В то же время нельзя проектировать
земляное полотно в отрыве от назначения конструкции дорожной одежды, ибо только
строго совместное решение этих двух вопросов обеспечивает создание безусловно
надежной и наряду с этим наиболее экономичной
Для
дорог с усовершенствованными покрытиями, для которых период, между капитальными
ремонтами дорожной одежды равен примерно 20 годам, расчеты ведут с 5 %-ной обеспеченностью
(95 %-ной вероятностью). В этом случае величину t в зависимости от (n–1)
находят в табл. 1 приложения 2*)
*) При иной заданной
обеспеченности величины t могут быть взяты из книги /4/
Среднее
квадратическое отклонение определяют по формуле:
|
(3)
|
где
Hскв.i - уровень грунтовых вод перед
промерзанием за i-ый
год;
n - число лет наблюдений.
Примеры определения расчетного
уровня приведены в приложении 1.
III. ОБЕСПЕЧЕНИЕ МОРОЗОУСТОЙЧИВОСТИ КОНСТРУКЦИЙ
15. Как
уже указывалось, в процессе
промерзания дорожной конструкции в опредёленных условиях может происходить
интенсивное перемещение влаги из нижних
сильно увлажненных слоев грунта в верхние. В верхней части земляного полотна
образуются кристаллы и линзы льда, грунт разуплотняется, вследствие чего
происходит вспучивание дорожной конструкции. Не говоря уже о том, что при
оттаивании избыточно насыщенного влагой грунта резко снижается его устойчивость
и возникают весенние деформации на дорогах, само зимнее пучение, происходящее
обычно неравномерно, может вызвать разрушение дорожной одежды и образование
недопустимых неровностей на проезжей части.
Поэтому
на участках, находящихся в неблагоприятных
грунтово-гидрологических условиях, предусматривают специальные инженерные
мероприятия для того, чтобы зимнее вспучивание не превышало допустимых
пределов.
Установлено,
что неравномерность зимнего вспучивания не проявляется сколько-нибудь
существенно, если общая величина поднятия проезжей части в процессе зимнего
промерзания составляет:
на
дорогах с цементобетонным покрытием - не более 2 см;
асфальтобетонным
покрытием - не более 4 см;
облегченными
усовершенствованными покрытиями - не более 6 см.
Такие
дорожные конструкции могут считаться, достаточно морозоустойчивыми.
16.
Указанные выше требования удовлетворяются, когда дорога проектируется в
местности, с очень малой глубиной промерзания (IV и V климатические зоны), либо в
местности, где отсутствует систематическое увлажнение подземными и
поверхностными водами (1-й тип), а также в любых условиях водно-теплового
режима, если земляное полотно на всю глубину промерзания сложено достаточно
морозоустойчивыми грунтами.
Если
земляное полотно сооружается из склонных к пучению грунтов (табл. 4) в
гидрогеологических условиях, типичных для 2-го и 3-го типов местности по
степени увлажнения (см. табл. 1), и
толщина дорожной одежды, требующаяся по условию прочности, не превышает
приблизительно 2/3 от глубины промерзания, то для предохранения дорожной
конструкции от чрезмерного вспучивания необходимы специальные мероприятия.
17.
Требуемая морозоустойчивость конструкций может быть достигнута за счет
увеличения высоты насыпи (расстояния от поверхности покрытия горизонта
подземных вод или поверхности земли), сооружения
насыпи из более стабильных грунтов, а так же за счет устройства
морозозащитных слоев из материалов, не изменяющих существенно объема при
промерзании во влажном состоянии (так называемых ''стабильных"
материалов).
То или
иное мероприятие, либо оптимальное их сочетание выбирают на основании
технико-экономического сравнения равноценных по условиям морозоустойчивости
вариантов. Вариантное проектирование, как правило, необходимо во II
и отчасти III
климатических зонах при неблагоприятных условиях увлажнения (2-й и 3-й типы
местности).
13. Для
устройства морозозащитных слоев используются обычно местные зернистое
материалы: гравий, ракушка, песок, щебень, а также металлургические и топливные
шлаки. Если в материале содержится не более 10 % частиц мельче 0,1 мм и
коэффициент фильтрации уплотненного материала не ниже 1 м/сутки, то такие
материалы обычно не склонны к льдонакоплению и практически не изменяют объема
при промерзании во влажном состоянии.
Материалы,
не удовлетворяющие указанным требованиям, а также легкие супесчаные грунты
можно использовать только после специального испытания их на морозоустойчивость
/2/. Полученный в результате испытания коэффициент пучения материала (грунта)
учитывается при расчете конструкции на морозоустойчивость.
Морозозащитные
слои можно устраивать также из грунтов, укрепленных вяжущими, гидрофобизирующими
добавками, либо из грунтов, изолированных от влаги.
Для
устройства морозозащитного слоя нельзя применять неморозостойкие материалы, в
результате распада которых образуется глинистая фракция (например, глинистые
сланцы).
Материалы
для устройства морозозащитного слоя выбирают на основании
технико-экономического сравнения возможных вариантов с учетом местных условий,
необходимой толщины слоя, требований к надежности и долговечности проектируемой
конструкции и условий строительства.
19.
Морозозащитные слои устраивают чаще всего на всю ширину земляного полотна (рис. 3),
особенно если применяются фильтрующие материалы.
Морозозащитный
слой, из .фильтрующих материалов обычно является и дренирующим элементом, конструкции, в этом случае он должен быть
рассчитан также и на своевременный отвод поступающей воды. Устройство
морозозащитного слоя из укрепленного грунта, грунта, изолированного от
поступления влаги, или из других практически водонепроницаемых материалов может
оказаться рациональным только на ширину проезжей части. При этом, чтобы
смягчить неравномерность вспучивания, слой стабильного материала уширяется с
глубиной. Конструкции морозозащитных слоев приведены в "Методических указаниях" /2/.
Рис.
3. Морозозащитный слой из фильтрующих материалов:
1
- дорожная одежда; 2 - укрепление обочин; 3 - морозозащитный слой
z
- общая толщина слоев из стабильного материала;
h -
толщина морозозащитного слоя
20.
Мероприятия, обеспечивающие морозоустойчивость дорожной конструкции,
обосновываются расчетом. Расчеты, производятся для характерных участков дороги,
имеющих одинаковое покрытие, близкие погодно-климатические и
грунтово-гидрогеологические условия, один и тот же тип земляного полотна и
одинаковую обеспеченность местными строительными материалами.
Расчет
дорожной конструкции на морозоустойчивость сводится к удовлетворению
неравенства:
|
(4)
|
где
lпуч.д - допускаемая величина зимнего вспучивания
дорожной конструкции;
lпуч - расчетное
пучение грунта земляного полотна;
lмз - ожидаемое пучение материала морозозащитного
слоя.
При
устройстве морозозащитного слоя из материалов, удовлетворяющих требованиям п. 18,
величина lмз в расчет не вводится. В
остальных случаях, ожидаемое пучение морозозащитного слоя устанавливается на
основании результатов испытания материала на морозоустойчивость.
21.
Ожидаемое зимнее вспучивание земляного полотна зависит от интенсивности
влагонакопления в грунте в процессе промерзания.
Величина
lпуч обуславливается свойствами и
мощностью слоя промерзающего грунта, гидрогеологическими условиями, скоростью
промерзания, длительностью зимнего периода и др. Величина вспучивания земляного
полотна в условиях 3-го типа увлажнения местности может быть вычислена на основании
следующей зависимости*):
|
(5)
|
где
lпуч - ожидаемое пучение грунта земляного полотна,
см;
B - комплексная
характеристика свойств грунта земляного полотна, определяющих влагонакопление
при промерзании (табл. 4);
Н - глубина залегания расчетного
уровня подземных вод (см. раздел
II), считая от поверхности
покрытия по оси проезжей части (рис. 4), см;
Z1 - общая толщина одежды и морозозащитного слоя,
см;
Z - расчетная глубина промерзания
дорожной конструкции, считая от поверхности покрытия по оси проезжей части (см.
приложение 2), см;
αв - показатель, учитывающий особенности
климатических условий, см2/сутки;
|
(6)
|
Vпр - средняя скорость промерзания, см/сутки;
Tз - расчетная
продолжительность зимнего периода, сутки.
*) Формула (5)
получена М.Б. Корсунским
**) Формула (6) Н.А.
Пузакова
Величина
климатического показателя α0, может быть принята по карте, изолиний α0 (см. рис. 14
"Указаний" /2/).
За
расчетную длительность зимнего периода принимают: для Европейской части СССР - количество суток с момента
наступления осенью среднесуточных температур воздуха ниже -5°С до наступления
весной периода с устойчивой температурой воздуха выше 0°С;
для
Зауральской части СССР, где климат более континентален и выше скорость
промерзания, - с момента понижения температуры воздуха до -10°С в начале зимы
до наступления устойчивой температуры воздуха 0°С весной.
Таблица 4
Характеристики свойств грунтов
Наименование
грунта
|
Расчетная
величина показателя В,
характеризующего свойства грунта, см3/сутки
|
Степень
пучинистости
|
Глины,
суглинки легкие и тяжелые (непылеватые), супеси (непылеватые), пески
пылеватые
|
3
|
Слабопучинистые
|
Суглинки
тяжелые пылеватые
|
3,5
|
Пучинистые
|
Супеси
пылеватые, суглинки легкие пылеватые
|
4-4,5
|
Сильнопучинистые
|
Супеси
тяжелые пылеватые
|
5
|
Очень
сильнопучинистые
|
Примечание. Значения показателя В получены расчетным путем по формуле (5) на основании фактических
данных о величине пучения дорожных конструкций на эксплуатируемых дорогах, при
известных значениях
Рис.
4 Схема к расчету величины пучения:
Z1 - общая толщена слоен из стабильного
материала;
Н - глубина залегания грунтовых вод;
Z - глубина промерзания/
Рис. 5. Номограмма для расчета
конструкции на морозоустойчивость
Для
упрощения расчетов по формуле (5) составлена
номограмма (рис. 5), с помощью которой можно установить величину ожидаемого
пучения lпуч при известных значениях
параметров Z, Z1, H, B и α0.
С
помощью этой номограммы нетрудно найти и величину любого другого параметра,
входящего в формулу (5). По
горизонтальной оси на номограмме отложены отношения толщины стабильного слоя к
расчетной глубине промерзания Z1/Z,
а по вертикальной оси значения lпучα0/BZ.
Толщину
стабильного слоя Z1, определяют следующим образом:
вычисляют величину lпучα0/BZ,
находят ее значение на вертикальной оси, проводят горизонтальную, линию до
пересечения с кривой, соответствующей Z/H и, перенося эту точку на горизонтальную ось, получают
значение Z1/Z.
Аналогично
может быть найдено возвышение конструкции над расчетным уровнем грунтовых вод Н. Когда морозозащитный слой
отсутствует, Z1 равно толщине одежды,
рассчитанной по условиям прочности.
В особо
сложных грунтовых и гидрогеологических условиях, когда это необходимо по местным
особенностям, используется метод расчета морозоустойчивости, предложенный
И.А.Золотарем (приложение 3), более подробно учитывающий
погодно-климатические факторы и теплотехнические свойства материалов.
22. При
2-м типе местности по условиям увлажнения во II и III климатических зонах толщина
морозозащитного слоя назначается по табл. 5. При этом должно быть
обеспечено возвышение низа дорожкой одежды над поверхностью земли, требуемое по
табл. 16 СНиП II-Д.5-62
(п. 4.7).
Во всех
случаях возвышение покрытия над поверхностью земли не должно быть меньше, чем
это требуется по условиям незаносимости снегом.
В целях
существенного улучшения водно-теплового режима земляного полотна в условиях
2-го типа увлажнения местности на участках, где в отдельные периоды года
возможен длительный, застой воды на поверхности земли, целесообразно устраивать
бермы или уменьшать крутизну откосов, насыпи.
Расчеты,
подтвержденные результатами экспериментов в лаборатории, а также отдельными
наблюдениями на дорогах*), позволяют заметить такое наименьшее расстояние от
края проезжей части до бровки бермы или уреза воды на затапливаемом откосе (табл. 6), при котором
вода, застаивающаяся рядом с дорогой осенью и весной, практически не влияет на
режим влажности основания проезжей части. Расстояния определены в зависимости
от грунтово-гидрологических условий, оцениваемых показателем интенсивности
впитывания**), величина которого устанавливается при проектной плотности
земляного полотна и для грунта с ненарушенной структурой в основании насыпи.
Большее из этих значений принимается за расчетное.
*) Исследования выполнены Б.И. Рувинским.
**) Под показателем интенсивности
впитывания имеется в виду отношение количества влаги, проникающей в единицу
времени (мм/мин) в данный грунт, к количеству проникающей влаги в грунт,
принятый за эталон. В данном случае за эталон принята мелкая супесь с объемным
весом скелета 1,80 г/см3 и весовой влажностью 10 %. Показатель
интенсивности впитывания (С) рассчитывается по формуле (7) - см. п. 27.
IV. ОСУШЕНИЕ КОНСТРУКЦИИ
23.
Специальные мероприятия по осушению необходимы в случаях, когда количество
воды, поступающей в основание проезжей части в отдельные периоды, больше, чем может разместиться в порах
конструктивных слоев одежды и подстилающего грунта без снижения их способности
сопротивляться нагрузкам от движущихся автомобилей. Как правило, мероприятия по
осушению следует предусматривать:
1) на
участках с земляным полотном из слабофильтрующих грунтов во всех случаях, когда
можно ожидать в отдельные периоды года увлажнения грунта до полной влагоемкости
(при близком залегании подземных вод, на длительно подтапливаемых участках и
т.д.);
2) в
районах с большим количеством осадков на участках, где возможно скопление в
основании проезжай части воды, проникающей с поверхности (участки с затяжными
продольными уклонами, при сравнительно легко водопроницаемых покрытиях и
грунтах обочин, участки, прилегающие к газонам, и т.д.).
Таблица 5
Необходимая толщина слоев из
стабильных материалов в условиях 2-го типа увлажнения местности
Грунты
земляного полотна
|
Климатическая
зона
|
Общая
толщина слоев из стабильных материалов (включая одежду), см
|
цементобетонное
покрытие
|
асфальтобетонное
покрытие
|
Суглинки
пылеватые и супеси пылеватые
|
II
|
90
|
60
|
III
|
80
|
50
|
Суглинки
и супеси (непылеватые) и пылеватые пески
|
II
|
70
|
х)
|
III
|
55
|
х)
|
Примечания:
1. Для одежд с усовершенствованными
облегченными покрытиями, а также в случаях, помеченных в таблице знаком х),
толщина дорожной одежды, определяемая расчетом на прочность, обеспечивает и
необходимую морозоустойчивости дорожной конструкции.
2. Толщины в табл. 5 даны для материалов
морозозащитных слоев с коэффициентом пучения, не превышающим 1 % (приложение 1
к /2/). На дорогах с асфальтобетонными, а также с усовершенствованными
облегченными покрытиями могут быть использованы материалы с более высоким
коэффициентом пучения (но не более 3 %). В этих случаях к толщинам стабильных
слоев, приведенным в таблице, следует добавлять 10 см на каждый процент
коэффициента пучения материала сверх 1 %.
Таблица 6
Наименьшее расстояние от края
проезжей, частя до уреза воды
Показатель
интенсивности впитывания грунтов земляного полотна или естественного
основания насыпи С
|
Наименьшее
расстояние от края проезжей части до бровка бермы или уреза воды, м
|
до
0,5
|
3,5
|
до
1,0
|
5,0
|
до
1,5
|
6,0
|
Примечание.
Приводимые
расстояния даны для западных районов II и
III
климатических зон; в восточных районах они могут быть уменьшены на 1,0 м.
Осушение
конструкции осуществляется обычно путем укладки в основание проезжей части
дренирующего слоя из фильтрующих материалов с обеспечением выпуска из него
воды.
Толщину
дренирующего слоя и необходимый коэффициент фильтрации дренирующего материала
устанавливают расчетом в зависимости от количества поступающей в основание
воды, способа отвода ее и других
факторов.
24.
Дренирующие слои в основании проезжей части устраивают из песка, гравия, шлака и других фильтрующих местных материалов.
Необходимый
в каждом отдельном случае коэффициент фильтрации материала дренирующего слоя
устанавливается расчетом. Однако не следует применять материалы, коэффициент
фильтрации которых в уплотненном состоянии менее 1 м/сутки.
В районах
II
и II климатических зон материалы для
дренирующего слоя должны быть морозоустойчивыми. Кроме того, к материалам предъявляются
требования, в отношении прочности, так как дренирующие слои, как и другие
элементы конструкции, воспринимают напряжения от временных нагрузок и участвуют
в передаче и распределении их на подстилающий грунт.
25. Из
дренирующего слоя обеспечивается надежней отвод воды. Для этого укладывают
сплошной слой из фильтрующего материала под обочинами, либо устраивают
продольные или поперечные дрены. Конструкций устройства для отвода из
дренирующего слоя в различных случаях приводятся в "Методических
указаниях" /2/.
26.
Проектирование мероприятий по осушению ведется в следующем порядке:
- разбивают
дорогу на участки с учетом характера продольного профиля,
погодно-климатических, грунтово-гидрогеологических условий, особенностей
конструкции одежды и обеспеченности материалами для дренирующего слоя на
каждом, участке намечают расчетное сечение, где количество поступающей в
основание воды достигает максимальной величины.
-
определяют количество воды, поступающей в основание проезжей части за сутки в
расчетный период;
-
рассчитывают необходимую толщину дренирующего слоя, при которой в данных условиях
обеспечивается размещение и своевременный отвод поступающей в основание воды.
Если
материалы для дренирующего слоя обладают различными коэффициентами фильтрации,
а также в случаях, когда могут быть запроектированы устройства разных типов для
отвода воды из дренирующего слоя, разрабатывают несколько вариантов и на
основании технико-экономического сравнения выбирают наиболее рациональный.
27.
Дренирующий слой рассчитывается в соответствии
с "Методическими указаниями" /2/, но с учетом следующих изменений:
1. При
определении количества воды, проникающей в основание проезжей части с поверхности дороги (q3), можно пользоваться табл. 7,
где эти величины приводятся в зависимости
от количества выпадающих осадков, их продолжительности и показателя интенсивности
впитывания С*).
Таблица 7
Количество воды от атмосферных
осадков q3, поступающее в основание проезжей
части.
Произведение
средней многолетней суммы осадков на их продолжительность за первый весенний
месяц, мм. час
|
Показатель
интенсивности впитывания, С
|
q3
м3/сутки на 1 пог. м дороги при двухполосной проезжей части
|
1000-2000
|
0,6
и более
|
0,010
|
0,4
|
0,005
|
2000-3000
|
0,8
и более
|
0,020
|
0,6
|
0,015
|
0,4
|
0,010
|
0,2
|
0,005
|
3000-4000
|
0,8
и более
|
0,035
|
0,6
|
0,030
|
0,4
|
0,020
|
0,2
|
0,010
|
4000-5000
|
0,8
и более
|
0,050
|
0,6
|
0,045
|
0,4
|
0,035
|
0,2
|
0,020
|
0,1
|
0,005
|
Показатель интенсивности впитывания определяют по формуле:
|
(7)
|
где
K - коэффициент фильтрации грунта, м/сутки, определяемый в
лаборатории на приборе Ф-1 м;
WT - влажность грунта, .соответствующая границе
текучести, %;
Wопт - оптимальная влажность грунта, %;
Wп.в - полная
влагоемкость, %, определяемая по пробе грунта, подвергавшейся испытанию на
фильтрацию.
*) Таблица 7 и
формула (7) предложены В.И. Рувинским.
Ориентировочные
значения С можно получить также по
графику рис. 6 в зависимости от плотности и оптимальной влажности грунта.
Общее
количество воды, поступающей за сутки на 1 пог. м дороги в основание проезжей
части на участках с однообразными продольными уклонами, определяют в
соответствии с Указаниями /2/ по формуле:
где
q1 - количество
воды освобождающееся при оттаивании переувлажненного грунта под проезжей
частью;
q2 - то же, при оттаивании грунта под
обочинами;
q3 - количество воды, проникающее с поверхности дороги в основание от
атмосферных осадков.
Рис. 6. График для определения показателя
интенсивности впитывания. Цифры на кривых – объемный вес скелета грунта, г/см3
При
вогнутых переломах продольного профиля количество воды, поступающей за сутки в
основание может быть определено по формуле:
где
K' - коэффициент, учитывающий
накопление воды у перелома продольного профиля.
Величину коэффициента K' находят по номограмме рис. 7 в зависимости от отношений (i1–i2)/i2 (кривые на номограмме) и (Kф·i2)/n (горизонтальная
ось), где Kф - коэффициент
фильтрации уплотненного до стандартной плотности материала дренирующего слоя,
м/сутки; n - пористость материала в долях единицы; i1 и i2 - продольные уклоны участков
выше и ниже перелома продольного профиля*).
Рис. 7. Номограмма для расчета коэффициента
накопления воды в дренирующем слое в местах, вогнутых переломов продольного
профиля
*)
номограмма (рис. 7) построена для продольных уклонов одинакового направления.
2. Опыт
проектирования показал, что толщина дренирующего слоя из материала с коэффициентом
фильтрации Kф≤4 м/сутки,
удовлетворяющая требованию своевременного отвода воды, обеспечивает и временное размещение воды в период, когда
водоотводящие устройства не работают; толщина дренирующего слоя из материала с Kф≥4 м/сутки, рассчитанная по
условию временного размещения воды, обычно обеспечивает отвод воды после
оттаивания дрен. Поэтому расчет толщины дренирующего слоя ведется в зависимости
от величины Kф.
а) При
использовании материала с Kф≤4 м/сутки расчет следует
вести с помощью номограммы рис. 8 на своевременный отвод воды, поступающей за
сутки.
Рис.
8. Номограмма для расчета дренирующего слоя:
а - мелкий песок; б - песок средней
крупности; в - крупный песок.
Сначала
определяют отношение q'/Kф, где q'=0,5q,
найденного по формуле (8), или q' = 0,5qвогн, найденного по формуле (9), при двухскатном поперечном профиле
проезжей части и q'
= q (или q' = qвогн) - при односкатном. Затем для данного отношения q'/Kф (вертикальная ось) с учетом
поперечного уклона грунтового основания i (кривые на номограмме)
определяют толщину слоя дренирующего материала, полностью насыщенного водой hнас (горизонтальная ось).
Номограмма
построена для пути фильтрации воды в дренирующем слое Z
= 3,5÷3,75.
Это соответствует случаю, когда приемная часть дрен находится у краев
двухскатной проезжей части шириной 7,0-7,5
м. При иной ширине проезжей части, а также при устройстве сплошного
дренирующего слоя под обочинами, когда путь
фильтрации равен Z1, величину h'нас находят из равенства:
где hнас определяют по номограмме рис. 8.
Полная
толщина дренирующего слоя должна составлять:
где hзап - дополнительная толщина слоя,
зависящая от капиллярных свойств материала, может быть принята равной 0,1 м для крупнозернистых материалов и
0,15 м - для песков средней крупности и мелких.
б) При
достаточно высоких фильтрационных свойствах материала (Kф>4,0 м/сутки) полную толщину
дренирующего слоя, исходя из необходимости обеспечить временное размещение
воды, находят из выражения:
|
(10)
|
где
φзам - коэффициент
заполнения пор в материале дренирующего слоя зимней влагой к моменту начала
оттаивания, принимается по табл. 8;
Q - количество накопившейся воды в дренирующем
слое за время запаздывания (tзап) начала
работы дрен, в м3 на
1 пог. м.
|
(11)
|
Время
запаздывания (tзап) в условиях II климатической зоны составляет 4-6 суток, в условиях III климатическое зоны - 3-4
суток (большие значения для мелких песков); при крупнопористых
материалах (крупные одномерные пески, незаполненный гравий и т.п.) и трубчатых дренах tзап = 0.
n - пористость материала в долях
единицы;
hк.зап - приведенная высота капиллярной воды в
слое запаса над уровнем свободной воды (hзап), принимаемая
для крупных песков - 0,06 м, для песков среднее крупности и мелких - 0,11 м.
Таблица 8
Значения коэффициента заполнения
пор φзам
Толщина дренирующего слоя, см
|
Пористость материала в долях
единицы
|
0,40
|
0,36
|
0,32
|
0,28
|
|
Значения
коэффициента φзам
|
до
20
|
0,42
|
0,50
|
0,59
|
0,71
|
20-40
|
0,36
|
0,42
|
0,51
|
0,60
|
более
40
|
0,32
|
0,37
|
0,45
|
0,54
|
Примечание. Данные приведены для II климатической зоны, в III климатической зоне
величину φзам можно принимать равной 0,8 от указанных в
таблице значений.
Увеличенная
толщина дренирующего слои при вогнутых переломах профиля, определенная по
номограмме рис.8 пли по формуле (10), с учетом qвогн назначается на участке
протяжением 20-30 м (меньшие
значения для мелких песков) вниз по уклону от точки перелома продольного
профиля. Далее толщину слоя следует постепенно уменьшать до сопряжения с
участками, где дренирующие слои рассчитывается без учета продольного притока.
Когда толщина дренирующего слоя рассчитывается по
изложенному методу, отпадает необходимость пользоваться номограммами /2, рис. 18
и 19, пп. 33-36/.
Приложение 1
ПРИМЕРЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСЧЕТНОГО УРОВНЯ ГРУНТОВЫХ ВОД ПРИ ДОРОЖНЫХ ИЗЫСКАНИЯХ
В год
проведения изысканий 12 августа в северо-западной части II
дорожно-климатической зоны на одном из участков трассы были обнаружены
грунтовые воды в пылеватых супесях на глубине Нзам = 2,02 м от поверхности земли.
Требуется определить расчетный уровень грунтовых под на данном участке с 5 %-ной
обеспеченностью (вероятность 95 %).
1-й
случай. Вблизи трассы в сходных природных условиях находится гидрогеологическая
станция, на которой в течение n = 22 лет проводятся
систематические наблюдения за изменением уровня грунтовых вод. В наблюдательной
скважине уровень грунтовых вод 12/VIII года изысканий находился на глубине Hскваж.зам. = 2,81 м от поверхности земли.
Расчетный
уровень грунтовых вод на трассе определяем по формуле (1) разд. II, п. 14:
где Hскв.расч - расчетный
(перед промерзанием) уровень грунтовых вод в скважине. Расчетный уровень в
скважине определяем по формуле (2),
разд. II, п. 14:
где
Hскв.ср - средний уровень в скважине за декаду, в которую
входит средняя многолетняя дата наступления среднесуточных температур воздуха
–5°, за n лет наблюдений*);
*)
Время наступления среднесуточных температур воздуха ниже –5° принято за начало
промерзания грунта. Эти даты имеются в климатических справочниках.
σ - среднее квадратическое отклонение
этой величины определяем по формуле (3)
где
Hскв.i - средний уровень грунтовых вод за
декаду наступления среднесуточных температур воздуха ниже –5° в i-й год;
n - число лет наблюдений;
t - нормированное отклонение Hскваж.i от Hскваж.ср при заданной 5 %-ной обеспеченности;
определяется по табл.1 приложения 2.
Исходные
данные и результаты расчета величин Hскваж.ср и σ приведены в следующей таблице:
Годы
|
Hскваж.i, м
|
Hскваж.i–Hскваж.ср, м
|
(Hскваж.i–Hскваж.ср)2, м
|
1
|
2,58
|
0,12
|
0,014
|
2
|
3,33
|
0,87
|
0,755
|
3
|
3,56
|
1,10
|
1,210
|
4
|
3,08
|
0,62
|
0,384
|
n=22
|
2,09
|
–0,37
|
0,137
|
Итого
|
541,2
Hскваж.ср=2,46 м
|
+7,82
–7,79
|
Σ=4,61
|
Таким
образом, получаем:
Нскваж.расч.
= 2,46–2,08·0,47
= 1,48 м,
откуда
Hрасч.
= 0,72·1,48 = 1,07
м.
Так может
быть установлен расчетный уровень грунтовых вод при наличии ряда наблюдений за
10 лет и выше. При меньшем ряде наблюдений установление расчетного уровня таким
способом может привести к значительным ошибкам.
2-й
случай. Вблизи трассы в населенном пункте имеется питьевой колодец. 12/VIII уровень
воды в колодце находился на глубине 2,81 м от поверхности земли, а на трассе на
глубине 2,02 м. На срубе колодца на глубине 1,85 м от поверхности земли заметны
следы, характеризующие наивысшее положение уровня.
Определяем
расчетный (перед промерзанием) уровень грунтовых вод на трассе по формуле (1)
Для определения Hрасч.
колодца наносим типовой график для зоны обильного питания (рис.2) положение уровня воды в колодце во время изысканий и находим
разность между этим уровнем и положением кривой для 12/VIII (Δ≈2,81–2,0 = 0,81
м). Затем от точки, характеризующей расчетный уровень на типовом графике,
откладываем вниз перпендикулярно к оси абсцисс величину Δ и находим, что
уровень в колодце перед промерзанием соответствует глубине ~ 2,3 м, т.е.
интервалу глубин от 1,0 до 3,0 м. Для этого интервала поправка, уточняющая
наивысший уровень воды в колодце перед промерзанием не вводится.
В этом
случае расчетный (перед промерзанием) уровень грунтовых вод равен:
3-й
случай. При отсутствии вблизи трассы гидрогеологической станции и питьевых
колодцев расчетный уровень грунтовых вод определяется визуально: по почвам, растительности,
рельефу.
Характерным
признаком длительного стояния грунтовых вод является оглеение почвы, верхнюю
границу которого принимают за наивысший уровень.
Допустим,
что на участке трассы, для которого определяют расчетный уровень, в шурфах на
глубине 1,2 м от поверхности земли было обнаружено оглеение. Сравнивая
замеренный на трассе уровень воды (см. 2-й случай) с уровнем на то же число и
перед промерзанием на типовом графике (рис.2),
устанавливаем, что перед промерзанием уровень на трассе будет находиться в
интервале глубин 1-3 м. В этом случае упомянутая выше поправка не вводится (см.
п. 13), а за расчетный уровень принимаем верхнюю границу оглеения.
При
наличии болотных почв грунтового заболачивания за расчетный уровень принимают
поверхность земли.
Положение
грунтовых вод можно определить по характеру растительности; для этого требуются
специальные справочники - определители /3/.
Приложение 2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСЧЕТНОЙ ГЛУБИНЫ ПРОМЕРЗАНИЯ ДОРОЖНОЙ КОНСТРУКЦИИ
1. При
определении зимнего влагонакопления и величины пучения дорожной конструкции за
расчетную принимают наибольшую вероятную глубину промерзания за период между
капитальными ремонтами дорожной одежды.
Когда
не имеется данных о глубине промерзания в районе проектирования, приходится
пользоваться картой нормативных глубин промерзания грунтов на территории СССР в
СНиП П-А. 6-62 /2, рис. 13/. В этом случае для получения расчетной глубины
промерзания, дорожной конструкции следует к значениям нормативных: глубин, полученным
по карте, добавлять для районов Европейской части СССР около 40 см и для Зауральской части
-приблизительно 60 см.
2. При
наличии данных наблюдений за глубиной промерзания грунта в течение нескольких
лет или хотя бы за один год, а также данных о средней величине суммы
градусс-суток отрицательной температуры воздуха за этот же период, расчетную
глубину промерзания дорожной конструкции можно получить по формуле
Лейбензона-Лукьянова:
|
(1)
|
где
Zз - средняя глубина промерзания грунта за ряд лет
(или хотя бы за один год) по данным
непосредственных наблюдений;
θз - средняя за годы наблюдений над
глубиной промерзания сумма градусо-суток с отрицательными температурами
воздуха, (холода);
θр - расчетная
сумма градусо-суток холода;
γ
= 1,2 - коэффициент
перехода от глубины промерзания грунта, определенной на оголенном от снега и
дерна участке, к глубине промерзания дорожной конструкции (введен aвтopaми
"Пpeдлoжений").
3.
Расчетную сумму градусо-суток холода определяют статистически, на основании
данных систематических наблюдений за температурой воздуха.
|
(2)
|
где
θср - средняя сумма
градосо-суток холода за период наблюдений;
σ - среднее квадратическое отклонение
(стандарт) этой величины;
t - нормированное отклонение сумм
градусо-суток холода от средней θср при принятой обеспеченности
(вероятности).
Для дорог с усовершенствованными покрытиями, для
которых период между капитальными ремонтами одежды равен приблизительно 20
годам, расчеты ведут с 5 %-ной обеспеченностью (95 %-ной вероятностью).
Среднее
квадратическое отклонение определяют по формуле:
|
(3)
|
где
θi - сумма
градусо-суток холода за i-ый
год наблюдений;
n - число лет наблюдений.
Нормированное
отклонение t при 5 %-ной обеспеченности в
зависимости от величины (n–1)
определяют по табл. 1.
Таблица 1
n-1
|
t
|
n–1
|
t
|
n–1
|
t
|
9
|
2,26
|
17
|
2,11
|
25
|
2,06
|
10
|
2,23
|
18
|
2,10
|
26
|
2,06
|
11
|
2,20
|
19
|
2,09
|
27
|
2,05
|
12
|
2,18
|
20
|
2,09
|
28
|
2,05
|
13
|
2,16
|
21
|
2,08
|
29
|
2,05
|
14
|
2,I4
|
22
|
2,07
|
30
|
2,04
|
15
|
2,13
|
23
|
2,07
|
40
|
2,02
|
16
|
2,12
|
24
|
2,06
|
60
|
2,00
|
При заданной обеспеченности
величины t могут быть взяты из книги /4, табл. VI, стр. 424/.
4.
Пример расчета.
Проектируется
дорога с усовершенствованным покрытием. Имеются данные о глубине промерзания
грунта на оголенной поверхности (Zз = 140 см) и о сумме градусо-суток
холода (Q =
1330) за 1962/63 г. Ближайшая метеостанция располагает данными о ежегодных
суммах градусо-суток холода за период 20 лет - с 1944/45 по 1963/64 гг.
Расчетную
глубину промерзания находят следующим образом.
а) Составляют таблицу
для определения среднего квадратического отклонения:
№
ПП
|
Годы
наблюдений за температурой воздуха
|
Суммы
градусо-суток холода θi
|
Отклонение
(θi–θср)
|
Квадрат
отклонения (θi–θср)2
|
1
|
1944/45
|
23,0
|
–5,0
|
25,0
|
2
|
1945/46
|
34,0
|
+6,0
|
36,0
|
18
|
1961/62
|
24,5
|
–3,5
|
12,3
|
19
|
1962/63
|
44,0
|
+16,0
|
256,0
|
n=20
|
1963/64
|
28,0
|
0
|
0
|
Итого
|
|
559,0
|
–84,5
+84,1
|
2418,4
|
В графу 2 вписывают календарные годы, для которых имеются
данные наблюдений. Отсутствие наблюдений за отдельные годы, но не более 20 %, считают
допустимым. В графу 3 вписывают соответствующие им суммы градусо-суток холода с
округлением до 0,5. В итоге подсчитывается сумма (в этом примере Σθi=559).
Для
получения отклонений (графа 4) предварительно вычисляется θср по формуле:
где - итог
графы 3.
Таким
образом, θср = 28. Вычитают из каждого значения графы 3
величину θср и
записывают в графу 4. Например: 23,0–28,0 = –5,0 (см. строку 1 таблицы) и т.д.
В итоге
подсчитывают алгебраическую сумму отклонений, которая должна быть равна нулю.
Некоторые расхождения объясняются округлением θср.
В графу
5 записывают возведенные в квадрат величины графы 4. В итоге подсчитывается
сумма
б). По формуле (3) вычисляют среднее
квадратическое отклонение (стандарт):
в) При
принятой 5 %-ной обеспеченности и (n–1)=19
находят по табл. 1 нормированное отклонение сумм градусо-суток холода θi от
среднегодовой θср. Оно
равно t =
2,09.
г).
Находят значение первого члена в формуле
(2). Для этого можно, было бы воспользоваться уже полученным в этом примере
значением θср=28. Но, учитывая, что в Климатическом
атласе СССР имеются данные о среднемесячных многолетних (за 50-70 лет) температурах воздуха,
целесообразнее воспользоваться ими.
Для
этого выписывают из атласа среднемесячные многолетние значения температур
зимних месяцев.
Для
нашего примера они равны:
ноябрь - (–1,0)°С
декабрь
- (–5,5)°С
январь
- (–8,0)°С
февраль
- (–8,2)°С
март -
(–5,0)°С
Итого -
(–29,7)°С.
Расчетная
сумма градусо-суток холода по формуле (2)
равна:
е)
Расчетную глубину промерзания находят по формуле
(1)
Приложение 3.
РАСЧЕТ ОЖИДАЕМОГО ЗИМНЕГО ВСПУЧИВАНИЯ ПРОЕЗЖЕЙ ЧАСТИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ
(метод, предложенный И.А. Золотарем)
1.
Расчет ожидаемого зимнего вспучивания проезжей части (lпуч) производится
на основании, следующей зависимости:
|
(1)
|
где
h - глубина промерзания
грунта земляного полотна, определяемая на основе теплотехнического расчета
дорожной конструкции (см. ниже п. 4);
γТ - объемный вес скелета талого грунта перед
промерзанием;
Δо - объемный вес воды;
Wсрзим - средняя зимняя
влажность грунта активной зоны, величина слоя На которой определяется в зависимости от
категории дороги по табл. 1:
Таблица 1
Категории
дороги
|
I
|
II
|
III
|
IV-V
|
Значение
Ha, см
|
50
|
75
|
90
|
100
|
Wп.в. - влажность, соответствующая полному
заполнению пор грунта водой;
Wн.з. - количество незамерзающей влаги в грунте.
Принимается для каждого вида, грунта по рис. 1 при температуре θ = 1/2θвмин (θвмин - среднемесячная температура
воздуха самого холодного зимнего месяца для самой суровой зимы, которая бывает
раз в 5 лет).
2. Среднюю зимнюю влажность находят по формуле:
|
(2)
|
где
Wh - влажность (по жидкой
фазе) грунта в зоне льдовыделения (при температуре –0,5÷1,0ºС), см
табл. 2.
Рис. 1.
Содержание незамерзающей воды в грунтах (по данным З.А. Нерсесовой, О.С. Конновой
и В.О. Орлова):
1 - юрская
глина; 2 - глина пылеватая ленточная; 3 - суглинок тяжелый покровный; 4 -
суглинок лёгкий пылеватый; 5 и 6 - тяжелая пылеватая супесь; 7 - пылеватый
песок; 8 - песок кварцевый
Таблица 2
Вид
грунта
|
Значения
влажности Wh
|
Песок
пылеватый
|
0,03÷0,04
|
Супесь
тяжелая пылеватая
|
0,09÷0,10
|
Суглинок
легкий пылеватый
|
0,12÷0,13
|
Суглинок
тяжелый пылеватый;
|
0,13÷0,14
|
Глина
пылеватая
|
0,19÷0,21
|
Wосср - средняя влажность грунта земляного
полотна упомянутого выше слоя Hа к
концу периода осеннего влагонакопления (см. ниже п. 3);
С - коэффициент определяемый по
графику рис. 2.
Для
определения коэффициента С необходимо
найти критерий:
в
который, кроме коэффициента влагопроводности K, входит еще характеристика
скорости углубления границы льдовыделения:
|
(3)
|
где h - глубина промерзания грунта
земляного полотна за время τз (см. ниже п.4).
Среднюю
осеннюю влажность грунта активной зоны определяют по формуле:
|
(4)
|
Wo - начальная влажность (до
периода осеннего увлажнения) принимается равной оптимальной по стандартному
уплотнению.
определяют по номограмме рис. 3 и 4 в зависимости
от отношения Ha/Hв и критерия:
|
(5)
|
где
Hв - расстояние от низа дорожной одежды
до уровня грунтовых вод, см;
K1 - коэффициент влагопроводности, см2/час (см. п.5
этого приложения);
τвл - продолжительность периода осеннего
увлажнения в часах (начало периода осеннего влагонакопления принимается с
установлением температуры воздуха ниже +10ºС
и конец - при переходе через 0°С).
Рис. 2. График для определения средней влажности
промерзшего грунта земляного полотна при глубоком залегании подземных вод
4.
Вычисление глубины промерзания дорожной конструкции производитcя в
следующем порядке.
а)
Определяют теплофизические характеристики слоев дорожной конструкции Q, Cм и λм.
Вычисление скрытой теплоты
льдообразования Q материала любого слоя производится на основании следующей
зависимости:
|
(6)
|
где
γск - объемный вес
материала покрытия; для материала остальных слоев - объемный вес скелета
материала перед, промерзанием, при требуемой плотности;
L - теплота льдообразования, 80 ккал/кг.
Значения
Wосср и Wн.з. для грунтов были даны выше. Для
материала покрытия Wосср и Wн.з. принимаются на основе данных
наблюдений.
Рис.
3. Номограмма для расчета средней осенней влажности грунта земляного полотна (Wосср)
с учетом толщины активной зоны (Hа)
при Fон≥0,25
Порядок расчета
1.
Вычисляется Ha/Hв
где Ha -
глубина
активной зоны;
Hв - расстояние от бровки земляного полотна до
горизонта воды.
2. Вычисляется критерий
где K - коэффициент
влагопроизводности, см2/час;
τ
- продолжительность периода увлажнения, час;
Hв - в см.
3.
По номограмме находится:
4. Вычисляется Wосср по формуле:
где Wo
- начальная влажность
(оптимальная );
Wпв -
влажность соответствующая полной
влагоемкости.
Объемную
теплоемкость мерзлого материала Cм вычисляют по следующей
зависимости:
|
(7)
|
Где Cск,Сл и Св - соответственно удельные
теплоемкости скелета, грунта, льда и воды.
Для
грунтов Сск = 0,17 ккал/кг°С; для щебня и гравия Сск
= 0,20 ккал/кг°С; для льда Сл = 0,5 ккал/кг°С и для
незамерзающей воды Cв
= 1,0
ккал/кг°С.
Рис. 4. Номограмма для расчета средней
осенней влажности грунта земляного полотна (Wосср) с учетом толщины активной зоны (Ha)
при Fон≤0,25
Коэффициент
теплопроводности мерзлых материалов λм может быть установлен как
экспериментально, так и по справочным
данным. Для грунтов различной влажности его можно ориентировочно принять по
графикам (рис. 5).
Рис.
5. Графики для определения коэффициентов теплопроводности мерзлых грунтов:
а - для грунтов с содержанием, частиц
не мельче 0,05 мм менее 50 %; б - для грунтов с содержанием частиц мельче 0,05
мм более 50 %
б)
Вычисляют вспомогательные величины Е и Н.
Для
всех слоев дорожной конструкции величины Е и Н вычисляются
на основе следующих зависимостей:
|
(8)
|
|
(9)
|
где τпр - продолжительность периода
промерзания в часах.
в) Для
определяемых характеристик E1 и H1, верхнего слоя (асфальтобетона),
имеющего толщину h1, по номограммам (рис. 6)
устанавливается время его промерзания τ1.
г) По
величине τ1 и характеристикам E2 и H2 второго слоя дорожной
конструкции определяется эквивалентная толщина первого слоя h1,2 в материале второго слоя (пакеляж).
д) По
характеристикам Е2 и H2 второго слоя устанавливается с
помощью номограмм рис. 6 суммарное время промерзания τ2 обоих слоев на глубину h2+h1,2. Этот процесс повторяется столько раз, сколько слоев имеется
в составе дорожной одежды, и заканчивается расчетом времени промерзания τ3 грунта на критическую глубину hкр учетом всех вышележащих слоев.
Рис. 6. Номограмма для расчета промерзания
и оттаивания
В случае, когда критическая глубина
промерзания больше полной глубины промерзания за зимний период, весь порядок
расчетов сохраняется таким же, как и в предыдущем случае, за исключением
последнего этапа расчетов. Если в предыдущем случае расчет заканчивается
определением времени промерзания τ2,
необходимого для достижения критической глубины промерзания, то здесь,
наоборот, необходимо с помощью тех же номограмм (рис. 6) найти глубину
промерзания за время, равное уже полной продолжительности периода, промерзания
(τпр).
Период
промерзания дорожной конструкции начинается при устойчивом переходе
среднесуточной температуры воздуха через 0°С осенью и заканчивается весной
переходом также через 0°С, причем используются метеоданные для наиболее суровой
зимы, встречающейся раз в 5 лет.
Значения
критической глубины промерзания по Н.А. Пузанову приводятся в табл. 3.
Таблица 3
Вид
грунта
|
Критическая
глубина промерзания, Ькр см
-
|
Пески
легкие и супеси.
|
80-90
|
Пылеватые
супеси и суглинки.
|
90-120
|
Суглинки
тяжелые
|
100-140
|
Глины
|
120-160
|
5. Коэффициент влагопроводности K1 определяют следующим образом.
Взятые в процессе изысканий пробы грунта высушивают и измельчают в фарфоровой ступке.
Далее приготавливают замес грунта при оптимальной влажности (W) и устанавливают его на сутки в эксикатор. На следующие
сутки в предварительно взвешенных стальных тонкостенных формах (толщина стенки 3-5 мм, внутренний диаметр 50-70 мм, высота форм 12-15 см) (рис. 7) на прессе или формующей
установке приготавливают три образца высотой 100-120 мм. Образцы уплотняются до
фиксированной отметки, обусловливающей достижение грунтом требуемой плотности.
Далее цилиндры тщательно взвешивают и устанавливают в поддон.
Над
верхней поверхностью образцов в процессе всего испытания поддерживается
небольшой слой воды и засекают время начала водонасыщения. Нижняя часть образца
закрывается двумя кружками
фильтровальной бумаги. Во избежание набухания на поверхность образца, дается
пригрузка из расчета 0,05-0,1 кг/см2
через решетку или круглую пластинку с отверстиями для доступа воды к
поверхности образца. Наиболее целесообразно такие испытания проводить на
специальном приборе конструкции Ленгипротранса.
Через 3-5 часов испытание прекращается.
Признаком
достаточного увлажнения является впитывание каждым образцом 10-15 г воды.
Образец, в форме взвешивают и по
разности весов до и после испытания устанавливают количество впитавшейся воды P.
Рис.
7. Прибор для испытания образцов грунта на водонасыщение при температуре,
близкой к 0°С:
а
- разрез прибора по I-I; б - вид в
плане; в - деталь днища формы;
1 - грунтовый цилиндр; 2 - стенка
формы; 3 - днища формы (вкладные); 4 - упор; 5 - металлический сосуд для воды;
6 - пластины зажима; 7 - стойки зажима; 8 - гайки с контргайками; 9 - вода; 10
- прорези с отверстиями в днищах для прохода воды.
Коэффициент
влагопроводности в см2/час находят из зависимости:
|
(10)
|
где
τ - время водонасыщения, час;
p - количество впитавшейся в образец воды, г;
d - внутренний диаметр формы, см;
γвл - исходный
объемный вес грунтового цилиндра при начальной влажности W, т/см3;
Wпв - влажность поверхностного слоя
грунта, %.
Значение
K1 вычисляется для каждого образца
и для дальнейших расчетов принимается среднее из трех испытаний.
Отличие
определения K1 для существующих дорог состоит
в том, что испытание, ведется на образцах ненарушенной структуры, взятых на
обследованных участках.
1.
Коноплянцев А.А., Ковалевский B.C.,
Силенов С.М. Естественный режим подземных вод и его закономерности. М., Госгеолтехиздат, 1963.
2.
Методические указания по проектированию морозозащитных и дренирующих слоев в
основании проезжей части автомобильных дорог. П., Оргтрансстрой, 1965.
3.
Справочник-определитель диалогического состава поверхностных отложений и
глубины залегания подземных вод, под редакцией Верейского Н.Г, и Востокова Е.А.
М., Сельхозгиз, 1963.
4. Длин
A.M.
Математическая статистика в технике. М. Изд-во "Советская наука",
1958.