Страница 5: Изыскания и проектирование автомобильных дорог на многолетнемерзлых грунтах. Учебное пособие (46562)

По фактическим данным натурных исследований [14, 16] автором было установлено (1966 г.), что при глубине оттаивания более величины Нот, равной 3 диаметрам штампа, влажность грунта по глубине распределяется по экспоненциальной зависимости. Следовательно, зная влажность верхнего и нижнего слоев, можно по зависимости Е = f(w) определить соответствующие значения модулей упругости или деформации любого слоя грунта. При этом целесообразно использовать метод вычисления осадок и напряжений отдельных слоев, основанный на решении задач по законам теории упругости. Многослойная система дорожной конструкции может рассматриваться как упругое неоднородное полупространство, состоящее из однородных слоев, связанных между собой условием непрерывности напряжений и перемещений. Каждый из слоев характеризуется определенной толщиной, модулем упругости и коэффициентом Пуассона. Величину эквивалентного модуля упругости на поверхности неоднородного по глубине земляного полотна можно получить, используя решение Б.И. Когана, разработанное для конструирования дорожных одежд. На основе этого решения разработана [16] номограмма (см. рис. 5.4). В общем виде график изменения модуля упругости грунта от глубины оттаивания с учетом мерзлого слоя и неоднородного увлажнения описывается уравнением

                                         (5.3)

где выражение в квадратных скобках названо обобщенным коэффициентом влияния мерзлого слоя грунта и неоднородного увлажнения его по глубине А’у; В и С - коэффициенты, зависящие от типа грунта, величины относительной деформации и других факторов (табл. 5.1); Еуо - модуль упругости однородного массива грунта при определенных значениях его влажности и плотности.

На рис. 5.5 приведен пример зависимости общего модуля деформации грунта (супеси) земляного полотна на одном из опытных участков, построенных на автомобильной дороге V категории в Бурятской АССР.

По исследованиям Н.А. Пузакова, В.Ф. Бабкова, С.А. Голованенко, И.А. Золотаря, В.М. Сиденко и др. [13] снижение прочности (модуля деформации и модуля упругости) грунтов земляного полотна (см. рис. 5.1, А) в районах сезонного промерзании происходит весной на незначительный срок , исчисляемый 5 - 15 днями в IV и 15 - 30 днями во II и III дорожно-климатических зонах.

По исследованиям В.А. Давыдова [14, 16] в зоне вечной мерзлоты прочность земляного полотна в течение весенне-летнего периода понижается до очень малых величин ,  (см. рис. 5.1, А), а продолжительность расчетного периода  увеличивается до 1,5 - 4,0 и более месяцев, то есть практически достигает 0,7 - 0,9 всего периода теплого времени года. Этот существенный фактор - длительность ослабленного (расчетного) состояния грунтов земляного полотна - необходимо учитывать в расчетах прочности дорожных одежд, что повысит надежность и долговечность всей дорожной конструкции (см. рис. 5.5).

Таблица 5.1

Значения параметров в и С и минимальных (критических) значений модуля деформации Еg при относительной глубине оттаивания грунта Н/Д

Рис. 5.4. Номограмма значений коэффициента ??2 учитывающего неравномерное увлажнение по глубине земляного полотна в зависимости от величины m = Ев/Ен и относительной глубины расположения слоя r/H

Рис. 5.5. Изменение модуля деформации оттаивающего супесчаного грунта (при λ = 0,01) на одном из опытных участков:

1 - для средних значений модуля деформации; 2 - для минимальных значений

6. ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА ДОРОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ПРОЧНОСТЬ

При расчете прочности конструкции дорожных одежд в зоне вечной мерзлоты следует учитывать основные факторы водно-теплового режима земляного полотна, руководствуясь в основном ВСН 46-83 и ВСН 84-75. При этом дорожная конструкция (земляное полотно в комплексе с дорожной одеждой) должна удовлетворять трем условиям:

                                                            (6.1)

σр  R;                                                                 (6.2)

Та ?? [Та],                                                               (6.3)

где  - общий модуль упругости дорожной конструкции, МПа,  - требуемый модуль упругости дорожной конструкции, определяемый по формуле (6.4) в зависимости от расчетной нагрузки, состава и интенсивности перспективного движения и длительности расчетного периода, МПа; σр - наибольшее растягивающее напряжение при изгибе в материале рассматриваемого слоя одежды, МПа; R - предельно допустимое растягивающее напряжение при изгибе в материале конструктивного слоя с учетом усталостных явлений, МПа, Та - наибольшее активное напряжение сдвига в грунте или слабосвязном материале конструктивного слоя одежды, которое слагается из активных напряжений сдвига от временной нагрузки τа и веса вышележащих слоев τа, MПа; [Та] - допустимое активное напряжение сдвига в грунте земляного полотна или в слое дорожной одежды, МПа.

Величины , σр, R, Та, [Та] определяют по рекомендациям и указаниям ВСН 46-83.

Требуемый модуль упругости дорожной конструкция определяют по формуле

                                                       (6.4)

где Етр - требуемый общий модуль упругости дорожной конструкции, определяемый по ВСН 46-72, то есть без учета длительности расчетного периода; Р - нагрузка от расчетного автомобиля на дорожное покрытие, МПа; λу - допустимый упругий прогиб дорожной конструкции, устанавливаемый в зависимости от материала покрытия и условий его работы в рассматриваемом районе; К - коэффициент, учитывающий длительность расчетного периода.

Автором установлены следующие средние значения коэффициента К для всех дорожно-климатических районов зоны вечной мерзлоты: для района I1 - К = 1,3; I2 - К = 1,2; I3 - K = 1,1. Разработана также номограмма (рис. 6.1), позволяющая дифференцированно определить коэффициент К для различных конкретных пунктов зоны вечной мерзлоты.

Нормативные нагрузки на дорогах общей сети (I - V категорий) и для городских дорог принимают по ВСН 46-83.

На подъездных и внутренних дорогах промышленных предприятий нормативную нагрузку для дорог III-й и IV-й категорий принимают на основе технико-экономических расчетов из условия пропуска принятых расчетных типов автомобилей и автопоездов.

Влияние мерзлого слоя на прочность при известной глубине оттаивания дорожной конструкции учитывают по формуле

                                                     (6.5)

где Еу3(g) - общий модуль упругости (деформации) оттаявшего грунтового массива, МПа; Еуо(g) - расчетное значение модуля упругости (деформации) грунта, определяемое по табл. 6.1 и 6.2 или при известной расчетной влажности по графикам (рис. 6.2, 6.3), МПа; Ау’(g) - комплексный коэффициент, учитывающий влияние мерзлого слоя в зависимости от глубины оттаивания (Нот или Нот/Д) и неоднородное увлажнение земляного полотна и сезоннооттаивающего слоя по глубине; определяют по табл. 6.3.

Таблица 6.1

Значения Еу и Ед

Примечание. Значения модулей упругости приведены по В.А. Давыдову, а модулей деформации по Н.А. Пузакову.

Расчетные прочностные и деформативные характеристики материалов принимают по ВСН 46-83, грунтов естественного основания - по табл. 6.1 и грунтов земляного полотна - по табл. 6.2.

Расчетные значения прочностных характеристик С и ?? грунтов естественного основания принимают по СНиПу.

Величины расчетных модулей упругости и деформации, сцепления и угла внутреннего трения установлены в работах В.А. Давыдова [14, 16, 22] на основе фактического материала, полученного при многолетних обследованиях дорог и обработанного методами математической статистики (см. табл. 6.2).

Зависимость модуля деформации грунтов от их влажности (см. рис. 6.2) может быть выражена уравнением

                                                      (6.6)

где  - модуль деформации грунта при определенных значениях относительной деформации (λ = 0,01; 0,02; 0,03 и т.д.) и относительной влажности Wотн, MПа; Еот - значение модуля деформации грунта, которое соответствует влажности предела текучести, МПа; n - безразмерный коэффициент, зависящий от типа грунта и его физико-механических свойств.

Значения модулей деформации грунтов на пределе текучести Еот и коэффициентов n устанавливают экспериментально. Выполненная статистическая обработка многочисленных экспериментальных данных позволила установить значения Еот и n для характерных грунтов зоны вечной мерзлоты (табл. 6.4).

Модуль упругости грунтов земляного полотна является более стабильной характеристикой. Он в меньшей мере зависит от относительной деформации грунта. Основное влияние на величину модуля упругости грунта оказывает его влажность.

Статистическая обработка фактических данных по определению модуля упругости Еу грунта позволила вывести аналогичную зависимость:

                                                              (6.7)

где Еy - значение модуля упругости грунта, соответствующее определенной влажности Wотн, МПа; Еут - значение модуля упругости грунта, соответствующее влажности предела текучести грунта, МПа; Wотн - относительная влажность грунта; m - коэффициент, зависящий от вида грунта.

Рис. 6.1. Номограмма значений коэффициента К, учитывающего относительную длительность расчетного периода Др.п, повторность и динамичность воздействия транспортных средств расчетной интенсивности движения Nр

Рис. 6.2. Зависимость модуля деформации грунтов земляного полотна от влажности:

а - супеси; б - суглинки и глины; 1, 2, 3 - соответственно при λ0 = 0,01; 0,02; 0,03

Таблица 6.2

Расчетные показатели грунтов земляного полотна