(8)
где [z] - допускаемая глубина промерзания земляного полотна от низа теплоизолирующего слоя, м;
ρ - удельная теплота перехода воды в лед, принимаемая 80000 ккал/т;
wт - суммарная влажность грунта при пределе текучести, доли единицы;
wN - весовое содержание незамерзшей воды, доли единицы, определяемое по приложению 5;
γм - объемная масса скелета мерзлого грунта, т/м3;
λм - коэффициент теплопроводности мерзлого грунта, ккал/м∙ч∙град, принимаемый по табл. 6 приложения 1.
4.7. Допускаемую глубину промерзания земляного полотна вычисляют по формуле
(7)
где Кпуч - коэффициент пучения грунта (3-й тип местности по условиям увлажнения), доли единицы;
[l] - допускаемое пучение, см (п. 4.13).
Коэффициент пучения грунта назначают, руководствуясь методикой, изложенной в приложении 9 ВСН 46-72.
При невозможности экспериментально определить коэффициент пучения расчетное значение его в первом приближении находят по формуле
(8)
где В - комплексная характеристика пучинистых свойств грунта (см. табл. 13 ВСН 46-72), см2/сутки;
a0 - климатический показатель (см. п. 4.24 и рис. 28 ВСН 46-72), см2/сутки.
Величину [l] назначают в соответствии с рекомендациями п. 4.21 ВСН 46-72.
Значения [l] могут быть приняты меньшими (и даже [l] → 0) по сравнению с указанными в ВСН 46-72, если достигаемая при этом ровность поверхности покрытия обеспечивает высокую экономическую эффективность работы транспортных средств. Поскольку снижение величины [l] приведет к удорожанию дорожной одежды, оптимальное значение [l] должно быть определено на основании технико-экономического сравнения вариантов.
4.8. Левую часть неравенства (2) определяют по номограммам, связывающим следующие комплексы характеристик (приложение 6):
и
где - амплитуда годового колебания температуры поверхности °Сх);
х) При отсутствии данных о температуре покрытия величины tn.max и tn.min определяют по методике, изложенной в приложении 4.
h - толщина слоя, находящегося над теплоизоляцией (общая толщина слоев над теплоизоляцией при многослойной конструкции), м;
δ - толщина теплоизолирующего слоя, м;
w - частота колебаний температуры, 1/ч;
а1, а2 - коэффициенты температуропроводности материала, находящегося над теплоизоляцией, к теплоизоляционного материала
si - коэффициент теплоусвоения материала i-го слоя (см. рис. 7), определяемый по формуле (1).
4.9. Для того чтобы с помощью номограмм приложения 6 рассчитать толщину теплоизолирующего слоя, предварительно вычисляют отношения и , затем на нижней оси номограммы, построенной для данного значения , находят точку, соответствующую величине . Из этой точки ведут вертикаль до пересечения с лучом , откуда проводят горизонтальную прямую до кривой с заданным значением . Из точки пересечения луча и кривой опускают перпендикуляр на верхнюю ось абсцисс, отсекающий на ней отрезок
Зная величины w и а2, нетрудно вычислить толщину теплоизолирующего слоя δ.
Пользуясь номограммами приложения 6, можно также определить любой другой комплекс характеристик. В частности, можно найти ожидаемую величину амплитуды колебаний температуры на нижней границе теплоизолирующего слоя А(h+δ) при известных значениях остальных комплексов характеристик, связанных между собой номограммами.
4.10. При расчете теплоизолирующего слоя многослойной дорожной конструкции ее приводят к трехслойной модели следующим образом:
а) слои, лежащие над теплоизолирующим слоем, заменяют одним слоем толщиной h, равной сумме толщин этих слоев и эквивалентным им по термическому сопротивлению.
Коэффициент теплопроводности такого эквивалентного слоя определяют по формуле
(9)
где n - число слоев над теплоизоляцией, приводимых к эквивалентному, i - номер слоя;
λi - коэффициент теплопроводности i-го слоя.
Объемную массу γэ и удельную теплоемкость Сэ эквивалентного слоя определяют соответственно по формулам:
(10)
(11)
б) слои, находящиеся под теплоизоляцией, объединяют с грунтом земляного полотна в одно эквивалентное полупространство.
4.11. При определении по номограммам приложения 6 амплитуды колебания температуры на нижней границе теплоизоляции, ввиду того, что коэффициенты теплоусвоения обычных дорожно-строительных слабосвязных материалов (песков, гравийных материалов и др.) и грунтов существенно не различаются, принимают для эквивалентного полупространства те же значения теплофизических характеристик, что и для грунта.
Температуру замерзания материала эквивалентного полупространства, а также значения Wт, Wн и γm принимают такими же, как и для материала, непосредственно подстилающего теплоизоляцию.
4.12. Допустимую глубину промерзания эквивалентного полупространства определяют по формуле
(12)
где ∑hср - общая толщина слоев из стабильных материалов, находящихся между нижней границей теплоизоляции и поверхностью земляного полотна.
4.13. Конструкцию с теплоизолирующим слоем следует проверить расчетом на морозоустойчивость с учетом указаний ВСН 46-72 применительно к участкам дорог, проходящим по местности 3-го типа по условиям увлажнения. Конструкция морозоустойчива, если удовлетворяется неравенство
lпуч [l], (13)
где [l] - допускаемая величина зимнего вспучивания покрытия, принимаемая по ВСН 46-72 с учетом п. 4.7;
lпуч - расчетное (ожидаемое) значение пучения грунта земляного полотна.
4.14. При определении величины lпуч по ВСН 46-72 необходимо учитывать следующие дополнения:
а) глубину промерзания от поверхности покрытия и общую приведенную толщину слоев из стабильных материалов, включая теплоизоляцию, следует принимать соответственно равными
z = ∑hiεi + δεn + [z] и zприв = ∑hiεi + δεn,
где εi и εn - эквиваленты (по теплотехническим свойствам) материалов слоев, находящихся над теплоизоляцией, а теплоизоляционного материала по отношению к уплотненному щебню, определяемые по формуле (под корнем - коэффициенты теплопроводности щебня λщ и соответствующих материалов или грунта λj);
б) климатический показатель необходимо определять по формуле
(14)
где τ - продолжительность промерзания земляного полотна, ч, определяемая по формуле
(15)
Величину tn.cр находят по графику pиc. 8, а значение [A(h+δ)] - по формуле (3).
4.15. При расчете теплоизолирующего слоя целесообразна такая последовательность:
определение параметров закономерности изменения температуры поверхности покрытия - среднегодовой температуры tn.ср и амплитуды Аn;
назначение допускаемой величины зимнего пучения покрытия [l] (п. 4.7);
определение допускаемой глубины промерзания грунта земляного полотна от низа теплоизолирующего слоя [z];
установление допускаемого значения произведения средневзвешенной отрицательной температуры поверхности земляного полотна (под теплоизоляцией) и продолжительности периода промерзания его [tτ];
определение допускаемого значения самой низкой отрицательной температуры поверхности земляного полотна за период промерзания [t1+tзам];
вычисление допускаемой амплитуды колебаний температуры поверхности земляного полотна (низа теплоизоляции)
[A (h + δ)] = tn.cp + [t1 + tзам];
приведение многослойной конструкции к трехслойной системе;
вычисление комплексов , , , , и определение по номограммам толщины теплоизолирующего слоя δ;
проверка морозоустойчивости конструкции с учетом толщин теплоизолирующего слоя и других слоев из укрепленных материалов, а также миграции влаги из нижних слоев грунта земляного полотна в верхние при промерзании.
5. Особенности расчета на прочность конструкций с теплоизолирующим слоем
5.1. Дорожную одежду с теплоизолирующим слоем рассчитывают на прочность по ВСН 46-73 с учетом пп. 5.2 - 5.6.
5.2. Расчетную влажность, от которой зависят расчетные значения деформационных и прочностных характеристик грунта, устанавливают после теплотехнического расчета конструкции, выполненного в соответствии с рекомендациями раздела 4.
5.3. Расчетная влажность непылеватых супесей при отсутствии промерзания может быть принята равной 0,70Wт, а всех других грунтов, в том числе пылеватых супесей, - 0,75Wт (Wт - влажность при границе текучести).
При конструкциях, обеспечивающих соответствующее ограничение глубины промерзания земляного полотна, расчетную влажность грунта земляного полотна прогнозируют методом, изложенным в пп. 34 - 42 «Методических рекомендаций» /3/. Пользуясь этим методом, следует учитывать данные, полученные в соответствии с указаниями раздела 4 о глубине промерзания и эквивалентной толщине слоев из укрепленных материалов, в том числе и теплоизолирующего слоя.
Прочностные и деформационные характеристики грунта при расчетной влажности назначают по табл. 4 приложения 2 ВСН 46-72.
5.4. Расчетные значения деформационных и прочностных характеристик жесткого пенопласта, легких бетонов и других конструкционно-изоляционных материалов принимают по таблицам приложения 1.
5.5. Материалы, находящиеся выше теплоизолирующего слоя, расположенного на глубине, указанной в п. 3.12, обычно сохраняют свои свойства такими же, как и в традиционных конструкциях (без теплоизоляции); и значения расчетных характеристик материалов принимают по ВСН 46-72.
5.6. При расчете конструкции на прочность по трем критериям по ВСН 46-72 учитывают также монолитность, механические свойства и толщину теплоизолирующего слоя, особенно если предусмотрено устройство его из конструкционно-теплоизоляционного материала (приложение 7).
6. Технико-экономические обоснования проектных решений
6.1. Для участков дорог, где необходимая морозоустойчивость может быть обеспечена различными способами (традиционным и введением в конструкцию теплоизолирующего слоя), проектное решение принимают на основании технико-экономического анализа вариантов дорожной одежды из обычно применяемых материалов и конструкций с теплоизоляцией. Там, где технически невозможно осуществить традиционные меры по морозозащите, предусматривают только варианты с теплоизоляцией. Конструкции с теплоизолирующим слоем выбирают на основании сравнения вариантов со слоями из различных имеющихся теплоизоляционных материалов.
В том и другом случае все сравниваемые варианты должны быть равноценны по морозоустойчивости, т.е. их проектируют так, чтобы они характеризовались одной и той же допускаемой величиной пучения [l].
6.2. Намеченные варианты сопоставляют между собой по сумме приведенных капитальных вложений, дорожных и транспортных эксплуатационных затрат (сумма капитальных вложений и эксплуатационных затрат с учетом факторов времени). Наилучшим вариантом признают вариант с минимальными за срок сравнения и приведенными затратами.
6.3. При составлении вариантов с традиционной морозозащитой следует руководствоваться указаниями ВСН 46-72 и «Методических рекомендаций» /3/.
По допустимой величине пучения с помощью номограмм рис. 24 ВСН 46-72 намечают конструкции, равноценные по условиям морозоустойчивости, но различные в отношении высоты насыпи, общей толщины слоев из стабильных материалов, вида грунта, применяемого для возведения земляного полотна.
С помощью номограммы рис. 5 (левая часть) и формул (4) и (5) «Методических рекомендаций» /3/ определяют для каждого варианта влажность грунта земляного полотна. В зависимости от значений влажности находят величины деформационных и прочностных характеристик грунта (ВСН 46-72): модуля упругости Е, угла внутреннего трения φ и сцепления С. С учетом этих характеристик грунта конструируют и рассчитывают на прочность дорожную одежду.
При составлении вариантов конструкций с теплоизолирующими слоями следует руководствоваться разделом 4.
По допустимым величинам пучения конструкции и коэффициента пучения грунта определяют допустимую глубину промерзания земляного полотна. Затем устанавливают допустимую амплитуду годового колебания температуры поверхности земляного полотна под теплоизоляцией [A(h+δ)]. По известному отношению с помощью номограмм приложения 6 намечают варианты конструкций с различными теплоизолирующими слоями. Морозоустойчивость этих вариантов проверяют в соответствии с указаниями ВСН 46-72 и п. 4.13. Затем с помощью номограмм приложения 6 и формул (4) и (5) «Методических рекомендаций» /3/ определяют влажность грунта земляного полотна, после чего по ВСН 46-72 находят прочностные и деформационные характеристики грунта при этой влажности и рассчитывают на прочность конструкцию каждого варианта.
6.4. Равноценные по морозоустойчивости варианты конструкций, как правило, неэквивалентны по условиям прочности, т.е. при одной и той же требуемой прочности они обладают различными значениями коэффициента запаса прочности. Вследствие этого они характеризуются разными межремонтными периодами и эксплуатационными качествами. Это, в свою очередь, обусловливает в вариантах различие в дорожных и транспортных эксплуатационных расходах, необходимых для осуществления заданного объема перевозок.
Если окажется, что конструкция какого-либо из вариантов обладает минимальным коэффициентом прочности, определенным трехкритерийным методом (ВСН 46-72), меньше 0,95, то необходимо эту конструкцию усилить и заново проверить ее теплотехническим расчетом, а также на прочность.
6.5. Сумму приведенных затрат по каждому варианту за срок сравнения в общем случае определяют по формуле
