книги / Электрохимическое закрепление глинистых грунтов, эффективность применения пенополистирола в дорожной конструкции лесовозных автомобильных дорог методические рекомендации

2.2.Конструирование дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием

сиспользованием пенополистирола

Для расчета толщины теплоизолирующего слоя нужны следующие исходные данные: географическое местоположение рассматриваемого участка автомобильной дороги; конструкция дорожной одежды (наименование и толщина слоев) без теплоизолирующего слоя (расчёт приведён выше), необходимая по условиям прочности; тип увлажнения рабочего слоя земляного полотна; глубина залегания расчетного уровня подземных вод от низа дорожной одежды; наименование грунта земляного полотна.

Алгоритм расчета толщины теплоизолирующего слоя следующий:

1. Определяют по карте номер изолинии, которая проходит через рассматриваемый участок дороги. При расположении участка между изолиниями определяют номера этих двух изолиний.

2. Вычисляют термическое сопротивление дорожной одежды (м2К/Вт) без теплоизолирующего слоя по формуле

3. Определяют требуемое термическое сопротивление дорожной одежды (м2К/Вт), при котором не происходит промерзание грунтов, по формуле

4. Определяют толщину теплоизолирующего слоя из пенополистирола. Пример расчета № 2. Исходные данные прежние и материалы слоёв до-

рожной конструкции идентичны варианту, рассчитанному в примере № 1. Отличительной особенностью являются слои основания дорожной одежды, которые расчётами с применением программы РАДОН уменьшены в связи с использованием пенополистирола (табл. 2.2). Результаты расчёта показывают, что при толщине теплоизолирующего слоя из пенополистирола в 1 см достигается экономия дорожно-строительных материалов (рис. 2.3).

11

Рис. 2.3. Расчёт слоёв дорожной одежы с пенополистиролом

Таблица 2.2 Порядок расчёта конструкции дорожной одежы с пенополистиролом

Результаты расчетов показывают, что выбранная конструкция удовлетворяет условию прочности по допускаемому упругому прогибу, сдвигу в грунте земляного полотна и песчаном подстилающем слое, а также сопротивлению монолитных слоев усталостному разрушению от растяжения при изгибе. Толщина дорожной одежды составила 97 см.

Недостатком является то, что программный продукт РАДОН не рассчитывает толщину пенополистирола больше 1 см. В дальнейшем определим необходимую толщину пенополистирола по методу В.И. Рувинского и требований ОДН 218.046-01.

Расчёт толщины пенополистирола:

1)определяем по карте номер изолинии, которая проходит через рассматриваемый участок дороги;

2)вычисляем термическое сопротивление дорожной одежды (формула 2.3)

итеплофизических характеристик конструктивных слоёв по табл. П5.1 ОДН

218.046–01. Rод (о) = 2,65…2,9 м2·К/Вт;

3) определяем требуемое термическое сопротивление дорожной одежды по формуле 2.4 и табл.: Rод (о) = 2,65…2,9 м2·К/Вт.

При расчётах второй дорожной конструкции коэффициент прочности выше требуемого в 1,3 раза за счет применения пенополистирола.

Анализ двух вариантов конструкций дорожных одежд производим по следующим параметрам:

а) по прочности конструкций дорожных одежд; б) по толщине конструктивных слоев дорожной одежды.

Анализ по прочности конструкций дорожных одежд показывает, что эквивалентный модуль упругости конструкции варианта № 1 на поверхности покрытия составляет Еэкв = 276 МПа с коэффициентом прочности Кпр = 1,35, для варианта № 2 – Еэкв = 258 МПа с коэффициентом прочности Кпр = 1,32. Данные расчета показывают, что конструкции дорожных одежд являются равнопрочными.

По толщине конструктивных слоев дорожной одежды видно, что вариант без пенополистирола имеет общую толщину 104 см, а вариант с пенополистиролом – 94 см, в том числе по слоям основания разница по толщине составляет 10 см, что даёт экономический эффект.

13

III.РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЁТОВ СЛОЁВ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ

СПОМОЩЬЮ ПРОГРАММНЫХ ПРОДУКТОВ РАДОН, PLAXIS,

GEOSTUDIO 2007

Исследования параметров напряженно-деформированного состояния конструкции дорожной одежды лесовозной автомобильной дороги и определение необходимой толщины теплоизолирующего материала с учётом промерзания и оттаивания дорожной конструкции необходимо произвести методом конечных элементов по программным комплексам PLAXIS, GEOSTUDIO 2007, а проверить по допустимому упругому прогибу и модулю упругости – РАДОН.

3.1. Расчетный комплекс PLAXIS

Программный продукт PLAXIS представляет собой пакет прикладных вычислительных программ для конечно-элементного анализа напряженнодеформированного состояния системы основание–фундамент–сооружение в условиях плоской и осесимметричной задач.

Расчетный комплекс PLAXIS позволяет:

–создавать расчетные схемы, геометрии сооружения, действующих нагрузок и граничных условий;

–выполнять автоматическую разбивку расчетной области на конечные элементы высокого порядка (6- или 15-узловые треугольные элементы) с возможностью общего и локального измельчения сетки;

–моделировать этапы условия работы конструкции и грунтового основа-

ния;

–моделировать грунты, применяя апробированные в современных геотехнических расчетах модели: упругопластическую модель Кулона–Мора, реологическую модель с учетом ползучести грунта, упругопластическую модель упрочняющегося грунта;

–создавать оперативные базы данных по физико-механическим характеристикам грунтов и конструкционных материалов;

–выполнять расчеты напряжений и деформаций в элементах системы конструкции дорожной одежды;

–проводить оперативный визуальный анализ развития напряженного и деформированного состояний в любом элементе расчетной схемы (конструкция, грунт) на любом этапе расчетов с помощью графических материалов;

–создавать отчеты в среде Microsoft Word по исходным данным и результатам расчетов и редактировать их.

14

3.2. Расчетный комплекс РАДОН

Расчетный комплекс РАДОН – пакет программ, предназначенных для автоматизированного конструирования и расчета дорожных одежд нежесткого типа.

В программе реализованы методики расчета и требования нормативных документов: для России — ОДН 218.046–01 «Проектирование нежестких дорожных одежд», ОДН 218.1.052–2002 «Оценка прочности нежестких дорожных одежд», ВСН 49–86, ВСН 197–91.

Исходные данные. Данные о районе строительства; основные характеристики дороги; состав и интенсивность движения автомобильного потока; данные по нормативной расчетной нагрузке; слои конструкции дорожной одежды и их параметры; дополнительная информация при назначении морозозащитных, дренирующих, теплоизолирующих слоев и выполнении нетиповых расчетов.

Основные функции расчетного комплекса РАДОН:

–Конструирование и расчет дорожной одежды на прочность по трем основным критериям: по допустимому упругому прогибу конструкции, по допускаемым напряжениям на сдвиг в слоях с пониженной сопротивляемостью сдвигу, на растяжение при изгибе монолитных слоев.

–Проверка дорожной конструкции на морозоустойчивость и проектирование морозозащитных и теплоизолирующих.

–Определение расчетной влажности грунта рабочего слоя и назначение мероприятий по ее снижению.

–Расчет дренирующих слоев из дискретных материалов.

–Проектирование дорожных конструкций с армирующими и защитными прослойками из синтетических материалов.

–Конструирование дорожных одежд и расчет нежестких оснований с использованием сборных железобетонных плит в качестве покрытий.

–Расчет усиления существующих дорожных одежд с учетом степени износа и общего модуля упругости существующей конструкции.

–Расчет конструкций с использованием трещинопрерывающих прослоек. Результатами расчёт с применением расчетного комплекса РАДОН явля-

ются:

1.Протокол расчета.

2.Файл в формате RTF с информацией по исходным данным и результатам расчета.

15

3.3. Расчетный комплекс GeoStudio 2007

Расчётный комплекс GEOSTUDIO 2007 является интегрированным инструментом для того, чтобы управлять ведущим набором ГЕО-НАКЛОНА геотехнических продуктов программного обеспечения моделирования: SLOPE/W, SEEP/W, SIGMA/W, QUAKE/W, TEMP/W, CTRAN/W, AIR/W и VADOSE/W.

Данная программа описывает существенные изменения, происходящие в слоях дорожных конструкций и земляном полотне дороги. Использование GeoStudio, 2007 позволяет увеличить качество при проектировании слоёв дорожной конструкции, а также наглядно показывает изменение влагоёмкости в течение эксплуатации дороги для любой дорожно-климатической зоны.

Программный продукт GeoStudio позволяет проанализировать и облегчить задачу назначения дорожной конструкции для любой дороги, вычислит водное порой давление в слоях и рабочем слой земляного полотна, производит правильное назначение внешних нагрузок и толщины слоёв. Визуальная обратная связь, позволяет оперативно менять модели дорожных конструкций или изменить те или иные параметры дороги. Полученные значения давления в слоях дорожной конструкции и установившиеся силы могут использоваться в анализе перераспределения напряжения, чтобы оценить постоянные деформации, которые могут возникнуть на участках сопряжений насыпей с выемками.

IV. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ЗАКРЕПЛЕНИЕ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ

Предлагаемый способ электрохимического закрепления грунтов имеет ряд существенных преимуществ: работы выполняются без ограничения эксплуатации всего здания; работы малотрудоемки и не требуют большого числа рабочих; работы требуют относительно небольших затрат, но увеличивают срок службы и увеличивается несущая способность грунта и эффект закрепления сохраняется много лет.

Для Пермского края и большого количества регионов России характерно загрязнение грунтов нефтью и нефтепродуктами, поэтому использование хлористого кальция и натрия в качестве электролитных агентов для закрепления грунтов может быть затруднено. В ходе электрохимического закрепления грунта могут образовываться очень токсичные хлорорганические соединения. Поэтому проводились работы по замене активного иона хлора на более инертный

16

PNRPU

сульфат-ион. В этом случае вместо не растворимого сульфата кальция (CaCl2) использовали отход промышленности – растворимый сульфат магния.

При появлении в грунте дополнительных сульфат-ионов могут протекать процессы связывания находящихся в почве ионов кальция, что дополнительно упрочняет грунт. Также может происходить связывание ионов тяжелых металлов с переводом их в нетоксичное нерастворимое состояние.

Влажность грунта W (%) вычисляют по формуле

где m1 – масса грунта с емкостью до высушивания, г; m0 — масса грунта с емкостью после высушивания, г; m – масса пустого стаканчика с крышкой, г.

Определение содержания кальция и магния в воде катодного пространства комплексонометрическим методом. Титрование проводят на микропипетке

776 Dosimat с магнитной мешалкой 728 Stirrer фирмы Metrohm.

Количество магния С (мг/г) определяют по формуле (4.2):

где a – объем 0,1Н трилона Б, пошедшего на титрование, мл; V – объем пробы, взятый на титрование, мл.

Количество кальция С* (мг/г) определяют по формуле (4.3):

Определение содержания кальция и магния в грунте комплексонометрическим методом в водной вытяжке. Кальций и магний определяют для каждой зоны всех опытов и естественного грунта.

Количество магния С (мг/г) определяют по формуле (4.4):

где V1 – объем дистиллированной воды, использованный для получения вытяжки, л; mг – масса грунта, г.

Количество кальция С* (мг/г) определяют по формуле (4.5):

Количество воды, выделяемое из грунта, определяется по выражению

17

где р – удельное электрическое сопротивление, ом см; А – количество электричества, Кл; k э – коэффициент электроосмотической фильтрации.

Известно, что основным электроосмотическим показателем грунтов считается коэффициент электроосмоса, который для различных грунтов составляет

(4.7):

Предельные отклонения величины а составляют от 0,5 до 13,0; наиболее часто встречающиеся значения а = 3…5.

V. ТЕХНОЛОГИЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ЗАКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТОВ

Предлагаемый способ обработки грунтов по сравнению с перечисленными способами имеет ряд существенных преимуществ:

а) работы выполняются без закрытия автомобильной дороги для транзитного транспорта, так как оборудование и электроды располагаются на обочине и вне габаритов дороги;

б) работы малотрудоемки и не требуют большого числа рабочих; в) работы требуют относительно небольших затрат, и по имеющимся дан-

ным, составляет 2000…2500 руб. на 1 м2 закрепленного грунта; г) увеличивается несущая способность грунта, устраняется морозное пуче-

ние грунта и эффект закрепления сохраняется много лет.

При обработке грунтов происходит электрохимические и структурнообразовательные реакции. Режим электрообработки грунта определяется принятым градиентом падения напряжения между электродами (в суглинках 0,4…1,0 В/см), плотностью тока по грунту и временем обработки. Плотность тока в течение электрообработки постоянно меняется и зависит от электрического сопротивления грунтовой среды.

В начальный период при достаточно большой влажности она может составлять 2,5…3,0 А/м2. К концу электрообработки плотность тока уменьшается до 0,5 А/м2. Во время электрообработки поддерживается постоянный градиент падения напряжения в пределах 0,7 В/см. Продолжительность при противопучинной обработке грунта составляет до 25…30 суток. Небольшие перерывы до 2 часов допускаются для профилактического осмотра и мелкого ремонта обо-

18

рудования. Такая продолжительность обработки грунта допускается необходимостью пропуска через грунт определенного количества электроэнергии и составляет до 80 кВт/м3. В качестве электролита для противопучинной обработки наибольшее распространение получил 15…20 % раствор хлористого кальция

(CaCI).

Раствор хлористого кальция заливается в анодные электроды в течении 2/3 продолжительности обработки грунта (5…20 суток). В последнюю треть времени (10 суток) электрообработка производится без электролита с тем, чтобы подсушить грунт и создать благоприятные условия для структурообразования. Дозировка электролита составляет в среднем 15 л на 1 м3 упрочняемого грунта. В первое время расход электролита составляет 3…5 л на 1 электрод в сутки, а в последствии он снижается до 1 л в сутки. В течении всей электрической обработки грунта необходимо периодически откачивать воду из катодных электродов. Наиболее интенсивное отделение воды происходит в первый период электрообработки, когда грунт имеет значительную влажность и откачка воды производится 4…5 раз в сутки. В конце обработки воды в электроды поступает мало и число откачек уменьшается до 1 раз в сутки. Откачку воды из катодных электродов производят центробежными насосами или вручную с помощью насоса или трубки диаметром 20…30 мм. Эта трубка погружается в электрод, где заполняется водой. Затем натяжением проволоки нижний конец трубки перекрывается пробкой. Трубка извлекается, а ее содержимое выливается в ведро. Операция повторяется 2…3 раза, пока не удаляется вся вода из электрода. Главным достоинством этого способа является простота, хотя он мало производителен. Лучше, конечно, использовать различного вида насосы с переносным шлангом.

Наибольшее уплотнение грунта достигается в анодной зоне, и для равномерного упрочнения электроды располагаю в шахматном порядке.

Глубина забивки электродов определяется по формуле

где h – глубина промерзания грунта земляного полотна под дорожной одеждой, Z – величина зоны, через которую происходит миграция влаги в зону промерзания.

Пример расчёта. Для глинистых грунтов при Z = 0,7

Н = 1,96 +0,7 = 2,66 ≈3,0 м.

Таким образом, длину электродов для нашего примера принимаем равным

3,0 м.

19

В связи с тем что дорога является линейным сооружением, мощность имеющегося источника тока недостаточна для обработки всего массива, поэтому фронт работ делился на захватки. Размеры захваток определялись из условия обеспечения плотности тока по грунту не менее 2 А/м2 по формуле

где N – мощность источника тока, кВт; Н – глубина обрабатываемой зоны, м; n – число электродных рядов; i – плотность тока по грунту в сечении между разноименными электродами, А/м2; V – напряжение, В; 1,2 – коэффициент, учитывающий запас напряжения на преодоление сопротивления электрической сети и электродов.

Пример. Для упрочнения массива грунта земляного полотна на участке сопряжения насыпи с выемкой автомобильной дороги необходимо определить длину захватки. Глубина обработки 3,0 м, электроды располагаются на расстоянии друг от друга 2,0 м в 4 ряда в шахматном порядке со стороны обочин. Мощность источника тока составляет 50 кВт, напряжение, подаваемое в сеть,

80 В.

Длина зоны производства работ (захватки) по проведённым расчётам по-

где N = 50 кВт; Н = 3 м; n = 4; i = 2 А/м2; V = 80 В.

Вкачестве анодных и катодных электродов использовались перфорированные трубы Ш70 мм с перфорацией Ш10 мм, которая наносилась прорезанием ручной фрезой. Отверстия располагаются в шахматном порядке из расчета 40…50 шт. на 1 м длины трубы. Перфорация наносится только на той части длины электрода, которая находится в обрабатываемой зоне грунта (рис. 5.1).

Впроцессе закрепления происходит уплотнение грунта земляного полотна, которое вызывает уменьшение его объема до 15 %. Это уменьшение объема грунта носит необратимый характер и вызывает неравномерную осадку на участке закрепления равное 9 см. В дальнейшем были произведены работы по восстановлению ровности покрытия.

Основной комплекс работ состоит из следующих операций: забивки электродов; монтажа электрической установки в сети; пропускания постоянного электрического тока и заливки в анодные электроды электролита; откачки воды из катодов; демонтажа электрической сети разводящих линий.

20