Приложение 6 (обязательное). Расчет насыпей на промороженных основаниях

Приложение 6

Обязательное

Расчет насыпей на промороженных основаниях

1. Прочность и устойчивость насыпи на промороженном основании (см. рис. 20) 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;  м;

- расчетная толщина слоя поверхностных или длительно (более 20 сут.) стоящих вод на болоте, м;

- осадка талого слоя торфяной залежи под действием веса дорожной конструкции и подвижной нагрузки, м;

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

;

- глубина оттаивания намороженной торфяной плиты в период строительства, м;

 м;

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

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

- требуемая ширина намораживаемой торфяной плиты в период строительства, м;

- ширина минеральной части насыпи понизу, м;

- ширина бермы, м;  м;

- минимальная ширина плиты, при которой обеспечивается устойчивость конструкций в период стабилизации осадок, м; на болотах I типа  м, II и III типов -  м;

- толщина минеральной части насыпи под обочиной, м;

- высота насыпи, при которой исключаются недопустимые упругие деформации (табл. 2 настоящего приложения);

- глубина оттаивания намороженной торфяной плиты сверху в средний многолетний год, м;

- допустимая глубина оттаивания торфяной плиты сверху из условия обеспечения требуемой прочности конструкции в процессе эксплуатации, м; для дорог II категории - 0,1 - 0,15 м, III - 0,25 - 0,3 м, IV-V - 0,35 - 0,4 м;

- глубина промерзания многослойной дорожной конструкции сверху, м;

- глубина оттаивания намороженной плиты снизу за счет притока тепла из талой торфяной залежи, м; обычно  м;

- толщина дорожной одежды, м;

- толщина слоя минерального грунта под дорожной одеждой, м;

- глубина оттаивания многослойной дорожной конструкции сверху в наиболее теплый (расчетный) год, м;

- минимальная толщина намороженной торфяной плиты из условия обеспечения прочности и устойчивости конструкции в период ее эксплуатации, м (табл. 3 настоящего приложения).

Таблица 1

Сопротивление сдвигу верхнего слоя торфяной залежи, кПа	Н_д, м	Н_пр, м
>9,8	1,00	0,40
4,9 - 9,8	1,15	0,45
<4,9	1,30	0,50

Таблица 2

Тип дорожной одежды	Минимальное значение Н_уп, м, при исходной мощности торфяной залежи, м
	1	2	4	6
Капитальный	2,0	2,5	3,0	3,0
Облегченный	1,5	2,0	2,5	3,0
Переходный	1,2	1,5	2,0	2,5

2. Верхняя часть насыпи из минерального грунта должна не только воспринимать нагрузки, передающиеся через дорожную одежду, но и обеспечивать благоприятный тепловой режим мерзлого основания: в летний период не допускать оттаивания торфяной плиты на глубину более величины , в зимний период допускать понижение температуры торфа в плите. Поэтому толщину слоя минерального грунта следует определять по теплотехническому расчету, руководствуясь рекомендациями пп. 4-7 настоящего приложения.

Таблица 3

Тип дорожной одежды	Значение h_пред, м, в зависимости от строительного типа болота
	I	II	III
Капитальный	0,5	0,6	0,7
Облегченный	0,4	0,5	0,6
Переходный	0,3	0,4	0,5

Минимальную толщину слоя грунта под дорожной одеждой назначают с учетом обеспечения благоприятного теплового режима мерзлого основания и необходимого возвышения низа дорожной одежды над поверхностью торфяной плиты по табл. 4 настоящего приложения.

Таблица 4

Среднегодовая температура воздуха, минус °С	Значение h'_гр, м, в зависимости от грунта и категории дороги
	крупнообломочного, песчаного		глинистого
	II-III	IV-V	II-III	IV-V
<2	1,45	1,10	1,55	1,15
2-3	1,40	1,00	1,50	1,10
4-5	1,20	0,85	1,30	0,95
6-7	0,90	0,60	1,05	0,65
>7	0,75	0,60	0,85	0,60

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

, (7)

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

;

- мощность торфяной залежи, м;

р - удельная нагрузка на талое торфяное основание, кПа;

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

; (8)

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

; (9)

- модуль деформации, соответствующий осадке за 1 сут, кПа;

- расчетное время достижения условной стабилизации торфа; сут; принимается ориентировочно в зависимости от глубины болота (табл. 5 настоящего приложения);

Таблица 5

Н_т.з, м	2	3	4	6	8
Т_ст, сут	440	540	730	900	1050

- коэффициент, учитывающий интенсивность накопления деформаций во времени; принимается в зависимости от плотности скелета торфа (табл. 6 настоящего приложения).

Таблица 6

гамма_ск, г/см3	0,05	0,10	0,15 - 0,20	0,25
m_д	0,02	0,05	0,06	0,07

Удельную нагрузку р на торфяное основание определяют по формуле

, (10)

где , , - соответственно ширина, толщина, м, и плотность, , i-го слоя дорожной одежды;

и - ширина земляного полотна (минеральной части) соответственно по верху и по низу, м;

- плотность минерального грунта, ;

- плотность торфа, ; =1 ;

- относительная осадка i-го слоя торфа толщиной , м; ориентировочно принимается в зависимости от сопротивления торфа сдвигу по крыльчатке (табл. 7 настоящего приложения).

Таблица 7

C_i, кПа	10	10-5	5
a_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 теплофизические характеристики слоев дорожной одежды и земляного полотна с учетом влажности и плотности материалов согласно СНиП II-3-79*; для наиболее часто встречающихся строительных материалов теплофизические характеристики приведены в табл. 8 настоящего приложения.

Таблица 8

Материал	Плотность, т/м3	Влажность, %	ламбда_т, Вт/(м х °С)	ламбда_м, Вт/(м х °С)	С_т, кДж/(м3 х °С)	С_м, кДж/(м3 х °С)	Скрытая теплота фазовых превращений Q, кДж/м3
Железобетон	2,50	2-5	2,04	2,26	2093	2050	16744
Цементобетон	2,20	3-6	1,86	2,16	2218	2093	18837
Асфальтобетон	2,15	2-3	1,39	1,63	3560	3433	14232
Щебень	2,00	10	2,67	3,37	2135	2093	66976
Гравий	2,00	10	1,98	2,44	2386	2218	66976
Песок	1,80	10	1,51	1,86	2009	1674	60278
Супесь легкая	1,80	17	1,72	1,86	2595	2009	68650
Суглинок легкий пылеватый	1,80	18	1,44	1,74	2720	2050	53580
Суглинок тяжелый пылеватый	1,80	20	1,51	1,80	2846	2093	65302
Глина	1,80	22	1,57	1,92	2930	2135	44539
Торф в нижней части насыпи	1,00	-	0,52	0,81	-	-	284648

5. Основными климатическими характеристиками являются:

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

продолжительность периодов с положительной () и отрицательной () приведенными температурами воздуха.

Значения (°С) определяют по формуле

, (11)

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

- поправка к среднемесячным температурам воздуха за счет солнечной радиации, °С;

- коэффициент, значения которого определяют по рис. 2 настоящего приложения в зависимости от отражательной способности А (альбедо) поверхности: для цементобетонных покрытий %, с применением органических вяжущих - %, щебеночных и гравийных покрытий - %, грунтовых поверхностей - %;

- среднемесячная суммарная солнечная радиация, ; принимается по табл. 9 настоящего приложения;

- коэффициент теплообмена на поверхности покрытия; .

Значения или определяют по формуле

, (12)

где , - коэффициенты, вычисляемые по формулам:

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

n - число календарных месяцев в теплом или холодном сезоне года.

Таблица 9

Месяц	Среднемесячная суммарная солнечная радиация, Вт/(см2 х мес), при широте местности, град
	54	56	58	60	62	64	66	>=68
I	2,6	2,1	1,7	1,2	0,7	0,6	0,2	0,1
II	4,8	4,4	3,6	3,3	2,6	2,3	1,7	1,5
III	10,5	9,5	9,0	8,4	7,9	6,8	6,8	6,2
IV	12,8	12,8	13,3	13,3	13,1	12,8	13,3	13,3
V	16,3	16,3	16,3	16,3	16,3	16,8	16,8	16,8
VI	18,0	18,0	18,8	18,0	18,0	18,0	17,4	17,4
VII	17,4	17,2	17,2	16,3	16,3	16,3	16,3	16,3
VIII	13,9	13,1	12,8	12,8	12,2	12,0	11,9	10,5
IX	9,3	8,7	8,1	7,6	7,0	6,4	4,9	4,6
X	5,8	4,6	3,7	3,7	3,5	3,3	2,8	2,3
XI	2,9	2,3	2,0	1,7	1,2	1,2	0,6	0,4
XII	2,1	1,7	1,0	0,6	0,5	0,5	0,4	0

Продолжительность сезонов и (ч) определяют по формуле

. (14)

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

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

б) определяют для принятой конструкции дорожной одежды и вида грунта земляного полотна расчетные значения коэффициентов теплопроводности и объемную теплоемкость материалов в талом состоянии по табл. 8 настоящего приложения;

в) вычисляют значения S, , :

где , - соответственно толщина, м, и коэффициент теплопроводности, , i-го конструктивного слоя дорожной одежды;

Т - температура льдообразования, °С, принимаемая по СНиП 2.02.04-88;

г) по известным значениям и , используя графики на рис. 3 настоящего приложения, находят глубину оттаивания однородного массива минерального грунта h по оси дороги;

д) приняв по табл. 4 настоящего приложения значение , определяют глубину оттаивания намороженной торфяной плиты сверху:

, (16)

где - коэффициент эквивалентного приведения (по условиям оттаивания-промерзания) глубины оттаивания торфяной насыпи к грунту земляного полотна: для песков =3,9, супесей - =4,0, суглинков легких - =4,1, суглинков тяжелых и глин - =4,2.

Если принять , можно определить толщину слоя минерального грунта под дорожной одеждой:

. (17)

7. Расчет глубины промерзания дорожной конструкции выполняют в следующем порядке:

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

б) определяют для принятой конструкции дорожной одежды и вида грунта земляного полотна расчетные значения коэффициента теплопроводности и объемной теплоемкости материалов в мерзлом состоянии по табл. 8 настоящего приложения;

в) вычисляют значения S, , :

г) по известным значениям и , используя номограммы рис. 3 настоящего приложения, находят глубину промерзания однородного массива минерального грунта h по оси дороги и вычисляют глубину промерзания торфяной плиты сверху:

.

Если , то условие (5) будет выполнено.

Пример расчета

Требуется запроектировать автомобильную дорогу III категории для населенного пункта, расположенного на 62° с.ш. (среднегодовая температура воздуха минус 3,3°С). Конструкция дорожной одежды: покрытие из плит ПАГ-14 ( м), основание из гравийного материала ( м). Для отсыпки насыпи используется супесь легкая (W=17%, ).

Дорога пересекает болото 1 типа, мощность торфяной залежи  м, торф верховой. Показатели торфяных грунтов по глубине болота:

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

от 2 до 4 м - влажность 800% , ,  кПа.

Параметры земляного полотна назначают предварительно согласно рекомендациям, изложенным в пп. 1-2 настоящего приложения: ширина земляного полотна для дороги III категории , при среднегодовой температуре воздуха минус 3,3°С согласно табл. 4 настоящего приложения толщина слоя грунта из легкой супеси принята ориентировочно м. Тогда

м.

Толщина промороженного слоя торфяной залежи  м назначена по табл. 1 настоящего приложения из условия обеспечения безопасности ведения работ. Болото не обводнено, следовательно, , м.

Для определения толщины намораживаемой плиты значения и приняты ориентировочно:

 м;

 м.

Согласно условию (1) настоящего приложения

м.

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

Ширина намораживаемой плиты определена из условия (3) при  м:

.

Для принятых предварительно параметров земляного полотна условие (4) будет удовлетворено:  м (см. табл. 2 настоящего приложения).

Расчет осадки талого слоя торфяной залежи производят по формуле (7), предварительно установив значения n, р, :

а) коэффициент по рис. 1 настоящего приложения при

;

б) удельную нагрузку на торфяное основание р определяют по формуле (10) настоящего приложения:

 кПа;

в) усредненный модуль деформации рассчитывают по формуле (8) настоящего приложения, предварительно установив значения и по формуле (9):

 кПа;

 кПа;

 кПа.

Подставив в формулу (7) настоящего приложения значения n, p и , определяют осадку талого слоя торфяной залежи

 м.

Среднемесячные температуры воздуха для заданного пункта, среднемесячные значения суммарной солнечной радиации , а также среднемесячные приведенные температуры воздуха , рассчитанные по формуле (11), приведены в табл. 10 настоящего приложения. При расчете принято: ; по графику (см. рис. 2) при А=25% (цементобетонное покрытие).

Таблица 10

Месяц	t_в, °С	Q_с, Вт/(см2х°С)	t_пр, °C
I	-22,2	0,7	-22,2
II	-19,3	2,6	-18,8
III	-12,8	7,9	-10,8
IV	-4 4	13,1	-0,9
V	3,6	16,3	8,1
VI	12,6	18,0	17,4
VII	16,8	16,3	21,3
VIII	13,9	12,2	17,2
IX	7,4	7,0	9,2
X	-1,7	3,5	-1,0
XI	-13,3	1,2	-13,3
XII	-20,2	0,5	-20,2
За год	-3,3	-	-

По данным табл. 10 определяют средние приведенные температуры воздуха за летний () и зимний () периоды по формуле (12) настоящего приложения, предварительно рассчитав коэффициенты и по формуле (13) настоящего приложения:

;

;

; ;

°С;

°С.

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

ч;

ч.

Проверка:  ч.

Теплотехнические характеристики материалов дорожной конструкции определены по табл. 8 и приведены в табл. 11 настоящего приложения.

Для расчета глубины оттаивания намороженной торфяной плиты предварительно вычисляют по формулам (15) значения S, , :

м;

;

.

Таблица 11

Материал	h_i, м	ламбда_тi, Вт/(мх°С)	ламбда_мi, Вт/(мх°С)	С_тi, кДж/(м3х°С)	С_мi, кДж/(м3х°С)	Q, кДж/м3
Железобетон	0,14	2,04	2,26	2093	2050	16744
Гравий	0,20	1,98	2,44	2386	2218	66976
Супесь легкая	-	1,72	1,86	2595	2009	68650
Торфяная плита	-	0,52	0,81	-	-	284648

По номограмме рис. 3 настоящего приложения при   и находят глубину оттаивания однородного массива легкой супеси h=2,75 м. При  м глубина оттаивания торфяной плиты сверху по формуле (16) настоящего приложения составит

м,

что превышает допустимую глубину из условия обеспечения требуемой прочности конструкции (см. п. 1 настоящего приложения). Поэтому следует увеличить толщину слоя минерального грунта, определив его при условии

м.

Для проверки условия (5) настоящего приложения необходимо произвести расчет глубины промерзания конструкции, предварительно вычислив значения S, ,

м;  ;

.

По номограмме рис. 3 настоящего приложения при и находят глубину промерзания однородного массива из супеси h=3,1 м и вычисляют толщину промерзания торфяной плиты под слоем грунта  м:

м.

м, поэтому условие (5) будет удовлетворено.

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

ширина насыпи по низу  м;

ширина намораживаемой плиты м.

Уточнение осадки :

при по графику рис. 1 ;

кПа;

 м.

Толщина намораживаемой плиты согласно условию (1) составит

 м.

Окончательно конструктивные параметры дороги (см. рис. 20) приняты:  м;  м;  м; ;  м;  м;  м;  м;  м;  м. При этих параметрах условия (1)-(6) выполнены, и расчет считается законченным.