автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Методика прогноза осадок оттаиваемых оснований дорожных насыпей

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ДОРОйШЙ НАУЧШ-ЙССЛВДОВАТЕЯЬСКЙй ИНСТИТУТ (СОШДОРНИИ)

МЕТОДИК ПРОГНОЗА ОСАДОК ОТТЛЙВАШЙХ ОСНОВАНИЯ ДОРОЖНЫХ НАСЫПЕЙ

(G5.23.IT - Строительство автомобильных дорог и аэродромов)

Автореферат

диссертации на соискание учено» степени кандидата технических наук

РГБ ОД

2

На правях рукописи

Пиенипникова Елена Сергеевна

Москва 1994

Работа выполнена в Государственном дорожном научно-исследова-тельскои институте (Союздорнии).

Научный руководитель - заслуженный деятель науки и техники

РФ, академик Академии Транспорта, доктор технических наук, профессор

В.Д.Казарновский

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Э.М.Добров

кандидат технических наук, ст.научн. сотрудник

А.Г.Полуновский

Ведущее предприятие - Государственный проектно-изыскатель-

ский институт (Союздорпроект)

Защита состоится 8 июня 1994 г. в 10 час. на заседании специализированного совета К 133.02.01 при Государственной дорожном научно-исследовательском институте (Союздорнии) по адресу: Московская область, г.Балашиха-6, шоссе Энтузиастов,79, актовый зал Союздорнии.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Союздорнии.

Бросим принять участие в работе Совета или направить отзыв в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью учреждения, по адресу: 143900, Моск.обл., г.Балашиха-6, Союздорнии, ученому секретарю.

Справки по телефону: 521-20-06 Автореферат разослан " "_ 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук, ст.научн.сотр.

Б.С.Марыпев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В отечественной практике дорожного строительства достаточно часто возникает необходимость отсыпки насыпи на промороженный грунт. Это прежде всего имеет место при зимней технологии производства земляных работ.

Строительство на мерзлых основаниях связано, например, с сооружением насыпей на сильно заболоченных территориях, которые в теплое время года практически непроходимы для строительной техники. Проведение в этом случае земляных работ в зимнег вреыя дает возможность упростить многие технологические операции и в конечном итоге интенсифицировать весь процесс строительства автомобильной дороги.

Зимняя технология строительства широко применяется при строительстве дорог в зоне вечной мерзлоты, в частности, при освоение Сибиоского Севера. Сокращение сроков строительства, а также снижение его стоимости возможно здесь при сооружении земляного полотна в невысоких насыпях, основание которых мсяет оттаивать в летнее вреия на некоторую глубину (второй принцип проектирования;. В этом случае возникает необходимость прогноза осадки оттаивавшего основания дорожной насыпи.

Прогноз конечной величины осадки основания к хода ее во времени должен обосновать допустимый минимум высоты насыпей и сроки устройства дорожной одежды, что в конечном итоге обеспечивает требуемый уровень транспортно-зксплуатациокиых качеств дороги.

Действующие нормативные документы по проектировании и строительству автомобильных дорог (в частности, ЕСН 84-89) ограничиваются при прогнозе осадок насыпей на оттаивающих основаниях по существу только прогнозом конечной величины осадки, оставляя нерешенным прогноз хода осадки во времени.

Целью работы является разработка практической методики прогноза осадок оттаивавших оснований дорохных насыпей с учетом хода осадки во времени.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

- разработать расчетную схему и математическую модель для

описания осадки оттаивающего основания;

- разработать методику определения расчетных параметров, необходимых для описания осадхи во времени при ::омови предлагаемой модели;

- исследовать при помоши кг>:этической модели влияние сроков сооружения насыпи на величину осадки и ход ее во времени;

- оценить возможность практического применения разрабатываемой методики прогноза на основе лабораторных исследований, а также по натурным данным.

На защиту выносятся:

- методика прогноза осадок оттаивающих оснований дорокных насыпей ;

- методика экспериментального определения коэффициента консолидации оттай вашего грунта.

Научная новизна. Теоретически и экспериментально обоснована упрошенная расчетная схем** для описания процесса осадки оттаивающего грунтового массива под нагрузкой во времени и предложена математическая модель для прогноза осадки.

Разработана методика экспериментального определения основнс-го расчетного параметра модели - коэффициента консолидации оттаивающего грунта.

Выявлена зависимость осадки оттаивающего основания насыпи от сроков ее сооружения и применяемой технологии (зимняя или летняя отсыпка).

Практическая ценность работы заключается в разработке методики для прогноза осадок оттаивающих оснований насыпей при проектировании автомобильных дорог. Предложена с^рия номограмм для упрошенных расчетов.

Реализация работы. Подготовлена методика прогноза осадок оттаивающих оснований дорожных насыпей для отдельною издания и включения в ВСН 64-сЗЭ при его переработке. Результаты внполно работы использованы в Методических рекомендациях по целее ¡¡образным вариантам проектннх редели'' промысловых автомобильных дорог Тюменской области на наиболее перспективных направлениях строительства при обустройстве Уренгойского и Ямбургского местгрокде-ний, в Пособии по строительству автомобильных дорог в условиях Западной Сибири.

Апробация работы. Основшз результата исследоьг.:;:::! доложены на X научно-технической конференции "Повышение качества'строительства автомобильных дорог в Нечерноземной зоне РС£-С?" (Зладиыир, 1987 г.), на ХП Всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов "Научно-техническое обеспечение выполнения постановления по строительству автомобильных дорог в Нечерноземной зоне РСФСР" (Валашка, 1589 г.), на 50-ой (1992 г.), 51-ой (1993 г.) и 52-ой (1994 р.) научно-методических и научно-исследовательских конференциях в МДЦИ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности работы, сформулированы ее цель, научная новизна и практическая значимость.

В пепвой главе дан обзор сложившейся практики строительства дорожных насыпей на оттаивавших основаниях на пркиерз условий севера Тюменской области и анализ действующих нормативных документов.

Строительство зваляного полотна автоыобнльных дорог на оттаивающих основаниях тащо взего практикуется з зона нежной мерзлоты, где оно имеет свои истории, слокикяеся традиция, и где за долгие годы накоплен значительный опыт практических и теоретических исследований.

Настоящая работа посвящена, в основном, иссдедоважин пробхэ-№ прогноза осадок оснований дородных насыпей а зоне вз*шсй иорз-лоты, запроектированных по 2-ону принципу. Основнио регеккя а полученные результаты иогут беть использована тагяе для прогноза осадок насыпей, сооруженных на промерзаем основании в зоне сезонного промерзания.

Исследования зоны вечной мерзлоты связаны с именами А.И.Воейкова, В.А.Обручева, В.И.Веркадского. Проблемы строительства на вечной ыерзлоте раскрыты в работах М.И.Сумгина, Н.А.Цытовича, В.А.Кудрявцева, Б.Н.Доставалова, С С.ВялоЕа, Ю.К.Зарецкого, Э.Д. Ершова и др. Задачам, связанным с дороякш строительством на вечной мерзлоте, посвяз;екы исследования И.А.Золотаря, Н.З.Саско, А.А.Малышева, В.А.Давыдова, Б.И.Попова и др. В исследованиях в области дорожного строительства на вечной мерзлоте широко использованы работы по проблемам водно-теплового резг^м земляного по-

5

яотна - Н.В.Орнатского, Н.А.Пузахова, А.Я.Тулаева, В.И.Рувинского.

Многолетний опыт строительства автомобильных дорог на вечной мерзлоте позволил сформулировать два основных принципа проектирования земляного полотна.

При первом принципе обеспечивается поднятие верхнего горизонта вечной мерзлоты до подошвы насыпи и сохранение его на этом уровне в течение всего периода эксплуатации дороги.

Второй принцип предусматривает ограниченное оттаивание основания, исходя из осадки, допустимой для сооружения.

Применение 2-ого принципа проектирования позволяет существенно снизить объемы земляных работ и строительную стоимость земляного полотна по сравнению с первым принципом, вести земляные работы не только в зимнее, но и в летнее время, использовать стадийный способ сооружения насыпи, в ряде случаев уменьшить ущерб, наносимый окружающей среде. В силу этих причин в последнее время в соответствии со СНиП 2.05.02-85 2-ой принцип стал применяться в качестве обязательного конкурирующего варианта проектирования. Однако для его реализации нужно иметь достаточно надежный метод прогноза осадки- оттаивающего основания, включая ее ход во времени.

В известных методиках (ВСН 84-89, СНиП 2.02-88) прогнозирование осадок сводится к решению двух задач: I - расчету максимальной глубины оттаивания основания насыпи и 2 - определению его осадки.

Так, в действующих ВСН 84-89 приведен расчет оптимальной высоты насыпи, исходя из допущения оттаивания основания на некоторую глубину, которую назначают с учетом допустимой конечной осадки основания (2-ой принцип). В основу расчетных формул положены ориентировочные зависимости, связывающие глубину оттаивания конструкции со скоростью оттаивания составляющих ее слоев, а расчет осадки, так же как и-в СНиП 2.02-88, ограничивается использованием зависимости, предложенной Н.А.Цытовичем для определения ее конечной величины.

Помимо формул для расчета осадки, вошедших в нормативные документы, известны несколько зависимостей, предложенных разными авторши (А. 11 Пчелинцев, И.Н Вотяков, В.Ф.Жуков, Ы Ф.Киселев'и др.), позволяющих определить только конечную осадку.

Между тем для назначения сроков устройства покрытия необходи-

мо прогнозировать интенсивность осадки основания на тот или иной период, т.к. осадка оттаивающих связных грунтов зачастую не прекращается в момент оттаивания, а продолжается еще в течение длительного времени после его завершения.

Отсюда возникает необходимость прогнозирования хода осадки основания насыпи во времени как в процессе оттаивания, так и после его завершения, что позволит усовершенствовать существующую методику прогноза осадок.

поиск требуемого решения обусловил необходимость проведения теоретических и экспериментальных исследований процесса осадки связных грунтов, оттаивающих под нагрузкой. В соответствии с изложенным сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе дан анализ существующих решений задачи об осадке оттаивающих грунтов во времени, рассмотрены теоретические предпосылки предлагаемой расчетной схемы и расчетной зависимости, предложена методика ее реализации в инженерном решении, обоснован принципиальный подход к методике определения расчетных параметров.

В процессе оттаивания связного грунта под нагрузкой обычно выделяют два этапа и три составляющие осадки. На первом этапе происходит осадка за счет вытаивания порового льда с соответствующим уменьшением его объема (так называемая тепловая осадка) и осадка за счет отфильтровывания оттаявшей и незамерзшей влаги. После завершения оттаивания начинается второй этап, в процессе которого происходит консолидационная осадка слоя талого грунта.

Впервые вопрос о применимости теории фильтрационной консолидации для описания осадки оттаивающих грунтов под нагрузкой был рассмотрен Н.А.Цытовичем, и получены соответствующие решения задачи в одномерной постановке.

Позже И.А.Золотарь, Ю.К.Зарецкий, Г.М.Фельдман, М.В.Малышев на основе решения дифференциального уравнения теории фильтрационной консолидации также получили расчетные формулы для описания осадки во времени в одномерной постановке, которые, однако, не нашли широкого практического применения главным образом из-за необходимости проведения сложных экспериментальных исследований, недоступных большинству производственных геотехнических лабораторий.

Все эти решения разработаны для случая оттаивания по закону

Стефана (/"»«¿/Г . где П - глубина оттаивание; </ - тепловой коэффициент; t - время оттаивания), что имеет место при постоянной температуре на поверхности грунта. Иногда реальный ход изменения температуры во времени не может быть заменен постоянной среднемесячной температурой, например, при наличии постоянных источников тепла. В этом случае оттаигакие подчиняется иной закономерности.

Учитывая шаеизлохенное, в работе рассмотрена задача применительно к прогнозу оттаивания и осадки основания насипи. Задача оассмотрена в одномерной постановке (рис.1)

Р

Рис Л. Расчетная схема

Р - действующая нагрузка; г - координата с-го горизонта; ЯР - мощность талой зоны; Ни - конечная мощность сжимаемого слоя;

1 - дренирующая поверхность;

2 - граница талой и мерзлой зон;

3 - водоупор

. Анализ процесса осадки оттаивающего под нагрузкой грунта показал, что задачу по прогнозу осадки в рассматриваемом случае удобно разделить на два варианта:

1 - прогноз осадки оттаивающей толщи на отрезке времени от начала оттаивания до его завершения t 4 ¿от).

2 - прогноз осадки на отрезке времени от начала оттаивания до практического завершения осадки оттаявшего грунта.

Дая первого варианта осадка на момент времени может быть описана зависимостью:

S-*oH(t)+ePH(t)uZ(t) (1)

где А0 - коэффициент оттаивания; H(i)~ глубина оттаивания на момент времени t ^ tor » tor - время оттаивания слоя; 6р - относительная осадка за счет фильтрационного уплотнения; Ucp- средняя степень консолидации оттаявшего слоя грунта.

Для реализации этой зависимости кроме глубини оттаивания на момент времени I необходимо ъ-л.пь два параметра сжимаемости грунта: А0 и ^р • Кроме "о. о, необходим знать величину

Определение А0 и вр не вызывает затруднений. Наиболее проблематичным представляется определение .

Исходя из обоснованного исследования;«! П.А.Цытовича, Ю.К.За-рецкого и др. положения о возможности использования теории фильтрационной консолидации для описания осадки оттаявтего слоя грунта и в целях получения упрошенного инженерного решения для практического прогноза деформаций оттаивавших оснований дорожных насыпе? в работе предложено использовать классическую зависимость вида:

/V

и^г^/^гс/г (2)

где ¿¿ер - средняя степень консолидации слоя модностью Н; Ц.г ~ степень консолидации на заданном горизонте Z . Особенностью рассматриваемой нами задачи пвлягтся то, что, во-первых, время консолидации на различных горизонтах оказывается различным, и, во-вторых, иянусть сжинаемого слоя не остается постоянной, а увеличивается з процессе еттлиаания, причем ее величина в заданный момент времени будет зависеть от закона оттаивания. С учетом сказанного для слоя оттаявлего грунта мощностью в момент ¿оГ завершения его оттаивания выражение, определявшее , имеет вид:

'«г/

где ЦЬ) - переменная (расчетная) величина максимального пути фильтрации отживаемой в процессе оттаивания и уплотнения воды на горизонте 2 ; Су - коэффициент консолидации оттаявшего слоя грунта; tor - время оттаивания мерзлой толщи на глубину ¿z -время оттаивания до горизонта % .

Рассмотрены два варианта закона оттаивания: закон Стефана и линейный закон ( h -Jit . где у? - коэффициент пропорциональности) .

Анализ показал, что интеграл (3) относится к "неберущиыся". В связи с этим были получены приближенные значения интеграла послойным суммированием по формуле треугольников, при этом решение, полученное для 10 интегралов, отвечает точности, требуемой дня

практических задач.

На основе полученного решения построены эпюры порового давления в оттаявшем грунте (рис.2).

Рис.2, опюры эффективного давления в слое грунта е момент оттаивания на глубину А , рассчитанные на основе предлагаемого решения

а) оттаивание по закону Стефана;

б) оттаивание по линейному закону; .

I - к = 2 см; г -К* 10см; 3 - к = 20 см

»

Прогноз осадки после завершения оттаивания грунта предлагается осуществлять при помощи зависимости:

<5* =АоНк * вр НК (О (4)

где средняя степень консолидации, достигнутая за период

времени от начала оттаивания до интересующего нас времени '¿г после оттаивания.

¿С-/-/,<? * <*>

Здесь время ¿р - некоторое фиктивное время, необходимое для достижения слоем средней степени консолидации, соответствующей моменту завершения оттаивания в случае, если бы схема уплотнения слоя соответствовала классической схеме теории консолидации. Ве-10

личину t<p можно определить по формуле:

2

/ Н Ь _£_

l? = с7' ТРТ/ -affl w

При проектировании дорожной насыпи на сезонномерзлом основг-нии возникает необходимость прогноза осадки верхнего и нижнего слоев основания, уплотнение которых происходит в неодинаковых условиях.

При сравнительно малой ыо!Цности низшего талого слоя сжимаемой толщи основания горизонтальной фильтрацией, как правило, мог.-но пренебречь, поэтому можно считать, что до завершения оттаивания сезонномерзлого слоя консолидации непромерзающего нижнего слоя не происходит. После завершения оттаивания начинается осадка нижнего слоя основания и продолжается уплотнение верхнего. Исходя из этих представлений, на основе зависимости (3) при условии постоянной мощности непромерзавщей сжимаемой части основания, т.е. H<jcws const , введением промежуточного предела интегрирования была получена формула, позволяющая приближенно выполнить расчет осадки во времени верхней и нижней частей уплотняемого грунтового массива.

Расчетная мощность талой зоны основания наснпи на некоторой момент времени определяется по решениям уравнений теплопроводности. В данном случае должна использоваться методика, позволяющая учесть специфику теплопереноса з дорожной конструкции и другие особенности конструкции, т.е. : - иметь возможность описать процесс теплопередачи в многослойной системе, состоящей из нескольких разнородных материалов;

- иметь возможность изменения в определенное время гранитам-условий (например, отсыпка насыпи или ее верхней части, спустя некоторое время после начала оттаивания);

- шеть возможность учета влияния климатических параметров и составляющих теплового баланса.

В настоящей работе была использована удовлетворяющая перечисленным Еьше требованиям nporpavaia PQT30, разработанная в ЦНИИСе В.В.Пассеком и A.M.Бродским.

Для реализации полученного выражения в практических прогнозах необходимо уметь определять параметр, характеризующий консс-

лидационные свойства грунта - коэффициент консолидации См . Определение- Сv чсреа коэффициент фильтрации для оттаивающего грунта весьма проблематично в методическом плане и реально может приводить к ошибкам на порядки. Гораздо удобнее попытаться определить Cv непосредственно из опита на консолидацию оттаивающего образца подобно тому, как это делается при обычных консолидационных испытаниях талых грунтов.

В этой связи в рамках настоящей работы предложена и апробирована методика определения С„ на оттаивающих образцах.

В основу методики положено известное выражение, следующее из теории фильтрационной консолидации:

Г - â?- . JL. ¿t- ------------(7)

Lv t ^ "V-Y/-f-cp)

где Î - время достижения слоем hf при односторонней фильтрации срсд:-:оГ: стсг.сн:: ¡о::сол:1дг.цпя Це/,.

2i:p'Lv.„:r/.H 17) следует, что определение См ионе? бкть сесдск- :•: опредслеяк:с врс:.-с:-;:: t дэсти.кс-н::я ЦСр в опытах ki

Поскольку в p';Cc.M:.Tp;is'ïe:.:o:.: случае время консолидации образца на разных горизонтах будет различным вследствис разницы во времени оттаивания и мощность консолидируемого слоя перемета в процессе оттаивания, то для практического использования указанной зависимости необходимо получить некоторые осредненные значения h .у, и t для образца в целом.

Такое осреднение было осуществлено на основе анализа процесса и с учетом того, что в опыте используются образцы малой высоты.

Кроме того, принято во внимание, что на экспериментальном графике осадки оттаивающего образца весьма четко фиксируется момент tuj , в который завершается оттаивание всего образца, в связи с чем этот момент удобно брать за контрольный при определении Иср по формуле. В результате получена зависимость для расчета Су оттаивающего образца в следующем виде:

Г - к- ât- ^ /.. " ' ia\

" t„ 7>г CÔ)

где К - коэффициент Для перехода от времени оттаивания образца и его высоты к осредне.чным значениям времени консолидации и пути фильтрации, зависящий от режима оттаивания; при оттаивании по закону Стефана К = 0,842, ч при линейном законе К = 1,125; hf -высота образца при одностороннем дренировании; tor - время оттаивания образна: U^ средняя степень консолидации образца в момент оттаивания.

Основная проблема при экспериментальном определении Cv заключается в установлении ¿1 Ср В работе предложена методика определения /Jrp без измерения порового давления. Она основывается на одновременном определении осадки образца в момент оттаивания как по показаниям индикатора, так и по потере образца в весе. Разница в этих осадках позволяет разделить осадку оттаивания и осадку за счет консолидации и вычислить затем искомый параметр Cv (рис 3).

Рис.3. Схем." для определения коэффициента констлидагии по резуль-" тг!т;:у испытаний н': консолидации пои оттаивании 51- конечная осадка, определенная по индикатору; то :?.о, по потере обшзг.а в весе;

осадка е момент оттаивания, определенная по индикато-

то'же, по потере образца в весе; вое^я оттаивания образца В третьей главе приведены результаты лабораторных испытаний, выполненных с целью отработки и апробации практической методики

определения коэффициента консолидации оттаивавших грунтов и проверки полученных зависим ;сте?..

лабораторные исследования были выполнены на образцах с искусственной криотекстур^й.

Бь:л:: кс польз.; вины два грунта: легкий пылеватый суглинок » Ь?.; \Лб- = содержание песка 47%) и крупная супесь (\Д^»15%;

\А/г = 22%; содержание песка 65%).

Для приготовления образцов был усовершенствован прибор Д.И. Знаменского. Образцы грунтовой пасты подвергали многократному промораживанию и протаиванию в условиях открытой системы, т.е. при подтоке воды снизу. Промораживание пасты происходило только сверху.

Циклическое промораживание образцов продолжали до тех пор, пока приращение высоты образца от цикла к циклу не прекракалэсь, что свидетельствовало об образовании устойчивой криогенной текстуры. Такая стабилизация наступала, как правило, после 7-8 циклов для суглинка и 2-3 - для супеси в течение соответственно 20 и 10 суток.

Консолидационные испытания были выполнены в нетеплопроводном одометре (рис.4) при соблюдении условия плоско-параллельного оттаивания. Температура штампа возрастала по линейному закону.

Испытания образцов суглинка проводили при 4-х конечных температурах штампа: 2°С; 8°С; 14°С и 20°С. Для каждого температурного интервала было выполнено б параллельных испытаний (рис.5).

В процессе исследований было отмечено некоторое увеличение осадки образцов при повышении температуры оттаивания. Так, осадка образца, уплотнение которого происходило при 20°С, превышала осадку уплотняемого при 2°С образца в среднем на 6-0%. Повышение температуры до 20°С над образцом, осадка которого завершилась при 2°С, вызывало появление дополнительной осадки, которая также со-

Рис.4. Схема нетеплопроводного

одометра

I - оттаивающий грунт; 2,3 - термометры сопротивления;

4 - теплый штамп;

5 - кольцо одометра, выполненное из оргстекла;

6 - нетеплопроводный одометр;

7 - теплоизолирующий кожух

4 -

время

Рис.5. Пример консолидационных испытаний суглинка и супеси при оттаивании под нагрузкой 0,04 Iffla

—-— - оттаивание суглинка при температуре 2°С;-----то же при 8°С;---- то же, при

14 С;-- - то же, при 20°С; - - продолжение осадки оттаявшего грунта после повышения

температуры до 20°С;------оттаивание супеси при температуре 8°С

ставляла 6-6уа. ото обе ды.

Для об~.ей оценки с-га

тоятельство объяснено елнянио:.: вязкости ео-

псти грунтов с искусственно;! крио-текстурой бь-ли. ьыголне-ги ко-спрессизнчке иожганля образцов суглинка и с\-п?с::. »»ар-.-ллельно были проведены компрессионные испытания негтромороженкых образцов суглинка и супеси с влажностью, соответствующей исходной влажности паст, подвергаемых циклическому промораживанию.

Как и следовало ожидать, осадка оттаивавших образцов существенно превышала осадку непромороженнкх, при этом оттаивающие грунты отличались повышенной сжимаемостью на первой ступени нагрузки.

На основе полученных консолидационных кривых оттаиваю-лих грунтов был определен коэффициент консолидации и выполнен расчет осадки во времени (рис.ба). Различие расчетной и фактической осадок не превышало 9%. Дополнительно для сопоставления результатов расчетов и опыта при оттаивании по закону Стефана была использована кривая, полученная В.Г.Григорьевой (НШОСЩ (рис.66). Бели-чина осадки, рассчитанная на основе предлагаемого решения, отличалась на Ь% от фактической и на 8% от вычисленной на основе строгого решения Ю К.Зарецкого, что подтверждает возможность практического использования полученного веления.

/ОС

»о

60

20

Рис ."б. Сопоставление расчетных я экспериментальных зависимостей

осадки оттаивающего под нагрузкой грунта от времени а) оттаивание по линейному закону; б) оттаивание по закону Стефана I - экспериментальная кривая; 2 - расчетная кривая, полученная на основе предлагаемого решения; 3 - то.же, на основе решения Ю.К.За-репкого

в четвертой главе приведены результаты исследований осадок оттаивающих оснований насыпей на основе разработанной математической модели. Исследования были проведены с целью выявления влияния высоты насыпи и сроков ее сооружения на конечную величину осадки и ее ход во времени.

Расчеты были выполнены на примере базовой дорожной конструкции, применяемой при строительстве промысловых и межпромысловых автомобильных дорог на севере Тюменской области: насыпь отсыпана из песка или супеси, заложение откосов 1:2; дорожная одеяда -плиты ПАГ-14 на песчаном основания. Были использованы климатические параметры и составляющие теплового баланса для условий г.Надыма.

Расчеты осадки основания были выполнена для 4-х вариантов высоты насыпи (0,8; 1,2; 1,6; 2,0 м) и 4-х вариантов срока ее сооружения: в середине зимнего сезона, когда завершено промерзание деятельности слоя (январь); в начале теплого сезона, когда среднемесячная температура поверхности грунта положительна, но оттаивание деятельного слоя практически не началось (май); в середине теплого сезона, когда оттаивание деятельного слоя произошло на значительную глубину, но еще не завершено (июль); в конце теплого сезона, когда оттаивание деятельного слоя практически завераено и дальнейшим увеличением его мощности можно пренебречь (сентябрь).

Кроме того, расчет конечной осадки был выполнен для условий поэтапного сооружения насыпи, рекомендуемого ВСН 84-89, при высоте насыпи 1,2 и, для двух вариантов толщин и нижней части, отсыпаемой зимой, и верхней, досыпаемой в летнее время: 0,6*0,6 и 0,4*0,8 ы.

Расчет глубины оттаивания и конечной осадки основания во всех случаях были выполнены к концу теплого сезона.

На основе расчетов глубины оттаивания, выполненных по программе РОТЗО, установлено, что изменение мощности талой зоны в связи с изменением высоты насыпи зависит от срока сооружения насыпи (рис.7).

Так, увеличение высоты насыпи, сооруженной в январе и в мае, вызывает уменьшение глубины оттаивания основания. Увеличение высоты насыпи, отсыпанной в июле, практически не оказывает влияния на дальнейшее оттаивание основания. Нр"ыпь, отсыпанная в сентяб-

17

май июнь июль август "енгяЗрь октяЛрь ноябпь

ре, оказывает отепляющее воздействие на основание, способствуя его дальнейшему оттаиванию.

Консолидационная часть задачи решалась с помощью программы, разработанной на основе полученного решения для персональной ЭШ на языке ТУРБО ПАСКАЛЬ, версия 5,0 для ПЭВМ УВМ РС АГ-286 (МШ ).

Конечная осадка основания, как показали расчеты, уменьшается с увеличением высоты насыпи при ее зимней отсыпке; при сооружении насыпи в летнее время с увеличением ее высоты осадка ее основания возрастает, причем прирост осадки зависит от срока сооружения насыпи: чем ближе к концу теплого сезона отсыпана насыпь, тем значительнее возрастает осадка основания при увеличении высоты насы-18

пи Срис.8) вм

ОА

0.3

«я

0.1

<3 Рис.8

ч'

Зависимость величины осадки основания насыпи от ее величины и сроков сооружения

насыпь отсыпана:

1 - в январе;

2 - в мае;

3 - в иоле;

4 - в сентябре.

М 0.8 V '.е & /и.»

При поэтапном сооружении насыпи величина осадки основания тем больле, чем позже отсыпана верхняя часть насыпи, и больше в том случае, когда верхняя часть насыпи выше. При этом как максимальная мощность талой зоны, так и ее осадка при поэтапном способе сооружения насыпи выше, чем при использовании зимней технологии и ниже, чем при летней.

Попутно выполненные теплотехнические расчеты позволили установить необходимую высоту насыпи, запроектированной по 1-му принципу и сооружаемой поэтапно.

Прогноз хода осадки основания во времени осуществляли в течение первого и второго теплого сезона после отсыпки насыпи для 4-х сроков ее сооружения: начало января, мая, июля и сентября. В соответствии с разработанной методикой были выполнены расчеты интенсивности осадки насыпи (см.табл.1).

Как показали расчеты, в год сооружения насыпи интенсивность осадки основания колеблется в пределах 3.....10 см/мес. в зависимости от срока сооружения насыпи.

На следующий теплый сезон талая зона в основании насыпи, отсыпанной в летнее время, как правило, уменьшается. Поскольку оттаявшая верхняя часть основания имеет высокую степень уплотнения, его осадка практически прекращается. При сооружении насыпи в конце теплого сезона осадка основания на следующий год продолжается. Это происходит потому, что в год сооружения насыпи время уплотнения основания было весьма незначительно.

Таблица I

Срок сооруже- Интенсивность осадки основания насыпи, ния насыпи см/мес.

(при модуле осадки е? =200)_

1-й теплый сезон после сооружения " насыпи

2-й теплый сезон после сооружения насыпи

июнь июль август сентябрь

январь 3,5 ^5,5 6,0 3,0

май 5,5 7,0. 8,0 4,0

июль - 9,0 5,5 4,0

сентябрь - - - 10,0

январь 0,2 0,3 0,5 2,5

май 0,05 0,05 0,05 0,05

июль 0,05 0,05 0,05 0,05

сентябрь 2,5 2,5 2,5 3,0

В пятой главе приведены результаты обследования двух участков промысловой дороги ГГО-ГП9 в районе г.Надыма с целью апробации разработанной методики прогноза осадок.

Дорога была запроектирована по 2-му принципу и сооружена в . зимнее время. Обследования были выполнены по стандартной методике в конце теплого периода, когда оттаивание было завершено, дважды: первый раз, спустя 6 месяцев после сооружения насыпи, и второй раз, через год после первого обследования.

В процессе обследований были отобраны пробы грунта из талой зоны основания, а также выбурены керны мерзлого грунта основания, определены их физические характеристики. На основе изменения плот' ности грунта основания по глубине была получена эпюра изменения степени консолидации основания и рассчитана его осадка. Для контроля было выполнено нивелирование поверхности основания, зафиксированной в шурфе, и определена осадка по результатам нивелирования. По консолидационной кривой, полученной при испытании образца 'грунта на основе 3-х параллельных опытов, была получена прогнозная кривая хода осадки во времени.

Через год было аналогично выполнено повторное определение осадки основания. Полученные результаты позволяют сделать предварительной вывод о соответствии фактических и прогнозируемых по предлагаеаоыу методу осадок, хотя окончательной количественной 20

:ссрректирогк- ьр^гкоаной величины препятствует ограниченность объем1: нлтурных данных, дополнительный сбор которых предполагается в будущем.

В ПРИЛОЕЕПИИ приведен текст разработанной методики, включающей расчетные формулы, порядок расчета и методическое описание лабораторного определения коэффициента консолидации оттаивающего грунта.

Методика позволяет осуществить прогноз осадки во времени при использовании пяти различных вариантов по календарным срокам возведения насыпи.

Экономический эффект от внедрения данной разработки связывается с повышением надежности проектных решений, предусматривающих замену 1-го принципа проектирования на 2-ой, и может быть рассчитан в каждом конкретном случае с учетом местных условий.

ОБЩИЕ вывода

1. В практике дорожного строительства часто возникает необходимость отсылки насыпи на промороженное в той или иной степени основание с соответствующим прогнозом возможных осадок основания в процессе оттаивания. Особенно часто такой прогноз требуется при строительстве в 1-ой дорокно-климатической зоне при реализации 2-го принципа проектирования. Однако действующие нормативные документы не содержат убедительных рекомендаций в отношении методики таких прогнозов, включая методику определения расчетных параметров оттаивающего грунта.

2. Для описания осадки оттаивающего слоя грунта под нагрузкой во времени в порядке приближенного решения предложено использовать классическое решение теории фильтрационной консолидации с принятием мощности сжимаемой то.тли функцией времени.

3. Для реализации предложенного решения может быть использована разработанная в диссертации методика определения коэффициента консолидации оттаивающего грунта по результатам компрессионных испытаний оттаивающих образцов.

4. Приближенный прогноз осадки оттаивающего основания дорожной насыпи во времени может быть осуществлен на основе предложенной математической модели, основанной на совмещении консолидаци-

21

онной и теплофизической задач в одномерной постановке. Расчеты, выполненные на ее основе, показали, что величина и ход во времени осадки оттаивающего основания насыпи в условиях вечной мерзлоты, зависят как от высоты насыпи, так и от времени ее сооружения (летняя или зимняя технология строительства земляного полотна), что необходимо учитывать в проектах и при организации работ.

5. Для практических прогнозов предложена методика, апробированная на основе лабораторных данных и натурных наблюдений и базирующаяся на предложенной модели и методике определения С* .

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах :

1. Пшеничникова Е.С. Закономерности консолидации грунтов деятельного слоя при их оттаивании/Дезисы докладов на X научно-технической конференции.-Владимир, 1937.-с.92.

2. Пшеничникова ¿.С. Прогноз осадок оснований насыпей на от-таиваа'дих грунтах при различшх способах их возведения/Дезисы докладов на ХП Всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов. —¡1. ,1969.-с 41-42.

3. Пшеничникова Е.С. Прогноз осадок оттаивающих оснований насыпей/Автомобильные дороги. - 1993.- П. с.23-24.

4. Казарновский В.Д., Пшеничникова Е.С. Методика прогноза осадок оттаивающих оснований для инженерных расчетов//Основания и фундаменты.- 1993. -УА. с5-7.

5. Пшеничникову Е.С. Прогноз осадок оттаивавших оснований насыпей с учетоьГих сооружения и высоты/Автомобильные дороги.-1993. -.'•-5. с. 14-15.

6. Пшеничникова Е.С. Прогноз осадок оттаивающих оснований насыпей, сооруженных в зоне вечной мерзлоты/Друды Союздорнии. Вопросы проектирования и строительства автомобильных дорог.-М., 1993, -с.161-170.