МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ СОПРЯЖЕНИЙ УЧАСТКОВ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ
С РАЗНОЙ ВЕЛИЧИНОЙ ПУЧЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ КЛИНОВИДНОЙ КОНСТРУКЦИИ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ

     ОДОБРЕНЫ Минтрансстроем
     
     
     Изложены вопросы сопряжения смежных участков автомобильных дорог с разной величиной пучения. Приведены требования к сопряжениям и рекомендуемые конструкции их из разных теплоизоляционных и морозозащитных (стабильных) материалов. На конкретных примерах показаны метод и процесс проектирования сопряжений применительно к основным случаям зимнего поднятия покрытия на смежных участках.
              
     

Предисловие

     "Методические рекомендации по проектированию сопряжений участков автомобильных дорог с разной величиной пучения с помощью клиновидной конструкции теплоизоляции", при разработке которых учтен зарубежный опыт, использованы результаты теоретических и экспериментальных исследований вопросов теплоизоляции и морозозащиты дорожной конструкции, завершают цикл публикаций, посвященных обеспечению необходимой морозоустойчивости дорожной конструкции в сложных климатических и грунтово-гидрологических условиях.
     
     В настоящих "Методических рекомендациях" рассмотрены вопросы морозоустойчивости дорожной конструкции в местах сопряжения участков с разной высотой зимнего поднятия покрытия и обеспечения здесь требуемой ровности проезжей части. Достигается это путем устройства переходной конструкции клиновидной формы из теплоизоляционного или традиционного морозозащитного материала.
     
     Воздействуя на процессы промерзания грунта земляного полотна и влагонакопления в нем, эта конструкция ограничивает возможное зимнее пучение до допустимых пределов.
     
     В "Методических рекомендациях" изложены требования к сопряжениям и приведены основные типы рекомендуемых конструкций. Приведены примеры проектирования клиновидных конструкций сопряжений.
     
     Настоящие "Методические рекомендации" разработали докт. техн. наук М.Б.Корсунский (раздел 5, общее руководство и редактирование) и канд. техн. наук П.Д.Россовский (разделы 1-4).
     
     

1. Общие положения

     1.1. В настоящих "Методических рекомендациях" изложены принципы проектирования переходных конструкций для сопряжения смежных участков автомобильных дорог, на которых возможно неодинаковое зимнее поднятие покрытия, а следовательно, разные величины деформаций, нарушающих ровность проезжей части дороги (рис.1).

Рис.1. Основные виды зимнего поднятия покрытия на границе смежных участков А и Б,
склонных к пучению (а) и на границе непучинистого участка А с пучинистым участком Б (б):

1 - положение покрытия перед промерзанием конструкции; 2 - ожидаемое положение покрытия
 после зимнего вспучивания при отсутствии переходной конструкции; 3 - разница в величине пучения;
 4 - уклон покрытия на сопряжении после устройства клиновидной конструкции;  - длина переходного клина

     1.2. Конструкция теплоизолирующего или морозозащитного слоя должна иметь клиновидную форму и обеспечивать как величину зимнего поднятия покрытия на концах сопрягаемых участков, необходимую для сохранения ровности проезжей части, так и требуемый продольный уклон.
     
     1.3. В случае, если один участок пучинистый, а другой непучинистый, то клиновидную переходную конструкцию устраивают на пучинистом участке, а если оба участка пучинистые, то на том, где ожидается большее поднятие покрытия.
     
     1.4. Применительно к различным вариантам сопряжения смежных участков с разной высотой пучения разработан метод теплотехнического расчета размеров клиновидной конструкции.
     
     1.5. Клиновидную переходную конструкцию в местах сопряжения смежных участков проектируют одновременно с теплоизолирующим или морозозащитным слоем на основном протяжении дороги, так как принципы теплотехнического расчета в обоих случаях одинаковы. При проектировании конструкции следует руководствоваться указаниями настоящих "Методических рекомендаций", а также "Методических рекомендаций" (1, 2).
     
     

2. Требования к сопряжениям

     2.1. Для обеспечения требуемых эксплуатационных качеств дороги переход от одного смежного участка к другому должен быть как можно более плавным, а неравномерное поднятие покрытия не должно превышать допустимой величины.
     
     2.2. Для удовлетворения требований п.2.1 необходимо, чтобы разница зимнего поднятия покрытия на сопрягаемых участках  и  не превышала допустимых значений пучения конструкции , см. (3), т.е. , а неравномерность пучения , т.е. отношение разницы поднятия  к протяжению переходного участка сопряжения  не превосходила величин, указанных в таблице.
     
     

     
     Примечание. Неравномерность пучения 1 мм/м соответствует уклону поверхности покрытия 1?.
     
     
     2.3. Длину теплоизолирующего клина , м, для обеспечения требуемого уклона поверхности покрытия на переходном участке следует определять по формуле
     

,                                                          (1)

     
где 10 - переводной коэффициент.
     
     Величина  приведена в таблице.
     
     2.4. Ширина клиновидной конструкции сопряжения должна быть равной ширине устраиваемого на дороге теплоизолирующего или морозозащитного слоя, т.е. конструкция может частично располагаться и под обочиной.
     
     

3. Материалы для устройства сопряжений

     3.1. Клиновидную конструкцию сопряжения смежных участков можно устраивать из тех же материалов, что и морозозащитный слой на основном протяжении дороги: из теплоизоляционных, обладающих малой теплопроводностью материалов (пенопласт, керамзит, легкие бетоны и пр.), и морозозащитных, не изменяющих своего объема при промерзании (гравий, песок, щебень, шлаки и др.). Требования к качеству материалов для устройства переходных конструкций и для слоев на основном протяжении дороги одинаковы (1, 2).
     
     3.2. При использовании теплоизоляционного материала в форме плиты (пенопласт, торфоплита и др.) необходим достаточный запас тонких плит (1-2 см), позволяющих постепенно изменять толщину теплоизолирующего слоя по длине клиновидной конструкции.
     
     

4. Конструкции сопряжений

     4.1. В случае сопряжения смежных участков, один из которых имеет теплоизолирующий слой из пенопласта, достаточный для полного предотвращения промерзания и пучения земляного полотна, а на другом, не имеющем такого слоя, ожидается некоторое пучение, переходную конструкцию можно устраивать из пенопласта.
     
     Плиты пенопласта укладывают в несколько слоев с перекрытием швов нижележащих плит верхними плитами. В поперечном профиле дороги плиты выпускают за край проезжей части под обочину на 1,2 м с уменьшением на половину толщины теплоизолирующего слоя на расстоянии 0,6 м от края проезжей части. В продольном направлении дороги общее протяжение переходного участка, на котором число плит пенопласта постепенно уменьшается, составляет не менее 15 м.
     
     4.2. В случае сопряжения смежных участков, на одном из которых предусмотрены меры по полному предотвращению пучения (участок А), а на другом (участок Б) ожидается пучение, возможно также применение переходной клиновидной конструкции, устраиваемой из традиционного морозозащитного материала (рис.2).
     
     

Рис.2. Сопряжение участков (;) с помощью
клиновидной конструкции из морозозащитного материала:

1 - асфальтобетон I марки; 2 - то же, III-IV марок; 3 - щебень;
 4 - песок; 5 - пенопласт; 6 - клиновидная конструкция

     Клиновидную конструкцию рассчитывают так, чтобы на одном конце ее (конец участка А) промерзание земляного полотна было полностью предотвращено, а на другом конце, на расстоянии , м, на участке Б промерзание было ограничено, и ожидаемое поднятие покрытия не превышало допустимой величины. Длину переходной конструкции , назначают таким образом, чтобы продольный уклон вспученной поверхности покрытия на сопряжении не превысил допустимой величины (см. таблицу).
     
     4.3. В случае сопряжения с мостом подъездного участка дороги, на котором запроектирована теплоизоляция из битумоцементогрунта с пористым заполнителем (толщину теплоизоляции рассчитывают так, чтобы пучение не превышало ) возможны два варианта переходной клиновидной конструкции.
     
     Первый вариант (рис.3, а). На подходе к мосту на протяжении  толщину теплоизолирующего слоя постепенно увеличивают, чтобы в месте примыкания дорожной конструкции к проезжей части моста промерзание ее, а следовательно, и пучение, было полностью предотвращено.
     
     

Рис.3. Клиновидная конструкция на подходе к мосту
из материалов теплоизоляционного (а) и морозозащитного (б):

1 - асфальтобетон I марки; 2 - то же, III-IV марок; 3 - теплоизолирующий слой
 из битумоцементогрунта с пористым заполнителем; 4 - песок средней крупности;
 5 - клиновидное утолщение теплоизоляции; 6 - то же, песчаного слоя

     Второй вариант (рис.3, б). Специальный теплоизолирующий слой ограничивает промерзание земляного полотна, в результате чего толщина устраиваемой здесь клиновидной конструкции из традиционного морозозащитного материала значительно меньше, чем на аналогичных участках без теплоизоляции.
     
     4.4. В случае сопряжения двух участков А и Б, на которых ожидается разное пучение, обусловленное особенностями подстилающего грунта (на участке А грунт пучинистый, поэтому величина зимнего поднятия покрытия здесь больше, чем на участке Б), переходную клиновидную конструкцию устраивают на участке А из песка (можно использовать керамзит, металлургические шлаки, золы уноса и др.), в результате чего на протяжении  переходного сопряжения высота поднятия покрытия снизится постепенно до высоты поднятия покрытия участка Б, что обеспечит плавный переход от одного участка к другому (рис.4).
     
     

Рис.4. Сопряжение двух участков с разной высотой поднятия покрытия ():

1 - асфальтобетон I-II марок; 2 - щебень; 3 - песок; 4 - переходный морозозащитный
клин из песка, керамзита, металлургических шлаков, зол уноса и т.п.

5. Проектирование сопряжений (примеры)

     Рассмотрим примеры расчета клиновидной конструкции сопряжения смежных участков с использованием теплоизолирующих либо морозозащитных материалов.
     
     Пример 1. Требуется запроектировать переходную конструкцию между двумя участками автомобильной дороги с теплоизолирующими слоями из цементогрунта с керамзитом.
     
     Дорога II категории находится во II дорожно-климатической зоне, 3-й тип местности по условиям увлажнения согласно СНиП II-Д 5-72 "Автомобильные дороги. Нормы проектирования", расчетная глубина залегания грунтовых вод - 160 см от поверхности покрытия.
     
     Конструкции дорожной одежды на участках А и Б представлены на рис.5.
     
     

Рис.5. Схема переходной конструкции между смежными участками А и Б
 с разной высотой пучения и конструкция дорожной одежды на этих участках:

1-2 - покрытие - двухслойный горячий асфальтобетон I марки; 3 - верхний слой основания -
асфальтобетон III марки; 4 - нижний слой основания - цементогрунт с керамзитом; 5 - земляное полотно -
 легкий пылеватый суглинок; 5 - земляное полотно - супесь непылеватая; 6 - покрытие - цементобетон;
 - зимнее поднятие покрытия на основном протяжении участков;  - то же, на сопряжении

     Грунт земляного полотна на участке А - легкий пылеватый суглинок (0,3; 0,15).
     
     Расчет по "Методическим рекомендациям" (1) показал, что глубина промерзания земляного полотна  на этом участке в самый неблагоприятный год за период между капитальными ремонтами не превысит 37 см от нижней поверхности теплоизолирующего слоя, а высота зимнего поднятия покрытия  составит 4 см.
     
     Грунт земляного полотна на участке Б - супесь пылеватая (0,25; 0,18). Расчетом по "Методическим рекомендациям" (1) установлено, что на этом участке 26 см, a 2 см.
     
     Поскольку на участке А ожидается большее пучение, чем на участке Б, то на нем и устраивают переходную конструкцию, чтобы в месте стыковки участков А и Б уменьшить пучение до 2 см.
     
     Необходимо установить толщину слоя цементогрунта с керамзитом  в этом месте переходной конструкции и длину .
     
     Величину  раccчитывaют, руководствуясь "Методическими рекомендациями" (1, 2), в следующем порядке:
     
     1. Определяют коэффициенты теплоусвоения материалов слоев трехслойной модели, к которой приводят дорожную конструкцию участка А.
     
     По данным (1-3) принимают те же расчетные значения теплофизических характеристик материалов слоев и грунтов дорожной конструкции, что и при основном теплотехническом расчете конструкции участка А:
     
     а) для верхнего и нижнего слоев асфальтобетона I марки коэффициент теплопроводности 1,04 Вт/(м·K); удельная теплоемкость 1,68·10 Дж/(кг·K); плотность 2350 кг/м;
     
     б) для асфальтобетона III марки:
     

0,99 Вт/(м·K); 1,68·10 Дж/(кг·K); 2300 кг/м;

     
     в) для цементогрунта с керамзитом
     

0,58 Вт/(м·K); 0,92·10 Дж/(кг·K); 1500 кг/м;

     
     г) для мерзлого грунта земляного полотна - легкого пылеватого суглинка
     

1,97 Вт/(м·K); 1,13·10 Дж/(кг·K); 2000 кг/м.

     
     Многослойную конструкцию приводят к эквивалентной ей по теплофизическим свойствам трехслойной модели, заменяя слои, лежащие над изоляцией, одним слоем толщиной .
     
     Эквивалентный коэффициент теплопроводности верхнего слоя по формуле (9) работы (1)
     

 Вт/(м·K).

     
     Эквивалентные удельная теплоемкость и плотность по формулам (10)-(11) "Методических рекомендаций (1) соответственно
     

 Дж/(кг·K);

 кг/м.

     Значения коэффициентов теплоусвоения , Вт/(м·K)*, для материалов трехслойной модели оказались следующими:
     

 Вт/(м·K);

 Вт/(м·K);

 Вт/(м·K).

________________
     * В дальнейшем под корнем опущен постоянный множитель  - частота годовых колебаний температуры, 1/с, так как в расчетах используются лишь отношения  и .
     
     2. Устанавливают закономерность годового изменения температуры поверхности покрытия.
     
     По приложению 4 "Методических рекомендаций" (1) принимают следующие значения среднегодовой температуры воздуха , амплитуды годовых колебаний температуры  и их среднеквадратичных отклонений , :  °С,  °С,  °С,  °С.
     
     При этих статистических характеристиках температуры воздуха по формулам (1) и (2) указанного приложения "Методических рекомендаций" (1) определяют надежностью 0,95 (капитальный тип покрытия), что среднегодовая температура воздуха в расчетном году  °С, а амплитуда колебания температуры воздуха  °С.
     
     В этом случае среднемесячная температура воздуха самого холодного месяца
     

 °С,

     
а самого теплого
     

 °С.

     
     Далее по приведенным ниже формулам находим, что среднемесячная температура поверхности асфальтобетонного покрытия в самом холодном и самом теплом месяце соответственно
     

 °С;

 °С.

     
     Отсюда среднегодовая температура поверхности покрытия в расчетном году и амплитуда годовых колебаний температуры соответственно
     

 °С;

 °С.

     3. По формуле (7) "Методических рекомендаций" (1) определяют допустимую глубину промерзания земляного полотна от нижней поверхности теплоизолирующего слоя
     

 см.

     Как указано выше, величина пучения  не должна превышать 2 см.
     
     Коэффициент пучения  данного грунта согласно формуле (8) "Методических рекомендаций" (1)
     

,

     
где  см/сут;  см/сут согласно "Инструкции по проектированию дорожных одежд нежесткого типа" ВСН 46-72* (М., "Транспорт", 1972).
________________
     * На территории Российской Федерации действует ОДН 218.046-01. Здесь и далее. - Примечание изготовителя базы данных.
     
     4. По формуле (6) "Методических рекомендаций" (1) вычисляют допускаемое значение произведения средневзвешенной температуры поверхности земляного полотна  и продолжительности промерзания его
     

 с·°С ч·°С.

     
     Численные значения параметров этой формулы взяты из приложения 5 "Методических рекомендаций" (1).
     
     5. Устанавливают допускаемую амплитуду колебаний температуры поверхности земляного полотна (низа теплоизоляции)
     

.

     Для этого по графику рис.8 "Методических рекомендаций" (1) при  ч находят значение , откуда  °С; a  °С. Таким образом,  °С.
     
     6. С помощью номограмм приложения 6 "Методических рекомендаций" (1) определяют толщину теплоизолирующего слоя  (см. рис.5).
     
     Чтобы воспользоваться указанными номограммами, предварительно вычисляют следующие вспомогательные параметры и соотношения:
     

; ; ;

     
коэффициенты температуропроводности:
     

 м/с;

 м/с,

комплекс                         м,
     
где  - частота годовых колебаний температуры;  1/ч или  1/с.
     
     По номограмме приложения 6 "Методических рекомендаций" (1) при  и  находят, что , а при  .
     
     Следовательно, для  .
            
     Отсюда  м.
     
     С учетом влияния теплового потока от грунтовых вод толщина теплоизолирующего слоя в месте примыкания к участку Б должна быть равна  см.
     
     Длину переходной клиновидной конструкции находят по формуле (1) настоящих "Методических рекомендаций"
     

 м.

     
     Значения  приведены в таблице настоящих "Методических рекомендаций".
     
     Пример 2. Требуется запроектировать примыкание к мосту участка дороги с теплоизолирующим слоем из пенопласта.
     
     Дорога II категории находится во II дорожно-климатической зоне, 3-й тип местности по условиям увлажнения; расчетная глубина залегания грунтовых вод - 170 см от поверхности покрытия.
     
     На участке дороги запроектирована следующая конструкция дорожной одежды: двухслойное асфальтобетонное покрытие общей толщиной 9 см; слои основания: верхний - асфальтобетонная смесь III марки - 10 см; нижний - щебень известняковый - 15 см; слой песка средней крупности - 10 см; теплоизолирующий слой толщиной 4 см из пенопласта ПС-4.
     
     Грунт земляного полотна - супесь тяжелая пылеватая (0,29, 0,24).
     
     Расчет по "Методическим рекомендациям" (1) показал, что глубина промерзания земляного полотна  в самый неблагоприятный год за период между капитальными ремонтами составит 43 см от нижней поверхности теплоизолирующего слоя, а ожидаемое зимнее поднятие покрытия достигнет примерно 4 см.
     
     Необходимо установить толщину изоляции  в месте примыкания участка дороги к мосту и длину переходной клиновидной теплоизолирующей конструкции.
     
     Толщину изоляции  находят из условия предотвратить пучение в месте примыкания участка к мосту.
     
     Порядок теплотехнического расчета тот же, что и в первом примере.
     
     1. Определяют коэффициенты теплоусвоения материалов слоев применительно к трехслойной модели, к которой приводят многослойную дорожную конструкцию участка.
     
     По табл.5 "Методических рекомендаций" (3) принимают те же расчетные значения теплофизических характеристик материалов слоев и грунтов дорожной конструкции, что и при основном теплотехническом расчете конструкции:
     
     а) для асфальтобетона:
     
     коэффициент теплопроводности 1,04 Вт/(м·K); удельная теплоемкость 1,68·10 Дж/(кг·K); плотность 2350 кг/м, 2300 кг/м;
     
     б) для известнякового щебня:
     

1,39 Вт/(м·K); 0,92·10 Дж/(кг·K); 1600 кг/м;

     
     в) для песка средней крупности:
     

2,44 Вт/(м·K); 0,92·10 Дж/(кг·K); 1950 кг/м;

     
     г) для полистирола ПС-4:
     

0,052 Вт/(м·K); 1,47·10 Дж/(кг·K); 60 кг/м;

     
     д) для супеси тяжелой пылеватой:
     

2,03 Вт/(м·K); 1,01·10 Дж/(кг·K); 2100 кг/м.

     
     Слой, эквивалентный по теплофизическим свойствам слоям, лежащим над теплоизоляцией (см. пример 1), имеет следующие значения параметров:
     

1,31 Вт/(м·K); 1,26·10 Дж/(кг·K); 1990 кг/м.

     
     Расчетные значения коэффициентов теплоусвоения  для материалов трехслойной модели равны 1812, 67,7, 2075.
     
     2. Устанавливают закономерность изменения температуры поверхности покрытия.
     
     По приложению 6 "Методических рекомендаций" (1) принимают следующие значения среднегодовой температуры воздуха , амплитуды годовых колебаний температуры  и их среднеквадратичных отклонений 4,8 °С; 0,95 °С; 13,85 °С; 1,3 °С.
     
     Среднегодовая температура и амплитуда годовых колебаний температуры воздуха в расчетном году с надежностью 0,95 (капитальный тип покрытия), найденные по формулам, приведенным в примере 1: 3,3 °С; 16 °С.
     
     Среднемесячные температуры воздуха самого холодного и самого теплого месяцев соответственно -12,7 °С и 19,3 °C.
     
     Далее находят температуры асфальтобетонного покрытия в самом теплом месяце (см. пример 1)
     

 °С;

 °С.

     Среднегодовая температура поверхности покрытия в расчетном году и амплитуда годовых колебаний температуры соответственно  °С,  °С.
     
     3. Определяют толщину теплоизолирующего слоя в месте примыкания к мосту .
     
     Чтобы грунт земляного полотна не промерзал, амплитуда колебания температуры на его поверхности должна составлять  °C, a соотношение амплитуд .
     
     Располагая этими соотношениями амплитуд и коэффициентов теплоусвоения  и , а также значениями коэффициентов температуропроводности  м/с,  м/с, находят по номограмме приложения 6 "Методических рекомендаций" (1) толщину теплоизолирующего слоя.
     
     При ,  и ,  получают , а при  и тех же остальных параметрах получают . Тогда при  , а  см. Длину переходной теплоизолирующей клиновидной конструкции находят по формуле (1) настоящих "Методических рекомендаций"
     

 м.

     
     Пример 3. Требуется запроектировать клиновидную конструкцию сопряжения двух участков автомобильной дороги из морозозащитного материала - песка средней крупности.
     
     Сопрягаемые участки дороги II категории находятся во II дорожно-климатической зоне, 3-й тип местности по условиям увлажнения, расчетная глубина залегания грунтовых вод 200 см от поверхности покрытия, расчетная глубина промерзания дорожной конструкции 180 см.
     
     Земляное полотно на участке А возведено из легкого суглинка (пучинистый грунт), на участке Б - из мелкого песка (слабопучинистый грунт).
     
     Для обеспечения требуемой прочности на участках А и Б запроектированы различные конструкции дорожной одежды, но из одинаковых материалов: покрытие из горячего асфальтобетона, укладываемого в два слоя общей толщиной 10 см, основание - из щебня толщиной 25 см на участке А и 20 см на участке Б. На участке А под щебеночным основанием предусмотрен слой песка средней крупности толщиной 40 см.
     
     Проверка морозоустойчивости дорожных конструкций по ВСН 46-72 показала, что ожидаемое пучение в расчетном году на участке А  не превысит 4,2 см, 4 см, а на участке Б  составит 2,8 см.
     
     Клиновидную конструкцию сопряжения из морозозащитного материала располагают на участке А.
     
     Расчет этой конструкции сводится к определению по ВСН 46-72 толщины морозозащитного слоя  в месте контакта участков, обеспечивающей здесь величину пучения, равную 2,8 см, а также к назначению длины переходного участка .
     
     Может быть принят следующий порядок расчета толщины морозозащитного слоя  из песка средней крупности.
     
     1. По ВСН 46-72 принимают климатический показатель  см/сут, а комплексную характеристику пучинистых свойств легкого суглинка  см/сут.
     
     2. Находят, что комплекс , а отношение .
     
     3. По номограмме рис.24 ВСН 46-72 при  и  находят, что , откуда  см.
     
     4. По формуле (20) ВСН 46-72 определяют толщину слоя песка средней крупности в месте примыкания к участку Б:
     

 см,

     
где  и  - толщины асфальтобетонного покрытия и щебеночного основания;
            
     , , - эквиваленты теплотехнических свойств асфальтобетона, щебня и песка.
     
     Длину переходного участка с клиновидной конструкцией сопряжения определяют по формуле (1) настоящих "Методических рекомендаций"
     

 м.

     
     Значение  принято по таблице настоящих "Методических рекомендаций".
     
     

ЛИТЕРАТУРА

     1. Методические рекомендации по проектированию и устройству теплоизолирующих слоев на пучиноопасных участках автомобильных дорог. Союздорнии. М., 1977.
     
     2. Методические рекомендации по проектированию и устройству на автомобильных дорогах конструктивных теплоизолирующих слоев из цементогрунтов с пористыми заполнителями. Союздорнии. М., 1978.
     
     3. Методические рекомендации по совершенствованию проектирования дорожных одежд нежесткого типа. Союздорнии. М., 1978.