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 WР (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.