Полное меню
Таблица 2
Таблица 3
2. Традиционные дорожно-строительные материалы В табл.5 приведены расчетные значения теплофизических характеристик материалов, наиболее широко используемых в дорожном строительстве. Деформационные и прочностные характеристики этих материалов даны в ВСН 46-72
3. Грунты В табл.6 даны расчетные значения теплофизических характеристик талых и мерзлых грунтов при влажности 0,9 WТ (WТ - влажность при пределе текучести).
При проектировании конструкций для полного предотвращения промерзания земляного полотна расчетные характеристики принимают для талого грунта. Приложение 2
|
Заполнитель |
Марка бетона |
||
50 |
75 |
100 |
|
Керамзит |
150 - 200 |
210 - 230 |
240 - 280 |
Аглопорит |
180 – 210 |
220 – 240 |
250 - 280 |
Металлургические шлаки |
140 – 170 |
180 – 200 |
210 - 250 |
Топливные шлаки |
160 – 190 |
200 – 250 |
260 - 290 |
При проектировании состава крупнопористого бетона следует учитывать рекомендации табл.2.
Состав битумоминеральных смесей с искусственными пористыми заполнителями подбирают таким же способом, каким пользуются при проектировании пористых смесей с естественными минеральными заполнителями. Количество легких заполнителей назначают с таким расчетом, чтобы получить теплоизоляционный материал с заданным значением коэффициента теплопроводности (см.п.3 приложения 3).
Таблица 2
Заполнитель |
Объемная масса заполнителя, кг/м3 |
Отношение объемов цемента и заполнителя |
Водоцементное отношение |
Расход цемента марки "400" на 1 м3 бетона, кг |
Предел прочности бетона при сжатии, кгс/см2 |
Керамзит |
600 |
1:10 |
0,40 |
130 - 150 |
8 - 10 |
Аглопорит |
600 |
1:10 |
0,40 |
140 - 160 |
5 - 8 |
Щебень из металлургических шлаков |
1600 |
1:10 |
0,40 - 0,45 |
130 - 150 |
60 |
Щебень из топливных шлаков |
1400 |
1:10 |
0,40 - 0,45 |
110 - 120 |
50 |
Обычно вместо определенной части щебня из естественных пород в смесь вводят щебень тех же фракций из искусственного пористого материала.
Чаще всего это щебень фракций 5 - 10 и 10 - 20 мм.
Укрепленные грунты и золошлаковые смеси с легкими заполнителями
При проектировании составов смесей из грунтов и золошлаковых смесей, укрепленных вяжущими, определяют оптимальное количество вяжущих, воды и добавок, при которых обеспечивается получение требуемых показателей физико-механических свойств (см. табл. 1 и 2 СН 25-74) и расчетное значение коэффициента теплопроводности.
Ориентировочный расход цемента назначают по табл.8 СН 25-74, а битумной эмульсии и цемента - по табл.15 СН 25-74. Примерный расход цемента при укреплении золошлаковых смесей составляет 5–8 % массы сухой смеси. Ориентировочный расход золы уноса составляет 15–25 % массы сухой смеси.
Добавки керамзита, вспученного перлитового песка и гранул полистирола назначают в количестве, обеспечивающем получение материала с хорошими теплоизоляционными свойствами (с коэффициентом теплопроводности не более 0,5 ккал/м-ч-град). При этом учитывают также необходимость обеспечения требуемых физико-механических показателей укрепленных грунтов, стоимость и дефицитность основных материалов.
Ориентировочное количество добавок составляет (% массы сухой смеси) керамзита - 20 - 40, вспученного перлитового песка - 20 - 30, гранул полистирола - 0,5 - 0,7.
Расход вяжущих материалов уточняют по результатам определения показателей физико-механических свойств образцов 3 - 5 смесей.
Количество же легких добавок уточняют по результатам определения коэффициента теплопроводности образцов с разным содержанием добавок (2 - 3 смеси).
Для смесей; приготовленных из грунтов, укрепленных битумной эмульсией совместно с цементом, определяют оптимальную влажность в соответствии с рекомендациями пп. 11 - 13 приложения 4 СН 25-74.
До начала приготовления материала из грунта, битумной эмульсии, цемента и вспученного перлитового песка определяют оптимальную влажность смеси грунта, цемента и перлитового песка стандартным методом в соответствии с пп.1 - 4 СН 25-74.
Затем в соответствии с данными табл. 15 и п. 8 приложения 4 СН 25-74 назначают количество цемента и битумной эмульсии.
При приготовлении смеси для образцов в лабораторной лопастной мешалке в грунт с водой добавляют битумную эмульсию и цемент и перемешивают смесь в течение 3 мин. Затем вводят вспученный перлитовый песок и вновь перемешивают в течение 3 мин.
При подборе составов смесей определяют прочность при сжатии и на растяжение при изгибе, коэффициент морозостойкости, водонасыщение, пользуясь методиками приложений 3 и 4 СН 25-74, а коэффициент теплопроводности смесей определяют по методике приложения 3 или по табл.1 - 6 приложения 1 настоящих "Методических рекомендаций".
В настоящее время лаборатории проектных, строительных и научно-исследовательских дорожных организаций еще не оснащены оборудованием и приборами позволяющими выполнить теплофизические испытания и исследования материалов и грунтов. Одной из причин этого является отсутствие общепризнанных методов определения теплофизических характеристик. Кроме того, сложность методов и применяемой специальной аппаратуры привела к тому, что проектировщики охотнее обращаются к нормативным и справочным данным /10/ - /12/, чем прибегают к эксперименту, позволяющему получить более дифференцированные и точные значения теплофизических характеристик применительно к проектируемому объекту. На данном этапе еще нельзя рекомендовать только экспериментальные методы определения теплофизических характеристик, поэтому в приложении 1 настоящей работы приведены их расчетные значения. Но наряду с этим весьма полезными окажутся указания по экспериментальному определению теплоемкости и коэффициентов теплопроводности и температуропроводности, приведенные в работах /12/ - /15/. В дополнение к данным, приведенным в работе /12/, ниже изложены методы, проверенные в последние годы и нашедшие применение в ряде ведущих, смежных с дорожными, научно-исследовательских организаций.
1. Определение теплофизических характеристик по методу Института оснований и подземных сооружений Госстроя СССР (НИИ ОСП)
Метод основан на закономерности охлаждения (нагревания) тела в среде с достоянной температурой. Погруженное в жидкую среду тело стремится с течением времени принять температуру среды. Можно различить три стадии охлаждения (нагревания) тела: первая - стадия чисто нестационарного режима, вторая - стадия упорядоченного охлаждения (нагревания), режим которой называют регулярным, третья - стадия стационарного режима, при которой наблюдается равенство температур всех точек тела и окружающей среды. В результате одного опыта можно получить значения теплоемкости, теплопроводности и температуропроводности. Метод позволяет исследовать теплофизические характеристики грунтов, укрепленных грунтов и материалов при различной их влажности (от сухого до текучего состояния).
Основным прибором является сосуд Дьюара, помещенный в пенопластовую оболочку с толщиной стенок не менее 100 мм. Такая толщина обеспечивает достаточную теплоизоляцию прибора от окружающей среды. Скорость охлаждения или нагревания калориметрической жидкости не должна превышать 0,002 - 0,003ºС в минуту. Прибор закрывается крышкой из пенопласта. По верху пенопластовой крышки приклеивают пластину из оргстекла. В крышке закреплены пропеллерная мешалка для перемешивания калориметрической жидкости и жесткая металлическая сетка для образца. В крышке имеются отверстие для нормального ртутного термометра с ценой деления 0,1ºС и интервалом температур от -30 до +20ºС и отверстие для метастатического термометра Бекмана с рабочим интервалом температур 5ºС и ценой деления 0,01ºС. Кроме того, в крышке есть отверстие, через которое образец на нити опускают в калориметрическую жидкость. Во время опыта это отверстие закрывают пробкой. На верху крышки установлен электрический привод пропеллерной мешалки.
В качестве калориметрической жидкости используют керосин или спирт. Объем ее составляет 1000 мл. Для этого объема жидкости определяют тепловое значение прибора.
Испытание проводят на образцах цилиндрической формы размером 40×40 мм.
Приготовление и водонасыщение образцов из укрепленных грунтов и материалов выполняют по методикам СН 25-74. Режим хранения образцов устанавливают по этой же Инструкции.
Перед испытанием образцы взвешивают (с точностью до 0,01 г), закрепляют на капроновой нитке и покрывают с помощью кисточки тонким слоем (до 1 мм) шеллака.
Естественные (неукрепленные) грунты заданной плотности и влажности помещают в специальные латунные бюксы с крышками (рис.1). Бюксы предварительно взвешивают. Затем их взвешивают с грунтом. К бюксам привязывают капроновую нитку, а стык крышки и бюксы герметизируют нитрокраской, после чего вновь взвешивают. При обработке опытных данных учитывают теплоемкость шеллака, нитрокраски и латуни (табл.1).
Таблица 1
Материал |
Удельная теплоемкость ккал/кг-град |
Нитрокраска |
0,50 |
Шеллак |
0,50 |
Латунь |
0,09 |
Вода |
1,00 |
Лед |
0,50 |
При определении теплофизических характеристик талых укрепленных грунтов и материалов, а также естественных грунтов образцы из них охлаждают до 0ºС и выдерживают при этой температуре в течение суток в ультракриостате или термостате с тающим льдом из дистиллированной воды. Опыты проводят в помещении с положительной температурой (18 - 22ºС). Во время опыта не допускаются резкие колебания температуры в помещении.
Перед началом испытания включают мешалку для выравнивания температуры калориметрической жидкости и деталей прибора. Устанавливают положение ртути в термометре Бекмана на нужный интервал температур (не ниже 4ºС).
Рис.1. Бюкс для грунта:
1 - бюкс; 2 - верхняя крышка с дужкой; 3 - нижняя крышка
Для этого термометр Бекмана переворачивают вниз и легким постукиванием переводят ртуть из нижнего резервуара в верхний до соприкосновения с ртутью верхнего резервуара. Затем осторожно переворачивают термометр и помещают в калориметрическую жидкость. При этом необходимо следить, чтобы столбик ртути не разорвался. Выжидают несколько минут и резко встряхивают, чтобы ртуть в верхнем резервуаре упала вниз, после чего проверяют положение ртути в термометре.
Испытание в калориметре можно начинать, когда ход температуры, т.е. изменение температуры за минуту, составит 0,002 - 0,003°С. Отсчеты делают через каждые 5 мин в течение 15 - 20 мин.
Перед началом опыта температуру отсчитывают по лабораторному термометру и термометру Бекмана.
Процесс испытания разделяют на три периода: начальный, главный, конечный. Эти периоды соответствуют упомянутым ранее стадиям. В течение этих периодов через каждую минуту отсчитывают температуру по термометру Бекмана с точностью до 0,002ºС (с помощью лупы).
В начальный период первые десять минут разность предварительных отсчетов не должна превышать 0,002 - 0,003ºС в минуту. После одиннадцатого отсчета температуры по термометру Бекмана и лабораторному термометру осторожно на нитке опускают образец в калориметрическую жидкость и закрывают отверстие пробкой.
С этого момента начинается главный период опыта, для которого характерно быстрое изменение температуры. Заканчивается период тогда, когда начинается незначительное (меньше 0,001ºС) и равномерное изменение температуры калориметрической жидкости или изменение ее хода на обратный. Длительность главного периода не более 10 - 20 мин.
Конечный период, который при обратном ходе температуры характеризуется незначительными изменениями температуры (0,002 - 0,003ºС). Длительность конечного периода 10 мин. На десятой минуте температуру отсчитывают по лабораторному термометру.
Расчет теплофизических характеристик по данным опыта производят с помощью известных формул /12/.
2. Определение коэффициента теплопроводности материалов и грунтов с помощью цилиндрического зонда постоянной мощности
Коэффициент теплопроводности определяют с помощью зондового прибора ИТХ-6 (рис.2). Метод измерения прибором основан на закономерности теплового потока (нестационарного) от линейного источника постоянной мощности, помещенного в неограниченный массив из исследуемого материала.
Рис.2. Зондовый прибор ИТХ-8 для определения коэффициента теплопроводности материалов и грунтов
Прибор ИТХ-8 состоит из зонда, измерительной части, усилителя, регистрирующего устройства, стабилизатора тока подогрева зонда, блока питания.
Измерительная часть, усилитель и регистрирующее устройство служат для записи избыточной температуры зонда при включении подогревной обмотки в цепь стабилизатора тока. Записанная регистрирующим устройством кривая изменения избыточной температуры зонда является основной зависимостью определяемого коэффициента теплопроводности.
Линейным источником тепла является зонд диаметром 2,8 - 2,7 мм. Оболочка зонда из нержавеющей стали имеет внутренний диаметр 2 мм. Внутри оболочки расположена подогревная обмотка из манганинового провода ПЭММ-0,08, намотанная на кварцевой трубке наружным диаметром 0,8 мм и длиной 75 мм. В центре подогревной обмотки, внутри кварцевой трубки, установлен терморезистор СТЗ-18.
Сопротивление терморезистора в общем случае является нелинейной функцией температуры. В связи с этим в приборе применена симметричная терморезисторная измерительная мостовая схема с разомкнутой измерительной диагональю, выходной сигнал которой является практически линейной функцией избыточной температуры терморезистора относительно температуры баланса моста.
Для усиления сигнала мостовой измерительной схемы и согласования ее с регистрирующим потенциометром ЭПП-09 или КСП установлен усилитель постоянного тока. Стабилизатор собран по балансовой схеме и позволяет устанавливать ток в обмотке подогрева зонда в пределах от 10 до 100 мА ступенями (13 положений переключателя) при сопротивлении подогревной обмотки от 60 до120 Ом.
Прибор ИТХ-6 позволяет записывать избыточные температуры зонда любым электронным потенциометром (ЭПП-09, КСП, ПСП и др.), имеющим шкалу от 0 - 10 до 0 - 100 мВ и скорость движения ленты от 1800 мм/ч и более. Кроме того, прибор имеет выход "MB", к которому можно подключить любой высокоомный милливольтметр постоянного тока (Н-39, Н-37 с усилителем И-37 и др.).
Прибор предназначен для работы при температуре окружающего воздуха 20 ± 5ºС и относительной влажности до 0,80 Wп.в.
Подготовка прибора к измерениям заключается в соединении отдельных блоков и подключении прибора к сети. Затем "холодный" зонд вводят в образец испытуемого материала. Мягкие, пористые или сыпучие материалы зонд прокалывает. В жестких материалах следует предварительно просверлить отверстие диаметром, равным диаметру зонда.
В тех случаях, когда диаметр отверстия несколько больше диаметра зонда, для уменьшения контактного сопротивления на границе "зонд-среда" следует использовать в качестве заполнителя зазора масло (вазелиновое, касторовое).
Для пористых материалов нужно применять такую жидкость, которая не смачивала бы материал и не вступала бы с ним в химическую реакцию. Для хрупких пористых материалов (газобетон и т.п.) рекомендуется заполнять зазор между зондом и материалом "крошкой" данного материала.
Для измерения коэффициента теплопроводности материалов в лабораторных условиях образец с зондом должен быть установлен в термостат или холодильную камеру, в которых поддерживается требуемая температура. Кривая нагрева зонда записывается в течение 10 - 15 мин до тех пор, пока перо самописца не начнет выводить линию, близкую к вертикальной, при скорости протяжки ленты 1800 - 3800 мм/ч.
Рис.3. Зависимость выходного напряжения зондового прибора от времени:
а - в обычных координатах (декартовых); б - в полулогарифмических
Расчетная формула для определения коэффициента теплопроводности прибором ИТХ-6 имеет вид
где λ - искомый коэффициент теплопроводности, Вт/м, °К;
I - сила тока подогрева, приводится в паспорте на прибор в зависимости от положения переключателя, А;
K - постоянная зонда, приводимая в паспорте на зонд;
T0 - температура баланса моста, ºК;
ΔU - разность выходных напряжений прибора, соответствующих моменту времени τ1 и τ2.
В результате записи процесса нагрева зонда получают зависимость выходного напряжения прибора U от времени τ (рис.3,а).
Эту кривую нужно перестроить в координатах lg τ и U (рис.3,б) и определить по ней значения τ1 и τ2 в начале и в конце прямолинейного участка (рабочего участка) и соответствующие им значения U1 и U2.
Подставляя значения τ1. τ2 и ΔU = U2 - U1 в формулу, находят искомое значение коэффициента теплопроводности.
При раздельном определении коэффициента теплопроводности и теплоемкости величина ее может быть установлена калориметрическим методом, изложенным в работах /12/, /13/, /15/.
3. Расчет коэффициента теплопроводности материалов, укрепленных вяжущими
При отсутствии теплофизических приборов и данных о коэффициенте теплопроводности материала или при необходимости установить количество легкой добавки в битумоминеральную или гравийную (щебеночную) смесь, укрепленную цементом, для получения композиции с заданным значением λ можно воспользоваться расчетным методом. Для этого надо знать объемное содержание составляющих смеси, их коэффициенты теплопроводности (табл. 2) и расчетное значение влажности.
Коэффициент теплопроводности смеси, состоящей из однотипного заполнителя и вяжущего (двухкомпонентная смесь) определяют по формуле
(1)
где λв - коэффициент теплопроводности вяжущего, ккал/м-ч-град;
VОЗ - объемное содержание однотипного заполнителя, доли единицы;
К1 = λОЗ - λв
λ03 - коэффициент теплопроводности заполнителя, ккал/м-ч-град (табл.2).
Для трехкомпонентной смеси (например, вяжущее+однотипный заполнитель+аглопорит):
(2)
где
VT - объемное содержание вводимого в двух компонентную смесь дополнительного материала, например, аглопорита;
К2 = λТ - λвА;
λТ - коэффициент теплопроводности теплоизолятора, ккал/м-ч-град.
Для четырехкомпонентной смеси (например вяжущее+мелкий заполнитель + теплоизолятор+крупный заполнитель):
(3)
где VК - объемное содержание крупного заполнителя, доли единицы;
λв - коэффициент теплопроводности крупного заполнителя, ккал/м-ч-град.
Таблица 2
Породы и материалы |
Коэффициент теплопроводности λ, ккал/м-ч-град |
Породы и материалы |
Коэффициент теплопроводности λ, ккал/м-ч-град |
|
Гранит |
2,57 |
Шлак топливный гранулированный |
0,19 |
|
Гнейс |
2,65 |
|
||
Диорит |
1,98 |
Аглопорит, фракция, мм |
|
|
Габбро |
1,73 |
20 - 40 |
0,13 |
|
Диабаз |
1,91 |
10 - 20 |
0,15 |
|
Базальт |
1,80 |
5 - 10 |
0,15 |
|
Порфир |
2,88 |
0 - 5 |
0,19 |
|
Песчаник |
1,78 |
Керамзит, фракция, мм |
|
|
Известняк средней прочности |
1,88 |
|||
20 - 40 |
0,18 |
|
||
Известняк высокой прочности |
2,34 |
10 - 20 |
0,35 |
|
5 - 10 |
0,45 |
|
||
Доломит |
2,62 |
Вспученные гранулы полистирола |
0,03 |
|
Сланец |
2,16 |
|
||
Шлак доменный |
0,45 |
Стекловата |
0,40 |
|
Цемент |
0,85 |
|
||
Битум |
0,15 |
|
||
Деготь |
0,18 |
|
При вычислении значения А следует брать вяжущее и мелкий заполнитель. При вычислении В - более крупный заполнитель, независимо от того, естественный это заполнитель или искусственный.
Коэффициент теплопроводности гравийных (щебеночных) смесей, укрепленных цементом, в значительной степени зависит от их влажности. Влияние влажности можно учесть с помощью формулы
λ = λсм(1 + K'W), (4)
где λсм - коэффициент теплопроводности смеси в сухом состоянии, вычисленный по формулам (1 - 3);
W - расчетная влажность смеси;
K' - коэффициент, зависящий от пористости заполнителя и влажности (табл. 3).
Таблица 3
Материалы |
Значения K' при влажности, % |
||||
2 |
5 |
10 |
20 |
30 |
|
Гравийные (щебеночные) смеси, укрепленные цементом с добавками легких заполнителей |
0,20 |
0,13 |
0,10 |
0,08 |
- |
Легкие бетоны |
0,15 |
0,10 |
0,08 |
0,05 |
0,04 |
При отсутствии данных систематических измерений в районе, где будет построена дорога, среднегодовую температуру поверхности покрытия tп.ср и амплитуду годового колебания температуры Ап в расчетном году прогнозируют следующим образом.
Сначала определяют среднегодовую температуру воздуха tв.ср в расчетном году по формуле
tв.ср = tв.м - σtθ, (1)
где tв.м - многолетняя от среднегодовых температур воздуха (см.таблицу);
σt - среднеквадратическое отклонение значения среднегодовой температуры воздуха от многолетней нормы (см. таблицу);
θ - коэффициент нормированного отклонения, зависящий от степени надежности Q
Q |
0,95 |
0,90 |
0,80 |
0,75 |
θ |
1,64 |
1,28 |
1,08 |
0,67 |
Затем находят амплитуду колебаний температур воздуха в расчетном году Ав
Ав = Ав.м + σнθ, (2)
где
Ав.м. - значение амплитуды годового колебания температуры воздуха по многолетним данным (см. таблицу);
σА - среднеквадратическое отклонение амплитуды годовых колебаний температуры воздуха от его многолетней нормы (см. таблицу),
Далее вычисляют среднемесячную температуру воздуха самого холодного месяца (января для Северо-Запада):
tв.min = tв.ср - Ав, (3)
а самого теплого (июль):
tв.max = tв.ср + Ав (4)
После этого определяют среднемесячную температуру поверхности покрытия в самом холодном и самом теплом месяце по формулам:
(5)
(6)
где К1 и К2 - коэффициенты, характеризующие влияние теплоизолирующего слоя на температуру поверхности покрытия; при асфальтобетонном покрытии и теплоизолирующем слое из пенопласта К1 = 1,33, а Кг = 1,125; при других материалах теплоизолирующего слоя К1 = К2 1,0.
Значения многолетней температуры воздуха tв.м. амплитуды колебания ее Ав.м. и среднеквадратические отклонения от них σt и σА
Название города |
tв.м., ºС |
σt,°C |
Ав.м., ºС |
σА, ºС |
Великие Луки |
4,4 |
0,93 |
12,70 |
2,10 |
Вильнюс |
6,2 |
0,80 |
11,75 |
1,30 |
Вологда |
2,4 |
0,82 |
14,20 |
1,44 |
Вышний Волочок |
3,7 |
0,84 |
13,50 |
1,39 |
Горький |
3,1 |
0,80 |
15,05 |
1,30 |
Иваново |
2,7 |
0,84 |
14,80 |
1,50 |
Казань |
2,8 |
0,90 |
16,25 |
1,38 |
Калинин |
3,3 |
0,90 |
13,80 |
1,82 |
Калуга |
3,8 |
0,80 |
13,80 |
2,00 |
Каунас |
8,5 |
0,84 |
11,45 |
1,68 |
Кострома |
2,7 |
0,80 |
14,70 |
1,70 |
Киров |
1,5 |
0,84 |
16,00 |
1,57 |
Курск |
5,4 |
0,92 |
13,95 |
1,05 |
Ленинград |
3,7 |
0,90 |
12,80 |
2,10 |
Минск |
5,4 |
0,71 |
12,85 |
1,52 |
Москва |
4,8 |
0,95 |
13,85 |
1,30 |
Новгород |
3,7 |
0,80 |
12,80 |
1,50 |
Пермь |
1,5 |
0,70 |
16,60 |
2,50 |
Петрозаводск |
2,2 |
0,99 |
13,40 |
1,30 |
Псков |
4,6 |
0,90 |
12,50 |
1,70 |
Рига |
5,6 |
0,90 |
11,05 |
2,00 |
Рязань |
3,9 |
1,00 |
14,95 |
1,15 |
Саратов |
5,3 |
0,90 |
17,90 |
1,20 |
Смоленск |
4,4 |
0,84 |
13,10 |
2,00 |
Таллин |
5,0 |
0,94 |
10,65 |
1,33 |
Тамбов |
4,8 |
0,90 |
15,50 |
1,63 |
Наконец, среднегодовую температуру поверхности покрытия в расчетном году tп.ср и амплитуду колебания температуры Ап находят по формулам
(7)
(8)
(заимствовано из СНиП II-Б.6-66, п. 27)
Значение влажности WH за счет намерзающей воды, содержащейся в мерзлом грунте, определяют по формуле
WH = KHWP,
где WP - влажность грунта на границе раскатывания, доли единицы;
KH - коэффициент, принимаемый по таблице в зависимости от вида грунта, числа пластичности Wn и температуры мерзлого грунта.
Грунт |
Число пластичности |
Значение Кп при температуре грунтов, °С |
|||||
-0,3 |
-0,5 |
-1,0 |
-2,0 |
-4,0 |
-10,0 |
||
Пески |
Wn < 1 |
0,0 |
0,00 |
0,00 |
0,00 |
0,00 |
0,00 |
Супеси |
1 ≤ Wn ≤ 2 |
0,0 |
0,00 |
0,00 |
0,00 |
0,00 |
0,00 |
Супеси |
2 < Wn ≤ 7 |
0,6 |
0,50 |
0,40 |
0,35 |
0,30 |
0,25 |
Суглинки |
7 < Wn ≤13 |
0,7 |
0,65 |
0,60 |
0,50 |
0,45 |
0,40 |
Суглинки |
13< Wn ≤17 |
х) |
0,75 |
0,65 |
0.55 |
0,50 |
0,45 |
Глины |
Wn >17 |
х) |
0,85 |
0,90 |
0,65 |
0,60 |
0,55 |
х) Вся вода в порах грунта находится в немерзлом состоянии.
Номограммы (рис. 1-7) составлены по результатам теоретического решения операционным методом нестационарной тепловой задачи о слоистом полупространстве. При постановке задачи приняты следующие предпосылки: в конструкции преобладает кондуктивный перенос тепла; влиянием миграции влаги в грунте земляного полотна на первом этапе инженерного расчета можно пренебречь; содержащаяся в грунте вода замерзает при определенной температуре; скрытой теплотой льдообразования в слоях дорожной одежды и ее влиянием на перенос тепла можно пренебречь. Степень влияния миграции влаги от уровня грунтовых вод на толщину теплоизолирующего слоя проверяют расчетом конструкции на морозоустойчивость (см. п.4.13 настоящих "Методических рекомендаций").
Номограммами связаны следующие комплексы характеристик:
и
Каждая из номограмм составлена для конкретного значения ( = 0,5; 0,7; 0,8; 0,9; 1,0; 1,2; 2,0).
При величинах , находящихся между указанными выше в скобках, искомые параметры находят интерполяцией.
Имеющимися номограммами охвачены практически все возможные дорожные конструкции с теплоизолирующими слоями.
Порядок расчета показан стрелками на номограмме рис. 1 при = 0,5.
Номограммы для расчете теплоизолирующих слоев дорожной конструкции
Рис. 1 =0,5
Рис.2. = 0,7
Рис. 3. = 0,8
Рис. 4. = 0,9
Рис. 5. = 1
Рис. 6. = 1,2
Рис. 6. = 2
Пример 1. Запроектировать дорожную одежду с асфальтобетонным покрытием и теплоизолирующим слоем из пенопласта.
Исходные данные. Участок дороги II категории находится в центральной части II дорожно-климатической зоны (Московская область).
Проектируемый участок проходит в нулевых рабочих отметках. Расстояние от поверхности покрытия до расчетного уровня грунтовых вод составляет 1 м (3-й тип местности по степени увлажнения). Грунт земляного полотна - пылеватая супесь. Расчетная приведенная интенсивность движения по дороге 1000 авт./сутки на одну полосу с учетом перспективы. Расчетная нагрузка - автомобиль группы А по ГОСТ 9314-59 (удельное давление на поверхности покрытия Р = 6 кгс/см, диаметр круга, равновеликого следу колеса, D = 33 см).
Для устройства основания и теплоизолирующего слоя имеются следующие материалы: битумоминеральная смесь, щебень известняковый 3-го класса прочности, пенопласт ПС-4.
Конструирование и расчет.
1. Исходя из требований эксплуатации с учетом особенностей вертикальной планировки, а также исходя из наличия техники и стоимости отдельных материалов, условий их транспортирования, намечают следующую конструкцию одежды, которая должна предотвратить промерзание и пучение грунта земляного полотна и обладать достаточной прочностью: покрытие - два слоя асфальтобетона, верхний слой основания - битумоминеральная смесь, нижний слой основания - щебень известняковый 3-го класса прочности, теплоизолирующий слой - пенопласт ПС-4.
2. Производят теплотехнический расчет конструкции.
Принимают следующие расчетные значения теплофизических характеристик слоев дорожной конструкции:
а) для верхнего и нижнего слоев асфальтобетона коэффициент теплопроводности λ1,2 = 0,9 ккал/м.ч.град, удельная теплоемкость С1,2 = 0,4 ккал/кг.град, объемная масса γ = 2350 кг/м3 (см.табл.5 приложения 1);
б) для верхнего слоя основания из битумоминеральной смеси λ3 = 0,85 ккал/м.ч.град, С3 = 0,4 ккал/кг.град, γ3 = 2300кг/м3 (см. табл.5 приложения 1);
в) для нижнего слоя основания из известнякового щебня λ4 = 1,2 ккал/м.ч.град, С4 = 0,22 ккал/кг.град, γ4 = 1600 кг/м3 (см. табл.5 приложения 1);
г) для теплоизолирующего слоя из пенопласта ПС-4 λ5 = 0,045 ккал/м.ч.град , С5 = 0,35 ккал/кг.град, γ5 - 60 кг/м3 (см. табл.1 приложения 1);
д) для грунта земляного полотна - пылеватой супеси - λ6 = 1,55 ккал/м.ч.град, С6 = 0,32 ккал/кг.град, γ6 = 2100 кг/м3, так как должна быть запроектирована конструкция, предотвращающая промерзание земляного полотна; характеристики приняты для талого грунта при расчетной влажности (см. табл.6 приложения 1).
Многослойную конструкцию приводят к трехслойной модели, эквивалентной по теплофизическим свойствам (п. 4.10 настоящих "Методических рекомендаций"). Эквивалентный коэффициент теплопроводности однородного слоя толщиной h = h1+ h2 + h3 + h4, заменяющего слои, находящиеся над теплоизоляцией, рассчитывают по формуле (9), он равен 1,01 ккал/м.ч.град.
Эквивалентная объемная масса γ1.3 и эквивалентная удельная теплоемкость С1,3, вычисленные по формулам (10) и (11), соответственно равны 1950 кг/м3 и 0,31 ккал/кг.трад.
Расчетные значения коэффициента теплоусвоения слоев трехслойной модели (см. рис.7), определенные по формуле (1), оказались равными S1 24,7, S2 0,97 и S3 32,3.
Устанавливают расчетные параметры годовой закономерности изменения температуры поверхности покрытия. Поскольку для района проектирования дороги нет достаточно надежных данных измерения температуры асфальтобетонного покрытия, расчетные параметры прогнозируют, руководствуясь рекомендациями приложения 4.
По таблице приложения 4 находят, что многолетняя от среднегодовых температур воздуха района Москвы tв.н составляет 4,8оС, а среднеквадратическое отклонение от нее σt = 0,95oС устанавливают, что амплитуда годовых колебаний температуры воздуха по многолетним данным Ав.м - 13,85оС, а среднеквадратическое отклонение от нее σА = 1,3оС.
Среднегодовая температура воздуха в расчетном году с надежностью Q = 0,95 (капитальный тип покрытия), найденная по формуле (1) приложения 4, равна 3,3oС, а амплитуда колебаний температуры воздуха в расчетном году Ав, определенная по формуле (2), составляет16оС.
Среднемесячная температура воздуха самого холодного месяца tв.min = tв.ср = 3,3 - 16 = -12,7°С, а самого теплого месяца tв.max = tв.ср + Ав = 3,3 + 16,0 = 19,3оС.
Среднемесячные температуры поверхности асфальтобетонного покрытия конструкции с теплоизоляцией из пенопласта в самом холодном и самом теплом месяце определенные по формулам (5) - (8) приложения 4, оказались равными: и
Среднегодовая температура поверхности покрытия в расчетном году и амплитуда колебаний температур соответственно равна: и
Для того чтобы грунт земляного полотна не замерз, необходимо соблюдать следующее соотношение амплитуд колебаний температуры под теплоизоляцией и на поверхности покрытия:
Располагая этим отношением амплитуд и отношением коэффициентов теплоусвоения и а также значениями коэффициентов температуропроводности и находят по номограмме толщину теплоизолирующего слоя. По номограмме приложения 6 () при и и получают, что = 0,021, откуда = 0,051 м.
По номограмме приложения 6 () = 0,028, откуда δ 0,064 м.
Интерполяцией определяют, что для = 0,765 толщина теплоизолирующего слоя δ предотвращающего промерзание земляного полотна, в рассматриваемых условиях должна быть равна 6 см.
3. Оценивают прочность намеченной конструкции (рис.1). Приняты следующие расчетные деформационные и прочностные характеристики грунта и материалов дорожной одежды:
а) модуль упругости верхнего слоя асфальтобетона при 10оС 15000 кгс/см2, нижнего слоя - 10000 кгс/ см2 (см. приложение 3 ВСН 46-72); сопротивление растяжению при изгибе нижнего слоя асфальтобетона при N = 1000 авт./сутки на полосу движения Ru =12,0 кгс/см2;
б) модуль упругости битумоминерального материала 7000 кгс/см2 (см. табл. 3 приложения 3 ВСН 46-72);
в) модуль упругости щебеночного материала 4000 кгс/см2;
г) расчетная влажность грунта земляного полотна (пылеватой супеси) в соответствии с указаниями п.5.3 настоящих "Методических рекомендаций" составляет 0,75 Wт; при этой влажности модуль упругости грунта Е = 280 кгс/см2; φ = 15°: и С = 0,15 кгс/см2 (см. табл. 4 приложения 2. ВСН 46-72); деформационные и прочностные характеристики пенопласта из-за малого значения его модуля упругости (Е =280 кгс/см2) и незначительной толщины слоя при расчете конструкции на прочность не учитывают.
Рис.1. Схема конструкции к примеру 1:
1, 2 - верхний и нижний слои асфальтобетона; 3 - битумоминеральная смесь; 4 - щебень известняковый; 5 - пенопласт ПС-4; 6 - пылеватая супесь
Требуемый модуль упругости конструкции при перспективных размерах движения Етр = 2270 кгс/см2 (см. рис.2 ВСН 46-72).
Результаты послойного расчета конструкции (см. рис.1) на прочность по всем трем критериям, приведенным в ВСН 46-72, даны в табл. 1, свидетельствующей о том, что запроектированная конструкция отвечает требованиям ВСН 46-72 по всем трем критериям прочности.
Таблица 1
Номер слоя |
Материал слоя |
Е, кгс/см2 |
h, см |
|
Общий модуль упругости (на поверхности слоев) Еобщ, кгс/см2 |
Активное напряжение сдвигав грунте τов, кгс/см2 |
Напряжение растяжения в нижнем слое асфальтобетона Ru , кгс/см2 |
Коэффициент прочности |
||
По прогибу |
По сдвигу |
По изгибу |
||||||||
1 |
Асфальтобетон верхнего слоя |
15000 |
4 |
0,12 |
Еобщ = 2290 |
- |
- |
1,01 |
- |
- |
2 |
Асфальтобетон нижнего слоя |
10000 |
5 |
0,15 |
Е'общ = 2000 |
- |
11,8 |
- |
- |
1,02 |
3 |
Битумоминеральная смесь |
7000 |
15 |
0,455 |
Е"общ - 1750 |
- |
- |
- |
- |
- |
4 |
Щебень известняковый |
4000 |
25 |
0,76 |
Е'"общ = 960 |
- |
- |
- |
- |
- |
5 |
Пенопласт ПС-4 |
280 |
6 |
0,18 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
6 |
Пылеватая супесь |
280 |
- |
- |
- |
0,092 |
- |
- |
1,03 |
- |
Руководствуясь указаниями раздела 3 и данными, полученными в результате теплотехнического расчета и оценки прочности, составляют поперечный профиль дорожной конструкции.
О высокой эффективности применения в данном случае теплоизоляции из пенопласта можно судить по приводимому ниже сопоставлению.
Если допустить, что на проектируемом участке могут быть повышены рабочие отметки продольного профиля, и предусмотреть обычные меры по обеспечению морозоустойчивости конструкции, то, как показывает анализ по ВСН 46-72, это привело бы к следующим изменениям по сравнению с конструкцией рис.1.
Во-первых, рабочая отметка поверхности покрытия должна быть увеличена на 85 см.
Во-вторых, общая толщина слоев из стабильных материалов должна составить 135 см, что на 80 см больше, чем в конструкции с пенопластом (при расчете учтено, что пенопласт является стабильным материалом и что верхние четыре слоя одинаковы в обеих конструкциях).
В-третьих, при конструкции без пенопласта необходимо заменить слой из местного грунта толщиной 50 см стабильным материалом.
И, наконец, в-четвертых, на поверхности покрытия в конструкции без пенопласта будут более интенсивно накапливаться в процессе эксплуатации неровности, обусловленные морозным пучением грунта, так как нормами ВСН 46-72 допускается общая величина пучения до 4 см.
Пример 2. Запроектировать дорожную одежду с асфальтобетонным покрытием и теплоизолирующим слоем из стиропорбетона.
Исходные данные. Пучиноопасный участок дороги II категории находится на территории Ленинградской области (II дорожно-климатическая зона). Грунтовые воды расположены близко к поверхности земли. По условиям проектирования продольного профиля дороги расстояние от поверхности покрытия до расчетного уровня грунтовых вод не должно превышать 1,6 м (3-й тип местности по степени увлажнения). Грунт земляного полотна - тяжелый пылеватый суглинок.
Расчетная приведенная интенсивность движения по дороге - 300 авт./сутки на одну полосу (с учетом перспективы). Расчетная нагрузка - автомобиль группы А по ГОСТ 9314-59.
Для устройства основания дорожной одежды строительная организация может использовать битумоминеральную смесь и стиропорбетон.
Конструирование и расчет
1. Исходя из эксплуатационных требований к проезжей части дороги и учитывая материальные возможности строительной организации, намечают следующую конструкцию дорожной одежды: покрытие - два слоя асфальтобетона, верхний слой основания - битумоминеральная смесь, нижний конструктивно-теплоизоляционный слой основания - стиропорбетон. Ввиду того, что стиропорбетон не является таким высокоэффективным теплоизолятором, как пенопласт, его применяют только для ограничения глубины промерзания земляного полотна и снижения величины пучения грунта.
2. Теплотехнический расчет производят следующим образом.
Принимают расчетные значения теплофизических характеристик слоев дорожной конструкции:
а) для верхнего и нижнего слоев асфальтобетона - λ1,2 = 0,9 ккал/м.ч.град; С1,2 = 0,4 ккал/кг.град; γ1,2 = 2350 кг/м3;
б) для битумоминеральной смеси λ3 = 0,85 ккал/м.ч.град; C3 = 0,4 ккал/кг.град; γ3 = 2300 кг/м3;
в) для стиропорбетона (конструкционно-теплоизолирующий слой) λ4 = 0,2 ккал/м град; С4 =0,4 ккал/кг.град; γ4 = 1100 кг/м3;
г) для грунта земляного полотна - тяжелого пылеватого суглинка - λs - 1,7 ккал/м.ч.град; С5 = 0,27 ккал/кг.град; γ5 = 2000 кг/м3 (характеристики относятся к мерзлому грунту, так как в рассматриваемом примере допускается некоторая величина промерзания земляного полотна).
Многослойная конструкция, приводимая к трехслойной расчетной модели (см. пример 1 и п.4.10), характеризуется следующими значениями параметров:
λ1,9 - 0,87 ккал/м.ч.град; C1,9 = 0,4 ккал/кг.град; γ1,9 = 2320 кг/м3.
По формуле (1) находят, что расчетные значения коэффициента теплоусвоения слоев трехслойной модели (см. рис.7) равны: S1 - 28,4; S2 - 8,12 и S3 ~ 30,27 ккал/м.ч.град.
Устанавливают расчетные параметры годовой закономерности изменения температуры поверхности асфальтобетонного покрытия вблизи Ленинграда (см. пример 1 и приложение 4). По таблице приложения 4 находят tв.n = 3,7°С; σt = 0,9°С; Ав.м = 12,8°С и σA = 2,1°С.
Аналогично тому, как это делается в примере 1, рассчитывают температуру поверхности покрытия в расчетном году и амплитуду колебания температур. В результате этого получают, что tп.cp – 9,4°С, а Ап - 21,4°С.
Определяют допускаемую глубину промерзания земляного полотна от низа теплоизолирующего слоя [Z]. Для этого предварительно по ВСН 48-72 устанавливают, что для одежд с асфальтобетонным покрытием величина пучения не должна превышать 4 см, затем по формуле (8) находят, что коэффициент пучения тяжелого пылеватого суглинка равен
Величины параметров В и α0 приняты по ВСН 46-72.
Наконец, по формуле (7) получают, что
По формуле (6), учитывающей фазовые превращения воды, определяют допускаемое значение произведения средневзвешенной отрицательной температуры поверхности земляного полотна t и продолжительности промерзания его τ:
Здесь WT = 0,30; WH = КH WP = 0,75.0,17 = 0,13 (см. приложение 5).
По графику рис.8 при известном значении находят, что , откуда t = 9,4.0,16 = 1,5оС.
Таким образом, допускаемое значение самой низкой отрицательной температуры поверхности земляного полотна за период промерзания должно составлять (см. п.4.5) [t1 + tзам] = (-l,5) + (-0,6) = -2,l°C, а допускаемая амплитуда колебаний температур [A(h + в)] = tn.cp + [t1 + tзам] = 9,4 + 2,1 = 11,5°C.
Для того чтобы промерзание земляного полотна за зиму не превысило 46 см, необходимо выдержать следующее соотношение амплитуд:
. При данном отношении амплитуд, а также при определяют толщину слоя из стиропорбетона. По номограмме приложения 6 при и = 0,15 получают, что откуда = 19,5 см.
По номограмме приложения 6 δ.0,77 = 0,17, откуда δ = 22 см. Интерполяцией находят, что при толщину слоя из стиропорбетона следует принять равной ~ 20 см.
3. Конструкцию (рис.2) проверяют на морозоустойчивость. Делают это в соответствии с требованиями ВСН 46-72 и с учетом дополнений, изложенных в (см. п.4.13).
Предварительно проводят следующие расчеты. Устанавливают глубину промерзания конструкции от поверхности покрытия с учетом влияния теплоизолирующего слоя и величины [Z]n:
Уточняют расчетную толщину слоев из стабильных материалов, включая стиропорбетон, с учетом теплотехнических эквивалентов Z1,3 = 1,2 - 0,46 = 0,74 м. По формулам (14) и (15) определяют величину климатического показателя:
где
Рис.2. Схема конструкции к примеру 2:
1, 2 - верхний и нижний слои асфальтобетона; 3 - битумоминеральная смесь; 4 - стиропорбетон; 5 - тяжелый пылеватый суглинок
После выполнения этих предварительных расчетов по номограмме - рис. 24 ВСН 48-72 при находят, что , откуда что незначительно отличается от [l] = 4 см. Следовательно, практически обеспечивается необходимая устойчивость конструкции.
4. Оценка прочности конструкции (см. рис.2). Прежде всего определяют расчетную влажность грунта земляного полотна.
В соответствии с указаниями п.5.3 это выполняют с помощью метода, изложенного в "Методических рекомендациях" /3/. Применительно к условиям рассматриваемого примера при максимальной объемной массе скелета грунта δтах = 1,7 г/см3, оптимальной его влажности Wопт - 0,15, пределе текучести WT = 0,30, δлет = 0,98.δmax, δвес = 0,92 δmax и сумме осенних осадков 125 мм анализ показал, что расчетная влажность грунта составляет 0,8 WТ.
Таблица 2
Номер слоя |
Материал слоя |
Е, кгс/см2 |
h,см |
|
Общий модуль упругости (на поверхности слоев) Еобщ, кгс/см2 |
Активное напряжение сдвига в грунте, τав, кгс/см2 |
Напряжение растяжения, кгс/см2 |
Коэффициент прочности |
||||
По пробегу |
По сдвигу |
по изгибу |
||||||||||
асфальтобетонный |
Стиропорбетон |
асфальтобетонный |
Стиропорбетон |
|||||||||
1 |
Асфальтобетон верхнего слоя |
15000 |
4 |
0,12 |
Еобщ = 1950 |
- |
- |
- |
0,99 |
- |
- |
- |
2 |
Асфальтобетон нижнего слоя |
10000 |
5 |
0,.15 |
Е'общ = 1630 |
- |
12,8 |
- |
- |
- |
.1,00 |
- |
3 |
Битумоминеральная смесь |
8000 |
15 |
0,455 |
Е"общ - 1330 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
4 |
Стиропорбетон |
8000 |
20 |
0,605 |
- |
- |
- |
2,7 |
- |
- |
- |
1,1 |
5 |
Тяжелый пылеватый суглинок |
240 |
- |
- |
- |
0,075 |
- |
- |
- |
0,98 |
- |
- |
Для оценки прочности намеченной конструкции приняты следующие расчетные деформационные и прочностные характеристики:
а) модуль упругости верхнего слоя асфальтобетона при 10оС - 15000 кгс/см2, а нижнего при 10оС - 10000 кгс/см2; сопротивление растяжению при изгибе асфальтобетона (нижнего слоя) при N = 300 авт./сутки Ru = 12.1,15 = 12,8 кгс/см2 (см. приложение 3 ВСН 46-72);
б) модуль упругости битумоминерального материала - 8000 кгс/см2;
в) модуль упругости стиропорбетона - 8000 кгс/см2; сопротивление растяжению при изгибе Ru = 4,0 кгс/см2 (см. приложение 1);
г) расчетная влажность грунта земляного полотна (тяжелый пылеватый суглинок) - 0,8 WТ; при этой влажности модуль упругости грунта Егр = 240 кгс/см2, φ = 13°, С = 0,10 кгс/см2 (см. табл.4 приложения 2 ВСН 46-72).
Требуемый модуль упругости конструкции при N =300 авт./сутки Eтр = 1980 кгс/см2.
Результаты послойного расчета конструкции (см. рис.2) на прочность по всем трем критериям ВСН 46-72 приведены в табл.2, показывающей, что запроектированная дорожная конструкция отвечает всем требованиям ВСН 46-72 к прочности и морозоустойчивости конструкций.
1.
"Инструкция" по проектированию дорожных одежд нежесткого типа ВСН 46-
2. СНиП II-Д.5-72, "Автомобильные дороги общей сети Союза ССР. Нормы проектирования
3. Методические рекомендации по осушению земляного полотна и оснований дорожных одежд в районах избыточного увлажнения и сезонного промерзания грунтов, М., Союздорнии, 1974.
4. СНиП 1-Д.2-70. Автомобильные дороги. Материалы и изделия.
5.
"Инструкция по применению грунтов, укрепленных вяжущими материалами, для
устройства оснований и покрытий автомобильных дорог и аэродромов" СН 25-
6. Типовая методика определения экономической эффективности капитальных вложений. М., "Экономика", 1969.
7. Корсунский М.Б. Технико-экономическое обоснование конструкций дорожных одежд. М., "Транспорт*, 1964.
8. Справочник инженера-дорожника. "Содержание и ремонт автомобильных дорог". Под редакцией А.П. Алексеева. М., "Транспорт", 1974.
9. СНиП III-Д.5-73 Автомобильные дороги. Правила производства и приемки работ. Приемка в эксплуатацию,
10. СНиП II-А.7-71. Строительная теплотехника. Нормы проектирования.
11. СНиП II-Б.6-66. Основания и фундаменты зданий и сооружений на вечномерзлых грунтах. Нормы проектирования.
12. Бирюков Н.С., Казарновский В.Д., Мотылев Ю.Л. Методическое пособие по определению физико-механических свойств грунтов. М., "Недра", 1975.
13. Шимановский С.В., Шимановская Т.С. Инструктивные указания по определению теплопроводности грунтов при положительных и отрицательных температурах. Сб.2 "Материалы по лабораторному исследованию грунтов", 1954.
14. Методическое пособие по инженерно-геологическому изучению горных пород. Т.2. Под ред. Е.М. Сергеева и др. М., Изд-во МГУ, 1968.
15. Нерсесова З.А. Инструктивные указания по определению количества незамерзшей воды и льда в мерзлых грунтах. Сб.2 Материалы по лабораторным исследованиям мерзлых грунтов, 1954.
Расположен в: |
---|
Источник информации: https://internet-law.ru/stroyka/text/48075
На эту страницу сайта можно сделать ссылку:
На правах рекламы:
© Антон Серго, 1998-2024.
|
Разработка сайта |
|