Приложение 7 (справочное). Методика определения и использования коэффициента влагопроводности грунта при проектировании дорожной одежды

Приложение 7

(справочное)

Методика
определения и использования коэффициента влагопроводности грунта при проектировании дорожной одежды

Методика экспериментального определения коэффициента влагопроводности грунта

Методика предусматривает определение коэффициента влагопроводности при начальных влажности и плотности за время увлажнения, необходимое для распределения влажности в образце от полной влагоемкости в единичном элементарном объеме на контактирующей с жидкостью поверхности, до начальной влажности на его границе. Увлажнение образца ведется снизу от поддерживаемого снизу уровня воды. Метод предполагает выполнение следующих граничных и начальных условий:

1. Начальная влажность и плотность грунтового образца должна# быть равномерно распределены по его объему.

2. При увлажнении образца через нижнюю поверхность не допускается изменения влажности на его верхней поверхности при подходе к ней фронта увлажнения.

3. Увлажнение образца должно происходить безнапорно.

Выполнение этих условий достигается за счет применения прибора конструкции к.т.н. Г.И. Собко. Схема прибора представлена на рис. П.7.1.

Определение коэффициента влагопроводности грунта нарушенной структуры должно проводится по следующей методике.

1. Для испытания отбирается проба грунта весом 2 кг, высушивается и размельчается.

2. Определяется вид грунта, его оптимальная влажность и максимальная плотность.

3. Высушенный и размельченный грунт увлажняется до оптимальной влажности.

4. Увлажненный грунт загружается в цилиндр-грунтонос, который навинчивается на трубку и вращением рукояти с винтом уплотняется до требуемого коэффициента уплотнения.

5. Форма для фильтра наполняется крупным песком с тщательным выравниванием по внутреннему обрезу формы.

6. Питающий сосуд заполняется дистиллированной водой и навинчивается на подводящую трубку питающей камеры. После стабилизации уровня воды в питающем сосуде по водомерной шкале отмечается ее исходный уровень Н_н.

7. Цилиндр-грунтонос навинчивается на трубку так, чтобы уплотняющий штамп с датчиком влажности свободно опускался на поверхность грунтового образца.

8. К разъему трубки подсоединяется контактный шнур измерительного блока, производится его включение. Регулировочной ручкой измерительного блока стрелка миллиамперметра выводится в положение, соответствующее нулевой отметке шкалы.

9. Снимается днищевая крышка и трубка с цилиндром-грунтоносом устанавливается в форму для фильтра. Включается таймер.

Срабатывание датчика влажности, индицируемое звуковым и световым сигналами, свидетельствует о завершении увлажнения, после чего по водомерной шкале отмечается конечный уровень воды Н_к в питающем сосуде. По разнице показателей Н_н и Н_к определяется количество впитавшейся в образец грунта воды (q).

Время увлажнения образца (t) определяется по показанию таймера, автоматически останавливаемого при срабатывании датчика влажности.

Вычисление коэффициента влагопроводности К_ВЛ грунта производится по зависимости:

                      4                 q        2

           К   = ------------ х [- -------------],                (П.7.1)

            ВЛ           4         ро  (W  - W )

                 3,14 x d x t        ск  ПВ   0

где W       - влажность, соответствующая полной влагоемкости,  (дол.ед.),

      ПВ      вычисляется по формуле:

                        W  = 1/ро   - 1/Дельта,                   (П.7.2)

                         ПВ      ск

где Дельта  - удельная плотность частиц грунта, г/см3,  равная  2,68  для

              супесей; 2,70 - для суглинков; 2,72 - для глин;

         t  - время увлажнения, час;

         q  - количество впитавшейся воды, г;

        W   - начальная влажность грунта, дол.ед.;

         0

         d  - диаметр грунтового образца в грунтоносном стакане, равный 2

              см.

Для получения значения К_ВЛ с требуемой доверительностью необходимо проведение не менее пяти испытаний. При этом обработка измерений должна вестись в такой последовательности:

1. вычисляется среднее экспериментальное значение коэффициента влагопроводности (К_ВЛСР) по результатам n испытаний;

2. вычисляется среднеквадратичное отклонение (S);

3. вычисляется верхняя граница для коэффициента влагопроводности, соответствующая одностороннему доверительному интервалу при уровне значимости альфа = 0,05 по формуле

               K     = К     + t      x S/кв.корень(n),           (П.7.3)

                ВЛ,S    ВЛСР    n-1,a

где t      - коэффициент   Стьюдента   для  уровня  значимости и  степени

     n-1,a   свободы альфа и (n - 1).

Использование коэффициента влагопроводности для определения величины морозного пучения и толщины теплоизолирующего слоя

В соответствии с данной методикой при прогнозировании величины морозного пучения предусматривается последовательное определение средней осенней влажности грунта рабочего слоя (W_ocсp), характеристики скорости промерзания (альфа), средней весенней влажности (W_вeccp). При этом учитываются продолжительность периода осеннего влагонакопления (t_ВЛ), продолжительность периода промерзания (t_пр), расчетное удаление верха земляного полотна от уровня грунтовых (или поверхностных) вод (h_в), характеристика суровости зимнего периода (сигма), выражаемая суммой градусо-суток отрицательной температуры воздуха. В табл.П.7.2 приведены значения t_вл, t_пр, и сигма для 65 пунктов России. При отсутствии в перечне нужного пункта значение этих характеристик берутся для ближайшего по географическому расположению пункта.

Величина W_ocсp определяется по формуле:

               W     = W + W   (W  - W ),                         (П.7.4)

                occp    o   отн  пв   о

 где      W - начальная влажность грунта земляного полотна (весовая, доли

           o  единицы);

         W  - влажность полной влагоемкости грунта (весовая, доли

          пв  единицы);

 Дельта W   - отношение  осеннего  приращения  влажности  к   максимально

         отн  возможной величине приращения влажности грунта.

Величина W_пв вычисляется из соотношения:

                                1        1

                        W   = ----- - ------,                     (П.7.5)

                         пв   ро      Дельта

                                сух

                                           3

где ро     -  плотность сухого грунта, г/см ;

      сух

   Дельта  - плотность скелетных частиц грунта, находящаяся, как правило,

             в пределах 2,67 - 2,73.

Величина Дельта W_отн устанавливается по номограмме рис. П.7.2 в зависимости от параметра

                         K   х t

                          ВЛ    ВЛ

                  F   = -----------                               (П.7.6)

                   oh     2

                         h

                          b

Параметр h_в принимается по данным изысканий (обследований), а параметр h_А, необходимый для использования номограммы рис.П.7.2, определяется по формуле

                 h  = 160 - h  ,                                  (П.7.7)

                  A          ДО

где h   - суммарная толщина слоев дорожной одежды, см.

     ДО

Среднее значение весенней влажности W_вeccp находим из выражения:

            W      = W  + (W     - W ) С,                         (П.7.8)

             вeccp    h     occp    h

где W   - влажность грунта по жидкой фазе в зоне первичного льдовыделения

     h     (при температуре грунта  -0,5 ... -1,0°С).

            Значения W  для разных грунтов приведены в таблице П.7.1;

                      h

    C   - коэффициент, определяемый по графику рис.П.7.3 в зависимости от

          величины критерия зимнего влагонакопления  Z,   вычисляемого, в

          свою очередь, из соотношения:

                          альфа

                  Z = ----------------                            (П.7.9)

                      2 кв.корень(К  )

                                   ВЛ

Характеристика скорости промерзания грунта земляного полотна альфа определяется из соотношений:

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

для автомобильных дорог I - II категорий

                                          0,079

                      альфа = 3,24 + сигма      - 0,05 x h ,     (П.7.10)

                                                          s

где h       - толщина   слоя   эффективной   теплоизоляции    (пенопласт,

     s        пеноплэкс), см;

    сигма   - характеристика суровости  зимнего периода, определяемая для

              соответствующего региона из таблицы П.7.2;

для автомобильных дорог III - IV категорий

                                          0,079

                      альфа = 3,24 + сигма      - 0,13 x h ,     (П.7.11)

                                                          s

где h       - толщина слоя  теплоизоляции  только  из местных  материалов

      s       (керамзит,  керамзитобетон,   шлак,    золошлаковая смеяь#,

              укрепленная цементом и др.):

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

для дорог I - III категорий

                 альфа = 1,24 + 0,72 х ln сигма - 0,05 x h ,     (П.7.12)

                                                          s

для дорог IV - V категорий

                 альфа = 1,24 + 0,72 х ln сигма - 0,13 x h ,     (П.7.13)

                                                          s

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

F_oh	1,0	1,2	1,4	1,6	1,8
W_отн	0,95	0,96	0,97	0,98	0,99

При F_oh > или = 2,1 можно принять, что W_отн = 1.

Таблица П.7.1

Значения влажности W_h и W_нз для различных грунтов

Грунт	W_h	W_нз	h_кр
Песок пылеватый	0,03 - 0,04	0,02	80
Супесь тяжелая пылеватая	0,09 - 0,10	0,06	130
Суглинок легкий пылеватый	0,12 - 0,13	0,08	120
Суглинок тяжелый пылеватый	0,13 - 0,14	0,09	140
Глина пылеватая	0,19 - 0,21	0,16	150

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

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

Расчет возможной величины морозного пучения поверхности дорожного покрытия ведется с использованием зависимости:

            h    x q

             ПР

     h    = -------- [1,09 х (W     - W  ) - (W  - W  )],        (П.7.14)

      пуч      d               ВЕССР   НЗ      ПВ   НЗ

где h  - глубина промерзания грунта, см;

     пр

    q  - плотность сухого грунта, г/см3;

    d  - плотность воды, г/см3;

    W  - влажность   (весовая),   соответствующая   незамерзающей   воде,

     НЗ  принимается по виду грунта из табл.П.7.1;

    W  - влажность  (весовая)  полной  влагоемкости,  вычисляемая  в свою

     ПВ  очередь из соотношения (П.7.5).

Полная глубина промерзания грунта h_пр определяется из следующих соотношений: при отсутствии теплоизоляционных слоев в составе дорожной одежды

             h  = альфа кв.корень(t  x 24);                      (П.7.15)

              пр                   пр

при их наличии

  h  = (150,6 + 0,0027 х сигма) - (13,93 - 0,0067 х сигма) h х бета,

   пр                                                       s

                                                                 (П.7.16)

где бета = 1 при использовании в качестве теплоизоляции пенопласта    или

             пеноплэкса;

    бета = 0,25 при теплоизоляции из местных материалов.

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

Таблица П.7.2

Климатические характеристики регионов России

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

Пункт	t_вл	t_пр	сигма
Александровск	840	230	63.30
Архангельск	672	261	55.12
Багдарин	960	310	169.14
Белгород	1392	137	16.22
Белогорка (Ленинградской)	1056	250	36.00
Бисерть (Свердловской)	648	283	73.35
Валдай	1176	234	36.69
Владимир	528	240	44.16
Вологда	1464	199	38.21
Воронеж	1176	124	15.28
Вятка	936	232	55.31
Енисейск	816	262	109.41
Иваново	720	254	48.36
Ивдель (Свердловской)	1296	182	47.17
Ижевск	384	251	58.63
Иркутск	1512	264	98.42
Йошкар-Ола	240	259	59.26
Казань	384	263	53.02
Калининград	1776	245	52.92
Калуга	1320	225	10.44
Кандалакша	768	211	30.38
Кингисепп (Ленинградской)	1272	239	30.21
Киселевск (Кемеровской)	0	262	72.10
Кострома	1464	151	28.27
Курган	480	173	51.76
Курск	1440	139	17.12
Магадан	1872	250	70.00
Мезень	624	274	65.76
Минусинск	264	261	86.86
Москва	1248	170	28.02
Мурманск	912	255	35.90
Новгород Великий	1680	151	28.03
Нижневартовск	720	275	94.59
Нижний Новгород	1440	182	26.21
Нолинск (Кировской обл.)	312	254	57.71
Норск (Амурской)	1704	260	132.29
Огурцово (Новосибирской)	192	271	81.52
Оренбург	0	240	56.83
Парабель (Томской)	816	274	91.19
Пермь	0	192	47.00
Пенза	1152	259	50.56
Петербург	1632	160	20.48
Петрозаводск	1128	219	35.39
Порецкое (Чувашия)	480	96	48.81
Псков	1272	189	21.47
Ржев (Тверской)	1008	241	40.10
Родино (Алтайский край)	0	248	70.23
Рыбинск	1152	231	41.40
Рязань	864	193	29.64
Самара	96	206	41.20
Саранск	0	250	49.20
Саратов	168	199	36.30
Смоленск	1536	244	38.26
Сургут	624	281	94.58
Сыктывкар	600	268	69.47
Тамбов	1368	142	23.17
Тимирязевский (Примор. край)	1848	228	71.14
Тула	936	205	29.52
Улан-Уде (Бурятия)	0	238	94.44
Ульяновск	240	256	54.07
Ханты-Мансийск	672	266	85.55
Чекунда (Хабаровский край)	1800	261	141.15
Челябинск	240	173	36.54
Чита	1344	275	129.36
Чишмы (Башкортостан)	192	263	62.28