Дорожная одежда при грунтовых водах
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО РАСЧЕТУ ВОДНО-ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ОПТИМАЛЬНОЙ
КОНСТРУКЦИИ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ
УТВЕРЖДЕНЫ зам. директора Союздорнии по научной работе канд. техн. наук Б.С.Марышевым
ОДОБРЕНЫ Главным техническим управлением Минтрансстроя (письмо N 37-3-4п от 21.01.81)
Изложены методы расчета притока воды в грунт от атмосферных осадков и грунтовых вод, температурного поля земляного полотна в зимний период, влагонакопления, пучения и осадки грунта, которые позволяют учитывать влияние отдельных конструктивных элементов дороги на водно-тепловой режим, прогнозировать этот режим в выемках и насыпях, в том числе низких, и проектировать инженерные мероприятия по его регулированию в районах с сезонным промерзанием грунтов.
Предисловие
Снижение объема земляных работ — одна из основных задач при строительстве автомобильных дорог. Регулируя водно-тепловой режим земляного полотна, можно решить эту задачу, а также повысить долговечность дорожной одежды и улучшить транспортно-эксплуатационные качества покрытия в процессе эксплуатации автомобильной дороги.
Улучшение водно-теплового режима позволяет существенно уменьшить высоту насыпи по сравнению с традиционным решением, а также позволяет применять местные песчаные грунты для устройства морозозащитных слоев вместо привозных кондиционных песков.
Возможные объемы снижения земляных работ устанавливают на основе проектирования оптимальной конструкции земляного полотна, которая обеспечивает минимум приведенных затрат, включающих стоимость дорожной одежды и земляного полотна с мероприятиями по регулированию водно-теплового режима, расходы на содержание и ремонт этих элементов дороги, расходы на обеспечение снегонезаносимости дороги в местности, подверженной заносам, расходы на перевозку пассажиров и грузов.
Проектирование оптимальных конструкций земляного полотна в районах с сезонным промерзанием грунтов во II и III дорожно-климатических зонах следует проводить в соответствии с настоящими «Методическими рекомендациями по расчету водно-теплового режима для разработки оптимальной конструкции земляного полотна автомобильных дорог» и «Методическими рекомендациями по проектированию оптимальных конструкций земляного полотна автомобильных дорог на основе методов регулирования водно-теплового режима» (Союздорнии. М., 1983).
В настоящем издании рассмотрены методы расчета водно-теплового режима земляного полотна на основе разработанных в Союздорнии теорий впитывания атмосферных осадков и испарения воды из грунтов, теории пучинообразования, основанной на совокупном действии термодинамических сил и объемно-градиентных напряжений в зоне промерзания грунта и на механизме капиллярного подтока влаги к границе льдообразования. Это позволяет учитывать влияние отдельных конструктивных элементов дороги на водно-тепловой режим, прогнозировать этот режим в выемках и насыпях, в том числе низких, проектировать инженерные мероприятия по его регулированию.
Экспериментальные исследования, положенные в основу «Методических рекомендаций», проводились более 20 лет на Нежинской и Ржевской опытных станциях, на полигоне и кольцевом стенде Союздорнии, на многочисленных опытных участках и в лаборатории.
«Методические рекомендации» разработал канд. техн. наук В.И.Рувинский с участием канд. техн. наук М.Дуйшеналиева, инженеров В.И.Зубковой и С.В.Черняева (Союздорнии), канд. техн. наук С.М.Семенова (ВСЕГИНГЕО) и канд. техн. наук В.И.Куканова (МАДИ).
Все замечания и пожелания по работе просьба направлять по адресу: 143900, Московская обл., г.Балашиха-6, Союздорнии.
1. Общие положения
1.1. Настоящие «Методические рекомендации» следует применять при проектировании автомобильных дорог во II и III дорожно-климатических зонах при разработке оптимальных конструкций земляного полотна на основе регулирования водно-теплового режима в районах с сезонным промерзанием грунтов.
1.2. Конструкцию земляного полотна нужно разрабатывать на основе данных о рельефе местности, грунтово-гидрологических и климатических условиях, запроектированного типа дорожной одежды и планируемых мероприятий по регулированию водно-теплового режима. Нужно также учитывать условия застройки территории и обеспечения снегонезаносимости дороги, ценность сельскохозяйственных земель, темпы строительства, безопасность движения и вписывание дороги в ландшафт.
1.3. При высоте насыпи или глубине выемки, запроектированных по условиям рельефа местности и застройки территории, обеспечения снегонезаносимости дороги и ценности сельскохозяйственных земель, устанавливают тип увлажнения земляного полотна (табл.1) с учетом толщины дорожной одежды, полученной расчетом на прочность* при влажности грунта, равной полной капиллярной влагоемкости, и требуемой плотности (согласно СНиП II-Д.5-72).
* Расчет на прочность проводят в соответствии с «Инструкцией по проектированию дорожных одежд нежесткого типа» ВСН 46-72** (М.,1972).
** На территории Российской Федерации действуют ОДН 218.046-01 и МОДН 2-2001. Здесь и далее. — Примечание изготовителя базы данных.
Тип увлажнения земляного полотна
Основные источники увлажнения
Признаки данного типа увлажнения
Поверхностный сток на местности обеспечен, в выемке продольный уклон дороги не менее 20‰. Грунтовые воды или верховодка залегают на «безопасной» глубине от низа (каменной части*) дорожной одежды.
* Под каменной частью дорожной одежды понимают ее слои над морозозащитным слоем из песка.
Атмосферные осадки + поверхностные воды, застаивающиеся вблизи дороги в осенний и весенний периоды года
Поверхностный сток на местности не обеспечен, в выемке продольный уклон дороги менее 20‰. Отсутствуют специальные инженерные мероприятия по защите земляного полотна от увлажнения поверхностными водами. Положение расчетного горизонта грунтовых вод или верховодки то же, что и при первом типе увлажнения.
Атмосферные осадки + грунтовые воды или верховодка или атмосферные осадки + поверхностные воды при круглогодичном их стоянии у подошвы насыпи
Расчетный горизонт грунтовых вод или верховодки залегает выше «безопасной» глубины. Почвы с признаками заболачивания и болотные почвы. Отсутствуют специальные инженерные мероприятия по защите земляного полотна от увлажнения поверхностными и грунтовыми водами и верховодкой
1.4. «Безопасную» глубину (м) залегания поверхностных и грунтовых вод и верховодки от низа (каменной части) дорожной одежды ( , м) определяют по выражениям:
,
,
где — толщина морозозащитного слоя из песка;
— толщина активного слоя земляного полотна;
— высота капиллярного поднятия над расчетным горизонтом поверхностных и грунтовых вод и верховодки;
— глубина промерзания полотна;
,
где — диаметр круга, равновеликого отпечатку колеса расчетного автомобиля;
— толщина дорожной одежды вместе с морозозащитным слоем.
Глубину промерзания вычисляют по формуле (42) от низа (каменной части) дорожной одежды при трех значениях плотности грунта:
требуемой в момент постройки дороги,
соответствующей максимальному коэффициенту пучения (п.6.2, рис.16),
минимальном коэффициенте уплотнения, который можно ожидать после многократного промерзания-оттаивания, когда не происходит усадки грунта (п.6.3, рис.17). В расчет включают влажность грунта, равную полной капиллярной влагоемкости.
Высоту капиллярного поднятия над горизонтом грунтовых вод или верховодки (п.4.5, рис.6) устанавливают при указанных выше значениях плотности грунта. При круглогодичном стоянии поверхностных вод у подошвы насыпи капиллярное поднятие определяют за годы ожидаемого стояния этих вод.
В качестве расчетных горизонтов грунтовых вод следует принимать их наивысшие уровни весной и осенью в период между капитальными ремонтами дорожной одежды и среднемноголетнее положение в летний период (гл.3).
При наличии верховодки за расчетный уровень этих вод принимают горизонт оглеения.
1.5. Участок местности с необеспеченным поверхностным стоком, на котором выдерживается «безопасное расстояние» от уреза воды до бровки земляного полотна, по условиям увлажнения относят к первому типу.
При отсутствии в летний период среднемноголетнего года воды на поверхности в течение не менее чем 2/3 продолжительности этого периода «безопасное расстояние» принимается для супесей 5-10 м; для легких и легких пылеватых суглинков — 2-5, для тяжелых пылеватых суглинков и глин — не более 2. Меньшие значения следует принимать для грунтов с большим числом пластичности.
При залегании под основанием земляного полотна и на полосе обреза грунтов разных разновидностей в расчет нужно включать большие значения «безопасных расстояний».
1.6. В зависимости от типа увлажнения земляного полотна назначают мероприятия по регулированию водно-теплового режима. Выбор мероприятий и установление их влияния на водно-тепловой режим земляного полотна следует проводить согласно «Методическим рекомендациям по проектированию оптимальных конструкций земляного полотна автомобильных дорог на основе методов регулирования водно-теплового режима» (Союздорнии. М., 1983).
1.7. Для земляного полотна с рассматриваемым устройством для регулирования водно-теплового режима нужно определить расчетные значения плотности-влажности и пучения грунта при принятой конструкции дорожной одежды. Первоначально в расчет следует вводить плотность грунта в момент постройки дороги и при этой плотности определять эпюру влажности грунта перед промерзанием земляного полотна.
При первом типе увлажнения земляного полотна эпюру влажности устанавливают только от осадков, выпадающих на проезжую часть, обочины и разделительную полосу (пп.4.1-4.4), при втором типе эту эпюру суммируют с эпюрой влажности грунта от поверхностных вод, застаивающихся вблизи дороги осенью; при третьем типе суммируют эпюру влажности от осадков и грунтовых вод или верховодки (п.4.5), а на участках с необеспеченным стоком — от поверхностных вод.
Установив таким образом суммарную эпюру влажности, нужно рассчитать температурное поле (пп.5.1-5.4) и определить значения плотности, влажности и пучения грунта для конца зимы (пп.6.1-6.2). Затем следует вычислить плотность после осадки грунта весной (п.6.3), для чего предварительно определить относительную величину этой осадки (п.6.3). После этого нужно установить относительную усадку грунта летом (п.6.3). В расчет вводят влажность грунта под дорожной одеждой в летний период, равную оптимальной при первом и втором типах увлажнения земляного полотна; при третьем типе увлажнения влажность определяют по эпюре влажности (п.4.5). На следующем этапе необходимо вычислить значение коэффициента уплотнения после усадки грунта летом (п.6.3). При совпадении (или разнице не более 1%) этой величины со значением плотности грунта при постройке дороги расчет закончен. В противном случае расчет нужно повторить при плотности грунта перед промерзанием, равной величине, установленной по формуле (58). Набухание грунта осенью не учитывают, так как оно незначительно при влажности летом, равной или более оптимальной. При получении того же значения коэффициента уплотнения грунта в летний период, что и ранее, расчет закончен.
По данным этих расчетов получают искомые значения пучения, влажности и плотности грунта в расчетный период (п.6.2).
1.8. По расчетным значениям плотности и влажности грунтов необходимо установить их прочностные и деформационные характеристики: модуль упругости, угол внутреннего трения и сцепление (согласно «Инструкции» ВСН 46-72).
С учетом этих характеристик следует уточнить по прочности конструкцию дорожной одежды. Затем необходимо вновь установить расчетные значения плотности и влажности грунтов, морозного пучения, повторить расчет на прочность и определить морозоустойчивость дорожной одежды согласно упомянутым выше «Методическим рекомендациям по проектированию оптимальных конструкций земляного полотна автомобильных дорог на основе методов регулирования водно-теплового режима».
Данный вариант заканчивают составлять при толщине дорожной одежды, полученной расчетом на прочность, которая равна или меньше величины, рассчитанной по морозоустойчивости. Если это условие не удовлетворено, то следует изменить конструкцию дорожной одежды или выбрать другие мероприятия по регулированию водно-теплового режима земляного полотна и повторить расчет на прочность и морозоустойчивость.
2. Приток воды в грунт от атмосферных осадков
2.1. Приток воды в грунт от атмосферных осадков следует устанавливать для трех периодов. Первый начинается осенью с момента влагонакопления в земляном полотне и заканчивается зимой при устойчивом промерзании грунта, второй имеет место при оттаивании грунтов под проезжей частью и обочинами во время зимних оттепелей, третий начинается весной с момента оттаивания активного слоя земляного полотна и заканчивается при превышении испарения воды над величиной впитывания осадков.
Прогнозировать приток воды в грунт в первый и третий периоды увлажнения следует для расчетного года с наибольшей суммарной продолжительностью выпадения осадков с периодичностью повторения 1 раз за срок службы покрытия между капитальными ремонтами. Этот срок для капитальных типов покрытий можно принять равным 20 годам. Прогнозировать приток осадков в грунт во второй период увлажнения нужно для трех расчетных лет, включающих наиболее теплый и наиболее холодный годы с периодичностью повторения 1 раз в 20 лет и год со среднемноголетними температурами.
2.2. Для расчета притока воды в грунт необходимы следующие данные:
типы покрытия проезжей части и укрепления обочин, а также размеры конструктивных элементов дороги: ширина проезжей части и обочин, продольный уклон дороги, поперечный уклон проезжей части и обочин (проектные данные);
характеристика грунтов земляного полотна: коэффициент фильтрации, полная капиллярная влагоемкость, влажность на границе текучести и оптимальная влажность. При ориентировочных расчетах — коэффициент уплотнения грунта и оптимальная влажность;
метеорологические факторы в последний месяц осени*, а именно: количество осадков и число дождей, суммарная продолжительность выпадения осадков и дефицит влажности воздуха заданной обеспеченности, среднемесячные значения интенсивности дождя и скорости ветра;
* За конец осени и начало весны принята дата устойчивого перехода среднесуточной температуры воздуха через 0 °С.
метеорологические факторы в первый месяц весны* (такие же, как и в последний месяц осени);
* За конец осени и начало весны принята дата устойчивого перехода среднесуточной температуры воздуха через 0 °С.
метеорологические факторы в зимний период, а именно: суммарная продолжительность осадков, выпадающих в виде дождя и снега, за каждый месяц зимы по среднемноголетним данным, среднемесячные температуры воздуха зимой для трех лет: наиболее теплого и наиболее холодного года с периодичностью повторения 1 раз в 20 лет и год со среднемноголетними температурами.
При установлении характерных участков дороги для расчета притока воды в земляное полотно необходимо учитывать подразделение территории II и III дорожно-климатических зон СССР на районы по условиям увлажнения осадками (табл.2). В основу районирования положены среднемноголетние значения дефицита влажности воздуха и осадков, выпавших в первый весенний и последний осенний месяцы. По этому признаку территория II и III дорожно-климатических зон подразделена на 5 районов. При расчете притока воды в грунт можно использовать метеорологические данные, приведенные в табл.3 для указанных районов по условиям увлажнения осадками.
Номер района (дорожно-климатическая зона)
Географические границы района
Европейская часть II дорожно-климатической зоны западнее линии: Мерсрагс (ЛатССР) — Биржай — Укмерге — Лаздияй (ЛитССР)
Европейская часть II дорожно-климатической зоны до границы районов 1 (II) и 3 (II)
Европейская часть II дорожно-климатической зоны к югу от линии: Ковров (Владимирская обл.) — Чухлома (Костромская обл.) — Никольск (Вологодская обл.) — Опарино — Лойно (Кировская обл.) — Кудымкар (Коми-Пермяцкий нац. округ) — Оса (Пермская обл.)
Азиатская часть II дорожно-климатической зоны севернее линии: Североуральск (Свердловская обл.) — Урай-Болчары (Ханты-Мансийский автономный округ) — Кунтики — Новая Жизнь (Томская обл.)
Азиатская часть II дорожно-климатической зоны к югу от границы района 3 (II) до линии: Артемовский-Тугулым (Свердловская обл.)-Омутинский (Тюменская обл.)
Азиатская часть II дорожно-климатической зоны к югу от границы района 4 (II)
Европейская часть III дорожно-климатической зоны севернее линии: Окница (Молдавская ССР) — Лохвица (Полтавская обл.) — Обоянь (Курская обл.) — Задонск (Липецкая обл.) — Ковров (Владимирская обл.) — Оса (Пермская обл.) — Аскино (Башкирская АССР) — Куса (Челябинская обл.)
Европейская часть III дорожно-климатической зоны до границы районов 2 (III) и 4 (III)
Европейская часть III дорожно-климатической зоны к югу от линии: Новоспасское — Ульяновск (Ульяновская обл.) — Чистополь (Татарская АССР) — Сарапул (Удмуртская АССР) — Люртюли — Миндяк (Башкирская АССР)
Азиатская часть III дорожно-климатической зоны между линиями: Называевск — Марьяновка (Омская обл.) — Базой (Томская обл.) — Лебедево (Новосибирская обл.)
Азиатская часть III дорожно-климатической зоны к западу от границы района 4 (III) до линии Фершампенуаз — Аргаяш (Челябинская обл.)
Источник
