Пособие по проектированию методов регулирования водно-теплового режима верхней части земляного полотна (к СНиП 2.05.02-85)

 7. ПРОЕКТИРОВАНИЕ МОРОЗОЗАЩИТНЫХ,
ДРЕНИРУЮЩИХ И ТЕПЛОИЗОЛИРУЮЩИХ СЛОЕВ

7.1. Толщину морозозащитного слоя из некондиционных песков проектируют так, чтобы обеспечить морозоустойчивость дорожной одежды благодаря замене глинистых грунтов менее пучинистыми некондиционными песками. Толщина морозозащитного слоя должна быть также достаточной, чтобы обеспечить размещение поступающей в конструкцию воды без снижения прочности дорожной одежды при условии работы этого слоя по принципу поглощения.

Для устройства морозозащитного слоя можно применять некондиционные пески, которые удовлетворяют трем основным требованиям. Во-первых, коэффициент пучения песка должен быть таким, чтобы пучение покрытия не превышало допускаемой величины. При этом чем толще морозозащитный слой, тем может быть больше коэффициент пучения песка. Во-вторых, расчетные значения угла внутреннего трения и удельного сцепления в песке должны быть такими, чтобы не происходило сдвига в этом песке под действием транспортной нагрузки. Указанные прочностные характеристики нужно устанавливать с учетом длительного размещения в порах песка морозозащитного слоя свободной воды. В-третьих, коэффициент фильтрации песка должен быть таким, чтобы не происходило образования слоя воды под дорожной одеждой, а атмосферные осадки, поступающие через покрытие проезжей части в морозозащитный слой, полностью впитывались в поры песка этого слоя.

7.2. При устройстве земляного полотна морозозащитный слой в насыпи располагают на всю ширину земляного полотна для того, чтобы обеспечить условия для испарения воды через откосы.

В случае расположения морозозащитного слоя в зоне капиллярной каймы над горизонтом грунтовых вод в течение всего года (в том числе и в летний период) практически исключается отток воды из этого слоя в нижележащий грунт. При таких условиях морозозащитный слой может быть на длительное время полностью заполнен водой в результате притока атмосферных осадков и поступления влаги из нижележащего грунта. Для того чтобы этого не произошло, следует предусматривать устройство дренирующей прослойки из нетканых синтетических материалов для отвода свободной воды из морозозащитного слоя. Такую прослойку укладывают под морозозащитный слой на всю ширину земляного полотна с выпуском полотнищ на откосы насыпи.

В выемках морозозащитный слой устраивают на ширину проезжей части с трубчатыми дренами под краевыми полосами при 1-м и 2-м типах увлажнения земляного полотна; при 3-м типе морозозащитный слой нужно располагать на всю ширину земляного полотна между подкюветными дренажами. В западных районах (западнее линии Нарва-Псков-Смоленск-Орел-Воронеж) II-III дорожно-климатических зон нужно предусматривать устройство дренирующей прослойки из нетканых синтетических материалов для предохранения морозозащитного слоя от притока воды сверху в период зимних оттепелей. В насыпи такую прослойку располагают над морозозащитным слоем на всю ширину земляного полотна, в выемке - между дренами.

7.3. В зависимости от источников поступления воды в морозозащитный слой в осенне-зимний период можно выделить три схемы расчета пучения песков этого слоя. Первая схема применяется при увлажнении песков морозозащитного слоя только атмосферными осадками, вторая - при поступлении в этот слой поверхностных и грунтовых вод и верховодки, третья - при горизонте грунтовых вод и верховодки выше отметки низа морозозащитного слоя.

Первая схема расчета пучения грунта соответствует 1-му типу увлажнения рабочего слоя земляного полотна (см. прил.1). Эта же схема расчета применяется при 2-м и 3-м типах увлажнения рабочего слоя земляного полотна при условии, что расстояние (по вертикали) от горизонта поверхностных или грунтовых вод или верховодки до низа морозозащитного слоя больше величины капиллярного поднятия воды в песке.

При расчете пучения песка по первой схеме вначале устанавливают максимальное количество воды, которое может просочиться из морозозащитного слоя  в нижележащий глинистый грунт. При устройстве морозозащитного слоя на всю ширину земляного полотна расчет проводят по формуле     

,                     (78)

где - максимально возможная величина оттока воды из морозозащитного слоя в нижележащий глинистый грунт (средневзвешенное значение по ширине земляного полотна) в осенний период влагонакопления и часть зимы до промерзания песка упомянутого слоя, м на 1 м; - ширина проезжей части, м; - ширина обочины, м; - ширина земляного полотна под морозозащитным слоем, м; - испарение воды из морозозащитного слоя через откосы земляного полотна в осенний периодвлагонакопления и часть зимы до устойчивого промерзания грунта, м на 1 м; - протяженность зоны испарения воды из морозозащитного слоя по высоте откоса насыпи, м.

Величину определяют по формулам (23) и (24) за последний осенний месяц. При этом в расчет по формуле (23) дополнительно вводят коэффициент для учета испарения воды до и после расчетного месяца.

Величина равна , где - высота капиллярного поднятия воды в песке, м, но не более толщины морозозащитного слоя; - заложение откосов насыпи. Величину можно принимать равной , где - среднеарифметическое значение удельных движущих сил менисков воды в песке морозозащитного слоя по табл.7.

Затем определяют по номограмме (см. рис.6) или по формулам (28)-(33) глубины ; ; ; , на которые просачивается вода соответственно в I, II, III и IV группах капилляров глинистого грунта от низа морозозащитного слоя на различные моменты времени, но не более чем за срок, равный 30 сут, плюс период запаздывания промерзания некондиционных песков [формула (45)].

В расчет вводят величины , , , , , , , , где ; ; ; . В свою очередь , , , , , , , - характеристики глинистого грунта под морозозащитным слоем.

По данным таких расчетов устанавливают по формуле (34) объемы воды , которые поступают в грунт на различные моменты времени.

За искомые глубины , , , принимают глубины, полученные на момент времени, соответствующий началу промерзания морозозащитного (дренирующего) слоя при условии, что объем воды, поступившей в грунт , менее величины . В противном случае за искомые принимают глубины, при которых имеет место равенство величин .

После этого устанавливают величину оттока воды из морозозащитного слоя в нижележащий глинистый грунт в осенний период влагонакопления и часть зимы до промерзания песка упомянутого слоя , м на 1 м. При имеем ; при имеем ( - объем воды, который может поступить в грунт за срок, равный 30 сут, плюс период запаздывания промерзания морозозащитного слоя). При 2-м и 3-м типах увлажнения рабочего слоя земляного полотна следует принимать величину , после чего задаются толщиной морозозащитного слоя не менее 0,2 м и определяют среднюю по высоте влажность песка , доли единицы, перед его промерзанием в расчетный период. Расчет проводят по формуле

,      (79)

где - максимальная плотность скелета песка при оптимальной влажности, установленная по методу стандартного уплотнения, кг/м; - нормативный коэффициент уплотнения песка, безразмерная величина; - толщина морозозащитного слоя из песка, м.

Для морозозащитного слоя, устраиваемого только в пределах проезжей части с трубчатыми дренами под краевыми полосами, расчет по формуле (79) проводят при и . Затем нужно определить величину пучения песка морозозащитного слоя. Расчет проводят применительно к четырем типам эпюр влажности песка перед промерзанием морозозащитного слоя (рис.14).

Рис.14. Типы эпюр влажности песка перед промерзанием морозозащитного слоя
а - от до ; б - ; в - от до ; г - от до

Эпюра влажности песка типа "а" применяется при . Эпюра состоит из двух участков по глубине. На первом (верхнем) участке влажность песка равна оптимальной, на втором - капиллярной влагоемкости.

Толщину слоя песка , м, с влажностью, равной капиллярной влагоемкости, на втором участке определяют по формуле