Determination of parameters of anti-heave structures of the subgrade taking into account the freezing system

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Морозное пучение – это актуальная проблема при строительстве наземных и подземных сооружений в зонах с сезонным промерзанием грунтов. Данное явление представляет собой внутриобъемное деформирование грунтов, приводящее к увеличению их объема вследствие кристаллизации поровой и мигрирующей воды с образованием кристаллов и линз льда [1].

Основным критерием оценки степени пучинистости грунта является коэффициент пучения (относительная деформация морозного пучения ε_fh [2]), который определяется экспериментальным методом, описанным в ГОСТ 28622-2012 [1]. Грунт считается пучинистым, если коэффициент пучения K_пуч ≥ 0,01 [2].

На дорогах пучение проявляется в виде пучинных горбов, впадин, перепадов, а также перекосных и односторонних пучин [3]. При проектировании нового или реконструкции существующего земляного полотна в нормативной документации морозное пучение принято оценивать высотой морозного пучения h_пуч, которая не должна превышать допустимых значений $\left[h_{\text{пуч}}\right]$, т.е. условием допустимости величины морозного пучения земляного полотна является критерий

$h_{пуч}\le \left[h_{\text{пуч}}\right]$, (1)

h_пуч – высота морозного пучения;

$\left[h_{\text{пуч}}\right]$ – допустимое значение высоты морозного пучения, для железных (табл. 1) [4] и автомобильных (табл. 2) дорог [5].

 

Таблица 1. Допустимая высота равномерного морозного пучения на железных дорогах

Категория дороги	Скоростная, пассажирская	Особогрузо-напряженная	I и II	III	IV
Высота пучения	10 мм	15 мм	20 мм	25 мм	35 мм

 

Таблица 2. Допустимая высота равномерного морозного пучения на автомобильных дорогах

Тип дорожных одежд	Вид покрытия	Допустимая величина морозного пучения
Капитальные	Асфальтобетонное	40 мм
Облегченные	Асфальтобетонное	60 мм
Переходные	Переходное	100 мм

 

Высота морозного пучения определяется зависимостью

$h_{пуч}=K_{пуч}·H_f$, (2)

h_пуч – высота морозного пучения;

K_пуч – коэффициент морозного пучения (относительная деформация морозного пучения ε_fh [2]);

H_f – глубина промерзания грунта.

Следует отметить, что земляное полотно представляет собой неоднородный по глубине массив грунтов, поэтому при расчете высоты морозного пучения необходимо учитывать деформацию каждого залегаемого слоя грунта, расположенного под основной площадкой земляного полотна. Исходя из этого, формула (2) будет иметь вид

$h_{пуч}={\sum }_{i=1}^{N-1}{K}_{пуч}^i·H_1+K_{пуч}^N·H_N$, (3)

N – количество слоев грунта;

$K_{пуч}^i$ – коэффициент пучения грунта в i -м слое;

$H_i$ – толщина i -м слоя;

$K_{пуч}^N$ – коэффициент пучения грунта в N -м слое;

$H_N$ – толщина промерзшей части (нижнего) N -го слоя.

Среди многочисленных факторов, влияющих на процесс морозного пучения, одним из ключевых является режим промерзания грунтов. Главным образом, он характеризуется глубиной залегания грунтовых вод. Принято различать две схемы промерзания – закрытая система и открытая.

В данной работе предлагается усовершенствованный дифференцированный подход к оценке параметров морозного пучения с учетом системы промерзания грунтов земляного полотна.

ЗАКРЫТАЯ СИСТЕМА ПРОМЕРЗАНИЯ

Закрытая система встречается, как правило, в насыпях высотой более двух метров, где залегание грунтовых вод находится ниже подошвы насыпи на высоту капиллярного поднятия воды. При этом внешний приток воды в зону промерзания отсутствует, а процесс морозного пучения происходит за счет влаги, содержащейся в порах грунта внутри этой зоны. Миграция воды при промерзании грунта здесь происходит внутри этой зоны и аккумулируется в ее верхней части. В [6] предложен метод определения коэффициента морозного пучения при закрытой системе примерзания с учетом идеализации перераспределения влаги внутри зоны промерзания грунта, представленной на Рис. 1.

 

Wcr – критическая влажность; W0 – предзимняя влажность грунта; Wsat – влажность полностью водонасыщенного грунта; Hsat – глубина зоны аккумуляции воды до полного водонасыщения; Hf – глубина промерзания грунта.

Рис. 1. Схема перераспределения влаги в зоне промерзания

 

Коэффициент пучения в этом случае определяется формулой [6]

 

$K_{пуч}^{з}=\mathrm{0,09}·\frac{{\rho }_d}{{\rho }_w}·\left(W_{sat}-W_{нз}\right)·S_{cr}$, (4)

ρ_d – плотность сухого грунта;

ρ_w – плотность воды;

W_sat – влажность полностью водонасыщенного грунта;

W_нз – доля незамерзшей воды (5);

S_cr – показатель пучения (параметр, введенный в [6]) (6).

Доля незамерзшей воды определяется выражением

 

$W_{нз}=k_w·W_p$, (5)

k_w – коэффициент, зависящий от числа пластичности грунта и температуры мерзлого грунта [2];

W_p – влажность на границе пластичности (раскатывания).

 

Показатель пучения S_cr характеризует степень пучения грунта относительно максимальных значений, реализуемого при полном влагонасыщении [6] и определяется формулой

 

$S_{cr}=\frac{W_0-W_{cr}}{W_{sat}-W_{cr}}$, (6)

W₀ – предзимняя влажность грунта;

W_cr – эмпирический параметр критическая влажность грунта, при которой в нем прекращается перераспределение влаги, вызывающее морозное пучение [7];

W_sat – влажность полностью водонасыщенного грунта.

 

Полученные значения параметров коэффициента пучения K_пуч и глубины промерзания грунта H_f подставляются в выражение (2). В случае невыполнения критерия (1) принимается решение о проектировании противопучинных мероприятий, выбор которых зависит от причин образования деформаций [1], либо требований к категории вновь строящегося земляного полотна и технико-экономического обоснования.

Как следует из Рис. 1, вышеприведенная оценка коэффициента пучения (4,6) имеет смысла при условии W₀ > W_cr, когда показатель пучения S_cr изменяется строго в пределах от 0 до 1. Если W₀ ≤ W_cr, то, согласно определению понятия критической влажности, перераспределение влаги не происходит, и все вышеприведенные рассуждения теряют смысл.

Поэтому рассмотрим отдельно этот редко встречаемый на практике случай, когда предзимняя влажность W₀ не превосходит критическую W_cr.

При отсутствии миграции воды, находящейся в порах грунта, и в предположении одномерности деформации грунта (Рис. 2), коэффициент пучения можно представить следующим выражением

 

$K_{пуч}^{з}=\frac{\Delta V}{V_s+V_n}$, (7)

 

ΔV – приращение объема грунта при пучении;

V_s – объем твердых частиц грунта;

V_n – объем пор грунта.

 

а) – до начала пучения; б) – после завершения пучения

Рис. 2. Схема приращения объема воды в порах при замерзании в отсутствие криогенной миграции влаги в зоне промерзания

 

В соответствии с Рис. 2, приращение объема грунта при пучении имеет вид

$\Delta V=V_w+\Delta V_w-V_n$, (8)

 

V_m – объем воды в грунте;

ΔV_m – приращение объема замерзшей воды (9).

 

$\Delta V_w=\mathrm{0,09}·(V_w-V_{нз})$, (9)

 

V_нз – доля незамерзшей воды.

Подставляя (8) и (9) в (7) получим

 

$K_{пуч}^{з}=\frac{V_w+\mathrm{0,09}·(V_w+V_{нз})-V_n}{V_s+V_n}$, (10)

 

Поделив числитель и знаменатель в (10) на V_n и сделав необходимые преобразования, окончательно получим

 

$K_{пуч}^{з}=\frac{e}{1+e}\left(\frac{{\rho }_s}{{\rho }_w}·\frac{\mathrm{1,09}·W_0-0,09·W_{нз}}{е}-1\right)$, (11)

 

Выражение (11) определяет коэффициент пучения при закрытой системе промерзания грунта, если его предзимняя влажность W₀ не превосходит критическую W_cr. Разумеется, если результат вычислений по формуле (11) окажется отрицательным, то это означает, что пучение грунта в этом случае отсутствует.

ОТКРЫТАЯ СИСТЕМА ПРОМЕРЗАНИЯ

Открытая система предполагает близкое расположение грунтовых вод к фронту промерзания, а расстояние между ними не превышает высоты капиллярного поднятия. В этом случае, согласно закону о миграции (подтягиванию) воды к фронту промерзания, происходит постоянный приток воды в зону фазовых переходов, приводящий к появлению ледяных включений в виде линз и других образований. Как следствие, объем замерзшей воды может в разы превышать исходный объем пор, а морозное пучение развивается непрогнозируемо. Из чего следует, что априорная оценка коэффициента морозного пучения по условию (1) не корректна.

В данном случае более естественным выглядит критерий, приводящий к полному выведению зоны интенсивного морозного пучения из глинистых грунтов земляного полотна и его основания. В качестве такого критерия можно принять следующее условие

 

T < T_пуч, (12)

 

T – температура грунта земляного полотна;

T_пуч – температура начала интенсивного морозного пучения.

Температурой начала интенсивного пучения считается такая температура, при которой в грунте развиваются усилия, достаточные для поднятия верхнего строения пути с защитным слоем из дренирующего грунта.

Применение критерия (12) предполагает экспериментальное определение температуры начала интенсивного морозного пучения T_пуч в зависимости от характеристики, отражающую способность грунта удерживать воду – числа пластичности I_p.

В рамках данной работы определение величины T_пуч было проведено лабораторным путем [8] с использованием установки ГТ 1.1.8 (Рис. 3), позволяющей варьировать температуру промерзания образца грунта.

Лабораторные испытания проводились следующим образом.

Глинистый грунт, с приложенной к нему вертикальной нагрузкой 20 кПа, выдерживался в холодильной камере до стабилизации в нем температуры, равной +1 ⁰С. Затем производилось поэтапное промораживание образца грунта, которое предполагало понижение температуры промерзания с шагом 0,10 ⁰С до появления вертикальных деформаций пучения в образце грунта.

 

Рис. 3. Прибор ГТ 1.1.8 для определения степени морозного пучения

 

На Рис. 4 приведены результаты экспериментов по определению параметра T_пуч для глинистых грунтов:

• число пластичности I_p, изменяется в интервале от 0,04 до 0,23;
• коэффициент пористости e, варьируется в пределах от 0,6 до 1,0.

Результаты экспериментов показывают, что температура интенсивного морозного пучения T_пуч и число пластичности грунта I_p имеют устойчивую линейную корреляцию, достаточную для проведения априорного расчета параметров противопучинных конструкций. Для более точных расчетов рекомендуется в каждом конкретном случае уточнение параметра T_пуч лабораторным путем.

 

Число пластичности I_p, д.е.

Рис. 4. Зависимость экспериментальных значений температуры начала интенсивного морозного пучения от числа пластичности глинистого грунта

 

Резюмируя вышесказанное, предлагаемый метод определения параметров противопучинных конструкций на земляном полотне железных, рекомендуется выполнять по следующему алгоритму:

• сначала определяется система промерзания грунтов земляного полотна;
• при закрытой системе оценка величины пучения для обоснования необходимости использования противопучинных мероприятий и, при необходимости, для дальнейшего определения их параметров производится с использованием коэффициента пучения, определяемого по формулам (4) или (11);
• при открытой системе промерзания обоснование параметров противопучинных конструкций выполняется по условию полного выведения зоны интенсивного морозного пучения из грунтов основной площадки земляного полотна в соответствии с критерием (12).

Для оценки эффективности предлагаемого метода, ниже приводятся результаты сопоставительных расчетов (Табл. 3, 4) определения толщины теплоизолирующего покрытия из пенополистирола, укладываемого на основную площадку земляного полотна, с использованием вышеизложенного дифференцированного подхода и существующих утвержденных методик [3, 9]. Расчеты с дифференцированием систем промерзания проводились для климатических условий Юга Западной Сибири с помощью программы Freeze-1 [10], в которой полностью реализован предложенный алгоритм.

Из приведенных таблиц хорошо видна разница в оценках необходимой толщины пенополистирола, сделанных с помощью нормативных документов [3, 9] и по предлагаемой методике. В первом случае (Табл. 3) расчетная толщина пенополистирола по существующим методикам варьирует в пределах от 10 до 13 см, в то время как предлагаемая методика дает значения от 4 до 7 см. Во втором случае, при толщине защитного слоя 0,6 м (Табл. 4), аналогичные значения варьируют от 6 до 8 см при нормативных расчетах и от 2 до 4 по предлагаемой методике.

Таким образом, предложенная методика к определению параметров противопучинных конструкций, по сравнению с принятыми методиками, позволяет значительно (в 2–2,5 раза) снизить расход пенополистирола при проектировании противопучинных мероприятий.

 

Таблица 3. Расчетные значения толщины пенополистирола (с учетом смятия) в сантиметрах при толщине защитного слоя 0,05 м, полном водонасыщении грунтов и различных значениях коэффициента пористости

Методика	е	Толщина пенополистирола, см
		Ip=0,06	Ip=0,10	Ip=0,13	Ip=0,16	Ip=0,20
ЦПИ-24	–	14
Инструкция [9]	0,60	13	11	10	-	-
	0,70	-	13	12	12	11
	0,85	-	-	-	13	13
Закрытая система (Freeze-1)	0,60	5	5	4	4	4
	0,70	5	5	4	4	4
	0,85	5	5	4	4	4
Открытая система (Freeze-1)	0,60	6	7	4	4	4
	0,70	6	7	7	7	6
	0,85	6	6	6	6	5

 

Таблица 4. Расчетные значения толщины пенополистирола (с учетом смятия) в сантиметрах при толщине защитного слоя 0,60 м, полном водонасыщении грунтов и различных значениях коэффициента пористости

Методика	е	Толщина пенополистирола, см
		Ip=0,06		Ip=0,10		Ip=0,13		Ip=0,16		Ip=0,20
ЦПИ-24	–	7
Инструкция [9]	0,60	8	7		6		-		-
	0,70	-	8		7		7		6
	0,85	-	-		-		8		8
Закрытая система (Freeze-1)	0,60	2	2		2		2		2
	0,70	2	2		2		2		2
	0,85	3	2		2		2		2
Открытая система (Freeze-1)	0,60	3	4		3		2		2
	0,70	3	3		4		4		3
	0,85	3	3		3		3		3

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Представлен метод расчета параметров противопучинных конструкций земляного полотна, в основе которого лежит дифференцированный подход с учетом особенностей протекания процесса морозного пучения при различных режимах промерзания грунта.
2. Критерии оценки характеристик морозного пучения (1) и (7) основываются на результатах экспериментальных исследований, обосновывающих их достоверность и применимость при проектировании противопучинных конструкций.
3. Предложенный метод показал более высокую точность расчетов параметров противопучинных конструкций по сравнению с принятыми методиками, снижая расход материалов и объем трудозатрат на противопучинные мероприятия при строительстве и эксплуатации земляного полотна.

About the authors

Alexander L. Isakov

Siberian Transport University

Author for correspondence.
Email: mylab.alex@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-8093-6826

Doctor of Technical Sciences, Professor

Russian Federation, Novosibirsk

Stepan I. Bukhov

Siberian Transport University

Email: bsybuhov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9900-0021

postgraduate

Russian Federation, Novosibirsk

References

Supplementary files