Материал: 2316

влажность грунта, принимаемый по графикам [65]; – коэффициент,

учитывающий интенсивность оттаивания материала дорожной одежды. Третий этап. Если основание представлено в виде двухслойной кон-

струкции, мощность деятельного слоя Hдс = Hk определяется методом

эквивалентных слоев по формуле (3.4). При многослойной конструкции количество слоев увеличивается с сохранением структуры формулы (3.5).

Четвертый этап. Относительная осадка грунта основания после его оттаивания под нагрузкой определяется согласно СНиП 2.02.04-88*(СП 25.13330.2014) [ 117]. В качестве грунта основания принимается грунт деятельного слоя. При наличии в основании глинистых грунтов с крупнообломочными включениями относительную осадку корректируют с помощью коэффициентов по ВСН 84-89 [65, прил.4, табл. 1].

Пятый этап. Строительная осадка, зависящая от сезона производства земляных работ, определяется согласно ВСН 84-89 [65, прил.7]. В расчетах строительной осадки грунтов основания при сооружении насыпей следует учитывать время производства работ (лето, зима) и технологию возведения земляного полотна (на полную высоту или послойно).

Результатом расчета по блок-схеме является минимальная рекомендованная высота насыпи по первому или второму принципу расчета. Автоматизация расчетов позволяет упростить проектирование конструкций земляного полотна в условиях распространения ММГ и осуществлять обоснованный выбор из многих вариантов конструкций.

Исследования, связанные с расчетом дорожных конструкций на ММГ, являются достаточно актуальными в настоящее время. Авторы [8,60] рассматривают проблемы обоснования эффективных дорожных конструкций на ММГ с позиций термической (тепловой) устойчивости основания земляного полотна. С.М. Жданова [60], анализируя состояние теплового равновесия для верхнего слоя вечной мерзлоты, формулирует условия состояния мерзлотного процесса через отношение глубины зим-

1. Дальнейшее развитие и обоснование данного подхода представле-

но в работах [8,108]. Авторами предложена методика оценки условий стационарности массива многолетнемерзлого грунта, при которой обеспечивается устойчивость земляного полотна. Авторы [8], опираясь на работы

81

Н.А. Цытовича [141], П.И. Мельникова [84], условие устойчивости формулируют следующим образом: тепловое состояние массива мерзлого грунта устойчиво, если оттаивающий летом слой грунта полностью промерзает зимой.

Аналитическое представление этого условия в работе [84] имеет вид

дений обосновали, что «межгодовая изменчивость сезонного оттаивания при относительной стабильности компонентов природного комплекса не

выходит за пределы 20 − 30 %». Приняв линейную зависимость между количеством тепла, поступившего за сезон промерзания (оттаивания)

, и глубиной промерзания (оттаивания) грунта деятельного слоя, авторы [8] приходят к следующим выражениям для условия тепловой устойчивости земляного полотна на ММГ:

где – соответственно величины промерзания и оттаивания грунта деятельного слоя, м.

ным индексом. Эту величину можно считать постоянной для данной территории на продолжительном промежутке времени, на котором существенно не меняется климат.

Условия (3.10) − (3.12) после подстановок и преобразований представлено в виде нестрогого неравенства:

Выражение (3.13) авторами методики [8] принято в качестве критерия естественной тепловой (термической) устойчивости многолетнемерзлого

82

грунта, находящегося в основании насыпного сооружения (насыпи, дамбы, промышленной площадки, дорожного земляного полотна и т.д.).

Данный критерий дает возможность, исходя из значения климатического индекса I, на стадии проектирования прогнозировать тепловую устойчивость многолетнемерзлого грунта, находящегося в основании насыпи. При этом должны учитываться теплофизические свойства грунтов и материалов вышележащих конструктивных слоев.

Анализ изменения значений теплофизических характеристик талых и мерзлых грунтов в зависимости от их влажности свидетельствует о необходимости учёта не только их коэффициентов теплопроводности, но и их объёмной теплоёмкости. Это реализуется через температуропроводности грунта в талом и мерзлом состояниях соответственно αт и αм, м2/ч, определяемых по общей формуле

где λ – коэффициент теплопроводности, Вт/м * оС (ккал/м*ч*оС); С – объёмная теплоёмкость, кДж/м * оС (ккал/м3*оС).

В результате формула критерия тепловой устойчивости мёрзлого основания с учетом выражений (3.13) и (3.14) в уточнённом виде может быть записано как

Выражение (3.15) не учитывает общее термическое сопротивление многослойной конструкции R, которое определяют по формуле

где h1,…, hn – толщины слоёв многослойной конструкции с коэффициентами теплопроводности λ1,…, λn; Rп = 1/а – сопротивление теплопередаче

поверхности (оС*м2*ч/ккал); а − коэффициент теплоотдачи от воздуха к

поверхности грунта или дорожного покрытия (в среднем равный 20 ккал/м2 * ч * оС).

Суммарное термическое сопротивление ΣRα , учитывающее теплоемкость грунтовых и конструктивных слоёв через коэффициент температуропроводности α, без учета коэффициента теплоотдачи от воздуха к поверхности покрытия, определяют по формуле

83

где h1,…, hn – толщины слоёв многослойной конструкции с соответствующими коэффициентами температуропроводности α1,…,αn .

Таким образом, условие тепловой устойчивости многолетнемерзлого основания под насыпными инженерными сооружениями (дорожными насыпями, промышленными площадками, дамбами и т.д.) представлено в [108] в следующем виде:

где ΣRαт и ΣRαм – общие (суммарные) термические сопротивления всех слоев дорожной конструкции (земляное полотно + дорожная одежда) соответственно в талом и мёрзлом состояниях.

На основе данной методики выполнено моделирование конструкций земляного полотна с разными параметрами конструктивных слоев [108] и разработана программа для ЭВМ «Система автоматизированного проектирования земляного полотна автомобильных дорог в сложных условиях «Permafrost» [115]. Методы расчета глубины сезонного оттаивания и промерзания многослойной системы из слоёв дорожной конструкции и грунтового основания разработаны авторами [8] на основе решений Г.М. Фельдмана [136].

Глубину сезонного оттаивания грунтовых слоёв дорожной насыпи и её основания определяют по формуле

, (3.19)

где − время, год в часах (8760 ч) ; q − количество скрытой теплоты фа-

Глубину сезонного промерзания многослойной системы из слоёв дорожной насыпи и грунтового основания определяют по формуле

84