Расчет теплоизоляционных слоев дорожной конструкции

4.29. Для определения толщины теплоизоляционных и конструктивных теплоизоляционных слоев необходим теплотехнический расчет дорожной одежды и земляного полотна. Рассчитывают конструкцию применительно к модели дорожной одежды и земляного полотна, представляющей собой трехслойное полупространство, состоящее из материалов (слоев) с различными теплофизическими свойствами. Средний слой, материал которого характеризуется более эффективными по сравнению с другими слоями теплозащитными свойствами, называется теплоизоляционным.

При многослойной конструкции слои, находящиеся над теплоизоляционным слоем, следует приводить к эквивалентному по теплофизическим характеристикам однородному слою, а слои, лежащие под теплоизоляцией, включая земляное полотно, - к эквивалентному однородному полупространству (см. п. 4.36).

4.30. Расчет теплоизоляционного слоя сводится к удовлетворению условия:

А(h + d) £ [А(h + d)], (4.5)

где А(h + d) - ожидаемая амплитуда колебания температуры поверхности земляного полотна (низа теплоизоляции), °С;

[А(h + d)] - то же, допускаемое, °С..

4.31. Допускаемое значение амплитуды годового колебания температуры поверхности земляного полотна

[А(h + d)] = t_п.ср + [t], (4.6)

где t_п.ср - среднегодовая температура поверхности покрытия в наиболее неблагоприятный год в районах, где преобладают положительные температуры, за период между капитальными ремонтами, °С (приложение 10);

[t] - допускаемая самая низкая отрицательная температура поверхности земляного полотна в расчетный год с учетом температуры замерзания грунта, °С.

Под наиболее неблагоприятным годом понимают год с максимальной суммой отрицательных температур поверхности покрытия за период между капитальными ремонтами дорожной одежды.

4.32 Допускаемая отрицательная температура поверхности земляного полотна

[t] = /c/ + /t_зам/ при t₁ = f([it]:t_пр.с), (4,7)

где t₁ - находят по графику (рис. 4.5);

t_зам - температура замерзания грунта, принимаемая для песков - минус 0,3°С, супесей - минус 0,6°С, суглинков - минус 1,0°С и для глин - минус 1,5°С.

При расчете теплоизоляционного слоя, предназначенного для полного предотвращения промерзания земляного полотна, принимают t₁ = 0°C.

4.33. Чтобы воспользоваться графиком (см. рис. 4.5), необходимо предварительно определить допускаемое значение произведения средневзвешенной отрицательной температуры t поверхности земляного полотна и продолжительности t его промерзания, используя равенство:

[t_t]=, (4.8)

где [z] - допускаемая глубина промерзания земляного полотна от низа теплоизоляционного слоя, м;

r - удельная теплота перехода воды в лед, принимаемая равной 335 000 Дж/кг;

W_т - влажность грунта при пределе текучести, доли единицы;

W_н - содержание незамерзшей воды, доли единицы;

g_м - плотность скелета мерзлого грунта, кг/м³;

l_м - коэффициент теплопроводности мерзлого грунта, Вт/(м×К).

4.34. Допускаемая глубина промерзания земляного полотна

[z] = l_доп/К_пуч, (4.9)

где l_доп - допускаемое пучение (см. п. 4.18);

К_пуч - коэффициент пучения грунта 3-го типа местности по условиям увлажнения (см. п. 4.22 и приложение 6), доли единицы.

Значения l_доп могут быть приняты меньшими по сравнению с указанными в п. 4.18, если при этом ровность поверхности покрытия обеспечит высокую экономическую эффективность работы транспортных средств, обращающихся по дороге. Но, поскольку снижение величины l_доп приводит, естественно, к удорожанию дорожной одежды, оптимальное значение l_доп должно быть определено на основании технико-экономического сравнения вариантов.

4.35 Левую часть неравенств (4.5) определяют по номограммам, связывающим следующие комплексы параметров:

; ; ; ; ; ; А_п = 0,5(t_п_max - t_п_min),

где h - толщина слоя, находящегося над теплоизоляцией, т. е. общая толщина слоев над теплоизоляцией при многослойной конструкции, м;

d - толщина теплоизоляционного слоя, м;

A_п - амплитуда годового колебания температуры поверхности покрытия, °С (см. приложение 10);

w- частота колебаний температуры, с^-1;

а₁, а₂ - коэффициенты температуропроводности материала, находящегося над теплоизоляцией и теплоизоляционного материала [a=l/(сg)], м²/с;

с_i - удельная теплоемкость материала Дж/(кг×К).

Рис. 4.5. График зависимости температур t₁/t_п.ср от [t_t]/t_п.ср для определения допускаемой суммы отрицательных температур за зиму на поверхности земляного полотна под теплоизоляцией

Рис. 4.6. Номограмма для расчета теплоизоляционных слоев дорожной конструкции при s₁/s₃ = 0,8 и N = A(h + d)/A_п при

При расчете теплоизоляционного слоя используют номограммы (рис. 4.6, 4.7). Предварительно вычисляют отношение A(h + d)/A_п, затем на нижней оси номограммы (см. рис. 4.6) находят точку, соответствующую величине A(h + d)/A_п = [A(h + d)]/A_п. Из этой точки ведут вертикаль до пересечения с лучом , откуда проводят горизонтальную пряную до кривой с заданным значением s₁/s₂. Из точки пересечения горизонтали с кривой s₁/s₂ опускают перпендикуляр на верхнюю ось абсцисс, отсекающий на ней отрезок . Зная величины а₂ и w = 2×10^{-7 с-1}, нетрудно вычислить толщину теплоизоляционного слоя d.

При расчете конструкций, для которых отношение . s₁/s₂ = s отличаемся от 0,8, наряду с номограммой (см рис. 4.6) используют другую номограмму (см рис. 4.7). В этом случае по предварительно полученной при s₁/s₃ = 0,8 (см рис. 4.6) величине и фактическому значению s₁/s₃ находят (см рис. 4.7) значение , а затем и величину d_s.

Искомая толщина теплоизолирующего слоя

d = К_тd_s, (4.10)

где К_т = 0,8 - коэффициент, учитывающий влияние теплового потока от грунтовых вод на промерзание конструкций.

Пользуясь номограммами (см. рис. 4.6, 4.7), можно определить любой другой комплекс показателей. В частности, можно найти ожидаемую амплитуду колебания температуры на нижней границе теплоизоляционного слоя A(h + d) при известных значениях остальных показателей, связанны; между собой номограммами.

4.36. При расчете теплоизоляционного слоя, укладываемого в многослойную дорожную конструкцию, се приводят к трехслойной модели следующим образом.

Слои, лежащие над теплоизоляцией, заменяют одним слоем, эквивалентным им по термическому сопротивлению и имеющим толщину h, равную сумме толщин этих слоев . Коэффициент теплопроводности такого эквивалентного слоя

l_э, (4.11)

где u - число слоев над теплоизоляцией, приводимых к эквивалентному;

i - номер слоя.

Плотность g_э и удельную теплоемкость с_э эквивалентного слоя определяют соответственно:

g_э, (4.12)

с_э, (4.13)

Слои, находящиеся под теплоизоляцией, объединяют с грунтом земляного полотна в одно эквивалентное полупространство.

Поскольку коэффициенты теплоусвоения s_i обычных дорожно-строительных слабосвязных материалов (пески, гравийные материалы и др.) существенно не различаются, значения теплофизических характеристик при определении амплитуды колебания температуры на нижней границе теплоизоляции принимают для эквивалентного полупространства такими же, как и для грунта. Значения температуры замерзания, W_т, W_н (см. п. 4.33) и g_i (см. п. 4.35) применительно к эквивалентному полупространству также принимают равными соответствующим значениям этих параметров для грунта.

4.37. Допустимая глубина промерзания эквивалентного полупространства

[z] = Sh_ст + l_доп/К_пуч, (4.14)

где Sh_ст - общая толщина слоев из стабильных материалов, находящихся между нижней границей теплоизоляции и поверхностью земляною полотна.

Рис. 4.7. Номограмма для определения толщины теплоизоляционного слоя

Таблица 4.3

Покрытие	l_др, см	Уклон i_доп, %о, для категории дороги
I	II	III
Монолитный цементобетон		0,5	1,0	1,0-2,0
Горячий асфальтобетон марок I-II		2,0	2,5	3,0
Горячий асфальтобетон марки III		-	4,0	5,0

Примечание. Уклон равный 1 %о соответствует неравномерному пучению 1 мм/м.

4.38. В соответствии с п. 4.4 следует проверить по формуле (4.1) условия обеспечения морозоустойчивости конструкции, содержащей теплоизоляционный слой. При этом глубину z промерзания от поверхности покрытия и общую приведенную толщину z_1,э слоев из стабильных материалов, включая толщину теплоизоляции, принимают:

z = Sh_ie_i + de_и + [z]; z_1,_э = She_i + de_и; (4.15)

при a_з.п = [z]²/(2t), (4.16)

t, (4.17)

где e_i, e_и - эквиваленты соответственно по теплотехническим свойствам материалов слоев (см. приложение 9, табл. 32), находящихся над теплозащитой, и теплоизоляционного материала по отношению к уплотненному щебню;

a_з.п - показатель, зависящий от скорости и глубины промерзания земляного полотна, который определяют по формуле (4.16);

t - продолжительность промерзания земляного полотна в часах, определяемая по формуле (4.17).

Величину [А(h + d)] находят по формуле (4.6).

4.39. При проектировании сопряжения смежных участков, на концах которых ожидается разное пучение, длину L (в метрах) переходной клиновидной конструкции из стабильного или теплоизоляционного материала следует определять по формуле:

L = 10l_др/l_доп, (4.18)

где l_др - допустимая разность пучения на концах сопрягаемых участков (табл. 4.3), см;

l_доп - допускаемый продольный уклон поверхности покрытия переходного участка, образующийся в результате зимнего пучения (см. табл. 4.3), %о.

4.40. Толщину теплоизоляционного или морозозащитного слоя на концах переходного участка следует назначать с таким расчетом, чтобы пучение здесь не превосходило ожидаемого поднятия покрытия (на сопрягаемых участках) и не было больше допустимого.