Изыскания и проектирование автомобильных дорог на многолетнемерзлых грунтах (стр. 3 )

В грунтах земляного полотна и основания, как правило, влажность по глубине неоднородна (в верхних слоях меньше, а в нижних больше) и в течение всего периода оттаивания имеет непостоянные значениями, рис. 5.5). Указанную закономерность для естественных условий зоны вечной мерзлоты отмечали проф. и мерзлотоведы, однако практических рекомендаций по ее учету при оценке прочности грунтов не было сделано.

Рис. 5.2 . График для определения коэффициента влияния мерзлого слоя А на величину модуля упругости (деформации) в зависимости от относительной глубины залегания мерзлого слоя Н ОТ/Д

Рис. 5.3 . Изменение влажности грунтов по мере оттаивания слоя насыпи в течение весенне-летнего периода: I - влажность грунта в весенний период (начало оттаивания); II - влажность грунта в начале летнего периода; III - влажность грунта в конце летнего периода; IV - горизонт мерзлоты

Характерные эпюры распределения влажности по глубине оттаявшего слоя в расчетный период (весна-лето) были установлены автором в процессе обследования автомобильных дорог в зоне вечной мерзлоты [ 14, 16, 22 ]. В начале оттаивания земляного полотна происходит увлажнение верхнего активного слоя грунта (весенний период), затем, по мере опускания границы оттаивания вниз, вслед за горизонтом мерзлоты опускается свободная влага под действием гравитационных сил.

В летний период за счет испарения с поверхности в инфильтрации просыхают верхние слои земляного полотна, а в ……… слоях на границе с мерзлым грунтом наблюдается максимальная влажность, нередко достигающая предела текучести. Такое распределение влажности обусловливает неравнопрочность грунтов на глубине, что следует учитывать в расчетах прочности дорожных конструкций. 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 напряжении 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 , 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  ; В и С - коэффициенты, зависящие от типа грунта, величины относительной деформации и других факторов (табл. 5.1);  - 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 ,: , , и др. [13] снижение прочности (модуля деформации и модуля упругости) грунтов земляного полотна (см. рис. 5.1,А) в районах сезонного промерзания происходит весной на незначительный срок  , начисляемый днями в IV иднями по II и III дорожно-климатических зонах.

По исследованиям [ 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) состояниягрунтов 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 Е д при относительной глубине оттаивания грунта Н/Д

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

Рис. 5.5 . Изменение модуля деформации оттаивающего супесчаного грунта (при λ = 0,01) на одном из опытных участков: 1 - для средних значений модуля деформаций; 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)

 ;   (6.2)

 ,   (6.3)

где  - общий модуль упругости дорожной конструкции, МП а;  - 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 ; σ р - наибольшее растягивающее напряжение при изгиба в материале рассматриваемого слоя одежды, МПа, R - предельно допустимое растягивающее напряжение при изгибе в материале конструктивного слоя с учетом усталостных явлений, МПа ; Т а - наибольшее активное напряжение сдвига в грунте или слабосвязном материале конструктивного слоя одежды, которое слагается из активных напряжений сдвига oт временной нагрузки τ а и веса вышележащих слоев τ а, МПа ; [Т а] - допустимое активное напряжение сдвига в грунте земляного полотна или в слое дорожной одежды, МПа.

Величины  , σ р, R , Т а, [Т а] определяют по рекомендациям и указаниям ВСН 46-83.

Требуемый модуль упругости дорожной конструкции определяют по формуле

  ( 6.4)

где E тр - 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; λ у - допустимый упругий прогиб дорожной конструкции, устанавливаемый в зависимости от материала покрытия и условий его работы в рассматриваемом районе; K - коэффициент, учитывающий длительность расчетного периода,

Автором установлены следующие средние значения коэффициента K для всех дорожно-климатических районов зоны вечной мерзлоты: для района I 1 - K = 1,3; I2 - K = 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 BCН 46-83.

На подъездных и внутренних дорогах промышленных предприятий нормативную нагрузку для дорог III-п и IV-п 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  - общий модуль упругости (деформации) оттаявшего грунтового массива, МПа; Е у(д) - 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, А' у(д) - комплексный коэффициент, учитывающий влияние мерзлого слоя в зависимости от глубины оттаивания (Н от или Н от/Д) и неоднородное увлажнение земляного полотна и сезоннооттаивающего слоя по глубине определяют по табл. 6.3.

Таблица 6.1

Примечание. Значения модулей упругости приведены по , а модулей деформации - по .

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 φ - грунтов естественного основания принимают по СНиПу.

Величины расчетных модулей упругости и деформации, сцепления и угла внутреннего трения установлены в работах [ 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 W осн Мпа;  - 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  и коэффициентов п устанавливают экспериментально. Выполненная статистическая обработка многочисленных экспериментальных данных позволила установить значения  и п 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 Еу - значение модуля упругости грунта, соответствующее определенной влажности W отн, Мпа;  - значение модуля упругости грунта, соответствующее влажности предела текучести грунта, M Па; W отн - относительная влажность грунта; m – коэффициент, зависящий от вида грунта.

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

Рис 6.2 . Зависимость модуля деформации грунтов земляного полотна от влажности: a - супеси; б - суглинки и глины; 1, 2, 3 - соответственно при λ 0 = 0,01; 0,02; 0,03

Таблица 6.2

Расчетные показатели грунтов земляного полотна

Примечания: 1. Значения модулей, влажности и: показателей сдвига даны для однородных по зерновому составу грунтов мощностью слоя не менее 0,8 м при требуемом уплотнении.

2. Расчетные показатели грунтов приведены при 55 %-ной обеспеченности.

3. Значения Е у и С даны в кгс/см 2, значения угла внутреннего трения - в градусах.

Таблица 6.3

Значения коэффициентов А' у, А' д

Таблица 6.4

Значения модуля деформации грунта

Формулы ( 6.4) и ( 6.7) справедливы в пределах значений относительной влажности грунта от 0,2 до 1,0 W тек (см. рис. 6.2, 6.3). Значения модулей упругости на пределе текучести грунта Е' у и коэффициента m устанавливают экспериментально. На основании статистической обработки многочисленных экспериментальных данных значения  и m для характерных грунтов зоны вечной мерзлоты приведены в табл. 6.5.

Рис. 6.3 . Зависимость модуля упругости грунта от его влажности: 1 - суглинки и глины; 2 - супеси

Таблица 6.5

Значения модуля упругости грунтов

7. ОСОБЕННОСТИ НАЗНАЧЕНИЯ ВЫСОТЫ НАСЫПИ И ШИРИНЫ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА НА ММП

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4