ОДМ 218.2.095-2019. Отраслевой дорожный методический документ. Методические рекомендации по проектированию земляного полотна на вечной мерзлоте с использованием местных грунтов
(издан на основании Распоряжения Росавтодора от 26.09.2019 № 2607-р)
Примечание
Текст документа приведен в соответствии с публикацией на сайте https://rosavtodor.gov.ru/ по состоянию на 11.10.2021. Документ рекомендован к применению с 26.09.2019 Распоряжением Росавтодора от 26.09.2019 № 2607-р.
Издан на основании Распоряжения Федерального дорожного агентства от 26 сентября 2019 г. № 2607-р
ОТРАСЛЕВОЙ ДОРОЖНЫЙ МЕТОДИЧЕСКИЙ ДОКУМЕНТ
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА НА ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕСТНЫХ ГРУНТОВ
ОДМ 218.2.095-2019
ОКС 93.080.01
Предисловие
1 РАЗРАБОТАН акционерным обществом «Омский СоюзДорНИИ» (АО «Омский СоюзДорНИИ»).
2 ВНЕСЕН Управлением строительства и эксплуатации автомобильных дорог Федерального дорожного агентства.
3 ИЗДАН на основании распоряжения Федерального дорожного агентства от 26.09.2019 № 2607-р.
4 ИМЕЕТ РЕКОМЕНДАТЕЛЬНЫЙ ХАРАКТЕР. 5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ.
1 Область применения
1.1 Настоящий отраслевой дорожный методический документ (далее — методический документ) разработан в развитие ВСН 84-89.
1.2 Методический документ предназначен для опытно-экспериментального применения с дальнейшим развитием и дополнением необходимых методик, а также конструктивно-технологических решений и применяется при проектировании земляного полотна, назначении технологии производства работ, разработке альбомов типовых конструкций на многолетнемерзлых грунтах (вечной мерзлоте).
1.3 Данный методический документ распространяется на автомобильные дороги общего и необщего (промысловые, притрассовые, подъездные, переводящиеся затем по мере необходимости в общую группу) пользования, сооружаемые в зоне вечной мерзлоты по универсальному (экологическому) принципу проектирования независимо от категорийности.
1.4 В настоящем методическом документе приводятся методики и общие конструктивно-технологические решения (направления) по расширенному использованию наиболее распространенных в районах вечной мерзлоты, переувлажненных и мерзлых торфяных, глинистых, торфо-глинистых, крупнообломочных грунтов со значительным (более 30% — 40%) содержанием глинистого мелкозема, а также их смесей, преимущественно для нижней части земляного полотна.
1.5 Рекомендации методического документа предполагают реализацию решений, минимизирующих общие затраты за счет более эффективного использования местных природных ресурсов и преобразования новых комплексов в направлении ускорения их сукцессии (природной стабилизации) в послестроительных условиях. Устойчивость и усиление естественного подмораживающего эффекта мерзлого основания обеспечивается применением природных тепловых диодов.
2 Нормативные ссылки
В настоящем методическом документе использованы нормативные ссылки на следующие документы:
ГОСТ 3344-83 Щебень и песок шлаковые для дорожного строительства. Технические условия
ГОСТ 5180-2015 Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик
ГОСТ 22733-2016 Грунты. Метод лабораторного определения максимальной плотности
ГОСТ 25607-2009 Смеси щебеночно-гравийно-песчаные для покрытий и оснований автомобильных дорог и аэродромов. Технические условия
ГОСТ 28514-90 Строительная геотехника. Определение плотности грунтов методом замещения объема
СП 34.13330.2012 Автомобильные дороги (актуализированная редакция СНиП 2.05.02-85*) СП 121.13330-2019 Аэродромы (актуализированная редакция СНиП 32-03-96)
3 Термины и определения
В настоящем методическом документе применены следующие термины с соответствующими определениями:
3.1 влажность грунта допустимая (расчетная): Влажность грунта при коэффициенте уплотнения, равном 0,90.
3.2 высота естественной тепловой устойчивости дорожной насыпи: Высота, при которой глубина сезонного оттаивания деятельного слоя вечной мерзлоты в основании насыпи в среднем сохраняется близкой к естественному (природному) уровню.
3.3 грунты некондиционные: Не соответствующие нормативным требованиям грунты (переувлажненные и (или) мерзлые), применяемые при строительстве дорожных насыпей по универсальному принципу проектирования. Примечание - Классификация переувлажненных грунтов приведена в приложении А.
3.4 многолетнемерзлые грунты (вечная мерзлота): Грунтовая толща, имеющая отрицательную температуру в течение трехлетнего периода и более, вечная мерзлота — не менее ста лет. Вечную мерзлоту по температуре на границе нулевых годовых амплитуд подразделяют на высокотемпературную (не ниже -3 °C, преимущественно -1,5 °C и выше) и низкотемпературную (ниже -3 °C). По условиям распространения различают сплошную, прерывистую и островную вечную мерзлоту.
3.5 сукцессия: Последовательная замена одних биоценозов (растительных сообществ) другими на определенном участке осваиваемой территории до формирования устойчивого (равновесного) типа биоценоза, характерного для конкретной физико-географической обстановки. Время естественного зарастания (восстановления) осваиваемых территорий.
3.6 тепловой диод: Устройство (грунтовый слой) для управления теплооборотами в нижележащем грунтовом массиве, основанное на создании температурной сдвижки за счет сезонных изменений плотности теплового потока в талом и мерзлом состоянии.
3.7 универсальный (экологический) принцип проектирования: Комбинированный принцип проектирования (с элементами 2-го и 4-го принципов) для прогнозного расчета природной тепловой устойчивости (сохранности) вечной мерзлоты (по условию Карлсона-Кудрявцева) в основании дорожной насыпи.
4 Общие положения универсального принципа проектирования
4.1 Принцип проектирования дорожных насыпей (преимущественно высотой до 3 м) в районах распространения многолетнемерзлых грунтов, включающий укладку слоев переувлажненного и (или) мерзлого (некондиционного) грунта и верхнего слоя из кондиционного или дренирующего грунта с допущением последующего частичного оттаивания грунтов вечномерзлого основания в период эксплуатации, отличающийся тем, что с целью:
- повышения устойчивости дорожных насыпей на вечной мерзлоте (в условиях происходящего и прогнозируемого на ближайшие 100 лет глобального потепления) усиливают действие естественного механизма дополнительной природной «подзарядки» холодом их вечномерзлого основания эффектом «теплового диода»;
- улучшения экологичности, экономичности и повышения темпов сооружения дорожных насыпей на вечной мерзлоте расширяют возможности использования некондиционных местных грунтов (переувлажненных и (или) мерзлых, например глинистых, торфяных, крупнообломочных, с переувлажненным глинистым заполнителем более 30% и др.) с результирующим внесением минимальных изменений в природную среду;
- усиления гашения неравномерностей строительно-эксплуатационной осадки в частично оттаивающем и постепенно (1 — 2 теплых периода) стабилизирующемся мерзлом основании используют первично пластичный переувлажненный глинистый грунт в нижней части насыпи (желательно с геосинтетической прослойкой сверху) с недопущением последующего затекания в осадочную чашу воды.
4.2 При расчете глубин оттаивания-промерзания многослойной дорожной конструкции насыпи (включая оттаивающий слой мерзлого основания) достигается выполнение условия тепловой устойчивости вечной мерзлоты в основании насыпи
\frac{H_{\text{пр}}}{H_{\text{от}}} \geq 1,1 - 1,3, (1)
где Hпр, Hот — расчетная глубина соответственно промерзания и оттаивания многослойной конструкции, м. Примечание - Для подзоны распространения вечной мерзлоты I4 принимается значение 1,1; подзоны I2 — 1,2; подзоны I3 — 1,3 (в которой на марях, торфяниках, северных склонах и других местах с устойчивой вечной мерзлотой применяется значение 1,2).
4.3 При этом глубина промерзания и оттаивания многослойной системы рассчитывается по адаптированным (проверенным в условиях вечной мерзлоты) формулам с учетом фазовых переходов воды, изменения объемной теплоемкости и теплопроводности грунтов в талом и мерзлом состоянии (для расчета эффективности срабатывания природного механизма «теплового диода» при устоявшейся эксплуатационной влажности).
4.4 Принцип проектирования отличается тем, что уложенные нестабильные слои (СП 34.13330.2012) переувлажненного и (или) мерзлого грунта допускается не уплотнять непосредственно при их строительной укладке. Затем их доуплотняют при уплотнении верхнего слоя, а также последующим движением по насыпи транспортных средств до достижения общей (с основанием) эксплуатационной осадки не более 4 — 6 см/год (или Ку не менее 0,90). Верхний слой насыпи из кондиционного или дренирующего грунта уплотняют после его укладки или в строительно-эксплуатационный период, до достижения коэффициента уплотнения не менее 0,96 — 0,98 в соответствии с таблицей 1 методического документа или таблицей 8 норм [1].
Таблица 1
1 значения Ку принимают для цементобетонных покрытий. 2 Таблица разработана В.А. Давыдовым.
4.5 Высоту насыпи назначают по расчету на снегонезаносимость, но не менее высоты естественной тепловой устойчивости дорожной насыпи, равной в среднем 1,5 м, а толщину верхнего стабильного грунтового слоя — по эмпирическим данным (опытным путем) или по расчету на устойчивость конструкции тонкослойной насыпи на слабых грунтах с применением геосинтетических прослоек [2].
4.6 Расчетную (устоявшуюся эксплуатационную) влажность переувлажненного глинистого грунта в нижней части насыпи принимают при минимально допустимом коэффициенте уплотнения 0,90 в зависимости от его оптимальной влажности (таблица 2 методического документа или таблица В.12 приложения В СП 34.13330.2012) независимо от его начальной влажности при строительной укладке (учитывается при расчете временной, строительно-эксплуатационной осадки).
Таблица 2
Примечание - Значения оптимальной влажности для характерных грунтов зоны вечной мерзлоты можно определить через влажность предела текучести по следующим зависимостям А.С. Плоцкого: супесь легкая Wопт = 0,7Wтек; суглинок легкий пылеватый Wопт = 0,6Wтек, суглинок тяжелый, глина пылеватая Wопт = 0,55Wтек.
4.7 Учет текущего и прогнозируемого потепления в первом приближении осуществляют уменьшением абсолютной среднезимней расчетной температуры воздуха на величину прогнозного повышения (ориентировочно на 3 °C).
5 Общий порядок проектирования дорожной насыпи на вечной мерзлоте
Общий порядок разработки проектного решения земляного полотна автомобильной дороги на вечной мерзлоте по универсальному принципу предусматривает:
- проложение трассы дороги с учетом требований действующих нормативов, СП 34.13330.2012, норм [1], ландшафтных комплексов и мерзлотно-грунтовых условий, обеспечивающее получение решения, близкого к оптимальному;
- построение продольного профиля, отвечающего требованиям СП 34.13330.2012, норм [1], к дороге рассматриваемой категории;
- при построении продольного профиля в качестве руководящей рабочей отметки земляного полотна принимается высота насыпи, отвечающая условиям снегонезаносимости, но не менее 1,5 м;
- выделение по ландшафтным комплексам и мерзлотно-грунтовым условиям участков, пригодных для строительства нижней части дорожной насыпи из боковых резервов (преимущественно в конце весеннего и до середины летнего периода);
- выделение участков отсыпаемых зимой из разрыхленных (преимущественно буровзрывным способом) местных мерзлых и переувлажненных при оттаивании (некондиционных) грунтов из цепочки грунтовых карьеров ближайших к трассе (50 — 150 м, особенно в тундре и лесотундре), незначительных по объему (на 1 — 2 км отсыпки). После рекультивации используемых в качестве притрассовых озерков с сохранением к ним при необходимости строительных подъездных дорог для стоянок и кемпингов;
- при строительстве дорожных насыпей на вечной мерзлоте в лесистой местности ширина просеки не должна превышать ширины насыпи понизу с учетом эксплуатационных дорог при необходимости и частичной срезки леса для обеспечения видимости на поворотах;
- изыскание ближайших к трассе карьеров с кондиционными или дренирующими грунтами и каменными материалами (подразделы 3.17, 3.18 норм [1]) для отсыпки верхней части земляного полотна, с минимизацией ее толщины за счет применения различных геосинтетических материалов, георешеток, мембраны ТЕФОНД карбофоля и др.;
- устройство дорожной одежды с переходным покрытием, устойчивым (и ремонтопригодным) к возможным временным (1 — 3 года) неравномерным деформациям (осадкам и пучениям), преимущественно из щебеночных смесей, медленнотвердеющих шлаковых, шламовых смесей и т.д. Дорожную одежду устраивают предпочтительно на геосинтетической прослойке, при необходимости совместно с плоскими пластиковыми георешетками, на мембранах ТЕФОНД и других для распределения нагрузок и снижения неравномерностей деформаций дорожного покрытия, повышения его прочности и эксплуатационной устойчивости. Последующее устройство нежесткого черного покрытия осуществляют по мере его необходимости и стабилизации осадки до приемлемого уровня (не более 5 см/год в соответствии с требованиями примечаний 1 и 2 подраздела 7.31 СП 34.13330.2012).
6 Условия и способы применения некондиционных грунтов в дорожных насыпях
6.1 При конструировании дорожных насыпей с преимущественным применением в нижней части местных мерзлых и переувлажненных (некондиционных), глинистых, торфяных и их смесей, а также крупнообломочных (гравийно-галечниковых, дресвяных и т.д.) грунтов с глинистым заполнителем более 30% — 40% следует учитывать, что:
- ввиду достаточности запасов местного некондиционного грунта и минимальной дальности его транспортировки заложение откосов у насыпей принимается от 1:(2,5 — 3) и положе (для обеспечения устойчивости откосов из переувлажненных грунтов и самой насыпи при уплотнении и в период эксплуатации, уменьшения снегоотложения и повышения тепловой устойчивости, повышения устойчивости к размыву и подтоплению с предотвращением подмокания низа дорожной одежды, а также для большей транспортной безопасности в аварийных ситуациях и др.);
- в местах возможного подтопления (низинах с необеспеченным стоком, марях, болотах и заболоченных участках и др.) с каждой стороны насыпи в ее нижней части устраивают защитные (от размыва, оттаивания и др.) бермы на высоту нижней части и шириной 1 — 1,5 глубины оттаивания грунта бермы (или в среднем 1,5 — 2 м);
- конструкция насыпи должна легко возводиться при строительстве (т.е. являться технологичной), быть экологичной (т.е. экономичной) за счет расширенного использования местных грунтов и минимизации дальности их транспортировки в насыпь. Максимально использовать полезные свойства некондиционных местных грунтов (пластичность в начальный период частичной протайки и неравномерной осадки мерзлых грунтов основания, последующую эксплуатационную водонепроницаемость, работу грунта в качестве «теплового диода» и относительно пластичного сглаживателя возможных осадок в нередких случаях внерасчетного оттаивания вечномерзлого основания и др.) с нейтрализацией вредных (неравномерного пучения и осадки) воздействий путем устройства сглаживающих деформации армирующих и перераспределяющих напряжения гибких геосинтетических прослоек.
6.2 Дерновый или мохорастительный покров (МРП) в основании насыпи и на прилегающей территории необходимо по возможности сохранять при строительстве. Это учитывают при разработке технологических решений (в том числе и по круглогодичному возведению дорожных насыпей).
6.3 Для усиления действия механизма «теплового диода» в основании насыпи предусматривают устройство водоудерживающей торфяной прослойки толщиной 0,2 — 0,3 м (в уплотненном состоянии). Наиболее пригодными для этого являются слабо- и среднеразложившиеся торфы, а также искусственные, разрыхленные (комковатые) мерзлые торфо-грунтовые смеси. Данные смеси приготавливают преимущественно зимой, совместным взрыванием слоя слаборазложившегося торфа, на мари или мелком (0,5 — 1,5 м) торфянике со слоем нижележащего суглинка в соотношениях от 50/50 до 30/70, взаимонаправленным, короткозамедленным взрывом с образованием готового к погрузке в транспортные средства экскаватором или погрузчиком бурта.
6.4 При проведении мерзлотно-грунтовых изысканий пригодных местных глинистых грунтов и торфов в притрассовых карьерах допустимая суммарная влажность (льдистость) для глинистых грунтов экономически целесообразна до 80% — 100%, торфов — до 600% — 800%. Нежелательно наличие значительных по мощности (0,3 — 0,5 м и более) илистых (пылеватых) прослоек или сильно пылеватых глинистых грунтов (более 55% — 60% частиц размером 0,05 — 0,005 мм) с высокой пучинистостью, иольдиевых глин и др. Искусственные смеси торфа с илистыми грунтами пригодны для укрепления от размыва (быстрого зарастания) откосов, а также для ненагруженных боковых защитных призм.
6.5 Из искусственных, разрыхленных торфо-глинистых смесей нижняя часть насыпей зимой может отсыпаться полностью. Они также пригодны для зимней отсыпки защитных боковых призм в местах возможного временного подтопления насыпей. Эффективны они и для быстрого, экологичного зарастания местной растительностью откосов при укреплении их от размыва.
6.6 При необходимости создания более прочных нижних частей, а также экономии дефицитного песка в верхней (рабочей) части дорожных насыпей также возможно применение оптимального соотношения связно-сыпучих смесей из мерзлых комьев разрыхленного, преимущественно глинистого грунта с сухо- или сыпучемерзлым песком [3].
6.7 Плотность и пустотность отсыпанных слоев мерзлого разрыхленного грунта определяют по способу [4], соответствующему ГОСТ 28514-90 (приложение Б).
6.8 При весенне-летнем возведении нижней части насыпи из частично (до 20 — 30 см) оттаявших и нижележащих, разрыхленных тракторными рыхлителями в вяломерзлом состоянии, сильно и избыточно переувлажненных мерзлых глинистых грунтов боковых резервов (в том числе и с влажностями, превышающими влажность предела текучести) соблюдают следующие основные правила:
- оттаявший МРП, снятый с поверхности боковых резервов трактором, оснащенным бульдозерным оборудованием, и временно складированный в валики по краям резервов, после сооружения (надвижки) нижней части насыпи частично возвращают обратно путем надвижки его на откосы нижней части насыпи, после разработки резервов и выглаживания их дна и откосов задним ходом гусеничного трактора с опущенным (прижатым) бульдозерным отвалом;
- грунтовой поверхности сооружаемой нижней части и дна резервов при строительстве придают уклон 2% — 5% в направлении от оси насыпи;
- боковые резервы устраивают широкими, но не глубокими (преимущественно до 0,5 — 0,6 м), что минимально воздействует на мерзлотную среду и способствует сравнительно быстрому (за 1 — 2 года на глинистых грунтах) естественному зарастанию разработанной грунтовой поверхности;
- основной забор грунта из резервов осуществляют у дальней от насыпи границы расчищенных резервов и минимально у основания откосов сооружаемой насыпи;
- боковые резервы преимущественно разрабатывают участками протяженностью по 150 — 200 м с устройством временных разрывов в сооружаемой нижней части насыпи шириной (в основном в местах естественных понижений), достаточной для последующего устройства в них бесфундаментных, металлических, гофрированных водопропускных труб и обеспечения (на период весенне-летнего строительства) прохода по разрывам обитателей местного животного мира;
- во избежание заливания мерзлотными водами разработку резервов в весенне-летний период преимущественно начинают с низовой стороны.
6.9 В местах проектных выемок и полувыемок с некондиционными грунтами по возможности необходимо устраивать грунтовые карьеры (площадки грунтовых строительных материалов) с обязательным обеспечением естественного водоотвода из них в период эксплуатации.
7 Расчетная методика универсального принципа проектирования
7.1 Методика универсального принципа проектирования с расчетом термической устойчивости дорожной насыпи на вечной мерзлоте (с учетом глобального потепления) и конструктивным приспособлением дорожной насыпи к гашению и сглаживанию неравномерных деформаций (осадок и пучений) при оттаивании и промерзании деятельного слоя в основании в период эксплуатации состоит из следующих этапов.
7.2 По методике, изложенной в приложении 5 норм [1] или приложении В методического документа, определяют высоту снегонезаносимой насыпи на вечной мерзлоте Hсн, м. Если расчетная по снегонезаносимости высота насыпи получается менее 1,5 м, то принимают начальную высоту не менее высоты по тепловой устойчивости, т.е. в 1,5 м (как правило, высота снегонезаносимой насыпи по расчету составляет менее высоты по естественной тепловой устойчивости).
7.3 Задается минимальная толщина верхней части hв, м, из кондиционного (глинистого) или дренирующего грунта (с коэффициентом уплотнения не менее 0,96 — 0,98).
Для дорог категории III (общего пользования):
- hв = 0,6 — 0,8 м соответственно на геосинтетической прослойке и без нее;
- hв = 0,4 — 0,5 м на прослойке из геосинтетика со слоем плоской пластиковой георешетки (желательно с заклиниванием в плоской решетке слоя щебеночно-песчаной смеси оптимального состава [5]).
Для дорог категории IV — V (необщего пользования):
- hв = 0,6 м без геосинтетической прослойки;
- hв = 0,4 — 0,5 м на прослойке из геосинтетика;
- расчетную толщину верхнего насыпного стабильного слоя из кондиционного или дренирующего скального, крупнообломочного и песчаного грунта можно также назначать в соответствии с пособием [2] и проверять расчетом согласно рекомендациям [6].
7.4 Строительную толщину нижнего слоя из некондиционного (глинистого и др.) грунта Hнг, м (для стабилизированного, эксплуатационного состояния), назначают из соотношения
Hнг = Hсн — hв + Sосн + Sсэ, (2)
где Sосн — осадка слоев мерзлого грунтового основания, м;
Sсэ — строительно-эксплуатационная осадка, м. Величину его начальной осадки Sсэ (1 — 2 теплых периода) определяют по формуле
S_{\text{сэ}} = H_{\text{нг}}(1 - \frac{\text{К}_{\text{н}}}{\text{К}_{\text{ст}}}), (3)
где Кн — коэффициент уплотнения грунта, достигаемый при строительстве (определяется полевыми замерами, а на стадии проектирования предварительно по таблице 7 норм [1] или по таблице В.12 приложения В СП 34.13330.2012 в зависимости от степени переувлажненности грунта в карьере, в долях от оптимальной Wе/Wо, если переувлажненность грунта не превышает нормативных табличных пределов), доля ед.;
Кст — минимальный коэффициент уплотнения грунта, после стабилизации осадки (в соответствии с требованиями таблицы 8 норм [1] или таблицы 2 данного методического документа), доля ед. Если переувлажненность местного грунта превышает допустимые нормативные (табличные) значения или при строительстве применяется разрыхленный мерзлый грунт, то строительно-эксплуатационную осадку рассчитывают по формуле
S_{\text{сэ}} = H_{\text{нг}}(1 - \frac{\rho_{\text{н}}}{\rho_{\text{ст}}}), (4)
\rho_{\text{н}} где — плотность скелета грунта при строительстве насыпи (в том числе в сильно переувлажненном и разрыхленном мерзлом состоянии), кг/м3,
\rho_{\text{н}} = (\frac{\rho_{\text{но}}}{1 + W}); (5)
- плотность разрыхленного оттаявшего грунта, кг/м3;
\rho_{\text{но}} = \rho_{\text{к}}(1 - \text{к}_{\text{р}}); (6)
кр — остаточное разрыхление грунта (принимают по таблице 3 данного методического документа), доля ед.;
\rho_{\text{ст}} W — суммарная влажность мерзлого грунта, доля ед.;
- плотность скелета грунта после стабилизации осадки в эксплуатационном состоянии (принимается с Ку по таблице 8 норм [1] или по таблице 1 методического документа в зависимости от максимальной плотности скелета грунта при стандартном уплотнении по ГОСТ 22733-2016), кг/м3.
Таблица 3
Примечание - Остаточное разрыхление талого грунта в неуплотненной насыпи принято в соответствии с данными ЕНИР: Сборник Е2. Земляные работы. Выпуск 1. Приложение 2.
7.5 При строительстве в зимний период и использовании в насыпи разрыхленных мерзлых грунтов их плотность , кг/м3, вычисляют по формулам
\rho_{\text{нм}} = \rho_{\text{м}}(1 - n); (7)
\rho_{\text{нм}} = (\frac{\rho_{\text{м}}}{1 + W}), (8)
где — плотность мерзлого грунта в карьере (в комках), кг/м3;
n — пустотность разрыхленного грунта (для разрыхленных мерзлых песчаных, глинистых и торфяных грунтов принимается в среднем 0,16 — 0,22, а также по номограммам или по способу определения плотности, пустотности согласно приложению В), доля ед.
7.6 Плотность мерзлого грунта определяют в лаборатории взвешиванием отобранных грунтовых образцов (комков) в охлажденной до минусовых температур нейтральной жидкости (керосине). Упрощенно ее можно рассчитать исходя из суммарной влажности мерзлого грунта по эмпирической формуле И.Н. Вотякова
\rho_{\text{м}} = \frac{2,4(1 + W)}{2,7W + 0,9} . (9)
7.7 Применимость формулы (9) показала хорошую сходимость расчетных величин с фактическими, но имеет место одно условие — необходимо, чтобы суммарная влажность мерзлых грунтов превышала следующие значения, %: для гравийно-галечниковых — 5; песков — 15; супесчано-суглинистых — 20; глин — 25; полускальных коренных пород, разрушенных до дресвяно-щебенисто-глинистого состояния, — 10 — 15. Верхний предел влажности мерзлых грунтов не ограничен.
7.8 Методика лабораторного определения относительной осадки передних комковатых грунтов при оттаивании приведена в приложении Г.
7.9 Значения допустимой осадки Sдоп, см, для различных типов покрытий приведены ниже:
Цементобетонное монолитное и сборные плиты ............ 2 — 4
Асфальтобетонное (I, II и III марки) ................. 4 — 6
Облегченное усовершенствованное ....................... 6 — 8
Переходное и низшее .................................. 10 — 15
7.10 Для возникновения и устойчивого существования вечной мерзлоты глубина промерзания Hпр в среднем должна превышать глубину оттаивания Hот на 30% и более. Данное условие устойчивости природной вечной мерзлоты в основании насыпи выражается зависимостью (1).
При выполнении условия (1) глубина оттаивания под сооружаемой дорожной насыпью, как правило, не возрастает и естественная мерзлота не деградирует в период эксплуатации.
7.11 Расчет глубины сезонного оттаивания грунтовых слоев конструкции дорожной насыпи и ее основания производится по формуле
H_{\text{от}i} = \frac{2 \sqrt{\tau_{\text{о}}}}{L_{\upsilon}} \sqrt[\text{т}]{\lambda_{\text{т}}T_{max}(\frac{L_{\upsilon}}{3} + 0,13T_{max}C_{\text{т}i})} , (10)
\lambda_{\text{т}} где — продолжительность периода оттаивания (приложение Д);
Cтi — объемная теплоемкость талого грунта, кДж/(м3·°C) или ккал/(м3·°C);
L_{\upsilon} Tmax — среднемесячная температура за самый теплый летний месяц (приложение Д), °C;
- количество скрытой теплоты фазовых переходов влаги в 1 м3, кДж/м3 или ккал/м3,
L_{\upsilon} = L_{\text{о}}(W_{\text{с}} - W_{\text{н}})\rho_{\text{с}} = L_{\text{о}}\rho_{\text{о}} \frac{W_{\text{с}} - W_{\text{н}}}{W_{\text{с}} + 1} ; (11)
Lо — скрытая теплота льдообразования, равная 334 кДж/кг или 80 ккал/кг;
Wс — суммарная (расчетная) влажность грунта, доля ед.;
\rho_{\text{с}} Wн — содержание незамерзшей воды (в данном методическом документе для упрощения Wн принимается равной нулю как при оттаивании, так и при промерзании, что уравновешивает затраты на фазовые превращения воды), доля ед.;
\rho_{\text{о}} — плотность скелета грунта, кг/м3;
7.12 Суммарная (расчетная) влажность грунта Wс при минимальном коэффициенте уплотнения 0,9 составляет:
- для песков пылеватых, супеси песчанистой и пылеватой — 1,6Wо;
- суглинков легкого песчанистого и пылеватого — 1,5Wо;
- суглинков тяжелого песчанистого и пылеватого, глины — 1,3, где Wо — оптимальная влажность грунта, доля ед.
7.13 Ориентировочные показатели основных физико-механических свойств грунтов приведены в приложении Е.
7.14 Значения теплофизических характеристик слоев дорожной одежды и земляного полотна с учетом влажности и плотности для наиболее часто встречающихся строительных материалов и грунтов приведены в приложении Ж.
7.15 Глубину оттаивания нижнего (последнего) слоя hн, м, многослойной системы (грунтовые слои насыпи и основания) определяют по формуле
h_{\text{н}} = H_{\text{отн}}(1 - \frac{h_{1}}{H_{\text{от}1}} - \frac{h_{2}}{H_{\text{от}2}} - ... - \frac{h_{n - 1}}{H_{n - 1}}), (12)
где Hотн — расчетная глубина оттаивания нижнего слоя многослойной конструкции, м;
h1, h2, ..., hn-1 — толщины однородных слоев дорожной конструкции, м;
Hот1, Hот2, ..., Hn-1 — расчетные глубины оттаивания однородных слоев многослойной конструкции, м.
7.16 Глубину сезонного промерзания многослойной дорожной конструкции Hпр вычисляют по формуле
H_{\text{пр}} = \sqrt{\frac{2\lambda_{\text{м}}^{\text{ср}}T_{\text{з}}\tau_{\text{з}}}{\sum_{i = 1}^{n} \frac{H_{i}}{H_{\text{от}}} (L_{\upsilon i} + 0,5C_{\text{м}i}T_{\text{з}})}} , (13)
\lambda_{\text{м}}^{\text{ср}} где — средневзвешенный коэффициент теплопроводности слоев многослойной системы (дорожной одежды, насыпи и основания) в мерзлом состоянии, Вт/(м·°C) или ккал/(м·ч·°C),
\lambda_{\text{м}}^{\text{ср}} = (\frac{h_{i}}{H_{\text{от}}} \lambda_{1} + \frac{h_{2}}{H_{\text{от}}} \lambda_{2} + ... + \frac{h_{n}}{H_{\text{от}}} \lambda_{n}); (14)
\lambda_{1} Hо \lambda_{2} т — глу \lambda_{n} бина оттаивания многослойной системы, м;
, , ..., — коэффициенты теплопроводности слоев в мерзлом состоянии, Вт/(м·°C) или ккал/(м·ч·°C);
Cмi — объемная теплоемкость материала слоев в мерзлом состоянии, кДж/(м3·°C) или ккал/(м3·°C);
\tau_{\text{з}} Tз — абсолютная средняя температура воздуха за период с отрицательными температурами (принимают по абсолютной величине со знаком плюс и уменьшают на 3 °C, для учета прогнозируемого длительного глобального потепления климата, происходящего на территории Российской Федерации преимущественно за счет повышения зимних температур воздуха), °C;
7.17 Для соблюдения размерности при теплотехнических расчетах по формулам (10), (11), (13) необходимо значения теплофизических характеристик грунтов перевести: коэффициент теплопроводности из Вт/(м·°C) в ккал/(м·ч·°C); объемную теплоемкость из кДж/(м3·°C) в ккал/(м3·°C) в соответствии с примечаниями приложения Ж.
7.18 Если проверка по условию (1) не выполняется, то природная мерзлота под такой насыпью будет неустойчива и может деградировать с возникновением дополнительной длительной осадки. Для уменьшения глубины оттаивания и сглаживания неравномерностей возможной осадки в основании насыпи и на поверхности нижней части насыпи необходимо закладывать прослойки из геотекстиля. При этом учитывается «охлаждающее» влияние геотекстильного материала [1]. Для этого глубину оттаивания усиленной конструкции насыпи умножают на коэффициент Кгт = 0,88 и повторяют проверку. Если и в этом случае условия проверки не выполняются, то на природное основание добавляется диодно-теплоизолирующий (подзаряжающий холодом) слой, например из слаборазложившегося торфа, МРП и других, толщиной 0,15 — 0,3 м в основании насыпи.
7.19 При затруднительности или невозможности соблюдения условия тепловой устойчивости мерзлоты в основании насыпи (1) желательно усиление геосинтетиками не только оттаивающего (слабого) основания и нижней части насыпи, но и основания дорожной одежды для дополнительного уменьшения и сглаживания неравномерностей осадки и возможного пучения.
7.20 Расчет величины осадки слоев мерзлого грунтового основания Sосн, м, при его сезонном оттаивании и консолидации в общем виде выполняют по формуле
S_{\text{осн}} = \sum_{i = 1}^{n} H_{\text{о}i}\delta_{i}, (15)
\delta_{i} где Hоi — толщина оттаивающего слоя основания, м;
- относительная осадка каждого оттаивающего слоя основания от веса дорожной насыпи и подвижной нагрузки, доля ед., предварительно (ориентировочно) определяется по графикам, приведенным на рисунках 1 и 2, или по формулам (3), (4). \rho_{\text{ст}} Примечание - При этом значение коэффициента Кст принимается в первом приближении равным 0,90 для дорог общего пользования и 0,87 — для дорог необщего пользования. По данным коэффициентам при необходимости проведения расчетов по формуле (4) рассчитывается значение . Если в результате расчета получится отрицательное значение, это означает, что осадки основания не будет происходить и она соответственно принимается равной нулю. Данный расчет применяется преимущественно для проектирования невысоких (до 3 м) насыпей.
1 — песок крупный; 2 — песок средний; 3 — песок мелкий и пылеватый
\delta(e) Рисунок 1 — Относительная осадка песчаных грунтов при оттаивании под нагрузкой 0,075 МПа
\delta(e) Рисунок 2 — Относительная осадка глинистых грунтов при оттаивании под нагрузкой 0,075 МПа
7.21 При наличии в основании насыпи глинистых грунтов с крупнообломочными включениями относительную осадку, определенную по графикам (см. рисунки 1, 2), корректируют с помощью коэффициента, приведенного в таблице 4.
Таблица 4
| Грунт | Коэффициент, %, учитывающий содержание крупных фракций, мм | |
| 20 — 35 | 35 — 50 | |
| Супесь: | ||
| песчанистая | 1,0 | 0,50 |
| пылеватая | 0,8 | 0,60 |
| Суглинок: | ||
| легкий | 0,8 | 0,60 |
| тяжелый | 0,8 | 0,55 |
| Глина | 0,8 | 0,55 |
7.22 Для зоны высокотемпературной вечной мерзлоты Российской Федерации относительную осадку оттаивающего глинистого грунта можно предварительно принимать по таблице 5.
Таблица 5
Примечание - Если величина нагрузки имеет другие значения, то относительная осадка глинистого грунта определяется интерполированием.
7.23 Для предварительных расчетов относительную осадку при оттаивании под насыпью торфяных органических грунтов принимают, доля ед.:
\cdot — ненарушенного мохово-торфяного покрова, включая:
теплоизолирующие слои из торфа и мха — 0,35.
7.24 Более дифференцированные значения относительной осадки торфа при различной влажности и внешней нагрузке приведены в таблице 6.
Таблица 6
7.25 При необходимости получения дополнительных данных по деформационным свойствам переувлажненных глинистых грунтов и торфов можно воспользоваться пособием [2].
7.26 Наименьшее значение коэффициента уплотнения и допустимую относительную влажность грунта определяют соответственно по таблицам 1 и 2.
7.27 Пример расчета тепловой устойчивости дорожной насыпи приведен в приложении И.
8 Варианты конструктивных решений
8.1 Принципиальная схема насыпи с использованием при строительстве местных некондиционных (переувлажненных и мерзлых) грунтов в нижней части с их строительно-эксплуатационным (за 1 — 2 летних периода) оттаиванием, доуплотнением и стабилизацией (до темпов осадки не более 4 — 6 см/год) вместе с грунтами частично оттаивающего мерзлого грунтового основания включает следующие конструктивные элементы (рисунок 3):
- грунтовое основание (желательно с ненарушенным дерновым покровом или МРП), при необходимости с уложенной сверху геотекстильной прослойкой;
- нижняя часть насыпи из местного переувлажненного или разрыхленного мерзлого глинистого грунта, разрыхленных и перемешанных совместным взаимонаправленным, короткозамедленным взрыванием мерзлых торфо-глинистых или приготовленных в насыпи мерзлых связно-сыпучих грунтовых смесей оптимального состава (с устройством сверху геотекстильной прослойки);
- верхняя часть насыпи из кондиционного (в том числе и глинистого) грунта, уплотненного до коэффициента уплотнения 0,96 — 0,98 (окончательное уплотнение после или в процессе оттаивания грунта основания);
- устойчивая к неравномерным деформациям и легко выравниваемая нежесткая дорожная одежда из щебеночно-гравийно-песчаных смесей (преимущественно близких к С-4 и С-5 по ГОСТ 25607-2009), щебеночных смесей, желательно обработанных (укрепленных) полностью или частично медленнотвердеющими зольными, шлаковыми и шламовыми вяжущими, а также из высокоактивных, активных и слабоактивных золошлаковых и шлаковых смесей по ГОСТ 3344-83, шламовых отходов производства и др. (при необходимости снизу с геотекстильной прослойкой или дополнительно с плоской двухосной решеткой либо другими геосинтетическими материалами).
1 — переходное покрытие из щебеночных смесей (при необходимости на геотекстильной прослойке с возможным усилением плоской георешеткой и др.); 2 — уплотненный (до Ку = 0,96 — 0,98) кондиционный грунт; 3 — уплотняющиеся (первые 1 — 2 теплых периода) под движением транспортных средств (до Ку = 0,90 — 0,93 и более) некондиционный местный грунт и грунтовые смеси; 4 — места укладки возможных геотекстильных прослоек; 5 — МРП; 6 — деятельный (сезоннооттаивающий) слой вечномерзлого грунтового основания
Рисунок 3 — Базовые конструкции (поперечные профили) дорожной насыпи из местных некондиционных грунтов в нижней части
8.2 Для реализации (в том числе в опытно-экспериментальном порядке) рекомендуются конструкции земляного полотна, представленные на рисунках 4 — 7.
1 — дорожная одежда; 2 — кондиционный грунт верхней части насыпи; 3 — переувлажненный или разрыхленный (при строительстве) мерзлый глинистый грунт; 4 — места укладки возможных геотекстильных прослоек, геосеток и решеток (объемных и плоских); 5 — слой искусственной торфо-глинистой смеси (50/50) толщиной 0,5 м или торфа толщиной 0,3 м (в оттаявшем и уплотненном состоянии)
Рисунок 4 — Поперечный профиль насыпи на мари, плоскобугристом торфянике и на участках с неустойчивой вечной мерзлотой
1 — дорожная одежда; 2 — оттаявшая и уплотнившаяся смесь мерзлых комьев переувлажненного глинистого грунта с сухо- или сыпучемерзлым песком оптимального состава в нижней и допустимо в верхней части насыпи; 3 — кондиционный грунт верхней части насыпи; 4 — геотекстильные прослойки; 5 — оттаявшая и уплотнившаяся торфо-глинистая грунтовая смесь; 6 — МРП
Рисунок 5 — Поперечные профили насыпи из искусственных мерзлых песчано-глинистых и торфо-глинистых грунтовых смесей
1 — дорожная одежда из щебеночных смесей; 2 — кондиционный грунт верхней части насыпи; 3 — переувлажненный глинистый грунт, разработанный в вяломерзлом состоянии из боковых резервов; 4 — места желательной укладки геотекстильных прослоек; 5 — МРП, сохраненный в основании и снятый с поверхности боковых резервов с последующей надвижкой на откосы насыпи; 6 — берма из глинистого грунта боковых резервов
Рисунок 6 — Поперечные профили из переувлажненных глинистых грунтов боковых резервов
1 — дорожная одежда капитального типа; 2 — кондиционный грунт верхней части земляного полотна; 3 — сортированный (без мелкозема) крупнообломочный грунт с размерами скальных обломков 20 — 50 см; 4 — зоны контакта сортированного скального грунта с воздухом («продухи») толщиной не менее 1 м на высоте, обеспечивающей их снегонезаносимость и неподтопляемость, с возможным дополнительным устройством вентиляционных труб; 5 — водонепроницаемые откосные зоны из глинистого грунта; 6 — теплодиодные слои из водонасыщенных, водоудерживающих материалов (слабо- и среднеразложившихся торфов, торфо-глинистых смесей, МРП, диатомовых, бентонитовых глин и т.д., при необходимости с гелеобразующими добавками и др.), подпитываемые водой конденсата в процессе эксплуатации; 7 — геотекстильные прослойки; 8 — МРП; 9 — верхняя граница многолетнемерзлых грунтов (ВГММГ) летом до строительства насыпи; 10 — ВГММГ после сооружения насыпи; 11 — новообразованная мерзлота
Рисунок 7 — Поперечные профили высоких насыпей на неустойчивых (просадочных при оттаивании) высокотемпературных вечномерзлых грунтах
8.3 На плоскобугристых торфяниках, представляющих собой комплекс бугров высотой до 1 м, разделенных мочажинами и полосами стока, предусматривают заполнение всех мочажин торфо-глинистой смесью или торфом в пределах основания насыпи. При пересечении полос стока в пониженных местах устраивают бесфундаментные гофрированные, металлические водопропускные трубы.
8.4 Конструкции из мерзлых комьев переувлажненного глинистого грунта в смеси с сухо- и сыпучемерзлым песком (тип 4) устраивают (отсыпают с перемешиванием) в соотношении 50% — 65% глинистых комьев, на 50% — 35% из песка по технологии, изложенной в патенте [3].
8.5 При строительстве земляного полотна из боковых резервов, чтобы не допустить значительного развития деградации вечной мерзлоты, необходимо учитывать природные условия района строительства. Наиболее устойчивой от воздействия техногенных процессов является область сплошного распространения вечномерзлых пород, совпадающая с зоной тундр, т.е. I1 дорожно-климатическая подзона зоны вечной мерзлоты. Допустимые глубины боковых резервов и выемок для различных грунтов и природных условий приведены в таблице 7.
Таблица 7
8.6 Как следует из таблицы 7, на юге лесотундровой и в таежной зонах разработка боковых резервов и устройство выемок без применения каких-либо мер по уменьшению их теплового воздействия приведет к многолетнему протаиванию грунтов. Кроме того, на многих участках местности сложно обеспечить отвод воды из разработанных резервов и там будет скапливаться вода. Наличие воды в зависимости от ее глубины может привести к усилению многолетнего протаивания окружающих мерзлых пород. Поэтому в таких местах должно быть предусмотрено устройство защитных берм (тип 7). Допустимая глубина воды и условия снегонакопления, при которых этого не происходит, приведены в таблице 8.
Таблица 8
8.7 Для подавляющей площади зоны тундр глубины техногенных водоемов (боковых резервов глубиной до 0,6 м), как правило, не превышают допустимых значений, и поэтому многолетнего протаивания вечномерзлых грунтов не происходит. В центральной подзоне и ближе к южной границе зоны вечной мерзлоты (подзоны I2 и I3) допустимая глубина воды невелика, и глубины техногенных водоемов, как правило, ее превышают. В результате при скоплении воды под ними формируются сквозные талики или значительные ореолы протаивают. Особенно это характерно на неустойчивой (с относительной осадкой при оттаивании более 0,2) высокотемпературной (T >= -1,5 °C) вечной мерзлоте незначительной (10 — 30 м) мощности при избыточном снегонакоплении у дорожной насыпи.
8.8 На участках высокотемпературной (в том числе прерывистой и островной) вечной мерзлоты (подзона I3) при возведении высоких насыпей (более 3 м) на просадочных грунтах и прогнозируемом длительном (50 — 100 лет) повышении среднегодовой температуры в данной местности до 2 °C — 3 °C рекомендуются конструкции типов 9 и 10. Примечание - При высоте насыпи больше глубины промерзания слагающего ее грунта в зимний период не происходит необходимого для сохранения высокотемпературной вечной мерзлоты периодического подмораживания вечномерзлого основания. В результате начинается ее затяжная деградация в основании. Последнее происходит как из-за отсутствия ежегодной подзарядки холодом с поверхности, так и от воздействия снизу теплого геотермального потока из земных глубин. Деградация вечной мерзлоты при этом на просадочных грунтах в основании сопровождается постоянными неравномерными просадками дорожных насыпей.
8.9 Конструкции по типу 9 и 10 преимущественно проектируют при наличии вблизи крупнообломочных или скальных грунтов. Толщина слоя крупнообломочного грунта должна составлять не менее 2,2 м с учетом осадки в материал теплодиодного слоя, а содержание мелкозема в нем не должно превышать 5%. При этом необходимо использовать прочные, неразмокаемые, морозоустойчивые породы с размерами скальных обломков преимущественно 20 — 50 см. 40‰
В нижней части откоса устраивают присыпную водонепроницаемую призму из глинистого грунта. Высота призмы должна быть не менее высоты снегонезаносимости или уровня поверхностных вод с запасом 0,3 — 0,5 м. На откосной поверхности призмы сооружают слой-экран, обладающий свойствами теплового диода (торф, МРП и т.д.). Выше призмы на высоте 1 — 1,2 м поверхность крупнообломочного грунта на откосе остается открытой («продух») для обеспечения преимущественно зимней циркуляции воздуха внутри насыпи над ее мерзлым основанием. Для предотвращения затекания воды от выпадающих осадков через «продухи» в основании насыпи (тип 9) устраивают водоперехватывающую прослойку из карбофоля, стеклоткани, геотекстиля и т.д. шириной 1,5 — 2 м с уклоном в сторону откоса не менее и стоком воды на присыпной теплодиодный слой из водоудерживающего материала.
Остальную часть насыпи выше слоя из крупнообломочного грунта возводят из местного грунта, пригодного для строительства. Для предотвращения просыпания грунта насыпи в слой из крупнообломочного грунта на его поверхность укладывают разделяющую прослойку из геотекстиля. При необходимости экономии крупнообломочных грунтов потребность в них можно сократить за счет уменьшения толщины слоя крупнообломочного грунта до 1,5 м через 2,5 — 3 м от «продухов» (тип 9) и устройства водонепроницаемых зон из глинистого грунта непосредственно в откосных частях насыпи (тип 10). Устраиваемый на поверхности грунтового основания слой из водонасыщенного водоудерживающего материала, выполняющего роль «теплового диода», позволяет предохранять основание земляного полотна от оттаивания летом и увеличивает интенсивность его промерзания зимой. Толщина слоя данного материала находится в пределах:
- для минеральных материалов (грунтов с влажностью Wп.в. до 100%)
Hл.о. >= Hо > Hс.в.[1 + (1 — Wп.в.)]; (16)
- органических материалов (грунтов с влажностью Wп.в. до 1000%)
H_{\text{л}.\text{о}.} \geq H_{\text{о}}>H_{\text{с}.\text{в}.}[1 + (1 - \frac{W_{\text{п}.\text{в}.}}{10})], (17)
где Hл.о. — толщина слоя летнего оттаивания водонасыщенного, водоудерживающего материала в проветриваемом земляном полотне, м;
Hо — толщина слоя водоудерживающего материала (грунта), м;
Wп.в. — влажность водоудерживающего материала в полностью водонасыщенном состоянии, доля ед.;
Hс.в. — толщина критического слоя стоячей воды, под которым в природных условиях начинает образовываться вечная мерзлота (для районов распространения высокотемпературной вечной мерзлоты составляет 0,1 — 0,2 м).
8.10 Например, в южной подзоне вечной мерзлоты для характерного, слаборазложившегося верхового древесно-сфагнового торфа с естественной влажностью 400%, а в полностью водонасыщенном состоянии — до 700 — 800% (7 — 8 долей ед.) минимальная толщина теплодиодного слоя из торфяного водоудерживающего материала Hо мин составляет
Hо мин = 0,15 x [1 + (1 — 7,5/10)] = 0,19 м.
8.11 Максимальную толщину теплодиодного водоудерживающего материала, равную глубине сезонного (летнего) оттаивания торфа в районе строительства, принимают по данным ближайшей метеостанции (или практическим замерам). В районе южной подзоны вечной мерзлоты глубина сезонного оттаивания торфа в среднем составляет Hмакс = 0,5 — 0,7 м в зависимости от увлажненности, снегоотложения, альбедо и др. Учитывая, что глубина летнего оттаивания торфа в основании проветриваемого сооружения будет меньше, в первом приближении принимают требуемую толщину как среднее между минимальным и максимальным значениями. В результате требуемая толщина теплодиодного слоя Hо, устраиваемого из слаборазложившегося торфа для водоудерживающего материала, равна
Hо(0,19 + 0,6)/2 = 0,4 м.
8.12 В конце теплого периода при максимальном строительном оттаивании многолетнемерзлого грунтового основания с поверхности производят виброуплотнение отсыпанного скального слоя тяжелыми виброкатками за 25 — 30 проходов по одному следу с поливкой водой и одновременным водонасыщением нижележащего теплодиодного слоя водоудерживающего материала (слаборазложившегося торфа). При этом необходимое общее количество воды, выливаемой при виброуплотнении на 1 м2 скального слоя, определяют по расчетному соотношению
КпnWп.в.YскHо x 1 м2 > Vв >=
= Кпn[(Wп.в. — Wест)YскHо x 1 м2], (18)
где Vв — масса (объем) воды, необходимой для эффективного уплотнения скального слоя и обеспечения требуемого водонасыщения нижележащего слоя водоудерживающего материала (грунта), кг или л;
Кп — эмпирический коэффициент потери воды на смачивание, впитывание и испарение, принимаемый в среднем равным 1,06;
n — средняя пустотность низа скального слоя, контактирующего со слоем водоудерживающего материала, доля ед.;
Wест — естественная влажность водоудерживающего материала (грунта), доля ед.;
Yск — вес скелета водоудерживающего материала (грунта), кг/м3. Подставляя в соотношение (18) числовые значения, получим
1,06 x 0,45 x 7,5 x 160 x 0,4 x 1 > Vв >= 1,06 x 0,45 x x [(7,5 — 4) x 160 x 0,4 x 1];
275 л > Vв >= 107 л,
т.е. на 1 м2 уплотняемого скального слоя поливомоечной машиной для данного примера выливается не менее 107 л/м2 или 107 л : 25 = 4,3 л/м2 при одном проходе виброкатка.
8.13 Отсыпанный на высоту снегонезаносимости, равную 1,5 — 2 м и более, уплотненный скальный слой, частично погруженный (заанкеренный и опертый) в оттаявшее с поверхности (в строительный период) и частично уплотненное в талом слое многолетнемерзлое основание, промораживают в зимний период. При этом промораживается и теплодиодный слой водонасыщенного, водоудерживающего материала (слаборазложившегося торфа), выполняющего роль «теплового диода», и максимально «заряжается» холодом многолетнемерзлое основание высокой насыпи.
Строительную «подзарядку» холодом многолетнемерзлого основания насыпи осуществляют до перемены знака теплопотока на границе атмосферы и поверхности скального слоя, когда среднесуточная температура воздуха становится устойчиво выше среднесуточной температуры грунтовой поверхности (по данным ближайшей метеостанции).
После этого на поверхности скального слоя устраивают слой геотекстиля поперечной раскаткой рулонов с нахлестом краев на 15 — 20 см и послойно с уплотнением досыпают земляное сооружение до проектных высотных отметок пригодными для этого кондиционными грунтами. Одновременно с этим отсыпают и уплотняют присыпные откосные водонепроницаемые (из глинистого грунта и др.) зоны. Укрывают их торфо-глинистой смесью (приготавливаемой в мерзлом состоянии, буровзрывным способом в соотношениях 60/40 — 75/25 на ближайшей мари или торфянике) или снятым с поверхности боковых резервов слоем толщиной 20 — 30 см.
8.14 Для уменьшения влияния конвективного теплообмена в теплодиодном слое его дополнительно можно обрабатывать (пропитывать) гелеобразующими реагентами. Для улучшения поступления холодного воздуха в отверстиях «продухов» при строительстве могут устанавливаться отрезки труб длиной 2 — 3 м и диаметром от 0,4 м и более. При эксплуатации высокой насыпи с наступлением положительных температур воздуха их желательно закрывать заглушками из пенопласта.
Приложение А
КЛАССИФИКАЦИЯ ПЕРЕУВЛАЖНЕННЫХ ГРУНТОВ (ПО М.Н. ПЕРШИНУ)
Приложение Б
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ И ПУСТОТНОСТИ МЕРЗЛОГО РАЗРЫХЛЕННОГО ГРУНТА
Б.1 Способ предназначен для определения плотности и пустотности в отсыпаемых слоях из комьев, разрыхленных мерзлых песчаных, глинистых и торфяных грунтов, а также разрыхленных слабопрочных осадочных грунтов (аргиллитов, алевритов, мергелей и др.).
Б.2 На поверхности подлежащего испытанию грунтового слоя разравнивают поверхность места отбора проб. Для предотвращения смещения мерзлых грунтовых комьев при начале бурения участки образования скважин (в случае слабого уплотнения и заклинки мерзлых комьев) предварительно подвергают тепловой обработке до оттаивания (отпотевания) мерзлых комьев с поверхности (например, теплыми выхлопными газами от машины, паяльной лампой и т.д.). После тепловой обработки отпотевшие мерзлые комья быстро смерзаются на морозе, чем достигается их поверхностное закрепление от сдвига в начале бурения.
Б.3 На выровненную и закрепленную грунтовую поверхность укладывают геотекстильное полотно, брезент, полиэтилен или любой другой пригодный материал (площадью около 1 м2) с круглым отверстием диаметром, равным диаметру буровой коронки.
Б.4 После бурения скважины на расчетную глубину собирают и взвешивают (с точностью до 1 г) грунт, выбуренный из скважины колонковой коронкой или поданный шнеком на расстеленный материал. Замеряют глубину и диаметр скважины (как правило, практически равный внешнему диаметру шнека или буровой коронки). Б.5 Для получения грунтовой пробы представительного объема необходимое количество скважин № определяют по формуле
N = \frac{a\text{Д}_{max}^{2}}{\pi\rho_{\text{п}}R^{2}H} , (Б.1)
где a — коэффициент, характеризующий распределение объема крупных включений (при соблюдении закона нормального распределения a = 50 г/см2);
\rho_{\text{п}} Дmax — усредненный диаметр грунтовых комьев наиболее крупной фракции (составляющей не менее 10% от общего объема грунта);
- прогнозируемое минимальное значение плотности разрыхленного (мерзлого) грунта, г/см3,
\rho_{\text{п}} = \rho_{\text{о}}(1 - n), (Б.2)
n — прогнозируемая максимальная пустотность испытываемого слоя разрыхленного мерзлого грунта, обычно составляющая до 0,3 — 0,4 доли ед.;
H — глубина скважины, см. \rho_{\text{скв}} Б.6 Значение плотности мерзлого разрыхленного грунта в скважине , г/см3, вычисляют по формуле
\rho_{\text{скв}} = \frac{m}{\pi R^{2}H} , (Б.3)
где m — масса грунта, извлеченная из скважины, г. \rho_{\text{общ}} Б.7 Общую (среднюю) плотность слоя мерзлого комковатого грунта находят по формуле
\rho_{\text{общ}} = \frac{\sum_{1}^{N} \rho_{\text{скв}}}{N} . (Б.4)
Б.8 Пустотность слоя мерзлого разрыхленного грунта n, доля ед., рассчитывают по формуле
n = \frac{\rho_{\text{о}} - \rho_{\text{общ}}}{\rho_{\text{о}}} . (Б.5)
Приложение В
РАСЧЕТ ВЫСОТЫ СНЕГОНЕЗАНОСИМОЙ НАСЫПИ
В.1 Высоту снегонезаносимой насыпи Hсн, м, рассчитывают по формуле
H_{\text{сн}} = \text{К}h_{\text{сн}} + \text{К}_{1}\Delta h_{1}, (В.1)
где К — коэффициент, учитывающий поправку на максимальную высоту снегового покрова;
hсн — максимальная за зимний период толщина снегового покрова на данном участке по материалам изысканий, м;
\Delta h_{1} К1 — коэффициент, учитывающий расположение дороги на местности;
- минимальное возвышение насыпи над снеговым покровом для открытого горизонтального участка местности, м. В зависимости от рельефа местности значения коэффициента К1 принимают по таблице В.1.
Таблица В.1
Коэффициент К определяют по формуле
\text{К } = \frac{H_{\text{сн}}^{\text{р}}}{h_{\text{сн}}^{\text{р}}} , (В.2)
h_{\text{сн}}^{\text{р}} где — расчетная максимальная высота снегового покрова по данным ближайшей метеостанции, м;
- максимальная высота снегового покрова по материалам той же метеос H_{\text{сн}}^{\text{р}} танции в зиму изысканий, м. h_{\text{сн}}^{max} h_{\text{сн}}^{max} В.2 Для определения расчетной максимальной высоты снегового покрова по данным ближайшей метеостанции выбирают годовые максимумы толщин снегового покрова , м. Значения , полученные за ряд лет (не менее 10), сводят в убывающем порядке по форме, приведенной в подразделе В.5, и вычисляют периоды эмпирической повторяемости данной толщины снегового покрова T по формуле
T = \frac{n + 0,4}{m - 0,3} , (В.3)
где n — количество зим в ряду, для которых обрабатывали результаты наблюдений;
m — порядковый номер данного значения максимальной толщины снегового покрова в ряду. H_{\text{сн}}^{\text{р}} H_{\text{сн}}^{max} В.3 На основании полученных данных строят эмпирическую кривую распределения максимальных высот снегового покрова. На логарифмической сетке (или в логарифмических координатах) по оси ординат откладывают значения , м, по оси абсцисс — соответствующие им величины T. Пользуясь кривой, экстраполируя или интерполируя, определяют расчетную толщину снегового покрова , соответствующую заданной для этого района расчетной величине Tр, которую в зависимости от категории дороги для районов Крайнего Севера рекомендуется назначать по таблице В.2.
Таблица В.2
Значение расчетной величины Tр в зависимости от категории дорог
| Категория дороги согласно СП 34.13330.2012 | I — III | |
|---|---|---|
| IV — V | Tр, лет | 20 |
15
\Delta h В.4 Возвышение насыпи над снеговым покровом , м, определяют по графикам, приведенным на рисунках В.1 и В.2.
Рисунок В.1 — Увеличение скорости воздушного потока по ширине насыпи B
\Delta h Рисунок В.2 График для определения величины
Величину параметра B рассчитывают по формуле
B = \frac{b}{sin\alpha} , (В.4)
\alpha где b — ширина земляного полотна (или другой площадки) поверху, м;
- угол атаки (угол между направл (\alpha<20^{\circ}) ением господствующих ветров в зимний период и осью дороги), град.
При продольном направлении ветра условия продувания дорожного покрытия наиболее благоприятны и возвышение насыпи над снеговым покровом может быть минимальным (0,2 — 0,3 м).
В.5 Пример расчета. Проектируется дорога, ширина земляного полотна которой B = 12 м. Снача H_{\text{сн}}^{max} ла трасса дороги пересекает холмистую тундру, а затем выходит на равнинную местность со слабой растительностью. На первом участке угол атаки равен 90°, на втором — 60°. Средн h_{\text{сн}}^{max} езимняя скорость ветра 6 м/с. При изысканиях установлено, что на первом участке высота снегового покрова равна 57 см, на втором — 40 см. Требуется определить высоту снегонезаносимой насыпи для обоих участков. По данным ближайшей метеостанции устанавливают, что максимальная высота снегового покрова в районе строительства дороги в течение 10 лет колебалась от 36 до 65 см. Во время изысканий дороги высота снегового покрова на станции равнялась 50 см. Полученные значения сводят в убывающем порядке и вычисляют периоды эмпирической повторяемости T (таблица В.3).
Таблица В.3
Данные эмпирической повторяемости в убывающем порядке
| h_{\text{сн}}^{max} | , м | m | n + 0,4 | n — 0,3 |
| T | 65 | 1 | 10,4 | 0,7 |
| 14,9 | 61 | 2 | 1,7 | |
| 6,1 | 55 | 3 | 2,7 | |
| 3,9 | 50 | 4 | 3,7 | |
| 2,8 | 48 | 5 | 4,7 | |
| 2,2 | 45 | 6 | 5,7 | |
| 1,8 | 43 | 7 | 6,7 | |
| 1,6 | 40 | 8 | 7,7 | |
| 1,4 | 39 | 9 | 8,7 | |
| 1,2 | 36 | 10 | 9,7 |
1,1
lg_{\text{сн}}^{max} - lgT h_{\text{сн}}^{max} На основании полученных данных и T строят в логарифмических координатах эмпирическую кривую распределения максимальных высот снегового покрова (рисунок В.3).
Рисунок В.3 — Распределение максимальных высот снегового покрова
h_{\text{сн}}^{max} = H_{\text{сн}}^{\text{р}} = 67,6\text{см} lgh_{\text{сн}}^{max} = 1,83
Принимая Tр = 20 годам, lgTр = 1,3, по полученному графику путем экстраполяции устанавливают, что , тогда по десятичному логарифму . По формуле (В.2) определяют коэффициент К, учитывающий поправку на максимальную высоту снегового покрова
\text{К } = \frac{67,6}{50} = 1,35.
По таблице В.1 устанавливают значения коэффициента К1: для первого участка К1 = 1,5, для второго К1 = 1.
По графикам (см. рис B = \frac{12}{1} = 12 ун \Delta V_{\text{нав}} = 1,08\text{м}/\text{с} ки \Delta h = 0,3\text{м} В.1 и В.2) находят зн B = \frac{12}{0,866} = 13,8 ач \Delta h = 0,31\text{м} ения превышений.
Для первого участка ; , ; для второго участка ; .
Определяют высоты насыпей, которые будут равны:
- на первом участке H = 1,35 x 57 + 1,5 x 30 = 122 см ~= 1,25 м;
- втором участке H = 1,35 x 40 + 1,0 x 31 = 84 см ~= 0,85 м.
Приложение Г
МЕТОДИКА ЛАБОРАТОРНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ОСАДКИ МЕРЗЛЫХ КОМКОВАТЫХ ГРУНТОВ ПРИ ОТТАИВАНИИ
Г.1 Данные характеристики определяют по результатам испытаний образцов грунта в компрессионных приборах (одометрах), исключающих возможность бокового расширения образца грунта при его нагружении вертикальной нагрузкой в мерзлом состоянии и при оттаивании.
Г.2 Нагрузку при испытаниях вычисляют из условия, что на первой ступени нагружения давление должно быть равно нагрузке от собственного веса, а на последней — нагрузке на верхнюю часть слоя из комковатого грунта от вышележащих (стабильных) грунтовых слоев, дорожной одежды и подвижной нагрузки.
Г.3 Для испытаний используют образцы, приготовленные из комьев грунта, отобранных из дорожной конструкции (возможно из скважин, пробуренных при определении пустотности) с пустотностью, соответствующей пустотности в конструктивном слое.
Г.4 Образцы мерзлого комковатого грунта изготавливают в следующем порядке:
- комья грунта, отобранные из насыпи, замораживают в морозильной камере холодильника и затем дробят молотком в тканевом мешочке. Раздробленный мерзлый грунт просеивают через охлажденное в холодильнике сито с отверстиями 10 мм. Плотность грунта в мерзлых комьях (до их дробления) определяют путем взвешивания в нейтральной жидкости (ГОСТ 5180-2015) или упрощенно, методом «кольца», до их замораживания, одновременно определяют и влажность грунта в комьях;
- грунт, прошедший через сито с отверстиями 10 мм, используют для изготовления грунтовых образцов в кольцах одометра с пустотностью, соответствующей начальной.
Г.5 Начальная пустотность создается следующим образом:
- определяется требуемая масса навески m, г, комковатого грунта по формуле
m = \frac{V_{k}(100 - n)\rho}{100} , (Г.1)
где Vk — объем кольца одометра, см3;
\rho n — требуемая пустотность грунтового образца, %;
- плотность грунта комьев, г/см3;
- полученная навеска мерзлых комьев грунта размещается в охлажденном до отрицательных температур кольце одометра.
Г.6 Испытания грунта (не менее чем двукратной повторности) проводят в компрессионных приборах (одометрах) под нагрузкой, последовательно увеличиваемой равными ступенями нагружения, общее число которых должно быть не менее трех. После приложения первой ступени нагружения (0,01 МПа или 0,10 кг/см2) производят оттаивание образца разрыхленного мерзлого грунта до условной стабилизации.
Г.7 Осадка на каждой ступени считается законченной, когда через 12-часовой интервал времени изменение деформации составит не более 0,01 мм (условная стабилизация).
Г.8 Для проведения испытаний методом компрессионного сжатия применяют:
- компрессионный прибор (одометр);
- устройство для измерения вертикальных деформаций образца грунта в процессе испытаний (приборы для автоматической записи деформаций, индикаторы часового типа т.п.); погрешность измерений должна быть не более 0,01 мм.
Подготовленный образец грунта в рабочем кольце помещают в направляющий цилиндр одометра и производят следующие операции:
- одометр с бразцом грунта помещают на станину и центрируют;
- закрепляют устройства для измерения вертикальных деформаций образца грунта симметрично оси штампа;
- к образцу грунта плавно, не допуская ударов, прикладывают нагрузку первой ступени нагружения;
- производят оттаивание образца грунта и фиксируют при этом деформации образца до достижения условной стабилизации деформаций;
- на каждой ступени нагружения записывают показания приборов (устройств) для измерения вертикальной деформации образца грунта через 5; 10; 20; 30 и 60 мин от момента приложения нагрузки на данной ступени, далее через 2 ч в течение рабочего дня, а затем два раза в сутки до достижения условной стабилизации деформаций.
Г.10 Обработка результатов. По результатам испытаний для каждой ступени нагружения вычисляют:
- абсолютную стабилизированную вертикальную деформацию образца комковатого грунта \epsilon Si с точностью 0,01 мм как среднее арифметическое показаний приборов (устройств) для измерения вертикальных деформаций образца грунта;
- относительную стабилизированную вертикальную деформацию (осадку) образца грунта с точностью 0,001 по формуле
\epsilon = \frac{S_{i}}{h} , (Г.2)
где h — высота образца после обжатия (до его оттаивания), мм;
- остаточную (расчетную) влажность образцов оттаявшего и уплотнившегося разрыхленного мерзлого грунта по ГОСТ 5180-2015.
Приложение Д
ТЕМПЕРАТУРА НАРУЖНОГО ВОЗДУХА В РАЙОНАХ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ
Таблица Д.1
| Степень связности грунтов | Грунт | Разновидность | Число пластичности Wп \gamma_{\text{у}} | Плотность минеральных частиц грунта , г/см3 (+/- 0,02) | Предел текучести | Оптимальная влажность Wопт \gamma_{max} | Максимальная плотность сухого гр \gamma_{max} унта , г/см3 | Осредненные значения при Wопт и | Группа степени пучинистости для 2-го и 3-го типа местности | Относительное морозное пучение hо, % <*> | ||
| \varphi Ev, МПа | , град | c, МПа | ||||||||||
| Несвязные | Песок | Крупный | 0 | Зависит от минералогического состава | 0 | < 8 | Зависит от минералогического состава | 130 | 43 | 0 | 1 | < 1 |
| Средний | 0 | 0 | < 8 | 120 | 40 | 0 | 1 | < 1 | ||||
| Мелкий | 0 | 2,66 | < 15 | 8 — 12 | > 1,8 | 110 | 38 | 0,002 | III | 2 — 4 | ||
| Пылеватый | 0 | 2,68 | < 15 | 8 — 12 | > 1,8 | 50 | 36 | 0,004 | V | 7 — 10 | ||
| Слабосвязные | Супесь | Легкая крупная | 1 — 7 | 2,66 | < 20 | 9 — 15 | 2,0 | 60 | 35 | 0,01 | III | 2 — 4 |
| Легкая | 1 — 7 | 2,68 | < 20 | 9 — 15 | 1,8 | 45 | 28 | 0,012 | IV | 4 — 7 | ||
| Пылеватая | 1 — 7 | 2,68 | 16 — 26 | 12 — 17 | 1,7 | 45 | 26 | 0,015 | V | 7 — 10 | ||
| Тяжелая пылеватая | 1 — 7 | 2,7 | 16 — 26 | 12 — 17 | 1,7 | 40 | 30 | 0,02 | VI | 10 — 15 | ||
| Связные | Суглинок | Легкий | 7 — 12 | 2,70 | 27 — 38 | 14 — 20 | 1,8 | 60 | 24 | 0,032 | IV | 4 — 7 |
| Легкий пылеватый | 7 — 12 | 2,67 | 27 — 38 | 14 — 20 | 1,6 | 50 | 22 | 0,036 | VI | 10 — 15 | ||
| Тяжелый | 12 — 17 | 2,71 | 38 — 48 | 16 — 23 | 1,6 | 40 | 22 | 0,04 | IV | 4 — 7 | ||
| Тяжелый пылеватый | 12 — 17 | 2,72 | 38 — 48 | 16 — 23 | 1,5 | 40 | 20 | 0,04 | V | 7 — 10 | ||
| Сильносвязные | Глина | Песчанистая | 17 — 27 | 2,71 | 48 — 75 | 23 — 30 | < 1,5 | 50 | 24 | 0,06 | IV | 4 — 7 |
| Пылеватая | 17 — 27 | 2,73 | 48 — 75 | 23 — 30 | < 1,5 | 40 | 18 | 0,045 | IV | 4 — 7 | ||
| Жирная | > 27 | 2,74 | > 60 | > 30 | < 1,5 | 30 | 15 | 0,04 | IV | 4 — 7 | ||
<*> Определяется для 2-го и 3-го типа местности по характеру и степени увлажнения грунта при глубине промерзания более 1,5 м.
Приложение Ж
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИАЛОВ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ И ГРУНТОВ
Таблица Ж.1
Примечания \lambda_{\text{м}} \lambda_{\text{т}}
1 Значения и Cт приведены для грунтов и материалов в талом состоянии; и Cм — в мерзлом состоянии. 2 Для перевода значений коэффициентов теплопроводности в ккал/(м·ч·°C) данные, приведенные в таблице, следует делить на 1,16, для перевода значений объемной теплоемкости в ккал/(м3·°C) — на 4,19.
Таблица Ж.2
2095
Примечания \lambda_{\text{м}} \lambda_{\text{т}}
1 Значения и Cт приведены для грунтов и материалов в талом состоянии, и Cм — в мерзлом состоянии.
2 Значения теплофизических характеристик крупнообломочных грунтов допускается определять как для песков. 3 Для перевода значений коэффициентов теплопроводности в ккал/(м·ч·°C) данные, приведенные в таблице, следует делить на 1,16, для перевода значений объемной теплоемкости в ккал/(м3·°C) — на 4,19.
Приложение И
ПРИМЕР РАСЧЕТА ТЕПЛОВОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ДОРОЖНОЙ НАСЫПИ
И.1 Требуется выполнить проект участка автомобильной дороги категории III в районе г. Надым при наличии в основании вечномерзлых грунтов, подзона I1. По расчету высота снегонезаносимой насыпи составляет 1,46 м. По данной методике принимается минимальная высота насыпи, равная 1,5 м. Толщину верхней части насыпи hв на прослойке из геосинтетика принимают равной 0,6 м. Нижняя часть из глинистого грунта составит при этом 1,5 — 0,6 = 0,9 м.
И.2 Рассчитывают глубину оттаивания и промерзания данной конструкции в установившемся режиме, т.е. когда естественная влажность уплотнившегося до Ку не менее 0,9 глинистого грунта в нижней части насыпи (в стабилизированном состоянии) независимо от начальной влажности при его укладке составляет в среднем 1,3 — 1,5 от его оптимальной влажности (в зависимости от вида глинистого грунта).
Средняя продолжительность теплого (с температурой воздуха выше 0 °C) периода в районе г. Надыма составляет 3264 ч, холодного — 5496 ч.
Среднемесячная температура самого теплого летнего месяца (июль) равна 14,7 °C.
Средняя отрицательная температура за холодный период -12 °C (с учетом прогнозного потепления, т.е. с вычетом 3 °C).
Высота насыпи из условия снегонезаносимости — 1,46 м, принимаем 1,5 м.
Толщина верхнего слоя насыпи из песка — 0,6 м, нижнего слоя насыпи из суглинка — 0,9 м, МРП в основании — 0,15 м, грунт основания — суглинок.
Объемная плотность сухого грунта: песка — 1720 кг/м3, суглинка нижней части насыпи — 1480 кг/м3, суглинка основания — 1420 кг/м3, МРП или торфа в основании — 270 кг/м3.
Расчетная влажность песка — 8%, суглинка насыпи — 24%, суглинка основания — 30%, МРП или торфа — 320%.
Коэффициен \lambda_{\text{т}} = 1,45 ты \lambda_{\text{м}} = 1,65 теплопроводности, Вт/(м·°C), и объемной теплоемкости, кДж/(м3·°C), грунтов в талом и мерзлом состоянии:
- песок — ; ; Cт = 2 \lambda_{\text{т}} = 1,35 15 \lambda_{\text{м}} = 1,50 5; Cм = 1800;
- суглинок насыпи — ; ; \lambda_{\text{т}} = 1,45 C \lambda_{\text{м}} = 1,55 т = 2765; Cм = 2050;
- суглинок основа \lambda_{\text{т}} = 0,95 ни \lambda_{\text{м}} = 1,40 я — ; ; Cт = 3015; Cм = 2175;
- МРП или торф — ; ; Cт = 4145; Cм = 2380.
Количество скрытой теплоты фазовых переходов влаги в 1 м3, кДж/м3:
Для соблюд \lambda_{\text{т}} = 1,25 ен \lambda_{\text{м}} = 1,42 ия размерности при теплотехнических расчетах по формулам (10), (11), (13) необходимо значения теплофизических характеристик грунтов перевести: коэффициент теплопроводности из Вт/(м·°C) в ккал (м·ч·°C) делением табличных данных на 1,16; объемную теплоемкость из кДж/(м3·°C) в ккал/(м3·°C) делением на 4,19; скрытую теплоту льдообразования из кДж/м3 в ккал/м3 делением на 4,19, что составляет:
- песок — ; ; Cт = 5 \lambda_{\text{т}} = 1,16 18 \lambda_{\text{м}} = 1,29 ; Cм = 430;
- суглинок насыпи — ; ; \lambda_{\text{т}} = 1,25 C \lambda_{\text{м}} = 1,34 т = 660; Cм = 489;
- суглинок осно \lambda_{\text{т}} = 0,82 ва \lambda_{\text{м}} = 1,21 ния — ; ; Cт = 720; Cм = 520;
- МРП и торф — ; ; Cт = 989; Cм = 568.
Количество скрытой теплоты фазовых переходов влаги при промерзании грунта в 1 м3, ккал/м3:
И.3 Глубины сезонного оттаивания грунтовых слоев конструкции дорожной насыпи и ее основания рассчитывают по формуле (10):
- для песка
H_{\text{п}} = \frac{2 \sqrt{3264}}{1108} \sqrt{1,25 \times 14,7(\frac{1108}{3} + 0,13 \times 14,7 \times 518)} = 2,93\text{м};
- суглинка нижней части насыпи
H_{\text{сн}} = \frac{2 \sqrt{3264}}{28416} \sqrt{1,16 \times 14,7(\frac{28416}{3} + 0,13 \times 14,7 \times 660)} = 1,72\text{м};
- МРП или торфа
H_{\text{т}} = \frac{2 \sqrt{3264}}{69120} \sqrt{0,82 \times 14,7(\frac{69120}{3} + 0,13 \times 14,7 \times 989)} = 0,93\text{м};
- суглинка основания насыпи
H_{\text{со}} = \frac{2 \sqrt{3264}}{34080} \sqrt{1,25 \times 14,7(\frac{34080}{3} + 0,13 \times 14,7 \times 720)} = 1,62\text{м}.
Толщина оттаивания глинистого основания под насыпью составит
h_{\text{со}} = 1,62(1 - \frac{0,6}{2,93} - \frac{0,9}{1,72} - \frac{0,15}{0,93}) = 0,18\text{м}.
Полная глубина оттаивания многослойной системы с МРП и глинистым грунтом в основании Hот составит
Hот = Hсн + Hмрп + hсо = 1,50 + 0,15 + 0,18 = 1,83 м.
И.4 Глубину сезонного промерзания многослойной системы из слоев дорожной насыпи и грунтового основания определяют по формуле
H_{\text{пр}} = \sqrt{\frac{2\lambda_{\text{м}}^{\text{ср}}T_{\text{з}}\tau_{\text{з}}}{\sum_{i = 1}^{n} \frac{H_{i}}{H_{\text{от}}} (L_{\upsilon i} + 0,5C_{\text{м}i}T_{\text{з}})}} . (И.1)
Подставляя значения характеристик в числитель подкоренного выражения, получают
2\lambda_{\text{м}}^{\text{ср}}T_{\text{з}}\tau_{\text{з}} = 2(\frac{0,6}{1,83} \times 1,42 \frac{0,9}{1,83} \times 1,29 \frac{0,15}{1,83} \times 1,21 \frac{0,18}{1,83} \times 1,34) \times 12 \times 5496 = 175562,06,
для знаменателя
Глубина промерзания в результате составит
H_{\text{пр}} = \sqrt{\frac{175562,06}{29477,05}} = 2,44\text{м}.
И.5 Проверку тепловой устойчивости конструкции со слоем МРП (или слоем торфа) проводят по формуле
\frac{H_{\text{пр}}}{H_{\text{ст}}} = \frac{2,44}{1,83} >1,1.
Расчетная эксплуатационная тепловая устойчивость данной конструкции насыпи на вечной мерзлоте обеспечивается.
И.6 Запас на строительную осадку основания и нижних слоев насыпи рассчитывают по известным формулам в зависимости от ее конструктивно-технологического решения и исходных физико-механических характеристик применяемых грунтов.
И.7 Степень стабилизации осадки насыпи проверяют ее нивелировкой в начале и в конце второго теплого периода после строительства. При средних темпах осадки менее 4 — 6 см допускается устройство капитального или облегченного нежесткого (асфальтобетонного) покрытия. И.8 Величину расчетного морозного пучения конструкции определяют согласно СП 121.13330.2012.
БИБЛИОГРАФИЯ
| ОКС 93.080.01 |
Ключевые слова: вечная мерзлота, устойчивость земляного полотна дорог, универсальный принцип проектирования
Руководитель организации-разработчика АО «Омский СоюзДорНИИ» Генеральный директор О. Г. Бабак