Страница 8: Методические рекомендации по проектированию и устройству теплоизолирующих слоев на пучиноопасных участках автомобильных дорог (46155)

Наконец, среднегодовую температуру поверхности покрытия в расчетном году tп.ср и амплитуду колебания температуры Ап находят по формулам

                                                     (7)

                                                       (8)

Приложение 5

Определение весового содержания незамерзающей воды (заимствовано из СНиП II-Б.6-66, п. 2.7)

Значение влажности Wн за счет намерзающей воды, содержащейся в мерзлом грунте, определяют по формуле

Wн = KнWр,

где Wр - влажность грунта на границе раскатывания, доли единицы;

Кн - коэффициент, принимаемый по таблице в зависимости от вида грунта, числа пластичности Wn и температуры мерзлого грунта.

х) Вся вода в порах грунта находится в немерзлом состоянии.

Приложение 6

Номограммы для расчета теплоизолирующих слоев дорожной конструкции

Номограммы (рис. 1 - 7) составлены по результатам теоретического решения операционным методом нестационарной тепловой задачи о слоистом полупространстве. При постановке задачи приняты следующие предпосылки: в конструкции преобладает кондуктивный перенос тепла; влиянием миграции влаги в грунте земляного полотна на первом этапе инженерного расчета можно пренебречь; содержащаяся в грунте вода замерзает при определенной температуре; скрытой теплотой льдообразования в слоях дорожной одежды и ее влиянием на перенос тепла можно пренебречь. Степень влияния миграции влаги от уровня грунтовых вод на толщину теплоизолирующего слоя проверяют расчетом конструкции на морозоустойчивость (см. п. 4.13 настоящих «Методических рекомендаций»).

Номограммами связаны следующие комплексы характеристик:

, , ,  и .

Каждая из номограмм составлена для конкретного значения

При величинах , находящихся между указанными выше в скобках, искомые параметры находят интерполяцией.

Имеющимися номограммами охвачены практически все возможные дорожные конструкции с теплоизолирующими слоями.

Порядок расчета показан стрелками на номограмме рис. 1 при .

Номограмма для расчета теплоизолирующих слоев дорожной конструкции

Рис. 1.                    

Рис. 2.                          

Рис. 3.                

Рис. 4.               

Рис. 5.                

Рис. 6.                

Рис. 7.               

Приложение 7

Примеры проектирования

Пример 1. Запроектировать порожную одежду с асфальтобетонным покрытием и теплоизолирующим слоем из пенопласта.

Исходные данные. Участок дороги II категории находится в центральной части II дорожно-климатической зоны (Московская область).

Проектируемый участок проходит в нулевых рабочих отметках. Расстояние от поверхности покрытия до расчетного уровня грунтовых вод составляет 1 м (3-й тип местности по степени увлажнения). Грунт земляного полотна - пылеватая супесь. Расчетная приведенная интенсивность движения по дороге 1000 авт/сутки на одну полосу с учетом перспективы. Расчетная нагрузка - автомобиль группы А по ГОСТ 9314-59* (удельное давление на поверхности покрытия Р = 6 кгс/см2, диаметр круга, равновеликого следу колеса, Д = 33 см).

Для устройства основания и теплоизолирующего слоя имеются следующие материалы: битумоминеральная смесь, щебень известняковый 3-го класса прочности, пенопласт ПС-4.

Конструирование и расчет.

1. Исходя из требований эксплуатации с учетом особенностей вертикальной планировки, а также исходя из наличия техники и стоимости отдельных материалов, условий их транспортирования, намечают следующую конструкцию одежды, которая должна предотвратить промерзание и пучение грунта земляного полотна и обладать достаточной прочностью: покрытие - два слоя асфальтобетона, верхний слой основания - битумоминеральная смесь, нижний слой основания - щебень известняковый 3-го класса прочности, теплоизолирующий слой - пенопласт ПС-4.

2. Производят теплотехнический расчет конструкции. Принимают следующие расчетные значения теплофизических характеристик слоев дорожной конструкции:

а) для верхнего и нижнего слоев асфальтобетона коэффициент теплопроводности λ1,2 = 0,9 ккал/м∙ч∙град, удельная теплоемкость С1,2 = 0,4 ккал/кг∙град, объемная масса γ1,2 = 2350 кг/м3 (см. табл. 5 приложения 1);

б) для верхнего слоя основания из битумоминеральной смеси λ3 = 0,85 ккал/м∙ч∙град, С3 = 0,4 ккал/кг∙град, γ3 = 2300 кг/м3 (см. табл. 5 приложения 1);

в) для нижнего слоя основания из известнякового щебня λ4 =1,2 ккал/м∙ч∙град, С4 = 0,22 ккал/кг∙град, γ4 = 1600 кг/м3 (см. табл. 5 приложения 1);

г) для теплоизолирующего слоя из пенопласта ПС-4 λ5 = 0,045 ккал/м∙ч∙град, С5 = 0,35 ккал/кг∙град, γ5 = 60 кг/м3 (см. табл. 1 приложения 1);

д) для грунта земляного полотна - пылеватой супеси - λ6 = 1,55 ккал/м∙ч∙град, С6 = 0,32 ккал/кг∙град, γ6 = 2100 кг/м3, так как должна быть запроектирована конструкция, предотвращающая промерзание земляного полотна; характеристики приняты для талого грунта при расчетной влажности (см. табл. 6 приложения 1).

Многослойную конструкцию приводят к трехслойной модели, эквивалентной по теплофизическим свойствам (п. 4.10 настоящих «Методических рекомендаций»). Эквивалентный коэффициент теплопроводности однородного слоя толщиной h = h1 + h2 + h3 + h4, заменяющего слой, находящиеся над теплоизоляцией, рассчитывают по формуле (9), он равен 1,01 ккал/м∙ч∙град.

Эквивалентная объемная масса γ1,э и эквивалентная удельная теплоемкость С1,э, вычисленные по формулам (10) и (11), соответственно равны 1950 кг/м3 и 0,31 ккал/кг∙град.

Расчетные значения коэффициента теплоусвоения слоев трехслойной модели (см. рис. 7), определенные по формуле (1), оказались равными S1 ≈ 24,7, S2 ≈ 0,97 и S3 ≈ 32,3.

Устанавливают расчетные параметры годовой закономерности изменения температуры поверхности покрытия. Поскольку для района проектирования дороги нет достаточно надежных данных измерения температуры асфальтобетонного покрытия, расчетные параметры прогнозируют, руководствуясь рекомендациями приложения 4.

По таблице приложения 4 находят, что многолетняя от среднегодовых температур воздуха района Москвы tв.м. составляет 4,8 С, а среднеквадратическое отклонение от нее σt = 0,95 С устанавливают, что амплитуда годовых колебаний температуры воздуха по многолетним данным Ав.м = 13,85 С, а среднеквадратическое отклонение от нее σА = 1,3 С.

Среднегодовая температура воздуха в расчетном году с надежностью Q = 0,95 (капитальный тип покрытия), найденная по формуле (1) приложения 4, равна 3,3 С, а амплитуда колебаний температуры воздуха в расчетном году Ав, определенная по формуле (2), составляет 16 ??С.

Среднемесячная температура воздуха самого холодного месяца tв.min = tв.ср - Ав = 3,3 - 16 = - 12,7 С, а самого теплого месяца tв.max = tв.ср + Ав = 3,3 + 16,0 = 19,3 С.

Среднемесячные температуры поверхности асфальтобетонного покрытия конструкции с теплоизоляцией из пенопласта в самом холодном и самом теплом месяце определенные по формулам (5) - (6) приложения 4, оказались равными:  и .

Среднегодовая температура поверхности покрытия в расчетном году и амплитуда колебаний температур соответственно равна:  и .

Для того чтобы грунт земляного полотна не замерз, необходимо соблюдать следующее соотношение амплитуд колебаний температуры под теплоизоляцией и на поверхности покрытия:

Располагая этим отношением амплитуд и отношением коэффициентов теплоусвоения  и , а также значениями коэффициентов температуропроводности  и , находят по номограмме толщину теплоизолирующего слоя. По номограмме приложения 6 () при  и  и  получают, что , откуда

По номограмме приложения 6 () , откуда δ ≈ 0,064 м.

Интерполяцией определяют, что для  толщина теплоизолирующего слоя δ предотвращающего промерзание земляного полотна, в рассматриваемых условиях должна быть равна 6 см.

3. Оценивают прочность намеченной конструкции (рис. 1). Приняты следующие расчетные деформационные и прочностные характеристики грунта и материалов дорожной одежды:

Рис. 1. Схема конструкции к примеру 1:

1, 2 - верхний и нижний слои асфальтобетона; 3 - битумоминеральная смесь; 4 - щебень известняковый; 5 - пенопласт ПС-4; 6 - пылеватая супесь

а) модуль упругости верхнего слоя асфальтобетона при 10 °С 15000 кгс/см2, нижнего слоя - 10000 кгс/см2 (см. приложение 3 ВСН 46-72); сопротивление растяжению при изгибе нижнего слоя асфальтобетона при N = 1000 авт/сутки на полосу движения Ru = 12,0 кгс/см2;

б) модуль упругости битумоминерального материала 7000 кгс/см2 (см. табл. 3 приложения 3 ВСН 46-72);

в) модуль упругости щебеночного материала 4000 кгс/см2;

г) расчетная влажность грунта земляного полотна (пылеватой супеси) в соответствии с указаниями п. 5.3 настоящих «Методических рекомендаций» составляет 0,75 Wт; при этой влажности модуль упругости грунта Е = 280 кгс/см2; φ = 15° и С = 0,15 кгс/см2 (см. табл. 4 приложения 2 ВСН 46-72); деформационные и прочностные характеристики пенопласта из-за малого значения его модуля упругости (Е = 280 кгс/см2) и незначительной толщины слоя при расчете конструкции на прочность не учитывают.

Требуемый модуль упругости конструкции при перспективных размерах движения Етр = 2270 кгс/см2 (см. рис. 2 ВСН 46-72).

Результаты послойного расчета конструкции (см. рис. 1) на прочность по всем трем критериям, приведенным в ВСН 46-72, даны в табл. 1, свидетельствующей о том, что запроектированная конструкция отвечает требованиям ВСН 46-72 по всем трем критериям прочности. Руководствуясь указаниями раздела 3 и данными, полученными в результате теплотехнического расчета и оценки прочности, составляют поперечный профиль дорожной конструкции.

Таблица 1

О высокой эффективности применения в данном случае теплоизоляции из пенопласта можно судить по приводимому ниже сопоставлению.

Если допустить, что на проектируемом участке могут быть повышены рабочие отметки продольного профиля, и предусмотреть обычные меры по обеспечению морозоустойчивости конструкции, то, как показывает анализ по ВСН 46-72, это привело бы к следующим изменениям по сравнению с конструкцией рис. 1.

Во-первых, рабочая отметка поверхности покрытия должна быть увеличена на 85 см.

Во-вторых, общая толщина слоев из стабильных материалов должна составить 135 см, что на 80 см больше, чем в конструкции с пенопластом (при расчете учтено, что пенопласт является стабильным материалом и что верхние четыре слоя одинаковы в обеих конструкциях).

В-третьих, при конструкции без пенопласта необходимо заменить слой из местного грунта толщиной 50 см стабильным материалом.