Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние проблемы регулирования водно-теплового режима рабочего слоя земляного полотна лесовозных автомобильных дорог 9
1.1 Способы регулирования водно-теплового режима земляного полотна 9
1.2 Методы определения избытка воды на поверхности рабочего слоя земляного полотна 18
1.3 Отвод воды из дорожных одежд 29
1.3.1 Рекомендации по устройству дренирующего слоя 29
1.3.2 Принципы и методы расчета дренирующего сдоя 33
1.4 Выводы. Цель и задачи исследования 39
2 Изменение водного режима рабочего слоя земляного полотна лесовозных автомобильных дорог при движении лесовозных автопоездов 41
2.1 Определение зон приложения колесных нагрузок 41
2.2 Математическая модель движения воды в рабочем слое земляного полотна под воздействием колесной нагрузки 55
2.2.1 Принятые допущения модели 56
2.2.2 Теоретические основы процесса движения воды в рабочем слое 59
2.2.3 Принципиальные схемы движения воды в рабочем слое и их анализ 63
2.3 Математическая модель поступления избытка свободной воды в дренирующий слой дорожной одежды при действии нагрузки 68
2.4 Обоснование и реализация динамической модели рабочего слоя 78
2.5 Выводы 82
3 Исследование закономерностей движения воды в рабочем слое земляного полотна лесовозных автомобильных дорог при многократном нагружении 83
3.1 Постановка задач 83
3.2 Обоснование метода исследования и основных параметров физической модели грунта 84
3.3 Методика экспериментальных исследований по оценке избыточного порового давления, деформативных и фильтрационных показателей переувлажненных грунтов 87
3.3.1 Определение избыточного порового давления 88
3.3.2 Определение деформативных показателей грунтов 88
3.3.3 Определение фильтрационных показателей грунтов 89
3.4 Результаты экспериментальных исследований и их анализ 92
3.5 Проверка адекватности математической модели экспериментальным данным 105
3.6 Выводы 111
4 Обоснование требований к дренирующему слою дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог 112
4.1 Положения по расчету дренирующего слоя 112
4.2 Критерий применения дренирующего слоя 118
4.3 Математическая модель неустановившейся фильтрации воды в дренирующем слое с учетом фильтрации в капиллярной зоне 122
4.4 Аналитический метод определения глубины, с которой отжимается вода из оттаявшего рабочего слоя земляного полотна 130
4.5 Обоснование требований к материалу дренирующего слоя 133
4.6 Оценка эффективности использования результатов исследований 136
Основные выводы и рекомендации 139
Список использованных источников 141
Приложения 150
- Методы определения избытка воды на поверхности рабочего слоя земляного полотна
- Математическая модель поступления избытка свободной воды в дренирующий слой дорожной одежды при действии нагрузки
- Обоснование метода исследования и основных параметров физической модели грунта
- Математическая модель неустановившейся фильтрации воды в дренирующем слое с учетом фильтрации в капиллярной зоне
Введение к работе
Актуальность темы. Современные методы ведения лесного хозяйства и организации лесопромышленного производства требуют принципиально новых подходов к проектированию лесных (лесовозных и лесохозяйственных) автомобильных дорог, предназначенных не только для вывозки древесины, но и для транспортного обеспечения процессов лесопользования, возобновления и охраны лесных ресурсов. Существующие лесные автомобильные дороги на большей своей протяженности характеризуются низким качеством покрытия, что требует при их реконструкции, капитальном ремонте, а также при новом строительстве уделить особое внимание усилению и повышению качества дорожных одежд.
Разнообразные причины изменения состояния рабочего слоя земляного полотна лесовозных автомобильных дорог, приводят к недопустимым деформациям дорожных одежд, следствием чего являются разрушения дорожных покрытий. Повышение интенсивности движения на лесовозных автомобильных дорогах и грузоподъемности транспортных средств, способствуют внешнему проявлению участков с недостаточной прочностью. В результате снижается безопасность движения и возрастает себестоимость вывозки древесины.
Многолетний опыт эксплуатации лесовозных автомобильных дорог показывает, что одной из основных причин преждевременного разрушения дорожных покрытий является переувлажнение верхней части рабочего слоя земляного полотна из-за неудовлетворительного состояния дренирующих и водоотводных систем. В основаниях дорожных одежд в период оттаивания рабочего слоя земляного полотна накапливается свободная вода, которая отжимается из грунта при интенсивном движении по дороге лесовозных автопоездов и снижает прочность дорожной конструкции в среднем на 20...30 %. Концентрация влаги в зимний период приводит к неравномерным пучениям из-за образования ледяных линз и прослоек, что способствует образованию трещин на дорожных покрытиях. Рекомендуемые для устройства дренирующих слоев дорожных одежд материалы, обеспечивающие эффективное осушение оснований, дорогостоящие, а поэтому необходимо изучить закономерности накопления и перемещения свободной воды в основаниях дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог, устраиваемых из местных дешевых материалов, что позволит разработать адекватный метод расчета таких дренирующих слоев.
Проблема разработки метода расчета дренирующего слоя дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог актуальна для лесного комплекса, так как ее решение обеспечит повышение транспортно-эксплуатационных качеств лесовозных автомобильных дорог, а следовательно и снижение затрат на вывозку древесины. Диссертационная работа выполнена в соответствии с направлением научно-исследовательской работы кафедры транспорта леса и инженерной геодезии Воронежской государственной лесотехнической академии: «Разработка ресурсосберегающих и экологически перспективных технологий лесовозного автомобильного транспорта» (№ гос. регистрации 01.200103889) в 2002-2010 годах.
Цель работы. Целью диссертационной работы является повышение транспортно-эксплуатационных качеств лесовозных автомобильных дорог на стадии проектирования путем разработки метода расчета дренирующего слоя дорожных одежд на основе моделирования перемещения свободной воды в их основаниях под действием колесной нагрузки.
Объектами исследований являются процессы накопления и перемещения
[
свободной воды в основаниях дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог под воздействием колесной нагрузки; материалы, используемые для устройства дренирующего слоя дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог.
Методы исследований. Исследования проводились методами: теории фильтрации, строительной механики, математической статистики, имитационного моделирования, испытаний дорожно-строительных материалов.
Значимость для теории. Полученные: уравнение неустановившейся фильтрации воды в рабочем слое земляного полотна под действием колесной нагрузки, учитывающее сложное напряженно-деформированное состояние грунта; аналитические зависимости величины остаточного порового давления от величины и времени действия колесной нагрузки, типа конструкции дорожной одежды и деформатив-ных свойств грунта; модель движения воды в рабочем слое земляного полотна с учетом основных параметров грунтовой среды уточняют расчет требуемой толщины дренирующего слоя дорожных одежд.
Научная новизна:
разработана математическая модель движения воды в упруго-пластичной среде и ее поступления в дренирующий слой дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог из рабочего слоя земляного полотна, отличающаяся тем, что учитывает действие внешней динамической нагрузки от лесовозных автопоездов и ее распределения по ширине проезжей части;
предложена математическая модель неустановившейся фильтрации воды в дренирующем слое, отличающиеся учетом движения в капиллярной зоне при наличии инфильтрации сверху от атмосферных осадков и притока снизу от воздействия колесной нагрузки лесовозных транспортных средств;
установлены закономерности поступления свободной воды в дренирующий слой дорожной одежды в зависимости от величины остаточного порового давления, отличающиеся учетом времени действия колесной нагрузки;
получена зависимость, описывающая динамику изменения величины избыточного порового давления в условиях динамического нагружения, отличающаяся удовлетворительным соответствием реальному процессу фильтрации воды в переувлажненном рабочем слое земляного полотна лесовозных автомобильных дорог.
Научные положения, выносимые на защиту:
математическая модель движения воды в упруго-пластичной среде и ее поступления в дренирующий слой дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог из рабочего слоя земляного полотна, позволяющая определить приток воды в основание дорожной одежды в зависимости от интенсивности движения лесовозных автопоездов;
математическая модель неустановившейся фильтрации воды в дренирующем слое, которая позволяет обосновать требования к материалу и размерам дренирующего слоя;
закономерности движения воды в рабочем слое земляного полотна при многократном нагружении, позволяющие уточнить метод расчета дренирующего слоя дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог;
принципы проектирования дренирующего слоя дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог, позволяющие обеспечивать соответствие проектных решений условиям эксплуатации.
Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы подтверждена экспериментальными исследованиями, внедрением при проектирова-
ний автомобильных лесовозных дорог в Калужской и Воронежской областях, применением современных методов имитационного моделирования, компьютерной обработки информации и планирования эксперимента.
Практическая ценность работы заключается в том, что разработанные модели, принципы и положения расчета дренирующего слоя позволяют на стадии проектирования заложить требуемый уровень надёжности лесовозных автомобильных дорог для конкретных условий эксплуатации, а также обосновать параметры дренирующего слоя дорожных одежд, выполняемого из дешевых местных мелких песков и тем самым снизить затраты на строительство лесовозных автомобильных дорог.
Личное участие автора заключается в определении цели и задач исследований, в разработке математических моделей, планировании и проведении экспериментов, анализе результатов работы.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на юбилейной конференции молодых ученых, посвященной 70-летию ВГЛТА (Воронеж, 2000г.); на международных научно-практических конференциях «Проблемы функционирования, стабилизации и устойчивости развития предприятий лесопромышленного комплекса в новом столетии» (Воронеж, 2004 г.); «Технологии, машины и производство лесного комплекса будущего» (Воронеж, 2004 г.); «Наука и образование лесного комплекса» (Воронеж, 2005 г.); на ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава ВГЛТА в 2002-2009 годах.
Результаты исследований внедрены: в Центре дорожно-мостового проектирования «Магистраль» (г. Воронеж), МУП «Горкомхоз» администрации г. Воронежа, ООО «СОЮЗАРХПРОЁКТ» (г. Воронеж) и использованы при разработке проектов автомобильных дорог в Воронежской и Калужской областях.
Публикации. Соискателем по результатам диссертации опубликовано 14 научных статей, в том числе 2 статьи в изданиях, определенных ВАК Минобрнауки РФ и 5 статей без соавторов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованных источников из 86 наименований, 6 приложений. Работа изложена на 161 страницах машинописного текста и включает 21 таблицу и 41 рисунок.
Методы определения избытка воды на поверхности рабочего слоя земляного полотна
Регулирование водно-теплового режима земляного полотна позволяет уменьшить амплитуду колебания влажности грунта в течение годового цикла и особенно в ранневесенний период, когда влажность грунта сильно возрастает, и тем самым повысить его несущую способность [1].
Способы регулирования водно-теплового режима земляного полотна можно разделить на четыре основные группы.
К первой группе относятся мероприятия по ограничению увлажнения земляного полотна поверхностными и грунтовыми водами путем отвода воды с обочин, устройства насыпей, капилляропрерывающих прослоек, электрические и химические методы, уплотнение грунтов, своевременная заливка швов и трещин в покрытиях герметизирующими мастиками. Вторая группа включает мероприятия по замене и улучшению грунта, использование для устройства насыпи непучинистых и сла-бопучинистых грунтов, применение морозозащитных слоев, улучшение зернового состава грунта и обработка их вяжущим. Третья группа объединяет мероприятия по отводу воды из дорожной одежды, устройство дренирующих слоев и прослоек, глубинного дренажа, дренажа мелкого заложения, закромочного дренажа. В четвертую группу входят мероприятия по регулированию теплового режима путем устройства теплоизолирующих слоев. В некоторых случаях мероприятия, предупреждающие поступление воды в рабочий слой земляного полполотна, в тоже время могут использоваться для отвода избытка воды из грунта и наоборот.
Для отвода воды из оснований дорожных одежд предусматривается устройство дренажа, назначениями которого являются: перехват и отвод грунтовых вод (или верховодки), поступающей к покрытиям со стороны; понижение уровня грунтовых вод (или верховодки) в естественных основаниях; сбор и отвод вод из дренирующих оснований. В соответствии с назначением различают виды дренажа: - дренажи для перехвата, понижения уровня и отвода грунтовых вод в естественных основаниях (глубинный дренаж); - дренажи для отвода воды из пористых оснований дорожных одежд (закро-мочный дренаж). Применение глубинного дренажа зависит от местных климатических и гидрологических условий и регламентируется нормативными документами проектирования водоотвода и дренажа. Глубинный дренаж целесообразно применять в сочетании с тщательной вертикальной планировкой при устройстве покрытий в насыпи и обеспечением минимально допустимого возвышения поверхности рабочего слоя земляного полотна над уровнем грунтовых вод.
При проектировании глубинного дренажа предусматривают расчеты по определению притока воды в одиночные дрены (ловчие, головные, береговые и т.д.) и дрены, расположенные друг от друга на определенных расстояниях и объединенные в системы. В процессе расчета учитывается ряд факторов: климатические условия (атмосферные осадки, испарение, глубина промерзания грунта и т.д.); рельеф местности (характер рельефа, условия стока, уклоны); грунтовые условия (виды грунтов, их напластования, характеристики водопроницаемости и водоотдачи); гидрологические условия участка (начальный уровень грунтовых вод, направление и скорость движения грунтовых вод); требования, предъявляемые к дренажу (норма осушения, интенсивность осушения и т.д.).
Другим видом дренажа, который применяется на лесовозных дорогах, является так называемый закромочный дренаж. Этот вид дренажа применяется в тех случаях, когда под покрытиями уложен дренирующий слой, в который поступает вода от атмосферных осадков, просачивающихся через швы и трещины в покрытии. Закромочный дренаж представляет собой линию дрен уложенных вдоль кромки покрытия в траншею на глубину, равную высоте капиллярного поднятия воды в материале засыпки дрен, при чем фильтрующая засыпка закромочной дрены выполняет ся из того же материала, что и дренирующий слой и соединяется с ним.
Принципиально закромочный дренаж представляет собой разновидность систематического дренажа. Однако, расстояние между закромочными дренами, определяемое шириной покрытия, значительно превышает эффективные расстояния для грунтов естественного основания, поэтому для своевременного отвода воды, поступающей из грунтового основания, создается слой из пористого материала с фильтрационными свойствами необходимыми для эффективной работы основания под нагрузкой, то есть расчет закромочного дренажа представляет собой гидравлический расчет дренирующего слоя, исходя из условия его эффективного осушения.
При проектировании лесовозных автомобильных дорог назначение толщины дренирующего слоя производится без расчета [2]. Для его устройства применяют пески крупные и средней крупности с коэффициентом фильтрации не менее 7 м/сут. Толщина слоя устанавливается в соответствии с таблицей 1.1.
Математическая модель поступления избытка свободной воды в дренирующий слой дорожной одежды при действии нагрузки
Дренажная конструкция (дренирующий слой и водоотводящие устройства) необходима в традиционных конструкциях дорожных одежд со слоями из зернистых материалов на земляном полотне из слабо фильтрующих грунтов (пылеватых песков, непылеватых песков с коэффициентом фильтрации менее 0,5 м/сут, глины) во II и III дорожно-климатических зонах для всех схем увлажнения рабочего слоя. В IV и V зонах — для 3-й схемы, а также, если в основании проезжей части, возможно, скопление воды, проникающей с поверхности (затяжные продольные уклоны, наличие сравнительно легко водопроницаемых грунтов на обочинах, вогнутые переломы продольного профиля, прилегающие к проезжей части зеленые насаждения и газоны и др.) [28]. Схему увлажнения на участках, где в придорожной полосе застаивается вода, устанавливают с учетом расстояния 1У от бровки земляного полотна до уреза застаивающейся осенью воды. Величину безопасного расстояния 1У можно определить по специальной методике. При отсутствии фактических данных следует принимать: 1У = 10 м для супесей; 1У= 3 м для суглинков легких и пылеватых; 1У= 2 м для суглинков тяжелых и глин.
Дренирующие слои следует устраивать из песка, гравийных материалов, отсортированного шлака и других фильтрующих материалов. В конструкциях, где дренирующий слой расположен выше глубины промерзания, материалы должны обладать морозостойкостью и достаточной прочностью. Требуемый коэффициент фильтрации материала дренирующего слоя определяют расчетом, учитывая геометрические параметры проезжей части и другие условия, но он должен составлять не менее 1 и 2 м/сут соответственно на участках насыпей и выемок. При выборе материала для дренирующего слоя учитывают прочностные свойства, влияющие на прочность дорожной одежды [29].
В большинстве случаев, особенно на пучиноопасных участках, рационально устройство верхней части земляного полотна из дренирующего материала без водоотвода. Если объем воды составляет больше 0,007 м/сут на 1 м2 проезжей части, а также в выемках и в местах с нулевыми отметками, то рассматривают вариант устройства продольных трубчатых дрен (из различных материалов, а также плоских геосинтетических дрен и др.) у краев проезжей части с поперечными выпусками, а также продольного дренажа из крупнопористого материала. Дренажную конструкцию следует выбирать на основании технико-экономического сравнения вариантов [30].
На участках с затяжными уклонами (продольный уклон больше поперечного) для перехвата и отвода воды, перемещающейся в дренирующем слое вдоль дороги, предусматривают устройство мелких прорезей в грунтовом основании с укладкой в них перфорированных труб, трубчатых фильтров или щебня с противозаиливающей изоляцией.
С целью снижения накопления влаги в верхней части земляного полотна можно предусмотреть водонепроницаемые прослойки (из различных материалов) на всю ширину земляного полотна [31]. При ширине земляного полотна более 15 м и наличии водонепроницаемого покрытия допускается устройство замкнутых прослоек («обойм») на ширину проезжей части. Глубина заложения прослойки от поверхности покрытия во II дорожно-климатической зоне должна быть более 90 см, в III -80 см, в IV - 70 см и в V зоне - 65 см. Капилляропрерывающие прослойки толщиной 10... 15 см из крупнозернистого песка или гравия устраивают па всю ширину земляного полотна. Для предохранения от быстрого загрязнения под прослойкой и над ней необходимо предусматривать прослойки-фильтры. В южных районах существенное уменьшение объема мигрирующей (преимущественно парообразной) влаги можно достичь с помощью слоев пароизоляции из полимерных рулонных материа лов, грунта, обработанного органическим вяжущим веществом, или слоев из тщательно уплотненного грунта в «обойме».
Если крупнообломочный материал (щебень, гравий, шлак), укладывается непосредственно на грунт земляного полотна, то предусматривают прослойку, препятствующую взаимопрониканию материалов смежных слоев: из мелкого щебня, высевок (0...10мм), гравийно-песчаных смесей, крупных и средней крупности песков, непылеватых шлаков, непучинистых золошлаков, синтетических текстильных материалов и др. Толщина защитной прослойки из грунта, укрепленного вяжущими, 5...8 см; из зернистого материала — 5...20 см в зависимости от степени увлажнения грунта земляного полотна. Прослойку из геотекстильных материалов следует предусматривать также при укладке крупнопористых материалов на песчаный слой на дорогах 1-а, 1-6, II и III категорий.
Дренажная система дорожной одежды включает плоскостной горизонтальный дренаж, дополняемый (если требуется) прикромочным и поперечным дренажом мелкого заложения.
При устройстве всех слоев дорожной одежды из монолитных материалов в качестве плоскостного горизонтального дренажа после технико-экономического обоснования допускается применять (вместо дренирующего слоя) прослойку из геотекстильного материала толщиной не менее 4 мм с коэффициентом фильтрации не ниже 50 м/сут с выпуском полотнищ на откосы насыпи на высоту не менее 0,5 м. Выбор материала в этом случае производится по специальным указаниям. Проектирование мероприятий по дренированию дорожной одежды осуществляют в следующей последовательности: 1. Дорогу разделяют на типичные участки по продольному профилю и природным условиям (характер рельефа местности, наличие водотоков, пересекающих дорогу и др.) с учетом особенностей конструкции земляного полотна (насыпь высотой по СНиПу, выемка или насыпь высотой ниже требуемой, переходный участок от насыпи к выемке) и дорожной одежды (монолитные слои основания, морозозащит-ные или теплоизолирующие слои из укрепленных материалов), обеспеченности материалами для дренирующего слоя, дренажными трубами и геотекстильными мате риалами; возможности осуществления мер по ограничению притока воды в дорожную конструкцию. 2. Для типичных участков определяют количество воды, поступающей в основание за сутки и за расчетный период, предусматривая меры по ограничению притока воды в дорожную конструкцию. 3. Намечают варианты дренажных конструкций. 4. Обосновывают расчетом толщину дренирующего слоя для данных условий или определяют коэффициент фильтрации для дренирующего материала в заданной дренажной конструкции.
При проектировании дренирующего слоя необходимо, помимо осушения, учитывать необходимость обеспечения сдвигоустойчивости самого зернистого материала и прочности всей дорожной конструкции. Дренажную конструкцию следует проектировать с учетом объема притока воды, поступающей в основание дорожной одежды в расчетный период, фильтрационной способности материала дренирующего слоя и конструкции земляного полотна. При выборе конкретного мероприятия по регулированию притока воды проводится технико-экономическое сравнение вариантов [32].
Комбинированный плоскостной горизонтальный дренаж — это универсальное мероприятие для большинства участков дорог. Поперечный дренаж мелкого заложения устраивают для поперечного перехвата воды, движущейся в дренирующем слое вдоль дороги, на участках с продольным уклоном свыше 20 %о, а также с затяжными продольными уклонами, превышающими поперечные; в местах вогнутых вертикальных кривых и на участках уменьшения продольных уклонов.
Обоснование метода исследования и основных параметров физической модели грунта
Задача консолидации водонасыщенных грунтов решается путем интегрирования системы уравнений многофазной среды. Она отличается от механики сплошной среды двумя основными исследованиями: Ш. Кулона - о внутреннем трении грунтов и К. Терцаги — о двух системах давления в водонасыщенных грунтах и математическом описании процесса консолидации, сопровождающегося отжатием поровой воды [41].
Для оценки и прогнозирования изменения напряженно-деформируемого состояния грунтовой среды существует ряд теорий. Приоритет в применении какой-либо из них определяется сложностью поставленной задачи, точностью ожидаемого результата и учетом основных факторов поведения грунта. Наиболее широкое распространение получили теория пластического течения, деформационная теория пластичности и теория фильтрационной консолидации.
Первая, базирующаяся на принципе максимума скорости диссипации механической работы, определяет приращение компонентов тензора пластических деформаций, пропорционально градиенту некоторой функции, и отождествляется с функцией нагружения. Деформационная теория пластичности основывается на соотношениях, связывающих конечные величины пластических деформаций с конечными значениями напряжений. В основе теории консолидации лежат соотношения, связывающие пористость с действующим давлением.
Модель грунта в рамках деформационной теории пластичности конкретизируется заданием модулей деформации. А модель теории пластического течения с упрочнением требует задания пластического потенциала. Анализируя основные положения этих теорий, можно сделать вывод, что их решения совпадают при простом состоянии грунта. При сложном напряженном состоянии среды теория пластического течения более точно описывает опытные данные в отличие от деформационной теории. Кроме этого деформационная теория пластичности имеет ряд недостатков [42].
Непосредственное использование данных теории в прикладных задачах затруднительно по нескольким причинам. Наиболее главная из них иллюстрируется, например, на модели теории пластического течения с упрочнением, предложенной Зарецким Ю.К. и Ломбардо В.Н. [43]. Являясь универсальной, обладая значительной общностью и отражая большинство наблюдаемых экспериментальных факторов, она требует конкретизации многочисленных экспериментальных параметров. В свою очередь, они определяются большой серией экспериментов, а некоторые из них требуют постановки дополнительных опытов. Что касается непосредственно испытаний, то в настоящее время нет обоснованной, убедительной и общепризнанной методики испытания переувлажненных грунтов на стабилометре в циклическом режиме. Данная проблема является самостоятельной.
Анализируя вышеприведенные положения и учитывая, что приходится рассматривать прикладную фильтрационную задачу, можно ограничиться выявлением апробированных и доступных экспериментальных зависимостей, описывающих поведение грунта. Таким инструментом, позволяющим с достаточной точностью для инженерной практики достичь поставленных задач, является модель фильтрационной консолидации грунта.
При решении консолидационных задач механики грунтов, с учетом сжимаемости поровой жидкости, широкое применение получил метод, рассматривающий модель грунта в виде квазидвухфазного (условно двухкомпонентного) тела, состоящего из несжимаемого скелета и сжимаемой поровой жидкости. Причем сжимаемость жидкости обусловлена наличием газа в порах грунта в защемленном и растворенном виде. Такая модель грунтовой среды впервые предложена Лейбензоном Л.С. [44] при изучении движения воды через пористые среды. Принятое допущение предполагает не сжимаемость поровой жидкости при полном водонасыщении грунта. Однако, как было указано в главе 1, даже в этом случае жидкость содержит растворенный газ, что оказывает большое влияние на его сжимаемость. Этот факт определяет необходимость рассмотрения модели многофазной грунтовой среды. Известно, что осадка водонасыщенного грунта состоит из первичной осадки — фильтрационной и вторичной, обусловленной ползучестью скелета грунта. Учет ползучести водонасыщенных грунтов построен на естественном для теории ползучести предположении, что интенсивность проявления вязкого трения не зависит от размеров области уплотнения. Протекание же фильтрационного уплотнения зависит от длины пути фильтрации, то есть размера области уплотнения — толщины уплотняемого слоя. Таким образом, с увеличением размеров водонасыщенного грунтового массива влияние ползучести на процесс уплотнения уменьшается, поэтому реологическими свойствами скелета грунта можно пренебречь [45].
Руководствуясь вышесказанным, для получения уравнения движения воды в верхней части земляного полотна необходимо выявить закономерность изменения во времени напряженного состояния компонентов грунта. Основными допущениями при разработке модели движения воды в рабочем слое земляного полотна принимаются следующие положения: 1. Расчетная модель грунта принимается в виде трехфазной среды, состоящей из твердой, жидкой (несжимаемой) и газообразной фаз. 2. В качестве основополагающего положения при оценке напряженного состояния грунта принимается принцип Г.Терцаги. 3. Скелет грунта и вода считаются несжимаемыми. 4. Защемленные пузырьки воздуха перемещаются вместе со скелетом грунта, вследствие чего скорости движения твердой и газообразной фаз считаются одинаковыми. 5. Сжимаемость и растворимость в жидкости защемленных пузырьков газа описываются законами Бойля-Мориотта и Генри. 6. Движение воды по порам грунта подчиняется законам фильтрации Дарси-Герсеванова. 7. Мерзлый грунт водонепроницаемый и несжимаемый. 8. Грунт деформируется только в вертикальном направлении, без бокового расширения. 9. Собственная масса грунта не учитывается из-за незначительного ее влияния на процесс деформирования. Таким образом, соблюдаются все условия для решения задачи фильтрационной консолидации.
Математическая модель неустановившейся фильтрации воды в дренирующем слое с учетом фильтрации в капиллярной зоне
С целью проверки адекватности полученной математической модели реальным процессам фильтрации воды в грунтах, а также для определения физических, фильтрационных и других характеристик грунта, входящих в полученные аналитические выражения, были проведены экспериментальные исследования глинистых грунтов в случае одномерного уплотнения в условиях циклического и кратковременного нагружения.
Наиболее деформатированные и фильтрационные характеристики уплотнения водонасыщенных глинистых грунтов определяются испытанием грунтов в компрессионных приборах и их различных модернизациях (компрессионно-фильтрационные и др.). Преимуществом компрессионных испытаний являются: возможность создания различных граничных условий загружения образцов грунта, уменьшения погрешностей при отборе образцов грунта текучей и текуче-пластичной консистенции из монолита или зарядного прибора, относительная простота конструкции и широкая распространенность компрессионных исследований глинистых грунтов.
Закономерность изменения напряженно-деформированного состояния водонасыщенных оттаявших глинистых грунтов рабочего слоя земляного полотна в условиях динамического нагружения связана с отжатием избыточной поровой воды. Исходя из этого, задачи лабораторных исследований определяются, прежде всего, условиями работы грунтов в земляном полотне.
В программу исследований входит решение следующих задач: - проведение компрессионных испытаний с вертикальной фильтрацией воды в условиях статического, кратковременного, многократного (циклического) нагружения заданной частоты при сохранении заданного номинального давления; - установления характера изменения порового давления по глубине образца переувлажненного грунта и во времени в условиях переменного воздействия нагрузки; - выявление характера изменения осадки водонасыщенного грунта во времени; - прогнозирование во времени количества отжимаемой воды из переувлажненного грунта под действием циклической нагрузки; - определение влияния сжимаемости защемленного и растворенного газа на процесс консолидации переувлажненного грунта (путем испытания образцов с различным коэффициентом водонасыщения); - определение проницаемости переувлажненных грунтов при различных ступенях нагружения. Кроме вышеперечисленных основных вопросов экспериментального исследования необходимо определить параметры исследуемых грунтов, для теоретического расчета показателей: е0, еср, у0, ргр, Wo и т.д.
Выявление устойчивых закономерностей поведения грунтов в зависимости от их напряженного состояния осуществляется на физической модели. Наиболее приемлемой и обоснованной является модель грунта, которая соизмерима в физическом, механическом и геометрическом соотношениях с натурной расчетной областью, однако выполнение такой модели и проведение испытаний не всегда представляется возможным вследствие их длительности и трудоемкости. Следовательно, для выявления устойчивых закономерностей поведения грунта, точного и качественного измерения напряжения и деформации необходимо проведение исследований на малых образцах, обоснованных с позиции теории подобия. При этом выбор методики базируется на одном из основных законов подобия — механическом подобии [58], то есть образцу грунта создаются условия близкие к эксплуатационным, а при изучении деформационных свойств грунта принят метод непосредственного измерения характеристик динамического процесса.
Необходимым условием является обоснование минимальных размеров образца с точки зрения достоверности результатов эксперимента. Критерием назначения размеров грунтового образца является исключение искажений результатов компрессии, которое в основном обусловлено трением между грунтом и стенкой прибора. Трение, в свою очередь, определяется соотношением диаметра и высоты закладываемого образца. В работе Моусса доказывается, что при соотношении диаметра к высоте /?= dwJ h06P= 2,5 трение незначительно [59]. Однако целью исследований является определение динамики изменения порового давления, как во времени, так и по глубине. Исходя из этого, для исследований особенностей динамики влагопере-носа в связных переувлажненных грунтах и оценки параметров напряженно-деформированного состояния принимаются грунтовые образцы с /?=1 и размером 0,08 -е- 0,08 м.
Закономерности поведения переувлажненного, в результате оттаивания, грунта определяются сложным комплексом факторов, главными из которых являются: текстура, структура, влажность, путь нагружения (последовательность приложения, нагрузки), величина нагрузки.
В отличие от перечисленных факторов путь нагруженшгтребует дополнительного обоснования. Известно, что продолжительность действия контактного давления при проезде автопоезда колеблется в интервале 0,005 — 0,04 сек. Скорость изме-нения напряженного состояния при этом находится в пределах от 150 кгс/(см сек) до 700 кгс/(см2сек) [60, 61]. Продолжительность действия напряженно-деформированного состояния грунта, вследствие равномерного распределения нагрузки дорожной одежды на границе раздела в зависимости от скорости движения транспортного средства лежит в пределах от 0,01 сек до 1,5 сек. Форма волны напряжений, и время ее действия изменяется с глубиной вследствие наличия вязких свойств и порового давления в грунте.
Кратковременное воздействие нагрузки на дорожное покрытие носит, в основном, импульсивный характер и соизмеримо с ударными нагрузками [62, 25]. Период между воздействиями в зависимости от количества и расположения колес на оси, интенсивности движения и скорости 0,1 сек и более. Поэтому независимо от скорости приложения нагрузки в грунте за данный промежуток времени успевают протекать упруго-вязкие, вязкие и вязкопластические деформации, перераспределение воды. Однако моделирование реального воздействия представляет определенные трудности по нескольким причинам: из-за неопределенности интервала между воздействиями, сложностью задающего оборудования, обеспечивающего переменность нагрузки в заданном временном интервале. С другой стороны, рассматривать реальные частоты воздействия с позиции циклического испытания затруднительно, так как при таких частотах воздействия в грунтовой среде появляются свойства «демпфера», так как вязкие свойства и перераспределение воды не успевают протекать и исследуемое напряженно-деформируемое состояние грунта не соответствует расчетному. Вместе с тем основной задачей является оценка расчетного периода отжатая и свободного перераспределения воды в грунте. Поэтому учитывая вышеприведенные положения, а также принимая во внимание то, что в качестве расчетного напряжения принимается его величина на момент прохождения в средней точке рассматриваемого грунтового слоя, в исследованиях принято время кратковременного нагружения в интервале tHaz= 0,6 - - 1,4 сек, а частота циклического воздействия штампа на грунт — со = 1 Гц, что соответствует воздействию на сечение рабочего грунта проходящей колесной оси транспортного средства, движущегося со скоростью 30- -40 км/ч, которая наиболее характерна для лесовозных автомобильных дорог.
