Изыскания и проектирование автомобильных дорог на многолетнемерзлых грунтах

5. ОСОБЕННОСТИ ВОДНО-ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА И РАСЧЕТА НА ПРОЧНОСТЬ ДОРОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ НЕЖЕСТКОГО ТИПА Своеобразные гидрогеологические условия в сочетании с суровыми природно-климатическими факторами зоны вечной мерзлоты предопределяют особый водно-тепловой режим земляного полотна автомобильных дорог. Оттаивание земляного полотна и основания в зоне вечной мерзлоты протекает по схеме (рис. 5.1,Б), подобной схеме промерзания, например, во II дорожно-климатической зоне СССР (рис. 5.1,В), так как имеет место одинаковое направление потоков тепла (в зоне вечной мерзлоты) и потоков холода (в районах сезонного промерзания). В рассматриваемой зоне оттаивание происходит сверху и продолжается в течение всего теплого периода года, пока не установится динамическое равновесие между потоками тепла сверху от атмосферы и потоками холода снизу от вечномерзлых грунтов. Процесс промерзания земляного полотна и основания в зоне вечной мерзлоты (см. рис. 5.1,Б) подобен схеме процесса оттаивания в средней полосе страны (см. рис. 5.1,В). В обоих случаях имеет место двустороннее направление потоков: холода - в зоне вечной мерзлоты, тепла - в средней полосе страны. Промерзание в зоне вечной мерзлоты происходит с двух сторон: сверху - за счет отрицательных температур воздуха, снизу - за счет охлаждения от вечномерзлых грунтов. Таким образом, в зоне вечной мерзлоты, в течение всего теплого времени года в земляном полотне или в основании находится мерзлый (вечномерзлый), практически несжимаемый слой грунта на незначительной глубине оттаивания (до 1,5 м). Как установлено (Н.А. Цытович и др.), модули упругости (деформации) мерзлых глинистых грунтов имеют высокие значения, а талых - в несколько раз (иногда в десятки раз) меньше. В переходном состоянии от мерзлого к талому величина; модуля упругости может иметь различные промежуточные значения, которые уменьшаются как за счет перехода мерзлого состояния грунта в талое, так и более глубокого расположения мерзлого слоя грунта. Это положение имеет большое практическое значение для проектирования и строительства дорог в указанных районах, так как регулированием глубины расположения вечномерзлого слоя грунта можно повышать величину эквивалентного модуля упругости грунта земляного полотна, увеличивая таким образом прочность всей дорожной конструкции. Рис. 5.1 . Схема годового цикла водно-теплового режима земляного полотна и основания в районах вечной мерзлоты и сезонного оттаивания грунтов: А - изменение модуля упругости грунта земляного полотна в годовом периоде; Б и В - схемы протаивания, промерзания и увлажнения; 1 - сухой талый грунт; 2 - влажный талый грунт; 3 - талый грунт повышенной влажности; 4 - переувлажненный талый грунт; 5 - надмерзлотная вода; 6 - твердомерзлый грунт; 7 - прослойки и линзы льда; Нн - высота насыпи; Н от - мощность слоя оттаивания (промерзания); Н 0 - глубина расположения границы нулевых амплитуд Многолетние исследования на дорогах Якутской и Бурятской АССР позволили проследить за изменением модулей упругости и деформации в процессе оттаивания, которые определяли с помощью пресса и жестких металлических штампов диаметрами 20, 25 и 34 см. При НОТ = 0, то есть, когда грунт был мерзлым, модули упругости, по данным наших опытов, имели огромную величину: Е у = 2×10 2 - 25×103 кгс/см2, а ЕД = 0,4×103 - 5×103 кгс/см2. При глубине оттаивания 4 - 5 см модуль упругости составлял уже 1800 - 2190 кгс/см2, а деформации - 629 - 347 кгс/см 2. Затем по мере увеличения глубины оттаивания грунта величина его эквивалентного модуля упругости быстро уменьшалась. Это происходило вследствие перехода грунта из мерзлого состояния в талое (за счет разрушения в нем льдоцементирующих связей) и удаления от поверхности более прочного мерзлого слоя грунта. При глубине оттаивания, равной 3 - 4 диаметрам штампа, модули упругости достигали минимальных значений, близких по абсолютной величине к модулям плотности талого грунтового полупространства. Таким образом, при глубине оттаивания более 4 диаметров штампа влияние мерзлого слоя практически прекращается (составляет менее 4 - 5 %). Это явление необходимо учитывать при расчетах прочности дорожных конструкций. На величину модуля упругости кроме влажности и плотности глинистого грунта значительное влияние оказывает положение мерзлого слоя при оттаивании, ограничивающего зону обжатия грунта. Вопрос о распределении напряжений и деформаций до настоящего времени наиболее полно разработан только применительно к упругому изотропному полупространству при действии статических нагрузок. Величины сжимающих напряжений, возникающих на контакте грунтового слоя и жесткого основания, исследовались за рубежом (Мелан, Био, Маргерр и др.) и в нашей стране (О.Я. Шехтер, К.Е. Егоров, М.И. Горбунов-Посадов и др.). Получены аналитические решения и разработаны приемы численного определения напряжении и деформаций. Согласно этим решениям, а также опытным данным О.Ф. Никитина в ХАДИ, В.А. Давыдова в Омском филиале Союздорнии и др. установлено, что величина осадки в системе с несжимаемым основанием меньше, чем в однородном полупространстве. Была получена картина распределения ожидающих напряжений в слое грунта ограниченной толщины на несжимаемом основании. При этом установлено, что наличие жесткого несжимаемого слоя вызывает концентрацию напряжений по оси нагрузки. Оттаивание грунта создает сложную многослойную систему, которую с некоторыми допущениями можно принять за двухслойную. Величину эквивалентного модуля упругости системы - талый (верхний) плюс мерзлый (нижний) слои можно определить, принимая мерзлый слой грунта абсолютно несжимаемым. В этом случае влияние нижнего более прочного и жесткого слоя уменьшает осадку под нагрузкой верхнего талого однородного грунта, повышая таким образом, прочность системы - упругопластичный слой грунта плюс жесткое несжимаемое основание. Это явление можно учесть, используя решение К.Е. Егорова, основанное на формуле Маргерра:                                       (5.1) где R - радиус штампа, см; r - расстояние от центра круглого штампа до точки, перемещения которой определяют, см; J 0 - функция Бесселя нулевого порядка первого рода; J 1 - функция Бесселя нулевого порядка второго рода; Sh,с h - соответственно гиперболические синус и косинус; t - произвольный параметр интегрирования; Н - мощность талого слоя грунта, см. Для точек, расположенных под центром нагруженной площадки, то есть при r = 0, J 0 = 1,0, коэффициент влияния жесткого несжимаемого слоя на величину модуля упругости является обратной величиной коэффициента β ;                                            (5.2) Таким образом, влияние мерзлоте слоя на прочность оттаивающего грунта может быть определено по формуле (5.2) или по графику (рис. 5.2). В грунтах земляного полотна и основания, как правило, влажность по глубине неоднородна (в верхних слоях меньше, а в нижних больше) и в течение всего периода оттаивания имеет непостоянные значениями, рис. 5.5). Указанную закономерность для естественных условий зоны вечной мерзлоты отмечали проф. Н.А. Пузаков и мерзлотоведы, однако практических рекомендаций по ее учету при оценке прочности грунтов не было сделано. Рис. 5.2 . График для определения коэффициента влияния мерзлого слоя А на величину модуля упругости (деформации) в зависимости от относительной глубины залегания мерзлого слоя Н ОТ/Д Рис. 5.3 . Изменение влажности грунтов по мере оттаивания слоя насыпи в течение весенне-летнего периода: I - влажность грунта в весенний период (начало оттаивания); II - влажность грунта в начале летнего периода; III - влажность грунта в конце летнего периода; IV - горизонт мерзлоты Характерные эпюры распределения влажности по глубине оттаявшего слоя в расчетный период (весна-лето) были установлены автором в процессе обследования автомобильных дорог в зоне вечной мерзлоты [ 14, 16, 22 ]. В начале оттаивания земляного полотна происходит увлажнение верхнего активного слоя грунта (весенний период), затем, по мере опускания границы оттаивания вниз, вслед за горизонтом мерзлоты опускается свободная влага под действием гравитационных сил. В летний период за счет испарения с поверхности в инфильтрации просыхают верхние слои земляного полотна, а в ……… слоях на границе с мерзлым грунтом наблюдается максимальная влажность, нередко достигающая предела текучести. Такое распределение влажности обусловливает неравнопрочность грунтов на глубине, что следует учитывать в расчетах прочности дорожных конструкций. По фактическим данным натурных исследований [ 14, 16] автором было установлено (1966 г.), что при глубине оттаивания более величины НОТ равной 3 диаметрам штампа, влажность грунта по глубине распределяется по экспоненциальной зависимости. Следовательно, зная влажность верхнего и нижнего слоев, можно по зависимости Е = f( W) определить соответствующие значения модулей упругости или деформации любого слоя грунта. При этом целесообразно использовать метод вычисления осадок и напряжении отдельных слоев, основанный на решении задач по законам теории упругости. Многослойная система дорожной конструкции может рассматриваться как упругое неоднородное полупространство, состоящее из однородных слоев, связанных между собой условием непрерывности напряжений и перемещений. Каждый из слоев характеризуется определенной толщиной, модулем упругости и коэффициентом Пуассона. Величину эквивалентного модуля упругости на поверхности неоднородного по глубине земляного полотна можно получить, используя решение Б.И. Когана, разработанное для конструирования дорожных одежд. На основе этого решения разработана [16] номограмма (см. рис.5.4). В общем виде график изменения модуля упругости грунта от глубины оттаивания с учетом мерзлого слоя и неоднородного увлажнения описывается уравнением                                             (5.3) где выражение в квадратных скобках названо обобщенным коэффициентом влияния мерзлого слоя грунта и неоднородного увлажнения его по глубине  ; В и С - коэффициенты, зависящие от типа грунта, величины относительной деформации и других факторов (табл. 5.1);   - модуль упругости однородного массива грунта при определенных значениях его влажности и плотности. На рис.5.5 приведен пример зависимости общего модуля деформации грунта (супеси) земляного полотна на одном из опытных участков, построенных на автомобильной дороге V категории в Бурятской АССР. По исследованиям Н.А. Пузакова,: В.Ф. Бабкова, С.А. Голованенко, И.А.Золотаря, В.М. Сиденко и др. [13] снижение прочности (модуля деформации и модуля упругости) грунтов земляного полотна (см. рис. 5.1,А) в районах сезонного промерзания происходит весной на незначительный срок  , начисляемый 5 - 15 днями в IV и 15 - 30 днями по II и III дорожно-климатических зонах. По исследованиям В.А. Давыдова [ 14, 16] в зоне вечной мерзлоты прочность земляного полотна в течение весенне-летнего периода понижается до очень малых величин  ,   (см. рис. 5.1,А), а продолжительность расчетного периода   увеличивается до 1,5 – 4,0 и более месяцев, то есть практически достигает 0,7 - 0,9 всего периода теплого времени года. Этот существенный фактор - длительность ослабленного (расчетного) состояниягрунтов земляного полотна - необходимо учитывать в расчетах прочности дорожных одежд, что повысит надежность и долговечность всей дорожной конструкции (см. рис. 5.5). Таблица 5.1 Значения параметров в и С и минимальных (критических) значений модуля деформации Е д при относительной глубине оттаивания грунта Н/Д Грунт Относительная деформация λ в С Критические точки Н/Д Экспериментальные средние кривые Супеси 0,01 420 -2,42 5,07 300 4,5 0,02 305 -2,23 4,8 220 4,0 0,03 220 -2,23 3,9 150 3,5 Экспериментальные минимальные кривые 0,01 300 -4,2 7,3 120 3,5 0,02 230 -3,7 6,2 100 3,3 3,03 160 -3,0 4,5 80 3,0 Экспериментальные средние кривые Суглинки 0,01 340 -3,3 6,6 200 4,0 0,02 270 -3,1 5,5 150 3,5 0,03 200 -3,0 4,5 100 3,0 Экспериментальные минимальные кривые Глины 0,01 200 -4,2 6,3 60 3,0 0,02 150 -3,7 5,2 50 2,8 0,03 100 -3,0 3,75 40 2,6

Похожие:

	«Обеспечение сохранности автомобильных дорог путем мониторинга движения... Обеспечение сохранности автомобильных дорог путем мониторинга движения автомобильных транспортных		Основные недостатки проектной документации при проектировании автомобильных... Не представлено утверждённое техническое задание на проектирование государственным
	Рабочая программа Учебная дисциплина оп. 07 Эксплуатация дорожных... Специальность: 08. 02. 01 «Строительство и эксплуатация автомобильных дорог и аэродромов»		Программа дисциплины Основы экономики для специальности 270831 строительство... Федерального государственного образовательного стандарта (фгос) по специальности среднего профессионального образования (спо) 270831...
	Сто алтгту 13. 62 0693 2011 Приложение в (обязательное) Силлабус (памятка) Дисциплина «Автоматизированное проектирование автомобильных дорог» общим объемом 144 часов изучается в течение 7 семестра, сопровождается...		Образовательное учреждение высшего профессионального образования... Область профессиональной деятельности выпускников: изыскания, проектирование и строительство железных дорог и сооружений путевого...
	Протокол заседания творческой группы Половникова С. А., зав отделением Строительство и эксплуатация автомобильных дорог и аэродромов		Дисциплина: Строительство автомобильных дорог и аэродромов Воспитательная: воспитание информационной культуры учащихся, внимательности, аккуратности, дисциплинированности, усидчивости
	Рабочая программа дисциплины «Реконструкция автомобильных дорог» В процессе освоения данной дисциплины студент формирует и демонстрирует следующие профессиональные компетенции		1. внебюджетные фонды и их классификация В частности, речь шла о создании устойчивой системы государственного пенсионного обеспечения; медицинского и социального страхования;...
	Проектирование зданий и сооружений на сезонно промерзающих пучинистых грунтах «Пучинистые грунты», которая отражает достигнутые результаты научных исследований тридцатилетней давности. Это вызвано очевидно с...		Доклад : «Инновационные решения в современном проектировании» Институт зао «Транспроект» выполняет полный комплекс работ по проектированию: диагностику, инженерные изыскания, проектирование,...
	Российское дорожное агенство типовые решения повосстановлению несущей... Исполнитель: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем машиноведения Российской академии наук		Методические указания к изучению дисциплины и выполнению контрольной... Целью дисциплины является изучение автомобильных дорог как транспортной инфраструктуры. Основной задачей дисциплины является закрепление...
	Доклад об осуществлении муниципального контроля за обеспечением сохранности... В доклад включены сведения об организации и проведении муниципального контроля за отчетный год и его эффективности, по следующим...		Пояснительная записка Показатель Доля отремонтированных автомобильных... Докладу о достигнутых значениях показателей эффективности деятельности органов местного самоуправления Заветинского района за 2011...