Особенности расчета дорожных конструкций нежесткого типа в условиях вечной мерзлоты

При расчете прочности конструкции дорожных одежд в зоне вечной мерзлоты следует учитывать основные факторы водно-теплового режима земляного полотна, руководствуясь в основном ВСН 46-83 (в части проектирования дорожных одежд в зоне вечной мерзлоты), и ВСН 84-75, а также ОДН 218.046-01.

При этом дорожная конструкция (земляное полотно в комплексе с дорожной одеждой) должна удовлетворять трём условиям:

Е^общ ³ Е^тр,

s_r <= R_и,

Т_а <= [ Т_доп ], где

Е^общ - общий модуль упругости дорожной конструкции;

Е^тр - требуемый модуль упругости дорожной конструкции, определяемый в зависимости от расчетной нагрузки, состава и интенсивности перспективного движения;

s_r - наибольшее растягивающее напряжение при изгибе в материале рассматриваемого слоя одежды;

R_и - предельно допустимое растягивающее напряжение при изгибе в материале конструктивного слоя с учетом усталостных явлений;

Т_а - наибольшее активное напряжение сдвига в грунте или слабо связном материале конструктивного слоя одежды, которое слагается из активных напряжений сдвига от временной нагрузки и веса вышележащих слоев;

Т_доп - допустимое активное напряжение сдвига в грунте земляного полотна или в несвязном конструктивном слое дорожной одежды.

Величины Е^тр; s_r; R_и; Т_а; Т_доп определяют в соответствии с указаниями ОДН 218.046-01;

Е^общ - требуемый общий модуль упругости дорожной конструкции определяют по формуле:

E _min - минимальный требуемый общий модуль упругости конструкции, МПа;

- требуемый коэффициент прочности дорожной одежды по критерию упругого прогиба, принимаемый в зависимости от требуемого уровня надежности.

Требуемый модуль упругости дорожной конструкции для условий ММГ определяют по формуле:

- требуемый общий модуль упругости дорожной конструкции в условиях вечной мерзлоты (ВМ) с учетом длительности расчетного периода;

- коэффициент, учитывающий длительность расчетного периода для районов с наличием многолетнемерзлых грунтов.

Средние значения коэффициента для трёх дорожно-климатических подзон 1 ДКЗ - зоны вечной мерзлоты приведены в табл. 19.5, обоснованные исследованиями В.А. Давыдова.

Таблица 19.5.

Значения - коэффициента длительности расчетного периода при наличии многолетнемерзлых грунтов

Грунты, тип местности по условиям увлажнения	I1 - Северная подзона	I2 - Центральная подзона	I3 - Южная подзона
Болота, 3-й тип - мокрые места	1,60	1,40	1,60
Заболоченные, 2-й тип - сырые места	1,40	1,35	1,40
Глинистые с ММГ, 2-й тип - сырые места	1,25	1,20	1,30
Глинистые с ММГ, 1-й тип - сухие места	1,20	1,15	1,20

Нормативные нагрузки для дорог общей сети (I-V категорий) и для городских дорог принимают по ОДН 218.046-01.

На подъездных и внутренних дорогах промышленных предприятий нормативную нагрузку принимают на основе технико-экономических расчетов из условия пропуска принятых расчетных типов автомобилей и автопоездов.

Влияние мерзлого слоя на прочность земляного полотна при известной глубине оттаивания дорожной конструкции учитывают по формуле:

где

E_у, (E_д) - общий модуль упругости (деформации) оттаявшего грунтового массива;

- расчетное значение модуля упругости (деформации) грунта, определяемое при известной расчетной влажности и соответствующей плотности (в т.ч. могут быть определены по графикам рис. 19.11, 19.12);

А_у, (А_д) - комплексные коэффициенты, учитывающие влияние мерзлого слоя в зависимости от глубины оттаивания (ее абсолютного значения Н_от или относительной величины Н_от / Д) и неоднородное увлажнение земляного полотна и сезоннооттаивающего слоя по глубине; определяют в процессе экспериментальных работ или с использованием обобщенных данных, приведенных в табл. 19.6.

Рис. 19.11. Зависимость комплексного коэффициента А_у от относительной глубины оттаявшего слоя грунта Н_от / Д для супесей

Рис. 19.12. Зависимость комплексного коэффициента А_у от относительной глубины оттаявшего слоя грунта Н_от / Д для суглинков и глин

Таблица 19.6.

Значения комплексных коэффициентов (А_у и А_д), учитывающих влияние мерзлого слоя и неоднородное увлажнение по глубине на модули упругости и деформации оттаивающего грунтового массива

Относительная глубина оттаивания	Значения коэффициентов Ау и Ад для грунтов:
Супеси	Суглинки и глины
Нот / Д	Ау	Ад	Ау	Ад
Нот = 0 мерзлый грунт	> 5000	>4000	>4000	>5000
0,125	354,1	362,2	292,2	304,2
0,25	83,5	85,4	67,0	69,4
0,5	17,8	18,4	15,0	14,4
1,0	3,4	3,5	2,46	2,5
1,5	1,28	1,31	0,85	0,86
2,1	0,67	0,65	0,42	0,42
2,5	0,50	0,51	0,36	0,35
3,0	0,44	0,45	0,32	0,34
3,3	0,43	0,45	0,34	0,36
3,5	0,44	0,46	0,37	0,37
4,0	0,45	0,46	0,39	0,40
4,5	0,48	0,49	0,42	0,43
4,8	0,50	0,50	0,45	0,46
5,0	0,50	0,51	0,48	0,47
6,0	0,57	0,55	0,52	0,52
	0,65	0,69	0,63	0,68
¥- талый грунт	0,99	1,0	0,92	1,0

Расчетные прочностные и деформативные характеристики различных материалов принимают по ОДН 218.046-01, а грунтов естественного основания по СНиП 2.02.04-88 или частично по табл. 19.7. Расчетные значения прочностных характеристик С и j грунтов естественного основания принимают по СНиП 2.02.04-88 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах».

Таблица 19.7.

Значения E_у и E_д естественных грунтов основания

Грунт основания	Расчетные значения, МПа
Модуль упругости	Модуль деформации
Суглинок пылеватый	9-15	3-6
Супесь пылеватая	11-12	3-8
Песок мелкий пылеватый	14-26	7-12
Суглинок с примесью до 20 % щебня	15-24	7-9
Суглинок с примесью до 50 % щебня	19-28	9-12

Примечание. Значения модулей деформации приведены по данным Н.А. Пузакова, а модулей упругости по данным В.А. Давыдова.

В процессе этих работ также установлены эмпирические зависимости модулей деформации и модулей упругости от их влажности (см. рис. 19.11 и 19.12).

Зависимость модуля деформации грунтов от их влажности может быть выражена уравнением:

где (19.2)

- модуль деформации грунта при определенных значениях относительной деформации (l = 0,01; 0,02; 0,03 и т.д.), МПа и относительной влажности W_отн;

- значение модуля деформации грунта, которое соответствует влажности предела текучести, МПа;

п - безразмерный коэффициент, зависящий от типа грунта и его физико-механических свойств.

Значения модулей деформации грунтов на пределе текучести и коэффициентов п устанавливают экспериментально. Выполненная статистическая обработка многочисленных экспериментальных данных позволила установить значения и п для характерных грунтов зоны вечной мерзлоты (табл. 19.8).

Таблица 19.8.

Значения модуля деформации грунта на пределе текучести

Грунты	l = 0,01	l = 0,02	l = 0,03
	N		N		N
Единицы измерений	МПа	-	МПа	-	МПа	-
Супеси		2,42		2.07	4,5	1,62
Суглинки и глины		2,32	4,5	1,8	3.6	1,18

Модуль упругости грунтов земляного полотна является более стабильной характеристикой. Он в меньшей мере зависит от относительной деформации грунта. Основное влияние на величину модуля упругости грунта оказывает его влажность. Статистическая обработка фактических данных по определению модуля упругости Е_у грунта позволила вывести аналогичную зависимость:

где (19.3)

Е_у - значение модуля упругости грунта, МПа, соответствующее определенной влажности W_отн;

- значение модуля упругости грунта, соответствующее влажности предела текучести грунта, МПа;

W_отн - относительная влажность грунта;

m - безразмерный коэффициент, зависящий от вида грунта.

Формулы (19.2) и (19.3) справедливы в пределах значений относительной влажности грунта от 0,2 до 1,0 W^тек. Значения модулей упругости и на пределе текучести грунта и коэффициента m устанавливают экспериментально. На основании статистической обработки многочисленных экспериментальных данных значения и m для характерных грунтов зоны вечной мерзлоты приведены в табл. 19.9.

Таблица 19.9.

Значения модуля упругости грунта на пределе текучести

Грунт	, МПа	m
Супеси Суглинки и глины	10,6	1,59 2,40

Расчетные значения модулей упругости и деформации, сцепления и угла внутреннего трения земляного полотна автомобильных дорог установлены работами В.А. Давыдова (1974, 1977, 1979, 1981, 2001- 2005 гг.) на основе фактического материала, полученного при многолетних обследованиях дорог и обработанных методами математической статистики (табл. 19.10).

Таблица 19.10.

Расчетные прочностные и деформативные показатели грунтов земляного полотна автомобильных дорог для:

Грунты земляного полотна	Дорожное покрытие
Капитальный тип	Облегченный тип	Переходный тип	Низший тип
обеспеченность расчетных показателей (ОРП) земляного полотна
3 % или 1:33 (ВП*)	5 % или 1:20 (ВП*)	10 % или 1:10 (ВП*)	16,6 % или 1:6 (ВП*)
Тип конструкции - Насыпи	Еу, МПа	Ед, МПа	С, МПа	j, °С	Еу, МПа	Ед, МПа	С, МПа	j, °С	Еу, МПа	Ед, МПа	С, МПа	j, °С	Еу, МПа	Ед, МПа	С, МПа	j, °С
I1 - Северной подзоны низкотемпературных многолетнемерзлых грунтов (ММГ) сплошного распространения,
1-й тип местности - сухие места
Супеси легкие			0,04				0,045				0,05				0,052
Оптимальные грунтовые смеси			0,02				0,046				0,030				0,053
Пески пылеватые			0,03				0,039			12,5	0,045				0,047
Супеси тяжелые			0,02				0,038			12,3	0,025				0,048
Суглинки легкие и тяжелые			0,04				0,054		29,5		0,068				0,074
Глины							0,055		29,5		0,068				0,075
Суглинки легкие пылеватые			0,02				0,018		19,3	8,5	0,028				0,038
Суглинки тяжелые пылеватые			0,02				0,017		19,2	8,6	0,029				0,035
Супеси пылеватые			0,03				0,029		19,1	8,7	0,030				0,034
Супеси тяжелые пылеватые			0,04				0,030		19,0	9,3	0,031				0,033
2-й тип местности - сырые места
Супеси легкие			0,03				0,040			13,5	0,045				0,047
Оптимальные грунтовые смеси			0,025	29,5			0,043				0,042			16,5	0,050
Пески пылеватые			0,028				0,035			11,5	0,041				0,045
Супеси тяжелые			0,018				0,036				0,022			10,5	0,043
Суглинки легкие и тяжелые		9,5	0,034				0,051		27,5	10,5	0,075			13,5	0,067
Глины		10,5	0,027			14,5	0,046			13,5	0,078			14,5	0,071
Суглинки легкие пылеватые	38,8		0,018	30,5			0,016	40,5	18,5	7,4	0,025	18,5		9,3	0,033	21,5
Суглинки тяжелые пылеватые		11,8	0,017	30,2	49,5		0,020	41,5	18,2	8,2	0,024			7,2	0,031	20,3
Супеси пылеватые	41,5	10,5	0,025	31,5		15,3	0,025	42,2	18,2	8,3	0,027	16,5	19,5	8,5	0,032	25,2
Супеси тяжелые пылеватые	39,5	11,5	0,06	31,5	50,5	21,5	0,027	41,5	17,5	8,5	0,028	17,8	20,5	4,2	0,031	26,5
3-й тип местности - мокрые места
Супеси легкие			0,020				0,035				0,039				0,040
Оптимальные грунтовые смеси			0,018	29,5		11,5	0,037				0,035				0,043
Пески пылеватые	29,5	6,8	0,019			18,5	0,030			10,2	0,037	32,5			0,041
Супеси тяжелые		7,5	0,015		41,5	18,0	0,031			9,5	0,018	30,6		7,8	0,038	30,5
Суглинки легкие и тяжелые	28,5	8,1	0,017				0,042		22,5	8,7	0,065			9,5	0,051
Глины		9,2	0,012		41,5	11,5	0,034		23,4	11,5	0,067		30,5	10,3	0,065
Суглинки легкие пылеватые	29,5	8,4	0,014	26,5	42,3	12,3	0,014	29,5	14,7	5,8	0,019	14,6	12,6	7,5	0,027	18,7
Суглинки тяжелые пылеватые		10,5	0,013	26,0	40,8	13,1	0,012	30,3	14,,1	6,7	0,018		14,5	5,8	0,025	17,5
Супеси пылеватые	34,5	8,2	0,020	27,5	41,5	14,5	0,021	32,5	14,3	6,5	0,025	12,5	15,7	6,5	0,026	22,3
Супеси тяжелые пылеватые	32,5	9,5	0,031	28,0	42,3	20,5	0,018	31,3	13,6	6,8	0,021	13,8	16,8	3,8	0,021	21,6
I2 - Центральной ползоны низкотемпературных ММГ преимущественно сплошного распространения.
1-й тип местности - сухие места
Супеси легкие			0,04				0,045				0,05				0,052
Оптимальные грунтовые смеси			0,02				0,046				0,030				0,053
Пески пылеватые			0,03				0,039			12,5	0,045				0,047
Супеси тяжелые			0,02				0,038			12,3	0,025				0,048
Суглинки легкие и тяжелые			0,04				0,054		29,5		0,068				0,074
Глины			0,03				0,055		29,5		0,068				0,075
Суглинки легкие пылеватые			0,02				0,018		19,3	8,5	0,028				0,038
Суглинки тяжелые пылеватые			0,02				0,017		19,2	8,6	0,029				0,035
Супеси пылеватые			0,03				0,029		19,1	8,7	0,030				0,034
Супеси тяжелые пылеватые			0,04				0,030		19,0	9,3	0,031				0,33
2-й тип местности - сырые места
Супеси легкие	37,5		0,037				0,043			12,5	0,046				0,048
Оптимальные грунтовые смеси	36,5		0,035				0,041			11,5	0,042				0,046
Пески пылеватые			0,026				0,027			13,6	0,031			9,5	0,036
Супеси тяжелые			0,025			7,6	0,028			13,8	0,028				0,035
Суглинки легкие и тяжелые			0,029				0,039		19,6	7,6	0,049				0,058
Глины			0,028			7,7	0,040		19,7	7,8	0,046				0,055
Суглинки легкие пылеватые	12,5	6,5	0,012			6,5	0,028				0,018			7,5	0,026
Суглинки тяжелые пылеватые	12,7		0,018		13,8	6,8	0,027		14,8	6,8	0,017	14,3		7,8	0,028
Супеси пылеватые		7,2	0,022		13,7	6,9	0,026	13,6	14,9		0,016	14,5		8,0	0,029
Супеси тяжелые пылеватые		7,3	0,023		13,6	7,3	0,024	13,8	14,3	6,3	0,020			8,5	0,030
3-й тип местности - мокрые места
Супеси легкие		8,5	0,035			9,6	0,032		42,5		0,42				0,046
Оптимальные грунтовые смеси		8,3	0,040			9,0	0,05		41,5		0,041				0,05
Пески пылеватые		6,5	0,014				0,022		28,5	8,5	0,025				0,03
Супеси тяжелые		6,3	0,013				0,023			8,3	0,028				0,032
Суглинки легкие и тяжелые			0,024			6,9	0,024			7,2	0,028				0,032
Глины		5,4	0,018			8,5	0,022			7,4	0,027			7,5	0,031
Суглинки легкие пылеватые		4,5	0,010			5,6	0,013			6,5	0,014			6,5	0,022
Суглинки тяжелые пылеватые			0,008		12,5	4,5	0,015		13,5	6,3	0,012		14,4	7,3	0,015
Супеси пылеватые			0,008		11,6		0,010			6,8	0,015		14,8	8,2	0,014
Супеси тяжелые пылеватые	10,4		0,010		13,6	7,8	0,012		15,3	7,5	0,017		15,6	9,4	0,014
I3 - Южной подзоны высокотемпературных ММГ преимущественно островного и частично сплошного распространения
1-й тип местности - сухие места
Супеси легкие			0,042				0,048				0,054				0,060
Оптимальные грунтовые смеси		11,5	0,028				0,049				0,036				0,064
Пески пылеватые			0,038				0,042				0,048				0,052
Супеси тяжелые			0,035				0,040			14,2	0,046				0,050
Суглинки легкие и тяжелые			0,055				0,060			14,5	0,085				0,090
Глины			0,060				0,058		32,5	12,5	0,095		39,5	16,5	0,095
Суглинки легкие пылеватые			0,024				0,02		20,5	10,5	0,030				0,045
Суглинки тяжелые пылеватые			0,026				0,020		20,3	10,7	0,030				0,038
Супеси пылеватые			0,032				0,032		20,1	10,8	0,033				0,036
Супеси, тяжелые пылеватые			0,044				0,034		20,0	11,4	0,035				0,040
2-й тип местности - сырые места
Супеси легкие			0,040				0,044				0,048				0,053
Оптимальные грунтовые смеси			0,036				0,042			13,4	0,044				0,050
Пески пылеватые		7,5	0,026				0,030			9,5	0,035				0,040
Супеси тяжелые			0,024			9,5	0,028				0,030			9,5	0,039
Суглинки легкие и тяжелые		7,5	0,030			7,5	0,042				0,050			8,5	0,060
Глины	17,5		0,028			7,3	0,040	37,5		8,5	0,048			8,2	0,058
Суглинки легкие пылеватые	13,5	6,5	0,015				0,016	14,5	15,5	7,5	0,025				0,032
Суглинки тяжелые пылеватые		6,3	0,017		13,5	6,8	0,015			7,2	0,024		15,5	7,8	0,030
Супеси пылеватые	14,5	6,1	0,016		14,5	6,9	0,018		15,5	7,8	0,026		17,8	7,9	0,032
Супеси тяжелые пылеватые	14,2		0,019		14,4	6,7	0,016	14,8	15,2	7,5	0,030		17,4	7,7	0,034
3-й тип местности - мокрые места
Супеси легкие			0,035			11,5	0,040				0,044				0,048
Оптимальные грунтовые смеси			0,033			11,8	0,038				0,040				0,046
Пески пылеватые			0,018			7,5	0,026				0,025			9,5	0,033
Супеси тяжелые			0,017			8,8	0,027				0,027			10,8	0,035
Суглинки легкие и тяжелые			0,025				0,028			8,5	0,030				0,035
Глины		6,6	0,022			9,5	0,026				0,029			10,2	0,034
Суглинки легкие пылеватые			0,012				0,014			6,5	0,015				0,026
Суглинки тяжелые пылеватые	11,8	5,6	0,010		13,3	5,8	0,016		15,1	6,4	0,017		15,6	7,6	0,020
Супеси пылеватые	10,5	7,4	0,009		11,8	8,1	0,012		14,6	8,6	0,014		15,1	8,8	0,018
Супеси тяжелые пылеватые	11,3	7,9	0,008	8,9	14,2	8,4	0,014		15,8	8,8	0,016		16,5	9,8	0,019

*ВП - вероятность понижения расчетных прочностных и деформативных показателей грунтов (или повышения, например, для расчетной влажности грунта): ВП 1 % - или 1:100, т.е. 1 раз за 100 лет; ВП 2 % - или 1:50, т.е. 1 раз за 50 лет возможно понижение (или повышение) расчетных показателей грунтов и т.д. (см. заголовок таблицы).

Примечания: 1. Значения модулей упругости и модулей деформации грунтов, а также показателей сдвига (С и j) даны для однородных по зерновому составу грунтов мощностью не менее 0,8 м при требуемом коэффициенте уплотнения с учетом капитальности дорожного покрытия, дорожно-климатической подзоны и от расположения слоя грунта в насыпи по высоте, учитывающего его увлажнение от природных условий. Высота насыпи должна удовлетворять всем 3-м критериям: по сохранению многолетнемерзлых грунтов на уровне, соответствующем принятому принципу проектирования и строительства на ММГ, определяемому по теплотехническому расчету - Н_м; по увлажнению местности - Н_ув; по снегонезаносимости - Н_сн.

2. Табличные значения прочностных и деформативных показателей грунтов земляного полотна дорог могут быть скорректированы при наличии расчетных значений влажности грунтов земляного полотна дорог, определенных на основе статистической обработки результатов многолетних наблюдений непосредственно на дорогах, на постах и опытных участках автомобильных дорог (по конкретным регионам, областям, районам).