Страница 6: Предложения по оценке и учету источников увлажнения и регулированию водного режима земляного полотна автомобильных дорог (46560)

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 = 1/2θвmin (θвmin - среднемесячная температура воздуха самого холодного зимнего месяца для самой суровой зимы, которая бывает раз в 5 лет).

2. Среднюю зимнюю влажность находят по формуле

Wзимср. = Wh + (Wосср. - Wh)С,                                               (2)

где Wh - влажность (по жидкой фазе) грунта в зоне льдовыделения (при температуре - 0,5 ÷ 1,0 °С), 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 легкий пылеватый; 5 и 6 - тяжелая пылеватая супесь; 7 - пылеватый песок; 8 - песок кварцевый

Таблица 2

Wосср. - средняя влажность грунта земляного полотна упомянутого выше слоя Ha 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 K1, входит еще характеристика скорости углубления границы льдовыделения

                                                                             (3)

где h - глубина промерзания грунта земляного полотна за время τз (см. ниже п. 4).

3. Среднюю осеннюю влажность грунта активной зоны определяют по формуле

                                             (4)

где W0 - 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 +10 °С 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 производится в следующем порядке.

а) Определяют теплофизические характеристики слоев дорожной конструкции Q, Cм, λм. Вычисление скрытой теплоты льдообразования Q материала любого слоя производится на основании следующей зависимости:

Q = γск(Wосср. - Wн.з.)L,                                                         (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.

Объемную теплоемкость мерзлого материала Cм вычисляют по следующей зависимости:

См = γск[Сск + Сл(Wосср. - Wн.з.) + СвWн.з.]                             (7)

где Сск, Сл и Св - соответственно удельные теплоемкости скелета грунта, льда и воды.

Рис. 3. Номограмма для расчета средней осенней влажности грунта земляного полотна (Wосср.) с учетом толщины активной зоны (Hа) при Fон = 0,25

Порядок расчета

Вычисляется Hа/Hв,

где Hа - глубина активной зоны,

Hв - расстояние от бровки земляного полотна до горизонта воды.

2. Вычисляется критерий

где K1 - коэффициент влагопроводности, см2/час;

τ - продолжительность периода увлажнения, час;

Hв - в см.

3. По номограмме находится

.

4. Вычисляется Wосср. по формуле

где W0 - начальная влажность (оптимальная);

Wп.в. - влажность, соответствующая полной влагоемкости.

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 Св = 1,0 ккал/кг · °С.

Рис. 4. Номограмма для расчета средней осенней влажности грунта земляного полотна (Wосср.) с учетом толщины активной зоны (H0) 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 0,03 мм менее 50 %; б - для грунтов с содержанием частиц мельче 0,05 мм более 50 %

б. Вычисляют вспомогательные величины E и H.

Для всех слоев дорожной конструкции величины E и H 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 1 и характеристикам E2 и H2 второго слоя дорожной конструкции определяется эквивалентная толщина первого слоя h1,2 в материале второго слоя (пакеляж).

д. По характеристикам E2 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 с учетом всех вышележащих слоев.

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 τ3, 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).

Рис. 6. Номограмма для расчета промерзания и оттаивания

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. Пузакову приводятся в табл. 3.

Таблица 3

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 Р.

Рис. 7. Прибор для испытания образцов грунта на водонасыщение при температуре, близкой к 0 °С:

а - разрез прибора по 1-1; 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 - прорезь с отверстиями в днищах для прохода воды

Коэффициент влагопроводности в см2/час находят из зависимости:

                                                 (2)

где τ - время водонасыщения, час;

ρ - количество впитавшейся в образец воды, г;

d - внутренний диаметр формы, см;

γвл - исходный объемный вес грунтового цилиндра при начальной влажности W, г/см3;

Wп.в. - 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.

ЛИТЕРАТУРА

1. Коноплянцев А.А., Ковалевский В.С., Семенов 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. М., Оргтрансстрой, 1965.

3. Справочник-определитель литологического состава поверхностных отложений и глубины залегания подземных вод, под редакцией Верейского Н.Г. и Востокова Е.А. М., Сельхозгиз, 1963.

4. Длин А.М. Математическая статистика и техника. М., Изд-во «Советская наука», 1958.

Таблица 1

Таблица 2

Таблица 3

Таблица 4

СОДЕРЖАНИЕ