Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса по обеспечению морозоустойчивости земляного полотна и дорожной одежды 7
1.1.Анализ существующих методов проектирования и расчета земляного полотна и дорожной одежды на морозоустойчивость 7
1.2. Применение различных инженерных решений для обеспечения морозоустойчивости земляного полотна и дорожной одежды 30
1.3. Цель и задачи исследования 44
2. Экспериментальные исследования морозоустойчивости земляного полотна и дорожной одежды при различных проектных решениях 46
2.1.Законы распределения деформаций, вызванных пучинообразованиями на покрытиях автомобильных дорог 46
2.2. Пучинообразования на дорожных одеждах при различных проектных решениях 63
2.3.Выводы по главе 74
3. Теоретические исследования по оценке морозоустойчивости. дорожной конструкции с использованием теории риска 75
3.1.Вывод основных зависимостей и формул теории риска по оценке вероятностей возникновения пучинообразований 75
3.2. Разработка инженерных решений, обеспечивающих морозоустойчивость дорожных конструкций с позиции теории риска 83
3.3.Выводы по главе 100
4. Рекомендации по использованию результатов исследований и технико-экономическое обоснование предлагаемого подхода 101
4.1.Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований 101
4.2. Практические рекомендации по расчету и проектированию морозоустойчивости земляного полотна и дорожной одежды (с использованием теории риска) 105
4.3.Рекомендации в научно-техническую литературу 115
4.4.Технико-экономическое обоснование предлагаемых решений 119
Заключение (основные выводы) 121
Литература 122
- Применение различных инженерных решений для обеспечения морозоустойчивости земляного полотна и дорожной одежды
- Пучинообразования на дорожных одеждах при различных проектных решениях
- Разработка инженерных решений, обеспечивающих морозоустойчивость дорожных конструкций с позиции теории риска
- Практические рекомендации по расчету и проектированию морозоустойчивости земляного полотна и дорожной одежды (с использованием теории риска)
Введение к работе
Актуальность темы. На дорогах Российской Федерации в зависимости от типа местности по условиям увлажнения и дорожно-климатической зоны могут появляться пучины и деформации покрытий под влиянием зимней миграции влаги в дорожной конструкции. В настоящее время существует много различных методов борьбы с пучинообразованием и методов оценки влияния зимнего перераспределения влаги в теле земляного полотна на характеристики автомобильной дороги. Благодаря исследованиям профессоров Н.А.Пузакова, В.М.Сиденко, И.А.Золотаря, А.Я.Тулаева и др., водно-тепловой режим эксплуатируемых дорог достаточно хорошо изучен. Однако существующие методы в этой области строго детерминированы и не учитывают вероятностную сущность процессов, происходящих в земляном полотне при изменении водно-теплового режима. Разработка вероятностных методов по предупреждению деформаций при промерзании дорожной конструкции является актуальной задачей, требующей применения такого современного математического аппарата как теория риска.
Все сказанное подчеркивает актуальность выбранной темы диссертационной работы.
Цель исследования заключается в повышении надежности дорожных одежд по условию предупреждения деформаций при промерзании дорожных конструкций с использованием теории риска.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- впервые использован теоретико-вероятностный подход к оценке
морозоустойчивости конструкций автомобильных дорог;
- с позиций теории риска обоснованы допустимые величины пучений,
соответствующие требуемым уровням надежности и коэффициентам вариации
высот пучинообразований;
предложены методики расчета мероприятий по обеспечению
5 морозоустойчивости дорожных конструкций с учетом вероятностной сущности
процессов, происходящих в теле земляного полотна при промерзании.
Практическая ценность работы заключается в рекомендациях в научно-техническую литературу, которые позволяют бороться с пучениями дорожных конструкций в зимний период года, а также в разработанных методиках по расчету и проектированию мероприятий по обеспечению морозоустойчивости дорожных конструкций.
Апробация работы. Основные результаты исследования докладывались и обсуждались: на ежегодных научно-технических конференциях СГТУ (в период с 2003 по 2006 г.), на IV Международной научно-технической конференции в г. Пензе (2006 г.); на научно-методическом семинаре выпускающей кафедры (2003 - 2006 г.); на ежегодных научно-технических конференциях факультета транспортного строительства СГТУ "Декада науки" (2004-2006 г.).
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка литературы.
Первая глава посвящена обзору существующих методов оценки морозоустойчивости дорожных конструкций, методов определения величин поднятия покрытий и методов борьбы с пучинообразованиями.
Во второй главе приведены результаты экспериментальных исследований существующих участков автомобильных дорог, подверженных пучениям, с целью определения законов распределения высот поднятий, в зависимости от различных инженерных решений. Дана обработка результатов измерения методами математической статистики. Выполнено обоснование теоретических законов распределения исследуемых величин (нормальный закон распределения) по критериям Пирсона и Романовского. Представлены результаты исследования условий влияющих на величину пучений на исследованных участках.
В третьей главе разработана математическая модель, с помощью которой
можно определить величину риска разрушения покрытия в результате пучинообразований. Разрабатываются инженерные решения, обеспечивающие морозоустойчивость дорожных конструкций с позиции теории риска. Предлагаются величины допустимых значений пучений в зависимости от коэффициента надежности, коэффициента вариации средней величины пучений и дорожно-климатической зоны.
Четвертая глава посвящена сравнению результатов теоретических и экспериментальных исследований. Предложены методики расчета различных инженерных решений, обеспечивающих морозоустойчивость дорожной конструкции с заданным уровнем надежности. Расчет экономической эффективности подтверждает целесообразность внедрения данных рекомендаций.
На защиту диссертации выносятся:
- результаты экспериментальных исследований высот пучинообразований;
- математический аппарат по оценке риска разрушения дорожных
конструкций в результате пучинообразований;
- рекомендации по расчету и проектированию элементов автомобильных
дорог по критерию морозоустойчивости.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в работе, подтверждена многочисленными сравнениями теоретических и экспериментальных исследований.
Диссертационная работа выполнена на кафедре «Строительство дорог и организация движения» Саратовского государственного технического университета под руководством доктора технических наук, профессора В. В. Столярова.
Применение различных инженерных решений для обеспечения морозоустойчивости земляного полотна и дорожной одежды
Для улучшения водно-теплового режима земляного полотна, уменьшения зимнего влагонакопления, предотвращения образования пучин назначают следующие мероприятия: возвышение бровки земляного полотна, понижение уровня грунтовых вод, устройство морозозащитных слоев, устройство дренажных слоев, устройство гидроизоляционных слоев и т.д. /13,14,103,104/. Назначенные мероприятия должны обеспечивать в теле земляного полотна небольшой заранее выбранный проектный диапазон колебания влажности грунта, расчетный модуль деформации и наименьшую сметную стоимость дорожной конструкции /17,99/.
Расчет возвышения низа дорожной одежды над уровнем грунтовых вод. Для обеспечения прочности полотна необходимо ограничить возрастание влажности величиной Wp.
Расчет понижения уровня грунтовых вод. При близком залегании ГГВ влажность W=f(z,T) в слое h\ возрастает на всех горизонтах. Для обеспечения необходимой прочности грунта полотна в основании одежд необходимо ограничить значение W(z, Т) величиной Wp, при этом W(zh T)=WP. В этом случае выражение для предельного расположения ГГВ от низа одежды имеет вид /62/: " - V-(wi (I-38)
Если фактическая глубина залегания ГГВ будет меньше hj, то для понижения ГГВ на глубину не менее hj устраивают боковые дренажи глубокого заложения.
Расчет морозозащитных (теплоизолирующих) слоев. Теплоизолирующие слои являются эффективным мероприятием при регулировании водно-теплового режима в районах с глубоким сезонным промерзанием грунтов и их интенсивным пучением при наличии многолетнемерзлых льдонасыщенных грунтов /15,62/. Эффективность этого мероприятия увеличивается для участков с преобладанием термодиффузии водяного пара в общем балансе миграционного процесса. Толщину морозозащитного слоя по методу ХАДИ /62/ можно определить с учетом тепловых свойств земляного полотна, дорожной одежды и гидрогеологических условий.
Код - коэффициент, учитывающий срок службы дорожной одежды, между капитальными ремонтами (табл. 4.7 /94/); Кувл - коэффициент, учитывающий схему увлажнения рабочего слоя земляного полотна, принимаемый при 2 и 3 схемах увлажнения, равным единице, а при 1 схеме увлажнения - по табл. 4.8 /94/; 8 - понижающий коэффициент, принимаемый для Пі, Из и П5 дорожно-климатических подзон равным 1,0; для ІІ2, ІІ4 и Ив, подзон равным 0,95; для Ш-ей дорожно-климатической зоны равным 0,90; для IV дорожно-климатической зоны равным 0,85 (схему дорожно-климатических зон см. Приложение 2 /94/). Rnp определяют с помощью номограммы (рис. 4.6 /94/) методом итерации через отношение 1дог/(СпучСр) (горизонтальная ось номограммы). Значения 1дот Спуч, и Ср определяют соответственно по табл. 4.3,4.9, и 4.10 /94/.
При назначении величины Ср по табл. 4.10 /94/ подбирают допустимую глубину промерзания hnp(don) таким образом, чтобы получаемому значению отношения 1дог/(СПучСр) соответствовала величина hnp(don) на вертикальной оси номограммы, равная принятой при определении Ср. Подбор нужно начинать со значения hnp(don), соответствующего наименьшей допустимой глубине промерзания.
Расстояние Ну от низа дорожной одежды до уровня подземных вод, необходимое для использования номограммы, определяют, приняв за исходную, полученную в соответствии с п. 4.6 /94/ ориентировочную толщину морозозащитного слоя hM3 и вычислив при заданном hm общую толщину дорожной одежды hod После завершения расчета толщины морозозащитного слоя по формуле (1.41) сравнивают полученное значение hm с предварительно назначенной величиной hM3. Разница не должна быть более 5 см. В противном случае расчет необходимо повторить.
Расчет толщины теплоизолирующего слоя /94/ осуществляется также как и морозозащитного /94/. В расчет следует включать толщину дорожной одежды, необходимую по условиям обеспечения прочности и дренирования, а также значения показателя пучинистости грунта Спуч (табл. 4.11 /94/); толщину теплоизолирующего слоя следует определять по графику (рис. 4.7 /94/) в зависимости от Rod(mp) и Rod(o).
Пенопласт, используемый для устройства теплоизолирующего слоя должен удовлетворять следующим требованиям: прочность на сжатие при 10 % линейной деформации не менее 0,40 МПа, предел прочности при изгибе - не менее 0,70 МПа, водопоглощение по объему - не более 0,45, теплопроводность - не более 0,032 Вт/(м-К) (при методах испытания по действующим ГОСТам). Выбор нужной марки пенопласта следует проводить с учетом результатов опытной проверки на дорогах.
Если рабочий слой земляного полотна включает два слоя из грунтов с различной пучинистостью, то толщину морозозащитного слоя, при верхней части рабочего слоя из менее пучинистого грунта, следует рассчитывать по формуле:
Пучинообразования на дорожных одеждах при различных проектных решениях
Для выявления причин возникновения пучений необходимо проанализировать условия, в которых работает конструкция автомобильной дороги. С целью установления этих причин на описанных в главе 2.1 участках производилось установление конструкции дорожной одежды, брались пробы грунта, устанавливалось расстояние от поверхности воды до элементов дороги (рис. 2.11 и 2.12).
Установление конструкции производилось путем разработки обочин и установления и измерения толщин слоев дорожной одежды: участок№1 (слой асфальтобетона - 12 см, щебень - 30 см, песок - 10 см), участок№2 (слой асфальтобетона - 5 см, щебень - 29 см, песок - 10 см), участок№3 (слой асфальтобетона - 5 см, щебень - 30 см, песок - 10 см), участок№4 (слой асфальтобетона - 4 см, щебень - 29 см, песок - 10 см), участок№5 (слой асфальтобетона - 13 см, щебень - 28 см, песок - 12 см), участок№6 (слой асфальтобетона - 17 см, щебень - 31 см, песок - 12 см), участок№7(слой асфальтобетона - 7 см, щебень - 27 см, песок - 14 см). 1. Пробу грунта для определения влажности отбирали массой 15—50 г, помещали в заранее высушенный, взвешенный и пронумерованный бюкс, и плотно закрывали крышкой, а затем герметизировали парафином. 2. Пробу грунта в закрытом бюксе взвешивали. 3. Бюкс открывался и вместе с крышкой помещался в нагретый сушильный шкаф. Грунт высушивали до постоянной массы при температуре (105 ± 2)С в течение 3 ч. Последующие высушивания грунтов производили в течение 1 ч. 4. После каждого высушивания грунт в стаканчике охлаждали до температуры помещения и взвешивали. Высушивание производили до получения разности масс грунта со стаканчиком при двух последующих взвешиваниях не более 0,02 г. 1. Образец грунта в воздушно-сухом состоянии растирался в фарфоровой ступке и просеивался сквозь сито с сеткой № 1, затем увлажнялся дистиллированной водой до состояния густой пасты, перемешивая шпателем, и выдерживался в закрытом стеклянном сосуде 2 ч. 2. Подготовленную грунтовую пасту тщательно перемешивали шпателем и небольшими порциями плотно укладывали в цилиндрическую чашку к балансирному конусу. Поверхность пасты заглаживалась шпателем вровень с краями чашки. 3. Балансирный конус, смазанный тонким слоем вазелина, подводили к поверхности грунтовой пасты так, чтобы его острие касалось пасты. Конус плавно отпускали, позволяя ему погружаться в пасту под действием собственного веса. 4. Погружение конуса в пасту в течение 5 с на глубину 10 мм показывает, что грунт имеет влажность, соответствующую границе текучести. 5. При погружении конуса в течение 5 с на глубину менее 10 мм, грунтовая паста извлекалась из чашки, присоединялась к оставшейся пасте и добавлялось немного дистиллированной воды, затем происходило тщательное перемешивание ее и повторялись операции, указанные в пп. 2-4. 6. При погружении конуса за 5 с на глубину более 10 мм грунтовую пасту из чашки перекладывали в фарфоровую чашку, слегка подсушивают на воздухе, непрерывно перемешивая шпателем и повторялись операции, указанные в пп. 2-4. 7. По достижении границы текучести из пасты отбирали пробы массой 15—20 г для определения влажности. 1. Для определения границы раскатывания использовали часть грунта (40—50 г), подготовленного для определения текучести. 2. Подготовленную грунтовую пасту тщательно перемешивали, затем брали небольшой кусочек и раскатывали ладонью на стеклянной или пластмассовой пластинке до образования жгута диаметром 3 мм. Если при этой толщине жгут сохранял связность и пластичность, его собирали в комок и он вновь раскатывался до образования жгута диаметром 3 мм. Раскатывать следует, слегка нажимая на жгут, длина жгута не должна превышать ширины ладони. Раскатывание продолжали до тех пор, пока жгут не начинал распадаться по поперечным трещинам на кусочки длиной 3—10 мм.
1. Для определения оптимальной влажности отбирали среднюю пробу воздушно-сухого грунта весом 1 кг измельченного и просеянного через сито с отверстиями 5 мм;
2. Для производства испытаний приготавливались 5 образцов с различной влажностью.
3. Грунт в количестве 200 г увлажняли до необходимой влажности с учетом гигроскопической влаги исходного грунта, вода добавлялась в несколько приемов с тщательным перемешиванием грунта после добавления каждой порции воды.
4. Разъемный цилиндр и вкладыш малого прибора Союздорнии смазывали керосином, вставляли в подставку и зажимали винтами. На разъемный цилиндр одевалась цилиндрическая насадка и на собранный прибор насыпалась увлажненная навеска грунта.
5. В цилиндрическую насадку вставлялся плунжер, предварительно смазанный керосином, и грунт уплотнялся ударами гири, падающей с высоты 30 см по направляющему стрежню. При супесчаных грунтах - 30 ударов, а при суглинистых - 40 ударов.
6. После уплотнения грунта плунжер и цилиндрическая насадка снимались, а излишки грунта срезались в уровень с краями разъемного цилиндра. Уплотненный образец грунта вынимался, взвешивался, штангенциркулем измерялась высота и диаметр образца, а затем определялся объем образца.
Разработка инженерных решений, обеспечивающих морозоустойчивость дорожных конструкций с позиции теории риска
Для обеспечения морозоустойчивости дорожной конструкции необходимо установить все факторы на нее влияющие. Назначение мероприятий, регулирующих значения этих факторов, позволяет обеспечить работу дорожной конструкции с заданным уровнем надежности /9,12/. Курв - коэффициент, учитывающий влияние расчетной глубины залегания уровня грунтовых или длительно стоящих поверхностных вод (рис. 1.4); при отсутствии влияния грунтовых или длительно стоящих поверхностных вод следует принимать: для супеси тяжелой и пылеватой и суглинка КУГв = 0,53; для песка и супеси легкой и крупной КУГв = 0,43; Кт- коэффициент, зависящий от степени уплотнения грунта рабочего слоя (табл. 1.6); Кгр- коэффициент, учитывающий влияние гранулометрического состава грунта основания насыпи или выемки (табл. 1.7); Кнагр- коэффициент, учитывающий влияние нагрузки от собственного веса вышележащей конструкции на грунт в промерзающем слое и зависящий от глубины промерзания (рис. 1.5); Квл- коэффициент, зависящий от расчетной влажности грунта (табл. 1.8). С целью обеспечения морозоустойчивости дорожной конструкции возможны различные мероприятия: возвышение бровки земляного полотна; понижение уровня грунтовых вод; устройство морозозащитных слоев; замена грунта земляного полотна и т.д. /26,32,47,49,51/. Для этого предлагается воспользоваться приведенными ниже методиками, полученными на основании формул (3.15) и (1.25). Расчет понижения уровня грунтовых вод Определим глубину залегания грунтовых вод от низа дорожной одежды, при которой обеспечивается заданный уровень надежности.
Для определения высоты повышения оси проезжей части по формуле (3.21) определяем коэффициент, учитывающий влияние расчетной глубины залегания уровня грунтовых или длительно стоящих поверхностных ВОД (Курв) Затем по рис. 1.4 определяем глубину залегания грунтовых вод, при которой обеспечивается морозоустойчивость дорожной конструкции при заданном уровне надежности (Ly"B).
Полученные выражения позволяют определять глубину заложения дрен и высоту поднятия насыпи, при которых будет обеспечена морозоустойчивость конструкции с допустимым риском разрушения. В главе 4 будут представлены методики по определению этих величин.
Расчет степени уплотнения грунта Величина морозного пучения зависит от степени уплотнения грунта земляного полотна. При назначении мероприятий по обеспечению морозоустойчивости необходимо рассмотреть, как один из вариантов, увеличение коэффициента уплотнения. Воспользуемся выражением (3.26) и табл. 1.6:
Формула (3.26) получена из выражения (1.25). В качестве допустимой величины морозного пучения используется такая величина, при которой обеспечивается заданный уровень надежности (/ чн)) (формула 3.20).
Для определения коэффициента уплотнения необходимо воспользоваться табл. 1.6. По установленным значениям коэффициента плотности (см. формулу (3.26)) соответствующего типа грунта, устанавливаем коэффициент уплотнения, используя для этого табл. 1.6.
Далее необходимо проанализировать возможность достижения полученного значения коэффициента уплотнения. В случае отсутствия возможности достижения, рассчитанного значения коэффициента уплотнения, необходимо рассмотреть другие варианты обеспечения морозоустойчивости. Одним из вариантов достижения, устанавливаемого по табл. 1.6, коэффициента уплотнения (Кут), является вариант снятия недостаточно уплотненного грунта и его послойное уплотнение в теле насыпи.
Рассмотрим возможность этого решения на исследованных участках автомобильных дорог (см. табл. 2.13). В табл. 3.16 показаны значения коэффициента надежности и допустимые значения коэффициента вариации морозного пучения, взятые из табл. 3.6 - 3.9. По формуле (3.26) определены значения коэффициента плотности, и из табл. 1.6 найдены необходимые коэффициенты уплотнения при заданных уровнях надежности.
Практические рекомендации по расчету и проектированию морозоустойчивости земляного полотна и дорожной одежды (с использованием теории риска)
Важную роль в обеспечении морозоустойчивости дорожной конструкции играет регулирование уровня грунтовых вод, обеспечение требуемой плотности грунта земляного полотна, уменьшение глубины промерзания земляного полотна /11,19,47,51,63,64,99/. В связи с этим были разработаны методики, позволяющие обеспечить работу дорожной конструкции в зимний период с заданным уровнем надежности.
Как было установлено ранее, величины пучений подчиняются нормальному закону распределения, поэтому при разработке методик использовалась теория риска, основанная на нормальном законе распределения.
Для оценки необходимости проведения мероприятий по обеспечению морозоустойчивости на стадиях проектирования и эксплуатации автомобильных дорог, были разработаны методики по определению риска разрушения покрытия на рассматриваемых участках. Причем при написании методик было принято решение делать ссылки на номера формул, которые встречаются в соответствующей главе, а саму формулу представлять после ссылки в самой методике, что делает более понятными предлагаемые методы.
Методика определения риска разрушения дорожных конструкций при определении высот пучений экспериментальным путем 1. Установление средней величины морозного пучения fny4. При проведении натурных исследований необходимо использовать следующие геодезические приборы: - мерная лента; - нивелир; - трехметровая нивелирная рейка.
Съемку поверхности покрытия необходимо производить в зимний и летний периоды в 5 точках на поперечном профиле через каждые 0,5 м. Отсчеты по рейкам записывать в журнал нивелирования с точностью снятия отсчета 1 мм (табл. 4.2). При нивелировании каждая 20-я точка должна быть привязана. Привязку точек выполнять двумя створными точками. После проведения исследований необходимо определить высоты поднятий по разнице отсчетов, полученных в летний и зимний периоды. В случае, когда рассчитанное значение риска меньше или равно допустимому значению, морозоустойчивость дорожной конструкции обеспечена. В противном случае необходимо рассмотреть ряд мероприятий по её обеспечению (см. ниже). Предложенный метод может быть использован только на стадии эксплуатации.
Если полученное значение риска меньше или равно допустимому значению, то морозоустойчивость дорожной конструкции обеспечена. В противном случае необходимо рассмотреть ряд мероприятий по её обеспечению.
В случае необходимости применения мероприятий по обеспечению морозоустойчивости дорожной конструкции предлагается воспользоваться приведенными ниже методиками. Методика расчета понижения уровня грунтовых вод с целью обеспечения морозоустойчивости дорожной конструкции (с позиции теории риска)
Для обеспечения расчетной глубины залегания вод, необходимо произвести устройство дренажа или повысить отметку оси проезжей части. Необходимо проанализировать возможность достижения полученного значения коэффициента уплотнения. В случае отсутствия возможности достижения, рассчитанного значения коэффициента уплотнения, необходимо рассмотреть другие варианты обеспечения морозоустойчивости. Одним из вариантов достижения, устанавливаемого по табл. 1.6, коэффициента уплотнения (Кут), является вариант снятия недоуплотненного грунта и его послойное уплотнение в теле насыпи.
