Приложение 6 (обязательное). Расчет насыпи на промороженном основании

Приложение 6
Обязательное

Расчет насыпи на промороженном основании

1. Прочность и устойчивость насыпи на промороженном основании (см. рис. 17 настоящих норм) обеспечиваются при соблюдении следующих условий:

; (1)

; (2)

; (3)

; (4)

; (5)

, (6)

где - толщина намораживаемой плиты из торфа, м;

- требуемое возвышение торфяной плиты над расчетным уровнем воды на болоте, м; ;

- расчетная толщина слоя поверхностных или длительно (более 30 сут) стоящих вод на болоте, м;

- осадка талых слоев торфяной залежи под действием веса насыпи и подвижной нагрузки, м;

- осадка (сжатие) намороженного слоя торфа при максимальном оттаивании его в период строительства, м; ;

- толщина промороженного слоя торфяной залежи из условия обеспечения безопасности работ, м; принимается по табл. 1 настоящего приложения;

- минимальная толщина мерзлого основания из условия обеспечения деформатинной устойчивости в период строительства и стабилизации основания после осадок, м (см. табл. 1 настоящего приложения);

- требуемая ширина мерзлой плиты в период строительства, м;

- ширина минеральной части насыпи понизу, м;

- ширина берм, м; ;

- минимальная ширина плиты, при которой обеспечивается устойчивость конструкции в период протекания осадки, м; для болот I типа , II-III типов - ;

- толщина минеральной части насыпи под обочиной, м;

- высота насыпи, при которой исключаются недопустимые упругие деформации, м; при глубине болота до 2 м , до 4 м - ; до 6 м - ;

- глубина оттаивания намороженной торфяной плиты сверху, м;

- допустимая глубина оттаивания намороженной торфяной плиты сверху из условия обеспечения требуемой прочности конструкции в процессе эксплуатации, м; ;

- глубина промерзания дорожной конструкции сверху, м;

- величина оттаивания мерзлой торфяной плиты снизу, м; обычно ;

- минимальная (предельная) толщина мерзлой торфяной плиты из условия обеспечения прочности и устойчивости конструкции в период ее эксплуатации, м; на болотах I типа , II типа - , III типа - .

Таблица 1

Сопротивление сдвигу верхнего слоя торфяной залежи, кПа	Н_пр, м	H(min)_д, м
Более 10	0,40	1,00
От 5 до 10	0,45	1,15
Менее 5	0,50	1,30

2. Верхняя часть насыпи из минерального грунта должна не только воспринимать нагрузки, но и обеспечивать благоприятный тепловой режим мерзлого основания: не допускать оттаивания торфяной плиты на величину более в летний период и обеспечивать холодозарядку плиты в зимний период. Поэтому толщину минеральной части насыпи определяют теплотехническим расчетом, руководствуясь рекомендациями пп. 4 - 7 настоящего приложения.

В первом приближении минимальную толщину слоя грунта назначают с учетом вида грунта и среднегодовой температуры воздуха по табл. 2 настоящего приложения. При этом общая высота насыпи должна обеспечивать снегонезаносимость дороги.

Таблица 2

Среднегодовая температура воздуха, минус °С	Толщина слоя грунта h_гр, м, земляного полотна
	крупнообломочного и песчаного	глинистого
До 2	1,10	1,15
От 2 до 3	1,00	1,10
" 4 " 5	0,85	0,95
" 6 " 7	0,65	0,65
Более 7	0,60	0,60

3. Осадку талого слоя торфяной залежи определяют с учетом распределяющего действия намороженной торфяной плиты по формуле

, (7)

где - удельная нагрузка на талое торфяное основание, кПа;

n - коэффициент, определяемый по рис. 1 настоящего приложения в зависимости от относительной толщины слоя торфа ;

- мощность торфяной залежи (глубина болота), м;

- средний модуль деформации сжимаемых (талых) слоев торфяной залежи, кПа;

; (8)

и - мощность, м, и модуль деформации, кПа, i-го слоя слабой толщи;

; (9)

- модуль деформации, соответствующий осадке торфа за одни сутки, кПа;

- расчетное время достижения стабилизации торфа, сут; принимают ориентировочно в зависимости от глубины болота по табл. 3 настоящего приложения;

m - коэффициент, учитывающий интенсивность накопления деформаций во времени; принимают в зависимости от плотности скелета торфа по табл. 4 настоящего приложения.

Таблица 3

Н_т, м	2	3	4	6	8
Т_ст, сут	440	540	730	900	1000

Таблица 4

ро_ск, г/см3	0,05	0,10	0,15-0,20	0,25
m	0,02	0,05	0,06	0,07

Удельную нагрузку р на талое торфяное основание определяют по формуле

, (10)

где и - ширина земляного полотна (минеральной части) соответственно поверху и понизу, м;

д - ускорение свободного падения, ; ;

- плотность минерального грунта в насыпи, ;

- плотность торфа, ; ;

- относительная осадка i-го слоя торфа толщиной ; ориентировочно принимается в зависимости от сопротивления торфа сдвигу по крыльчатке (табл. 5 настоящего приложения).

Таблица 5

C_крi, кПа	Более 10	От 10 до 5	Менее 5
а_i	0,3	0,3-0,4	0,45

4. Для выполнения теплотехнических расчетов необходимо установить:

расчетные климатические характеристики района проектирования согласно п. 5 настоящего приложения;

расчетные теплотехнические характеристики слоев земляного полотна с учетом влажности и плотности материалов согласно СНиП П-3-79*; для наиболее часто встречающихся строительных материалов теплофизические характеристики приведены в табл. 6 настоящего приложения.

5. К основным климатическим характеристикам района относится:

приведенная температура воздуха: средняя за каждый месяц ; средняя за летний и зимний периоды года;

продолжительность периодов с положительной и отрицательной температурами воздуха.

Значения (°C) определяют по формуле

, (11)

где - среднемесячная температура воздуха, °С; принимается по климатическим справочникам или СНиП 2.01.01-82;

- поправка к среднемесячной температуре воздуха за счет солнечной радиации, °С;

- коэффициент, зависящий от альбедо А (отражательной способности) грунтовых поверхностей (табл. 8 настоящего приложения);

- среднемесячная суммарная величина солнечной радиации, ; принимается по табл. 7 настоящего приложения;

- коэффициент теплообмена на поверхности, ; .

Таблица 6

Материал	Плотность, т/м3	Влажность, %	Коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м х °С)		Объемная теплоемкость материала, кДж/(м3 х °С)		Скрытая теплота фазовых превращений Q, кДж/м3
			талого лямбда_т	мерзлого лямбда_м	талого С_т	мерзлого С_м
Щебень	2,0	10	2,67	3,37	2135	3093	66976
Гравий	2,0	10	1,98	2,44	2386	2218	66976
Песок	1,8	10	1,51	1,86	2009	1674	60278
Супесь легкая	1,8	17	1,72	1,86	2595	2009	68650
Суглинок легкий пылеватый	1,8	18	1,44	1,74	2720	2050	53580
Суглинок тяжелый пылеватый	1,8	20	1,51	1,80	2846	2093	65302
Глина	1,8	22	1,57	1,92	2930	2135	44539
Торф в нижней части насыпи	1,0	-	0,52	0,81	-	-	284648

Таблица 7

Месяц	Среднемесячное значение суммарной солнечной радиации, Вт/(см2 х мес), при широте местности, град
	54	56	58	60	62	64	66	68 и севернее
Январь	2,6	2,1	1,7	1,2	0,7	0,6	0,2	0,1
Февраль	4,8	4,4	3,6	3,3	2,6	2,3	1,7	1,5
Март	10,5	9,5	9,0	8,4	7,9	6,8	6,8	6,2
Апрель	12,8	12,8	13,3	13,3	13,1	12,8	13,3	13,3
Май	16,3	16,3	16,3	16,3	16,3	16,8	16,8	16,8
Июнь	18,0	18,0	18,0	18,0	18,0	18,0	17,4	17,4
Июль	17,4	17,2	17,2	16,3	16,3	16,3	16,3	16,3
Август	13,9	14,1	12,8	12,8	12,2	12,0	11,9	10,9
Сентябрь	9,3	8,7	8,1	7,6	7,0	6,4	4,9	4,6
Октябрь	5,6	4,6	3,7	3,7	3,5	3,3	2,8	2,3
Ноябрь	2,9	2,3	2,0	1,7	1,2	1,2	0,6	0,4
Декабрь	2,1	1,7	1,0	0,6	0,5	0,5	0,4	0

Таблица 8

Альбедо поверхности А,%	10	15	20	25
Значение К_А	0,66	0,60	0,55	0,50

Значения или определяют по формуле

, (12)

где n - число календарных месяцев в теплом или холодном сезоне года;

, - коэффициенты, вычисляемые по формулам:

; (13)

;

, - среднемесячные приведенные температуры воздуха (по модулю) для месяцев, приходящихся на конец и начало соответственно зимнего (при определении ) или летнего (при определении ) периода.

Продолжительность летнего или зимнего периода и (ч) рассчитывают по формуле

. (14)

6. Расчет глубины оттаивания земляного полотна и торфяной плиты выполняют в следующем порядке:

а) устанавливают продолжительность теплового периода года и среднюю за этот период приведенную температуру , используя формулы (14) и (12);

б) определяют для принятой конструкции и вида грунта земляного полотна расчетные значения коэффициентов теплопроводности и объемную теплоемкость материала в талом состоянии по табл. 6 настоящего приложения;

в) вычисляют значения S, , :

, (15)

где - температура льдообразования, °С; принимается по СНиП 2.02.04-88;

г) по известным значениям и , используя график на рис. 2 настоящего приложения, находят глубину оттаивания однородного массива минерального грунта h по оси дороги;

д) приняв по табл. 2 настоящего приложения значения , определяют глубину оттаивания намороженной торфяной плиты сверху:

, (16)

где f - коэффициент эквивалентного приведения (по условиям оттаивания-промерзания) глубины оттаивания торфяной насыпи к грунту земляного полотна; для песков f = 3,9; для супесей f = 4, для суглинков f = 4,1, для суглинков тяжелых и глин f = 4,2.

Если и общая высота насыпи обеспечивает снегонезаносимость дороги, то расчет можно закончить.

Если принять , то можно определить толщину слоя минерального грунта

, (17)

а затем проверить насыпь на снегонезаносимость.

7. Расчет глубины промерзания земляного полотна выполняют в следующем порядке:

а) устанавливают продолжительность холодного периода года и среднюю за этот период приведенную температуру , используя соответственно формулы (14) и (12);

б) определяют для грунта земляного полотна значения коэффициента теплопроводности и объемную теплоемкость по табл. 6 настоящего приложения;

в) вычисляют значения S, , .

, (18)

г) по известным значения и , используя график рис. 2 настоящего приложения, находят глубину промерзания однородного массива минерального грунта h, а затем вычисляют глубину промерзания торфяной плиты сверху:

,

Если , то условие (5) выполняется.

Примеры расчета

Пример 1. Требуется запроектировать в районе г. Сургута (62° с.ш., среднегодовая температура воздуха минус 3,3°С) автозимник I категории для круглогодичной эксплуатации. Конструкция автозимника - тип 28 (см. рис. 17 настоящих норм). Автозимник пересекает болото I типа глубиной . Показатели торфяных грунтов по глубине болота:

до 2 м - влажность торфа 700%, плотность скелета , сопротивление сдвигу по крыльчатке ;

от 2 до 4 м - влажность 800%, , .

Параметры автозимника назначают предварительно согласно рекомендациям, изложенным в пп. 1 - 2 настоящего приложения:

ширина земляного полотна В = 12 м; для отсыпки насыпи используется супесь легкая (W = 17%, );

при среднегодовой температуре воздуха минус 3,3 °С согласно табл. 2 настоящего приложения толщина слоя грунта из супеси легкой ориентировочно ; тогда

.

Толщину промороженного слоя торфяной залежи назначают по табл. 1 настоящего приложения из условия обеспечения безопасности производства работ. Болото не обводнено, , .

При определении толщины намораживаемой плиты значения и принимают ориентировочно:

.

Согласно условию (1) настоящего приложения толщина намороженной плиты

.

При такой толщине плиты условие (2) будет удовлетворено: (см. табл. 1 настоящего приложения).

Ширину намораживаемой плиты определяют из условия (3) при :

.

Для принятых параметров земляного полотна условие (4) настоящего приложения будет удовлетворено:

.

Расчет осадки талого слоя торфяной залежи проводят по формуле (7), предварительно установив значения коэффициента n, удельной нагрузки и осредненного модуля деформации :

а) при по рис. 1 настоящего приложения n = 0,18;

б) по формуле (10) настоящего приложения

;

в) при ,

, определенных по формуле (9) при , по формуле (8)

.

Подставив в формулу (7) значения n, и определяют осадку слоя торфяной залежи

.

Среднемесячные значения температуры воздуха для г. Сургута, солнечной радиации , а также среднемесячные приведенные температуры воздуха , рассчитанные по формуле (11) настоящего приложения, приведены в табл. 9 настоящего приложения. При расчете принято:

.

Таблица 9

Месяц	t_в, °С	Q_с, Вт/(см2 х мес)	t_пр, °С
Январь	-22,2	0,7	-22,2
Февраль	-19,3	2,6	-18,8
Март	-12,8	7,9	-10,8
Апрель	-4,4	13,1	-0,9
Май	3,6	16,3	8,1
Июнь	12,6	18,0	17,4
Июль	16,8	16,3	21,3
Август	13,9	12,2	17,2
Сентябрь	7,4	7,0	9,2
Октябрь	-1,7	3,5	-1,0
Ноябрь	-13,3	1,2	-13,3
Декабрь	-20,2	0,5	-20,2
За год	-3,3

По данным табл. 9 определяют средние приведенные температуры воздуха за летний и за зимний периоды по формуле (12), предварительно установив по формулам (13) настоящего приложения коэффициенты и :

По формуле (14) определяют продолжительность периодов и соответственно с положительными и отрицательными температурами:

;

;

Проверка: .

Теплофизические характеристики грунтов приняты по табл. 6 настоящего приложения:

супесь легкая - ;

;

;

уплотненный торф - .

По формулам (15) вычисляют значения S, , :

;

.

По номограмме рис. 2 настоящего приложения при и находят величину протаивания однородного массива супеси легкой h по оси дороги: h = 3,0 м.

Зная, что , определяют глубину оттаивания намороженной торфяной плиты сверху по формуле (16): что несколько превышает допустимую величину . Поэтому уточняют толщину насыпи из минерального грунта по формуле (17)

.

Для проверки условия (5) производят расчет глубины промерзания конструкции, предварительно вычислив S, , :

;

По номограмме на рис. 2 настоящего приложения при и находят глубину промерзания массива из супеси h = 3,4 м и вычисляют глубину промерзания торфяной плиты под слоем грунта :

.

Величина , поэтому условие (5) будет удовлетворено.

В связи с тем, что толщина слоя минерального грунта по теплотехническому расчету больше, чем была принята предварительно , необходимо уточнить параметры автозимника:

ширина насыпи понизу ;

ширина намораживаемой плиты .

Уточнение величины осадки :

при по графику на рис. 1 настоящего приложения n = 0,17;

;

.

Толщина намораживаемой плиты согласно условию (1) составит:

.

Окончательно конструктивные параметры автозимника (см. рис. 17, тип 28 настоящих норм) приняты:

При этих параметрах условия (1)-(6) выполняются, и расчет считается законченным.

Пример 2. Требуется запроектировать автозимник в районе г. Сургута (климатические данные те же, что и в примере 1) для круглогодичной эксплуатации. Конструкция автозимника - тип 25 (см. рис. 15 настоящих норм). Земляное полотно отсыпают из песка мелкозернистого: влажность 10%; ; ; ; слой теплоизоляции устраивают из торфа. Требуется определить толщину слоя из минерального фунта и слоя теплоизоляции при условии, что оттаивание снежно-ледяного ядра в процессе эксплуатации автозимника не допускается.

Расчет глубины оттаивания земляного полотна и слоя теплоизоляции выполняют в следующем порядке:

а) устанавливают продолжительность теплого периода года и среднюю за этот период приведенную температуру (см. пример 1);

б) вычисляют значения S, , :

;

;

в) по номограмме рис. 2 настоящего приложения при и находят глубину протаивания однородного массива мелкозернистого песка:

h = 2,9 м;

г) при известном значении h = 2,9 м, задавшись высотой земляного полотна , например , определяют толщину слоя теплоизоляции из торфа

,

или, наоборот, задавшись толщиной слоя теплоизоляции, например , находят толщину насыпного слоя из минерального грунта:

.