Страница 2: Методические рекомендации по проектированию и строительству автомобильных дорог на промороженных основаниях в заболоченных районах Западной Сибири (46194)

Промороженный слой торфяной залежи и намороженная торфяная плита обеспечивают прочность и устойчивость конструкции в целом, исключают возникновение недопустимых упругих деформаций земляного полотна при минимальной толщине слоя из минерального грунта.

Намороженная торфяная плита рассредотачивает нагрузки на слабый талый слой торфяной залежи, что снижает величину осадки. Кроме того, устройство в нижней части насыпи намороженной плиты из торфа позволяет сократить объем привозных минеральных грунтов и вывести минеральную часть насыпи из зоны постоянного подтопления болотными и поверхностными водами.

2.4. Земляное полотно дорог на промороженных основаниях следует проектировать с учетом типа болот применительно к поперечным профилям, приведенным на рис. 1.

Насыпи на болотах I типа проектируют применительно к поперечному профилю типа I, а на болотах II типа - применительно к поперечному профилю типа II. Если в верхней части торфяной залежи болот I и II типов имеются слои, не обладающие несущей способностью (жидкие образования, сапропель), насыпь проектируют применительно к поперечному профилю типа III, предусматривая удаление слабых слоев зимой и замену их торфом устойчивой консистенции.

На участках распространения вечномерзлых грунтов, представленных мерзлыми торфяниками, насыпи проектируют применительно к поперечному профилю типа IV.

2.5. Верхнюю (минеральную) часть земляного полотна отсыпают из непылеватых песчаных или глинистых грунтов. Нижнюю часть насыпи (намораживаемая плита) устраивают из торфа боковых резервов или из сосредоточенных карьеров, используя слабо- и среднеразложившийся торф устойчивой консистенции.

Целесообразно использовать торф, который в естественных условиях залегания отвечает следующим требованиям:

степень разложения не более 40 %;

пористость менее 90 %.

2.6. Ширину земляного полотна устанавливают в зависимости от категории дороги с расчетом обеспечения конструктивных размеров после полной осадки насыпи.

Крутизну откосов верхней (минеральной) части земляного полотна назначают равной 1:1,5 при отсыпке из глин или суглинков, а при отсыпке из мелких песков и супесей - в пределах от 1:1,5 до 1:2.

2.7. Резервы закладывают на болотах I типа с обеих сторон земляного полотна (см. рис. 1, тип I). Ширина и глубина резервов определяется потребностью в торфе для устройства нижней части насыпи (намораживаемой плиты) с учетом уплотнения торфа в насыпи.

Рис. 1. Поперечные профили дорог на промороженных основаниях:

а - состояние конструкции на конец холодного периода года; б - то же, на конец теплого периода; 1 - дорожная одежда; 2 - минеральная часть земляного полотна; 3 - намороженная торфяная плита; 4 - промороженный слой торфяной залежи; 5 - талый слой торфяной залежи; 6 - боковые теплоизолирующие призмы из торфа; 7 - боковой резерв (водоотводная канава); 8 - талая торфяная прослойка за счет оттаивания сверху; 9 - то же, за счет оттаивания снизу; 10 - минеральное дно болота; 11 - выдавливаемые торфяные отложения или вода; 12 - послойно намороженная плита из торфа устойчивой консистенции взамен жидких образований; 13 - поверхность вечномерзлых торфяников; 14 - верхняя граница мерзлых грунтов после постройки дороги

Крутизну откосов резервов устанавливают в зависимости от плотности торфяной залежи в пределах от 1:0,5 до 1:1.

2.8. Конструктивные размеры земляного полотна дорог на промороженных основаниях назначают с учетом климатических условий района строительства, типа болота и мощности торфяной залежи, уровня длительно стоящих поверхностных вод на болоте, физико-механических свойств торфа, вида и физико-механических свойств минеральных грунтов, конструкции дорожной одежды.

При конструировании дорог на промороженных основаниях определяют:

а) высоту верхней (минеральной) и нижней (торфяной) частей насыпи;

б) деформационную устойчивость конструкции и величину осадки;

в) упругие деформации дорожной конструкции;

г) требуемое время промерзания торфяной залежи на заданную глубину;

д) снегозаносимость дороги.

Методы расчета указанных параметров изложены в пп. 2.9 - 2.19.

Пример расчета конструкции дороги на промороженном основании приведен в приложении 2.

2.9. Высоту верхней (минеральной) части насыпи по оси дороги устанавливают по теплотехническому расчету с учетом обеспечения необходимого возвышения низа дорожной одежды над поверхностью талой прослойки торфа согласно СН 449-72 и расчета на прочность согласно п. 2.10.

Теплотехнический расчет рекомендуется выполнять в такой последовательности:

а) определяют для принятой конструкции дорожной одежды и вида грунта земляного полотна расчетные значения коэффициентов теплопроводности т и объемную теплоемкость ст материалов в талом состоянии согласно приложению 1;

б) устанавливают по табл. 1 расчетные значения климатических характеристик района строительства - продолжительность теплого периода года  и среднюю за этот период температуру поверхности покрытия tп;

в) вычисляют значения величин

                                                              (2)

где lт - коэффициент теплопроводности грунта земляного полотна в талом состоянии ккал/м  час  град;

a - коэффициент теплообмена,  ≈ 20 ккал/м2  час;

hп и п - соответственно толщина (м) и коэффициент теплопроводности (ккал/м × час  град.) конструктивных слоев дорожной одежды;

ст - объемная теплоемкость грунта земляного полотна в талом состоянии, ккал/м3  град.;

Т - температура льдообразования, принимаемая для песков от -0,4 до -0,6 С, для легких супесей от -0,2 до -0,6 °С, для легких пылеватых супесей от -0,3 до -0,5 °С, для тяжелых пылеватых супесей от -0,9 до -1,4 С, для пылеватых глин и тяжелых суглинков от -1,2 до -2 С;

Q0 - расход тепла на плавление льда в единице объема грунта, ккал/м3, который определяют по формуле

                                                  (3)

где gск и W - соответственно объемный вес скелета (кг/м3) влажность (%) грунта земляного полотна; величины ск и W принимают согласно приложению 1;

Wнз - среднее содержание незамерзшей воды в грунте, %; ориентировочно величину Wнз принимают равной: 0 - для песков, 7 % - для супесей, 10 % - для суглинков и 15 % - для глин;

г) зная  и Кг, определяют по графикам (рис. 2) величину протаивания h и вычисляют высоту минеральной части насыпи по оси дороги hгр;

hгр = h - mhд,                                                          (4)

где m - коэффициент эквивалентного приведения (по условиям оттаивания) величины hд к грунту земляного полотна; величину m принимают равной: 3,9 - для песков; 4,0 - для супесей; 4,1 - для суглинков легких; 4,2 - для суглинков тяжелых и глин;

hд - допустимая глубина оттаивания намороженной торфяной плиты сверху в период эксплуатации дороги, м; величину hд устанавливают с учетом категории дороги:

категория дороги...... III, III-п         IV, IV-п               V

величина hд, м.......... 0,25 - 0,30     0,35 - 0,40      0,45 - 0,50

Рис. 2. Графики для определения глубины протаивания земляного полотна

Большие значения hд принимают для песчаных грунтов, меньшие - для глинистых.

Величина hгр, установленная теплотехническим расчетом, должна удовлетворять требованиям СН 449-72 по возвышению низа дорожной одежды над поверхностью талой прослойки торфа и условиям прочности.

2.10. Условие, при котором прочность дорожной конструкции обеспечивается, выражается неравенством

Еэ  Етр,                                                              (5)

где Еэ и Етр - соответственно эквивалентный и требуемый модули упругости конструкции, кгс/см2.

Эквивалентный модуль упругости конструкции рассчитывают по формуле

                                                        (6)

где Еобщ - общий модуль упругости многослойной системы без учета мерзлого основания: дорожная одежда - грунт земляного полотна - талая прослойка торфяной плиты. Величина Еобщ определяется известными методами: для нежестких одежд - согласно ВСН 46-72, для жестких - используя «Практическую методику расчета жестких дорожных покрытий с учетом повторности воздействия нагрузок» (МАДИ, «Высшая школа», 1970);

А - коэффициент учета влияния мерзлого торфяного основания, определяемый по графику (рис. 3) в зависимости от отношения R/hоб, где R - радиус круга, равновеликого площади контакта сдвоенного колеса расчетного автомобиля, см; hоб - общая толщина многослойной системы: дорожная одежда + грунт земляного полотна + талая прослойка торфяной плиты.

Если условие (5) не удовлетворяется, следует увеличить высоту hгр (уменьшить допустимую глубину оттаивания торфяной плиты hд) или предусмотреть усиление дорожной одежды.

2.11. При проектировании дорог со сборными покрытиями (плиты ПАГ-ХIV на основании из гравийно-песчаной смеси толщиной 20 см) минимальную высоту минеральной части насыпи по оси дороги можно назначать ориентировочно по табл. 2.

2.12. Конструктивные параметры мерзлого торфяного основания (ширину и толщину промораживаемого слоя болота и намораживаемой торфяной плиты) определяют, исходя из условий:

Hн ³ S1 + S2 + hвт;                                                            (7)

Нд  Нпл + Нн - hд - hн,                                                        (8)

где Hн - толщина намораживаемой плиты из торфа, м;

S1 - осадка талого слоя торфяной залежи под действием веса дорожной конструкции и подвижной нагрузки, м; подвижную нагрузку рекомендуется учитывать в том случае когда высота минеральной части насыпи менее 1,0 м;

S2 - осадка намороженного слоя торфа при максимальном оттаивании его в период строительства;

hвт - требуемое возвышение намораживаемой торфяной плиты над поверхностью болота, принимаемое равным 0,3 - 0,4 м;

Hд - минимальная толщина мерзлого основания из условия обеспечения деформационной устойчивости дорожной конструкции, м;

Нпл - толщина промороженного слоя торфяной залежи, м;

hн - величина оттаивания мерзлого основания снизу, которую определяют согласно приложению 3; для большинства торфяных залежей Западной Сибири (за исключением проточных топей, топей выклинивания и т.п.) hн ≈ 0,1 м.

Рис. 3. График для определения коэффициента A

Таблица 2

Таблица 3

Величины Нпл, S1 и S2 определяют согласно пп. 2.13 - 2.17. Величину Hд принимают по табл. 3 в зависимости от типа дорожной одежды и механических свойств верхнего промораживаемого слоя торфяной залежи.

Толщину намораживаемой плиты из торфа для конструкции типа IV (см. рис. 1) принимают Нн  hв + hвт, где hв - уровень длительно стоящих (более 20 суток) поверхностных вод.

2.13. Для повышения общей устойчивости дорожной конструкции на болотах, снижения осадок и уменьшения объема работ по намораживанию торфяной плиты целесообразно верхний слой торфяной залежи промораживать на возможно большую глубину.

Минимальную толщину верхнего промораживаемого слоя торфяной залежи Нпл, обеспечивающую безопасное ведение строительных работ в зимний период, назначают с учетом механических свойств торфяной залежи по табл. 4.

Таблица 4