О подтоплении дренирующих слоев дорожных конструкций при плоскопараллельной фильтрации воды с постоянным уровнем

Галдина Вера Дмитриевна - канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры «Строительные материалы и специальные технологии» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. Основное направление научных исследований - органические вяжущие материалы и бетоны на

их основе. Имеет 107 опубликованных работ. е-mail: galdin_ns@sibadi.org

Статья поступила 03.04.2009 г.

УДК 69.034.96

О ПОДТОПЛЕНИИ ДРЕНИРУЮЩИХ СЛОЕВ ДОРОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ ПЛОСКОПАРАЛЛЕЛЬНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ ВОДЫ С ПОСТОЯННЫМ УРОВНЕМ

В.И. Сологаев, д-р техн. наук, доц., Н.В. Золотарев, аспирант

Аннотация. Предложена инженерная методика расчета подтопления дренирующих слоев дорожных конструкций при плоскопараллельной фильтрации воды с постоянным уровнем.

Ключевые слова: подтопление, дренирование, дорожные конструкции, методика фильтрационного расчёта.

Введение

Проблема подтопления автомобильных дорог до сих пор не решена в нашей стране. Вода попадает в дренирующие слои, устроенные из песка и щебня. Происходит их подтопление, а подстилающие грунты оснований чаще всего при этом служат относительными водоупорами. Неблагоприятными последствиями подтопления являются: потеря несущей способности и устойчивости грунтов оснований, оползни и оплывы земляного полотна, увеличение морозного пучения дорожных одежд и др. [1]. В настоящей статье представлена методика расчета подтопления дренирующих слоев дорожных конструкций при плоскопараллельной фильтрации воды с постоянным уровнем.

Рис. 1 Схема подтопления дренирующих слоев дорожных конструкций: 1 - покрытие; 2 - дренирующие слои дорожных конструкций;

3 - кривая подпора (язык подтопления); 4 - начальный слой воды;

5 - относительный водоупор

Методика авторов

Подтопление дорог часто наблюдается через проницаемые обочины. Оставленные на обочинах колеи от прохода автомобилей заполняются атмосферной влагой. Далее происходит инфильтрация воды в дренирующие слои дорожных конструкций, что приводит к их подтоплению с рядом неблагоприятных последствий.

Рассмотрим процесс образования языка подтопления при плоскопараллельной фильтрации воды в дренирующих слоях дорожных конструкций на горизонтальном водоупоре (рисунок 1).

Компьютерное моделирование этого процесса с помощью интерпретаторов [2] показывает, что кривая подпора при плоскопараллельной фильтрации имеет форму, близкую к прямой линии. Поэтому аппроксимируем напоры в языке подтопления как линейную зависимость в общем виде

Н (х, і) = а0 + а1

где х - горизонтальная координата; і - время подтопления; а0 и а1 - коэффициенты, подлежащие определению. Такой прием отличается от традиционного способа использования квадратичной зависимости для напоров в грунтовых водах.

Составим интегро-дифференциальное уравнение баланса фильтрующейся через подсыпку воды. С учетом закона Дарси

k • Н

- k • Н

дН

дх

= »•

д_

ді

А

| Н (х, і )дх

где k - коэффициент фильтрации дренирующего слоя; ц - недостаток насыщения дренирующего слоя; Ь - переменная длина языка подтопления. Физический смысл уравнения (2) таков: левая часть выражает составляющую фильтрационного потока воды в горизонтальном направлении, а правая - в вертикальном. В целом уравнение (2) является математической моделью плоскопараллельного языка подтопления.

Граничные условия решаемой задачи для языка подтопления имеют вид

Н (0, і) = Н о; Н (А і) = Н,

где Н0 — постоянный напор воды в источнике подтопления, например, в обводненной колее обочины дороги; Не — естественный напор воды (начальный слой воды на водоупоре).

Подставив (1) в (3) и решив систему уравнений, найдем коэффициенты

ап

= Н0; а =-(н0 -Н)/А

которые подставим в (1) и получим выражение для кривой подпора, аппроксимированной линейной зависимостью в виде

Н(х,і) = Н0-(Н0 -Н)х,Х .

Производная (4) по х, то есть градиент напора в горизонтальном направлении, имеет вид

дН

дх

= -(Н0 - Не)А.

Определенный интеграл в правой части (2) с учетом (4) будет

А

/Н (х

, і )& = А

2

Подставим (4), (5), (6) в (2) , разделим переменные и проинтегрируем. Тогда получим

кі

V

А

А

= А

2

Отсюда найдем увеличивающуюся с течением времени t длину языка подтопления Ь при плоскопараллельной фильтрации воды в дренирующих слоях дорожных конструкций на горизонтальном водоупоре в виде

А =

= І2кі (Н0 -Н,)2

Ж + Не)

Формула (7) в частном случае сухого во-доупора при Не = 0 принимает вид

А = 2к*Н0 = 1,414 кіН°

V

V

Следует отметить, что для упомянутого частного случая П.Я. Полубаринова-Кочина [3] получила гидравлически точное решение в виде

А = 1,616 кіН° І V

а В.М. Маккавеев - приближенное решение [4] в виде

А = 3к*Н0 = 1,225 кіН°

І 2v І V

которое слишком занижает скорость распространения языка подтопления.

0

0

Рассмотрим процесс дренирования проницаемого слоя дорожной конструкции при плоскопараллельной фильтрации воды на горизонтальном водоупоре (рисунок 2). Действительная кривая депрессии при плоскопараллельной фильтрации имеет форму, промежуточную между прямой линией и параболой Дюпюи. Это происходит вследствие нестационарное™ процесса, наличия большого

участка высачивания и влияния капиллярной каймы в фильтрационных потоках малой мощности. Поэтому аппроксимируем кривую депрессии при работе дренажа как линейную зависимость для напора в общем виде (1), причем t — время дренирования слоя дорожной конструкции.

Рис. 2 Схема дренирования слоев дорожных конструкций:

1 - покрытие; 2 - подсыпка; 3 - кривая депрессии (аппроксимированная прямой); 4 -начальный слой воды; 5 - относительный водоупор

Уравнение баланса фильтрующейся к дрене через слой воды аналогично (2), при этом Ь — зона влияния дренажа, а ц — коэффициент водоотдачи грунта слоя дорожной конструкции.

Граничные условия решаемой задачи для дренирования имеют вид

н (0, t) = Нл; Н (Ь, t) = н,,

где На — напор воды в дрене; Не — естественный напор воды.

Все остальные выкладки аналогичны предыдущим, как при решении задачи о подтоплении. Проделав их, получим решение для зоны влияния дренажа в слое дорожной конструкции в виде

Ь=

¡2И (Н, -Н,)2 и(Н, + Н) •

Формула (12) в частном случае дрены на водоупоре при Нл = 0 принимает вид

Ь=

\2 ^Не И

= 1,414

\ktHe

И

Следует отметить, что для данного частного случая К.Э. Лембке [5] получил решение в виде

Ь=

= 1,732

\^Не

И

однако моделирование показывает, что эта формула завышает зону влияния дренажа Ь. Поэтому водопритоки получаются заниженными, что снижает запас надежности при расчете дренажа.

Односторонний водоприток на каждый метр длины подкюветной дрены может быть найден по формуле Дюпюи [5]

Q =

Ь-(н,2 -Н2]

2Ь

а участок высачивания на дрене можно рассчитать по формуле П.Я. Полубариновой-Кочиной так [5]:

Ив = 0,742 -Q •

ь

Выводы

1. Разработана инженерная методика расчета подтопления дренирующих слоев дорожных конструкций при плоскопараллельной фильтрации воды с постоянным уровнем.

2. Длину языка подтопления можно прогнозировать по формуле (7). Фильтрационный расчет дренажа можно осуществить с использованием зависимости (12). Упомянутые зависимости авторов предназначены для случая постоянного уровня воды в источнике подтопления и в дрене.

3. Направлением дальнейших исследований может быть решение рассмотренных задач при переменном уровне воды.

Библиографический список

1. Крицкий М.Я., Шестаков В.Н. О классификации дефектов земляного полотна автомобильных дорог // Вестник СибАДИ. - Омск: Изд-во СибАДИ, 2007. - Вып. 5. - С. 69-76.

2. Сологаев В.И. Совершенствование компьютерных технологий моделирования геофильтрации с помощью интерпретаторов // Вестник СибАДИ. - Омск: Изд-во СибАДИ, 2007. -Вып. 5. - С. 129-132.

3. Полубаринова-Кочина П.Я. О

перемещении языка грунтовых вод при фильтрации из канала // Доклады Академии наук СССР. - М.: Изд-во АН СССР, 1952. - С. 853-855.

4. Маккавеев В.М. Частный случай неустановившегося движения грунтовых вод со свободной поверхностью (к вопросу о заболачивании поймы) // Труды государственного гидрологического института. - М., 1937. - Вып. 5. -С. 218-222.

5. Полубаринова-Кочина П.Я. Теория движения грунтовых вод. - М.: Наука, 1977. - 664 с.

About groundwater level rizing in the draining layers of the road constructions for planeparallel filtration of water with constant level

V.I. Sologaev, N.V. Zolotarev

The engineering technique of calculating the groundwater level rizing in the draining layers of the road constructions for plane-parallel filtration of water with constant level is offered.

Сологаев Валерий Иванович - д-р техн. наук, профессор кафедры «Городское строительство и хозяйство» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. Основное направление научных исследований - защита от подтопления в городском строительстве. Имеет 78 опубликованных работ. e-mail: sologaev@rol.ru

Золотарев Николай Валерьевич - аспирант Омского государственного аграрного университета. Основное направление научных исследований - защита от подтопления в городском строительстве. Имеет 3 опубликованные работы. E-mail: zolotarev@rol.ru

Статья поступила 19.02.2009 г.

УДК 625.85

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ И ДЕФОРМАТИВНЫЕ СВОЙСТВА АСФАЛЬТОБЕТОНОВ НА ПОРИСТОМ ЗАПОЛНИТЕЛЕ

В.С. Прокопец, д-р техн. наук, проф., В.Д. Галдина, канд. техн. наук, доц., Г.И. Надыкто, канд. техн. наук, доц., Г.А. Подрез

Аннотация. Изложены результаты исследования физико-механических свойств асфальтобетонов с использованием в качестве заполнителей щебня и песка из пористого туфа. Установлена повышенная деформативная способность и трещино-стойкость асфальтобетонов на пористых заполнителях.

Ключевые слова: асфальтобетон, пористый заполнитель, трещиностойкость, деформативность.

Введение являются привозимыми и дорогостоящими. Тех-

Использование пористых каменных матери- ническая целесообразность производства и при-

алов в дорожных асфальтобетонах экономиче- менения дорожных асфальтобетонов на пори-

ски выгодно в районах, где плотные заполнители стых заполнителях обусловлена их высокой теп-