- •Глава XVIII Общие сведения о переходах через водотоки
- •§ XVIII.1. Основные понятия. Виды переходов через водотоки
- •§ XVII 1.3. Речные долины и русла рек. Типы питания рек
- •Глава XIX Гидрологические расчеты при проектировании мостовых переходов
- •§ XIX. 1. Задачи и принципы гидрологических расчетов
- •§ XIX.2. Методика прогноза максимальных расходов воды в реках
- •§ XIX.3. Определение уровней воды и скоростей течения, соответствующих максимальным расходам
- •Глава XX Расчет отверстий больших и средних мостов
- •§ XX.1. Основные положения расчета отверстии мостов
- •§ XX.2. Учет природных деформации русел при проектировании мостовых переходов
- •§ XX 5. Расчет размывов на пойменных участках отверстий мостов
- •§ XX.7. Расчет отверстии больших и средних мостов
- •1. Если глубина заложения подошвы фундамента назначается но глубине залегания прочных пород, используемых в качестве основания 72
- •Глава XXI Проектирование подходов к мостам и регуляционных сооружений
- •§ XXI. 1. Условия работы поименных насыпей
- •§ XXI.2. Проектирование поименных насыпей
- •§ XXI.3. Задачи и принципы регулирования рек у мостов
- •§ XXI,4. Конструкции регуляционных сооружений
- •Глава xxiг
- •§ XXII. 1. Виды проектно-изыскательских работ
- •§ XXII 3. Требования к техническому проекту
- •§ XXII.5. Рабочие чертежи
- •§ XXI 1.7. Использование при проектировании автомобильных дорог электронно-вычислительных машин
- •Глава XXIII Изыскания автомобильных дорог
- •§ XXIII.1. Организация работы изыскательской
- •§ Xx111.2. Проложение трассы на местности
- •Масштаб 1.1000 Сечение горизонталей через I м V
- •Глава XXIV Сравнение вариантов автомобильных дорог1
- •§ XXIV. 1. Сравнение вариантов дороги по строительным и эксплуатационным затратам
- •§ XXIV.2. Оценка вариантов автомобильных дорог, по пропускной способности
- •Глава XXV
- •§ XXV. 1. Стереомодель местности
- •Глава XXVI Технические изыскания мостовых переходов
- •§ XXVI. 1. Задачи и состав изыскании
- •§ XXVI.2. Подготовительные работы
- •§ XXVI.4. Гидрометрические работы
- •§ XXVI.5. Гидрологические работы
- •§ XXVI.6. Инженерно-геологические работы
- •§ XXVI.?. Особенности изысканий для реконструкции мостовых переходов
- •§ XXVI.8. Состав проекта мостового перехода
- •Глава I содержит анализ режима реки на основе подробного описания характеристик водотока как топографических и метеорологических, так и гидрологических.
- •Глава IV содержит результаты инженерно-геологических работ, имеющих первостепенное значение для выбора схемы сооружений перехода.
- •Глава XXVII
- •§ XXVII.!. Особенности реконструкции дорог
- •§ XXVII.2. Прогнозирование интенсивности движения на реконструируемой дороге
- •§ XXVI 1.3. Технические изыскания при реконструкции дорог
- •§ XXVII.5. Реконструкция дороги в плане и продольном профиле
- •§ XXVII.6. Реконструкция дороги в поперечном профиле
- •§ XXVI 1.7. Мероприятия по устранению пучин
- •§ XXVII.8. Реконструкция и усиление дорожиой одежды
- •Глава XXVIII Проектирование дорог в районах распространения вечномерзлых грунтов
- •§ XXVIII. 1. Особенности проложения трассы в районах распространения вечномерзлых грунтов
- •§ XXVIII 2 конструкция земляного полотна дорог в районах вечной мерзлоты
- •Проектирование дорог в заболоченных районах
- •§ XXIX.1. Образование, характеристика и виды болот
- •§ XXIX.2. Проложение трассы в болотистых районах
- •§ XXIX.3. Обследование болот при трассировании дороги
- •§ XXIX.4. Конструкция земляного полотна " на болотах
- •Глава XXX
- •§ XXX. 1. Эрозия почв и образование оврагов
- •§ XXX.2. Трассирование дорог в зоне оврагов
- •§ XXX.3. Устройство плотин на пересечениях оврагов
- •Глава XXXI Проектирование дорог в карстовых районах
- •§ XXXI.1. Карстовые процессы
- •§ XXXI.2. Проектирование дорог в карстовых районах
- •Глава XXXII Проектирование дорог в горной местности
- •§ XXXII.1. Особенности горных районов
- •§ XXXII.2. Устойчивость горных склонов
- •§ XXXI 1.4. Развитие линии по склонам и перевальные дороги
- •§ XXXII.5. Проектирование серпантин
- •§ XXXI 1.6. Тоннели
- •§ XXXII.7. Продольный профиль горных дорог
- •§ XXXII.8. Поперечные профили горных дорог
- •§ XXXII.9. Проложение дороги по участкам осыпей и камнепадов
- •§ XXXII.10. Пересечение селевых выносов
- •§ XXXII.12. Защита дорог от лавин
- •1Ранииа распространения воздушной волны; сплошная линия — первый вариант трассы. Иупк1нрная линия — второй вариант трассы; 11л — прыгающая лавина. Лл — лотковая лалцт
- •§ XXXII.13. Особенности проектирования автомобильных дорог в сейсмических районах
- •Глава XXXIII Проектирование автомобильных дорог в засушливых районах
- •§ XXXIII.1. Особенности засушливых районов.
- •Глава XXXIV Особенности проектирования автомобильных магистралей
- •§ XXXIV. 1. Технические условия на проектирование автомобильных магистралей
- •Глава XXXV Оборудование и благоустройство дорог
- •§ XXXV.1. Комплекс мероприятий по обслуживанию движения
- •§ XXXV.2. Средства информации водителей об условиях движения. Ограждения и направляющие устройства
- •§ XXXVI.1. Планировка уличной сети и элементы городских улиц
- •§ XXXVI 2. Поперечные профили улиц
- •§ XXXVI.4. Горизонтальная и вертикальная планировки
- •§ XXXVI.5. Проектирование перекрестков и городских площадей
- •§ XXXVI 7. Подходы к городским мостам
- •§ XXXVI.8. Планировка городских набережных
- •6Оглавление
§ XXVIII 2 конструкция земляного полотна дорог в районах вечной мерзлоты
Конструкция земляного полотна авюмобильиых дорог в зоне вечномерзлых грунтов должна учитывать изменения водно-теплового режима придорожной полосы, вносимые строительством и последующей эксплуатацией дороги.
В зависимости от климатических условий района строительства, рельефа местности, состава и льдонасыщенности грунта должен быть обеспечен один из следующих температурных режимов мерзлого грунта в основании земляного полотна:
сохранение вечномерзлых грунтов в основаниях в течение всего периода эксплуатации дороги;
частичное оттаивание мерзлою грунта на величину, определяемую раече том;
оттаивание мерзлого грунта до начала строительства дороги до глубины, на которой он уже не влияет на работу земляного полотна и осушение придорожной полосы.
Первый способ находит применение при третьем типе местности, снльнольдистых глинистых грунтах и низкотемпературной вечной мерзлоте, когда оттаивание может привести к просадке и разрушению насыпей. На всей придорожной полосе сохраняют моховой и растительный покров. Лесные просеки ограничивают шириной насыпи по низу.
Дорогу проектирую! в насыпях, сооружаемых из неподверженных пучению песчаных и супесчаных грунтов, крупиообломочных горных породи привозных глинистых I рунтов. Преимущественное распространение первый способ имеет в северных районах страны, на переувлажненных местах с высоким уровнем вечномерзлых грунтов, имеющих обычно мощный моховой покров.
После постройки насыпи уровень вечной мерзлоты повышается, и она достигает подошвы насыпи. Необходимо, однако, учитывать, что возможные изменения водно-теплового режима грунтов в процессе эксплуатации придорожной полосы, например вырубка леса и уничтожение мохового покрова, будут неизбежно отражаться на состоянии дороги, вплоть до полного ее разрушения.
Второй способ рекомендуется для сырых мест с низкотемпературной вечной мерзлотой с малольдонасыщеннымн глинистыми и пес- 214 чаныыи грунтами с влажностью менее предела текучести (просадоч- ность отЗ до 10%). Под земляным полотном допускается частичное оттаивание грунта, величину которого контролируют расчетом. При этом граница мерзлых грунтов должна иметь под насыпью выпуклое очертание. Насыпи можно возводить из местных грунтов, добываемых в придорожных резервах.
При проектировании земляного полотна по первому и второму способам выемок следует избегав. При неизбежности их устройства должен быть обеспечен надежный отвод воды, откосам приданы пологие уклоны, а на откосах и в земляном полотне уложены по расчетам надежные теплоизоляционные слои.
Третий способ, применяемый в южных районах зоны, с высокотемпературной сплошной и островной мерзлотой предусматривает максимальное оттаивание и осушение грунтов придорожной полосы. За год до возведения земляного полотна на полосе отвода удаляют растительность и мохо-торфяной слой, обеспечивают поверхностный водоотвод.
Для возведения насыпей используют преимущественно местные несвязные песчаные, супесчаные и обломочные грунты. При сохранении под насыпью мохового покрова нижний слой толщиной 0,3—0,5 м целесообразно устраивать из |рунтов с камнями крупностью не более 10 см. Глинистые фунты, влажность которых не превышает 1,2 м от оптимальной, разрешается использовать только в средней части насыпи при летнем производстве работ и хорошем качестве уплотнения. Верхнюю часть насыпей не менее чем на 0,5 м отсыпают из дренирующих грунтов, щебня или гравия.
При обосновании необходимой высоты насыпи наряду с обычными требованиями снегонезаносимости и возвышения над источниками увлажнения необходимо учитывать также обеспечение заданного температурного режима вечной мерзлоты. При этом исходят из упрощенной схемы температурных расчетов.
При сохранении вечной мерзлоты насыпь на скальных, супесчаных или глинистых грунтах, имеющих оптимальную влажность, должна оттаивать на полную высоту только к наступлению морозного периода. В нормативных документах имеются составленные по данным наблюдений карты изолиний нормативных глубин сезонного оттаивания (деятельного слоя) различных грунтов в зоне вечной мерзлоты (рис. XXVIII.4).
Высота насыпи должна быть равна толщине слоя промерзания с введением поправок на условия оттаивания, т. е.
Нта^Нрт(КгКк, (XXVIII.!)где Яр — нормативная глубина оттаивания в грунте, из которого отсыпают насыпь; — коэффициент, учитывающий поглощение тепла покрытием (1,05 для цементобетонпых, 1,1—1,6 для покрытий с применением органических вяжущих); КТ — коэффициент дополнительного притока тепла в основание, учитывающий влияние откосов насыпи и вырубки при постройке дороги просеки Значения К? меняются в зависимости от климатического района в сравнительно малых пределах 1.16—1,22; Ку, —- коэффициент, учитывающий влияние влажности грунта на глубину протаивания основания. Величина его может быть найдена по эмпирической (Ьормуле /С,,., — ; — влажность грунта,
%; а — эмпирическая величина, приближенно равная для всех 1рунюв 0,90, Ь — коэффициент, учитывающий вид 1рунта; для песчано-гравийных грунтов Ь — 0,018, для супесчаных и суглинистых грунтов Ь = 0,007.
При проектировании дороги с частичным оттаиванием придорожной полосы учитывают уплотнение оттаявшего грунта, происходящее в процессе эксплуатации дороги под действием веса насыпи и проходящих автомобилей, а также зимнее вспучивание и последующую осадку, которые нарушают ровность дорожньгч одежд и могут явиться причиной их разрушения (рис. XXVI 11.5).
В процессе осадки насыпи, затягивающейся на ряд лег, происходит выжимание избытка воды в результате фильтрационной консолидации. При осадке насыпи на величину 5 (до уровня /) н поднятие верхнего уровня вечномерзлого грунта на величину б (до уровня //), мощность деятельного слоя //д;с уменьшается до величины Яд.с.
Глубину протаиванпя под насыпью необходимо о1раничивать величиной, при которой сезонное уплотнение и вспучивание основания при промер'ании и оттаивании не превыся.' допустимой для дорожной одежды величины /доп (см. § VI 1.3). По данным наблюдений /д0П составляет для цементобетоиных покрытии 2 см, асфальтобетонных 4, об-
Рис.
XXVШ 4 Карга изолиний глубин ссзошют
оп-аивания (Яр,
м) глинистых грунтов при влажности
№=15%
г
Рис,
XXVII] 5. Схема к расчету высоты насыпи при
допущении частичного поднятия уровня
вечной мерзлоты
легченных усовершенствованных 6—8 и покрытий переходных и низших типов 10—15 см.
—
рН
отт »
(ХХУ1П.2)
где е — коэффициент относительной осадки мерзлого грунта при оттаивании, зависящей ог состава и влажности грунта и степени его уплотнения. Величины коэффициента е, изменяющиеся в пределах 0,01—0,25, приведены в нормативной литературе
Точная величина осадки льдонасыщенного грунта под насыпью -может быть в каждом конкретном случае рассчитана методами механики мерзлых грунтов.
Отсюда допустимая толщина слоя талого грунта под насыпью в летний период
(ХХУШ.З)
Грунт, подстилающий насыпь, имеет меньшую теплопроводность, чем материал насыпи, отсыпаемой обычно из песчаных и скелетных грунтов. ..Средняя скорость оттаивания грунта насыпи составляет
а грунта основания
где Яр и Яд.с — нормативные глубины оттаивания грунтов насыпи и основания, принимаемые по картам, м; т — продолжительность теплого времеии года
Поэтому слой грунта основания толщиной кп с эквивалентен в отношении глубины промерзания слою насыпи толщиной
и, следовательно, оставляемый под насыпью слой талого грунта соответствует по теплопроводности слою грунта насыпи толщиной
,г —
II ту
!р_
' нап„[.р " "Л с ,, ,,
яд с е ядс
Необходимая высота насыпи
Н = Н — 5 ^ . (XXVIII.4)
«
Учитывая как и при выводе уравнения (XXVIII.'!) влияние местных условий на прогревание насыпи, получаем окончательную формулу для расчетов
(XXVIII,5)
Если при проектировании земляного полотна предусматривается осушение дорожной полосы с удалением растительного покрова, то в зоне деградирующей вечной мерзлоты после оттаивания и просыха- ния дорожной полосы можно назначать высоту насыпи из обычных соображений как во П дорожно-климатичеекой зоне.
Если к моменту возведения земляного полотна осушение не успеет полностью произойти, высоту насыпи назначают таким образом, чтобы осадки насыпи 5 при фильтрационной консолидации не превышали указанных выше величин предельной допустимой неровности покрытий.
Величина сжатия слоя мерзлого грунта после оттаивания согласно приведенной выше зависимости (XXVIII.2)
5 =-еНрясч.
Толщина оттаявшего слоя, дающего деформацию 5, равная Я01Т — = -, эквивалентна слою грунта насыпи
,, Н Р 1щКр5
иэка' 7} ~ •
Отсюда необходимая высота насыпи
Н-^Н^щК,—' ГХХУШ.б)
Назначая рабочие отметки, следует учитывать, что моховой и торфяной покровы уплотняются под насыпью на 40—50% от толщины, замеренной при изысканиях
Поэтому при разбивке насыпей во время строительства к расчетной высоте, определенной по формуле (XXVIII.6), необходимо добавлять величину сжатия растительного покрова.
При сохранении вечномерзлых грунтов в основании для предохранения мохового покрова от разрушения в нижнем слое насыпи целесообразно устраивать прослойки из дренирующих грунтов мелких фракций (50—100 см) толщиной 0,3—0,5 м (рис. XXVIII.6, а). В сред- 238
Рис
XXVIII6, Поперечные профили насыпей па
льдопасышен.чых основаниях
в
зоне распространения вечномерзлых
фунтов: а
— из дренирующих грунтов на льдонасыщеииом
основании с устройством защитного
дренирующего слоя из песка ити
мелкого гравия либо термоизоляционного
слоя из мха; б — с использованием месгною
глииис;ою грунта,
в —
на поюгом косогоре с укло юм менее I ;
■; 1 — верхний уровень вечномерзлых
груиюн до отсыпки насыпи, У — -г, же,
после постройки насыпи,
3
— моховой покров;
4 —
защитный слой из уелкого дренирующего
грунта; 5 — пес- чана гравиПный грунт;
6 — теплоизоляционный моховой слой; 7
— пшнистый трунг;
8
— берма, 7 — нагорный валик: 10 —
укрепление мощением; Л — защитный стой
растительного грунта толнтиной 15 см;
12
— дреиируюнття присыпка
нюю часть насыпи может быть помещен местный глинистый грунт (XXVIII.6, б). Верхний слой пагыпи для предотвращения пучннообра- зования ие менее чем иа 0,5 м следует отсыпать из песка, щебня или гравия. На косогорпых участках низовые откосы защищают от про- таивання устройством теплоизоляционных присыпок (рис.XX VII 1.6,в).
Не разрешается устраивать нагорные канавы, которые могут стать причиной глубокого протаивання и возникновения термокарстовых процессов. Для перехвата стекающей по склону воды отсыпают нагорные валы, вдоль которых вода отводится к пониженным местам.
При допущении частичного оттаивания грунта для возведения насыпей можно использовать местные глинистые грунты придорожной полосы, закладывая притрассовые резервы или карьеры. Глинистый грунт можно отсыпать непосредственно на моховой и растительный покров, за исключением участков застоя воды или подтопления паводковыми водами.
Устройство выемок в зоне вечной мерзлоты допускается па участках с благоприятными грунтово-гидрологичеекими условиями при отсутствии в грунте ледяных лииз и прослоек. В этом случае используют типовые поперечные профили.
При необходимости устройства выемок в сложных груптово-гид- рологических условиях, чего следует всячески избегать, им придают пологие откосы, защищаемые теплоизоляционными слоями (рис. XXVIII.7).
Пылеватые пучинистые грунты в основаниях заменяют дренирующим устойчивым материалом. Обеспечивают тщательный отвод воды из выемки и дренирующего слоя.
Высота насыпей, определенная по расчету иа оттаивание льдо- иасыщенного основания, может быть уменьшена путем закладки в теле насыпи теплоизоляционных слоев, Долгое время теплоизоляцию устраивали только из местных подручных материалов — торфа, мха, древесной щепы, а па железных дорогах из топочных шлаков. Все эти теплоизоляционные слои эффективны только в сухом состоянии. Насыщение водой значительно повышает их теплопроводность, а в ряде случаев совершенно уничтожает их действие. Поэтому при устройстве теплоизоляции земляного полотна необходимо принимать меры по защите слоев от поверхнос1нои и грунтовой влаги и обеспечивать из них отвод воды.
Рнс XXVIII.7. Поперечные профили выемок в слабольдонаеывднных грунтах:
у — глубокая выемка; б — мелкая выемка, / — верхний уронень вечномерзлых грунтов до устройства ныемки, 2 — то же, после устрой* ства выемки, 3 — теплоизоляционный слой из мха (толщина принимается п$> расчету); 4 — 'укрепление мощением; 5 — иесчапонрннийпый груш, в — глинистый грунт; 7--нагорная водоотводная канава
В настоящее время широкое применение находят искусственные пористые теплоизоляционные материалы — пенопласт, полиуретан, полистирол. При сравнительно малой толщине слоев (5—10 см) уложенные в нижией части земляного полотна они уменьшают глубину оттаивания в 1,5 -.2 раза, причем высота насыпей может быть уменьшена до 0,6—1,0 м, если это не противоречит требованиям борьбы с снежными заносами.
Толщина изоляционных слоев должна быть обоснована теплотехническими расчетами, на основании которых устанавливают глубину промерзания и оттаивания в зависимости от факторов, влияющих иа Скорость теплопередачи в грунте. К этим факторам относятся тепло- 'физическне свойства грунтов, !емиературньщ режим воздуха, тепловой поток из глубинных слоев грунта и теплоизоляционные слои !ца поверхности грунта.
^ Были предложены различные методы расчета скорости оттаивания ^грунтов Однако попытки точного решения задачи о скорости изменения температур во втажном грунте на разных глубинах приводят к Громоздким решениям, которые все же не учитывают ряда фактороз: прихода и ухода тепла с водой, -охлаждение земляного полотна ветром, влияние затенения и т. д. Большое количество входяци , в предлагаемые зависимости расчетных констант и параметров в связи с отсутствием их надежных значений и методов определений сильно снижает кажущуюся точность сложных решений. Если учесть к тому же, что при расчетах приходится исходить из средних многолетних температур, от которых в отдельные годы могуч наблюдаться значительные отклонения, то вполне оправдано применение упрощенных инженерных методов расчета.
Из их числа наиболее распространенным является метод проф. В. С. Лукьянова. В его основу положены следующие допущения: тем- 'пература наружного воздуха постоянна; грунт однороден; температура изменяется в грунте от поверхности до нижней границы талого слоя — глубины, на которой температура равна нулю, по закону прямой линии; теплоизоляционные слои на поверхности мерзлого грунта при расчете промерзания пли оттаивания приводятся к эквивалентному слою грунта; тепловой поток из глубинных слоев грунта постоянен.
Следует отметить, что допущение постоянной температуры во.ду- ха не препятствует учету ее фактического изменения в течение года. Для этого криволинейную эпюру изменений температуры во времени нужно заменить ступенчатой и расчеты скорости промерзания проводить последовательно применительно к коротким отрезкам времени.
Рассмотрим процесс оттаивания мерзлого грунта, на поверхности которого уложен теплоизоляционный слон (или дорожная одежда) толщиной I (рис. XXVIII.8). Этот слой при .расчете оттаивания в дальнейшем заменяется слоем мерзлого грунта а, эквивалентным по величине термического сопротивления сопротивлению термоизоляционных слоев и теплообмену поверхности земли с воздухом.
Обозначим через а коэффициент теплоотдачи к поверхности земли, характеризу ющий количество тепла, передаваемого за единицу вре
мени через единицу поверхности контакта грунта с воздухом при разности их температур 1° Коэффициент теплоотдачи а имеет размерность ккал/(м2-ч-град)
Л^оЖно считать, что при отсутствии ветра или в местах, укрытых от ветра, а = 10, при ветреной погоде а = 20
к-
будет
иметь
+
+
± + ±.
Грунт, имеющий коэффициент теплопроводности Х0 равное термическое сопротивление при толщине слоя
(XXVII 1.7)
При расчетах на оттаивание грунтов следует брать для грунтов в незамерзшем состоянии, при расчетах па промерзание — в замороженном.
8
= Л„
-(X XVI 11.8)
где 1} — толщина отдельных слоев изоляции.
Начальное распределение температур на рис. XXVIII.8 обозначено прямой АС. Нулевая изотерма, условно принимаемая при расчете за границу между мерзлым и талым грунтом, соответствует линии
Н
Рис
XXVIII8. Схема к выводу
формул
проф. В. С. Лукьянова: /
— теплоизолирующий слой; 70
—температуря наружного воздуха
Согласно законам теплопередачи количество теплоты, проходящее за единицу времени через,единицу поверхности, ограничивающей грунтовые массивы, выражается зависимостью
„ ^ т«
(ХХУШ.9)
5 +Л
где ?,0 — коэффициент теплопроводности талого грунта; Т0 —■ температура
воздуха, °С; —1— — температурный градиент ■ч + Л
Поступление в мерзлый грунт тепла за период времени М с 1 м8 поверхности раздела между талым и мерзлым грунтом слагается из:
тепла, поступившего в нижнче слои грунта:
<?, = Ц<Н\
скрытой теплоты, потребовавшейся для оттаивания воды в объеме 1х1лсй„ Это количество тепла равно
д2 = С)йк,
гдчк<? — количество воды, находящейся в единице объема грунта, умноженное' на 80 (ккал/'кг)
С) = рву0 б0,
где р — скрытая теплота, расходуемая па оттаивание 1 кг воды; 8„ — плотность скелета грунта; — влажность грунта, % по массе, за вычетом процента воды, сохраняющейся в грунте в жидком состоянии при отрицательных температурах;
теплоты, потребовавшейся на нагревание верхнего слоя талого грунта, т. е. па перемещение прямой распределения температур из положения АС в положение АС' Это количество тепла равно сумме теп- лоемкостей всех элементов нагреваемого слоя, умноженной на величину повышения их температур.
Изменение содержания тепла в любом выделенном в оттаявшем грунте элементарном слое толщиной йк и площадью 1 мг при изменении температуры на АТ равно с-ёк-йТ, где с—объемная теплоемкость грунта.
Но согласно рис. XXVIII.8 йк-йТ —й (йа>), и, следовательно, суммарное поглощение теплоты при нагревании оттаявшего слоя равно произведению теплоемкости с на приращение площади йы. При этом пренебрегают поглощением тепла слоем изоляции и учитывают только промерзший слой грунта к за период (11 Площадь определяют из разности площадей треугольников АСС' и А 013'
Оы Та [ 1 1 с1к.
2 (5-|-/о2 1
Отсюда поглощение тепла оттаявшим грунтом при повышении его температуры
а.. сйы = — сТи | 1 1 с1к.
/3 2 "I (8 + пу ]
Поскольку суммарное поглощение тепла при оттаивании вечно- мерзлого грунта равно его поступлению с поверхносш,
<72 + <7з.
(ХХУШ.Ю)
Разделяя переменные и интегрируя выражение (XXVIИ Л 0) в пределах от 0 до I и от 0-до К , получаем искомое выражение для определения скорости оттаивания или промерзания
I = (д 4- ^ | Тв- 1п ±1 -
" ' ' 7"0 —(,:(/( +5)
(ХХУШ.Н)
2л0 5 [Х„ '/',,— ч(Л + 5)]
Как показали сравнительные расчеш, второй член полученного уравнения оказывает малое влияние на величину 1 и может быть опущен. Поэтому для определения скорости оттаивания или промерзания грунта можно пользоваться упрощенным выражением: ^
/, = /<;)-!- _А\ (XXVIII.12)
V 2 А Ф ХиТ„ —щк+в) ч]
Из формулы (XXVIII.12), если принимав в ней различные параметры равными нулю, можно получить простые формулы, известные из литературы. При ц = 0, 5 — 0 и с -- 0 , получается формула Стефана, предложенная первоначально для оценки скорости нарастания льда в стоячих водоемах:
(XXVIII.13)
^>0 ^ о
Формулу (XXVIII. 13) можно с достаточной точностью использовать в теплотехнических расчетах при проектировании автомобильных дорог.
При консфуированин теплоизоляции из нескольких слоев, а также при учете влияния различных слоев дорожной одежды необходимо приводить эти слои к эквивалентным по теплопередаче слоям грунта.
Используя формулу Стефана и приравнивая выражения для двух разных материалов, можно получить зависимость:
Ь^ЪЛ/'-ТПГ- (XXVIII. 14)
Г % Аз
V
' 2
А и' г0—<дл
+ 5)
(И
/§ ХХУШ.З. НАЛЕДИ И БОРЬБА С НИМИ
Наледями называют отложения льда, образующиеся во время сильных морозов в результате периодического выхода на поверхность грунтовой или речной воды, а также таяния снега в предшеавующую оттепель. Наледные бугры, рост которых обычно начинается в декабре, увеличиваются до конца марта, часто оттаивая только в середине лета. Наледи, образующиеся в придорожной полосе, заливают дорогу,* закрывают отверстия' водопропускных сооружений, создавая тем самым значительные трудности для нормальной эксплуатации дороги.
По условиям питания различают несколько видов иаледей: подземных вод (ключевые наледи), грунтовых вод поверхнослной толщи (грунтовые иаледи), речных и талых вод (поверхностные наледи) и смешанные, от одновременного действия нескольких причин.
Наледи подземных вод образуются в местах выхода воды постоянно действующих источников глубоких подмерзлотых вод В ряде мест Якутии в долинах рек возникают огромные наледи (тарыиы) длиной до 100 км, шириной 3- 5 км и высотой свыше 10 м, вызываемые мощными потоками подмерзлотных вод, выходящими по зонам тектонических ра «ломов Такие места при грассировании дороги следует обходить.
Грунтовые наледи возникают па склонах холмов за счет воды, скапливающейся у верхней поверхности мерзлоты в местах неглубокого ее залегания. При зимнем промерзании деятельный слой в отдельных местах сливается с верхней поверхностью многолетней мерзлоты, разделяя при эюм водоносный горизонт на ряд замкнутых объемов. Замерзая, грунт' расширяется, в результат чего в воде создается повышенное давление. Вода деформирует промерзший верхний слой грунта, вызывая его взбугривание По достижении бугром некоторой высоты он растрескивается, и изливающаяся из пего вода быстро замерзает. образуя напластование льда — паледь. Этот процесс по мере промерзания может повторяться несколько р-аз. Иногда вода не вытекает и бугор после летнего оттаивания оседает. В других случаях бугры разрушаются внезапно с бурным извержением воды и разбрасыванием в стороны глыб льда. Грунювые наледи обычно занимают площади от нескольких сотен до тысяч квадратных метров. Высота бугров редко превышает 4 м.
С буграми грунтовых наледей сходны большие бугры — булгуння- хи, постепенно вырастающие в течение ряда лет в результате накопления под нетеплопроводными поверхностными слоями грунта больших масс льда, не оттаивающего за лето. Достигнув высоты 10 м и более булгуниях начинает таять и постепенно исчезает.
Возникновение речных наледей связано с уменьшением площади сечения водотоков при промерзании берегов и увеличением толщины льда, который на мелких местах может смерзаться с дном. Вода не может пройти через оставшееся живое сечение русла и, взламывая лед, вытекает на его поверхность.
Строительство дорог изменяет природный режим вечномерзлых грунтов и активизирует образование иаледей. Вырубание леса и кустарников, уплотнение и осушение поверхностных слоев грунта на придорожной полосе увеличивают глубину зимнего промерзания, что способствует развитию наледных процессов вблизи от дорог.
Дорога в нулевых отметках, очищаемая от снега, промерзает на большую глубину и быстрее, чем прилегающая местность. Деятельный слой смыкается под полотном дороги с мерзлотой, создавая перемычку, прерывающую движение грунтовых вод. Это создает условия для образования с нагорной стороны дороги грунтовых наледей, вода которых заливает дорогу.
При изысканиях дорог в зоне вечной мерзлоты следует обходить с нагорной стороны места образования наледей и выхода родников подземных вод. Водотоки следует пересекать на прямых глубоких участках, избегая мест, наиболее подверженных быстрому зимнему промерзанию.
В проекте дороги в условиях вечной мерзлоты необходимо предусмотреть противоиаледные мероприятия. Тип их зависит от вида наледей п характера мерзлоты,
Противоиаледные мероприятия должны быть направлены в первую очередь на предотвращение образования наледей, т. е. проектирование дороги и искусственных сооружений должно предусматривать сохранение водно-теплового режима грунта и водотоков на придорожной полосе.
При невозможности предотвратить возникновение наледей иа основе опыта строительства и эксплуатации автомобильных и железных дорог можно рекомендовать:
для пропуска больших иаледей речных поверхностных вод, образующихся выше дороги, увеличивать отверстия мостов и высоту насыпей, обеспечивая свободный пропуск воды;
малые расходы пропускать через сооружения по углубленным и утепленным руслам. Были проведены успешные опыты электрического обогрева подмостового пространства;
из пересекаемых при строительстве дороги водоносных горизонтов, отводить воду под дорогой дренажами;
при малом дебите источников и выходе их на большом расстоянии от дороги удерживать вышедшие на поверхность грунтовые воды земляными валами.
Чтобы
предотвратить выход на дорогу наледей
грунтовых вод, в процессе эксплуатации
дороги, искусственно вызывают образование
наледи в стороне от защищаемого объект?,
с помощью мерзлотных поясов. Мерзлотным
поясом называют широкую, но мелкую
канаву, отрываемую вдоль дороги с
нагорной сторонп (рис. XXVIII.9). Перед
канавой на 5—10 см снимают мох и торф,
складывая их в валик с низовой
стороны. По опыту строительства,
мерзлотным поясам следует придавать
размеры: ширина канавы до 2 м, глубина
канавы 1—0,6 м, ширина расчищенной полосы
10—15 м, расстояние от пояса до границы
ограждаемого сооружения 50—100 м. Если
одного грунтового пояса недостаточно,
устраивают дополнительные полосы выше
по логу в 50—100 м друг от друга. Вода из
канавы выпускается к искус- 2';о
Рис.
XXVIII.9. Мероприятия по борьбе с наледями-
а
— устройство валов для сбора растекающейся
воды при образовании наледи и отвода
ее
к
руслу ручья, б — устройство мерзлотных
попсов, 1 — дорога;
2
— напранликпцие валы из нефильтрующих
грунтов. 3— расчищаемая от спета полоса.
4—расчищенное,
иногда утепленное русло;
5
— естественный растительный покров;
6
— снег; 7—наледный буюр; 8 — наледный
лед; 9 — место наледи до устройства
мерзлотного пояса
ственному сооружению. Канавы мерзлотного пояса располагают под углом друг к другу 140—1703, чтобы уклон не превышал 0,002.
Зимой мерзлотные пояса очищают от снега, поэтому грунт под ними, быстро промерзая, образует мерзлотную перемычку, вызывающую наледь. Мерзлотные пояса на лето необходимо закрывать слоем теплоизолирующих материалов (мха или сухого горфа), иначе грунт под ними может протаять па большую глубину, чем в других местах. Оставленные на 3—5 лет без надзора мерзлотные пояса перестают действовать.
По аналогии с мерзлотными поясами на небольших водотоках а малыми расходами и низкой температурой воды устраивают- вымощенные камнем уширения русла глубиной 0,5 м, шириной 2—8 м и длиной 5—К) м. Глубина протекающей воды не должна превышать 5 см, На участках с уклонами на дне устраивают перепады высотой не более 0,5 м.
СПИСОК ЛИТЕ ЛТУРЫ
Земляиое полотно автомобильных дорог в северных условиях Под ред.' А. А. Малышева М , «Транспорт», 1974' 288 с
Общее мерзлотоведение (геокриология) Под ред В А, Кудрявцева. М., Изд. МГУ, 1978 464 с.
Ц ы т о в и ч Н. А. Механика мерзлых грунтов. М., «Высшая школа», 1973. 446 с.
Глава ХХГХ