Проверка конструкции на морозоустойчивость

Б.1.3.7.1 «Применение геосинтетических материалов

в транспортном строительстве»

направления подготовки

08.03.01 «Строительство»

Профиль «Мосты и транспортные тоннели»

 

 

Практическая работа № 8

Проверка конструкции

На морозоустойчивость

 

 

УМЛ обсуждена на заседании кафедры

«31» августа 2015 года, протокол № 1

Зав. кафедрой _____________/Кокодеева Н.Е./

 

УМЛ утверждена на заседании УМКН

«31» августа 2015 года, протокол № 1

Председатель УМКН ____________/Иващенко Ю.Г./

Саратов 2015

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

 

Цель практических занятий по дисциплине «Применение геосинтетических материалов в транспортном строительстве»:

– формирование умения рассчитывать конструкции с применением объемной георешетки и плоской геосетки по условию упругого прогиба, рассчитывать конструкции с применением объемной георешетки и плоской геосетки по условию сдвигоустойчивости в грунте, рассчитывать конструкции с применением объемной георешетки и плоской геосетки на сопротивление монолитных слоев усталостному разрушению от растяжения при изгибе, рассчитывать вероятности разрушения конструкции с применением объемной георешетки и плоской геосетки.

- формирование навыков конструировать дорожные одежды нежесткого типа с применением объемной георешетки и плоской геосетки, обеспечивающие: допустимую вероятность возникновения трещин в монолитном слое при изгибе в конструкции дорожных одежд с применением плоской геосетки, допустимую вероятность разрушения конструкции дорожных одежд с применением объемной георешетки, расчетный срок службы дорожных одежд, содержащих геосинтетические материалы; применять принципы проектирования дорожных одежд с геосинтетическими материалами и методы освоения технологических процессов при строительстве дорожных одежд со слоями, содержащими геосинтетические материалы.

Выполнение практических работ направлено на формирование частей компетенций ПК-1, ПК-8.

Для достижения поставленной цели студенты должны за время обучения выполнить 8 практических работ. Практические работы выполняются во время аудиторных практических занятий. На каждую практическую работу отводиться 4-8 часов.

Практические работы выполняются в 7 семестре. Наименование практических работ представлено ниже.

 

№ темы	Всего часов	№ занятия	Тема практического занятия. Вопросы, отрабатываемые на практическом занятии	Учебно-методическое обеспечение
			Конструирование и расчет дорожной одежды нежесткого типа	15,19, 20, 32-34
	1,2	Формирование технического задания для конструирования дорожных одежд нежесткого типа
	3,4	Определение суммарного расчетного числа приложения расчетной нагрузки
	5,6	Определение расчетных характеристик грунта рабочего слоя земляного полотна
	7,8	Конструирование дорожных одежд нежесткого типа. Назначение расчетных характеристик материалов слоев
	9,10	Расчет конструкции по условию упругого прогиба
	11,12	Расчет конструкции по условию сдвигоустойчивости в грунте
	13,14	Расчет конструкции на сопротивление монолитных слоев усталостному разрушению от растяжения при изгибе
	15-18	Проверка конструкции на морозоустойчивость

Необходимый инструмент и литература для выполнения практических работ:

1. Микрокалькулятор – 1шт. на 1 студента.

2. Тетрадь для практических работ – 1 шт. на 1 студента.

3. ОДН 218.046-01 «Проектирование нежестких дорожных одежд» - 1 шт. на 4 студента.

4. СНиП 2.05.02-85^* «Автомобильные дороги» - 1 шт. на 4 студента.

По окончании практического занятия практическая работа сдается студентом на проверку преподавателю, а на следующем занятии возвращается студенту. На последнем практическом занятии студент отчитывается преподавателю о выполнении практических работ.

В настоящих методических указаниях дана практическая работа №8

 

Практическая работа № 8

ПРОВЕРКА КОНСТРУКЦИИ НА МОРОЗОУСТОЙЧИВОСТЬ

 

Цель практической работы № 8 – выполнить проверку выбранной конструкции дорожной одежды на морозоустойчивость.

В районах сезонного промерзания грунтов земляного полотна при неблагоприятных грунтовых и гидрологических условиях, наряду с требуемой прочностью и устойчивостью должна быть обеспечена достаточная морозоустойчивость дорожных одежд. Конструкцию считают морозоустойчивой, если соблюдено условие

, (1)

где - расчетное (ожидаемое) пучение грунта земляного полотна;

- допускаемое для данной конструкции пучение грунта (табл.1).

 

 

 

Расчет на морозоустойчивость необходимо выполнять для характерных - участков или групп характерных участков дороги, сходных по грунтово-гидрологическим условиям, имеющим одну и ту же конструкцию дорожной одежды и схему увлажнения рабочего слоя земляного полотна (табл.2).

 

Таблица 2 - Классификация грунтов по степени пучинистости при замерзании

 

Группы грунтов по пучинистости	Степень пучинистости	Относительное морозное пучение
I	Непучинистый	1 и менее
II	Слабопучинистый	Свыше 1 до 4
III	Пучинистый	Свыше 4 до 7
IV	Сильнопучинистый	Свыше 7 до 10
V	Чрезмернопучинистый	Свыше 10

 

Таблица 3 - Группы грунтов по степени пучинистости

 

Грунт	Группа
Песок гравелистый, крупный и средней крупности с содержанием частиц мельче 0,05 до 2%	I
Песок гравелистый, крупный и средней крупности с содержанием частиц мельче 0,05 до 15%, мелкий с содержанием частиц мельче 0,05 до 15%, супесь легкая крупная	II
Супесь легкая; суглинок легкий и тяжелый, глины	III
Песок пылеватый; супесь пылеватая; суглинок тяжелый пылеватый	IV
Супесь тяжелая пылеватая, суглинок легкий пылеватый	V

 

При предварительной проверке на морозоустойчивость величину возможного морозного пучения следует определять по формуле

, (2)

где - величина морозного пучения при осредненных условиях, определяемая по рис.1 в зависимости от толщины дорожной одежды (включая дополнительные слои основания), группы грунта по степени пучинистости (табл.1) и глубины промерзания ();

- коэффициент, учитывающий влияние расчетной глубины залегания уровня грунтовых или длительно стоящих поверхностных вод () (рис.2). При отсутствии влияния грунтовых или длительно стоящих поверхностных вод следует принимать: для супеси тяжелой и пылеватой и суглинка = 0,53; для песка и супеси легкой и крупной = 0,43;

- коэффициент, зависящий от степени уплотнения грунта рабочего слоя (табл.4);

- коэффициент, учитывающий влияние гранулометрического состава грунта основания насыпи или выемки (табл.5);

- коэффициент, учитывающий влияние нагрузки от собственного веса вышележащей конструкции на грунт в промерзающем слое и зависящий от глубины промерзания (рис.3);

- коэффициент, зависящий от W_Р (табл.6).

 

Рис.1 Графики для определения осредненной величины морозного пучения .

Примечания: 1. Кривую (II-V) выбирают в соответствии с табл.1.3;

2. Кривую II a выбирают при 2-й и 3-й схеме увлажнения рабочего слоя, кривую II б - при 1-й схеме увлажнения

 

Рис.2 Зависимость коэффициента

от расстояния от низа дорожной одежды

до расчетного УГВ или УПВ: 1 - супесь

тяжелая и тяжелая пылеватая, суглинок;

2 - песок, супесь легкая и легкая крупная

 

Рис.3 Зависимость коэффициента

от глубины промерзания от поверхности

покрытия: 1 - супесь тяжелая и пылеватая;

суглинок; 2 - песок; супесь легкая, крупная

 

Если данные натурных наблюдений отсутствуют, глубину промерзания дорожной конструкции допускается определять по формуле

, (3)

где -средняя глубина промерзания для данного района, устанавливаемая при помощи карт изолиний (см. рис.4).

При глубине промерзания дорожной конструкции до 2 м устанавливают по графикам рис.1. При =2,0÷3,0 м вычисляют по формуле

, (4)

где - величина морозного пучения при = 2,0 м;

= 1,0; = 0,16; = 2,0 при 2,0< < 2,5;

= 1,08; = 0,08; = 2,5 при 2,5< < 3,0

Если при расчетном сроке службы до 10 лет полученная величина возможного пучения будет превышать требуемую (табл.3), а при сроке службы более 10 лет будет превышать 80% от требуемой, необходимо рассмотреть вариант устройства морозозащитного слоя. В этом случае предварительно определяют ориентировочно требуемую толщину морозоустойчивой конструкции дорожной одежды, используя графики рис.1. Для этого, зная допустимую величину морозного пучения , рассчитывают среднюю величину морозного пучения по формуле

 

. (5)

Затем по графику рис.1 в соответствии с группой грунта по степени пучинистости определяют .

Для расчета толщины морозозащитного слоя () необходимо иметь: географическое местоположение рассматриваемого участка дороги; конструкцию дорожной одежды (наименование и толщины слоев), необходимую по условиям прочности и дренирования; схему увлажнения рабочего слоя земляного полотна (1, 2 или 3) и расчетную глубину залегания подземных вод от поверхности покрытия; наименование грунтов земляного полотна; расчетный срок службы дорожной одежды.

 

Толщину морозозащитного слоя () определяют по формуле

 

, (6)

где - термическое сопротивление рассматриваемой конструкции дорожной одежды, [м² К/Вт];

- требуемое в данных условиях термическое сопротивление дорожной одежды, [м² К/Вт];

- коэффициент теплопроводности морозозащитного слоя, равный среднеарифметическому значению коэффициентов теплопроводности

 

материала слоя в талом () и мерзлом () состояниях, т.е. = =( + )/2, [Вт/(мК)].

 

При отсутствии фактически замеренных значений в расчет допускается включать табличные значения (табл.7). определяют в зависимости от номера изолинии на рис.5, соответствующей географическому положению рассматриваемого участка дороги. При расположении участка между изолиниями определяют два значения и вычисляют два значения , соответствующих этим изолиниям. Искомую толщину морозозащитного слоя определяют методом интерполяции в зависимости от расстояния от рассматриваемого участка дороги до соседних изолиний.

 

Рис.4 Карта изолиний глубины промерзания грунтов на территории СНГ:

1 - граница сплошного распространения вечномерзлых грунтов;

2 - то же, островного; 3 - границы стран СНГ

Термическое сопротивление вычисляют по формуле

, (7)

где - число конструктивных слоев дорожной одежды без морозозащитного слоя;

- толщина i-го слоя, м;

- коэффициент теплопроводности отдельных слоев в мерзлом состоянии, Вт/(мК).

Величину требуемого термического сопротивления вычисляют по формуле

, (8)

где - приведенное термическое сопротивление, определяемое при помощи номограммы на рис.6;

- коэффициент, учитывающий срок службы дорожной одежды между капитальными ремонтами (табл.8);

- коэффициент, учитывающий схему увлажнения рабочего слоя земляного полотна, принимаемый при 2-й и 3-й схемах увлажнения равным 1, а при 1-ой схеме увлажнения - по табл.9;

- понижающий коэффициент, принимаемый для II₁, II₃и II₅дорожно-климатических подзон равным 1,0; для II₂, II₄и II₆подзон равным 0,95; для III-ей дорожно-климатической зоны равным 0,90; для IV дорожно-климатической зоны равным 0,85.

определяют с помощью номограммы на рис.1.6 методом итерации через отношение /() (горизонтальная ось номограммы). Значения, , , и определяют соответственно по табл.2, 10, и 11.

При назначении величины по табл.11 подбирают допустимую глубину промерзания так, чтобы получаемому значению отношения /() соответствовала величина на вертикальной оси номограммы рис.6, равная принятой . Подбор нужно начинать со значения , соответствующего наименьшей допустимой глубине промерзания.

Расстояние от низа дорожной одежды до уровня подземных вод, необходимое для использования номограммы, определяют, приняв за исходную полученную в соответствии с формулой (6) ориентировочную толщину морозозащитного слоя и вычислив при заданном общую толщину дорожной одежды . При глубине залегания подземных вод на участке дороги, отличающейся от указанных на номограмме, нужно определить два значения . Одно - при значении на номограмме более, а другое - при значении на номограмме менее данного. Искомое значение устанавливают методом интерполяции между соответствующими величинами.

 

Таблица 7 - Теплофизические характеристики конструктивных слоев из различных дорожно-строительных материалов

 

Nп/п	Материал, грунт	Плотность, , кг/м3	Коэффициент теплопроводност , Вт/(мК)
	Асфальтобетон горячий плотный		1,40
	То же, пористый То же, высокопористый, в том числе битумопесчаная смесь (ТУ 218 РСФСР) Аглопоритовый щебень, обработанный вязким битумом	2200-1900	1,25   1,10-1,00   0,23
	Керамзитовый гравий, обработанный вязким битумом		0,64
	Гравий (щебень) с легкими заполнителями, обработанные вязким битумом		0,52
	Супесь, укрепленная 10%-ной эмульсией	1700-1900	1,456
	Цементобетон		1,74
	Песок разномерный, укрепленный 10%, 6-10% цемента		1,86
	Песок мелкий, одномерный, укрепленный 10% цемента		1,62
	Цементогрунт с керамзитом:
	песок - 75% (массы), керамзит - 25%, цемент - 5%	1500-1600
	Цементогрунт с гранулами полистирола:
	песок 97-98%, гранулы полистирола 3-2%, цемент 7-6%	1300-1500	0,41-0,58
	Битумоцементогрунт с перлитом, состава:
	перлитовый щебень 25-20%, песок 75-80%, цемент 3-4%, битум 12-10% (от массы песка, перлита и цемента)		0,52-0,58
	Цементогрунт с аглопоритом, состава:
	- супесь или песок 70-80%
	- аглопорит 30-20%	1700-1800	0,64-0,75
	- цемент 6%
	Шлакобетон Керамзитобетон Стиропорбетон	1000-1100	0,58 0,75 0,23
	Слабопрочные известняки, укрепленные известью		1,16
	Суглинок, укрепленный 2-5% цемента и 6-2% известью	800-1900	1,33
	Супесь, укрепленная 8-10% цемента Пенопласт	1700-1900 38,5-60	1,51 0,03-0,052
	Пеноплэкс	38,5-50	0,03-0,032
	Каменноугольная золошлаковая, укрепленная 6-8% цемента		0,7
	Шлак топочный		0,46
	Щебень из гранита		1,86
	Щебень из известняка		1,39
	Гравий		1,86
	Песок крупный талый		1,74
	То же, мерзлый		2,32
	Песок средней крупности талый То же, мерзлый		1,91 2,44
	Песок мелкий талый		1,91
	То же, мерзлый		2,32
	Песок пылеватый талый		1,80
	То же, мерзлый		2,20
	Супесь талая		1,80
	То же, мерзлая		2,03
	Суглинок и глина талые		1,62
	То же, мерзлые		1,97
	Лессы талые		1,51
	То же, мерзлые		2,09
	Одномерный гранитный щебень, обработанный вязким битумом		1,28
	Гравийно-песчаная смесь		2,10
	Гравийно-песчаная смесь, укрепленная 10% цемента		2,02

 

Рис.5 Карта с изолиниями для определения требуемых значений термического сопротивления

дорожной одежды: I-X - номера изолиний; 1 - граница сплошного распространения вечномерзлых грунтов;

2-то же, островного; 3-Северный полярный круг

Таблица 10 - Значение показателя

N изолинии (рис.1.5)	Значение показателя для грунтов
Слабопучинистых	Пучинистых	Сильнопучинистых	Чрезмерно- пучинистых
I	0,70	1,40	2,10	2,80
II	0,60	1,25	1,85	2,50
III	0,55	1,10	1,65	2,20
IV	0,50	1,00	1,50	2,00
V	0,45	0,90	1,35	1,80
VI	0,40	0,80	1,20	1,60
VII	0,35	0,70	1,05	1,40
VIII	0,30	0,60	0,90	1,20
IX	0,25	0,50	0,75	1,00
X	0,20	0,40	0,60	0,80
Примечание. Группу грунта по степени пучинистости определяют с помощью табл.1 и 3.

 

Таблица 11 - Значение коэффициента

Грунт земляного полотна	Значение при (в см) и (в см)
= 0,5	= 1,0	= 1,5	= 2,0
0-50	51-100	>100	0-100	>100	0-100	>100	0-100	>100
Песок пылеватый	0,60	0,55	0,50	0,50	0,45	0,45	0,40	0,40	0,35
Супесь легкая	0,70	0,65	0,60	0,60	0,55	0,55	0,50	0,50	0,45
Супесь пылеватая	0,75	0,70	0,65	0,65	0,60	0,60	0,55	0,55	0,50
Суглинок легкий, суглинок легкий пылеватый	0,80	0,75	0,70	0,70	0,65	0,65	0,60	0,60	0,55
Суглинок тяжелый, суглинок тяжелый пылеватый, глина	0,85	0,80	0,75	0,75	0,70	0,70	0,65	0,65	0,60
Примечание. При промежуточных значениях принимают значение по интерполяции.

После завершения расчета толщины морозозащитного слоя по формуле (6) сравнивают полученное значение с назначенной величиной . Разница не должна быть более 5 см. В противном случае расчет повторяют.

Таблица 12 - Наименьшее возвышение поверхности покрытия

Грунт рабочего слоя	Наименьшее возвышение поверхности покрытия, м
	II	III	IV	V
Песок мелкий, супесь легкая крупная, супесь легкая	1,1/0,9	0,9/0,7	0,75/0,55	0,5/0,3
Песок пылеватый, супесь пылеватая	1,5/1,2	1,2/1,0	1,1/0,8	0,8/0,5
Суглинок легкий, суглинок тяжелый, глины	2,2/1,6	1,8/1,4	1,5/1,1	1,1/0,8
Супесь тяжелая пылеватая, суглинок легкий пылеватый, суглинок тяжелый пылеватый	2,4/1,8	2,1/1,5	1,8/1,3	1,2/0,8
Примечание. Над чертой - возвышение поверхности покрытия над уровнем грунтовых вод, верховодки или длительно (более 30 сут) стоящих поверхностных вод, под чертой - то же, над поверхностью земли на участках с необеспеченным поверхностным стоком или над уровнем кратковременно (менее 30 сут) стоящих поверхностных вод.

 

Рис.6 Номограмма для определения требуемого термического сопротивления дорожной одежды :

I-X - номера изолиний на карте (рис.1.5); 1 - кривая расчета для 1-го и 2-го типов увлажнения рабочего слоя земляного полотна; - глубина залегания расчетного УГВ от низа дорожной одежды, включая морозозащитный слой

 

Вывод по практической работе № 8. Указать, что выбранная конструкция дорожной одежды удовлетворяет проверке на морозоустойчивость.