Учет закономерностей движения воды в рабочем слое земляного полотна при проектировании лесовозных автомобильных дорог

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

УЧЕТ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ДВИЖЕНИЯ ВОДЫ В РАБОЧЕМ СЛОЕ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ

лесовозных автомобильных дорог

Ф.А. КИРИЛЛОВ, ассистент каф. транспорта леса и инженерной геодезии, ВГЛТА

При движении лесовозных автопоездов в дорожной конструкции возникают различные по характеру и величине напряжения и деформации, вызывающие, в частности, изменение объема пор в грунте рабочего слоя земляного полотна. Под влиянием динамической нагрузки в воде возникают мгновенные давления, которые стремятся отжать воду в направлении зон с меньшими напряжениями, а возникающие напряжения в грунте способствуют переходу части воды в свободную, что усиливает процесс ее отжатия, то есть фильтрация воды в основаниях дорожных одежд происходит не только за счет гравитационных сил, но и в результате воздействия внешней нагрузки.

Отвод избыточного количества воды из рабочего слоя земляного полотна представляет собой достаточно сложный физический процесс, основанный на законах фильтрации воды в упругопластической среде. Для проектирования мероприятий по осушению рабочего слоя земляного полотна необходимо учитывать значительное количество факторов, одновременно влияющих на условия движения воды.

В настоящее время назначение мероприятий по регулированию водно-теплового режима земляного полотна лесовозных автомобильных дорог производится на основе модели гравитационной фильтрации воды в абсолютно жесткой пористой среде. Модель широко применяется в гидромелиоративных расчетах и при проектировании гидротехнических сооружений, вообще в тех случаях, когда пористая среда находится в статическом состоянии и не претерпевает существенных изменений. Грунт рабочего слоя земляного полотна подвергается воздействию нагрузок от колес автомобилей, при этом возникают различные по характеру и величине напряжения деформации, вызывающие, в частности, изменение объема пор в грунтах.

fop-vglta@mail. ru

Изменение физико-механических характеристик грунта в течение расчетного периода определяется в первую очередь изменением его влажности и пористости, которое невозможно без процесса консолидации. Таким образом, грунты не являются абсолютно жесткой недеформируемой средой и не находятся в статическом состоянии, поэтому при назначении мероприятий по отводу избытка воды необходимо принимать во внимание и их напряженно деформируемое состояние.

Для оценки и прогнозирования изменения напряженно-деформируемого состояния грунтовой среды существует ряд теорий. Приоритет в применении какой-либо из них определяется сложностью поставленной задачи, точностью ожидаемого результата и учетом основных факторов поведения грунта. Наиболее широкое распространение получили теория пластического течения, деформационная теория пластичности и теория фильтрационной консолидации. Первая теория, базирующаяся на принципе максимума скорости диссипации механической работы, определяет приращение компонентов тензора пластических деформаций пропорционально градиенту некоторой функции и отождествляется с функцией нагружения. Деформационная теория пластичности основывается на соотношениях, связывающих конечные величины пластических деформаций с конечными значениями напряжений. В основе теории консолидации лежат соотношения, связывающие пористость с действующим давлением.

Модель грунта в рамках деформационной теории пластичности конкретизируется заданием модулей деформации, а модель теории пластического течения с упрочнением требует задания пластического потенциала. Анализируя основные положения этих теорий, можно сделать вывод, что их решения совпадают при простом напряженном состоянии грунта. При сложном напряженном со-

ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 4/2009

87

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

стоянии среды теория пластического течения более точно описывает опытные данные в отличие от деформационной теории. Кроме этого деформационная теория пластичности имеет ряд недостатков. Непосредственное использование данных теории в прикладных задачах затруднительно по нескольким причинам. Главная из них иллюстрируется, например, на модели теории пластического течения с упрочнением, предложенной Ю.К. Зарецким и В.Н. Ломбардо. Являясь универсальной, обладая значительной общностью и отражая большинство наблюдаемых экспериментальных факторов, она требует конкретизации многочисленных экспериментальных параметров. В свою очередь они определяются большой серией экспериментов, а некоторые из них требуют постановки дополнительных опытов. Что касается непосредственно испытаний, то в настоящее время нет обоснованной, убедительной и общепризнанной методики испытания переувлажненных грунтов в циклическом режиме. Данная проблема является самостоятельной.

Анализируя вышеприведенные положения и учитывая, что приходится рассматривать прикладную фильтрационную задачу, можно ограничиться выявлением апробированных и доступных экспериментальных зависимостей, описывающих поведение грунта. Таким инструментом, позволяющим с достаточной точностью для инженерной практики достичь поставленных задач, является модель фильтрационной консолидации грунта.

При решении консолидационных задач механики грунтов, с учетом сжимаемости поровой жидкости, широкое применение получил метод, рассматривающий модель грунта в виде квазидвухфазного (условно двухкомпонентного) тела, состоящего из несжимаемого скелета и сжимаемой поровой жидкости. Причем сжимаемость жидкости обусловлена наличием газа в порах грунта в защемленном и растворенном виде. Принятое допущение предполагает несжимаемость поровой жидкости при полном водонасыщении грунта. Однако даже в этом случае жидкость содержит растворенный газ, что оказывает большое влияние на его сжимаемость. Этот факт определяет необхо-

димость рассмотрения модели многофазной грунтовой среды.

Известно, что осадка водонасыщенного грунта состоит из первичной осадки

- фильтрационной и вторичной, обусловленной ползучестью скелета грунта. Учет ползучести водонасыщенных грунтов построен на естественном для теории ползучести предположении, что интенсивность проявления вязкого трения не зависит от размеров области уплотнения. Протекание же фильтрационного уплотнения зависит от длины пути фильтрации, то есть размера области уплотнения

- толщины уплотняемого слоя. Таким образом, с увеличением размеров водонасыщенного грунтового массива влияние ползучести на процесс уплотнения уменьшается.

Исследуя процесс изменения влажности и пористости грунта рабочего слоя земляного полотна, необходимо получить уравнение фильтрации воды в условиях динамического нагружения с учетом исходного напряженнодеформированного состояния. Основными допущениями при разработке модели движения воды в рабочем слое приняты следующие положения: расчетная модель грунта принимается в виде трехфазной среды, состоящей из твердой, жидкой (несжимаемой) и газообразной фаз; скелет грунта и вода считаются несжимаемыми; защемленные пузырьки воздуха перемещаются вместе со скелетом грунта, а поэтому скорости движения твердой и газообразной фаз можно принять одинаковыми; сжимаемость и растворимость в жидкости защемленных пузырьков газа описываются законами Бойля-Мориотта и Генри; движение воды по порам грунта подчиняется законам фильтрации Дарси-Герсеванова; мерзлый грунт водонепроницаемый и несжимаемый; грунт деформируется только в вертикальном направлении без бокового расширения.

Принята расчетная область грунта рабочего слоя (рис. 1), расположенная между водопроницаемым дренирующим слоем сверху и водонепроницаемым слоем мерзлого грунта снизу. Давление от колес лесовозного автопоезда передается на оттаявший грунт через конструкцию покрытия в виде равномерно распределенной нагрузки на некотором ограниченном участке.

88

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2009

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

Рис. 1. Расчетная схема движения воды в частично оттаявшем рабочем слое земляного полотна лесовозной автодороги: 1 - дорожная одежда; 2 - дренирующий слой; 3 - оттаявшая часть земляного полотна; 4 - водонепроницаемый слой мерзлого грунта

Получена зависимость, которая представляет собой уравнение фильтрации воды в верхней части рабочего слоя на границе с дренирующим слоем дорожной одежды под воздействием нагрузки от лесовозных автопоездов с учетом сжимаемости газосодержащей поровой жидкости

ар_ (1 + еср)К1

"ф

St У„К+а»,еф)

(

+

dz2 дх'

+

тп

AЯ

(т0 + awecp) At ’

с =

” У .К + й/ф) К + а*еср)

где ер - среднее значение начального коэффициента пористости на всю зону сжатия;

т0 - коэффициент сжимаемости грунта, см2/кгс;

aw- коэффициент сжимаемости поровой жидкости;

Кф - коэффициент фильтрации грунта, см/ сут;

Yw - объемный вес воды, кгс/см3;

APk / At - скорость изменения внешнего давления, передаваемого на основание, (кгс/см2)/сек;

Cv - коэффициент консолидации, см2/сек;

р - коэффициент порового давления.

Направление движения воды в грунте во многом определяется конструктивными особенностями покрытия. Если покрытие является водонепроницаемым, то при оттаивании грунта весной переувлажненный рабочий слой земляного полотна будет заключен между двумя водонепроницаемыми слоями: с одной стороны покрытие, с другой - мерзлая подошва. Очевидно, что в данном случае вертикальная составляющая фильтрации будет отсутствовать, движение воды в оттаявшем слое будет происходить только в горизонтальной плоскости.

Рассмотрев закономерность изменения во времени напряженного состояния компонентов рабочего слоя земляного полотна, можно сделать выводы. В результате воздействия динамической нагрузки на покрытие, в переувлажненном грунтовом основании возникает движение воды. На условия движения воды в первую очередь оказывает влияние водопроницаемость грунта, его деформируемость под нагрузкой и скорость приложения нагрузки на покрытие (рис. 2). Кроме того, в зависимости от конструкции покрытия в рабочем слое земляного полотна фильтрация воды происходит по двум принципиально разным схемам: горизонтальной и вертикальной. Однако устройство в конструкции дорожной одежды дренирующего слоя создает условия

ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 4/2009

89