5 Методика расчета плоскостного горизонтального и поперечного дренажей
5.1 Методика расчета плоскостного горизонтального и поперечного дренажей с использованием дополнительных песчаных слоев основания
5.1.1 При расчете дренажной системы определяется требуемая толщина дренирующего слоя из дискретных материалов. В районах сезонного промерзания грунтов учитываются два расчетных этапа работы дренажных конструкций:
-первый – для периода, когда основание дорожной одежды под серединой проезжей части уже оттаяло, дренирующий слой у ее краев находится в мерзлом состоянии, а водоотводящие устройства не работают;
-второй – для времени, когда дренирующий слой полностью оттаял, и водоотводящие устройства начали нормально функционировать.
5.1.2 В зависимости от конкретных условий дренажная конструкция может быть рассчитана на один из трех вариантов работы:
-осушение;
-осушение с периодом запаздывания отвода воды;
-поглощение.
5.1.3 Полную толщину дренирующего слоя определяют по формуле (1)
hn = hнас + hзап, (1)
где hнac – толщина слоя, полностью насыщенного водой, м;
hзап – дополнительная толщина слоя, зависящая от капиллярных свойств материала;
hзап = 0,10 ¸ 0,12 м для песков крупных, hзап = 0,14 ¸ 0,15 м – средней крупности и hзап = 0,18 ¸ 0,20 м – мелких.
Во всех случаях полную толщину дренирующего слоя следует принимать не менее 0,20 м.
5.1.4 Для дренирующего слоя, работающего по принципу осушения, hнас устанавливают по номограммам (рисунки 3, 4 и 5) в зависимости от длины пути фильтрации L и расчетной величины притока воды qp в дренирующий слой за сутки на 1 м2, определяемого по формуле (2)
qp = q · Knк · Кг · Кр · Квог · 1000, м3/(м2 сут), (2)
где q – осреднённое (табличное) значение притока воды в дренирующий слой при традиционной конструкции дорожной одежды, отнесённое к 1 м2 проезжей части, м3/(м2 сут) (таблица 3);
Knк - коэффициент «пик», учитывающий неустановившийся режим поступления воды из-за неравномерного оттаивания и выпадения атмосферных осадков (таблица 4);
Кг – коэффициент гидрологического запаса, учитывающий снижение водопроницаемости дренирующего слоя в процессе эксплуатации дороги (таблица 4);
Кр - коэффициент, учитывающий снижение притока воды при принятии специальных мер по регулированию водно-теплового режима (таблица 5);
Квог – коэффициент, учитывающий накопление воды в местах изменения продольного уклона, определяемый при одинаковом направлении участков профиля у перелома по номограмме (рисунок 5), а при встречных уклонах – по эмпирической формуле (3)
 , (3)
где Кф – коэффициент фильтрации, м/сут;
Тзап – время запаздывания, сут;
i1 и i2 – абсолютная величина уклонов, доли единицы;
n – п ористость дренирующего слоя, доли единицы.
 
С=qp’/Кф
При односкатном поперечном профиле q¢ = qpB, м3/(м сут); при двухскатном q¢ = 0,5qpB, м3/(м сут); B - ширина проезжей части, м; L - длина пути фильтрации, равная половине ширины дренирующего слоя при двухскатном профиле и полной его ширине - при односкатном, i - поперечный уклон низа дренирующего слоя.
Рисунок 3 – Номограмма для расчёта толщины hнас дренирующего слоя из песков мелких, средней крупности и крупнозернистых с коэффициентом фильтрации менее 10 м/сут
i = 0,02 i = 0,03 i = 0,04 i = 0,05
С=qp’/Кф
L - длина пути фильтрации, равная половине ширины дренирующего слоя при двухскатном профиле и полной его ширине - при односкатном, i - поперечный уклон низа дренирующего слоя.
Рисунок 4 – Номограмма для расчета толщины дренирующего слоя по методу осушения при пути фильтрации L = 12 м
i = 0,02 i = 0,03 i = 0,04 i = 0,05
С=qp’/Кф
L - длина пути фильтрации, равная половине ширины дренирующего слоя при двухскатном профиле и полной его ширине - при односкатном, i - поперечный уклон низа дренирующего слоя.
Рисунок 5 – Номограмма для расчета толщины дренирующего слоя по методу осушения при пути фильтрации L = 7 м
i = 0,02 i = 0,03 i = 0,04 i = 0,05
С=qp’/Кф
L - длина пути фильтрации, равная половине ширины дренирующего слоя при двухскатном профиле и полной его ширине - при односкатном, i - поперечный уклон низа дренирующего слоя.
Рисунок 6 – Номограмма для расчета толщины дренирующего слоя по методу осушения при пути фильтрации L = 5 м
i = 0,02 i = 0,03 i = 0,04 i = 0,05
С=qp’/Кф
L - длина пути фильтрации, равная половине ширины дренирующего слоя при двухскатном профиле и полной его ширине - при односкатном, i - поперечный уклон низа дренирующего слоя.
Рисунок 7 – Номограмма для расчета толщины дренирующего слоя по методу осушения при пути фильтрации L = 3,5 м
При расчете номограмм принят коэффициент фильтрации Кф =3 м/сут L – см. рисунок 1; i - поперечный уклон низа дренирующего слоя.
5.1.5 Приток воды в основание дорожной одежды. В основание дорожной одежды поступает вода, которая освобождается при таянии переувлажнённого грунта земляного полотна под проезжей частью и обочиной, и вода от атмосферных осадков, которая внедряется через поверхность дороги из придорожной полосы.
Приток воды в основание традиционной конструкции, которая приходится на 1 м2 проезжей части q через сутки и Q за весь расчетный период весной, определяют по таблице 3.
Таблица 3
Дорожно-климатическая зона
|
Схема увлажнения рабочего слоя
|
Объем воды *103, поступающей в основание дорожной одежды из грунта
|
супеси легкой и песка пылеватого
|
суглинка и глины
|
суглинка пылеватого
|
супеси пылеватой
|
II
|
1
|
15/2,5
|
20/2
|
35/3
|
80/3,5
|
2
|
25/3
|
50/3
|
80/4
|
130/4,5
|
3
|
60/3,5
|
90/4
|
130/4,5
|
180/5
|
III
|
1
|
10/1,5
|
10/1,5
|
15/2
|
30/3
|
2
|
15/2
|
25/2
|
30/2,5
|
40/3
|
3
|
25/2,5
|
40/2,5
|
50/3,5
|
60/4
|
IV и V
|
3
|
20/2
|
20/2
|
30/2,5
|
40/3
|
Примечания
1 В числителе дан общий объем воды Q м3/м2, поступающей в основание за весь расчетный период, в знаменателе (q в м3/(м2×сут).) – за сутки. Для насыпей из непылеватых грунтов высотой более требуемой СНиП (см. таблица 2) во II дорожно-климатической зоне принимают q = 1,5 м3/(м2×сут).
2 При наличии разделительной полосы для участков насыпей, проходящих в нулевых отметках высотой меньше требуемой СНиП во II дорожно-климатической зоне, расчетные значения q повышают на 20 %.
|
Таблица 4 – Значения коэффициентов Кпк и Кг
Дорожно-климатическая зона
|
Схема увлажнения
|
Кпк для грунтов
|
Кг для пылеватых грунтов
|
непылеватых
|
пылеватых
|
II
|
1
|
1,5
|
1,5
|
1,0/1,0
|
2
|
1,5
|
1,6
|
1,2/1,2
|
3
|
1,6
|
1,7
|
1,3/1,2
|
III
|
1
|
1,4
|
1,5
|
1,0/1,0
|
2
|
1,4
|
1,5
|
1,1/1,0
|
3
|
1,5
|
1,6
|
1,2/1,1
|
IV и V
|
3
|
1,5
|
1,3
|
1,1/1,0
|
Примечания
1 Для непылеватых грунтов Кг = 1,0.
2 В числителе – для дорог I и II категории, в знаменателе – III и IV.
|
 
Приведенный коэффициент фильтрации
i1, i2 - продольные уклоны выше и ниже перелома профиля; Кф - коэффициент фильтрации, м/сут.; п - коэффициент пористости дренирующего слоя
Рисунок 8 – Номограмма для определения коэффициента Квог увеличения объема воды в дренирующем слое в местах изменения вогнутого профиля
5.1.6 Для уменьшения притока поверхностной воды в основание проезжей части и в грунт земляного полотна нужно предусматривать одно или несколько из таких мероприятий:
-устройство тротуаров или укрепления обочины с предоставлением им надлежащего поперечного уклона;
-устройство бордюров возле краев проезжей части;
-обеспечение правильных размеров берм и крутизны уклонов на участках, где отсутствуют близко размещенные здания;
-обеспечение правильного размещения боковых канав;
-устройство монолитных слоев основания проезжей части;
-устройство дренирующих прослоек из геосинтетических материалов и геокомпозитов.
При окончательном определении расчетного притока в дорожную конструкцию следует учитывать реализацию того или другого мероприятия, которое приводит к понижению притока воды в дренирующий слой по таблице 5.
Таблица 5
Мероприятие
|
Схема увлажнения
|
Коэффициент уменьшения притока воды в дренирующий слой Kр для грунта
|
супеси
|
легкого суглинка
|
тяжелого суглинка, глины
|
Укрепление обочин (по отношению к неукрепленным)
|
1
|
0,80
|
0,85
|
0,88
|
2, 3
|
0,85
|
0,95
|
0,95
|
Тротуары
|
1
|
0,70
|
0,75
|
0,80
|
2, 3
|
0,90
|
0,90
|
0,95
|
Монолитные слои основания с остаточной пористостью материала до 5 % /(5 %-10 %)
|
1
|
0,80
0,90
|
0,80
0,90
|
0,80
0,90
|
2, 3
|
0,90
0,95
|
0,90
0,95
|
0,90
0,95
|
Примечание – Если предусмотрено два или несколько видов мероприятий, то соответствующие данные таблицы следует суммировать.
|
5.1.7 Полная толщина дренирующего слоя, работающего по принципу поглощения, определяется по формуле (4)
hn = (Q/(1000 п) + 0,3hзап):(1 - jзим), (4)
где Q – расчетное количество воды, накапливающейся в дренирующем слое за весь расчетный период, м3/м2 (см. таблицу 3);
jзим – коэффициент заполнения пор влагой в материале дренирующего слоя к началу оттаивания (таблица 3);
п – пористость материала, доли единицы.
5.1.8 Дренирующий слой в конструкции с прикромочным дренажом, усиливающим процесс движения воды в песке мелком и средней крупности, рассчитывают с помощью номограмм (рисунок 9).
По номограммам рисунков 3-7 и 9 можно также определять требуемые значения коэффициента фильтрации дренирующего слоя при известных других параметрах дренажной конструкции.
а - мелкий песок; б - песок средней крупности
Рисунок 9 – Номограмма для расчета толщины дренирующего слоя в конструкции с прикромочным дренажом
5.1.9 Полную толщину дренирующего слоя (в метрах), работающего по принципу осушения с периодом запаздывания отвода воды, достаточную для временного размещения в его порах поступающей в конструкцию в начальный период ее оттаивания воды, определяют по формуле (5):
hп = (qp Tзап / n + 0,3hзan): (1 - jзим), (5)
где Тзап – средняя продолжительность запаздывания начала работы водоотводящих устройств, сут, для II дорожно-климатической зоны Тзап = 4 ¸ 6 сут, для III дорожно-климатической зоны Тзап = 3 ¸ 4 сут (большее значение – для мелких песков);
п – пористость материала, доли единицы;
jзим – коэффициент заполнения пор влагой в материале дренирующего слоя к началу оттаивания (таблица 6);
qp - расчетное значение воды, поступающей за сутки (формула 2).
Таблица 6
Толщина дренирующего слоя, м
|
Значение коэффициента φзим для II - ой дорожно-климатической зоны при пористости n, равной
|
0,40
|
0,36
|
0,32
|
0,28
|
До 0,1
|
0,49
|
0,59
|
0,68
|
0,78
|
0,2
|
0,43
|
0,52
|
0,62
|
0,71
|
0,3
|
0,37
|
0,46
|
0,55
|
0,65
|
0,4
|
0,30
|
0,40
|
0,49
|
0,58
|
0,5 и более
|
0,24
|
0,33
|
0,42
|
0,51
|
Примечания
1 Промежуточные значения φзим определять по интерполяции в зависимости от пористости песка и толщины дренирующего слоя.
2 В III дорожно-климатической зоне величину jзим следует уменьшить на 20 %.
|
Вычисление φзим в зависимости от пористости n и толщины hнас можно производить по аппроксимирующей формуле (6):
φзим = (1,55 - 0,816·hнас) - ( 2,5 - 0,501 · hнас). (6)
Расчет производится методом последовательного приближения, задаваясь толщиной дренирующего слоя по таблице или аппроксимирующей зависимости, находится φзим, а затем вычисляется полная толщина дренирующего слоя hп.
В общем случае задача сводится к решению иррационального уравнения следующего вида (7)
hп - (Q/(1000 п) + 0,3·hзап):(1 - (1,55 - 0,816·hнас) - ( 2,5 - 0,501 · hнас)·n )=0. (7)
5.1.10 На участках, имеющих длину пути фильтрации L больше 10 м, дренирующий слой должен быть рассчитан на поглощение количества воды, поступающей за расчетный период.
За длину пути фильтрации принимается половина ширины дренирующего слоя при двухскатном поперечном профиле и полная ширина – при односкатном.
5.1.11 Если общая толщина дренирующего слоя больше 0,5 м, ее можно уменьшить следующими средствами:
-увеличить поперечный уклон низа дренирующего слоя;
-заменить материал дренирующего слоя на песок с большим коэффициентом фильтрации;
-заменить грунт в верхней части земляного полотна на другой, с меньшим притоком воды в расчетный период;
-уменьшить приток воды с помощью мер, приведенных в п. 4.15;
-снизить степень увлажнения местности путем понижения уровня грунтовой воды;
-при больших продольных уклонах для понижения Кувіг, а значит и qр необходимо устроить поперечные прорезы мелкого закладки;
-при удельном притоке воды qр свыше 0,005 м3/(м2 сут) устроить вдоль краев проезжей части продольные трубчатые дрены.
5.2 Методика расчета плоскостного горизонтального и поперечного дренажей с использованием нетканых иглопробивных геотекстилей (ГМ)
5.2.1 Расчет дренажных сооружений с использованием ГМ выполняют по единой, изложенной в п. 5.1 методике. Конечная цель расчета – определение толщины дренирующего слоя дорожной одежды с учетом работы выбранных дренажных сооружений. При расчетах горизонтального плоскостного и поперечного дренажей за величину пути фильтрации принимают расстояние между жгутами или поперечными дренами. Величина уклона укладки геотекстиля i (рис. 1 - 2) принимается равной продольному уклону земляного полотна.
При расчетах прикромочного дренажа за величину пути фильтрации принимают расстояние от оси дороги до дренажа, а за величину уклона – поперечный уклон поверхности земляного полотна.
5.2.2 Расчет производят в следующей последовательности:
-вводятся исходные данные для расчёта значения длины пути фильтрации (L ф), поперечного уклона верха земляного полотна (i зп), коэффициентов фильтрации ГМ (К g), песка или другого дренирующего материала (Кф);
-определяют в соответствии с требованиями п. 5.1.4 данного документа расчетную величину притока воды qp, принимая значение Кг=1, поскольку нетканый геосинтетический материал выполняет функцию фильтра;
-дальнейший расчет выполняют при определенном пониженном значении притока воды qp в соответствии с методикой пункта 5.1.
5.3 Методика расчета плоскостного дренажа с использованием дренирующих геокомпозитов
5.3.1 Эффективным способом осушения верхней части земляного полотна и основания дорожной одежды является укладка в тело насыпи изолирующих прослоек из дренирующих геокомпозитов или водопаронепроницаемых геосинтетических материалов. Введение в земляное полотно на той или иной глубине различного рода прослоек прерывает перемещение влаги из нижних переувлажненных горизонтов в верхние, что улучшает влажностный режим верхней части земляного полотна в зоне промерзания и уменьшает зимнее вспучивание конструкции.
5.3.2 Условия применения
Защитно-дренажный слой должен выполнять функцию дренажа и защиты на протяжении всего срока эксплуатации дороги.
Дренажный геокомпозит применяется при невысоких значениях коэффициента фильтрации песка нижней части дорожной одежды и/или основания (менее 0,5 - 1 м/сут). Защитно-дренирующий слой (прослойки) из композитного геосинтетического материала на контакте между дополнительным слоем основания из песка и грунтом земляного полотна должен устраиваться по всей ширине земляного полотна с разработкой системы открытого или закрытого отвода воды.
Дренажная способность геосинтетического материала определяется согласно ГОСТ Р 52608-2006 или международному стандарту ISO 12958 «Геотекстиль и геотекстильные материалы – определение показателей водопроводности в плоскости материала».
Данный Документ описывает метод определения характеристик водопроводимости в плоскости материала при постоянном напоре для геотекстиля и геотекстильных материалов. Поток жидкости в плоскости геотекстиля (геотекстильного материала) измеряется при различных значениях нормального давления, принятых значениях гидравлического градиента и прилегающих поверхностях с известными характеристиками.
5.3.3 Определение условий расчёта дополнительного слоя в конструкции дороги с дренажным геокомпозитом
Целью расчета дренажной конструкции c дренажным геокомпозитом является определение эффективности его применения для отвода расчетного количества воды, поступающей к слою и определение минимальной толщины дренажного слоя (дренажный геокомпозит+песок) в дорожной конструкции.
При проектировании дорожных одежд в районах сезонного промерзания грунтов рассматривается три расчетных этапа работы дренажной конструкции (согласно п. 4.12 данного документа):
-работа на осушение, когда дренирующий слой полностью оттаял, и водоотводящие устройства начали нормально работать;
-работа на осушение с периодом запаздывания отвода воды;
-работа на поглощение.
5.3.4 Расчет защитно-дренажного слоя с дренажным геокомпозитом
Полная толщина защитно-дренирующей прослойки определяется по формуле (8):
 , (8)
где hгм – толщина слоя композитного геосинтетического материала под действием расчетной нагрузки, см;
hзап – дополнительная толщина грунтового (песчаного) слоя, зависящая от требований к конструкции автомобильной дороги по обеспечению морозозащитной функции, разделения между крупнообломочным (щебеночным) грунтом и дренажным композитом (равна для песков крупных 0,10-0,12 м, средней крупности 0,14-0,15 м и мелких 0,18-0,20 м, во всех случаях полную толщину дренирующего слоя следует принимать не менее 0,20 м).
В случае, когда не требуется увеличивать толщину песчаного слоя (hзап), на дренажный мат и крупнообломочный грунт укладывается нетканый иглопробивной материал, плотностью более 400 г/м2.
5.3.4.1 Определение притока дренажной воды к слою
Величина притока воды в дренирующий слой qр, м3/(м2·сут), определяется по формуле (9):
 , (9)
где q – усредненное (табличное) значение притока воды в дренирующий слой при традиционной конструкции дорожной одежды, отнесенное к 1 м2 проезжей части (согласно таблице 3 документа), м3/(м2·сут);
Кп,, Квог, Кр – коэффициенты, определяются по таблицам 4, 5 и рисунку 8 документа (коэффициент Кг =1).
5.3.4.2 Определение вертикальных нормальных напряжений от расчетной транспортной нагрузки на уровне земляного полотна
Нормальное напряжение σn, кН/м2 от расчетной транспортной нагрузки на уровне земляного полотна определяется согласно рисунку 10 документа или по формуле (10):
 ,
 , (10)
где h – общая толщина дорожной конструкции до расчетной точки, м;
γ – средневзвешенный удельный вес конструкции, расположенной выше расчетной точки, кН/м3;
Р – удельное давление, кН/м2;
r – расчетный радиус отпечатка в точке укладки дренажного мата, м;
R – расчетный радиус отпечатка колеса на контакте с покрытием (рекомендуется принимать не более 0,3 м), м;
θ – угол распределения нагрузки в конструкции дорожной одежды (рекомендуется принимать не более 280).
Рисунок 10 – Номограмма к определению вертикальных нормальных напряжений σп на уровне земляного полотна [4]
Более точно нормальное напряжение σn, кН/м2 от расчетной транспортной нагрузки на уровне земляного полотна допускается рассчитывать с использованием программного обеспечения, реализующего точное решение теории упругости или методу конечных элементов.
5.3.4.3 Выбор марки дренажного геокомпозита
Дренажный материал (слой) должен выполнять свои функции на протяжении всего срока службы сооружения. Марка объемного рулонного композиционного дренажного материала выбирается из условия, чтобы табличное значение (таблица 7) дренажного мата было не меньше значения предельной длительной дренажной способности слоя.
Таблица 7
Гидравлический градиент
|
Нагрузка, кПa
|
Дренажная способность, м3/м2 сут, по техническому паспорту на дренажный мат типа Х марки
|
Фильтр 1/Ядро/Фильтр
|
Фильтр 2/Ядро/Фильтр
|
i = 1,00
|
20
|
2,50
|
1,10
|
50
|
2,40
|
1,00
|
100
|
2,30
|
0,90
|
200
|
1,40
|
0,81
|
i = 0,10
|
20
|
0,70
|
0,22
|
50
|
0,65
|
0,19
|
100
|
0,60
|
0,17
|
200
|
0,24
|
0,16
|
i = 0,03
|
20
|
0,35
|
0,09
|
50
|
0,30
|
0,08
|
100
|
0,24
|
0,07
|
200
|
0,11
|
0,06
|
Предел длительной дренажной способности материала достигается за счет увеличения расчетного значения qp с помощью коэффициентов надежности по материалу, согласно формуле (11)
 , (11)
где qДГК – расчётная длительная дренажная способность материала (условия выбора марки дренажного композита, в зависимости от расчётной нагрузки и гидравлического градиента напора (поперечного уклона земляного полотна), м3/(м2·сут);
RFin – коэффициент надежности по жесткости материала или снижения водопроводимости за счет деформации нетканого материала в объеме дренажного ядра, равный 1,3-1,5;
RFcc – коэффициент надежности по химической устойчивости и/или образованию участков стабилизации процесса полного заиливания дренажного ядра и нетканого фильтра, равный 1,0-1,2;
RFbc – коэффициент надежности по биологической устойчивости дренажного ядра, равный 1,0-1,2;
RFcr – коэффициент надежности по ползучести материала под действием постоянной нагрузки, равный 1,2-1,4.
|
