автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Учет влияния морского прилива при сооружении автомобильных дорог на территории равнины Юга (СРВ)

На правах рукописи

Нгуен 3уй Чи

УЧЕТ ВЛИЯНИЯ МОРСКОГО ПРИЛИВА ПРИ СООРУЖЕНИИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ НА ТЕРРИТОРИИ РАВНИНЫ ЮГА (СРВ)

(05.23.11 05.23.11 - Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

и-'

Москва 2005

Работа выполнена на кафедре «Строительство и эксплуатация дорог» Московского автомобильно-дорожного института (государственного технического университета)

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Носов Владимир Петрович Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Добров Эдуард Михайлович,

кандидат технических наук

Клемешов Василий Иванович

Ведущая организация

Союздорнии

Защита состоится 17 февраля 2005 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.126.02 ВАК в Московском автомобильно-дорожном институте (государственном техническом университете) по адресу:

125319, Москва, Ленинградский проспект, 64, ауд. 42.

Телефон для справок - (095) 155-03-28

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ (ГТУ)

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печагью, просим направлять в адрес диссертационного совета. Копию отзыва просим прислать по E-mail: uchsovet(a)madi.ru

Автореферат разослан « 17» января 2005 года

Ученый секретарь

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Характерными особенностями значительной части равнины Юга Вьетнама являются наличие слоя слабого грунта большой толщины в основании и периодическое подтопление сооружений под воздействием морского прилива. В этих условиях земляное полотно автомобильных дорог представляет собой насыпь и сооружается, как правило, из песчаных грунтов. Устойчивость и стабильность влажности верхнего слоя земляного полотна достигаются обеспечением минимально требуемого возвышения его над уровнем воды. Традиционно в сложившейся практике проектирования автомобильных дорог за расчетный уровень воды принимают максимальный уровень морских приливов.

При этом недооценивается тот факт, что степень влияния морского прилива на влажность земляного полотна зависит не только от максимального уровня воды, но и продолжительности каждого прилива и отлива. Можно предположить, что вследствие кратковременности действия морского прилива его влияние на влажность грунта земляного полотна будет не столь значительным, и соответственно, традиционное принятие максимального уровня морского прилива за расчетный уровень является чрезмерным и приводит к неоправданному увеличению объема земляных работ и повышению стоимости строительства.

Исследование возможности понижения требований к возвышению земляного полотна имеет важное практическое значение по следующим причинам:

- для равнины Юга Вьетнама песок является дорогостоящим материалом из-за его дефицита и большого расстояния перевозки;

- на слабом, сильно деформируемом основании, с увеличением высоты насыпи увеличивается стоимость мероприятий для обеспечения устойчивости основания и стабилизации осадки насыпи к заданному сроку; особенно для тех

случаев, когда простейшие мероприятия, применяемые для низких насыпей, становятся не достаточными и требуются более сложные и дорогие мероприятия, применяемые для высоких насыпей;

- в связи с недостаточным развитием дорожной сети на данной территории, каждая новая дорога вызывает появление новых населенных пунктов, при вертикальной планировке которых приходится руководствоваться отметками этой дороги.

Для прогнозирования и оценки последствий пересмотра действующих во Вьетнаме норм минимально требуемых отметок дорог и уменьшения высоты насыпей необходимо исследовать процесс перемещения влаги внутри земляного полотна. Это может позволить добиться существенной экономии при строительстве земляного полотна автомобильных дорог.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является исследование изменений влажности грунтов подтопляемых насыпей под воздействием морского прилива и последующее использование получаемых результатов для обоснования уменьшения объемов земляных работ при строительстве автомобильных дорог.

В соответствии с поставленной целью были сформулированы и решены следующие задачи:

- построить математическую модель процесса изменения влажности внутри земляного полотна на основе численного решения дифференциального уравнения для условий кратковременного подтопления;

- разработать методику и провести экспериментальные исследования для получения зависимостей фильтрационных способностей грунтов в условиях переменной влажности;

- провести вычислительный эксперимент и анализ полей влажности земляного полотна при изменяющемся уровне воды вследствие приливов и отливов;

- провести натурные наблюдения с целью проверки адекватности математической модели;

- обосновать конструктивные требования к дорожному полотну, затопляемому морским приливом, и выработать рекомендации по разработке мероприятий, предназначенных для контролирования влияния морского прилива.

Научная новизна работы содержится в следующих результатах:

- предложена и реализована в виде программы оригинальная математическая модель влагопереноса в земляном полотне при периодически изменяющемся уровне подтопления в результате морских приливов и отливов;

- предложен метод экспериментального определения показателей водопроницаемости песка в условиях изменяющейся влажности;

- установлены поля распределения влажности для различных конструкций земляного полотна и внешних условий;

- разработаны рекомендации по проектированию земляного полотна на территории, затопляемой морским приливом.

Практическая ценность заключается в том, что на основе исследований разработан комплексный метод прогнозирования водного состояния в земляном полотне автомобильных дорог и даны рекомендации по учету влияния морского прилива при проектировании автомобильных дорог на территории, затопляемой морскими приливами.

На защиту выносятся:

- оригинальная математическая модель влагопереноса в земляном полотне при переменном уровне подтопления;

- методика экспериментального определения водопроницаемости грунтов при переменной влажности;

- результаты прогнозирования водного режима земляного полотна на территории, затопляемой морским приливом;

- рекомендации по проектированию автомобильных дорог на территории, затопляемой морским приливом.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на расширенном заседании кафедр «Строительство и эксплуатация дорог» и «Инженерная геология и геотехника» МАДИ в декабре 2004 года; были одобрены Московским автомобильно-дорожным институтом (ГТУ) и рекомендованы для включения в учебное пособие для студентов специальности 291000 «Автомобильные дороги и аэродромы», а также для использования при выполнении курсовых работ по курсам проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог.

Основные результаты были доложены на конференции по вопросам геотехники и дорожного строительства, прошедшей в ноябре 2004 г. в Ханое (СРВ).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 статьи.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, приложения; содержит 135 страниц машинописного текста, 39 рисунок, 29 таблиц, список литературы из 51 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, сформулирована цель исследования, раскрывается научная новизна и практическая ценность работы, дается основная характеристика работы, основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе даны краткие сведения о территории равнины Юга Вьетнама и её природных условиях. Характерными условиями значительной части этой территории являются наличие слоя слабого грунта большой толщины в основании и периодическое подтопление сооружений под воздействием морского прилива. Это воздействие имеет место при поднятии приливной воды выше поверхности земли (рис. 1), что носит кусочно-разрывный характер. Задача состоит в том, чтобы оценить, как изменяется

влажность внутри земляного полотна при изменении уровня воды на затопляемой территории.

О 6 12 18 24 1,час.

Рис. ]. Интервалы проникновения приливной воды в насыпь

Рис. 2. Конструкции насыпей большой высоты на слабом основании: а - с устройством боковых пригрузочных берм; б - с использованием вертикальных дрен одновременно с постепенным загружением и временной пригрузкой; в - на железобетонных сваях

Приводятся типичные решения при строительстве насыпей на слабых основаниях, распространенных на данной территории. Отмечается необходимость применения дорогостоящих мероприятий для насыпей большой высоты, примеры которых показаны на рис. 2.

Рассмотрены основы теории тепло - и влагопереноса А. В. Лыкова, согласно которой термодинамические силы переноса тепла и вещества равны

(1)

(2)

где (Для двухмерного случая) - оператор Гамильтона,

I - абсолютная температура, ЙР1 " удельная энергия

перемещаемого вещества

У (рассчитываемая на единицу массы V),

- единичные векторы соответственно по направлениям

Из этих выражений следует, что процессы переноса тепла и переноса влаги нужно рассмотреть комплексно в виде связанных между собой уравнений.

Из-за большой сложности, при прогнозировании водно-теплового состояния в дорожном полотне приходится принимать ряд допущений. Традиционно при этом за потенциал влагопереноса обычно принята влажность. Так, например, система одномерных дифференциальных уравнений тепло - и влагообмена в капиллярной зоне при положительной (в шкале Цельсия) температуре выражена в следующем виде:

(3)

(4)

где - время,

- удельная теплоемкость, 5 - объемный вес грунта, А. - коэффициент теплопроводности грунта,

теплота конденсации, 'УУ - концентрация влаги (общая влажность),

критерий фазового превращения конденсирующегося водяного пара, концентрация жидкой фазы влаги, коэффициент влагопроводности,

термоградиентный коэффициент при миграции жидкой фазы.

Дан анализ природных условий данной территории с позиции их влияния на водно-тепловой режим. Отмечен важный факт, что температура на данной территории всегда положительная, а градиент температуры в земляном полотне оказывается небольшим, что можно не учитывать при прогнозировании водно-теплового режима.

Во второй главе рассмотрен комплекс вопросов с целью построения математической модели влагопереноса в земляном полотне (рис. 3). Поставленная задача состояла в том, чтобы получить возможность прогнозировать изменение влажности внутри насыпи при изменяющемся уровне воды. Это должно позволить при заданных параметрах насыпи -ширине, высоте, крутизне откосов, способе укрепления откосов и свойствах насыпного грунта - определять каким образом будет изменяться влажность грунта при изменении уровня воды, вызываемом приливами и отливами (рис. 4). Очевидно, что параметры насыпи могут варьироваться в соответствии с действующими нормами на проектирование автомобильных дорог, а свойства грунта, чаще всего песчаного, в зависимости от имеющихся на данной территории источников.

Специфическим условием данной задачи является наличие в грунте зоны неполного водонасышения, в которой свойства грунта меняются в тесной связи с проявлением капиллярных сил. Вода в грунте поднимается над уровнем свободной воды, по мере удаления от которого давление поровой воды уменьшается, а разность между давлением порового воздуха и давлением поровой воды, которую называют давлением всасывания, наоборот, возрастает.

Рис. 3. Расчетная схема к математической модели

Ь

Воздействие приливной воды

Н(1)

Параметры Решение дифференциального уравнения

насыпи

\У(х,уД)

Рис. 4 Структура математической модели

В пределе некоторой высоты над уровнем свободной воды влажность грунта остается почти насыщенной. Эта высота соответствует некоторому давлению всасывания и зависит от размера и структуры пор в грунте Установлено, что при превышении этого давления влажность грунта уменьшается, при этом, чем однороднее поровые размеры, тем быстрее уменьшается влажность При обычных условиях влажность уменьшается только до определенного значения соответствующего содержанию в грунте прочно - и рыхлосвязанной пленочной воды. Многочисленные эксперименты показали, что зависимость влажности от давления всасывания имеет вид, показанный на рис. 5

о щ %

¥

Рис.5. Зависимость влажности V/ от давления всасывания Ц/

Важной особенностью данной задачи является то обстоятельство, что доминирующими механизмами являются фильтрационный и капиллярный перенос свободной и капиллярной воды, которые рассматриваются как единый процесс, подчиняющийся закону фильтрации Дарси. При этом за потенциал переноса принята удельная энергия потока. Пренебрегая кинетической составляющей части энергии вследствие её малости, а также учитывая малый градиент положительной температуры, удельная энергия, которую принято называть гидравлическим напором, представляется в следующем виде*

где гидравлический напор в данной точке, принятый в качества

потенциала переноса воды и влаги, вертикальная отметка точки, давление поровой воды в данной точке, удельный вес воды, гравитационное ускорение.

Из закона фильтрации Дарси и условия неразрывности потока влаги получено дифференциальное уравнение нестационарного переноса влаги в земляном полотне:

(5)

Важной особенностью уравнения (6) является различие в коэффициенте фильтрации для двух зон. В зоне ниже уровня воды в теле земляного полотна грунт насыщен, и коэффициент фильтрации является константой. В капиллярной зоне выше уровня воды грунт находится в ненасыщенном состоянии, коэффициент фильтрации является переменной величиной, которая зависит от влажности и, соответственно, от давления всасывания. Решение дифференциального уравнения (6) потребует экспериментального определения следующих зависимостей:

(7)

(8)

где (V - объемная влажность грунта,

- коэффициент фильтрации, м/ч,

- давление всасывания, кРа.

Благодаря периодическому характеру воздействия прилива, начальные условия, характеризующие распределение влажности в теле насыпи в начальный момент расчета, могут быть заданы произвольно, так как через некоторое время установится устойчивый режим изменения влажностей в земляном полотне. В частности, можно задать:

(= константе)

Граничные условия в данной задаче следующие:

0А,

з I *-о

дИ,

На подошве земляного полотна:

= 0.

На поверхности насыпи:

¿ —1 = у

ду | > '

(9)

(10) (11)

где высота насыпи,

скорость потока влагообмена с воздухом, принятая в данной задаче

равной нулю. • На откосе насыпи:

- Для находящейся под водой зоны (зоны 1):

- Для зоны, откуда вода из насыпи выходит (зоны 2):

- Для свободной зоны (зоны 3):

(13)

(14)

где направление нормали к откосу,

скорость проникающего через откос потока влаги по направлению этой нормаш, принятая также равной нулю.

Вторая зона определяется только во время расчета. В первом приближении, ко всей надводной части применяется условие (14). Только со второго шага, если давление поровой воды на этой части откоса оказывается положительным, то при дальнейшем расчете условие (14) будет заменено условием (13).

В третьей главе изложен метод решения дифференциального уравнения нестационарного влагопереноса.

В настоящее время существует много методов решения дифференциального уравнения, среди которых конечно-разностный метод является распространенным благодаря его хорошей изученности и эффективности. Этот метод и используется в данной работе.

Рис. 6. Схема дискретизации данной задачи

Применительно к данной задаче предложено использовать треугольную схему дискретизации, как показанной на рис. 6

Процесс последовательного нахождения значений гидравлического напора в каждом п 'ом слое по времени выполнен по следующей схеме"

(15)

с принятием:

й9^,

Ь"*' - к"

¿Г1--— ^К^'+р"*1.

г

где которого является значением гидравлического

напора в

К"*'=К(ч/'м),

квадратная диагональная ма^ррин^эл^дент <]" которой вычисляется из значения производной

весом, учитывающим площадь сегмента около данного узла), квадратная матрица, полученная при аппроксимации правой части уравнения (6), элемент получается из

коэффициента фильтрации в середине отрезка между узлами, а

- вектор, полученный при обработке краевых условий,

- шаг расчета по времени,

- вектор, элемент которого является значением давления

—ом

всасывания в в

- вектор, элемент у, которого является значение ордината Гого узла

Так как коэффициенты при неизвестных гидравлических напорах зависят от самих неизвестных, эти системы являются нелинейными. Для последовательного решения этих систем нелинейных уравнений применен метод последовательного приближения. По значениям гидравлического напора можно определять уровни воды и поле влажности внутри земляного полотна.

По описанному методу составлена комплексная программа прогнозирования водного режима в земляном полотне, общая блок-схема которой приведена ниже.

В четвертой главе проведен обзор методов экспериментального определения водопроницаемости грунтов. Обоснована методика собственного эксперимента и представлены результаты экспериментального исследования наиболее часто применяемых песчаных грунтов в южном Вьетнаме.

Как следует из литературных источников, чаще всего показатели водопроницаемости насыпного грунта определяют экспериментальным путем, в основу которого положены следующие формулы, предложенные в 1964г Бруксом и Кори (Brooks и Corey):

(16)

(17)

где - полная влагоемкость грунта;

Ж, - влажность, соответствующая содержанию в грунте только прочно -

и рыхлосвязанной воды; у/1, - "максимально капиллярное" давление всасывания; X - параметр, характеризующий однородность пор в грунте; кО - коэффициент фильтрации грунта при насыщении; § - условный показатель, полученный из следующего соотношения:

ОБЩАЯ БЛОК-СХЕМА

На основе выполненных экспериментов установлено, что для применяемых песков на территории южного Вьетнама, параметр принимает значение от 1 до 4 кРа, что соответствует, примерно, высоте капиллярного поднятия от 10 до 40 см Порученные результаты параметра А и § хорошо согласуются с данными других исследователей, приведенными в табл 1

Таблица 1

Значения параметра однородности Л и показателя 5

| Грунт Значение > Значение 6 Источник

Природный песок 4,0 3,5 Аверьянов (1949) |

1 Однородный песок сг 3,0 Irmay (1954) I

| Пористые грунты и 2,0 4,0 Corey (1954) !

камни | 1

Для определения зависимости влажности от давления всасывания наибольшее распространение получил стандартный метод ASTM 2325-68 Однако этот метод требует специального аппарата и является достаточно сложным и трудоемким при выполнении измерений В то же время дчя песков, обладающих сравнительно малыми высотами капиллярного поднятия и достаточно хорошей водопроницаемостью, автором предложен более простой метод Метод базируется на том, что при отсутствии обмена влаги с внешней средой, давление всасывания в грунте линейно возрастает с увеличением расстояния от устойчивого уровня воды

¥ = Р„8У

(19)

где - удельный вес воды,

- ускорение поля тяжести,

- высота над уровнем воды

Трубка с грунтом

Рис. 7. Установка для создания грунтового образца

Сущность метода состоит в том, что грунтовый образец размещается в вертикальной трубке диаметром 5 см с открытым нижним концом, помещаемым в сосуд с водой (рис. 7). Уровень воды в сосуде выдерживается постоянный. Верхний конец трубки покрывается слоем фильтровальной бумаги и затем закрывается колпачком с отверстием, чтобы давление порового воздуха в грунте уравновесить с атмосферным давлением.

Когда распределение влажностей в грунте становится устойчивым, из трубки отбирают пробы грунта для определения влажности. Для облегчения отбора проб, трубку делают составной из двух продольных половин.

Анализ соотношения (16) показывает, что оно хорошо описывает зависимость ЩУ) лишь в нижней части экспериментальной кривой. При этом наблюдаются три диапазона (рис. 5): от 0 до фо влажность сохраняет постоянное значение, равное имеет место уменьшение с

нарастающей интенсивностью и при уменьшение продолжается, но с

затухающей интенсивностью. Таким образом, вместо (10) предложена следующая модифицированная формула:

1¥0 если у < 1//а

7о-Ф-¥»У ес™ У0<¥^р„

Ш{¥) =

1Рг+(1¥0-'(Уг)

(20)

если

где - некоторые константы, определенные экспериментальным путем,

щ - значение у/ в конце горизонтальной части кривой, кРа, (^п) ~ точка перегиба кривой.

Из условия неразрывности W(\j/) и

определяются следующими выражениями:

с1у/

при у/ = {//„ а и п

(21) (22)

По выражениям (20), (21) и (22) для определения зависимости влажности от давления всасывания нужно определить Щ, точку перегиба кривой (у/„. ¡¥„) и параметры Щ, Я. Эти параметры аппроксимации обычно определяют методом наименьших квадратов. При небольшом количестве экспериментальных точек их можно определить графоаналитическим методом.

Коэффициент фильтрации грунта при водонасыщенном состоянии определяют стандартным методом. При известной функции по формуле (18) определяют 3, а затем по (17) - коэффициент фильтрации грунта при разных влажностях.

При многократном цикле прилива-отлива воды, связный грунт слоя укрепления откосов насыпи (когда этот слой имеется) остается все время почти насыщенным. Поэтому важными его показателями при прогнозировании

водного режима являются только значения коэффициента фильтрации и влажности при полном насыщенном водой состоянии. Эти показатели определяются, как обычно, стандартными методами.

В пятой главе представлены результаты моделирования влагопереноса в земляном полотне для характерных случаев, которые могут встретиться в практике проектирования автомобильных дорог южного Вьетнама. Расчеты выполнены для конструкций земляного полотна. отличающихся разновидностью насыпного песка, шириной земляного полотна, наличием и отсутствием укрепленного слоя, максимальной глубиной подтопления, воздействием прилива с одной и двух сторон, наличием дренажных устройств. Для каждого случая установлены уровни водонасыщения через каждый 0,1 ч, позволяющие судить об изменении поля влажности в земляном полотне. Эти результаты и могут быть представлены в виде динамических картинок. Примеры полученных уровней водонасыщения через каждый 0,5 ч показаны на рис. 8. На основе анализа результатов сделаны следующие выводы:

- Практически для всех разновидностей песков, применяемых в южном Вьетнаме, приливная вода оказывает только ограниченное влияние на внешнюю часть, обозначенную буквой Ь на рис. 8, ширина которой обычно не превышает 2м и не превышает ширины обочины.

- При укреплении песчаной насыпи слоем связного грунта с меньшей водопроницаемостью, ширина внешней зоны переменного влияния прилива резко уменьшается, а устойчивый уровень в серединной части насыпи мало отличается от уровня при отсутствии укрепления.

На основе моделирования можно судить о распределении влажности в насыпи посредством построения линий равных влажностей. Примеры распределения влажности внутри земляного полотна показаны на рис. 9. На основе анализа этих линий появляется возможность уточнения расчетных характеристик земляного полотна, необходимых при проектировании дорожных одежд.

Зона ситьного

ПРИ ПРИЛИВЕ

влияния Ь

Защитный слой

—

ПРИ ОТЛИВЕ

Ь

Рис 8 Уровни воды в разные моменты времени

ПРИ ОТЛИВЕ

Рис. 9. Линии равных влажностей в насыпи

Модель позволяет также оценить эффективность работы дренажных устройств в условиях переменного воздействия морского прилива. Как следует

из рис. 10, уровни воды в земляном полотне лежат ниже максимального уровня морского прилива.

Максимальный уровень

мирского прилива

рубка дренажных устройств

Рис. 10. Изменение уровня воды в земляном полотне при воздействии морского прилива через дренажные устройства

Для проверки адекватности математической модели даны некоторые результаты сопоставительных наблюдений за уровнем воды в земляном полотне. Для наблюдения были установлены вертикально в земляном полотне трубки, которые перфорированы сеткой водоприемных отверстий. По уровню воды в трубке, который измеряется с помощью мерной палочки, определяется переменный уровень воды в земляном полотне. При наблюдении одновременно определяется и переменный уровень воды вне земляного полотна. Эти результаты хорошо согласуются с теоретическими результатами прогнозирования.

В шестой главе разработаны рекомендации по учету влияния морского прилива при проектировании автомобильных дорог на данной территории.

На карте районирования территории по гидрологическому условию выделена зона, на которой влияние морского прилива является определяющим фактором при назначении отметки дорог, и зона с переходным характером влияния двух факторов: наводнения и морского прилива.

По результатам расчетов с использованием предложенной математической модели сделаны следующие практические рекомендации:

- минимальную высоту земляного полотна можно рассчитывать от прогнозированного уровня воды внутри земляного полотна, учитывая его как расчетный уровень грунтовой воды;

- для ограничения влияния морского прилива откосы насыпи следует покрывать слоем связного грунта с более низкой водопроницаемостью;

- дренажные устройства обеспечивают надежный эффект при переменном подтоплении водой от морских приливов.

Для оценки эффективности применения этих рекомендаций выполнены расчеты на примере конкретных объектов.

В одном из примеров новый подход позволил уменьшить высоту насыпи проектируемой автомобильной дороги на слабом основании на окраине города Хошимина на 40см, а общий слой насыпного грунта с учетом осадок - на 65см, что дает снижение объема земляных работ на 27%, а общей стоимости - до 19%.

Во втором примере применение рекомендуемого решения при реконструкции существующей улицы в городе Хошимине дало возможность уменьшить возвышение поверхности улицы на 44см, что позволило в определенной мере сохранить придорожный ландшафт и ограничить вынужденные повышения полов в зданиях на прилегающей территории.

Общие выводы

1. Морской прилив в отличие от паводковых вод оказывает гораздо меньшее влияние на водный режим земляного полотна. Вследствие этого, традиционное принятие максимального уровня морского прилива за расчетный уровень воды при назначении отметки земляного полотна является чрезмерным и приводит к неоправданным затратам.

2. Доказана возможность прогнозирования водного режима земляного полотна в условиях положительных температур и их малого градиента на основе предложенной математической модели. Разработаны алгоритм и программа численного решения дифференциального уравнения нестационарного влагопереноса этой модели.

3. Предложена методика экспериментального определения зависимости водопроницаемости песчаных грунтов от давления всасывания и на основе выполненных экспериментов уточнены аппроксимирующие зависимости.

4. Обосновано, что в качестве расчетной модели изменения морского прилива при прогнозировании водного режима земляного полотна можно использовать колебание уровня приливной воды за день со средним значением из серии высоких уровней за месяц с наиболее сильными приливами.

5. Результаты моделирования процесса перемещения влаги в насыпи позволили установить, что морской прилив оказывает сильное влияние только на внешние части земляного полотна, ширина которых не превышает ширины обочин. В его серединной части уровень воды оказывается устойчивым и всегда ниже максимального уровня прилива.

6. Результаты теоретического прогнозирования водного режима в земляном полотне хорошо согласуются с практическими данными обследований существующих дорог, а также с данными наблюдений за уровнями воды в земляном полотне.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих статьях:

1. Носов В. П., Нгуен Зуй Чи. Учет влияния морского прилива при сооружении автомобильных дорог на территории равнины реки Меконг (СРВ). //Строительство и эксплуатация автомобильных дорог: Проблема и перспективы развития, Сб. науч. трудов МАДИ - М., 2004, С. 67-73.

2. Носов В. П., Нгуен Зуй Чи. Расчет влияния морского прилива (на территории равнины р. Меконг во Вьетнаме) на водный режим земляного полотна. //Транспорт: наука, техн, упр, Сборник обзорной информации - М., ВИНИТИ, 2004, №5, С. 41-44.

3. Носов В. П., Нгуен Зуй Чи. Определение показателей переменной водопроницаемости грунтов. //Наука и техника в дорожной отрасли - М., 2005, №1 (в печати).

lu ciilk I'm ■ ¡ечаи 2' Oft Фирм и оГЬ Í- 1

fÜO > i im i V -, ív

'К H) i ч ми ui ¡w|,i си r 4I,ÍN"4Í I ' К I¡miu ni- ¡ .(-, 7o

Où. 23

21 4FB »

1099

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ПО УЧЕТУ ВЛИЯНИЯ 10 МОРСКОГО ПРИЛИВА НА ВОДНЫЙ РЕЖИМ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА НА РАВНИНЕ ЮГА

1.1 Краткие сведения о территории

1.2 Особенности водно-теплового режима земляного полотна 15 автомобильных дорог в условиях данной территории

1.3 Цель и задачи исследования

ГЛАВА II ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ 32 ВЛАГОПЕРЕНОСА В ЗЕМЛЯНОМ ПОЛОТНЕ

II. 1 Исходные предпосылки и основные определения

11.2 Дифференциальное уравнение нестационарной фильтрации

11.3 Математическая модель задачи

ГЛАВА III МЕТОД РЕШЕНИЯ УРАВНЕНИЯ НЕСТАЦИОНАРНОЙ 51 ФИЛЬТРАЦИИ

III. 1 Конечно-разностный метод - эффективное средство для 51 решения уравнений в частных производных

II 1.2 Составление разностных уравнений 52'

111.3 Метод послойного решения систем сеточных уравнений

111.4 Программа решения поставленной задачи

ГЛАВА IV МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСЧЕТНЫХ ДАННЫХ

IV. 1 Экспериментальное определение расчетных данных грунта

IV.2 Определение расчетного цикла изменения уровня морской 84 воды

ГЛАВА V ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВОДНОГО РЕЖИМА ЗЕМЛЯНОГО 89 ПОЛОТНА

V.1 Моделирование водного режима земляного полотна на 89 воздействие морского прилива

V.2 Другие расчеты

V.3 Проверка адекватности математической модели

ГЛАВА VI ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ 111 ПРОГНОЗИРОВАНИЯ

VI. 1 Районирование территории по гидрологическому условию

VI.2 Рекомендации по конструктивным решениям при 113 проектировании дорожных конструкций

VI.3 Примеры применения разработанных рекомендаций к 118 решению практических задач

Актуальность исследования. В последние годы для удовлетворения потребностей социально - экономического развития во Вьетнаме происходит интенсивное увеличение протяженности сети автомобильных дорог.

Равнина Юга занимает важную часть Южного Вьетнама, с трёх сторон омывается Южно-китайским морем и Таиландским заливом. По условиям строительства эта территория относится к наиболее сложной части Вьетнама.

Для геологического строения этой равнины характерно, что в основном верхний слой грунтового покрова представлен слабым, сильно деформируемым илом. Несущий слой, обычно являющийся песком или глиной тугопластичной и более жесткой консистенции, находится на глубине обычно 15 - 30м, а иногда и 80 - 100м. В связи с этим, насыпные грунты и каменные материалы приходить доставлять из других районов и перевозить на расстояние в среднем 250км. На .данной территории доступным является лишь песок, в основном мелкозернистый, добываемый со дна рек, но и его объемы ограничены.

Изучаемая территория находится под влияниями морского прилива. Периодически каждый день морская вода по густой сети рек и искусственных каналов заливает и затопляет большую часть территории. Даже в 200 км от моря амплитуда изменения уровня воды может достигать 1.2 м.

Земляное полотно автомобильных дорог на этой территории представляет собой насыпь на слабом, сильно деформируемом основании и сооружается, как правило, из привозного песка. Глинистый местный грунт применяется редко, получая его из боковых каналов, сооружаемых вдоль дороги; это допускается только для дорог с переходными и низшими типами покрытий, и лишь в нижней части насыпи. Минимально требуемая толщина слоя песка определяется из следующих условий:

- толщина этого слоя над поверхностью слабого основания не должна быть меньше 0.5м;

- распределенная нагрузка на подстилающее основание от строительных машин и оборудования, используемых при строительстве, не должна превышать несущую способность слабого основания;

- поверхность земляного полотна с некоторым запасом должна превышать расчетный уровень воды.

Не подвергая сомнению первых двух условий, более подробно проанализируем третье: что следует принимать за расчетный уровень воды. Так как уровень грунтовых вод на этой территории обычно находится низко и не оказывает существенного влияния на водный режим земляного полотна, расчетный уровень воды связывают с морским приливом, традиционно принимая в качестве расчетного максимальный уровень воды от морских приливов, достигаемый в течение года.

Рис. 0.1. Интервалы действия морского прилива

Необходимость этого является сомнительной, учитывая, что процесс проникания поверхностной воды в земляное полотно зависит от времени её непрерывного действия. Вследствие кратковременности действия морского прилива (Рис. 0.1), количество воды, успевающее проникнуть в земляное полотно, является достаточно небольшим. Можно предположить, что влияние прилива на водный режим земляного полотна будет незначительным, и соответственно, традиционное принятие максимального уровня морского прилива за расчетный уровень воды является чрезмерным и приводит к неоправданному возвышению земляного полотна.

Возможность обоснованного понижения требования к возвышению земляного полотна имеет важное практическое значение по следующим причинам:

- песок является дорогостоящим материалом из-за его дефицита и большого расстояния перевозки;

- на слабом, сильно деформируемом основании, с увеличением высоты насыпи увеличивается стоимость мероприятий для обеспечения устойчивости основания и стабилизации осадки насыпи к заданному сроку; особенно для тех случаев, когда простейшие мероприятия, применяемые для низких насыпей, становятся не достаточными и требуются более сложные и дорогие мероприятия, применяемые для высоких насыпей;

- в связи с недостаточным развитием дорожной сети на данной территории, каждая новая дорога вызывает появление новых населенных пунктов, при вертикальной планировке которых приходится руководствовать отметками этой дороги.

Для оценки возможности пересмотра действующих во Вьетнаме норм минимально требуемых отметок дорог необходимо исследовать водный режим внутри земляного полотна. Это может позволить перейти к нормированию минимально требуемых отметок дорог по отношению к уровню свободной поверхности воды внутри земляного полотна, а не пиковому уровню морского прилива.

В настоящее время водно-тепловой режим земляного полотна был изучен в работах многих ученых: И. А. Золотаря, Н. А. Пузакова, А. Я. Тулаева, В. М. Сиденко, Е. И. Шелопаева, В. И. Рувинского и других. Однако большая часть этих исследований касалась задач, связанных с перемещением влаги в условиях сезонного промерзания и оттаивания и в значительно меньшей степени затрагивала процессы неустановившегося двухмерного переноса воды и влаги под воздействием периодического характера, имеющего место при приливах и отливах.

Традиционные подходы, используемые при прогнозировании водно-теплового режима земляного полотна и дорожных одежд, рассматривают грунты и материалы дорожных одежд как многокомпонентные и многофазные дисперсные гетерогенные структуры [10]. Термодинамическое описание системы обычно проводится в предположении термодинамического равновесия обоих подсистем, и система в целом характеризуется единой температурой и едиными теплофизическими характеристиками: плотностью, теплоемкостью и теплопроводностью. Состояние влажностной подсистемы характеризуется ее фазовым составом (жидкое состояние - вода, газообразное - водяной пар, твердое - лед). Для описания динамики изменения влажности обычно выделяют доминирующие в каждом конкретном случае механизмы перемещения влаги: диффузный, миграцию описывают законом Фика; пленочный, миграцию описывают законом трения Ньютона; капиллярный, миграцию описывают законом Навье-Стокса; и фильтрационный, миграцию описывают законом Дарси. Применительно к поставленной задаче в условиях только положительной температуры и ее относительно малого градиента, достаточно рассмотреть лишь капиллярный и фильтрационный механизмы.

Многими исследованиями было установлено, что миграцию свободной и капиллярной воды можно рассматривать совместно как единый процесс, подчиняющийся одному закону [10] - закону фильтрации Дарси. С таким подходом фильтрация воды в капиллярной зоне исследована раньше С. Ф. Аверьяновым [1], В. В. Ведерниковым [6], Н. Е. Жуковским [9]. Теоретические описания этого процесса в настоящее время можно найти во многих работах, в частности в книге канадского профессора Д. Дж. Фредлунд и индонезийского профессора X. Рахадджо [48].

Цель исследования. Целью диссертационной работы является исследование влажности подтопляемых насыпей под воздействием морского прилива и последующее использование получаемых результатов для обоснования уменьшения объемов земляных работ при строительстве автомобильных дорог.

Научная новизна работы содержится в следующих результатах:

- предложена и реализована в виде программы оригинальная математическая модель влагопереноса в земляном полотне при периодически изменяющемся уровне подтопления в результате морских приливов и отливов;

- предложен метод экспериментального определения водопроницаемости песчаных грунтов для прогнозирования водного режима в земляном полотне;

- установлены эмпирические зависимости влажности от давления всасывания;

- установлены поля распределения влажности для различных конструкций земляного полотна и внешних условий.

- разработаны рекомендации по проектированию земляного полотна на территории, затопляемой морским приливом.

Практическая ценность заключается в том, что на основе исследований разработан комплексный метод прогнозирования водного состояния в земляном полотне автомобильных дорог и даны рекомендации по учету влияния морского прилива при проектировании автомобильных дорог на территории, затопляемой морскими приливами.

На защиту выносятся:

- оригинальная математическая модель влагопереноса в земляном полотне при переменном уровне подтопления;

- методика экспериментального определения водопроницаемости грунтов при переменной влажности;

- результаты прогнозирования водного режима земляного полотна на территории, затопляемой морским приливом;

- рекомендации по проектированию автомобильных дорог на территории, затопляемой морским приливом.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на расширенном заседании кафедр

Строительство и эксплуатация дорог» и «Инженерной геология и геотехника» МАДИ в декабре 2004 года; были одобрены Московским автомобильно-дорожным институтом (ГТУ) и рекомендованы для включения в учебное пособие для студентов специальности 291000 «Автомобильные дороги и аэродромы», а также для использования при выполнении курсовых работ по курсам проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог.

Основные результаты были отправлены на конференцию по вопросам геотехники и дорожного строительства, прошедшую в Ноябре 2004 г. в Ханое (СРВ).

Публикации. По теме диссертации написаны 3 статьи.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и общих выводов, приложение; содержит 135 страниц машинописного текста, 39 рисунков, 29 таблиц и список литературы из 51 наименований.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В отличие от других типов поверхностных вод, вода морского прилива оказывает гораздо меньшее влияние на водный режим земляного полотна. Вследствие этого, использование нормированного значения требуемого возвышения земляного полотна над уровнем поверхностной воды при назначении отметки земляного полотна становится чрезмерным. Умеренно надежные конструктивные решения земляного полотна в этом случае можно получить на основе анализа результатов прогноза его водного режима.

2. Наиболее неблагоприятные условия для земляного полотна на территории равнины Юга (СРВ) имеются, примерно, в декабре - ноябре, когда морской прилив достигает наибольшего поднятия, а атмосферные осадки -максимального количества.

3. При наличии соответствующих мероприятий защиты земляного полотна, по сравнению с воздействием морского прилива, атмосферные осадки оказывают лишь малое влияние на его водный режим. Что касается влияния теплопереноса, то благодаря сравнительно малому градиенту температуры в земляном полотне на данной территории, это влияние можно не учитывать при прогнозировании водного режима.

4. Построена математическая модель задачи прогнозирования водного режима земляного полотна в условии положительной температуры и ее малого градиента изменения. Разработаны алгоритм и программа численного решения дифференциального уравнения нестационарного влагопереноса этой модели.

5. Предложены методика экспериментального определения показателей переменной водопроницаемости засыпных песков и модифицированная аппроксимация зависимости влажности от давления всасывания.

6. Обосновано, что в качестве расчетного режима изменения морского прилива при прогнозировании водного режима земляного полотна можно использовать колебание уровня приливной воды за день со средним значением из высоких уровней за месяц с наиболее сильными приливами.

7. Результаты прогнозирования позволяют выявить следующее:

- Даже в случае свободных (без укрепления) откосов, морской прилив оказывает сильное влияние только на внешние части земляного полотна, ширина которых не превышает ширины обочин. В его серединной части уровень воды оказывается устойчивым и всегда ниже максимального уровня воды вне его тела.

- Линии равных влажностей имеют более устойчивые положения по сравнению с уровнем воды внутри земляного полотна. Кроме того, линия меньшей влажности имеет и более устойчивое положение по сравнению с линией большей влажности. При достаточно малой влажности, такая линия становится практически неизменяемой во времени.

8. Результаты теоретического прогнозирования водного режима в земляном полотне хорошо согласуются с практическими данными обследований существующих дорог, а также с данными наблюдений за уровнями воды в земляном полотне, что их можно использовать для разработки более рациональных конструктивных решений земляного полотна.

1. Аверьянов С.Ф. Зависимость водопроницаемости почво-грунтов от содержания в них воздуха. Доклады Академии наук СССР. Т. 19, 1949, №2.

2. Бабков В. Ф., Безрук В. М. Основы грунтоведения и механики грунтов. М., Высшая школа, 1976.

3. Бате К. и Вильсон Е. Численные методы анализа и метод конечных элементов. Пер. с англ. Алексеева А. С., Андреева О. О., Петрова В. П. и Сидорова В. Н. М., Стройиздат, 1982.

4. Бахвалов Н. С., Жидков Н. П. и Кобельков Г. М. Численные методы. М., Лаборатория базовых знаний, 2002.

5. Безрук В. М. О капиллярном поднятии воды в уплотненных грунтах. -Регулирование водного режима дорожных оснований, 1946, вып.6, с. 164-179.

6. Ведерников В. В. Влияние капиллярного поднятия на фильтрацию из каналов. "Гидротехническое строительство", 1935, №5.

7. Гладский А. В., Ляшко И. И. И Мистецкий Г. Е. Алгоритмизация и численный расчет фильтрационных схем. Киев, Вища школа, 1981.

8. Джордж А. и Лю Дж. Численное решение больших разреженных систем уравнений. Пер. с англ. Икрамова X. Д., М., Мир, 1984.

9. Жуковский Н. Е. Теоретическое исследование о движении подпочвенных вод; о влиянии давления на насыщенные водой пески. Поли. собр. соч. Т.7, 1937.

10. Золотарь И.А., Пузаков Н.А., Сиденко В.М. и другие Водно-тепловой режим земляного полотна и дорожных одежд. М., Транспорт, 1971.

11. Калиткин Н. Н. Численные методы. М., "Наука", 1978.

12. Кудрявцев В. А., Ершов Э. Д., Чеверев В. Г. Зависимость коэффициентов влагопереноса водоненасыщенных грунтов от их влажности, гранулометрического состава и плотности. Мерзлотныеисследования, 1973, вып. 13.

13. Куканов В. И. Исследование поверхностного увлажнение земляного полотна автомобильных дорог с применением радиоактивных изотопов. Автореф. дис. на соиск. ученой степени канд. техн. наук. М., 1979.

14. Лейбензон Л. С. Движение природных жидкостей и газов в пористой среде. М., Гостехиздат, 1947.

15. Лыков А. В., Михайлов Ю. А. Теория тепло и массопереноса. М-Л., Госэнергоиздат, 1963.

16. Мак-кракен Д. и Дорн У. Численные методы и программирование на Фортране. Пер. с англ. Казака Б. Н., М., Мир, 1977.

17. Марчук Г. И. Методы вычислительной математики. М., "Наука", 1980.

18. Маслов Н. Н. Основы механики грунтов и инженерной геологии. М., Высшая школа, 1968.

19. Механика грунтов для инженеров-дорожников сокращенный перевод с английского языка. Под ред. В.Ф. Бабкова. М., Автотрансиздат, 1957.

20. Монтгомери Д.К. Планирование эксперимента и анализ данных. Пер. с англ. Коптяева В. А. Ленинград, Судостроение, 1980.

21. Носич И.А. Водный режим земляного полотна автомобильных дорог в условиях степи и лесостепи УССР. Дисс. канд. наук, Харьков, 1949.

22. Носов В.П., Носов В.В. Математическое моделирование водно-теплового режима автомобильных дорог с использованием метода динамической адаптации. Транспорт: наука, техн, упр, Сборник обзорной информации, М., ВИНИТИ, 1977, №3, Стр. 18-31.

23. Пособие по проектированию земляного полотна автомобильных дорог на слабых грунтах (к СНиП 2.05.02-85). М., Стройиздат, 1989.

24. Роде А. А., Смирнов В. Н. Почвоведение. М., Высшая школа, 1972.

25. Рувинский В.И. Исследование процесса увлажнения земляного полотна автомобильных дорог поверхностными водами во II и III дорожно-климатических зонах. Дисс. канд. наук, М., 1971.

26. Рувинский В.И. Прогнозирование водно-теплового режима земляногополотна автомобильных дорог для обоснования специальных методов его регулирования в районах с сезонным промерзанием. Дисс. докт. наук, М., 1987.

27. Самарский А. А. и Вабищевич П. Н. Численные методы решения задач конвекции-диффузии. М., Эдиториал УРСС, 1999.

28. Самарский А. А. и Николаев Е. С. Методы решения сеточных уравнений. М., Наука, 1978.

29. Сиденко В.М. Исследование водно-теплового режима автомобильных дорог в степных районах и применение его закономерностей при проектировании дорожных конструкций. Дисс. докт. наук, Харьков, 1965.

30. Сиденко В.М. Расчет и регулирование водно-теплового режима дорожных одежд и земляного полотна. М., Автотрансиздат, 1962.

31. Строительные нормы и правила. Автомобильные дороги. Нормы проектирования. СниП 2.05.02-85. М., Стройиздат, 1990.

32. Терзаги К. Теория механики грунтов. М., Госстройиздат, 1961.

33. Тер-Мартиросян 3. Г., Демин И. И., Демина Е. А. Нелинейная задача влагопроводности при неполном водонасыщении. Докл. АН СССР, 1983, т.272, №3.

34. Тулаев А.Я. Конструкция и расчет дренажных устройств. М., Транспорт, 1980.

35. Тулаев А.Я. Осушение земляного полотна. М., Дориздат, 1948.

36. Тулаев А.Я. Теория и практика назначения морозоустойчивых и дренирующих слоев дорожных одежд. Дисс. докт. наук, М., 1963.

37. Уилкинсон и Райнш Справочник алгоритмов на языке Алгол Линейная алгебра. Пер. с англ. Под ред. Топчеева Ю. И., М., Машиностроение, 1976.

38. Указания по проектированию земляного полотна железных и автомобильных дорог (СН 449-72). М., Госстрой СССР, 1973.

39. Флорин В. А. Основы механики грунтов. М.-Л., Гостройиздат, т. I, 1959,т. II, 1961.

40. Цытович Н. А. Механика грунтов. Изд. 4. М., Госстройиздат, 1963.

41. Цытович Н. А. Механика грунтов (краткий курс). Изд. 2. М., Высшая школа, 1973.

42. Цытович Н. А., Тер-Мартиросян 3. Г. Основы прикладной геомеханики в строительстве. М., Высшая школа, 1981.

43. Шелопаев Е.И. Повышение надежности автомобильных дорог на основе использования двухмерной схемы водно-теплового режима. Дисс. докт. наук, Красноярск, 1982.

44. Шелопаев Е.И. Регулирование водно-теплового режима земляного полотна автомобильных дорог в целях повышения долговечности дорожных одежд в условиях Красноярского края. Дисс. канд. наук, Красноярск, 1963.

45. Яколева Т. Г., Иванов Д. И. Моделирование прочности и устойчивости земляного полотна. М., Транспорт, 1980.

46. Яромко В. Н. Методические рекомендации по учету воздействия транспортной нагрузки при проектировании автомобильных дорог на болотах. Минск, 1972.

47. Яромко В. Н. Учет воздействия движущихся автомобилей при проектировании автомобильных дорог на торфяных основаниях с одеждами несжесткого типа. Дисс. канд. наук, Минск, 1968.

48. Fredlund D. G., Rahardjo Н. Soil mechanics for unsaturated soils. New York Chichester - Brisbane - Toronto - Singapore, JOHN WILLEY & SONS, 1993.

49. ASTM 2325-68 "Standard test method for capillary moisture relationships for coarse and medium textured soils by porous plate apparatus", 1985. Annual book of ASTM Standards, Vol. 04.08.

50. Vu Nhtf Hoan. Thuy trieu д ven bien Viet nam. Ha noi, 2000. (в русском переводе: Морской прилив у моря Вьетнама., Ханой, 2000.)

51. МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

52. МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВТОМОБИЛЬНО ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

53. Адрес: 125829, Россия, г. Москва, Ленинградский просп. д. 64 Телефон: 151 -64-12(ректор)

54. Телеграфный адрес: Москва, А-319, МАДИ (095) 151-52-41

55. Указанное пособие найдет применение в работе других вузов, входящих в учебно-методическое обеспечение дорожно-строительных специальностей.