Проектирование и строительство нормативно-методические документы arrow Автодороги arrow Пособие Пособие по устройству теплоизолирующих слоев из пенопласта STYROFOAM на автомобильных дорог  
21.01.2018
    
Пособие Пособие по устройству теплоизолирующих слоев из пенопласта STYROFOAM на автомобильных дорог

В.И. РУВИНСКИЙ

Пособие по устройству
теплоизолирующих
слоев
из
пенопласта
STYROFOAM
на автомобильных дорогах
России

V.I. RUVINSKY

Manual
for construction
of STYROFOAM
heat-insulating layers
on roads in Russia

Москва ТРАНСПОРТ 2000

moscow TRANSPORT 2000

Рувинский В.И. Пособие по устройству теплоизолирующих слоев из пенопласта Styrofoam на автомобильных дорогах России. М.: Транспорт, 2000. 71 с.

В Пособии указаны задачи, которые можно решать с помощью пенопласта Styrofoam производства фирмы Дау Кемикал Компани. По сравнению с традиционными решениями дорожной конструкции применение пенопласта позволяет: снизить толщину морозозащитного слоя, уменьшить высоту насыпи и глубину выемки, использовать грунты повышенной влажности, повысить долговечность и ровность покрытия. Показано, что в ряде случаев только пенопласт может обеспечить прочность и морозоустойчивость дорожной конструкции.

Представлены результаты исследований по выбору нужной марки пенопласта для устройства теплоизолирующих слоев на автомобильных дорогах.

Изложены принципы проектирования дорожных конструкций с теплоизолирующими слоями из пенопласта.

Представлены дорожные конструкции с теплоизолирующими слоями из пенопласта в районах с сезонным промерзанием грунтов и в районах с вечномерзлыми грунтами. Даны номограммы для определения необходимой толщины слоя пенопласта и для расчета толщины морозозащитного слоя, заменяемого пенопластом.

Брошюра предназначена для инженеров, занятых проектированием и строительством автомобильных дорог, а также может быть полезна преподавателям и студентам транспортных вузов. Приведенные в брошюре номограммы можно использовать для определения необходимой толщины слоя пенопласта в аэропортах.

Ил. 13, табл. 6, библиогр. 6 назв.

СОДЕРЖАНИЕ

 TOC o "2-3" h z "Заголовок 1;1" Введение. 2 08D0C9EA79F9BACE118C8200AA004BA90B02000000080000000D0000005F0054006F006300390037003300380038003100370038000000

1. Задачи, решаемые с помощью пенопласта. 3 08D0C9EA79F9BACE118C8200AA004BA90B02000000080000000D0000005F0054006F006300390037003300380038003100370039000000

1.1. Снижение толщины морозозащитного слоя. 3 08D0C9EA79F9BACE118C8200AA004BA90B02000000080000000D0000005F0054006F006300390037003300380038003100380030000000

1.2. Уменьшение высоты насыпи. 3 08D0C9EA79F9BACE118C8200AA004BA90B02000000080000000D0000005F0054006F006300390037003300380038003100380031000000

1.3. Уменьшение глубины выемки. 5 08D0C9EA79F9BACE118C8200AA004BA90B02000000080000000D0000005F0054006F006300390037003300380038003100380032000000

1.4. Использование грунтов повышенной влажности. 5 08D0C9EA79F9BACE118C8200AA004BA90B02000000080000000D0000005F0054006F006300390037003300380038003100380033000000

1.5. Повышение долговечности и ровности покрытия. 6 08D0C9EA79F9BACE118C8200AA004BA90B02000000080000000D0000005F0054006F006300390037003300380038003100380034000000

1.6. Решения, возможные только с пенопластом.. 7 08D0C9EA79F9BACE118C8200AA004BA90B02000000080000000D0000005F0054006F006300390037003300380038003100380035000000

2. Определение нужной марки пенопласта. 8 08D0C9EA79F9BACE118C8200AA004BA90B02000000080000000D0000005F0054006F006300390037003300380038003100380036000000

2.1. Условия работы пенопласта в конструкции. 8 08D0C9EA79F9BACE118C8200AA004BA90B02000000080000000D0000005F0054006F006300390037003300380038003100380037000000

2.2. Испытания на дорогах. 9 08D0C9EA79F9BACE118C8200AA004BA90B02000000080000000D0000005F0054006F006300390037003300380038003100380038000000

3. Конструкции в районах с сезонным промерзанием.. 10 08D0C9EA79F9BACE118C8200AA004BA90B02000000080000000D0000005F0054006F006300390037003300380038003100380039000000

3.1. Принципы проектирования. 10 08D0C9EA79F9BACE118C8200AA004BA90B02000000080000000D0000005F0054006F006300390037003300380038003100390030000000

3.2. Конструкции при новом строительстве. 10 08D0C9EA79F9BACE118C8200AA004BA90B02000000080000000D0000005F0054006F006300390037003300380038003100390031000000

3.3. Конструкции при ремонте и реконструкции. 12 08D0C9EA79F9BACE118C8200AA004BA90B02000000080000000D0000005F0054006F006300390037003300380038003100390032000000

3.4. Расчет толщины слоя пенопласта. 13 08D0C9EA79F9BACE118C8200AA004BA90B02000000080000000D0000005F0054006F006300390037003300380038003100390033000000

3.5. Расчет величины пучения грунта. 18 08D0C9EA79F9BACE118C8200AA004BA90B02000000080000000D0000005F0054006F006300390037003300380038003100390034000000

4. Конструкции в районах с вечномерзлыми грунтами. 18 08D0C9EA79F9BACE118C8200AA004BA90B02000000080000000D0000005F0054006F006300390037003300380038003100390035000000

4.1. Принципы проектирования. 18 08D0C9EA79F9BACE118C8200AA004BA90B02000000080000000D0000005F0054006F006300390037003300380038003100390036000000

4.2. Типы конструкций. 19 08D0C9EA79F9BACE118C8200AA004BA90B02000000080000000D0000005F0054006F006300390037003300380038003100390037000000

4.3. Расчет толщины слоя пенопласта. 21 08D0C9EA79F9BACE118C8200AA004BA90B02000000080000000D0000005F0054006F006300390037003300380038003100390038000000

5. Расчет толщины морозозащитного слоя, заменяемого пенопластом.. 21 08D0C9EA79F9BACE118C8200AA004BA90B02000000080000000D0000005F0054006F006300390037003300380038003100390039000000

Приложение 1. Техническая характеристика пенопласта. 22 08D0C9EA79F9BACE118C8200AA004BA90B02000000080000000D0000005F0054006F006300390037003300380038003200300031000000

Приложение 2. Примеры расчета. 23 08D0C9EA79F9BACE118C8200AA004BA90B02000000080000000D0000005F0054006F006300390037003300380038003200300033000000

Список литературы.. 24 08D0C9EA79F9BACE118C8200AA004BA90B02000000080000000D0000005F0054006F006300390037003300380038003200300034000000

ВВЕДЕНИЕ

Настоящее Пособие разработано в развитие требований СНиП по устройству теплоизолирующих слоев [1]. Пособие позволяет решить целый ряд задач дорожного строительства по обеспечению морозоустойчивости дорожной одежды и прочности и устойчивости земляного полотна в районах с сезонным промерзанием грунтов и вечномерзлыми грунтами. Решение этих задач предлагается осуществлять с помощью теплоизолирующих слоев из пенопласта.

В Пособии представлены конструкции с пенопластом и методы их расчета. Одни конструкции могут заменить традиционные дорожные конструкции, другие являются единственно возможными при решении задачи по обеспечению морозоустойчивости дорожной одежды и прочности и устойчивости земляного полотна. Пособие позволяет оценить эффективность применения конструкций с пенопластом по сравнению с традиционными конструкциями, включая расчет толщины морозозащитного слоя, заменяемого пенопластом.

В Пособии даны рекомендации по выбору марки пенопласта для устройства теплоизолирующих слоев. Имеются данные многолетних испытаний пенопласта на дорогах России только для марки Styrofoam производства фирмы Дay Кемикал Компани. Эти испытания показали, что упомянутый пенопласт можно использовать для устройства теплоизолирующих слоев на дорогах России [4].

В России разработаны соответствующие нормативно-технические документы [1 - 6], позволяющие проводить строительство автомобильных дорог с теплоизолирующими слоями из пенопласта Styrofoam. Этот пенопласт сертифицирован Минстроем РФ.

В Пособии приведены номограммы, позволяющие определять необходимую толщину слоя пенопласта на автомобильных дорогах в районах с сезонным промерзанием грунтов, которые можно применять для определения необходимой толщины слоя пенопласта в аэропортах. В этом случае следует включать в расчет допустимое значение пучения грунтов согласно нормативам для аэропортов.

Настоящее Пособие можно использовать не только при строительстве автомобильных дорог в России, но и в странах СНГ и в государствах Прибалтики.

1. ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ С ПОМОЩЬЮ ПЕНОПЛАСТА

1.1. Снижение толщины морозозащитного слоя

В районах с сезонным промерзанием грунтов их пучение под дорожной одеждой не должно превышать допустимых значений [2]. Для обеспечения этого требования устраивают морозозащитные слои из кондиционных песков, песчано-гравийной смеси, гравия, укрепленных грунтов и из других непучинистых материалов. На участках с неблагоприятными грунтово-гидрологическими условиями толщина морозозащитного слоя может достигать 1 м и более. На таких участках трудно обеспечить необходимое количество кондиционных грунтов и материалов для устройства морозозащитных слоев. Во многих районах таких грунтов и материалов нет. Дальность перевозки кондиционных песков составляет десятки и сотни километров.

Рис. 1. Конструкции дорожной одежды равноценные по морозоустойчивости в условиях Москвы:

1 - покрытие и основания дорожной одежды; 2 - песок; 3 - пенопласт Styrofoam

Устройство теплоизолирующего слоя из пенопласта позволяет резко уменьшить толщину или полностью исключить морозозащитный слой. На рис. 1 представлены конструкции дорожной одежды с морозозащитным слоем из песка (тип А) и с теплоизолирующим слоем из пенопласта (тип В), которые удовлетворяют требованиям по прочности и морозоустойчивости в условиях Москвы [5].

1.2. Уменьшение высоты насыпи

В районах с сезонным промерзанием грунтов высота насыпи должна быть такой, чтобы не происходило переувлажнение грунтов рабочего слоя земляного полотна. Высота насыпи зависит от грунтов, которые входят в рабочий слой земляного полотна [1]. Толщина рабочего слоя принимается равной 2/3 глубины промерзания, но не менее 1,5 м от поверхности покрытия.

Теплоизолирующий слой из пенопласта позволяет уменьшить толщину рабочего слоя благодаря снижению глубины промерзания. В результате этого можно исключить из рабочего слоя неблагоприятные грунты, что позволяет снизить требования к минимальной высоте насыпи.

На рис. 2 представлены минимальные значения высот насыпи, которые нужно устраивать в Архангельской области на участках с грунтовыми водами на уровне поверхности земли. В случае устройства традиционной дорожной одежды высота насыпи из мелкого песка или супеси песчанистой должна быть не менее 2,0 м (тип А). В случае устройства конструкции с теплоизолирующим слоем, предотвращающим промерзание грунтов ниже поверхности земли, высота насыпи должна быть не менее 1,5 м (тип В).

Рис. 2. Минимальные значения высот насыпи в Архангельской области при устройстве традиционной конструкции дорожной одежды (тип А) и конструкции с пенопластом, предотвращающим промерзание грунтов ниже поверхности земли (тип В):

1 - дорожная одежда; 2 - песок мелкий или супесь песчанистая; 3 - супеси и суглинки пылеватые; 4 - пенопласт Styrofoam

Рис. 3. Минимальные значения высот насыпи на полуострове Ямал при устройстве традиционной конструкции земляного полотна (тип А) и конструкции с пенопластом, предотвращающим оттаивание грунтов ниже поверхности земли (тип В):

1 - дорожная одежда; 2 - песок мелкий; 3 - льдонасыщенный грунт; 4 - пенопласт Styrofoam

Применение пенопласта позволяет уменьшить высоту насыпи и сократить толщину морозозащитного слоя. На дороге Омск - Новосибирск применение пенопласта позволило уменьшить высоту насыпи на 0,9 м и сократить толщину морозозащитного слоя из песка на 0,3 м [4].

Основным принципом строительства автомобильных дорог в районах с вечномерзлыми грунтами является сохранение льдонасыщенных грунтов под подошвой насыпи в твердомерзлом состоянии в течение всего периода эксплуатации дороги. При оттаивании таких грунтов они теряют несущую способность и дают осадку, приводящую к разрушению дороги. Для того, чтобы не происходило оттаивание грунтов, устраивают высокую насыпь.

Высоту насыпи можно уменьшить в результате устройства теплоизолирующих слоев из пенопласта. На рис. 3 представлены минимальные значения высот насыпи, которые нужно устраивать на полуострове Ямал при сроке службы дороги 30 лет [6]. В случае устройства традиционных конструкций земляного полотна из мелкого песка высота насыпи должна быть более 2,0 м (тип А). В случае устройства земляного полотна с теплоизолирующими слоями из пенопласта высота насыпи должна быть 1,5 м (тип В), исходя из условия снегонезаносимости дороги.

1.3. Уменьшение глубины выемки

При неблагоприятных грунтово-гидрологических условиях в районах с сезонным промерзанием устраивают в выемках толстые морозозащитные слои (тип А). Ту же морозоустойчивость можно обеспечить устройством тонких теплоизолирующих слоев из пенопласта (тип В). В результате уменьшения толщины дорожной одежды снижается глубина выемки. Поэтому уменьшается объем земляных работ и облегчаются условия их проведения, особенно в период выпадения дождей.

Рис. 4. Конструкции земляного полотна в выемках на дороге Омск - Новосибирск при устройстве традиционной дорожной одежды (тип А) и дорожной одежды с пенопластом (тип В):

1 - покрытие и основание дорожной одежды; 2 - песок средней крупности; 3 - пенопласт Styrofoam

На рис. 4 представлены конструкции земляного полотна в выемках на дороге Омск - Новосибирск от проектного км 38 + 500 до км 76 + 515. Дорога запроектирована по нормативам I технической категории. В конструкциях типа А и В дорожная одежда удовлетворяет требованиям по прочности и морозоустойчивости.

Необходимое количество пенопласта составляет 840 м3 на 1 км дороги. Благодаря устройству теплоизолирующего слоя сокращается количество кондиционного песка (не пучинистого с коэффициентом фильтрации более 2 м/сут) на 11920 м3 на 1 км дороги и уменьшается объем земляных работ на 24400 м3 - 35400 м3 в зависимости от глубины выемки на 1 км дороги.

1.4. Использование грунтов повышенной влажности

При возведении земляного полотна нужно уплотнять грунты рабочего слоя до требуемой плотности [1]. При устройстве дорожной одежды с асфальтобетонным или цементобетонным покрытием плотность грунта должна быть не ниже соответственно 0,98 и 1,0 максимальной плотности по методу стандартного уплотнения по ГОСТ 22733-90. Такое уплотнение возможно только при влажности грунта близкой к оптимальной (Wопт). Обеспечить стройку грунтами с такой влажностью бывает сложно. Особенно это имеет место весной после таяния снега и осенью в период выпадения дождей. Применение теплоизолирующих слоев из пенопласта позволяет использовать грунты повышенной влажности для устройства рабочего слоя земляного полотна при выполнении трех условий. Во-первых, тип увлажнения рабочего слоя земляного полотна должен быть 1-м или 2-м [1], во-вторых, грунт надо уплотнять до плотности не ниже 0,95 от максимальной, в-третьих, толщина пенопласта должна быть такой, чтобы не происходило промерзание грунтов под дорожной одеждой. При таких условиях не происходит морозное пучение грунта, а происходит только его усадка в летний период. В результате этого грунт доуплотняется до максимальной плотности и даже более [4].

Рис. 5. Допустимые значения влажности тяжелого пылеватого суглинка, при которых можно уплотнить грунт до нормативных величин при устройстве традиционной дорожной конструкции (тип А) и конструкции с пенопластом (тип В):

1 - покрытие и основание дорожной одежды; 2 - песок; 3 - тяжелый пылеватый суглинок; 4 - пенопласт Styrofoam; 5 - геотекстиль

На рис. 5 указаны максимальные значения влажности тяжелого пылеватого суглинка, при которых можно применять этот грунт для устройства рабочего слоя земляного полотна в случае традиционного решения дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием (тип А) и в случае включения в конструкцию теплоизолирующего слоя из пенопласта (тип В).

1.5. Повышение долговечности и ровности покрытия

Во время эксплуатации дороги в районах с сезонным промерзанием происходит круглогодичный процесс изменения плотности и влажности пучинистых грунтов. Этот процесс состоит из четырех основных периодов: набухание осенью, пучение зимой, осадка грунта при оттаивании весной и усадка при высыхании летом. Круглогодичные изменения плотности и влажности повторяются в течение всего срока службы сооружения. При этом в результате осадки и усадки грунтов в весенне-летний период может происходить или не происходить восстановление их начальной плотности, достигнутой при строительстве дороги. В последнем случае имеет место разуплотнение грунтов при многократном пучении в течение целого ряда лет, пока их плотность в летний период не станет равной «бытовой плотности» [3].

Указанные процессы поднятия и опускания дорожной одежды происходят неравномерно по площади проезжей части. Особенно это имеет место весной, когда под действием транспорта усиливается неравномерность осадки разуплотненного и водонасыщенного грунта. При этом, чем больше размер пучения грунта, тем более неравномерно происходит поднятие и опускание проезжей части. Такое ежегодное воздействие на дорожную одежду влияет на ее долговечность и ровность покрытия.

Устранить морозное пучение - это значит увеличить долговечность и ровность покрытия. Теоретически этого можно добиться заменой пучинистых грунтов на всю глубину промерзания кондиционным песком, песчано-гравийной смесью, гравием, укрепленным грунтом и другими непучинистыми материалами. Практически сделать это невозможно в районах, где глубина промерзания достигает 3,0 м и более.

Устройство теплоизолирующих слоев из пенопласта позволяет предотвратить промерзание пучинистых грунтов под дорожной одеждой. В результате этого устраняется основной фактор разуплотнения грунтов рабочего слоя земляного полотна. Плотность ненабухающих и слабонабухающих грунтов почти не меняется в процессе эксплуатации дороги. Влажность грунтов, уплотненных до нормативных значений, также меняется мало. При таких условиях несущая способность грунтов рабочего слоя не меняется по сезонам года. Только благодаря этому фактору долговечность покрытия увеличивается примерно на 30 % по сравнению с традиционным решением дорожной конструкции. Продолжительность срока службы конструкции с пенопластом значительно больше указанного значения, так как не происходит ежегодного неравномерного поднятия и опускания дорожной одежды, которое во многом определяет долговечность сооружения.

Рис. 6. Показатели долговечности и ровности покрытия при устройстве традиционной конструкции дорожной одежды (тип А) и дорожной одежды с пенопластом (тип В):

1 - покрытие и основание дорожной одежды; 2 - песок; 3 - грунт; 4 - пенопласт Styrofoam; 5 - геотекстиль

На рис. 6 приведены данные о соотношении между сроками службы покрытия (Т, лет) при традиционном решении дорожной одежды (тип А) и устройстве конструкции с пенопластом, предотвращающим промерзание грунтов рабочего слоя земляного полотна (тип В). Приведены данные о ровности покрытия на дороге Омск - Новосибирск. Замеры проводились после 12 лет эксплуатации дороги [4].

1.6. Решения, возможные только с пенопластом

Одной из задач дорожной службы является устранение пучин на существующей сети автомобильных дорог. Пучинами называют деформации дорожных одежд и земляного полотна, проявляющиеся зимой во взбугривании и потере ровности покрытия, а в период оттаивания при проезде автомобилей - в проломах одежды, вызванных снижением прочности переувлажненных грунтов.

В условиях России пучины серьезно осложняют эксплуатацию дорог. На отдельных участках дороги их протяженность достигает 30 % и более. По данным ИркутскгипродорНИИ (1998 г.) на участке дороги Тюмень - Омск от км 248 до км 297 имеются 7 пучинистых мест общей протяженностью 6,5 км. На участке дороги «Байкал» граница Красноярского края - Иркутск, от км 1689 до км 1712 имеются 10 пучинистых мест общей протяженностью 6,8 км.

Борьба с пучинами традиционными методами во многих случаях малоэффективна, а в ряде случаях просто невозможна. Единственно возможным решением, позволяющим устранить пучину, является устройство теплоизолирующего слоя из пенопласта. На рис. 7 показан один из таких случаев. Дорога проходит в насыпи высотой 1 м. Местность равнинная, поверхностный сток не обеспечен. Под насыпью залегает супесь пылеватая. Имеются подземные воды (верховодка), уровень которых совпадает с поверхностью земли. Глубина промерзания в открытом поле более 1,5 м. На дороге имеются пучины.

Рис. 7. Конструкции дорожной одежды с морозозащитным слоем (тип А) и с теплоизолирующим слоем из пенопласта (тип В), которые рассматривались при решении задачи по устранению пучины на дороге:

1 - покрытие и основание дорожной одежды; 2 - песок; 3 - гравий; 4 - супесь пылеватая; 5 - пенопласт Styrofoam; 6 - геотекстиль; 7 - грунт существующей насыпи; hпр - глубина промерзания

Реконструкция пучинистого участка предусматривает устройство дорожной одежды толщиной 0,5 м. В случае устройства дополнительного морозозащитного слоя его толщина должна быть более 0,5 м (тип А). При таких условиях низ дорожной одежды располагается ниже поверхности земли в зоне верховодки.

Для обеспечения требуемой долговечности конструкции нужно отводить воду из слоев дорожной одежды и верхних слоев земляного полотна, что нельзя выполнить. Невозможно отвести воду в равнинной местности, когда часть морозозащитного слоя находится ниже уровня подземных вод. Поэтому в указанных условиях нельзя устраивать морозозащитный слой для устранения пучин. Еще больше противопоказаний имеет морозозащитный слой из зернистых материалов. Ниже поверхности земли он заполнен водой, в результате чего снижается несущая способность зернистого материала. Морозозащитный слой, заполненный водой, не устраняет пучение, так как в нем происходит льдообразование.

Конструкция с теплоизолирующим слоем из пенопласта (тип В) не имеет указанных недостатков и позволяет устранить пучины на дорогах.

В районах с вечномерзлыми грунтами могут быть также случаи, когда нельзя обойтись без пенопласта. Одним из таких случаев является вынужденное устройство земляного полотна в низкой насыпи из-за рельефа местности [6]. Если не устраивать теплоизолирующий слой из пенопласта, то происходит оттаивание льдонасыщенных грунтов под подошвой насыпи, вследствие чего дорога разрушается. Применение пенопласта позволяет предотвратить оттаивание грунтов и сохранить дорогу.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НУЖНОЙ МАРКИ ПЕНОПЛАСТА

2.1. Условия работы пенопласта в конструкции

Пенопласт в конструкции подвергается воздействию силовых и природных факторов. Действие повторных кратковременных нагрузок от транспорта вызывает деформации при сжатии и изгибе пенопласта. Воздействие природных факторов на пенопласт проявляется в промораживании и оттаивании, увлажнении и высушивании, неравномерном поднятии и опускании теплоизолирующего слоя. Температурный градиент по толщине слоя пенопласта достигает в условиях России 1,5 град/см и более. Действие нагрузок от транспорта проходит в условиях, когда верхняя часть слоя пенопласта находится в талом состоянии, а нижняя - в мерзлом и наоборот. При таком совместном воздействии силовых и природных факторов трудно моделировать работу пенопласта в конструкции.

Основной механизм разрушения пенопласта - это усталость материала. Главный критерий назначения необходимой марки пенопласта - это результаты натурных наблюдений.

2.2. Испытания на дорогах

По указанию Минтрансстроя в 1983 - 1995 годах были проведены испытания пенопласта Styrofoam марки HI-50 на дороге Омск - Новосибирск (район с сезонным промерзанием) и на межпромысловой автодороге Уренгой-185 (район с вечномерзлыми грунтами). Участок дороги Омск - Новосибирск с теплоизолирующими слоями из пенопласта Styrofoam находится в районе города Чулым [4]. Этот район характеризуется суровыми морозными зимами, жарким летом и неблагоприятными грунтово-гидрологическими условиями. По данным Гидрометцентра России температура воздуха зимой достигает здесь минус 50 °С, а летом - плюс 38 °С. В период испытания пенопласта сумма отрицательных градусо-суток составила от 1133 до 2575 за одну зиму.

Дорога на экспериментальном участке проходит на местности с необеспеченным поверхностным стоком. Верховодка отмечена на глубине 0,5 - 1,7 м от поверхности земли. Земляное полотно из легкой пылеватой глины проходит в насыпи высотой 1,65 м. Тот же грунт залегает под подошвой насыпи. Дорожная одежда на экспериментальном участке имеет цементобетонное покрытие (см. ниже). В течение 12 лет пенопласт Styrofoam находился в дорожной одежде. Для оценки его долговечности были отобраны образцы пенопласта с экспериментального участка дороги Омск - Новосибирск, которые были испытаны в Испытательном Центре «Стройполимертест». Результаты этих испытаний представлены в табл. 1.

Из приведенных в табл. 1 данных можно сделать вывод о том, что пенопласт Styrofoam почти не изменил свои свойства в процессе эксплуатации дороги. Произошло только некоторое его сжатие в период строительства дорожной одежды. Результаты испытаний показали, что пенопласт Styrofoam марки Н1-50 можно применять для устройства теплоизолирующих слоев на автомобильных дорогах. Изменилась номенклатура пенопластов, выпускаемых фирмой Дау Кемикал Компани: вместо марки Н1-50 нужно применять марку FLOORMATE 500.

Таблица 1

Наименование показателей

Нормативный документ, регламентирующий метод определения показателя

Значения показателей физико-механических свойств пенопласта

начальные

конечные

Плотность, кг/м3

DIN 53420

ГОСТ 15588-86

38

43,1

Прочность на сжатие при 10 % линейной деформации, МПа (Н/мм2)

DIN 53421

ГОСТ 15588-86

0,40

0,48

Модуль упругости, МПа (Н/мм2)

DIN 53421

ГОСТ 23404-86

15

19,2

Теплопроводность при 10 °С, Вт/(м×К)

DIN 52612

0,027

...

Теплопроводность в сухом состоянии при 20 ° С, Вт/(м×К)

ГОСТ 7076-87

...

0,0286

Теплопроводность в водонасыщенном состоянии при 20 °С и весовой влажности, равной 4,6 %, Вт/(м×К)

ГОСТ 7076-87

...

0,0301

Водопоглощение всего листа, % по объему

DIN 53434

0,2

...

Водопоглощение после 300 циклов промерзания-оттаивания, % по объему

DIN 53434

1,0

...

Водопоглощение за 24 ч, % по объему

ГОСТ 15588-86

...

0,53

3. КОНСТРУКЦИИ В РАЙОНАХ С СЕЗОННЫМ ПРОМЕРЗАНИЕМ

3.1. Принципы проектирования

Конструкция дорожной одежды должна удовлетворять нормативным требованиям по прочности, морозоустойчивости и дренированию [1]. В соответствии с требованиями по морозоустойчивости необходимо, чтобы пучение грунтов под дорожной одеждой не превышало допустимых значений. В России допускают на дорогах пучение грунтов Lдоп = 3 см при устройстве цементобетонного монолитного покрытия; L = 4 см при устройстве сборного покрытия, а также при устройстве дорожной одежды капитального типа с асфальтобетонным покрытием; L = 6 см при устройстве дорожной одежды облегченного типа с асфальтобетонным покрытием. Для дорог международного класса допустимое пучение грунтов под дорожной одеждой не должно превышать 2 см.

Допустимое значение пучения грунтов определяет заказчик строительства автомобильной дороги; оно не должно превышать значений, приведенных выше. Чем меньше допустимое значение пучения грунтов, тем лучше ровность покрытия в процессе эксплуатации дороги и больше срок службы дорожной одежды. Устройство теплоизолирующего слоя из пенопласта позволяет уменьшить морозное пучение грунта благодаря снижению глубины промерзания земляного полотна.

Определение необходимой толщины слоя пенопласта нужно проводить для конструкции дорожной одежды, удовлетворяющей требованиям по прочности и дренированию. Толщину пенопласта устанавливают с учетом срока службы дорожной одежды между капитальными ремонтами, типа увлажнения рабочего слоя земляного полотна [1], глубины залегания подземных вод от низа дорожной одежды и грунтов. При залегании грунтов разных типов в пределах глубины промерзания нужно включать в расчет показатели грунта с наибольшей степенью пучинистости.

Теплоизолирующий слой из пенопласта Styrofoam нужно располагать на глубине не менее 0,5 м от поверхности покрытия для того, чтобы частота образования гололедицы на покрытии не превышала 10 % по сравнению с участком, имеющим традиционную конструкцию дорожной одежды [3].

3.2. Конструкции при новом строительстве

При проектировании можно использовать 6 основных типов решений дорожной конструкции с теплоизолирующим слоем из пенопласта Styrofoam. Нужное решение выбирают в зависимости от конструкции дорожной одежды, запроектированной по условиям обеспечения прочности и дренирования, и стоимости конструкции (рис. 8).

При оттаивании пучинистых грунтов происходит их осадка с отжатием воды. Эта вода должна отводиться из-под дорожной одежды. Поэтому в конструкции типа С2 нужно применять плиты пенопласта, имеющие прямую форму кромки для того, чтобы вода могла поступать в дренирующий слой через щели между плитами. В конструкции типа В применяют плиты пенопласта, имеющие паз-выступ или ступенчатую форму кромки. В этом случае теплоизолирующий слой из пенопласта выполняет полностью или частично функцию гидроизолирующего слоя. В зависимости от источника поступления воды и условий ее отвода из дорожной одежды применяют плиты с соответствующей формой кромки для остальных конструкций, представленных на рис. 8. Толщина дренирующего слоя зависит от коэффициента фильтрации песка. При 3 м/сут и более минимальная толщина дренирующего слоя в конструкции типа С2 составляет 20 см, при коэффициенте фильтрации менее 3 м/сут - 25 см.

На рис. 9 показан поперечный профиль дорожной конструкции типа C1 (размеры даны в метрах). Такая конструкция построена на дороге Омск - Новосибирск [4].

Теплоизолирующий слой из пенопласта должен быть шире проезжей части на 0,5 - 1,5 м для изоляции грунтов под дорожной одеждой от действия холода со стороны обочин. В случае недопущения промерзания грунтов под дорожной одеждой это значение составляет 1,0 - 2,0 м.

Рис. 8. Основные типы конструкций дорожной одежды с теплоизолирующим слоем из пенопласта Styrofoam, применяемые при новом строительстве:

1 - покрытие и основание дорожной одежды; 2 - слой основания из цементобетона; 3 - пенопласт Styrofoam; 4 - дренирующий слой из песка; 5 - противозаиливающая прослойка из геотекстиля; 6 - дренирующая прослойка из геотекстиля; 7 - выравнивающий слой из песка

Рис. 9. Поперечный профиль дорожной конструкции типа С:

1 - засев трав по слою растительности грунта толщиной 0,15 м; 2 - щебеночный материал (0,1 м) с разливом битума (1,5 л/м2); 3 - цементобетон (0,24 м); 4 - щебень, укрепленный 6 % цемента (0,21); 5 - песок (0,20 м); 6 - пенопласт Styrofoam (0,10 м); 7 - геотекстиль «дорнит»; 8 - грунт (глина легкая пылеватая)

Особенности производства работ заключаются в следующем. Плиты пенопласта укладывают на песок или геотекстиль. Предварительно песок уплотняют и выравнивают, так же как и грунт земляного полотна под геотекстилем. Плиты должны опираться по всей площади на песок или геотекстиль. Для удержания каждой плиты на месте используют минимум два деревянных колышка, забиваемых заподлицо с поверхностью теплоизолирующего слоя. Работа строительного оборудования непосредственно по теплоизолирующему слою из пенопласта не допускается. В конструкциях типа В и С первый над плитами Styrofoam слой песка нужно отсыпать на толщину не менее 0,2 - 0,25 м в плотном теле способом «от себя». Толщина слоя песка зависит от типа уплотняющих средств. После уплотнения этого слоя песка можно придерживаться обычной строительной практики.

В конструкциях типа А цементобетон можно укладывать непосредственно на плиты пенопласта Styrofoam.

3.3. Конструкции при ремонте и реконструкции

Ремонт (реконструкцию) пучинистого участка дороги нужно проводить таким образом, чтобы после завершения строительных работ выполнялись следующие требования:

пучение грунта в местах сопряжения со «здоровым» участком дороги должно быть равно значению пучения на этом «здоровом» участке;

пучение грунта в средней части ремонтируемого (реконструируемого) участка дороги не должно превышать допустимого значения для принятого типа покрытия;

интенсивность изменения пучения грунта по длине ремонтируемого (реконструируемого) участка дороги не должна превышать допустимого значения.

При выполнении этих требований повышается долговечность дорожной одежды и предотвращается появление трещин в покрытии в местах сопряжения со «здоровым» участком дороги из-за различий в размерах пучения грунтов.

На подходе к здоровому участку дороги нужно устраивать переходную зону с переменной толщиной слоя пенопласта. Длина этой зоны (в метрах)

Iпз = (Lдоп - hдоп(о)) / iпз,                                                          (1)

где Lдоп - допустимое значение пучения грунта на участке ремонта (реконструкции) дороги, см; hпуч(о) - значение пучения грунта на «здоровом» участке дороги, см; iпз - допустимая интенсивность изменения пучения грунта по длине переходной зоны, см/м.

В расчет следует включать следующие значения iпз: 0,1 см/м при устройстве цементобетонного покрытия, 0,2 см/м при устройстве асфальтобетонного покрытия.

На участке с пучинами грунт разуплотнен и переувлажнен. Ремонт (реконструкцию) этого участка начинают с восстановления несущей способности земляного полотна. Это осуществляют двумя способами. Первый способ - это удаление переувлажненного и разуплотненного грунта и замена его другим грунтом с последующим уплотнением до нормативной плотности. Второй способ предусматривает укладку под дорожной одеждой армирующей прослойки из геотекстиля. В этом случае не требуется удаление грунта, а нужно его уплотнение с поверхности до максимального значения, соответствующего его влажности. При применении первого способа повышения несущей способности земляного полотна можно устраивать на пучинистом участке конструкции дорожной одежды, показанные на рис. 8. При применении второго способа можно применять те же конструкции, но с дополнительным устройством под ними армирующей прослойки из геотекстиля типа «Тураг» марки 3857.

3.4. Расчет толщины слоя пенопласта

Для расчета необходимы следующие исходные данные: географическое местоположение рассматриваемого участка дороги; конструкция дорожной одежды (наименование и толщина слоев) без теплоизолирующего слоя, необходимая по условиям прочности и дренирования; тип увлажнения рабочего слоя земляного полотна (1, 2 или 3) и глубина залегания подземных вод от низа дорожной одежды; наименование грунта земляного полотна.

Расчет толщины теплоизолирующего слоя (hп), см, проводят в следующем порядке.

1. Определяют по карте (рис. 10) номер изолинии, которая проходит через рассматриваемый участок дороги. При расположении участка между изолиниями определяют номера этих двух изолиний.

2. Вычисляют термическое сопротивление дорожной одежды без теплоизолирующего слоя, м2×К/Вт

                                                         (2)

где nод - число конструктивных слоев дорожной одежды без теплоизолирующего слоя; hод(i) - толщина отдельного слоя, м; lод(i) - коэффициент теплопроводности отдельных слоев в мерзлом состоянии.

В расчет следует включать фактические замеренные значения lод(i). При отсутствии таких данных допускается включать в расчет табличные значения lод(i) [2]. Для некоторых материалов lод(i) имеет следующие значения: 1,74 Вт/(м×К) для цементобетона, 1,40 для плотного асфальтобетона, 1,25 для пористого асфальтобетона, 1,86 для щебня из гранита, 1,39 для щебня из известняка, 2,10 для гравийно-песчаной смеси, 2,00 для песка.

3. Определяют значение показателя пучинистого грунта Спуч (табл. 2). К среднепучинистым грунтам относятся супесь песчанистая, суглинок легкий песчанистый, суглинок тяжелый песчанистый, глина. К сильнопучинистым грунтам относятся песок пылеватый, супесь пылеватая, суглинок тяжелый пылеватый. К чрезмерно пучинистым грунтам относятся супесь пылеватая с содержанием песчаных частиц менее 20 % массы, суглинок легкий пылеватый.

При наличии грунтов особых разновидностей и при необходимости более точного определения показателя пучинистости следует определять степень пучинистости грунта по ГОСТ 28622-90.

4. Определяют значение коэффициента Ср, учитывающего влияние давления от веса дорожной одежды и мерзлых слоев земляного полотна на значение пучения грунта. Этот коэффициент устанавливают по табл. 3 в зависимости от толщины дорожной одежды hод и допустимой глубины промерзания земляного полотна hпр(доп).

'>

Документ сокращен, так как он очень большой. Для просмотра полной версии этого документа пройдите по ссылке Бесплатный заказ нужного документа

 
< Пред.   След. >
Полезное: