Совершенствование методов управления влажностью грунта земляного полотна в весенний период года с целью снижения риска разрушения дорожной одежды нежесткого типа Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 625.76

Н.Е. Кокодеева

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТЬЮ ГРУНТА ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА В ВЕСЕННИЙ ПЕРИОД ГОДА С ЦЕЛЬЮ СНИЖЕНИЯ

РИСКА РАЗРУШЕНИЯ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ НЕЖЕСТКОГО ТИПА

Предложена гипотеза о параллельном перемещении эпюры влажности грунта земляного полотна во время поднятия грунтовых вод с низкого уровня до высокого (для участков третьего типа местности по условиям увлажнения). Это позволит определить влажность грунта под основанием дорожной одежды в период стояния высокого уровня грунтовых вод. Предложены рекомендации по оптимальному назначению глубины заложения висячего дренажа при проектировании автомобильных дорог.

Влажность грунта земляного полотна, уровень грунтовой воды, третий тип местности по условию увлажнения, дренажные конструкции, срок службы дорожной одежды, риск разрушения дорожной одежды, глубина заложения дрены

N.E. Kokodeyeva

MANAGEMENT METHODS PERFECTION BY THE SOIL HUMIDITY OF ROAD BED IN SPRING WITH THE PURPOSE OF RISK DESTRUCTION

DECLINE

OF NON-RIGID TYPE TRAVELLING CLOTHES

The parallel transfer curves hypothesis of soil moisture during the subgrade elevation of groundwater from low to high (for the portions of the third terrain type under the moisture terms). This makes it possible to determine the moisture content of soil under the pavement base during the standing high groundwater level. Recommendations on the optimum depth of drainage overlying purpose in the roads design is suggested.

Humidity soil subgrade, level of ground water, the third type of terrain on the moisture conditions, drainage design, employment tenure of travelling clothes, risk of travelling clothes destruction, drain contour interval depth

В процессе эксплуатации автомобильной дороги происходит постоянное снижение прочности дорожных одежд. Наибольшее ослабление их несущей способности отмечается в неблагоприятный (весенний) период года, когда грунт земляного полотна переувлажняется. Основными источниками увлажнения являются поверхностные и грунтовые воды.

Насыщение грунта земляного полотна влагой является крайне опасным для его основных характеристик: модуля упругости, угла внутреннего трения, сцепления. Эти характеристики определяют способность земляного полотна сохранять заданные геометрические размеры и сопротивляться без существенных деформаций воздействию

195

природно-климатических факторов и нагрузок. Так, при увеличении влажности глинистого грунта только на 2% угол внутреннего трения уменьшается на 15^20%, сцепление - на 30^35%, а модуль упругости - на 20^25%. К тому же, кроме уменьшения средних значений прочностных характеристик, наблюдается увеличение неоднородности их значений.

В [4] представлены теоретические исследования, направленные на изучение изменения влажности под основанием дорожной одежды в период поднятия уровня грунтовых вод с низкого (НУГВ) до высокого (ВУГВ), а также в период стояния ВУГВ (рис. 1).

Известно, что в период стояния НУГВ (летний период года) происходят интенсивное нагревание одежды, просыхание земляного полотна и снижение влажности грунта под дорожной одеждой. У зеркала грунтовых вод устанавливается влажность, соответствующая полному заполнению пор грунта водой (ЖПВ). При этом влажность грунта под дорожной одеждой достигает значения WH(z=0,TH).

За время поднятия (ТПУ) уровня грунтовой воды с низкого до высокого (в период оттаивания грунта) влажность грунта у зеркала грунтовой воды остается такой же, как при стоянии НУГВ, т.е. Wпв, а влажность WH(z=0,TH) возрастает до величины Ж^=0,Тв=0). Поэтому имеет место следующее уравнение:

Ж1 ^=0, Тв=0) = Жн^=0, Тн) + т* Тпу , (1)

где ЖН^=0,ТН) - начальная влажность грунта под основанием дорожной одежды на момент залегания НУГВ, в долях единицы; т - коэффициент, характеризующий изменение влажности грунта под основанием дорожной одежды в период поднятия УГВ с низкого до высокого, 1/ч; ТПУ - продолжительность поднятия УГВ с низкого до высокого (Тпу «1080-1200 ч), ч.

Для расчета поля влажности в теле земляного полотна в период стояния ВУГВ (ТВ) было использовано уравнение проф. В.М. Сиденко [1, 2], характерное для 3 типа местности по условию увлажнения:

Ж (2,Т„ ) = Щ+ тТв + ^ (Жпв - Ж,

К

— 3 3

«=1 р а«

(

1-

ехр

БШ-

рт

К

(2)

где ТВ - продолжительность стояния ВУГВ (ТВ «120^168 ч), ч; Ж1 - влажность грунта в основании одежды в период ТВ = 0, в долях единицы; т - коэффициент, характеризующий изменение влажности грунта под дорожной одеждой (1-10-5^2,5-10-5), 1/ч; кв - расстояние от низа дорожной одежды до ВУГВ, м; а1 - коэффициент влагопроводности грунта, м2/ч; z - расстояние от низа дорожной одежды до точки, в которой определяется влажность грунта Ж^,ТВ) в период стояния ВУГВ, м; ЖПВ - влажность грунта у зеркала грунтовых вод, соответствующая полному заполнению пор грунта водой, в долях единицы:

*ПВ =^.

ПВ А-8

Ас

(3)

где А и 8 - плотность и объемная масса грунта, кг/м3; Лв - плотность воды, кг/м3.

ШН(г = 0, ТН) Ш1(г = 0,ТВ = 0)

Ш* = 0,Тв)

WПВ ВУГВ

Ат НУГВ

Ж

Рис. 1. Схема к расчету поля влажности Т) земляного полотна:

1 - при НУГВ; 2 - при ВУГВ; ----— параллельное перемещение эпюры влажности

н

За время стояния ВУГВ (ТВ «120-168 ч) влажность грунта возрастает от величины W1(z=0,TВ=0), достигая в какой-то момент значения Жпв за счет капиллярного поднятия воды. Затем в результате набухания грунта (вызванного просачиванием поверхностной воды на 3-м типе местности по условиям увлажнения) влажность увеличивается до значения Ж2(г=0,Тв), превышая ЖпВ. Следовательно, можно записать следующее уравнение:

W2(z=0,Tв) = Wl(z=0,Tв=0) + т Тв , (4)

где W1(z=0,TВ=0) - влажность грунта под основанием одежды в период ТВ = 0, в долях единицы; т, ТВ - см. формулу (2).

При определении коэффициента т* [см. формулу (1)] предполагалось, что в период поднятия уровня грунтовой воды с низкого до высокого происходит параллельное перемещение эпюры влажности (рис. 1). Поэтому

Wпв - ^ = Wпв - Wн

кв кн ’ К)

откуда

Ш1 = шпв -(Шт-Ши) ■Ив. (6)

ин

При совместном решении уравнений (1) и (6) находим:

И

Т

ПУ

Формула (7) позволяет при Ив = (0-1,5) м получить значения т для любого ВУГВ за период ТВ = 0.

На рис. 2-4 выполнен анализ уравнения (7), который показывает, что:

- для одного и того же типа грунта изменение положения НУГВ не влияет на значения коэффициентов т* (см. рис. 2);

- при увеличении начальной влажности грунта коэффициент т* уменьшается и при Wн = Wпв становится равным нулю (см. рис. 3);

- с увеличением продолжительности поднятия уровня (ТПУ) с низкого до высокого, значения коэффициента т* уменьшаются (см. рис. 4);

- значения коэффициента т* возрастают при наличии глинистых частиц в грунте.

Совместное применение формул (1)-(7) позволяет установить величину влажности:

при различных типах грунта под дорожной одеждой в период поднятия грунтовых вод с НУГВ до ВУГВ; в период стояния ВУГВ; при различных типах грунта в период стояния ВУГВ; в зависимости от высоты стояния ВУГВ (ИВ). В дальнейшем эти результаты могут использоваться при определении прочностных характеристик дорожных одежд (Еобщ, о), темпов разрушения дорожных одежд [3], темпов нарушения сплошности в монолитном слое при изгибе, вероятности переувлажнения грунта относительно оптимальной влажности под дорожной одеждой.

0,0035 т 0 003 • грунт - супесь ■ грунт - глина

/ 0,003

т н

е 0,002 ? 0 0015

о П ППП^ -

0,0005 0

0,2 0,4 0,6

Отношение ЬВ / ЬН

0,8

Рис. 2. Влияние НУГВ (ЛН) на изменение коэффициента т* для супеси и глины при ЬН=1,5 м, ЬН =2,0 м, ЬН =5,0 м

Основополагающим условием для повышения прочности и долговечности автомобильных дорог является ограничение увлажнения земляного полотна грунтовыми водами. С этой целью прибегают к устройству дренажных конструкций (дренирующий слой и водоотводящие устройства), предназначенных для перехвата или понижения уровня грунтовой воды. Наиболее важной эта задача является для участков автомобильных дорог на 3-м типе местности по условиям увлажнения.

-&

-&

га

о

^н=0,01

^н=0,04

^н=0,08

^н=0,12

•Wпв=Wн=0,153

Отношение ІіВ / ЫЧ

0

1

Рис. 3. Коэффициент т* при различной влажности грунта (супеси) АН и ЛН = 1,5 м

0,004 0,0035 7- 0,003 Н 0,0025 ^ 0,002 Ц. 0,0015

Ц 0,001

* 0,0005 0

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Отношение ЬВ / ЬН

Рис. 4. Коэффициент т* в зависимости от длительности подъема уровня (ТПУ)

при ЬН=1,5 м для глины

Ниже представлена методика установления такой глубины заложения висячего дренажа, при которой фактический риск разрушения дорожной одежды к концу срока службы достигнет величины допустимого риска.

Исходными данными предлагаемой методики являются результаты весеннего обследования конструкции в период стояния высокого уровня грунтовой воды (ВУГВ), а именно:

- тип дорожной одежды;

- среднее значение эквивалентного модуля упругости и его коэффициент вариации, приведенные к расчетной температуре (ЕЭТ, С^т );

- грунт земляного полотна и его фактические характеристики (модуль упругости и влажность под основанием дорожной одежды);

- расстояние от низа дорожной одежды до фактического уровня грунтовой воды (

К);

- требуемый модуль упругости;

- оставшийся срок службы дорожной одежды и риск ее разрушения (без устройства дренажа).

Методика расчета висячего дренажа заключается в следующем:

1. Назначают глубину заложения дрены (Н).

2. Определяют понижение ВУГВ (5) по середине дороги по методике, изложенной в [5], используя формулы:

5=Ч1 -Жк) • <8>

где Ь - расстояние между двумя дренами, м; К - радиус действия дренажа, м

К = Н • а, (9)

где а - тангенс угла наклона хорды, стягивающей кривую депрессии, зависящий от свойств грунта водоносного пласта (см. табл. 1).

3. Определяют влажность грунта под основанием дорожной одежды [Щг=0,7В)], используя уравнение к расчету поля влажности для 3-го типа местности по условию увлажнения, полученное проф. В.М. Сиденко [1,2]. При этом необходимо иметь в виду, что

Ив = ИФ + 5 , (10)

где ИФ - расстояние от низа дорожной одежды до фактического уровня грунтовой воды (до устройства дренажа), м; 5 - см. формулы (8) и (9).

■Тпу=1080 ч ■Тпу=1200 ч

Таблица 1

Значения тангенса угла наклона хорды (1д а)

Г рунты 1д а, %

Крупные и гравелистые грунты 1,5-3

Мелкие пески 3-10

Супеси 10-25

Суглинки 25-50

Глины 50-80

Тяжелые глины 9-100

Торфы 10-70

4. При полученном значении W(z=0,TB) вычисляют фактический срок службы дорожной одежды ^Ф) и темп ее разрушения (г) на каждый год эксплуатации автомобильной дороги по методике [3, 4, 6].

5. Сравнивают полученное значение tФ с величиной 1Р-1Э (где tР - расчетный или проектный срок службы дорожной одежды, лет; tЭ - прошедшие годы эксплуатации дорожной одежды, лет). Если соблюдается равенство ^ = tР-tЭ, то за необходимую глубину заложения дренажа принимаем назначенную в п.1. В противном случае повторяем расчет с п. 1 при другом значении Н.

Данная модель позволяет при проектировании и в период эксплуатации дорожной конструкции оценивать величину влажности грунта земляного полотна под низом дорожной одежды. Это даст возможность оптимизировать технические инженерные решения по водоотводу и срок службы дорожной одежды.

Данная методика подкреплена следующим примером.

Рассмотрен участок автомобильной дороги, проходящий во 112ДКЗ (тип местности по условия увлажнения II). По результатам весеннего обследования получены следующие данные:

- тип дорожной одежды - капитальный с усовершенствованным покрытием;

- среднее значение эквивалентного модуля упругости и его коэффициент вариации, приведенные к расчетной температуре: ЕЭТ = 246 МПа, С^т = 0,4;

- грунт земляного полотна - суглинок пылеватый с влажностью W = 0,89 ЖТ и модулем упругости грунта Егр = 24,2 МПа;

- уровень грунтовой воды расположен на глубине кВ = 0,1 м от низа дорожной одежды;

- интенсивность движения на полосу N = 813 авт/сут;

- интенсивность движения, приведенная к расчетной нагрузке на полосу Nрив = 542 авт/сут;

- требуемый модуль упругости Етр = 247 МПа;

- риск разрушения дорожной одежды (г) на момент обследования составляет 2,8 -10-2;

- оставшийся срок службы дорожной одежды (^ соответствует 2,5 годам.

Результаты расчета по предложенной выше методике расчета висячего дренажа

сведены в табл. 2 и представлены на рис. 5.

Таблица 2

Результаты расчета

Вариант Н, м 1д а, % 3, м ^, м Б, м hв, м т е е т е т е

1 1,1 40 44 35 0,4 0,5 4,7 20 6

2 1,6 к 64 и 0,8 0,9 9,5 и II

3 2,4 и 96 и 1,4 1,5 14 и II

1,2 • 10-4 3,4 • 10-

0,367

9,110

-4

2,5 • 10-3 6,7 10-

Риск разрушения дорожной одежды

1,8 10-2 4,9 • 10-2

0,135

4

Рис. 5. Влияние глубины заложения дрены на срок службы и риск разрушения дорожной одежды Цифры на кривых - годы эксплуатации конструкции

В данном примере было установлено, что из рассмотренных вариантов наиболее оптимальным является второй вариант с глубиной заложения дрены Н = 1,6 м. При этом в соответствии с допустимым риском разрушения дорожной одежды нежесткого типа Гдоп = 0,05 оставшийся срок службы такой дорожной одежды после устройства висячего дренажа составит tф ~ 10 лет.

Экономическая эффективность от рационального проектирования висячего дренажа заключается в том, что необходимая глубина заложения дрены (Н) должна быть увязана с фактическим сроком службы ^ф) дорожной одежды и с допустимым риском их разрушения (гдоп). Только в этом случае затраты на строительство висячего дренажа будут оптимальными. Схема определения параметра Н заключается в следующем:

1. На стадии проектирования автомобильной дороги вычисляется фактический срок службы дорожной одежды с учетом всех дорожных условий. Например, tф = 14 лет.

2. При использовании предложенной выше модели устанавливается параметр Н, соответствующий полученному tф.. Тогда Н = 2,4 м (см. рис. 5).

Если назначение глубины заложения дрены (Н) будет выполняться без учета фактического срока службы дорожной одежды, то запроектированный дренаж окажется нерациональным, т.е.:

- если Н* > Н, то потребуется больше материальных затрат на строительство дренажной системы. Значит, такой дренаж не будет полностью реализован, так как фактический срок службы равен 14 годам;

- если Н* < Н, то tф заметно сократится;

- при Н* = Н, получаем tф=tр-tэ и, следовательно, затраты на строительство дренажа будут оптимальными.

Таким образом, использование предложенных моделей позволит снизить денежные затраты на содержание дорожных одежд и приблизить срок их службы к расчетному.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сиденко В.М. Аналитический метод установления расчетной влажности полотна дорог на участках с близким залеганием грунтовых вод / В.М. Сиденко, М.Н. Гудзинский // Автомобильные дороги. Строительство и эксплуатация автомобильных дорог: сб. 1. Новосибирск, 1976. С. 87-94.

2. Водно-тепловой режим земляного полотна и дорожных одежд / под ред. И. А. Золотаря, Н.А. Пузакова, В.М. Сиденко. М.: Транспорт, 1971. 410 с.

3. Столяров В.В. Проектирование автомобильных дорог с учетом теории риска: в

2 ч. / В.В. Столяров. Саратов: СГТУ, 1994. Ч. 1. 184 с.; Ч. 2. 232 с.

4. Кокодеева Н.Е. К определению поля влажности грунта в рабочем слое земляного полотна при высоком уровне грунтовых вод / Н.Е. Кокодеева // Актуальные проблемы транспорта России: тр. Междунар. науч.-практ. конф. Вып. 3. Саратов: СГТУ, 1999. С. 121-126.

5. Бабков В.Ф. Проектирование автомобильных дорог: учебник для

вузов / В.Ф. Бабков, О.В. Андреев; 2-е изд., перераб. и доп. М.: Транспорт, 1987. Ч. 1. 368 с.

6. Кокодеева Н.Е. Анализ эксплуатационного состояния дорожных одежд нежесткого типа / Н. Е. Кокодеева // Проблемы транспортного строительства и транспорта: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Вып. 2. Саратов: СГТУ, 1997. С. 9-14.

Кокодеева Наталия Евсегнеевна - Kokodeyeva Nataliya Evsegneyevna -

кандидат технических наук, доцент Candidate of Technical Sciences,

кафедры «Строительство дорог Associate Professor of the Department

и организация движения» of «Road Construction

Саратовского государственного and Movement Organization»

технического университета of Saratov State Technical University

Статья поступила в редакцию 24.06.10, принята к опубликованию 23.11.10