14. В тех случаях, когда в районе изысканий в сходных природных условиях имеются станции или посты, на которых ведутся длительные наблюдения за глубиной залегания грунтовых вод, расчетный уровень может быть определен по формуле Вильда
(1)
где Hрасч. - расчетный уровень грунтовых вод на трассе;
Hзам - расстояние от поверхности земли до уровня грунтовых вод, замеренное в выработке на трассе;
Hскв.зам - то же, в тот же день в скважине, для которой имеется ряд наблюдений;
Hскв.расч - расчетный уровень грунтовых вод (перед промерзанием) по данным многолетних наблюдений.
Расчетную величину Hскв.расч. определяют статистически.
Когда станция располагает рядом наблюдений за уровнем грунтовых вод не менее чем за 10 лет, то - определяют по формуле
Hскв.расч. = Hскв.ср. - tσ, (2)
где Hскв.ср. - средний уровень грунтовых вод перед промерзанием за n лет наблюдений;
σ - среднее квадратическое отклонение (стандарт) этой величины;
t - нормированное отклонение расстояния до уровня грунтовых вод от среднего при заданной обеспеченности (вероятности).
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, табл. VI, стр. 424].
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 определенных 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 покрытиям - не более 6 см.
Такие дорожные конструкция 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 (I - II 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 до горизонта подземных вод или поверхности земли), сооружения насыпи из более стабильных грунтов, а также 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).
18. Для устройства морозозащитных слоев используются обычно местные зернистые 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 всем 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; Z1 - 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
(lпуч. + lм.з.) ≤ lпуч.д., (4)
где lпуч.д. - допускаемая величина зимнего вспучивания дорожной конструкции;
lпуч. - расчетное пучение грунта земляного полотна;
lм.з. - ожидаемое пучение материала морозозащитного слоя.
При устройстве морозозащитного слоя из материалов, удовлетворяющих требованиям п. 18, величина lм.з. в расчет не вводятся. 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. обусловливается свойствами и ценностью 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);
H - 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;
α0 - показатель, учитывающий особенности климатических условий, см2/сутки;
**), (6)
*) Формула (5) получена М.Б. Корсунским.
**) Формула (6) Н.А. Пузакова.
Vпр - средняя скорость промерзания, см/сутки;
Tз - расчетная продолжительность зимнего периода, сутки.
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 наступлений 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, см2/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 H, Z1, Z и α0.
Рис. 4. Схема к расчету величины пучения:
Z1 - общая толщина слоя стабильного материала; H - глубина залегания грунтовых вод; Z - глубина промерзания
Рис. 5. Номограмма для расчета конструкций 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
Толщину стабильного слоя Z1 определяют следующим образом: вычисляют величину , находят ее значение на вертикальной оси, проводит 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 H. 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 дорожной 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 улучшении 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 наметить 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.
