ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "ДОРОЖНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ"

В.И. Рувинский

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЧНОСТИ
И УСТОЙЧИВОСТИ ЗЕМЛЯНОГО
ПОЛОТНА НА УЧАСТКАХ УШИРЕИИЯ
АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

Москва 2006

Содержание

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

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

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

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

Предисловие

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

● то же в отношении промерзания вновь устраиваемого земляного полотна;

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

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

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

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

1. Суть проблемы и пути ее решения

1.1. Механизм изменения плотности и влажности грунтов

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

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

К_у(б) = К_у(min)/(1 - е_усад),                                                                                      (1)

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

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

е_усад - относительная величина усадки грунта в летний период.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

● первый год после уширения дороги;

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

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

В указанные расчетные годы определяют:

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

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

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

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

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

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

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

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

Таблица 1

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

Таблица 2

Подтипы уширення дороги

Принятые обозначения:

 - грунт под существующей дорожной одеждой;

 - грунт на участках уширения земляного полотна.

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

1.3. Характеристика исследуемых грунтов и дорожных одежд

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

Характеристика этих грунтов следующая.

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

Определяем полную влагоемкость грунта (в долях единицы):

W_пв = (ρ_гр - К_у·ρ_ск(max))·ρ_в/(ρ_гр·К_у·ρ_ск(max)),                                                            (2)

где ρ_гр - плотность частиц грунта, кг/м³;

К_у - коэффициент уплотнения грунта;

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

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

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

Определяем капиллярную влагоемкость пылеватого грунта (в долях единицы):

W_кв = W_пв - ΔW_в,                                                                                                (3)

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

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

Таблица 3

А = К_ф ρ_в/(W_кв - W_опт)К_у·ρ_ск(тах),                                                                        (4)

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

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

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

q_ср(п) = 10^-4h_к·ρ_в·g,                                                                                        (5)

где g - ускорение свободного падения, м/с².

Для пылеватого песка q_ср(п) - 49 гПа.

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

                                                                     (6)

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

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

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

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

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

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

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

Таблица 4

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

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

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

● наличием асфальтобетонного или цементобетонного покрытия;

● величиной термического сопротивления дорожной одежды;

● величиной давления на грунт от веса дорожной одежды;

● наличием или отсутствием дренирующего слоя в дорожной одежде.

Таблица 5

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

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

R_од = h_од(экв)/λ_од + 1/а,                                                                                         (7)

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

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

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

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

Толщину эквивалентного слоя дорожной одежды определяют по формуле:

                                                                           (8)

где n_oд - количество конструктивных слоев дорожной одежды;

hΔ -толщина конструктивного слоя дорожной одежды, м;

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

Коэффициент теплопроводности эквивалентного слоя дорожной одежды определяется по формуле:

                                                                               (9)

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

2. Влажность грунтов перед промерзанием земляного полотна

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

2.1.1. Объем воды, поступающей в грунт под дорожной одеждой

Искомую величину определяют по формуле:

                                                                                  (10)

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

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

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

                                                                     (11)

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

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

           - площадь, м² (_гр - 1 м²);

Н_{вп(пр.ч)} = А_од·Н_вп(0),                                                                                            (12)

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

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

Таблица 6

Н_вп(0) = а₀т_дln(1 + b₀ i_д)·,                                                                    (13)

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

m_д - число дождей;

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

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

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

t_вн(0) = (i_д·Т_д - Н_{см(пр.ч)})/(i_д·т_д),                                                                            (14)

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

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

                                                                          (15)

Н_см ≤ т_д·max h_см,                                                                                              (16)

где а_см, mахh_см - показатели смачивания поверхности проезжей части (для асфальтобетонного покрытия а_см = 0,01 мм, maxh_см = 0,5 мм; для цементобетонного покрытия а_см = 0,02 мм, maxh_см = 1,0 мм);

Т - продолжительность расчетного периода (месяца), мин.

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

В этом случае величину отвода воды дренажем определяют по формуле:

                                       (17)

где h_др - толщина дренирующего слоя, м;

К_у, ρ_ск(тах), W_onm, W_кв - характеристика песка дренирующего слоя.

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

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

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

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

Таблица 7

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

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

Таблица 8

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

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

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

Для каждой группы капилляров движение воды описывается уравнением:

            (18)

                                                                                             (19)

                                                                                                       (20)

                                                 (21)

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

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

i - индекс участка капилляра;

ΔS_i - длина i-го участка капилляра, м;

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

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

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

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

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

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

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

                                                                      (22)

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

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

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

V_w ≤ q_{атм(пр.ч)},                                                                                                    (23)

V_w = (s^I + s^II + s^III + s^IV)(W_кв - W_опт)К_у·ρ_ск(тах)·_гр/(4·ρ_в),                                   (24)

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

s^I, s^II, s^III, s^IV - расстояния, на которые просочилась вода в грунт на рассматриваемый момент времени соответственно в I, II, III и IV группах капилляров грунта, м.

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

q_к = q_к(10)(1,02 - 0,002θ_в),                                                                                  (25)

К_w = К_w(10)(0,7 + 0,03θ_в),                                                                                   (26)

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

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

θ_в - температура воды в грунте, °С.

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

                                                         (27)

Значения s вычисляют для 4-х групп капилляров. Полученные значения s^I, s^II, s^III, и s^IV сравнивают с расстоянием l от низа дорожной одежды до сечения, в котором устанавливается влажность грунта. При s^I, s^II, s^III, и s^IV больших l все группы капилляров заполнены водой. В этом случае W = W_опт. При s^I, s^II, s^III, и s^IV меньших значений l вода по капиллярам не достигла рассматриваемого сечения, тогда W = W_onm. При одной группе капилляров, заполненных водой, W = W_onm + (W_кв - W_oпm)/4, при двух W =W_oпm + (W_кв - W_onm)/2, при трех W = W_onm + 3(W_кв - W_oпm)/4.

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

Таблица 9

Таблица 10

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

Таблица 11

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

Таблица 12

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

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

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

 и ,

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

Указанные условия необходимы, но недостаточны. Нужно также, чтобы

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

                                                                    (28)

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

                                               (29)

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

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

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

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

                                                                  (30)

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

Таблица 13

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

                                                                                            (31)

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

                                                                 (32)

где  - ширина существующей проезжей части, м. Значения W¹, W^I_опт, К^I_у,  относятся к существующей дорожной конструкции; значения , ,  - относятся к дорожной конструкции на участке уширения земляного полотна.

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

                                                                     (33)

Входящие в форм. (31) и (32) значения W^I и W^II даны в табл. 9-12.

Расчеты, проведенные по указанным выше формулам, позволили определить значения s^II.

В табл. 14 они даны при  = 7,5 м.

Таблица 14

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

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

Таблица 15

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

Таблица 16

Таблица 17

Таблица 18

Таблица 19

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

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

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

                                                      (34)

                                                             (35)

                                                                                             (36)

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

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

                                                                       (37)

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

Таблица 20

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

Таблица 21

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

Таблица 22

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

Таблица 23

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

Таблица 24

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

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

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

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

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

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

0 < l_ур < l_б.ур и

или l_ур = 0

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

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

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

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

Таблица 25

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

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

2.2.2. Значения коэффициента уплотнения грунта в расчетные годы

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

Таблица 26

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

2.2.3. Эпюры влажности грунтов перед промерзанием в расчетные годы

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

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

Таблица 27

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

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

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

2.3.1. «Безопасная» глубина залегания подземных вод

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

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

Н_{б.ур(ос)} = 1,5 + h_к;                                                                                              (38)

                                                              (39)

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

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

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

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

Таблица 28

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

2.3.2. Эпюры влажности грунтов перед промерзанием в расчетные годы

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

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

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

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

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

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

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

3.1. Температурное поле земляного полотна

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

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

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

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

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

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

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

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

● продолжительность периода понижения температуры грунта под дорожной одеждой от θ_л.обр до θ_min(о) (t_пон(о), сут);

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

● продолжительность периода от начала зимы до момента промерзания грунта на глубину Z_пр * ≤ h_np (t_зап, сут);

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

* На глубине Z_пр температура грунта равна θ_л.обр.

Установлена зависимость указанных характеристик температурного поля от следующих величин:

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

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

● продолжительности периода от начала зимы** до установления температуры а_темп (а_пон, сут);

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

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

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

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

Проведено районирование территории по величине а_темп, а_пон, а_зап, а_пр, R_oд(max) (рис. 2, табл. 29).

Расчет температурного поля проводят в следующей последовательности. Определяют значения:

R_oд - по форм. 7-9, включая в расчет величину λ_од по табл. 30;

λ_гр(м) - по табл. 31; i_зм - по форм. 40-41;

θ_л.обр - по табл. 32;

R_oд(mах) и а_темп - по рис. 2 и табл. 29.

θ_min(о) - по рис. 3; а_пр - по рис. 2 и табл. 29;

h_пр - по форм 42 с учетом рис. 7 и 8;

а_пон - по рис. 2и табл. 29; t_nонl(o) - по рис. 6;

а_зап - по рис. 2 и табл. 29;

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

t_зan -по форм. 43*; θ_а и θ_б-по табл. 32;

Z_а и Z_б - по форм 44; v_пр - по форм 45.

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

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

Таблица 29

Таблица 30

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

Рис. 4. Номограмма для определения параметра С_лр.

Рис. 5. Номограмма для определения параметров А_пр и В_пр

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

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

W_нз = K_нз·W_р;                                                                                                      (40)

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

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

W_p - влажность грунта на границе раскатывания, доли единицы.

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

Таблица 31

i_зм = (W₀ - W_нз)ρ_ск(0)/ρ_в;                                                                                       (41)

где i_зм - количество замерзшей воды, доли единицы;

W₀ - влажность грунта перед промерзанием, доли единицы;

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

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

Таблица 32

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

h_пр = а_год·а_пр·С_пр·А_пр·В_прλ_гр(м);                                                                             (42)

где а_год - поправочный коэффициент, учитывающий повторяемость глубины h_пр, мК/Вт;

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

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

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

t_зап(0) = а_зап[А_зап·В_зап + 1,01·t_пон(0) θ_л.обр/(θ_min(о) - θ_л.обр)];                                     (43)

t_зап = t_зап(0) + (Z_пр/h_пр)(а_зап -  t_зап(0));                                                                    (43*)

где Z_пр - глубина промерзания грунта на различные моменты времени, м (Z_пр < h_пр).

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

                                                          (44)

Температуре θ-θ_л.обр соответствует глубина Z_пр, температуре θ-θ_а - глубина Z_а и температуре θ = θ_б - глубина Z_б. Среднюю скорость промерзания грунта вычисляют по формуле:

v_пр = h_пр/(а_зап - t_зап(0));                                                                                        (45)

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

Для супеси:           λ_гр(м) = 1,75 Вт/(мК) и i_зм = 0,20 при К_у = 0,90

λ_гр(м) = 1,78 Вт/(мК) и i_зм = 0,17 при К_у = 0,95

Для суглинка:       λ_гр(м) = 1,52 Вт/(мК) и i_зм = 0,20 при К_у = 0,90

λ_гр(м) = 1,57 Вт/(мК) и i_зм = 0,18 при К_у = 0,95

Для глины:            λ_гр(м) = 1,63 Вт/(мК) и i_зм = 0,20 при К_у = 0,90

λ_гр(м) = 1,49 Вт/(мК) и i_зм = 0,18 при К_у = 0,95

Расчет глубины промерзания проводился для условий открытого поля при отсутствии дорожной одежды (R_oд = 0). В этом случае температура θ_min(0) = а_темп и А_пр - 1,0.

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

Таблица 33

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

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

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

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

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

 - существующее земляное полотно из глины;

 - земляное полотно из супеси на участке уширения дороги.

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

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

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

3.2.1. Расчетные зависимости

При расчете последовательно определяют.

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

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

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

4. Значения температур θ_а, θ_б и соответствующее им содержание незамерзшей воды в грунте W_нз(a) > W_нз(б) (табл. 32).

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

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

                          (46)

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

z_а и z_б, доли единицы;

z_пр - глубина промерзания на рассматриваемый момент, м.;

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

 - объем грунта, м³ ( - 1 м³).

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Таблица 34

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

                                                                            (48)

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

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

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

;                                                                     (49)

При трех группах q_min =  и т.д.

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

При W₀ > (3W_кв + W_опт)/4

       (50)

При (3W_кв + W_опт)/4 ≥ W₀ > (W_кв + W_опт)/2

                  (51)

При (W_кв + W_опт)/2 ≥ W₀ > (W_кв + 3W_опт)/4

                                              (52)

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

W_кв - капиллярная влагоемкость грунта, доли единицы;

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

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

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

g - ускорение свободного падения, м/с².

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

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

    (53)

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

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

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

                                                        (54)

                                                        (55)

                                                       (56)

                                                        (57)

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

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

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

При (3W_кв + W_опт)/4 ≥ W₀ > (W_кв + W_опт)/2

При (W_кв + W_опт)/2 ≥ W₀ > (W_кв + 3W_опт)/4

При(W_кв + 3W_опт)/4 ≥ W₀ > 3W_опт

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

                                                                            (58)

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

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

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

ρ_в - плотность воды, кг/м³;

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

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

v_np - скорость промерзания грунта, м/с.

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

                                                                                    (59)

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

                                                                                  (60)

где а_усад - коэффициент линейной усадки грунта, безразмерная величина.

Таблица 35

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

                                                                                      (61)

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

при  > W_{oп m}

                                                                                                   (62)

При  = W_oпm

                                                        (63)

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

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

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

(W_M - W_опт)ρ_ск(0)·/ρ_в < q_{атм.(пр.ч)};                                                                   (64)

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

Δs = q_{атм.(пр.ч)}·ρ_в/(W_М - W_опт)·ρ_ск(0)·;                                                             (65)

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

 = (W_кв - W_опт)·ρ_ск(0)· v_пр/(4ρ_в);                                                           (66)

где W_кв, W_onm, ρ_ск(0) - соответственно капиллярная влагоемкость, оптимальная влажность и плотность скелета грунта перед промерзанием в нижнем слое грунта;

v_пр - скорость промерзания грунта, м/с.

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

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

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

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

● асфальтобетон плотный толщиной 4 см;

● асфальтобетон пористый толщиной 8 см;

● асфальтобетон высокопористый толщиной, 14 см;

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

● песок средней крупности толщиной 30 см.

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

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

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

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

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

 = 135 гПа,  = 100·10^-8 м/с

 = 100 гПа,  = 310·10^-8 м/с

 = 85 гПа,  = 530·10^-8 м/с

 = 80 гПа,  = 755·10^-8 м/с.

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

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

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

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

 = 280 гПа,  = 35·10^-9 м/с

 = 195 гПа,  = 150·10^-9 м/с

 = 165 гПа,  = 300·10^-9 м/с

 = 145 гПа,  = 475·10^-9 м/с.

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

 = 235 гПа,  = 70·10^-9 м/с

 = 185 гПа,  = 190·10^-9 м/с

 = 165 гПа,  = 300·10^-9 м/с

 = 155 гПа,  = 400·10^-9 м/с.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

- для суглинка легкого пылеватого насыпи

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

- для суглинка легкого пылеватого под насыпью

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

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

Для рассматриваемых условий они имеют следующие значения:

а_темп = 18,5 °С, а_пон = 105 сут, а_зап = 145 сут,

а_пр = 0,75 м, R_oд(mах) = 2,20 м²К/Вт.

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

Для супеси легкой вводим в расчет R_од/ R_oд(mах) = 0,51/2,20 = 0,23 и i_зм = 0,14.

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

Для суглинка легкого пылеватого насыпи вводим в расчет R_од/ R_oд(mах) = 0,23 и i_зм = 0,15.

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

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

● для супеси легкой θ_л.обр = -0,1 °С

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

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

Устанавливаем по номограммам на рис. (4 и 5) значения параметров А_пр, B_пp и С_пр в случае промерзания однослойного грунта в пределах насыпи.

Значения этих параметров следующие:

● для супеси легкой А_пр = 0,65, В_пр = 3,2, С_пр = 0,99;

● для суглинка легкого пылеватого А_пр = 0,64, В_пр = 3,1, С_пр = 0,99.

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

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

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

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

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

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

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

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

При i_зм = 0,18 и R_од/R_oд(mах)=0,23, устанавливаем по номограммам на рис. (4 и 5) значения параметров А_пр, В_пр и С_пр. Их значения следующие: А_пр = 0,62, В_пр = 2,7, С_пр = 0,99. Определяем средневзвешенное значение коэффициента теплопроводности рассматриваемых мерзлых грунтов:

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

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

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

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

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

Предварительно вычисляем количество замерзшей воды в грунтах:

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

При i_зм =0,18 и R_од/R_oд(mах) = 0,23 устанавливаем по номограммам на рис. (4 и 5), что A_пр = 0,62, В_пр= 2,1, С_пр = 0,99.

Определяем средневзвешенное значение коэффициента теплопроводности рассматриваемых мерзлых грунтов:

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

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

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

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

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

По графику на рис. (7) имеем:

для супеси легкой А_зап =0,27, В_зап = 0,5;

для суглинка легкого пылеватого А_зап= 0,28, В_зап= 0,6.

По форм. (43) имеем:

для супеси легкой

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

для суглинка легкого пылеватого

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

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

z_пр = (l,5-0,8)/2 = 0,35 м.

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

t_зап = 20 + (145-20) = 47 сут.;

для суглинка легкого пылеватого

t_зап = 25 +  (145 - 25) = 53сут.

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

z_пр = 0,7+(1,6-0,7)/2 = 1,20 м.;

под существующей дорожной одеждой

z_пр = 0,7+ (1,5-0,7)/2 = 1,10 м.

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

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

на участке земляного полотна под существующей дорожной одеждой

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

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

z_пр = 0,35 м;

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

z_пр = 1,20 м.,

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

z_пр = 0,35 м.,

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

z_пр = 1,1 м.

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

v_np = 1,6/(145-20) = 0,013 м/сут.

На участке существующей дорожной конструкции:

v_пр = 1,5/(145-25) = 0,013 м/сут.

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

Необходимые для расчета данные следующие:

W_onm = 0,105 доли единицы, W_нз(a) - 0,06 доли единицы (табл. 32),

W_нз(б) - 0,05 доли единицы (табл. 32), z_пр = 0,35 м, z_а = 0,334 м., z_б = 0,319 м., ρ_ск(t) = 1910 кг/м³.

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

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

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

Необходимые для расчета данные следующие:

W_опт = 0,153, W_нз(а) = 0,11, W_нз(6)= 0,10 доли единицы (табл. 32),

z_пр = 1,20 м, z_a= 1,184 м.,

z_б = 1,169 м, ρ_ск(t) = 1765 кг/м³.

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

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

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

Необходимые для расчета данные следующие:

W_опт = 0,153, W_нз(а) = 0,11, W_нз(6)= 0,10 доли единицы (табл. 32),

z_пр = 0,35 м, z_a = 0,335 м.,

z_б = 0,320 м., ρ_ск(t) = 1765 кг/м³.

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

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

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

Необходимые для расчета данные следующие:

W_опт = 0,153, W_нз(а) = 0,11, W_нз(6)= 0,10 доли единицы (табл. 32),

z_пр = 1,10 м., z_a= 1,085 м.,

z_б = 1,070 м., ρ_ск(t) = 1655 кг/м³.

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

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

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

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

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

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

Для суглинка легкого пылеватого существующей насыпи

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

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

Для суглинка легкого пылеватого под насыпью на участке уширения дороги

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

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

Для суглинка легкого пылеватого под существующей насыпью

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

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

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

для супеси легкой насыпи имеем:

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

для суглинка легкого пылеватого насыпи имеем:

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

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

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

для суглинка легкого пылеватого под существующей насыпью

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

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

для супеси легкой насыпи имеем:

 = 138 гПа,  = 70·10^-8 м/с;

 = 102 гПа,  = 217·10^-8 м/с;

 = 87 гПа,  = 371·10^-8 м/с;

 = 82 гПа,  = 529·10^-8 м/с;

для суглинка легкого пылеватого насыпи имеем:

 = 286 гПа,  = 2,45·10^-8 м/с;

 = 199 гПа,  = 10,50·10^-8 м/с;

 = 168 гПа,  = 21,00·10^-8 м/с;

 = 148 гПа,  = 33,25·10^-8 м/с;

для суглинка легкого пылеватого под насыпью имеем:

 = 240 гПа,  = 4,90·10^-8 м/с;

 = 189 гПа,  = 13,30·10^-8 м/с;

 = 168 гПа,  = 21,00·10^-8 м/с;

 = 158 гПа,  = 28·10^-8 м/с;

Определяем количество групп капилляров, заполненных водой.

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

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

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

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

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

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

 гПа,

 гПа,

 гПа.

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

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

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

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

Принимаем в расчет  = 0,26·10^-8 м³/с.

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

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

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

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

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

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

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

Принимаем в расчет  = 0,153 доли единицы.

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

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

Принимаем в расчет  =0,153 доли единицы.

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

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

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

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

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

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

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

Влажность суглинка легкого пылеватого, из которого устроена насыпь равна:

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

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

Влажность суглинка легкого пылеватого под насыпью равна:

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

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

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

Таблица 36

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

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

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

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

Таблица 37

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

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

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

- насыпь из суглинка легкого пылеватого;

● коэффициент уплотнения 0,96;

● влажность грунта перед промерзанием 17,9 %;

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

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

показатели капиллярных свойств грунта:

 = 286 гПа,  = 2,45·10^-8 м/с;

 = 199 гПа,  = 10,50·10^-8 м/с;

 = 168 гПа,  = 21,00·10^-8 м/с;

 = 148 гПа,  = 33,25·10^-8 м/с.

- грунт под насыпью - суглинок легкий пылеватый;

● коэффициент уплотнения 0,92;

● влажность грунта перед промерзанием 19,4 %;

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

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

показатели капиллярных свойств грунта:

 = 240 гПа,  = 4,90·10^-8 м/с;

 = 189 гПа,  = 13,30·10^-8 м/с;

 = 168 гПа,  = 21,00·10^-8 м/с;

 = 158 гПа,  = 28,00·10^-8 м/с.

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

Средняя скорость промерзания грунта 0,012 м/сут.

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

- насыпь из супеси легкой:

● коэффициент уплотнения 0,98;

● влажность грунта перед промерзанием 11,9 %;

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

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

показатели капиллярных свойств грунта:

 = 138 гПа,  = 70·10^-8 м/с;

 = 102 гПа,  = 217·10^-8 м/с;

 = 87 гПа,  = 371·10^-8 м/с;

 = 82 гПа,  = 529·10^-8 м/с.

- грунт под насыпью - суглинок легкий пылеватый;

● коэффициент уплотнения 0,92;

● влажность грунта перед промерзанием 19,4 %;

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

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

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

Средняя скорость промерзания грунта 0,012 м/сут.

2. Изложение расчета.

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

По форм. (54-57) имеем:

По форм. (53)

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

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

По форм. (58)  = 0,153 доли единицы.

По форм. (60) е_усад = 0,003.

По форм. (59)  = 1769 кг/м³.

По форм. (63)

По форм. (61)

 доли единицы

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

По форм. (58)

 доли единицы

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

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

По форм. (62) = 196·10^-8 м³/с.

По форм. (61)

 доли единицы

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

По форм. (54-57) имеем:

По форм. (53)

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

По форм. (58)  = 0,105 доли единицы.

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

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

По форм. (63)

По форм. (61)

 доли единицы.

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

 = 138-82=56 гПа,  = 70·10^-8 м/с;

 = 102-82=20 гПа,  = 217·10^-8 м/с;

 = 87-82=5 гПа,  = 371·10^-8 м/с;

По форм. (50) имеем:

По форм. (66)

Принимаем в расчет  = 0,30·10^-8 м³/с.

По форм. (58)  =0,105.

По форм. (60) е_усад = 0,0.

По форм. (59)  = 1911 кг/м³.

По форм. (63)

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

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

Вычисляем величину влажности мерзлого слоя супеси в нижней части насыпи:

W_М(в) =  W_М  - (W_кв-W_опт)/4 = 0,120·(0,19-0,105)/4 = 0,117 доли единицы.

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

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

s - Δs = 0,7 - 0,16 = 0,54.

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

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

а_темп = 6,5 °С, а_пон = 60 сут, а_зап = 85 сут, а_пр - 0,35 м, R_об(max) = 0,85 м²-К/Вт.

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

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

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

● влажность грунта перед промерзанием 0,179 доли единицы;

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

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

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

Таблица 38

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

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

По форм. (63)  = 1,98·10^-8 м³/с.

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

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

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

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

По форм. (63)

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

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

По форм. (63)

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

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

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

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

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

Рис. 10. Влажность грунтов в холодную зиму

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

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

3.3. Прогноз величины пучения грунтов

3.3.1. Расчетные зависимости для определения пучения грунтов

Прогноз пучения грунта проводится по трем расчетным схемам. Первая из них применяется при W_м ≤ W_кp, вторая - при W_м > W_кр >  и третья - при  > W_кр. Под критической влажностью W_кp понимается влажность, при которой воздухоемкость мерзлого грунта равна нулю.

                                                                    (67)

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

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

ρ_гр - плотность частиц грунта, кг/м³;

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

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

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

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

h_nyч = h_nyч(0) - h_yс(м) - h_yс(т);                                                                                  (68)

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

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

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

h_nyч(0) = 10²(z_пр(i) - z_пр(i-1))[1,09(W_м - ) + 0,09( - W_опт)] /ρ_в             (69)

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

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

maxh_nyч(0) = 0,09·10²(z_пр(i) - z_пр(i-1))(W_м - W_нз)/ρ_в,                                       (70)

Значение усадки мерзлого грунта определяют по формуле:

h_yс(м) = 10²(z_пр(i) - z_пр(i-1)) е_усад,                                                                             (71)

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

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

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

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

                             (72)

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

v_пр - скорость промерзания грунта, м/с.

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

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

                                                             (73)

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

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

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

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

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

При W_м = 0,171 < W_кp = 0,184 расчет пучения грунта проводим по первой расчетной схеме. По форм. (69) h_nyч(0) = 2,4 см. По форм. (70) maxh_nyч(0) = 1,1 см. Принимаем в расчет h_nyч(0) = 1,1 см. По форм. (71) h_yс(м) = 0,2 см. По форм. (68) h_nyч = 0,9 см.

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

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

Исходные данные на участке вновь сооружаемой дорожной конструкции:

грунт насыпи - супесь легкая W₀ =11,0 %, W_м = 11,0 %, W_oпm = 10,5 %,  =10,5 %, W_нз = 3,5 %,  = 1910 кг/м³, ρ_гр = 2660 кг/м³, е_усад = 0,00;

грунт под подошвой насыпи - суглинок легкий пылеватый W₀ = 19,4 %, W_м = 20,3 %,  = 15,3 %, W_нз = 7,6 %,  = 1659 кг/м³, ρ_гр = 2690 кг/м³, е_усад = 0,012 %; глубина промерзания двухслойного грунта h_пр = 1,6 м от низа дорожной одежды.

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

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

При W_м = 0,110 < W_кp = 0,139 расчет пучения грунта проводим по первой расчетной схеме. По форм. (69) h_nyч(0) = 0,7 см. По форм. (70) maxh_nyч(0) = 0,9 см. Принимаем в расчет h_nyч(0) = 0,7 см. По форм. (71) h_yс(м) = 0,0 см. По форм. (68) h_nyч = 0,7 см.

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

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

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

Исходные данные на участке существующей дорожной конструкции:

грунт насыпи - суглинок легкий пылеватый W₀ =17,9 %, W_м = 18,9 %, W_oпm = 15,3 %,  = 15,3 %, W_нз = 7,6 %,  = 1740 кг/м³, ρ_гр = 2690 кг/м³, е_усад = 0,007;

грунт под подошвой насыпи - суглинок легкий пылеватый W₀ = 19,4 %, W_м = 20,4 %, W_oпm = 15,3 %,  = 15,3 %, W_нз = 7,6 %,  = 1659 кг/м³, ρ_гр = 2690 кг/м³, е_усад = 0,012; глубина промерзания двухслойного грунта h_пр = 1,4 м от низа дорожной одежды.

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

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

При W_м = 0,189 < W_кp = 0,193 расчет пучения грунта проводим по первой расчетной схеме. По форм. (69) h_nyч(0) = 4,8 см. По форм. (70) maxh_nyч(0) = 1,2 см. Принимаем в расчет h_nyч(0) = 1,2 см. По форм. (71) h_yс(м) = 0,5 см. По форм. (68) h_nyч = 0,7 см.

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

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

Исходные данные на участке вновь сооружаемой дорожной конструкции:

грунт насыпи - супесь легкая  W₀ = 11,9 %, W_м = 11,9 %, W_oпm = 10,5 %,  = 10,5 %, W_нз = 3,5 %,  = 1913 кг/м³, ρ_гр = 2660 кг/м³, е_усад = 0,001;

грунт под подошвой насыпи - суглинок легкий пылеватый W₀ = 19,4 %, W_м = 20,4 %, W_oпm = 15,3 %,  =15,3 %, W_нз = 7,6 %,  = 1659 кг/м³, ρ_гр = 2690 кг/м³, е_усад = 0,012; глубина промерзания двухслойного грунта h_пр = 1,5 м от низа дорожной одежды.

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

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

При W_м = 0,119 < W_кp = 0,138 расчет пучения грунта проводим по первой расчетной схеме. По форм. (69) h_nyч(0) = 2,0 см. По форм. (70) maxh_nyч(0) = 1,0 см. Принимаем в расчет h_nyч(0) = 1,0 см. По форм. (71) h_yс(м) = 0,1 см. По форм. (68) h_nyч = 0,9 см.

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

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

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

Исходные данные на участке существующей дорожной конструкции:

грунт насыпи - суглинок легкий пылеватый W₀ = 17,9 %, W_м = 18,9 %, W_oпm = 15,3 %,  = 15,3 %, W_нз = 7,6 %,  = 1740 кг/м³, ρ_гр = 2690 кг/м³, е_усад = 0,007;

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

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

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

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

При W_м = 0,189 < W_кp = 0,193 расчет пучения грунта проводим по первой расчетной схеме. По форм. (69) h_nyч(0) = 4,8 см. По форм. (70) maxh_nyч(0) = 1,2 см. Принимаем в расчет h_nyч(0) = 1,2 см. По форм. (71) h_yс(м) = 0,5 см. По форм. (68) h_nyч = 0,7 см.

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

По форм. (71) h_yс(м) = 0,1 см. По форм. (68) h_nyч = 6,7 см.

Исходные данные на участке существующей дорожной конструкции:

грунт насыпи – супесь легкая W₀ = 11,9 %, W_м = 11,9 %, W_oпm = 10,5 %,  = 10,5 %, W_нз = 3,5 %,  = 1913 кг/м³, ρ_гр = 2660 кг/м³, е_усад = 0,001;

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

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

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

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

Для этого предварительно определяют:

относительную величину пучения грунта в отдельных слоях земляного полотна:

е_nyч =  h_nyч/(z_пр(i) - z_пр(i-1));                                                                                    (74)

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

К_у(з) = К_у(ос)/(1 + е_nyч);                                                                                        (75)

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

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

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

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

W_з(ср) = (W₀ + W_м)/2;                                                                                          (77)

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

средневзвешенное значение коэффициента теплопроводности рассматриваемых двухслойных грунтов;

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

средневзвешенное значение количества замерзшей воды в двухслойных грунтах;

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

глубину промерзания земляного полотна по форм. (42);

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

величины W_м и h_ny, при уточненных значениях глубины и скорости промерзания земляного полотна.

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

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

Средневзвешенное значение коэффициента теплопроводности рассматриваемых двухслойных грунтов равно:

Средневзвешенное значение количества замерзшей воды в двухслойных грунтах равно:

 доли единицы

По номограмме на рис. 5 определяем значение параметров А_пр, В_пр при i_зм = 0,22 доли единицы. Они оказались равными А_пр = 0,57 и В_пр = 2,2.

По форм. (42) определяем глубину промерзания земляного полотна

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

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

v_пp = 1,20/(145 - 25) = 0,01 м/сут.

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

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

 =  при  = W₀

 =  при  < W₀

 определяют по форм. (63) при  = W_onm

По форм. (58)

 доли единицы.

По форм. (60) е_усад = 0,008

По форм. (59)  = 1670 кг/м³.

По форм. (61)

доли единицы.

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

По форм. (71) h_уc(м)=0,4 см.

По форм. (68) h_пуч=1,9 см.

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

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

Таблица 39

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

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

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

Таблица 40

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

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

Таблица 41

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

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

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

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

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

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

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

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

                                                                           (78)

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

                                                                                     (79)

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

При отсутствии дренирующего слоя W_в = W_м и коэффициент К_у(в) равен величине по форм. (78) в течение всего весеннего периода.

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

                                                                                                 (80)

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

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

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

 = h_ocад/(z_пр(i) - z_пр(i-1))                                                                                  (81)

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

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

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

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

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

Исходные данные на участке существующей дорожной конструкции: грунт насыпи - суглинок легкий пылеватый W_м = 17,1 %, W_кр = 18,4 %, ρ_ск(max) = 1800 кг/м³, ρ_гр = 2690 кг/м³, К_у(о) = 0,98, К_у(з) = 0,97, h_пуч = 0,9 см, (z_пр(i) - z_пр(i-1)) = 0,7 м, Р = 16,1 кПа.

грунт под подошвой насыпи - суглинок легкий пылеватый W_м = 20,3 %, W_кр = 21,9 %, ρ_ск(max) = 1800 кг/м³, ρ_гр = 2690 кг/м³, К_у(о) = 0,92, К_у(з) = 0,91, h_пуч = 0,5 см, (z_пр(i) - z_пр(i-1)) = 0,8 м, Р = 30,1 кПа.

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

При W_м = 17,1 % < W_кр = 18,4 % искомые величины в начале весны равны: К_у(в) = К_у(з) = 0,97, W_в = W_кв 17,6 % табл. (4). Полученная величина влажности больше W_м = 17,1 %, поэтому она является искомой.

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

К_у(в) = 0,97/(1-0,01) = 0,98.

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

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

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

К_у(в) = 0,91/(1-0,006) = 0,92.

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

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

Исходные данные на участке вновь сооружаемой дорожной конструкции: грунт насыпи - супесь легкая W_м = 11,0 %, W_кp = 13,9 %, ρ_ск(max) = 1950 кг/м³, ρ_гр = 2660 кг/м³, К_у(о)= 0,98, К_у(з) = 0,97, h_пуч = 0,7 см, (z_пр(i) - z_пр(i-1)) = 0,7 м, Р = 16,1 кПа;

грунт под подошвой насыпи - суглинок легкий пылеватый W_м = 20,3 %, W_кp = 21,9 %, ρ_ск(max) = 1800 кг/м³, ρ_гр = 2690 кг/м³, К_у(о)= 0,92, К_у(з) = 0,91, h_пуч = 0,6 см, (z_пр(i) - z_пр(i-1)) = 0,9 м, Р = 30,7 кПа;

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

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

К_у(в) = 0,97/(1-0,01) = 0,98.

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

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

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

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

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

Исходные данные на участке существующей дорожной конструкции: грунт насыпи - суглинок легкий пылеватый W_м = 18,9 %, W_кp = 19,3 %, ρ_ск(max) = 1800 кг/м³, ρ_гр = 2690 кг/м³, К_у(о)= 0,98, К_у(з) = 0,95, h_пуч = 0,7 см, (z_пр(i) - z_пр(i-1)) = 0,7 м, Р = 16,1 кПа;

Грунт под подошвой насыпи - суглинок легкий пылеватый W_м = 20,4 %, W_кр = 21,9 %, ρ_ск(max) = 1800 кг/м³, ρ_гр = 2690 кг/м³, К_у(о) = 0,92, К_у(з) = 0,91, h_пуч = 0,5 см, (z_пр(i) - z_пр(i-1)) = 0,7 м, Р = 30,1 кПа.

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

При W_м = 18,9 % < W_кp- = 19,3 % искомые величины, которые можно ожидать в начале весны, равны: К_у(в) = К_у(з) = 0,95, W_в = W_кв = 18,3 % табл. (4). Полученная величина влажности меньше W_м = 18,9 %. Поэтому в качестве расчетной принимаем величину W_в = W_кв = 18,9 %.

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

К_у(в) = 0,95/(1-0,01) = 0,96.

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

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

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

Исходные данные на участке, вновь сооружаемой дорожной конструкции: грунт насыпи - супесь легкая W_м = 11,9 %, W_кp = 13,8 %, ρ_ск(max) = 1950 кг/м³, ρ_гр = 2660 кг/м³, К_у(о)= 0,98, К_у(з) = 0,97, h_пуч = 0,9 см, (z_пр(i) - z_пр(i-1)) = 0,7 м, Р = 16,1 кПа;

грунт под подошвой насыпи - суглинок легкий пылеватый W_м = 20,4 %, W_кp = 21,9 %, ρ_ск(max) = 1800 кг/м³, ρ_гр = 2690 кг/м³, К_у(о)= 0,92, К_у(з) = 0,91, h_пуч = 0,5 см, (z_пр(i) - z_пр(i-1)) = 0,8 м, Р = 30,8 кПа;

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

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

K_y(в) = 0,91, W_в = 20,4 % (W_в/W_L = 0,76) в начале весны и К_у(в) = 0,92, W_в = 20,1 % (W_в/W_L = 0,74) в конце весны.

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

Исходные данные на участке существующей дорожной конструкции: грунт насыпи - суглинок легкий пылеватый W_м = 18,9 %, W_кp = 19,3 %, ρ_ск(max) = 1800 кг/м³, ρ_гр = 2690 кг/м³, К_у(о)= 0,98, К_у(з) = 0,95, h_пуч = 0,7 см, (z_пр(i) - z_пр(i-1)) = 0,7 м, Р = 16,1 кПа;

грунт под подошвой насыпи - суглинок легкий пылеватый W_м = 24,6 %, W_кp = 21,9 %, ρ_ск(max) = 1800 кг/м³, ρ_гр = 2690 кг/м³, К_у(о) = 0,92, К_у(з) = 0,89, h_пуч = 1,9 см, (z_пр(i) - z_пр(i-1)) = 0,5 м, Р = 30,1 кПа;

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

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

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

Влажность грунта в начале иесны равна W_в = W_м =24,6 %.

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

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

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

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

Таблица 42

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

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

5.1. Расчетная схема определения влажности, плотности и пучения грунтов

Вначале устанавливают значения глубин промерзания грунтов в районе сопряжения существующей и вновь сооружаемой дорожной конструкции. На рис. (14) представлены две расчетные схемы промерзания грунтов. Первая расчетная схема, обозначенная буквой «А», применяется при  < , где  и  - глубины промерзания грунтов в центральной части земляного полотна соответственно на участке существующей дорожной конструкции и на участке уширения дороги. Вторая расчетная схема, обозначенная буквой «В», применяется при  > .

Показанные на рис. (14) величины со знаком один штрих относятся к существующей дорожной конструкции; величины со знаком два штриха - к вновь сооружаемой дорожной конструкции.

По первой расчетной схеме искомой величиной является расстояние , на которое может промерзнуть грунт под существующей дорожной одеждой со стороны уширения земляного полотна.

Расчет проводят в два этапа. На первом этапе принимают, что  =  -  и при этой величине определяют средневзвешенные значения i_зm и λ_гр(м) по пути промерзания земляного полотна.

При  >  и  ≤  искомые величины равны:

                (82)

                          (83)

При  >  и  >  искомые величины равны:

      (84)

                   (85)

где ,  - значения коэффициентов теплопроводности мерзлого грунта соответственно в верхнем и нижнем слое земляного полотна в центральной части существующей дорожной конструкции, Вт/(м²К);

,  - то же на участке уширения дороги;

,  - количество замерзшей воды соответственно в верхнем и нижнем слое земляного полотна в центральной части существующей дорожной конструкции, доли единицы;

,  - то же на участке уширения дороги;

,  - толщина верхнего слоя земляного полотна (насыпи) соответственно под существующей дорожной одеждой и на участке уширения дороги, м.

При полученных значениях i_зm и λ_гр(м) и  вычисляют по форм. (42) глубину промерзания h_пр. В данном случае h_пр = , откуда определяют значение . На втором этапе вводят в расчет по форм. (82-85) значение , полученное на первом этапе, и вновь вычисляют по форм. (42) суммарную величину  при , откуда определяют уточненное значение ,. При  -  =  -  величина  = 0.

По второй расчетной схеме искомой величиной является расстояние , на которое может промерзнуть грунт на участке уширения земляного полотна со стороны существующей дорожной конструкции. Расчет проводят в два этапа. На первом этапе принимают, что  =  -  и при этой величине определят средневзвешенные значения i_зm и λ_гр(м) по пути промерзания земляного полотна.

При  >  и  ≤  искомые величины равны:

                (86)

                          (87)

При  >  и  >  искомые величины равны:

      (88)

                   (89)

При полученных значениях i_зm и λ_гр(м) и  вычисляют по форм. (42) суммарную величину ( +  -  + ), откуда определяют значение .

На втором этапе вводят в расчет по форм. (86-89) значение , полученное на первом этапе, и вновь вычисляют по форм. (42) суммарную величину ( +  -  + ), откуда определяют уточненное значение .

При  -  =  -  величина  = 0. Затем устанавливают значения плотности, влажности и пучения грунтов согласно изложенному в п.п. 3.2.1 и 3.3.1. В точках 1^I и 1^II на рис. (14) искомые значения равны соответствующим величинам в центральной части земляного полотна. Расчет искомых величин в точке 2¹ на рис. (14) имеет особенности, которые заключаются в следующем. В расчет включают значения Z₁, Z₂, h_пр, v_пр равные величинам на соседнем примыкающем участке земляного полотна, на котором  > . Аналогичные особенности имеет расчет искомых величин в точке 2^II на рис. (14). Расчет значений плотности и влажности грунтов, которые можно ожидать в весенний период в местах контакта старой и новой дорожной конструкции, проводят согласно изложенному в п. 4.1.

Рис. 14. Расчетная схема промерзания грунта по ширине проезжей части в районе сопряжения существующей и вновь сооружаемой дорожной конструкции.

5.2. Результаты расчета влажности и плотности грунтов и их пучения

Прогноз значений плотности и влажности грунтов и их пучения проведем при тех же исходных данных, что рассматривались ранее (см. п. 3.3). Разница только в том, что насыпь на участке уширения дороги устраивается из мелкого песка. Оптимальная влажность этого песка - 7,0 %, капиллярная влагоемкость - 9,3 %, полная влагоемкость - 12,3 %, максимальная плотность скелета грунта - 2000 кг/м³, плотность частиц грунта - 2650 кг/м³, коэффициент уплотнения грунта равен единице, коэффициент фильтрации - 0,2 м/сут, высота капиллярного поднятия - 0,85 м, толщина слоя песка от низа дорожной одежды до поверхности земли - 0,7 м, глубина залегания подземных вод от поверхности земли - 1,0 м.

При прогнозе влажности песка, из которого устраивается насыпь на участке уширения дороги, необходимо учитывать, что в этом грунте может появиться свободная гравитационная вода в осенний период. Такое явление имеет место в том случае, когда объем воды (V_W, м³ на 1 м²), поступающей в песок, больше величины (W_кв - W_опт)· ρ_ск·h_к··ρ_в. В этом выражении W_кв и W_опт - соответственно капиллярная влагоемкость и оптимальная влажность песка в долях единицы: ρ_ск и ρ_в - плотность скелета песчаного грунта и плотность воды в кг/м³; h_к - высота капиллярного поднятия воды в песке в м;  - площадь поперечного сечения ( = 1 м²). При толщине слоя песка от низа дорожной одежды до поверхности земли (h_п м) меньше значения h_к в расчет принимают величину h_н. Толщина слоя песка со свободной гравитационной водой (Δh_п(с.в)) составляет:

Δh_п(с.в) = [V_w·ρ_в/(ρ_ск·) - h_к·(W_кв - W_опт)]/(W_пв - W_опт)                                    (90)

В указанном слое влажность песка равна полной влагоемкости (W_пв).

При 1-ой схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна величина V_w равна значению притока воды в грунт (, м³ на 1 м²) в осенний период от атмосферных осадков, выпадающих на поверхность проезжей части дороги. Значения этого притока воды в грунт приведены в табл. 8.

При 2-ой схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна определяют величину V_w по формуле:

V_w = (W_кв - W_опт)(h_к + h_сл.в) ρ_ск / ρ_в +                                                     (91)

где h_сл.в - толщина слоя поверхностной воды у откоса насыпи, м.

При (h_к + h_сл.в) > h_п в расчет вводят величину h_п, вместо значения (h_к + h_сл.в). Формула (91) действительна при h_сл.в ≤ h_п.

При 3-ей схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна определяют величину V_w по формуле:

V_w = (W_кв - W_опт)(h_к - H_j) ρ_ск / ρ_в +                                                        (92)

где H_j - глубина залегания подземных вод от поверхности земли, м.

При H_j > h_к величина V_w = .

Средневзвешенное значение влажности песка (в долях единицы) перед промерзанием равно величине

W = W_опт + V_w ρ_в/(h_п·ρ_ск )                                                                            (93)

Расчет начинаем с определения влажности мелкого песка в осенний период в центральной части земляного полотна на участке уширения дороги.

Расчет проводим по форм. (90-93). Необходимое для расчета значение притока воды в песок от атмосферных осадков, выпадающих на поверхность проезжей части, принимаем по табл. 8. Согласно этой таблице  = 0,012 м³ на 1 м².

При 1-ой схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна имеем:

V_w = = 0.012 м³ на 1 м².

Δh_п(с.в) = [0,012·1000/(2000·1,0) - 0,7·(0,093 - 0,07)]/(0,123 - 0,07) = 0 м

W = 0,07 + 0,012·1000/(0,7·2000·1,0) = 0,078 доли единицы.

При 2-ой схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна имеем:

V_w = (0,0930 - 0,07)·0,7·2000·1,0/1000 + 0.012 = 0,044 м³ на 1 м².

Δh_п(с.в) = [0,044·1000/2000 - 0,7·(0,093 - 0,07)]/(0,123 - 0,07) = 0,11 м

W = 0,07 + 0,044·1000/(0,7·2000) = 0,100 доли единицы.

В слое Δh_п(с.в) = 0,11 м влажность песка W = 0,123.

При 3-ей (схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна имеем:

при H_j = 1,0 м > h_к = 0.85 м

V_w = 0.012 м³ на 1 м².

Δh_п(с.в) = 0 м

W = 0,078 доли единицы.

Результаты расчета влажности песчаного грунта насыпи перед промерзанием земляного полотна представлены в табл. (43).

Таблица 43

Приведенное в табл. (43) значение влажности грунта при 2-ой схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна относится к случаю поглощения песком всей воды, поступающей в насыпь. Такие условия имеют место при нахождении поверхностной воды у откоса насыпи, при укреплении откосов, которое не позволяет вытекать свободной гравитационной воде за пределы земляного полотна и при значении коэффициента фильтрации песка менее 0,5 м/сут. При дренировании свободной гравитационной воды за пределы насыпи влажность песка будет равна капиллярной влагоемкости. В данном случае W_кв - 9,3 %.

Далее определяют значения влажности и плотности мерзлых грунтов и их пучения в холодный год на участке уширения дороги, относящейся ко 2-ой схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна.

Исходные данные для расчета указанных величин: грунт насыпи - мелкий песок. h_к = 0,7 м, W₀ = 10,0 %, W_кв = 9,3 %, W_oпт = 7,0 %, ρ_гр - 2650 кг/м³, ρ_ск(max) = 2000 кг/м³, К_у(в) = 1,0, Р = 16,1 кПа„ R_oд/ R_oд(mах) = 0,23;

грунт под подошвой насыпи - суглинок легкий пылеватый W₀ - 19,4 %, W_кв, = 19,4 %, W_опm - 15,3 %, ρ_гр = 2690 кг/м³, R_oд(mах) = 1800 кг/м³, К_у(в) = 0,92, Р = 31,1 кПа.

При расчете последовательно определяют:

значения коэффициентов теплопроводности мерзлых грунтов по табл. (31) для песка λ_гр(м) = 2,90 Вт/(м·К) и для суглинка λ_гр(м) = 1,51 Вт/(м·К);

количество замерзшей воды по форм. (41) для песка i_зм = 0,20 доли единицы и для суглинка i_зм = 0,20 доли единицы;

глубину промерзания однослойного земляного полотна из песка по форм. (42) - h_пр = 2,8 м;

средневзвешенные значения λ_гр(м) и i_зм для двухслойного грунта (песок мелкий + суглинок легкий пылеватый)

λ_гр(м) = (0,72,9 + 2,1·1,51)·2,8 = 1,90 Вт/(м·К), i_зм  = 0,20 доли единицы;

глубину промерзания двухслойного земляного полотна (песок мелкий + суглинок легкий пылеватый), по форм. (42) - h_пр = 1,84 м;

значение критической влажности песка, по форм. (67) W_кp = 11,0 %;

влажность мерзлого песка W_м - W₀ = 10,0 %;

величину пучения песка по форм. (68) - h_пуч = 1,3 см;

скорость промерзания двухслойного грунта (песок мелкий + суглинок легкий пылеватый) по форм. (45) v_пр = 0,016 м/сут.;

значение расхода пленочной воды, поступающей в мерзлый слой суглинка легкого пылеватого, по форм. (48) -  = 2,6·10^-8 м³/c;

значение расхода капиллярно подвешенной воды, которая может поступить к границе промерзания суглинка легкого пылеватого, по форм. (66)  = 0,31·10^-8 м³/с;

значение влажности суглинка легкого пылеватого под границей промерзания после оттока пленочной воды из талого грунта в мерзлый слой, по форм. (58) -  = 15,3 %;

плотность скелета суглинка легкого пылеватого под границей промерзания после оттока пленочной воды из талого грунта в мерзлый слой, по форм. (59)  = 1639 кг/м³;

среднее для суглинка легкого пылеватого значение расхода пленочной воды, поступающей из талого грунта в мерзлый слой, по форм. (63) -  = 1,56·10^-8 м³/c;

относительную величину усадки суглинка легкого пылеватого при промерзании по форм. (60) - е_усад = 0,01 доли единицы;

влажность мерзлого суглинка легкого пылеватого, по форм. (61) - W_м = 20,4 %;

значение критической влажности суглинка легкого пылеватого, по форм. (67) - W_кр = 21,9 %;

величину пучения суглинка легкого пылеватого за счет миграционного льдонакопления, по форм. (70) - h_nyч(0) = 2,2 см;

величину усадки суглинка легкого пылеватого в пределах мерзлого слоя земляного полотна, по форм. (71) - h_ус = 1,1 см;

величину пучения суглинка легкого пылеватого, по форм. (68) - h_nyч = 1,1 см.

Результаты расчета влажности и плотности мерзлых грунтов в центральной части земляного полотна существующей дорожной конструкции представлены в табл. (37). Для тех же мест определены значения пучения грунтов. Они представлены в табл. (40).

В рассматриваемом случае  = 1,40 м <  = 1,84 м. В этом случае происходит промерзание грунта существующей дорожной конструкции со стороны земляного полотна на участке уширения дороги. Согласно изложенному в этом разделе определяем величину  (см. рис. 14) при  = 1,40 м, >  = 0,7 м.

Первоначально принимаем, что  = 1,84 - 1,40 = 0,44 м.

По форм. (84) имеем:

λ_гр(м) = [2,90·0,7 + 1,51·(l,40 - 0,7) + 0,44·1,51]/(1,40 + 0,7 - 0,7 + 0,44) = 2,04 Вт/(м²К)

По форм. (85) имеем:

i_зм = [0,20·0,7 +0,20·(1,40 - 0,7) + 0,20·0,44]/(1,40 + 0,7 - 0,7 + 0,44) = 0.20 доли единицы.

По графикам на рис. (5) имеем:

при R_oд/R_oд(mах) = 0,23 и i_зм = 20 значение А_пр = 0,61,

при i_зм = 0,20 значение В_пр = 2,6.

По форм. (42) h_пр = 0,8·0,75·0,61·2,6·2,04 = 1,99 м.

Согласно изложенному принимаем, что 1,99 = 1,40 + 0,7 - 0,7 + , откуда  = 0,59 м.

При величине  = 0,59 м. уточняем значения λ_гр(м) и i_зм. По форм. (84)

λ_гр(м) = [2,90·0,7 + 1,5·(1,40 - 0,7) + 1,51·0,59]/(1,40 + 0,7 - 0,7 + 0,59) = 2,00 Вт/(м²К).

По форм. (85) i_зм = 0,20 доли единицы.

По графикам на рис. (5) имеем А_пр = 0,61 и В_пр =2,6.

По форм. (42) h_пр = 0,8·0,75·0,61·2,6·2,00 = 1,90 м.

Согласно изложенному принимаем, что 1,90 = 1,40 + 0,7 - 0,7 + , откуда  = 0,50 м. Это значение  принимаем в качестве искомой величины,

Далее устанавливаем величину пучения грунта в точке 2¹ (рис. 14) на участке существующей дорожной конструкции. В этой точке глубина промерзания h_пр =  = 1,84 м и h_пр = 1,84 >  = 0,7 м.

При h_пр >  зона пучения включает грунт насыпи и грунт под насыпью. Величина пучения грунта насыпи уже известна. Она равна 0,9 см. (табл. 40). Нужно определить величину пучения суглинка легкого пылеватого под насыпью (см. п. 3.3.3).

По форм. (70) имеем:

h_nyч(0) = 0,09·10²·(1,84 - 0,7)·(0,204 - 0,076)·1659/1000 = 2,2 см.

По форм. (71) h_yс(м) = 10²·(1,84 - 0,7)·0,012 = 1,4 см.

По форм. (68) h_nyч = 2,2 - 1,4 = 0,8 см.

Тогда суммарная величина пучения двухслойного грунта составляет в точке 2^l h_nyч = 0,9 + 0,8 = l,7 см.

По полученным данным расчета устанавливаем эпюру пучения грунтов в поперечном направлении под проезжей частью дороги. В точке 1^I - h_nyч = 1,2 см, в точке 2^I - h_nyч = l,7 см, в точке 3^I - h_nyч = 1,2 см., в точке 2^II - h_nyч = 2,4 см., в точке 3^II - h_nyч = 2,4 см.

Указанные точки показаны на рис. (14, А). Точки 1^I, 2^I и 3^I расположены на участке существующей дорожной конструкции, точки 1^II, 2^II и 3^II - на участке уширения дороги.

Представленные расчеты показывают, что применение песка для уширения насыпи может вызвать увеличение пучения земляного полотна по сравнению с участком из глинистого грунта. Причины такого положения следующие.

Первая причина заключается в том, что коэффициент теплопроводности песка больше, чем соответствующая величина для глинистого грунта. В результате этого песчаные грунты промерзают на большую глубину, чем глинистые. Соответственно больше и зона пучения двухслойных грунтов.

Вторая причина заключается в том, что влажность песка перед промерзанием может быть больше капиллярной влагоемкости, что увеличивает величину пучения грунта. В глинистых грунтах их влажность перед промерзанием не может превысить капиллярную влагоемкость.

Третья причина заключается в том, что в песке замерзает вся вода, которая там имеется. Это увеличивает величину пучения грунта. По сравнению с песком в мерзлых глинистых грунтах имеется незамерзшая вода.

Четвертая причина заключается в том, что пески, уплотненные до максимальной плотности, не дают усадки грунта при их примерзании. Это увеличивает величину пучения грунта.

Применение песка может и уменьшить величину пучение земляного полотна за счет того, что в насыпь из песка не поступает капиллярно подвешенная вода из глинистого грунта.

При расстоянии от подошвы насыпи до уровня подземных вод больше высоты капиллярного поднятия воды в песке в насыпь не поступает и собственно капиллярная вода. Изложенный выше метод прогноза пучения грунтов учитывает все эти факторы.

Как следует из представленных результатов расчета величина пучения грунтов в местах контакта старой и новой дорожной конструкции соответственно составляет 1,7 см и 2,4 см. За счет разницы в пучении грунтов (2,4-1,7=0,7 см) может произойти образование продольной трещины в дорожной одежде в местах контакта указанных конструкций.

Как следует из результатов расчета пучения грунтов на участке существующей дорожной конструкции разница между указанными величинами в точках 1^I и 2^I (рис. 14, А) составляет 1,7-1,2 = 0,5 см. при расстоянии между этими точками 0,5 м. Согласно ОДН 218.046-01 интенсивность изменения пучения грунта не должна превышать 0,2 см/м при устройстве асфальтобетонного покрытия. В рассматриваемом случае интенсивность изменения пучения грунта превышает допустимые нормы. Поэтому следует ожидать появление трещин в покрытии на участке .

Следующим этапом расчета является установление значений влажности и плотности мелкого песка в весенний период на участке уширения дороги, относящейся ко 2-му типу (схеме) увлажнения рабочего слоя земляного полотна. Расчет проводится согласно изложенному в п. 4.1 при следующих исходных данных: W_м = 10,0 %, W_кр = 11,0 %, К_у(з) = 0,98. Значения К_у(в) и W_в определяют для начала и конца весны.

Расчет для начала весны. При W_м = 10,0 % < W_кр = 11,0 % значение коэффициента уплотнения мелкого песка К_у(в) = К_у(з) = 0,98. При К_у(в) = 0,98 полная влагоемкость мелкого песка равна 13,3 %, а капиллярная влагоемкость - 10,3 %. При К_кв = 10,3 % > W_м = 10,0 % влажность мелкого песка W_в = W_кв = 10,3 %.

Расчет для конца весны. Результаты следующие: W_в = 9,3 %, К_у(в)= 1,0.

Выше говорилось о плюсах и минусах применения песчаного грунта для устройства насыпи. Дополнительным плюсом, о чем свидетельствуют результаты расчета плотности грунта в конце весны, является то, что песчаный грунт восстанавливает свою плотность, достигнутую при строительстве дороги.

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

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

В основу решения задачи по назначению прочностных и деформационных характеристик грунтов положены нормы и указания, изложенные в ОДН 218.046-01. При выводе расчетных зависимостей, позволяющих прогнозировать значения сцепления и угла внутреннего трения в грунте, использовались результаты исследования влияния повторных нагрузок на сдвигоустойчивость грунтов, полученных с помощью прибора «клинового» типа. Они опубликованы в работе «Методические рекомендации по применению теплоизолирующих слоев из пенопласта для снижения объема земляных работ» (1988).

При предотвращении промерзания грунтов под дорожной одеждой существенно меняется водно-тепловой режим земляного полотна. В частности, не происходит в зимний период влагонакопление в рабочем слое земляного полотна. Наоборот, влажность грунта в этот период понижается. Кривая изменения влажности грунта состоит из 4-х частей:

● летнего понижения влажности грунта;

● осеннего повышения влажности грунта;

● зимнего понижения влажности грунта;

● весеннего повышения влажности груша.

За начало летнего периода понижения, влажности грунта принята дата устойчивого перехода среднесуточной температуры воздуха при ее подъеме через +5 °С, за окончание этого периода - дата перехода температуры воздуха при ее падении через +10 °С.

За начало осеннего периода повышения влажности грунта принята дата устойчивого перехода среднесуточной температуры воздуха при ее падении через +10 °С, за окончание этого периода - дата перехода температуры воздуха при ее падении через минус 5 °С.

За начало зимнего периода понижения влажности грунта принята дата устойчивого перехода среднесуточной температуры воздуха при ее падении через минус 5 °С, за окончание этого периода - дата перехода температуры воздуха при ее подъеме через 0 °С.

За начало весеннего периода повышения влажности грунта принята дата устойчивого перехода средиесуточной температуры воздуха при ее подъеме через 0 °С, за окончание этого периода - дата перехода температуры воздуха при ее подъеме через +5 °С.

Данные о продолжительности указанных периодов приведены в таблице 44.

Таблица 44

Примечание. В таблице приведены даты наступления температур воздуха для среднемноголетнего года.

6.1.1. Определение расчетного значения сцепления в грунте

Сцепление в грунте устанавливают для 2-х расчетных лет: для первого года после устройства уширения дороги и для последнего года перед капитальным ремонтом. При этом проводят расчет сцепления в грунте под существующей дорожной одеждой и на участке уширения дороги.

Искомые величины определяют последовательно для летнего, осеннего, зимнего и весеннего периодов года. Значения величин, относящихся к этим периодам года, соответственно обозначаются значками: I, II, III, IV.

Для: летнего периода понижения влажности грунта в первый год эксплуатации дороги расчет проводят по следующим зависимостям:

При

                                                                                (94)

При

                                                             (95)

где  - расчетное сцепление грунта с влажностью W_I/W_L при суммарном количестве проходов расчетного автомобиля  МПа;

 - статическая расчетная величина сцепления грунта с влажностью W^I/W_l, МПа (см. табл. 45 и 46);

,  - коэффициенты, характеризующие интенсивность снижения сцепления грунта с влажностью W^I/W_L, соответственно при  и  > 10⁴ (см. табл. 45 и 46);

W¹ - средневзвешенное значение влажности грунта в летний период расчетного года, %;

W_L - влажность грунта на границе текучести, %.

Для осеннего периода повышения влажности грунта расчет проводят по следующей зависимости:

            (96)

где  - расчетное сцепление грунта с влажностью W^II/W_l при суммарном количестве проходов расчетного автомобиля , МПа;

 - статическая расчетная величина сцепления грунта с влажностью W^II/W_l, МПа (см. табл. 45 и 46);

 - коэффициент, характеризующий интенсивность снижения сцепления грунта с влажностью W^II/W_l (см. табл. 45 и 46);

W^II - средневзвешенное значение влажности грунта в осенний период расчетного года, %.

Для зимнего периода повышения влажности грунта расчет проводят по следующей зависимости:

       (97)

где  - расчетное сцепление грунта с влажностью W^II/W_l при суммарном количестве проходов расчетного автомобиля  + > МПа_;

 - статическая расчетная величина сцепления грунта с влажностью W^II/W_L, МПа (см. табл. 45 и 46);

 - коэффициент, характеризующий интенсивность снижения сцепления грунта с влажностью W^II/W_L (см. табл. 45 и 46);

W^II - средневзвешенное значение влажности грунта в осенний период расчетного года, %.

Для весеннего периода повышения влажности грунта в первый год эксплуатации дороги расчет проводят по следующей зависимости:

(98)

где  - расчетное сцепление грунта с влажностью W^III/W_l при суммарном количестве проходов расчетного автомобиля , Мпа.

 - коэффициент, характеризующий интенсивность снижения сцепления грунта с влажностью W^IV/W_l (см. табл. 45 и 46);

W^IV - средневзвешенное значение влажности грунта в весенний период расчетного года, %.

Для прогноза сцепления и угла внутреннего трения в грунте нужно иметь данные о средневзвешенных значениях влажности грунта, которые можно ожидать в летний, осенний, зимний и весенний периоды. Методика их определения будет изложена в следующих разделах книги. Следует только отметить, что в расчет нужно включать влажность грунта в весенний период при уровне проектной влажности 0,95.

Суммарное количество проходов расчетного автомобиля в летний период определяют по формуле:

                                                                                                (99)

где N_p - приведенная к расчетной нагрузке среднесуточная интенсивность движения транспорта по одной полосе проезжей части, авт./сут.;

t_л - продолжительность летнего периода, сут. (см. табл. 44). Суммарное количество проходов расчетного автомобиля в осенний период определяют по формуле:

                                                                                               (100)

где t_oc - продолжительность осеннего периода, сут. (см. табл. 44).

Суммарное количество проходов расчетного автомобиля в зимний период определяют по формуле:

                                                                                               (101)

где t₂ - продолжительность зимнего периода, сут. (см. табл. 44).

Суммарное количество проходов расчетного автомобиля в весенний период определяют по формуле:

                                                                                               (102)

где t_в - продолжительность весеннего периода, сут. (см. табл. 44).

Для летнего периода понижения влажности грунта во второй год эксплуатации дороги расчет проводят по следующей зависимости:

      (103)

где  - значения сцепления в грунте в весенний период первого года эксплуатации дороги;

 - суммарное количество проходов расчетного автомобиля в течение первого года эксплуатации дороги.

Все остальные величины, входящие в форм. (103), относятся ко второму году эксплуатации дороги.

Для осеннего периода повышения влажности грунта во второй год эксплуатации дороги расчет проводят по следующей зависимости:

           (104)

Для зимнего периода понижения влажности грунта во второй год эксплуатации дороги расчет проводят по следующей зависимости:

           (105)

Для весеннего периода повышения влажности грунта во второй год эксплуатации дороги расчет проводят по следующей зависимости:

         (106)

Для летнего периода понижения влажности грунта в третий год эксплуатации дороги расчет проводят по следующей зависимости:

      (107)

где  - значения сцепления в грунте в весенний период второго года эксплуатации дороги;

 - суммарное количество проходов расчетного автомобиля в течение первого и второго года эксплуатации дороги.

Все остальные величины, входящие в форм. (107), относятся к третьему году эксплуатации дороги.

Аналогично проводят расчет сцепления в грунте в осенний, зимний и весенний периоды третьего года эксплуатации дороги и в последующие годы. За первый год эксплуатации дороги следует принимать для грунтов под существующей дорожной одеждой - год после постройки дороги; для грунтов во вновь устроенном участке - год после устройства уширения и пуска там движения транспорта. При суммарном количестве проходов расчетного автомобиля по одной полосе движения более 10⁶ расчет сдвиговых характеристик грунта прекращают, так как они практически не изменяются при дальнейшем увеличении числа приложений расчетной нагрузки.

Таблица 45

Таблица 46

6.1.2. Определение расчетного значения угла внутреннего трения в грунте

Угол внутреннего трения в грунте определяют последовательно для летнего, осеннего, зимнего и весеннего периодов года.

Для летнего периода понижения влажности грунта в первый год эксплуатации дороги расчет проводят по следующим зависимостям:

При  ≤ 10⁴

                                                                              (108)

При  > 10⁴

                                                             (109)

где  - расчетное значение угла внутреннего трения в грунте с влажностью W^I/W_l при суммарном количестве проходов расчетного автомобиля , град.;

 - статическая расчетная величина угла внутреннего трения в грунте с влажностью W'/Wn град. (см. табл. 47 и 48);

,  ~ коэффициенты, характеризующие интенсивность снижения угла внутреннего трения в грунте с влажностью W^I/W_l соответственно при  ≤ 10⁴ и  > 10⁴ (см. табл. 47 и 48).

Для осеннего периода повышения влажности грунта расчет проводят по следующей зависимости:

Таблица 47

Таблица 48

        (110)

где  - расчетное значение угла внутреннего трения в грунте с влажностью W^II/W_l при суммарном количестве проходов расчетного автомобиля +, град.;

 - статическая расчетная величина угла внутреннего трения в грунте с влажностью W^II/W_l, град. (см. табл. 47 и 48);

 - коэффициент, характеризующий интенсивность снижения угла внутреннего трения в грунте с влажностью W^II/W_l (см. табл. 47 и 48).

Для зимнего периода понижения влажности грунта расчет проводят по следующей зависимости:

      (111)

где  - расчетное значение угла внутреннего трения в грунте с влажностью W^III/W_l при суммарном количестве проходов расчетного автомобиля , град.

 - статическая расчетная величина угла внутреннего трения в грунте с влажностью W^III/W_l, град. (см. табл. 47 и 48);

 - коэффициент, характеризующий интенсивность снижения угла внутреннего трения в грунте с влажностью W^III/W_l (см. табл. 47 и 48).

Для весеннего периода повышения влажности грунта в первый год эксплуатации дороги расчет проводят по следующей зависимости:

          (112)

где  - расчетное значение угла внутреннего трения в грунте с влажностью W^IV/W_l при суммарном количестве проходов расчетного автомобиля , град.;

 ~ статистическая расчетная величина угла внутреннего трения в грунте с влажностью W^IV/W_l, град. (см. табл. 47 и 48);

 - коэффициент, характеризующий интенсивность снижения угла внутреннего трения в грунте с влажностью W^IV/W_l (см. табл. 47 и 48).

Значения , ,  и  во втором, в третьем, и в последующих годах эксплуатации дороги определяют по форм. (103)-(107), заменяя в последних величины C_WN нa  на , ξ₁, на , и ξ₂ на .

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

При предотвращении промерзания земляного полотна можно принять, что плотность грунта рабочего слоя является постоянной величиной в течение всего срока службы дорожной одежды между капитальными ремонтами. Эта величина равна плотности грунта, достигнутой при строительстве уширения дороги. При этом значении плотности влажность грунта может меняться в течение года от величины, равной оптимальной до полной влагоемкости.

Для назначения расчетных значений сцепления, угла внутреннего трения и модуля упругости глинистых грунтов, находящихся в талом состоянии в течение всего срока службы дорожной одежды между капитальными ремонтами, необходимы следующие исходные данные:

продолжительность срока службы дорожной одежды между капитальными ремонтами (Т_сл, в годах);

приведенная к расчетной нагрузке перспективная (на конец срока службы) среднесуточная интенсивность движения транспорта по одной полосе проезжей части (N_р(сл), авт/сут);

темп роста интенсивности движения транспорта по годам (q);

номер дорожно-климатической зоны и подзоны, в которой расположена дорога (см. СНиП 2.05.02-85);

схема увлажнения рабочего слоя земляного полотна согласно СНиП 2.05.02-85 (2-я или 3-я схема);

глубина залегания подземных вод весной от верха покрытия проезжей части (менее 1,5 м, 1,5 и более);

продолжительность расчетного (весеннего периода), равного интервалу времени между датами устойчивого перехода температуры воздуха через 0 °С и +5 °С (t_P, сут);

значение влажности грунта на границе текучести (W_L), максимальная плотность скелета грунта по методу стандартного уплотнения (ρ_ск(тах), кг/м³) и коэффициент уплотнения грунта (К_у).

Расчет искомых величин проводят в следующем порядке.

1. Определяют по табл. 49 расчетное (максимальное) значение влажности грунта (W_p) в расчетный (весенний) период. Следует иметь в виду, что значения влажности в таблице даны в долях от W_L при уровне проектной надежности 0,95. Они не могут превышать величину капиллярной влагоемкости грунта, которую вычисляют по форм. (3). Входящие в эту формулу значения W_пв и ΔW_в соответственно определяют по форм. (2) и табл. (50).

Таблица 49

Примечания:

1) Под W_L следует понимать влажность грунта на границе текучести.

2) Цифра II₁ - это номер подзоны, расположенной в северной части II дорожно-климатической зоны.

3) Значение влажности грунта в южных районах II дорожно-климатической зоны определяют методом интерполяции между соответствующими величинами в зонах II и III.

Таблица 50

Примечания: 1) Для песков пылеватых принимают ΔW_в = 0,030 при коэффициенте уплотнения К_у = 1,0. 2) K_v = ρ_ск(тах) - максимальная плотность скелета грунта по методу стандартного уплотнения.

2. Вычисляют по форм. (113) суммарное число приложений расчетной нагрузки в течение расчетного (весеннего) периода.

                                                                                              (113)

Независимо от результатов расчета по формуле (113) величина -  не может быть менее 10⁴ приложений нагрузки для учета влияния транспорта в другие периоды года.

3. Определяют по табл. (51) значения сцепления С_WN угла внутреннего трения грунта φ_WN соответствующие величинам W_p/W_L по таблице (49) и  по формуле (113).

4. Вычисляют по формуле (114) среднемноголетнее значение влажности грунта в расчетный (весенний) период.

W_ср = W_p/(1 + 0,1×t)                                                                                          (114)

где t - коэффициент нормированного отклонения (t =1,71 при уровне проектной надежности 0,95).

5. Вычисляют по формуле (115) суммарное число приложений расчетной нагрузки за срок службы дорожной одежды

                                       (115)

6. Определяют по таблице (51) значения сцепления C_WN и угла внутреннего трения грунта φ_WN соответствующие величинам W_cp/W_L по табл. ((49) и  по форм. (115).

7. Сравнивают величины C_WN, полученные при W_p/W_L и W_cp/Wl и принимают в расчет минимальное значение φ_WN. То же в отношении φ_WN.

8. Определяют по таблице (52) значение модуля упругости грунта, соответствующего относительной влажности W_P/W_L.

Таблица 51

Требуемый модуль упругости дорожной одежды устанавливается по эмпирической зависимости (см. ОДН 218.046-01). Он получен по результатам наблюдений на дорогах с традиционной конструкцией дорожной одежды. На таких дорогах происходит ежегодное изменение плотности грунтов в результате их пучения зимой, осадке и усадке весной и летом. При предотвращении промерзания земляного полотна плотность ненабухающих и слабонабухающих грунтов практически не меняется в течение всего срока службы дорожной одежды. При таких условиях можно уменьшить величину требуемого модуля упругости дорожной одежды не менее чем на 15 % по сравнению с расчетом традиционных конструкций по ОДН 218.046-01.

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

При наличии промерзания земляного полотна не нужно учитывать влияние транспорта на прочностные и деформационные характеристики грунта в зимний период. В расчет надо включать суммарное количество проходов расчетного автомобиля весной, летом и осенью в пределах одного года.

Прочностные и деформационные характеристики грунта устанавливают для 3-х расчетных лет: первого года после устройства уширения дороги; года установления максимального значения коэффициента пучения грунта (рис. 9) на участке уширения дороги; года установления «бытовой» плотности грунта (форм. 1) на участке уширения дороги.

6.2.1. Определение расчетного значения сцепления в грунте

Искомую величину определяют последовательно для весеннего, летнего и осеннего периодов года.

Для весеннего периода повышения влажности грунта расчет проводят по следующим зависимостям:

при  ≤ 10⁴

                                                                          (116)

При  > 10⁴

                                                         (117)

где  - расчетное сцепление грунта с влажностью W^IV/W_L при суммарном количестве проходов расчетного автомобиля , МПа;

 - статическая расчетная величина сцепления грунта с влажностью W^IV/W_L МПа (см. табл. 45 и 46);

,  - коэффициенты, характеризующие интенсивность снижения сцепления грунта с влажностью W^IV/W_L.соответственно при

 ≤ 10⁴ и  > 10⁴ (см. табл. 45 и 46)^;

W^IV - средневзвешенное значение влажности грунта в весенний период расчетного года, %;

W_L - влажность грунта на границе текучести, %.

Для летнего периода понижения влажности грунта расчет проводят по следующей зависимости:

     (118)

где  - расчетное сцепление грунта с влажностью W^I/W_L при суммарном количестве проходов расчетного автомобиля , МПа;

 - статическая расчетная величина сцепления грунта с влажностью W^I/W_L, МПа (см. табл. 45 и 46);

 - коэффициент, характеризующий интенсивность снижения сцепления грунта с влажностью W^I/W_L (см. табл. 45 и 46);

W^I - средневзвешенное значение влажности грунта в летний период расчетного года, %.

Для осеннего периода повышения влажности грунта расчет проводят по следующей зависимости:

(119)

где  - расчетное сцепление грунта с влажностью W^II/W_L при суммарном количестве проходов расчетного автомобиля , MПa;

 - статическая расчетная величина сцепления грунта с влажностью W^II/W_L, МПа (см. табл. 45 и 46);

 - коэффициент, характеризующий интенсивность снижения сцепления грунта с влажностью W^II/W_L (см. табл. 45 и 46);

W^II - средневзвешенное значение влажности грунта в осенний период расчетного года, %.

6.2.2. Определение расчетного значения угла внутреннего трения в грунте

Угол внутреннего трения в грунте определяют последовательно для весеннего, летнего и осеннего периодов года.

Для весеннего периода повышения влажности грунта расчет проводят по следующим зависимостям:

При

                                                                          (120)

При

                                                      (121)

где  - расчетное значение угла внутреннего трения в грунте с влажностью W^IV/W_L при суммарном количестве проходов расчетного автомобиля , град.;

 - статическая расчетная величина угла внутреннего трения в грунте с влажностью W^IV/W_L, град., (см. табл. 47 и 48);

,  - коэффициенты, характеризующие, интенсивность снижения угла внутреннего трения в грунте с влажностью W^IV/W_L соответственно при  и  (см. табл. 47 и 48).

W^IV - средневзвешенное значение влажности грунта в весенний период расчетного года, %.

Для летнего периода понижения влажности грунта расчет проводят по следующей зависимости:

          (122)

где  - расчетное значение угла внутреннего трения в грунте с влажностью W^I/W_L при суммарном количестве проходов расчетного автомобиля , град.;

 - статическая расчетная величина угла внутреннего трения в грунте с влажностью W^I/W_L, град. (см. табл. 47 и 48);

 - коэффициент, характеризующий интенсивность снижения угла внутреннего трения в грунте с влажностью W^I/W_L, (см. - табл. 47 и 48).

W^I - средневзвешенное значение влажности грунта в летний период расчетного года, %.

Для осеннего периода повышения влажности грунта расчет проводят по следующей зависимости:

(123)

где  - расчетное значение угла внутреннего трения в грунте с влажностью W^II/W_L при суммарном количестве проходов расчетного автомобиля , град.;

 - статическая расчетная величина угла внутреннего трения в грунте с влажностью W^II/W_L град. (см. табл. 47 и 48);

 - коэффициент, характеризующий интенсивность снижения угла внутреннего трения в грунте с влажностью W^II/W_L (см. табл. 47 и 48);

W^II - средневзвешенное значение влажности грунта в осенний период расчетного года, %.

6.2.3. Определение значений модулей упругости грунтов

При конструировании дорожной одежды следует знать значения модулей упругости грунтов. Их определяют по табл. (52), взятой из нормативного документа ОДН 218.046-01. Приведенные в табл. (52) значения модулей упругости грунтов можно использовать для оценки прочности дорожной одежды весной, летом и осенью расчетного года. Для этого нужно ввести в расчет средневзвешенные значения влажности грунта в указанные периоды. Это позволяет оценить прочность существующей дорожной одежды и конструировать дорожную одежду на участке уширения дороги.

Таблица 52

Примечание. Классификация песков дана по ГОСТ 25100-95. Однородные выделяются по указаниям СНиП «Автомобильные дороги».

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

При проектировании мероприятий по регулированию водно-теплового режима земляного полотна необходимо руководствоваться следующими принципами:

- эпюры пучения и осадки грунтов по ширине проезжей части должны быть такими, чтобы не происходило образование трещин в дорожной одежде, а ровность покрытия удовлетворяла транспортно-эксплуатационным требованиям, предъявляемым к автомобильной дороге;

- эпюра влажности грунтов по ширине проезжей части должна быть такой, чтобы коэффициент прочности вновь проектируемой конструкции был бы равен коэффициенту прочности существующей дорожной конструкции.

В плане реализации указанных принципов нужно рассматривать возможность применения на участке уширения дороги следующих мероприятий:

● устройство покрытия и основания из дорожно-строительных материалов, теплофизические свойства которых позволяют обеспечить необходимое термическое сопротивление дорожной одежды;

● включение в конструкцию дорожной одежды морозозащитного (дренирующего) слоя сложной конфигурации;

● включение в конструкцию дорожной одежды теплоизолирующего слоя из пенопласта;

● устройство гидроизолирующих, дренирующих и капилляропрерывающих прослоек в теле земляного полотна;

● устройство насыпи из грунта определенного минералогического и гранулометрического состава.

Для реализации указанных принципов нужно также рассматривать возможность применения геосеток для армирования покрытия дорожной одежды на существующем земляном полотне и на участке уширения дороги.

Пенопласт, используемый для устройства теплоизолирующего слоя должен удовлетворять следующим требованиям (6):

- предел прочности при сжатии при 10 %-ной линейной деформации - не менее 0,40 МПа, при изгибе - не менее 0,70 МПа, влагопоглощение по объему - не более 45 % (методы испытания по действующим ГОСТам). Выбор нужной марки пенопласта следует проводить с учетом результатов опытной проверки. Указанным требованиям отвечает пенопласт стайрофоум марки фломэйт-500 (фирмы Дау Кемикал Компани), который проходил проверку на дороге Омск - Новосибирск в течение 20 лет (4).

Для того, чтобы частота образования гололедицы на покрытии дорожной одежды с теплоизолирующим слоем из пенопласта не превышала 10 % по сравнению с участками, не имеющими теплоизоляцию, необходимо выполнять следующие требования:

- в районах ограниченных изолиниями I-VIII (рис. 2) теплоизолирующий слой из пенопласта нужно располагать не глубине не менее 0,5 м. от поверхности покрытия;

- в районах ограниченных изолиниями VIII-IX (рис. 2) теплоизолирующий слой из пенопласта нужно располагать не глубине не менее 0,6 м. от поверхности покрытия;

- в районах ограниченных изолиниями IX-X (рис. 2) теплоизолирующий слой из пенопласта нужно располагать не глубине не менее 0,7 м от поверхности покрытия.

Для увеличения прочности дорожных одежд с асфальтобетонными покрытиями в местах сопряжения старой и новой дорожной конструкции рекомендуется дискретное армирование геосинтетическими сетками типа «На Telit С». Армирование геосеткой проводится между нижним и верхним слоями асфальтобетонного покрытия. При этом по нижнему слою покрытия разливается битум БНД 90/130 из расчета 0,2-0,3 л/м², затем на него приклеивается геосетка (8).

Прочность геосиитетического материла и толщину асфальтобетонного покрытия определяют по расчету на максимальные растягивающие напряжения по программе «Genide». Применение геосеток позволяет значительно увеличить общий модуль упругости дорожной одежды на армированном участке покрытия, а также уменьшить неравномерность морозного пучения грунтов.

7.1. Допустимые значения пучения грунтов

Дорожную конструкцию необходимо проектировать таким образом, чтобы эпюра пучения грунтов по ширине проезжей части отвечала следующим требованиям. Первое требование. Величина пучения грунтов не должна превышать допустимых значений h_nyч(доп). Они равны: 4 см при устройстве дорожной одежды капитального типа с асфальтобетонным покрытием и 6 см при устройстве дорожной одежды облегченного типа с асфальтобетонным покрытием.

Второе требование. Разница между величинами пучения грунтов h^I_пуч и h^II_пуч не должна превышать допустимых значений Δh_nyч(доп). В местах сопряжения старой и новой дорожной конструкции. При этом знаки h^I_пуч и h^II_пуч обозначают соответственно величины пучения на участке существующей дорожной конструкции и на участке уширения дороги. Указанные допустимые значения Δh_nyч(доп) приведены в табл. табл. (53).

Таблица 53

Примечания:

1) При разных грунтах в местах сопряжения старой и новой дорожной конструкции в расчет следует принимать значения, указанные для глинистых грунтов.

2) Значение минимальной температуры грунта под дорожной одеждой следует определять согласно изложенному в п. 4.

Третье требование. Интенсивность изменения пучения грунтов по ширине проезжей части не должна превышать величин, указанных в табл. (54). При этом указанную интенсивность пучения следует определять по выражению (h_пуч(н) - h_пуч(s)/S, где h_пуч(н) - величина пучения грунтов в местах сопряжения старой и новой дорожной конструкции, h_пуч(s) - величина пучения грунтов в см в рассматриваемой точке земляного полотна.

Таблица 54

Как следует из результатов расчета, приведенных в п. 5, величина пучения грунтов в местах контакта старой и новой дорожной конструкции соответственно составляет 1,7 см и 2,4 см. Разница между ними равна 2,4 см - 1,7 см = 0,7 см. Указанные значения получены при сопряжении насыпи из суглинка с насыпью из песка. Нужно установить допустима ли такая разница между величинами пучения грунтов в рассматриваемом регионе, где минимальная температура грунта под дорожной одеждой равна минус 10 °С и более. По табл. (53) имеем, что допустимая разность между величинами пучения грунтов в местах сопряжения старой и новой дорожной конструкции составляет Dh_nyч(доп) = 0,6 см.

Ввиду того, что (2,4 см - 1,7 см) > Dh_nyч(доп) = 0,6 см. следует ожидать появление трещин в покрытии в местах сопряжения старой и новой дорожной конструкции,

Как следует из результатов расчета пучения грунтов на участке существующей дорожной конструкции, разница между указанными величинами в точках 1¹ и 2¹ (рис. 14, А) составляет 1,7 см - 1,2 см = 0,5 см при расстоянии между этими точками 0,5 м. Нужно установить, допустима ли такая разница между величинами пучения грунтов в точках 1¹ и 2¹?

Для этого определяем значение интенсивности изменения пучения грунтов на участке длиной 0,5 м. Эта величина равна (1,7-1,2)/50 = 0,01. По табл. (54) допустимая интенсивность изменения пучения грунтов составляет 0,0023 при S = 50 см. Ввиду того, что значение интенсивности изменения пучения грунтов равное 0,01 превышает допустимую величину, следует ожидать появление трещин в покрытии.

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

Указанные мероприятия проектируют на участке уширения земляного полотна таким образом, чтобы выполнялись требования:

● по допустимой величине пучения грунтов (h_nyч(доп));

● по допустимой разнице между величинами пучения грунтов в местах сопряжения старой и новой дорожной конструкции (табл. 53);

● по допустимой интенсивности изменения пучения грунтов в переходной зоне (табл. 54).

Длину переходной зоны l_пз определяют методом подбора по формулам:

при h_nyч(н) > h_nyч(к)l_пз = (h_nyч(н) - h_nyч(к))/( Dh_nyч/S)_доп                                            (124)

при h_nyч(н) < h_nyч(к) l_пз = h_nyч(к) - h_nyч(н)/( Dh_nyч/S)_доп

где h_nyч(н) - величина пучения грунтов (в см) в начале переходной зоны, т.е. в местах сопряжения старой и новой дорожной конструкции;

h_nyч(к) - величина пучения (в см) в конце переходной зоны, на границе которой формуле (68).

В качестве примера определим величину l_пз при h_nyч(н) = l,2 см и h_nyч(н) = 1,3 см. Задаемся величиной S = 40 см. При этой величине определяем по табл. 45 значение (Dh_nyч/S)_доп = 0,0023. После чего вычисляем по форм. (124) величину l_пз = 42 см. Ввиду того, что l_пз = 42 см отличается от заданной величины S = 40 см всего на 2 см, принимаем в качестве искомой величины l_пз = 41 см.

В табл. (55) приведены рекомендации по выбору нужных мероприятий, позволяющих обеспечить допустимую эпюру пучения грунтов по ширине проезжей части дороги.

Таблица 55

В табл. (55) приняты следующие обозначения:

 - глубина промерзания земляного полотна на участке уширения дороги после устройства мероприятий по регулированию водно-теплового режима;

 - величина пучения грунтов на участке уширения дороги после устройства мероприятий по регулированию водно-теплового режима земляного полотна;

- то же в начале переходной зоны;

- то же в конце переходной зоны;

 - глубина промерзания земляного полотна за пределами переходной зоны на участке существующей дорожной конструкции;

 - глубина промерзания земляного полотна за пределами переходной зоны на участке уширения дороги;

 - величина пучения грунтов за пределами переходной зоны на участке существующей дорожной конструкции;

 - то же в начале переходной зоны;

 - то же в точке на расстоянии S от начала переходной зоны;

 - величина пучения грунтов за пределами переходной зоны на участке уширения дороги;

 - то же в начале переходной зоны;

 - то же в точке на расстоянии S от начала переходной зоны;

Δh_nyч(доп) - допустимая разность между величинами пучения грунтов в местах сопряжения старой и новой дорожной конструкции (табл. 53);

(Δh_nyч/S)_доп - допустимая интенсивность изменения пучения грунтов по ширине проезжей части (табл. 54).

Снижение глубины промерзания земляного полотна осуществляют:

● путем устройства теплоизолирующих слоев из пенопласта на участке уширения дороги;

● путем применения дорожно-строительных материалов, позволяющих уменьшить значение коэффициента теплопроводности эквивалентного слоя дорожной одежды на участке уширения дороги (форм. 9).

Увеличение глубины промерзания земляного полотна осуществляют:

● путем применения дорожно-строительных материалов, позволяющих увеличить значение коэффициента теплопроводности эквивалентного слоя дорожной одежды на участке уширения дороги (форм. 9);

● путем устройства земляного полотна из грунтов с необходимыми характеристиками (форм. 42).

Снижение пучения грунтов осуществляют:

● путем увеличения толщины морозозащитного слоя дорожной одежды на участке уширения дороги;

● путем устройства теплоизолирующего слоя из пенопласта на участке уширения дороги;

● путем устройства дренирующих, гидроизолирующих и капилляропрерывающих прослоек в теле насыпи на участке уширения дороги.

Увеличение пучения грунтов осуществляют:

● путем применения дорожно-строительных материалов для устройства дорожной одежды, позволяющих увеличить глубину промерзания грунтов при 3-ей схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна на участке уширения дороги;

● путем снижения толщины морозозащитного слоя на участке уширения дороги;

● путем устройства земляного полотна из грунтов с более пучинистыми свойствами на участке уширения дороги.

Дорожную конструкцию следует проектировать таким образом, чтобы эпюра пучения грунтов по ширине проезжей части отвечала указанным требованиям в расчетные годы, а именно:

● в первый год после уширения дороги;

● в год установления максимального значения коэффициента пучения грунта на участке уширения дороги;

● в год установления «бытовой» плотности грунта на участке уширения дороги.

При 1-ом типе (схеме) увлажнения рабочего слоя земляного полотна не происходит разуплотнение грунтов в процессе эксплуатации дороги. В этом случае можно проектировать дорожную конструкцию только по данным о водно-тепловом режиме земляного полотна в первый год после уширения дороги. При наличии в этот год допустимой эпюры пучения грунтов по ширине проезжей части будет обеспечена морозоустойчивость дорожной одежды в течение всего периода между капитальными ремонтами.

7.3. Проверка дорожной одежды на осадкоустойчивость

В районах с сезонным промерзанием грунтов происходит круглогодичный процесс изменения плотности-влажности грунтов земляного полотна.

Этот процесс состоит из четырех периодов: набухание осенью, пучение зимой, осадка грунта при оттаивании весной и усадка при высыхании летом. Круглогодичные изменения плотности-влажности грунтов повторяются в течение всего срока службы сооружения.

При 1-ой схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна

(h_наб + h_пуч) = (h_осад + h_усад) и К_у(л) = К_у(о),

где h_нa6 - набухание грунта за осень, см;

h_пуч - пучение грунта за зиму, см;

h_осад - осадка грунта при оттаивании весной, см;

h_усад - усадка грунта при высыхании летом, см;

К_у(л) - коэффициент уплотнения грунта после его усадки летом;

К_у(о) - коэффициент уплотнения грунта, достигнутый при строительстве дороги.

При 2-ой и 3-ей схемах увлажнения рабочего слоя земляного полотна

(h_наб + h_пуч) > (h_осад + h_усад) и К_у(л) < К_у(о),

При 1-й схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна происходит восстановление в летний период плотности грунта достигнутой при строительстве дороги. При 2-ой и 3-ей схемах увлажнения рабочего слоя земляного полотна происходит разуплотнение грунта до тех пор, пока плотность грунта в летний период не станет равной так называемой бытовой плотности К_у(б) = 0.

В этом случае (h_наб + h_пуч) = (h_осад + h_усад) и К_у(л) = К_у(б),

При устройстве земляного полотна из ненабухающих или слабонабухающих грунтов, находящихся под нагрузкой от веса дорожной одежды, можно принять h_наб = 0.

На участках уширения автомобильных дорог следует проводить проверку дорожной одежды на осадкоустоичивость при оттаивании земляного полотна в весенний период. Указанную проверку должна пройти конструкция дорожной одежды, удовлетворяющая требования прочности, морозоустойчивости и дренирования.

Осадкоустойчивость дорожной одежды обеспечена в том случае, когда эпюра осадки грунтов по ширине проезжей части отвечает следующим требованиям.

Первое требование. Разница между величинами осадки грунтов  и  в местах сопряжения старой и новой дорожной конструкции не должна превышать допустимых значений Δh_nyч(доп). При этом знаки  и  обозначают соответственно величины осадки грунтов на участке существующей дорожной конструкции и на участке уширения дороги.

Указанные допустимые значения Δh_{осад(доп)} равны соответствующим величинам Δh_nyч(доп) в табл. (53).

Второе требование. Интенсивность изменения осадки грунтов по ширине проезжей части не должна превышать допустимых значений (Δh_осад/S)_доп которые равны соответствующим величинам (Δh_nyч/S)_доп в табл. (54). При этом указанную интенсивность осадки следует определять по выражению (h_осад(н) - h_осад(s))/S где h_осад(н) - величина осадки грунтов в местах сопряжения старой и новой дорожной конструкции, a h_осад(s) - величина осадки грунтов в см в рассматриваемой точке земляного полотна.

Величину осадки грунта определяют согласно изложенному в п. 4.1. В начале устанавливают по графику (рис. 12) минимальное значение коэффициента уплотнения грунта весной К_у(тiп), которое можно ожидать при многократном промерзании-оттаивании земляного полотна в процессе эксплуатации дороги. Эту величину определяют в зависимости от плотности грунта в момент постройки дороги К_у(о) и давления на рассматриваемый слой земляного полотна от веса вышележащего грунта и дорожной одежды (Р, кПа).

При 1-ой схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна величина коэффициента К_у(тiп) не может быть меньше значения по формуле

К_у(тiп) = К_у(о)·(1 - е_усад)                                                                                       (125)

где K_y(о) - коэффициент уплотнения грунта в момент постройки дороги;

е_усад - относительная усадка грунта в летний период, доли единицы.

е_усад = 1 - (1 + а_усад·W_опт)/(1 + a_усад·W_в(к)),                                                          (126)

где a_усад - коэффициент линейной усадки грунта по табл. 35;

W_опт - оптимальная влажность грунта, доли единицы;

W_в(к) - влажность грунта в конце весны, доли единицы.

Затем нужно установить по графику (рис. 13) значение осадки грунта (h_ocad, см) в первый год после устройства уширения дороги. Искомую величину определяют в зависимости от величины пучения грунта и значения коэффициентов уплотнения К_у(о) и K_y(min). При промерзании двухслойного земляного полотна определяют величину h_осад. Для каждого слоя и суммируют.

Необходимость проверки дорожной одежды на осадкоустойчивость подтверждают результаты расчета, в частности, проведенные при следующих исходных данных:

- коэффициент уплотнения тяжелого пылеватого суглинка на участке существующей дорожной конструкции равен К_у = К_у(б);

- коэффициент уплотнения тяжелого пылеватого суглинка на участке уширения дороги равен К_у = 1,0;

- величина усадки тяжелого пылеватого суглинка в летний период равна h_усад = 0 из-за высокого уровня стояния подземных вод;

- давление на грунт от веса дорожной одежды составляет 10 кПа;

- величина пучения тяжелого пылеватого суглинка на участке существующей и вновь устраиваемой дорожной конструкции равна 4 см в первый год после уширения дороги.

Равенство значений   достигнуто в результате применения мероприятий по регулированию водно-теплового режима земляного полотна, изложенных в п. 7.2.

При указанных исходных данных величина осадки грунта на участке существующей дорожной конструкции равна:  см. Соответствующую величину на участке уширения дороги определяли по графикам (рис. 12 и 13). При Р = 10 кПа и K_у(о) = 1,0 имеем по графику (рис. 12, д) K_y(min) = 0,93. При К_у(о) = 1,0 и K_y(min) = 0,93 имеем по графику (рис. 13) , откуда  см. При  cм следует ожидать появления трещин в покрытии.

Мероприятия по обеспечению осадкоустойчивости дорожной одежды должны быть направлены на уменьшение разницы между величинами пучения и осадки грунта на участке уширения дороги. Это осуществляют двумя путями, первый из которых заключается в переводе 2-ой и 3-ей схемы увлажнения в 1-ую схему увлажнения рабочего слоя земляного полотна на участке уширения дороги. Для обеспечения 1-ой схемы увлажнения рабочего слоя устраивают гидроизолирующие и капилляропрерывающие прослойки на всю ширину земляного полотна на участке уширения дороги. Глубина их заложения от верха покрытия должна быть такой, чтобы грунт под прослойками находился под давлением от веса дорожной одежды и вышележащих слоев грунта, при котором К_у(тiп) = К_у(0) (см. рис. 12).

Второй путь решения указанной задачи заключается в применении тех грунтов, которые под действием нагрузки от веса дорожной одежды обеспечивают осадку грунта при оттаивании, при которой K_y(min) = K_y(o), (см. рис. 12).

7.4. Обеспечение равнопрочности дорожной одежды по ширине проезжей части

Согласно ОДН 218.046-01 прочность конструкции оценивается величиной коэффициента прочности. Для обеспечения равнопрочности дорожной одежды необходимо, чтобы коэффициент прочности вновь проектируемой конструкции был бы равен коэффициенту прочности существующей дорожной конструкции в течение всего периода эксплуатации дороги между капитальными ремонтами.

Для определения указанного коэффициента необходимо знать значения прочностных и деформационных характеристик грунтов по ширине проезжей части. Методика определения этих характеристик в различные периоды года изложена в п. 6.

Для расчета значения сцепления в грунте и его угла внутреннего трения, и модуля упругости грунта необходимо знать средневзвешенные значения влажности грунта рабочего слоя земляного полотна. При промерзании рабочего слоя значения влажности грунта определяют по формулам:

                                                                        (127)

где W¹, W^II и W^IV - средневзвешенные значения влажности грунта рабочего слоя земляного полотна соответственно в летний, осенний и весенний периоды года, %;

W_в(к) - влажность грунта в конце весны, %;

W_л(к) - влажность грунта в конце лета, % (W_л(к) - W_опт);

W_ос(к) - влажность грунта в конце осени, %;

W_e(n) -  влажность грунта в начале весны, %;

π - значение пи (π ≈ 3,14).

Установим для первого года после уширения дороги значения указанных характеристик грунта насыпи при следующих исходных данных:

- дорога находится в районе г. Москвы; уширение дороги проводится на участках 2-ой схемы увлажнения рабочего слоя земляного полотна;

- на существующем участке дороги насыпь из суглинка легкого пылеватого (W_опт = 15,3 %, W_L = 27,0 %);

- на участке уширения дороги насыпь из супеси легкой (W_опт = 10,5 %, W_L = 18,0 %);

- значения влажности W/W_L. суглинка легкого пылеватого в различные периоды года (табл. 27, 42): W_в(к)/W_L = 0,69, W_л(к)/W_L = 0,57, W_ос(к)/W_L = 0,65, W_в(н)/W_L = 0,70;

- значения влажности W/W_L супеси легкой в различные периоды года (табл. 27, 42): W_в(к)/W_L = 0,66, W_л(к)/W_L = 0,58, W_ос(к)/W_L = 0,66, W_в(н)/W_L = 0,68;

- продолжительность летнего периода понижения влажности грунта - 148 сут.;

- продолжительность осеннего периода повышения влажности грунта - 72 сут.;

- продолжительность весеннего периода оттаивания грунта - 18 сут. (табл. 44);

- интенсивность движения расчетных автомобилей в первый год после уширения дороги 1500 авт./сут.

Расчет проводим в следующем порядке. Определяем по форм. (127) средневзвешенные значения влажности суглинка легкого пылеватого на участке существующей дорожной конструкции.

W¹ = 0,69 - 2·(0,69 - 0,57)/3,14 = 0,61.

W^II = (0,57 + 0,65)/2 = 0,61.

W^IV = (0,70 + 0,69)/2 = 0,70.

Определяем по форм. (99-102) суммарное количество проходов расчетного автомобиля:

 = 1500·148 = 222000 авт.

 = 1500·72 = 108000 авт.

 =1500·18 = 27000 авт.

Определяем по форм. (117-119) расчетные значения сцепления в суглинке легком пылеватом.

 =0,019 - 4·0,0025 - 0,0013(lg27000 - 4) = 0,008 MПa.

 МПа.

 МПа.

Определяем по форм. (121-123) значения угла внутреннего трения в суглинке легком пылеватом.

 град.

 град.

 град.

Определяем по табл. (52) значения модуля упругости суглинка легкого пылеватого (Е_гр, МПа) в различные периоды года:

в весенний период Е_гр = 46 Мпа

в летний период Е_гр = 6 % Мпа

в осенний период Е_гр = 68 МПа.

По тем же расчетным зависимостям получены значения ,  и Е_гр для супеси легкой на участке уширения дороги. Они представлены в табл. (56).

Таблица 56

Примечания: 1. На участке существующей дорожной конструкции рабочий слой из суглинка легкого пылеватого, на участке уширения дорога - из супеси легкой. 2. Приведенные в таблице значения ,  и Е_гр получены для первого года после уширения дороги на участках 2-ой схемы увлажнения рабочего слоя земляного полотна.

Для расчета дорожной одежды на прочность нужно иметь данные о значениях ,  и Е_гр на участке уширения дороги после того, как там установится «бытовая» плотность грунта, а также в первый год после окончания строительных работ. В указанные годы нужно иметь данные о значениях ,  и Е_гр по ширине проезжей части, в том числе в местах сопряжения старой и новой дорожной конструкции и в местах сопряжения проезжей части с обочинами. То же на участке существующей дорожной конструкции. Разница в одном - расчет надо проводить только при плотности грунта равной «бытовой» плотности на участке существующего земляного полотна. Методика определения указанных величин изложена выше.

При условии выполнения нормативных требований, предъявляемых к дорожной одежде на прочность, рассматривают следующие варианты решения конструкции:

· устройство основания дорожной одежды разной толщины по ширине проезжей части на участке уширения дороги;

· армирование покрытия дорожной одежды на существующем земляном полотне и на участке уширения дороги геосетками;

· периодическое утолщение покрытия вновь устраиваемой дорожной одежды до установления на участке уширения дороги «бытовой» плотности грунта рабочего слоя земляного полотна.

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

Выше изложена методика определения плотности и влажности грунтов, их пучения и их осадки в местах сопряжения старой и новой дорожной конструкции. По той же методике надо определять указанные величины в местах сопряжения проезжей части с обочинами. Разница только в том, что в расчет надо включать значение притока воды, поступающей в грунт обочин от атмосферных осадков, выпадающих на поверхность дороги в осенний период.

Искомую величину определяют по формуле:

q_атм(об) = 10^-3·а_пр·(Н_вп(об) - Н_исп(об))·                                                              (128)

где q_атм(об) - приток воды в грунт от атмосферных осадков, выпадающих на поверхность обочин и от стока воды с проезжей части на обочину в осенний период влагонакопления и зимой до устойчивого промерзания грунта, м³ на 1 м²;

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

Н_вп(об) - количество воды, впитывающейся в последний осенний месяц расчетного года в грунт обочин, мм;

Н_исп(об)) - количество воды, испаряющейся из грунта обочин в последний осенний месяц расчетного года, мм;

 - площадь, м² ( - 1 м²).

Величину Н_вп(об) следует устанавливать по формуле:

Н_вп(об) = А_укр·i_вп·[Т_д - Н_{см(пр.ч)}/i_д - (Н_см(об) - Н_{см(пр.ч)}/i_пв]                                       (129)

где А_укр - коэффициент, учитывающий влияние типа укрепления обочин на количество впитывающейся в грунт воды (значения приведены в табл. 57);

i_вп - интенсивность впитывания воды в грунт обочин, мм/мин;

Т_д - продолжительность выпадения осадков в последний осенний месяц расчетного года, мин. (значения приведены в табл. 7).

Таблица 57

Величину i_вп устанавливают методом подбора

                                                                  (130)

где С - коэффициент впитывания воды в грунт обочины, безразмерная величина;

i_вп - интенсивность поступления воды на обочину, мм/мин;

I - уклон поверхности обочины, %;

φ(I) - функция уклона поверхности обочины (табл. 58).

При расчете следует иметь в виду, что перед вторым членом уравнения, а также под знаком логарифма не показаны коэффициенты равные единице, увязывающие принятые размерности.

Таблица 58

Коэффициент впитывания «С» рассчитывают по выражению:

                                                             (131)

где К_ф - коэффициент фильтрации, м/сут;

W_l - влажность на границе текучести грунта, доли единицы;

W_onm - оптимальная влажность грунта, доли единицы;

W_кв - капиллярная влагоемкость грунта, доли единицы;

0,6 и 30 - значения коэффициентов, увязывающих принятые размерности.

Интенсивность поступления воды на обочину определяют по формуле:

i_пв = i_д(1 + 0,4·в) - (0,4·в·Н_вп(о))/(т_д·t_вп(о)                                                            (132)

где в - ширина односкатной проезжей части, м.;

i_д и т_д - интенсивность дождя и число дождей по табл. (7);

Н_вп(о) и t_вп(о) - величина и продолжительность впитывания осадков в покрытие проезжей части по формулам (13) и (14).

Суммарную величину смачивания поверхности соответственно проезжей части Н_{см(пр.ч)}, мм) и обочины Н_см(об), мм) определяют по формулам (15) и (16). Входящие в эти формулы значения а_см и max h_см принимают равными:

- для обочин, укрепленных щебнем или песчано-гравийной смесью, а также для оголенной грунтовой поверхности:

а_см = 0,04 мм, maxh_см = 1,5 мм;

- для грунтовой поверхности с травяным покровом средней густоты:

а_см = 0,10 мм, maxh_см, = 3,0 мм;

- для грунтовой обочины с густым травяным покровом:

а_см = 0,15 мм, maxh_см = 4,0 мм.

Расчет притока воды в грунт при их укреплении слоем асфальтобетона или цементобетона проводят по формулам, представленным в п. 2.1.1.

Среднее значение влажности грунта обочины в последний осенний месяц, как правило, превышает величину оптимальной влажности по методу стандартного уплотнения. В этом случае количество воды, испаряющейся из грунта обочины, определяют по формуле:

Н_исп(об) = В_укр·i_исп·Т_исп,                                                                                         (133)

где B_yкр, - коэффициент, учитывающий влияние типа укрепления обочин на процесс испарения воды, безразмерная величина;

i_исп - интенсивность испарения воды через неукрепленные (грунтовые) обочины, мм/мин;

Т_исп = продолжительность испарения (в мин), равная периоду между дождями в последний осенний месяц.

i_исп = 25·10^-5·(Е - e)(1 + 0,15v)·lg(l + 80/d),                                                       (134)

где. Е - упругость насыщенного пара на границе с испаряющей поверхностью, гПа;

е - абсолютная влажность воздуха, гПа;

d - дефицит влажности воздуха, гПа;

v - средняя скорость ветра в последний осенний месяц, м/с.

В расчет следует включать следующие значения коэффициента В_укр:

- неукрепленные грунтовые обочины - В_укр = 1,0;

- обочины, укрепленные щебнем, при плотности 1820 кг/м³ - В_укр = 0,55;

- то же при плотности 1920 кг/м³ - В_укр = 0,50;

- то же при плотности 2000 кг/м³ - В_укр = 0,40;

- то же при плотности 2180 кг/м³ - В_укр = 0,35;

- обочины, укрепленные песчано-гравийной смесью - В_укр = 0,70.

В осенний период можно принять: d = Е - е. Значения дефицита влажности воздуха в этот период приведены в табл. (7). Средняя скорость ветра в указанный период обычно составляет 3-6 м/с.

В зависимости от требований, предъявляемых к дороге, назначают мероприятия по регулированию водно-теплового режима земляного полотна в местах сопряжения проезжей части с обочиной. Указанные мероприятия подразделяются на две группы. К первой группе относятся мероприятия, которые предохраняют дорожную конструкцию от образования продольных трещин и «ступенек» в местах сопряжения проезжей части с обочиной. Ко второй группе относятся мероприятия, допускающие такие образования, но ограничивающие их определенными пределами.

Мероприятия первой группы проектируют таким образом, чтобы была обеспечена допустимая интенсивность изменения пучения и осадки грунта по ширине проезжей части и обочины. Методика их проектирования изложена в п. 5. Отличия только в значениях коэффициента уплотнения грунтов (К_у), которые нужно принимать по табл. (59).

Таблица 59

Примечание: К_у(0) - коэффициент уплотнения грунта рабочего слоя земляного полотна, достигнутый при строительстве уширения дороги; K_y(б)пp.ч. - коэффициент уплотнения, соответствующий «бытовой» плотности грунта под проезжей частью на участке уширения дороги; К_у(0).об. - коэффициент уплотнения, соответствующий «бытовой» плотности грунта обочины на участке уширения дороги.

Мероприятия второй группы проектируют таким образом, чтобы высота «ступеньки» (h_cm) в местах сопряжения проезжей части с обочиной не превышала величины, заданной заказчиком дороги. Для выполнения такого требования назначают мероприятия по регулированию водно-теплового режима земляного полотна, позволяющие снизить величину пучения грунта обочины до величины, при которой выполняется условие:

(h_nyч(об) - h_{nyч(пр.ч)} ≤ h_ст),

где h_nyч(об) - величина пучения грунта на обочине,

h_{nyч(пр.ч)} - величина пучения грунта по кромке проезжей части.

По мнению автора книги можно допускать образование продольной трещины и «ступеньки» в местах сопряжения проезжей части с обочиной только в исключительных случаях на второстепенных дорогах. При этом необходимо систематически устранять (заливать) трещины и выравнивать обочины для обеспечения стока воды.

Заключение

Представленные в настоящей книге материалы исследований говорят о необходимости пересмотра существующей практики проектирования дорожных конструкций на участках уширения автомобильных дорог. Если это не сделать, возможно появление трещин в дорожной одежде и ухудшение ровности покрытия в процессе эксплуатации дороги в районах с сезонным промерзанием грунтов. В связи с изложенным, была разработана новая методология проектирования дороги на участках уширения земляного полотна. Она позволяет решать вопросы по обеспечению равноморозоустойчивости дорожной одежды и ее осадкоустойчивости по всей ширине проезжей части; то же в отношении равнопрочности дорожной одежды.

Для проектирования дорожных конструкций, обладающих такими свойствами, в книге приведены все необходимые материалы. Предложены методы прогноза плотности и влажности грунтов и их прочностных и деформационных характеристик в различные периоды года, температурного поля и пучения грунтов в зимний период, осадки грунтов в весенний период оттаивания земляного полотна, которые можно ожидать по ширине проезжей части существующей и вновь устраиваемой дорожной конструкции. Изложены требования по величине и интенсивности изменения пучения грунтов и их осадки по ширине проезжей части. Описаны способы обеспечения указанных требований: устройство покрытия и основания из дорожно-строительных материалов, теплофизические свойства которых позволяют обеспечить необходимое термическое сопротивление дорожной одежды; включение в конструкцию дорожной одежды морозозащитного (дренирующего) слоя сложной конфигурации; включение в конструкцию дорожной одежды теплоизолирующего слоя из пенопласта; устройство гидроизолирующих, дренирующих и капилляропрерывающих прослоек в теле земляного полотна; устройство насыпи из грунта определенного минералогического и гранулометрического состава; армирование геосеткой покрытия дорожной одежды на существующем земляном полотне и на участках уширения дороги.

В книге показано, что решение поставленных задач возможно только при условии рассмотрения совместной работы двухслойных грунтов, расположенных по глубине промерзания и по ширине проезжей части.

При проектировании дорожной конструкции необходимо учитывать не только грунт рабочего слоя земляного полотна, но и нижележащий грунт с ненарушенной структурой. Это нужно делать обязательно, иначе будет существенно искажена картина водно-теплового режима земляного полотна.

В книге приведены результаты исследований, показывающие необходимость проведения проверки дорожной одежды на осадкоустоичивость при оттаивании грунтов земляного полотна. Такую проверку надо проводить во всех случаях при уширении дороги.

При эксплуатации дороги может происходить разуплотнение грунтов и поступление в земляное полотно воды и холода со стороны раздела между существующей и вновь устраиваемой дорожной одеждой. Изложенная в книге методология проектирования уширения дороги позволяет учитывать эти явления.

Автору книги часто задают вопрос по поводу практики применения песчаных грунтов для устройства уширения земляного полотна. Как правило, применение таких грунтов облегчает проведение строительных работ, но может привести в отдельных случаях к появлению трещин в дорожной одежде и ухудшению ровности покрытия. Приведенные в книге материалы позволяют установить условия, при которых могут иметь место указанные нарушения дорожной одежды. В этих случаях нужно применять глинистые грунты для устройства уширения земляного полотна.

В настоящей книге не рассматривались вопросы долговечности дорожной одежды. В частности, остался открытым вопрос о сроке службы существующей дорожной одежды после устройства уширения дороги до проведения капитального ремонта. В ближайшей перспективе этот вопрос необходимо решить.

Автор надеется, что представленная книга будет способствовать решению транспортной проблемы на территории России и стран СНГ с сезонным промерзанием грунтов.

Автор заранее благодарит всех специалистов, кто дает свои замечания по тексту книги.

Список литературы

1. Пособие по проектированию методов регулирования водно-теплового режима верхней части земляного полотна (к СНиП 2.05.02-85) / под ред. В.И. Рувинского / М., Стройиздат, 1989-97 с.

2. Проектирование нежестких дорожных одежд. ОДН 218.046-01. - М., Минтранс РФ, 2001-145 с.

3. Рувинский В.И. Оптимальные конструкции земляного полотна / 2-е изд. переработанное и доп. - М., Транспорт, 1992-240 с.

4. Рувинский В.И. Пособие по устройству теплоизолирующих слоев из пенопласта styrofoam на автомобильных дорогах России - М, Транспорт, 2000-71 с.

5. Рувинский В.И. Автомобильные дороги. Десять вопросов и ответов - М., Союздорнии, 2001-40 с.

6. Рувинский В.И. Пособие по назначению теплоизолирующего слоя из пенопласта в основании нежестких дорожных одежд капитального типа с асфальтобетонным покрытием - М., Союздорнии, 2004-39 с.

7. Типовые решения по восстановлению несущей способности земляного полотна и обеспечению прочности и морозоустойчивости дорожной одежды на пучинистых участках автомобильных дорог - М., Минтранс. РФ, 2000-101 с.

8. Ярмолинский А.И., Ярмолинский В.А. Проектирование конструкций автомобильных дорог с учетом природно-климатических особенностей Дальнего Востока - Хабаровск, изд-во Тихоокеанского гос. ун-та, 2005-196 с.