CC BY
33
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И СТРОИТЕЛЬСТВО ДОРОГ, МЕТРОПОЛИТЕНОВ, АЭРОДРОМОВ, МОСТОВ И ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЕЙ
УДК 624.131.22.001.5: 625.855.3.001.2 (571.1)
ЕФИМЕНКО ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ, докт. техн. наук, профессор, svefimenko_80@mail. ги
ЕФИМЕНКО СЕРГЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ, канд. техн. наук, доцент, svefimenko_80@maiL ги
БЕРДНИКОВ АЛЕКСАНДР ДМИТРИЕВИЧ, лаборант НИСа, аЬит2008@ттЫег. ги
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
НАЗНАЧЕНИЕ РАСЧЁТНОЙ ВЛАЖНОСТИ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД НА ТЕРРИТОРИИ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
Отражена методика назначения расчетной влажности глинистых грунтов земляного полотна для участков автомобильных дорог 2 и 3 типов местности по характеру и степени увлажнения, применяемая при проектировании дорожных одежд на территории Западной Сибири. Показана достоверность результатов аналитического определения влажности глинистых грунтов с фактически наблюдавшейся в течение нескольких лет влажностью грунтов на стационарных постах.
Ключевые слова: расчетная влажность; глинистые грунты; дорожная одежда.
EFIMENKO, VLADIMIR NIKOLAYEVICH, Dr. of tech. sc., prof., svefimenko_80@mail. ru
EFIMENKO, SERGEY VLADIMIROVICH, Cand. of tech. sc., assoc. prof, svefimenko_80@mail. ru
BERDNIKOV, ALEKSANDER DMITRIEVICH, Assistant, abura2008@rambler. ru
Tomsk State University of Architecture and Building,
2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russia
© В.Н. Ефименко, С.В. Ефименко, А.Д. Бердников, 2012
DIFINITION OF HUMIDITY CALCULATION OF CLAY SOILS OF ROAD BED FOR PAVEMENTS DESIGNING ON THE WEST SIBERIA TERRITORY
The methodical scheme of humidity calculation of clay soils of road bed for 2 and 3 types road sections of territory by degree of humidity is given in the article. This methodical scheme is used for pavements designing on the Western Siberia Territory. Reliability of results of analytical definition of humidity of clay soils with humidity actually observed during several years on stationary posts is shown.
Keywords: the calculated moisture content; clay soil; road pavements.
Сеть автомобильных дорог на территории Западной Сибири распространена неравномерно. Наибольшая её протяжённость наблюдается в районах с развитой промышленностью и сельским хозяйством. Поэтому натурные измерения влажности грунтов земляного полотна, а также характеристик прочности и деформируемости можно выполнить лишь в некоторых районах территории исследования. В этой связи назначение расчётной влажности глинистых грунтов земляного полотна автомобильных дорог осуществлено с применением методов теоретического моделирования [1].
Процессы миграции и влагонакопления в земляном полотне отражены в работах профессоров-дорожников И.А. Золотаря, Н.А. Пузакова, В.М. Си-денко, М.Б. Корсунского, В.И. Рувинского, А.И. Ярмолинского и др. Разработанные ими методы прогноза влажности и других свойств грунтов земляного полотна, как правило, предназначены для конкретных природно-климатических условий и не могут применяться повсеместно. Сопоставление результатов определения влажности глинистых грунтов земляного полотна на основе прогноза и по фактическим наблюдениям [2] позволило принять в исследованиях метод проф. И.А. Золотаря как базовый.
Сущность этого метода заключается в последовательном прогнозировании осенней и весенней влажности грунта земляного полотна с учётом: характера увлажнения земляного полотна; глубины расположения грунтовых вод осенью; возвышения верха земляного полотна Нв над уровнем грунтовых вод; коэффициента влагопроводности грунта земляного полотна; продолжительности периода осеннего влагонакопления твл, которую устанавливают с учётом метеорологических характеристик района; конструктивных особенностей дорожной одежды; характеристики скорости промерзания дорожной конструкции.
Математическая модель назначения расчётной влажности глинистых грунтов для 2-го, 3-го типов местности по увлажнению, разработанная проф. И. А. Золотарём, была уточнена нами в части определения скорости промерзания дорожной одежды и земляного полотна автомобильных дорог, характерной для природно-климатических условий Западной Сибири.
Схема обоснования расчётных значений влажности грунтов земляного полотна в условиях Западной Сибири пердполагает последовательное определение значений следующих характеристик водно-теплового режима [3]:
1. Выявление средней влажности грунта WpC и материалов слоев дорожной одежды W°c к концу периода осеннего влагонакопления, имеющего
длительность твл, с учетом глубины расположения грунтовых, поверхностных или надмерзлотных вод.
2. Расчёт средней влажности грунта к концу периода промерзания ЖР™4 с учетом климатических характеристик района.
Достоинством этой схемы являются:
- учет переменной температуры воздуха в процессе промерзания дорожной конструкции (0в = ат + Вт2);
- определение значения Ж°с с учетом глубины расположения горизонта грунтовых вод Нв.
В качестве её недостатков необходимо отметить следующее:
- миграция влаги в зону льдовыделения определяется для условий полубесконечного грунтового массива, что при близком залегании горизонта воды может обусловить заниженные значения ЖР™4 ;
- закон промерзания дорожной конструкции принимается в виде И = а^рс или И = ст, причем характеристики скорости промерзания (а, С0) вычисляются без учета миграции влаги, т. е. по предварительно прогнозируемой осенней влажности грунта земляного полотна Ж°с и всех слоев дорожной одежды Ж°с . Это приводит к некоторому завышению величин а и с0, а следовательно, занижению получаемого в итоге значения ЖР™4 .
Величину Ж°с для слоев дорожной одежды назначают исходя из опытных данных или с учётом результатов теоретического моделирования.
Определение средней влажности грунта в промерзшем земляном полотне ЖР™4 осуществляют в такой последовательности:
Вычисляют величину ЖР™4 из соотношения
где ЖИ - влажность (по жидкой фазе) грунта в зоне льдовыделения после первичного его промерзания при температуре 0,5-1,0 °С, выражаемая в долях единицы; Ж°с - средняя осенняя влажность грунта земляного полотна; С0 -коэффициент, определяемый по формуле (2).
Коэффициент С0 учитывает миграцию влаги при промерзании грунта и равен:
где а - характеристика скорости промерзания грунта, если последнее описы-
ЖриМ = Жи + (Жрс - ЖИ) Со,
(1)
2
(2)
вается зависимостью И = аурі.
о
Параметр
(4)
может быть назван критерием морозоустойчивости грунта земляного полотна. Если переписать соотношение (1) в критериальной форме, то получим
При большой скорости промерзания (а велико) и малых значениях коэффициента влагопроводности К имеем КК > 1,0 и с ^ 1,0. Тогда из (1) получаем:
То есть миграции влаги в зону льдовыделения практически нет. При малой скорости промерзания и больших значениях К получаем КК ^ 0 и с >> 1,0. При этом, как ясно из (5), Ж^Р1 > Ж^Р, что свидетельствует о значительной миграции влаги в зону льдовыделения, которая может обусловить пучение грунта земляного полотна.
Нз зависимости (5) следует, что для установления ЖР™4 предварительно должны быть определены характеристики скорости промерзания И, а, т.
Из имеющихся методов расчёта глубины промерзания можно условно выделить три группы:
- точные математические методы, разработанные В.Г. Ыеламедом и А.М. Рубенштейном [4];
- достаточно точные уравнения для практических целей, полученные с использованием закона теплопроводности Фурье (методы В. С. Лукьянова и Ы.Д. Головко [5], А.Я. Тулаева [6], М.А. Золотаря [7], ВЫ. Сиденко, Е.М. Шелопаева и др.);
- эмпирические методы расчёта, основанные на параболической зависимости между глубиной и продолжительностью промерзания (метод проф.
Н.А. Пузакова [8]), а также на косвенных показателях с учётом снегового покрова, среднемесячной и среднегодовой температур воздуха, климатического показателя увлажнённости и др.
На процесс промерзания дорожных конструкций оказывают влияние множество факторов, среди которых можно выделить: миграцию влаги к зоне льдовыделения; испарение (вымерзание) влаги; конструкцию дорожной одежды; характеристики применяемых дорожно-строительных материалов; размеры и форму земляного полотна (насыпь, выемка, крутизна откосов); различия в теплофизических свойствах материала слоёв дорожной одежды и обочин; отличия в скорости и глубине промерзания под дорожной одеждой и обочинами; изменения уровня воды (УНВ или УГВ) в процессе промерзания; радиационный баланс. Все это обусловливает исключительные трудности аналитического рассмотрения процессов промерзания дорожных конструкций и требует постановки и решения сложнейшей двухмерной задачи математической физики для многослойной системы [3].
(5)
ЖРИМ = Жи + (Ж£с - Жи)1 = Ж£с .
(6)
Такая задача в настоящее время не может быть решена вследствие неясности граничных условий (на поверхности и между слоями). Точное математическое решение соответствующей системы интегро-дифференциальных уравнений на сегодня еще невозможно. Отдельные попытки написания системы соответствующих уравнений с комплексом краевых условий характеризуются лишь частичным учетом вышеприведенных факторов и рядом допущений без оценки, как правило, влияния последних на возможный результат решения. Это положение обусловило широкое развитие приближенных методов расчета промерзания грунта. Большинство этих методов не принимает во внимание миграцию влаги в зону льдовыделения, что в свете прогнозирования сразу же позволяет отклонить их. Первая попытка дать приближенный метод расчета промерзания грунта с учетом миграции влаги в ходе процесса была дана проф. М.А. Золотарем [9, 10]. Однако при этом закон промерзания грунта принимался
в форме И = аурс или И = ст, и считались известными характеристики промерзания а и с. Тем самым игнорировался факт непосредственного влияния на величины а и с процесса миграции влаги в зону льдовыделения.
В дальнейшем этот недостаток был устранен, однако форма закона промерзания постулировалась также в виде И = а^рт (автомодельная задача) с определением характеристики а из трансцендентного уравнения, учитывающего и миграцию. Кроме того, представленное решение относилось к однородному грунтовому массиву, т. е. не учитывало наличия слоев дорожной одежды на земляном полотне, отражало постоянные краевые условия, массообменные и теплофизические характеристики талой и мерзлой зоны грунта земляного полотна, а также постоянную глубину расположения уровня грунтовых вод. В связи с этим более перспективными в плане решения практических задач следует признать приближенные методы, учитывающие основные факторы, влияющие на процесс промерзания дорожных конструкций.
При назначении расчетной глубины промерзания дорожных конструкций Ир необходимо исходить из условия наиболее неблагоприятной их работы в период между капитальными ремонтами дорожной одежды. При этом за расчетную следует принимать такую вероятностную величину глубины промерзания дорожной конструкции, при которой будут наблюдаться максимальные деформации дорожных одежд в весенний период и которая будет формироваться при данных климатических условиях района строительства в наиболее мягкую зиму.
Такой подход в определении глубины промерзания дорожной конструкции вызван следующим. Влагонакопление и пучение в грунтах зависят от режима промерзания. Ыедленному промерзанию соответствует большее количество мигрирующей влаги. При этом, при прочих равных условиях, одной и той же величине пучения грунтов может соответствовать различная влажность и плотность их верхних слоев, а соответственно, и различная прочность грунтов в расчетный весенний период. При высоких скоростях промерзания дорожных конструкций (более 1,6 см/сут) в начальный период зимы (октябрь - декабрь) и значительной глубине расположения нулевой изотермы величина пучения может превысить допустимые пределы за счет влажности слоев грунта, расположенных ниже активной зоны, что не сказывается отрицательно на прочности
грунтов несущего слоя земляного полотна и дорожных одежд в весенний период. Следовательно, высокая скорость и значительная глубина промерзания грунтов в суровые зимы не всегда являются причиной ухудшения эксплуатационного состояния дорожных одежд в отличие от медленного и неглубокого промерзания земляного полотна в мягкие зимы [11], что не учитывает действующий в России нормативный документ ОДН 218.046-01 [12].
Учитывая вышеизложенное, для автомобильных дорог в районах Западной Сибири была установлена корреляционная связь между глубиной промерзания дорожных конструкций и суммой температур воздуха за зиму [11].
Теснота связи между суммой градусосуток и глубиной промерзания дорожной конструкции найдена из теоретического корреляционного отношения [13] и составляет п* = 0,86 при средней квадратической ошибке коэффициента корреляции ол = 0,129 и надежности Р = 0,99. На основе этой связи получено следующее уравнение регрессии:
Ир = т • 18 0 ртпр + п, (7)
где 0 рт - расчетная (исходя из мягкой зимы) сумма отрицательных градусо-
суток за тпр; т, п - постоянные коэффициенты.
Коэффициенты т и п были установлены из условия наиболее полного соответствия расчетной глубины промерзания опытным данным. Для них были приняты следующие значения т = 200,9; п = -439,3.
Точность вычисления Ир в значительной степени зависит от правильности определения расчетной суммы отрицательных температур воздуха 0 рт за тпр, которая принимается с различной обеспеченностью из условия
мягкой зимы [10].
Расчеты промерзания выполняют с помощью формулы (7). Величину тпр определяют на основе метеорологических данных как продолжительность периода промерзания, принимаемая между датами наступления температуры воздуха 0 °С осенью и весной.
Накопление влаги в грунтах земляного полотна и их пучение связано со скоростью и продолжительностью промерзания [6]. Следует отметить, что в настоящее время в формулах, учитывающих миграцию влаги в промерзающих грунтах, продолжительность расчётного периода промерзания принимается различными авторами [9, 14] не с единых позиций.
Проф. Н.А. Пузаков, основываясь на наблюдениях в европейской части России, за период промерзания грунтов земляного полотна рекомендует принимать количество суток с момента наступления осенью среднесуточных температур воздуха ниже минус 5 °С до наступления весной периода с устойчивой температурой 0 °С [9, 12].
Профессор гражданского строительства Ыинессотского университета N. Ке^еп [14], предлагает время начала промерзания грунта под дорожной одеждой отсчитывать с момента установления температуры воздуха ниже минус 1,67 °С осенью. Однако предположение, что именно эта температура соответствует началу промерзания грунта земляного полотна, расположенного под дорожной одеждой, N. Ке^еп не обосновал.
Согласно положениям инструкции [12] за расчётную длительность зимы в районах Зауралья рекомендуется принимать количество суток с момента наступления осенью среднесуточных температур воздуха ниже минус 10 °С до наступления весной устойчивой температуры воздуха 0 °С. Это объясняется континентальностью климата и высокими скоростями промерзания дорожных конструкций. Предложение о прекращении промерзания с установлением весной устойчивой температуры воздуха 0 °С не вызывает возражений. Что же касается рекомендаций по определению даты начала периода зимнего перераспределения влаги, то она представляется приближенной, необоснованно занижающей период промерзания на 10-15 %. Кроме того, ориентирование лишь на температуру воздуха, и в частности на минус 10 °С, не позволяет учесть природу грунтов, их состояние и те условия, при которых происходит замерзание.
Считаем, что определение начала периода промерзания дорожной конструкции можно выполнить по следующей схеме [11]:
1. Составляют статистический ряд из ежегодных осенних максимумов влажности земляного полотна, установленных на нескольких расположенных в одинаковых грунтово-гидрологических условиях постах наблюдения.
2. Ыетодами математической статистики определяют принадлежность выборки к тому или иному закону распределения и вычисляют значение расчетной осенней влажности грунта земляного полотна. Повторяемость при расчетах может приниматься в зависимости от типа покрытия.
3. Устанавливают температуру льдообразования в грунте земляного полотна.
4. По климатологическому справочнику принимают метеорологические показатели: скорость ветра на высоте 10 м, м/с (V); температура грунта на глубине Н, м (^г); толщина снегового покрова в поле с коэффициентом теплопроводности Х3 (Исн).
5. На основе справочных данных или результатов экспериментов устанавливают коэффициенты теплопроводности материалов слоев дорожной одежды ^; ^; ^3-
6. Применительно к наиболее распространенным в районе исследования конструкциям дорожных одежд вычисляют тепловые характеристики: сопротивление теплопереходу дорожного покрытия, град м2ч/ккал (ЯП); тепловое сопротивление основания, град м2ч/ккал (Я0); тепловое сопротивление грунта земляного полотна, град м2ч/ккал (Я).
7. Определяют температуру воздуха, по которой на основе климатологических справочников устанавливают начало и период промерзания дорожной конструкции.
Применив выражение (7), можно установить упоминавшуюся ранее характеристику скорости промерзания дорожной конструкции а:
а затем, воспользовавшись уравнением (1), устанавливают ЖВЕС.
Для определения расчетной влажности грунта в условиях глубокого залегания грунтовых вод применена зависимость, предложенная в работе [11],
а =
(8)
позволяющая учитывать температурно-влажностный режим отдельных дорожных районов.
При оценке соответствия результатов аналитического решения данным экспериментов результаты наблюдений за влажностью грунтов на стационарных постах автомобильных дорог были обработаны методами математической статистики. Проверка гипотезы об однородности значений влажности образцов грунта, полученных по результатам полевых испытаний, осуществлена с привлечением критерия Кохрана:
V2
О = —------------ (9)
V2 + £22 +... + V2 и
Сопоставление результатов прогнозирования и опытных данных оценено коэффициентом линейной корреляции (г), который является теоретически обоснованной мерой тесноты связи между двумя статистически связанными признаками. Коэффициент линейной корреляции определён по формуле
г = ХУ^У. (10)
с • с
х у
Установлено, что значения линейного коэффициента корреляции для осенней относительной влажности (Ж°с) составило г = 0,86, а для весенней относительной влажности (ЖВЕС) - г = 0,89, что свидетельствует о достаточно высокой сходимости результатов наблюдений за влажностью и о возможности прогнозирования её аналитическими методами.
Таким образом, уточнена математическая модель формирования влаго-накопления в рабочем слое земляного полотна применительно к участкам 2-го, 3-го типов местности по характеру и степени увлажнения в части учёта ранее установленной особенности водно-теплового режима автомобильных дорог Западно-Сибирского региона, суть которой состоит в том, что количество мигрирующей влаги в промерзающие слои грунта с уменьшением скорости продвижения зоны льдовыделения до 1,6 см/сут и менее. Сопоставление результатов аналитического определения влажности глинистых грунтов рабочего слоя земляного полотна для участков автомобильных дорог 2-го и 3-го типов местности по характеру и степени увлажнения с фактически наблюдавшейся в течение нескольких лет влажностью грунтов на стационарных постах позволило установить, что фактические и теоретические значения хорошо коррелируют. Значения линейного коэффициента корреляции для осенней относительной влажности составляют го = 0,86, для весенней гв = 0,89, что подтверждает возможность применения рассмотренных моделей влаго-накопления в земляном полотне при уточнении расчётных значений характеристик грунтов для проектирования дорожных одежд автомобильных дорог районов Западной Сибири.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПМСОК
1. Ефименко, С.В. Обоснование значений характеристик глинистых грунтов для проектирования нежёстких дорожных одежд автомобильных дорог Западной Сибири / С.В. Ефименко // Транспорт: наука, техника и управление. - 2006. - № 7. - С. 28-30.
2. Полищук, А.И. Расчётные значения характеристик глинистых грунтов для проектирования автомобильных дорог / А.И. Полищук, С.В. Ефименко // Известия высших учебных заведений. Строительство. - 2005. - № 8. - С. 66-71.
3. Земляное полотно автомобильных дорог в северных условиях / под ред. А.А. Малышева. - М. : Транспорт, 1974. - 288 с.
4. Меламед, В.Г. Исследование динамики температурного и влажностного полей и величины пучения при сезонном промерзании во влагонасыщенных тонкодисперсных грунтах /
B.Г. Меламед, А.В. Медведев // Вестник Московского университета. Геология. - М., 1972. - № 2. - С. 89-96.
5. Лукьянов, В.С. Расчёт глубины промерзания грунтов / В.С. Лукьянов, М.Д.Головко // Труды ЦНИС. - М. : Трансжелдориздат, 1957. - Вып. 23. - 164 с.
6. Регулирование водно-теплового режима земляного полотна в городских условиях / под общ. ред. А.Я. Тулаева. - М. : Высшая школа, 1972. - 121 с.
7. Золотарь, И.А. Основы расчёта водно-тепловых процессов в земляном полотне автомобильных дорог в районах распространения многолетнемёрзлых горных пород / И.А. Золотарь // Материалы VIII Всесоюзного междуведомственного совещания по геокриологии (мерзлотоведению). - Якутск : Якутское книж. изд-во, 1966. - Вып. 8. - С. 95-107.
8. Пузаков, Н.А. Водно-тепловой режим земляного полотна автомобильных дорог / Н.А. Пузаков. - М. : Автотрансиздат, 1960. - 168 с.
9. Водно-тепловой режим земляного полотна и дорожных одежд / под ред. И.А. Золотаря, Н.А. Пузакова, В.М. Сиденко. - М. : Транспорт, 1971. - 416 с.
10. Золотарь, И.А. Расчет испарения с поверхности грунтовых оснований в связи с прогнозом их влажностного состояния / И.А. Золотарь // Экспериментальные исследования процессов теплообмена в мерзлых горных породах. - Новосибирск : Наука, 1972. -
C. 119-137.
11. Ефименко, В.Н. Водно-тепловой режим земляного полотна автомобильных дорог при глубоком промерзании грунтов (На примере Юго-Востока Западной Сибири) : дис. ... канд. техн. наук. - М., 1978. - 216 с.
12. ОДН 218.046-01. Проектирование нежёстких дорожных одежд / Гос. служба дор. хоз-ва м-ва транспорта Российской Федерации. - М., 2001. - 148 с.
13. Гмурман, В. Е. Теория вероятностей и математическая статистика / В. Е. Гмурман. - М. : Высш. шк., 2001. - 479 с.
14. Kersten, N. Frost penetration: Relationship to air temperatures and other factors / N. Kersten // Highway research board (HRB Bulletin). - Washington, 1959. - № 225. - Р. 45-80.
