Материал: 2030

и жестких металлических штампов диаметрами 20, 25 и 34 см [6, 7, 8, 9]. При Нот = 0, то есть когда грунт был мерзлым, модули упругости, по

данным наших опытов, имели огромную величину: Еу = 2×102 – 25×102

МПа, а Ед = 0,4×102 – 5×102 МПа. При глубине оттаивания 4–5 см модуль упругости составлял уже 180–219 МПа, а деформации – 63–35 МПа.

Затем, по мере увеличения глубины оттаивания грунта, величина его эквивалентного модуля упругости быстро уменьшалась. Это происСибАДИходило вследствие перехода грунта из мерзлого состояния в талое (за счет разрушен я в нем льдоцементирующих связей) и удаления от по-

верхности более прочного мерзлого грунта.

При глуб не отта вания, равной 3–4 диаметрам штампа, модули упругости дост гали м нимальных значений, близких по абсолютной величине к модулям упругости талого грунтового полупространства. Таким образом, при глу ине оттаивания более 4 диаметров штампа влиян е мерзлого слоя практически прекращается (составляет менее

4–5%).

Это явлен е нео ходимо учитывать при расчетах прочности дорожных конструкц й. На величину модулей деформации и упругости кроме влажности плотности глинистого грунта значительное влияние оказывает положение мерзлого слоя при оттаивании, ограничивающего зону обжатия грунта. Вопрос о распределении напряжений и деформаций до настоящего времени наи олее полно разработан только применительно к упругому изотропному полупространству при действии статических нагрузок. Величины сжимающих напряжений, возникающих на контакте грунтового слоя и жесткого основания, исследовались за рубежом (Мелан, Био, Маргерр и др.) и в нашей стране (О.Я. Шехтер, К.Е. Ег оров, М.И. Горбунов-Посадов и др.). Получены аналитические решения и разработаны приемы численного определения напряжений и деформаций.

Согласно этим решениям, а также опытным данным О.Ф. Никитина в ХАДИ, В. . Давыдова в Омском филиале СоюзДорНИИ (1964–1976 гг.) и др. установлено, что величина осадки в системе с несжимаемым основанием меньше, чем в однородном полупространстве. Была получена картина распределения сжимающих напряжений в слое грунта ограниченной толщины на несжимаемом основании. При этом установлено, что наличие практически жесткого несжимаемого слоя вызывает концентрацию напряжений по оси нагрузки. Оттаивание грунта создает сложную многослойную систему, которую с некоторыми допущениями можно принять как двухслойную.

21

СибАДИРис. 1.8. Схема годового цикла водно-теплового режима земляного полотна основания в районах вечной мерзлоты и сезонного оттаивания грунтов:

А – изменение модуля упругости грунта земляного полотна в годовом периоде; Б и В – схемы протаивания, промерзания и увлажнения соответственно в I и во II ДКЗ;

1 – сухой талый грунт; 2 – влажный талый грунт; 3 – талый грунт повышенной влажности; 4 – переувлажненный талый грунт; 5 – надмерзлотная вода; 6 – твердомерзлый грунт; 7 – прослойки и линзы льда; Нн – высота насыпи; Нот – мощность слоя оттаивания (промерзания); Но – глубина расположения границы нулевых амплитуд; ГГВ – горизонт грунтовых вод

Величину эквивалентного модуля упругости системы – талый (верхний) плюс мерзлый (нижний) слой – можно определить, условно

22

принимая мерзлый слой грунта несжимаемым. В этом случае влияние нижнего, более прочного и жесткого слоя уменьшает осадку под грузом верхнего талого грунта, повышая, таким образом, прочность системы: упругопластичный слой грунта плюс жесткое несжимаемое основание. Это явление можно учесть, используя решение К.Е. Егорова, основанное на формуле Маргерра

СибАДИгде R – рад ус штампа0 , см; r – расстояние от центра круглого штампа до

точки, перемещен я которой определяют, см; I0 – функция Бесселя нулевого порядка первого рода; I1 – функция Бесселя нулевого порядка второго рода; Sh, Ch – соответственно гиперболические синус и косинус; Н – мощность талого слоя грунта, см; t – произвольный параметр интегр рован я.

Для точек, расположенных под центром нагруженной площадки,

Таким образом, влияние мерзлого слоя на прочность оттаивающего грунта может быть определено по формуле (1.6).

В грунтах земляного полотна и основания, как правило, влажность по глубине неоднородна (в верхних слоях меньше, а в нижних больше) и в течение всего периода оттаивания имеет непостоянные значения (см. рис. 1.8, б). Указанную закономерность для естественных условий зоны вечной мерзлоты отмечали многие мерзлотоведы, а также проф. Н.А. Пузаков, однако практических рекомендаций по ее учету при оценке прочности грунтов не было сделано.

Характерные эпюры распределения влажности по глубине оттаявшего слоя в расчетный период (весна – лето) были установлены В. . Давыдовым [6] в процессе обследования автомобильных дорог в районах с многолетнемерзлыми грунтами. В начале оттаивания земляного полотна происходит увлажнение активного верхнего слоя грунта (весенний период), затем, по мере опускания границы оттаивания вниз, вслед за горизонтом мерзлоты опускается свободная влага под действием гравитационных сил.

В летний период за счет испарения с поверхности и инфильтрации просыхают верхние слои земляного полотна, а в нижних слоях на границе с мерзлым грунтом наблюдается максимальная влажность, нередко достигающая предела текучести. Такое распределение влажности обу-

23

словливает неравнопрочность грунтов по глубине, что необходимо учитывать в расчетах прочности дорожных конструкций. По фактическим данным натурных исследований (В.А. Давыдов, 1966) было установлено, что при глубине оттаивания более величины, равной 3 диаметрам штампа, влажность грунта распределяется по экспоненциальной зависимости. ледовательно, зная влажность верхнего и нижнего слоев,

можно по зависимости Е = f(W) определить соответствующие значения модулей упругости или деформации любого слоя грунта. При этом це-

СибАДИпо глубине у, Ад; Е0 , Е0 – модуль упругости или деформации одно-

лесообразно спользовать метод вычисления осадок и напряжений отдельных слоев, основанный на решении задач по законам теории упру-

гости. Многослойную систему дорожной конструкции можно рассматривать как упругое неоднородное полупространство, состоящее из однородных слоев, связанных между собой условием непрерывности на-

пряжен й перемещен й. Каждый из слоев характеризуют определен-

ной толщ ной, модулем упругости (деформации) и коэффициентом Пуассона. Вел ч ну экв валентного модуля упругости на поверхности не-

однородного по глу не земляного полотна можно получить, используя решен е Б.И. Когана, разра отанное для конструирования дорожных одежд.

В общем виде графики изменения модуля упругости грунта (Еуобщ )

или модуля деформации (Едо щ ) от глубины оттаивания с учетом мерзло-

го слоя и неоднородного увлажнения по глубине могут быть описаны уравнением В.А. Давыдова

у д

родного массива грунта при определенных значениях его оптимальной влажности и максимальной стандартной плотности; ву, вд, су, сд – коэффициенты, зависящие от типа грунта, величины относительной деформации и других факторов (табл. 1.3 для вд, сд);

24

Таблица 1.3

Опытные значения модуля деформации при критических значениях глубины оттаявшего слоя (Нот) грунта

1.8. Особенности расчета дорожных конструкций нежесткого типа в условиях вечной мерзлоты

При расчете прочности конструкции дорожных одежд в зоне вечной мерзлоты следует учитывать основные факторы водно-теплового режима земляного полотна, руководствуясь в основном [4] (в части проектирования дорожных одежд в зоне вечной мерзлоты) [1], а также [11].

При этом дорожная конструкция (земляное полотно в комплексе с дорожной одеждой) должна удовлетворять трём условиям:

Та <= [Тдоп],

где Еобщ – общий модуль упругости дорожной конструкции; Етр – требуемый модуль упругости дорожной конструкции, определяемый в зависимости от расчетной нагрузки, состава и интенсивности перспектив-

ного движения; σr – наибольшее растягивающее напряжение при изгибе в материале рассматриваемого слоя одежды; Rи – предельно допустимое растягивающее напряжение при изгибе в материале конструктивного слоя с учетом усталостных явлений; Та – наибольшее активное напря-

25