Закономерности изменения водно-теплового режима дорожных конструкций

 

Водно-тепловым режимом (ВТР) называют закономерные изменения во времени температуры и влажности грунта земляного полотна.

К основным факторам, формирующим ВТР земляного полотна, относятся:

· метеорологические:

· количество атмосферных осадков и величина испарения;

· температура воздуха и интенсивность солнечной радиации;

· скорость ветра, относительная влажность и облачность;

· грунтово-гидрологические:

· вид грунта;

· глубина промерзания грунтов;

· глубина залегания грунтовых вод.

Исследования, выполненные учеными в разных регионах страны (проф. А.К. Бируля, Н.Н. Орнатский, Н.А. Пузаков, В.М. Сиденко, И.А. Золотарь, А.Я. Тулаев и др.), показали, что в районах с сезонным промерзанием грунтов, хотя ВТР в отдельных регионах имеет ряд особенностей, общие закономерности изменения влажности и температуры в годовом цикле сохраняются неизменными.

Годовой цикл состоит из следующих взаимообусловленных периодов изменения ВТР:

I – стадия осеннего влагонакопления. Первоначальное накопление влаги осенью происходит в результате просачивания дождевых осадков и, вследствие, поднятия уровня грунтовых вод.

II – стадия зимнее перераспределение влаги. По мере промерзания грунта земляного полотна происходит перемещение влаги снизу вверх. Под действием температурного градиента влага перемещается от мест с более высокой температурой к местам с более низкой температурой. При медленном промерзании грунта на границе фронта промерзания скапливается большое количество свободной воды.

III – стадия весеннего переувлажнения грунтов. При весеннем оттаивании грунтов влажность резко увеличивается, что сопровождается резким снижением несущей способности грунтов.

IV – стадия летнего просыхания грунтов. В этот период испарение преобладает над осадками, поэтому влажность постепенно уменьшается.

С наступлением осени повторяется 1 стадия увлажнения земляного полотна.

Итак, первоначальное накопление влаги в грунтах земляного полотна начинается при среднесуточных температурах воздуха 3–5 °С, поскольку в это время происходит изменение направления среднесуточных потоков тепла в дорожную конструкцию – Р. Летом среднесуточный поток тепла Р направлен вниз, то есть происходит нагрев дорожной конструкции, осенью – вверх, то есть ее остывание. Одновременно уменьшается количество солнечной радиации, поступающей на поверхность покрытия, и увеличивается количество выпадающих осадков. В это время осадки начинают преобладать над испарениями. Все это обуславливает подъем уровня грунтовых вод, а на участках с необеспеченным поверхностным водоотводом появляется верховодка.

Начало периода влагонакопления устанавливается путем построения графика хода месячных сумм осадков и испарения для периода лето – осень (рис. 2.1). Причем месячные суммы осадков определяются по данным наблюдений или прогнозируются с использованием синоптических методов. Месячные суммы испарения рассчитывают, полагая, что скорость испарения с грунтовой поверхности зависит от значений метеорологических условий района проектирования.

 

 

Рис. 2.1. Схема к определению периода влагонакопления:

Е – месячные суммы испарения; S – месячные суммы осадков

 

За конец периода осеннего влагонакопления принимают даты перехода через ноль среднесуточной температуры на поверхности грунта в данном районе. Перемещение влаги в это время происходит по направлению теплового потока снизу и с боков, от более теплых мест к более холодным, за счет перераспределения внутренних запасов влаги и миграции ее от уровня грунтовых вод. В дорожной конструкции в это время года устанавливается постоянный отрицательный температурный градиент, поскольку нижние слои грунта имеют более высокую температуру, чем слои покрытия.

Даты первых и последних заморозков Д_{н пр} = Д_{к вл} и Д_{к пр} на почве устанавливаются или прогнозируются на основе имеющейся метеорологической информации.

Продолжительность периода влагонакопления определяется по формуле

 

где å R_i – количество дней в месяцах, с учетом месяцев начала и конца периода влагонакопления;

Д_{н вл}, Д_{к вл} – даты начала и конца периода влагонакопления;

R _к – количество дней в месяце, на который приходится конец периода влагонакопления.

Продолжительность периода промерзания t_пр. определяется по аналогичной формуле при известных датах Д_н.пр = Д_к.вл и Д_к.пр, определяемой по метеорологическим справочникам. Д_к.пр соответствует моменту установления весной устойчивых положительных температур воздуха.

По мере промерзания дорожной конструкции и опускания фронта (границы) промерзания все большее количество воды скапливается в верхней части земляного полотна, поскольку мерзлый грунт практически водонепроницаем. Замерзая, вода увеличивается в объеме на 9 %, вследствие чего происходит пучение грунтов.

Третий период начинается с установления в верхних слоях грунта устойчивых положительных температур и продолжается до полного оттаивания грунта. В это время тепловой поток направлен сверху вниз. Влажность грунтов, при переходе влаги из твердой фазы в жидкую, резко возрастает, вследствие чего уменьшается несущая способность грунтов и дорожной конструкции в целом.

При неглубоком расположении уровня грунтовых вод подземные воды препятствуют просачиванию вниз влаги, что, в свою очередь, способствует переувлажнению только что оттаявших грунтов. Как правило, в районах со значительным зимним перераспределением влаги уровень грунтовых вод весной наивысший. Период оттаивания дорожной конструкции является наиболее опасным по восприятию расчетных колесных нагрузок, так как несущая способность дорожной одежды в это время года наименьшая. По этой причине период оттаивания является расчетным периодом года. Проектирование конструкций дорожных одежд производится при прочностных характеристиках грунтов земляного полотна, соответствующих весенней влажности.

Весной на поверхности покрытия наблюдаются деформации – просадки, связанные, в свою очередь, с неравномерностью процессов оттаивания грунтов в поперечном и продольном направлениях к оси дороги. Установлено, что вследствие большей теплопроводности слоев дорожной одежды земляное полотно под проезжей частью протаивает раньше, чем под обочинами и на откосах, поэтому в средней части образуются донники – вогнутые поверхности, в которых скапливается вода, не имеющая выхода через мерзлые откосы. Такая же картина наблюдается и на городских улицах, где в течение 5 – 6 суток дренаж, расположенный под кромками проезжей части, находясь в замершем состоянии, не может отводить воду, скапливающуюся в доннике, расположенном в пределах средней части полотна дороги.

По мере нагревания грунтов земляного полотна начинается четвертый этап – период просыхания грунтов. В это время испарение преобладает над осадками, влажность грунтов постепенно уменьшается, уровень грунтовых вод постепенно понижается, соответственно несущая способность дорожной конструкции увеличивается. Из рассмотренных четырех стадий изменения ВТР в годовом цикле наиболее опасными являются 1– я и 3– я.

Процессы теплообмена, характерные для каждого периода, повторяются в течение многих лет, хотя климатические условия каждого конкретного года и вносят изменения в численные значения параметров ВТР дорожной конструкции.

 

2.2. Процессы пучинообразования на автомобильных дорогах

 

Как уже отмечалось, зимой происходит явление, которое называют пучинообразованием, сопровождающееся разуплотнением грунта и появлением деформаций – поднятий на поверхности покрытия дорожной одежды, устраиваемой из монолитных материалов: асфальтобетона или цементобетона.

Процессы пучинообразования распространены в районах, для которых характерна дождливая осень и зима с медленным, но глубоким промерзанием грунтов, то есть в I и II дорожно–климатических зонах. Пучины образуются на участках дорог при устройстве дорожной одежды на пылеватых супесчаных и суглинистых грунтах, которым присуща большая скорость подтока воды к фронту промерзания.

Пучение грунтов наиболее интенсивно происходит в те зимы, когда граница промерзания опускается очень медленно, то есть температура воздуха в первой половине зимы достаточно долго удерживается в интервале от 0 до – 5 °С, или когда кратковременные морозы сменяются оттепелями.

Рассмотрим сущность процессов пучинообразования.

В начале зимы в I и II дорожно–климатических зонах при промерзании грунта происходит перераспределение влаги. Влага в виде паров, пленочная и капиллярная перемещается снизу вверх вследствие наличия отрицательного температурного градиента: в верхней части земляного полотна температура ниже 0⁰ С, а в нижней части – близка к среднегодовой температуре воздуха (4–6 ⁰С). Вода, скапливающаяся у границы промерзания, при опускании фронта промерзания превращается в лед. В грунте образуются ледяные прослойки и линзы. При промерзании вода увеличивается в объеме (в среднем на 9 %). Грунт со стороны увеличившихся в объеме ледяных линз испытывает давление, вследствие которого происходит поднятие вышележащих слоев – пучение грунта.

Максимальное пучение наблюдается во второй половине зимы. Процесс пучинообразования опасен тем, что он неравномерен как в пространстве (по площади покрытия), так и во времени, то есть когда одни точки покрытия еще продолжают подниматься, другие уже опускаются. Величины пучения могут быть измерены путем периодического нивелирования фиксированных точек на поверхности покрытия.

Неравномерность пучения может быть оценена по формуле

 

 

где L ₁, L ₂, L ₃ – поднятия трех последовательно расположенных вдоль оси дороги точек покрытия.

На одних и тех же участках пучение грунтов наблюдается каждую зиму. Интенсивность процессов пучинообразования зависит от конкретных погодных условий. При продолжительном периоде осеннего влагонакопления (1–я стадия) и медленном промерзании грунтов в начале зимы ледяных линз образуется больше. И, наоборот, при сильных кратковременных морозах в период ранней зимы грунт земляного полотна быстро промерзает и ледяные линзы не успевают образоваться.

Процесс пучения во многом зависит от влажности грунта в конце осеннего влагонакопления, а расчетная влажность весной – от процессов миграции (перераспределения) влаги зимой. В весеннее время года при оттаивании линз происходит переувлажнение грунтов. Несущая способность (модуль упругости) грунта резко падает. Под воздействием колес автомобилей происходят просадки дорожной одежды. Как подъемы поверхности зимой, так и просадки весной поверхности покрытия происходят, как уже указывалось, неравномерно по площади и во времени и приводят к нарушению ровности покрытия, уменьшению прочности и долговечности дорожной конструкции.

Вводно-тепловой режим дороги, проходящей в насыпи, всегда более благополучный, чем в выемке, поскольку при проектировании дороги в насыпи увеличивается возвышение низа дорожной одежды над уровнем грунтовых вод и постоянно или временно стоящих поверхностных вод. Через обочины и откосы происходит сток поверхностных вод и осушение грунтов.

Наиболее неблагополучный водно–тепловой режим грунта в городских условиях, поскольку проезжая часть улицы, как правило, расположена ниже остальных элементов улицы. Часть поверхностной воды не попадает в закрытую систему поверхностного водоотвода и просачивается в земляное полотно. Газоны и полосы зеленых насаждений в городе используются для временного складирования снега, поэтому весной они являются дополнительными источниками увлажнения. Подземные коммуникации: водопровод, канализация, теплотрасса являются дополнительными локальными источниками изменения влажности и температуры грунтов, вызывая неравномерные деформации дорожной конструкции.

Весной оттаивание элементов улицы происходит неравномерно. Более быстро оттаивает проезжая часть, менее быстро полосы зеленых насаждений. Под проезжей частью образуется донник, в котором собирается оттаявшая вода. Вследствие уменьшения несущей способности дорожной конструкции весной возможны неравномерные просадки покрытия.