Государственный всесоюзный дорожный
научно-исследовательский институт (Союздорнии)
Минтрансстроя СССР

ПОСОБИЕ
по проектированию
методов регулирования
водно-теплового режима
верхней части
земляного полотна

(к СНиП 2.05.02-85)

Утверждено

приказом по Союздорнии

от 31.08.87 г. 151

Москва Стройиздат 1989

Пособие по проектированию методов регулирования водно-теплового режима верхней части земляного полотна (к СНиП 2.05.02-85) / СоюздорНИИ. - М.: Стройиздат, 1989.

Содержит указания по проектированию методов регулирования водно-теплового режима земляного полотна, обеспечивающих прочность, морозоустойчивость и дренирование дорожной одежды и верхней части земляного полотна, создающих условия для снижения высоты насыпи и использования местных грунтов, а также для уменьшения толщины слоев дорожной одежды из дорогостоящих материалов.

Для инженерно-технических работников дорожного хозяйства.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящее Пособие разработано в целях детализации отдельных положений СНиП 2.05.02-85, относящихся к проектированию методов регулирования водно-теплового режима верхней части земляного полотна во II - V дорожно-климатических зонах.

Традиционные методы регулирования водно-теплового режима (морозозащитные слои, устраиваемые из непучинистых грунтов и материалов, дренирующие слои из кондиционных зернистых материалов с водоотводящими устройствами и др.) следует проектировать согласно Инструкции по проектированию дорожных одежд нежесткого типа ВСН 46-83, утвержденной Минтрансстроем СССР и согласованной Госстроем СССР.

В Пособии рассматриваются вопросы проектирования: морозозащитных слоев из некондиционных песков (слабопучинистых песчаных грунтов); теплоизолирующих слоев на участках дорог, где возвышение поверхности покрытия над уровнем поверхностных и грунтовых вод, верховодки и над поверхностью земли менее нормативных величин; дренирующих слоев из зернистых материалов с коэффициентом фильтрации менее 1 м/сут, работающих по принципу поглощения; гидроизолирующих, дренирующих и капилляропрерывающих прослоек; специальных поперечников земляного полотна с целью защиты его от поверхностной воды (уположенные откосы, бермы) и конструкции земляного полотна с повышенной плотностью грунтов.

Указанные мероприятия предназначены для применения в районах с сезонным промерзанием грунтов во II и III дорожно-климатических зонах, а конструкции земляного полотна с повышенной плотностью грунтов также в IV и V зонах.

Проектирование следует проводить на основе прогноза основных водно-тепловых процессов в земляном полотне, которые влияют на круглогодичные изменения плотности и влажности многослойных грунтов рабочего слоя и основания насыпи или выемки при эксплуатации дороги.

Пособие разработано СоюздорНИИ (д-р техн. наук В.И. Рувинский, д-р техн. наук, проф. В.Д. Казарновский, канд. техн. наук В.М. Смирнов, М. Дуйшеналиев, инженеры В.И. Зубкова, С.В. Черняев) при участии Ленинградского филиала СоюздорНИИ (д-р техн. наук, проф. М.Б. Корсунский, канд. техн. наук Ю.М. Васильев); Среднеазиатского филиала СоюздорНИИ (канд. техн. наук О.А. Сяпич); Союздорпроекта (канд. техн. наук В.Д. Браславский); МАДИ (д-р техн. наук, проф. А.Я. Тулаев, канд. техн. наук Н.В. Быстров, В.И. Куканов); ВСЕГИНГЕО (канд. геол.-минерал. наук С.М. Семенов).

Общее редактирование выполнено д-ром техн. наук В.И. Рувинским.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. В районах сезонного промерзания грунтов на дорогах I - IV категорий с жесткими и нежесткими дорожными одеждами, находящихся в неблагоприятных грунтово-гидрологических условиях, наряду с обеспечением требуемой прочности следует предусматривать противопучинные мероприятия, гарантирующие достаточную морозоустойчивость дорожной одежды и земляного полотна.

Не требуется специальных противопучинных мероприятий при земляном полотне, отвечающем трем основным требованиям:

возвышение поверхности покрытия над уровнем грунтовых вод, верховодки или длительно (более 30 сут) стоящих поверхностных вод и над поверхностью земли на участках с необеспеченным поверхностным стоком или над уровнем кратковременно (менее 30 сут) стоящих поверхностных вод не менее нормативных величин (СНиП 2.05.02-85);

рабочий слой в пределах 2/3 глубины промерзания, но не менее 1,2 м от поверхности цементобетонных и на глубину 1 м асфальтобетонных покрытий во II дорожно-климатической зоне и на 1 и 0,8 м соответственно в III дорожно-климатической зоне состоит из непучинистых или слабопучинистых грунтов;

степень уплотнения грунтов рабочего слоя не менее нормативных величин (СНиП 2.05.02-85).

Не требуется специальных противопучинных мероприятий также в районах с глубиной промерзания менее 0,6 м.

1.2. При невозможности или нецелесообразности выполнения указанных требований должны быть предусмотрены противопучинные мероприятия:

устройство морозозащитного слоя;

регулирование водно-теплового режима земляного полотна с помощью гидроизолирующих, дренирующих, капилляропрерывающих прослоек и теплоизолирующих слоев;

укрепление и улучшение грунта рабочего слоя с использованием вяжущих, гранулометрических добавок и др.;

понижение уровня подземных вод с помощью дренажа;

применение специальных поперечников земляного полотна с целью защиты его от поверхностной воды (уположенные откосы, бермы).

Для устройства морозозащитных слоев нужно применять песчано-гравийные (песчано-щебеночные) смеси и пески, а на дорогах I - III категорий также укрепленные грунты II и III классов прочности (СНиП 2.05.02-85) и другие непучинистые материалы. Относительная величина их морозного пучения не должна превышать 1 %.

Для морозозащитных слоев дорожных одежд можно допускать без дополнительных испытаний пески по ГОСТ 8736-85, содержащие зерна размером менее 0,14 мм, не более 25 % по массе, пылевидно-глинистых частиц не более 5 %, в том числе глинистых частиц для природного песка не более 0,5 % и для дробленого - не более 1 % по массе. Коэффициент фильтрации при максимальной плотности должен быть не менее 1 м/сут.

Для морозозащитных слоев, устраиваемых на всю ширину земляного полотна, допускается применять некондиционные пески (слабопучинистые песчаные грунты), которые удовлетворяют требованиям по величине коэффициента пучения и сдвиговым характеристикам, устанавливаемым расчетом на прочность и морозоустойчивость дорожной одежды, и имеют коэффициент фильтрации не менее 0,2 м/сут.

Расчет толщины морозозащитных слоев, устраиваемых из непучинистых материалов и грунтов, следует проводить по Инструкции ВСН 46-83. Расчет толщины морозозащитных слоев из некондиционных песков (слабопучинистых песчаных грунтов) нужно проводить согласно настоящему Пособию.

Во всех случаях толщину морозозащитного слоя из некондиционных песков следует принимать не менее 0,2 м.

Для устройства теплоизолирующих слоев могут быть применены полимерные материалы (пенопласты); легкие бетоны, в которых содержатся пористые заполнители (керамзит, аглопорит, гранулы полистирола, измельченный пенопласт); металлургические шлаки, золошлаковые смеси, обработанные цементом, битумом или битумной эмульсией, и другие теплоизоляционные материалы, удовлетворяющие требованиям к дорожно-строительным материалам соответствующих нормативных документов.

На участках дорог, удовлетворяющих требованиям СНиП 2.05.02-85, в части возвышения поверхности покрытия над поверхностью земли и уровнем поверхностных и грунтовых вод и верховодки следует проектировать теплоизолирующие слои по Инструкции ВСН 46-83; в остальных случаях - согласно настоящему Пособию.

Для устройства гидроизолирующих прослоек могут быть применены полиэтиленовая пленка, стабилизированная 2 % канальной сажи толщиной не менее 0,2 мм, изол и другие материалы, а для устройства дренирующих и капилляропрерывающих прослоек - нетканые синтетические материалы, удовлетворяющие требованиям, изложенным в настоящем Пособии.

Укрепление грунта рабочего слоя с использованием вяжущих следует проводить согласно Инструкции ВСН 46-83.

Понижение уровня подземных вод с помощью дренажа нужно проектировать согласно «Типовым проектным решениям 503-0-43. Дренажные устройства земляного полотна автомобильных дорог общей сети Союза ССР».

Специальные поперечники земляного полотна с целью защиты его от поверхностной воды (уположенные откосы, бермы) следует проектировать согласно изложенному в настоящем Пособии.

При сохранении стабильной плотности и влажности грунтов во II и III дорожно-климатических зонах допускается при обосновании более значительное уплотнение верхней части рабочего слоя земляного полотна для использования в качестве нижнего конструктивного слоя дорожной одежды.

В IV и V зонах при проектировании земляного полотна следует рассматривать вопрос о повышении плотности грунтов по сравнению с нормами при соответствующем технико-экономическом обосновании и при условии защиты связного набухающего грунта от доувлажнения в процессе эксплуатации. Для V зоны следует предусматривать повышение степени уплотнения (до 1 - 1,05) верхней части рабочего слоя толщиной 0,2 - 0,3 м. То же следует предусматривать на дорогах I категории во всех дорожно-климатических зонах.

Проектирование конструкций земляного полотна с повышенной плотностью грунтов нужно проводить согласно настоящему Пособию.

1.3. На участках земляного полотна из глинистых грунтов и пылеватых песков следует предусматривать дренирующие слои с водоотводящими устройствами при основаниях и дополнительных слоях, выполненных из традиционных зернистых (пористых) материалов, в следующих случаях:

во II дорожно-климатической зоне при всех типах увлажнения рабочего слоя земляного полотна (см. прил. 1 настоящего Пособия);

в III дорожно-климатической зоне при 2-м и 3-м типах увлажнения рабочего слоя, а также при 1-м типе - в районах 2 (III) - 5 (III) (см. табл. 2 Пособия);

в IV и V зонах при 3-м типе увлажнения рабочего слоя.

Дренирующий слой можно не устраивать на участках дорог с морозозащитным слоем из слабопучинистых песчаных грунтов с коэффициентом фильтрации не менее 0,2 м/сут, в котором может разместиться вся поступающая вода без снижения прочности дорожной одежды.

Необходимость устройства дренирующих слоев на участках дорог, где основания или дополнительные слои дорожной одежды выполнены из грунтов и каменных материалов, обработанных вяжущими, устанавливается расчетом на осушение. Когда такие дренирующие слои не предусматриваются, следует устраивать дренирующие прослойки из нетканых синтетических материалов.

Для устройства дренирующих слоев с водоотводящими устройствами следует использовать гравий, песок и другие зернистые материалы с коэффициентом фильтрации не менее 1 м/сут. Для устройства дренирующего слоя в насыпях только на ширину проезжей части и в выемках, особенно при 3-м типе увлажнения рабочего слоя, следует использовать материалы, имеющие коэффициент фильтрации более 2 м/сут.

Коэффициент фильтрации дренирующего материала нужно определять прибором СоюздорНИИ при максимальной плотности материала, установленной методом стандартного уплотнения по ГОСТ 22733-77.

За исключением гравия и природного песка, следует определять коэффициент фильтрации на образцах, которые прошли 10 циклов замораживания-оттаивания в водонасыщенном состоянии при температуре минус 10 °С и минус 5 °С соответственно для II и III дорожно-климатических зон. Испытания проводят в формах, в которых зернистый материал уплотняют до требуемой плотности, заливают водой и подвергают замораживанию-оттаиванию.

Толщину дренирующего слоя с водоотводящими устройствами и необходимый коэффициент фильтрации материала следует устанавливать расчетом по Инструкции ВСН 46-83 в зависимости от количества воды, поступающей в основание проезжей части, способа ее отвода, длины фильтрации и других факторов.

Допускается применять дренирующие грунты с коэффициентом фильтрации не менее 0,5 м/сут. В этом случае дренирующий слой должен быть рассчитан на поглощение всего количества воды, поступающей за расчетный период. Расчет толщины дренирующего слоя по принципу поглощения нужно проводить согласно настоящему Пособию.

Во всех случаях толщину дренирующего слоя следует принимать не менее 0,2 м.

При наличии дренирующего слоя над морозозащитным слоем последний можно устраивать из некондиционных песков с коэффициентом фильтрации менее 0,2 м/сут при условии, что этот грунт удовлетворяет требованиям по величине коэффициента пучения и сдвиговым характеристикам. То же при устройстве дренирующей прослойки из нетканых синтетических материалов над морозозащитным слоем при условии, что интенсивность стока воды по порам холста не менее интенсивности поступления воды в прослойку.

1.4. Мероприятия по регулированию водно-теплового режима проектируют исходя из условия обеспечения прочности и морозоустойчивости дорожной одежды при намеченной конструкции земляного полотна. Необходимые для расчета на прочность данные о максимальной величине влажности и минимальном значении плотности грунта, которые можно ожидать в период между капитальными ремонтами дорожной одежды, следует устанавливать согласно настоящему Пособию. Сам расчет на прочность дорожной одежды проводят по Инструкциям Минтрансстроя СССР ВСН 46-83 и ВСН 197-83.

Расчет дорожной одежды на морозоустойчивость изложен в настоящем Пособии. Этот расчет должен предусматривать определение суммарной величины пучения грунтов в зоне промерзания под дорожной одеждой, включая установление пучения: некондиционного песка морозозащитного слоя, глинистого грунта насыпи, грунта с ненарушенной структурой под подошвой насыпи или в основании выемки, а также грунта над и под прослойками из дренирующих, капилляропрерывающих и гидроизоляционных материалов. При этом следует принимать в качестве расчетных среднемноголетнее значение и наибольшую величину пучения этих грунтов в период между капитальными ремонтами дорожной одежды. Морозоустойчивость дорожной одежды обеспечивается, когда поднятие покрытия проезжей части в результате пучения грунтов в зимний период не превышает допустимых значений, приведенных в п. 1.8.

Указанные величины влажности, плотности и пучения грунтов нужно определять по результатам прогноза водно-теплового режима земляного полотна для трех лет: года с наиболее холодной и года с наиболее теплой зимой повторяемостью один раз в период между капитальными ремонтами дорожной одежды и для среднемноголетнего года по величине сумм отрицательных градусо-суток температур воздуха. Необходимые для этого прогноза значения климатических параметров, характеризующих ход температуры воздуха в указанные годы, следует принимать по табл. 8 или по данным наблюдений метеослужбы согласно прил. 3 настоящего Пособия.

Значения плотности, влажности и пучения грунтов, входящих в расчет дорожной одежды, нужно устанавливать с учетом влияния на эти величины трех источников увлажнения: атмосферных осадков, выпадающих на поверхность проезжей части и обочин; поверхностных вод, застаивающихся вблизи дороги на участках с необеспеченным поверхностным стоком; грунтовых вод и верховодки. В зависимости от влияния этих источников увлажнения на указанные характеристики грунта различают три типа увлажнения рабочего слоя земляного полотна согласно прил. 1 настоящего Пособия. Атмосферные осадки, выпадающие на поверхность откосов насыпи, можно не учитывать при расчете дорожной одежды.

1.5. Разработку конструкций земляного полотна следует начинать с установления высоты насыпи или глубины выемки по условиям рельефа местности, застройки территории, ценности сельскохозяйственных земель, обеспечения снегонезаносимости дороги, безопасности движения и вписывания дороги в ландшафт. При установленных значениях высоты насыпи или глубины выемки необходимо определить тип увлажнения рабочего слоя земляного полотна согласно прил. 1 настоящего Пособия. Затем нужно разработать варианты мероприятий по регулированию водно-теплового режима исходя из типа увлажнения рабочего слоя земляного полотна, грунтово-гидрологических и климатических условий, рельефа местности, наличия дорожно-строительных материалов и планируемых темпов строительства. В качестве вариантов мероприятий следует предусматривать устройство специальных поперечных профилей (уположенные откосы, бермы), повышение или понижение высоты насыпи по сравнению с первоначально намеченной величиной, устройство морозозащитных и дренирующих слоев из некондиционных песков и теплоизолирующих слоев из различных материалов, дренирующих и капилляропрерывающих прослоек из нетканых синтетических материалов, гидроизолирующих прослоек из различных материалов, а также устройство слоев земляного полотна с повышенной плотностью грунтов.

1.6. Перед прогнозом водно-теплового режима земляного полотна необходимо предварительно наметить конструкцию дорожной одежды по условиям прочности. В этом случае в расчет дорожной одежды нужно включать значения модуля упругости, угла внутреннего трения и сцепление грунта, влажность которого равна полной капиллярной влагоемкости, соответствующей требуемой плотности этого грунта при строительстве дороги. Величину полной капиллярной влагоемкости грунта нужно устанавливать экспериментально или принимать по данным расчетов согласно п. 2.2 Пособия.

При предварительно намеченной конструкции дорожной одежды и выбранном варианте мероприятий по регулированию водно-теплового режима земляного полотна следует установить значения плотности, влажности и пучения грунтов, которые они будут иметь в процессе эксплуатации дороги.

Для прогноза этих величин последовательно определяют: приток воды в грунт от атмосферных осадков, выпадающих на поверхность проезжей части и обочин в осенний период влагонакопления и зимой до устойчивого промерзания земляного полотна (см. п. 2); расчетные положения горизонта грунтовых вод в случае 3-го типа увлажнения рабочего слоя (см. разд. 3); эпюры влажности грунтов перед их промерзанием (см. разд. 4 и 7); температурное поле земляного полотна в зимний период (см. разд. 5); влажность, плотность, пучение и усадку грунтов при промерзании земляного полотна, а также осадку грунтов в весенний период (см. разд. 6); приток воды в грунт от атмосферных осадков, выпадающих на поверхность проезжей части и обочин, и от поверхностных и грунтовых вод в период оттаивания земляного полотна весной, а также влажность и плотность грунтов в этот период (см. разд. 2 и 6); влажность, плотность и усадку грунтов в летний период (см. разд. 6). Для западных районов (западнее линии Нарва - Псков - Смоленск - Орел - Воронеж) II - III дорожно-климатических зон необходимо дополнительно учитывать поступление воды в грунт от атмосферных осадков, выпадающих на поверхность проезжей части и обочин в период зимних оттепелей (см. разд. 2).

При проведении расчетов водно-теплового режима земляного полотна следует принимать в качестве исходной влажность грунта перед началом осеннего периода влагонакопления. При 1-м и 2-м типах увлажнения эту величину можно принимать равной оптимальной влажности; то же, при 3-м типе увлажнения рабочего слоя в случае расположения этого слоя выше зоны капиллярной каймы над горизонтом грунтовых вод в летний период (см. разд. 3 и 4). При расположении рабочего слоя земляного полотна в зоне капиллярной каймы исходная влажность грунта определяется расчетом (см. разд. 4).

При проведении расчетов водно-теплового режима необходимо учитывать круглогодичные изменения плотности грунтов земляного полотна в процессе эксплуатации дороги. Для грунтов под проезжей частью и обочинами можно не учитывать величину их набухания в осенний период.

Первоначально в расчет водно-теплового режима необходимо вводить требуемую плотность грунта при строительстве дороги. Для грунтов естественного основания в расчет включают их плотности, установленные при изыскании дороги. При отсутствии таких данных допускается принимать значения плотности скелета грунта естественного основания равными: 0,9 от максимальной плотности для песков, супеси и пылеватых суглинков и 0,95 от максимальной плотности по методу стандартного уплотнения для непылеватых суглинков и глин.

Расчетные значения влажности, плотности и пучения грунта, полученные при этих исходных данных, являются искомыми при условии восстановления первоначальной плотности грунта в летний период.

При величине плотности грунта после его усадки в летний период менее требуемой плотности при постройке дороги следует ожидать разуплотнения грунта земляного полотна. В этом случае, нужно повторить расчет, включая в него в качестве исходной плотности грунта значение плотности, полученное для летнего периода года. При необходимости расчет нужно повторять до тех пор, пока суммарная величина осадки грунта весной и его усадки летом не будет равна величине пучения этого грунта в зимний период.

В этом случае в качестве расчетных следует принимать максимальное значение влажности и минимальное значение плотности грунта и наибольшую величину его пучения, которые могут иметь место в период разуплотнения грунта.

1.7. При расчетных значениях плотности и влажности грунта необходимо экспериментально установить или определить по Инструкции ВСН 46-83 прочностные и деформационные характеристики: модуль упругости, угол внутреннего трения и сцепления этого грунта. С учетом этих характеристик следует уточнить по прочности конструкцию дорожной одежды. Данный вариант заканчивают составлять при толщине дорожной одежды, полученной расчетом на прочность, которая равна или меньше величины, рассчитанной по морозоустойчивости. Если это условие не удовлетворено, то следует изменить конструкцию дорожной одежды или выбрать другие методы регулирования водно-теплового режима земляного полотна и повторить расчет на прочность и морозоустойчивость.

1.8. Для обеспечения морозоустойчивости дорожной одежды необходимо, чтобы ожидаемая величина пучения грунтов для среднемноголетнего года по условиям промерзания не превышала допустимого значения. Для монолитных покрытий капитального типа нужно также ограничивать ожидаемую величину пучения грунтов повторяемостью один раз в период между капитальными ремонтами дорожной одежды.

По продольному профилю трассы дороги следует выделять участки с однородным и неоднородным залеганием грунтов по степени неравномерности их пучения. К однородным нужно относить участки с грунтом одной разновидности или разных разновидностей, при горизонтальном залегании слоев грунта в зоне промерзания под подошвой насыпи или основания выемки. Допустимое значение поднятия проезжей части надо определять в зависимости от типа покрытия дорожной одежды и характера залегания грунтов.

Пучение грунтов существенно не влияет на ровность покрытия и долговечность дорожной одежды, если поднятие проезжей части в зимний период не превышает допустимых значений по формулам:

hпуч(осн)hпуч/3lдоп = lдоп(о);                                                       (1)

при

hпуч(осн) > hпуч/3               (2)

где hпуч(осн) - ожидаемое пучение грунтов под подошвой насыпи или в основании выемки, см; hпуч - ожидаемое суммарное пучение грунтов под дорожной одеждой, см; lдоп - допустимая величина поднятия покрытия проезжей части, см; lдоп(о) - допустимая величина поднятия покрытия проезжей части при однородном залегании грунтов, см; Kусл - коэффициент, учитывающий условия залегания грунтов под подошвой насыпи или в основании выемки.

В расчет следует включать следующие значения lдоп(о) см:

Капитальная одежда:

цементобетонное монолитное покрытие................... 3 (4,5)

сборное покрытие......................................................... 4

асфальтобетонное покрытие (горячая и теплая

смесь марок I и II........................................................... 4 (6)

Облегченная одежда:

асфальтобетонное покрытие (горячая и теплая

смесь марки III............................................................... 6

Переходная одежда...................................................................... 10

Значения lдоп(о) без скобок нужно применять при включении в расчет величины пучения, подсчитанной для среднемноголетнего года по условиям промерзания; значения в скобках - для года повторяемостью один раз в период между капитальными ремонтами дорожной одежды.

В зависимости от характера залегания грунтов под подошвой насыпи или в основании выемки необходимо включать в расчет следующие значения коэффициента Kусл:

однородное залегание грунтов.................................................................................... 1

неоднородное залегание грунтов при 1-м типе увлажнения рабочего слоя.......... 1,5

то же, при 2-м и 3-м типах увлажнения рабочего слоя............................................ 2

В восточных районах II - III дорожно-климатических зон значения lдоп следует увеличивать на 20 - 40 % (большее значение - для облегченных и переходных дорожных одежд).

1.9. При оценке вариантов мероприятий по регулированию воднотеплового режима земляного полотна следует принимать в качестве основного критерия минимальные за срок сравнения приведенные затраты, которые представляют собой сумму приведенных капитальных вложений в дорожное строительство, транспортных расходов и расходов на эксплуатацию дороги.

2. ПРИТОК ВОДЫ В ГРУНТ ОТ АТМОСФЕРНЫХ ОСАДКОВ

2.1. Приток воды в грунт от атмосферных осадков следует устанавливать для трех периодов. Первый начинается осенью с момента влагонакопления в земляном полотне и заканчивается зимой при устойчивом промерзании грунта; второй имеет место при оттаивании грунтов под проезжей частью и обочинами во время зимних оттепелей; третий начинается весной с момента оттаивания рабочего слоя земляного полотна и заканчивается при превышении испарения воды над величиной впитывания осадков.

Прогнозировать приток воды в грунт в первый и третий периоды увлажнения следует для расчетного года с наибольшей суммарной продолжительностью выпадения осадков с периодичностью повторения одни раз за срок между капитальными ремонтами дорожной одежды. Прогнозировать приток осадков в грунт во второй период увлажнения нужно для года со среднемноголетней суммарной продолжительностью выпадения осадков (в виде дождя и снега) в течение зимы.

2.2. Для расчета притока воды в грунт необходимы следующие данные:

типы покрытия проезжей части и укрепления обочин, а также размеры конструктивных элементов дороги: ширина проезжей части и обочин, продольный уклон дороги, поперечный уклон проезжей части и обочин (проектные данные);

характеристика грунтов земляного полотна: коэффициент фильтрации, полная капиллярная влагоемкость, влажность на границе текучести и оптимальная влажность. При ориентировочных расчетах - коэффициент уплотнения грунта и оптимальная влажность;

метеорологические факторы в последний месяц осени *;

количество осадков и число дождей, суммарная продолжительность выпадения осадков и дефицит влажности воздуха заданной обеспеченности, среднемесячные значения интенсивности дождя и скорости ветра;

метеорологические факторы в первый месяц весны (такие же, как и в последний месяц осени);

метеорологические факторы в зимний период: количество осадков, число дождей и суммарная продолжительность осадков, выпадающих в виде дождя, за каждый месяц зимы по среднемноголетним данным. Допускается определять суммарную продолжительность осадков, выпадающих в виде дождя, и число дождей по формуле (3) и табл. 1. Для этого необходимы данные о суммарной продолжительности осадков, выпадающих в виде дождя и снега за каждый месяц зимы, и значения среднемесячных температур воздуха зимой по среднемноголетним данным.

Таблица 1

, °С …

0

-2

-4

, °С …

-6

-8

-10

Kд

12

11

9,5

Kд

7,5

6

5

mд

7

7

6

mд

5

4

3

Для зимы суммарная продолжительность осадков за месяц Tд, мин, выпадающих в виде дождя, устанавливается по формуле

Tд = Tд, сн[1 - (50 - Kд)/100],                                            (3)

где Tд, сн - суммарная продолжительность осадков за месяц, выпадающих в виде дождя и снега, по среднемноголетним данным, мин; Kд - коэффициент, 1/°С;  - среднемесячная температура воздуха (со знаком минус), °С.

Величину коэффициента Kд и число дождей зимой mд следует устанавливать по табл. 1 в зависимости от среднемесячной температуры воздуха.

Значение капиллярной влагоемкости грунта (Wкв, доли единицы) можно принимать равной полной влагоемкости (Wпв, доли единицы) минус величина Vвозд, которую определяют по табл. 2.

Таблица 2

WL, грунта, %

Vвозд доли единицы, при Kу, равном

WL, грунта, %

Vвозд доли единицы, при Kу, равном

1

0,95

0,9

1

0,95

0,9

20

0,03

0,04

0,05

40

0,01

0,02

0,03

30

0,02

0,03

0,04

* За конец осени и начало весны принята дата устойчивого перехода среднесуточной температуры воздуха через 0 °С.

Для песков мелких и пылеватых принимают те же значения Vвозд, что и для глинистых грунтов при WL = 20 % (где WL - влажность на границе текучести и Kу - коэффициент уплотнения грунта);

Wп.в = (ρгр - ρскв/(ρгрρск),                                           (4)

где ρгр, ρск, ρв - соответственно плотность частиц грунта, скелета грунта и воды, кг/м3.

При расчете по формуле (4) можно использовать осредненные значения плотности частиц грунта ρгр, кг/м3, приведенные ниже:

Песок мелкий и пылеватый.......................................... 2650

Пылевая супесь.............................................................. 2660

Легкая супесь................................................................. 2680

Легкий пылеватый суглинок........................................ 2690

Легкий суглинок............................................................ 2700

Тяжелый суглинок......................................................... 2710

Пылеватая глина............................................................ 2720

Жирная глина................................................................ 2740

При установлении характерных участков дороги для расчета притока воды в земляное полотно необходимо учитывать подразделение территории II и III дорожно-климатических зон СССР на 5 районов по условиям увлажнения осадками (табл. 3). В основу районирования положены среднемноголетние значения дефицита влажности воздуха и осадков, выпавших в первый весенний и последний осенний месяцы.

Таблица 3

Номер района (дорожно-климатическая зона)

Географические границы района

1 (II)

Европейская часть II дорожно-климатической зоны западнее линии: Мерсрагс (ЛатССР) - Биржай - Укмерге - Лаздияй (ЛитССР)

2 (II)

Европейская часть II дорожно-климатической зоны до границы районов 1 (II) и 3 (II)

3 (II)

Европейская часть II дорожно-климатической зоны к югу от линии: Ковров (Владимирская обл.) - Чухлома (Костромская обл.) - Никольск (Вологодская обл.) - Опарино - Лойно (Кировская обл.) - Кудымкар (Коми-Пермяцкий автономный округ) - Оса (Пермская обл.)

Азиатская часть II дорожно-климатической зоны севернее линии: Североуральск (Свердловская обл.) - Урай-Болчары (Ханты-Мансийский автономный округ) - Кунтики - Новая Жизнь (Томская обл.)

4 (II)

Азиатская часть II дорожно-климатической зоны к югу от границы района 3 (II) до линии: Артемовский - Тугулым (Свердловская обл.) - Омутинский (Тюменская обл.)

5 (II)

Азиатская часть II дорожно-климатической зоны к югу от границы района 4 (II)

2 (III)

Европейская часть III дорожно-климатической зоны севернее линии: Окница (Молдавская ССР) - Лохвица (Полтавская обл.) - Обоянь (Курская обл.) - Задонск (Липецкая обл.) - Ковров (Владимирская обл.) - Оса (Пермская обл.) - Аскино (Башкирская АССР) - Куса (Челябинская обл.)

3 (III)

Европейская часть III дорожно-климатической зоны до границы районов 2 (III) и 4 (III)

4 (III)

Европейская часть III дорожно-климатической зоны к югу от линии: Новоспасское - Ульяновск (Ульяновская обл.) - Чистополь (Татарская АССР) - Сарапул (Удмуртская АССР) - Люртюли - Миндяк (Башкирская АССР)

Азиатская часть III дорожно-климатической зоны между линиями: Называевск - Марьяновка (Омская обл.) - Базой (Томская обл.) - Лебедево (Новосибирская обл.)

5 (III)

Азиатская часть III дорожно-климатической зоны к западу от границы района 4 (III) до линии Фершампенуаз - Аргаяш (Челябинская обл.)

При расчете притока воды в грунт можно использовать метеорологические данные, приведенные в табл. 4 для указанных районов по условиям увлажнения осадками.

Таблица 4

Номер района

Город

Начало и конец периода

Продолжительность осадков 5 %-ной обеспеченности, ч

Средняя интенсивность дождя, мм/мин

Число дождей 5 %-ной обеспеченности

Дефицит влажности воздуха 5 %-ной обеспеченности, ГПа

Средняя скорость ветра, м/с

Первый весенний месяц

2

Архангельск

21/IV - 21/V

210

0,006

60

1,2

4

Вильнюс

21/III - 20/IV

230

0,006

55

1,1

4

Ленинград

3/IV - 3/V

210

0,006

55

1,5

4

Москва

3/IV - 3/V

165

0,007

50

1,8

4

Ржев

5/IV - 5/V

200

0,006

60

1,7

4

Сыктывкар

13/IV - 13/V

250

0,005

55

1,5

4

Чернигов

21/III - 20/IV

180

0,008

50

1,1

4

3

Александровское

25/IV - 25/V

180

0,007

50

2,1

5

Бугульма

10/IV - 10/V

200

0,007

55

2

5

Киров

11/IV - 11/V

190

0,007

55

2

5

Тамбов

31/III - 30/IV

180

0,007

55

1,7

4

4

Свердловск

10/IV - 10/V

190

0,005

55

1,8

6

Тюмень

7/IV - 7/V

150

0,006

40

2,1

4

5

Минусинск

8/IV - 8/V

100

0,007

40

2,2

3

Омск

14/IV - 14/V

110

0,009

45

2

5

Последний осенний месяц

2

Архангельск

20/IX - 20/X

270

0,007

80

0,5

5

Вильнюс

21/X - 20/XI

230

0,006

60

0,4

4

Ленинград

11/X - 10/XI

240

0,007

70

0,8

4

Москва

5/X - 4/XI

210

0,007

55

0,9

4

Ржев

5/X - 4/XI

230

0,005

65

0,8

4

Сыктывкар

15/IX - 15/X

380

0,005

80

0,6

4

Чернигов

18/X - 17/XI

200

0,007

40

0,5

4

3

Александровское

14/IX - 14/X

290

0,006

70

0,9

5

Бугульма

23/IX - 23/X

250

0,006

55

0,1

5

Киров

21/IX - 21/X

290

0,006

65

0,9

5

Тамбов

7/X - 6/XI

230

0,006

60

1

4

4

Свердловск

18/IX - 18/X

280

0,005

70

1

6

Тюмень

21/IX - 21/X

240

0,005

55

1

4

5

Минусинск

18/IX - 18/X

120

0,008

45

1,2

3

Омск

20/IX - 20/X

150

0,006

45

1,1

4

2.3. Приток воды в грунт в первый период увлажнения атмосферными осадками следует определять по формулам:

q'атм(пр.ч) = 10-3апрH'вп(пр.ч);                                                  (5)

q'атм(об) = 10-3апр(H'вп(об) - H'исп(об)),                                         (6)

где q'атм(пр.ч) - приток воды в грунт от атмосферных осадков, выпадающих на поверхность проезжей части в осенний период влагонакопления и зимой до устойчивого промерзания грунта, м3 на 1 м2; q'атм(об) - приток воды в грунт от атмосферных осадков, выпадающих на поверхность обочин, и от стока воды с проезжей части на обочину в осенний период влагонакопления и зимой до устойчивого промерзания грунта, м3 на 1 м2; апр - коэффициент, учитывающий дополнительный приток воды, поступающей в грунт до и после расчетного месяца, безразмерная величина, апр = 1,3; H'вп(пр.ч) и H'вп(об) - количество воды, впитывающейся в последний осенний месяц расчетного года в грунт земляного полотна соответственно под проезжей частью и на обочинах, мм; H'исп(об) - количество воды, испаряющейся из грунта земляного полотна на обочинах в последний осенний месяц расчетного года, мм; ωгр - площадь, м2гр = 1 м2).

Приток воды во второй период увлажнения атмосферными осадками допускается определять (с запасом) по формулам:

q"атм(пр.ч) = 10-3H"вп(пр.ч);                                                       (7)

q"атм(об) = 10-3H"вп(об),                                                         (8)

где q"атм(пр.ч) - приток воды в грунт от атмосферных осадков, выпадающих на поверхность проезжей части в период зимних оттепелей, м3 на 1 м2; q"атм(об) - приток воды в грунт от атмосферных осадков, выпадающих на поверхность обочин и от стока воды с проезжей части на обочину в период зимних оттепелей, м3 на 1 м2; H"вп(пр.ч) и H"вп(об) - количество воды, впитывающейся в грунт соответственно под проезжей частью и обочиной в течение месяца, который характеризуется наибольшей суммарной продолжительностью выпадения осадков в виде дождя, мм.

Приток воды в грунт в третий период увлажнения атмосферными осадками следует определять по формулам:

q"'атм(пр.ч) = 10-3H"'вп(пр.ч);                                                          (9)

q"'атм(об) = 10-3(H"'вп(об) - H"'исп(об)),                                        (10)

где q"'атм(пр.ч) - приток воды в грунт от атмосферных осадков, выпадающих на поверхность проезжей части весной в период оттаивания грунта, м3 на 1 м2; q"'атм(об) - приток воды в грунт от атмосферных осадков, выпадающих на поверхность обочин, и от стока воды с проезжей части на обочину весной в период оттаивания грунта, м3 на 1 м2; H"'вп(пр.ч) и H"'вп(об) - количество воды, впитывающейся в первый весенний месяц расчетного года в грунт земляного полотна соответственно под проезжей частью и на обочинах, мм; H"'исп(об) - количество воды, испаряющейся из грунта земляного полотна на обочинах в первый весенний месяц расчетного года, мм.

2.4. Впитывание воды в грунт следует определять за последний осенний и первый весенний месяцы, а в районах с частыми оттепелями - и для зимнего месяца с наибольшей величиной Tд.

Последовательность расчета впитывания воды

Суммарную величину смачивания поверхности проезжей части и обочин Hсм, мм, определяют по формулам:

*                                      (11)

* При расчете следует иметь в виду, что под знаком корня не показан коэффициент, равный единице, увязывающий принятые размерности.

Hсмmдmaxhсм,                                                           (12)

где асм, maxhсм - показатели смачивания поверхности проезжей части и обочин, мм; mд - число дождей расчетной повторяемости; d - дефицит влажности воздуха той же повторяемости, гПа; Tд - продолжительность дождя той же повторяемости, мин; T - продолжительность расчетного периода (месяца), мин.

Значения показателей смачивания поверхности проезжей части и обочин приведены ниже:

Покрытие:                                              асм               maxhсм

                                                         мм                  мм

асфальтобетонное                         0,01                 0,5

цементобетонное                          0,02                 1,0

Грунтовая обочина:

оголенная                                       0,04                 1,5

с травяным покровом средней

густоты                                           0,10                 3,0

с густым травяным покровом      0,15                 4,0

Для обочин, укрепленных щебнем или песчано-гравийной смесью, значения показателей смачивания принимают те же, что для оголенной грунтовой поверхности.

Величину Hсм устанавливают для первого и третьего периодов увлажнения атмосферными осадками, для второго периода Hсм = 0.

Суммарное количество воды, впитывающейся в покрытие Hвп(о), мм, определяют по формуле

                             (13)

** При расчете следует иметь в виду, что под знаком логарифма, входящего в показатель степени, не показан коэффициент, равный единице, увязывающий принятые размерности.

где aо - показатель водопроницаемости покрытия (для асфальтобетонных покрытий, находящихся в удовлетворительном состоянии, aо = 0,003, для цементобетонных aо = 0,013 мм); bо - коэффициент, учитывающий степень заполнения влагой швов, микротрещин и пор бетонного камня перед дождем (для осеннего и зимнего периодов bо = 80; для весеннего bо = 100 мин/мм); iд - средняя интенсивность дождя, мм/мин; tвп(о) - продолжительность впитывания воды в покрытие, мин

tвп(о) = (iдTд - Hсм(пр.ч))/(iдmд),                                       (14)

Hсм(пр.ч) - суммарная величина смачивания поверхности проезжай части, мм, определяемая по формулам (11) и (12).

При возникновении трещин в асфальтобетонном покрытии следует принимать значение коэффициента а0 таким же, как для цементобетонного покрытия.

Суммарное количество воды, впитывающейся в грунт земляного полотна под проезжей частью Hвп(пр.ч), мм, вычисляют по выражениям:

при  AодHвп(о)                                                      (15)

Нвп(пр.ч) = AодHвп(о);

при  < AодHвп(о)                                                      (16)

Нвп(пр.ч) = ,

где  - количество воды, которое может впитаться в грунт, покрытый водой, в течение всего рассматриваемого периода, мм (см. разд. 4); Aод - коэффициент, учитывающий испарение воды из дорожной одежды и нижележащего грунта и аккумуляцию влаги в слоях дорожной одежды в рассматриваемый период.

При расчете впитывания за месяц могут быть приняты приведенные ниже значения коэффициента Aод в зависимости от дефицита влажности воздуха d, гПа:

d                0                  1               2                  3              4

Aод            1,0               0,7            0,3               0,2           0,1

Интенсивность поступления воды на обочину iп.в, мм/мин, определяется по формуле

                                                        (17)

где  - ширина односкатной или половины двускатной проезжей части по направлению стока воды, м;  - ширина обочины по направлению стока воды, м; iст(о) - интенсивность стока воды с проезжей части на обочину, мм/мин.

Допускается принимать  = b и  = a, где b и a соответственно ширина односкатной или половины двускатной проезжей части и ширина обочины, м;

iст(о) = iд - Hвп(о)/(mдtвп(о)).                                             (18)

Коэффициент впитывания воды в грунт земляного полотна (безразмерная величина) рассчитывают по выражению

                                (19)

где Kф - коэффициент фильтрации, м/сут; WL - влажность на границе текучести грунта, доли единицы; Wопт - оптимальная влажность грунта, доли единицы; wк.в - капиллярная влагоемкость грунта, доли единицы; 0,6 и 30 - значения коэффициентов, увязывающих принятые размерности.

При ориентировочных расчетах можно определять величину коэффициента C по номограмме рис. 1.

Интенсивность впитывания воды в грунтовые обочины iвп, мм/мин, составит:

iп.в ≤ 0,02C

при                                                       iвп = iп.в;                                                              (20)

iп.в > 0,02C

*                                         (21)

* При расчете следует иметь в виду, что перед вторым членом уравнения, а также под знаком логарифма не показаны коэффициенты, равные единице, увязывающие принятые размерности.

где 0,02 - интенсивность впитывания в грунт, принятая за эталон в момент появления стока воды в микрорусловой системе площадки, мм/мин; φ(l) - функция уклона поверхности, приведенная в табл. 5.

Рис. 1. Номограмма для определения коэффициента впитывания (цифры на кривых - коэффициенты уплотнения грунта)

1 - супеси; 2 - суглинки и глины

Для облегчения расчета интенсивность впитывания можно определять по номограмме рис. 2 методом подбора. Для этого при заданном значении интенсивности стока воды с обочины iст, мм/мин, устанавливают по графику величину Iвп, мм/мин. Затем вычисляют величину iвп по формулам:

iвп = (Iвп + 0,02)C и iвп = iп.в - iст.

При равенстве обоих значений iвп подбор закончен.

Таблица 5

I, %

φ(l)

I, %

φ(l)

I, %

φ(l)

I, %

φ(l)

2

1,59

8

1,82

50

3,02

200

5,62

3

1,66

9

1,85

60

3,17

300

6,96

4

1,7

10

1,86

70

3,47

400

7,8

5

1,74

20

2,14

80

3,59

600

9

6

1,78

30

2,4

90

3,8

800

9,5

7

1,8

40

2,75

100

3,98

1000

10

Рис. 2. Номограмма для определения интенсивности впитывания

Суммарное количество воды, впитывающейся в грунт земляного полотна на обочинах Hвп(об), мм, следует устанавливать по формуле

                      (22)

где Aукр - коэффициент, учитывающий влияние типа укрепления обочин на количество впитывающейся в грунт воды (значения приведены в табл. 6); Hсм(об) - суммарная величина смачивания поверхности обочины, мм, определяемая по формулам (11) и (12).

2.5. Испарение воды из грунта земляного полотна следует определять за последний осенний и первый весенний месяцы расчетного года. Величина испарения через обочины Hисп(об), мм, определяется по выражению

Hисп(об) = BукрiиспTисп,                                                    (23)

где Bукр - коэффициент, учитывающий влияние типа укрепления обочин на процесс испарения (см. табл. 6); iисп - интенсивность испарения воды через неукрепленные (грунтовые) обочины, мм/мин;

iисп = 25×10-5dlg(1 + 80/d)(1 + 0,15υ)*;                                 (24)

* При расчете следует иметь в виду, что в формуле не показаны коэффициенты равные единице, увязывающие принятые размерности.

υ - скорость ветра, м/с (υ ≤ 5 м/с); Tисп - продолжительность периода испарения, мин:

Tисп = T - Tд.                                                                 (25)

Таблица 6

Характеристика обочины

Величина коэффициента

Характеристика обочины

Величина коэффициента

Aукр

Bукр

Aукр

Bукр

Неукрепленная (грунтовая)

1

1

2000

0,55

0,4

Укрепленная щебнем при плотности, кг/м3:

 

 

2180

0,4

0,35

1820

0,9

0,55

Укрепленная песчано-гравийной смесью

0,6

0,7

1920

0,8

0,5

 

 

 

3. РАСЧЕТНЫЕ ГОРИЗОНТЫ ГРУНТОВЫХ ВОД

3.1. В качестве расчетных горизонтов грунтовых вод следует принимать их наивысшие уровни весной и осенью, а при наличии данных и в конце зимы, в период между капитальными ремонтами дорожной одежды и среднемноголетнее положение в летний период. При наличии верховодки за расчетный уровень этих вод принимают верхнюю линию оглеения грунтов.

Гидрогеологический прогноз осуществляют на базе многолетних наблюдений за режимом грунтовых вод по опорной наблюдательной сети Министерства геологии СССР и других ведомств, а также данных наблюдений за период изысканий. Обязательны региональные оперативные прогнозы режима грунтовых вод, составляемые ВСЕГИНГЕО.

При наличии многолетних (не менее 20 лет) наблюдений за режимом грунтовых вод определение расчетных уровней начинают с формирования на базе имеющихся рядов наблюдений выборок, состоящих из уровней грунтовых вод в рассматриваемый сезон года, например на период промерзания зоны аэрации.

Расчетные наивысшие уровни следует определять по кривой обеспеченности, построенной графически на клетчатке вероятностей.

Если ряд наблюдений включает менее 20 лет, то нужно его удлинять по данным о пункте-аналоге или по гидрометеорологическим факторам.

Аналог является эффективным и связь считается удовлетворительной для удлинения, если уравнение связи отвечает критериям Фишера и критерию Стьюдента, а коэффициенты парной или множественной корреляции являются существенно значимыми.

3.2. При отсутствии многолетних наблюдений за режимом грунтовых вод расчетные уровни можно определять, используя разовые замеры в период изысканий:

Hj(max) = Hj - (1 - λн)Aур,                                                (26)

где Hj(max) - максимально возможный уровень грунтовых вод (минимальная глубина залегания от поверхности земли) в рассматриваемый сезон года, м; Hj - глубина залегания уровня грунтовых вод от поверхности земли в период изысканий, проводимых в рассматриваемый сезон года, м; λн - коэффициент относительного положения уровня грунтовых вод, безразмерная величина (определяется по карте прогнозов ВСЕГИНГЕО); Aур - амплитуда многолетних колебаний уровня грунтовых вод на глубине Hj, м (определяется по рис. 3 настоящего Пособия).

Рис. 3. Номограмма для определения амплитуды многолетних колебаний уровня грунтовых вод

1 - тяжелые супеси и суглинки; 2 - пески и легкие супеси; 3 - песчано-гравийные галечники

Коэффициент λн показывает, какую часть многолетней амплитуды составляет превышение уровня грунтовых вод в данном году (в котором проводились изыскания) от наиболее низкого за период наблюдений. Коэффициент λн изменяется от 0 до 1. При коэффициенте, равном нулю, уровень грунтовых вод в данном году занимает минимальное в многолетнем ряду положение и, наоборот, при наивысшем уровне - коэффициент λн равен единице. ВСЕГИНГЕО публикует и рассылает заинтересованным организациям карту значений коэффициента λн для каждого года.

Величину Hj можно определять по данным разовых замеров уровня грунтовых вод в любое время года. В этом случае нужно использовать типовые графики сезонных колебаний уровня грунтовых вод (рис. 4). Они характеризуют тип и размах сезонных колебаний на междуречьях и высоких террасах на глубине от 0 до 10 - 12 м. Они могут быть использованы для всей территории европейской части СССР за исключением горных районов и территорий с глубоким (более 15 м) залеганием грунтовых вод.

Из указанных графиков нужно выбрать типовую кривую сезонного колебания уровня грунтовых вод, соответствующую району изысканий. В качестве типовой следует принимать кривую, ближайшую к измеренному значению глубины залегания грунтовых вод.

Расчет величины Hj следует проводить по формуле

                                                       (27)

где  - максимальный уровень грунтовых вод по типовой кривой в рассматриваемый сезон года, м; ΔH - отклонение наблюдаемого уровня грунтовых вод от соответствующего значения на типовой кривой, м.

При расположении наблюдаемого уровня грунтовых вод выше соответствующего значения на типовой кривой следует принимать величину ΔH со знаком минус, в противном случае - со знаком плюс.

Рис. 4. Типовые графики сезонных колебаний уровня грунтовых вод в песках и легких супесях (а), в тяжелых супесях и суглинках (б) и в песчано-гравийных отложениях (в)

4. ЭПЮРЫ ВЛАЖНОСТИ ГРУНТОВ ПЕРЕД ПРОМЕРЗАНИЕМ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА

4.1. Для прогноза эпюры влажности грунтов необходимо установить тип увлажнения рабочего слоя земляного полотна согласно прил. 1 настоящего Пособия.

Эпюру влажности некондиционных песков морозозащитного слоя нужно определять в соответствии с изложенным в разд. 7 настоящего Пособия.

При 1-м типе увлажнения рабочего слоя следует определять эпюру влажности глинистых грунтов насыпи, а также грунтов под подошвой насыпи или в основании выемки, по данным расчета перемещения в этих грунтах капиллярной воды, источником которой являются атмосферные осадки, выпадающие на поверхность проезжей части и обочин. Расчет нужно проводить по формулам (28) - (33).

При 2-м типе увлажнения рабочего слоя можно принимать без расчета влажность грунтов, равной капиллярной влагоемкости на участках дорог, проходящих в насыпи высотой не более 1,5 м, а также в выемках. Исключением являются некондиционные пески морозозащитного слоя, эпюру влажности которого определяют расчетом.

При 3-м типе увлажнения рабочего слоя можно принимать без расчета влажность грунтов равной капиллярной влагоемкости над горизонтом грунтовых вод и верховодки на участках дорог, проходящих в насыпи высотой не более 1,5 м, а также в выемках. Исключением являются некондиционные пески морозозащитного слоя, эпюру влажности которого определяют расчетом. Влажность грунтов ниже горизонта грунтовых вод, а также в пределах толщи грунта, где возможно образование верховодки, нужно принимать равной полной влагоемкости.

На участках дорог, проходящих в насыпи высотой более 1,5 м, нужно определять эпюру влажности грунтов расчетом по формулам (28) - (33).

Допускается прогнозировать эпюру влажности грунтов от атмосферных осадков, выпадающих на поверхность проезжей части и обочин, по данным расчета перемещения собственно капиллярной воды по вертикальному направлению сверху вниз, а эпюру влажности грунтов от грунтовых вод или верховодки снизу вверх.

Собственно капиллярная вода имеет, а капиллярно-подвешенная не имеет гидравлической связи с поверхностными и грунтовыми водами и с верховодкой.

4.2. Для прогноза перемещения капиллярной воды нужно выделить на чертеже профиля дороги слои грунта разной разновидности и плотности и обозначить их (рис. 5).

При определении эпюры влажности грунтов от атмосферных осадков, выпадающих на поверхность проезжей части, обозначают индексом i = 1 слой грунта непосредственно под дорожной одеждой; следующий слой - индексом i = 2 и т.д. При этом конечный слой грунта, в котором рассматривается перемещение капиллярной воды, обозначают индексом n. При наличии морозозащитного (дренирующего) слоя из некондиционных песков обозначают индексом i = 1 слой грунта под ними.

Аналогично обозначают слои грунта под обочинами при прогнозе перемещения капиллярной воды сверху вниз.

За начало отсчета глубин просачивания воды следует принимать: под проезжей частью - низ дорожной одежды, под обочинами - низ их укрепления, а при наличии морозозащитных (дренирующих) слоев из некондиционных песков - низ этих слоев.

При определении эпюры влажности от грунтовых вод или верховодки обозначают индексом i = 1 слой грунта непосредственно над горизонтом этих вод. В этом случае отсчет расстояния, на которое просочилась капиллярная вода, нужно начинать от горизонта грунтовых вод или верховодки.

Эпюру влажности грунта получают по данным расчета расстояний (SI, SII, SIII, SIV, м), на которые просочилась вода, по четырем группам капилляров, каждая из которых объединяет капилляры с одинаковыми размерами поперечного сечения.

Каждая группа капилляров характеризуется своими значениями удельной движущей силы мениска qк, Па, и коэффициента просачивания воды в грунте Kω, м/с.

Перемещение капиллярной воды в грунтах следует устанавливать по группам капилляров. Для слоистых грунтов расчет проводят по уравнениям:

Рис. 5. Эпюры влажности грунтов перед промерзанием земляного полотна

а - схема определения эпюры влажности грунта при его увлажнении грунтовыми водами; б - схема определения эпюры влажности грунта при его увлажнении атмосферными осадками; в - схема определения эпюры влажности многослойных грунтов при их увлажнении грунтовыми водами, г - эпюры влажности двухслойных грунтов на различные моменты времени.

I, II, III, IV - номера групп капилляров; 1, 2, i, n - номера слоев грунта; ΔS1, ΔS2, ΔSi - толщина слоев грунта; Wопт(1), Wопт(2) - оптимальная влажность соответственно 1-го и 2-го слоев грунта; Wкв(1), Wкв(2) - капиллярная влагоемкость соответственно 1-го и 2-го слоев грунта

                          (28)

                                                         (29)

                                                            (30)

                              (31)

qк = qк(10)(1,02 - 0,002Θв);                                            (32)

Kω = Kω(10)(0,7 + 0,03Θв),                                             (33)

где tn - продолжительность перемещения воды в слое грунта, обозначенным индексом n, с; S - расстояние, на которое просочилась вода, м; Kω(i), Kω(n) - коэффициенты просачивания воды, в слоях грунта, обозначенных индексами i и n, м/с; αi, αn - угол между осью по направлению движения воды и горизонтальным радиусом тригонометрического круга, град (функциям sinα приписывается определенный знак в зависимости от того, в какой четверти тригонометрического круга лежит ось по направлению движения воды). При перемещении воды по вертикальному направлению вверх sinα = +1; при перемещении вниз sinα = -1; qк(n), qк(10) - удельная движущая сила мениска воды в слое грунта, обозначенном индексом n, соответственно при фактической температуре и температуре 10 °С, Па; g - ускорение свободного падения, м/с2; hв - толщина слоя воды на поверхности, м; ΔSi - - толщина слоя грунта, м; ξiI, ξiIV - коэффициенты соответственно для I и IV группы капилляров грунта, характеризующие степень их заполнения водой (при просачивании воды на всю толщину слоя грунта ξi = 1, в остальных случаях ξi = 0); Kω(10) - коэффициент просачивания воды в грунте при температуре 10 °С, м/с; Θв - температура воды в грунте, °С.

Для I группы капилляров грунта в расчет включают значения: S = SI, Kω(n) = KIω(n), qк(n) = qIк(n); для II, III и IV групп капилляров - соответствующие величины.

Значения удельных движущих сил менисков и коэффициентов просачивания, входящие в расчет, нужно устанавливать экспериментально, согласно прил. 2, или принимать по табл. 7 настоящего Пособия.

Температура незначительно влияет на перемещение капиллярной воды, поэтому для осени и весны можно использовать в расчетах средние значения температуры, равные 5 °С.

Для установления продолжительности просачивания воды через толщу слоистых грунтов нужно суммировать величины tn, полученные для отдельных слоев грунта.

При однослойном грунте значения P, r и U нужно принимать равными нулю. В этом случае перемещение капиллярной воды можно определять по номограммам на рис. 6.

Влажность грунта в сечении земляного полотна равна W = Wкв, когда все группы капилляров заполнены водой. В этом случае SI, SII, SIII, SIV больше расстояния до рассматриваемого сечения. При SI, SII, SIII, SIV меньше этого расстояния W = Wопт. При достижении рассматриваемого сечения водой в одной группе капилляров W = (Wкв + 3Wопт)/4, при двух - W = (Wкв + Wопт)/2, при трех - W = (3Wкв + Wопт)/4.

Таблица 7

Грунт

Коэффициент уплотнения грунта

Показатели капиллярных свойств грунта по группам капилляров

I

II

III

IV

qк(10)

Kω(10)

qк(10)

Kω(10)

qк(10)

Kω(10)

qк(10)

Kω(10)

Пески мелкие и пылеватые

1

60

340×10-8

55

400×10-8

50

440×10-8

45

470×10-8

Супеси легкие крупные и легкие, супеси пылеватые

0,9

105

100×10-8

90

165×10-8

85

200×10-8

80

235×10-8

0,92

110

65×10-8

85

135×10-8

70

185×10-8

60

225×10-8

0,95

135

25×10-8

80

65×10-8

60

110×10-8

50

150×10-8

0,97

170

5×10-8

125

10×10-8

95

20×10-8

75

25×10-8

0,9

175

25×10-8

110

40×10-8

100

50×10-8

90

60×10-8

Суглинки легкие и легкие пылеватые

0,92

200

15×10-8

130

35×10-8

120

40×10-8

110

50×10-8

0,96

250

5×10-8

185

15×10-8

160

35×10-8

140

40×10-8

0,98

280

10×10-9

215

5×10-8

180

10×10-8

160

15×10-8

Суглинки тяжелые и тяжелые пылеватые, глины

0,92

145

10×10-8

70

35×10-8

55

60×10-8

30

100×10-8

0,96

340

60×10-10

270

165×10-10

195

275×10-10

185

325×10-10

0,98

615

65×10-11

505

190×10-11

500

325×10-11

490

450×10-11

Примечание. qк(10) - удельная движущая сила мениска воды в грунте, гПа, при температуре 10 °С; Kω(10) - коэффициент просачивания воды в грунте, м/с, при температуре 10 °С.

Рис. 6. Номограмма для расчета перемещения капиллярной воды вертикально вниз (а) и вверх (б)

qк - удельная движущая сила мениска; ρв - плотность воды; g - ускорение свободного падения; hв - слой воды на поверхности

4.3. Для конструкций без морозозащитного (дренирующего) слоя из песка эпюру влажности глинистых грунтов от атмосферных осадков устанавливают таким образом. Вначале с помощью номограммы (см. рис. 6, а) или по формулам (28) - (33) определяют глубины SI, SII, SIII, SIV, на которые может просочиться вода соответственно в I, II, III и IV группах капилляров грунта под проезжей частью на различные моменты времени.

По данным таких расчетов устанавливают объемы воды, которые поступают в грунт на те же моменты времени и сравнивают их с притоком воды в грунт от атмосферных осадков, выпадающих на проезжую часть, qатм(пр.ч). За искомые принимают глубины, при которых сравниваемые величины равны. Аналогично рассчитывают глубины, на которые может просочиться вода под обочинами. Объем воды Vω, м3 на 1 м2, который поступает в грунт на заданный момент времени, можно рассчитать по формуле

Vω = (SI + SII + SIII + SIV)(Wкв - Wопт)ρск/(4ρв).                              (34)

Затем определяют, согласно изложенному в 4.2, эпюры влажности грунта под проезжей частью и обочиной.

Аналогичным образом следует устанавливать эпюру влажности глинистых грунтов под морозозащитным (дренирующим) слоем из некондиционных песков от атмосферных осадков, выпадающих на поверхность проезжей части и обочин. Разница только в определении значения глубин SI, SII, SIII, SIV, на которые может просочиться вода соответственно в I, II, III, и IV группах капилляров глинистого грунта от низа морозозащитного (дренирующего) слоя. Эти величины нужно устанавливать согласно п. 7.3 настоящего Пособия.

4.4. При 3-м типе увлажнения рабочего слоя земляного полотна следует установить возможность поступления в этот слой капиллярной воды от уровня грунтовых вод в летний период. Такое явление может иметь место, когда расстояние по вертикали от среднемноголетнего положения горизонта грунтовых вод в летний период до подошвы рабочего слоя менее величины

(qIк(10) + qIIк(10) + qIIIк(10) + qIVк(10))/(4ρвg),

где qIк(10); qIIк(10); qIIIк(10); qIVк(10) - значения удельных движущих сил менисков воды в грунте с ненарушенной структурой.

При возможности указанного поступления капиллярной воды нужно определить эпюру влажности грунта рабочего слоя в летний период, включая в расчет следующие данные:

SI = qIк(10)/(ρвg); SII = qIIк(10)/(ρвg);

SIII = qIIIк(10)/(ρвg); SIV = qIVк(10)/(ρвg).

В этом случае значения qIк(10); qIIк(10); qIIIк(10); qIVк(10) нужно принимать для грунта рабочего слоя земляного полотна. Отсчет расстояний SI, SII, SIII, SIV следует проводить от среднемноголетнего положения горизонта грунтовых вод в летний период.

5. ТЕМПЕРАТУРНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА В ЗИМНИЙ ПЕРИОД

5.1. Для прогноза плотности, влажности и пучения промерзающих грунтов следует проводить расчет температурного поля земляного полотна в зимний период. В результате этого расчета нужно установить на один и тот же момент времени значения глубин, на которых температура грунта равна Θлобр, Θа и Θб, где Θлобр - температура льдообразования при оптимальной влажности грунта, а Θа и Θб температуры, характеризующие кривую содержания незамерзшей воды в грунте (см. табл. 12). По данным расчета температурного поля следует также определить среднюю скорость промерзания грунта.

Температурное поле земляного полотна нужно прогнозировать с учетом процессов теплопередачи и массопереноса. Для этого следует проводить расчет температурного поля в два этапа. Первый расчет проводят при значениях коэффициента теплопроводности и количестве замерзшей воды, соответствующих плотности и влажности грунтов перед промерзанием. Второй расчет проводят при величине коэффициента теплопроводности, соответствующей среднеарифметическим значениям плотности и влажности в период промерзания и при количестве замерзшей воды, соответствующей влажности грунта после промерзания.

5.2. Для расчета температурного поля необходимы приведенные ниже данные:

климатические параметры для трех расчетных периодов: наиболее холодного и наиболее теплого года (периодичностью повторения 1 раз в период между капитальными ремонтами дорожной одежды) и года со среднемноголетними температурами (принимают по табл. 8 или устанавливают по прил. 3);

среднемесячная скорость ветра за зиму (по данным гидрометеослужбы);

конструкция дорожной одежды (материалы слоев, толщина и плотность слоев по проекту);

грунтовый разрез земляного полотна и основания насыпи или выемки (наименование грунта и толщина слоев из этих грунтов по данным проекта) в пределах предполагаемой зоны промерзания;

плотность грунтов перед промерзанием (плотность скелета грунта земляного полотна по проекту, то же, для грунтов в основании насыпи или выемки по данным изысканий или согласно изложенному в п. 1.6 Пособия;

влажность грунтов перед промерзанием (принимают по данным расчета согласно разд. 4);

среднее положение уровня грунтовых вод в зимний период (принимают согласно разд. 3).

5.3. С учетом указанных исходных данных следует определить значения коэффициентов теплопроводности слоев дорожной одежды, мерзлых грунтов земляного полотна и основания насыпи или выемки. Их нужно устанавливать экспериментально или принимать по табл. 9 и 10.

Нужно также определить температуру льдообразования и содержание незамерзшей воды в слоях грунта. Эти величины устанавливают экспериментально или принимают по табл. 12 и по формуле, где количество незамерзшей воды в грунте Wнз, доли единицы:

Wнз = KнзWр,                                                                 (35)

где Kнз - коэффициент, зависящий от типа грунта, числа пластичности и температуры мерзлого грунта; Wр - влажность грунта на границе раскатывания, доли единицы.

Таблица 8

Город

Температурная характеристика года

Климатические параметры

атемп.., - °С

апон., сут

азап., сут

апр., м

Rод(max), м2×К/Вт

Архангельск

Холодный

23,3

129

140

0,79

2,33

Со среднемноголетними температурами

16,8

98

125

0,69

2,13

Теплый

13,7

116

143

0,66

1,91

Великие Луки

Холодный

14,9

75

127

0,69

1,98

Со среднемноголетними температурами

6,1

103

104

0,48

0,88

Теплый

4,6

71

98

0,18

0,66

Вильнюс

Холодный

11,9

50

102

0,62

1,72

Со среднемноголетними температурами

8,3

43

80

0,15

0,4

Теплый

3,3

36

62

0,1

0,3

Горький

Холодный

20,8

101

102

0,77

2,2

Со среднемноголетними температурами

17,9

100

123

0,72

2,08

Теплый

8,9

87

117

0,51

1,39

Ижевск

Холодный

21,3

154

155

0,81

2,37

Со среднемноголетними температурами

19,6

117

141

0,77

2,27

Теплый

14,8

99

136

0,61

1,84

Казань

Холодный

22,8

84

119

0,79

2,36

Со среднемноголетними температурами

12,6

86

127

0,74

2,14

Теплый

15,9

88

134

0,66

1,86

Калининград

Холодный

10,7

48

92

0,53

1,48

Со среднемноголетними температурами

5,8

77

105

0,34

0,95

Теплый

0,7

15

29

0,03

0,1

Киев

Холодный

14,5

45

90

0,58

1,59

Со среднемноголетними температурами

12,4

21

69

0,42

1,15

Теплый

3

67

87

0,15

0,4

Киров

Холодный

19,8

85

133

0,82

2,49

Со среднемноголетними температурами

18,3

81

125

0,75

2,15

Теплый

14

52

102

0,68

1,81

Кишинев

Холодный

13,4

65

85

0,45

1,29

Со среднемноголетними температурами

4,6

36

70

0,15

0,43

Кострома

Холодный

20,3

87

148

0,8

2,36

Со среднемноголетними температурами

16,5

102

121

0,72

2,09

Теплый

9,1

85

110

0,45

1,22

Котлас

Холодный

24,4

48

108

0,8

2,37

Со среднемноголетними температурами

21,3

108

150

0,77

2,25

Теплый

11,6

96

102

0,52

1,5

Ленинград

Холодный

15,2

77

127

0,77

1,96

Со среднемноголетними температурами

12,6

58

91

0,63

1,85

Теплый

5,1

58

91

0,2

0,5

Львов

Холодный

11,7

61

106

0,56

1,5

Со среднемноголетними температурами

7,2

68

94

0,37

1

Теплый

3,1

48

70

0,15

0,38

Минск

Холодный

13,8

66

103

0,65

1,81

Со среднемноголетними температурами

7,2

85

112

0,48

1,32

Теплый

6,5

15

57

0,19

0,52

Москва

Холодный

17,5

86

135

0,76

2,32

Со среднемноголетними температурами

14

117

120

0,62

1,81

Теплый

8,8

67

70

0,41

1,03

Новгород

Холодный

15

77

119

0,69

2

Со среднемноголетними температурами

8

72

124

0,38

1,05

Теплый

6

71

101

0,22

0,6

Петрозаводск

Холодный

20,2

101

128

0,75

2,18

Со среднемноголетними температурами

15,6

76

128

0,69

1,98

Теплый

6,6

93

96

0,31

0,86

Пермь

Холодный

27,1

88

118

0,82

2,5

Со среднемноголетними температурами

20,2

61

132

0,8

2,36

Теплый

13,2

92

114

0,67

1,89

Псков

Холодный

14,3

57

108

0,69

1,99

Со среднемноголетними температурами

13,3

76

112

0,49

1,36

Теплый

4,4

74

97

0,14

0,53

Свердловск

Холодный

27,9

129

160

0,82

2,54

Со среднемноголетними температурами

25,6

61

97

0,76

2,24

Теплый

13,3

108

111

0,68

1,96

Таллин

Холодный

12

77

122

0,58

1,61

Со среднемноголетними температурами

9,3

71

118

0,38

1,04

Теплый

2,2

29

52

0,07

0,2

Ульяновск

Холодный

21

93

129

0,79

2,34

Со среднемноголетними температурами

11,9

106

136

0,72

2,06

Теплый

10,6

92

105

0,52

1,5

Усть-Цильма

Холодный

26

118

203

0,98

3,35

Со среднемноголетними температурами

24

75

116

0,8

2,37

Теплый

14,8

122

144

0,73

2,11

Уфа

Холодный

25,7

117

133

0,82

2,48

Со среднемноголетними температурами

16,9

75

130

0,78

2,27

Теплый

11

75

108

0,66

1,87

Примечания: 1. В таблице приведены значения климатических параметров для наиболее холодного и наиболее теплого года повторяемостью один раз в 20 лет и для среднемноголетнего года. 2. При проектировании автомобильных дорог в районах, для которых нет данных о климатических параметрах, необходимо устанавливать эти параметры по прил. 3.

Таблица 9

Материал

Плотность, кг/м3

Коэффициент теплопроводности, Вт/(м×К)

Цементобетон

2400

1,74

Асфальтобетон:

 

 

горячий плотный

2400

1,4

пористый

2300

1,25

высокопористый, в том числе битумо-песчаная смесь (ТУ 218 РСФСР 395-79)

1900 - 2200

1 - 1,1

Одномерный гранитный щебень, обработанный вязким битумом

1850

1,28

Слабопрочные известняки, укрепленные известью

2000

1,16

Керамзитовый гравий, обработанный вязким битумом

1100 - 1450

0,64 - 0,93

Аглопоритовый щебень, обработанный вязким битумом

800

0,23

Аглопорит, укрепленный цементом (аглопоритовый щебень - 45 %, аглопоритовый песок - 45 %, цемент - 10 %, вода - 10 %)

1540

0,35

Керамзитобетон

1400

0,75

Шлакобетон

1600

0,58

Стиропорбетон (на щебне из отходов жестких пенопластов)

800 - 1400

0,2 - 0,5

Каменноугольная золошлаковая смесь, укрепленная 6 - 8 % цемента

1600

0,7

Пенопласт:

 

 

из полистирола ПС-4-60

60

0,05

«Стайрофоум»

40

0,03

Песок:

 

 

разномерный, укрепленный 6 - 10 % цемента

2100

1,86

мелкий одномерный, укрепленный 10 % цемента

2100

1,62

Супесь, укрепленная:

 

 

10 % битумной эмульсией

1800

1,45

8 - 10 % цемента

1800

1,51

Суглинок, укрепленный:

 

 

6 - 12 % цемента

1850

1,45

2 - 6 % цемента и 6 - 2 % извести

1850

1,33

Щебень:

 

 

из гранита

1800

1,86

из известняка

1600

1,39

Гравий

1800

1,86

Гравийно-песчаная смесь

2000

2,1

Таблица 10

Плотность скелета грунта, кг/м3

Влажность грунта, доли единицы

Коэффициент теплопроводности, Вт/(м×К), мерзлых грунтов

песков

супесей

суглинков и глин

1000

0,6

-

2,04

1,92

1200

0,4

-

1,92

1,8

1400

0,35

-

1,86

1,69

0,3

-

1,8

1,57

0,25

2,15

1,69

1,51

0,2

1,86

1,51

1,22

0,15

1,63

1,28

0,99

0,1

1,28

1,05

0,76

0,05

0,81

0,7

0,52

1600

0,3

-

1,98

1,8

0,25

2,73

1,92

1,69

0,2

2,38

1,74

1,51

0,15

2,04

1,57

1,22

0,1

1,63

1,28

0,93

0,05

1,1

0,87

0,64

1800

0,2

2,85

1,98

1,8

0,15

2,62

1,8

1,57

0,1

2,21

1,57

1,22

0,05

1,51

0,99

0,76

2000

0,1

2,9

1,86

1,39

0,05

2,15

-

-

Применительно к расчету температурного поля содержание незамерзшей воды нужно устанавливать при температуре грунта, при которой определяется его коэффициент теплопроводности. Тогда можно принять следующие значения коэффициента Kнз:

Пески и супеси с числом пластичности 2 и менее........ 0

Остальные разновидности супеси.................................... 0,25

Суглинки с числом пластичности:

13 и менее................................................................. 0,4

более 13..................................................................... 0,45

Глины.................................................................................. 0,55

Устанавливают количество замерзшей воды (iзм(i), доли единицы) в слоях земляного полотна и в основании насыпи или выемки в пределах предполагаемой зоны промерзания:

iзм(i) = (Wо - Wнзск(о)в,                                              (36)

где Wо - влажность грунта перед его промерзанием, доли единицы; ρск(о) - плотность скелета грунта перед его промерзанием, кг/м3.

Рис. 7. Номограмма для определения минимальной температуры грунта

Рис. 8. Номограмма для определения параметра , входящего в расчет глубины промерзания

Рис. 9. Номограмма для определения параметров A'пр, B'пр (а) и A"пр, B"пр (б), входящих в расчет глубины промерзания грунта

Для расчета температурного поля земляного полотна необходимо также определить величину термического сопротивления дорожной одежды

                                       (37)

                                     (38)

                                                          (39)

Rод = hод(экв)/λод + 1/α,                                                   (40)

где λод - коэффициент теплопроводности эквивалентного слоя дорожной одежды, Вт/(м×К); nод - количество конструктивных слоев дорожной одежды; Δhод(i) - толщина конструктивного слоя дорожной одежды, м; λод(i) - коэффициент теплопроводности слоя дорожной одежды, Вт/(м×К); hод(экв) - толщина эквивалентного по теплофизическим свойствам слоя дорожной одежды, м; α - коэффициент теплообмена на поверхности дорожной одежды, Вт/(м2×К); υ - среднемесячная скорость ветра, м/с; Rод - термическое сопротивление дорожной одежды, м2×К/Вт.

5.4. Расчет температурного поля следует проводить в предлагаемой далее последовательности.

Вначале задаются глубиной промерзания hпр и вычисляют значения iзм, λгр(м), Θлобр.

Под глубиной промерзания за зиму hпр, м, следует понимать расстояние от низа дорожной одежды до глубины с температурой, равной Θлобр. При устройстве морозозащитного слоя из некондиционных песков за низ дорожной одежды принимают верхнюю поверхность морозозащитного слоя:

                                                                     (41)

                                              (42)

                                         (43)

где λгр(м) - коэффициент теплопроводности эквивалентного по теплофизическим свойствам мерзлого слоя грунта, Вт/(м×К); λгр(м)i - коэффициент теплопроводности отдельного слоя мерзлого грунта, Вт/(м×К); nгр - количество слоев грунта в зоне промерзания; Δhгр(i) - толщина слоев грунта в зоне промерзания; iзм - количество замерзшей воды в эквивалентном слое грунта, доли единицы; Θлобр - температура льдообразования в эквивалентном слое грунта, °С; Θлобр(i) - температура льдообразования в отдельном слое грунта, °С.

По рис. 7 устанавливают минимальную температуру грунта под дорожной одеждой Θmin(о) в зимний период при известных значениях Rод/Rод(max), iзм и атемп. Затем определяют по рис. 8 параметр  при известной величине отношения Θлобр/Θmin(о), по рис. 9, а - параметры A'пр и B'пр в зависимости от Rод/Rод(max), iзм. Аналогично устанавливают по рис. 9, б параметры A"пр и B"пр и вычисляют глубину промерзания по формуле

hпр = 0,86апр[A'прB'пр + 2,8(1 - апонзап)(A"прB"пр - A'прB'пр)]λгр(м).        (44)

Входящие в формулу (44) значения B'пр и B"пр не могут быть больше величин:

.

Расчет глубины промерзания можно считать законченным при разнице между заданным значением hпр и соответствующей величиной по формуле (44) менее 1 %. В противном случае нужно задаться новым значением hпр и повторить расчет.

Рис. 10. Номограмма для определения продолжительности периода понижения (а) и запаздывания (б) температуры грунта

Таблица 11

Разность величин Hз(ср) - hпр, м

Коэффициент к величине Rод(max) при отношении Rод/Rод(max)

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,2

0,3

0,65

0,8

0,85

0,90

0,95

1

0,4

0,55

0,75

0,85

0,9

0,95

1

1

0,6

0,75

0,85

0,9

0,95

1

1

1

0,8

0,85

0,9

0,95

1

1

1

1

1

0,9

0,95

1

1

1

1

1

1,2

0,95

1

1

1

1

1

1

1,4

1

1

1

1

1

1

1

Примечания: 1. Величину Hз(ср) следует принимать равной расстоянию от низа дорожной одежды до среднего положения уровня грунтовых вод в зимний период.

2. В разность Hз(ср) - hпр входит значение глубины промерзания по формуле (44) при величине коэффициента, равного 1.

Дополнительным источником тепла, который необходимо учитывать, прогнозируя температурное поле земляного полотна, являются грунтовые воды. Влияние грунтовых вод на температуру грунта можно учесть, введя коэффициент (см. табл. 11) к величине Rод(max).

С учетом указанного коэффициента определяют новое значение Rод(max) и повторяют расчет глубины промерзания по формуле (44).

Следующим этапом расчета является определение продолжительности понижения температуры грунта под дорожной одеждой от величины Θлобр до Θmin(о). Продолжительность этого периода tпон(о), сут, устанавливают по рис. 10, а в зависимости от Rод/Rод(max) и iзм при известных значениях Θmin(о), Θлобр и апон.

По рис. 10, б находят параметры Aзап и Bзап в зависимости от Rод/Rод(max) и iзм. После этого вычисляют продолжительность периода (в сутках) от начала зимы до перехода температуры грунта под дорожной одеждой через значение, равное Θлобр:

                                 (45)

Затем вычисляют продолжительность периода (в сутках) от начала зимы до момента промерзания грунта на глубину Zпр:

                                      (46)

Значение глубины Zпр следует принимать равным расстоянию от низа дорожной одежды до середины каждого слоя грунта толщиной Δhгр(i).

На заключительном этапе работы устанавливают для каждого слоя грунта значения глубин, на которых температура грунта равна Θлобр, Θа и Θб на один и тот же момент времени. Расчет проводят по формуле

                    (47)

При Θ = Θлобр(i) имеем Z = Zпр(i); при Θ = Θа имеем Z = Zа; при Θ = Θб имеем Z = Zб.

Кроме этого, вычисляют среднюю скорость промерзания грунта υпр, м/с:

υпр = hпр/(азап - tзап(о)).                                                  (48)

6. ПЛОТНОСТЬ, ВЛАЖНОСТЬ И ПУЧЕНИЕ ПРОМЕРЗАЮЩИХ ГРУНТОВ

6.1. Для прогноза плотности, влажности и пучения грунтов, которые следует ожидать при эксплуатации дороги, необходимы следующие данные: местоположение дороги (область, район, пункт); тип увлажнения рабочего слоя земляного полотна (см. прил. 1); наивысшие уровни грунтовых вод осенью, в конце зимы и весной в период между капитальными ремонтами дорожной одежды и среднемноголетнее положение в летний период, а также расчетный уровень залегания верховодки (см. п. 3) на участках 3-го типа увлажнения земляного полотна; конструкция дорожной одежды (материалы, толщина и плотность слоев); грунтовый разрез земляного полотна и естественного основания (характеристика грунта по дорожной классификации и толщина слоев из этих грунтов) в пределах зоны промерзания и ниже до горизонта грунтовых вод или верховодки; плотность грунтов земляного полотна по проекту и плотность грунтов естественного основания по данным изысканий в конце осени. При отсутствии данных полевых испытаний грунтов естественного основания можно принимать значения их плотности согласно п. 1.6.

Помимо этого нужно знать: показатели капиллярных свойств грунтов, коэффициенты пучения грунтов, содержание незамерзшей воды и температуру льдообразования, коэффициенты, учитывающие влияние нагрузки на пучение грунтов, и коэффициенты линейной усадки грунтов. Эти величины определяют экспериментально (см. прил. 2 и 4). При ориентировочных расчетах их принимают по графикам рис. 11 и табл. 7, 12 и 13.

Для прогноза плотности, влажности и пучения промерзающих грунтов необходимо предварительно определить эпюру влажности грунтов перед промерзанием, согласно п. 4, и температурное поле земляного полотна в зимний период согласно п. 5 настоящего Пособия.

При отсутствии данных о положении грунтовых вод в различные периоды года можно определять плотность, влажность и пучение грунтов в зимний период, принимая (с запасом) в качестве расчетного уровня этих вод горизонт оглеения.

Рис. 11. Значение коэффициентов пучения грунтов в зависимости от их коэффициентов уплотнения

Iб - мелкий песок (содержание пыли и глины не более 10 %); Iа - пылеватый песок (содержание пыли и глины не более 10 %); II - супесь; III - суглинок; IV - глина

6.2. Прогноз значений плотности и влажности грунта и его пучения следует проводить для всех слоев грунта разного вида и плотности в пределах зоны промерзания, включая морозозащитный слой из некондиционного песка, рабочий слой земляного полотна и основание насыпи или выемки. Грунт, расположенный ниже горизонта грунтовых вод или верховодки в осенний период, следует выделять в отдельный слой с влажностью, равной полной влагоемкости.

Расчет начинают с определения средней скорости промерзания грунта по формуле (48). Затем устанавливают для каждого слоя грунта в пределах зоны промерзания характеристики кривой содержания незамерзшей воды: Θлобр, Θа, Θб, Wнз(а), Wнз(б), где Θлобр - температура льдообразования при оптимальной влажности грунта, °С, Θа и Θб - температуры, соответствующие точкам «а» и «б» на кривой содержания незамерзшей воды, °С; Wнз(а) и Wнз(б) - количество незамерзшей воды (доли единицы), соответствующие точкам «а» и «б» в табл. 12. После этого вычисляют по формуле (47) для всех слоев грунта в пределах зоны промерзания значения глубин Zпр, Zа, Zб, на которых температура грунта соответственно равна Θлобр, Θа и Θб на один и тот же момент времени.

Затем нужно на те же моменты времени определить для каждого слоя грунта значения градиентов незамерзшей пленочной воды на глубине промерзания по формулам:

                               (49)

                                 (50)

где Iнз(о) - градиент незамерзшей пленочной воды на глубине промерзания, безразмерная величина; ρск(t) - плотность скелета грунта в зоне промерзания на рассматриваемый момент, кг/м3;  - объем грунта, м3 ( = 1 м3);  - площадь поперечного сечения грунта, м2 ( = 1 м2).

Таблица 12

Оптимальная влажность грунта, %

Температура льдообразования при оптимальной влажности грунта Θлобр, -°С

Температура грунта и соответствующее ей содержание незамерзшей воды в грунте для точек

а

б

Θа, -°с

Wнз(а), %

Θб, -°с

Wнз(б), %

Песок мелкий и пылеватый

8

0

0,3

3,5

0,5

2

10

0

0,3

4,5

0,5

3

12

0

0,3

6

0,5

4

Супесь

10

0,1

0,3

6

0,5

5

12

0,1

0,3

7

0,5

6

14

0,1

0,3

8,5

0,5

7

16

0,1

0,3

9,5

0,5

8

18

0,1

0,3

10,5

0,5

9

Суглинок

14

0,1/0,3

0,3/0,5

10/10,5

0,5/1

9/9

16

0,1/0,3

0,3/0,5

12/12,5

0,5/1

11/11

18

0,1/0,3

0,3/0,5

13,5/14,5

0,5/1

12,5/12,5

20

0,1/0,3

0,3/0,5

15,5/16,5

0,5/1

14,5/14,5

22

0,1/0,3

0,3/0,5

17/18

0,5/1

15,5/15,5

Глина

18

0,6

1,5

14

2

12,5

20

0,6

1,5

16

2

13,5

22

0,7

1,5

17,5

2

15,5

24

0,8

1,5

19,5

2

17

26

0,9

1,5

21,5

2

19

28

0,9

1,5

23,5

2

20

Примечание. Перед чертой приведены показатели для суглинка с числом пластичности 12 и менее; после черты - с числом пластичности более 12.

Таблица 13

Грунт

Значение ап при коэффициенте уплотнения грунта перед промерзанием

0,8

0,85

0,9

0,95

1

Песок мелкий

-

-

-

-

1,5

Песок пылеватый

-

-

-

-

1

Супесь

-

-

-

1

0,5

Суглинок

-

1

0,8

0,6

0,4

Глина

0,6

0,5

0,4

0,4

0,3

Вначале в расчет включают плотность грунта перед промерзанием и определяют в первом приближении пучение грунта. По величине пучения устанавливают плотность грунта после промерзания. По плотности до и после промерзания определяют среднее значение плотности грунта в период промерзания, которое вводят в формулу (49) и повторяют расчет.

Затем нужно установить значения коэффициентов пучения грунта Kпуч, м/с (см. рис. 11). При промерзании многослойной грунтовой толщи их нужно устанавливать для каждого слоя земляного полотна.

По формуле нужно определить среднее за период промерзания земляного полотна значение функции влияния нагрузки на величину пучения, грунта f(P) (безразмерная величина):

f(P) = 1 - апlg(1 + P/P(о)),                                             (51)

<