герб

ГОСТы

флаг

Методические рекомендации Методические рекомендации по расчету водно-теплового режима для разработки оптимальной конструкции земляного полотна автомобильных дорог

МИНИСТЕ Р СТВ О ТРАНСПОРТНОГО
СТРОИТЕЛ ЬСТВА

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ В СЕСОЮЗНЫЙ ДОРОЖНЫЙ
НАУЧНО- ИССЛ ЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ

СОЮ ЗДО РНИИ

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО РАСЧЕТУ ВОДНО - ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА
ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ОПТИМАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ
ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

Утверждены зам. д иректора Сою здорни и

по научной работ е канд. т ехн. наук

Б.С. Мар ы шевым

О д обрены Глав ным техническим

управлением Минтр а нсстроя

(письмо № 37 -3 -4 п от 21 .01 .81 )

МОСКВА 1983

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАСЧЕТУ ВОДНО-ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ОПТИМАЛЬНОЙ КОНСТРУК Ц ИИ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ. Союздо рнии. М., 1983 .

Изложены методы расчета притока воды в грунт от атмосферных осадков и грунтовых вод, температурного поля земляного полотна в зимний период, в л агонакопления, пучения и осадки грунта, которые позволяют учитывать влияние отдельных конструктив ных элемент ов дороги на водно-тепловой режим, прогнозировать этот режим в выемках и насыпях, в том числе низких, и проектировать инжене рные мероприятия по его регулированию в районах с сезонным промерзанием грунтов.

П редисловие

Снижение объема земляных работ - одна из основных за д ач при строительстве автомобильных порог. Регулируя водно-тепловой режим земляного полотна , можно решить эту задачу, а также повысить долговечность дорожной одежды и улучшить транспо ртно-эк сплуатацио нны е качества покрытия в процессе эксплуатации автомобильной дороги.

Улучшение водно-теплового режима позволяет существенно уменьшить высоту насыпи по сравнению с традиционным решением, а также позволяет применять местные песчаные грунты для устройства мор о зозащит ны х слоев вместо привозных кондиционных песков.

Возможные объемы снижения земляных работ устанавливают на основе проектировани я оптимальной конструкции земляного полотна, которая обеспечивает минимум приведенных затрат, включающих стоимость дорожной одежды и земляного полотна с мероприятиями по регулированию водно-теплового режима, расходы на содержание и ремонт этих элементов дороги, расходы на обеспечение снегонезаносимости дороги в местности, подверженной заносам, расходы на перевозку пассажиров и грузов.

Проектирование оптимальных конструкций земляного полотна в районах с сезонным промерзанием гру н тов во II и III дорожно-кл и матических зонах следует проводить в соотв етствии с настоящ ими «Методическими рекомендаци ями по расчету водно-теплового режима для разработки оптимальной конструкции земляного полотна автомобильных дорог» и «Методическими рекомендациями по проектированию оптимальных конструкций земляного полотна автомобильных дорог на основе методов регулирования вод но-теплового режима» (Союздорнии. М ., 1983 ).

В настоящем издании рассмотрены методы расчета водно-теплового режима земляного полотна на осн ов е разработанных в Союздорнии теорий впитывания атмос ферных осадков и испарения воды из грунтов, теории пучинообразования, основанной на совокупном действии термодинамических сил и объемно-градиентных напряжений в зоне промерзания грунта и на механизме капиллярного подтока влаги к границе льдообразования. Это позволяет учитывать влияние отдельных конструктивных эл ементов дороги на водно-тепловой режи м, прогнозировать этот режим в выемках и насыпях, в том числе низких, проектировать инженерные мероприятия по его регулированию.

Экспериментальные исследования, положенные в основу « Методически х рекомендаций» , проводились более 20 лет на Нежинской и Ржевской опытных станциях, на полигоне и кольцевом стенде Союздорнии, на многочисленных опытных участках и в лаборатории.

«Методические рекомендации» разработал канд . т ехн. наук В.И. Р увинский с участием канд. т ехн. н аук М. Дуйш еналиева, инженеров В.И . Зубковой и С.В. Черняева (Союздорнии), к анд. т ехн. наук С.М. Семенова (ВС ЕГИНГЕО) и канд. техн. наук В.И. К уканова (МАДИ).

Все замечания и пожелания по работе просьба направлять по адресу: 143900 , Московская обл., г. Б алаши ха-6 , Союздорнии.

1. Общие положения

1.1. Настоящие «Методические рекомендации» следует применять при проектировании автомо бильных порог во II и III дорожно-климатиче с ких зонах при разработке оптимальных конструкций земляного полотна на основе регулирования водно-теплового режима в районах с сезонным промерзанием грунтов.

1 .2 . Конструкцию земл яного полотна нужно разра батывать на основе данных о рельефе местности, грунтово-гидрологических и климатических условиях, запроектированного типа дорожной одежд ы и планируемы х мероприятий по регулированию водно-тепловог о режима. Нужно также учитывать условия застройки территории и обеспечения снегонезан осимости дороги, ценность сельскохозяйственных земель, темпы строительства, безопасность движения и вписывание дороги в ландшафт.

1 .3 . При высоте насыпи или глубине выемки, запроектированных по условиям рельефа местности и застройки территории, обеспечения снегонезаносимости дороги и ценности сельскохозяйственных земель, устанавливают тип увлажнения земляного полотна (табл. 1) с учетом толщины доро жной одежды, полученной расчетом на прочность *) при вл ажности грунта, равной полной капиллярной вл агоемкости и требуемой плотности (согласно СНиП II -Д. 5 -72).

*) Расчет на прочность проводят в соответствии с «Инструк ц ией по проектированию дорожных од ежд нежесткого типа» ВСН 46 -72 (М., 1972 ).

1 .4 . «Безопасную» г лубину (м) залегания поверхностных и грунтовых вод и верховодки от низа (каменной части) дорожной одежды ( H б.ур , м ) определяют по выражениям:

Таблица 1

Тип увлажнения земляного полотна

Основные источники увлажнения

Признаки данного типа увлажнения

1

Атмосферные оса д ки

Поверхностный сток на местности обеспечен, в вые мк е продольн ый уклон дороги не менее 20 %о . Грунтовые воды или верховодка залегают на «безопасной» глубине от низа (каменной части *)) дорожной од ежды

2

Атмосфер ный осад ки + поверхностные вод ы, застаивающиеся вблизи дороги в осенний и ве сенний периоды года

Поверхностный сток на местности не обеспечен, в выемке продольный уклон дороги менее 20 %о . Отсутствуют специальные инженерные мероприя тия по защите земляного п олотна от увлажнения пове рхностными водами. Положение расчетного горизонта грунтовых вод или верховод ки то же, что и п ри первом типе увл ажнения

3

Атмосфер ны е осадки + грунтовые воды или верховодка или атмосферные оса д ки + поверхностные воды при круглогодичном их стоянии у подошвы насыпи

Расчетный горизонт грунтов ы х вод или верховод ки з алегает выше «безопасной» г лу бин ы . Почвы с признаками заболачивания и болотны е почвы. Отсутствуют специальные инженерные мероприятия по защите земляного полотна от увлажнения поверхностными и грунтовыми водами и верховодкой

*) Под каменной частью дорожной одежды п онимают ее слои над морозоз ащитны м слоем из песка.

H б.ур > h м.з + h о + h к ,

H б.ур > h пр + h к ,

где h м.з   - толщина морозозащитного слоя из песка;

h о   - толщина активного слоя зем л яного полотна;

h к   - высота капиллярного по д нятия над расчетным горизонтом поверхностных и грунтовы х вод и верховодки;

h пр - глубина промерзания полотна;

h о = ( 3 ,5 ÷ 4 ) D - h од ,

где D - диаметр круга, равновеликого отпечатку колеса расчетного автомобиля;

h од - толщина дорожной одежды вместе с морозозащ итны м слоем.

Глубину промерзания вычисляют по формуле ( 42 ) о т низа (каменной части) дорожной одежды при трех значениях плотности грунта:

требуемой в момент постройки дороги,

соответствующей максимальному коэффициенту пучения ( п. 6.2, рис. 16),

ми н имальном коэффициенте уплотнения, котор ый можно ожид ать после многократного промерзания-оттаивания, когда не происход ит усадки грунта (п. 6.3, рис. 17). В расчет включают влажность грунта, равную полн ой капиллярной вл агоемкости.

Высоту ка пи ллярного поднятия над горизонтом грунтовых вод или верховодкой (п. 4.5, рис. 6) устанавливают при указанных выше значениях плотности грунта. При круглогодичном стоянии поверхностных вод у подошвы насыпи капиллярное поднятие определяют за годы ожида емого стояния этих вод.

В качестве расчетных горизонтов грунтовых в од следует п ринимать их наивысшие уровни весной и осен ью в п ериод между капитальными ремонтами дорожной одежды и среднемноголетнее положение в летни й п ериод (гл. 3).

При наличии верховодки за расчетный уровень этих вод п рин имают горизонт оглеен ия.

1 .5 . Участок местности с необеспеченным поверхн остным стоком, на котором выдерживается «безопасн ое расстояние» от уреза воды до бровки земляног о п олотна, по условиям увлажнения относят к первому типу.

При отсутствии в летний перио д среднемноголетнего года воды на поверхности в теч ение не менее чем 2 /3 продолжительности этого периода «безопасное расстояние» принимается для супесей 5 - 10 м; для легких и легких пылеватых суглинков - 2 - 5 , для тяжелых пылеватых суглинков и глин - не более 2 . Меньшие значения следует принимать для грунтов с большим числом пластичности.

При залегании под основанием земляного полотна и на полосе обреза грунтов разных разновидностей в расчет нужно включать большие значения «безопасных расстояний».

1 .6 . В зависимости от типа увлажнения земляного полотна назначают мероприятия по регулированию водно-теплового режима. Выбор мероприятий и установлени е их влияния на вод но-тепловой режим земляного полотна следует проводить согласно «Методическим рекоменд ац иям по проектированию оптимальных конструкций земля ного полотна автомобильных дорог на основе методов регулирования водно-теплового режима» (Сою здорнии . М ., 1983 ).

1 .7 . Для земляного полотна с рассматриваемы м устройством для регулирования водно-теплового режима нужно определить расчетные значения плотности-влажности и пучения грунта при принятой конструкции дорожной одежды. Первоначально в расчет следуе т вводить плотность грунта в момент постройки дорог и и при этой плотности определять эпюру влажности грунта перед промерзанием земляного полотна.

При первом типе увлажнения земляного полот на эпюру влажности устанавливают т олько от осадков, выпадающих на проезжую часть, обочины и разделительную полосу (пп. 4.1 - 4.4), при втором типе эту эпюру суммируют с эпюрой влажности грунта от поверхностных вод, застаивающихся вблизи дороги осенью; при третьем типе суммируют эпюру влажности от осадков и грунтовых вод или верховодки (п. 4.5) , а на участках с необес печенным стоком - от поверхностных вод.

Установив таким образом суммарную эпюру влажности, нужно рассчитать температурное поле (пп. 5.1 - 5.4) и определить значения плотности, влажности и пучения грунта для конца зим ы ( пп. 6.1 - 6.2). Затем следует вычислить плотность после осадки грунта весной (п. 6.3) , для чего предварительно определить относительную величину этой осадки (п. 6.3). После этог о нужно установить относительную усадку грунта летом (п. 6.3). В расчет вводят влажность грунта под дорожной одеждой в летний период, равную оптимальной при первом и втором типах увлажнения земляного полотна; при третьем типе увлажнения влажность определяю т по эпюре влажности (п. 4.5). На следующем этапе необходимо вычислить значение коэффициента уплотнения после усадки грунта летом (п. 6.3) . При совпадении (или разнице не более 1 %) этой величины со значением плотности грунта при постройке дороги расчет закончен. В противном случае расчет нужно повторить при плотности грунта перед промерзанием, равной величине, установленной по формуле ( 58). Набухание грунта осенью не учитывают, так как оно незначительно при влажности летом, равной или более оптимальной. При получении того же значения коэффициента уплотнения грунта в летний период, что и ранее, расчет закончен.

По данным этих расчетов получают искомые значения пучения, влажности и плотности грунта в расчетн ы й период (п. 6.2).

1 .8 . По расчетным значениям плотност и и влажности грунтов необходимо установить их прочностные и деформационные характеристики: модуль упругости, угол внутреннего трения и сцепление (согласно «Инструкции» ВСН 46 -72 ).

С учетом этих характеристик следует уточнить по прочности конструкцию дорожной одежды. Затем необходимо вновь установить расчетные значения плотности и влажности грунтов, морозного пучения , п овторить расчет на прочность и определить морозоустойчивость дорожной одежды согласно упомянутым выше «Методическим рекомендациям по проектированию оптимальных конструкций земляного полотна автомобильных дорог на основе метод ов регулирования водно-теплового режима».

Данный вариант заканчивают составлять пр и толщи не дорожной о д ежды, полученной расчетом на прочно ст ь, которая равна или меньше величины, рассчитанной по морозоустойчивости. Если это условие не удовлетворено, то следует изменить конструкцию дорожной одежд ы или выбрать другие мероприятия по регулированию водно-теплового режима земляного полотна и повторить расчет на прочность и морозоустойчивость.

2. Приток воды в грунт от атмосферных осадков

2 .1 . Приток воды в грунт от а тмосферных осадков следует устанавливать для трех периодов. Первый начинается осенью с момента влагонакопления в земл яном полотне и заканчивается зимой при устойчивом промерзании грунта, второй имеет место при оттаивании грунтов под проезжей частью и обочинами во время зимних оттепел ей, третий начинается весной с момента оттаивания активного слоя земляного полотн а и заканчивается при превышении испарения воды над величиной впитывания осадков.

Прогнозировать приток воды в грунт в первый и третий периоды увлажнения следует для расчетного года с наибо л ьшей суммарной продолжительностью выпадения осад ков с периодичностью повторения 1 раз за срок службы покрытия между капитальными ремонтами. Этот срок для капитальных типов покрытий можно принять равным 20 годам. Прогнозировать приток осадков в грунт во второй период увлажнения нужно для трех расчетных лет, включающих наиболее теплый и наиболее холод ный годы с периодичностью повторен ия 1 раз в 20 лет и год со среднемноголетн ими температурами.

2 .2 . Для расчета притока воды в грунт необходимы следующие, данные:

типы покрытия прое з жей части и укрепления обочин, а также размеры конструктивных элементов дороги: ширина проезжей части и обочин, продольный уклон дороги, поперечный уклон проезжей части и обочин (проектные данные);

характеристика грунтов земляного полотна: коэффициент фильтрации, полная капиллярная влагое мк ость , влажность на границе текучести и оптимальная влажность. При ориентировочных расчетах - коэффициент уплотнения грунта и оптимальная влажность;

метеорологические факторы в последний месяц осени *) , а именно: количество осадков и число дожд ей, суммарная продолжительность выпадения ос ад ков и дефицит влажности воздуха заданной обеспеченности, среднемесячные значения интенсивности дождя и скорости в етра;

*) За конец осени и начало весны принята дата устойчивого перехода среднесуточной тем п ературы воз духа через 0 ° С.

метеорологические факторы в первый месяц весны (такие же, как и в последний месяц осени);

метеорологические факторы в зимний период, а именно: суммарная продолжительность осадков, выпадающих в виде дождя и снега, за каж д ый месяц зимы по среднемноголетним данным, среднемесячные температуры воздуха зимой для трех лет: наиболее теплого и наиболее холодного года с периодичностью повторения 1 раз в 20 лет и год со среднем ноголетними температурами.

При установлении характерных участков дороги для расчета притока воды в земляное полотно необходимо учитывать подразделение территории II и III дор ожн о-климатических зон СССР на районы по условиям увлажнения осадками (табл. 2). В основу районировани я положены среднемноголетние значения дефицита вла жности воздуха и осад ков, выпавших в первый весенний и последний осенний месяцы. По этому признаку территория II и III дорожно-климатических зон подразделе н а на 5 районов. При расчете притока воды в грунт можно исп ользовать метеорологические данные, приведенные в табл. 3 для указанных районов по условиям увлажнения осадками.

Таб л ица 2

Номер района (дорожно-климатическая зона)

Географические границы района

1 ( II )

Е вропейская часть II доро ж но-клим атической зоны западнее линии: М ерсраг с (ЛатССР) - Биржай-Укм ерге-Лаздияй (Ли тССР)

2 ( II )

Европейская часть II дорожно-климатической зоны до границы районов 1 ( II ) и 3 ( II )

3 ( II )

Европейская часть II дорожно-климатиче ской зоны к югу от линии: Ковров (Владимирская обл.) - Чухлома (Костромская обл.) - Никольск (Вологодская обл.) - Опарино - Ло йно (Кировская обл.) - Куды мкар (Коми-Пермяц кий нац. о круг) - Оса (Пермская обл.)

Азиатская часть II дорожно-климатической зоны севернее линии: Североура л ьск (Свердловская обл.) - Ур ай-Болчары (Ханты -М ансийский автономный округ) - Кунтики - Нов ая Жизнь (Томская обл.)

4 ( II )

Азиатская часть II дорожно-климатическ ой зоны к югу от границы района 3 ( II ) до линии: Артемовский-Тугулы м (Свердловск ая обл.) - Омут инский (Тюменская обл.)

5 ( II )

Азиатская часть II дорожно - климатической зоны к югу от границы района 4 ( II )

2 ( III )

Европейская часть III дорожно-климатическ ой зоны се вернее линии: Ок ница (Молда вска я ССР) - Лохвица (По лтавская обл.) - Обоянь (Курская обл.) - Задонск (Липецкая обл.) - Ковров (Владимирская обл.) - Оса (Пермс кая обл.) - Ас к ино (Башк ирская АССР) - Куса (Челябинская обл.)

3 ( III )

Европейская часть III дорожно-климатической зоны по границы районов 2 ( III ) и 4 ( III )

4 ( III )

Европейская часть III дорожно-климатической з оны к югу от линии: Новоспасское - Ульяновск (Ульяновская обл.) - Чистополь (Татарская АССР) - Сарапул (Уд муртская АССР) - Лю ртюли - М инд як (Башки рска я АССР)

Азиатская часть III дорожно-климатическ ой з оны между линиями: Н азыв аевск - М арьяновк а (Омская обл.) - Базой (Томская обл.) - Лебед ево (Новосибирская обл.)

5 ( III )

Азиатская часть III дорожно-климатическ ой зоны к западу от границы района 4 ( III ) до линии Фершампенуаз-Аргая ш (Челябинская обл.)

Таблица 3

Номер района

Город

Начало и конец периода

Продолжительность осадков 5 %-ной обеспеченности, ч

Средняя интенсивность дождя, мм/мин

Число дождей 5 %-ной обеспеченности

Дефицит влажности воздуха 5 %-ной обеспеченности, гПа

Средняя скорость ветра, м/с

Первый весенний меся ц

2

Архангельск

21 /IV - 21 /V

210

0 ,006

60

1 ,2

4

Ви льнюс

21/ III - 20 /IV

230

0 ,006

55

1 ,1

4

Ленингра д

3 /IV - 3 /V

210

0 ,006

55

1 ,5

4

Москва

3 /IV - 3 /V

165

0 ,007

50

1 ,8

4

Ржев

5 /IV - 5 /V

200

0 ,006

60

1 ,7

4

Сыктывкар

13 /IV - 13 /V

250

0 ,005

55

1 ,5

4

Чернигов

21 / III - 20 /IV

180

0 ,008

50

1 ,1

4

3

Александровское

25 /IV - 25 /V

180

0 ,007

50

2 ,1

5

Буг ул ьма

10 /IV - 10 /V

200

0 ,007

55

2 ,0

5

Киров

11 /IV - 11/V

190

0 ,007

55

2 ,0

5

Тамбов

31/ III - 30 /IV

180

0 ,007

55

1 ,7

4

4

Свердловск

10 /IV - 10 /V

190

0 ,005

55

1 ,8

6

Тюмень

7 /IV - 7 /V

150

0 ,006

40

2 ,1

4

5

Минусинск

8 /IV - 8 /V

100

0 ,007

40

2 ,2

3

Омск

14 /IV - 14 /V

110

0 ,009

45

2 ,0

5

П о след ний осенний месяц

2

Архангельс к

20/IX - 20 /X

270

0 ,007

80

0 ,5

5

Вильнюс

21/ X - 20 /X I

230

0 ,006

60

0 ,4

4

Лен и нград

11 /X - 10 /X I

240

0 ,007

70

0 ,8

4

Москва

5 /X - 4 /X I

210

0 ,007

55

0 ,9

4

Рже в

5 /X - 4 /X I

230

0 ,005

65

0 ,8

4

Сыктывкар

15 /IX - 15 /X

380

0 ,005

80

0 ,6

4

Чернигов

18 /X - 17 /X I

200

0 ,007

40

0 ,5

4

3

Алекса н дров ское

14 /IX - 14 /X

290

0 ,006

70

0 ,9

5

Бугуль м а

23 /IX - 23 /X

250

0 ,006

55

1 ,1

5

Киров

21/IX - 21 /X

2 90

0 ,006

65

0 ,9

5

Тамбов

7 /X - 6 /X I

230

0 ,006

60

1 ,0

4

4

Свердловск

18 /IX - 18 /X

280

0 ,005

70

1 ,0

6

Тюмень

21 /IX - 21 /X

240

0 ,005

55

1 ,0

4

5

Минусинск

18 /IX - 18 /X

120

0 ,008

45

1 ,2

3

Омск

20/IX - 20 /X

150

0 ,006

45

1 ,1

4

Для зимы суммарная продолжительность осадков за месяц , мин, выпадающ их в виде дожд я, у станавливается по формул ам:

                                             (1)

                                             (2)

г д е Тд.сн    - суммарная продолжительность осадков за месяц, выпадающих в виде дожд я и снега, по среднемноголетним данным, мин;

Кд    - коэффициент, 1 /° С;

- среднемесячная температура воздуха в холодный и теп л ый годы и год со среднемноголетними температурами, ° С;

, ° с

0

- 2

- 4

- 6

- 8

- 10

- 12

Кд

12

11

9 ,5

7 ,5

6

8

4

Формулу ( 1 ) следует применять при расчете продолжит ель ности осадков на европейской части территории II и III дорожно-климатических зон; формулу ( 2) - в районах Восточной Сибири.

Ч и сло дожд ей зимой m д в зависимости от среднем е сячной температуры воздуха  приведено в таб л. 4.

Таблица 4

, ° с

0

- 2

- 4

- 6

- 8

- 10

- 12

m д

7

7

6

5

4

3

2

2 .3 . Приток воды в грунт в первый период увл ажнения атмосферными осадками следует определять по формулам

q I атм(пр.ч) = 10-3 a пр HI вп(пр.ч) ,                                                 ( 3 )

q I атм(об) = 10-3 a пр ( HI вп(об) - HI исп(об) ) ,                                      ( 4 )

где q I атм(пр.ч)     - п риток вод ы в грунт от атмосферных осадков, выпадающих на поверхность проезжей части в осенний период влагонак опления и з имой до устойчивого промерзания грунта, м3 на 1 м2 дороги;

q I атм(об)    - приток воды в грунт от атмосфер ны х осадков, выпадающих на повер хност ь обочин, и от стока воды с проезжей части на обочину в осенний период вл агонакопления и зимой до устойчивого промерзания грунта, м3 на 1 м2 дороги;

a пр   - коэффициент, учитывающий дополнительный приток воды, п о ступающей в грунт до и после расчетного месяца, безразмерная величина; a пр = 1 ,3 ;

HI вп(пр.ч)   - к оличество воды, впитывающейся в последний осенний месяц расчетного года в грунт земляного полотна под проезжей частью, мм;

HI вп(об)    - то же, на обочинах;

HI исп(об)    - количество воды, испаряющейс я из грунта земляного полотна на обочинах в последний осенний месяц расчетного года, мм;

   - площадь, м2 ( = 1 м2 ).

Приток воды в грунт на разделител ь ной полосе дороги устанавливают, как и для обочины, по формуле ( 4), но в расчет вводят значения конструктивных элементов для разделительной полосы. При отсутствии на разделительной полосе лотков, дренажей и других устройств по сбору и отводу поверхностной воды расчёт проводят по формуле

q I атм(р.п) = 10-3 a пр ( HI д - HI исп(р.п) ) ,                                           (5)

где q I атм(р.п)   - приток воды в грунт от атмосферны х оса д ков, выпадающих на разделитель ную полосу в осенний перио д вл агонакопления и з имой до устойчивого промерзан ия грунта, м3 на 1 м2 дороги;

HI д   - количество атмосферных осадков, выпадающих в посл едний осенний меся ц расчетного года, мм;

HI исп(р.п)    - количество воды, испаряющейся из грунта на разделительной полосе дороги в последний осенний месяц расчетного года, мм.

Приток воды в грунт во второй период увлажне ни я атмосферными осадками следует определять по формулам:

q II атм(пр.ч) = 10-3Σ HII вп(пр.ч) ,                                          (6)

q II атм(об) = 10-3Σ HII вп(об) ,                                              (7)

где q II атм(пр.ч)                - приток воды в грунт от атмосферных осадков, выпадающих на поверхность проезжей части в период зимних оттепелей, м3 на 1 м2 дороги;

q II атм(об)                 - приток воды в грунт от атмосфер ны х осадков, выпадающих на поверхность обочин, и от стока воды с проезжей части на обочину, в период зимних оттепелей, м3 на 1 м2 дороги;

HII вп(пр.ч) , Σ HII вп(пр.ч)     - количество воды, впитывающейся в грунт земляног о полотна под проезжей часть ю соответственно в течение месяца и за весь зимний период расчетного года, м м;

HII вп(об) , Σ HII вп(об)     - то же, на обочинах.

Приток воды в грунт в третий период увлажне ни я атмосферными осадками следует определять по формулам:

q III атм(пр.ч) = 10-3 HIII вп(пр.ч) ,                                                  ( 8 )

q III атм(об) = 10-3( HIII вп(об) - HIII исп(об) ) ,                                      ( 9 )

где q III атм(пр.ч)     - приток во д ы в грунт от атмосферны х осадков, выпадающих на поверхность проезжей части весной в период оттаивания грунта, м3 на 1 м2 дороги;

q III атм(об)    - приток воды в грунт от атмосферны х осадков, выпадающих на поверхность обочин, и от стока воды с проезжей части на обочину весной в период оттаивани я грунта, м3 на 1 м2 дороги;

HIII вп(пр.ч)   - количество воды, впитывающейся в первый весенний месяц расчетного года в грунт земляного полотна под проез жей частью, мм;

HIII вп(об)     - то же , на обочинах, мм;

HIII исп(об)    - количество воды , испаряющейся из грунта земляного полотна на обочинах в первый весенний месяц расчетного года, м м;

Следует иметь в виду, что атмосферные осадки, вы п адающие во второй и третий периоды увлажнения, практически не влияют на влажность глинистых грунтов в слоях земляного полотна, в которых происходило морозное пучение. В таких слоях грунты при от таивании дают осадку, во время которой их поры полностью зап олняются водой с частичным ее отжатием в морозозащ итны й слой. При таких условиях атмосферны е осадки аккумулируются в моро зозащитном слое и не п оступают в нижележащий грунт. По тем же причинам осадки практически не влияют на влажность глинистых грунтов в конструкциях без морозозащ итног о слоя из песка.

2 .4 . Впитывание воды в грунт следует определя ть за после д ний осенний и первый весенний месяц ы расчетного года повторяемостью 1 раз в 20 лет и для каждого месяца зимы наиболее холодного и наиболее теплого годов с периодичностью повторения 1 раз в 20 лет, а также года со среднемноголетними температурами.

П оследов ате льнос ть ра сче та впитывания воды

Суммарную величину смачивания поверхности проезжей части и обочин H см , мм, определяют по формулам:

                                             ( 10 )

H см ≤ m д · max h см ,                                                        ( 11)

где а см , max h см    - параметры, учитывающие тип покры тия и состояние грунтовой поверхности;

m д     - число дождей расчетной повторяемости;

d       - дефицит влажности воздуха той же повторяемости, гПа;

Т д       - суммарная продолжительнос т ь осадков той же повторяемости, мин;

  - продолжительность расчетного периода (месяца), мин.

Величины параметров, учитывающих тип покры ти я и состояние грунтовой поверхности, п риведены ниже.

Покрытие                                                                               а см                           max h см

асфальтобетонное                                                    0 ,01                           0 ,5

цементобетонное                                                     0 ,02                           1 ,0

Грунтовая обочина

оголенная                                                                  0 ,04                           1 ,5

с травяным покровом средней густоты                 0 ,10                           3 ,0

с густым травяным покровом                                 0 ,15                           4 ,0

Величину H см устанавливают д ля первого и третьего периодов увлажнения атмосферными осад ками, д ля второго периода H см = 0 .

С у ммарное количество воды, впитывающ ейся в покрытие Нвп(о) , мм, определяют по формуле

Нвп(о) = ао· m д ln (1 + b о i д ,                                 (12)

где а о   - коэффициент, учитывающий тип и состояние покрытия (для а сфальтобетонных покрытий, находящихся в удовлетворительном состоянии, ао = 0 ,003 , д ля цементо-бетонных ао = 0 ,013 );

b о   - коэффициент, учитывающий с т епень заполнения влагой швов, микротрещин и пор бетонного камня перед дождем (для осеннего периода b о = 80 ; для весеннего b о = 100 );

i д   - средняя интенсивность дождя, мм/мин;

t вп(о)   - продолжительность впитывания воды в покр ы тие, мин;

                                             ( 13 )

где H см( п р.ч)   - суммарная величина смачивания поверхности проезжей части, мм; определяется по формулам ( 10) и ( 11).

При возникновении тре щ ин в асфал ьтобетонном пок ры тии следует принимать значение коэффициента ао . таким же, как для цементобетонного покрытия.

Суммарное количество воды, впитывающейся в грунт земляного полотна под проезжей частью H см( п р.ч) , мм, вычисляют по выражениям:

при               ≥ A од Нвп(о)                                         Нвп(пр.ч) = A од Нвп(о)                                     (14 )

при               < A од Нвп(о)                               Нвп(пр.ч) =                                            (1 5 )

где - кол и чество воды, которое может впитаться в грунт, покрытый вод ой, в течение всего рассматриваемого периода, мм (пп. 4.1 - 4.3);

A од    - коэффициент, учитывающий испарение воды из доро д ной одежды и нижележащего грунта и аккумул яцию влаги в сл оях дорожной одежды в рассматриваемый период.

При расчете впитывания за месяц могут быть приняты следующие значения коэффициента A од в зависимости от дефицита влажности воздуха d , г П а:

d

0

1

2

3

4

A од

1 ,0

0 ,7

0 ,3

0 ,2

0 ,1

Интенсивность поступления воды на обочину i п.в , мм/мин, определяется по формуле

                                                         ( 16 )

где   - ширина односкатной или половины двускатной проезжей части по напр а влению стока воды, м;

  - ширина обочины по направлению стока воды, м;

i ст(о)   - интенсивность стока воды с проезжей части на обочину, мм/мин.

Рис. 1. Номограмма дл я определения коэффициента впитывания воды в грунт земляного полотна С: супеси; с углинки и глины. Цифры на кривых - коэффициенты уплотнения грунта

Для равнинных участков можно принять  и , где b и a соответственно ширина односкатной и ли половины двускатной проезжей части и ширина обочины , м.

                                                   (17)

Коэ ф фициент впитывания воды в грунт земляног о полотна С рассчитывают по выражению

                                (18)

где Кф    - коэффициент фильтрации, м/сут;

W т   - влажность на границе текучести грунта , д оли единицы;

W опт   - оптимальная влажность грунта, доли единицы;

W к.в   - полная капиллярная влагоемкость г рунта, доли единицы; определ яется по пробе грунта, подвергавшейся испытанию на фильтрацию.

При ориентировочных расчетах коэффициент С можно определять по графику (рис. 1 ) .

Полную капилл я рную влагоемк ость можно приня ть равной полной влагоемкости ( W п.в , д оли ед иницы) минус 0 ,04 ; 0 ,05 ; 0 ,06 соответственно при коэффициен те уплотнения 1 ; 0 ,98 ; 0 ,95 для песков и супеси и 0 ,02 ; 0 ,03 ; 0 ,04 при тех же значениях плотности для суглинков и глин:

                                                     (19)

гд е ρгр , ρск, ρв   - соответственно пл отность частиц грунта, скелета грунта и воды, кг/м3.

При расчете по формуле ( 19) можно и спользовать осредненны е значения плотности частиц грунта, приведенные ниже.

                                                                                           ρгр, кг/м3

П ы леватая супесь                                                             2660

Легкая супесь                                                                    2680

Легкий п ы леваты й суглинок                                           2690

Легкий суглинок                                                               2700

Тяжелый суглинок                                                            2710

Пылеватая глина                                                              2720

Жирная глина                                                                   2740

Интенсивность впитывания в грунтовые обочины i вп , мм/мин, составит

при              i п.в ≤ 0 ,02 С                    i вп = i п.в ,                                                                        (20 )

при              i п.в > 0 ,02 С                                                   (21)

где φ ( J )   - функция уклона поверхности, приведенная в табл. 5.

Для облегчения расчета инт е нсивность в питывани я можно опред елять по номограмме (рис. 2) ме тодом подбора. Для этого при заданном значении i ст - интенсив ности стока воды с обочины, мм, устанавливают по графику величину J вп . Затем вычисляют величину i вп по формулам: i вп = ( J вп + 0,02) C и i вп = i п.в - i ст . При равенстве о б оих значений i вп п одбор з акончен.

Таблиц а 5

J , %о

φ( J )

J , %о

φ( J )

J , %о

φ( J )

J , %о

φ( J )

2

1 ,59

8

1 ,82

50

3 ,02

200

5 ,62

3

1 ,66

9

1 ,85

60

3 ,17

300

6 ,96

4

1 ,70

10

1 ,86

70

3 ,47

400

7 ,80

5

1 ,74

20

2 ,14

80

3 ,59

600

9 ,00

6

1 ,78

30

2 ,40

90

3 ,80

800

9 ,50

7

1 ,80

40

2 ,75

100

3 ,98

1000

10 ,00

и более

Суммарное количество воды, впитывающейся в грунт земляного полотна на обочинах H вп(об) , мм, следует устанавливать по формуле

                          ( 22 )

где А ук р    - коэффициент, учитывающий влияние типа укрепления обочин на количество впитывающейся в грунт воды (значения А ук р приведены в табл. 6);

H см(об)   - суммарная величина смачивания поверхности обочины, мм, определяемая по формулам ( 10) и ( 11).

Рис. 2 . Номограмма для определения интенсивности впитывания воды в грунт земляного полотна. Ц ифры на кривых - уклон поверхности, %0

2 .5 . Испарение воды из грунта земляного полотна след ует определять за последний осенний и первы й весенний месяцы расчетного год а повторяемостью 1 раз в 20 лет. Величина испарения через обочины H исп(об) , мм, определяется по выражению

H исп(об) = B укр i исп T и сп ,                                                        (23)

где B укр   - коэффициент, учитывающий влияние типа укрепления обочин на процесс испарения ( табл. 6);

i исп     - интенсивность испарения во д ы через неукрепленные (грунтовые) обочины, мм/мин;

                                 ( 24 )

где V         - скорость ветра, м/с; V ≤ 5 м/с;

T и сп        - про д олжительность периода испарения, мин,

T и сп = .                                                                ( 25 )

Таблица 6 *)

*) Таблица составлена В .И. К ук ановы м

Характеристика обочины

Величина коэффициента

A укр

B укр

Неукрепленная (грунтовая)

1 ,00

1 ,00

Укрепленная щебнем при плотности, кг/м 3

1820

0 ,90

0 ,55

1920

0 ,80

0 ,50

2000

0 ,55

0 ,40

2180

0 ,40

0 ,35

Укрепленная песчано-гравийной смесью

0 ,60

0 ,70

3. Расчетные горизонты грунтовых вод **)

**) Методика прогнозирования расчетных горизонтов грунтовых вод написана С.М. Сем е новым.

3 .1 . Для построения эпюры влажности грунтов (п. 4.5 ) сле д ует опред елять три расчетных горизонта грунтовых вод: наивысшие уровни грунтовых вод осе нью и весной в период между капитальными ремонтами и среднемноголетнее положение в летний период. Гидроге о л огический прогноз осуществляют на базе многолетних наблюд ений за режимом грунтовых вод по опорной наблюдательной сети Министерства геологии СССР и других ведомств, а также данных наблюдений за период изысканий. Обязательны региональные оперативны е прогнозы режима грунтовых вод, соста вля емы е В СЕГИН ГЕО.

3 .2 . При наличии многолетних (не менее 20 лет) наблюдений за ре жимом грунтовых вод определ ение расчетных уровней начинают с формирования на базе имеющихся рядов набл юдений выборок, состоящих из уровней грунтовых вод на период промерзания зоны аэрации.

Конкретно расчетные наивысшие уровни следует определять по кривой обеспеченности, построенной графически на клетчатке вероятностей.

Вероятность превышения наивысших уровней на период промерзания зоны аэрации Р, % , определяют по формуле

                                                              (26 )

где m    - поря д ковый номер ранжированных (в поряд ке их убывания) уровней под зе мных вод;

n   - число лет наблюдений.

Результаты расчета используют для построения кривой обеспеченности. При этом применяют вероятностну ю бумагу, на которой кривые приобретают характер спрямленных линий (в преде ле прямой линии), что весьма облегчает их экстрапол яцию.

С построенных таким образом интегральных кривых распределений для каждой наб л юдател ьной скв ажины путем экстраполяции (продол жения кривой распределения в соответствии с характером расположения точек) снимают значения уровней грунтовых вод интересующей обеспеченности.

Если ряд наблюдений включает менее 20 лет, то нужно его удлинять по д анным о пункте-аналоге или по гидрометеорологическим факторам.

Аналог является эффективным и связь считает ся удовлетворительной для удлинения, есл и уравнение связи отвечает критериям Фишера и критерию Стью дента, а коэффициенты парной или множественной корреляции являются существенно значимыми.

Аналогичную методику следует применять при определении расчетного горизонта грунтовых вод весной.

3 .3 . При отсутствии многолетних наблюдений за режимом грунтовых вод на месте изысканий расчетные уровни определяют, используя разовые краткосрочные замеры в период изысканий и прогнозы, составляемые В СЕГИНГЕО. Желательно, чтобы краткосрочные замеры захватывали по времени позднеосенний период, т.е . момент, когда зона аэрации начинает промерзать.

Максимально возможный расчетный уровень грунтов ы х вод (минимальная глубина залегания от поверхности земли) H ос ( max ) , м определяют по формуле

H ос ( max ) = Hj - (1 - λ н ) A ур ,                                             (27)

где Hj   - глубина залегания уровня грунтовых во д н а период изысканий, приуроченных ко времени промерзания зоны аэрации, м;

λ н   - коэффициент относительного положения уровня грунтовых вод, безразмерная величина (определяется по карте прогно з ов ВСЕГИНГЕО);

A ур    - амплитуда многолетних колебаний ур овня грунтовых вод, м.

Коэффициент λ н показывает, какую часть много летней амплиту д ы A ур составляет в д анном году отклонени е уровня грунтовых вод от наиболее низког о за период наблюдений. Диапазон изменения коэффициента от 0 до 1 . При коэффициенте, равном нулю, уровень грунтовых вод в данном году занимает минимал ьное в многолетнем ряду пол ожение и, на оборот, пр и наивысшем за период наблюдений уровне коэффициент λ н равен единице.

Рис. 3 . График зависимости амплитуды многолетних колебаний осенне-зимнего уровня грунтовых вод от глубины их залегания

В распоряжении гидрогеологических режимных партий Министерства геологии СССР имеются для основных гидрогеологических районов страны опорные гр а фик и зависимости амплитуд многолетних колебаний фазовоодноро дны х уровней от глубины залеганий грунтовых вод. Имея такой график, можно для нужной глубины и подход ящего литологического состава грунтов зоны аэрации и водовмещ ающ их пород установить наиболее вероятное значение амплитуды многолетних колебаний уровня грунтовых вод (рис. 3).

Более с л ожным для опред еления расчетных уровней является случай, когда изыскания и соответст венно краткосрочные замеры осуществляются в весенний или летний периоды.

Если замеры приурочиваются к периоду формирования весенних максимальных уровней, то процедура определения расчетных уровней распадается на два этапа.

На первом этапе по расчетному соотношению ( 27 ) определяют весенний максимальный уровень. Из серии уровней, полученных в период весенних изысканий, в качестве Hj выбирается наивысший. Коэффициент относительного положения уровня грунтовых вод λ н нужно брать с карты прогнозов весенних макси ма льны х уровней грунтовых вод, составляемых В СЕГИНГЕО, или же вычислять по ближайшей к району исследований репрезентативной многолетней наблюдательной скважине-аналогу.

На втором этапе от значений весенних максимальн ых уровней, рассчитанных по этой методике, переходят к интересующему уровню на начало промерзания зоны аэрации. Для подавляющей части территории СССР зеркало грунтовых вод в осенне- зимний перио д располагается ниже, чем в весеннее время, вследствие чего задача приведения сводится к вы читанию поправки из величины весенн их максимальных уровней. Величина поправки равняется амплитуде лет не-осеннего спада. Последняя устанавливается по ближайшей наблюдательной скважине, расположенной в сходных природных условиях.

4. Эпюры влажности грунтов перед промерзанием земляного полотна

4 .1 . Для прогноза эпюры влажности необходимы следующие да нные: значения удельных движущих сил менисков и коэффициентов просачивания воды по группам капилляров, плотность скелета грунта, величина полной кап иллярн ой влагоемкости и оптимальная влажность грунта, температура воды, продолжительность перемещения воды в грунтах. Помимо этого нужно знать конструкцию дорожного полотна, положение горизонта грунтовых (см. гл. 3 ) и поверхностных вод, размер притока атмосф е рных осадков в грунт (см. гл. 2 ).

Температура незначительно в лияет на перемещ ение капиллярной воды, поэтому д ля осени и весны в расчетах можно использовать средние значения температуры, равные 5 °С. Значения удельных движущих сил менисков и коэффициентов просачивания нужно устанавливать э кспериментально *). При ориентировочных расчетах можно использовать значения, приведенны е в табл. 7.

*) Методика определения показателей капилляр ны х свойств грунта приведена в книге В.И. Р увинского «О птимальные конструкции земл яного полотна» (М.: Транспорт, 1982 ).

Эпюру влажности грунта получают по данным расчета глубин просачивания воды ( SI , SII , SIII , SIV , м) по ч е тырем группам капилляров (рис. 4), каждая из которых объединяет капилляры с одинаковыми размерами поперечного сечения ( I , II , III , IV - номера групп капилляров).

Таб л иц а 7

Грунт

Коэффициент уплотнения грунта

Показатели капиллярных свойств грунта по группам капилляров

I

II

III

IV

q к (10)

К w(10)

q к (10)

К w(10)

q к (10)

К w(10)

q к (10)

К w(10)

Пески мелкие и п ы леваты е

1 ,0

60

140 ·10-8

55

200 ·10-8

50

240 · 10-8

45

270 ·10-8

Супеси легкие крупные и легкие, супеси п ы леваты е и тяжелые пы леваты е

0 ,90

105

100 ·10-8

90

165 ·10-8

85

200 · 10-8

80

235 ·10-8

0 ,92

110

65 ·10-8

85

135 ·10-8

70

185 · 10-8

60

225 ·10-8

0 ,95

135

25·10-8

80

65 ·10-8

60

110 · 10-8

50

150 ·10-8

0 ,97

170

5·10 -8

125

10 ·10-8

95

20 · 10-8

75

25 ·10-8

0 ,90

175

25 ·10-8

110

40 ·10-8

100

50 · 10-8

90

60 ·10-8

Суглинки легкие и легкие п ы леваты е

0 ,92

200

15 ·10-8

130

35 ·10-8

120

40 · 10-8

110

50 ·10-8

0 ,96

250

5·10-8

185

15 ·10-8

160

35 · 10-8

140

40 ·10-8

0 ,98

280

10 ·10-8

215

5 ·10-8

180

10 · 10-8

160

15 ·10-8

Суглинки тяжелые и тяжелые пылеватые, глины

0 ,92

145

10 ·10 -8

70

35 ·10-8

55

60 · 10-8

30

100 ·10-8

0 ,96

340

60 ·10-10

270

165 ·10-10

195

275 · 10-10

185

325 ·10-10

0 ,98

615

65 ·10-11

505

190 ·10-11

500

325 · 10-11

490

450 ·10-11

Пр имеч ани е . q к(10) - уд ельная движущая сила менисков, гПа, К w (10) - коэффициент просачивания, м/с, при температуре 10 °С.

Рис. 4 . Расчетные схемы увлажнения грунтов грунтовыми водами весной ( а), летом (б ), осенью (в) и верхо водкой в осенн ий период ( г); вода связанная (1) ; капиллярная (2 ); свободная гравитац ионная (3). Остальные обозначения см. ниже

Каж д ая группа капил ляров характеризуется своими значениями удельной д вижущей силы мениска q к , Па, и коэффициента просачивания воды в грунте К w , м/с.

Величины SI , SII , SIII , SIV являются средними значениями ординат в интервале влажности ( ( W кв - W опт )/4) .

Для получения монотонной зависимости W = f ( S ) нужно провести кривую таким образом, чтобы площ адь, заключенная между кривой и осью W , была равна площади ступенчатой эпюры влажности грунта.

4 .2 . Перемещение капиллярной воды в грунтах след ует устанавливать по группам капилляров. Для с лоистых грунтов расчет проводят по уравнениям:

      (28)

                                                         ( 29 )

                                                               ( 30 )

                               (31)

q к = q к(10) (1 - 0,02θв);                                                     ( 32 )

К w = К w (10) (0,7 + 0,03θв);                                                   (33 )

где tn            - про д ол жительность перемещения воды на участке n -го слоя грунта, с;

S            - расстояние, на которое просочилась вода от горизонта поверхностных или грунто вы х вод, м ;

К w ( i ) , К w ( n )     - коэффициенты просачивания в оды, м/с, соответственно в грунте i -го и n -го слоя на участке пути, пройденном водой ;

αi , α n      - угол между осью по направлению движения воды соответственно на i -м и n -м участке и горизонтальным радиусом тригонометрического круга, град (функц ия м sinα приписывается определенный знак в зависимости от того, в какой четвер ти тригонометрического круга лежит ось по направлению движения воды. При перемещении воды по в ертикальному направлению вверх sinα = + 1; при перемещении вниз sinα = -1);

q к( n ) , q к(10)   - у д ельная движущая сила мениска, Па, в n -м слое грунта на участке пути, пройд енном во д ой, соответственно при факт ической температуре и температуре 10 °С;

g            - ускорение свободного падения, м/с2;

h в           - толщина сл оя воды на поверхности, м;

∆ Si         - толщина однородного слоя грунта, м;

ξIi , ξIVi    - коэффициенты соответственно для I и IV группы капилляров i -го слоя грунта, характеризующие степень их заполнения водой, (при просачивании воды на всю толщину i -го слоя грунта ξi = 1, в остальных сл учаях ξi = 0 );

n            - колич ество слоев грунта на пути, пройденном водой; для последнего слоя i = n ;

i             - индекс слоя грунта; для первого слоя грунта по направлению движения воды i = 1;

К w (10)      - коэффициент просачивания воды в грунте при температ у ре 10 ° С, м/с;

θ в           - температура воды в грунте, ° С.

Перемещение капиллярной воды в однородном грунте можно устанавливать по номограммам (рис. 5 и 6 ).

4 .3 . Для конструкций без морозозащитного слоя из песка эпюру влажности глинистых грунтов от атмосферны х осадков устанавливают таким образом. В начале с помощью номограммы (см. рис. 5 ) определяют глубины, на которые может просочиться вода под проезжей частью, обочинами и на разделительной полосе в различные моменты времени, но не бо ле е чем за период от начала вл агонак опления до промерзания земляного полотна. Этот период вкл ючает последний осенни й месяц плюс часть зимы до устойчивого перехода среднесуточной температуры воздуха через минус 2 ,5 и минус 5° С при продолжительности периода от конца осе ни д о наступления указанных температур воздуха соответственно не менее 20 и 10 сут.

Рис. 5 . Номограмма для расчета перемещения капиллярной вод ы в однородном грунте вертикально вниз ( q к - удельная движущая сила _м ениск а, Па; ρв - пл отность воды, к г/ м3; g - ускорение свободного падения, м/с2; h в - с лой воды на поверхности, м)

Рис. 6 . Номограмма для расчета перемещения капиллярной воды в однородном грун те вертикально вверх

При расположении низа д орожной од ежд ы выше капил лярной каймы над грунтовыми и поверхностными водами или над верховодкой расчет глубин просачивания воды проводят для четырех групп капилляров. При ином расположении низа дорожной одежды расчет след ует проводить только для тех капилляров, котор ые наход ятся выше капиллярной каймы.

За начало отсчета глубин просачивания следует принимать: под проезжей частью - низ дорожной одежды; под обочинами - низ их укрепления; на разделительной полосе - поверхность грунта.

По данным таких расчетов устанавливают об ъемы воды, которые поступают в грунт в различные моменты времени под проезжей частью, и сравнивают их с притоком воды в грунт от атмосферных осадков, выпадающих на проезжую часть ( q атм (п р.ч) ). За искомые принимают глубины, при которых сравниваемые вел ичины равны. Аналогично рассчитывают глубины, на которые может просочиться вода под обочинами и на разделительной полосе.

Затем определяют эпюры влажности грунта под проезжей частью, обочиной и разделительной полосой при одномерном перемещении воды. После этого устанавлива ю т зону грунта под дорожной одеждой, в которой происходит прирост влажности за счет поступл ения воды со стороны обочины и разделительной полосы. Для этого вычисляют расстояние, на которое может переместиться вода в поперечном направлении от кромки проезжей части или краевой полосы, если последняя имеет то же покрытие, что и проезж ая часть. Расчет п роводят для различных глубин от низа дорожной одежд ы. Искомое расстояние можно принимать равным глубине просачивания воды на обочине или на раздели тельной полосе минус глубина, на которой определ я ют влажность грунта. На границе зоны увлажнения под д орожной о дежд ой прирост влажности грунта з а счет поступления воды в поперечном направлении равен нулю. В сечении по кромке проезжей части и ли краевой полосы искомая величина влажности на рассматриваемой гл убине равна наибольшему значению влажност и, которую имеет грунт на этой глубине под проезжей частью, обочиной и разд елительной полосой при одномерном перемещении воды *).

*) Изложенный расчет прироста влажности под дорожной одеждой дает несколько завышенные результаты. Более точный, но и более трудоемкий метод расчета изложен в книге В .И. Р увинского «Оптимальные конструкции земляного полотна» (М .: Транспорт, 1982 ).

4 .4 . При устройстве морозозащ итного сл оя из песка на всю ширину земляного полотна нужно устанавливать эпюру влажности гл инистых грунтов от атмосферных осадков по трем расчетным схемам.

Первая схема применяется при расположении низа морозоза щ итного слоя выше капилл ярной каймы над грунтовыми и поверхностными водами или над верховодкой. В этом случае влажность грунта над капиллярной каймой определяется миграцией капиллярно-подвешенной воды, поступающей из морозозащитно го слоя.

Расчет начинают с установления максимального количества воды, которая может просочиться из упомянутого слоя в нижележащий глинистый грунт. Искомую величину q отт ( max ) в ычисляют по формуле ( 1) «М етодических рекомендаций по проектированию оптимальных конструкций земляного полотна автомобильных дорог на основе методов регул ирования водно-теплового режима», принимая Wn = W опт . Затем определяют для проезжей части и обочины значения гл убин по группам капил ляров, на которые просачивается вода от низа мо ро зозащитн ого слоя в различные моменты времени, но не более чем за срок, равный продолжительности последнего осеннего месяца плюс часть зимы до устойчивого перехода среднесуточной температуры возд уха через минус 2 ,5 и минус 5° С плюс период запаздывания промерз ания морозозащитного слоя (формула 43).

В расчет по номограмме (см . рис. 5) вводят величины: , К I w , , К II w , , К III w , , К IV w , где  = qI к - q ср( n ) ,  = qII к - q ср( n ) ,  = qIII к - q ср( n ) ,  = qIV к - q ср( n ) , qI к , qII к , qIII к , qIV к и К I w , К II w , К III w , К IV w - характеристики глинистого грунта под морозозащ итны м слоем, q ср( n ) - с реднеарифметическое значение удельных д вижущих сил менисков для песка морозозащ итного слоя.

За искомые глубины принимают те, которые получен ы на момент, соответствующий начал у промерзания морозозащитного слоя при условии, что объем воды, поступившей в грунт, менее максимальной вели чины q отт ( max ) . В противном случае за искомые принимают глубины, при которых указанные объемы воды равны. Затем рассчитывают эпюры влажности грунта так же, как для конструкций без морозозащитного слоя из песка.

Вторая расчетная схема применяется при расположении морозозащитного слоя в зоне капил л ярной каймы над уровнем грунтовых и поверхностных вод или над верховодкой. В этом случае часть капилл яров глинистого грунта на всю толщину указанной зоны заполнена водой. Высота поднятия воды в некоторых группах капилляров может не достигать низа морозозащитного слоя. Для них нужно рассчитывать эпюры влажнос ти за сч ет поступл ения воды из моро зозащ итного слоя так же, как по первой схеме. При этом д ополнительно учитывают отток воды из морозозащ итного слоя по капиллярам глинистого грунта, полностью заполненным водой. Такой отток происход ит при расстоянии от уровня поверхностных и грунтовых вод или верховодки до низа морозозащитного слоя H мз , м, больше вели чины q ср( n ) /(ρв g ).

В этом случае отток воды ∆ q отт , м3 на 1 м2 дороги, по каждой группе капилл яров глинистого грунта, заполненных вод ой, вычисляют по формуле

                                 (34)

где К w , W к.в , W опт , ρск    - характеристики глинистого грунта;

t    - продолжительность оттока в оды из морозозащитного слоя, с .

Третья расчетная схема применяется при располо ж ении уровня грунтовых вод или верховодки выше отметки низа морозозащитного слоя. В этом случае вода из морозозащитного слоя не по ступает в нижележащий гл инистый грунт.

При устройстве мор о зозащ итного слоя из песка тол ько в пределах проезжей части с трубчатыми дренами под краевыми полосами эпюру влажности глинистого грунта под проезжей частью следует рассчитывать так же, как для конструкции с морозозащ итны м слое м, на всю ширину земляного полотна. Отличие только в размерах притока атмосферных осадков в мо розозащитны й слой и оттока воды из него в ни жележащ ий грунт. Расчет эпюры влажности грунта под обочинами аналогичен расчету, изложенному в п. 4.3.

4 .5 . Эпюры влажности грунтов при их увлажнении грунтовыми водами и верховодкой нужно устанав л ивать в предлагаемой дал ее последовательности.

Вначале сле д ует определить эпюру влажности грунтов в весенний период (см. рис. 4,а ), принимая в качестве расчетного положения грунтовых вод их наивысший уровень. Весной подъем воды имеет пикообразны й характер и продолжительность его обычно не превыш ает 10 - 15 сут. За этот срок нужно установить по формулам ( 28) - ( 33) или с помощью номограммы (см. рис. 5) значения высот капиллярного поднятия воды по группам капилляров, а по этим данным вычислить влажность грунтов над горизонтом грунтовых вод. Вели чина этой влажности находится в пределах от оптимальной до полной капиллярной вл агоемкости. Ниже горизонта грунтовых вод влажность грунта равна полной влагоемкости.

Затем следует определить эпюру влажности грунтов в летний период (см . рис. 4). Для этой эпюры в качестве расчетного горизонта грунтовых вод принимают их среднемноголетнее положение в летний период. Можно принять, что высшее положение менисков капиллярн ой воды, достигнутое в весенний период, не изменяется при понижении горизонта грунтовых вод от весеннего положения к летнему. Такое положение менисков сохраняется до тех пор, пока высота капиллярного подн ятия над горизонтом грунтовых вод в летний период не превышает максимального значения, равного величине q к /(ρв g ). При превышении указанной величины в расчет следует вводить максимальные значения высот капил л ярного под нятия воды h к ( max ) = q к /(ρв g ). П осл е этого нужно установить эпюру влажности грунтов перед промерзанием земляного полотна (см. рис. 4,в ). В э том случае в качестве расчетного горизонта грунтовых вод принимают наивысший их осенний уровень в период между капитал ьными ремонтами дорожной одеж ды . Высоту капиллярного поднятия рассчитывают по формулам ( 28) - ( 33) с учетом эпюры влажности грунтов в л етний период.

В случае перемещения капиллярной воды в о д нород ном грунте расчет по упомянутым выше формул ам проводят при U = 0 . При этом принимают, что P = 0 и r = 0 при поднятии грунтовых вод осенью выше отметки, соответствующей положению менисков в л етний период.

При расположении уровня грунтовых вод ниже этих отметок в расчет вводят значения P = ∆ S и r = ∆ S , где ∆ S - превы шение отметки, соответствующей положению менисков воды в летний период, над расчетным горизонтом грунтовых вод осенью, м.

Высоту капи л лярного поднятия в осенний период над горизонтом грунтовых вод SIV к I или на д пол ожением менисков в летний период ∆ hI к , ∆ hII к , ∆ hIII к определяют за время, равное продолжительности промерза ни я грунтов до капилл ярной каймы.

При наличии верховодки за расчетный уровень этих вод нужно принять горизонт оглеения. В пределах толщи грунта ∆ H вв , где возможно о б разование верховодки, влажность равна полной влагоемкости; ниже этого слоя она принимается равной полной к апил лярной влагоемкости (см. рис. 4,г). Над горизонтом огл еения влажность грунта измен яется от полной капиллярной влагоемкости д о оптимальной. Величину этой вл ажности устанавливают в зависимости от высоты капиллярного поднятия по группам капилляров за период с начала осени до промерзания капил лярной каймы.

5. Температурное поле земляного полотна в зимний период

5 .1 . Температурное поле земляного полотна нужно прогн о зировать с учетом процессов теплопередачи и м ассопереноса. Ход температуры грунта зимой следует определять по следующей расчетной схеме, привед енной на рис. 7 , где приняты следующие обозначения:

- минимальная приведенная *) температура воздуха, °С;

*) Под п риведенной температурой воздуха следует понимать температуру над поверхностью покрытия проезжей части или обочины.

θ min ( i )     - минимальная температура грунта на глубине hi , °С;

θл .о бр     - температура льд ообразования в грунте, °С;

Тпон       - период понижения приведенной температур ы воздуха от 0 °С по , сут ;

Тпов       - период повышения приведенной темпе ра туры воздуха о т  до 0 °С, сут;

   - п ериод от начал а зимы до перехода температуры грунта на глубине hi через θл .о бр , сут;

   - период понижения температуры грунта на глубине hi от θл .о бр до θ min ( i ) , сут;

   - период с постоянной температурой грунта на гл убине hi , сут;

   - период повышения температуры грунта на глубине hi от θ min ( i ) до θл .о бр , сут.

Рис. 7 . Расчетн ая схема температурного пол я земляного полотна в зимний период:
1 - температура возд уха; 2 - ход темп ера т уры грунта на глубине hi , м, от низа (камен н ой части) дорожной одежды; 3 - то же, на глубине hi +1 , т.е . ниже hi ; 4 - то же, на глубине hi +2 , т.е. ниже hi +1 ; 5 - то же, на глубине промерзания за з иму, м (расстояние от низа каменной части дорожной одежды до глубины h пр с температурой, равной температуре льдообразовани я)

5 .2 . Для расчета температурного поля необходимы приведенные ниже данные:

климатические параметры д л я трех расчетных периодов наиболее теплого и наиболее холодного год а (периодичностью повторения 1 раз в период между капитальными ремонтами дорожной одежды) и года со среднемноголетними температурами (см. табл. 8, в которой приведены данные для холодно го и теплого года повторяемостью 1 раз в 20 лет) *);

*) Климатические параметры для пунктов, не указанных в табл. 8, можно установить по методике, изложенной в книге В .И. Рувин ского «Оптимальные конструкц ии земляного полотна» (М.: Транспорт, 1982 ).

среднемесячная скорость ветра за зиму по данным гидрометеослужбы;

конструкция дорожной одежды (материалы сло ев , толщина и плотность слоев) по проекту;

грунтовой разрез земляного полотна и естественн о го основания (наименование грунта и толщины слоев из этих грунтов) в пред елах з оны промерзания по проекту;

положение уровня грунтовых вод перед промерзан и ем земляного полотна (выше или ниже 2 ,5 м от верха покрытия) по расчету, изл оженному в пп. 3.1 - 3.3;

плотность и в л ажность грунтов земляного полотна и естественного основания по расчету, изложенному в пп. 6.1 - 6.3;

коэффициенты теплопроводности слоев доро жн ой одежд ы, мерзлых грунтов, земляного полотна и естественного основания, устанавливаемые экспериментально или принимаемые по табл. 9 и 10;

температура ль д ообраз ования и содержание незамерзшей воды в грунте, устанавливаемые экспериментально или определяемые по формуле ( 35) и табл. 12.

Таблица 8

Город

Температурная характеристика года

Климатические параметры *)

a тепл , °С

a пон , сут

a пов , сут

a зап , сут

a уст , сут

a пр , м

R од( max ) , м2·К/Вт

Архангельск

Холодный

23 ,3

129

78

140

39

0 ,79

2 ,33

Со средне м ноголетним и температурам и

16 ,8

98

88

125

33

0 ,69

2 ,13

Теплый

13 ,7

116

58

143

26

0 ,66

1 ,91

Великие Луки

Холодный

14 ,9

75

75

127

28

0 ,69

1 ,98

Со средне м ноголетним и температурами

6 ,1

103

54

104

16

0 ,48

0 ,88

Теп л ый

4 ,6

71

27

98

6

0 ,18

0 ,66

Вильнюс

Холодный

11 ,9

50

74

102

23

0 ,62

1 ,72

Со среднемноголетними температурами

8 ,3

43

49

80

5

0 ,15

0 ,40

Теп л ый

3 ,3

36

26

62

3

0 ,10

0 ,30

Горький

Холодный

20 ,8

101

52

102

37

0 ,77

2 ,20

Со среднемноголет н ими температура ми

17 ,9

100

41

123

32

0 ,72

2 ,08

Теп л ый

8 ,9

87

65

117

17

0 ,51

1 ,39

Иж е вск

Холодный

21 ,3

154

50

155

41

0 ,81

2 ,37

Со среднемноголетними температурами

19 ,6

117

50

141

37

0 ,77

2 ,27

Теплый

14 ,8

99

37

136

9

0 ,61

1 ,84

Казань

Холодный

22 ,8

84

80

119

40

0 ,79

2,36

Со средне м ноголетним и температурами

12 ,6

86

81

127

34

0 ,74

2 ,14

Теплый

15 ,9

88

55

134

24

0 ,66

1 ,86

Калининград

Холодный

10 ,7

48

69

92

18

0 ,53

1 ,48

Со среднемноголетними температурами

5 ,8

77

45

105

11

0 ,34

0 ,95

Теплый

0,7

15

14

29

1

0 ,03

0 ,10

Киев

Холодный

14 ,5

45

75

90

20

0 ,58

1 ,59

Со среднемноголетним и температурами

12 ,4

21

50

69

14

0 ,42

1 ,15

Теплый

3 ,0

67

25

87

4

0 ,15

0 ,40

Киро в

Холодный

19 ,7

85

79

133

48

0 ,82

2 ,49

Со среднемноголетними температурам и

18 ,3

81

89

125

38

0 ,75

2 ,15

Теплый

14 ,0

52

95

102

30

0 ,68

1 ,81

Кишинев

Холодный

13 ,4

65

23

85

18

0 ,45

1 ,29

Со среднемноголетними температурами

4 ,6

36

34

70

3

0 ,15

0 ,43

Кострома

Холодный

20 ,3

87

80

148

40

0 ,80

2 ,36

Со среднемноголетними температурами

16 ,5

102

55

121

31

0 ,72

2 ,09

Теплый

9 ,1

85

75

110

15

0 ,45

1 ,22

Котлас

Холодный

24 ,4

48

128

108

41

0 ,80

2 ,37

Со средне м ноголетним и температурами

21 ,3

108

79

150

37

0 ,77

2 ,25

Т еплый

11 ,6

96

103

102

19

0 ,52

1 ,50

Ленингра д

Холодный

15 ,2

77

83

127

27

0 ,77

1 ,96

Со средне м ноголе тним и температурами

12 ,6

58

33

91

23

0 ,63

1 ,85

Теп л ый

5 ,1

58

33

91

6

0 ,20

0 ,50

Львов

Холодный

11 ,7

61

45

106

19

0 ,56

1 ,50

Со среднемноголетними температурами

7 ,2

68

40

94

12

0 ,37

1 ,00

Теплый

3 ,1

48

23

70

4

0 ,15

0 ,38

Минск

Холодный

13 ,8

66

60

103

24

0 ,65

1 ,81

Со среднемноголетними температурами

7 ,2

85

43

112

16

0 ,48

1 ,32

Теплый

6 ,5

15

45

57

6

0,19

0 ,52

Москва

Хо л од ный

17 ,5

86

84

135

42

0 ,76

2 ,32

Со среднемноголетними температурами

14 ,0

117

36

120

28

0 ,62

1 ,81

Теплы й

8 ,8

67

77

70

15

0 ,41

1 ,03

Новгород

Холодн ы й

15 ,0

77

74

119

29

0 ,69

2 ,00

Со средне м ноголетним и тем ператур ам и

8 ,0

72

68

124

13

0 ,38

1 ,05

Тепл ы й

6,0

71

30

101

12

0 ,22

0 ,60

П етрозавод ск

Холодный

20,2

101

95

128

35

0 ,75

2 ,18

Со среднемноголетними температурами

15 ,6

76

87

128

28

0 ,69

1 ,98

Теплы й

6 ,6

93

92

96

10

0 ,31

0 ,86

Пермь

Холодный

27 ,1

88

83

118

46

0 ,82

2 ,50

Со сре дн емноголетними температурами

20 ,2

61

101

132

40

0 ,80

2 ,36

Теплый

13 ,2

92

68

114

27

0 ,67

1 ,89

Псков

Холодный

14 ,3

57

95

108

29

0 ,69

1 ,99

Со среднемноголетними температурами

13 ,3

76

73

112

17

0 ,49

1 ,36

Теплый

4 ,4

74

23

97

4

0 ,14

0 ,53

Свердловск

Холодный

27 ,9

129

47

160

47

0 ,82

2 ,54

Со среднемноголетними температурами

25 ,6

61

80

97

36

0 ,76

2 ,24

Теплый

13 ,3

108

34

111

28

0 ,68

1 ,96

Таллин

Холодный

12 ,0

77

84

122

21

0 ,58

1 ,61

Со среднемноголетними температурами

9 ,3

71

75

118

13

0 ,38

1 ,04

Теплы й

2 ,2

29

23

52

2

0 ,07

0 ,20

Ульяновск

Хо л од ный

21 ,0

93

53

129

40

0 ,79

2 ,34

Со средне м ноголетним и температурами

11 ,9

106

53

136

31

0 ,72

2 ,06

Теплый

10 ,6

92

27

105

19

0 ,52

1 ,50

Ус т ь-Ц ильм а

Холо д ный

26 ,0

118

99

203

69

0 ,98

3 ,35

Со среднемноголетними температурами

24 ,0

75

107

116

41

0 ,80

2 ,37

Теплый

14 ,8

122

72

144

33

0 ,73

2 ,11

Уфа

Холодный

25 ,7

117

48

133

45

0 ,82

2 ,48

Со среднемноголетними температурами

16 ,9

75

85

130

37

0 ,78

2 ,27

Теп л ый

11 ,0

75

67

108

26

0 ,66

1 ,87

Примечание . Табл. 8 составлена с учетом полученных В.И. З убковой, М . Дуйш енал иевы м и С.В. Черняевым данных моделирования процесса теплоперед ачи в земляном полотне на гидроинтеграторе.

*) a тепл = ; a пон = T пон ; a пов = T пов ; a зап = t зап при hi = h пр ;

a уст = t уст( o ) при R од( max ) ; i зм = 0,4 и hi = 0; апр = h пр при R од =0, λгр(м) = 1,16, i зм = 0,4 и θл..обр = 0,

где R од     - термическое сопротивление дорожной одежды по формуле ( 36 ) ;

R од( max )   - термическое сопротивление дорожной одежды, при котором не происходит промерзание земляного полотна;

λгр(м)       - коэффициент теплопроводности мерзлого грунта, Вт /( м·К );

i зм           - количество замерзшей воды по формуле ( 38 ).

Количество незамерзшей воды в грунте W нз (доли единиц ы)

W нз = Кнз W р ,                                                            ( 35)

где Кнз   - коэффициент, зависящий от вида грунт а, числа пл астичности и температуры мерзлого грунта;

W р   - влажность грунта на границе раскаты вания, доли единицы.

Применительно к расчету температурного поля содержание незамерзшей воды нужно устанав л ивать при температуре грунта, при которой определ яется его коэффициент теплопроводности. Тогда можно принять следующие значения коэффициента Кнз :

                                                                                                  Кнз

Пески и супеси с числом пластичности 2 и менее          0

Оста л ьные разновидности супеси                                    0 ,25

Суг л инки

с числом пластичности 13 и менее                         0 ,40

с числом пластичности более 13                             0 ,45

Глины                                                                                  0 ,55

Таблица 9

Материал

Плотность, кг /м3

Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К)

Цементобетон

2400

1 ,86

Асфальтобетон

крупнозернистый

2400

1 ,16

среднезер н исты й

2350

1 ,05

мелкозернистый

2300

0 ,93

Битумоминеральная смесь

2300

0 ,99

Щебень

из гранита

1800

1 ,86

известняковый

1600

1 ,40

Гравий

1800

1 ,86

Песок, обработанный

6 - 8 % цемента

2100

1 ,86

битумом

1850

0 ,81

Песок с д обавкой перлита (30 % массы смеси), обработанный битумной эмульсией (10 %) совместно с цементом (4 %)

1440

0 ,79

Ке рамзитобетон

1400

0 ,76

Керамзитовый гравий, обработанный 10 % шл акового вяжущ его

1400 - 1850

0 ,47 - 0 ,58

Аглопоритов ы й щебень, обработанный вязким битумом

800

0 ,23

Стиропорбетон

800 - 1100

0 ,21 - 0 ,23

Пенопласт из полистирола ПС- 4

40 - 60

0 ,04 - 0 ,05

Таблица 10

Плотность скелета грунта, кг/м3

Влажность грунта, доли единицы

Коэффициенты теплопроводности, Вт/(м·К), мерзлых грунтов

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

-

-

5 .3 . Температурное поле земляного полотна следует рассчитывать с помощью номограмм (рис. 8 - 16). Д ля этого предварительно надо определить:

                                             ( 36 )

                                                        (37)

                                              ( 38)

                                             ( 39 )

                      ( 40 )

                     (41)

где R од     - - терм ическ ое сопротивление дорожной одежды , м2·К /Вт;

n од         - количество конструктивных слоев дорожной одежды;

∆ h од( i )    - толщина конструктивного слоя дорожной одежды, м ;

λ од( i )      - коэффициент теплопроводности слоя доро жной одежды, Вт/(м·К );

α           - коэффициент теплообм ена на поверхност и дорожной одежды, Вт/( м2·К);

i зм( i )       - количество замерз шей воды в слое грунта, доли единицы;

V          - среднемесячная скорость ветра, м/с;

i зм          - количество з амерзшей воды в зоне промерзания грунта, доли единицы;

i зм( i )       - к оличество замерзшей воды в слое грунта, дол и е диницы;

n гр         - количество слоев грунта в зоне пром ерзан ия;

∆ h гр( i )    - толщина слоя грунта в зоне промерзания, м;

Wi        - влажность в слое грунта перед его промерзанием, доли единицы;

ρ ск         - плотность скелета грунта, к г/м3 ;

λгр(м)      - ср еднее значение коэффиц иента теплопровод ности мерзлых грунтов в зоне промерзания, В т/( м·К);

λгр(м) i     - коэффициент теплопрово д ности отд ельного слоя мерзлого грунта, Вт/( м·К);

θл.обр     - средняя температура льдообразования грунто в в зоне промерзания, °С;

θл.обр( i )   - температура льдообразования слоя грунта, °С.

Рис. 8 . Номограмма для определения минимальной температуры грунта. Цифры на кривых - колич ество замерз шей воды

Рис. 9. Н омограмма для определения параметров С и Атемп, входящих в расчет глубины промерзания и температуры грунта. Ц ифры на кривых - отношение hi / h пр

5 .4 . Расчет температурн ого поля следует проводить в пред лагаемой далее последовательности.

Вначале устанавливают по формуле ( 35) величину W нз , а по формулам ( 36) и ( 37) - R о д . Затем за д аются глубиной промерз ании h пр и вычисляют по формулам ( 38 ) - ( 41) значения i з м , λ г р(м ) , θл.обр.

По рис. 8 устанавливают минимальную температуру грунта под дорожной о д ежд ой θ min ( o ) при известн ы х значениях R од / R од ( max ) , i зм и a темп . Затем определяют по рис. 9 параметр C при отношении hi / h пр = 1,0 и извес тной величине отношений θл.об р min ( o ) , а по рис. 10 ,а параметры AI пр и BI пр в зависимости от R од / R од ( max ) , i зм . Аналогично устанавливают по рис. 10 ,б параметры AII пр и BII пр и вычисляют глубину промерзания по формуле

                   (42)

Расчет глубины промерзания можно считать за к он ченн ы м при разнице между заданным значением h пр и соответствующей величиной по форму л е ( 42) менее 1 %. В противном случае нужно задаться новым значением h пр и повторить расчет. Пос л е этого вычисл яют отношение hi / h пр . Для полученной величины устанавливают по рис. 9 параметр C при θ л.обр min ( o ) и принимают соответствующее значение β по табл. 11 .

Таблица 11

hi / h пр

Значения β при θ л.обр , °с

0

0,4

0,8

1,2

1,6

2,0

0

1

1 ,12

1 ,24

1 ,36

1 ,48

1 ,60

0 ,2

1

1 ,10

1 ,19

1 ,29

1 ,38

1 ,48

0 ,4

1

1 ,07

1 ,14

1 ,22

1 ,29

1 ,36

0 ,6

1

1 ,05

1 ,10

1,14

1 ,19

1 ,24

0 ,8

1

1 ,02

1 ,05

1 ,07

1 ,10

1 ,12

1 ,0

1

1 ,00

1 ,00

1 ,00

1 ,00

1 ,00

Подставив их в выражение 1 - βС , о пределяют по рис. 9 (кривая без цифр) параметр Атемп, с оответствующий глубине hi .

Рис. 10 . Номограммы д ля определения параметров А I пр , BI пр (а) и А II пр , BII пр (б), входящих в расчет глубины промерзания грунта. Цифры на кривых - количество замерзшей воды

Затем по рис. 8 в зависимости от отнош е ния θ min ( o ) / a т емп и параметра A те мп определяют зна ч ение θ min ( i ) / a т емп , и з которого получают минимальную температуру грунта θ min ( i ) на глубине hi ; для этого в расчет вводят значение a т емп .

Следующим этапом расчета яв л яется определени е продолжительности понижения температуры грунта на глубине hi по рис. 11 в зависимости от R од / R од ( max ) и i зм при известных значениях θ min ( o ) , , θл.обр и a пон .

Рис. 11 . Номограмма для определения продолжительности периода понижения температуры грунта. Цифры на кривых - количество замерз шей воды

По рис. 12 находят параметры A зап и B зап в зависи мости от R од / R од ( max ) и i зм . После этого вычисляют период от начала зимы до перехода температуры грунта при ее понижении через значе н ие, равное θ л.обр на рассматриваемой глубине земляного полотна или его основания:

                           (43 )

По рис. 13 определяют параметры A уст(о ) и B уст(о ) и вычисляют

t уст (о ) = a уст · A у ст(о) · B уст(о) .                                             (44)

На заключительном этапе работы с номограмм ами устанавливают параметры A пов( i ) и t пов( o ) . Перв ый из них опред еляется по рис. 14 в зависимости от отношения hi / h пр , θ л.обр и θ л.обр min ( o ) , второй - из отношения , устанавливаемого по рис. 15 в зависимости от R од / R од ( max ) , i зм и θ л.обр . По э тим д ан ным вычисляют продолжительность повышения температуры грунта t пов( i ) на рассматриваемой глуби не з емляного полотна ил и его основания:

t пов( i ) = A пов( i ) · t пов(о) .                                                               ( 45 )

Рис. 12. Номограмма для определения продолжительности периода запаздывания температуры грунта. Цифры на кривых - количество замерзшей воды

Рис. 13 . Номограмма для определения продолжительности периода с постоянной температурой грунта. Цифры на кривых - количество замерзшей воды

После этого вычисляют продолжительность перио д а с постоянной температурой грунта по формуле

t уст( i ) = t зап(о) + t пон(о) + t уст(о) + t пов(о) - t зап( i ) - t пон( i ) - t пов( i ) ,                                       (46)

где t зап(о) , t пон(о) , t уст(о) , t пов(о) - величины, опре деляющ ие ход температуры грунта при h = 0 (н епосредственно под дорожной одеждой).

Рис. 14 . Номограмма для определения параметра A пов( i ) , входящего в расчет продолжительности периода повышения температуры грунта. Цифры на кривых - температура льдообразования

Рис. 15 . Номограмма для определения продолжительности пери ода повышения температуры грунта. Ц ифры на кривых - количество замерзшей воды

По полученным данным проводят г р афическое построение температурного поля земляного полотна в зимний период в соответствии с рис. 7.

Расчет температурного поля следует повторить несколько раз при ра з личных з начениях коэффициента теплопроводности мерзлого грунта и разном количестве замерзшей вод ы: первый расчет проводят при λгр(м) и i зм , соответствующих плотности и влажности грунтов перед промерзанием; второй, а при необхо д имости третий и последующие расчеты - при λгр(м) и i зм , соот в етствующ их плотности и влажности грунтов после их разуплотнения и накопления влаги в зоне промерзания земляного полотна. Расчет заканчивают, когд а температурные поля, установленные в первый и второй раз или во второй и третий раз и т.д., практически не различаются. В этом случае соответствующие им значения плотности и влажности грунтов в зоне промерзания должны различаться менее чем на 1 %.

Дополните л ьным источником тепл а, который необходимо учитывать, прогнозируя температурное поле земляного полотна, являются грунтовые воды. Вли яни е грунтовых вод на температуру грунта можно учест ь, введя поправочный коэффициент, равный 0 ,7 - 0 ,8 , к величине R од( max ) , е сли уровень грунтовых вод зимой не оп ускается ниже отметки 2 ,5 м от верха покрытия. При этом меньшее значение поправочного коэффициента относится к дорожным одеждам с теплоизоляцио нны ми слоями.

6. Влагонакопление, пучинообразование и осадка грунта

6 .1 . Для прогноза плотности, влажности и п учения грунта необходимы следующие данные: конструкция дорожной одежды, наименование и толщина слоев, характеристики грунта (наименование грунта, число пластичности, влажность на границе раскатывания, оптимальная влажность, наибольшая плотность скелета грунта, установленная методом стандартного уплотнения, коэф фи ц иенты уплотнения грунта земляного полотна пр и постройке д ороги и грун та естественного основани я, плотность частиц грунта, тип увлажнения з емляного полотна, эпюры влажности грунта перед промерзанием, температурное поле земляного пол отна зимой). П омимо этого нужно знать коэффициент пучения грунта, сод ержание незамерзшей воды и температуру льдо образ ован ия, коэффициент, учитывающий влияние нагрузки на ин тенсивность пучения грунта и коэффициент линейной усадки грунта. Эти величины определяют экспериментально *). При ориентировочных расчетах их прин имаю т по графикам и таблицам, приведенным в п. 6.2 .

*) Методика определения упомянутых показателей грунта приведена в книге В .И . Рувинского «Оптимальные конструкции земляного полотна» (М .: Транспорт, 1982 ).

Значения коэффициентов уплотнения грунтов естественного основания определяют непосредстве н но взятием проб в осенний период. При ориентировочных расчетах их можно принять следующими:

Пески, супеси и суглинки п ы леваты е               0 ,90

Суглинки легкие и тяжелые и г л ины                0 ,95

6 .2 . Плотность и влажность грунтов и их пучение зимой следует рассчитывать в предлагаемой последовательности.

Расчет начинают с определения положения по глуби н е в течение зимнего периода изотерм, соответствующих температурам льдообразования и точкам а и б на крив ой содержания незамерзшей воды (табл. 12), для чего, пре дварительно рассчитывают температурное поле земляного полотна в этот период. Затем, у станавлива ют градиенты незамерзшей пленочной воды на глубине промерзания в различные моменты времени. Расч ет проводят по формулам ( 47) - ( 48) , подставляя в них значения глубин упомянутых изотерм и влажности из табл. 12.

Таб л ица 12

Оптимальная влажность грунта, %

Температура льдообразования при оптимальной влажности грунта, -°С

Характеристика точек а и б на кривой содержания незамерзшей воды в грунте

а

б

Температура

θа, -°С

Количество незамерзшей воды

W нз(а) , %

Температура

θб, -°С

Количество незамерзшей воды

W нз(б) , %

Песок мелкий и п ы леваты й

8

0 ,0

0 ,1

2 ,0

0 ,2

0 ,0

10

0 ,0

0 ,2

3 ,0

0 ,4

0 ,0

12

0 ,1

0 ,3

5 ,0

0 ,5

1 ,0

Супесь

10

0 ,1

0 ,3

6 ,0

0 ,5

5 ,0

12

0 ,1

0 ,3

7 ,0

0 ,5

6 ,0

14

0 ,1

0 ,3

8 ,5

0 ,5

7 ,0

16

0 ,2

0 ,3

9 ,5

0 ,5

8 ,0

18

0 ,2

0 ,3

10 ,5

0 ,5

9 ,0

Суглинок

14

0 ,1 /0 ,3

0 ,3 /0 ,5

10 ,0 /10 ,5

0 ,5/1,0

9 ,0 /9 ,0

16

0 ,1/0 ,3

0 ,3 /0 ,5

12 ,0 /12 ,5

0 ,5 /1 ,0

11 ,0 /11 ,0

18

0 ,1 /0 ,3

0 ,3 /0 ,5

13 ,5 /14 ,5

0 ,5 /1 ,0

12 ,5 /12 ,5

20

0 ,2 /0 ,4

0 ,3 /0 ,5

15 ,5 /16 ,5

0 ,5 /1 ,0

14 ,5 /14 ,5

22

0 ,2 /0 ,4

0 ,3 /0 ,5

17 ,0 /18 ,0

0 ,5 /1 ,0

15 ,5 /15 ,5

Глина

18

0 ,6

1 ,5

14 ,0

2 ,0

12 ,5

20

0 ,6

1 ,5

16 ,0

2 ,0

13 ,5

22

0 ,7

1 ,5

17 ,5

2 ,0

16 ,5

24

0 ,8

1 ,5

19 ,5

2 ,0

17 ,0

26

0 ,8

1 ,5

21 ,5

2 ,0

19 ,0

28

0 ,9

1 ,5

23 ,5

2 ,0

20 ,5

Примечания : 1 . Значения характеристик точек к ривой содержания незамерзшей воды в грунте получены по результатам испытания мерзл ых грунтов в калориметре с переменной температурой с использованием завис имости по формуле ( 35 ).

2. Н ад чертой приведены показатели д ля суглинка с числом пластичности 7 и менее; под чертой - с числом плас тичности бол ее 7 .

                                  (47)

                                     (48)

где J нз(о)          - градиент не зам ерзш ей пленочной вод ы, на глубине промерзания, безразмерная величина;

W нз(а) , W нз(б)    - кол и чество незамерзшей воды соответств енно при температуре θа и θб, доли единицы;

z пр    - глубина промерзания на данный момент времени, м;

z а , z б    - глубины, на которых температуры грунта равны соответственно θа и θб, м;

ρск( t ) *)   - плотность ске л ета грунта в зоне промерзан ия на рассматриваемый момент, к г/м3.

*) Вначале в расчет включают плотность грунта перед промерзанием и определяют в первом при б лижении пучение грунта. По величине пучения устанавлива ют плотность грунта после промерзания. По плотности до и после промерзания определяют среднее значение пл отности грунта в период промерзания, которое вводят в формулу ( 47), и повторяют расчет.

После этого следует определить интенсивность пучения полностью водонас ы щенного грунта i пуч , м/ с, на те же моменты времени. Расчет проводят по формулам:

i пуч = Кпуч J нз(о) f ( P ) **);                                                       ( 49)

**) В некоторых случаях расчет может давать зав ы шенные резул ьтаты, так как формула ( 49) не учиты вает скорости подтока капиллярной воды к зоне промерзания грунта. При необходимости уточнения величины i пуч расчет проводят по зависимостям, приведенным в книге В.И. Р увинского «Оптимальные конструкции земляного полотна» (М.: Транспорт, 1982 ).

f(P) = 1 - a п lg (1 + P/Po),                                                  ( 50 )

где Кпуч   - коэффициент пучения грунта, м/с (рис. 16);

a п    - коэффициент, учитывающий влияние н а грузки на интенсивность пучения грунта, безразмерная величина (табл. 13);

P     - нагрузка на зону пучения грунта, равная весу дорожной о д ежды и слоев грунта до глубины промерзания земляного полотна , Па;

Po    - нагрузка на грунт, при которой устанавливается значение коэффициента a п , Па.

Функцию нагрузки на грунт определяют по формуле ( 50) при Po = 9 ,8 кПа в те же сроки, что и остальные величины.

Рис. 16. Значение коэффициентов пучения грунтов в зависимости от их коэффициентов уплотнения:

1 - мелкий песок; 2 - пы ле ваты й песок; 3 - пы леватая супесь; 4 - легкий пы леватый суглинок; 5 - пы леватая глина

Таблица 13

Грунт

Значение a п при коэффициенте уплотнения грунта перед промерзанием

0,80

0,85

0,90

0,95

1,0

Песок мелкий

-

-

-

-

2 ,5

Песок п ы лев аты й

-

-

-

-

2 ,0

Супесь легкая п ы леватая

-

2 ,0

1 ,5

1 ,0

0 ,5

Суглинок легкий п ыл еваты й

-

1 ,0

0 ,8

0 ,6

0 ,4

Глина

0 ,6

0,5

0 ,4

0 ,4

0 ,3

Следующий этап расчета - определение пучения водонас ыщ енного грунта h пуч(о) , м , за отдельные ин тервалы времени с постоянными значениями инт енсивности пучения. В этом случае пучение равно произведе нию его интенсивности, установленной по формуле ( 49), на величину указанного интервала.

Для неводонас ыщ енны х грунтов пучение h пуч , м , следует устанавливать, вводя поправочный коэффициент К V к соответствующему значению для водонас ыщ енного грунта:

h пуч = К V h пуч(о) ;                                                       ( 51)

                         ( 52 )

где Wo   - влаж н ость грунта перед промерзанием, доли единицы;

K ос    - коэффициент уплотнения грунта перед промерзанием;

ρmax   - наибольшая плотность скелета грунта, установл енная по методу стандартного уплотнения, кг/м3.

Отрицательное з начение алгебраической суммы в квадратных скобках показывает, что не все поры, занятые воздухом до промерзания грунта, заполнены льдом. В этом случае в расчете по формуле ( 52) принимают, что значение в квадратных скобках равно нулю. При К V < 0,05 в расчет принимают К V = 0 ,05 для учета миграц ии пленочной и парообразной воды.

При проектировании дорожной одежды необходимо предусматривать обеспечение ее прочности при минимальн ы х прочностных и деформационных характеристиках грунтов в расчетный период. Эти характеристики соответствуют минимальной п лотности и максимальной влажности талого грунта. Такие значения коэффициента уплотнения Красч и влажности W расч , доли единиц ы , устанавливаются в слоях земляного полотна после отт аивания весной расчетного года. Это так называемые расчетные значения плотности и влажности грунта.

Для определения этих характеристик нужно предварительно установить плотность грунта (коэффици ен т уплотнения) в конце зимы Кз

                                                         ( 53 )

После этого вычисляют искомые значения в лажности и плотности грунта:

                                     ( 54 )

                                             ( 55 )

Расчет по формуле ( 54) действителен при условии, что полученная величина не менее величины влажности после осадки. В противном случае в качестве расчет ной принимают влажность, установ л енную по формуле ( 57).

6 .3 . След ующий этап расчета - опред еление по слоям земляного пол отна (до глубины промерзания) плотности грунта после осад ки весной. Для этого по графику рис. 17 нуж н о установить минимальное значение коэффициента упл отнения грунта в этот период, которое можно ожидать при многократном промерзании-оттаивании в условиях, когда не происходит усадки грунта. Эту вел ичину определяют по графику в зависимости от плотности грунта в момент постройки дороги и давления на рассматриваемый слой земляного полотна от веса вышележащего грунта и дорожной одежды. Затем по графику рис. 18 устанавливают осадку грунта h осад , м , при известных значениях коэффициента упл отн ения грунта перед промерзанием, минима льног о коэффициента уплотнения после осадки и пучения грунта. После этого вычисляют коэффициент уплотнения грунта после его осадки весной

                                                   ( 56 )

Влажнос т ь, соответствующую этой плотности, вычисляют по формуле

                                                       ( 57 )

Рис. 17 . Графики для оп ределения минимального коэффициента уплотнения грунта после осад ки мелкого песка ( а); пы левато го песка (б) пы леват ой супеси (в); л егкого суглин ка (г) ; тяжелого суглинка ( д); пылеватой глины (е). Цифры на кривых - давление на грунт, кПа

Рис. 18 . График для определения осадки грунта в расчетном году. Цифры на кривых - минимальное значение коэффициента уплотнения грунта после его осадки

Расчет заканчивают определением коэффициента уплотнения грунта в летний период

Кл = Кв/(1 - еус);                                                         ( 58 )

                                                     ( 59 )

г д е a ус - коэффициент линейной уса д ки грунта, безразмерная величина;

W л   - влажность грунта в летний период, до ли единицы.

При ориентировочных расчетах можно использовать приведенные ниже значения коэффициента линейной усадки грунта:

Песок п ы леватый и супесь легкая                                    0 ,1

Супесь пы леватая и тяжелая пылеватая                         0 ,2

С у глин ки тяжелые, тяжелые пы леваты е и глин ы         0 ,5

В расчет в водят величину влажности грунта под дорожной одеждой в летний период, равную оптимальной, при 1 -м и 2 -м типах увлажнения земляного полотна; при 3 -м типе влажность определяют по эпюр е влажности (см. рис. 4).

Грунты под дорожной одеждой практически не набухают, поэтому их плотность осенью принимают равной величине, установленной по формуле ( 58).

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие . 1

1. Общие положения . 2

2. Приток воды в грунт от атмосферных осадков . 5

3. Расчетные горизонты грунтовых вод . 13

4. Эпюры влажности грунтов перед промерзанием земляного полотна . 15

5. Температурное поле земляного полотна в зимний период . 21

6. Влагонакопление, пучинообразование и осадка грунта . 32

Еще документы скачать бесплатно

Интересное

Гост 19034 82 Гост 7 32 2001 Допуски и посадки таблица Максимальная масса транспортного средства Наружные пожарные лестницы требования Нормы выдачи сиз Нормы пробега шин Пособие по проектированию железобетонных конструкций Размеры болтов Размеры транспортерных лент для желобчатых Конвейеров Снип проектирование жилых зданий Схема вентиляции Технологический регламент Требования к пожарным шкафам Ударный ток