62

0,55

0,51

А-12

суглинок

глина

0,8

0,61

0,55

0,51

В-2,

С-2

песок

супесь

2,8

0,64

0,66

0,63

В-3

С-3

песок

суглинок

2,2

0,64

0,64

0,61

В-4,

С-4

песок

глина

1,1

0,64

0,55

0,51

В-7,

С-7

супесь

суглинок

1,8

0,62/0,65

0,64

0,61

В-8,

С-8

супесь

глина

1,0

0,62/0,65

0,55

0,51

В-12,

С-12

суглинок

глина

0,8

0,60/0,62

0,55

0,51

Примечание. В числителе приведены значения влажности грунта для дорог с асфальтобетонным покрытием, в знаменателе - для дорог с цементобетонным покрытием.

Таблица 16

№ района и схема увлажнения рабочего слоя земляного полотна

Тип и подтип уширения дороги

Грунты

Ширина зоны sII  на участке уширения дороги, м

Влажность грунта перед промерзанием в слое толщиной 1,0 м под дорожной одеждой, W/WL

на участке существующей дорожной конструкции

на участке уширения дороги

на участке существующей дорожной конструкции

в пределах зоны sII на участке уширения

за пределами зоны sII на участке уширения

1

2

3

4

5

6

7

8

2-й район, 1-я схема увлажнения

А-2

песок

супесь

2,8

0,63/0,64

0,66

0,62/0,63

А-3

песок

суглинок

2,2

0,63/0,64

0,64

0,60/0,61

А-4

песок

глина

1,1

0,63/0,64

0,55

0,50/0,51

А-7

супесь

суглинок

1,8

0,61/0,62

0,64

0,60/0,61

А-8

супесь

глина

1,0

0,61/0,62

0,55

0,50/0,51

А-12

суглинок

глина

0,8

0,59/0,60

0,55

0,50/0,51

В-2,

С-2

песок

супесь

2,8

0,63/0,64

0,66

0,62/0,63

В-3,

С-3

песок

суглинок

2,2

0,63/0,64

0,64

0,60/0,61

В-4,

С-4

песок

глина

1,1

0,63/0,64

0,55

0,50/0,51

В-7,

С-7

супесь

суглинок

1,8

0,61/0,65

0,64

0,60/0,61

В-8,

С-8

супесь

глина

1,0

0,61/0,65

0,55

0,50/0,51

В-12,

С-12

суглинок

глина

0,8

0,5910,62

0,55

0,50/0,51

Таблица 17

№ района и схема увлажнения рабочего слоя земляного полотна

Тип и подтип уширения дороги

Грунты

Ширина зоны sII на участке уширения дороги, м

Влажность грунта перед промерзанием в слое толщиной 1,0 м под дорожной одеждой, W/WL

на участке существующей дорожной конструкции

на участке уширения дороги

на участке существующей дорожной конструкции

в пределах зоны sII на участке уширения

за пределами зоны sII на участке уширении

1

2

3

4

5

6

7

8

3-й район, 1-я схема увлажнения

А-2

песок

супесь

2,6

0,61/0,64

0,66

0,61/0,63

А-3

песок

суглинок

2,2

0,61/0,64

0,64

0,59/0,61

А-4

песок

глина

1,1

0,61/0,64

0,55

0,50/0,51

А-7

супесь

суглинок

1,8

0,60/0,62

0,64

0,59/0,61

А-8

супесь

глина

1,0

0,60/0,62

0,55

0,50/0,51

А-12

суглинок

глина

0,8

0,58/0,60

0,55

0,50/0,51

В-2,

С~2

песок

супесь

2,6

0,61/0,64

0,66

0,61/0,63

В-3,

С-3

песок

суглинок

2,2

0,61/0,64

0,64

0,59/0,61

В-4,

С-4

песок

глина

1,1

0,61/0,64

0,55

0,50/0,51

В-7,

С-7

супесь

суглинок

1,8

0,60/0,64

0,64

0,59/0,61

В-8,

С-8

супесь

глина

1,0

0,60/0,64

0,55

0,50/0,51

В-12,

С-12

суглинок

глина

0,8

0,58/0,62

0,55

0,50/0,51

Таблица 18

района и схема увлажнения рабочего слоя земляного полотна

Тип и подтип уширения дороги

Грунты

Ширина зоны sII участке уширения дороги, м

Влажность грунта перед промерзанием в слое толщиной 1,0 м под дорожной одеждой, W/WL

на участке существующей дорожной конструкции

на участке уширения, дороги

на участке существующей дорожной конструкции

в пределах зоны sII на участке, уширения

за пределами зоны sII на участке уширения

1

2

3

4

5

6

7

8

4-й район, 1-я схема увлажнения

А-2

песок

супесь

1,1

0,60/0,64

0,66

0,60/0,63

А-3

песок

суглинок

2,2

0,60/0,64

0,64

0,59/0,61

А-4

песок

глина

1,1

0,60/0,64

0,55

0,50/0,51

А-7

супесь

суглинок

1,7

0,59/0,62

0,64

0,59/0,61

А-8

супесь

глина

1,0

0,59/0,62

0,55

0,50/0,51

А-12

суглинок

глина

0,8

0,58/0,60

0,55

0,50/0,51

В-2

песок

супесь

1,1

0,60/0,64

0,66

0,60/0,63

В-3

песок

суглинок

2,2

0,60/0,64

0,64

0,59/0,61

В-4

песок

глина

1,1

0,60/0,64

0,55

0,50/0,51

В-7

супесь

суглинок

1,7

0,59/0,63

0,64

0,59/0,61

В-8

супесь

глина

1,0

0,59/0,63

0,55

0,50/0,51

В-12

суглинок

глина

0,8

0,58/0,61

0,55

0,50/0,51

Таблица 19

№ района и схема увлажнения рабочего слоя земляного полотна

Тип и подтип уширения дороги

Грунты

Ширина зоны sII на участке уширения дороги, м

Влажность грунта перед промерзанием в слое толщиной 1,0 м под дорожной одеждой W/WL

па участке существующей дорожной конструкции

на участке уширения дороги

на участке существующей дорожной конструкции

в пределах зоны sII участке уширения

за пределами зоны sII на участке уширения

1

2

3

4

5

6

7

8

4-й район, 1-я схема увлажнения

D-2

песок

супесь

1,1

0,60/0,64

0,66

0,60/0,64

D-3

песок

суглинок

2,2

0,60/0,64

0,64

0,59/0,62

D-4

песок

глина

1,1

0,60/0,64

0,55

0,50/0,52

D-7

супесь

суглинок

1,7

0,59/0,63

0,64

0,59/0,62

D-8

супесь

глина

1,0

0,59/0,63

0,55

0,50/0,52

D-12

суглинок

глина

0,8

0,59/0,62

0,55

0,50/0,52

Примечание. В числителе приведены значения влажности груша для дорог с асфальтобетонным покрытием, в знаменателе - для дорог с цементобетонным покрытием.

2.1.4. Миграция воды из вновь возведенного земляного полотна в рабочий слой под существующей дорожной одеждой

Расчет миграции воды проводят аналогично изложенному в п. 2.1.3. Расстояние (sI, м) по ширине проезжей части, на которое просочилась капиллярно-подвешенная вода, определяют по формулам:

                                                      (34)

                                                             (35)

                                                                                             (36)

где  - ширина проезжей части (в м) на участке уширения дороги.

Аналогично определяют также величину уменьшения влажности грунта в слое толщиной 1 м на участке уширения дороги:

                                                                       (37)

Рассматриваемая миграция воды происходит в дорожных конструкциях на участках уширения дороги типа А, В, С, D, подтипа 5, 9, 10, 13, 14, 15. Для указанных конструкций были установлены значения влажности грунтов рабочего слоя по ширине проезжей части. Они даны в табл. 20-24.

Таблица 20

№ района и схема увлажнения рабочего слоя земляного полотна

Тип и подтип уширения дороги

Грунты

Ширина зоны sI на участке существующей дорожной конструкции, м

Влажность грунта перед промерзанием в слое толщиной 1,0 м под дорожной одеждой W/WL

на участке существующей дорожной конструкции

на участке уширения дороги

на участке уширения дорожной конструкции

в пределах зоны sI на участке существующей дорожной конструкции

за пределами зоны sI на участке существующей дорожной конструкции

1

2

3

4

5

6

7

8

1-й район, 1-я схема увлажнения

A-5

супесь

песок

2,8

0,64

0,66

0,63

A-9

суглинок

песок

2,2

0,64

0,64

0,61

A-10

суглинок

супесь

1,8

0,62

0,64

0,61

A-13

глина

песок

1,1

0,64

0,55

0,51

A-14

глина

супесь

1,0

0,62

0,55

0,51

А-15

глина

суглинок

0,8

0,60

0,55

0,51

B-5,

C-5

супесь

песок

2,8

0,64

0,66

0,63/0,66

B-9,

C-9

суглинок

песок

2,2

0,64

0,64

0,61/0,63

B-10,

C-10

суглинок

супесь

1,8

0,62

0,64

0,61/0,63

B-13,

C-13

глина

песок

1,1

0,64

0,55

0,51/0,54

B-14,

C-14

глина

супесь

1,0

0,62

0,55

0,51/0,54

B-15,

C-15

глина

суглинок

0,8

0,60

0,55

0,51/0,54

Примечание. В числителе приведены значения влажности грунта для дорог с асфальтобетонным покрытием, в знаменателе - для дорог с цементобетонным покрытием.

Таблица 21

№ района и схема увлажнения рабочего слоя земляного полотна

Тип и подтип уширения дороги

Грунты

Ширина зоны sI на участке существующей  дорожной конструкции, м

Влажность грунта перед промерзанием в слое толщиной 1,0 м под дорожной одеждой, W/WL

на участке существующей дорожной конструкции

на участке уширения дороги

на участке уширения дорожной конструкции

в пределах зоны sI на участке существующей дорожной конструкции

за пределами зоны sI на участке существующей дорожной конструкции

1

2

3

4

5

6

7

8

2-й район, 1-я схема увлажнения

А-5

супесь

песок

2,8

0,63/0,64

0,66

0,62/0,63

А-9

суглинок

песок

2,2

0,63/0,64

0,64

0,60/0,61

А-10

суглинок

супесь

1,8

0,61/,62

0,64

0,60/0,61

А-13

глина

песок

1,1

0,63/0,64

0,55

0,50/0,51

А-14

глина

супесь

1,0

0,61/0,62

0,55

0,50/0,51

А-15

глина

суглинок

0,8

0,59/0,60

0,55

0,50/0,51

В-5,

С-5

супесь

песок

2,8

0,63/0,64

0,66

0,62/0,66

В-9,

С-9

суглинок

песок

2,2

0,63/0,64

0,64

0,60/0,63

В-10,

С-10

суглинок

супесь

1,8

0,61/0,62

0,64

0,60/0,63

В-13,

С-13

глина

песок

1,1

0,63/0,64

0,55

0,50/0,54

В-14,

С-14

глина

супесь

1,0

0,61/0,62

0,55

0,50/0,54

В-15,

С-15

глина

суглинок

0,8

0,59/0,60

0,55

0,50/0,54

Примечание. В числителе приведены значения влажности грунта для дорог с асфальтобетонным покрытием, в знаменателе - для дорог с цементобетонным покрытием.

Таблица 22

№ района и схема увлажнения рабочего слоя земляного полотна

Тип и подтип уширения дороги

Грунты

Ширина зоны sI на участке существующей дорожной конструкции, м

Влажность грунта перед промерзанием в слое толщиной 1,0 м под дорожной одеждой, W/WL

на участке существующей дорожной конструкции

на участке уширения дороги

На участке sI уширения дорожной конструкции

в пределах зоны sI на участке существующей дорожной конструкции

за пределами зоны sI на участке существующей дорожной конструкции

1

2

3

4

5

6

7

8

3-й район, 1-я схема увлажнения

А-5

супесь

песок

2,6

0,61/0,64

0,66

0,61/0,63

А-9

суглинок

песок

2,2

0,61/0,64

0,64

0,59/0,61

А-10

суглинок

супесь

1,8

0,60/0,62

0,64

0,59/0,61

А-13

глина

песок

1,1

0,61/0,64

0,55

0,50/0,51

А-14

глина

супесь

1,0

0,60/0,62

0,55

0,50/0,51

А-15

глина

суглинок

0,8

0,58/0,60

0,55

0,50/0,51

В-5,

С-5

супесь

песок

2,6

0,61/0,64

0,66

0,61/0,65

В-9,

С-9

суглинок

песок

2,2

0,61/0,64

0,64

0,59/0,63

В-10,

С-10

суглинок

супесь

1,8

0,60/0,62

0,64

0,59/0,63

В-13,

С-13

глина

песок

1,1

0,61/0,64

0,55

0,50/0,54

В-14,

С-14

глина

супесь

1,0

0,60/0,62

0,55

0,50/0,54

В-15,

С-15

глина

суглинок

0,8

0,58/0,60

0,55

0,50/0,54

Примечание. В числителе приведены значения влажности грунта для дорог с асфальтобетонным покрытием, в знаменателе - для дорог с цементобетонным покрытием.

Таблица 23

№ района и схема увлажнения рабочего слоя земляного полотна

Тип и подтип уширения дороги

Грунты

Ширина зоны sI на участке существующей дорожной конструкции, м

Влажность грунта перед промерзанием в слое толщиной 1,0 м под дорожной одеждой, W/WL

на участке существующей дорожной конструкции

на участке уширения дороги

на участке уширения дорожной конструкции

в пределах зоны sI на участке существующей дорожной конструкции

за пределами зоны sI1 на участке существующей дорожной конструкции

1

2

3

4

5

6

7

8

4-й район, 1 -я схема увлажнения

А-5

супесь

песок

1,1

0,60/0,64

0,66

0,60/0,63

А-9

суглинок

песок

2,2

0,60/0,64

0,64

0,59/0,61

А-10

суглинок

супесь

1,7

0,59/0,62

0,64

0,59/0,61

А-13

глина

песок

1,1

0,60/0,64

0,55

0,50/0,51

А-14

глина

супесь

1,0

0,59/0,62

0,55

0,50/0,51

А-15

глина

суглинок

0,8

0,58/0,60

0,55

0,50/0,51

В-5

супесь

песок

1,1

0,60/0,64

0,66

0,60/0,64

В-9

суглинок

песок

2,2

0,60/0,64

0,64

0,59/0,62

В-10

суглинок

супесь

1,7

0,59/0,62

0,64

0,59/0,62

В-13

глина

песок

1,1

0,60/0,64

0,55

0,50/0,52

В-14

глина

супесь

1,0

0,59/0,62

0,55

0,50/0,52

В-15

глина

суглинок

0,8

0,58/0,60

0,55

0,50/0,52

Примечание. В числителе приведены асфальтобетонным покрытием, в знаменателе - значения влажности грунта для дорог с асфальтобетонным покрытием, в знаменателе - для дорог с цементобетонным покрытием.

Таблица 24

№ района и схема увлажнения рабочего слоя земляного полотна

Тип и подтип уширения дороги

Грунты

Ширина зоны sI на участке существующей дорожной конструкции, м

Влажность грунта перед промерзанием в слое толщиной 1,0 м под дорожной одеждой, W/WL

на участке существующей дорожной конструкции

на участке уширения дороги

на участке уширения дорожной конструкции

в пределах зоны sI на участке существующей дорожной конструкции

за пределами зоны sI на участке существующей дорожной конструкции

1

2

3

4

5

6

7

8

4-й район, 1-я схема увлажнения

D-5

супесь

песок

1,1

0,60/0,64

0,66

0,60/0,64

D-9

суглинок

песок

2,2

0,60/0,64

0,64

0,59/0,62

D-10

суглинок

супесь

1,7

0,59/0,63

0,64

0,59/0,62

D-13

глина

песок

1,1

0,60/0,64

0,55

0,50/0,52

D-14

глина

супесь

1,0

0,59/0,63

0,55

0,50/0,52

D-15

глина

суглинок

0,8

0,58/0,61

0,55

0,50/0,52

Примечание. В числителе приведены значения влажности, грунта для дорог с асфальтобетонным покрытием, в знаменателе - для дорог с цементобетонным покрытием.

2.2. Прогноз влажности грунтов при 2-ой схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна

К указанному типу увлажнения относятся участки дорог, на которых основными источниками увлажнения грунтов под дорожной одеждой являются атмосферные осадки плюс поверхностные воды, застаивающиеся вблизи дороги в осенний и весенний периоды года. Такие участки характеризуются следующими показателями: поверхностный сток на местности не обеспечен, в выемке продольный уклон дороги менее 20 ‰ поверхностные воды замерзают в зимний период, а подземные воды находятся на "безопасной" глубине (см. ниже).

2.2.1. Условия поступления поверхностных вод в рабочий слой под дорожной одеждой проезжей части

Рассматривается двухслойное земляное полотно, состоящее из рабочего слоя и нижележащего грунта естественного основания. Толщина рабочего слоя 0,5 и 1,0 м от низа дорожной одежды. Коэффициент уплотнения грунта ненарушенной структуры составляет 0,90-0,95.

В пределах проезжей части поверхностные воды поступают в рабочие слой в капиллярно подвешенном виде. Для того чтобы это произошло необходимо наличие следующих условий:

0 < lур < lб.ур и

или lур = 0

где lур - расстояние от уреза воды на поверхности земли до подошвы насыпи, м;

lб.ур - безопасное расстояние от уреза воды на поверхности земли и подошвы насыпи, м (табл. 25);

 - среднее значение удельной движущей силы мениска воды; (в Па), в грунте рабочего слоя (форм. 28);

 - среднее значение удельной движущей силы мениска воды (в Па) в грунте с ненарушенной структурой под рабочим слоем (форм. 28).

Таблица 25

Наименование грунта по СНиП 2.0502-85

Число пластичности грунта

«Безопасное» расстояние, от уреза воды на поверхности земли до подошвы насыпи, м

Супесь легкая

1

10

Супесь пылеватая

3

9

Супесь тяжелая пылеватая

5

7

7

5

Суглинок легкий, суглинок легкий пылеватый

7,1-12

5

Суглинок тяжелый

12,1-17

5

Суглинок тяжелый пылеватый

12,1-17

4

17,1-27

4

Глина песчанистая

17,1-27

3

Глина пылеватая

Более 27

2

Глина жирная

 

 

Примечания. 1: Настоящая таблица действительна при условии отсутствия воды на поверхности земли в течение не менее 2/3 продолжительности теплого периода года в дорожно-климатических подзонах I1 и II1; не менее 1/2 - в подзоне II2 и не менее 1/3 - в зоне III. 2. Указанные значения «безопасных» расстояний, при которых поверхностные воды не оказывают существенного влияния на влажность грунтов рабочего слоя земляного полотна, действительны при высоте насыпи не более 1,5 м. При высоте насыпи более 1,5 м следует определять величину «безопасного» расстояния согласно Пособию к СНиП 2.05.01-85. 3. При наличии на полосе обреза дороги грунтов нескольких разновидностей (в слое толщиной 3 м) в расчет следует принимать наибольшую величину «безопасного» расстояния.

В случае поступления поверхностных вод в рабочий слой влажность грунта под дорожной одеждой достигает капиллярной влагоемкости в период перед промерзанием земляного полотна. Величина капиллярной влагоемкости определяется по форм. (3) при плотности скелета грунта в расчетные годы.

2.2.2. Значения коэффициента уплотнения грунта в расчетные годы

Указанные величины определялись по графикам на рис. 9 и 12 и форм. (1). Полученные значения представлены в табл. 26. Они применимы во всех 4-х районах (форм. (1). Погодио-климатические и грунтово-гидрологические условия в этих районах оказывают влияние только на сроки разуплотнения грунта и установления «бытовой» плотности.

Таблица 26

Расчетный год

Грунт

Коэффициент уплотнения грунта

существующего земляного полотна

вновь возведенного земляного полотна

1

песок

1,0

1,0

супесь

0,97/0,98

0,98

суглинок

0,92/0,97

0,98

глина

0,90/0,95

0,98

2.

песок

1,0

1,0

супесь

0,97/0,98

0,97

суглинок

0,92/0,97

0,95

глина

0,90/0,95

0,90

3.

песок

1,0

1,0

супесь

0,97/0,98

0,97/0,98

суглинок

0,92/0,97

0,92/0,97

глина

0,90/0,95

0,90/0,95

Примечание. В числителе приведены значения коэффициента уплотнения при давлении на грунт от веса дорожной одежды равном 10 кПа, в знаменателе - при давлении 25кПа.

2.2.3. Эпюры влажности грунтов перед промерзанием в расчетные годы

Значения влажности грунтов рабочего слоя в случае поступления в этот слой поверхностных вод представлены в табл. 27.

При lур > lб.ур или  <  влажность грунта рабочего слоя определяется только атмосферными осадками. Величина этой влажности представлена в табл. 9-12, 15-24.

Таблица 27

Тип и подтип уширения дороги

Грунты

Расчетный год

Влажность грунта перед промерзанием в слое толщиной 1 м под дорожной одеждой, W/WL

на участке существующей дорожной конструкции

на участке уширения дорожной конструкции

на участке существующей дорожной конструкции

на участке уширения дорожной конструкции

А-1

песок

песок

1

0,65

0,65

В-1

2

0,65

0,65

С-1

3

0,65

0,65

D-1

А-2

песок

супесь

1

0,65

0,66

В-2

2

0,65

0,69

С-2

3

0,65

0,69/0,66

D-2

А-3

песок

суглинок

1

0,65

0,64

В-3

2

0,65

0,68

С-3

3

0,65

0,72/0,65

D-3

А-4

песок

глина

1

0,65

0,55

В-4

2

0,65

0,63

С-4

3

0,65

0,63/0,58

D-4

А-5

супесь

песок

1

0,69/0,66

0,65

В-5

2

0,69/0,66

0,65

С-5

3

0,69/0,66

0,65

D-5

А-6

супесь

супесь

1

0,69/0,66

0,69/0,66

В-6

2

0,69/0,66

0,69/0,66

С-6

3

0,69/0,66

0,69/0,66

D-6

А-7

супесь

суглинок

1

0,69/0,66

0,64

В-7

2

0,69/0,66

0,68

С-7

3

0,69/0,66

0,72/0,65

D-7

А-8

супесь

глина

1

0,69/0,66

0,55

В-8

2

0,69/0,66

0,63

С-8

3

0,69/0,66

0,63/0,58

D-8

А-9

суглинок

песок

1

0,72/0,65

0,65

В-9

2

0,72/0,65

0,65

С-9

3

0,72/0,65

0,65

D-9

А-10

суглинок

супесь

1

0,72/0,65

0,66

В-10

2

0,72/0,65

0,69

С-10

3

0,72/0,65

0,69/0,66

D-10

А-11

суглинок

суглинок

1

0,72/0,65

0,64

В-11

2

0,72/0,65

0,68

С-11

3

0,72/0,65

0,72/0,65

D-11

А-12

суглинок

глина

1

0,72/0,65

0,55

В-12

2

0,72/0,65

0,63

С-12

3

0,72/0,65

0,63/0,58

D-12

А-13

глина

песок

1

0,63/0,58

0,65

В-13

2

0,63/0,58

0,65

С-13

3

0,63/0,58

0,65

D-13

А-14

глина

супесь

1

0,63/0,58

0,66

В-14

2

0,63/0,58

0,69

С-14

3

0,63/0,58

0,69/0,66

D-14

А-15

глина

суглинок

1

0,63/0,58

0,64

В-15

2

0,63/0,58

0,68

С-15

3

0,63/0,58

0,72/0,65

D-15

А-16

глина

глина

1

0,63/0,58

0,55

В-16

2

0,63/0,58

0,63

С-16

3

0,63/0,58

0,63/0,58

D-16

Примечание. В числителе приведены значения влажности грунта при давлении на грунт от веса дорожной одежды равном 3 0 кПа, в знаменателе - при давлении 25 кПа.

2.3. Прогноз влажности грунтов при 3-ей схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна

К указанному типу увлажнения относятся участки дорог, на которых основными источниками увлажнения грунтов под дорожной одеждой являются атмосферные осадки плюс подземные воды или атмосферные осадки плюс поверхностные воды у подошвы насыпи, которые не замерзают зимой.

2.3.1. «Безопасная» глубина залегания подземных вод

При расстоянии от верха покрытия дорожной одежды до глубины залегания подземных вод более некоторой величины не происходит поступления этих вод в рабочий слой земляного полотна. Указанная величина называется «безопасной» глубиной залегания подземных вод. Ее определяют исходя из условия недопущения поступления подземных вод в слой грунта под дорожной одеждой до глубины 1,5 м от верха покрытия.

«Безопасную» глубину залегания подземных вод в осенний период (Нб.ур(ос), м) определяют по формулам:

Нб.ур(ос) = 1,5 + hк;                                                                                              (38)

                                                              (39)

где hк - высота капиллярного поднятия воды в грунте с ненарушенной' структурой, м;

1,01 - значение, вычисленное по форм. (25) при температуре 5 °С;

, , , ,- движущие силы менисков воды (в Па) при температуре 10 °С в грунте с ненарушенной структурой (табл. 5).

Расчеты, проведенные по форм. (38) и (39) позволили получить значения «безопасной» глубины залегания подземных вод перед промерзанием; земляного полотна. Они представлены в табл. 28.

Таблица 28

Грунт

Число пластичности

«Безопасная» глубина залегания подземных вод (в м) от верха покрытия дорожной одежды

Песок пылеватый

-

2,00

Супеси легкие крупные и легкие, супеси пылеватые и тяжелые пылеватые

1

2,00/2,05

4

2,45/2,50

7

2,85/2,05

Суглинки легкие и пылеватые

10

3,35/3,45

12

3,80/3,95

Суглинки тяжелые и тяжелые пылеватые

14

4,20/4,35

17

4,70/4,85

Примечание. В числителе указаны значения «безопасной» глубины залегания подземных вод в грунтах, коэффициент уплотнения которых равен 0,90; в знаменателе «безопасные» глубины при коэффициенте уплотнения 0,95.

2.3.2. Эпюры влажности грунтов перед промерзанием в расчетные годы

При расстоянии от верха покрытия дорожной одежды до уровня подъемных вод менее «безопасной» глубины залегания по табл. 28 происходит поступление этих вод в рабочий слой земляного полотна. В этом случае влажность грунта под дорожной одеждой достигает капиллярной влагоемкости. Последняя величина определяется по форм. (3) при коэффициенте уплотнения грунта в расчетные годы (табл. 26).

В табл. 27 указаны значения влажности грунта перед промерзанием при 2-м типе (схеме) увлажнения рабочего слоя. Те же значения получены и при 3-м типе увлажнения рабочего слоя земляного полотна.

При расстоянии от верха покрытия дорожной одежды до уровня подъемных вод более «безопасной» глубины залегания по табл. 28 влажность грунта рабочего слоя определяется только атмосферными осадками. Величина этой влажности представлена в табл. 9-12, 15-24.

Согласно ОДН 218.046-01 «Проектирование нежестких дорожных одежд», табл. П.2.5 модуль упругости грунта является функцией относительной влажности W/WL. Это позволило перейти от полученных, эпюр влажности грунтов к эпюрам модуля упругости грунтов перед промерзанием земляного полотна. Указанные эпюры представлены на рис. 1. Ниже будет показано, как влияет влажность грунта на другие показатели земляного полотна.

Рис. 1. Эпюры модуля упругости грунтов перед промерзанием земляного полотна. 1 - первый расчетный год, 2 - второй расчетный год, 3 - третий расчетный год.

 - эпюра модуля упругости грунтов существующей дорожной конструкции;  - то же на участке уширения дороги.

3. Прогноз плотности и влажности грунтов и их пучения в зимний период

3.1. Температурное поле земляного полотна

Для прогноза плотности и влажности грунтов и их пучения необходимо знать значения следующих характеристик температурного поля:

● температуры льдообразования (θл.обр, °С);

● минимальной температуры грунта под дорожной одеждой (θmin(о) °C);

● температуры, соответствующей точке «а» на кривой содержания незамерзшей воды в грунте (θа, °С);

● температуры, соответствующей точке «б» на кривой содержания незамерзшей воды в грунте (θб, °С);

● глубины промерзания земляного полотна от низа дорожной одежды за зиму (hпр, м);

● расстояния от низа дорожной одежды до точки в земляном полотне с температурой θа (Za, м);

● расстояния от низа дорожной одежды до точки в земляном полотне с температурой θб (Zб, м);

● продолжительность периода понижения температуры грунта под дорожной одеждой от θл.обр до θmin(о) (tпон(о), сут);

● продолжительность периода от начала зимы до перехода температуры грунта под дорожной одеждой через значение, равное θл.обр (tзап(o), сут);

● продолжительность периода от начала зимы до момента промерзания грунта на глубину Zпр *hnp (tзап, сут);

● среднюю скорость промерзания грунта (vпр, м/с).

* На глубине Zпр температура грунта равна θл.обр.

Установлена зависимость указанных характеристик температурного поля от следующих величин:

● глубины промерзания эталонного грунта при отсутствии дорожной одежды (апр, м);

● минимальной температуры на кривой хода среднесуточной температуры воздуха, приведенной к поверхности покрытия (атемп, °С);

● продолжительности периода от начала зимы** до установления температуры атемппон, сут);

● продолжительности периода от начала зимы до прекращения промерзания земляного полотна зап, сут);

● термического сопротивления дорожной одежды, при котором не происходит промерзание земляного полотна (Rод(max), м2 К/Вт);

● коэффициента теплопроводности мерзлого грунта (λгр(м), Вт/(м2К) и количества замерзшей там воды (iзм, доли единицы).

** За начало зимы принята дата устойчивого перехода среднесуточной температуры воздуха через 0 °С и период ее понижения.

Проведено районирование территории по величине атемп, апон, азап, апр, Roд(max) (рис. 2, табл. 29).

Расчет температурного поля проводят в следующей последовательности. Определяют значения:

Roд - по форм. 7-9, включая в расчет величину λод по табл. 30;

λгр(м) - по табл. 31; iзм - по форм. 40-41;

θл.обр - по табл. 32;

Roд(mах) и атемп - по рис. 2 и табл. 29.

θmin(о) - по рис. 3; апр - по рис. 2 и табл. 29;

hпр - по форм 42 с учетом рис. 7 и 8;

апон - по рис. 2и табл. 29; tnонl(o) - по рис. 6;

азап - по рис. 2 и табл. 29;

tзап(o) - по форм. 43 с учетом рис. 7;

tзan -по форм. 43*; θа и θб-по табл. 32;

Zа и Zб - по форм 44; vпр - по форм 45.

Рис. 2. Карта с изолиниями равных значений климатических параметров, характеризующих условия промерзания грунта.

I - Х - номера изолиний; 1- граница сплошного распространения вечномерзлых грунтов; 2 - тоже островного (глубиной до 25 м); 3 - северный полярный круг.

Таблица 29

Номера изолиний климатических параметров (рис. 2)

Характеристика зимы по сумме отрицательных градусо-суток

Климатические параметры, характеризующие условия промерзания грунта

атемп °С

апон, сут.

азап, сут.

апр, м

Roд(mах), м2 К/Вт

1

2

3

4

5

6

7

X

Холодная

29,0

145

200

0,95

3,25

Среднемноголетняя

24,0

125

170

0,85

2,75

Теплая

17,5

100

140

0,75

2,10

IX

Холодная

27,0

135

190

0,90

3,05

Среднемноголетняя

20,5

110

155

0,80

2,40

Теплая

16,5

95

135

0,70

1,95

VIII

Холодная

25,5

130

180

0,90

2,90

Среднемноголетняя

16,5

95

135

0,70

1,95

Теплая

13,0

80

115

0,60

1,60

VII

Холодная

23,0

120

165

0,85

2,65

Среднемноголетняя

15,0

85

125

0,65

1,80

Теплая

9,5

70

100

0,50

1,25

VI

Холодная

20,5

110

155

0,80

2,40

Среднемноголетняя

13,0

80

115

0,60

1,60

Теплая

8,0

65

90

0,40

1,05

V

Холодная

18,5

105

145

0,75

2,20

Среднемноголетняя

9,5

70

100

0,50

1,25

Теплая

6,5

60

85

0,35

0,85

IV

Холодная

16,5

95

135

0,70

1,95

Среднемноголетняя

8,0

65

95

0,45

1,10

Теплая

4,0

45

75

0,30

0,50

III

Холодная

13,5

85

115

0,65

1,65

Среднемноголетняя

6,0

55

80

0,35

0,80

Теплая

3,0

40

60

0,20

0,40

II

Холодная

11,0

75

105

0,55

1,40

Среднемноголетняя

4,0

45

70

0,30

0,50

Теплая

2,5

35

50

0,15

0,30

I

Холодная

8,0

65

90

0,40

1,05

Среднемноголетняя

3,0

40

60

0,20

0,40

Теплая

2,0

20

40

0,10

0,20

Таблица 30

Материал

Плотность, кг/м3

Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К)

Цементобетон

2400

1,74

Асфальтобетон:

 

 

горячий плотный

2400

1,40

пористый

2300

1,25

высокопористый, в том числе битумно-песчаная смесь (ГОСТ 9128-84)

1900-2200

1,00-1,10

Одномерный гранитный щебень, обработанный вязким битумом

1850

1,28

Слабопрочные известняки, укрепленные известью

2000

1,16

Керамзитовый гравий, обработанный вязким битумом

1100-1450

0,64-0,93

Аглопоритовый щебень, обработанный вязким битумом

800

0,23

Аглопорит, укрепленный цементом (аглопоритовый щебень - 45 %, аглопоритовый песок - 45 %, цемент - 10 %, вода – 10 %)

1540

0,35

Керамзитобетон

1400

0,75

Шлакобетон

1600

0,58

Стиропорбетон на щебне из отходов жестких пенопластов

800-1400

0,20-0,50

Каменноугольная золошлаковая смесь, укрепленная 6-8 % цемента

1600

0,70

Пенопласт:

 

 

из полистирола ПС-4-60

60

0,05

«Стайрофоум»

40

0,03

Песок, укрепленный:

 

 

6-10 % цемента, разномерный

2100

1,86

10 % цемента, мелкий одномерный

2100

1,62

Супесь укрепленная:

 

 

10 % битумной эмульсией

1800

1,45

8-10 % цемента

1800

1,51

Суглинок укрепленный:

 

 

6-12 % цемента

1850

1,45

2-6 % цемента и 6-2 % извести

1850

1,33

Щебень:

 

 

из гранита

1800

1,86

из известняка

1600

1,39

Гравий

1800

1,86

Гравийно-песчаная смесь

2000

2,10

Рис. 3. Номограмма для определения минимальной температуры грунта под дорожной одеждой.

Рис. 4. Номограмма для определения параметра Слр.

Рис. 5. Номограмма для определения параметров Апр и Впр

Рис. 6. Номограмма для определения продолжительности периода понижения температуру грунта.

Рис. 7. Номограмма для определения продолжительности периода запаздывания температуры грунта.

Wнз = Kнз·Wр;                                                                                                      (40)

где Wнз - содержание незамерзшей воды в грунте, доли единицы;

Кнз - коэффициент, зависящий от разновидности грунта, числа пластичности и температуры мерзлого грунта;

Wp - влажность грунта на границе раскатывания, доли единицы.

Можно принять: Кнз = 0 для песка и супеси с числом пластичности 2 и менее; Кнз = 0,25 для остальных разновидностей супеси; Кнз = 0,4 для суглинков с числом пластичности не более 12; Кнз - 0,45 с числом пластичности более 12; Кнз = 0,55 для глин:

Таблица 31

Плотность скелета грунта, кг/м3

Влажность грунта, доли единицы

Коэффициент теплопроводности Вт/(м·К), мерзлых

песков

супесей

суглинков и глин

1000

0,60

-

2,04

1,92

1200

0,40

-

1,92

1,80

1400

0,35

-

1,86

1,69

0,30

-

1,80

1,57

0,25

2,15

1,69

1,51

0,20

1,86

1,51

1,22

0,15

1,63

1,28

0,99

0,10

1,28

1,05

0,76

0,05

0,81

0,70

0,52

1600

0,30

-

1,98

1,80

0,25

2,73

1,92

1,69

0,20

2,38

1,74

1,51

0,15

2,04

1,57

1,22

0,10

1,63

1,28

0,93

0,05

1,10

0,87

0,64

1800

0,20

2,85

1,98

1,80

0,15

2,62

1,80

1,57

0,10

2,21

1,57

1,22

0,05

1,51

0,99

0,76

2000

0,10

2,90

1,86

1,39

0,05

2,15

-

-

iзм = (W0 - Wнз)ρск(0)/ρв;                                                                                       (41)

где iзм - количество замерзшей воды, доли единицы;

W0 - влажность грунта перед промерзанием, доли единицы;

ρск(0) - плотность скелета грунта перед промерзанием; кг/м3;

ρв - плотность воды, кг/м3 (ρв = 1000 кг/м3).

Таблица 32

Оптимальная влажность грунта, %

Температура льдообразования при оптимальной влажности грунта θл.обр -°С

Температура грунта и соответствующее ей содержание незамерзшей воды в грунте для точек

а

б

θа -°С

Wнз, %

θб, -°С

Wm(б), %

Песок мелкий и пылеватый

8

0

0,3

3,5

0,5

2

10

0

0,3

4,5

0,5

3

12

0

0,3

6

0,5

4

Супесь

10

0,1

0,3

6

0,5

5

12

0,1

0,3

7

0,5

6

14

0,1

0,3

8,5

0,5

7

16

0,1

0,3

9,5

0,5

8

18

0,1

0,3

10,5

0,5

9

Суглинок

14

0,1/0,3

0,3/0,5

10/10,5

0,5/1

9/9

16

0,1/0,3

0,3/0,5

12/12,5

0,5/1

11/11

18

0,1/0,3

0,3/0,5

13,5/14,5

0,5/1

12,5/12,5

20

0,1/0,3

0,3/0,5

15,5/16,5

0,5/1

14,5/14,5

22

0,1/0,3

0,3/0,5

17/18

0,5/1

15,5/15,5

Глина

18

0,6

1,5

14

2

12,5

20

0,6

15

16

2

13,5

22

0,7

1,5

17,5

2

15,5

24

0,8

1,5

19,5

2

17

26

0,9

1,5

21,5

2

19

28

0,9

1,5

23,5

2

20

Примечание. Перед чертой приведены показатели для суглинка с числом пластичности 12 и менее; после черты - с числом пластичности более 12.

hпр = агод·апр·Спр·Апр·Впрλгр(м);                                                                             (42)

где агод - поправочный коэффициент, учитывающий повторяемость глубины hпр, мК/Вт;

Для среднемноголетней зимы по сумме отрицательных градусо-суток агод = 0,7 мК/Вт

Для холодной зимы повторяемостью 1 раз в 20 лег агод = 0,8 мК/Вт.

Для теплой зимы повторяемостью 1 раз в 20 лет агод = 0,6 мК/Вт.

tзап(0) = азап[Азап·Взап + 1,01·tпон(0) θл.обр/(θmin(о) - θл.обр)];                                     (43)

tзап = tзап(0) + (Zпр/hпр)(азапtзап(0));                                                                    (43*)

где Zпр - глубина промерзания грунта на различные моменты времени, м (Zпр < hпр).

Значение глубины Znp принимают равным расстоянию от низа дорожной одежды до середины каждого слоя грунта в зоне промерзания. Для каждого такого слоя определяют значения глубин, на которых температура грунта равна θл.обр, θа и θб на один и тот же момент времени:

                                                          (44)

Температуре θ-θл.обр соответствует глубина Zпр, температуре θ-θа - глубина Zа и температуре θ = θб - глубина Zб. Среднюю скорость промерзания грунта вычисляют по формуле:

vпр = hпр/(азап - tзап(0));                                                                                        (45)

В основу районирования (рис. 2) положены значения глубины промерзания грунтов в среднемноголетнюю зиму. В частности, проводился расчет глубины промерзания глинистых грунтов, коэффициент уплотнения которых был равен 0,90 и 0,95, а влажность была равна капиллярной влагоемкости. Соответствующие этим показателям значения коэффициента теплопроводности и количества замерзшей воды для рассматриваемых грунтов, упомянутых ниже, следующие:

Для супеси:           λгр(м) = 1,75 Вт/(мК) и iзм = 0,20 при Ку = 0,90

λгр(м) = 1,78 Вт/(мК) и iзм = 0,17 при Ку = 0,95

Для суглинка:       λгр(м) = 1,52 Вт/(мК) и iзм = 0,20 при Ку = 0,90

λгр(м) = 1,57 Вт/(мК) и iзм = 0,18 при Ку = 0,95

Для глины:            λгр(м) = 1,63 Вт/(мК) и iзм = 0,20 при Ку = 0,90

λгр(м) = 1,49 Вт/(мК) и iзм = 0,18 при Ку = 0,95

Расчет глубины промерзания проводился для условий открытого поля при отсутствии дорожной одежды (Roд = 0). В этом случае температура θmin(0) = атемп и Апр - 1,0.

Результаты расчетов глубины промерзания грунтов в условиях открытого поля приведены в табл. 33 для среднемноголетней зимы.

Таблица 33

№ изолинии (рис. 5)

Глубина промерзания в м. в условиях открытого поля в грунтах:

Супесь

Суглинок

Глина

X

2,70/2,95

2,35/2,50

2,40/2,40

IX

2,55/2,80

2,20/2,35

2,20/2,20

VIII

2,20/2,45

1,95/2,05

2,00/1,90

VII

2,05/2,25

1,80/1,90

1,80/1,75

VI

1,90/2,10

1,65/1,80

1,65/1,60

V

1,60/1,75

1,35/1,45

1,35/1,35

IV

1,40/1,55

1,20/1,30

1,15/1,10

III

1,10/1,20

0,95/1,00

1,10/0,85

II

0,95/1,00

0,80/0,85

0,80/0,65

I

0,60/0,65

0,55/0,60

0,40/0,40

Примечания. 1. В таблице приведены значения глубины промерзания грунтов в среднемноголетнюю зиму. 2. В числителе приведены значения hпр при Ку - 0,90, в знаменателе -  при Ку = 0,95

Перейдем теперь к расчету глубины промерзания грунтов на дорогах. В частности, проведен такой расчет для дороги, расположенной в районе г. Москвы. На этой дороге будет проведено уширение земляного полотна. Существующее земляное полотно из глины, на участке уширения дороги будет супесь. Дорожная конструкция соответствует типу А-14 (см. табл. 1 и 2), дорога проходит по местности с необеспеченным поверхностным стоком. Увлажнение рабочего слоя земляного полотна относится ко 2-му типу. Толщина дорожной одежды 0,5 метров. Давление на грунт от веса дорожной одежды составляет 10 кПа. Термическое сопротивление дорожной одежды Roд = 0,3 м2К/Вт.

Глубину промерзания грунта определяли для 1 -го года после устройства уширения дороги. Для этого года коэффициент уплотнения грунтов перед промерзанием определяли по табл. 26. Для существующего земляного полотна Ку = 0,90, для вновь возводимого Ку = 0,98. Относительная влажность грунтов по табл. 27 составила 0,63 для глины и 0,66 для супеси. Для упомянутых грунтов значения плотности и влажности грунтов перед промерзанием соответственно составили: для супеси ρск = 1910 кг/м3, W = 1,9 %; для глины ρск = 1575 кг/м3, W = 23,4 %.

Согласно карте на рис. 2 около г. Москвы проходит изолиния под номером V. Поэтому в расчет вводили значения климатических параметров, приведенных в табл. 29, для этой изолинии. Результаты расчета глубины промерзания грунтов показаны на рис. 8. Они даны от низа дорожной одежды.

Рис. 8. Значения глубин промерзания существующего земляного полотна и на участке уширения дороги.

 - существующее земляное полотно из глины;

 - земляное полотно из супеси на участке уширения дороги.

Настоящие расчеты температурного поля проводились без учета тепломассопереноса. Как это учитывать, будет показано ниже. Для этого нужно будет установить величину изменения плотности грунтов в зоне промерзания и определить дополнительный объем воды, поступающей в эту зону в зимний период.

Анализ показывает, что разница в расчетах глубины промерзания грунтов, проведенных с учетом и без учета тепломассопереноса, обычно не превышает 10 % при 1-ой и 2-ой схемах увлажнения рабочего слоя земляного полотна.

3.2. Влажность грунтов в зимний период на участках промерзания рабочего слоя земляного полотна

3.2.1. Расчетные зависимости

При расчете последовательно определяют.

1. Влажность грунтов перед промерзанием согласно изложенному в п. 2.1-2.3.

2. Температурное поле земляного полотна в зимний период согласно изложенному в п. 3.1.

3. Среднюю скорость промерзания грунта по данным расчета температурного поля (формула 45).

4. Значения температур θа, θб и соответствующее им содержание незамерзшей воды в грунте Wнз(a) > Wнз(б) (табл. 32).

5. Значения глубин, на которых температура грунта равна θл.обр, θа и θб на один и тот же момент времени. Расчет проводят по форм. 44 для каждой разновидности грунта в зоне промерзания.

6. Значения градиентов незамерзшей воды на глубине промерзания Iнз(0) для каждой разновидности грунта. Расчет проводят по формуле:

                          (46)

где Wнз(а), Wнз(б)  - содержание незамерзшей воды соответственно на глубине.

zа и zб, доли единицы;

zпр - глубина промерзания на рассматриваемый момент, м.;

ρск(t) - плотность скелета грунта в зоне промерзания на рассматриваемый момент, кг/м3;

 - объем грунта, м3 ( - 1 м3).

7. Коэффициент пучения грунта (Кпуч), под которым понимают интенсивность пучения водонасыщенного грунта без нагрузки при градиенте незамерзшей пленочной воды равном единице (3). Величину этого коэффициента определяют по графику на рис. 9.

Рис. 9. Значения коэффициентов пучения грунтов в зависимости от их коэффициентов уплотнения:

1-а - мелкий песок; 1-б - пылевой песок; II - пылевая супесь; III -легкий пылеватый суглинок; IV-легкая пылевая глина.

1-5 - число (количество) циклов промерзания-оттаивания.

По кривой для пылеватой супеси можно принимать с запасом значения коэффициента пучения грунта для других разновидностей супеси, то же для суглинков и глин.

8. Влияние нагрузки на пучение грунта (φ(р)).

φ(р) = 1 - аnlg(1 + p/p0);                                                                                     (47)

где ап - коэффициент, учитывающий влияние нагрузки на пучение грунта;

р - нагрузка на зону пучения грунта от веса дорожной одежды и слоев грунта до половины глубины промерзания земляного полотна, кПа;

р0 - нагрузка на грунт, при которой устанавливается значение коэффициента ап. Величину р0 принимают равной 9,8 кПа.

Таблица 34

Грунт

ап при коэффициенте уплотнения грунта перед промерзанием

0,80

0,85

0,90

0,95

1,0

Песок

 

 

 

 

 

мелкий

-

-

-

-

1,5

пылеватый

-

-

-

-

1,0

Супесь

-

-

1,2

1,0

0,5

Суглинок

-

1,0

0,8

0,6

0,4

Глина

0,6

0,5

0,4

0,4

0,3

9. Расход пленочной воды, поступающей в мерзлый слой из талого грунта с влажностью более оптимальной (, м3/с).

                                                                            (48)

где  - площадь поперечного сечения грунта, м2 ( = 1 м2).

10. Среднее значение расхода капиллярно подвешенной воды, которая может поступить к границе промерзания грунта (, м3/с) на участках 1-го и 2-го типа (схемы) увлажнения рабочего слоя земляного полотна.

Источниками питания собственно капиллярной воды являются поверхностные и грунтовые воды, а также верховодка. При устранении этих источников собственно капиллярная вода превращается в капиллярно подвешенную воду. Последняя ограничена по поверхности раздела вода-воздух менисками, кривизна которых минимальна в наиболее крупных капиллярах. В результате возникают силы, за счет которых капилляры меньших размеров высасывают воду из более крупных. Эти силы равны разности значений удельных движущих сил менисков данной группы капилляров и группы с минимальным значением. Учитываются только те капилляры, которые заполнены водой. При четырех заполненных водой группах капилляров:

;                                                                     (49)

При трех группах qmin =  и т.д.

Температуру капиллярной воды, поступающей к границе промерзания грунта, можно принять равной 0 °С. При этой температуре нужно определять по форм. (25) значения  , ,  и .

При W0 > (3Wкв + Wопт)/4

       (50)

При (3Wкв + Wопт)/4 ≥ W0 > (Wкв + Wопт)/2

                  (51)

При (Wкв + Wопт)/2 ≥ W0 > (Wкв + 3Wопт)/4

                                              (52)

где W0 - начальная влажность грунта под границей промерзания, доли единицы;

Wкв - капиллярная влагоемкость грунта, доли единицы;

, , - коэффициент просачивания воды соответственно в I, II и III группах капилляров грунта, м/с;

, ,  - удельные движущие силы менисков воды соответственно в I, II и III группах капилляров грунта с капиллярно подвешенной водой, Па;

z1 - среднее расстояние, на которое перемещается капиллярно подвешенная вода за период промерзания слоя земляного полотна, м;

g - ускорение свободного падения, м/с2.

Значения , , и  нужно определять по форм. (26) при температуре 0 °С. Величину z1 принимают равной расстоянию от середины слоя грунта под дорожной одеждой до границы промерзания земляного полотна за зиму.

11. Среднее значение расхода собственно капиллярной воды, которая может поступить к границе промерзания грунта (, м3/с) на участке 3-го типа (схемы) увлажнения рабочего слоя земляного полотна.

    (53)

где z2 - среднее расстояние, на которое перемещается собственно капиллярная вода за период промерзания слоя земляного полотна, м.

Значение z2 принимают равным расстоянию от середины мерзлого слоя грунта до среднего положения горизонта грунтовых вод или верховодки в зимний период.

Для двухслойного грунта, состоящего из грунта рабочего слоя и нижележащего грунта с ненарушенной структурой и влажностью, равной капиллярной влагоемкости:

                                                        (54)

                                                        (55)

                                                       (56)

                                                        (57)

где  - расстояние от границы рабочего слоя до среднего положения горизонта грунтовых вод в зимний период, м.

Показатели капиллярных свойств грунта , , , ,     относятся к рабочему слою,     - к грунту с ненарушенной структурой:

В зависимости от начальной влажности грунта ряд значений в формуле (53) принимают равным нулю.

При (3Wкв + Wопт)/4 ≥ W0 > (Wкв + Wопт)/2

При (Wкв + Wопт)/2 ≥ W0 > (Wкв + 3Wопт)/4

При(Wкв + 3Wопт)/4 ≥ W0 > 3Wопт

12. Значения влажности грунта под границей промерзания после оттока пленочной воды из талого грунта в мерзлый слой (; доли единицы)

                                                                            (58)

где W0 - начальная влажность грунта под границей промерзания, доли единицы;

 - расход пленочной воды, поступающей в мерзлый слой из талого грунта с влажностью более оптимальной, м3/с;

 - среднее для слоя земляного полотна значение расхода капиллярной воды, которая может подступить к границе промерзания грунта, м/с;

ρв - плотность воды, кг/м3;

ρск(0) - начальная плотность скелета грунта под границей промерзания, кг/м3;

 - площадь поперечного сечения грунта, м2 ( > = 1 м2);

vnp - скорость промерзания грунта, м/с.

13. Значения плотности скелета грунта под границей промерзания после оттока пленочной воды в мерзлый слой (, кг/м3)

                                                                                    (59)

где еусад - относительная усадка грунта при промерзании, доли единицы.

                                                                                  (60)

где аусад - коэффициент линейной усадки грунта, безразмерная величина.

Таблица 35

Грунт

Коэффициент линейной усадки грунта

Пылеватый песок, легкая супесь

0,1

Супесь пылеватая и тяжелая пылеватая

0,2

Суглинок легкий и легкий пылеватый

0,3

Суглинок тяжелый и тяжелый пылеватый, глина

0,5

14. Влажность грунта в мерзлом слое земляного полотна (WM, доли единицы)

                                                                                      (61)

где  - среднее для слоя земляного полотна значение расхода пленочной воды, поступающей из талого грунта в мерзлый слой, м3/с.

при  > Woп m

                                                                                                   (62)

При  = Woпm

                                                        (63)

При расчете следует иметь в виду, что при влажности песка, равной капиллярной или полной влагоемкости, можно не определять для этого грунта значения расходов капиллярной воды , так как они по всех случаях больше расхода пленочной воды . При этих условиях не нужно устанавливать по форм. (58) влажность грунта под границей промерзания после оттока воды из талого грунта в мерзлый слой. Это значение равно  = W0. Вследствие этого можно принять в форм. (61)  =

При 1-ой схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна расчет величины WМ имеет свои особенности. Они заключаются в том, что влагонакопление может происходить не  во всей толщине промерзшего слоя, а только в части этого слоя. Размеры последнего зависят от величины притока воды в грунт рабочего слоя с начала осени до промерзания земляного полотна (qатм(пр.ч), м3 на 1 м2). Значения qатм(пр.ч) приведены в табл. 8.

Для слоя грунта толщиной 1,0 м под дорожной одеждой влагонакопление происходит по всей высоте слоя при условии, что:

(WM - Wопт)ρск(0)·/ρв < qатм.(пр.ч);                                                                   (64)

В противном случае влагонакопление происходит только в слое грунта толщиной Δs (Δs < 1,0 м), ииже которого влажность грунта равна оптимальной влажности (Wопm, доли единицы).

Δs = qатм.(пр.ч)·ρв/(WМ - Wоптρск(0)·;                                                             (65)

При расчете влажности в двухслойных грунтах нужно иметь в виду следующее. В форм. (50-52) входит величина z.1 Для верхнего слоя грунта она равна половине толщины этого слоя; для нижнего слоя грунта величина z1 равняется половине глубины промерзания от нижней границы верхнего слоя до глубины промерзания за зиму. Нужно также иметь в виду, что значения расходов капиллярно подвешенной воды, полученные по форм. (50-52) для верхнего и нижнего слоев грунта не могут быть менее величины

 = (Wкв - Wоптρск(0)· vпр/(4ρв);                                                           (66)

где Wкв, Wonm, ρск(0) - соответственно капиллярная влагоемкость, оптимальная влажность и плотность скелета грунта перед промерзанием в нижнем слое грунта;

vпр - скорость промерзания грунта, м/с.

При залегании однослойного грунта до отметки не менее глубины промерзания за зиму нужно вводить в расчет по форм. (66) значения Wкв, Wопт и ρск(0), соответствующие этому грунту. При этом под однослойным - понимают грунт одного и того же гранулометрического и минералогического состава и плотности скелета грунта перед промерзанием земляного полотна.

При максимальной величине qк(0) в верхнем слое грунта меньше минимального значения qк(0) в нижнем слое не происходит поступление капиллярно подвешенной воды из нижнего в верхний слой грунта. В верхнем слое происходит только перераспределение воды, а среднее значение влажности грунта по высоте слоя будет равно влажности перед промерзанием земляного полотна.

3.2.2. Результаты расчета влажности мерзлых грунтов в холодную зиму на участках дороги, относящихся к 1-ой схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна

1. Исходные данные. Дорога находится в Московской области. Согласно карте на рис. 2 там проходит изолиния климатических параметров под номером V. На участках уширения дороги поверхностный сток обеспечен (табл. 25), а подземные воды находятся на «безопасной» глубине (табл. 28). Такие условия являются характеристикой 1 типа (схемы) увлажнения рабочего слоя земляного полотна под существующей и вновь создаваемой дорожной одеждой. Последняя имеет ту же конструкцию, что и существующая дорожная одежда:

● асфальтобетон плотный толщиной 4 см;

● асфальтобетон пористый толщиной 8 см;

● асфальтобетон высокопористый толщиной, 14 см;

● гравийно-песчаная смесь, укрепленная 10 % цемента, толщиной 24 см;

● песок средней крупности толщиной 30 см.

При такой конструкции давление на грунт от веса дорожной одежды составляет:

р = (2400·0,04+ 2300·0,08 + 2100·0,14 + 2000·0,24 +1950·0,30)·0,0098 = 16,1 кПа.

В расчет включали значения плотности слоев дорожной одежды по табл. 30. Плотность слоя песка принята согласно ОДН 218.046-01.

Дорога проходит в насыпи высотой 1,5 м. Рабочий слой под существующей дорожной одеждой из суглинка легкого пылеватого, а на участках уширения дороги - из супеси легкой; под насыпью залегают суглинки легкие пылеватые. Характеристика этих грунтов следующая (п. 1.3)

Супесь легкая. Число пластичности – 4 %, влажность на границе текучести - 18,0 %, влажность на границе раскатывания - 14,0 %, оптимальная влажность - 10,5 %, максимальная плотность скелета грунта - 1950 кг/м3, коэффициент уплотнения грунта вновь создаваемого земляного полотна равен 0,98. При этом значении коэффициента уплотнения влажность грунта, соответствующая полной и капиллярной влагоемкости, соответственно равна 0,82 и 0,66 в долях от границы текучести (табл. 4). При коэффициенте уплотнения грунта 0,98 показатели капиллярных свойств следующие (табл. 5):

 = 135 гПа,  = 100·10-8 м/с

 = 100 гПа,  = 310·10-8 м/с

 = 85 гПа,  = 530·10-8 м/с

 = 80 гПа,  = 755·10-8 м/с.

Суглинок легкий пылеватый. Число пластичности – 10 %, влажность на границе текучести - 27,0 %, влажность на границе раскатывания - 17,0 %, оптимальная влажиость - 15,3 %, максимальная плотность скелета грунта - 1800 кг/м3, коэффициент уплотнения грунта в насыпи - 0,98, под насыпью - 0,92.

При коэффициенте уплотнения 0,98 влажность грунта, соответствующая полной и капиллярной влагоемкости, соответственно равна 0,72 и 0,64 в долях от границы текучести (табл. 4).

При коэффициенте уплотнения 0,92 влажность грунта, соответствующая полной и капиллярной влагоемкости, соответственно равна 0,86 и 0,72 в долях от границы текучести (табл. 4).

При коэффициенте уплотнения 0,98 показатели капиллярных свойств суглинка легкого пылеватого следующие (табл. 5):

 = 280 гПа,  = 35·10-9 м/с

 = 195 гПа,  = 150·10-9 м/с

 = 165 гПа,  = 300·10-9 м/с

 = 145 гПа,  = 475·10-9 м/с.

При коэффициенте уплотнения 0,92 показатели капиллярных свойств суглинка легкого пылеватого следующие (табл. 5):

 = 235 гПа,  = 70·10-9 м/с

 = 185 гПа,  = 190·10-9 м/с

 = 165 гПа,  = 300·10-9 м/с

 = 155 гПа,  = 400·10-9 м/с.

Песок средней крупности. Оптимальная влажность песка - 9,0 %, максимальная плотность песка - 1920 кг/м3, коэффициент фильтрации - 1,2 м/с. При Ку = 1,0 полная влагоемкость грунта равна - 14,3 %, капиллярная влагоемкость грунта - 11,3 %, высота капиллярного поднятия - 35 см.

Согласно ОДН 218.046-01 коэффициент теплопроводности песка морозозащитного (дренирующего) слоя дорожной одежды равен среднеарифметическому значению коэффициентов теплопроводности песка в талом и мерзлом состоянии (2,44+1,91)/2 = 2,18 Вт/(м·К)

Согласно принятой в настоящей работе классификации (табл. 1 и 2) номер типа и подтипа уширения дороги имеет обозначение А-10. Рассматриваемая дорога находится в районе под номером 2 (табл. 8). При указанных исходных данных средняя по высоте насыпи влажность грунта под дорожной одеждой равна перед промерзанием земляного полотна следующим величинам (табл. 21):

- для суглинка легкого пылеватого существующей насыпи 0,60 от границы текучести (за пределами зоны sI);

- для супеси легкой вновь устраиваемой насыпи - 0,61 от границы текучести. Под насыпью - влажность суглинка легкого пылеватого равна 0,72 от границы текучести.

2. Изложение расчета. Согласно изложенному в п. 3.1. определяем температурное поле земляного полотна в холодную зиму повторяемостью 1 раз в 20 лет. Предварительно вычисляем по форм. (7-9) термическое сопротивление дорожной одежды, вводя в расчет значения коэффициентов теплопроводности слоев дорожной одежды из табл. 30.

Вычисляем по форм. (40) содержание незамерзшей воды в грунте:

- для супеси легкой WM = 0,25·0,14 = 0,035 доли единицы;

- для суглинка легкого пылеватого Wнз = 0,45·0,17 = 0,076 доли единицы.

Вычисляем по форм. (41) количество замерзшей воды в грунте:

- для супеси легкой iзм = (0,61·0,18 - 0,035)·0,98·1950/1000 = 0,14;

- для суглинка легкого пылеватого насыпи

iзм =(0,60·0,27 - 0,076)·0,98·1800/1000 = 0,15 доли единицы;

- для суглинка легкого пылеватого под насыпью

iзм = (0,72·0,27 - 0,076)·0,92·1800/1000 = 0,20 доли единицы.

Устанавливаем по табл. (29) значения климатических параметров, характеризующих условия промерзания грунта.

Для рассматриваемых условий они имеют следующие значения:

атемп = 18,5 °С, апон = 105 сут, азап = 145 сут,

апр = 0,75 м, Roд(mах) = 2,20 м2К/Вт.

Определяем по графику на рис. (3) величину минимальной температуры грунта под дорожной одеждой.

Для супеси легкой вводим в расчет Rод/ Roд(mах) = 0,51/2,20 = 0,23 и iзм = 0,14.

В этом случае θmin(0)/amемп = 0,62. Откуда θmin(0) = 0,62·18,5 = 11,5 °С.

Для суглинка легкого пылеватого насыпи вводим в расчет Rод/ Roд(mах) = 0,23 и iзм = 0,15.

В этом случае θmin(0)/amемп = 0,61. Откуда θmin(0) = 0,61·18,5 = 11,3 °С.

Устанавливаем по табл. (32) температуру льдообразования в грунте:

● для супеси легкой θл.обр = -0,1 °С

● для суглинка легкого пылеватого насыпи θл.обр = -0,1 °С

● для суглинка легкого пылеватого под насыпью θл.обр = -0,1 °С

Устанавливаем по номограммам на рис. (4 и 5) значения параметров Апр, Bпp и Спр в случае промерзания однослойного грунта в пределах насыпи.

Значения этих параметров следующие:

● для супеси легкой Апр = 0,65, Впр = 3,2, Спр = 0,99;

● для суглинка легкого пылеватого Апр = 0,64, Впр = 3,1, Спр = 0,99.

Определяем по табл. (31) значения коэффициентов теплопроводности мерзлых грунтов:

● для супеси легкой (ρск = 1910 кг/м3, w0 = 0,11 доли единицы) λгр(м) = 1,72 Вт/(м·к);

● для суглинка легкого пылеватого насыпи (ρск = 1765 кг/м3, w0 = 0,16 доли единицы) λгр(м) = 1,56 Вт/(м·к);

● для суглинка легкого пылеватого под насыпью (ρск = 1655 кг/м3, w0 = 0,19 доли единицы) λгр(м) = 1,51 Вт/(м·к).

Вычисляем по форм. (42) глубину промерзания земляного полотна на участке уширения дороги. На этом участке насыпь из супеси легкой

hпр = 0,8·0,75·0,99·0,65·3,2·1,72 = 2,1 м.

Ввиду того, что глубина промерзания более расстояния от низа дорожной одежды до поверхности земли (это расстояние равно 0,7 м.) вновь определяем величину hпр. В этом случае расчет проводим для двухслойного грунта, состоящего из супеси легкой и суглинка легкого пылеватого под насыпью. Предварительно вычисляем количество замерзшей воды в грунтах:

iзм = [0,14·0,7 + 0,20(2,1 - 0,7)]/2,1 = 0,18 доли единицы.

При iзм = 0,18 и Rод/Roд(mах)=0,23, устанавливаем по номограммам на рис. (4 и 5) значения параметров Апр, Впр и Спр. Их значения следующие: Апр = 0,62, Впр = 2,7, Спр = 0,99. Определяем средневзвешенное значение коэффициента теплопроводности рассматриваемых мерзлых грунтов:

Включая в расчет полученные данные, определяем по форм. (42) глубину промерзания двухслойного грунта, состоящего из супеси легкой и суглинка легкого пылеватого

hпр = 0,8·0,75·0,99·0,62·2,7·1,58 = 1,6 м.

Вычисляем по форм. (42) глубину промерзания земляного полотна под существующей дорожной одеждой. На этом участке насыпь из суглинка легкого пылеватого

hпр = 0,8·0,75·0,99·0,64·3,1·4,56 = 1,8 м.

Ввиду того, что глубина промерзания более расстояния от низа дорожной одежды до поверхности земли вновь определяем величину hпр. В этом случае расчет проводим для двухслойного грунта, состоящего из суглинка легкого пылеватого насыпи и суглинка легкого пылеватого под насыпью.

Предварительно вычисляем количество замерзшей воды в грунтах:

iзм = [0,15·0,7 + 0,20(1,8 - 0,7)]/1,8 = 0,18

При iзм =0,18 и Rод/Roд(mах) = 0,23 устанавливаем по номограммам на рис. (4 и 5), что Aпр = 0,62, Впр= 2,1, Спр = 0,99.

Определяем средневзвешенное значение коэффициента теплопроводности рассматриваемых мерзлых грунтов:

λгр(м) = [1,56·0,7 +1,51(1,8 - 0,7)]/1,8 = 1,53 Вт/(м·К).

Включая в расчет полученные данные, определяем по форм. (42) глубину промерзания двухслойного грунта, состоящего из суглинка легкого пылеватого насыпи и суглинка легкого пылеватого под насыпью

hnp =0,8·0,75·0,99·0,62·2,7·1,53 = 1,5 м.

Определяем по графику на рис. (6) продолжительность периода понижения температуры грунта под дорожной одеждой от θл.обр, до θmin(0): для супеси легкой на участке уширения дороги tпон(0) 11,5/105·(11,5 - 0,1) = 0,66. Откуда tпон(0) = 69 сут. Для суглинка легкого пылеватого под существующей дорожной одеждой tпон(0) 1,3/105·(11,3-0,1) = 0,65. Откуда tпон(0) = 68 сут.

Определяем продолжительность периода от начала зимы до перехода температуры грунта под дорожной одеждой через значение равное температуре льдообразования.

По графику на рис. (7) имеем:

для супеси легкой Азап =0,27, Взап = 0,5;

для суглинка легкого пылеватого Азап= 0,28, Взап= 0,6.

По форм. (43) имеем:

для супеси легкой

tзап(0) = 145[0,27·0,5 + (0,01·69·0,1)/(11,5 - 0,1)] = 20 сут.;

для суглинка легкого пылеватого

tзап(0) = 145[0,28·0,6 + (0,01·68·0,1)/(11,3 - 0,1)] = 25 сут.

Определяем продолжительность периода от начала зимы до момента промерзания грунта на глубину znp, равную половине высоты насыпи от низа дорожной одежды до поверхности земли

zпр = (l,5-0,8)/2 = 0,35 м.

По форм. (43*) имеем: для супеси легкой

tзап = 20 + (145-20) = 47 сут.;

для суглинка легкого пылеватого

tзап = 25 +  (145 - 25) = 53сут.

Определяем продолжительность периода от начала зимы до момента промерзания грунта на глубину zпр, равную высоте насыпи от низа дорожной одежды до поверхности земли плюс половина толщины промерзшего слоя грунта под насыпью. На участке уширения дороги

zпр = 0,7+(1,6-0,7)/2 = 1,20 м.;

под существующей дорожной одеждой

zпр = 0,7+ (1,5-0,7)/2 = 1,10 м.

Искомые величины вычисляем по форм. (43*). Они равны: на участке уширения дороги

tзап = 20 + (l,2/l,6)(l45 - 20) = 114 cyт;

на участке земляного полотна под существующей дорожной одеждой

tзап = 25 + (1,1/1,5)(145 - 25) = 113 сут.

Определяем по форм. (44) значения глубины, на которых температура грунта равна θл.обр, θа и θб (табл. 32) на один и тот же момент времени. Для насыпи из супеси легкой на участке уширения дороги это время равно tзап = 47 сут. На этот момент имеем:

zпр = 0,35 м;

Для суглинка легкого пылеватого под насыпью на участке уширения дороги tзап =114 сут. На этот момент времени имеем:

zпр = 1,20 м.,

Для существующей насыпи из суглинка легкого пылеватого tзап = 53 сут. На этот момент времени имеем:

zпр = 0,35 м.,

Для суглинка легкого пылеватого под существующей насыпью tзап = 113 сут. На этот момент времени имеем:

zпр = 1,1 м.

Вычисляем по форм. (45) среднюю скорость промерзания грунтов земляного полотна. На участке уширения дороги она равна

vnp = 1,6/(145-20) = 0,013 м/сут.

На участке существующей дорожной конструкции:

vпр = 1,5/(145-25) = 0,013 м/сут.

Вычисляем по формуле (46) значение градиента незамерзшей воды на глубине промерзания супеси легкой на участке уширения дороги.

Необходимые для расчета данные следующие:

Wonm = 0,105 доли единицы, Wнз(a) - 0,06 доли единицы (табл. 32),

Wнз(б) - 0,05 доли единицы (табл. 32), zпр = 0,35 м, zа = 0,334 м., zб = 0,319 м., ρск(t) = 1910 кг/м3.

п = [lg(0,105-0,05) - lg(0,06-0,05)]/lg[(0,35-0,319)/(0,334-0,319)] = 2,35.

Iнз(0) =2,35·(0,06-0,05)·(0,35-0,319)1,35·1910/[(0,334-0.319)235·1000] = 7,98, безразмерная величина.

Вычисляем по форм. (46) значение градиента незамерзшей воды на глубине промерзания суглинка легкого пылеватого на участке уширения дороги.

Необходимые для расчета данные следующие:

Wопт = 0,153, Wнз(а) = 0,11, Wнз(6)= 0,10 доли единицы (табл. 32),

zпр = 1,20 м, za= 1,184 м.,

zб = 1,169 м, ρск(t) = 1765 кг/м3.

п = [lg(0,153-0,100) - lg(0,110-0,100)]/lg[(1,20-1,169)/(1,184-1,169)] = 2,30.

Iнз(0) = 2,30·(0,110-0,100)·(1,20-1,169)1,30 1655//[(1,184-1,169)2,30 - 1000] = 6,50, безразмерная величина.

Вычисляем по формуле (46) значение градиента незамерзшей воды на глубине промерзания существующей насыпи из суглинка легкого пылеватого.

Необходимые для расчета данные следующие:

Wопт = 0,153, Wнз(а) = 0,11, Wнз(6)= 0,10 доли единицы (табл. 32),

zпр = 0,35 м, za = 0,335 м.,

zб = 0,320 м., ρск(t) = 1765 кг/м3.

п = lg[0,153-0,100) - 1g(0,110-0,100)]/1g[(0,35-0,320)/(0,335-0,320)] = 2,41

Iнз(0) = 2,41·(0,110-0,100)·(0,35-0,320)1,41·1765/[(0,335-0,320)2,41·1000] = 7,54, безразмерная величина.

Вычисляем по форм. (46) значение градиента незамерзшей воды в суглинке легком пылеватом под существующей насыпью.

Необходимые для расчета данные следующие:

Wопт = 0,153, Wнз(а) = 0,11, Wнз(6)= 0,10 доли единицы (табл. 32),

zпр = 1,10 м., za= 1,085 м.,

zб = 1,070 м., ρск(t) = 1655 кг/м3.

п = [lg(0,153-0,10) - lg(0,11-0,10))/lg[1,10-l,070)/(1,085-1,070)] = 2,40.

Iнз(0) = 2,40·(0,11-0,10)·(1,10-1,070)1,40·1655/[(1,085-1,070)2,40·1000] = 6,99, безразмерная величина.

Определяем по графику на рис. 9 значения коэффициентов пучения грунтов. Для супеси легкой насыпи имеем Кпуч = 0,8·10-8 м/с. Для суглинка легкого пылеватого насыпи Кпуч, = 0,9·10-8 м/с. Для суглинка легкого пылеватого под насыпью имеем Кпуч = 0,7·10-8 м/с.

Определяем влияние нагрузки от веса дорожной одежды и мерзлых слоев грунта на пучение грунта.

Для супеси легкой насыпи р = 16,1 кПа + 0,35·0,98·1950·(1+0,11)·0,0098 кПа = 23,4 кПа.

По форм.(47) имеем φ(р) = 1-0,7lg = 0,63.

Для суглинка легкого пылеватого существующей насыпи

р = 16,1 кПа + 0,35·0,98·1800·(1+0,162)·0,0098 кПа = 23,1 кПа

По форм. (47) имеем φ(р) = 1- 0,5lg = 0,74

Для суглинка легкого пылеватого под насыпью на участке уширения дороги

p = 16,1 кПа + [0,7·0,98·1950·(1+0,11) + (1,6-0,7)·0,92·1800·(1+0,232)/2]·0,0098 кПа = 39,6 кПа.

По форм. (47) имеем φ(р) = 1 - 0,8lg = 0,44.

Для суглинка легкого пылеватого под существующей насыпью

р=16,1 кПа+[0,7·0,98·1800·(1+0,162) + (1,5-0,7)·0,92·1800·(1+0,232)/2]·0,0098 кПа = 38,2 кПа.

По форм. (47) имеем φ(р) = 1 - 0,8lg = 0,45.

Вычисляем по форм.(48) расход пленочной воды, поступающей в мерзлый слой из талого грунта

для супеси легкой насыпи имеем:

 = 0,92·0,8·10-8·7,98·0,63 = 3,7·10-8 м3/с;

для суглинка легкого пылеватого насыпи имеем:

 = 0,92·0,9·10-8·7,54·0,74 = 4,6·10-8 м3/с;

для суглинка легкого пылеватого под насыпью на участке уширения дороги имеем:

 = 0,92·0,7·10-8·6,50·0,44 = 1,9·10-8 м3/с;

для суглинка легкого пылеватого под существующей насыпью

 = 0,92·0,7·10-8·6,99·0,45 = 2,1·10-8 м3/с.

Определяем среднее значение расхода капиллярно подвешенной воды, которая может поступить к границе промерзания грунта. Предварительно приведем значения показателей капиллярных свойств грунта к температуре 0 °С (форм. 25)

для супеси легкой насыпи имеем:

 = 138 гПа,  = 70·10-8 м/с;

 = 102 гПа,  = 217·10-8 м/с;

 = 87 гПа,  = 371·10-8 м/с;

 = 82 гПа,  = 529·10-8 м/с;

для суглинка легкого пылеватого насыпи имеем:

 = 286 гПа,  = 2,45·10-8 м/с;

 = 199 гПа,  = 10,50·10-8 м/с;

 = 168 гПа,  = 21,00·10-8 м/с;

 = 148 гПа,  = 33,25·10-8 м/с;

для суглинка легкого пылеватого под насыпью имеем:

 = 240 гПа,  = 4,90·10-8 м/с;

 = 189 гПа,  = 13,30·10-8 м/с;

 = 168 гПа,  = 21,00·10-8 м/с;

 = 158 гПа,  = 28·10-8 м/с;

Определяем количество групп капилляров, заполненных водой.

Для супеси легкой насыпи. W0= 0,61·18,0 = 11,0 %, Wonm = 10,5 %, Wкв = 0,66·18,0 = 11,9 %. При W0 = 11,0 % более 10,5 + (11,9-10,5)/4 = 10,9 % и менее 10,5 + 2(11,09-10,5)/4 = 11,2 % водой заполнены две группы капилляров.

Для суглинка легкого пылеватого насыпи W0= 0,60·27,0 = 16,2 %, Wonm = 15,3 %, Wкв = 0,64·27,0 = 17,3 %. При W0 =16,2 % более 15,3 + (17,3-15,3)/4 = 15,8 % и менее 15,3 + 2(17,3-15,3)/4 = 16,3 % водой заполнены две группы капилляров.

Для суглинка легкого пылеватого под насыпью W0 = 0,72·27,0 = 19,4 %, Wonm = 15,3 %, Wкв = 0,72·27,0 = 19,4 %. При W0 = Wкв, водой заполнены четыре группы капилляров.

Для двухслойных грунтов, состоящих из супеси легкой насыпи и суглинка легкого пылеватого под насыпью расчет по форм. (49) дает следующие результаты.

В насыпи значения , , ,  равны нулю, так как в суглинке легком пылеватом qmin = 158 гПа больше , , ,  в супеси легкой. Это значит, что капиллярно подвешенная вода, находящаяся в суглинке легком пылеватом, не поступает в супесь легкую. При промерзании супеси легкой там происходит только перераспределение воды, а среднее значение влажности от низа дорожной одежды до поверхности земли равно осенней влажности W0.

При промерзании суглинка легкого пылеватого под насыпью движение капиллярно подвешенной воды происходит под действием сил:

 гПа,

 гПа,

 гПа.

Для двухслойных грунтов, состоящих из суглинка легкого пылеватого насыпи и суглинка легкого пылеватого под насыпью, расчет по форм. (49) дает следующие результаты. В насыпи  = 286-158 = 128 гПа,  = 199-158 = 41 гПа.

Расход капиллярно подвешенной воды, поступающей к границе промерзания суглинка легкого пылеватого существующей насыпи, определяем по форм. (51), так как движение воды в указанном грунте происходит по двум группам капилляров.

Полученная величина расхода воды не может быть менее значения по форм. (66).

 = (0,72·0,27-0,153)·0,92·1800·0,013/(24·60·60·4·1000) = 0,26·10-8 м3/с.

Принимаем в расчет  = 0,26·10-8 м3/с.

Расход капиллярно подвешенной воды, поступающей к границе промерзания суглинка легкого пылеватого под существующей насыпью, определяем по форм. (50), так как движение воды в указанном грунте происходит по трем группам капилляров.

Полученная величина расхода воды менее 0,26·10-8 м3/с, поэтому принимаем в расчет  = 0,26·10-8 м3/с.

Расход капиллярно подвешенной воды, поступающей к границе промерзания суглинка легкого пылеватого под насыпью на участке уширения дороги, определяем по форм. (50), так как движение воды в указанном грунте происходит по трем группам капилляров.

Полученная величина расхода воды менее 0,26·10-8 м3/с, поэтому принимаем в расчет  =0,26·10-8 м3/с.

Вычисляем по форм. (58) значение влажности грунта под границей промерзания суглинка легкого пылеватого, из которого устроена насыпь, после оттока пленочной воды в мерзлый слой. Величина этой влажности не может быть менее оптимальной влажности равной 0,153 доли единицы. Полученная по форм. (58) величина =0,162-(4,6·10-8-0,26·10-8)·24·60·60·1000/(0,98·1800·0,013) менее оптимальной влажности. Поэтому принимаем в расчет  =0,153 доли единицы.

Вычисляем по форм. (58) значение влажности грунта под границей промерзания суглинка легкого пылеватого, находящегося под существующей насыпью, после оттока пленочной воды в мерзлый слой.

 = 0,72·0,27 - (2,1·10-8 - 0,26·10-8)24·60·60·1000/(0,92·1800·0,013) = 0,121 доли единицы

Принимаем в расчет  = 0,153 доли единицы.

Вычисляем по форм. (58) значение влажности грунта под границей промерзания суглинка легкого пылеватого под насыпью на участке уширения дороги.

 = 0,72·0,27·(1,9·10-8 - 0,26·10-8)·24·60·60·1000/(0,92·1800·0,013) = 0,129 доли единицы

Принимаем в расчет  =0,153 доли единицы.

Определяем значение плотности скелета грунта под границей промерзания суглинка легкого пылеватого, из которого устроена насыпь, после оттока пленочной воды в мерзлый слой.

По форм. (60) еусад = 1-(1+0,3·0,153)/(1+0,3·0,6·0,27) = 0,003.

По форм.(59)  = 0,98·1800/(1-0,003) = 1769 кг/м3.

Определяем значение плотности скелета грунта под границей промерзания суглинка легкого пылеватого под насыпью после оттока пленочной воды в мерзлый слой.

По форм. (60) еусад = 1-(1+0,3·0,153)/(1+0,3·0,72·0,27) = 0,012.

По форм. (59)  = 0,92·1800/(1-0,012) = 1659 кг/м3.

Вычисляем влажность мерзлого слоя грунта по форм. (63) и (61), так как  = Wопт = 0,153 доли единицы

Влажность суглинка легкого пылеватого, из которого устроена насыпь равна:

 = 0,26·10-8 + (0,162-0,153)0,98·1800·0,013/(24·60·60·1000) = 0,49·10-8 м3/с.

Wм = 0,153+0,49·10-8·1000·24·60·60/(1769-0,013) = 0,171 доли единицы.

Влажность суглинка легкого пылеватого под насыпью равна:

Qmcr =0,26·10-8+(0,194-0,153)·0,92·1800 0,013/(24·60·60·1000) = 1,28·10-8 м3/с.

WM = 0,153+1,28·10-8·1000·24·60·60/(1659·0,013) = 0,203 доли единицы.

Результаты расчета влажности грунтов в холодную зиму при 1-ом типе (схеме) увлажнения рабочего слоя земляного полотна представлены в табл. 36.

Таблица 36

Наименование слоя грунта

Грунт

Средняя по высоте слоя влажность грунта перед промерзанием, %

Средняя по высоте слоя влажность мерзлого грунта, %

Насыпь от низа дорожной одежды до поверхности земли на участке уширения дороги

Супесь легкая

11,0

11,0

Слой грунта от поверхности земли до глубины промерзания на участке уширения дороги

Суглинок легкий пылеватый

19,4

20,3

Существующая насыпь от низа дорожной одежды до поверхности земли

Суглинок легкий пылеватый

16,2

17,1

Слой грунта под существующей насыпью до глубины промерзания

Суглинок легкий пылеватый

19,4

20,3

3.2.3. Результаты расчета влажности мерзлых грунтов в холодную зиму на участках дороги, относящихся ко 2-ой схеме увлажнения рабочего слон земляного полотна

1. Исходные данные. Те же, что и ранее, за исключением влажности и плотности грунтов перед их промерзанием. Согласно изложенному, расчет надо проводить для трех расчетных лет. Данный расчет проводят для первой зимы после уширения дороги. В этом случае коэффициент уплотнения супеси легкой, из которой устраивается насыпь на участке уширения дороги, будет равен 0,98. Влажность этого грунта будет равна капиллярной влагоемкости. При коэффициенте уплотнения грунта 0,98 влажность супеси легкой W0 = Wкв = 9 % (табл. 4). По графику на рис. 12 коэффициент уплотнения суглинка легкого пылеватого, из которого возведена существующая насыпь, равен 0,96 при давлении от веса дорожной одежды 16,1 кПа. При указанном коэффициенте уплотнения грунта влажность суглинка легкого пылеватого перед промерзанием земляного полотна равна W0 = Wкв = 17,9 % (табл. 4).

Коэффициент уплотнения суглинка легкого пылеватого под насыпью равен 0,92. При такой плотности грунта влажность суглинка легкого пылеватого под насыпью будет равна Wa = Wкв = 19,4 % (табл. 4).

2. Изложение расчета. Расчет аналогичен изложенному для 1-го типа (схемы) увлажнения рабочего слоя земляного полотна. Так же, как и ранее, рассматривается движение капиллярно подвешенной воды к границе промерзания грунта. То же и по другим пунктам расчета. Их результаты представлены в табл. (37).

Таблица 37

Наименование величин, полученных в результате расчета водно-теплового режима дорожных конструкций.

Результаты отдельных этапов расчета водно-теплового режима дорожных конструкций в холодную зиму при 2-ой схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна.

На участке существующей конструкции

На участке вновь создаваемой конструкции

1

2

3

Глубина промерзания земляного полотна от низа дорожной одежды за зиму, м.

1,4

1,5

Средняя скорость промерзания грунта, м/сут.

0,012

0,012

Градиент незамерзшей воды на границе промерзания супеси легкой, из которой устраивается насыпь, безразмерная величина.

-

9,22

Градиент незамерзшей воды на границе промерзания суглинка легкого пылеватого, из которого устроена насыпь, безразмерная величина.

7,91

-

Градиент незамерзшей воды на границе промерзания суглинка легкого пылеватого под насыпью, безразмерная величина.

7,70

7,65

Давление на супесь легкую насыпи от веса дорожной одежды и мерзлых слоев грунта, гПа.

-

23,4

Давление на суглинок легкий пылеватый насыпи от веса дорожной одежды и мерзлых слоев грунта, гПа.

23,1

-

Давление на суглинок легкий пылеватый под насыпью от веса дорожной одежды и мерзлых слоев грунта, гПа.

37,1

40,2

Максимальная величина расхода пленочной воды, которая может поступить в мерзлый слой супеси легкой насыпи, м3/с.

-

4,3·10-8

Максимальная величина расхода пленочной воды, которая может поступить в мерзлый слой суглинка легкого пылеватого насыпи, м3/с.

4,9·10-8

-

Максимальная величина расхода пленочной воды, которая может поступить в мерзлый слой суглинка легкого пылеватого под насыпью, м3/с

2,6·10-8

2,1·10-8

Среднее значение расхода капиллярно подвешенной воды, которая может поступить из нижнего слоя в верхний слой из супеси легкой насыпи, м3/с.

-

0,0

Среднее значение расхода капиллярно подвешенной воды, которая может поступить из нижнего слоя в верхний слой из суглинка легкого пылеватого насыпи, м3/с.

0,24·10-8

-

Среднее значение расхода капиллярно подвешенной воды, которая может поступить из грунта ниже глубины промерзания за зиму в суглинок легкий пылеватый под насыпью, м3/с.

0,24·10-8

0,24·10-8

Значение влажности мерзлого суглинка легкого пылеватого, находящегося в насыпи, %.

18,9

17,9

-

Значение влажности мерзлой супеси легкой, находящейся в насыпи, %.

-

11,9

11,9

Значение влажности мерзлого суглинка легкого пылеватого под насыпью, %.

20,4

19,4

20,4

19,4

Примечания: 1. При расчете принято, что грунт, залегающий ниже глубины промерзания за зиму, тот же, что и под подошвой насыпи. 2. В числителе, указаны значения влажности мерзлых грунтов, в знаменателях значения влажности грунтов в осенний период перед промерзанием земляного полотна.

3.2.4. Результаты расчета влажности мерзлых грунтов в холодную зиму на участках дороги, относящихся к 3-ей схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна

1. Исходные данные. Те же, что изложены в п. 3.2.3, за исключением залегания подземных вод. Уровень этих вод находится на глубине 1,00 м. от поверхности земли. Используя уже полученные результаты расчета можно записать для участка существующей дорожной конструкции:

- насыпь из суглинка легкого пылеватого;

● коэффициент уплотнения 0,96;

● влажность грунта перед промерзанием 17,9 %;

● глубина залегания подземных вод от середины слоя грунта 1,35 м.;

● максимальная величина расхода пленочной воды, которая может поступить в мерзлый слой, 4,9·10-8 м3/с;

показатели капиллярных свойств грунта:

 = 286 гПа,  = 2,45·10-8 м/с;

 = 199 гПа,  = 10,50·10-8 м/с;

 = 168 гПа,  = 21,00·10-8 м/с;

 = 148 гПа,  = 33,25·10-8 м/с.

- грунт под насыпью - суглинок легкий пылеватый;

● коэффициент уплотнения 0,92;

● влажность грунта перед промерзанием 19,4 %;

● глубина залегания подземных вод от середины слоя, расположенного от подошвы насыпи до глубины промерзания 0,65 м.;

● максимальная величина расхода пленочной воды, которая может поступить в мерзлый слой, 2,6·10-8 м3/с;

показатели капиллярных свойств грунта:

 = 240 гПа,  = 4,90·10-8 м/с;

 = 189 гПа,  = 13,30·10-8 м/с;

 = 168 гПа,  = 21,00·10-8 м/с;

 = 158 гПа,  = 28,00·10-8 м/с.

Глубина промерзания двухслойного грунта под существующей дорожной одеждой 1,4 м.

Средняя скорость промерзания грунта 0,012 м/сут.

Используя уже полученные результаты расчета можно записать для участка с вновь создаваемой дорожной конструкцией:

- насыпь из супеси легкой:

● коэффициент уплотнения 0,98;

● влажность грунта перед промерзанием 11,9 %;

● глубина залегания подземных вод от середины слоя грунта 1,35 м.;

● максимальная величина расхода пленочной воды, которая может поступить в мерзлый слой, 3,7·10-8 м3/с;

показатели капиллярных свойств грунта:

 = 138 гПа,  = 70·10-8 м/с;

 = 102 гПа,  = 217·10-8 м/с;

 = 87 гПа,  = 371·10-8 м/с;

 = 82 гПа,  = 529·10-8 м/с.

- грунт под насыпью - суглинок легкий пылеватый;

● коэффициент уплотнения 0,92;

● влажность грунта перед промерзанием 19,4 %;

● глубина залегания подземных вод от середины слоя, расположенного от подошвы насыпи до глубины промерзания 0,60 м;

● максимальная величина расхода пленочной воды, которая может поступить в мерзлый слой, 2,1·10-8 м3/с;

● глубина промерзания двухслойного грунта под вновь создаваемой дорожной одеждой 1,5 м.

Средняя скорость промерзания грунта 0,012 м/сут.

2. Изложение расчета.

Определяем по форм. (53)-(57) среднее значение расхода собственно капиллярной воды, которая может подступить к границе промерзания суглинка легкого пылеватого, из которого устроена насыпь, на участке существующей дорожной конструкции.

По форм. (54-57) имеем:

По форм. (53)

Ввиду того, что расход собственно капиллярной воды  = 0,22·10-8 м3/с оказался меньше соответствующей величины расхода капиллярно подвешенной воды  = 0,26·10-8 м3/с (см. выше) принимаем в расчет наибольшее значение расхода воды  = 0,26·10-8 м3/с. Для суглинка легкого пылеватого под существующей насыпью определяем значения расхода собственно-капиллярной воды при иI = 0, иII = 0, uIII = 0, иIV - 0. По форм. (53) имеем:

Определяем по форм. (58)-(63) значения влажности мерзлого суглинка легкого пылеватого в пределах существующей насыпи.

По форм. (58)  = 0,153 доли единицы.

По форм. (60) еусад = 0,003.

По форм. (59)  = 1769 кг/м3.

По форм. (63)

По форм. (61)

 доли единицы

Определяем по форм. (58)-(62) значение влажности мерзлого суглинка легкого пылеватого, находящегося под существующей насыпью.

По форм. (58)

 доли единицы

По форм. (60) еусад = 1-(1+0,03·0,188)/(1+0,03·0,194) = 0,00.

По форм. (59)  = 0,92·1800/(1-0,00) = 1656 кг/м3.

По форм. (62) = 196·10-8 м3/с.

По форм. (61)

 доли единицы

Определяем по форм. (53)-(57) среднее значение расхода собственно капиллярной воды, которая может поступить к границе промерзания супеси легкой, из которой устраивается насыпь на участке уширения дороги.

По форм. (54-57) имеем:

По форм. (53)

Определяем по форм. (58)-(62) значение влажности мерзлой супеси легкой, из которой устраивается насыпь на участке уширения дороги.

По форм. (58)  = 0,105 доли единицы.

По форм. (60) еусад =1-(1+0,1·0,105)/(1+0,1·0,119) = 0,0.

По форм. (59)  = 0,98·1950/(1-0) = 1911 кг/м3.

По форм. (63)

По форм. (61)

 доли единицы.

Для рассматриваемого случая среднее значение влажности супеси легкой в слое насыпи от низа дорожной одежды до поверхности земли практически та же, что была перед промерзанием земляного полотна (WM - 12,0 % - W0 = 11,9 %). Это значит, что в насыпь практически не поступила вода от уровня подземных вод. Происходит только перераспределение влажности грунта в пределах насыпи за счет перемещения капиллярно-подвешенной воды в супеси легкой.

 = 138-82=56 гПа,  = 70·10-8 м/с;

 = 102-82=20 гПа,  = 217·10-8 м/с;

 = 87-82=5 гПа,  = 371·10-8 м/с;

По форм. (50) имеем:

По форм. (66)

Принимаем в расчет  = 0,30·10-8 м3/с.

По форм. (58)  =0,105.

По форм. (60) еусад = 0,0.

По форм. (59)  = 1911 кг/м3.

По форм. (63)

По форм. (61) определяем влажность мерзлого слоя супеси легкой в верхней части насыпи под дорожной одеждой

WМ(в) = 0,105+(0,67·10-8·1000·24·60·60)/(1911·0,012) = 0,130 доли единицы.

Вычисляем величину влажности мерзлого слоя супеси в нижней части насыпи:

WМ(в)WМ  - (Wкв-Wопт)/4 = 0,120·(0,19-0,105)/4 = 0,117 доли единицы.

Определяем толщину верхней части супеси легкой (Δs, м) с влажностью WМ(в) - 0,130 доли единицы.

где s - толщина слоя супеси легкой от низа дорожной одежды до поверхности земли. Определяем толщину нижней части слоя супеси легкой с влажностью WM(н) - 0,117 доли: единицы.

s - Δs = 0,7 - 0,16 = 0,54.

3.2.5. Результаты расчета влажности мерзлых грунтов в теплую зиму на участках дороги, относящихся к 3-ей схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна

1. Исходные данные. Те же, что изложены в п. 3.2.4, за исключением значений климатических параметров, характеризующих условия промерзания грунта. Для теплой зимы повторяемостью 1 раз в 20 лет они имеют следующие значения (табл. 29):

атемп = 6,5 °С, апон = 60 сут, азап = 85 сут, апр - 0,35 м, Rоб(max) = 0,85 м2-К/Вт.

2. Изложение расчета. Получены следующие данные о водно-тепловом режиме суглинка легкого пылеватого, из которого устроена насыпь существующей дорожной конструкции:

● глубина промерзания 0,2 м (форм. 42);

● скорость промерзания 0,004 м/сут (форм. 45);

● влажность грунта перед промерзанием 0,179 доли единицы;

● влажность грунта в зоне промерзания земляного полотна 0,192 доли единицы;

● увеличение влажности грунта в слое 0,20 м произошло за счет притока собственно капиллярной воды от уровня подземных вод. Величину расхода этой воды вычисляли по форм. (53) при z2 = 1,60 м.

Ниже представлены результаты расчета водно-теплового режима супеси легкой, из которой устраивается насыпь на участке уширения дороги. Там глубина промерзания 0,30 м (форм. 42), а скорость промерзания 0,005 см/сут. (форм. 42). Согласно изложенному, в насыпь практически не поступает вода из нижележащего суглинка легкого пылеватого. Ввиду этого рассматривалось перераспределение воды внутри насыпи в период ее промерзания. Расчет проводился с учетом подтока капиллярно подвешенной воды к границе промерзания (табл. 38). Низкие глубины промерзания происходило уменьшение влажности грунта. Величина уменьшения составляла (Wкв - Wопт = (0,119-0,105)/4 = 0,0035 доли единицы при опорожнении одной группы капилляров.

Таблица 38

Расчетные зависимости

Прирост влажности супеси легкой (ΔW, доли единицы) в зоне промерзании земляного полотна за счет притока капиллярно-подвешенной воды, находящейся:

в IV группе капилляров

в III группе капилляров

во II группе капилляров

0,0047

0,0047

0,0047

ΔWIV =WM(IV) - W0,

ΔWIII = WM(III) - WM(IV),

ΔWII = WM(II) - WM(III)

0,180

0,095

0,073

Принятая в расчет величина ΔW

0,0047

0,0047

0,0047

Принятые обозначения: Wкв и Wonm - соответственно капиллярная влагоемкость и оптимальная влажность (доли единицы) супеси легкой, из которой устраивается насыпь; s - толщина слоя (в м) с капиллярно подвешенной водой равная высоте насыпи от низа дорожной одежды до поверхности земли; hпр - глубина промерзания супеси легкой (в м) под дорожной одеждой на участке уширения дороги. W0 - влажность супеси легкой (доли единицы) перед промерзанием земляного полотна. ΔWIV - прирост влажности грунта (доли единицы) за счет поступления капиллярно подвешенной воды, находящейся в IV группе капилляров; ΔWIII - то же в III группе капилляров; ΔWII - то же во II группе капилляров. WМ(IV) - влажность мерзлого грунта после притока капиллярно подвешенной воды из IV группы капилляров, WM(III) - то же после притока воды из IV и III группы капилляров; WM(II) - то же после притока воды из IV, III и II группы капилляров.

Определяем ΔWМ(IV). По форм. (50) имеем  = 1,84·10-8 м3/с.

По форм. (63)  = 1,98·10-8 м3/с.

По форм. (61) ΔWМ(IV) = 0,280 доли единицы.

Тогда ΔWIV = 0,280 - 0,119 = 0,161 доли единицы.

Ввиду того, что полученная величина ΔWIV = 0,161 > maxΔWIV = 0,0047 принимаем в расчет ΔWIV = 0,0047 доли единицы. В этом случае ΔWМ(IV) = 0,119 + 0,0047 = 0,1237, а влажность супеси легкой ниже границы промерзания равна 0,119 - 0,0035 = 0,1155 доли единицы.

Определяем WM(III). По форм. (51) имеем  = 1,18·10-8 м3/с.

По форм. (63)

По форм. (61) WM(III) = 0,219 доли единицы. Тогда ΔWIII = 0,219 - 0,01237 = 0,095 доли единицы. Ввиду того, что полученная величина ΔWIII = 0,095 > max ΔWIII = 0,0047 принимаем в расчет ΔWIII = 0,0047 доли единицы. В этом случае WM(III) = 0,1237 + 0,0047 = 0,1284, а влажность супеси легкой ниже границы промерзания равна 0,1155-0,0035 = 0,1120 доли единицы.

Определяем WM(II). По форм. (52) имеем  = 0,68·10-8,м3/с.

По форм. (63)

По форм. (61) WM(II) = 0,168 доли единицы.

Тогда ΔWII = 0,168 - 0,1284 = 0,0396 доли единицы.

Ввиду того, что полученная величина ΔWII = 0,0396 > maxΔWII = 0,0047 принимаем в расчет ΔWII =0,0047 доли единицы. В этом случае WM(II) = 0,1284 + 0,0047 = 0,133, а влажность супеси легкой ниже границы промерзания равна 0,1120 - 0,0035 = 0,1085 доли единицы.

В результате проведенных расчетов получено, что влажность супеси легкой в зоне промерзания земляного полотна равна WM = 0,133, а влажность того же грунта ниже границы промерзания понизилась до величины 0,109 доли единицы.

На рис. (10) и (11) представлены данные расчетов влажности грунтов в зимний период, изложенные в п. 3.2.2-3.2.5. Эти значения влажности в дальнейшем будут уточнены. Дело в том, что расчет водно-теплового режима земляного полотна проводился без учета процесса массопереноса. Учет этого процесса осуществляется путем включения в расчетные зависимости, определяющие неустановившийся процесс теплопередачи, характеристик грунта после разуплотнения и накопления влаги в зоне промерзания земляного полотна. Первый расчет процесса теплопередачи проводят при значениях коэффициента теплопроводности и количестве замерзшей воды, соответствующих плотности и влажности грунтов перед промерзанием. Этот этап работы выполнен. Второй расчет проводят при коэффициенте теплопроводности, соответствующем среднеарифметическим значениям плотности и влажности грунта в период промерзания, и при количестве замерзшей воды, соответствующей влажности грунта после промерзания. Это можно будет сделать после получения данных о величине пучения грунтов (см. ниже).

Рис. 10. Влажность грунтов в холодную зиму

I и II - участки дорог соответственно 1-й и 2-й схемы увлажнения рабочего слоя земляного полотна; А - суглинок легкий пылеватый, из которого устроена насыпь. В - супесь легкая, из которой устраивается насыпь на участке уширения дороги; С - суглинок легкий пылеватый под подошвой насыпи; 1, - влажность грунта до промерзания; 2 - влажность грунта в конце зимы.

Рис. 11. Влажность грунтов в холодную и теплую зимы на участках 3-ей схемы увлажнения рабочего слоя земляного полотна I - холодная зима; II - теплая зима; А - суглинок легкий пылеватый, из которого устроена насыпь. В - супесь легкая, из которой устраивается насыпь на участке уширения дороги; С - суглинок легкий пылеватый под подошвой насыпи; 1 - влажность грунта до промерзания; 2 - влажность грунта в конце зимы.

3.3. Прогноз величины пучения грунтов

3.3.1. Расчетные зависимости для определения пучения грунтов

Прогноз пучения грунта проводится по трем расчетным схемам. Первая из них применяется при WмWкp, вторая - при Wм > Wкр >  и третья - при  > Wкр. Под критической влажностью Wкp понимается влажность, при которой воздухоемкость мерзлого грунта равна нулю.

                                                                    (67)

где Wнз - содержание незамерзшей воды в грунте, доли единицы (форм. 40);

 - значение плотности скелета грунта под границей промерзания после оттока воды в мерзлый слой, кг/м3 (форм. 59);

ρгр - плотность частиц грунта, кг/м3;

ρв - плотность воды, кг/м3 (ρв = 1000 кг/м3).

Указанную влажность мерзлого грунта Wм, определяют по форм. (61), а значение влажности грунта  под границей промерзания после оттока воды из талого грунта в мерзлый слой вычисляют по форм. (58).

Как уже отмечалось, величина  не может быть менее оптимальной влажности грунта (Wonm).

Первая расчетная схема характеризует процесс пучения при наличии воздуха в мерзлом грунте в течение всего зимнего периода. В этом случае пучение грунта является результатом расклинивающего действия ледяных прослоек в местах контакта минеральных частиц. Расчет величины пучения (hnyч, см) проводят по формулам:

hnyч = hnyч(0) - hyс(м) - hyс(т);                                                                                  (68)

где hnyч(0) - пучение грунта за счет миграционного льдонакопления, см;

hyс(м) - усадка грунта в пределах мерзлого слоя земляного полотна, см;

hyс(т) - усадка грунта в зимний период в пределах талого слоя земляного полотна, см.

hnyч(0) = 102(zпр(i) - zпр(i-1))[1,09(Wм - ) + 0,09( - Wопт)] /ρв             (69)

где (zпр(i) - zпр(i-1)) - толщина мерзлого слоя грунта, для которого определяют величину пучения, м.

При этом величина пучения по формуле (69) не может быть больше значения:

maxhnyч(0) = 0,09·102(zпр(i) - zпр(i-1))(Wм - Wнз)/ρв,                                       (70)

Значение усадки мерзлого грунта определяют по формуле:

hyс) = 102(zпр(i) - zпр(i-1)) еусад,                                                                             (71)

где еусад - относительная величина усадки грунта по форм. (60).

При промерзании многослойной грунтовой системы определяют значения hnyч(0) и hyс(м) для каждого слоя дорожной конструкции (песчаных грунтов морозозащитного слоя, глинистых грунтов насыпи и грунтов с ненарушенной структурой ниже подошвы насыпи) и суммируют.

В случае уменьшения влажности грунтов, расположенных ниже глубины промерзания за зиму определяют величину hyc(m) и учитывают при прогнозе пучения грунтов. Допускается не учитывать усадку грунта в пределах талого слоя земляного полотна, так как это идет в запас прочности дорожной конструкции.

Вторая расчетная схема характеризует процесс пучения, который последовательно происходит при наличии и отсутствии воздуха в мерзлом грунте. Вначале пучение происходит за счет расклинивающего действия ледяных прослоек в местах контакта грунтовых зерен так же, как и по первой расчетной схеме. После заполнения пор грунта льдом пучение происходит также и за счет расклинивающего действия ледяных прослоек в порах грунта. Величину пучения определяют по форм. (68), При этом значение hnyч(0) вычисляют по формуле:

                             (72)

где  - среднее для слоя земляного полотна значение расхода воды (в м3/с), поступающей из талого грунта в мерзлый слой (форм 62-63);

vпр - скорость промерзания грунта, м/с.

Третья расчетная схема характеризует процесс пучения при отсутствии воздуха в мерзлом грунте до поступления туда воды из слоя под границей промерзания. В этом случае поры грунта полностью заполнены льдом и незамерзшей пленочной водой.

При воздухоемкости грунта, равной нулю, ледяные прослойки оказывают расклинивающее действие не только в местах контакта минеральных частиц, но и в порах между ними. Величину пучения определяют по форм. (68). При этом значение hnyч(0) вычисляют по формуле:

                                                             (73)

По указанным зависимостям проведены расчеты ожидаемой величины пучения грунтов при параметрах водно-теплового режима дорожной конструкции, изложенных в п. 3.2.2-3.2.5.

3.3.2. Результаты расчета пучения грунтов в холодную зиму на участках дороги, относящихся к 1-ой схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна

Исходные данные на участке существующей дорожной конструкции: грунт насыпи - суглинок легкий пылеватый W0 = 16,2 %, Wм = 17,1 %, Wопт = 15,3 %,  = 15,3 %, Wнз = 7,6 %,  = 1769 кг/м3, ρгр = 2690 кг/м3, еусад = 0,03; грунт под подошвой насыпи - суглинок легкий пылеватый W0 = 19,4 %, Wм = 20,3 %, Wопт = 15,3 %,  = 15,3 %, Wнз = 7,6 %,  = 1659 кг/м3, ρгр = 2690 кг/м3, еусад = 0,012; глубина промерзания двухслойного грунта hпp - 1,5 м от низа дорожной одежды.

При указанных исходных данных определяем величину пучения суглинка легкого пылеватого, из которого устроена насыпь на участке существующей дорожной конструкции. Толщина мерзлого слоя грунта - 0,7 м.

По форм. (67) Wкр = 0,184 доли единицы.

При Wм = 0,171 < Wкp = 0,184 расчет пучения грунта проводим по первой расчетной схеме. По форм. (69) hnyч(0) = 2,4 см. По форм. (70) maxhnyч(0) = 1,1 см. Принимаем в расчет hnyч(0) = 1,1 см. По форм. (71) hyс(м) = 0,2 см. По форм. (68) hnyч = 0,9 см.

Далее определяем величину пучения суглинка легкого пылеватого под насыпью на участке существующей дорожной конструкции. Толщина мерзлого слоя грунта - 0,8 м. По форм. (67) Wкp = 0,219 доли единицы. При Wм = 0,203 < Wкp = 0,219 расчет пучения грунта проводим по первой расчетной схеме. По форм. (69) hnyч(0) = 7,2 см. По форм. (70) max hnyч(0) - 1,5 см. Принимаем в расчет hnyч(0) = l,5 см. По форм. (71) hyс(м) - 1,0 см. По форм. (68) hnyч = 0,5 см.

При устройстве морозозащитного (дренирующего) слоя из песка средней крупности с коэффициентом фильтрации более 1 м/сут можно не учитывать величину пучения песка, так как она сравнительно невелика. При таких условиях пучение грунтов под существующей дорожной одеждой составляет 0,9+0,5 = 1,4 см.

Исходные данные на участке вновь сооружаемой дорожной конструкции:

грунт насыпи - супесь легкая W0 =11,0 %, Wм = 11,0 %, Woпm = 10,5 %,  =10,5 %, Wнз = 3,5 %,  = 1910 кг/м3, ρгр = 2660 кг/м3, еусад = 0,00;

грунт под подошвой насыпи - суглинок легкий пылеватый W0 = 19,4 %, Wм = 20,3 %,  = 15,3 %, Wнз = 7,6 %,  = 1659 кг/м3, ρгр = 2690 кг/м3, еусад = 0,012 %; глубина промерзания двухслойного грунта hпр = 1,6 м от низа дорожной одежды.

При указанных исходных данных определяем величину пучения супеси легкой, из которой устраивается насыпь на участке вновь сооружаемой дорожной конструкции. Толщина мерзлого слоя грунта - 0,7 м.

По форм (67) Wкр = 0,139 доли единицы.

При Wм = 0,110 < Wкp = 0,139 расчет пучения грунта проводим по первой расчетной схеме. По форм. (69) hnyч(0) = 0,7 см. По форм. (70) maxhnyч(0) = 0,9 см. Принимаем в расчет hnyч(0) = 0,7 см. По форм. (71) hyс(м) = 0,0 см. По форм. (68) hnyч = 0,7 см.

Далее определяем величину пучения суглинка легкого пылеватого под насыпью на участке вновь сооружаемой дорожной конструкции. Толщина мерзлого слоя грунта - 0,9 м. По форм. (67) Wкp= 0,219 доли единицы. При Wм = 0,203 < Wкp = 0,219 расчет пучения грунта проводим по первой расчетной схеме. По форм. (69) hnyч(0) = 8,1 см. По форм. (70) max hnyч(0) = 1,7 см. Принимаем в расчет hnyч(0) = l,7 см. По форм. (71) hyс(м) = 1,1 см. По форм. (68) hnyч = 0,6 см.

В итоге получаем, что суммарная величина пучения грунтов на участке вновь сооружаемой дорожной конструкции составляет 0,7+0,6 = 1,3 см.

3.3.3. Результаты расчета пучения грунтов в холодную зиму на участках дороги, относящихся ко 2-ой схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна

Исходные данные на участке существующей дорожной конструкции:

грунт насыпи - суглинок легкий пылеватый W0 =17,9 %, Wм = 18,9 %, Woпm = 15,3 %,  = 15,3 %, Wнз = 7,6 %,  = 1740 кг/м3, ρгр = 2690 кг/м3, еусад = 0,007;

грунт под подошвой насыпи - суглинок легкий пылеватый W0 = 19,4 %, Wм = 20,4 %, Woпm = 15,3 %,  = 15,3 %, Wнз = 7,6 %,  = 1659 кг/м3, ρгр = 2690 кг/м3, еусад = 0,012; глубина промерзания двухслойного грунта hпр = 1,4 м от низа дорожной одежды.

При указанных исходных данных определяем величину пучения суглинка легкого пылеватого, из которого устроена насыпь на участке существующей дорожной конструкции. Толщина мерзлого слоя грунта - 0,7 м.

По форм. (67) Wкр = 0,193 доли единицы.

При Wм = 0,189 < Wкp = 0,193 расчет пучения грунта проводим по первой расчетной схеме. По форм. (69) hnyч(0) = 4,8 см. По форм. (70) maxhnyч(0) = 1,2 см. Принимаем в расчет hnyч(0) = 1,2 см. По форм. (71) hyс(м) = 0,5 см. По форм. (68) hnyч = 0,7 см.

Далее определяем величину пучения суглинка легкого пылеватого под насыпью на участке вновь сооружаемой дорожной конструкции. Толщина мерзлого слоя грунта - 0,7 м. По форм. (67) Wкp= 0,219 доли единицы. При Wм = 0,203 < Wкp = 0,219 расчет пучения грунта проводим по первой расчетной схеме. По форм. (69) hnyч(0) = 6,3 см. По форм. (70) max hnyч(0) = 1,3 см. Принимаем в расчет hnyч(0) = 1,3 см. По форм. (71) hyс(м) = 0,8 см. По форм. (68) hnyч = 0,5 см.

В итоге получаем, что суммарная величина пучения грунтов на участке существующей дорожной конструкции составляет 0,7 + 0,5 = 1,2 см.

Исходные данные на участке вновь сооружаемой дорожной конструкции:

грунт насыпи - супесь легкая  W0 = 11,9 %, Wм = 11,9 %, Woпm = 10,5 %,  = 10,5 %, Wнз = 3,5 %,  = 1913 кг/м3, ρгр = 2660 кг/м3, еусад = 0,001;

грунт под подошвой насыпи - суглинок легкий пылеватый W0 = 19,4 %, Wм = 20,4 %, Woпm = 15,3 %,  =15,3 %, Wнз = 7,6 %,  = 1659 кг/м3, ρгр = 2690 кг/м3, еусад = 0,012; глубина промерзания двухслойного грунта hпр = 1,5 м от низа дорожной одежды.

При указанных исходных данных определяем величину пучения супеси легкой, из которой устраивается насыпь на участке вновь сооружаемой дорожной конструкции. Толщина мерзлого слоя грунта - 0,7 м.

По форм (67) Wкр = 0,138 доли единицы.

При Wм = 0,119 < Wкp = 0,138 расчет пучения грунта проводим по первой расчетной схеме. По форм. (69) hnyч(0) = 2,0 см. По форм. (70) maxhnyч(0) = 1,0 см. Принимаем в расчет hnyч(0) = 1,0 см. По форм. (71) hyс(м) = 0,1 см. По форм. (68) hnyч = 0,9 см.

Далее определяем величину пучения суглинка легкого пылеватого под насыпью на участке вновь сооружаемой дорожной конструкции. Толщина мерзлого слоя грунта - 0,8 м. По форм. (67) Wкp = 0,219 доли единицы. При Wм = 0,203 < Wкp = 0,219 расчет пучения грунта проводим по первой расчетной схеме. По форм. (69) hnyч(0) = 7,2 см. По форм. (70) max hnyч(0) = 1,5 см. Принимаем в расчет hnyч(0) = 1,5 см. По форм. (71) hyс(м) = 1,0 см. По форм. (68) hnyч = 0,5 см.

В итоге получаем, что суммарная величина пучения грунтов на участке существующей дорожной конструкции составляет 0,9 + 0,5 = 1,4 см.

3.3.4. Результаты расчета пучения грунтов в холодную зиму на участках дороги, относящихся к 3-ей схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна

Исходные данные на участке существующей дорожной конструкции:

грунт насыпи - суглинок легкий пылеватый W0 = 17,9 %, Wм = 18,9 %, Woпm = 15,3 %,  = 15,3 %, Wнз = 7,6 %,  = 1740 кг/м3, ρгр = 2690 кг/м3, еусад = 0,007;

грунт под подошвой насыпи - суглинок легкий пылеватый W0 = 19,4 %, Wм = 27,3 %,  = 18,8 %, Wнз = 7,6 %,  = 1659 кг/м3, ρгр = 2690 кг/м3, еусад = 0,012;  = 1,96·10-8 м3/с; глубина залегания подземных вод = 1,7 м от низа дорожной одежды, глубина промерзания двухслойного грунта - 1,4 м от низа дорожной одежды; средняя скорость промерзания грунта - 0,012 м/сут.

При указанных исходных данных определяем величину пучения суглинка легкого пылеватого, из которого устроена насыпь на участке существующей дорожной конструкции. Толщина мерзлого слоя грунта - 0,7 м.

При указанных исходных данных определяем величину пучения суглинка легкого пылеватого, из которого устроена насыпь на участке существующей дорожной конструкции. Толщина мерзлого слоя грунта - 0,7 м.

По форм. (67) Wкр = 0,193 доли единицы.

При Wм = 0,189 < Wкp = 0,193 расчет пучения грунта проводим по первой расчетной схеме. По форм. (69) hnyч(0) = 4,8 см. По форм. (70) maxhnyч(0) = 1,2 см. Принимаем в расчет hnyч(0) = 1,2 см. По форм. (71) hyс(м) = 0,5 см. По форм. (68) hnyч = 0,7 см.

Далее определяем величину пучения суглинка легкого пылеватого под насыпью на участке вновь сооружаемой дорожной конструкции. Толщина мерзлого слоя грунта - 0,7 м. По форм. (67) Wкp = 0,219 доли единицы. При Wм = 0,203 < Wкp = 0,219 расчет пучения грунта проводим по второй расчетной схеме. По форм. (72)

По форм. (71) hyс(м) = 0,1 см. По форм. (68) hnyч = 6,7 см.

Исходные данные на участке существующей дорожной конструкции:

грунт насыпи – супесь легкая W0 = 11,9 %, Wм = 11,9 %, Woпm = 10,5 %,  = 10,5 %, Wнз = 3,5 %,  = 1913 кг/м3, ρгр = 2660 кг/м3, еусад = 0,001;

грунт под подошвой насыпи - суглинок легкий пылеватый W0 = 19,4 %, Wм = 27,9 %,  = 18,8 %, Wнз = 7,6 %,  = 1659 кг/м3, ρгр = 2690 кг/м3, еусад = 0,002;  = 2,10·10-8 м3/с; глубина залегания подземных вод = 1,7 м от низа дорожной одежды, глубина промерзания двухслойного грунта - 1,5 м от низа дорожной одежды; средняя скорость промерзания грунта - 0,012 м/сут.

При указанных исходных данных величина пучения супеси легкой равна 0,9 см. Далее определяем величину пучения суглинка легкого пылеватого под насыпью на участке вновь сооружаемой дорожной конструкции. Толщина мерзлого слоя грунта - 0,8 м. По форм. (72) hnyч(0) = 8,8 см. По форм. (71) hyс(м) = 0,2 см. По форм. (68) hnyч = 8,6 см.

Проведенные расчеты показали, что суммарная величина пучения грунтов на участке существующей дорожной конструкции равна 0,7+6,7 = 7,4 см, а на участке вновь сооружаемой дорожной конструкции - 0,9+8,6 = 9,5 см.

Указанные расчеты проведены без учета массопереноса. Следующим этапом расчета является учет этого процесса.

Для этого предварительно определяют:

относительную величину пучения грунта в отдельных слоях земляного полотна:

еnyчhnyч/(zпр(i) - zпр(i-1));                                                                                    (74)

коэффициент уплотнения грунта в конце зимы в отдельных слоях земляного полотна:

Ку(з) = Ку(ос)/(1 + еnyч);                                                                                        (75)

где Ку(ос) - коэффициент уплотнения грунта перед промерзанием;

среднее значение коэффициента уплотнения грунта в зимний период в отдельных слоях земляного полотна:

Ку(з)ср = (Ку(ос) + Ку(з)/2;                                                                                      (76)

среднее значение влажности грунта в зимний период в отдельных слоях земляного полотна:

Wз(ср) = (W0 + Wм)/2;                                                                                          (77)

коэффициент теплопроводности мерзлого грунта в отдельных слоях земляного полотна по табл. 31 при плотности скелета грунта Ку(з)ср×ρск(max) и влажности Wз(ср).

средневзвешенное значение коэффициента теплопроводности рассматриваемых двухслойных грунтов;

количество замерзшей воды в отдельных слоях земляного полотна по форм. (41) при плотности скелета грунта Ку(з)ср×ρск(max)  и влажности Wз(ср);

средневзвешенное значение количества замерзшей воды в двухслойных грунтах;

параметры температурного поля Апр, Впр для определения глубины промерзания земляного полотна по номограмме на рис. (5) при средневзвешенном значении количества замерзшей воды в двухслойных грунтах;

глубину промерзания земляного полотна по форм. (42);

среднюю скорость промерзания земляного полотна по форм. (45);

величины Wм и hny, при уточненных значениях глубины и скорости промерзания земляного полотна.

Проведем учет массопереноса в грунтах на участке существующей дорожной конструкции. Для суглинка легкого пылеватого, из которого устроена насыпь, имеем: по форм. (74) епуч, = 0,01; по форм. (75) Ку(з) = 0,95; по форм. (76) Ку(з)ср = 0,955; по форм. (77) Wз(ср) = 18,4 %; по табл. (31) λгр(м) = 1,60 Вт/(м·К) при плотности скелета грунта 0,955·1800 = 1720 кг/м3 и влажности 18,4 %; по форм. (41) iзm = 0,185 доли единицы при плотности скелета грунта 1720 кг/м3 и влажности 18,4 %.

Для суглинка легкого пылеватого под подошвой насыпи имеем: по форм. (74) епуч = 0,10; по форм. (75) Ку(з) = 0,84; по форм. (76) Ку(з)ср = 0,88; по форм. (77) Wз(ср) = 23,4 %; по табл. (31) λгр(м) = 1,61 Вт/(м·К) при плотности скелета грунта 0,88·1800 = 1585 кг/м3 и влажности 23,4 %; по форм. (41) iзm = 0,250 доли единицы при плотности скелета грунта 1585 кг/м3 и влажности 23,4 %.

Средневзвешенное значение коэффициента теплопроводности рассматриваемых двухслойных грунтов равно:

Средневзвешенное значение количества замерзшей воды в двухслойных грунтах равно:

 доли единицы

По номограмме на рис. 5 определяем значение параметров Апр, Впр при iзм = 0,22 доли единицы. Они оказались равными Апр = 0,57 и Впр = 2,2.

По форм. (42) определяем глубину промерзания земляного полотна

hnр = 0,8·7,5·0,99·0,57·2,2·1,61 = 1,20 м.

По форм. (45) определяем среднюю скорость промерзания земляного полотна

vпp = 1,20/(145 - 25) = 0,01 м/сут.

Для слоя суглинка легкого пылеватого толщиной 1,2-0,7=0,5 м под существующей насыпью определяем величину расхода собственно капиллярной воды, которая может поступить в этот слой. Расчет проводим по форм. (53) при иI = 0, иII = 0, иIII = 0, иIV = 0. В эту формулу входит значение z2 равное расстоянию от середины мерзлого слоя грунта до горизонта грунтовых вод или верховодки. В рассматриваемом случае z2 = 1,0 - 0,5/2 = 0,75 м

Для того же слоя определяем среднее по высоте значение влажности мерзлого грунта. Расчет проводим по форм. (58)-(62). При этом среднее для слоя земляного полотна значение расхода пленочной воды, поступающей из талого грунта в мерзлой, принимают равным:

 =  при  = W0

 =  при  < W0

 определяют по форм. (63) при  = Wonm

По форм. (58)

 доли единицы.

По форм. (60) еусад = 0,008

По форм. (59)  = 1670 кг/м3.

По форм. (61)

доли единицы.

Далее определяем величину пучения суглинка легкого пылеватого под насыпью на участке существующей дорожной конструкции. Толщина мерзлого слоя грунта 0,5 м. По форм. (67) Wкр = 0,219 доли единицы. При Wм =  0,245 > Wкр = 0,219 расчет пучения грунта проводим по второй расчетной схеме. По форм. (72)

По форм. (71) hуc(м)=0,4 см.

По форм. (68) hпуч=1,9 см.

В итоге получаем, что суммарная величина пучения грунтов на участке существующей дорожной конструкции составляет 0,7 + 1,9 = 2,6 см.

Для суглинка легкого пылеватого под подошвой существующей насыпи представлены в табл. (39) значения его влажности и пучения, полученные без учета процесса массопереноса и с учетом этого процесса.

Таблица 39

Влажность грунта перед примерзанием, W0 %

Влажность мерзлого грунта в конце зимы, Wм, %

Величина пучения грунта за зиму, hпуч, см

19,4

27,3

24,5

6,7

1,9

Примечание. В числителе указаны значения влажности грунта и его пучения, полученные без учета процесса массопереноса, в знаменателе - при учете этого процесса.

Как следует из табл. (39) результаты расчета Wм и hnyч, полученные без учета и с учетом процесса массопереноса могут существенно отличаться друг от друга. При этом чем больше поступает воды в мерзлый слой грунта в зимний период, тем больше эти различия. Допускается не учитывать процесс  массопереноса при прогнозе значений Wм и hnyч на участках дороги, относящихся к 1-ой и 2-ой схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна.

С учетом изложенного составлена табл. (40), в которой представлены значения влажности и пучения грунтов при различных схемах увлажнения рабочего слоя земляного полотна.

Таблица 40

Существующая дорожная конструкция

Вновь сооружаемая дорожная конструкция

Грунт

W0/WL

Wm/WL

hпуч, см

Грунт

W0/WL

Wm/WL

hпуч, см

1-я схема увлажнения рабочего слоя земляного полотна

Суглинок насыпи

0,6

0,63

0,9

Супесь насыпи

0,61

0,61

0,7

Суглинок под насыпью

0,72

0,75

0,5

Суглинок под насыпью

0,72

0,75

0,6

Итого

1,4

Итого

1,3

2-я схема увлажнения рабочего слоя земляного полотна

Суглинок насыпи

0,66

0,70

0,7

Супесь насыпи

0,66

0,66

0,9

Суглинок под насыпью

0,72

0,76

0,5

Суглинок под насыпью

0,72

0,76

0,5

Итого

1,2

Итого

1,4

3-я схема увлажнения рабочего слоя земляного полотна

Суглинок насыпи

0,66

0,70

0,7

Супесь насыпи

0,66

0,66

0,9

Суглинок под насыпью

0,72

0,91

1,9

Суглинок под насыпью

0,72

0,91

2,0

Итого

2,6

Итого

2,9

Примечания: 1. Значения влажности грунта и его пучения, приведенные в таблице, получены для дорожной конструкции на участке уширения дороги типа А-10 (см. табл. 1 и 2), расположенной в районе под номером 2 (табл. 8) на участке прохождения изолинии климатических параметров под номером V (карта на рис. 2). 2. Глубина залегания подземных вод от низа дорожной одежды составляет 1,7 м. 3. Принятые обозначения: W0 - влажность перед промерзанием, Wм - влажность мерзлого грунта в конце зимы, WL - влажность грунта на границе текучести, hnyч - величина пучения грунта.

Указанное положение подземных вод относится к верховодке. При том же положении грунтовых вод величина пучения будет меньше. Дело в том, что грунтовые воды в отличие от верховодки не замерзают в районах с сезонным промерзанием грунтов (см. карту на рис. 2). Температура воды всегда положительна. Грунтовые воды являются дополнительным источником тепла, в результате чего уменьшается глубина промерзания земляного полотна. Влияние грунтовых вод на температуру грунта можно учесть, введя поправочный коэффициент к величине Roд(mах) в табл. 29.

Таблица 41

Разность Нз(ср)-hпр, м

Поправочный коэффициент к Roд(mах) при отношении Roд/Roд(mах)

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,2

0,3

0,65

0,8

0,85

0,90

0,95

1,0

0,4

0,55

0,75

0,85

0,90

0,95

1,0

 

0,6

0,75

0,85

0,90

0,95

1,0

 

 

0,8

0,85

0,90

0,95

1,0

 

 

 

1,0

0,90

0,95

1,0

 

 

 

 

1,2

0,95

1,0

 

 

 

 

 

1,4

1,0

 

 

 

 

 

 

Примечания. Нз(ср) - среднее положение горизонта грунтовых вод от низа дорожной одежды в зимний период; hпp - глубина промерзания от низа дорожной одежды при отсутствии грунтовых вод.

Согласно изложенному Roд(mах) = 2,20 м2 К/вт, Roд = 0,51 м2 К/вт, Нз(ср) = 1,7 м, hпр =1,20 м для существующей дорожной конструкции. При Нз(ср) - hпp = 1,7 - 1,2 = 0,5 м и Roд(mах)/Roд =  = 0,23 поправочный коэффициент равен 0,82.

Принимаем в расчет значение Roд(mах) = 0,82·2,20 = 1,8 м2 К/вт вместо табличного значения (табл. 29) равного 2,20 м2 К/вт.

4. Влажность и плотность грунтов в весенний период и влияние на их величину дренирующего слоя дорожной одежды

4.1. Расчетные зависимости для определения влажности и плотности грунтов в весенний период

Значения плотности и влажности слоя грунта определяют на момент его оттаивания в начале весны и после осадки грунта в конце весны. Процесс осадки может сопровождаться отжатием воды из грунта. Такое явление происходит в том случае, когда влажность грунта в зимний период Wм > Wкр и имеется дренирующий слой в дорожной конструкции для приема отжимаемой воды.

Значения коэффициента уплотнения грунта (Ку{в)) и влажности грунта (Wв) устанавливают для двух расчетных случаев.

Первый случай имеет место при Wм > Wкp. В этом случае влажность грунта в начале весны равна Wм, а коэффициент уплотнения грунта равен:

                                                                           (78)

При наличии дренирующего слоя влажность грунта уменьшается, а плотность увеличивается по мере отжатия воды в этот слой. В конце весны коэффициент уплотнения грунта равен

                                                                                     (79)

где еосад - относительная величина осадки грунта. Влажность грунта в конце весны равна капиллярной влагоемкости при Ку(в) по форм. (79)

При отсутствии дренирующего слоя Wв = Wм и коэффициент Ку(в) равен величине по форм. (78) в течение всего весеннего периода.

Второй расчетный случай имеет место при WмWкр. В этом случае коэффициент уплотнения грунта в начале весны равен Ку(з), а влажность грунта равна капиллярной влагоемкости при Ку(з). Значение этой влажности не может быть меньше Wм. В конце весны коэффициент уплотнения грунта равен величине по форм. (79), а влажность грунта равна капиллярной влагоемкости при Ку(в) по форм. (79). Влажность грунта в конце весны не может быть менее величины

                                                                                                 (80)

Даты начала и конца весны и продолжительность весеннего периода приведены в табл. 44.

Величину осадки устанавливают следующим образом. Вначале определяют по графику на рис. (12) минимальное значение коэффициента уплотнения груша после его осадки (Ку(тin), которое можно ожидать при многократном промерзании-оттаивании. Указанный коэффициент определяют в зависимости от коэффициента уплотнения грунта при постройке дороги (Ку(о)) и давлении на грунт (Р, кПа) от веса дорожной одежды и вышележащих слоев грунта. При этом для верхнего слоя грунта включают в расчет давление от веса дорожной одежды; для нижнего слоя - давление от веса дорожной одежды плюс давление от веса верхнего слоя грунта.

Для грунта с ненарушенной структурой включают в расчет значение коэффициента Ку(о) равного ρск(о)ск(max), где ρск(о) - плотность скелета грунта с ненарушенной структурой по данным обследованием дороги. Затем определяют по графику на рис. (13) отношение hocад/hпуч, откуда определяют величину осадки грунта (hocад, см) при известном значении пучения грунта (hпуч, см). После чего вычисляют относительную величину осадки грунта.

 = hocад/(zпр(i) - zпр(i-1))                                                                                  (81)

где (zпр(i) - zпр(i-1)) - толщина мерзлого слоя грунта, для которого определяют осадку грунта после его оттаивания, м.

Рис. 12. Графики для определения минимального значения коэффициента уплотнения грунта после осадки:

а - мелкий песок; б - пылеватый песок; в - супесь; г - легкий суглинок; д - тяжелый суглинок; е - глина

Рис. 13. График для определения осадки грунта при оттаивании в расчетном году.

4.2. Результаты расчета влажности и плотности грунтов в весенний период на участках дороги, относящихся к 1-ой схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна

Исходные данные на участке существующей дорожной конструкции: грунт насыпи - суглинок легкий пылеватый Wм = 17,1 %, Wкр = 18,4 %, ρск(max) = 1800 кг/м3, ρгр = 2690 кг/м3, Ку(о) = 0,98, Ку(з) = 0,97, hпуч = 0,9 см, (zпр(i) - zпр(i-1)) = 0,7 м, Р = 16,1 кПа.

грунт под подошвой насыпи - суглинок легкий пылеватый Wм = 20,3 %, Wкр = 21,9 %, ρск(max) = 1800 кг/м3, ρгр = 2690 кг/м3, Ку(о) = 0,92, Ку(з) = 0,91, hпуч = 0,5 см, (zпр(i) - zпр(i-1)) = 0,8 м, Р = 30,1 кПа.

При указанных исходных данных определяем плотность и влажность суглинка легкого пылеватого, из которого устроена насыпь на участке существующей дорожной конструкции.

При Wм = 17,1 % < Wкр = 18,4 % искомые величины в начале весны равны: Ку(в) = Ку(з) = 0,97, Wв = Wкв 17,6 % табл. (4). Полученная величина влажности больше Wм = 17,1 %, поэтому она является искомой.

Для определения искомых величин в конце весны предварительно устанавливаем величину еосад. По рис. (12) Ky(mln) = 0,96 при Ky(о) = 0,98 % и Р = 16,1 кПа. По рис. (13) hocад/hпуч = 0,92 при Ky(o) = 0,9 % и Ky(min) = 0,96, откуда hocад = 0,92·0,9 = 0,8 см. По форм. (81) еосад = 0,8/(0,7·100) = 0,01. Подставляя это значение в форм. (79), определяем величину коэффициента уплотнения грунта после его осадки.

Ку(в) = 0,97/(1-0,01) = 0,98.

При Ку(в) = 0,9 % значение капиллярной влагоемкости составляет по табл. 4 - 17,2 %. В этом случае значение влажности грунта в конце весны равно: Wв = Wкв = 17,2 %. Полученное значение Wв = 17,2 % больше величины по форм. (80), равной , поэтому она является искомой.

Представленные расчеты показали, что влажность указанного грунта равна в начале весны 17,6 % (Wв/WL = 0,65), а в конце весны - 17,2 % (Wв/WL = 0,64). Значения коэффициента уплотнения грунта соответственно равны 0,97 и 0,98.

Далее определяем плотность и влажность суглинка легкого пылеватого под подошвой насыпи на участке существующей дорожной конструкции. При Wм = 20,3 % < Wкр = 21,9 % искомые величины в начале весны равны: Ку(в) = Ку(з) = 0,91, Wв = Wм = 19,9 % табл. (4). Полученная величина влажности меньше Wм = 20,3 %, поэтому в расчет принимаем Wв = Wм = 20,3 %. Для определения искомых величин в конце весны предварительно устанавливаем величину еосад. По рис. (12) Ку(тin) = 0,92 при Ку(о) = 0,92 и Р = 30,1 кПа. По рис. (13) hосад/hпуч=1,0 при Ку(0)=0,92 и Ку(min)=0,92. Откуда hосад=1,0×0,5=0,5 см. По форм. (81) еосад=0,5(0,8×100)=0,006. Подставляя это значение в форм. (79), определяем величину коэффициента уплотнения грунта после его осадки:

Ку(в) = 0,91/(1-0,006) = 0,92.

При Ky(в) = 0,92 значение капиллярной влагоемкости составляет по табл. 4 - 19,4 %. В этом случае значение влажности грунта в конце весны равно: Wв = Wкв = 19,4 %. Полученное значение Wв = 19,4 % меньше величины по форм. (80) , поэтому значение влажности грунта в конце весны принимаем равной 20,1 %.

Представленные расчеты показали, что влажность указанного грунта равна в начале весны величине 20,3 % (Wв/WL = 0,75), а в конце весны 20,1 % (Wв/WL = 0,74). Значения коэффициента уплотнения грунта соответственно равны 0,91 и 0,92.

Исходные данные на участке вновь сооружаемой дорожной конструкции: грунт насыпи - супесь легкая Wм = 11,0 %, Wкp = 13,9 %, ρск(max) = 1950 кг/м3, ρгр = 2660 кг/м3, Ку(о)= 0,98, Ку(з) = 0,97, hпуч = 0,7 см, (zпр(i) - zпр(i-1)) = 0,7 м, Р = 16,1 кПа;

грунт под подошвой насыпи - суглинок легкий пылеватый Wм = 20,3 %, Wкp = 21,9 %, ρск(max) = 1800 кг/м3, ρгр = 2690 кг/м3, Ку(о)= 0,92, Ку(з) = 0,91, hпуч = 0,6 см, (zпр(i) - zпр(i-1)) = 0,9 м, Р = 30,7 кПа;

При указанных исходных данных определяем плотность и влажность супеси легкой, из которой будет устраиваться насыпь на участке вновь сооружаемой дорожной конструкции.

При Wм = 11,0 % < Wкp = 13,9 % искомые величины, которые можно ожидать в начале весны, равны: Ку(в) = Ку(з) = 0,97, Wв = Wкв = 2,2 % табл. (4). Полученная величина влажности больше Wм = 11,0 %, поэтому она является искомой. Для определения искомых величин, которые можно ожидать в конце весны, предварительно устанавливаем значение еосад. По рис. (12) Ky(mln) = 0,98 при Ky(о) = 0,98 % и Р = 16,1 кПа. По рис. (13) hocад/hпуч = 1,0 при Ky(o) = 0,98 и Ky(min) = 0,98, откуда hocад = 1,0·0,7 = 0,7 см. По форм. (81) еосад = 0,7/(0,7·100) = 0,01. Подставляя это значение в форм. (79), определяем коэффициент уплотнения грунта после его осадки:

Ку(в) = 0,97/(1-0,01) = 0,98.

При Ку(в) = 0,98 значение капиллярной влагоемкости составляет по табл. 4 = 11,9 %. В этом случае значение влажности грунта в конце весны равно: Wв = Wкв = 11,9 %. Полученное значение Wв = 11,9 % больше величины по форм. (80), равной , поэтому она является искомой.

Представленные расчеты показали, что влажность указанного грунта равна в начале весны 12,2 % (Wв/WL = 0,66), а в конце весны - 11,9 % (Wв/WL =0,66). Значения коэффициента уплотнения грунта соответственно равны 0,97 и 0,98.

Далее определяем плотность и влажность суглинка легкого пылеватого под подошвой насыпи на участке вновь сооружаемой дорожной конструкции.

Искомые величины те же, что и на участке существующей дорожной конструкции, а именно: Wв = 20,3 % (Wв/WL = 0,75), Ky(в) = 0,91 в начале весны и Wв = 20,1 % (Wв/WL = 0,74), Ky(в) = 0,92 в конце весны.

4.3. Результаты расчета влажности и плотности грунтов в весенний период на участках дороги, относящихся ко 2-ой схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна.

Исходные данные на участке существующей дорожной конструкции: грунт насыпи - суглинок легкий пылеватый Wм = 18,9 %, Wкp = 19,3 %, ρск(max) = 1800 кг/м3, ρгр = 2690 кг/м3, Ку(о)= 0,98, Ку(з) = 0,95, hпуч = 0,7 см, (zпр(i) - zпр(i-1)) = 0,7 м, Р = 16,1 кПа;

Грунт под подошвой насыпи - суглинок легкий пылеватый Wм = 20,4 %, Wкр = 21,9 %, ρск(max) = 1800 кг/м3, ρгр = 2690 кг/м3, Ку(о) = 0,92, Ку(з) = 0,91, hпуч = 0,5 см, (zпр(i) - zпр(i-1)) = 0,7 м, Р = 30,1 кПа.

При указанных исходных данных определяем плотность и влажность суглинка легкого пылеватого, из которого устроена насыпь на участке существующей дорожной конструкции.

При Wм = 18,9 % < Wкp- = 19,3 % искомые величины, которые можно ожидать в начале весны, равны: Ку(в) = Ку(з) = 0,95, Wв = Wкв = 18,3 % табл. (4). Полученная величина влажности меньше Wм = 18,9 %. Поэтому в качестве расчетной принимаем величину Wв = Wкв = 18,9 %.

Для определения искомых величин в конце весны предварительно устанавливаем величину еосад. По рис. (12) Ку(тin = 0,96 при Ку(о) = 0,98 и Р = 16,1 кПа. По рис. (13) hocад/hпуч  = 0,92 при Ку(о) = 0,98 % и Ky(min} = 0,96. Откуда hocад = 0,92·0,7 = 0,6 см. По форм. (81) еосад = 0,01. Подставляя это значение в форм. (79), определяем величину коэффициента уплотнения грунта после его осадки:

Ку(в) = 0,95/(1-0,01) = 0,96.

При Ку(в) = 0,96 значение капиллярной влагоемкосги составляет по табл. 4 - 17,9 %. В этом случае значение влажности грунта в конце весны равно: Wв = Wкв = 17,9 %. Полученное значение Wв = 17,9 % меньше величины по форм. (80) равной . Поэтому в качестве расчетной влажности принимаем величину Wв = 18,7 %.

Представленные расчеты показали, что влажность указанного грунта равна в начале весны 18,9 % (Wв/WL = 0,70), а в конце весны - 18,7 % (Wв/WL = 0,69), а значения коэффициента уплотнения грунта соответственно равны 0,95 и 0,96.

Аналогично изложенному в п. 4.2. определяем плотность и влажность суглинка легкого пылеватого под подошвой насыпи на участке существующей дорожной конструкции. Результаты расчета следующие: Ку(в) =0,91, Wв =20,4 % (Wв/WL = 0,76) в начале весны и Wв = 20,1 % (Wв/WL = 0,74), Ку(в) = 0,92 в конце весны.

Исходные данные на участке, вновь сооружаемой дорожной конструкции: грунт насыпи - супесь легкая Wм = 11,9 %, Wкp = 13,8 %, ρск(max) = 1950 кг/м3, ρгр = 2660 кг/м3, Ку(о)= 0,98, Ку(з) = 0,97, hпуч = 0,9 см, (zпр(i) - zпр(i-1)) = 0,7 м, Р = 16,1 кПа;

грунт под подошвой насыпи - суглинок легкий пылеватый Wм = 20,4 %, Wкp = 21,9 %, ρск(max) = 1800 кг/м3, ρгр = 2690 кг/м3, Ку(о)= 0,92, Ку(з) = 0,91, hпуч = 0,5 см, (zпр(i) - zпр(i-1)) = 0,8 м, Р = 30,8 кПа;

При указанных исходных данных результаты расчета для супеси легкой, из которой будет устраиваться насыпь:

Ку(в) = 0,97, Wв =12,2 % (Wв/WL = 0,68) в начале весны и Ку(в) = 0,98, Wв = 11,9 % (Wв/WL = 0,66) в конце весны. Результаты расчета для суглинка легкого пылеватого под подошвой насыпи:

Ky(в) = 0,91, Wв = 20,4 % (Wв/WL = 0,76) в начале весны и Ку(в) = 0,92, Wв = 20,1 % (Wв/WL = 0,74) в конце весны.

4.4. Результаты расчета влажности и плотности грунтов в весенний период на участках дороги, относящихся к 3-ей схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна.

Исходные данные на участке существующей дорожной конструкции: грунт насыпи - суглинок легкий пылеватый Wм = 18,9 %, Wкp = 19,3 %, ρск(max) = 1800 кг/м3, ρгр = 2690 кг/м3, Ку(о)= 0,98, Ку(з) = 0,95, hпуч = 0,7 см, (zпр(i) - zпр(i-1)) = 0,7 м, Р = 16,1 кПа;

грунт под подошвой насыпи - суглинок легкий пылеватый Wм = 24,6 %, Wкp = 21,9 %, ρск(max) = 1800 кг/м3, ρгр = 2690 кг/м3, Ку(о) = 0,92, Ку(з) = 0,89, hпуч = 1,9 см, (zпр(i) - zпр(i-1)) = 0,5 м, Р = 30,1 кПа;

При указанных исходных данных определяем плотность и влажность суглинка легкого пылеватого, из которого устроена насыпь на участке существующей дорожной конструкции. Полученные значения Wв, Ку(в) те же, что и в п. 4.3.

Далее определяем плотность и влажность суглинка легкого пылеватого под подошвой насыпи на участке существующей дорожной конструкции.

Ввиду того, что Wм = 24,6 % > Wкp = 21,9 % вычисляем значение Ку(в) которое можно ожидать в начале весны, по форм. (78).

Влажность грунта в начале иесны равна Wв = Wм =24,6 %.

Ожидаемые величины Ку(в) и Wв в конце весны определяем при отсутствии и наличии дренирующего слоя в дорожной одежде. При отсутствии дренирующего слоя имеем: Ку(в) = 0,90 и Wв = 24,6 %. При наличии дренирующего слоя влажность и плотность грунта определяем следующим образом. По рис. (12) устанавливаем, что Ку(тin) = 0,92 при Ку(о) = 0,92 и Р = 30,1 кПа. По рис. (13) hocад/hпуч = 1,0 при Ку(о) =0,92 и Ку(тin) =0,92, откуда hocad  = 1,9см. По форм. (81)

По форм. (79) Ку(в) = 0,90/(1-0,038) = 0,92

При полученном значении Ку(в) = 0,92 величина капиллярной влагоемкости Wкв = 19,4 % (табл. 4).

Согласно изложенному, указанное значение влажности является искомой величиной Wв = Wм = 19,4 %. Аналогично определяем влажность и плотность супеси легкой, из которой будет устраиваться насыпь и суглинка легкого пылеватого под подошвой насыпи на участке вновь сооружаемой дорожной конструкции. Результаты расчета представлены в сводной табл. 42.

Таблица 42

Существующая дорожная конструкция

Вновь сооружаемая дорожная конструкция

Грунт

Влажность грунта, Wв/Wl

Коэффициент уплотнения грунта, Ку(в)

Грунт

Влажность грунта, Wв/Wl

Коэффициент уплотнения грунта, Ку(в)

в начале весны

в конце весны

в начале весны

в конце весны

в начале весны

в конце весны

в начале весны

в конце весны

1-я схема увлажнения рабочего слоя земляного полотна

Суглинок насыпи

0,65

0,64

0,97

0,98

Супесь насыпи

0,68

0,66

0,97

0,98

Суглинок под насыпью

0,75

0,74

0,91

0,92

Суглинок под насыпью

0,75

0,74

0,91

0,92

2-я схема увлажнения рабочего слоя земляного полотна

Суглинок насыпи

0,70

0,69

0,95

0,96

Супесь насыпи

0,68

0,66

0,97

0,98

Суглинок под насыпью

0,76

0,74

0,91

0,92

Суглинок под насыпью

0,76

0,74

0,91

0,92

3-я схема увлажнения рабочего слоя земляного полотна

Суглинок насыпи

0,70

0,69

0,95

0,96

Супесь насыпи

0,68

0,66

0,97

0,98

Суглинок под насыпью

0,91

0,91

0,72

0,90

0,90

0,92

Суглинок под насыпью

0,91

0,91

0,72

0,90

0,90

0,92

Примечание: В знаменателе приведены значения влажности и коэффициента уплотнения грунтов, которые можно ожидать в случае Wм > Wкp и наличия дренирующего слоя в дорожной одежде.

5. Особенности прогноза значений влажности и плотности грунтов и их пучения в районе сопряжения существующей и вновь сооружаемой дорожной конструкции

5.1. Расчетная схема определения влажности, плотности и пучения грунтов

Вначале устанавливают значения глубин промерзания грунтов в районе сопряжения существующей и вновь сооружаемой дорожной конструкции. На рис. (14) представлены две расчетные схемы промерзания грунтов. Первая расчетная схема, обозначенная буквой «А», применяется при  < , где  и  - глубины промерзания грунтов в центральной части земляного полотна соответственно на участке существующей дорожной конструкции и на участке уширения дороги. Вторая расчетная схема, обозначенная буквой «В», применяется при  > .

Показанные на рис. (14) величины со знаком один штрих относятся к существующей дорожной конструкции; величины со знаком два штриха - к вновь сооружаемой дорожной конструкции.

По первой расчетной схеме искомой величиной является расстояние , на которое может промерзнуть грунт под существующей дорожной одеждой со стороны уширения земляного полотна.

Расчет проводят в два этапа. На первом этапе принимают, что  =  -  и при этой величине определяют средневзвешенные значения iзm и λгр(м) по пути промерзания земляного полотна.

При  >  и  ≤  искомые величины равны:

                (82)

                          (83)

При  >  и  >  искомые величины равны:

      (84)

                   (85)

где ,  - значения коэффициентов теплопроводности мерзлого грунта соответственно в верхнем и нижнем слое земляного полотна в центральной части существующей дорожной конструкции, Вт/(м2К);

,  - то же на участке уширения дороги;

,  - количество замерзшей воды соответственно в верхнем и нижнем слое земляного полотна в центральной части существующей дорожной конструкции, доли единицы;

,  - то же на участке уширения дороги;

,  - толщина верхнего слоя земляного полотна (насыпи) соответственно под существующей дорожной одеждой и на участке уширения дороги, м.

При полученных значениях iзm и λгр(м) и  вычисляют по форм. (42) глубину промерзания hпр. В данном случае hпр = , откуда определяют значение . На втором этапе вводят в расчет по форм. (82-85) значение , полученное на первом этапе, и вновь вычисляют по форм. (42) суммарную величину  при , откуда определяют уточненное значение ,. При  -  =  -  величина  = 0.

По второй расчетной схеме искомой величиной является расстояние , на которое может промерзнуть грунт на участке уширения земляного полотна со стороны существующей дорожной конструкции. Расчет проводят в два этапа. На первом этапе принимают, что  =  -  и при этой величине определят средневзвешенные значения iзm и λгр(м) по пути промерзания земляного полотна.

При  >  и  ≤  искомые величины равны:

                (86)

                          (87)

При  >  и  >  искомые величины равны:

      (88)

                   (89)

При полученных значениях iзm и λгр(м) и  вычисляют по форм. (42) суммарную величину ( +  -  + ), откуда определяют значение .

На втором этапе вводят в расчет по форм. (86-89) значение , полученное на первом этапе, и вновь вычисляют по форм. (42) суммарную величину ( +  -  + ), откуда определяют уточненное значение .

При  -  =  -  величина  = 0. Затем устанавливают значения плотности, влажности и пучения грунтов согласно изложенному в п.п. 3.2.1 и 3.3.1. В точках 1I и 1II на рис. (14) искомые значения равны соответствующим величинам в центральной части земляного полотна. Расчет искомых величин в точке 21 на рис. (14) имеет особенности, которые заключаются в следующем. В расчет включают значения Z1, Z2, hпр, vпр равные величинам на соседнем примыкающем участке земляного полотна, на котором  > . Аналогичные особенности имеет расчет искомых величин в точке 2II на рис. (14). Расчет значений плотности и влажности грунтов, которые можно ожидать в весенний период в местах контакта старой и новой дорожной конструкции, проводят согласно изложенному в п. 4.1.

Рис. 14. Расчетная схема промерзания грунта по ширине проезжей части в районе сопряжения существующей и вновь сооружаемой дорожной конструкции.

5.2. Результаты расчета влажности и плотности грунтов и их пучения

Прогноз значений плотности и влажности грунтов и их пучения проведем при тех же исходных данных, что рассматривались ранее (см. п. 3.3). Разница только в том, что насыпь на участке уширения дороги устраивается из мелкого песка. Оптимальная влажность этого песка - 7,0 %, капиллярная влагоемкость - 9,3 %, полная влагоемкость - 12,3 %, максимальная плотность скелета грунта - 2000 кг/м3, плотность частиц грунта - 2650 кг/м3, коэффициент уплотнения грунта равен единице, коэффициент фильтрации - 0,2 м/сут, высота капиллярного поднятия - 0,85 м, толщина слоя песка от низа дорожной одежды до поверхности земли - 0,7 м, глубина залегания подземных вод от поверхности земли - 1,0 м.

При прогнозе влажности песка, из которого устраивается насыпь на участке уширения дороги, необходимо учитывать, что в этом грунте может появиться свободная гравитационная вода в осенний период. Такое явление имеет место в том случае, когда объем воды (VW, м3 на 1 м2), поступающей в песок, больше величины (Wкв - Wопт ρск·hк··ρв. В этом выражении Wкв и Wопт - соответственно капиллярная влагоемкость и оптимальная влажность песка в долях единицы: ρск и ρв - плотность скелета песчаного грунта и плотность воды в кг/м3; hк - высота капиллярного поднятия воды в песке в м;  - площадь поперечного сечения ( = 1 м2). При толщине слоя песка от низа дорожной одежды до поверхности земли (hп м) меньше значения hк в расчет принимают величину hн. Толщина слоя песка со свободной гравитационной водой (Δhп(с.в)) составляет:

Δhп(с.в) = [Vw·ρв/(ρск·) - hк·(Wкв - Wопт)]/(Wпв - Wопт)                                    (90)

В указанном слое влажность песка равна полной влагоемкости (Wпв).

При 1-ой схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна величина Vw равна значению притока воды в грунт (, м3 на 1 м2) в осенний период от атмосферных осадков, выпадающих на поверхность проезжей части дороги. Значения этого притока воды в грунт приведены в табл. 8.

При 2-ой схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна определяют величину Vw по формуле:

Vw = (Wкв - Wопт)(hк + hсл.в) ρск / ρв +                                                     (91)

где hсл.в - толщина слоя поверхностной воды у откоса насыпи, м.

При (hк + hсл.в) > hп в расчет вводят величину hп, вместо значения (hк + hсл.в). Формула (91) действительна при hсл.вhп.

При 3-ей схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна определяют величину Vw по формуле:

Vw = (Wкв - Wопт)(hк - Hj) ρск / ρв +                                                        (92)

где Hj - глубина залегания подземных вод от поверхности земли, м.

При Hj > hк величина Vw = .

Средневзвешенное значение влажности песка (в долях единицы) перед промерзанием равно величине

W = Wопт + Vw ρв/(hп·ρск )                                                                            (93)

Расчет начинаем с определения влажности мелкого песка в осенний период в центральной части земляного полотна на участке уширения дороги.

Расчет проводим по форм. (90-93). Необходимое для расчета значение притока воды в песок от атмосферных осадков, выпадающих на поверхность проезжей части, принимаем по табл. 8. Согласно этой таблице  = 0,012 м3 на 1 м2.

При 1-ой схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна имеем:

Vw = = 0.012 м3 на 1 м2.

Δhп(с.в) = [0,012·1000/(2000·1,0) - 0,7·(0,093 - 0,07)]/(0,123 - 0,07) = 0 м

W = 0,07 + 0,012·1000/(0,7·2000·1,0) = 0,078 доли единицы.

При 2-ой схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна имеем:

Vw = (0,0930 - 0,07)·0,7·2000·1,0/1000 + 0.012 = 0,044 м3 на 1 м2.

Δhп(с.в) = [0,044·1000/2000 - 0,7·(0,093 - 0,07)]/(0,123 - 0,07) = 0,11 м

W = 0,07 + 0,044·1000/(0,7·2000) = 0,100 доли единицы.

В слое Δhп(с.в) = 0,11 м влажность песка W = 0,123.

При 3-ей (схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна имеем:

при Hj = 1,0 м > hк = 0.85 м

Vw = 0.012 м3 на 1 м2.

Δhп(с.в) = 0 м

W = 0,078 доли единицы.

Результаты расчета влажности песчаного грунта насыпи перед промерзанием земляного полотна представлены в табл. (43).

Таблица 43

Схема увлажнения рабочего слоя земляного полотна

Толщина слоя песка со свободной гравитационной водой, м.

Влажность песка в слое со свободной гравитационной водой, %

Средневзвешенное значение влажности песка насыпи перед промерзанием земляного полотна, %

1

0,0

-

7,8

2

0,11

12,3

10,0

3

0,0

-

7,8

Приведенное в табл. (43) значение влажности грунта при 2-ой схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна относится к случаю поглощения песком всей воды, поступающей в насыпь. Такие условия имеют место при нахождении поверхностной воды у откоса насыпи, при укреплении откосов, которое не позволяет вытекать свободной гравитационной воде за пределы земляного полотна и при значении коэффициента фильтрации песка менее 0,5 м/сут. При дренировании свободной гравитационной воды за пределы насыпи влажность песка будет равна капиллярной влагоемкости. В данном случае Wкв - 9,3 %.

Далее определяют значения влажности и плотности мерзлых грунтов и их пучения в холодный год на участке уширения дороги, относящейся ко 2-ой схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна.

Исходные данные для расчета указанных величин: грунт насыпи - мелкий песок. hк = 0,7 м, W0 = 10,0 %, Wкв = 9,3 %, Woпт = 7,0 %, ρгр - 2650 кг/м3, ρск(max) = 2000 кг/м3, Ку(в) = 1,0, Р = 16,1 кПа„ Roд/ Roд(mах) = 0,23;

грунт под подошвой насыпи - суглинок легкий пылеватый W0 - 19,4 %, Wкв, = 19,4 %, Wопm - 15,3 %, ρгр = 2690 кг/м3, Roд(mах) = 1800 кг/м3, Ку(в) = 0,92, Р = 31,1 кПа.

При расчете последовательно определяют:

значения коэффициентов теплопроводности мерзлых грунтов по табл. (31) для песка λгр(м) = 2,90 Вт/(м·К) и для суглинка λгр(м) = 1,51 Вт/(м·К);

количество замерзшей воды по форм. (41) для песка iзм = 0,20 доли единицы и для суглинка iзм = 0,20 доли единицы;

глубину промерзания однослойного земляного полотна из песка по форм. (42) - hпр = 2,8 м;

средневзвешенные значения λгр(м) и iзм для двухслойного грунта (песок мелкий + суглинок легкий пылеватый)

λгр(м) = (0,72,9 + 2,1·1,51)·2,8 = 1,90 Вт/(м·К), iзм  = 0,20 доли единицы;

глубину промерзания двухслойного земляного полотна (песок мелкий + суглинок легкий пылеватый), по форм. (42) - hпр = 1,84 м;

значение критической влажности песка, по форм. (67) Wкp = 11,0 %;

влажность мерзлого песка Wм - W0 = 10,0 %;

величину пучения песка по форм. (68) - hпуч = 1,3 см;

скорость промерзания двухслойного грунта (песок мелкий + суглинок легкий пылеватый) по форм. (45) vпр = 0,016 м/сут.;

значение расхода пленочной воды, поступающей в мерзлый слой суглинка легкого пылеватого, по форм. (48) -  = 2,6·10-8 м3/c;

значение расхода капиллярно подвешенной воды, которая может поступить к границе промерзания суглинка легкого пылеватого, по форм. (66)  = 0,31·10-8 м3/с;

значение влажности суглинка легкого пылеватого под границей промерзания после оттока пленочной воды из талого грунта в мерзлый слой, по форм. (58) -  = 15,3 %;

плотность скелета суглинка легкого пылеватого под границей промерзания после оттока пленочной воды из талого грунта в мерзлый слой, по форм. (59)  = 1639 кг/м3;

среднее для суглинка легкого пылеватого значение расхода пленочной воды, поступающей из талого грунта в мерзлый слой, по форм. (63) -  = 1,56·10-8 м3/c;

относительную величину усадки суглинка легкого пылеватого при промерзании по форм. (60) - еусад = 0,01 доли единицы;

влажность мерзлого суглинка легкого пылеватого, по форм. (61) - Wм = 20,4 %;

значение критической влажности суглинка легкого пылеватого, по форм. (67) - Wкр = 21,9 %;

величину пучения суглинка легкого пылеватого за счет миграционного льдонакопления, по форм. (70) - hnyч(0) = 2,2 см;

величину усадки суглинка легкого пылеватого в пределах мерзлого слоя земляного полотна, по форм. (71) - hус = 1,1 см;

величину пучения суглинка легкого пылеватого, по форм. (68) - hnyч = 1,1 см.

Результаты расчета влажности и плотности мерзлых грунтов в центральной части земляного полотна существующей дорожной конструкции представлены в табл. (37). Для тех же мест определены значения пучения грунтов. Они представлены в табл. (40).

В рассматриваемом случае  = 1,40 м <  = 1,84 м. В этом случае происходит промерзание грунта существующей дорожной конструкции со стороны земляного полотна на участке уширения дороги. Согласно изложенному в этом разделе определяем величину  (см. рис. 14) при  = 1,40 м, >  = 0,7 м.

Первоначально принимаем, что  = 1,84 - 1,40 = 0,44 м.

По форм. (84) имеем:

λгр(м) = [2,90·0,7 + 1,51·(l,40 - 0,7) + 0,44·1,51]/(1,40 + 0,7 - 0,7 + 0,44) = 2,04 Вт/(м2К)

По форм. (85) имеем:

iзм = [0,20·0,7 +0,20·(1,40 - 0,7) + 0,20·0,44]/(1,40 + 0,7 - 0,7 + 0,44) = 0.20 доли единицы.

По графикам на рис. (5) имеем:

при Roд/Roд(mах) = 0,23 и iзм = 20 значение Апр = 0,61,

при iзм = 0,20 значение Впр = 2,6.

По форм. (42) hпр = 0,8·0,75·0,61·2,6·2,04 = 1,99 м.

Согласно изложенному принимаем, что 1,99 = 1,40 + 0,7 - 0,7 + , откуда  = 0,59 м.

При величине  = 0,59 м. уточняем значения λгр(м) и iзм. По форм. (84)

λгр(м) = [2,90·0,7 + 1,5·(1,40 - 0,7) + 1,51·0,59]/(1,40 + 0,7 - 0,7 + 0,59) = 2,00 Вт/(м2К).

По форм. (85) iзм = 0,20 доли единицы.

По графикам на рис. (5) имеем Апр = 0,61 и Впр =2,6.

По форм. (42) hпр = 0,8·0,75·0,61·2,6·2,00 = 1,90 м.

Согласно изложенному принимаем, что 1,90 = 1,40 + 0,7 - 0,7 + , откуда  = 0,50 м. Это значение  принимаем в качестве искомой величины,

Далее устанавливаем величину пучения грунта в точке 21 (рис. 14) на участке существующей дорожной конструкции. В этой точке глубина промерзания hпр =  = 1,84 м и hпр = 1,84 >  = 0,7 м.

При hпр >  зона пучения включает грунт насыпи и грунт под насыпью. Величина пучения грунта насыпи уже известна. Она равна 0,9 см. (табл. 40). Нужно определить величину пучения суглинка легкого пылеватого под насыпью (см. п. 3.3.3).

По форм. (70) имеем:

hnyч(0) = 0,09·102·(1,84 - 0,7)·(0,204 - 0,076)·1659/1000 = 2,2 см.

По форм. (71) hyс(м) = 102·(1,84 - 0,7)·0,012 = 1,4 см.

По форм. (68) hnyч = 2,2 - 1,4 = 0,8 см.

Тогда суммарная величина пучения двухслойного грунта составляет в точке 2l hnyч = 0,9 + 0,8 = l,7 см.

По полученным данным расчета устанавливаем эпюру пучения грунтов в поперечном направлении под проезжей частью дороги. В точке 1I - hnyч = 1,2 см, в точке 2I - hnyч = l,7 см, в точке 3I - hnyч = 1,2 см., в точке 2II - hnyч = 2,4 см., в точке 3II - hnyч = 2,4 см.

Указанные точки показаны на рис. (14, А). Точки 1I, 2I и 3I расположены на участке существующей дорожной конструкции, точки 1II, 2II и 3II - на участке уширения дороги.

Представленные расчеты показывают, что применение песка для уширения насыпи может вызвать увеличение пучения земляного полотна по сравнению с участком из глинистого грунта. Причины такого положения следующие.

Первая причина заключается в том, что коэффициент теплопроводности песка больше, чем соответствующая величина для глинистого грунта. В результате этого песчаные грунты промерзают на большую глубину, чем глинистые. Соответственно больше и зона пучения двухслойных грунтов.

Вторая причина заключается в том, что влажность песка перед промерзанием может быть больше капиллярной влагоемкости, что увеличивает величину пучения грунта. В глинистых грунтах их влажность перед промерзанием не может превысить капиллярную влагоемкость.

Третья причина заключается в том, что в песке замерзает вся вода, которая там имеется. Это увеличивает величину пучения грунта. По сравнению с песком в мерзлых глинистых грунтах имеется незамерзшая вода.

Четвертая причина заключается в том, что пески, уплотненные до максимальной плотности, не дают усадки грунта при их примерзании. Это увеличивает величину пучения грунта.

Применение песка может и уменьшить величину пучение земляного полотна за счет того, что в насыпь из песка не поступает капиллярно подвешенная вода из глинистого грунта.

При расстоянии от подошвы насыпи до уровня подземных вод больше высоты капиллярного поднятия воды в песке в насыпь не поступает и собственно капиллярная вода. Изложенный выше метод прогноза пучения грунтов учитывает все эти факторы.

Как следует из представленных результатов расчета величина пучения грунтов в местах контакта старой и новой дорожной конструкции соответственно составляет 1,7 см и 2,4 см. За счет разницы в пучении грунтов (2,4-1,7=0,7 см) может произойти образование продольной трещины в дорожной одежде в местах контакта указанных конструкций.

Как следует из результатов расчета пучения грунтов на участке существующей дорожной конструкции разница между указанными величинами в точках 1I и 2I (рис. 14, А) составляет 1,7-1,2 = 0,5 см. при расстоянии между этими точками 0,5 м. Согласно ОДН 218.046-01 интенсивность изменения пучения грунта не должна превышать 0,2 см/м при устройстве асфальтобетонного покрытия. В рассматриваемом случае интенсивность изменения пучения грунта превышает допустимые нормы. Поэтому следует ожидать появление трещин в покрытии на участке .

Следующим этапом расчета является установление значений влажности и плотности мелкого песка в весенний период на участке уширения дороги, относящейся ко 2-му типу (схеме) увлажнения рабочего слоя земляного полотна. Расчет проводится согласно изложенному в п. 4.1 при следующих исходных данных: Wм = 10,0 %, Wкр = 11,0 %, Ку(з) = 0,98. Значения Ку(в) и Wв определяют для начала и конца весны.

Расчет для начала весны. При Wм = 10,0 % < Wкр = 11,0 % значение коэффициента уплотнения мелкого песка Ку(в) = Ку(з) = 0,98. При Ку(в) = 0,98 полная влагоемкость мелкого песка равна 13,3 %, а капиллярная влагоемкость - 10,3 %. При Ккв = 10,3 % > Wм = 10,0 % влажность мелкого песка Wв = Wкв = 10,3 %.

Расчет для конца весны. Результаты следующие: Wв = 9,3 %, Ку(в)= 1,0.

Выше говорилось о плюсах и минусах применения песчаного грунта для устройства насыпи. Дополнительным плюсом, о чем свидетельствуют результаты расчета плотности грунта в конце весны, является то, что песчаный грунт восстанавливает свою плотность, достигнутую при строительстве дороги.

6. Учет влияния движения транспорта на прочностные и деформационные характеристики грунта рабочего слоя земляного полотна

6.1. Прогноз значений прочностных и деформационных характеристик грунтов при отсутствии промерзания рабочего слоя земляного полотна

В основу решения задачи по назначению прочностных и деформационных характеристик грунтов положены нормы и указания, изложенные в ОДН 218.046-01. При выводе расчетных зависимостей, позволяющих прогнозировать значения сцепления и угла внутреннего трения в грунте, использовались результаты исследования влияния повторных нагрузок на сдвигоустойчивость грунтов, полученных с помощью прибора «клинового» типа. Они опубликованы в работе «Методические рекомендации по применению теплоизолирующих слоев из пенопласта для снижения объема земляных работ» (1988).

При предотвращении промерзания грунтов под дорожной одеждой существенно меняется водно-тепловой режим земляного полотна. В частности, не происходит в зимний период влагонакопление в рабочем слое земляного полотна. Наоборот, влажность грунта в этот период понижается. Кривая изменения влажности грунта состоит из 4-х частей:

● летнего понижения влажности грунта;

● осеннего повышения влажности грунта;

● зимнего понижения влажности грунта;

● весеннего повышения влажности груша.

За начало летнего периода понижения, влажности грунта принята дата устойчивого перехода среднесуточной температуры воздуха при ее подъеме через +5 °С, за окончание этого периода - дата перехода температуры воздуха при ее падении через +10 °С.

За начало осеннего периода повышения влажности грунта принята дата устойчивого перехода среднесуточной температуры воздуха при ее падении через +10 °С, за окончание этого периода - дата перехода температуры воздуха при ее падении через минус 5 °С.

За начало зимнего периода понижения влажности грунта принята дата устойчивого перехода среднесуточной температуры воздуха при ее падении через минус 5 °С, за окончание этого периода - дата перехода температуры воздуха при ее подъеме через 0 °С.

За начало весеннего периода повышения влажности грунта принята дата устойчивого перехода средиесуточной температуры воздуха при ее подъеме через 0 °С, за окончание этого периода - дата перехода температуры воздуха при ее подъеме через +5 °С.

Данные о продолжительности указанных периодов приведены в таблице 44.

Таблица 44

Пункт

Даты наступления температур

Продолжительность периодов, сут

+5 °С

+10 °С

-5 °С

0 °С

Лето

Осень

Зима

Весна

Сыктывкар

4.V

3.IX

4.XI

13.IV

122

62

160

22

Архангельск

16.V

1.IX

11.XI

20.IV

108

71

160

26

Петрозаводск

4.V

10.IX

29.XI

10.IV

129

80

132

24

Вологда

26.IV

10.IX

19.XI

7.IV

137

61

148

19

Санкт-Петербург

25.IV

18.IX

12.ХII

3.IV

146

85

112

22

Великие Луки

17.IV

19.IX

13.XII

28.III

155

85

105

20

Вятка

28.IV

11.IX

9.XI

10. IV

136

59

152

18

Казань

20.IV

19.IX

18.XI

5.IV

152

61

138

15

Нижний Новгород

19.IV

18.IX

22.ХI

2.IV

152

65

131

17

Москва

21.IV

16.IX

27.XI

3.IV

148

72

127

18

Владимир

20.IV

17.IX

23.XI

2.IV

150

67

130

18

Воронеж

13.IV

27.IX

5.XII

28.III

167

69

113

16

Смоленск

18.IV

18.IX

8.XII

30.III

153

81

112

19

Волгоград

7.IV

9.Х

10.XII

23.III

185

62

103

15

Ростов-на-Дону

31.III

15.Х

1.I

11.III

198

78

69

20

Николаевск-на-Амуре

22.V

20.IX

4.XI

30.IV

121

45

177

22

Владивосток

19.IV

11.Х

25.XI

29.III

175

45

124

21

Примечание. В таблице приведены даты наступления температур воздуха для среднемноголетнего года.

6.1.1. Определение расчетного значения сцепления в грунте

Сцепление в грунте устанавливают для 2-х расчетных лет: для первого года после устройства уширения дороги и для последнего года перед капитальным ремонтом. При этом проводят расчет сцепления в грунте под существующей дорожной одеждой и на участке уширения дороги.

Искомые величины определяют последовательно для летнего, осеннего, зимнего и весеннего периодов года. Значения величин, относящихся к этим периодам года, соответственно обозначаются значками: I, II, III, IV.

Для: летнего периода понижения влажности грунта в первый год эксплуатации дороги расчет проводят по следующим зависимостям:

При

                                                                                (94)

При

                                                             (95)

где  - расчетное сцепление грунта с влажностью WI/WL при суммарном количестве проходов расчетного автомобиля  МПа;

 - статическая расчетная величина сцепления грунта с влажностью WI/Wl, МПа (см. табл. 45 и 46);

,  - коэффициенты, характеризующие интенсивность снижения сцепления грунта с влажностью WI/WL, соответственно при  и  > 104 (см. табл. 45 и 46);

W1 - средневзвешенное значение влажности грунта в летний период расчетного года, %;

WL - влажность грунта на границе текучести, %.

Для осеннего периода повышения влажности грунта расчет проводят по следующей зависимости:

            (96)

где  - расчетное сцепление грунта с влажностью WII/Wl при суммарном количестве проходов расчетного автомобиля , МПа;

 - статическая расчетная величина сцепления грунта с влажностью WII/Wl, МПа (см. табл. 45 и 46);

 - коэффициент, характеризующий интенсивность снижения сцепления грунта с влажностью WII/Wl (см. табл. 45 и 46);

WII - средневзвешенное значение влажности грунта в осенний период расчетного года, %.

Для зимнего периода повышения влажности грунта расчет проводят по следующей зависимости:

       (97)

где  - расчетное сцепление грунта с влажностью WII/Wl при суммарном количестве проходов расчетного автомобиля  + > МПа;

 - статическая расчетная величина сцепления грунта с влажностью WII/WL, МПа (см. табл. 45 и 46);

 - коэффициент, характеризующий интенсивность снижения сцепления грунта с влажностью WII/WL (см. табл. 45 и 46);

WII - средневзвешенное значение влажности грунта в осенний период расчетного года, %.

Для весеннего периода повышения влажности грунта в первый год эксплуатации дороги расчет проводят по следующей зависимости:

(98)

где  - расчетное сцепление грунта с влажностью WIII/Wl при суммарном количестве проходов расчетного автомобиля , Мпа.

 - коэффициент, характеризующий интенсивность снижения сцепления грунта с влажностью WIV/Wl (см. табл. 45 и 46);

WIV - средневзвешенное значение влажности грунта в весенний период расчетного года, %.

Для прогноза сцепления и угла внутреннего трения в грунте нужно иметь данные о средневзвешенных значениях влажности грунта, которые можно ожидать в летний, осенний, зимний и весенний периоды. Методика их определения будет изложена в следующих разделах книги. Следует только отметить, что в расчет нужно включать влажность грунта в весенний период при уровне проектной влажности 0,95.

Суммарное количество проходов расчетного автомобиля в летний период определяют по формуле:

                                                                                                (99)

где Np - приведенная к расчетной нагрузке среднесуточная интенсивность движения транспорта по одной полосе проезжей части, авт./сут.;

tл - продолжительность летнего периода, сут. (см. табл. 44). Суммарное количество проходов расчетного автомобиля в осенний период определяют по формуле:

                                                                                               (100)

где toc - продолжительность осеннего периода, сут. (см. табл. 44).

Суммарное количество проходов расчетного автомобиля в зимний период определяют по формуле:

                                                                                               (101)

где t2 - продолжительность зимнего периода, сут. (см. табл. 44).

Суммарное количество проходов расчетного автомобиля в весенний период определяют по формуле:

                                                                                               (102)

где tв - продолжительность весеннего периода, сут. (см. табл. 44).

Для летнего периода понижения влажности грунта во второй год эксплуатации дороги расчет проводят по следующей зависимости:

      (103)

где  - значения сцепления в грунте в весенний период первого года эксплуатации дороги;

 - суммарное количество проходов расчетного автомобиля в течение первого года эксплуатации дороги.

Все остальные величины, входящие в форм. (103), относятся ко второму году эксплуатации дороги.

Для осеннего периода повышения влажности грунта во второй год эксплуатации дороги расчет проводят по следующей зависимости:

           (104)

Для зимнего периода понижения влажности грунта во второй год эксплуатации дороги расчет проводят по следующей зависимости:

           (105)

Для весеннего периода повышения влажности грунта во второй год эксплуатации дороги расчет проводят по следующей зависимости:

         (106)

Для летнего периода понижения влажности грунта в третий год эксплуатации дороги расчет проводят по следующей зависимости:

      (107)

где  - значения сцепления в грунте в весенний период второго года эксплуатации дороги;

 - суммарное количество проходов расчетного автомобиля в течение первого и второго года эксплуатации дороги.

Все остальные величины, входящие в форм. (107), относятся к третьему году эксплуатации дороги.

Аналогично проводят расчет сцепления в грунте в осенний, зимний и весенний периоды третьего года эксплуатации дороги и в последующие годы. За первый год эксплуатации дороги следует принимать для грунтов под существующей дорожной одеждой - год после постройки дороги; для грунтов во вновь устроенном участке - год после устройства уширения и пуска там движения транспорта. При суммарном количестве проходов расчетного автомобиля по одной полосе движения более 106 расчет сдвиговых характеристик грунта прекращают, так как они практически не изменяются при дальнейшем увеличении числа приложений расчетной нагрузки.

Таблица 45

Влажность грунта, W/WL

Характеристики сцепления в суглинках и глинах

, МПа

ξ1

ξ2

0,60

0,030

0,0035.

0,0018

0,65

0,024

0,0030

0,0015

0,70

0,019

0,0025

0,0013

0,75

0,015

0,0020

0,0012

0,80

0,011

0,0015

0,0011

0,90

0,008

0,0010

0,0010

Таблица 46

Влажность грунта, W/WL

Характеристики сцепления в супеси и пылеватых песках

, МПа

ξ1

ξ2

0,60

0,014

0,0015

0,0015

0,65

0,013

0,0014

0,0014

0,70

0,012

0,0013

0,0013

0,75

0,011

0,0012

0,0012

0,80

0,010

0,0011

0,0011

0,90

0,008

0,0010

0,0005

6.1.2. Определение расчетного значения угла внутреннего трения в грунте

Угол внутреннего трения в грунте определяют последовательно для летнего, осеннего, зимнего и весеннего периодов года.

Для летнего периода понижения влажности грунта в первый год эксплуатации дороги расчет проводят по следующим зависимостям:

При  ≤ 104

                                                                              (108)

При  > 104

                                                             (109)

где  - расчетное значение угла внутреннего трения в грунте с влажностью WI/Wl при суммарном количестве проходов расчетного автомобиля , град.;

 - статическая расчетная величина угла внутреннего трения в грунте с влажностью W'/Wn град. (см. табл. 47 и 48);

,  ~ коэффициенты, характеризующие интенсивность снижения угла внутреннего трения в грунте с влажностью WI/Wl соответственно при  ≤ 104 и  > 104 (см. табл. 47 и 48).

Для осеннего периода повышения влажности грунта расчет проводят по следующей зависимости:

Таблица 47

Влажность грунта, W/WL

Характеристики внутреннего трения в суглинках и глинах

, град

0,60

24

2,5

2,5

0,65

21

2,3

2,3

0,70

18

2,1

2,0

0,75

15

1,9

1,8

0,80

33

1,8

-1,6

0,90

11

1,7

1,1

Таблица 48

Влажность грунта, W/WL

Характеристики внутреннего трения в супеси и пылеватых песках

, град

0,60

36

4,3

3,5

0,65

36

4,3

3,5

0,70

35

4,3

3,5

0,75

35

4,3

3,5

0,80

34

4,3

3,5

0,90

33

4,3

3,5

        (110)

где  - расчетное значение угла внутреннего трения в грунте с влажностью WII/Wl при суммарном количестве проходов расчетного автомобиля +, град.;

 - статическая расчетная величина угла внутреннего трения в грунте с влажностью WII/Wl, град. (см. табл. 47 и 48);

 - коэффициент, характеризующий интенсивность снижения угла внутреннего трения в грунте с влажностью WII/Wl (см. табл. 47 и 48).

Для зимнего периода понижения влажности грунта расчет проводят по следующей зависимости:

      (111)

где  - расчетное значение угла внутреннего трения в грунте с влажностью WIII/Wl при суммарном количестве проходов расчетного автомобиля , град.

 - статическая расчетная величина угла внутреннего трения в грунте с влажностью WIII/Wl, град. (см. табл. 47 и 48);

 - коэффициент, характеризующий интенсивность снижения угла внутреннего трения в грунте с влажностью WIII/Wl (см. табл. 47 и 48).

Для весеннего периода повышения влажности грунта в первый год эксплуатации дороги расчет проводят по следующей зависимости:

          (112)

где  - расчетное значение угла внутреннего трения в грунте с влажностью WIV/Wl при суммарном количестве проходов расчетного автомобиля , град.;

 ~ статистическая расчетная величина угла внутреннего трения в грунте с влажностью WIV/Wl, град. (см. табл. 47 и 48);

 - коэффициент, характеризующий интенсивность снижения угла внутреннего трения в грунте с влажностью WIV/Wl (см. табл. 47 и 48).

Значения , ,  и  во втором, в третьем, и в последующих годах эксплуатации дороги определяют по форм. (103)-(107), заменяя в последних величины CWN нa  на , ξ1, на , и ξ2 на .

6.1.3. Метод определения приближенных значений характеристик грунта на участке уширения дороги

При предотвращении промерзания земляного полотна можно принять, что плотность грунта рабочего слоя является постоянной величиной в течение всего срока службы дорожной одежды между капитальными ремонтами. Эта величина равна плотности грунта, достигнутой при строительстве уширения дороги. При этом значении плотности влажность грунта может меняться в течение года от величины, равной оптимальной до полной влагоемкости.

Для назначения расчетных значений сцепления, угла внутреннего трения и модуля упругости глинистых грунтов, находящихся в талом состоянии в течение всего срока службы дорожной одежды между капитальными ремонтами, необходимы следующие исходные данные:

продолжительность срока службы дорожной одежды между капитальными ремонтами (Тсл, в годах);

приведенная к расчетной нагрузке перспективная (на конец срока службы) среднесуточная интенсивность движения транспорта по одной полосе проезжей части (Nр(сл), авт/сут);

темп роста интенсивности движения транспорта по годам (q);

номер дорожно-климатической зоны и подзоны, в которой расположена дорога (см. СНиП 2.05.02-85);

схема увлажнения рабочего слоя земляного полотна согласно СНиП 2.05.02-85 (2-я или 3-я схема);

глубина залегания подземных вод весной от верха покрытия проезжей части (менее 1,5 м, 1,5 и более);

продолжительность расчетного (весеннего периода), равного интервалу времени между датами устойчивого перехода температуры воздуха через 0 °С и +5 °С (tP, сут);

значение влажности грунта на границе текучести (WL), максимальная плотность скелета грунта по методу стандартного уплотнения (ρск(тах), кг/м3) и коэффициент уплотнения грунта (Ку).

Расчет искомых величин проводят в следующем порядке.

1. Определяют по табл. 49 расчетное (максимальное) значение влажности грунта (Wp) в расчетный (весенний) период. Следует иметь в виду, что значения влажности в таблице даны в долях от WL при уровне проектной надежности 0,95. Они не могут превышать величину капиллярной влагоемкости грунта, которую вычисляют по форм. (3). Входящие в эту формулу значения Wпв и ΔWв соответственно определяют по форм. (2) и табл. (50).

Таблица 49

Дорожно-климатические зоны и подзоны

Схема увлажнения рабочего слоя земляного полотна

Глубина залегания подземных вод от верха покрытия проезжей части

Значения расчетной влажности грунта, доли от WL

Супесь легкая

Песок пылеватый

Суглинок легкий и тяжелый, глина

Супесь пылеватая и тяжелая пылеватая, суглинок легкий пылеватый и тяжелый пылеватый

II1

2

-

0,70

0,72

0,74

0,77

3

менее 1,5 м

Полная влагоемкость грунта

3

1,5 м и более

0,70

0,72

0,74

0,77

III

2

-

0,67

0,69

0,70

0,74

3

менее 1,5 м

Полная влагоемкость грунта

3

1,5 ми более

0,67

0,69

0,70

0,74

IV

2

-

0,64

0,66

0,67

0,70

3

менее 1,5 м

Полная влагоемкость грунта

3

1,5 м и более

0,64

0,66

0,67

0,70

Примечания:

1) Под WL следует понимать влажность грунта на границе текучести.

2) Цифра II1 - это номер подзоны, расположенной в северной части II дорожно-климатической зоны.

3) Значение влажности грунта в южных районах II дорожно-климатической зоны определяют методом интерполяции между соответствующими величинами в зонах II и III.

Таблица 50

Грунт

Число пластичности грунта, %

Значения DWв, доли единицы, при Ку

0,90

0,92

0,94

0,96

0,98

1,00

1,02

Супеси легкие, супеси пылеватые и тяжелые пылеватые

1

0,051

0,046

0,041

0,037

0,032

0,027

0,022

3

0,049

0,044

0,039

0,034

0,029

0,024

0,020

7

0,045

0,041

0,036

0,031

0,026

0,022

0,017

Суглинки легкие и легкие пылеватые

10

0,043

0,038

0,033

0,028

0,023

0,018

0,013

12

0,040

0,035

0,030

0,025

0,020

0,015

0,010

Суглинки тяжелые и тяжелые пылеватые

14

0,037

0,032

0,027

0,022

0,017

0,012

0,007

17

0,034

0,029

0,023

0,018

0,013

0,008

0,003

Глины песчанистые и пылеватые

27

0,026

0,021

0,017

0,012

0,007

0,002

0,000

Примечания: 1) Для песков пылеватых принимают ΔWв = 0,030 при коэффициенте уплотнения Ку = 1,0. 2) Kv = ρск(тах) - максимальная плотность скелета грунта по методу стандартного уплотнения.

2. Вычисляют по форм. (113) суммарное число приложений расчетной нагрузки в течение расчетного (весеннего) периода.

                                                                                              (113)

Независимо от результатов расчета по формуле (113) величина -  не может быть менее 104 приложений нагрузки для учета влияния транспорта в другие периоды года.

3. Определяют по табл. (51) значения сцепления СWN угла внутреннего трения грунта φWN соответствующие величинам Wp/WL по таблице (49) и  по формуле (113).

4. Вычисляют по формуле (114) среднемноголетнее значение влажности грунта в расчетный (весенний) период.

Wср = Wp/(1 + 0,1×t)                                                                                          (114)

где t - коэффициент нормированного отклонения (t =1,71 при уровне проектной надежности 0,95).

5. Вычисляют по формуле (115) суммарное число приложений расчетной нагрузки за срок службы дорожной одежды

                                       (115)

6. Определяют по таблице (51) значения сцепления CWN и угла внутреннего трения грунта φWN соответствующие величинам Wcp/WL по табл. ((49) и  по форм. (115).

7. Сравнивают величины CWN, полученные при Wp/WL и Wcp/Wl и принимают в расчет минимальное значение φWN. То же в отношении φWN.

8. Определяют по таблице (52) значение модуля упругости грунта, соответствующего относительной влажности WP/WL.

Таблица 51

Относительная влажность грунта

Сцепление, МПа при суммарном числе приложений нагрузки

Угол внутреннего трения в град., при суммарном числе приложений нагрузки

1

103

104

105

106

1

103

104

105

106

Суглинки и глины

<0,60

0,030

0,030

0,016

0,014

0,012

24

20

14,5

11

9

0,65

0,024

0,019

0,013

0,011

0,009

21

15

11

8

7

0,70

0,019

0,013

0,009

0,007

0,006

18

11,5

8,5

6,5

5,5

0,75

0,015

0,009

0,006

0,005

0,004

15

10

7,5

5

4

0,80

0,011

0,007

0,005

0,003

0,002

13

8

5

3

2,5

0,90

0,008

0,004

0,004

0,002

0,001

11,5

6,5

3,5

2,2

2

Супеси и пески пылеватые

<0,60

0,014

0,012

0,008

0,006

0,005

36

24,

18

14

12

0,65

0,013

0,010

0,008

0,006

0,004

36

23,5

17

14

12

0,70

0,012

0,009

0,006

0,005

0,004

35

23,5

17

14

12

0,75

0,011

0,008

0,005

0,004

0,003

35

23

17

14

12

0,80

0,010

0,007

0,005

0,004

0,003

34

23

17

14

12

0,85

0,009

0,007

0,004

0,003

0,003

34

22

15

12

10

0,90

0,008

0,004

0,003

0,003

0,003

33

21

12,5

10

8

Требуемый модуль упругости дорожной одежды устанавливается по эмпирической зависимости (см. ОДН 218.046-01). Он получен по результатам наблюдений на дорогах с традиционной конструкцией дорожной одежды. На таких дорогах происходит ежегодное изменение плотности грунтов в результате их пучения зимой, осадке и усадке весной и летом. При предотвращении промерзания земляного полотна плотность ненабухающих и слабонабухающих грунтов практически не меняется в течение всего срока службы дорожной одежды. При таких условиях можно уменьшить величину требуемого модуля упругости дорожной одежды не менее чем на 15 % по сравнению с расчетом традиционных конструкций по ОДН 218.046-01.

6.2. Прогноз значений прочностных и деформационных характеристик грунтов при наличии промерзания рабочего слоя земляного полотна

При наличии промерзания земляного полотна не нужно учитывать влияние транспорта на прочностные и деформационные характеристики грунта в зимний период. В расчет надо включать суммарное количество проходов расчетного автомобиля весной, летом и осенью в пределах одного года.

Прочностные и деформационные характеристики грунта устанавливают для 3-х расчетных лет: первого года после устройства уширения дороги; года установления максимального значения коэффициента пучения грунта (рис. 9) на участке уширения дороги; года установления «бытовой» плотности грунта (форм. 1) на участке уширения дороги.

6.2.1. Определение расчетного значения сцепления в грунте

Искомую величину определяют последовательно для весеннего, летнего и осеннего периодов года.

Для весеннего периода повышения влажности грунта расчет проводят по следующим зависимостям:

при  ≤ 104

                                                                          (116)

При  > 104

                                                         (117)

где  - расчетное сцепление грунта с влажностью WIV/WL при суммарном количестве проходов расчетного автомобиля , МПа;

 - статическая расчетная величина сцепления грунта с влажностью WIV/WL МПа (см. табл. 45 и 46);

,  - коэффициенты, характеризующие интенсивность снижения сцепления грунта с влажностью WIV/WL.соответственно при

 ≤ 104 и  > 104 (см. табл. 45 и 46);

WIV - средневзвешенное значение влажности грунта в весенний период расчетного года, %;

WL - влажность грунта на границе текучести, %.

Для летнего периода понижения влажности грунта расчет проводят по следующей зависимости:

     (118)

где  - расчетное сцепление грунта с влажностью WI/WL при суммарном количестве проходов расчетного автомобиля , МПа;

 - статическая расчетная величина сцепления грунта с влажностью WI/WL, МПа (см. табл. 45 и 46);

 - коэффициент, характеризующий интенсивность снижения сцепления грунта с влажностью WI/WL (см. табл. 45 и 46);

WI - средневзвешенное значение влажности грунта в летний период расчетного года, %.

Для осеннего периода повышения влажности грунта расчет проводят по следующей зависимости:

(119)

где  - расчетное сцепление грунта с влажностью WII/WL при суммарном количестве проходов расчетного автомобиля , MПa;

 - статическая расчетная величина сцепления грунта с влажностью WII/WL, МПа (см. табл. 45 и 46);

 - коэффициент, характеризующий интенсивность снижения сцепления грунта с влажностью WII/WL (см. табл. 45 и 46);

WII - средневзвешенное значение влажности грунта в осенний период расчетного года, %.

6.2.2. Определение расчетного значения угла внутреннего трения в грунте

Угол внутреннего трения в грунте определяют последовательно для весеннего, летнего и осеннего периодов года.

Для весеннего периода повышения влажности грунта расчет проводят по следующим зависимостям:

При

                                                                          (120)

При

                                                      (121)

где  - расчетное значение угла внутреннего трения в грунте с влажностью WIV/WL при суммарном количестве проходов расчетного автомобиля , град.;

 - статическая расчетная величина угла внутреннего трения в грунте с влажностью WIV/WL, град., (см. табл. 47 и 48);

,  - коэффициенты, характеризующие, интенсивность снижения угла внутреннего трения в грунте с влажностью WIV/WL соответственно при  и  (см. табл. 47 и 48).

WIV - средневзвешенное значение влажности грунта в весенний период расчетного года, %.

Для летнего периода понижения влажности грунта расчет проводят по следующей зависимости:

          (122)

где  - расчетное значение угла внутреннего трения в грунте с влажностью WI/WL при суммарном количестве проходов расчетного автомобиля , град.;

 - статическая расчетная величина угла внутреннего трения в грунте с влажностью WI/WL, град. (см. табл. 47 и 48);

 - коэффициент, характеризующий интенсивность снижения угла внутреннего трения в грунте с влажностью WI/WL, (см. - табл. 47 и 48).

WI - средневзвешенное значение влажности грунта в летний период расчетного года, %.

Для осеннего периода повышения влажности грунта расчет проводят по следующей зависимости:

(123)

где  - расчетное значение угла внутреннего трения в грунте с влажностью WII/WL при суммарном количестве проходов расчетного автомобиля , град.;

 - статическая расчетная величина угла внутреннего трения в грунте с влажностью WII/WL град. (см. табл. 47 и 48);

 - коэффициент, характеризующий интенсивность снижения угла внутреннего трения в грунте с влажностью WII/WL (см. табл. 47 и 48);

WII - средневзвешенное значение влажности грунта в осенний период расчетного года, %.

6.2.3. Определение значений модулей упругости грунтов

При конструировании дорожной одежды следует знать значения модулей упругости грунтов. Их определяют по табл. (52), взятой из нормативного документа ОДН 218.046-01. Приведенные в табл. (52) значения модулей упругости грунтов можно использовать для оценки прочности дорожной одежды весной, летом и осенью расчетного года. Для этого нужно ввести в расчет средневзвешенные значения влажности грунта в указанные периоды. Это позволяет оценить прочность существующей дорожной одежды и конструировать дорожную одежду на участке уширения дороги.

Таблица 52

Грунт

Модуль упругости, при относительной влажности W/WL, МПа

0,5

0,55

0,60

0,65

0,70

0,75

0,80

0,85

0,90

0,95

Пески:

 

• крупные

130

• средней крупности

120

• мелкие

100

• однородные

75

• пылеватые

96

90

84

78

72

60

60

54

48

43

Супеси:

 

• легкая

70

60

56

53

49

45

43

42

41

40

• пылеватая, тяжелая пылеватая

108

90

72

54

46

38

32

27

26

25

• легкая крупная

65

Суглинки:

 

• легкий, тяжелый, легкий пылеватый,

108

90

72

50

41

34

29

25

24

23

тяжелый пылеватый

108

90

72

54

46

38

32

27

26

25

Глины

108

90

72

50

41

34

29

25

24

23

Примечание. Классификация песков дана по ГОСТ 25100-95. Однородные выделяются по указаниям СНиП «Автомобильные дороги».

7. Мероприятия по регулированию водно-теплового режима земляного полотна по ширине проезжей части дороги

При проектировании мероприятий по регулированию водно-теплового режима земляного полотна необходимо руководствоваться следующими принципами:

- эпюры пучения и осадки грунтов по ширине проезжей части должны быть такими, чтобы не происходило образование трещин в дорожной одежде, а ровность покрытия удовлетворяла транспортно-эксплуатационным требованиям, предъявляемым к автомобильной дороге;

- эпюра влажности грунтов по ширине проезжей части должна быть такой, чтобы коэффициент прочности вновь проектируемой конструкции был бы равен коэффициенту прочности существующей дорожной конструкции.

В плане реализации указанных принципов нужно рассматривать возможность применения на участке уширения дороги следующих мероприятий:

● устройство покрытия и основания из дорожно-строительных материалов, теплофизические свойства которых позволяют обеспечить необходимое термическое сопротивление дорожной одежды;

● включение в конструкцию дорожной одежды морозозащитного (дренирующего) слоя сложной конфигурации;

● включение в конструкцию дорожной одежды теплоизолирующего слоя из пенопласта;

● устройство гидроизолирующих, дренирующих и капилляропрерывающих прослоек в теле земляного полотна;

● устройство насыпи из грунта определенного минералогического и гранулометрического состава.

Для реализации указанных принципов нужно также рассматривать возможность применения геосеток для армирования покрытия дорожной одежды на существующем земляном полотне и на участке уширения дороги.

Пенопласт, используемый для устройства теплоизолирующего слоя должен удовлетворять следующим требованиям (6):

- предел прочности при сжатии при 10 %-ной линейной деформации - не менее 0,40 МПа, при изгибе - не менее 0,70 МПа, влагопоглощение по объему - не более 45 % (методы испытания по действующим ГОСТам). Выбор нужной марки пенопласта следует проводить с учетом результатов опытной проверки. Указанным требованиям отвечает пенопласт стайрофоум марки фломэйт-500 (фирмы Дау Кемикал Компани), который проходил проверку на дороге Омск - Новосибирск в течение 20 лет (4).

Для того, чтобы частота образования гололедицы на покрытии дорожной одежды с теплоизолирующим слоем из пенопласта не превышала 10 % по сравнению с участками, не имеющими теплоизоляцию, необходимо выполнять следующие требования:

- в районах ограниченных изолиниями I-VIII (рис. 2) теплоизолирующий слой из пенопласта нужно располагать не глубине не менее 0,5 м. от поверхности покрытия;

- в районах ограниченных изолиниями VIII-IX (рис. 2) теплоизолирующий слой из пенопласта нужно располагать не глубине не менее 0,6 м. от поверхности покрытия;

- в районах ограниченных изолиниями IX-X (рис. 2) теплоизолирующий слой из пенопласта нужно располагать не глубине не менее 0,7 м от поверхности покрытия.

Для увеличения прочности дорожных одежд с асфальтобетонными покрытиями в местах сопряжения старой и новой дорожной конструкции рекомендуется дискретное армирование геосинтетическими сетками типа «На Telit С». Армирование геосеткой проводится между нижним и верхним слоями асфальтобетонного покрытия. При этом по нижнему слою покрытия разливается битум БНД 90/130 из расчета 0,2-0,3 л/м2, затем на него приклеивается геосетка (8).

Прочность геосиитетического материла и толщину асфальтобетонного покрытия определяют по расчету на максимальные растягивающие напряжения по программе «Genide». Применение геосеток позволяет значительно увеличить общий модуль упругости дорожной одежды на армированном участке покрытия, а также уменьшить неравномерность морозного пучения грунтов.

7.1. Допустимые значения пучения грунтов

Дорожную конструкцию необходимо проектировать таким образом, чтобы эпюра пучения грунтов по ширине проезжей части отвечала следующим требованиям. Первое требование. Величина пучения грунтов не должна превышать допустимых значений hnyч(доп). Они равны: 4 см при устройстве дорожной одежды капитального типа с асфальтобетонным покрытием и 6 см при устройстве дорожной одежды облегченного типа с асфальтобетонным покрытием.

Второе требование. Разница между величинами пучения грунтов hIпуч и hIIпуч не должна превышать допустимых значений Δhnyч(доп). В местах сопряжения старой и новой дорожной конструкции. При этом знаки hIпуч и hIIпуч обозначают соответственно величины пучения на участке существующей дорожной конструкции и на участке уширения дороги. Указанные допустимые значения Δhnyч(доп) приведены в табл. табл. (53).

Таблица 53

Минимальная температура грунта под дорожной одеждой, минус °С

Допустимая разность между величинами пучения грунтов в местах сопряжения старой и новой дорожной конструкции.

При земляном полотне из песчаных грунтов.

При земляном полотне из глинистых грунтов.

10,0 °С и более

0,7 см

0,6 см

7,0 °С

0,6 см

0,5 см

4,0 °С

0,5 см

0,4 см

2,0 °С

0,4 см

0,3 см

0,5 °С

0,3 см

0,2 см

Примечания:

1) При разных грунтах в местах сопряжения старой и новой дорожной конструкции в расчет следует принимать значения, указанные для глинистых грунтов.

2) Значение минимальной температуры грунта под дорожной одеждой следует определять согласно изложенному в п. 4.

Третье требование. Интенсивность изменения пучения грунтов по ширине проезжей части не должна превышать величин, указанных в табл. (54). При этом указанную интенсивность пучения следует определять по выражению (hпуч(н) - hпуч(s)/S, где hпуч(н) - величина пучения грунтов в местах сопряжения старой и новой дорожной конструкции, hпуч(s) - величина пучения грунтов в см в рассматриваемой точке земляного полотна.

Таблица 54

Расстояние по ширине проезжей части от места сопряжения старой и новой дорожной конструкции до рассматриваемой точки земляного полотна, S, см

Допустимая интенсивность изменения пучения грунтов по ширине проезжей части,
(
Δhпуч/S)доп

10

0,0026

20

0,0026

30

0,0025

40

0,0024

50

0,0023

60

0,0023

70

0,0022

80

0,0021

90

0,0020

100 и более

0,0020

Как следует из результатов расчета, приведенных в п. 5, величина пучения грунтов в местах контакта старой и новой дорожной конструкции соответственно составляет 1,7 см и 2,4 см. Разница между ними равна 2,4 см - 1,7 см = 0,7 см. Указанные значения получены при сопряжении насыпи из суглинка с насыпью из песка. Нужно установить допустима ли такая разница между величинами пучения грунтов в рассматриваемом регионе, где минимальная температура грунта под дорожной одеждой равна минус 10 °С и более. По табл. (53) имеем, что допустимая разность между величинами пучения грунтов в местах сопряжения старой и новой дорожной конструкции составляет Dhnyч(доп) = 0,6 см.

Ввиду того, что (2,4 см - 1,7 см) > Dhnyч(доп) = 0,6 см. следует ожидать появление трещин в покрытии в местах сопряжения старой и новой дорожной конструкции,

Как следует из результатов расчета пучения грунтов на участке существующей дорожной конструкции, разница между указанными величинами в точках 11 и 21 (рис. 14, А) составляет 1,7 см - 1,2 см = 0,5 см при расстоянии между этими точками 0,5 м. Нужно установить, допустима ли такая разница между величинами пучения грунтов в точках 11 и 21?

Для этого определяем значение интенсивности изменения пучения грунтов на участке длиной 0,5 м. Эта величина равна (1,7-1,2)/50 = 0,01. По табл. (54) допустимая интенсивность изменения пучения грунтов составляет 0,0023 при S = 50 см. Ввиду того, что значение интенсивности изменения пучения грунтов равное 0,01 превышает допустимую величину, следует ожидать появление трещин в покрытии.

7.2. Мероприятия по обеспечению допустимой эпюры пучения грунтов по ширине проезжей части

Указанные мероприятия проектируют на участке уширения земляного полотна таким образом, чтобы выполнялись требования:

● по допустимой величине пучения грунтов (hnyч(доп));

● по допустимой разнице между величинами пучения грунтов в местах сопряжения старой и новой дорожной конструкции (табл. 53);

● по допустимой интенсивности изменения пучения грунтов в переходной зоне (табл. 54).

Длину переходной зоны lпз определяют методом подбора по формулам:

при hnyч(н) > hnyч(к)lпз = (hnyч(н) - hnyч(к))/( Dhnyч/S)доп                                            (124)

при hnyч(н) < hnyч(к) lпз = hnyч(к) - hnyч(н)/( Dhnyч/S)доп

где hnyч(н) - величина пучения грунтов (в см) в начале переходной зоны, т.е. в местах сопряжения старой и новой дорожной конструкции;

hnyч(к) - величина пучения (в см) в конце переходной зоны, на границе которой формуле (68).

В качестве примера определим величину lпз при hnyч(н) = l,2 см и hnyч(н) = 1,3 см. Задаемся величиной S = 40 см. При этой величине определяем по табл. 45 значение (Dhnyч/S)доп = 0,0023. После чего вычисляем по форм. (124) величину lпз = 42 см. Ввиду того, что lпз = 42 см отличается от заданной величины S = 40 см всего на 2 см, принимаем в качестве искомой величины lпз = 41 см.

В табл. (55) приведены рекомендации по выбору нужных мероприятий, позволяющих обеспечить допустимую эпюру пучения грунтов по ширине проезжей части дороги.

Таблица 55

№ п/п

Условия промерзания и пучения грунтов, при которых необходимо проведение мероприятий по обеспечению ровности покрытия и недопущение образования трещин в дорожной одежде.

Наименование мероприятий, которые нужно устраивать на участке уширения дороги.

1

2

3

1

,

Снижение глубины промерзания земляного полотна до величины

Уменьшение пучения грунтов в переходной зоне до величин:

,  или уменьшение пучения грунтов по всей ширине вновь устраиваемой проезжей части до величины

2

,

Снижение глубины промерзания земляного полотна до величины

Увеличение пучения грунтов впереходной зоне до величин: ,

увеличение пучения грунтов по всей ширине вновь устраиваемой проезжей части до величины  

3

,  

 

Увеличение глубины промерзания земляного полотна до величины  

Уменьшение пучения грунтов в переходной зоне до величии: ,  или уменьшение пучения грунтов по всей ширине вновь устраиваемой проезжей части до величины  

4

,  

 

Увеличение глубины промерзания земляного полотна до величины

Увеличение пучения грунтов в переходной зоне до величин: ,  или увеличение пучения грунтов по всей ширине вновь устраиваемой проезжей части до величины  

5

,  

Уменьшение пучения грунтов в переходной зоне до величин:

 или уменьшение пучения грунтов по всей ширине вновь устраиваемой проезжей части до величины

6

 

Увеличение пучения грунтов в переходной зоне до величин:

 или увеличение пучениягрунтов по всей ширине вновь устраиваемой проезжей части до величины  

7

,  

Уменьшение пучения грунтов в переходной зоне до величин:

 или уменьшение пучения грунтов по всей ширине вновь устраиваемой проезжей части до величины

8

,  

Увеличение пучения грунтов в переходной зоне до величин:

 или увеличение пучения грунтов по всей ширине вновь устраиваемой проезжей части до величины

В табл. (55) приняты следующие обозначения:

 - глубина промерзания земляного полотна на участке уширения дороги после устройства мероприятий по регулированию водно-теплового режима;

 - величина пучения грунтов на участке уширения дороги после устройства мероприятий по регулированию водно-теплового режима земляного полотна;

- то же в начале переходной зоны;

- то же в конце переходной зоны;

 - глубина промерзания земляного полотна за пределами переходной зоны на участке существующей дорожной конструкции;

 - глубина промерзания земляного полотна за пределами переходной зоны на участке уширения дороги;

 - величина пучения грунтов за пределами переходной зоны на участке существующей дорожной конструкции;

 - то же в начале переходной зоны;

 - то же в точке на расстоянии S от начала переходной зоны;

 - величина пучения грунтов за пределами переходной зоны на участке уширения дороги;

 - то же в начале переходной зоны;

 - то же в точке на расстоянии S от начала переходной зоны;

Δhnyч(доп) - допустимая разность между величинами пучения грунтов в местах сопряжения старой и новой дорожной конструкции (табл. 53);

hnyч/S)доп - допустимая интенсивность изменения пучения грунтов по ширине проезжей части (табл. 54).

Снижение глубины промерзания земляного полотна осуществляют:

● путем устройства теплоизолирующих слоев из пенопласта на участке уширения дороги;

● путем применения дорожно-строительных материалов, позволяющих уменьшить значение коэффициента теплопроводности эквивалентного слоя дорожной одежды на участке уширения дороги (форм. 9).

Увеличение глубины промерзания земляного полотна осуществляют:

● путем применения дорожно-строительных материалов, позволяющих увеличить значение коэффициента теплопроводности эквивалентного слоя дорожной одежды на участке уширения дороги (форм. 9);

● путем устройства земляного полотна из грунтов с необходимыми характеристиками (форм. 42).

Снижение пучения грунтов осуществляют:

● путем увеличения толщины морозозащитного слоя дорожной одежды на участке уширения дороги;

● путем устройства теплоизолирующего слоя из пенопласта на участке уширения дороги;

● путем устройства дренирующих, гидроизолирующих и капилляропрерывающих прослоек в теле насыпи на участке уширения дороги.

Увеличение пучения грунтов осуществляют:

● путем применения дорожно-строительных материалов для устройства дорожной одежды, позволяющих увеличить глубину промерзания грунтов при 3-ей схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна на участке уширения дороги;

● путем снижения толщины морозозащитного слоя на участке уширения дороги;

● путем устройства земляного полотна из грунтов с более пучинистыми свойствами на участке уширения дороги.

Дорожную конструкцию следует проектировать таким образом, чтобы эпюра пучения грунтов по ширине проезжей части отвечала указанным требованиям в расчетные годы, а именно:

● в первый год после уширения дороги;

● в год установления максимального значения коэффициента пучения грунта на участке уширения дороги;

● в год установления «бытовой» плотности грунта на участке уширения дороги.

При 1-ом типе (схеме) увлажнения рабочего слоя земляного полотна не происходит разуплотнение грунтов в процессе эксплуатации дороги. В этом случае можно проектировать дорожную конструкцию только по данным о водно-тепловом режиме земляного полотна в первый год после уширения дороги. При наличии в этот год допустимой эпюры пучения грунтов по ширине проезжей части будет обеспечена морозоустойчивость дорожной одежды в течение всего периода между капитальными ремонтами.

7.3. Проверка дорожной одежды на осадкоустойчивость

В районах с сезонным промерзанием грунтов происходит круглогодичный процесс изменения плотности-влажности грунтов земляного полотна.

Этот процесс состоит из четырех периодов: набухание осенью, пучение зимой, осадка грунта при оттаивании весной и усадка при высыхании летом. Круглогодичные изменения плотности-влажности грунтов повторяются в течение всего срока службы сооружения.

При 1-ой схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна

(hнаб + hпуч) = (hосад + hусад) и Ку(л) = Ку(о),

где hнa6 - набухание грунта за осень, см;

hпуч - пучение грунта за зиму, см;

hосад - осадка грунта при оттаивании весной, см;

hусад - усадка грунта при высыхании летом, см;

Ку(л) - коэффициент уплотнения грунта после его усадки летом;

Ку(о) - коэффициент уплотнения грунта, достигнутый при строительстве дороги.

При 2-ой и 3-ей схемах увлажнения рабочего слоя земляного полотна

(hнаб + hпуч) > (hосад + hусад) и Ку(л) < Ку(о),

При 1-й схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна происходит восстановление в летний период плотности грунта достигнутой при строительстве дороги. При 2-ой и 3-ей схемах увлажнения рабочего слоя земляного полотна происходит разуплотнение грунта до тех пор, пока плотность грунта в летний период не станет равной так называемой бытовой плотности Ку(б) = 0.

В этом случае (hнаб + hпуч) = (hосад + hусад) и Ку(л) = Ку(б),

При устройстве земляного полотна из ненабухающих или слабонабухающих грунтов, находящихся под нагрузкой от веса дорожной одежды, можно принять hнаб = 0.

На участках уширения автомобильных дорог следует проводить проверку дорожной одежды на осадкоустоичивость при оттаивании земляного полотна в весенний период. Указанную проверку должна пройти конструкция дорожной одежды, удовлетворяющая требования прочности, морозоустойчивости и дренирования.

Осадкоустойчивость дорожной одежды обеспечена в том случае, когда эпюра осадки грунтов по ширине проезжей части отвечает следующим требованиям.

Первое требование. Разница между величинами осадки грунтов  и  в местах сопряжения старой и новой дорожной конструкции не должна превышать допустимых значений Δhnyч(доп). При этом знаки  и  обозначают соответственно величины осадки грунтов на участке существующей дорожной конструкции и на участке уширения дороги.

Указанные допустимые значения Δhосад(доп) равны соответствующим величинам Δhnyч(доп) в табл. (53).

Второе требование. Интенсивность изменения осадки грунтов по ширине проезжей части не должна превышать допустимых значений (Δhосад/S)доп которые равны соответствующим величинам (Δhnyч/S)доп в табл. (54). При этом указанную интенсивность осадки следует определять по выражению (hосад(н) - hосад(s))/S где hосад(н) - величина осадки грунтов в местах сопряжения старой и новой дорожной конструкции, a hосад(s) - величина осадки грунтов в см в рассматриваемой точке земляного полотна.

Величину осадки грунта определяют согласно изложенному в п. 4.1. В начале устанавливают по графику (рис. 12) минимальное значение коэффициента уплотнения грунта весной Ку(тiп), которое можно ожидать при многократном промерзании-оттаивании земляного полотна в процессе эксплуатации дороги. Эту величину определяют в зависимости от плотности грунта в момент постройки дороги Ку(о) и давления на рассматриваемый слой земляного полотна от веса вышележащего грунта и дорожной одежды (Р, кПа).

При 1-ой схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна величина коэффициента Ку(тiп) не может быть меньше значения по формуле

Ку(тiп) = Ку(о)·(1 - еусад)                                                                                       (125)

где Ky(о) - коэффициент уплотнения грунта в момент постройки дороги;

еусад - относительная усадка грунта в летний период, доли единицы.

еусад = 1 - (1 + аусад·Wопт)/(1 + aусад·Wв(к)),                                                          (126)

где aусад - коэффициент линейной усадки грунта по табл. 35;

Wопт - оптимальная влажность грунта, доли единицы;

Wв(к) - влажность грунта в конце весны, доли единицы.

Затем нужно установить по графику (рис. 13) значение осадки грунта (hocad, см) в первый год после устройства уширения дороги. Искомую величину определяют в зависимости от величины пучения грунта и значения коэффициентов уплотнения Ку(о) и Ky(min). При промерзании двухслойного земляного полотна определяют величину hосад. Для каждого слоя и суммируют.

Необходимость проверки дорожной одежды на осадкоустойчивость подтверждают результаты расчета, в частности, проведенные при следующих исходных данных:

- коэффициент уплотнения тяжелого пылеватого суглинка на участке существующей дорожной конструкции равен Ку = Ку(б);

- коэффициент уплотнения тяжелого пылеватого суглинка на участке уширения дороги равен Ку = 1,0;

- величина усадки тяжелого пылеватого суглинка в летний период равна hусад = 0 из-за высокого уровня стояния подземных вод;

- давление на грунт от веса дорожной одежды составляет 10 кПа;

- величина пучения тяжелого пылеватого суглинка на участке существующей и вновь устраиваемой дорожной конструкции равна 4 см в первый год после уширения дороги.

Равенство значений   достигнуто в результате применения мероприятий по регулированию водно-теплового режима земляного полотна, изложенных в п. 7.2.

При указанных исходных данных величина осадки грунта на участке существующей дорожной конструкции равна:  см. Соответствующую величину на участке уширения дороги определяли по графикам (рис. 12 и 13). При Р = 10 кПа и Kу(о) = 1,0 имеем по графику (рис. 12, д) Ky(min) = 0,93. При Ку(о) = 1,0 и Ky(min) = 0,93 имеем по графику (рис. 13) , откуда  см. При  cм следует ожидать появления трещин в покрытии.

Мероприятия по обеспечению осадкоустойчивости дорожной одежды должны быть направлены на уменьшение разницы между величинами пучения и осадки грунта на участке уширения дороги. Это осуществляют двумя путями, первый из которых заключается в переводе 2-ой и 3-ей схемы увлажнения в 1-ую схему увлажнения рабочего слоя земляного полотна на участке уширения дороги. Для обеспечения 1-ой схемы увлажнения рабочего слоя устраивают гидроизолирующие и капилляропрерывающие прослойки на всю ширину земляного полотна на участке уширения дороги. Глубина их заложения от верха покрытия должна быть такой, чтобы грунт под прослойками находился под давлением от веса дорожной одежды и вышележащих слоев грунта, при котором Ку(тiп) = Ку(0) (см. рис. 12).

Второй путь решения указанной задачи заключается в применении тех грунтов, которые под действием нагрузки от веса дорожной одежды обеспечивают осадку грунта при оттаивании, при которой Ky(min) = Ky(o), (см. рис. 12).

7.4. Обеспечение равнопрочности дорожной одежды по ширине проезжей части

Согласно ОДН 218.046-01 прочность конструкции оценивается величиной коэффициента прочности. Для обеспечения равнопрочности дорожной одежды необходимо, чтобы коэффициент прочности вновь проектируемой конструкции был бы равен коэффициенту прочности существующей дорожной конструкции в течение всего периода эксплуатации дороги между капитальными ремонтами.

Для определения указанного коэффициента необходимо знать значения прочностных и деформационных характеристик грунтов по ширине проезжей части. Методика определения этих характеристик в различные периоды года изложена в п. 6.

Для расчета значения сцепления в грунте и его угла внутреннего трения, и модуля упругости грунта необходимо знать средневзвешенные значения влажности грунта рабочего слоя земляного полотна. При промерзании рабочего слоя значения влажности грунта определяют по формулам:

                                                                        (127)

где W1, WII и WIV - средневзвешенные значения влажности грунта рабочего слоя земляного полотна соответственно в летний, осенний и весенний периоды года, %;

Wв(к) - влажность грунта в конце весны, %;

Wл(к) - влажность грунта в конце лета, % (Wл(к) - Wопт);

Wос(к) - влажность грунта в конце осени, %;

We(n) -  влажность грунта в начале весны, %;

π - значение пи (π ≈ 3,14).

Установим для первого года после уширения дороги значения указанных характеристик грунта насыпи при следующих исходных данных:

- дорога находится в районе г. Москвы; уширение дороги проводится на участках 2-ой схемы увлажнения рабочего слоя земляного полотна;

- на существующем участке дороги насыпь из суглинка легкого пылеватого (Wопт = 15,3 %, WL = 27,0 %);

- на участке уширения дороги насыпь из супеси легкой (Wопт = 10,5 %, WL = 18,0 %);

- значения влажности W/WL. суглинка легкого пылеватого в различные периоды года (табл. 27, 42): Wв(к)/WL = 0,69, Wл(к)/WL = 0,57, Wос(к)/WL = 0,65, Wв(н)/WL = 0,70;

- значения влажности W/WL супеси легкой в различные периоды года (табл. 27, 42): Wв(к)/WL = 0,66, Wл(к)/WL = 0,58, Wос(к)/WL = 0,66, Wв(н)/WL = 0,68;

- продолжительность летнего периода понижения влажности грунта - 148 сут.;

- продолжительность осеннего периода повышения влажности грунта - 72 сут.;

- продолжительность весеннего периода оттаивания грунта - 18 сут. (табл. 44);

- интенсивность движения расчетных автомобилей в первый год после уширения дороги 1500 авт./сут.

Расчет проводим в следующем порядке. Определяем по форм. (127) средневзвешенные значения влажности суглинка легкого пылеватого на участке существующей дорожной конструкции.

W1 = 0,69 - 2·(0,69 - 0,57)/3,14 = 0,61.

WII = (0,57 + 0,65)/2 = 0,61.

WIV = (0,70 + 0,69)/2 = 0,70.

Определяем по форм. (99-102) суммарное количество проходов расчетного автомобиля:

 = 1500·148 = 222000 авт.

 = 1500·72 = 108000 авт.

 =1500·18 = 27000 авт.

Определяем по форм. (117-119) расчетные значения сцепления в суглинке легком пылеватом.

 =0,019 - 4·0,0025 - 0,0013(lg27000 - 4) = 0,008 MПa.

 МПа.

 МПа.

Определяем по форм. (121-123) значения угла внутреннего трения в суглинке легком пылеватом.

 град.

 град.

 град.

Определяем по табл. (52) значения модуля упругости суглинка легкого пылеватого (Егр, МПа) в различные периоды года:

в весенний период Егр = 46 Мпа

в летний период Егр = 6 % Мпа

в осенний период Егр = 68 МПа.

По тем же расчетным зависимостям получены значения ,  и Егр для супеси легкой на участке уширения дороги. Они представлены в табл. (56).

Таблица 56

Период года

Прочностные и деформационные характеристики грунта рабочего слоя земляного полотна

Па участке существующей дорожной конструкции

На участке уширения дороги

, МПа

, град

Егр, МПа

, МПа

, град

Егр, МПа

Весна

0,008

8,7

46

0,007

17,1

51

Лето

0,010

10,3

68

0,006

13,1

56

Осень

0,010

9,9

68

0,006

12,4

55

Примечания: 1. На участке существующей дорожной конструкции рабочий слой из суглинка легкого пылеватого, на участке уширения дорога - из супеси легкой. 2. Приведенные в таблице значения ,  и Егр получены для первого года после уширения дороги на участках 2-ой схемы увлажнения рабочего слоя земляного полотна.

Для расчета дорожной одежды на прочность нужно иметь данные о значениях ,  и Егр на участке уширения дороги после того, как там установится «бытовая» плотность грунта, а также в первый год после окончания строительных работ. В указанные годы нужно иметь данные о значениях ,  и Егр по ширине проезжей части, в том числе в местах сопряжения старой и новой дорожной конструкции и в местах сопряжения проезжей части с обочинами. То же на участке существующей дорожной конструкции. Разница в одном - расчет надо проводить только при плотности грунта равной «бытовой» плотности на участке существующего земляного полотна. Методика определения указанных величин изложена выше.

При условии выполнения нормативных требований, предъявляемых к дорожной одежде на прочность, рассматривают следующие варианты решения конструкции:

· устройство основания дорожной одежды разной толщины по ширине проезжей части на участке уширения дороги;

· армирование покрытия дорожной одежды на существующем земляном полотне и на участке уширения дороги геосетками;

· периодическое утолщение покрытия вновь устраиваемой дорожной одежды до установления на участке уширения дороги «бытовой» плотности грунта рабочего слоя земляного полотна.

7.5. Особенности проектирования мероприятий по регулированию водно-теплового режима земляного полотна на участках сопряжения проезжей части с обочинами

Выше изложена методика определения плотности и влажности грунтов, их пучения и их осадки в местах сопряжения старой и новой дорожной конструкции. По той же методике надо определять указанные величины в местах сопряжения проезжей части с обочинами. Разница только в том, что в расчет надо включать значение притока воды, поступающей в грунт обочин от атмосферных осадков, выпадающих на поверхность дороги в осенний период.

Искомую величину определяют по формуле:

qатм(об) = 10-3·апр·(Нвп(об) - Нисп(об)                                                              (128)

где qатм(об) - приток воды в грунт от атмосферных осадков, выпадающих на поверхность обочин и от стока воды с проезжей части на обочину в осенний период влагонакопления и зимой до устойчивого промерзания грунта, м3 на 1 м2;

апр - коэффициент, учитывающий дополнительный приток воды, поступающей в грунт до и после расчетного месяца, безразмерная величина, апр = 1,3;

Нвп(об) - количество воды, впитывающейся в последний осенний месяц расчетного года в грунт обочин, мм;

Нисп(об)) - количество воды, испаряющейся из грунта обочин в последний осенний месяц расчетного года, мм;

 - площадь, м2 ( - 1 м2).

Величину Нвп(об) следует устанавливать по формуле:

Нвп(об) = Аукр·iвп·[Тд - Нсм(пр.ч)/iд - (Нсм(об) - Нсм(пр.ч)/iпв]                                       (129)

где Аукр - коэффициент, учитывающий влияние типа укрепления обочин на количество впитывающейся в грунт воды (значения приведены в табл. 57);

iвп - интенсивность впитывания воды в грунт обочин, мм/мин;

Тд - продолжительность выпадения осадков в последний осенний месяц расчетного года, мин. (значения приведены в табл. 7).

Таблица 57

Тип укрепления обочин

Значение коэффициента Аукр

Неукрепленные грунтовые обочины

1,00

Обочины, укрепленные щебнем при плотности 1820 кг/м3

0,90

То же при плотности 1920 кг/м3

0,80

То же при плотности 2000 кг/м3

0,55

То же при плотности 2180 кг/м3

0,40

Обочины, укрепленные песчано-гравийной смесью

0,60

Величину iвп устанавливают методом подбора

                                                                  (130)

где С - коэффициент впитывания воды в грунт обочины, безразмерная величина;

iвп - интенсивность поступления воды на обочину, мм/мин;

I - уклон поверхности обочины, %;

φ(I) - функция уклона поверхности обочины (табл. 58).

При расчете следует иметь в виду, что перед вторым членом уравнения, а также под знаком логарифма не показаны коэффициенты равные единице, увязывающие принятые размерности.

Таблица 58

I %

φ(I)

I %

φ(I)

I %

φ(I)

2

1,59

5

1,74

8

1,82

3

1,66

б

1,75

9

1,85

4

1,70

7

1,80

10

1,86

Коэффициент впитывания «С» рассчитывают по выражению:

                                                             (131)

где Кф - коэффициент фильтрации, м/сут;

Wl - влажность на границе текучести грунта, доли единицы;

Wonm - оптимальная влажность грунта, доли единицы;

Wкв - капиллярная влагоемкость грунта, доли единицы;

0,6 и 30 - значения коэффициентов, увязывающих принятые размерности.

Интенсивность поступления воды на обочину определяют по формуле:

iпв = iд(1 + 0,4·в) - (0,4·в·Нвп(о))/(тд·tвп(о)                                                            (132)

где в - ширина односкатной проезжей части, м.;

iд и тд - интенсивность дождя и число дождей по табл. (7);

Нвп(о) и tвп(о) - величина и продолжительность впитывания осадков в покрытие проезжей части по формулам (13) и (14).

Суммарную величину смачивания поверхности соответственно проезжей части Нсм(пр.ч), мм) и обочины Нсм(об), мм) определяют по формулам (15) и (16). Входящие в эти формулы значения асм и max hсм принимают равными:

- для обочин, укрепленных щебнем или песчано-гравийной смесью, а также для оголенной грунтовой поверхности:

асм = 0,04 мм, maxhсм = 1,5 мм;

- для грунтовой поверхности с травяным покровом средней густоты:

асм = 0,10 мм, maxhсм, = 3,0 мм;

- для грунтовой обочины с густым травяным покровом:

асм = 0,15 мм, maxhсм = 4,0 мм.

Расчет притока воды в грунт при их укреплении слоем асфальтобетона или цементобетона проводят по формулам, представленным в п. 2.1.1.

Среднее значение влажности грунта обочины в последний осенний месяц, как правило, превышает величину оптимальной влажности по методу стандартного уплотнения. В этом случае количество воды, испаряющейся из грунта обочины, определяют по формуле:

Нисп(об) = Вукр·iисп·Тисп,                                                                                         (133)

где Byкр, - коэффициент, учитывающий влияние типа укрепления обочин на процесс испарения воды, безразмерная величина;

iисп - интенсивность испарения воды через неукрепленные (грунтовые) обочины, мм/мин;

Тисп = продолжительность испарения (в мин), равная периоду между дождями в последний осенний месяц.

iисп = 25·10-5·(Е - e)(1 + 0,15v)·lg(l + 80/d),                                                       (134)

где. Е - упругость насыщенного пара на границе с испаряющей поверхностью, гПа;

е - абсолютная влажность воздуха, гПа;

d - дефицит влажности воздуха, гПа;

v - средняя скорость ветра в последний осенний месяц, м/с.

В расчет следует включать следующие значения коэффициента Вукр:

- неукрепленные грунтовые обочины - Вукр = 1,0;

- обочины, укрепленные щебнем, при плотности 1820 кг/м3 - Вукр = 0,55;

- то же при плотности 1920 кг/м3 - Вукр = 0,50;

- то же при плотности 2000 кг/м3 - Вукр = 0,40;

- то же при плотности 2180 кг/м3 - Вукр = 0,35;

- обочины, укрепленные песчано-гравийной смесью - Вукр = 0,70.

В осенний период можно принять: d = Е - е. Значения дефицита влажности воздуха в этот период приведены в табл. (7). Средняя скорость ветра в указанный период обычно составляет 3-6 м/с.

В зависимости от требований, предъявляемых к дороге, назначают мероприятия по регулированию водно-теплового режима земляного полотна в местах сопряжения проезжей части с обочиной. Указанные мероприятия подразделяются на две группы. К первой группе относятся мероприятия, которые предохраняют дорожную конструкцию от образования продольных трещин и «ступенек» в местах сопряжения проезжей части с обочиной. Ко второй группе относятся мероприятия, допускающие такие образования, но ограничивающие их определенными пределами.

Мероприятия первой группы проектируют таким образом, чтобы была обеспечена допустимая интенсивность изменения пучения и осадки грунта по ширине проезжей части и обочины. Методика их проектирования изложена в п. 5. Отличия только в значениях коэффициента уплотнения грунтов (Ку), которые нужно принимать по табл. (59).

Таблица 59

Расчетный год

Значения коэффициента уплотнения грунта перед промерзанием земляного полотна

под проезжей частью

на обочине

1

Ку(0)

Ку(0)

2

Ку(б).пр.ч.

Ку(0)

3

Ky(б)пp.ч.

Ку(0).об.

Примечание: Ку(0) - коэффициент уплотнения грунта рабочего слоя земляного полотна, достигнутый при строительстве уширения дороги; Ky(б)пp.ч. - коэффициент уплотнения, соответствующий «бытовой» плотности грунта под проезжей частью на участке уширения дороги; Ку(0).об. - коэффициент уплотнения, соответствующий «бытовой» плотности грунта обочины на участке уширения дороги.

Мероприятия второй группы проектируют таким образом, чтобы высота «ступеньки» (hcm) в местах сопряжения проезжей части с обочиной не превышала величины, заданной заказчиком дороги. Для выполнения такого требования назначают мероприятия по регулированию водно-теплового режима земляного полотна, позволяющие снизить величину пучения грунта обочины до величины, при которой выполняется условие:

(hnyч(об) - hnyч(пр.ч)hст),

где hnyч(об) - величина пучения грунта на обочине,

hnyч(пр.ч) - величина пучения грунта по кромке проезжей части.

По мнению автора книги можно допускать образование продольной трещины и «ступеньки» в местах сопряжения проезжей части с обочиной только в исключительных случаях на второстепенных дорогах. При этом необходимо систематически устранять (заливать) трещины и выравнивать обочины для обеспечения стока воды.

Заключение

Представленные в настоящей книге материалы исследований говорят о необходимости пересмотра существующей практики проектирования дорожных конструкций на участках уширения автомобильных дорог. Если это не сделать, возможно появление трещин в дорожной одежде и ухудшение ровности покрытия в процессе эксплуатации дороги в районах с сезонным промерзанием грунтов. В связи с изложенным, была разработана новая методология проектирования дороги на участках уширения земляного полотна. Она позволяет решать вопросы по обеспечению равноморозоустойчивости дорожной одежды и ее осадкоустойчивости по всей ширине проезжей части; то же в отношении равнопрочности дорожной одежды.

Для проектирования дорожных конструкций, обладающих такими свойствами, в книге приведены все необходимые материалы. Предложены методы прогноза плотности и влажности грунтов и их прочностных и деформационных характеристик в различные периоды года, температурного поля и пучения грунтов в зимний период, осадки грунтов в весенний период оттаивания земляного полотна, которые можно ожидать по ширине проезжей части существующей и вновь устраиваемой дорожной конструкции. Изложены требования по величине и интенсивности изменения пучения грунтов и их осадки по ширине проезжей части. Описаны способы обеспечения указанных требований: устройство покрытия и основания из дорожно-строительных материалов, теплофизические свойства которых позволяют обеспечить необходимое термическое сопротивление дорожной одежды; включение в конструкцию дорожной одежды морозозащитного (дренирующего) слоя сложной конфигурации; включение в конструкцию дорожной одежды теплоизолирующего слоя из пенопласта; устройство гидроизолирующих, дренирующих и капилляропрерывающих прослоек в теле земляного полотна; устройство насыпи из грунта определенного минералогического и гранулометрического состава; армирование геосеткой покрытия дорожной одежды на существующем земляном полотне и на участках уширения дороги.

В книге показано, что решение поставленных задач возможно только при условии рассмотрения совместной работы двухслойных грунтов, расположенных по глубине промерзания и по ширине проезжей части.

При проектировании дорожной конструкции необходимо учитывать не только грунт рабочего слоя земляного полотна, но и нижележащий грунт с ненарушенной структурой. Это нужно делать обязательно, иначе будет существенно искажена картина водно-теплового режима земляного полотна.

В книге приведены результаты исследований, показывающие необходимость проведения проверки дорожной одежды на осадкоустоичивость при оттаивании грунтов земляного полотна. Такую проверку надо проводить во всех случаях при уширении дороги.

При эксплуатации дороги может происходить разуплотнение грунтов и поступление в земляное полотно воды и холода со стороны раздела между существующей и вновь устраиваемой дорожной одеждой. Изложенная в книге методология проектирования уширения дороги позволяет учитывать эти явления.

Автору книги часто задают вопрос по поводу практики применения песчаных грунтов для устройства уширения земляного полотна. Как правило, применение таких грунтов облегчает проведение строительных работ, но может привести в отдельных случаях к появлению трещин в дорожной одежде и ухудшению ровности покрытия. Приведенные в книге материалы позволяют установить условия, при которых могут иметь место указанные нарушения дорожной одежды. В этих случаях нужно применять глинистые грунты для устройства уширения земляного полотна.

В настоящей книге не рассматривались вопросы долговечности дорожной одежды. В частности, остался открытым вопрос о сроке службы существующей дорожной одежды после устройства уширения дороги до проведения капитального ремонта. В ближайшей перспективе этот вопрос необходимо решить.

Автор надеется, что представленная книга будет способствовать решению транспортной проблемы на территории России и стран СНГ с сезонным промерзанием грунтов.

Автор заранее благодарит всех специалистов, кто дает свои замечания по тексту книги.

Список литературы

1. Пособие по проектированию методов регулирования водно-теплового режима верхней части земляного полотна (к СНиП 2.05.02-85) / под ред. В.И. Рувинского / М., Стройиздат, 1989-97 с.

2. Проектирование нежестких дорожных одежд. ОДН 218.046-01. - М., Минтранс РФ, 2001-145 с.

3. Рувинский В.И. Оптимальные конструкции земляного полотна / 2-е изд. переработанное и доп. - М., Транспорт, 1992-240 с.

4. Рувинский В.И. Пособие по устройству теплоизолирующих слоев из пенопласта styrofoam на автомобильных дорогах России - М, Транспорт, 2000-71 с.

5. Рувинский В.И. Автомобильные дороги. Десять вопросов и ответов - М., Союздорнии, 2001-40 с.

6. Рувинский В.И. Пособие по назначению теплоизолирующего слоя из пенопласта в основании нежестких дорожных одежд капитального типа с асфальтобетонным покрытием - М., Союздорнии, 2004-39 с.

7. Типовые решения по восстановлению несущей способности земляного полотна и обеспечению прочности и морозоустойчивости дорожной одежды на пучинистых участках автомобильных дорог - М., Минтранс. РФ, 2000-101 с.

8. Ярмолинский А.И., Ярмолинский В.А. Проектирование конструкций автомобильных дорог с учетом природно-климатических особенностей Дальнего Востока - Хабаровск, изд-во Тихоокеанского гос. ун-та, 2005-196 с.