Full Text

Введение Прокладка теплотрасс под автомобильными дорогами в районах с сезонным промерзанием и оттаиванием всегда имеет высокую степень рисков, связанных с возникновением недопустимых деформаций вследствие прогрева поверхности автодороги в период с отрицательными температурами [1]. Особенно это относится к линейным транспортным объектам, требующим повышенного уровня надежности и ответственности. Подобные сооружения должны обеспечивать допускаемую деформативность и несущую способность оснований при воздействии перспективных подвижных нагрузок в сложных геологических и природно-климатических условиях Одним из рациональных решений основных вопросов, связанных прокладкой теплотрасс в регионах со сложными геологическими и природно-климатическим условиями, является научно и технически обоснованное использование свойств современных геосинтетических материалов, способных обеспечивать долговременную устойчивую работу сооружений при применении местных строительных материалов [2]. При этом свойства используемых геосинтетических материалов должны полностью соответствовать требованиям условий их работы в сооружениях, а также условию долговечности и качества. Разработанные конструктивные решения должны удовлетворять требованиям нормативных документов по прочности и морозоустойчивости, действующих на территории Российской Федерации. Кроме этого, конструкция сооружения должна обеспечивать несущую способность при воздействии заданных подвижных нагрузок. Сложность рассматриваемого участка автомобильной дороги по ул. Пионерская в г. Хабаровске (в Хабаровском крае) связана с наличием сезонного промерзания и оттаивания и, как следствие, изменением их температурно-влажностного режима, что необходимо учитывать при проектировании и строительстве [3, 4]. Кроме того, из-за вероятности возникновения особых обстоятельств к рассмотрению принята высокая нагрузка на дорожное полотно (рис. 1). В качестве примера рассмотрена нагрузка на оси автопоезда Renault грузоподъемностью 47 т, имеющего 5 осей, колея 2 м. Рис. 1. Распределение нагрузки на оси автопоезда Fig. 1. Load distribution on trailer axles При определении необходимой толщины теплоизоляционного слоя для предотвращения прогрева наружной поверхности асфальтобетона за счет тепловыделений труб тепловой сети и исключения образования наледи на наружной поверхности асфальтобетона в период с отрицательными температурами принять температуру теплоносителя (воды) T = 130 °С. Допустимая температура прогрева наружной поверхности асфальтобетона в период с отрицательными температурами асфальтобетона не более -4 °С. В связи с этим необходима разработка конструкции покрытия дорожной одежды при прокладке теплосети для исключения образования деформаций и наледи на поверхности автодороги [5, 6]. 1. Методика геотехнического моделирования 1.1. Численная реализация упругопластической модели слоистых оснований Идеализация модели грунтового основания осуществляется следующим образом. Если при внешнем воздействии нагрузок напряжение грунта «характерного объема» меньше предельного (σ ≠ σпр), то связь между напряжениями и деформациями описывается законом Гука (рис. 2, область I), который для условий плоской деформации может быть записан в виде (1) Здесь и - плоские аналоги модуля Юнга Е и коэффициента Пуассона Рис. 2. Схема к определению теоретических напряжений в упругопластической модели грунта Fig. 2. Scheme for the determination of theoretical stresses in the elastoplastic model of soil Предельные напряжения в области растяжения ограничиваются прочностью на растяжение σр (см. рис. 2). Таким образом, область I в зоне растяжения ограничивается напряжением (σ3 = σр), а в области сжатия - критерием прочности Кулона: (2) Здесь Rc - прочность на одноосное сжатие. Если точка оказывается вне контура текучести, то находятся «теоретические» напряжения в следующем порядке. Если точка суммарных напряжений MII попадает в область II (основная зона пластичности), то «теоретическая» точка лежит на пересечении границы текучести с прямой . Угол b наклона прямой определяется законом сечения и задан. Если точка суммарных напряжений попадает в зону III (см. рис. 2, точка MIII), то теоретические напряжения принимают значения Элемент при этом будет разорван в направлении действия напряжения σ3, а напряжения σ1 снизятся до уровня сопротивления грунта на одноосное сжатие. Для области IV, в которой напряжения σ1 не превосходят сопротивление одноосному сжатию, Наконец, для области V, у которой элемент будет разорван по всем направлениям, В программе FEM Models природное напряженное состояние заменяется гидротехническим тензором обжатия «характерного объема» грунта, который суммируется с фактическими напряжениями в массиве: (3) Принятое нами допущение отвечает реальной картине природного напряженного состояния слабых грунтов [7, 8]. 1.2. Численная реализация теплофизического моделирования Составной частью FEM-models является программа Termoground, которая позволяет исследовать с помощью численного моделирования в пространственной постановке процессы промерзания, морозного пучения и оттаивания в годичном цикле методом конечных элементов. Общее уравнение, описывающее процесс промерзания-оттаивания для нестационарного теплового режима в трехмерном грунтовом пространстве, можно представить в виде следующего выражения: (4) где - удельная теплоемкость грунтов (мерзлого или талого); r - плотность грунта; Т - температура; t - время; - теплопроводность грунтов (мерзлого или талого); x, y, z - координаты; qv - мощность внутренних источников тепла. Основными факторами, определяющими приведенные температуры на поверхности элементов земляного полотна и примыкающей местности, являются температура атмосферного воздуха и условия его теплообмена с поверхностью, зависящие от ветрового режима, солнечной радиации, испарения и т.д. [9, 10]. Расчетная величина приведенной среднемесячной температуры воздуха определена по формуле , (5) где - среднемесячная температура воздуха, °С; и - поправки к среднемесячным температурам воздуха за счет солнечной радиации и испарения, °С. 2. Геотехническое моделирование конструкции автомобильной дороги Выполнено геотехническое моделирование состояния покрытия дорожной одежды после прокладки железобетонной плиты над проложенной теплотрассой. Получена близкая к реальной картина местонахождения зон распространения упругих деформаций и опасных зон с пластическими деформациями (рис. 3-5). При математическом моделировании получены численные значения и их распределение в конструкции, а также прямой показатель - деформации и их распределение в поперечных сечениях [11, 12]. Проведенное моделирование термодинамических процессов обусловлено необходимостью получения качественной и количественной картины промерзания-оттаивания в сооружении в годичном и более цикле. Численное моделирование промерзания-оттаивания конструкции выполнялось помесячно. Расчетная схема представлена на рис. 6. В результате установлено, что поверхность дорожной одежды подвержена неравномерным деформациям в связи с различной жесткостью основания на рассматриваемом участке [13]. Анализ результатов геотехнического моделирования конструкции показал, что зоны пластических деформаций распространены повсеместно в щебне и песчано-гравийной смеси, в местах переменной жесткости конструкции между железобетонной плитой и существующей дорожной одеждой, что свидетельствует о недостаточной несущей способности дорожной конструкции. Рис. 3. Расчетная схема конструкции: 1 - асфальтобетон трехслойный; 2 - щебень М600; 3 - плита; 4 - полистирол; 5 - песчано-гравийная смесь; 6 - подстилающий слой дорожной одежды Fig. 3. Calculation scheme of the facility: 1 - three-layer asphalt concrete; 2 - breakstone М600; 3 - plate; 4 - polystyrene; 5 - sand and gravel composition; 6 - underlying pavement layer Рис. 4. Зоны упругих и пластических деформаций: синий цвет - упругие деформации; красный цвет - пластические деформации Fig. 4. Area of elastic and plastic deformations: blue color - elastic deformations; red color - plastic deformations Рис. 5. Вертикальные деформации поверхности автодороги, м Fig. 5. Vertical deformations of the road surface, m Рис. 6. Эпюра температур на поверхности асфальтобетона в период отрицательных температур (март), °С Fig. 6. Temperature plot on the surface of asphalt concrete during the period of negative temperatures (March), °С Для уменьшения или практически полной остановки пластических деформаций, а также для перераспределения напряжений с целью предотвращения неравномерных деформаций следует предусматривать прослойки, способствующие увеличению несущей способности основания и перераспределяющие напряжения [14]. Такой прослойкой может быть щебеночная псевдоплита, где композитообразующим элементом является интегральная двухосная георешетка [15]. Для снижения риска неравномерных деформаций грунта от теплового воздействия теплотрассы необходимо предусмотреть комплекс мероприятий по снижению оттаивания грунта в периоды с отрицательной температурой асфальтобетона (использование теплоизоляторов). Выполнено геотехническое моделирование состояния покрытия дорожной одежды после кладки железобетонной плиты над проложенной теплотрассой с применением геосинтетических геоматериалов в щебне и теплоизоляционных материалов (рис. 7-10). Рис. 7. Расчетная схема конструкции: 1 - асфальтобетон трехслойный; 2 - щебень М600; 3 - плита; 4 - полистирол; 5 - песчано-гравийная смесь; 6 - подстилающий слой дорожной одежды; 7 - георешетка Fig. 7. Calculation scheme of the facility: 1 - three-layer asphalt concrete; 2 - breakstone М600; 3 - plate; 4 - polystyrene; 5 - sand and gravel composition; 6 - underlying pavement layer; 7 - geogrid Рис. 8. Зоны упругих и пластических деформаций: синий цвет - упругие деформации; красный цвет - пластические деформации Fig. 8. Area of elastic and plastic deformations: blue color - elastic deformations; red color - plastic deformations Рис. 9. Вертикальные деформации поверхности автодороги, м Fig. 9. Vertical deformations of the road surface, m Рис. 10. Эпюра температур на поверхности асфальтобетона в период отрицательных температур (март), °С Fig. 10. Temperature plot on the surface of asphalt concrete during the period of negative temperatures (March), °С Заключение 1. Зоны пластических деформаций в щебне и песчано-гравийной смеси, в местах переменной жесткости конструкции между железобетонной плитой и существующей дорожной одеждой значительно снизились, что свидетельствует об эффективности применения выбранных мероприятий. 2. При рассмотрении полученных вертикальных деформаций конструкции дорожной одежды можно сделать вывод о том, что деформации поверхности дорожной одежды сократились и перераспределение напряжений созданием псевдоплиты привело к устранению просадок в местах различной жесткости конструкции. 3. При укладке теплоизоляционного покрытия величины температур наружной поверхности асфальтобетона соответствуют допустимой температуре прогрева наружной поверхности асфальтобетона в период с отрицательными температурами. Толщина теплоизоляционного материала, определенная расчетом, составляет 10 см. 4. Применение современных геотехнологий и новых геосинтетических материалов в строительстве имеет сегодня прогрессивную тенденцию. Они во многом являются экономически более выгодной и надежной альтернативой традиционным решениям. Поэтому всесторонние исследования в области рационального использования возможностей геосинтетических материалов при их работе в грунтовых средах, разработка новых конструкций и расчетных методик, а также поиск совершенных подходов к решениям таких задач современной геотехники в настоящее время значимы и актуальны.

About the authors

S. A Kudryavtcev

Far Eastern State Transport University

T. U Valtseva

Far Eastern State Transport University

References

Statistics

Views

Abstract - 558

PDF (Russian) - 188

Refbacks

• There are currently no refbacks.