ҚККА Хабаршысы № 4 (53), 2008

ҚККА Хабаршысы № 4 (53), 2008 
 
 
22
поступающего  из  нижележащих  слоев  грунта,  или  не  прекратится  питание  кристаллов 
водой  вследствие  сопротивления,  оказываемого  капиллярным  силам  скелетом  грунта  в 
процессе  развития  сжимающих  напряжений  при  объемном  расширении  замерзающей 
воды.  В  последнем  слое  формируется  так  называемая  прослойка,  а  льдовыделение 
переходит на нижележащий горизонт. 
Дальнейшее  понижение  температуры  в  промерзающем  фунте  приводит  не  только  к 
новому (пленочному) механизму перераспределения воды и ее кристаллизации внутри зоны 
промерзания,  но  и  к  увеличению  микропористости  грунта  вследствие  коагуляции 
минеральных частиц глинистой фракции /8/. 
Таким 
образом, 
в 
начальной 
стадии 
промерзания 
одновременно 
с 
перераспределением и кристаллизацией свободной воды в талом грунте, находящемся под 
весом  вышележащего  мерзлого  пласта,  возникает  в  процессе  развития  сжимающих 
напряжений  избыточное  поровое  давление,  воспринимаемое  как  твердой,  так  и  жидкой 
фазой  грунта /9/. Если  учесть,  что  по  горизонтали  процесс  кристаллизации  воды  всегда 
протекает неравномерно, станет очевидным, что при этом в талом грунте неизменно будут 
существовать области неравномерных давлений /10/. Погашение градиента давления при 
наличии  структурных  связей  минеральных  частиц  может  быть  осуществлено  главным 
образом благодаря жидкой фазе, следовательно, градиент давления в талом грунте будет 
существовать  до  того  момента,  пока  не  перераспределится  влага  и  не  восстановится 
равновесное  состояние  грунта.  Время  падения  напряжений  до  равномерного 
распределения  давления  по  площади  будет  соответствовать  периоду  перемещения 
мерзлого  слоя  вверх.  При  этом  в  зависимости  от  водонасыщения  грунта  и  скорости 
перераспределения  воды  мерзлый  слой  вследствие  уплотнения  грунта  в  подстилающих 
горизонтах также несколько сместится вниз, поскольку необходимым условием процесса 
пучения  является  одновременное  изменение  напряженного  состояния  подстилающего 
талого  грунта  на  площади  его  массива,  достаточной  для  преодоления  сопротивления  от 
собственного веса мерзлого пласта без развития в нем вертикальных сдвигающих усилий. 
В свою очередь это должно вызывать компрессионную усадку талого грунта. 
В  результате  развития  всех  перечисленных  выше  процессов  в  зоне  промерзания 
выделяется  сегрегационный  лед.  Однако,  формируясь  еще  в  пластично-вязкой  среде,  в 
условиях  возникновения  разрывов  сплошности  глинистой  породы,  такой  лед  не  может 
считаться  продуктом  миграционного  влагонакопления  в  том  широком  смысле,  который 
придают  ему  многие  исследователи,  но  его  обычно  учитывают  в  расчетах  введением 
коэффициента  1,09.  Более  правильным  было  бы  считать  его  льдом  флотационного 
происхождения,  поскольку  благодаря  взаимному  перемещению  воды  и  минеральных 
частиц  в  зоне  пластических  деформаций  промерзающего  грунта  он  не  оказывает 
превалирующего влияния на величину пучения, хотя своими физическими свойствами  и 
нарушает  равновесие  системы  у  фронта  промерзания,  образуя  градиент  концентрации 
влаги. 
Образно  выражаясь,  жидкая  и  твердая  фазы  как  бы  обмениваются  местами  в 
пластично-вязкой  среде,  вызывая  некоторое  возрастание  объема  грунта  вследствие 
кристаллизации поровой воды. Поэтому протекание указанных процессов обусловливает 
схему  пучинообразования  лишь  в  его  первой  части,  выражающей  увеличение  единицы 
объема грунта на величину 
u
V
−
Δ
1
, где 
u
 - усадка грунта в единице объема. 
Отмеченным  обстоятельством  объясняется  и  то  часто  встречающееся  в  практике 
явление, когда вопреки сложившимся представлениям интенсивное пучение грунтов при 
влажности,  превышающей  предел  раскатывания,  наблюдается  без  возможного 
образования  прослоек  и  линз  льда  в  промерзающем  грунте /10/. Формируемая  же 
криогенная  текстура  грунта  (слоистая,  сетчатая  или  массивная),  являясь  вторичным 
признаком  внешнего  эффекта  процесса  пучения,  определяется  в  основном  начальной 
влажностью и величиной температурного градиента, действующего в зоне промерзания и 
регулирующего не только сегрегационное льдообразование за счет свободной воды, но и 

ҚККА Хабаршысы № 4 (53), 2008 
 
 
23
механизм  миграции  пленочной  влаги.  При  прочих  равных  условиях  по  мере  увеличения 
значения  градиента  температуры  будет  изменяться  и  текстура  грунта,  переходя 
последовательно от слоистой к массивной. Что же касается температуры начала пучения 
грунта, то она зависит от начального содержания влаги в грунте. Чем больше в свободном 
состоянии воды в талом грунте, тем выше температура его пучения. 
Фазовые  переходы  свободной  воды,  приводящие  к  образованию  сегрегационного 
льда, образованию или изменению гетерогенной фунтовой системы в зоне промерзания и 
вместе с тем нарушающие равновесное состояние жидкой фазы в нижележащих слоях, по 
существу  не  ограничивают  указанным  своей  роли  в  процессе  пучения  фунта,  поскольку 
предопределяют  условия  пленочной  миграции  воды  при  дальнейшем  понижении 
температуры. 
Вторую  доминирующую  часть  процесса  пучинообразования  определяет  пленочный 
механизм  морозной  миграции  влаги,  под  которым  понимается  перераспределение  в 
микропорах  зоны  промерзания  рыхло  связанной  воды,  способной  при  кристаллизации  в 
замкнутом  объеме  грунта  вызывать  развитие  упругопластических  деформаций,  а, 
следовательно, и увеличение его мерзлого массива на величину 
2
V
Δ
. 
Рассматривая зону промерзания как область фазовых превращений, то есть плавного 
перехода воды из одной фазы в другую в некотором диапазоне изменения отрицательных 
температур,  нетрудно  представить,  что  в  промерзающем  фунте  будет  иметь  место 
градиент  концентрации  связанной  воды,  значение  которого  уменьшается  по  мере 
понижения температуры. 
Незамерзшая,  рыхло  связанная  вода,  заключенная  между  сформировавшимися 
ледяными включениями, под действием градиента адсорбционных давлений частиц будет 
перемещаться  от  пленок  с  меньшим  поверхностным  натяжением  в  сторону  пленок  с 
большим  поверхностным  натяжением,  восполняя  тем  самым  часть  кристаллизующейся 
связанной  воды  у  частиц,  расположенных  в  зоне  большего  охлаждения.  В  этот  период 
пленочная  влага  также  может  возмещаться  вследствие  конденсации  паров  воды, 
находящихся  в  зоне  промерзания  и  поступающих  в  микропоры  из  подстилающих 
горизонтов  талого  фунта.  При  этом,  как  показывают  исследования /11/, 
сконденсировавшаяся жидкость, отличная по своим физическим свойствам от объемной, в 
капиллярах  радиусом  (1 - 15)  мк  способна  мигрировать  значительно  интенсивнее,  чем 
нормальная вода. 
В  отличие от условий  образования  сегрегационного  льда,  когда  его  включения  при 
давлении,  стремящемся  к  бытовому,  сдвигают  минеральные  частицы,  формируясь  на 
месте  последних,  эффект  пленочной  миграции  воды  в  замерзающем  фунте  сводится  к 
необходимости  преодоления  кристаллизующейся  водой  дополнительного  давления  по 
разуплотнению  минеральных  частиц,  сопротивление  которых  возрастает  в  связи  с  их 
расположением  между  ранее  образовавшимися  ледяными  включениями.  Об  этом  могут 
свидетельствовать  экспериментальные  данные  по  замеру  гидродинамических  сил  в 
промерзающем грунте (или собственно силы пучения), которые при кристаллизации воды 
превышают  величину  бытового  давления  и  при  площади  действия  87  см
2 
способны  на 
глубине  (0,4 - 1,0)  м  достигать  (0,5 - 0,75)  кг/см
2
 /12/. Следует  заметить,  что  величины 
замеренных сил относительны, поскольку, помимо прочих физических свойств грунтовой 
системы, зависят от количества кристаллизующейся воды на площади их замера. 
Рассмотренное  выше  физическое  объяснение  процессов  пучинообразования  в 
промерзающих  грунтах  получило  практическое  подтверждение  в  экспериментальных 
работах /12 – 14/, которыми  установлено  наличие  зоны  активного  пучения  грунтов, 
равной 0,7 от глубины их сезонного промерзания. 
 
ЛИТЕРАТУРА 
 
1. Железные дороги колеи 1520 мм СТН Ц-01-95. М, 1995. 86 с. 

ҚККА Хабаршысы № 4 (53), 2008 
 
 
24
2.  Инструкция  по  содержанию  земляного  полотна  железнодорожного  пути:  ЦП-544.  М, 
Транспорт, 1999. 189 с. 
3. Инструкция по исправлению железнодорожного пути на пучинах. ЦП-2628. М, Транспорт. 
1965. 65 с. 
4.  Золотарь  И.А.  Расчет  промерзания  и  величины  пучения  с  учетом  миграции  влаги.  М, 
«Наука», 1965. 165 с. 
5.  Грицык    В.И.  Определение  необходимой  плотности  грунтов  земляного  полотна: 
Методические  указания  к  курсовому  и  дипломному  проектированию.  Ростов-на-Дону:  РИИЖТ, 
1979. 32 с. 
6. Лебедев А.Ф. Почвенные и грунтовые воды. М, Изд-во АН СССР, 1936. 89 с. 
7.  Пузаков  Н.А.  Теоретические  основы  накопления  влаги  в  дорожном  полотне  и  их 
практическое  применение.  Сб. «Проектирование  и  возведение  земляного  полотна  железных    и 
автомобильных дорог». М, Изд-во АН СССР, 1950. 232с. 
8.  Денисов  Н.Я.  О  природе  деформации  глинистых  грунтов.  Изд-во  Мин-ва  речного  флота 
СССР, 1951. 122 с. 
9.  Швецов  П.Ф.  Об  условиях  и  времени  образования  основной  системы  морозостойких 
трещин  и  связанных  с  ними  жильных  льдов.  Сб. «Исследование  вечной  мерзлоты  в  Якутской 
республике», вып. 3. Изд-во АН СССР, 1952.232 с.  
10. Орлов В.О. Криогенное пучение тонкодисперсных грунтов. Изд-во АН СССР, 1962. 188 с. 
11.  Федякин  Н.Н.,  Дерягин  В.Б.,  Новикова  А.В.,  Талаев  М.В.  О  механизме  образования 
столбиков  воды  с  особыми  свойствами  при  конденсации  паров  в  широких  свежевытянутых 
стеклянных капиллярах. Докл. АН СССР, т. 165, 1965, №4. 
12.  Пономарев  В.П.  Пучины  на  железных  дорогах  и  методы  борьбы  с  ними.  М, 
Трансжелдориздат, 1952. 256 с. 
13.  Пусков  В.И.,  Ульрих  С.С.  Сезонное  промерзание  грунтов  и  их  взаимодействие  с 
фундаментами заданий. Красноярск, 1965. 166 с. 
14. Ашпиз Е.С. Мониторинг эксплуатируемого земляного полотна. Теоретические основы и 
практические  решения.  Автореферат  диссертации  на  соискание  ученой  степени  доктора 
технических наук. М, 2002. 48 с. 
 
 
 
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И СТРОИТЕЛЬСТВО ДОРОГ, МЕТРОПОЛИТЕНОВ, 
АЭРОДРОМОВ, МОСТОВ И ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЕЙ 
 
УДК 625.75:629.139.001 
 
Достанова Сауле Хажигумаровна - д.т.н., профессор (Алматы, КазАТК),   
Исаханов Еркин Абдурашидович -  д.т.н., профессор  (Алматы, КазАТК),   
Карабаев Аскар Мырзакаримович - инженер (Алматы, КазГАСА) 
 
РАЗРЕШАЮЩИЕ УРАВНЕНИЯ ДЛЯ РАСЧЕТА МНОГОСЛОЙНЫХ 
ЖЕСТКИХ АЭРОДРОМНЫХ И ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ 
 
В  настоящее  время  значительное  распространение  в  строительной  практике 
получили  трехслойные  конструкции,  которые  состоят  из  двух  несущих  слоев  и 
заполнителя,  обеспечивающего  их  совместную  работу.  В  условиях  на  изгиб 
трехслойные  конструкции  оказываются  наиболее  рациональными,  т.е.  близкими  к 
оптимальным с точки зрения обеспечения минимума весовых показателей при заданных 
ограничениях  на  прочность  и  жесткость.  После  появления  и  широкого  внедрения  в 
различные  отрасли  промышленности  трехслойных,  а  затем  многослойных  и 
волокнистых  композитов  теория  пластин  получила  мощный  импульс  для  дальнейшего 
развития.  Это  вызвало  необходимость  в  совершенствовании  теории  и  новых  методов 
расчета.  

ҚККА Хабаршысы № 4 (53), 2008 
 
 
25
Для  расчета  жестких  дорожных  и  аэродромных  покрытий  используем  модель 
многослойной  плиты,  лежащей  на  упругом  основании.  Рассмотрим  отдельно  плиту, 
состоящую из скрепленных между собой изотропных упругих слоев. Ось  oz направлена 
по  нормали  к  слоям,  а  ортогональную  ей  плоскость  оху  расположим  произвольно 
(рисунок 1). 
 
Рисунок 1 - Модель многослойной плиты 
 
На  практике  часто  встречаются  двух-  и  трехслойные  конструкции,  которые  являются 
частным  случаем  многослойных  пластин.  Аналогично  можно  рассмотреть  плиту, 
состоящую  из n слов.  Пусть  число  жестких  слоев n =2, прослойку  между  ними 
рассматриваем  как  упругое  основание  с  двумя  характеристиками,  тогда  статические 
уравнения равновесия для трехслойных пластин можно записать в виде /1/: 
 
,
0
)
(
)
(
)
,
(
,
0
)
(
)
(
)
,
(
,
0
)
(
)
(
)
,
)(
)
1
(
)
1
(
)
2
(
1
)
1
(
)
2
(
)
1
(
)
1
(
1
2
1
)
2
(
)
1
(
)
2
(
2
)
1
(
)
2
(
)
2
(
)
2
(
)
2
(
1
2
)
1
(
)
1
(
)
2
(
1
)
1
(
)
2
(
)
1
(
)
1
(
)
1
(
1
1
=
+
∂
∂
+
∂
∂
+
−
+
Φ
=
+
∂
∂
+
∂
∂
−
−
−
Φ
=
+
∂
∂
+
∂
∂
+
−
+
Φ
y
x
x
q
y
w
y
w
Bc
v
v
B
v
u
A
q
x
w
x
w
Bc
u
u
B
v
u
A
q
x
w
x
w
Bc
u
u
B
v
u
A
 
,
0
)
(
)
(
)
,
(
)
2
(
)
1
(
)
2
(
2
)
1
(
)
2
(
)
2
(
)
2
(
2
2
2
=
+
∂
∂
+
∂
∂
−
−
−
Φ
y
q
y
w
y
w
Bc
v
v
B
v
u
A
 
)
2
(
)
1
(
)
2
(
2
2
)
1
(
)
2
(
2
)
1
(
)
2
(
2
)
1
(
)
2
(
)
2
(
2
)
1
(
)
1
(
)
2
(
2
1
)
1
(
)
2
(
1
)
1
(
)
2
(
1
)
1
(
)
2
(
)
1
(
1
)
(
)
(
)
(
)
(
,
)
(
)
(
)
(
)
(
z
z
q
w
w
Bc
y
v
y
v
Bc
x
u
x
u
Bc
w
w
C
w
D
q
w
w
Bc
y
v
y
v
Bc
x
u
x
u
Bc
w
w
C
w
D
=
Δ
+
Δ
−
−
∂
∂
−
∂
∂
−
∂
∂
−
∂
∂
−
−
−
ΔΔ
=
Δ
+
Δ
−
−
∂
∂
−
∂
∂
−
∂
∂
−
∂
∂
−
−
−
ΔΔ
               (1) 
 
В (1) 
w
v
u ,
,
- компоненты перемещений в направлении координатных осей х,у,z, из них 
первые  два-  тангенциальные  смещения  точек,  лежащих  в  срединной  плоскости 
соответствующего  слоя,  эти  перемещения  согласно  уточненной  теории  могут  быть 
вызваны  как  сдвиговыми  деформациями 
γxz,  γyz,  так  и  тангенциальными  усилиями; 
третье – нормальное  смещение,  индексы 1,2 соответствуют  нумерациям  слоев;  В,С – 
упругие  характеристики  прослойки; qik – интенсивность  поверхностной  нагрузки k-го 
слоя  в  направлении  координатных  осей (i=x,y,z), k=1,2. Выражение  для qz2 содержит 

ҚККА Хабаршысы № 4 (53), 2008 
 
 
26
реакцию  упругого  грунтового  основания,  которая  может  быть  представлена  двумя 
моделями:  модель  Винклера  и  модель  упругого  полупространства.  В  общем  случае 
условия сопряжения слоев имеет вид: 
 
(τxz)k= (τxz)k+1,   (τyz)k= (τyz)k+1,   (σz)k=(σz)k+1, 
(u)k=(u)k+1,                                                              (2) 
(v)k=(v)k+1, (w)k=(w)k+1 
 
Дифференциальные операторы плоской задачи теории упругости записываются в виде: 
 
y
x
u
x
v
y
v
v
u
y
x
v
y
u
x
u
v
u
y
x
u
x
v
y
v
v
u
y
x
v
y
u
x
u
v
u
∂
∂
∂
+
+
∂
∂
−
+
∂
∂
=
Φ
∂
∂
∂
+
+
∂
∂
−
+
∂
∂
=
Φ
∂
∂
∂
+
+
∂
∂
−
+
∂
∂
=
Φ
∂
∂
∂
+
+
∂
∂
−
+
∂
∂
=
Φ
)
2
(
2
1
2
)
2
(
2
1
2
)
2
(
2
)
2
(
2
)
2
(
2
1
2
)
2
(
2
1
2
)
2
(
2
)
2
(
1
)
1
(
2
1
2
)
1
(
2
1
2
)
1
(
2
)
1
(
2
)
1
(
2
1
2
)
1
(
2
1
2
)
1
(
2
)
1
(
1
2
1
2
1
)
,
(
,
2
1
2
1
)
,
(
,
2
1
2
1
)
,
(
,
2
1
2
1
)
,
(
ν
ν
ν
ν
ν
ν
ν
ν
             (3) 
                   
Жесткие слои, входящие в трехслойную пластину, называют несущими, а прослойку – 
мягким слоем /2/. Несущие слои и прослойку считают однородными по толщине, тогда 
в выражении (1) можно принять, что 
 
2
,
2
,
,
,
)
1
(
12
,
1
,
)
1
(
12
,
1
2
2
1
1
2
2
3
2
2
2
2
2
2
2
2
2
1
3
1
1
1
2
1
1
1
1
s
h
c
s
h
c
s
E
C
s
G
B
h
E
D
h
E
A
h
E
D
h
E
A
+
=
+
=
=
=
−
=
−
=
−
=
−
=
ν
ν
ν
ν
 
где s- толщина прослойки, Е – модуль упругости, G – модуль сдвига прослойки, индекс 
1 относится к верхнему слою, индекс 2 – ко второму несущему слою. 
Задача  об  изгибе  трехслойной  плиты  сводится  к  решению уравнений (1), которые 
содержат 6 неизвестных  функций  перемещений,  по  три  в  каждом  слое.  Неизвестные 
функции должны удовлетворять граничным условиям, которые могут быть записаны в 
статическом или кинематическом виде. 
Запишем  статические  условия  для  отрезка  контура    х=const.  Эти  условия 
записываются  в  виде  равенства  внутренних  тангенциальных  усилий,  действующих  в 
срединной  плоскости  жестких  слоев  пластины  соответствующим  внешним  нагрузкам, 
отнесенных к единице длины. Для каждого k-го слоя (k=1,2): 
 
yk
k
k
k
k
xk
k
k
k
k
N
x
v
y
u
v
A
N
y
v
x
u
A
=
∂
∂
+
∂
∂
−
=
∂
∂
+
∂
∂
)
(
2
1
)
(
)
(
)
(
,
)
(
)
(
ν
                                       (4) 
 
Аналогично записываются статические условия для отрезка контура у=const: 
 

жүктеу/скачать 5,31 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: