О регулировании влажности грунтовых оснований автомобильных дорог

Водно-тепловой режим дорожного полотна автомобильной загородной дороги существенно отличается от режима городских дорог.

Связано это не только со спецификой движения транспортного потока по загородным участкам, но и с требованиями, предъявляемыми к основаниям дорог. В частности, загородные автомобильные дороги, как правило, не имеют в основании пересечений с теплопроводами. Следовательно, в грунтовом массиве нет внутренних источников тепла. Данный факт выводит на первый план необходимость обеспечения водоотведения.

Нормативной документацией разбиение всех дренажных систем на два основных вида [10]: сооружения открытого водоотвода; сооружения закрытого водоотвода.

К сооружениям открытого водоотвода относят канавы, кюветы, а также водосбросные лотки. Основная задача данных сооружений – не допустить аккумулирования воды на поверхности дорожной одежды.

К дренажным конструкциям, обеспечивающим подземное водоотведение, относят перехватывающие, подкюветные, врезные и др. дренажи.

Основной целью мероприятий по регулированию водно-теплового режима работы земляного полотна является уменьшение амплитуды колебания влажности [11].

На основе конструктивных особенностей и назначения все мероприятия по регулированию влажности грунтового массива можно разделить на четыре группы. Классификация представлена на рисунке 1

Регулирование влажности грунтового основания

Рисунок 1 – Методы регулирования увлажнения грунтового основания

В рамках данной работы рассмотрена проблема обеспечение дренирования основания дорожной одежды.

В целях изучения процесса движения воды в грунте была решена фильтрационная задача (рис. 2).

Рисунок 2 – Расчетная схема задачи фильтрации:

1 – граница дренируемого объёма грунта, 2 – подстилающий грунт, 3 –

уровень грунтовых вод, h – высота столбика грунта.

В качестве базового уравнения примем уравнение движения флюида

в пористой среде, предложенное А.И. Цаплиным и В.Н. Нечаевым:

“ + “("“ +V—) = -¹^-'n- + VU m от   m 2    oz     oz      p oz     к

Применимо к расчетной схеме уравнение примет следующий вид:

1   d u  ν

-^ U -- = U M — m  d x  k

g ,

где m – пористость грунта; К – проницаемость грунта; U – проекция скорости подъема воды на ось х, м/с; р - плотность воды,кг/м³; V -кинематическая вязкость воды, м²/с.

Исследование функции на экстремум показывает, что скорость подъема воды по высоте слоя грунта непостоянна и изменяется от нуля на уровне грунтовых вод до максимального значения, а затем уменьшается до нуля. При этом максимальная и средняя в пределах слоя толщиной δ скорости определяются соотношениями:

u max = gk /(^2V )

m² νδ

—

2k

,

, uср = 1 Judx = 2m JgS δ0         3

При многослойной конструкции дорожного основания по высоте локальные скорости на границах контакта слоев равны, поэтому распределение скорости подъема вводы в i-м слое может быть найдено по формуле:

U + 1

(        ^

= U ⁺ mt, ² g x - ^ 5 i

\ V      i = 1 J

_m 2_ν k_i

n

X " Z 5 i

V      i = 1     J

где i – номер слоя, i=1,2,…,n; n – количество слоев толщиной δ i с однородной пористостью по высоте дорожного основания.

Расход воды плотностью ρ в любом слое дорожного основания для одного погонного метра полотна дороги полушириной B (рисунок 2) определяется формулой:

G_t = U P B

Одним из способов регулирования влажности грунта является устройство дренажных систем. В данной статье рассматривается решение, предлагаемое В.А. Трефиловым и М.Е. Жалко [12]

Необходимо произвести расчёт оптимального расстояния между дренами по предлагаемой авторами схеме.

Расход воды в грунтовом основании из песка и супеси для одного погонного метра полотна дороги полушириной B определяется формулой:

G грунта = u max ρ B = 6,3 ⋅ 10 ^{- 6} ⋅ 10³ ⋅ 10 ≈ 6,3 ⋅ 10 ^{- 2},

Массовый секундный расход воды в поперечном сечении дренажной трубы диаметром d =0,1 м, заполненной щебнем крупной фракции с песком, определяется действием только капиллярных сил, поэтому :

π d             _{-3     3} 3,14 ⋅ 10^-              _-2

G _трубы = u _max ⋅ ρ ⋅      = 6,3 ⋅ 10   ⋅ 10               ≈ 4,9 ⋅ 10  ,

При этом дистанция между дренирующими трубами составляет : L = G трубы G грунта = 4,9 ⋅ 10^-2/6,3 ⋅ 10^-2 ≈ 0,8 м.

Полученные данные в достаточной степени коррелируются с результатами расчётов по методикам, используемым на данный момент.

Заключение

Результатом проведенной работы является не только всесторонний анализ причин морозного пучения и методов минимизации этого явления, но и решение ряда практических задач:

• -    получено выражение для определения температуры точек грунтового массива в окрестностях подземного теплопровода;

• -    предложена конструкция коллектора для подземной прокладки сетей инженерных коммуникаций;

• -    разработана математическая модель, позволяющая прогнозировать скорость и объём фильтрационного подъёма воды в зависимости от типа грунта;

• -    представлено решение задачи оптимизации количества дрен в зависимости от ряда параметров.