Учет влияния морского прилива при сооружении автомобильных дорог на территории равнины Юга (СРВ) тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.11, кандидат технических наук Нгуен Зуй Чи

• Нгуен Зуй Чи
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Нгуен Зуй Чи

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ПО УЧЕТУ ВЛИЯНИЯ 10 МОРСКОГО ПРИЛИВА НА ВОДНЫЙ РЕЖИМ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА НА РАВНИНЕ ЮГА

1.1 Краткие сведения о территории

1.2 Особенности водно-теплового режима земляного полотна 15 автомобильных дорог в условиях данной территории

1.3 Цель и задачи исследования

ГЛАВА II ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ 32 ВЛАГОПЕРЕНОСА В ЗЕМЛЯНОМ ПОЛОТНЕ

II. 1 Исходные предпосылки и основные определения

11.2 Дифференциальное уравнение нестационарной фильтрации

11.3 Математическая модель задачи

ГЛАВА III МЕТОД РЕШЕНИЯ УРАВНЕНИЯ НЕСТАЦИОНАРНОЙ 51 ФИЛЬТРАЦИИ

III. 1 Конечно-разностный метод - эффективное средство для 51 решения уравнений в частных производных

II 1.2 Составление разностных уравнений 52'

111.3 Метод послойного решения систем сеточных уравнений

111.4 Программа решения поставленной задачи

ГЛАВА IV МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСЧЕТНЫХ ДАННЫХ

IV. 1 Экспериментальное определение расчетных данных грунта

IV.2 Определение расчетного цикла изменения уровня морской 84 воды

ГЛАВА V ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВОДНОГО РЕЖИМА ЗЕМЛЯНОГО 89 ПОЛОТНА

V.1 Моделирование водного режима земляного полотна на 89 воздействие морского прилива

V.2 Другие расчеты

V.3 Проверка адекватности математической модели

ГЛАВА VI ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ 111 ПРОГНОЗИРОВАНИЯ

VI. 1 Районирование территории по гидрологическому условию

VI.2 Рекомендации по конструктивным решениям при 113 проектировании дорожных конструкций

VI.3 Примеры применения разработанных рекомендаций к 118 решению практических задач

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Учет влияния морского прилива при сооружении автомобильных дорог на территории равнины Юга (СРВ)»

Актуальность исследования. В последние годы для удовлетворения потребностей социально - экономического развития во Вьетнаме происходит интенсивное увеличение протяженности сети автомобильных дорог.

Равнина Юга занимает важную часть Южного Вьетнама, с трёх сторон омывается Южно-китайским морем и Таиландским заливом. По условиям строительства эта территория относится к наиболее сложной части Вьетнама.

Для геологического строения этой равнины характерно, что в основном верхний слой грунтового покрова представлен слабым, сильно деформируемым илом. Несущий слой, обычно являющийся песком или глиной тугопластичной и более жесткой консистенции, находится на глубине обычно 15 - 30м, а иногда и 80 - 100м. В связи с этим, насыпные грунты и каменные материалы приходить доставлять из других районов и перевозить на расстояние в среднем 250км. На .данной территории доступным является лишь песок, в основном мелкозернистый, добываемый со дна рек, но и его объемы ограничены.

Изучаемая территория находится под влияниями морского прилива. Периодически каждый день морская вода по густой сети рек и искусственных каналов заливает и затопляет большую часть территории. Даже в 200 км от моря амплитуда изменения уровня воды может достигать 1.2 м.

Земляное полотно автомобильных дорог на этой территории представляет собой насыпь на слабом, сильно деформируемом основании и сооружается, как правило, из привозного песка. Глинистый местный грунт применяется редко, получая его из боковых каналов, сооружаемых вдоль дороги; это допускается только для дорог с переходными и низшими типами покрытий, и лишь в нижней части насыпи. Минимально требуемая толщина слоя песка определяется из следующих условий:

- толщина этого слоя над поверхностью слабого основания не должна быть меньше 0.5м;

- распределенная нагрузка на подстилающее основание от строительных машин и оборудования, используемых при строительстве, не должна превышать несущую способность слабого основания;

- поверхность земляного полотна с некоторым запасом должна превышать расчетный уровень воды.

Не подвергая сомнению первых двух условий, более подробно проанализируем третье: что следует принимать за расчетный уровень воды. Так как уровень грунтовых вод на этой территории обычно находится низко и не оказывает существенного влияния на водный режим земляного полотна, расчетный уровень воды связывают с морским приливом, традиционно принимая в качестве расчетного максимальный уровень воды от морских приливов, достигаемый в течение года.

Рис. 0.1. Интервалы действия морского прилива

Необходимость этого является сомнительной, учитывая, что процесс проникания поверхностной воды в земляное полотно зависит от времени её непрерывного действия. Вследствие кратковременности действия морского прилива (Рис. 0.1), количество воды, успевающее проникнуть в земляное полотно, является достаточно небольшим. Можно предположить, что влияние прилива на водный режим земляного полотна будет незначительным, и соответственно, традиционное принятие максимального уровня морского прилива за расчетный уровень воды является чрезмерным и приводит к неоправданному возвышению земляного полотна.

Возможность обоснованного понижения требования к возвышению земляного полотна имеет важное практическое значение по следующим причинам:

- песок является дорогостоящим материалом из-за его дефицита и большого расстояния перевозки;

- на слабом, сильно деформируемом основании, с увеличением высоты насыпи увеличивается стоимость мероприятий для обеспечения устойчивости основания и стабилизации осадки насыпи к заданному сроку; особенно для тех случаев, когда простейшие мероприятия, применяемые для низких насыпей, становятся не достаточными и требуются более сложные и дорогие мероприятия, применяемые для высоких насыпей;

- в связи с недостаточным развитием дорожной сети на данной территории, каждая новая дорога вызывает появление новых населенных пунктов, при вертикальной планировке которых приходится руководствовать отметками этой дороги.

Для оценки возможности пересмотра действующих во Вьетнаме норм минимально требуемых отметок дорог необходимо исследовать водный режим внутри земляного полотна. Это может позволить перейти к нормированию минимально требуемых отметок дорог по отношению к уровню свободной поверхности воды внутри земляного полотна, а не пиковому уровню морского прилива.

В настоящее время водно-тепловой режим земляного полотна был изучен в работах многих ученых: И. А. Золотаря, Н. А. Пузакова, А. Я. Тулаева, В. М. Сиденко, Е. И. Шелопаева, В. И. Рувинского и других. Однако большая часть этих исследований касалась задач, связанных с перемещением влаги в условиях сезонного промерзания и оттаивания и в значительно меньшей степени затрагивала процессы неустановившегося двухмерного переноса воды и влаги под воздействием периодического характера, имеющего место при приливах и отливах.

Традиционные подходы, используемые при прогнозировании водно-теплового режима земляного полотна и дорожных одежд, рассматривают грунты и материалы дорожных одежд как многокомпонентные и многофазные дисперсные гетерогенные структуры [10]. Термодинамическое описание системы обычно проводится в предположении термодинамического равновесия обоих подсистем, и система в целом характеризуется единой температурой и едиными теплофизическими характеристиками: плотностью, теплоемкостью и теплопроводностью. Состояние влажностной подсистемы характеризуется ее фазовым составом (жидкое состояние - вода, газообразное - водяной пар, твердое - лед). Для описания динамики изменения влажности обычно выделяют доминирующие в каждом конкретном случае механизмы перемещения влаги: диффузный, миграцию описывают законом Фика; пленочный, миграцию описывают законом трения Ньютона; капиллярный, миграцию описывают законом Навье-Стокса; и фильтрационный, миграцию описывают законом Дарси. Применительно к поставленной задаче в условиях только положительной температуры и ее относительно малого градиента, достаточно рассмотреть лишь капиллярный и фильтрационный механизмы.

Многими исследованиями было установлено, что миграцию свободной и капиллярной воды можно рассматривать совместно как единый процесс, подчиняющийся одному закону [10] - закону фильтрации Дарси. С таким подходом фильтрация воды в капиллярной зоне исследована раньше С. Ф. Аверьяновым [1], В. В. Ведерниковым [6], Н. Е. Жуковским [9]. Теоретические описания этого процесса в настоящее время можно найти во многих работах, в частности в книге канадского профессора Д. Дж. Фредлунд и индонезийского профессора X. Рахадджо [48].

Цель исследования. Целью диссертационной работы является исследование влажности подтопляемых насыпей под воздействием морского прилива и последующее использование получаемых результатов для обоснования уменьшения объемов земляных работ при строительстве автомобильных дорог.

Научная новизна работы содержится в следующих результатах:

- предложена и реализована в виде программы оригинальная математическая модель влагопереноса в земляном полотне при периодически изменяющемся уровне подтопления в результате морских приливов и отливов;

- предложен метод экспериментального определения водопроницаемости песчаных грунтов для прогнозирования водного режима в земляном полотне;

- установлены эмпирические зависимости влажности от давления всасывания;

- установлены поля распределения влажности для различных конструкций земляного полотна и внешних условий.

- разработаны рекомендации по проектированию земляного полотна на территории, затопляемой морским приливом.

Практическая ценность заключается в том, что на основе исследований разработан комплексный метод прогнозирования водного состояния в земляном полотне автомобильных дорог и даны рекомендации по учету влияния морского прилива при проектировании автомобильных дорог на территории, затопляемой морскими приливами.

На защиту выносятся:

- оригинальная математическая модель влагопереноса в земляном полотне при переменном уровне подтопления;

- методика экспериментального определения водопроницаемости грунтов при переменной влажности;

- результаты прогнозирования водного режима земляного полотна на территории, затопляемой морским приливом;

- рекомендации по проектированию автомобильных дорог на территории, затопляемой морским приливом.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на расширенном заседании кафедр

Строительство и эксплуатация дорог» и «Инженерной геология и геотехника» МАДИ в декабре 2004 года; были одобрены Московским автомобильно-дорожным институтом (ГТУ) и рекомендованы для включения в учебное пособие для студентов специальности 291000 «Автомобильные дороги и аэродромы», а также для использования при выполнении курсовых работ по курсам проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог.

Основные результаты были отправлены на конференцию по вопросам геотехники и дорожного строительства, прошедшую в Ноябре 2004 г. в Ханое (СРВ).

Публикации. По теме диссертации написаны 3 статьи.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и общих выводов, приложение; содержит 135 страниц машинописного текста, 39 рисунков, 29 таблиц и список литературы из 51 наименований.

Заключение диссертации по теме «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей», Нгуен Зуй Чи

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В отличие от других типов поверхностных вод, вода морского прилива оказывает гораздо меньшее влияние на водный режим земляного полотна. Вследствие этого, использование нормированного значения требуемого возвышения земляного полотна над уровнем поверхностной воды при назначении отметки земляного полотна становится чрезмерным. Умеренно надежные конструктивные решения земляного полотна в этом случае можно получить на основе анализа результатов прогноза его водного режима.

2. Наиболее неблагоприятные условия для земляного полотна на территории равнины Юга (СРВ) имеются, примерно, в декабре - ноябре, когда морской прилив достигает наибольшего поднятия, а атмосферные осадки -максимального количества.

3. При наличии соответствующих мероприятий защиты земляного полотна, по сравнению с воздействием морского прилива, атмосферные осадки оказывают лишь малое влияние на его водный режим. Что касается влияния теплопереноса, то благодаря сравнительно малому градиенту температуры в земляном полотне на данной территории, это влияние можно не учитывать при прогнозировании водного режима.

4. Построена математическая модель задачи прогнозирования водного режима земляного полотна в условии положительной температуры и ее малого градиента изменения. Разработаны алгоритм и программа численного решения дифференциального уравнения нестационарного влагопереноса этой модели.

5. Предложены методика экспериментального определения показателей переменной водопроницаемости засыпных песков и модифицированная аппроксимация зависимости влажности от давления всасывания.

6. Обосновано, что в качестве расчетного режима изменения морского прилива при прогнозировании водного режима земляного полотна можно использовать колебание уровня приливной воды за день со средним значением из высоких уровней за месяц с наиболее сильными приливами.

7. Результаты прогнозирования позволяют выявить следующее:

- Даже в случае свободных (без укрепления) откосов, морской прилив оказывает сильное влияние только на внешние части земляного полотна, ширина которых не превышает ширины обочин. В его серединной части уровень воды оказывается устойчивым и всегда ниже максимального уровня воды вне его тела.

- Линии равных влажностей имеют более устойчивые положения по сравнению с уровнем воды внутри земляного полотна. Кроме того, линия меньшей влажности имеет и более устойчивое положение по сравнению с линией большей влажности. При достаточно малой влажности, такая линия становится практически неизменяемой во времени.

8. Результаты теоретического прогнозирования водного режима в земляном полотне хорошо согласуются с практическими данными обследований существующих дорог, а также с данными наблюдений за уровнями воды в земляном полотне, что их можно использовать для разработки более рациональных конструктивных решений земляного полотна.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Нгуен Зуй Чи, 2005 год

1. Аверьянов С.Ф. Зависимость водопроницаемости почво-грунтов от содержания в них воздуха. Доклады Академии наук СССР. Т. 19, 1949, №2.

2. Бабков В. Ф., Безрук В. М. Основы грунтоведения и механики грунтов. М., Высшая школа, 1976.

3. Бате К. и Вильсон Е. Численные методы анализа и метод конечных элементов. Пер. с англ. Алексеева А. С., Андреева О. О., Петрова В. П. и Сидорова В. Н. М., Стройиздат, 1982.

4. Бахвалов Н. С., Жидков Н. П. и Кобельков Г. М. Численные методы. М., Лаборатория базовых знаний, 2002.

5. Безрук В. М. О капиллярном поднятии воды в уплотненных грунтах. -Регулирование водного режима дорожных оснований, 1946, вып.6, с. 164-179.

6. Ведерников В. В. Влияние капиллярного поднятия на фильтрацию из каналов. "Гидротехническое строительство", 1935, №5.

7. Гладский А. В., Ляшко И. И. И Мистецкий Г. Е. Алгоритмизация и численный расчет фильтрационных схем. Киев, Вища школа, 1981.

8. Джордж А. и Лю Дж. Численное решение больших разреженных систем уравнений. Пер. с англ. Икрамова X. Д., М., Мир, 1984.

9. Жуковский Н. Е. Теоретическое исследование о движении подпочвенных вод; о влиянии давления на насыщенные водой пески. Поли. собр. соч. Т.7, 1937.

10. Золотарь И.А., Пузаков Н.А., Сиденко В.М. и другие Водно-тепловой режим земляного полотна и дорожных одежд. М., Транспорт, 1971.

11. Калиткин Н. Н. Численные методы. М., "Наука", 1978.

12. Кудрявцев В. А., Ершов Э. Д., Чеверев В. Г. Зависимость коэффициентов влагопереноса водоненасыщенных грунтов от их влажности, гранулометрического состава и плотности. Мерзлотныеисследования, 1973, вып. 13.

13. Куканов В. И. Исследование поверхностного увлажнение земляного полотна автомобильных дорог с применением радиоактивных изотопов. Автореф. дис. на соиск. ученой степени канд. техн. наук. М., 1979.

14. Лейбензон Л. С. Движение природных жидкостей и газов в пористой среде. М., Гостехиздат, 1947.

15. Лыков А. В., Михайлов Ю. А. Теория тепло и массопереноса. М-Л., Госэнергоиздат, 1963.

16. Мак-кракен Д. и Дорн У. Численные методы и программирование на Фортране. Пер. с англ. Казака Б. Н., М., Мир, 1977.

17. Марчук Г. И. Методы вычислительной математики. М., "Наука", 1980.

18. Маслов Н. Н. Основы механики грунтов и инженерной геологии. М., Высшая школа, 1968.

19. Механика грунтов для инженеров-дорожников сокращенный перевод с английского языка. Под ред. В.Ф. Бабкова. М., Автотрансиздат, 1957.

20. Монтгомери Д.К. Планирование эксперимента и анализ данных. Пер. с англ. Коптяева В. А. Ленинград, Судостроение, 1980.

21. Носич И.А. Водный режим земляного полотна автомобильных дорог в условиях степи и лесостепи УССР. Дисс. канд. наук, Харьков, 1949.

22. Носов В.П., Носов В.В. Математическое моделирование водно-теплового режима автомобильных дорог с использованием метода динамической адаптации. Транспорт: наука, техн, упр, Сборник обзорной информации, М., ВИНИТИ, 1977, №3, Стр. 18-31.

23. Пособие по проектированию земляного полотна автомобильных дорог на слабых грунтах (к СНиП 2.05.02-85). М., Стройиздат, 1989.

24. Роде А. А., Смирнов В. Н. Почвоведение. М., Высшая школа, 1972.

25. Рувинский В.И. Исследование процесса увлажнения земляного полотна автомобильных дорог поверхностными водами во II и III дорожно-климатических зонах. Дисс. канд. наук, М., 1971.

26. Рувинский В.И. Прогнозирование водно-теплового режима земляногополотна автомобильных дорог для обоснования специальных методов его регулирования в районах с сезонным промерзанием. Дисс. докт. наук, М., 1987.

27. Самарский А. А. и Вабищевич П. Н. Численные методы решения задач конвекции-диффузии. М., Эдиториал УРСС, 1999.

28. Самарский А. А. и Николаев Е. С. Методы решения сеточных уравнений. М., Наука, 1978.

29. Сиденко В.М. Исследование водно-теплового режима автомобильных дорог в степных районах и применение его закономерностей при проектировании дорожных конструкций. Дисс. докт. наук, Харьков, 1965.

30. Сиденко В.М. Расчет и регулирование водно-теплового режима дорожных одежд и земляного полотна. М., Автотрансиздат, 1962.

31. Строительные нормы и правила. Автомобильные дороги. Нормы проектирования. СниП 2.05.02-85. М., Стройиздат, 1990.

32. Терзаги К. Теория механики грунтов. М., Госстройиздат, 1961.

33. Тер-Мартиросян 3. Г., Демин И. И., Демина Е. А. Нелинейная задача влагопроводности при неполном водонасыщении. Докл. АН СССР, 1983, т.272, №3.

34. Тулаев А.Я. Конструкция и расчет дренажных устройств. М., Транспорт, 1980.

35. Тулаев А.Я. Осушение земляного полотна. М., Дориздат, 1948.

36. Тулаев А.Я. Теория и практика назначения морозоустойчивых и дренирующих слоев дорожных одежд. Дисс. докт. наук, М., 1963.

37. Уилкинсон и Райнш Справочник алгоритмов на языке Алгол Линейная алгебра. Пер. с англ. Под ред. Топчеева Ю. И., М., Машиностроение, 1976.

38. Указания по проектированию земляного полотна железных и автомобильных дорог (СН 449-72). М., Госстрой СССР, 1973.

39. Флорин В. А. Основы механики грунтов. М.-Л., Гостройиздат, т. I, 1959,т. II, 1961.

40. Цытович Н. А. Механика грунтов. Изд. 4. М., Госстройиздат, 1963.

41. Цытович Н. А. Механика грунтов (краткий курс). Изд. 2. М., Высшая школа, 1973.

42. Цытович Н. А., Тер-Мартиросян 3. Г. Основы прикладной геомеханики в строительстве. М., Высшая школа, 1981.

43. Шелопаев Е.И. Повышение надежности автомобильных дорог на основе использования двухмерной схемы водно-теплового режима. Дисс. докт. наук, Красноярск, 1982.

44. Шелопаев Е.И. Регулирование водно-теплового режима земляного полотна автомобильных дорог в целях повышения долговечности дорожных одежд в условиях Красноярского края. Дисс. канд. наук, Красноярск, 1963.

45. Яколева Т. Г., Иванов Д. И. Моделирование прочности и устойчивости земляного полотна. М., Транспорт, 1980.

46. Яромко В. Н. Методические рекомендации по учету воздействия транспортной нагрузки при проектировании автомобильных дорог на болотах. Минск, 1972.

47. Яромко В. Н. Учет воздействия движущихся автомобилей при проектировании автомобильных дорог на торфяных основаниях с одеждами несжесткого типа. Дисс. канд. наук, Минск, 1968.

48. Fredlund D. G., Rahardjo Н. Soil mechanics for unsaturated soils. New York Chichester - Brisbane - Toronto - Singapore, JOHN WILLEY & SONS, 1993.

49. ASTM 2325-68 "Standard test method for capillary moisture relationships for coarse and medium textured soils by porous plate apparatus", 1985. Annual book of ASTM Standards, Vol. 04.08.

50. Vu Nhtf Hoan. Thuy trieu д ven bien Viet nam. Ha noi, 2000. (в русском переводе: Морской прилив у моря Вьетнама., Ханой, 2000.)

51. МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

52. МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВТОМОБИЛЬНО ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

53. Адрес: 125829, Россия, г. Москва, Ленинградский просп. д. 64 Телефон: [phone](ректор)

54. Телеграфный адрес: Москва, А-319, МАДИ [phone]

55. Указанное пособие найдет применение в работе других вузов, входящих в учебно-методическое обеспечение дорожно-строительных специальностей.