МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЛУЖБА ДОРОЖНОГО ХОЗЯЙСТВА

(РОСАВТОДОР)

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
по проектированию и устройству
теплоизоляционных слоев дорожной одежды
из пенополистирольных плит «Пеноплэкс»

Москва, 2001

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие

Настоящие Методические рекомендации разработаны ФГУП «Союздорнии».

Методические рекомендации разработаны в развитие ОДН 218.046-00 «Проектирование нежестких дорожных одежд», а также в развитие ВСН 84-89 «Изыскания, проектирование и строительство автомобильных дорог в районах распространения вечной мерзлоты». Методические рекомендации предназначены для обеспечения возможности накопления практического опыта применения термоизолирующих прослоек из экструзионного пенопласта «Пеноплэкс» в конструкциях дорожных одежд в условиях опытного строительства.

Пособие разработали:

д-р технич. наук, проф. В.Д. Казарновский,

д-р геолого-минерал. наук, проф. С.Е. Гречищев,

к.т.н. Е.С. Пшеничникова

при участии инж. Н.И. Черновой и к.т.н. И.В. Лейтланд.

Предполагается, что реализация настоящих Методических рекомендаций как в части проектирования, так и строительства будет осуществляться при научном сопровождении, в рамках которого будут предусмотрены последующие наблюдения за построенными конструкциями в процессе их эксплуатации.

Замечания, пожелания и возникающие вопросы по Методическим рекомендациям просьба направлять по адресу: 143900, г. Балашиха-6, Московская обл., ш. Энтузиастов, 79, Союздорнии.

1. Общие положения

1.1. Термоизолирующие прослойки из «Пеноплэкса» в конструкции дорожной одежды могут применяться:

- как альтернатива устройству традиционных морозозащитных слоев для снижения деформаций пучения при промерзании конструкции, в которой в пределах глубины промерзания имеются пучинистые грунты;

- как альтернатива устройству повышенных насыпей или устройству термоизоляции из торфа в зоне вечной мерзлоты, обеспечивающих реализацию 1-го принципа проектирования - сохранения вечномерзлого грунта в основании (или теле) насыпи с исключением просадок полотна при оттаивании его основания (или ее мерзлой части).

1.2. Первое направление использования термоизолирующей прослойки может быть реализовано на дорогах общей сети и ведомственных дорогах в любой дорожно-климатической зоне при наличии сезонного промерзания-оттаивания грунтов с повышенной пучинистостью.

Второе направление может быть реализовано на дорогах общей сети и ведомственных дорогах только в зоне вечной мерзлоты или в специальных проектных решениях, рассчитанных на особые условия строительства и эксплуатации дороги (временные дороги, спецдороги и т.п.).

1.3. Эффект от применения теплоизолирующего слоя, используемого для снижения морозного пучения, может быть получен за счет:

- уменьшения объема качественных материалов, используемых в дорожной одежде для обеспечения ее морозоустойчивости;

- возможности использования в верхней части земляного полотна местных пучинистых грунтов (без их замены);

- повышения долговечности конструкции вследствие исключения периодически возникающих деформаций морозного пучения;

- возможности понижения рабочих отметок насыпей на участках, где при традиционных конструкциях действуют ограничения СНиП по минимальному возвышению насыпи над уровнем подземных или поверхностных вод, а также над уровнем земли;

- понижения расчетной влажности грунта земляного полотна и соответствующего повышения расчетных значений прочностных характеристик грунта за счет снижения влагонакопления при процессе морозного пучения;

- снижения требуемой толщины дренирующего слоя за счет исключения поступления воды снизу при оттаивании земляного полотна.

1.4. Эффект от применения теплоизолирующего слоя для предотвращения оттаивания грунта, используемого в конструкции в мерзлом состоянии в зоне вечной мерзлоты, может быть получен за счет:

- уменьшения объемов привозных грунтов при сооружении земляного полотна по 1-му принципу (сохранение мерзлого грунта);

- обеспечения возможности использования в земляном полотне грунтов с любой степенью увлажнения в виде мерзло-комковатого материала;

- обеспечения возможности уменьшения рабочих отметок насыпей, сооружаемых по 1-му принципу в зоне вечной мерзлоты с соответствующим уменьшением объемов земляных работ;

- исключения необходимости замены грунта в основании дорожной одежды в выемке;

- повышения надежности и долговечности дорожной конструкции, запроектированной по 1-му принципу;

- сокращения затрат на уплотнение грунтов при сооружении насыпей;

- снижения экологического ущерба при строительстве дорог в северных районах.

1.5. Конструктивные решения с использованием термоизолирующих прослоек должны быть обоснованы соответствующими расчетами, указанными в настоящем пособии.

2. Обеспечение морозоустойчивости дорожной конструкции при сезонном промерзании с помощью термоизолирующего слоя из «Пеноплэкса».

2.1. Условия морозоустойчивости дорожной конструкции (по ОДН 218.046-00)

2.1.1. Морозоустойчивость дорожной конструкции оценивается по величине ее морозного пучения. Морозоустойчивость конструкции считается обеспеченной при условии:

                                                              (1)

где l_пуч - расчетная величина морозного пучения конструкции;

 - допустимая величина морозного пучения, устанавливаемая по табл. 1.1.

Таблица 1.1

(Табл. 4.3 ОДН 218.046-00)

2.2. Расчет величины морозного пучения конструкции

2.2.1. Специальные мероприятия по снижению или исключению морозного пучения конструкции (включая устройство теплоизолирующих слоев) должны рассматриваться в тех случаях, когда определенная расчетом величина морозного пучения конструкции превышает допустимые значения, указанные в табл. 1.1.

2.2.2. Для определения расчетной величины морозного пучения конструкции l_пуч могут быть использованы методики, предусмотренные в ОДН 218.046-00 и представленные в приложении 1:

- методика, основанная на использовании осредненной для заданных условий величины морозного пучения традиционных конструкций, полученной по результатам региональных наблюдений, с введением корректирующих табличных коэффициентов (метод Ленфилиала Союздорнии);

- методика, основанная на использовании непосредственно определяемой экспериментально величины коэффициента влагопроводности грунта (метод проф. И.А. Золотаря).

2.3. Способы обеспечения морозоустойчивости дорожной конструкции

2.3.1. При несоблюдении условия морозоустойчивости конструкции (см. п. 2.1.1) принимают специальные меры для повышения морозоустойчивости, назначаемые на основе технико-экономических расчетов.

2.3.2. Традиционно применяемыми способами повышения морозоустойчивости дорожных конструкций являются:

- использование в рабочем слое взамен местных пучинистых грунтов привозных непучинистых или слабопучинистых грунтов (замена грунта). При выборе грунта учитывают действующую классификацию грунтов по пучинистости (табл. 2.1);

- увеличение расстояния от низа дорожной одежды до уровня подземных или поверхностных вод за счет увеличения высоты насыпей или устройства дренажной системы в выемке (осушение земляного полотна);

- устройство морозозащитного слоя из непучинистых грунтов и минеральных материалов, в т.ч. укрепленных малыми дозами минеральных или органических вяжущих;

- устройство основания дорожной одежды из монолитных материалов (типа тощего бетона или зернистых материалов, обработанных минеральными или органическими вяжущими).

Таблица 2.1

Классификация грунтов по степени пучинистости при замерзании (СНиП 2.05.02-85 прил. 2, табл. 6)

2.3.3. К нетрадиционным способам повышения морозоустойчивости относят способы, предусматривающие использование в конструкции промышленных изделий в виде различного рода прослоек:

- гидроизолирующих (полиэтиленовые пленки, гидроизол и др.);

- капилляропрерывающих;

- теплоизолирующих слоев, снижающих глубину промерзания или полностью исключающих промерзание грунта;

- армирующих прослоек из геотекстиля и геосеток, обеспечивающих повышение равномерности деформаций пучения конструкции.

Теплоизолирующие слои могут устраиваться из различных материалов, как естественных (торф), так и искусственных (материалы с пониженной теплопроводностью, в том числе пенопласты различных типов, отвечающие определенным требованиям).

Теплоизолирующие слои из экструзионных пенопластов применяют для повышения морозоустойчивости дорожной конструкции в особо неблагоприятных грунтово-гидрологических условиях, характерных для 2-го и 3-го типа местности по увлажнению. В зависимости от особенностей конкретного участка возможно либо не допускать промерзания насыпи и ее основания и исключить таким образом морозное пучение грунтов полностью, либо уменьшить глубину промерзания и, соответственно, до допустимой его величины.

В общем случае вид теплоизолирующего материала и параметры теплоизолирующего слоя определяются на основе специальных расчетов и технико-экономических обоснований.

Теплоизолирующие слои из «Пеноплэкса» могут быть применены как в случае насыпей, отсыпанных из пучиноопасных грунтов, так и в выемках, основание которых сложено пучиноопасными грунтами.

2.4. Расчет и конструирование дорожной одежды с термоизолирующим слоем из плит «Пеноплэкс»

2.4.1. Расчет требуемой толщины термоизолирующего слоя из «Пеноплэкса» при обеспечении морозоустойчивости дорожной конструкции

2.4.1.1. Для расчета требуемой толщины теплоизолирующего слоя могут применяться:

- метод, использующий понятие о термическом сопротивлении конструкции (В.И. Рувинский);

- метод, использующий в качестве характеристики грунта коэффициент влагопроводности, определяемый экспериментально (И.А. Золотарь).

Расчет по термосопротивлению

2.4.1.2. Требуемую толщину теплоизолирующего слоя h_п по этому методу приближенно можно определить по формуле:

                                              (2.1)

где R_од(тр) - требуемое для данных условий термическое сопротивление дорожной одежды, при котором морозное пучение конструкции не превысит допустимой величины (табл. 1.1), м²К/Вт;

l_п - коэффициент теплопроводности «Пеноплэкса», Вт/мк;

 - термическое сопротивление части конструкции дорожной одежды, расположенной над теплоизолирующим слоем;

h_i - толщина i-го слоя конструкции, м;

l_i - коэффициент теплопроводности i-го слоя, Вт/мк;

п - число конструктивных слоев в конструкции, включая термоизолирующий слой.

2.4.1.3. Величину требуемого термического сопротивления R_од(тр) вычисляют по формуле:

                                (2.2)

где R_пр - приведенное термическое сопротивление, определяемое с помощью номограммы (см п. 2.4.1.4);

К_од - коэффициент, учитывающий срок службы дорожной одежды между капитальными ремонтами (табл. 2.1),

К_увл - коэффициент, учитывающий схему увлажнения рабочего слоя земляного полотна, принимаемый при 2-й и 3-й схемах увлажнения равным единице, а при 1-й схеме увлажнения - по графику рис. 2.1.

d - понижающий коэффициент, принимаемый по табл. 2.2.

2.4.1.4. Приведенное термическое сопротивление R_пр определяют, используя карту (рис. 2.2) и номограмму (рис. 2.3). По карте устанавливают номер расчетной изолинии, отвечающей положению объекта. При расположении объекта между изолиниями расчеты выполняются для двух близлежащих изолиний с последующим осреднением результатов. По номограмме величину R_пр определяют методом итерации через отношение l_доп/(С_пучС_р) (горизонтальная ось номограммы).

При этом значения С_пуч и С_р определяют соответственно по табл. 2.3 и 2.4, а l_доп - по табл. 1.1.

При назначении величины С_р по табл. 2.3 подбирают допустимую глубину промерзания h_пр(доп) таким образом, чтобы получаемому значению отношения l_доп/(С_пучС_р) соответствовала величина h_пр(доп) на вертикальной оси номограммы, равная принятой при определении С_р. Подбор нужно начинать со значения h_пр(доп), соответствующего наименьшей допустимой глубине промерзания.

2.4.1.5. При глубине залегания подземных вод на участке дороги, отличающейся от указанных на номограмме (рис. 2.3), нужно определить два значения R_пр. Одно - при значении Н_g на номограмме более, а другое - при значении Н_g на номограмме менее данного. Искомое значение R_пр устанавливают методом интерполяции между соответствующими величинами.

Таблица 2.1

Таблица 2.2

Примечание. Схему дорожно-климатических зон см. МСМ 46-2000, прил. 2.

Таблица 2.3

№ изолиний на карте

Рис. 2.1. График для определения коэффициента К_увл при 1-й схеме увлажнения.

Таблица 2.4

Примечание. При промежуточных значениях толщины дорожной одежды следует принимать значение С_р по интерполяции соответствующих величин

2.4.1.6. Требуемое термическое сопротивление дорожной одежды, при котором пучение грунта исключается (R_од(о)), определяют по табл. 2.5.

Таблица 2.5

2.4.1.7. Требуемую толщину теплоизолирующего слоя из «Пеноплэкса» вычисляют по формуле 2.1.

Рис. 2.2. Карта с изолиниями для определения требуемых значений термического сопротивления дорожной одежды:

I - Х - номера изолиний; 1 - граница сплошного распространения вечномерзлых грунтов; 2 - то же, островного

Рис. 2.3. Номограмма для определения приведенного термического сопротивления дорожной одежды R_пр.

I - Х - номера изолиний на карте (рис. 2.2); 1 - кривая расчета для 1-го и 2-го типов увлажнения рабочего слоя земляного полотна; Н_g - глубина залегания расчетного УГВ от низа дорожной одежды, включая морозозащитный слой

Расчет с использованием коэффициента влагопроводности

2.4.1.8. Требуемую толщину (h_s) теплоизолирующего слоя из пеноплэкса устанавливают из соотношения:

                                      (2.3)

где  - допустимая глубина промерзания, см;

s - характеристика суровости зимнего периода (сумма градусочасов отрицательной температуры, умноженная на 0,001), назначаемая по табл. П.1.7 (см. Приложение).

2.4.1.9. Величина допустимой глубины промерзания  определяется по формуле:

                         (2.4)

где  - допустимая величина пучения (табл. 1.1), см;

d - плотность воды, г/см³;

r_сух - плотность сухого грунта, г/см³;

W_весср - средняя весенняя весовая влажность грунта, доли единицы;

W_нз - весовая влажность по незамерзшей воде (табл. 2.6), доли единицы;

 - полная влагоемкость в долях единицы;

r_Т - плотность частиц грунта, г/см³;

Таблица 2.6

Значения влажности W_h и W_нз для различных грунтов

2.4.1.10. Средняя весенняя весовая влажность грунта вычисляется по формуле:

                          (2.5.)

где W_h - влажность грунта по жидкой фазе в зоне первичного льдовыделения, назначаемая по табл. 2.6;

W_н - начальная влажность грунта;

DW_отн - отношение осеннего приращения влажности к максимально возможной величине приращения влажности грунта, устанавливаемое по графику рис. 2.4 в зависимости от параметров F и М;

С - коэффициент, определяемый по графику рис. 2.5 в зависимости от параметра Z.

2.4.1.11. Параметры F, М и Z, необходимые для использования графиков, определяют соответственно по формулам:

                                                          (2.6.)

                                                      (2.7.)

                                                           (2.8.)

где к_влп - коэффициент влагопроводности, устанавливаемый экспериментально, см²/час;

t_вл - продолжительность периода осеннего влагонакопления, час, принимаемая по табл. П.1.7 (см. Приложение);

h_в - расчетное удаление верха земляного полотна от уровня грунтовых или поверхностных вод, см;

h_до - суммарная толщина слоев дорожной одежды, см;

L - характеристика слоя промерзания грунта земляного полотна.

2.4.1.12. Величину L для случаев к_влп £ 2,0 см²/час устанавливают по выражению:

                                             (2.9.)

Для случаев к_влп = 2,1 ¸ 5,0 см²/час используют выражение:

                                        (2.10.)

2.4.1.13. Поскольку величина h_s в выражении (2.3) входит и в правую часть, определение h_s ведется методом итераций. Для этого задаются величиной h_s, вычисляют правую часть выражения (2.3) и сравнивают результат с принятым значением h_s. Расчет заканчивают, если различие не будет превышать 10 %.

Рис. 2.4. Номограмма для определения DW_отн при значениях F.

2.4.2. Учет термоизолирующего слоя из «Пеноплэкса» в расчете дорожной одежды на прочность.

2.4.2.1. Проверка на прочность конструкции дорожной одежды с теплоизолирующим слоем из «Пеноплэкса» производится в соответствии с расчетами, предусмотренными ОДН 219.046-00 (для нежестких дорожных одежд) и ВСН 197-91 (для жестких дорожных одежд).

Учет влияния термоизолирующего слоя на прочность конструкции дорожной одежды осуществляется путем приведения системы подстилающий грунт + слой «Пеноплэкса» к однородному слою с расчетным модулем упругости, равным общему модулю упругости на поверхности слоя «Пеноплэкса» (). Последний вычисляют по формуле:

                              (2.11)

Рис. 2.5. График для определения коэффициента С, используемого для вычисления весенней влажности.

где Е_г - модуль упругости грунта, подстилающего термоизоляционный слой, МПа, (при слоистой толще принимается общий модуль упругости на поверхности толщи под «Пеноплэксом»), МПа;

Е_п - модуль упругости «Пеноплэкса», МПа;

D_o - расчетный диаметр отпечатка колеса, см;

h_п - толщина слоя «Пеноплэкса», см.

Практическое определение величины расчетного модуля  осуществляют с помощью номограммы (рис. 2.7), построенной по зависимости (2.11).

2.4.2.2. При конструировании дорожных одежд со слоями из «Пеноплэкса» следует учитывать, что, исходя из технологических особенностей их устройства, над «Пеноплэксом» должен быть устроен защитный слой из дискретного материала, предохраняющий его от воздействия построечной техники, а под «Пеноплэксом» - выравнивающий слой толщиной 5 - 10 см. Защитный слой целесообразно устраивать из дренирующего материала.

2.4.2.3. Если между подстилающим грунтом и «Пеноплэксом» имеется прослойка песчаного грунта (дренирующий слой) толщиной более 5 см в выражение (2.2) вместо Е_г подставляется общий модуль на поверхности песчаной прослойки, определяемый по обычной методике. При меньшей толщине песчаной прослойки допускается не учитывать ее влияние в расчете.

2.4.2.4. При применении в конструкции дорожной одежды термоизолирующего слоя из «Пеноплэкса» следует выполнить проверку этого слоя на прочность при одноосном сжатии. Проверка ведется по двум расчетным случаям:

- для условий эксплуатации дороги;

- для условий строительства дорожной одежды.

Проверка ведется по зависимости:

                                                       (2.12)

где Z_Т - глубина расположения прослойки от поверхности, к которой прилагается внешняя нагрузка (поверхность покрытия для условий эксплуатации и поверхность слоя засыпки при строительстве);

 - допустимая глубина по условию прочности прослойки на одноосное сжатие.

Рис. 2.7. Номограмма для расчета общего модуля двухслойной системы «теплоизолятор - подстилающий грунт»:

h_в - толщина слоя пенопласта; Е_в - модуль упругости пенопласта; Е_н - модуль упругости грунта.

Приближенно величину  устанавливают по формуле:

                                                              (2.13)

где D - расчетный диаметр отпечатка колеса расчетной нагрузки, м;

P - давление от расчетного колеса на поверхность покрытия или слоя засыпки, МПа;

R - прочность «Пеноплэкса» на одноосное сжатие при многократном нагружении, МПа;

к - коэффициент запаса, принимаемый равным 1,3.

В случае, если , прочность «Пеноплэкса» не обеспечена и следует увеличить глубину расположения прослойки.

2.4.2.5. При расчете на условия эксплуатации в качестве расчетной нагрузки принимается нагрузка, на которую рассчитывается вся дорожная конструкция.

При расчете на условия строительства параметры нагрузки выбираются в зависимости от применяемой техники и технологии устройства слоев, располагаемых над прослойкой «Пеноплэкса».

2.4.2.6. Во всех случаях рекомендуется располагать прослойку на глубине не менее 0,30 м от поверхности, к которой прикладывается нагрузка.

В случае применения при строительстве техники на гусеничном ходу в формулу (2.13) вместо D следует подставить величину 2b, равную ширине гусеницы, и получаемое по формуле значение  увеличить на 20 %.

2.4.3. Схемы конструктивных решений дорожных одежд с термоизолирующими слоями из «Пеноплэкса»

2.4.3.1. Принципиальная схема дорожной конструкции с термоизолирующим слоем представлена на рис. 2.8.

Прослойка «Пеноплэкса» со смежными слоями образуют единый дополнительный слой основания (ДСО), который может кроме термоизолирующей функции при необходимости нести одновременно функции дренирующего и морозозащитного слоя.

Схема предполагает необходимость:

- обеспечения эффективности полной или частичной теплозащиты пучинистого грунта земляного полотна от промерзания;

- требующегося обеспечения дренирования дорожной одежды;

- учета снижения расчетного модуля упругости земляного полотна, защищаемого слоем «Пеноплэкса»;

- защиты слоя «Пеноплэкса» от механических повреждений в процессе строительства;

- учета двухмерности схемы промерзания полотна.

1 - покрытие;

2 - несущее основание;

3 - дополнительный слой основания с термоизолирующей прослойкой;

4 - пучинистый грунт;

5 - термоизолирующая прослойка;

6 - грунт в основании насыпи.

Рис. 2.8. Принципиальная схема дорожной конструкции с термоизолирующим слоем (для условий сезонного промерзания).

2.4.3.2. Эффективность теплозащиты достигается:

- правильным расположением теплоизолирующей прослойки в конструкции;

- правильным назначением ее толщины и ширины.

2.4.3.3. Требуемая толщина теплоизолирующего слоя определяется по методике, изложенной в п. 2.4.1.

Необходимая ширина теплоизолирующей прослойки принимается равной не менее, чем на 2,0 - 1,5 м больше ширины проезжей части или равной ширине земляного полотна по верху. При необходимости требуемая ширина может быть уточнена на основе специальных расчетов по двухмерной задаче (учет двухмерности).

2.4.3.4. Дренирование дорожной одежды с теплоизолирующим слоем обеспечивается устройством дренирующего слоя, который может предусматриваться в трех вариантах:

- в виде песчаного слоя, располагаемого под теплоизолирующим;

- в виде песчаного слоя, вмещающего в себя теплоизолирующий слой;

- в виде дренирующего слоя из геотекстиля, обладающего продольной водопроницаемостью.

2.4.3.5. Толщина дренирующего слоя определяется расчетом по методике, изложенной в ОДН 218.046-00. Если термоизолирующий слой предусматривает исключение промерзания пучинистого грунта земляного полотна, из расчета дренирующего слоя исключается учет поступления воды снизу.

2.4.3.6. Для учета влияния низкомодульного теплоизолирующего слоя на прочность дорожной конструкции теплоизолирующий слой рассматривается как элемент земляного полотна. Расчетный модуль земляного полотна с такой прослойкой устанавливается в соответствии с п. 2.4.2. С учетом его величины осуществляется расчет дорожной одежды на прочность и назначение ее конструкции по всем условиям прочности.

2.4.3.7. При устройстве слоев дорожной одежды, расположенных выше теплоизолирующей прослойки, возникает опасность разрушения прослойки построечным транспортом или применяемыми дорожными машинами. Для защиты слоя из «Пеноплэкса» толщина засыпки над этим слоем не должна быть менее 30 см (при одноразовой отсыпке). Этот слой при необходимости может быть запроектирован как дренирующий или дополнительный морозозащитный слой.

2.4.3.8. Возможные варианты конструкции дополнительного слоя основания (ДСО) с теплоизолирующей прослойкой «Пеноплэкс» представлены на рис. 2.9.

Вариант 1 предусматривает расположение теплоизолирующей прослойки внутри песчаного дренирующего слоя. В этом случае ДСО одновременно может выполнять функции дренирующего, теплоизолирующего и морозозащитного слоя. Толщина ДСО должна быть не менее требуемой по расчету на морозоустойчивость и осушение.

Вариант 2. Здесь ДСО выполняет те же функции, что и в варианте 1. Дренирующая прослойка из геотекстиля позволяет более глубоко расположить «Пеноплэкс» от поверхности ДСО, что обеспечивает повышение общего модуля на поверхности ДСО и может в некоторых случаях позволить снизить толщину дорожной одежды (что проверяется расчетами на прочность).

Вариант 3. Этот вариант может быть применен, когда часть толщины дренирующего слоя может быть заменена недренирующим местным грунтом (тем же пучинистым грунтом, что и под «Пеноплэксом»), Толщина слоя недренирующего грунта назначается по расчету на морозное пучение и прочность.

В этом варианте «Пеноплэкс» укладывается на монтажный песчаный слой толщиной 5 - 10 см. Использование пучинистого грунта над «Пеноплэксом» позволяет замедлять промерзание конструкции по сравнению с песчаным грунтом и частично использовать более дешевый грунт. Указанные предпосылки могут позволить рассматривать вопрос о возможном уменьшении толщины «Пеноплэкса», т.е. в целом - о снижении строительной стоимости конструкции по сравнению с вариантом 1. Вместе с тем общий модуль на поверхности ДСО в данном случае может оказаться ниже, чем в 1-м и 2-м варианте, что потребует усиления дорожной одежды. Решение о выборе оптимального варианта осуществляется на основе расчетов.

Вариант 1

Вариант 2

Вариант 3

Вариант 4

1 - песок;

2 - «Пеноплэкс»;

3 - пучинистый грунт;

4 - геотекстиль

Рис. 2.9. Варианты схем конструкций дополнительного слоя основания (ДСО) с применением теплоизоляции из плит «Пеноплэкс»

Вариант 4 отличается от варианта 3 только тем, что в качестве монтажного слоя (играющего также роль дренирующей прослойки под теплоизолятором) используется геотекстиль, обладающий продольной водопроницаемостью.

2.4.3.9. Указанные варианты конструкции ДСО могут быть применены как для нежестких, так и для жестких дорожных одежд. Толщины отдельных прослоек в ДСО назначаются на основе расчетов дорожных одежд на морозоустойчивость, на прочность и на осушение в соответствии с действующими нормами.

2.4.4. Требования к пенополистиролам, используемым в дорожных конструкциях

Теплоизоляционные материалы, применяемые в дорожных конструкциях, должны:

- сохранять теплоизолирующие свойства под воздействием влаги, температуры и агрессивных вод в течение всего периода эксплуатации дороги;

- быть морозостойкими (определяют циклическим промораживанием в зависимости от условий строительства);

- быть биостойкими (определяют на основе химического анализа);

- быть нетоксичными (заключение СЭС);

- обладать технологичностью в работе (размеры плит, удобные в работе, возможность скрепления плит, например, шпунтовка);

- выдерживать нагрузки, возникающие при укладке и уплотнении вышележащих слоев дорожной одежды (испытание на прочность при сжатии);

- выдерживать нагрузки от вышележащих слоев насыпи и транспорта во времени (испытание длительно действующей нагрузкой),

- обладать теплофизическими и прочностными характеристиками, приведенными в табл. 2.1.

Таблица 2.1

3. Обеспечение термозащиты дорожной конструкции, сооружаемой на вечной мерзлоте, с помощью термоизолирующего слоя из «Пеноплэкса»

3.1. Принципы проектирования дорожных конструкций на вечной мерзлоте и условия их применения

3.1.1. Наибольшее применение при строительстве дорог на вечной мерзлоте имеют два принципа - первый и второй.

Первый принцип проектирования дорожных конструкций предусматривает обеспечение поднятия верхнего горизонта вечной мерзлоты не ниже подошвы насыпи и сохранение его на этом уровне в течение всего периода эксплуатации дороги (расчетное состояние грунтов - мерзлое).

Второй принцип проектирования предусматривает допущение оттаивания грунтов ниже подошвы насыпи на расчетную глубину в период эксплуатации дороги с учетом допустимой осадки основания в зависимости от типа покрытия (расчетное состояние грунтов основания - талое).

3.1.2. Первый принцип применяют в 1-й и 2-й подзонах I дорожно-климатической зоны (ВСН 84-89), которые примерно соответствуют зоне сплошного распространения вечной мерзлоты, при следующих условиях:

- температура грунтов на границе нулевых годовых амплитуд ниже -1,5 °С;

- широкое развитие мерзлотных процессов и явлений: подземные льды различного генезиса, бугры пучения, наледные участки и т.п.,

- при наличии грунтов IV - V категории просадочности.

В 3-й подзоне I дорожно-климатической зоны (зона островного распространения вечной мерзлоты) проектирование по 1-му принципу допускается при условии понижения температуры грунтов на границе нулевых годовых амплитуд ниже -1,5 °С за счет выполнения специальных конструктивных и технологических мероприятий при соответствующем технико-экономическом обосновании.

3.1.3. Второй принцип применяют при условии залегания в основании насыпи минеральных грунтов I - III категорий просадочности и торфяников I - IV категорий просадочности.

3.1.4. Принцип проектирования выбирают на основе технико-экономического сравнения вариантов, исходя из мерзлотно-грунтовых и климатических условий участка трассы с учетом наличия специальных материалов (геотекстильных, теплоизоляционных и т.п.), а также качественных грунтов, пригодных для возведения насыпи.

3.1.5. Для реализации 1-го принципа могут использоваться следующие способы сохранения мерзлоты:

- устройство из обычных грунтов насыпей высотой, обеспечивающей термозащиту вечной мерзлоты в основании насыпи; требуемая для этого высота насыпи определяется по теплотехническим расчетам;

- устройство в земляном полотне специальных термоизолирующих прослоек (в том числе из «Пеноплэкса»), обеспечивающих сохранение мерзлоты; требуемая толщина прослойки и ее расположение в конструкции определяются теплотехническими расчетами;

- выполнение основных объемов работ по сооружению земляного полотна в зимнее время.

3.2. Сохранение мерзлоты с помощью термоизоляционного слоя из «Пеноплэкса»

3.2.1. Расчет требуемой толщины термоизолирующего слоя

3.2.1.1. Расчет толщины термоизолирующего слоя, необходимой для исключения протаивания вечной мерзлоты под насыпью или в ее теле производится как составная часть теплотехнического расчета многослойной конструкции.

Расчет выполняется отдельно для центральной части полотна и для откосных частей насыпи.

3.2.1.2. Для расчета центральной части используется расчетная схема, представленная на рис. 3.1. Схема предполагает, что разрез конструкции над поверхностью массива грунта, сохраняемого в мерзлом состоянии, включая N слоев. Номера слоев (i) изменяются от i = 1 для первого сверху слоя до i = N для последнего над мерзлым массивом слоем.

Рис. 3.1. Расчетная схема для центральной части дорожной конструкции

Каждый i-й слой характеризуется толщиной (h_i, м), объемной теплоемкостью (С_i, Дж/м³×К), коэффициентом теплопроводности (l_i, Вт/м×К), объемной влажностью (W_i, доли единицы).

Внешние факторы, определяющие тепловое воздействие, характеризуются средней за лето температурой воздуха (T_п, °С), продолжительностью периода с положительными температурами (t_s, сек).

3.2.1.3. Выражения для расчета толщины нижнего оттаивающего слоя, являющегося последним (i = N) в пакете, имеет вид:

            (3.1)

При  h_N = 0.

Здесь:

3.2.1.4. Определение необходимой толщины слоя «Пеноплэкса», включаемого в конструкцию, запроектированную по условию сохранения мерзлоты, производится подбором по формулам п. 3.2.1.3 при условии, что количество, толщина и теплофизические характеристики остальных слоев конструкции определены по тем или иным соображениям (высота насыпи, прочность дорожной одежды, технологические ограничения и пр.).

3.2.1.5. При выборе оптимальной конструкции следует учитывать, что наибольший эффект теплозащиты мерзлого массива достигается в том случае, если слой «Пеноплэкса» является предпоследним (N-1), а в последнем слое используется грунт с высокой влажностью (например, торф).

3.2.1.6. Расчет требуемой для сохранения мерзлоты теплоизоляции конструкции со стороны откосных частей осуществляется по специальной методике, основанной на двумерной теплофизической задаче.

Решение реализуется с помощью программы ПЭВМ.

3.2.2. Учет влияния термоизоляционного слоя из «Пеноплэкса» на прочность дорожной одежды

3.2.2.1. При расположении прослойки из «Пеноплэкса» с защищаемым его мерзлым грунтом на глубине более 1,5 м от поверхности покрытия наличие мерзлого слоя с высоким модулем упругости и низкомодульного термоизолирующего слоя в расчете дорожной одежды на прочность не учитывается. В этом случае в качестве расчетного модуля грунта принимается модуль упругости грунта, расположенного над прослойкой.

3.2.2.2. При расположении прослойки и поверхности мерзлого грунта ближе 1,5 м от поверхности покрытия для учета их влияния на напряженное состояние в расчете принимают модуль подстилающего грунта, определяемый по формуле:

                                                   (3.2)

где Е_м - модуль мерзлой толщи;

Е_Т - модуль прослойки;

h_м - условная расчетная толщина мерзлого слоя, см;

h_Т - толщина прослойки, см;

3.2.2.3. Расчетную толщину мерзлого слоя h_м определяют по формуле:

h_м = 1,5 - Z, см,                                                       (3.3)

где Z - расстояние от поверхности покрытия до поверхности толщи, сохраняемой в мерзлом состоянии, см;

3.2.2.4. Если значение модуля упругости, определяемое по формуле (3.2), окажется больше модуля грунта, расположенного над прослойкой, за расчетный модуль грунтового массива принимается модуль грунта, расположенного над прослойкой.

3.2.3. Схемы конструктивных решений дорожных конструкций, сооружаемых с сохранением грунта в мерзлом состоянии, с использованием термоизолирующего слоя из «Пеноплэкса»

3.2.3.1. В качестве принципиальных вариантов конструктивных решений, предусматриваемых при сохранении грунта в основании или нижней части земляного полотна в мерзлом состоянии, могут предусматриваться (рис. 3.2):

- устройство термоизолирующего слоя из «Пеноплэкса» на поверхности основания или в теле насыпи с укрытием (присыпкой) откосной части основной насыпи торфопесчаной смесью. При этом откос присыпки назначается менее крутым, чем откос основной насыпи (рис. 3.2.а);

- устройство термоизолирующего слоя из «Пеноплэкса» на поверхности основания или в теле насыпи с устройством теплозащитных берм (призм) из торфа (рис. 3.2.б);

- устройство термоизолирующего слоя из «Пеноплэкса» на поверхности основания или в теле насыпи с устройством теплозащитных слоев из «Пеноплэкса» на откосах (рис. 3.2.в).

Рис. 3.2. Термозащита со стороны откосной части:

1 - основная насыпь; 2 - мерзлота в основании; 3 - термозащитная присыпка; 4 - бермы из торфа; 5 - «Пеноплэкс»

3.2.3.2. Для повышения эффективности термозащиты термоизолирующие слои из «Пеноплэкса» следует комбинировать с торфяными термозащитными слоями.

3.2.3.3. Во всех случаях сохранения мерзлого грунта необходимо наряду с термоизолирующей прослойкой предусматривать устройство гидроизолирующей прослойки (под «Пеноплэксом»).

3.2.3.4. Если в нижней части насыпи используется твердомерзлый комковатый грунт для повышения надежности конструкции следует дополнительно под прослойкой из «Пеноплэкса» предусматривать устройство прослойки из геовеба.

3.2.3.5. Параметры вариантов конструкций должны обосновываться теплотехническими расчетами на основе двухмерной задачи.

4. Условия оптимизации дорожных конструкций с термоизоляционными слоями из пенополистирольных плит «Пеноплэкс»

4.1. Принципы оптимизации конструкций с прослойками из «Пеноплэкса» по строительной стоимости

4.1.1. При применении конструкций с термоизолирующими слоями следует реализовывать возможность получения оптимального решения по строительной стоимости. При такой оптимизации могут учитываться:

- изменение стоимости термоизолирующей прослойки из «Пеноплэкса» в зависимости от требуемой ее толщины и глубины заложения от поверхности покрытия;

- увеличение стоимости земляного полотна при увеличении глубины заложения прослойки (за счет увеличения доли более качественного грунта в общем объеме полотна),

- возможность снижения требуемого возвышения поверхности покрытия над уровнем грунтовых и поверхностных вод на участках насыпей и выемок, где требуемое возвышение без принятия специальных мер определяется условиями увлажнения и промерзания рабочего слоя земляного полотна;

- возможность снижения высоты насыпи в зоне вечной мерзлоты при проектировании по 1-му принципу;

- возможность уменьшения толщины дорожной одежды за счет уменьшения расчетной влажности грунта в зоне сезонного промерзания и уменьшения глубины промерзания;

- возможность возникновения необходимости усиления дорожной одежды (при близком расположении низкомодульной термоизолирующей прослойки).

4.1.2. Оптимизация должна осуществляться на основе использования целевой функции:

                          (4.1)

где С - стоимость дорожной конструкции;

С_в - стоимость верхней части земляного полотна (над прослойкой);

С_пр - стоимость прослойки;

С_ниж - стоимость нижней части земляного полотна (под прослойкой);

С_до - стоимость несущей части дорожной одежды (покрытие + несущее основание);

С_от - стоимость откосной части с естественным (торф) или искусственным термоизолятором;

С_мз - стоимость морозозащитного и дренирующего слоев дорожной одежды.

4.1.3. При приближенном решении задачи оптимизации следует ограничиться условием С_до = const. При этом дорожная одежда по прочности должна быть рассчитана на самый невыгодный случай конструкции рабочего слоя земляного полотна и слоев основания.

4.1.4. В случае устройства теплоизолирующей прослойки для снижения морозного пучения дорожной одежды аналитическое выражение стоимости конструкции в зависимости от глубины залегания прослойки имеет вид:

   (4.2)

где с_в - стоимость единицы объема верхней части земляного полотна (над прослойкой);

с_н - то же, под прослойкой;

Н - высота насыпи;

В - ширина полотна;

т - заложение откосов;

z - глубина расположения прослойки;

h_до - толщина дорожной одежды;

b - ширина проезжей части;

с_до - стоимость единицы объема несущей части дорожной одежды;

с_мз - стоимость единицы объема морозозащитного и дренирующего слоев;

h_мз - толщина морозозащитного и дренирующего слоя;

b_мз - ширина морозозащитного и дренирующего слоя;

с_пр - стоимость единицы объема прослойки;

h_пр - толщина прослойки;

h_н - толщина несущей части дорожной одежды;

Х_пр - ширина прослойки.

4.1.5. Толщина прослойки h_пр в общем случае является функцией глубины промерзания z_пр, убывающей при увеличении z_пр. Характер этой функции может быть установлен на основе теплофизического расчета.

В первом приближении ширину прослойки Х_пр следует назначать равной ширине земляного полотна (В).

4.1.6. Толщина морозозащитного и дренирующего слоя h_мз также является функцией глубины расположения теплоизолирующей прослойки (при заданной ее толщине).

4.1.7. Для определения оптимальной глубины заложения прослойки заданной толщины h_пр выражение (4.2) необходимо решить на минимум при h_пр = const.

При устройстве термоизолирующего слоя для исключения оттаивания нижней части насыпи или ее основания используется выражение:

    (4.3)

где С_от - стоимость откосной части из торфа или торфопесчаной смеси.

4.1.8. Оптимизацию дорожных конструкций можно проводить при заданных рабочих отметках полотна или с изменением отметок.

В последнем случае осуществляется общая оптимизация проектного решения с изменением по теплофизическому критерию продольного профиля и сокращением объема или стоимости земляных работ.

4.2. Принципы оценки эффективности конструкций с «Пеноплэксом»

4.2.1. При оценке экономической эффективности теплоизолирующей прослойки в условиях сезонного промерзания за базовую следует принимать конструкцию с морозозащитным слоем требуемой толщины при требуемом по условию водно-теплового режима возвышении земляного полотна над источниками увлажнения.

При оценке экономической эффективности теплоизолирующей прослойки в зоне вечной мерзлоты за базовую следует принимать конструкцию насыпи из дренирующего грунта, высота которой обеспечивает исключение протаивания основания.

4.2.2. При оценке экономической эффективности следует учитывать, что применение конструкций с термоизоляторами обеспечивает удлинение межремонтных сроков дорожной конструкции. До накопления фактических данных по продлению межремонтных сроков следует принимать их удлинение до 10 %.

4.2.3. При оценке эффективности дополнительно должны учитываться положительные и отрицательные эффекты:

- от повышения доли зимних работ;

- от снижения нагрузки на окружающую среду;

- от ускорения строительства.

5. Технология и организация устройства термоизолирующих прослоек из «Пеноплэкса» при строительстве дорог

5.1. Устройство теплоизолирующей прослойки из плит «Пеноплэкса»

5.1.1. До устройства теплоизолирующего слоя должны быть выполнены работы:

- подготовка земляного полотна;

- обеспечение водоотвода с поверхности земляного полотна;

- подготовка путей завоза строительных материалов.

5.1.2. Земляное полотно должно быть спланировано и уплотнено в соответствии с действующими нормативами. Если требуемого уплотнения в рабочем слое достичь невозможно, то должны быть выполнены специальные указания проекта.

Водоотвод с поверхности земляного полотна должен быть осуществлен до начала отсыпки выравнивающего слоя под «Пеноплэкс». При соответствующем технико-экономическом обосновании применяют дренирующую прослойку из геотекстиля. Поперечный уклон дренирующей прослойки принимают не менее 2 %.

5.1.3. Для обеспечения равномерного опирания плит на поверхность земляного полотна, как правило, устраивают выравнивающий слой из песка толщиной 5 - 10 см. Распределение песка производят бульдозерами. По подготовленному выравнивающему слою проезд механизмов и автотранспорта не допускается.

5.1.4. Плиты пеноплэкса (125´65 см) укладывают вручную (звено из 2 человек), располагая их длинной стороной вдоль дороги. Выравнивание термоизолирующего слоя производят подсыпкой песка под плиты с контролем нивелировкой. Стыковка плит осуществляется за счет шпунта, имеющегося на плите.

Плиты следует укладывать таким образом, чтобы поперечные швы в соседних рядах плит располагались вразбежку (т.е. в одной точке не должны соединяться 4 плиты) (рис. 5.1).

При двухъярусном теплоизолирующем слое швы нижележащего ряда плит необходимо перекрывать вышележащими плитами. Уложенные плиты закрепляют металлическими стержнями диаметром 6 - 8 мм и длиной 400 мм. Стержни забивают в плиту заподлицо. При ширине прослойки до 8 м достаточно закрепить крайние ряды плит и 1 - 2 ряда по середине слоя. Каждая плита крайнего ряда должна быть закреплена не менее, чем двумя стержнями. Плиты крайних рядов допускается закреплять, забивая стержни заподлицо с верхом плиты рядом с плитой.

5.1.5. Первый над плитами слой дорожной одежды или земляного полотна должен отсыпаться толщиной не менее 0,30 м в плотном теле по способу «от себя». Распределение песка производят бульдозером. Для уплотнения используют вибрационные уплотняющие средства.

При использовании построечной техники с диаметром следа заднего колеса более 37 см и при среднем давлении от заднего колеса более 0,6 МПа следует выполнить расчет необходимой толщины защитного слоя над пенопластом в соответствии с п. 2.4.2.

После уплотнения этого слоя виброкатком 14 - 17 т по нему допускается пропуск построечного транспорта.

Рис. 5.1. Схема укладки плит «Пеноплэкса» в один ярус

5.2. Особенности организации строительных работ при применении теплоизолирующих слоев из «Пеноплэкса» в зоне вечной мерзлоты

5.2.1. При применении «Пеноплэкса» в условиях вечной мерзлоты для реализации принципа сохранения мерзлоты в основании земляного полотна при соответствующей организации работ частично может быть использован период положительных температур. С этой целью на основе теплотехнических расчетов на стадии производства работ должен быть разработан график строительства, обеспечивающий исключение оттаивания мерзлоты в основании насыпи в течение ограниченного периода при недостроенной конструкции.

Такой график должен составляться совместно с проектной и научно-исследовательской организацией, осуществляющей научное сопровождение.

5.2.2. При проведении работ в соответствии с графиком, указанным в п. 5.2.1, должен проводиться мониторинг, обеспечивающий контроль температуры в конструкции и принятие оперативных мер в случае опасных ситуаций. В качестве таких мер может быть предусмотрено:

- ускорение сооружения конструкции над термоизолятором;

- временное усиление термоизоляции за счет укладки дополнительных слоев термоизолятора (с последующим их снятием);

- прекращение работ с переносом их на морозный период и т.д.

Генеральный директор                                                      В.М. Юмашев

Зав. лабораторией

Дорожных одежд,

руководитель темы,

д.т.н., проф.                                                                         В.Д. Казарновский

Исполнители:

д.г-м. наук, проф.                                                               С.Е. Гречищев

к.т.н.                                                                Е.С. Пшеничникова

Приложение 1

Расчет величины морозного пучения

П.1.1. Расчет морозного пучения на основе табличных значений расчетных параметров

1.1.1. Величину возможного морозного пучения следует определять по формуле:

                                      (П.1.1.)

где l_пуч.ср - величина морозного пучения при осредненных условиях, определяемая по графикам рис. П.1.1 в зависимости от толщины дорожной одежды (включая дополнительные слои основания), группы грунта по степени пучинистости (табл. П.1.1) и глубины промерзания (z_пр);

К_УГВ - коэффициент, учитывающий влияние расчетной глубины залегания уровня грунтовых или поверхностных вод (Н_g) (рис. П.1.2.); при 1-й расчетной схеме следует принимать: для супеси тяжелой и пылеватой и суглинка К_УГВ = 0,53; для песка и супеси легкой и крупной К_УГВ = 0,43;

К_пл - коэффициент, зависящий от степени уплотнения грунта рабочего слоя (табл. П.1.2.);

К_гр - коэффициент, учитывающий влияние гранулометрического состава грунта основания насыпи или выемки (табл. П.1.3.);

К_нагр - коэффициент, учитывающий влияние нагрузки от собственного веса вышележащей конструкции на грунт в промерзающем слое и зависящий от глубины промерзания (рис. П.1.3);

К_вл - коэффициент, зависящий от расчетной влажности грунта (табл. П.1.4).

Классификация грунтов по степени пучинистости при замерзании

Таблица П.1.1

1.1.2. Если данные натурных наблюдений отсутствуют, глубину промерзания дорожной конструкции допускается определять по формуле:

                                                   (П.1.2.)

где z_пр(ср) - средняя глубина промерзания для данного района, устанавливаемая при помощи карт изолиний (рис. П.1.4).

При глубине промерзания дорожной конструкции z_пр до 2 м l_пуч.ср устанавливают по графикам рис. 4.3. При z_пр от 2,0 до 3,0 м l_пуч.ср вычисляют по формуле:

                                    (П.1.3)

где l_{пуч.ср2,0} - величина морозного пучения при z_пр = 2,0 м;

а = 1,0; b = 0,16; с = 2,0 при 2,0 < z_пр < 2,5;

а = 1,08; b =0,08; с = 2,5 при 2,5 < z_пр < 3,0.

Если при расчетном сроке службы до 10 лет полученная величина возможного пучения будет превышать допустимую, а при сроке службы более 10 лет будет превышать 85 % от допустимой, необходимо рассмотреть вариант устройства морозозащитного слоя.

Таблица П.1.2

Таблица П.1.3

Таблица П.1.4

П.1.2. Определение величины морозного пучения путем использования коэффициента влагопроводности

1.2.1. В соответствии с данной методикой при прогнозировании величины морозного пучения предусматривается последовательное определение средней осенней влажности грунта рабочего слоя (W_осср), характеристики скорости промерзания (a), средней весенней влажности (W_весср). При этом учитываются продолжительность периода осеннего влагонакопления (t_вл), продолжительность периода промерзания (t_пр), расчетное удаление верха земляного полотна от уровня грунтовых (или поверхностных) вод (h_в), характеристика суровости зимнего периода (s), выражаемая суммой градусосуток отрицательной температуры воздуха. В табл. П.1.7 приведены значения t_вл, t_пр, и s для 65 пунктов России. При отсутствии в перечне нужного пункта значения этих характеристик берутся для ближайшего по географическому расположению пункта.

1.2.2. Расчет возможной величины морозного пучения поверхности дорожного покрытия ведут с использованием зависимости:

                         (П.1.4)

где h_пр - глубина промерзания грунта, см; q - плотность сухого грунта, г/см³; d - плотность воды, г/см³; W_нз - влажность (весовая), соответствующая незамерзающей воде, принимается по виду грунта из табл. П.1.5; W_пв - влажность (весовая) полной влагоемкости, вычисляемая из соотношения

                                              (П.1.5)

где r_сух - плотность сухого грунта, г/см³;

D - плотность скелетных частиц грунта, находящаяся, как правило, в пределах 2,67 - 2,73.

Таблица П.1.5

Значения влажности W_h и W_нз для различных грунтов

1.2.3. Полную глубину промерзания грунта h_пр определяют из следующих соотношений: при отсутствии теплоизоляционных слоев в составе дорожной одежды

                                                  (П.1.6)

при их наличии

                     (П.1.7)

где s - сумма градусочасов отрицательной температуры, умноженная на 0,001, определяемая для соответствующего региона из таблицы П.1.7;

h_s - толщина слоя эффективной теплоизоляции (пенопласт, пеноплэкс), см;

b = 1 при использовании в качестве теплоизоляции пенопласта или пеноплэкса.

1.2.4. Величину отношения W_весср/W_т, где W_т - влажность грунта земляного полотна на границе текучести в соответствии с данной методикой можно использовать в качестве расчетной относительной влажности при определении прочностных и деформационных характеристик грунта рабочего слоя.

Среднее значение весенней влажности W_весср находят из выражения:

                                       (П.1.8)

где W_h - влажность грунта по жидкой фазе в зоне первичного льдовыделения (при температуре грунта -0,5 ... -1,0 °С). Значения W_h для разных грунтов приведены в таблице П.1.5;

С - коэффициент, определяемый по графику рис. П.1.5 в зависимости от величины критерия зимнего влагонакопления Z, вычисляемого, в свою очередь, из соотношения:

                                                        (П.1.9)

Характеристику слоя промерзания грунта земляного полотна a определяют из соотношений:

При коэффициенте влагопроводности грунта до 2,0 см²/ч:

для автомобильных дорог I - II категорий

                                      (П.1.10)

для автомобильных дорог III - IV категорий

                                     (П.1.11)

где h_s - толщина слоя теплоизоляции только из местных материалов (керамзит, керамзитобетон, шлак, золошлаковая смесь, укрепленная цементом и др.);

При коэффициенте влагопроводности грунта 2,1 - 5,0 см²/ч:

для дорог I - II категорий

                                (П.1.12)

для дорог III - IV категорий

                               (П.1.13)

При F_oh > 1 W_отн практически не зависит от h_a/h_b, поэтому приводим следующую таблицу значений W_отн в зависимости от F_oh.

Таблица П.1.6

При F_oh > или = 2,1 следует принимать, что W_отн = 1.

h_кр - критическая глубина, при которой процесс пучения прекращается. В случае, если h_пр > h_кр, в расчет вводят h_кр = h_пр.

Грунты, характеризующиеся значением коэффициента влагопроводности более 5,0 см/ч при неблагоприятных грунтово-гидрологических условиях, как правило, не должны применяться для устройства земляного полотна.

Величину W_осср определяют по формуле:

                                   (П.1.14)

где W_о - начальная влажность грунта земляного полотна (весовая, доли единицы);

W_пв - влажность полной влагоемкости грунта (весовая в долях единицы);

_DW_отн - отношение осеннего приращения влажности к максимально возможной величине приращения влажности грунта.

Величину W_пв вычисляют из соотношения:

Величину _DW_отн устанавливают по номограмме рис. П.7.2 в зависимости от параметра

                                                     (П.1.15)

Величину параметра М, необходимого для использования номограммы рис. П.1.6, определяют по формуле

М = (160 - h_до)/h_в,                                             (П.1.16)

где h_до - суммарная толщина слоев дорожной одежды, см;

h_в - определяется по данным изысканий (обследований).

Таблица П.1.7

Климатические характеристики регионов России

Условные обозначения: t_вл - продолжительность периода осеннего влагонакопления, часы; t_пр - продолжительность периода промерзания, сутки, s - сумма градусочасов отрицательной температуры, умноженная на 0,001

Рис. П.1.1. Графики для определения осредненной величины морозного пучения l_пуч._ср

Примечания: 1. Кривую (II - V) выбирают в соответствии с табл. 4.2; 2. Кривую IIа выбирают при 2-й и 3-й схеме увлажнения рабочего слоя, кривую IIб при 1-й схеме увлажнения.

Рис. П.1.2. Зависимость коэффициента К_угв от расстояния от низа дорожной одежды до расчетного УГВ или УПВ.

1 - супесь тяжелая и тяжелая пылеватая, суглинок; 2 - песок, супесь легкая и легкая крупная.

Рис. П.1.3. Зависимость коэффициента К_нагр от глубины промерзания z_пр от поверхности покрытия:

1 - супесь тяжелая и пылеватая; суглинок; 2 - песок; супесь легкая, крупная

Рис. П.1.4. Карта изолиний глубины промерзания z_пр(ср) грунтов на территории СНГ:

1 - граница сплошного распространения вечномерзлых грунтов; 2 - то же, островного; 3 - границы стран СНГ

Рис. П.1.5. График для определения коэффициента С, используемого для вычисления весенней влажности

Рис. П.1.6. Номограммы для определения DW_отн при значениях F.

а - при F < 1; б - при F ³ 1.

Приложение 2

Примеры расчета

Пример 1.

Определить толщину теплоизолирующего слоя из «Пеноплэкса» для дороги в районе г. Москвы.

Исходные данные.

1. Дорога III технической категории.

2. Участок дороги расположен во II₂ дорожно-климатической подзоне.

3. Высота насыпи составляет 1,5 м, толщина дорожной одежды - 0,70 м.

4. Схема увлажнения рабочего слоя земляного полотна - III.

Глубина залегания грунтовых вод - 0,5 м.

5. Грунт насыпи и естественного основания - суглинок тяжелый пылеватый, который относится к сильнопучинистым грунтам.

6. Конструкция дорожной одежды:

плотный асфальтобетон - 5 см;

пористый асфальтобетон -15 см;

известняковый щебень - 30 см;

среднезернистый песок - 20 см.

7. Коэффициент теплопроводности «Пеноплэкса» составляет 0,028 Вт/мк.

8. Срок службы дорожной одежды между капитальными ремонтами - 10 лет.

Расчет

1. По табл. 3 Приложения 1 МСН-2000 определяем коэффициенты теплопроводности материалов конструктивных слоев дорожной одежды:

^* Среднеарифметическое значение коэффициентов теплопроводности l_т и l_м для песка в талом (l_т) и мерзлом (l_м) состоянии:

l_ср = 1,74 +2,32 = 2,03 (Вт/мК).

Определяем R_од(о):

R_од(о) =  = 0,05 : 1,40 + 0,15 : 1,25 + 0,30 : 1,39 + 0,20 : 2,03 = 0,47 (м²К/Вт);

2. По табл. 2.3 для сильнопучинистых грунтов находим С_пуч = 1,5.

При толщине дорожной одежды h_од = 0,70 м расстояние от низа дорожной одежды до УГВ Н_g составит 1,3 м.

3. Принимаем допустимую глубину промерзания h_пр(доп) 0 - 50 и по табл. 2.4 методом интерполяции между h_од = 0,50 м и h_од = 1,0 м определяем С_р = 0,81.

4. Находим l_доп/С_пучС_р = 4 : (1,5 × 0,81) = 3,3. При Н_g = 1,3 м по номограмме рис. 2.3 получаем значение h_пр(доп) = 82 см.

5. Поскольку значение С_р было определено для интервала h_пр(доп) 0 - 50, возвращаемся к табл. 2.4 и находим при h_пр(доп) = 0,82 м и h_од = 0,70 м.

С_р = 0,78. Для этих значений по номограмме рис. 2.3 определяем R_пр = 0,86 и по формуле (2.2)

R_од(тр) = 0,86 × 0,90 × 1,0 × 0,95 = 0,74 м²К/Вт.

6. По формуле (2.1) определяем толщину теплоизолирующего слоя.

h_п = 0,028 Вт/мК × (0,74 - 0,47) ×  ×  м²К/Вт = 0,013 м.

Полученная толщина теплоизолирующего слоя составляет 1,3 см.

Исходя из минимальной толщины плиты, назначаем толщину теплоизолирующего слоя 3 см.

Расчет окончен.

Пример 2.

Определить толщину теплоизолирующего слоя из «Пеноплэкса» на основе коэффициента влагопроводности.

Исходные данные.

1. Автомобильная дорога II категории расположена в регионе Нижнего Новгорода.

2. Грунт земляного полотна - супесь тяжелая пылеватая.

3. Глубина выемки составляет 100 см.

4. Расчетный уровень грунтовых вод - на глубине 120 см от поверхности земляного полотна.

5. Экспериментально установленное значение коэффициента влагопроводности К_вл = 5 см²/ч.

6. Начальная влажность W_н = 0,12, предел текучести W_т = 0,18, плотность сухого грунта r_сух = 1,66 г/см³.

7. Суммарная толщина дорожной одежды, имеющей асфальтобетонное покрытие, равна 60 см.

Расчет.

1. Из табл. П.1.7 находим для Нижнего Новгорода t_вл = 1440 ч, t_пр = 182 суток, s = 26,21.

2. Вычисляем по зависимости (2.6) значение критерия осеннего влагонакопления

3. Определяем параметр М в соответствии с (2.7)

М = (160 - 60)/120 = 0,83 см.

4. По графику рис. 2.4 находим DW_отн = 0,73.

5. Приняв r_т = 2,68, получим W_пв = 1/1,66 - 1/2,68 = 0,23.

6. По зависимости (2.10) вычисляем характеристику скорости промерзания

7. Используя (2.8), вычисляем критерий зимнего влагонакопления Z.

8. По графику рис. 2.5 находим С = 1,50.

9. Для супеси тяжелой пылеватой из табл. 2.6 находим W_h = 0,09 и W_нз = 0,06.

10. С помощью (2.5) находим

W_весср = 0,09 + [0,12 + 0,73(0,23 - 0,12) - 0,09] × 1,50 = 0,26.

11. По зависимости (2.4) находим величину допускаемой глубины промерзания грунта

12. Определяем по формуле (2.3) требуемую толщину h_s теплоизолирующего слоя из «Пеноплэкса»:

Расчет окончен.