МИНИСТЕРСТВО СТРОИТЕЛЬСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ РСФСР

ГИПРОДОРНИИ

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
по назначению расчетных параметров суглинистых грунтов земляного полотна для проектирования и реконструкции дорожных одежд в юго-восточной части Западной Сибири (Томская и Кемеровская области)

 

Одобрены

Главным производственно-техническим

управлением Минавтодора РСФСР

(№ 24 от 13.12.77)

 

Москва 1979

 

СОДЕРЖАНИЕ

Методические рекомендации по назначению расчетных параметров суглинистых грунтов земляного полотна для проектирования и реконструкции дорожных одежд в юго-восточной части Западной Сибири. Министерство строительства и эксплуатации автомобильных дорог РСФСР. Центральное Бюро Научно-Технической Информации.

Приведены расчетные параметры грунтов для целей реконструкции нежестких дорожных одежд из условий их прочности и морозоустойчивости, а также для проектирования, когда не предусматриваются мероприятия по регулированию водного режима земляного полотна автомобильных дорог. Рекомендации даны применительно к природным условиям Юго-Восточной, Западной Сибири (II и III дорожно-климатические зоны).

"Методические рекомендации" составлены на основе исследований кафедр "Автомобильные дороги" Томского инженерно-строительного института и "Строительство и эксплуатация автомобильных дорог" Московского автомобильно-дорожного института по изучению водно-теплового режима земляного полотна автомобильных дорог Томской и Кемеровской областей.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Создание методов расчета дорожных одежд по упругим деформациям, а для районов избыточного увлажнения и глубокого сезонного промерзания грунтов из условий морозоустойчивости, способствует проектированию конструкций, обеспечивающих как необходимей запас прочности, так и гарантированную их долговечность.

Однако опыт эксплуатации дорог с асфальтобетонными покрытиями в юго-восточной части Западной Сибири показывает, что несмотря на соблюдение при проектировании и строительстве рекомендаций действующих нормативных документов, дорожные одежды разрушаются преждевременно. Это вызвано прежде всего тем, что для слабоизученных в отношении взаимодействия земляного полотна с природно-климатическими факторами районов, нормы, и в частности Инструкция ВСН 46-72, рекомендуют приближенные значения расчетных характеристик грунтов. В связи с этим, проблему увеличения срока службы дорожных одежд можно решить на основе уточнения и обоснования расчетных параметров грунтов земляного полотна с максимальным учетом природных условий юго-восточной части Западной Сибири. Решение такой проблемы будет способствовать проектированию и строительству прочных и экономичных дорожных одежд.

"Методические рекомендации" разработаны на основе результатов исследований по изучению водно-теплового режима земляного полотна на сети постоянно действующих (с 1970 года) наблюдательных постов, расположенных на автомобильных дорогах, находящихся в различных грунтово-гидрологических условиях, на территории Томской и Кемеровской областей. Выбранные для наблюдения участки дорог имели различные конструкции земляного полотна и дорожных одежд, характерные для юго-восточной части Западной Сибири.

При составлении "Методических рекомендаций" использованы материалы научно-технических отчетов по теме: "Повышение устойчивости земляного полотна и оснований дорожных одежд автомобильных дорог Томской и Кемеровской областей" кафедры "Автомобильные дороги" Томского инженерно-строительного института за период с 1970 по 76 г.г.

"Методические рекомендации" по назначению расчетных параметров грунтов земляного полотна для проектирования и реконструкции дорожных одежд в юго-восточной части Западной Сибири разработали проф. докт. техн. наук А.Я. Тулаев (МАДИ), доцент, канд. техн. наук А.И. Шеслер (Институт повышения квалификации минавтодора РСФСР), инж. В.Н. Ефименко (МАДИ).

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. В районах сезонного промерзания при неблагоприятных грунтово-гидрологических условиях "Инструкция по проектированию дорожных одежд нежесткого типа" (ВСН 46-72) рекомендует предусматривать мероприятия по защите конструкций от влияния мороза и определять толщину дорожных одежд расчетом на морозоустойчивость по допускаемому пучению.

Обоснованное расчетом назначение общей толщины дорожной одежды из морозостойких материалов позволяет ограничить зону промерзания грунтов земляного полотна и уменьшить отрицательную роль пучения.

2. Расчетными параметрами, необходимыми для определения толщины дорожной одежды по условиям морозоустойчивости являются: допустимое пучение (S_п.доп) значения которого нормированы в зависимости от типа покрытия; коэффициент пучения (K_п); величина климатического коэффициента (L₀) и глубина промерзания (Z_р).

Величина коэффициента пучения может быть выражена в виде функции от Z и L₀, поэтому в настоящих "Методических рекомендациях" предложено два расчетных параметра - глубина промерзания и климатический коэффициент с учетом природных условий юго-восточной части Западной Сибири и категории дороги. Последнее позволяет повысить надежность расчетных параметров грунтов и обеспечить безотказность работы проектируемой одежды.

3. В процессе дальнейшего проектирования, в пределах уже установленной общей толщины одежды, расчетом на прочность определяют толщину конструктивных слоев. Расчетными параметрами деформативности и прочности грунтов при расчете по методу (ВСН 46-72), основанному на предположении о работе дорожных одежд в упругой стадии, являются: модуль упругости (Е_у, кГс/см²); угол внутреннего трения (J, град) и коэффициент сцепления (С, кГс/см²). Учитывая, что значения деформативных и прочностных параметров находятся в прямой зависимости от влажности грунта (W_p), в Рекомендациях приведен весь комплекс расчетных параметров W_p, Е_у, J, С для наиболее широко распространенных в регионе суглинистых грунтов.

4. Теоретические и экспериментальные исследования, а также анализ службы дорог в регионе показали, что влагонакопление и пучение в грунтах земляного полотна в значительной степени определяются режимом промерзания. При этом наибольшее влагонакопление наблюдается после мягких зим, характеризующихся незначительной суммой отрицательных температур воздуха. Отмеченное обстоятельство было учтено при назначении расчете параметров грунтов для юго-восточной части Западной Сибири

НАЗНАЧЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ГРУНТОВ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ДЛЯ РАСЧЕТА ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД НА МОРОЗОУСТОЙЧИВОСТЬ

5. При проектировании дорожных одежд из условия их морозоустойчивости следует принимать такую вероятностную глубину промерзания дорожной конструкции, которая будет формироваться в данных климатических условиях района строительства в наиболее мягкую зиму, характеризующуюся медленным накоплением отрицательных температур воздуха и обеспечивающую наибольший прирост мигрирующей влаги в активной зоне земляного полотна.

Такой подход в определении глубины промерзания дорожной конструкции вызван следующим. Влагонакопление и пучение в грунтах зависят от режима промерзания. Медленному промерзанию соответствует большее количество мигрирующей влаги. 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 (более 1,6 см/сутки) в начальный период зимы (октябрь-декабрь месяцы) и значительной глубине расположения границы промерзания величина пучения может превысить допустимые пределы за счет влажности слоев грунта, расположенных ниже активной зоны, что не сказывается отрицательно на прочности грунтов земляного полотна и на прочности дорожных одежд в весенний период. Следовательно, высокая скорость и значительная глубина промерзания в суровые зимы не всегда является причиной ухудшения эксплуатационного состояния дорожных одежд в расчетный период в отличие от медленного и сравнительно неглубокого промерзания грунтов в мягкие зимы.

6. Точное определение хода изменения температуры грунта по глубине и во времени пока невозможно из-за того, что нельзя учесть все условия, сопровождающие промерзание. Поэтому закономерно стремление привести формулы по определению глубины промерзания к более приемлемому для практических целей виду.

Анализ результатов наблюдений за глубиной промерзания, выполненных на территории Томской и Кемеровской областей, позволил установить следующую зависимость:

где         Z_p   -          расчетная глубина промерзания грунта земляного полотна от верха дорожной одежды. Средняя толщина дорожной одежды на обследованных участках дорог 40 см^*;

              Θ_p  -          расчетная (исходя из мягкой зимы) сумма отрицательных температур воздуха, градусо-сутки;

              m   -          200,9 и n=-439,3 - коэффициенты, установленные из условия наиболее полного соответствия расчетной глубины промерзания опытным данным.

* При других значениях толщины дорожной одежды за расчетную может быть принята глубина промерзания установленная по формуле (I) с учетом коэффициентов m=425 и n=-1223,5 и с добавлением общей толщины слоев из стабильных материалов.

Точность вычисления Z_p по формуле (1) в значительной степени зависит от правильности определения расчетной суммы отрицательных градусо-суток, которая принимается с определенной вероятностью за период между капитальными ремонтами дорожной одежды исходя из мягкой зимы:

где         Θ_ср-          средняя многолетняя сумма отрицательных температур воздуха, градусо-сутки;

              σ    -          среднее квадратическое отклонение;

              t    -          нормированное отклонение сумм от Θ_ср

Путем статистической обработки данных по сети станций Западно-Сибирского Управления Гидрометеослужбы с помощью ЭВМ получены расчетные значения сумм отрицательных градусо-суток и глубин промерзания дорожных конструкций (рис.1).

7. Климатический коэффициент L₀ определен из формулы:

где         Т₃   -          период промерзания дорожной конструкции.

Температура воздуха, обуславливающая начало промерзания грунта земляного полотна, получена на основе предложенного в ХАДИ (проф. В.М. Сиденко) теплотехнического метода расчета дорожной конструкции (земляное полотно + дорожная одежда), как слоистой системы. За конец периода промерзания принята дата наступления весной устойчивой температуры воздуха выше 0°С.

Значения климатического коэффициента приведены на рис.2.

НАЗНАЧЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ГРУНТОВ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ДЛЯ РАСЧЕТА ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД НА ПРОЧНОСТЬ

8. В настоящее время, ввиду отсутствия многолетних наблюдений за расчетными параметрами грунтов земляного полотна для различных условий, наиболее эффективно нормирование их по значениям W_р, используя зависимость Е_y; J; С=f(W_p). Этот принцип является пока наиболее достоверным. Его широко применяют в СССР и он использован в настоящих "Методических рекомендациях".

9. При определении расчетных значений влажности земляного полотна исходили из того, что концентрация Сети автомобильных дорог на территории юго-восточной части Западной Сибири неравномерна. Результаты экспериментальных исследований по изучению водно-теплового режима земляного полотна в рассматриваемом регионе и анализ влияния погодно-климатических факторов на состояние грунтов позволили установить, что в условиях резко-континентального климата весеннюю влажность грунтов, при глубоком залегании грунтовых вод можно характеризовать интенсивностью накопления отрицательных температур воздуха за первую половину зимы (октябрь-декабрь месяцы). Этого периода вполне достаточно, чтобы граница промерзания опустилась ниже активной зоны земляного полотна, ограничив тем самым приращение влажности за счет миграционного потока в зону фазовых переходов.

Рис.1 Схематическая карта изолиний расчетной глубины промерзания дорожных конструкций (вероятность 0,95) на территории юго-восточной части Западной Сибири.

Рис.2 Схематическая карта изолиний климатического коэффициента L₀ на территории юго-восточной части Западной Сибири

Поэтому для определения расчетной влажности, для случаев глубокого залегания грунтовых вод, был разработан метод, который не требует данных непосредственного определения влажности грунтов. При его использовании необходимы значения метеорологических параметров, влияющих на влагонакопление в грунтах.

10. Для определения W_p заданной обеспеченности предложена формула, позволяющая учитывать температурно-влажностный режим отдельных районов региона:

где         Θ_р(о-д)-       расчетная (исходя из мягкой зимы) сумма отрицательных температур воздуха за октябрь-декабрь месяцы, градусо-сутки;

              K_c        -      гидротермический коэффициент Селянинова.

Установление расчетной влажности грунтов сводится к следующему:

10.1 - по данным справочника по климату СССР устанавливается значение гидротермического коэффициента

где         r    -          сумма осадков в миллиметрах за период с температурой воздуха выше 10°С;

              ΣT -          сумма температур воздуха в градусах за тот же период.

10.2 - по данным метеорологической станции, ведущей наблюдения в районе проектируемой дороги, выбирают данные о температуре воздуха в первые три месяца зимы (октябрь-декабрь месяцы) за ряд лет.

10.3 - применяя теорему А.М. Ляпунова, с вероятностью повторяемости (Р%) в зависимости от категории проектируемой дороги, устанавливается величина расчетной суммы отрицательных температур воздуха из уравнения (2).

10.4 - из зависимости (4) устанавливается величина расчетной влажности. Для дорог с усовершенствованными типами покрытий расчеты выполнены с 5-процентной обеспеченностью (надежность 95%), для дорог с переходными типами покрытий - с 10% обеспеченностью.

11. Учитывая, что значительная часть региона характеризуется избыточным увлажнением, а грунтово-гидрологические и климатические условия предопределяют увлажнение земляного полотна в жидкой форме, для определения W_p при близком залегании уровня грунтовых вод использован метод прогнозирования разработанный проф. И.А. Золотарём (ВОЛАТТ), который неоднократно применялся в сходных природных условиях.

Сущность метода заключается в последовательном прогнозировании осенней W^ос и весенней W^вес влажности грунта земляного полотна с учетом:

- характера увлажнения;

- глубины расположения грунтовых вод осенью;

- возвышения бровки земляного полотна H_в над уровнем грунтовых вод;

- коэффициента влагопроводности грунта земляного полотна K_I

- продолжительности периода осеннего влагонакопления τ_вл, которая устанавливается на основе метеорологических характеристик района;

- характеристики скорости промерзания дорожной конструкции, которая определяется теплотехническим расчетом с учетом периода промерзания τ_пр, минимальной среднемесячной температуры воздуха Θ_мин, теплофизических характеристик грунта земляного полотна и слоев дорожной одежды, объемной массы и влажности грунта.

12. Определение прочностных и деформативных характеристик суглинистых грунтов выполнено по экспериментально установленным зависимостям E_y; J; С=f(W_p)(рис. 3)

ДОРОЖНОЕ РАЙОНИРОВАНИЕ ЮГО-ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ

13. При проектировании, строительстве и эксплуатации дорог необходимо максимально учитывать местные природные условия. Строительными нормами и правилами проектирования автомобильных дорог СССР (СНиП II-Д.5-72) предусмотрено деление территории СССР на пять дорожно-климатических зон. В соответствие с этим территория Юго-востока Западной Сибири разделена на две зоны - вторую и третью.

Рис. 3 Графики зависимостей модуля упругости (Е_y), коэффициента сцепления (С ) и угла внутреннего трения (J) суглинистых грунтов Юго-востока Западной Сибири от относительной влажности

Такое деление территории юго-восточной части Западной Сибири (Томская и Кемеровская области) площадью 410 тыс. км², простирающейся с Севера на Юг более чем на 900 км, является недостаточным и не позволяет наиболее полно учитывать природные условия при проектировании автомобильных дорог.

14. В основу детализации районирования Юго-востока Западной Сибири принята таксонометрическая система, предложенная проф. В.М. Сиденко (ХАДИ) - зона, подзона, район и участок. В качестве единицы масштаба таксонометрической системы приняв дорожный район, представляющий собой генетически однородную территорию, характеризуемую типичными, свойственным только ей климатом, геологией и рельефом местности, почвами, растительностью, поверхностными и подземными водами и, как следствие, родом грунта, его влажностью в характерные периоды года, деформативными и прочностными свойствами. С учетом изложенного на территории Томской и Кемеровской областей выделено 5 дорожных районов (рис.4, табл.П.1)

15. С учетом вышеизложенных методик для выделенных дорожных районов рекомендованы расчетные значения влажности, прочностных и деформативных характеристик наиболее широко распространенных в юго-восточной части Западной Сибири пылеватых суглинистых грунтов (табл. П.2, П.3).

В таблице П.2 приведены расчетные значения параметров грунтов при глубоком залегании грунтовых вод. В таблице П.3 - при близком залегании грунтовых вод.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Рис. 4 Уточнение дорожно-климатического районирования территории гаго - восточной части Западной Сибири

ПРИЛОЖЕНИЯ

Таблица П.1

Характеристика дорожного района

Примечания:

1. Для характеристики увлажненности отдельных районов использован гидротермический коэффициент Селянинова (ГТК). Для II дорожно-климатической зоны значения ГТК 1,4; III - ГТК =1-1,4

2. По видам рельефа территория юго-восточной части Западной Сибири разделена на пять типов в зависимости от частоты чередования отметок и их высоты. Первый тип рельефа - равнинный, второй и третий - слабохолмистый и холмистый, четвертый и пятый - гористый и горный.

Таблица П.2

Расчетные характеристики пылеватых суглинистых грунтов земляного полотна для участков глубокого залегания грунтовых вод.

* К - усовершенствованные покрытия капитального типа (P=0,95)

О - усовершенствованные покрытия облегченного типа (P=0,90)

Таблица П.3

Значения прочностных и деформативных показателей суглинистых грунтов земляного полотна рекомендуемые для участков дорог с близким залеганием грунтовых вод

В таблице П.3 приведены расчетные параметры грунтов при близком залегании грунтовых вод. Определение параметров производится следующим образом. Например, если коэффициент влагопроводности суглинистого грунта, установленный экспериментально в период изысканий в районе г. Александровского, равен 5,5 см²/час, то при расстоянии от верха земляного полотна до уровня грунтовых вод Н_В=250 см. грунт имеет модуль упругости для насыпи Е_y=290 кГс/см²; угол внутреннего трения J=15° и величину сцепления С=1,15 кГс/см².

Значения коэффициентов влагопроводности^* при некоторых величинах влажности, плотности и температуре приведены в таблице П.4.

Таблица П.4

Значения коэффициентов влагопроводности суглинистых грунтов юго-восточной части Западной Сибири в зависимости от их влажности, плотности

*Методика определения коэффициентов влагопроводности изложена в кн.: "Предложения по оценке и учету источников увлажнения и регулированию водного режима земляного полотна автомобильных дорог". М. Союздорнии, 1966, с. 49