Задание №4 Разработка системы водоотвода на заданном участке дороги (проектирование водоотводной канавы)

Система водоотвода состоит из ряда сооружений и отдельных конструктивных мероприятий, предназначенных для перехвата и отвода воды, поступающей к земляному полотну, или для преграждения доступа воды в верхнюю часть земляного полотна.

Для отвода воды вдоль дороги устраивают боковые водоотводные канавы и нагорные канавы, перехватывающие воду, стекающую по склонам местности к дороге. Боковые канавы (кюветы) устраивают в выемках и у насыпей высотой 1,0 – 1,2 м. Эти канавы служат для отвода воды, стекающей во время дождя и таяния снега с поверхности дороги и прилегающей к ней территории.

При водонепроницаемых грунтах и малоудовлетворительных условиях поверхностного стока боковым канавам придают трапецеидальное сечение с шириной по дну 40 см и глубиной 70-80 см, считая от бровки насыпи. Откосам канав придают крутизну 1 : 1,5, а у насыпей внутренний откос канав имеет крутизну 1:3.

Поверхностные воды притекают к рассматриваемому участку дороги с некоторой площади, называемой водосборным бассейном. Бассейн оконтурен водоразделом, т.е. линией, от которой сток воды происходит в обе стороны.

Рисунок 4.1 - Поперечные сечения кюветов и схема малого водосборного

бассейна

1 – общий водораздел; 2 – местные водоразделы

Площадь бассейна делится на две части: с площади а стекает вода по тальвегу непосредственно к водопропускному сооружению и по водоотводным канавам не проходит; с площади б и поверхности дороги вода притекает сначала к канавам, а по ним уже к трубам или малым мостам.

Границы водораздела устанавливаются по карте с горизонталями. Водоразделы, окаймляющие площадки б, которые питают канавы, проводятся в виде наклонных линий, перпендикулярных к горизонталям на плане бассейна.

Из двух возможных видов стока воды (ливневых и талых вод) наиболее опасным для канав является ливневый. Особенность стока с малых площадей является постоянный расход в течение весьма длительного времени. При этом ливневые воды притекают по почти треугольному гидрографу.

Для того, чтобы быстро отвести воду, боковым канавам придают продольный уклон не менее 5 ‰.

В задании необходимо определить:

1. Границы водосборов и их основные характеристики (нанести границы водосбора на топографическую основу) и определить расчетные расходы ливневого стока

2. Определить параметры водоотводного сооружения (выполнить гидравлический расчет)

3. Назначить тип укрепления канав

Последовательность расчета

Намечаемые водоотводные сооружения наносятся на развернутый план дороги и определяются расчетные расходы ливневых вод.

Рисунок 4.2 – Водосборная площадь канавы

Уклон водоотводных и напорных канав определяют по плану в горизонталях после назначения вида водоотводных сооружениях и нанесения их осей на плане дороги. Каждый нижерасположенный участок канавы должен иметь равный или больший продольный уклон, чем вышележащий. Во всех случаях продольный уклон канав должен быть не менее 5‰, в исключительных случаях 3‰. Для нагорных и водоотводных канав ширину по дну принимают - 0,6м; для кюветов - 0,4м.

Глубину потока определяют по расчетному расходу, продольному уклону дна, состоянию поверхности дна и стенок русла (коэффициенту шероховатости n) методом подбора.

Для этого:

а) задаемся глубиной потока воды в канаве (h);

б) задаем тип укрепления в зависимости от продольного уклона, вида грунта, допускаемой неразмывающий скорости материала укрепления и возможности его применения;

в) определяем площадь живого сечения канавы ω, смоченный периметр χ; гидравлический радиус R; коэффициент шероховатости n; скоростную характеристику W; среднюю скорость V и расход воды Q= ω*V.

г) сравниваем полученный расход с расчетным. Если разница более 5% от расчетного расхода, принимается новые значения глубины потока до значений, когда разница расходов не превышает 5%.

д) назначаем глубину канавы Н=h+0,2м. Сечение канавы можно изменять только за счет ее глубины.

Пример расчета:

Определить размеры кювета у насыпи дороги 4 технической категории, расположенного на участке ПК 284+00-ПК285+50.

Грунт – супесь пылеватая,

Область проектирования – Норильская

1. Определение расчетных расходов ливневого стока

Найдем расчетный расход от ливневых вод, используя формулу:

() (4.1)

где - интенсивность ливня часовой продолжительности, мм/мин,(принимаем по таблице 9.3[2])

- коэффициент перехода от интенсивности ливня часовой продолжительности к интенсивности ливня расчетной ;продолжительности наиболее опасного расчетного дождя (таблица 9.4[2]);

F – площадь водосборного бассейна, (в нашем примере F=0,042км²);

коэффициент потерь стока, зависящий от типа почв (таблица 9.2 [2]);

коэффициент редукции, учитывающий неполноту стока()

Рисунок 4.3 - План водосбора

Для очень коротких участков бассейнов устанавливается «полный сток», при котором ,,. Отсюда

,(4.2)

Номер ливневого района найдем по [2] стр. 159

Ливневый район №1.

Вероятность превышения расчетного паводка ВП= 4% (стр. 143[2]).

Отсюда интенсивность ливня часовой продолжительности:

Малые искусственные сооружения обычно рассчитывают на пропуск лишь части расчетного ливневого расхода. На пропуск полного ливневого расхода их следует рассчитывать при продолжительности расчетного ливня 5 мин и менее.

2. Определение параметров водоотводного сооружения

(гидравлический расчет)

• Уклон дна канавы принимаем равным уклону местности i=0,008

• Принимаем укрепление – одерновка в стенку. При этом Vдоп=1,8 м/с (таблица 15.6 [5] или таблица 8.4[2]).); коэффициент шероховатости n=0,025 (таблица 15.9[5]).

• Принимаем трапецеидальною форму канавы с коэффициентом заложения откосов =3 и=1,5. Согласно вышеуказанному принимаем для кювета ширину дна в=0,5 м и задаемся глубиной потока в канавеh=0,5м.

• Определяем гидравлические характеристики:

- площадь живого сечения:

(4.3)

- смоченный периметр

- гидравлический радиус

R=

• Находим скоростную характеристику потока W по нижеприведенной таблице 4.1

• W=15,4

• Скорость потока:

• Расход воды в канаве:

Q=ω*V=1,37*0,82=1,12 м/с

• Сравниваем полученную величину расхода с расчетной. Разность – меньше 5 % от расчетного расхода:

Q-Q= 1.12-1.07=0.05<0.05*1.07=0.055

Если условие не соблюдается, необходимо произвести повторный расчет канавы, изменяя глубину потока до тех пор, пока разница расходов не будет составлять менее 5 %. Изменять сечение канавы можно только за счет ее глубины.

Таблица 4.1 – Скоростная характеристика потока W

R,м	Скоростные характеристики W при коэффициенте шероховатости n
	0,012	0,014	0,017	0,020	0,025	0,030
0,1	19,1	15,6	12,0	9,75	7,10	5,54
0,12	21,4	17,6	13,6	11,1	8,14	6,36
0,14	23,6	19,5	15,1	12,4	9,15	7,19
0,16	25,6	21,3	16,6	13,6	10,1	7,98
0,18	27,8	23,0	17,9	14,8	11,0	8,76
0,20	29,8	24,8	20,6	16,0	12,0	9,54
0,22	31,8	26,4	21,8	17,1	12,9	10,2
0,24	33,4	27,8	22,0	18,1	13,7	10,9
0,26	35,2	29,4	23,2	19,2	14,5	11,7
0,28	37,0	30,8	24,0	20,3	15,4	12,3
0,30	38,6	32,3	25,2	21,4	16,2	13,1
0,32	40,2	33,6	26,8	22,2	17,0	13,7
0,34	41,8	35,1	27,9	23,2	17,8	14,40
0,36	43,4	36,4	29,0	24,2	18,6	15,0
0,38	44,8	37,6	30,1	25,2	19,3	15,7
0,40	46,4	39,2	31,2	26,2	20,2	16,3
0,45	49,9	42,1	33,8	28,4	21,9	17,9
0,50	53,5	44,6	36,4	30,6	23,8	19,4
0,55	56,8	48,0	39,0	32,6	25,6	20,8
0,60	60,2	51,0	41,4	34,8	27,3	22,40
0,65	63,1	57,3	43,6	36,8	29,0	23,80
0,70	66,1	56,4	45,8	38,7	30,6	25,10
0,75	69,3	59,0	48,1	40,6	32,2	26,6
0,80	72,4	61,6	50,4	42,7	33,9	28,8
0,85	75,1	64,3	52,6	44,5	35,4	29,4
0,90	78,1	66,7	54,8	46,5	37,0	30,8
0,95	80,5	69,0	56,8	48,1	38,5	32,1

Принятая величина глубины потока соответствует расчетному расходу

• Глубина канавы:

H=h+0.2=0.5+0.2=0.70м

• Ширина канавы по верху:

В=b+(m+m)*Н=0.5+(3+1.5)*0.7=3.65м

Результаты расчета представлены в виде таблицы 4.2

Таблица 4.2 - Результаты расчета

Показатели	i, ‰	W, м/с	R, м	b, м	h, м	m	m	, м	м	n
Значения	8	15,4	0,28	0,5	0,5	3	1,5	0,82	2,98	0,025

2. Назначение типа укрепления канав

При больших скоростях и продольных уклонов в канавах могут наблюдаться размыв дна и откосов. Поэтому предусматривают их укрепление против размыва. Откосы можно укреплять засевом трав (одерновкой), щебнем, мощением, грунтом, обработанным вяжущим, бетонными плитами. Укрепление, как правило, назначается по гидравлическому расчету.

Тип укрепления в заданном примере был предварительно задан одерновкой в стенку, поскольку продольный уклон составляет не более 20 ‰, а скорость течения воды 1,37 м/с.

При значительных скоростях течения и неудовлетворительных геометрических параметрах водоотводных сооружений может происходить подтопление нижней части земляного полотна, что приводит к снижению его устойчивости и риску возникновения морозного пучения в зимний период. Кроме того, при нерациональной схеме размещения водоотводных сооружений возможно возникновение эрозионных процессов на прилегающей к дороге территории или наоборот, к деградации растительности в связи с изменением схемы увлажнения участка поверхностными водами.

Показателем общей экономической эффективности природоохранных мероприятий является отношение годового объема полного экономического эффекта к общим затратам, обусловившим его получение:

(4.4)

где - полный экономический эффект от природоохранных мероприятий (тыс. руб/год)

К – капитальные вложения в строительство основных фондов природоохранного значения (тыс. руб)

Е_Н – нормативный коэффициент сравнительной эффективности капитальных вложений природоохранного значения

С – годовые эксплуатационные расходы по содержанию и обслуживанию основных фондов природоохранного значения

Этот показатель отражает величину экономического эффекта от природоохранных мероприятий, приходящихся на один рубль приведенных затрат, обусловивших получение этого эффекта.

Контрольные вопросы

1. На каких участках продольного профиля необходимо устройство водоотводных кюветов и канав?

2. На каком основании выбирается тип укрепления кюветов и канав?

3. Каким образом могут повлиять работы по устройству поверхностного водоотвода на экологическую обстановку прилегающей территории?

4. Каковы основные гидравлические характеристики водоотводных сооружений?

5. Как определяется экономический эффект природоохранных мероприятий?

Задание № 5

Расчет дополнительных слоев оснований дорожных одежд

1. Рассчитать толщину дренирующего слоя в конструкции дорожной одежды

1.1. Определить удельный приток воды в дренирующий слой

1.2. Определить расчетный приток воды в дренирующий слой

1.3. Определить полную толщину дренирующего слоя

2. Проверить конструкцию на морозоустойчивость

2.1. Установить расчетные параметры конструкции

2.2. Установить глубины промерзания грунтов

2.3. Определить величины пучения конструкции

2.4. Определить ориентировочную требуемую толщину морозоустойчивой конструкции дорожной одежды

2.5 Уточнение толщины морозозащитного слоя

Дренирующие слои устраивают на участках с земляным полотном из недренирующих грунтов во всех случаях при 3-ей схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна, при 1-ой и 2-ой схемах увлажнения земляного полотна в районах с большим количеством осадков (II и III ДКЗ), а также на участках, в основании проезжей части которых возможно скопление воды, проникающей с поверхности (участки с затяжными продольными уклонами, при сравнительно легко водопроницаемых грунтах обочин, на вогнутых переломах продольного профиля). Требуемый коэффициент фильтрации материала дренирующего слоя должен быть не менее 1 – 2 м/сут.

Целью расчета дренажной конструкции является определение требуемой толщины дренирующего слоя из дискретных материалов. При проектировании дренирования дорожных одежд в районах сезонного промерзания грунтов учитываются два расчетных этапа работы дренажных конструкций. Первый относится к периоду, когда основание дорожной одежды под серединой проезжей части уже оттаяло, а дренирующий слой у ее краев находится еще в мерзлом состоянии, и водоотводящие устройства не работают.

Второй расчетный этап относится ко времени, когда дренирующий слой полностью оттаял и водоотводящие устройства начали нормально работать.

В зависимости от конкретных условий дренажная конструкция может быть рассчитана на один из трех вариантов работы:

- работа на осушение;

- работа на осушение с периодом запаздывания отвода воды;

- работа на поглощение.

Дренирующий слой, работающий по принципу осушения, необходимо устраивать из песчаных грунтов или высокопроницаемой скелетной смеси (щебня или гравия) открытого типа (с незаполненными пустотами), отвечающих определенным требованиям по водопроницаемости, и укладывать этот слой под дорожной одеждой на всю ее ширину. При этом необходимо обеспечить выходы дренирующего слоя на откос. Дренирующий слой устраивают также с дренажными трубами для сбора и быстрого отвода воды за пределы земляного полотна. Следует предусматривать противозаиливающую защиту дрен и дренирующих слоев, а также недопущение замерзания воды в выпусках труб.

При устройстве дренирующих слоев, работающих по принципу поглощения, требуется устраивать более мощные слои из песчаного грунта и принимать в расчет на прочность дорожной одежды значения прочностных характеристик песчаного грунта с учетом более продолжительного периода его нахождения в неблагоприятном расчетном состоянии.

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.

С этой целью применяют различные специальные мероприятия:

- использование непучинистых или слабопучинистых грунтов для сооружения верхней части земляного полотна, находящегося в зоне промерзания;

- осушение рабочего слоя земляного полотна, в том числе устройство дренажа для увеличения расстояния от низа дорожной одежды до уровня подземных вод; устройство гидроизолирующих или капилляропрерывающих прослоек для перехода от 2-ой или 3-й схемы увлажнения рабочего слоя земляного полотна к 1-й схеме;

- устройство морозозащитного слоя из непучинистых минеральных материалов, в т.ч. укрепленных малыми дозами минеральных или органических вяжущих;

- устройство теплоизолирующих слоев, снижающих глубину или полностью исключающих промерзание грунта под дорожной одеждой;

- устройство основания дорожной одежды из монолитных материалов (типа тощего бетона или других зернистых материалов, обработанных минеральным или органическим вяжущим).

Конструкция считается морозоустойчивой, если соблюдено условие:

, (5.1)

где - расчётное (ожидаемое) пучение грунта земляного полотна;

- допускаемое для данной конструкции пучение грунта.

В условиях, когда невозможно поднять бровку земляного полотна на необходимую величину, постоянство водно-теплового режима земляного полотна в его верхней части может быть обеспечено устройством изолирующих прослоек, прерывающих перемещение влаги. Это создает более благоприятные условия водно-теплового режима и грунт верхней части земляного полотна не переувлажняется. При этом не происходит подтопления и нижних слоев дорожной конструкции, что предотвращает возможное пучение. Изолирующие прослойки прерывающего типа прерывают все виды перемещающейся влаги. Их устраивают из синтетических нетканых материалов (геотекстиля), обработанных вяжущими материалами. Прерывающие только капиллярное поднятие прослойки устраивают из хорошо фильтрующих материалов в пределах 2 и 3 ДКЗ. Они устраиваются толщиной 10-15 см из крупного песка на всю ширину земляного полотна.

На пучиноопасных участках, где технически невозможны или экономически нецелесообразны традиционные мероприятия по обеспечению морозоустойчивости конструкции, следует предусматривать теплоизоляционные слои для частичного или полного предотвращения промерзания грунта. В качестве теплоизолирующих слоев используют пенопласты, отходы промышленности, пористые заполнители (керамзит, перлит, аглопорит).

Исходных данные:

Категория дороги III

Область проектирования – Московская

Тип местности по характеру увлажнения – III

Грунт насыпи земляного полотна – супесь пылеватая

Уклон дренирующего слоя i = 0,03

В качестве дренирующего слоя предполагается использовать песок средней

крупности, с К_ф = 2,0 м/сут и пористостью n = 0,32

Высота насыпи – 1,50 м

Глубина залегания грунтовых вод – 1,2 м

Конструкция дорожной одежды:

• Плотный асфальтобетон тип Б - 0.05 м

• Пористый асфальтобетон – 0,10 м

• Щебень гранитный, укреплённый вязким битумом -0,15 м

• ПЩС – 0,18 м

• Песок средней крупности

Пример расчета

Полную толщину дренирующего слоя определяют по формуле:

h_п = h_нас + h_зап, (5.2)

где h_нас - толщина слоя, полностью насыщенного водой, м;

h_зап - дополнительная толщина слоя, зависящая от капиллярных свойств материала и равная для песков крупных 0,10-0,12 м, средней крупности 0,14-0,15 м и мелких 0,18-0,20 м. Во всех случаях полную толщину дренирующего слоя следует принимать не менее 0,20 м.

Поскольку песок имеет высокий коэффициент фильтрации, дренирующий слой рассчитывается на осушение с периодом запаздывания отвода воды.

1.1 Определение удельного притока воды в дренирующий слой

По таблице 5.3 ОДН [7] находим удельный приток воды во II ДКЗ для 3-го типа местности по характеру увлажнения. g = 3,5 л/м² сут

По таблице 5.4 [7] находим коэффициенты К_n и К_г.

К_n – коэффициент «пик», учитывающий неустановившийся режим поступления воды из-за неравномерного оттаивания и выпадения атмосферных осадков (К_n= 1,7)

К_г – коэффициент гидрологического запаса, учитывающий снижение фильтрационной способности дренирующего слоя в процессе эксплуатации дороги (К_г = 1,2)

Ввиду отсутствия переломов продольного профиля на участке, принимаем коэффициент К_вог, учитывающий накопление воды в местах изменения продольного уклона, равным 1,0.

Так как не производим и специальных мероприятий по снижению притока воды, то и коэффициент К_р = 1,0.

2. Определение расчетного притока воды в дренирующий слой

Определение расчетной величины притока воды в дренирующий слой на 1м² производится с использованием формулы:

g_р = (g * К_n * К_г * К_вог * К_р): 1000 (м³/м²) (5.3)

g_р = 3,5 * 1,7 * 1,2 * 1,0 * 1,0 : 1000 = 0,00714 м³/м²сут

2. Определение полной толщины дренирующего слоя

Полную толщину дренирующего слоя (в метрах), работающего по принципу осушения с периодом запаздывания отвода воды, достаточную для временного размещения в его порах поступающей в конструкцию в начальный период ее оттаивания воды, определяют по формуле:

h_п = (q_рТ_зап/n + 0,3h_зап) : (1 - j_зим), (5.4)

где Т_зап - средняя продолжительность запаздывания начала работы водоотводящих устройств, принимаемая для II дорожно-климатической зоны равной 4-6 сут, для III дорожно-климатической зоны равной 3-4 сут (большее значение - для мелких песков);

j_зим - коэффициент заполнения пор влагой в материале дренирующего слоя к началу оттаивания (таблица 5.6 [7]);

q_p - расчетное значение воды, поступающей за сутки

h_n = (0,00714 * 6 / 0,32 + 0,3 * 0,14) : (1 – 0,45) =

2. Расчет конструкции на морозоустойчивость

2.1 Установление расчетных параметров конструкции

При предварительной проверке на морозоустойчивость величину возможного морозного пучения следует определять по формуле:

=*****, (5.5)

где - величина морозного пучения при осреднённых условиях, определяемая по рисунку 4.3 ОДН в зависимости от толщины дорожной одежды, группы грунта по степени пучинистости (таблица 4.1[7]) и глубины промерзания ()

- коэффициент, учитывающий влияние расчётной глубины залегания УГВ или длительно стоящих поверхностных вод () (рисунок 4.1 [7]); при отсутствии влияния грунтовых или длительно стоящих поверхностных вод следует принимать: для супеси тяжёлой и пылеватой и суглинка=0,70;

- коэффициент, зависящий от степени уплотнения грунта рабочего слоя (таблица 4.4 [7] в задаче принимаем= 1,2);

- коэффициент, учитывающий влияние гранулометрического состава грунта основания насыпи или выемки (таблица 4.5 [7]= 1,1);

- коэффициент, учитывающий влияние нагрузки от собственного веса вышележащей конструкции на грунт в промерзающем грунте и зависящий от глубины промерзания (рисунок 4.2 [7]= 0,92);

- коэффициент, зависящий от расчётной влажности грунта (таблица 4.6 [7]=1,1). При этом влажность определяем при помощи таблицы П.21 [7].

2. Определение глубины промерзания грунта

Глубину промерзания можно определить по формуле:

=*1,38 (5.6)

где - средняя глубина промерзания для данного района (рисунок 4.4 [7]).

=1,40*1,38=1,93 м 2,0 м

При глубине промерзания дорожной конструкции до 2 мустанавливают по графикам (рисунок 4.3 ОДН).; при2,0 – 3,0 мвычисляют по формуле:

=*[+(-)], (5.7)

- величина морозного пучения при=2,0м.

=1,0; =0,16;=2,0 при 2,02,5;

=1,08; =0,08;=2,5 при 2,53,0;

Для глубины промерзания 2,0 м по номограмме (рисунок 4.3 [7]) по кривой для сильнопучинистых грунтов (группа IV) при толщине дорожной одежды 0,81 м определяем величину морозного пучения = 7,2 см.

2.3 Определение величины пучения конструкции

Находим величину пучения для данной конструкции:

= =7,2*0,7*1,2*1,1 *0,92*1,1=6,73 см.

2.4 Определение ориентировочной требуемой толщины морозоустойчивой конструкции дорожной одежды

Поскольку для данного типа дорожных одежд допускаемая величина пучения согласно таблице (4.3[7]) составляет 4 см, следует выполнить расчёт морозозащитного слоя.

В этом случае предварительно определяем ориентировочную требуемую толщину морозоустойчивой конструкции дорожной одежды с использованием графиков на рисунке 4.3[7]. Для этого, зная допустимую величину морозного пучения , рассчитываем среднюю величину морозного пученияпо формуле:

=/****, (5.8)

= 4/0,7*1,2*1,1*0,92*1,1=4,26 см.

Затем по графику (рисунок 4.3 [7]) определяем в соответствии с группой грунта по степени пучинистости.

=110 см, отсюда толщина морозозащитного слоя =1,10 – 0,83 = 0,27 м.

2.5 Уточнение толщины морозозащитного слоя

Для уточнения требуемой толщины морозозащитного слоя выполняем расчёт с учётом теплофизических характеристик отдельных слоёв (таблица П.5.1 [7]). Задаёмся =0,30 м.

Толщина морозозащитного слоя определяем по формуле:

=(-), (5.9)

где - термическое сопротивление рассматриваемой конструкции дорожной одежды (м²К/Вт);

- требуемое термическое сопротивление рассматриваемой конструкции дорожной одежды (м²К/Вт).

=, (5.10)

где - приведенное термическое сопротивление, определяемое при помощи номограмм (П.4.12 [7]);

- коэффициент, учитывающий срок службы дорожной одежды между капитальными ремонтами;

- коэффициент, учитывающий схему увлажнения рабочего слоя земляного полотна (дляII и III типа местности =1,0 [7]).

 - понижающий коэффициент, принимаемый: для ДКЗ II₂ равным 0,90.

=/, (5.11)

где п – число конструктивных слоёв;

- толщина i–го слоя, м;

- коэффициент теплопроводности отдельных слоёв в мёрзлом состоянии, Вт/мк;

- коэффициент теплопроводности морозозащитного слоя, равный среднеарифметическому значению коэффициентов теплопроводности материала слоя в талом и мёрзлом состоянии, Вт/мк.

Определяем термическое сопротивление дорожной одежды без морозозащитного слоя.

Таблица 5.1 – Теплотехнические характеристики материалов

Материалы	Толщина слоя , м	Коэффициент теплопроводности
Плотный асфальтобетон	0,05	1,40
Пористый асфальтобетон	0,10	1,25
Щебень, укреплённый вязким битумом	0,16	1,28
ПЩС	0,18	2,10
Песок средней крупности	0,32	(1,91+2,44) / 2= 2,18

Поскольку в период промерзания дорожной конструкции песок находится сначала в талом, а затем в мёрзлом состоянии, в расчёт вводится среднеарифметическое значение коэффициентов теплопроводности пескаи.

= 0,05/1,4+0,10/1,25+0,16/1,28+0,18/2,10+0,32/2,18=

=(0,036+0,08+0,125+0,086+0,15) = 0,49 (м²К/Вт)

По карте изолиний на рисунке 4.5 [7] определяем номер изолинии V.

По таблице 4.9 [7] находим =1,35.

По таблице 4.10 при общей толщине дорожной одежды =1,1 м для сильнопучинистого грунта при помощи интерполяции определяем=0,70.

Вычисляем отношение /(*) = 4/(1,35*0,7) = 4,23 см.

По номограмме на рисунке 4.6 [7] определяем методом интерполяции приведенное термическое сопротивление = 0,73.

По таблице 4.7 = 0,90,= 1,0, = 0,95.

По формуле = = 0,73*0,9*1*0,95 = 0,624 (м²К/Вт)

=(-)= (0,624 – 0,49)*2,18 = 0,29 м.

После завершения расчёта толщины морзозащитного слоя сравнивают полученное значении с предварительно назначенной величиной. Разница не должна быть более 5 см, в противном случае расчёт необходимо повторить.

Разница между полученными и заданными значениями в примере не превышает 5 см. Расчет окончен.

При производстве работ с экологической точки зрения необходимо учитывать, что дорожно-строительные машины оказывают значительное шумовое воздействие на окружающую среду. К мерам по снижению шума на строительной площадке относят конструктивные, включающие в себя меры, связанные с улучшением конструкции двигателей и ходовой части автомобиля, а также эксплуатационные, связанные с регулировкой двигателей, применением специальных глушителей, устройство шумопоглощающих кожухов, звукопоглощающих кабин.

Контрольные вопросы

1. Когда и где устраиваются дренирующие слои, какие материалы для этого используются; какова методика расчета толщины дренирующего слоя.

2. Что представляют собой капилляропрерывающие и водонепроницаемые прослойки.

3. Какие грунты относят к пучинистым?

4. когда и из каких материалов устраивают теплоизолирующие слои?

5. Перечислите мероприятия по снижению уровня шума от дорожно-транспортных машин при производстве строительных работ

Задание № 6

Проектирование дорожной одежды нежесткого типа

и расчет ее по критерию допустимого упругого прогиба

Последовательность расчета:

1. Определить суммарное число приложений расчетной нагрузки.

2. Определить требуемый модуль упругости

3. Произвести конструирование дорожной одежды с назначением толщин конструктивных слоев и их модулей упругости

4. Рассчитать дорожную одежду по критерию упругого прогиба

Под прочностью дорожной одежды понимают способность сопротивляться процессу развития остаточных деформаций и разрушений под воздействием касательных и нормальных напряжений, возникающих в конструктивных слоях и подстилающем грунте от расчетной нагрузки (кратковременной, многократной или длительно действующей однократной), приложенной к поверхности покрытия.

Методика оценки прочности конструкции включает как оценку прочности конструкции в целом (с использованием эмпирической зависимости допускаемого упругого прогиба от числа приложений нагрузки), так и оценку прочности с учетом напряжений, возникающих в отдельных конструктивных слоях и устанавливаемых с использованием решений теории упругости.

Дорожную одежду следует проектировать с требуемым уровнем надежности, под которой понимают вероятность безотказной работы в течение межремонтного периода. Отказ конструкции по прочности физически может характеризоваться образованием продольной и поперечной неровности поверхности дорожной одежды, связанной с прочностью конструкции (поперечные неровности, колея, усталостные трещины), с последующим развитием других видов деформаций и разрушений (частые трещины, сетка трещин, выбоины, просадки, проломы и т.д.). Номенклатура дефектов и методика количественной оценки их определяется специальными нормами, используемыми при эксплуатации дорог.

В качестве количественного показателя отказа дорожной одежды как элемента инженерного сооружения линейного характера используют предельный коэффициент разрушения , представляющий собой отношение суммарной протяженности (или суммарной площади) участков дороги, требующих ремонта из-за недостаточной прочности дорожной одежды, к общей протяженности (или общей площади) дороги между корреспондирующими пунктами. Значения на последний год службы в зависимости от капитальности дорожной одежды и категории дороги следует принимать в соответствии с таблицей 3.1 [7].

Прочность конструкции количественно оценивается величиной коэффициента прочности. При оценке прочности конструкции в целом по допускаемому упругому прогибу коэффициент прочности в общем виде определяют по формуле:

. (6.1)

При оценке прочности конструкции по слоям по допускаемым напряжениям коэффициент прочности определяют по формуле:

, (6.2)

где l_доп - допустимый общий прогиб конструкции под расчетной нагрузкой;

l - расчетный общий прогиб конструкции под расчетной нагрузкой;

- расчетные действующие напряжения (нормальные или касательные) от расчетной нагрузки;

- допустимые напряжения (нормальные или касательные) от расчетной нагрузки;

- требуемый общий модуль упругости конструкции, определяемый при расчетной нагрузке;

Е_об - расчетный общий модуль упругости конструкции, определяемый при расчетной нагрузке.

Коэффициент прочности вновь проектируемой конструкции должен быть таким, чтобы в заданный межремонтный период не наступил отказ по прочности с вероятностью более заданной, т.е. чтобы была обеспечена заданная (требуемая) надежность.

Для обеспечения заданной надежности (обеспеченности по прочности) коэффициент прочности проектируемой конструкции по каждому из расчетных критериев не должен быть ниже минимального требуемого значения, определяемого по таблице 3.1 [7].

В задачу расчета входит определение толщин слоев одежды в вариантах, намеченных при конструировании, или выбор материалов с соответствующими деформационными и прочностными характеристиками при заданных толщинах слоев.

Исходные данные:

– область проектирования Московская

– II ДКЗ

– категория дороги III

– заданная надёжность К_н = 0,95

– интенсивность движения на конец срока службы N_р = 3200 авт/сут

– рост интенсивности g = 1,04

– грунт рабочего слоя земляного полотна – супесь пылеватая

– тип местности по характеру увлажнения – III

– тип покрытия – капитальный.

Требуется

Выполнить расчёт дорожной одежды по допускаемому упругому прогибу.

1 Определение суммарного числа приложений расчетной нагрузки

Расчёт по допускаемому упругому прогибу начинаем производить с вычисления суммарного расчётного количества приложений расчётной нагрузки за срок службы по формуле:

(6.1)

где - расчётное число расчётных дней в году, соответствующих определённому состоянию деформируемости конструкции (определяемое по приложению П.6.1 [7]); для Московской области= 125 дней;

- коэффициент, учитывающий вероятность отклонения суммарного движения от среднего ожидаемого (для III категории дороги и капитального типа дорожной одежды = 1,38 таблица 3.3 [7]);

- коэффициент суммирования:

(или по таблице П 6.3 [7])

где - расчётный срок службы.

2 Определение требуемого модуля упругости

Требуемый модуль упругости определяется по формуле:

(6.2)

3. Конструирование дорожной одежды с назначением толщин конструктивных слоев и их модулей упругости

Производим конструирование дорожной одежды, назначаем предварительные толщины всех слоев и заносим исходные данные в таблицу 6.1

Таблица 6.1 - Исходные данные для расчета

Материал слоя	h слоя, см	Расчёт на допустимый упругий прогиб. МПа
1 Асфальтобетон плотный на БНД марки 60\90	6	3200
2 Асфальтобетон пористый на БНД марки 60\90	7	2000
3 Чёрный щебень, устроенный по способу заклинки	12	600
4 Укреплённая битумом щебеночно-песчаная смесь	? (20)	450
5 Песок средней крупности	30	120
6 Грунт земляного полотна - супесь пылеватая	_	46

Произведем расчет конструкции по методике, согласно которой необходимо определить расчетным путем толщину промежуточного слоя дорожной одежды.

Будем определять толщину слоя из песчано-щебеночной смеси, укрепленной битумом.

Сначала ведем расчет сверху вниз, учитывая, что требуемый модуль упругости для конструкции следует определить, умножив минимальный требуемый модуль упругости конструкции на коэффициент прочности, т.е.

1

Расчет снизу вверх

4)

5)

Общая толщина конструкции составит 6+7+12+29+30 = 84 см

Произведем расчет на допустимый упругий прогиб согласно методике, по которой предварительно задаваясь толщинами конструктивных слоев, определяем модули упругости на поверхности всех слоев и, в итоге - модуль упругости на поверхности дорожной одежды.

Расчёт по допускаемому упругому прогибу ведём послойно, начиная с подстилающего грунта по номограмме 3.1 ОДН [7]

1)

По приложению 1 таблицы П.1.1 ОДН р=0,6 МПа, D=37 см

2)

Определяем коэффициент прочности по упругому прогибу:

Требуемый минимальный коэффициент прочности для расчёта по допускаемому упругому прогибу в соответствии с таблицей 3.1 ОДН [7]К_пр=1,17.

Следовательно, выбранная конструкция удовлетворяет условию прочности по допускаемому упругому прогибу. В данном случае общая толщина конструкции оказалась меньше по сравнению с предыдущим расчетом, поскольку запас прочности также уменьшился до допустимых пределов. Поэтому принимаем конструкцию общей толщиной 75 см.

Контрольные вопросы

1. Перечислите основные критерии расчёта нежёстких дорожных одежд.

2. Каковы принципы конструирования дорожных одежд нежёсткого типа?

3. Что такое отказ дорожной одежды. Каким показателем он оценивается? По каким причинам он происходит?

4. Каким образом при конструировании дорожных одежд необходимо руководствоваться принципами защиты окружающей среды?

5. Какова величина допустимого эквивалентного уровня шума? Каким образом тип покрытия влияет на уровень шума? Какие шумозащитные мероприятия в зоне влияния а/д предусматривают на этапе проектировании и эксплуатации?

Задача 7

Произвести расчёт дорожной конструкции по устойчивости сдвигу в подстилающем грунте, а также расчет сопротивления монолитных слоев

усталостному разрушению от растяжения при изгибе

1. Определить общий модуль упругости конструкции

2. Определить суммарное расчётное количество приложений расчётной нагрузки за срок службы

3. Определить модуль упругости верхнего слоя модели и активное напряжение сдвига от единичной нагрузки

4. Определить предельное активное напряжение сдвига Т_пр в грунте

5. Рассчитать конструкцию на сопротивления монолитных слоев усталостному разрушению от растяжения при изгибе.

Исходные данные:

– область проектирования – Московская

– категория дороги III

– тип покрытия – капитальный

– грунт земляного полотна – супесь пылеватая

– интенсивность движения на конец срока службы N_р = 3200 авт/сут

– рост интенсивности g = 1,04

– тип местности по увлажнению – III

– заданный уровень надёжность К_н = 0,95

– срок службы дорожной одежды Т_сл = 15 лет

Конструкция дорожной одежды:

– асфальтобетон плотный на БНД 60/90 – 6 см

– асфальтобетон пористый на БНД 60/90 – 7 см

– чёрный щебень, устроенный по способу заклинки – 12 см

– укреплённая битумом щебёночно-песчаная смесь – 18 см

– песок средней крупности – 30 см

1 Определение общего модуля упругости конструкции

Общий модуль упругости конструкции, лежащей ниже пакета слоев из асфальтобетона определим расчетом снизу вверх.

Конструкция дорожной одежды:

Материал слоя	hслоя, см	Расчет на растяжение при изгибе
		Е, МПа	R0, МПа	α	m
Асфальтобетон плотный на БНД 90/130	6	4500	9,8	5,2	5,5
Асфальтобетон пористый на БНД 90/130	7	2800	8,0	5,9	4,3
Черный щебень по способу заклинки	12	600	-	-	-
Укрепленная битумом ПЩС	18	450	-	-	-
Песок средней крупности	30	120	-	-	-
Грунт земляного полотна – супесь пылеватая	-	46

1)

По приложению 1 (таблица П 1.1 ОДН [7])

р = 0,6 МПа, D = 37 см

,МПа;

2)

,МПа;

3)

,МПа;

Дорожную одежду проектируем из расчёта, чтобы под действием кратковременных или длительных нагрузок в подстилающем грунте или малосвязных слоях за весь срок службы не накапливались недопустимые остаточные деформации. Недопустимые деформации сдвига в конструкции не будут накапливаться, если в грунте земляного полотна и в песчаном слое обеспечено условие:

,(7.1)

где - требуемое минимальное значение коэффициента прочности, определяемое с учётом заданного уровня надёжности (табл. 3.1 ОДН=1,0 [7]);

Т – расчётное активное напряжение сдвига от действующей временной нагрузки;

Т_пр – предельная величина активного напряжения сдвига, превышение которой вызывает нарушение прочности на сдвиг.

В расчётах многослойную дорожную конструкцию приводят к двухслойной расчётной модели. В качестве нижнего слоя принимают грунт, а в качестве верхнего – всю дорожную одежду.

При расчете дорожной конструкции на прочность по сдвигоустойчивости грунта земляного полотна в качестве нижнего принимают грунт (с его характеристиками), а в качестве верхнего - всю дорожную одежду. Толщину верхнего слоя h_в принимают равной сумме толщин слоев одежды .

Рассчитаем конструкцию по условию сдвигоустойчивости в грунте.

Действующие в грунте активные напряжения сдвига вычисляем по формуле:

(7.2)

где - удельное активное напряжение сдвига от единичной нагрузки, определяемое с помощью номограммы 3.2 и 3.3 [7].

р – расчётное давление от колеса на покрытие.

По таблице П.2.5 ОДН [7] определяем модуль упругости грунта Е_н=46 МПа.

2. Определение суммарного расчётного количества приложений расчётной нагрузки за срок службы

По таблице П.2.4 [7] определяем значение угла внутреннего трения и сцепления в зависимости от , где- суммарное расчётное количество приложений расчётной нагрузки за срок службы.

(7.3)

где - расчётное число дней в году, соответствующих определённому состоянию деформируемости конструкции (таблица П. 6.1 [7]) для Московской области= 125 дней;

- коэффициент, учитывающий вероятность отклонения суммарного движения от среднего ожидаемого (для III категории дороги и капитального типа дорожной одежды = 1,38, (таблица 3.3 [7]);

(7.4)

С=0,004 МПа; =12⁰.

3. Определение модуля упругости верхнего слоя модели и активного напряжения сдвига от единичной нагрузки

Модуль упругости верхнего слоя модели вычисляем по формуле:

(7.5)

где n – число слоёв дорожной одежды;

Е_i – модуль упругости i-го слоя;

h_i - толщина i-го слоя

Значения модуля упругости материалов, назначаем по таблице П.3.2 при расчётной температуре +20⁰С (таблица 3.5 ОДН).

По отношению

при =12⁰ с помощью номограммы (рисунок 3.3 ОДН [7]) находим активное напряжение сдвига от единичной нагрузки _н=0,012 МПа.

Таким образом, Т= 0,012*0,6=0,0072 МПа.

4 Определим предельное активное напряжение сдвига Т_пр в грунте

Предельное активное напряжение сдвига Т_пр в грунте рабочего слоя определяем по формуле:

(7.6)

где - сцепление в грунте земляного полотна;

- глубина расположения поверхности слоя, проверяемого на сдвигоустойчивость от верха конструкции, см;

- средневзвешенный удельный вес конструктивных слоёв, расположенных выше проверяемого слоя, кг/см³ (с использованием таблицы П. 5.1 ОДН [7]);

- расчётная величина угла внутреннего трения материала проверяемого слоя при статическом действии нагрузки;

К_д – коэффициент, учитывающий особенности работы конструкции на границе песчаного слоя с нижним слоем несущего основания.

Для расчёта сдвигоустойчивости в основании дорожной одежды:

К_д =1,0,

= 6+7+12+18+30=73 см

=12⁰ (для грунта земляного полотна)

=0,2400*9,81*0,06+0,2300*9,81*0,07+0,800*9,81*0,12+

0,2000*9,81*0,18+0,1950*9,81*0,3=0,0208 кг/см³,

Т_пр=1,0(0,004+0,1*0,0208*73*tg12)=0,036.

, что больше =1,00.

Следовательно, конструкция удовлетворяет условию прочности.