CC BY
63
УДК 625.76
И.Г. Скрыльников
ОЦЕНКА РИСКА РАЗРУШЕНИЯ ДОРОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ В ЗОНЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ
На современном этапе развития северных районов Российской Федерации совокупность геополитических и экономических причин определяет необходимость дальнейшего совершенствования транспортной системы. Земляное полотно автомобильных дорог в зоне многолетнемерзлых грунтов подвержено деформациям, которые в значительной мере обусловлены оттаиванием грунтов оснований и их переувлажнением.
Теории риска, вечная мерзлота, насыпь, грунт, влажность, оттаивание, дорожное покрытие
I.G. Skrylnikov
RISK ASSESSMENT OF HIGHWAY STRUCTURE FAILURE IN PERMAFROST ZONE
On the modern development stage the need in further improvement of transport system in northern parts of the Russian Federation is determined by the whole scope of geopolitical and economic reasons. The earthwork of the permafrost highways under goes deformation mainly due to foundation soil thawing and excessive moistening.
Анализ состояния вопроса исследования подтвердил, что совершенствование методов проектирования автомобильных дорог на многолетнемерзлых грунтах является актуальной задачей.
В общем случае формулировка вероятности разрушения выше допустимого уровня может базироваться на понятиях теории риска и звучать следующим образом.
Риск или вероятность разрушения дорожной конструкции в результате промерзания и оттаивания деятельного слоя представляет собой отношение площади участков покрытия автомобильной дороги, подверженных разрушению, к общей площади участка покрытия, на котором условия, влияющие на параметры разрушения, могут быть приняты практически одинаковыми.
Значение риска в зависимости от фактических величин высот насыпи можно установить по зависимости
где Нкр - предельное значение высоты насыпи, при котором вероятность разрушения дорожной конструкции составляет 50 %, м; H - фактическая высота насыпи, м; &Нкр -среднеквадратическое отклонение параметра Hкр, м; (Ун - среднеквадратическое отклонение параметра Н, м; Ф(и) - функция Лапласа.
Risk, permafrost zone, road fill, soil, water content, frost retreat, road surface
(
Н - Н
r = 0,5 - Ф
кр
(1)
Значения параметров Н и Ун могут быть определены опытным путем (нивелированием поверхности земляного полотна и подошвы насыпи).
Анализ формулы (1) показывает, что в случае равенства параметров Н и Нкр риск составляет 50% (г=0,5). При Н>Нкр имеем г<0,5 и в пределе, когда Н>>Нкр, риск стремится к нулю. При Н<Нкр имеем г>0,5 и в пределе, когда Н<<Нкр, риск стремится к единице.
Параметры Нкр и УН можно установить по математическим моделям теории риска в
зависимости от требуемой высоты насыпи (Нтр) и значения коэффициента вариации (Су) высоты насыпи по формулам:
рт,р + [25(С,,)г - 1](Н';,р - 25е1т~) - Нтр 25(Су )2 -1
ТТ V тр /- \ у / -I \ тр Нтр / тр
при Су ф 0,2: Нкр =----------------------------------------2 л-----------------------------------------; (2)
Н2 95у2
^ ТТ Нтр - 2 Нтр
- при Су =0,2: Нкр = — , (3)
тр
где УН - среднее квадратическое отклонение требуемой высоты насыпи, м.
°Нтр = СУ ‘ Нтр . (4)
„ У Н
Су = ~Н~■ (5)
Параметр УНкр определим из выражения
УНкр = Су ■ Нкр . (6)
Величина Нтр определяется в зависимости от способа возведения земляного полотна
[3].
Первый способ. В данном случае насыпь должна оттаивать на полную высоту только к наступлению морозного периода. Осадка в процессе эксплуатации не допускается.
В этом случае
С ТТ Л ( ТТ \
+... + к
Нтр = Нсп + кп-1
1 - НсП
Нсп-1 J
1 - На.
Нс1 J
(7)
к - толщина слоев с отличающимися теплофизическими характеристиками, м.
Глубина сезонного оттаивания слоев дорожной одежды определяется по формуле
Нс = Ннс • Кш • КП . (8)
Глубина сезонного оттаивания слоев земляного полотна определяется по формуле
Нс = НН • К„ , (9)
где Нс - нормативная глубина сезонного оттаивания, определяемая по рис. 1-4; К„ -поправочный коэффициент на расчетную влажность, принимаемый по графикам на рис. 1, 2; Кп - коэффициент, учитывающий интенсивность оттаивания материалов дорожной одежды: принимают для песка - 1,0; песка крупного чистого - 1,05; песка с гравием - 1,13; гравия и гальки - 1,21; щебня и дресвы - 1,25; асфальтобетона - 1,3; цементобетона - 1,37.
Влажность слоев дорожной одежды и грунта насыпи при определении значения К№ в расчетах принимают близкой к оптимальной, %: цементобетонное покрытие - 2;
асфальтобетонное покрытие - 1; песчаное основание под покрытие - 6; щебеночное
основание под покрытие - 4; основание из гравийно-галечникового и щебенистого грунта -5; основание из мелкого и среднего песка - 8; основание из пылеватого песка - 10; для супеси - 12; для суглинка - 15; для глины - 20.
Второй способ. В данном случае допускается частичное оттаивание придорожной полосы. При назначении рабочих отметок учитывают уплотнение оттаявшего грунта, происходящее в процессе эксплуатации дороги.
Рис. 1. Изолинии глубин сезонного оттаивания песчаных грунтов
При осадке насыпи на глубину Б и поднятии верхнего уровня вечномерзлого грунта мощность деятельного слоя Ндс уменьшается до Ндс/.
Рис. 2. Изолинии глубин сезонного оттаивания глинистых грунтов
Рис. 3. Изолинии глубин сезонного оттаивания песчаных грунтов, подстилаемых
глинистыми грунтами
Рис. 4. Изолинии глубин сезонного оттаивания заторфованных грунтов
Оттаивание под насыпью необходимо ограничивать глубиной, при которой сезонное уплотнение и вспучивание основания при промерзании не превысят допустимого для дорожной одежды значения /доп (для капитальных асфальтобетонных покрытий - 4 см, облегченных асфальтобетонных покрытий - 6 см, цементобетонного монолитного покрытия
- 2 см, цементобетонного сборного, устраиваемого в одну стадию, - 10 см, для переходного типа покрытия - 10 см).
Таблица 1
Значения величин осадки в
Тип местности Относительная влажность грунта основания Wт Коэффициент консистенции Грунт основания Осадка грунтов основания, см
Сухие места <0,77 <0,5 Глина пылеватая Суглинок пылеватый Супесь легкая Песок пылеватый 10 6 5 4
Сырые места 0,77-1,0 0,5-1 Глина пылеватая Суглинок пылеватый Супесь пылеватая Песок пылеватый 20 15 10 6
Глина пылеватая
Суглинок 30
Мокрые >1,0 >1,0 пылеватый 20
места Супесь тяжелая 15
пылеватая 10
Песок пылеватый
Примечание. При зимней отсыпке насыпи на проектную высоту данные табл. 3. могут быть снижены на 20%.
Допустимая толщина слоя талого грунта под насыпью в летний период:
Нд/=/доп/е, (10)
где е - относительная осадка грунта основания после его оттаивания под нагрузкой (рис. 5, 6).
Рис. 6. Относительная осадка глинистых грунтов при оттаивании в зависимости от влажности и числа пластичности
Рис. 5. Относительная осадка песчаных грунтов при оттаивании: 1 - песок крупный;
2 - песок средний; 3 - песок мелкий и пылеватый
При наличии в основании насыпи глинистых грунтов с крупнообломочными включениями относительную осадку корректируют с помощью коэффициента по табл. 2.
Таблица 2
Коэффициенты для корректировки относительной осадки
Грунт Коэффициент, учитывающий содержание крупных фракций, %
20-35 35-50
Супесь:
легкая 1,0 0,5
тяжелая пылеватая 0,8 0,6
Суглинок:
легкий 0,8 0,6
тяжелый 0,8 0,55
Глина 0,8 0,55
Величина Ндс определяется по формуле (10).
Требуемую высоту насыпи при данном способе отсыпки насыпи, необходимо определять по формуле
нтр = н (і - ■&*-) - 5. (її)
еНдс
Третий способ. При этом способе предусматривается осушение дорожной полосы с удалением растительного покрова. Если к моменту возведения земляного полотна осушение не успеет полностью произойти, высоту насыпи назначают таким образом, чтобы осадка насыпи 5 при фильтрационной консолидации не превышала указанных выше значений предельной допустимой неровности покрытий, по формуле
Нтр = Нк-Гдоп(~Н^ + 1) + 5і, (12)
Нте
т
где Нт - глубина предварительного оттаивания грунтов основания до возведения земляного полотна (рис. 1-4), м; - осадка грунтов основания после предварительного оттаивания под
действием собственного веса, м.
51 = Л0ИТ +а„ ^Н1, (13)
где Ао - коэффициент оттаивания грунтов (принимается по табл. 3); ао - коэффициент
уплотнения грунтов основания (принимается по табл. 3), см2/кгс; уТ - плотность талого
грунта, кг/см3.
Таблица 3
Коэффициенты оттаивания грунтов и уплотнения грунтов основания
Г рунты Ао 2 ао, см2/кгс
Глина, суглинок тяжелый пылеватый Суглинок легкий, легкий пылеватый Суглинок с включением гравия Супесь пылеватая, легкая Песок пылеватый 0,05-0,08 0,03-0,05 0,01-0,03 0,02-0,04 0,01-0,02 0,07-0,12 0,06-0,09 0,03-0,05 0,04-0,06 0,02-0,03
Уровень надежности (Кн) безотказной работы дорожной конструкции связан с риском разрушения посредством соотношения [1]:
Кн =1 - Г . (14)
Допустимые значения Кн нормированы в ОДН 218.046-01[2]. При использовании этих значений можно определить допустимые величины риска.
В результате выполненных расчетов по предложенной методике можно сделать следующие выводы:
- снижение высот насыпей при постоянном значении Су приводит к увеличению риска разрушения дорожного покрытия;
- увеличение среднеквадратического отклонения высот насыпей приводит к увеличению риска разрушения дорожной конструкции;
- представленная математическая модель может быть использована в дорожноэксплуатационных организациях для установления необходимости проведения
реконструкционных и ремонтных работ, ограничения движения тяжелых автомобилей в весенний период; в проектных организациях при разработке инженерных решений по предупреждению разрушения дорожной конструкции.
ЛИТЕРАТУРА
1. Столяров, В.В. Проектирование автомобильных дорог с учетом теории риска: в 2 ч. Саратов: СГТУ, 1994. Ч. 1. 184 с; Ч. 2. 232 с.
2. ОДН 218.046-01. Проектирование дорожных одежд нежесткого типа. М.: Транспорт, 2001. 145 с.
3. ВСН 84-89. Изыскания, проектирование и строительство автомобильных дорог в районах распространения вечной мерзлоты. М.: Минтрансстрой СССР, 1990. 246 с.
Скрыльников Илья Геннадьевич - Skrylnikov Ilia Gennadievich -
аспирант, инженер Post-graduate student, engineer JSC
ОАО «ВНИПИгаздобыча», г. Саратов «VNIPIgazdobycha», Saratov
Статья поступила в редакцию 18.05.2011, принята к опубликованию 27.05.2011
