автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Регулирование водного режима оснований дорожных и аэродромных одежд



6 „ ' /

воронежским военный авиационным инженерным

институт

На правах рукописи

БЛИНОВ МИХАИЛ ВЛАДИМИРОВИЧ

РЕГУЛИРОВАНИЕ ВОДНОГО РЕЖИМА ОСНОВАНИЙ ДОРОЖНЫХ И АЭРОДРОМНЫХ ОДЕЖД

05.23.11. - Строительство автомобильных дорог и аэродромов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: кандидат военных наук, доцент Ю. М. Фофонов кандидат военных наук, доцент В. Ф. Лазукин

ВОРОНЕЖ 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...........................................................................4

1. ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА

1.1. Требования нормативных документов к проектированию дренирующих слоев аэродромных и дорожных одежд...............9

1.1.1. Условия применения дренирующих слоев в конструкциях аэродромных и дорожных одежд....................................9

1.1.2. Порядок проектирования дренирующих слоев..................15

1.1.3. Мероприятия по предотвращению переувлажнения грунтового основания................................................28

1.2. Исследования неустановившегося движения грунтовых вод. Основные допущения и недостатки....................................30

1.3. Обобщение имеющегося материала, основные выводы и направления проводимых исследований..............................60

1.4. Выводы по первому разделу.............................................64

1.5. Задачи исследований......................................................65

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДРЕНИРУЮЩИХ СЛОЕВ

2.1. Условия поступления влаги в дренирующие слои..................66

2.2. Закономерности движения влаги в дренирующих слоях дорожных и аэродромных одежд.......................................85

2.3. Основные предпосылки для расчетных закономерностей........102

2.4. Выводы по второму разделу.............................................107

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ФИЛЬТРАЦИИ В ОСНОВАНИЯХ ДОРОЖНЫХ И АЭРОДРОМНЫХ ОДЕЖД

3.1. Выбор модели для экспериментальных исследований...........109

3.2. Теория щелевого лотка. Критерии подобия........................110

3.3. Моделирование процесса растекания бугра грунтовых вод на наклонном водоупоре....................................................121

3.3.1. Описание лабораторной установки..............................121

3.3.2. Планирование эксперимента......................................125

3.4. Соответствие экспериментальных исследований полученным теоретическим предпосылкам..........................................143

3.5. Выводы по третьему разделу...........................................147

4. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАСЧЕТУ ДРЕНИРУЮЩИХ СЛОЕВ

4.1. Условия применения дренирующих слоев...........................148

4.2. Методика расчета и основные расчетные закономерности......154

4.3. Экономический анализ...................................................164

4.4. Выводы по четвертому разделу........................................168

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.........................................................169

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ........................171

ПРИЛОЖЕНИЕ 1................................................................180

ПРИЛОЖЕНИЕ 2................................................................189

введение

Воздушный и автомобильный транспорт - наиболее быстрый и мобильный вид перевозок. Весь опыт нашего столетия убедительно доказал их преимущества как в мировом, так и в местном масштабе.

Необходимым условием четкой и бесперебойной работы этих видов транспорта является высокое качество дорожных магистралей и аэродромов, их своевременный ремонт и качественное техническое обслуживание. От состояния искусственных покрытий в целом зависит безопасность, пропускная способность, качество и скорость движения. Качество и состояние покрытия - одно из составляющих системы безопасности полетов и дорожного движения.

Для повышения надежности и долговечности покрытий постоянно уделяется внимание совершенствованию методов их проектирования. Разрабатываются и совершенствуются методы, в которых наиболее полно учитываются условия взаимодействия колес с покрытием, физические процессы, происходящие в основаниях при деформации покрытий, влияние различных климатических факторов на работу оснований и др. Несмотря на многочисленные исследования по этим проблемам, многие вопросы, в том числе, регулирование водного режима оснований, полностью еще не решены.

В последние годы во многих странах стали пересматривать методы проектирования оснований автомобильных дорог и аэродромов. Пересмотр вызван разрушением покрытий, в том числе и бетонных, при тяжелом интенсивном движении вследствие недостаточной прочности оснований и земляного полотна. Основная причина разрушения покрытий связана с переувлажнением земляного полотна и основания из-за неудовлетворительного состояния дренирующих и водоотводных устройств.

В дренирующих слоях в период оттаивания накапливается свободная вода. При интенсивном движении по покрытию свободная вода отжимается кверху, способствуя снижению прочности вышележащих конструктивных слоев.

Массовому проявлению весенних деформаций предшествует зимний период, когда искусственное покрытие неравномерно вспучивается из-за образования ледяных линз и прослоек. Чем тоньше дорожная (аэродромная) одежда и чем меньше высота насыпи из связных грунтов, тем больше морозное пучение во II и III дорожно-климатических зонах. С неравномерным пучением связано образование трещин на дорожных (аэродромных) покрытиях, особенно капитального типа. В результате усиливается процесс инфильтрации поверхностной воды. Основная причина переувлажнения верхней части земляного полотна - оттаивание льдообогащенных грунтов. Ледяные линзы и прослойки переходят в свободную воду в весенний период, что сопровождается снижением прочности дорожных (аэродромных) покрытий в среднем на 20 - 30 % [80].

Чем меньше зимой пучение, тем меньше весной вероятность переувлажнения грунтов земляного полотна. В районах с промерзанием глубже 0,8 - 1 м основной приток воды, поступающий снизу в дренирующий слой, связан со склонностью преимущественно связных грунтов к льдообразованию. В более южных районах на участках с постоянным избыточным увлажнением, дренирующие слои также переувлажняются. На участках 2-ого типа увлажнения местности источником увлажнения является инфильтрующаяся поверхностная вода и вода, поступающая в пористые конструктивные слои дорожных (аэродромных) одежд в парообразном состоянии. Неблагоприятное сочетание погодно-климатических факторов способствует образованию массовых деформаций на дорожных (аэродромных) покрытиях. Повышение интенсивности движения и увеличение одноколесных нагрузок способствует внешнему проявлению участков с недостаточной прочностью.

Актуальность проблемы. В последние годы широкое распространение получило применение дренирующих прослоек из синтетических материалов для обеспечения надлежащего водного режима оснований. Несмотря на это в настоящее время широко используется и песчаный дренирующий слой. Применение же дренирующих прослоек связано с удорожанием строительства. Поэтому необходимо создание новой более точной методики проектирования дренирующих слоев, которая позволит повысить экономическую эффективность использования материалов в конструкции покрытий, а также их долговечность и устойчивость к воздействию многократных нагрузок, что даст значительную экономию средств в области строительства и эксплуатации автомобильных дорог и аэродромов. Это доказывает актуальность рассматриваемой проблемы.

Цель работы - повышение эффективности использования материалов в конструкции одежд, а также снижение интенсивности разрушения покрытий на автомобильных дорогах и аэродромах под действием многократных динамических нагрузок и увеличение срока их службы путем регулирования водного режима оснований.

Объектом исследования являются процессы увлажнения грунтового основания, а также процессы фильтрации воды в основаниях дорожных и аэродромных одежд, происходящие под действием колесной нагрузки.

Предметом диссертационной работы является исследование вопросов повышения долговечности и устойчивости покрытий автомобильных дорог и аэродромов путем регулирования водного режима оснований, а также создание уточненной методики проектирования дренирующих слоев.

Научная новизна работы состоит в разработке методики проектирования дренирующих слоев на основе математических моделей фильтрации в основаниях дорожных (аэродромных) одежд, включая обоснование и создание моделей неустановившейся фильтрации воды в упруго-пластичной пористой среде, под-

подвергающейся воздействию динамических нагрузок в процессе эксплуатации, образования и растекания бугра грунтовых вод на наклонном водоупоре с их решением, а также в разработке экспериментальной установки, позволяющей моделировать образование и растекание бугра грунтовых вод, образовавшегося под действием колесной нагрузки.

На защиту выносится:

модель неустановившейся фильтрации воды в упруго-пластичной пористой среде, подвергающейся воздействию многократных динамических нагрузок в процессе эксплуатации;

модели образования и растекания бугра грунтовых вод на наклонном водоупоре;

схема экспериментальной установки, позволяющей моделировать образование и растекание бугра грунтовых вод, образовавшегося под действием колесной нагрузки, на наклонном водоупоре;

уточненная методика проектирования дренирующих слоев дорожных и аэродромных одежд.

Практическая ценность работы состоит в теоретическом обосновании условий применения дренирующих слоев и требований к ним при строительстве дорожных и аэродромных одежд. Все это позволило разработать уточненную методику проектирования дренирующих слоев дорожных и аэродромных одежд с учетом поперечного профиля грунтового корыта.

Реализация работы. Результаты диссертационных исследований использованы при реконструкции аэродрома «Чкаловский».

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и получили одобрение на Всероссийской научной конференции «Современные методы подготовки специалистов и совершенствования систем и средств наземного обеспечения авиации», проходившей в г. Воронеже в мае 1997 г., на Школе

«Современные проблемы механики и прикладной математики», проходившей в г. Воронеже в апреле 1998 г, на 52-й научно-технической конференции Воронежской государственной архитектурно-строительной академии в 1999г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано шесть статей.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов и заключения.

В первом разделе рассмотрено состояние вопроса о регулировании водного режима оснований аэродромных покрытий с использованием дренирующих слоев, существующие методы проектирования этих слоев, произведена постановка задач исследования и рассмотрены вопросы подлежащие исследованию.

Второй раздел посвящен изучению и характеристике основных закономерностей водного режима частично оттаявших естественных оснований аэродромных покрытий, закономерностей движения воды в дренирующих слоях аэродромных одежд. Обоснованы принципы проектирования дренирующих слоев и требования к материалу дренирующего слоя.

В третьем разделе приведено описание модели для экспериментальных исследований, методика и результаты проведенного эксперимента, анализ результатов эксперимента и соответствия экспериментальных исследований полученным теоретическим предпосылкам.

В четвертом разделе приведены условия применения дренирующих слоев и методические рекомендации по расчету дренирующих слоев, произведен расчет ¿ лономической эффективности йт использования предлагаемой методики.

В заключении дается краткий анализ полученных результатов, выводы о достижении цели работы и намечаются дальнейшие перспективы исследований.

Работа изложена на 189 страницах, из них 134 страницы текста, 17 таблиц, 37 рисунков и 2 приложения на 11 страницах.

1. ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА

1.1. Требования нормативных документов к проектированию дренирующих слоев аэродромных и дорожных одежд

1.1.1. Условия применения дренирующих слоев в конструкциях дорожных и аэродромных одежд

Основными нормативными документами, определяющими нормы проектирования дренирующих слоев, являются СНиП 2.05.02-85 Автомобильные дороги [72], СНиП 2.05.08-85 Аэродромы [73], Пособие по проектированию методов регулирования водно-теплового режима верхней части земляного полотна (к СНиП 2.05.02-85) [57], Инструкция по проектированию дорожных одежд нежесткого типа ВСН 46-83 [13], Инструкция по проектированию водоотвода на летных полях постоянных аэродромов ВСН 17-79 [12].

Условия применения дренирующих слоев, определяемые нормативными документами, отражены в табл. 1.1. Из нее видно, что нормативные документы, регламентирующие проектирование аэродромов, требуют устройства дренирующих слоев только при первом и втором типе условий увлажнения местности. Это связано с повышенными требованиями к устройству земляного полотна аэродромов, которые исключают третий тип. Однако наряду с этим полностью исключена V дорожно-климатическая зона (ДКЗ). Нормативные документы, определяющие нормы проектирования дорожных одежд, в отличие от аэродромных, указывают, что необходимость устройства дренирующих слоев в IV и V ДКЗ возникает только при 3-м типе местности по условиям увлажнения. Кроме того, нет единого мнения по определению типа или схемы местности по условиям увлажнения. Каждый из документов содержит свое определение.

Условия применения дренирующих слоев

СНиП 2.05.08-85 СНиП 2.05.02-85 Пособие... (к СНиП 2.05.02-85) ВСН 46-83 ВСН 17-79

Для местности с гидрогеологическими условиями 2-го типа (табл. 3 Прил. 1) во И-1У и I ДКЗ при отсутствии в районе строительства вечномерзлых грунтов; при грунтах основания глинистых и пылеватых, склонных к пучению; при ширине склона покрытия ИВПП или площадок (специального назначения, МС и др.) более 40 м На участках земляного полотна из глинистых грунтов и пылеватых песков во II ДКЗ при всех схемах увлажнения рабочего слоя земляного полотна (табл. 1 Прил. 1); в III ДКЗ при 2-й и 3-й схемах увлажнения рабочего слоя; в IV и V зонах при 3-ей схеме увлажнения рабочего слоя На участках земляного полотна из глинистых грунтов и пылеватых песков во II ДКЗ при всех типах увлажнения рабочего слоя земляного полотна (табл. 5 Прил. 1); в III ДКЗ при 2-м и 3-м типах увлажнения рабочего слоя, а также при 1-м типе - в районах 2(Ш)-5(Ш);в IV и V зонах при 3-м типе увлажнения рабочего слоя На участках земляного полотна из пылеватых песков, пылеватых и тяжелых супесей, суглинков и глин в I и II ДКЗ при всех типах местности по условиям увлажнения (табл. 7 Прил. 1); в III ДКЗ при 2-м и 3-м типах местности; в IV и V зонах при 3-м типе местности На участках земляного полотна из глинистых и пылеватых грунтов, склонных к пучению во II и III ДКЗ при втором типе гидрогеологических условий (табл. 6 Прил. 1), а также при первом типе в тех случаях, когда подстилающими грунтами являются глины, пылеватые и тяжелые суглинки или пылеватые супеси

Во всех документах содержатся дополнительные условия, при которых разрешается не устраивать дренирующие слои (табл. 1.2).

Границы и номера дорожно-климатических зон указаны в обязательном приложении 1 СНиП 2.05.02-85 [72].

Анализ табл. 1.1 показывает, что нет единых требований, определяющих условия проектирования дренирующих слоев. Наиболее точно, на наш взгляд, эти условия определены СНиП 2.05.02-85 [72], где подробно описаны типы грунтов, источники их увлажнения и, что наиболее важно, определена влажность грунтов основания для каждого типа увлажнения рабочего слоя земляного полоша. Влажность грунтового основания обуславливается типом грунта и источниками его увлажнения. Поэтому она должна стать основным критерием при определении необходимости устройства дренирующего слоя.

Метод районирования территорий по расчетной влажности грунтов земляного полотна разработан В. М. Сиденко [24, 65]. Автор выделяет два вида районирования: физическое и инженерное, и по каждому из них схематично дает основные принципы дифференциации территории. Физическое районирование строится, опираясь на учение о ландшафте и зональные и азональные закономерности формирования природных территориальных комплексов, инженерное - на установленной зависимости влияния компонентов комплекса на дорогу или строительный процесс. При этом учитывается характер изменения компонентов во времени и в пространстве. Предложенная система таксонометрических единиц включает зону, подзону, район, участок. Зоны и районы выделяются по зональному, подзоны и участки - по азональному признаку. Предложенные В. М. Сиденко принципы дорожного районирования существенно развивают дорожно-климатическое районирование. Он ставит вопрос о необходимости разработки зональных технических условий, отражающих особенности природных условий и специфику проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог в каждой зоне, дополняя этим общие Строительные нормы и правила.

Условия, допускающие проектирование дорожных и