Сибирский государственный университет путей сообщения

Кафедра «Изыскания, проектирование и постройка железных и автомобильных дорог»

Лаборатория НИЛ Лавин

Методика назначения противопучинных мероприятий

и выбора их параметров на железных и автомобильных дорогах

на базе программного комплекса «Freeze-1»

Описание методики

Морозное пучение, в частности, на железных и автомобильных дорогах, проявляется в виде поднятий дневной поверхности на высоту, которая может быть определена выражением

h_пуч = K_пуч·H_f ,                                                                (1)

где h_пуч - высота пучения, K_пуч  - коэффициент пучения, H_f  - глубина промерзания грунта.

В соответствии с нормативными документами, регламентирующими допустимые деформации морозного пучения на железных дорогах (СП 238.1326000.2015), предельная высота равномерного морозного пучения грунтов земляного полотна железных дорог не должна превышать нормативных значений [h_пуч], определяемых категорией дороги (табл. 1). 

Таблица 1

Допустимые значения высоты равномерного морозного пучения

Т.е. критерием допустимости деформаций земляного полотна в зимний период является условие

h_пуч ≤ [h_пуч].                                                                (2)

Для проверки выполнения критерия (2) необходимо знать два параметра - K_пуч и H_f , которые при подстановке в (1) позволят решить поставленную задачу.

Коэффициент пучения

Для оценки этого параметра, в первую очередь, необходимо определиться с системой промерзания грунта. Их две - открытая и закрытая. Открытая система промерзания предполагает наличие близко расположенных грунтовых вод, приводящих к миграции (подтягиванию) влаги в зону промерзания. Обычно это происходит, когда расстояние от фронта промерзания до зеркала грунтовых вод не превышает высоту капиллярного поднятия. В этом случае определение коэффициента пучения не представляется реальным, поскольку дополнительное количество влаги, оказавшееся в зоне промерзания зависит от многочисленных факторов, не поддающихся практической оценке. Существующие данные о значениях коэффициента пучения, приведенные в различных нормативных документах, расходятся на десятки процентов, что делает их неприемлемыми для проведения практических расчетов. Прямое определение коэффициента пучения в лабораторных условиях также нельзя признать корректным для использования полученных значений в практических расчетах, поскольку воспроизвести реальные условия миграции влаги и режима промерзания грунта в лабораторном эксперименте не представляется возможным.

При закрытой системе промерзания грунта, когда дополнительный приток влаги в зону промерзания отсутствует, ситуация значительно упрощается. В этом случае в процесс пучения вовлекается только влага, содержащаяся в зоне промерзания грунта в предзимний период. Примем следующую идеализацию процесса перераспределения влаги в зоне промерзания грунта при закрытой системе. Будем считать, что в результате внутренней миграции влаги, в верхней части зоны промерзания происходит формирование  области полного влагонасыщения до тех пор, пока в ее нижней части влажность грунта не достигнет некоторого критического значения W = W_cr .  Критической влажностью W_cr считается такая влажность глинистого грунта, ниже которой при его промерзании не происходит перераспределения влаги, вызывающего морозное пучение. Величина W_cr есть функция от числа пластичности I_p и влажности грунта на пределе текучести W_L.

Следуя вышепринятой идеализации, коэффициент пучения для закрытой системы промерзания может быть представлен в следующем виде

 K ^з_пуч = K ^sat_пуч·S_cr ,                                                         (3)

где K ^sat_пуч - коэффициент пучения в области полного влагонасыщении грунта (W = W_sat), формирующейся в верхней части зоны промерзания, S_cr - вновь введенный параметр, называемый показателем пучения

S_cr = (W₀ - W_cr) / (W_sat - W_cr),                                                  (4)

здесь W₀ - предзимняя весовая влажность грунта.

Считая, что в области полного влагонасыщения морозное пучение будет определяться величиной относительного объемного расширения всей содержащейся там замерзшей воды, коэффициент пучения в этом случае будет равен

 K ^sat_пуч = 0,09·ρ_d /ρ_w·(W_sat - W_нз),                                               (5)

 где W_нз = k_w·W_p - доля незамерзшей воды, k_w - коэффициент, зависящий от числа пластичности грунта и температуры мерзлого грунта, ρ_d - плотность сухого грунта, ρ_w - плотность воды, 0,09 - относительное объемное расширение воды при замерзании.

Физический смысл показателя пучения S_cr следует из выражения, определяющего соотношение между глубиной зоны промерзания  H_f и толщиной области полного влагонакопления H_sat, формирующейся в верхней части зоны промерзания

H_sat = H_f · S_cr.                                                                 (6)

Другими словами, показатель пучения S_cr характеризует степень пучения грунта относительно  максимального возможного значения, реализуемого при его полном влагонасыщении.

При использовании выражения (3) с учетом (4) и (5) для определения коэффициента пучения глинистых грунтов при закрытой системе промерзания предполагается, что при исходной влажности грунта ниже критической, т.е. когда W₀ < W_cr, коэффициент пучения K ^з_пуч считается равным нулю.

 Алгоритм принятия решения

С учетом вышесказанного, предлагаемый алгоритм определения необходимости разработки противопучинных мероприятий и выбора их параметров выглядит следующим образом.

1. По результатам геологических обследований определяется наличие и глубина залегания грунтовых вод в основании земляного полотна.

2. При отсутствии или глубоком залегании грунтовых вод (закрытая система):

a)

в программном комплексе Freeze-1 производится расчет глубины промерзания грунтов земляного полотна H_f  с предзимней влажностью W₀;

b)

определяется величина морозного пучения h_пуч по формулам (1), (3)-(5);

c)

если найденная величина h_пуч оказывается меньше предельно допустимого значения (см. табл.1),  то разработка противопучинных мероприятий не требуется; в противном случае выбирается вариант теплоизолирующего устройства (например, покрытие из пенополистирола) и повторяются шаги а), b), с) до окончательного решения проблемы.

3. При расположении грунтовых вод в опасной близости от зоны промерзания грунтов земляного полотна (открытая система), выбирается вариант теплоизолирующего устройства, обеспечивающего полный вывод зоны интенсивного морозного пучения из грунтов земляного полотна и его основания. При этом никакой информации о величине коэффициента пучения здесь не требуется, и расчет производится также как и при закрытой системе с предзимней влажностью грунтов. Основным условием определения границы зоны интенсивного морозного пучения является температурный критерий.

При таком подходе нет необходимости учета в расчетах изменения влажности промерзающих грунтов за счет миграции воды к фронту промерзания, поскольку основной целью расчета является обоснование выбора теплоизолирующего устройства, не допускающего интенсивное промерзание грунта, а, следовательно, и миграцию воды в нем.

Пример использования программного модуля «Freeze-1»

Для получения достоверной оценки глубины промерзания грунта, удобно воспользоваться специализированным программным модулем Freeze-1, специально разработанным для инженерных расчетов промерзания-оттаивания сезоннопромерзающих грунтов земляного полотна при проектных работах. На рис.1 проиллюстрированы варианты вывода результатов расчета с использованием модуля Freeze-1, на примере подбора теплоизолирующего покрытия из пенополистирола в условиях закрытой системы промерзания для климатических условий Юга Западной Сибири.

Рис.1. Вывод графиков промерзания-оттаивания грунтов земляного полотна без теплоизоляции (а) и с 4 см покрытием из пенополистирола (б)

Синей линией показан график промерзания балластного слоя и грунтов земляного полотна во времени (изотерма T = T_фаз), красной - график оттаивания (изотерма T = 0). Пурпурной линией показана траектория оттаивания грунта снизу. Звездочка (^*) на графиках указывает на то, что высота морозного пучения h_пуч определялась с помощью расчетных значений коэффициента пучения в соответствии с формулами (3)-(5).

Отсчет начала годового цикла здесь ведется с 1 октября. Глубина промерзания грунта под основной площадкой земляного полотна H_f , принимаемая в модуле Freeze-1 как максимальная глубина фазовых переходов H_фаз , в данном примере она равна 1,4 м. Тогда величина морозного пучения h_пуч в соответствии с п. 2b вышеописанного алгоритма, будет равна 21 мм, что не соответствует допустимым значениям h_пуч для дорог не выше третьей категории (табл.1). Переходя к следующему шагу вышеописанного алгоритма (п. 2с), расчетным путем определяется толщина теплоизолирующего покрытия из пенополистирола, которая в соответствии с полученным результатом, где h_пуч= 8 мм (рис. 1б), полностью удовлетворяет условию допустимости высоты равномерного морозного пучения для всех, указанных в Таблице 1, категорий железных дорог.

Закрашенная область ( T ≤ -1,5⁰С) на рис. 1 характеризует зону интенсивного морозного пучения, глубина которой обозначается как H_пуч (на левом графике H_пуч = 1,24 м, на правом - 0,36 м), где происходит интенсивная миграция влаги в зону промерзания и развиваются усилия, достаточные для поднятия вышележащей толщи грунта, вызывающие деформацию свободной поверхности. По данным многочисленных исследований, интенсивное морозное пучение в незасоленных глинистых грунтах, как правило, происходит при температуре в диапазоне от -1,0⁰С до -2,5⁰С, когда грунт переходит в твердомерзлое состояние. Глубины промерзания H_фаз и зоны интенсивного морозного пучения H_пуч на графиках рис.1 отсчитываются вниз от уровня основной площадки земляного полотна.

В вышеописанном примере рассмотрен случай закрытой системы промерзания сезоннопромерзающих грунтов земляного полотна. При открытой системе промерзания, как было отмечено выше, подбор толщины пенополистирола ведется до условия полного вывода зоны интенсивного морозного пучения из глинистых грунтов земляного полотна под основной площадкой, т.е когда H_пуч = 0 (отсутствие зоны, закрашенной бирюзовым цветом). В данном случае это достигается при толщине пенополистирола, равной 10 мм.

Таким образом, предлагаемая методика назначения противопучинных мероприятий и выбора их параметров на базе программного комплекса Freeze-1 позволяет быстро и эффективно решать проектные задачи на современном уровне, гарантирующем высокую степень надежности принимаемых решений.

А.Л. Исаков,

д.т.н., проф., зав. кафедрой,

научный руководитель НИЛ Лавин