Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования 8
1.1. Анализ источников увлажнения дорожной одежды и верхней части земляного полотна 8
1.2. Анализ мероприятий по предотвращению увлажнения земляного полотна и его осушению 15
1.3. Анализ существующих методов расчета дренирующих слоев 24
1.4. Цель и задачи исследования 32
2. Основные теорежеские предпосылки расчета дренирующих слоев методом конечных элементов (МКЭ) 34
2.1. Применение МКЭ к решению задач механики жидкости.. 34
2.2. Выбор основной расчетной схемы и конечно-элементная дискретизация исходных уравнений двумерной установившейся фильтрации 38
2.3. Выбор итерационной процедуры поиска положения кривой депрессии 46
2.4. Построение гидродинамической сетки 51
2.5. Реализация МКЭ на ЭВМ для решения задач двумерной установившейся фильтрации в дренирующем слое дорожной одежды 53
2.5.1. Расчетные схемы для исследования двумерной установившейся фильтрации в дренирующем слое дорожной одежды 54
2.5.2. Программа FEAD 63
3. Практическое применение МКЭ к расчету дренам мелкого заложения 67
3.1. Сопоставление результатов расчета по МКЭ с точными решениями 67
3.2. Расчет однородных дренирующих слоев дорожной одежды 73
3.2.1. Форма кривой депрессии в дренирующем слое при инфильтрационном питании 73
3.2.2. Выбор поперечного уклона верха земляного полотна 77
3.2.3. Влияние дренажного ровика и его глубины на положение кривой депрессии 79
3.3. Расчет однородного дренирующего слоя с учетом движения воды в капиллярной зоне 86
3.4. Использование синтетических материалов в качестве дренирующи± прослоек 94
3.4.1, Исследование работы дренирующего слоя с синтетическим материалом на лотке 94
3.4.2. Расчет дренирующих слоев с текстильным синтетическим материалом (ТСМ) 102
4. Строителбство опытных участков с применением ТСМ. Методика полевых наблюдений 107
4.1. Оценка свойств ТСМ для применения их в дренирующем слое 107
4.1.1. Методика определения коэффициента фильтрации ТСМ 108
4.1.2. Структура пор ТСМ 114
4.1.3. Исследование теплофизических свойств ТСМ 116
4.2. Опытно-производственное строительство дренирующих слоев и дренажей мелкого заложения с применением ТСМ 120
4.3. Оборудование опытных участков и методика проведения наблюдений на них 127
5. Полевые исследования дренируюіщ слоев и дренажа мелкого заложенйя с ТСМ 136
5.1. Погодно-климатические условия периода наблюдений 136
5.2. Результаты полевых наблюдений за водно-тепловым режимом на опытном участке 142
5.2.1. Промерзание и морозное пучение дорожных одежд на опытном участке 143
5.2.2. Результаты полевых наблюдений за влажностью грунтов и расходами из дренажа мелкого заложения 146
5.3. Технике-экономические характеристики методов расчета дренирующих слоев 161
5.4. Основные рекомендации по повышению эффективности осушения дорожных одежд 167
Заключение и выводы по диссертации 171
Список литературы
- Анализ мероприятий по предотвращению увлажнения земляного полотна и его осушению
- Выбор основной расчетной схемы и конечно-элементная дискретизация исходных уравнений двумерной установившейся фильтрации
- Форма кривой депрессии в дренирующем слое при инфильтрационном питании
- Опытно-производственное строительство дренирующих слоев и дренажей мелкого заложения с применением ТСМ
Анализ мероприятий по предотвращению увлажнения земляного полотна и его осушению
Выбор мероприятий по предотвращению увлажнения земляного полотна зависит от особенностей водно-теплового режима дорожной одежды. Первые можно разбить на две большие группы: мероприятия по защите земляного полотна от зимнего влагонакопления и увлажнения грунтовыми водами и мероприятия по защите от поверхностных источников.
Наиболее широкое применение по защите земляного полотна от увлажнения, связанного с зимним влагонакоплением и грунтовыми водами, нашли такие мероприятия как: уплотнение грунтов до заданной степени плотности, возвышение низа дорожной одевды над уровнем грунтовых вод на безопасное расстояние, устройство пароводонепроницаемых прослоек и гидроизоляционных, гидрофобизация верхней части земляного полотна, устройство теплоизолирующих слоев, осушение путем устройства дренирующего слоя,
Уплотнение грунтов - как мероприятие по регулированию водно-теплового режима применяется давно. Достижение заданной плотности грунтов позволяет повысить их прочность, уменьшить их паро- и водопроницаемость, снизить величину морозного пучения /75,105/. Имеются данные, что величина зимнего влагонакопления при плотности пылева-тых грунтов, характеризуемой Ко = 1,08-1Д, меньше в 3-4 раза по сравнению с плотностью грунтов Ко = 0,95 /93/. Однако это мероприятие эффективно лишь для первого типа местности по условиям увлажнения и при отсутствии поверхностных источников увлажнения.
Возвышение низа дорожной одежды над уровнем грунтовых вод на требуемое расстояние является распостраненным и традиционным мероприятием по сохранению грунтов земляного полотна от переувлажнения. Для этого, как правило, дорожную одежду устраивают в насыпи, что нашло отражение в СНиП П-Д.5-72 /90/.
Устройство пароводонепроницаемых и гидроизоляционных прослоек, как мероприятие обеспечивающее защиту земляного полотна, в отечественной практике было описано А.Я. Алаевым /104/. Дальнейшее развитие этот метод регулирования водно-теплового режима земляного полотна нашел в работах В.М. Сиденко, В.И. Рувинского, А.И, Ярмолинского и др. /26,79,85,86,113/, Применение пароводонепроницаемых и гидроизолирующих прослоек при соотвествующих условиях может уменьшить расчетную влажность грунтов земляного полотна на величину зимнего влагонакопления. При этом в качестве пароводонепроницаемых и гидро-изолирующих прослоек используются различные пленки (полиэтиленовые, поливинилхлоридные, полипропиленовые, полиизобутеленовые), текстиллные синтетические материалы, обработанные битумом, а также слои из битумогрунта и цементогрунта /26,85/,
Гидрофобизация грунтов активной зоны земляного полотна высокомолекулярными соединениями и другими материалами, обеспечивающими гидрофобность грунтов, считается перспективным мероприятием улучшения водно-теплового режима. Однако объем и опыт его применения в настоящее время мал. Нет надежных данных о том, как изменяются свойства гидрофобизированных грунтов за время эксплуатации дороги, кроме того существуют определенные технологические трудности с устройством слоев из гидрофобизированных грунтов.
Устройство теплоизоляционных слоев, уменьшающих или предотвращающих промерзание грунтов земляного полотна, позволяет при правильном их использовании уменьшить величину морозного пучения и величину зимнего влагонакопления. Для устройства теплоизоляционных слоев используют различные материалы, главным образом полимерные, а также различные пористые материалы, обработанные битумом. В настоящее время, впервые в отечественной практике, М.Б. Корсунским, А.Я. Тулаевым, Р.З. Порицким и другими разработан нормативный документ по проектированию и устройству теплоизоляционных слоев /52/. Следует отметить, что вопросам использования различных теплоизоляционных материалов посвящено довольно много работ /24,26,36,47/. В них отмечено, что достигается определенный эффект по снижению величины морозного пучения и в ряде случаев зимнего влагонакопления. В.Н, Гайворонский, исследовав влияние теплоизоляционных слоев на водно-тепловой тэежим пришел к выводу что при полном предотвращении промерзания ДОРОЖНОЙ одежды расчетную влажность грунтов земляного.
Все перечисленные выше мероприятия эффективны и имеют смысл, если можно устранить влияние поверхностных источников увлажнения земляного полотна. К мероприятиям по защите дорожной одежды от поверхностных источников или ограничению их влияния относятся: устройство монолитных слоев из цементогрунта и битумогрунта, укрепление обочин и придание им соответствующего уклона, устройство дренирующих слоев, осушаемых дренажом мелкого заложения.
Укрепление обочин и придание им соответствующего уклона, как показали исследования В.И. Двинского и В.И. Куканова /50,79/, способствует значительному сокращению поступления поверхностной влаги через этот источник, однако не исключает его в целом, что подтвервдается этимж.же авторами,
Рекомендации по использованию в основании дорожных одежд монолитных и водонепроницаемых материалов, например укрепленных грунтов /26/, для предотвращения пагубного влияния поверхностных источников хотя и заманчивы, Hо, как показывает опыт эксплуатации таких оснований за рубежом,не решают проблему в целом. Такие исследования, выполненные во Франции, по вопросу размываемости материалов основания и подстилающего слоя на дорогах с цементобетонным покрытием показали, что различные основания подвержены в той или иной степени воздействию влаги, проникающей в покрытие /142,146/. При этом было отмечено, что использование следующих материалов в качестве оснований без специальных мер по устранению вредного воздействия влаги недопустимо: гравийно-песчаные смеси, обработанной цементом менее 3,5 %; гравийно-песчаной смеси, обработанной битумом менее 4.5/; гравийно-песчаной смеси со шлаком менее 12$; суглинка, обработанного цементом в количестве менее 1%% тощего бетона с содержанием цемента менее 50 кг/м3; необработанной гравийно-песчаной смеси. К специальным мерам защиты в работе /142/ относят все мероприятия по снижению просачивания влаги и боковой высокоэффективный дренаж, исключающий всякую возможность застаивания воды,
Выбор основной расчетной схемы и конечно-элементная дискретизация исходных уравнений двумерной установившейся фильтрации
В настоящее время для решения фильтрационных задач механики жидкости применяют различные методы моделирования. Й.К, Гавич /25/ отмечает, что с научно-технических позиций моделирование можно определить как воспроизведение на специальных моделях различных процессов и явлений. Наибольшее распостранение при моделировании процессов фильтрации получили математические модели. Под математической моделью понимают совокупность дифференциальных уравнений, описывающих свойства данного процесса.
Выбор метода исследования математической модели определяется ее сложностью. Если модель достаточно проста, то пытаются получить строгое решение, используя такие методы, как метод функций комплексного переменного:-(или метод суммарных представлений Кирхгофа-Щуков-ского), метод коэффициентов сопротивлений, метод фрагментов и т.д. Однако следует отметить, что наличие неоднородности! д анизотропии коэффициентов фильтрации исследуемой среды, сложные граничные условия (наличие уклона и его переломов, инфильтрации либо испарения) -- все это делает невозможным получение строгого решения. Известные же решения получены для простейших случаев и не отражают всех осо-беностей фильтрационных процессов.
Другими, более мощными методами моделирования, являются методы, использующие аналогию или математическую тождественность уравнений в описании фильтрации грунтовых вод и электрических или гидравлических процессов. К ним относится известный метод электрогидродинамических аналогий (ЭГДА), предложенный академиком Н.Н. Павловским /65/ и детально разработанный Н.И. Дружининым /31,32/, Данный метод основан на математическом подобии, имеющимся между движением воды в грунте и постоянным электрическим током в проводнике. Метод (ЭГДА) позволяет решать различные классы задач механики жидкости, однако решать задачи о безнапорной фильтрации с учетом инфильтрации и испарения затруднительно по чисто техничеким причинам,
В настоящее время в связи с появлением такого мощного инструмента исследований, как быстродействующие ЭВМ с большим объемом памяти, все большее распостранение получают математические модели, основанные на численном решении дифференциальных уравнений, К таким методам следует отнести метод конечных разностей (МКР) и метод конечных элементов (МКВ). Оба метода решают задачи, описываемые дифференциальными уравнениями. Однако основаны они на разных идеях. В методе конечных разностей приводится разностная апроксимация производных, входящих в дифференциальное уравнение. Метод конечных элементов основан на вариационном исчислении. Т, Шуп /112/ приводит сравнение характеристик МКР и МКЗ (табл. 2.1).
Из анализа таблицы 2Л видно, что МКЭ является более мощным и универсальным методом моделирования и позволяет создавать модели, адекватно отражающие фильтрационные процессы. Количество публикаций по МКЗ сравнительно велико. Однако большинство из них рассматривают приложение МКЭ к задачам геомеханики, теории сооружений, строительной механики, механики грунтов. Здесь следует отметить работы 0. Зенкевича и И. Ченга, Л.А. Розина, В.Т. Корнеева, В.А. Постнова, Й.Я. Хархурим, Ж.С. Ержанова и Т.Д; Карим-баева, Б.З, Амусина и А.Б. Фадеева, Д. Норри, Ж. де Фриз, А. Сегерлин-да, Дж. Коннора и К. Бреббиа, акад. Г.И. Марчука и других авторов /7,10,34,38,39,43,55,70,77,63,84/. Применительно к задачам течения жидкости в пористых средах, решаемых МКЗ, количество публикаций сравнительно невелико. Наибольшее количество публикаций из этого раздела посвящено решению задач фильтрации в ограниченных областях. Как правило эти задачи о напорной фильтрации под плотинами. Зенкевич, Майер и Ченг /152/ первыми предложили использовать МКЗ для расчета фильтрации под плотинами у учетом неоднородности и анизотропии фильтрующей среды, привели примеры численного решения различных задач. Этот же класс задач решили авторы работ /30,130/. Решение задач фильтрации со свободной поверхностью МКЭ впервые приведено в работах Ц1гДи Впш,Ив. сие?) /ко/, Рirm, УН! (1967) /123/. Авторы исследовали фильтрацию через земляные плотины, апроксимировав двумерное уравнение фильтрации разностными уравнениями с последующим решением по МКЗ. 1Ш .(1969) /151/ развил применение МКЭ н решениям линейных задач течения в пористых средах. Алгоритмы и решения такого рода задач были изложены также в работах К. Кочева (1975) /49/, М.И. Детковой (1976) /30/, С.Г. Аксенова, В.И. Истомина, А.С. Смирнова (1977) /6/, М. Глебова и П. Пенчева (1977)/28/, \Мк (1974) /131,132/, Дальнейшее усовершенствование применения МКЭ к решению задач со свободной поверхностью нашло в работах 5.№іШ!(1 и УіІІШрООїіД (I970-I97I) /I39-I4I/, которые исследовали поведение кривой депрессии в районе участка высачивания и предложили новую итерационную процедуру по определению положения кривой депрессии. Следующим классом фильтрационных задач, решаемых с помощью МКЭ, являются так называемые "обратные" задачи, когда по заданноау распределению напоров определяют коэффициенты фильтрации водоносных горизонтов, Оущественный вклад в решение этой проблемы внесла М»А. Винницкая /23/.
Форма кривой депрессии в дренирующем слое при инфильтрационном питании
Дренирующий слой, состоящий из нескольких слоев с различными фильтрационными свойствами и осушаемый дренажом мелкого заложения с ровиком трапецеидальной формы, моделируется расчетной областью, показанной на рис. 2,56.
Конструкция дренирующего слоя, осушаемая дренажным ровиком прямоугольной формы, моделируется расчетной областью, показанной на рис, 2,5в.
Дискретизация расчетной области на конечные элементы. В работе /63/ приводятся следующие определения свойств, присущих методу конечных элементов: 1) Физическая область задачи делится на подобласти или конечные элементы. 2) Зависимая переменная апроксимируется функцией специального вида на кавдом конечном элементе, а значит и по всей области, 3) Подстановка апроксимаций в определяющие уравнения дает систему уравнений с неизвестными параметрами. Из решения этой системы находим приближенное решение задачи.
Как видно из этого определения, дискретизация расчетной области на конечные элементы и задание ацроксимирующей функции является необходимым условием для использования метода конечных элементов. Точность получаемого решения зависит от степени дискретизации и вида апроксимирующего полинома. Нами приняты линейный интерполяционный полином и треугольные элементы и, таким образом, точность получаемого решения будет зависеть от степени дискретизации расчетной области /55/. Для получения решения с точностью, достаточной для инженерной практики, необходимо чтобы количество конечных элементов было достаточно велико. Поэтому разбивку расчетной области на конечные элементы рациональнее производить специальной программой, которая позволит значительно ускорить подготовку исходных данных и уменьшить количество ошибок при их подготовке. С этой целью была разработана программа по разбивке расчетной области на конечные элементы bivID . Идеология взята из /84/.
Назначение программы - разбивка расчетной области на треугольные конечные элементы и формирование набора данных для ее расчета методом конечных элементов.
Программа работает с глобальными элементами, в качестве которых используются квадратичные четырехугольники. Под глобальными элементами следует понимать слои с различной фильтрационной способностью, дренажный ровик и другие конструктивные особенности дренирующего слоя. Квадратичные четырехугольники являются достаточно мощным инструментом для конструирования расчетной области и позволяют моделировать как четырехугольники общего вида, так и треугольники, где две стороны четырехугольника служат одной стороной треугольника. В дальнейщем при описании работы программы Wv\ Lи вместо термина квадратичный четырехугольник будем использовать термин "глобальный" четырехугольник.
Рассмотрим на примере разбивку расчетной области на глобальные четырехугольники и подготовку исходной информации для работы программы Необходимо подготовить исходную информацию для расчета дренирующего слоя, состоящего из двух слоев с различной фильтрационной способностью и осушаемого дренажом мелкого заложения с ровиком прямоугольной форш (рис. 2.6а). При этом необходимо учесть фильтрующие свойства верхней части земляного полотна.
Реальная конструкция заменяется ее расчетной схемой (рис, 2.66 состоящей из глобальных четырехугольников. Информация о глобальных четырехугольника вводится в машину в последовательности, указанной в программе (см, приложение I).
Опытно-производственное строительство дренирующих слоев и дренажей мелкого заложения с применением ТСМ
В соотвествии с целью диссертационной работы при строительстве опытного участка стремились решить следующие задачи: - изучить особенности водно-теплового режима дорожных одежд с дренирующими слоями, в которых применялся текстильный синтетический материал; - оценить фильтрационные характеристики дренирующих слоев с ТСШ; - отработать технологию строительства дренирующих слоев и дренажей мелкого заложения с применением ТСМ; - обосновать рекомендации по назначению толщины дренирующих слоев с применением текстильных материалов. при выборе местоположения опытного участка предъявляли требования к грунтово-геологическим и гидрологическим условиям строительства. Они должны быть характерны для г. Москвы и соответствовать наиболее неблагоприятным условиям работы дорожной конструкции. ртим условиям отвечают городские дороги и улицы, земляное полотно которых проходит в нулевых отметках и выемках, по характеру увлажнения местность, где проходит городская дорога или улица, относится ко П-Ш типу, грунты земляного полотна должны быть склонны к интенсивному зимнему влагонакоплению, а следовательно и к морозному пучению, то есть - супеси и суглинки пылеватые. конструкция дорожной одежды должна быть достаточно типичной для г. Москвы,
Проведенный анализ проектной документации объектов, строительство которых предполагалось провести в 1980 г., показал, что наиболее полно предъявляемым требованиям отвечает проект на строительство проезда 5284. В сентябре-ноябре 1980 г. под нашим руководством строительное управление № 35 треста ГДС-2 Главмосинжстроя построило опытный участок с применением текстильного материала /18/. Участок заложили на проезде 5284, относящимуся по своему назначению к магистрали райoнногo значения, на юго-западе г. Москвы (рис. 4,5). Конструктивный поперечный профиль, считая от правой красной линии по ходу от Ленинского проспекта к ул. Волгина, показан на рис. 4.6.
Земляное полотно проходит в нулевых отметках либо выемках глубиной до 0.75 м. Грунт земляного полотна - покровный тяжелый пыле-ватый суглинок (граница текучести wV = 28%, граница раскатывания \(/р = 14.8Й, число пластичности J/s =13, оптимальная влажность Уопт = 12.89Й, средняя плотность скелета грунта ск= .93 г/см , средняя плотность грунта ф =2.18 г/см ). Кривая гранулометрического состава грунта земляного полотна приведена на рис. 4.3, По степени увлажнения местность относится ко второй категории.
Констукция дорожной одежды проезжей части, первоначально предусмотренная проектом, была принята по альбому "Типовые конструкции дорожных одежд для г, Москвы" - как для магистрали районного значения под нагрузку Н-30 (рис. 4.7а).
Расчетный удельный расход, на который проектировался дренирующий слой, Мосинжпроект предусмотрел равным 5 л/Аут в соответствии с /41/. Для устройства песчаного дренирующего слоя предусматривалось использовать чистые среднезернистые пески с коэффициентом фильтрации Кф 5 м/сут (К0 = I). С учетом этих данных, а также принимая во внимание, что длина пути фильтрации состовляет 4 м и поперечный уклон верха земляного полотна = 0.02, толщину песчаного дренирующего слоя из расчета его на осушение дренажом мелкого заложения по проекту приняли равной 35 см.
Конструкции дренирующих слоев и дренажа мелкого заложения на опытном участке назначили с учетом того, что текстильный материал, обладая большим коэффициентом фильтрации, должен отводить часть воды, поступающей в дорожную одежду, при этом толщину песчаного дренирующего слоя можно уменьшить за счет включения в работу ТСШ Б качестве дренирующей прослойки, ввиду того, что что к моменту строительства разработка теоретической части по расчету дренирующих слоев с ТСМ не была закончена, толщину песчаного дренирующего слоя принимали различной считая, что оптимальная толщина песчаного дренирующего слоя, работающего на осушение совместно с ТСМ лежит в интервале от 35 ДО 5 см. исходя из этих соображений были построены три секции с различными конструкциями дренирующих слоев с ТСМ и дренажом мелкого заложения.
секция Т. конструкцию дренирующего слоя на этой секции приняли следующей (рис. 4.7б): на грунт земляного полотна расстилали ТСМ типа дорнит ш-П с Кл = 50 м/сут, поверх которого устраивали песчаный дренирующий слой, толщиной 25 см. поперечный уклон верха земляного полотна 0.02. Для дренажа мелкого заложения вместо тру-бофильтров были применены перфорированные асбестоцемнтные трубы, диаметром ЮО мм, обернутые дорнитом. суммарная площадь круглых водоприемных отверстий перфорации составила 12 сй/м. глубина дренажного ровика - 40 см.
