Навигация:
ГлавнаяВсе категории → Проектирование дорог

Источники увлажнения земляного полотна


Источники увлажнения земляного полотна

Вода поступает в грунт земляного полотна:
— впитываясь с поверхности обочин и откосов при выпадении осадков (дождя), таянии снега;
— впитываясь в откосы из кюветов и резервов;
— проникая в грунт снизу от уровня грунтовых вод;
— конденсируясь из паров воды, находящихся в воздухе, заполняющем поры грунта.

Грунт земляного полотна теряет воду в результате:
— испарения воды в порах грунта и выхода паров в воздух или в нижележащие слои грунта;
— просачивания вниз в нижележащие слои грунта, подстилающие земляное полотно;
— стока свободной воды по дренирующим устройствам.

Свободная вода с поверхности обочин и откосов и из основания дорожной одежды, проникая в поры грунта, вытесняет воздух, пополняет запасы связанной поверхностью грунтовых частиц пленочной воды и заполняет свободные поры.

Силы тяжести способствуют движению воды вниз и противодействуют движению вверх. Сопротивления движению складываются из сил трения в тонких каналах, соединяющих поры грунта, и молекулярных сил, удерживающих молекулы воды в пленках.

Парообразная вода в порах грунта находится в состоянии насыщения, и ее упругость зависит от температуры грунта. При повышении температуры грунта часть жидкостной воды испаряется, при понижении часть паров конденсируется. Движение парообразной воды в сообщающихся порах происходит под действием градиентов упругости пара, т. е. всегда из зоны с более высокой температурой в зону с более низкой.

Под действием солнечного нагрева днем, лучеиспускания ночью, теплопроводности грунта, а также в результате контактной передачи тепла из воздуха в грунт и обратно температура грунта земляного полотна у его поверхности непрерывно меняется; соответственно, но с некоторым запозданием, меняется и температура грунта более глубоких слоев от поверхности.

В результате выпадения осадков, впитывания при стоке воды по поверхности земляного полотна, притока грунтовых вод непрерывно изменяется влажность грунтов в разных частях земляного полотна.

В грунтах земляного полотна происходят непрерывные процессы перемещения жидкой воды в направлении от более влажных зон в менее влажные и парообразной в направлении от более нагретых к менее нагретым зонам.

Интенсивность смены тепла и холода, количество выпадающих осадков и объем испаряющейся с поверхности суши и воды на обширной территории СССР изменяются в широких пределах. Для облегчения разработки рекомендаций по проектированию дорог территория СССР разделена на шесть дорожно-климатических зон. Каждая зона характеризуется особыми признаками, определяющими условия увлажнения грунтов земляного полотна, и поэтому по зонам разделяются и требования к проектированию дорог.

Первая климатическая зона — зона вечной мерзлоты, средняя годовая температура грунта ниже 0 °С. Эти районы характеризуются повышенной влажностью грунтов, развитием пучин и требуют особых мероприятий для обеспечения устойчивости земляного полотна.

Ко второй климатической зоне относятся районы распространения хвойных и смешанных лесов, характеризуемые избыточным увлажнением грунтов, наличием заболоченных мест, высоким стоянием горизонта грунтовых вод. Здесь необходимы специальные мероприятия для обеспечения устойчивости грунтов земляного полотна и предотвращения пучинообразования. Для этого трассу прокладывают по возвышенным формам рельефа, увеличивают высоту насыпи, защищают земляное полотно от воды а при пылеватых грунтах в сырых местах устраивают морозозащитные слои в верхней части насыпи.

К третьей климатической зоне относятся территории с переменными условиями увлажнения. В отдельные периоды года — осенью при повышенном выпадении осадков и весной при оттаивании грунтов — в условиях плохо обеспеченного стока при пылеватых грунтах возможно ослабление прочности земляного полотна и повышение уровня грунтовых вод (образование верховодки).

К четвертой климатической зоне, охватывающей зону степей и частично южную часть лесостепной зоны, относятся территории с недостаточным увлажнением. Грунтовые воды, как правило, залегают глубоко и влияния на увлажнение грунтов земляного полотна не оказывают. Осадки выпадают преимущественно летом в виде ливней; в местах с легко размываемыми грунтами при значительных уклонах поверхности легко образуются овраги. Испарение превышает впитывание воды грунтами. Нормальная влажность грунтов близка к границе раскатывания (нижний предел пластичности).

Рис. 1. Дорожно-климатические зоны СССР

К пятой зоне относятся территории засушливых степей, полупустыни и пустыни. Зона характеризуется значительным распространением засоленных грунтов, незначительным количеством осадков, сухостью воздуха и грунтов летом.

К шестой климатической зоне относятся горные районы с отметками более 1000 м над уровнем моря, имеющие вертикальную климатическую зональность (зоны лесов, альпийских лугов, гольцов, вечных снегов), а также Черноморское побережье Крыма и Кавказа с субтропическим климатом.

Общее правило при проектировании земляного полотна во всех дорожно-климэтических зонах СССР — более быстрый и полный отвод поверхностных вод в сторону от земляного полотна в понижения местности и защита от увлажнения снизу от притока грунтовых вод. Первое достигается устройством поперечных уклонов поверхности проезжей части и обочин, укреплением проезжей части водонепроницаемой дорожной одеждой, уплотнением грунтов земляного полотна, продольными уклонами кюветов и резервов, устройством нагорных канав, перехватывающих воду, стекающую по поверхности земли при уклоне ее к дорожному полотну, устройством планировок, не допускающих застоя воды у откосов земляного полотна дороги. Для защиты от грунтовых вод увеличивают высоту земляного полотна, в насыпи устраивают водонепроницаемые или капилляропрерывающие прослойки, понижают уровень грунтовых вод дренажами и др.

Рис. 2. Накопление воды в зоне промерзания грунта (а) и оттаивание грунта весной (б) (заштрихован верхний слой замерзшего грунта):
1 — линия температуры 0 °С; 2 — линия температуры — 3 °С; 3 — линзы льда, образующиеся между изолиниями 0 °С и — 3 °С;

Охлаждение грунта земляного полотна происходит с поверхности. Изотерма 0°С постепенно опускается в глубь земляного полотна. Выше ее в пределах слоя между изотермами 0 °С – 3 °С

происходит замерзание рыхлосвязанной воды. При этом вода из нижележащего слоя с более высокой температурой подтягивается вверх, возмещая объем замерзшей воды, и также замерзает. Объем переместившейся вверх воды в зоне ниже нулевой изотермы возмещается за счет воды, подтягиваемой из нижележащей зоны, имеющей температуру выше 0°С.

При замерзании воды выделяется скрытая теплота, частично компенсирующая потерю тепла с поверхности грунта. При этом возможны разные случаи:
1) потеря тепла и охлаждение от лучеиспускания с поверхности в зоне грунта выше зоны замерзания воды больше, чем выделение тепла при замерзании воды, — изотерма 0°С и вся зона промерзания опускается вниз;
2) потеря тепла в зоне замерзания равна количеству тепла, выделяемого при замерзании. Изотерма 0°С неподвижна, перемещение воды снизу в зону замерзания продолжается, количество накапливающейся в зоне промерзания воды увеличивается и зависит от запаса свободной воды ниже изотермы 0°С, влагопроводно-сти грунта и продолжительности стабильного положения изотерм. Если в грунте в период замерзания имеется большой запас воды или происходит приток воды по капиллярам от расположенного вблизи от поверхности горизонта грунтовой воды, накапливающаяся вода образует линзы льда, поднимая вышележащие слои замерзшего грунта, образуя бугры пучения. Продолжительность процесса пучения зависит от интенсивности охлаждения грунта с поверхности. При незначительных запасах воды в грунте образуются лишь мелкие кристаллы в порах и пучения не происходит.

В песчаных грунтах количество пленочной воды незначительно — пучения не бывает. В глинистых уплотненных грунтах вследствие медленного перемещения воды, встречающей большое сопротивление движению в тончайших порах, пучение не получает значительного развития. Большую опасность для дороги представляют увлажненные пылеватые грунты, где этот процесс происходит наиболее сильно.

Весной оттаявшая вода, не найдя выхода в нижележащие мерзлые водонепроницаемые слои грунта, сильно переувлажняет верхнюю часть земляного полотна. Грунты в этой части иногда приходят в текучее состояние.

Прочность дорожной одежды при этом резко снижается, что приводит к ее разрушению под действием колес автомобильного транспорта.

Рис. 3. Деформация дорожной одежды при проходе тяжелого автомобиля:
1 — деформирующаяся дорожная одежда; 2 — смещения переувлажненного грунта под действием нагрузки; 3 — мерзлый грунт

Меры борьбы с пучинообразованием заключаются в осушении грунта путем обеспечения быстрого и полного стока поверхностной воды, понижения уровня грунтовых вод, замены пучинистого грунта в верхнем слое насыпи на толщину 0,8—1,0 м обломочными грунтами (морозозащитный слой).

При достижении границей промерзания грунта глубины 1,0—1,2 м от поверхности, пучение затухает вследствие большого веса и жесткости замерзшего массива грунта, лежащего выше границы замерзания.

Для устойчивости земляного полотна проектную линию следует располагать на продольном профиле таким образом, чтобы обеспечить наиболее благоприятный водный режим. По условиям увлажнения грунта земляного полотна участки трассы делят на три гидрогеологические группы.

К первой гидрогеологической группе относят сухие места, характеризуемые значительными продольными уклонами, обеспечивающими сток поверхностной воды и отсутствием грунтовых вод на глубине от поверхности земли под насыпью не менее 2 м, а в выемке не менее 3 м от низа дорожной одежды. В таких местах при назначении проектной линии необходимо стремиться к тому, чтобы объем земляных работ был наименьшим. Однако при этом-требования к удобству и безопасности движения не должны снижаться, а также должны быть обеспечены условия для облегчения зимнего содержания дороги и уменьшения просачивания в грунт земляного полотна воды во время выпадения дождей и таяния снега. Для этого следует укреплять поверхность обочин.

Ко второй гидрогеологической группе относят сырые места с временным притоком воды, характеризуемые плоским рельефом и малыми продольными уклонами, не обеспечивающими быстрого стока поверхностной воды. Грунтовые воды отсутствуют или расположены на глубине более 2 м от поверхности земли. В этом случае проектную линию следует назначать таким образом, чтобы дорога шла в насыпи, возведенной из боковых резервов. Возвышение бровки над поверхностью земли должно быть достаточным для просыхания грунтов земляного полотна в климатических условиях района проложения дороги. Высота насыпи зависит от рода грунта, климатической зоны и требований, предъявляемых к устойчивости дорожной одежды.

Резервы должны быть спроектированы так, чтобы был обеспечен выпуск стекающей в резерв воды. Для этого дно резерва должно иметь непрерывный продольный уклон к понижению местности не менее 3%о. В отдельных местах в пониженной части резерва для стока воды может быть устроена канавка шириной по дну не менее 30 см с продольным уклоном не менее 3%о. При невозможности по условиям рельефа обеспечить полный выпуск воды из резервов устройство их воспрещается и земляное полотно должно быть отсыпано из грунта, подвезенного из карьеров, расположенных в стороне от дороги.

К третьей гидрогеологической группе относят сырые места, характеризуемые высоким стоянием уровня грунтовых вод в осенне-зимний период. Вода, поднимающаяся по капиллярам, увлажняет расположенные выше слои грунта, переводя их в пластичное состояние. В осенне-зимний период при замерзании грунтов запасы влаги в грунте приводят к переувлажнению верхних слоев земляного полотна и к интенсивному развитию в них процессов пучинообразования.

При проектировании дорог должны быть предусмотрены меры, предотвращающие переувлажнение грунтов:

а) проектирование насыпи такой высоты, чтобы вода, поднимающаяся по капиллярам, не могла вызвать увлажнения грунта, подстилающего дорожную одежду. Для этого возвышение бровки насыпи над уровнем грунтовых вод в осенне-зимний период или над уровнем длительного стояния поверхностных вод у откоса земляного полотна должно обеспечить выполнение требований, приведенных в табл. 19. Во II и III климатических зонах в грунтах группы Г верхнюю часть земляного полотна на толщу 1 м следует делать из песчаных или супесчаных непылеватых гРунтов;

Примечанля.
1. Для крупных песков, не теряющих устойчивости во влажном состоянии, возвышение низа дорожной одежды над уровнем воды не планируют.
2. В качестве расчетного уровня грунтогых год принимают наивысший расчетный уровень, определяемый по верхней линии оглеения грунтов или по поверхности торфяного слоя почвы.

Возведение высоких насыпей из неблагоприятных грунтов допускается в исключительных случаях при соответствующем технико-экономическом обосновании.

б) в выемках вследствие худших условий прогревания солнцем и проветривания грунтов земляного полотна расстояние от бровки до уровня грунтовых вод должно быть увеличено на 25—30% против указанных в табл. 19 во всех грунтах, кроме тяжелых неслоистых суглинистых и глинистых;
в) для улучшения условий просыхания грунтов земляного полотна в выемках целесообразно их уширять, разделывая под насыпь;
г) устройство в основании насыпи на глубине 0,75—1,0 м от поверхности дороги специальных прослоек, прерывающих капиллярное поднятие воды. Для устройства этих прослоек применяют крупнозернистый песок и гравий или обрабатывают грунт битумом, делая его водонепроницаемым. Толщина прослойки из крупнозернистого песка или гравия составляет 20 — 25 см, толщина прослойки аз грунта, обработанного битумом,— 10—15 см; возможно также прокладывать слой полиэтиленовой или хлорвиниловой пленки. В засоленных грунтах, содержащих углекислые соли натрия, битуминиро-ванные прослойки быстро разрушаются, поэтому в таких случаях их устраивать нецелесоооразно. Над прослойками необходимо предусматривать, устройство засыпки, по возможности, из непылеватых супесчаных грунтов, по составу близких к оптимальным смесям;
д) устройство дренажей, перехватывающих и отводящих воду. Целесообразно также делать дренажи для понижения горизонта грунтовой воды под проезжей частью.

Рис. 4. Поперечный профиль выемки

Рис. 5. Схемы к расчету ступенчатого русла

Поверхностный водоотвод обеспечивается: поперечными уклонами земляного полотна, непрерывностью продольного уклона кюветов и резервов к понижениям местности, перехватом стекающей по склонам поверхностной воды нагорными канавами, водоотводными планировками и устройством поперечного водоотвода. С помощью последнего вода должна быть отведена в сторону от земляного полотна во всех понижениях местности, пересекаемых трассой.

В пересеченной и горной местности при выпадении осадков в виде сильных ливней, а также при интенсивном таянии снега сток по крутым склонам и логам может образовать мощные потоки воды, текущей с большой скоростью.

В результате вода может вызвать размывы канав, откосов насыпей и выемок и образование оврагов. В этих условиях необходимо предусматривать укрепление откосов и при значительных уклонах канав — устройство лотков-быстротоков или уменьшать скорость течения, устраивая перепады и гасители энергии в виде водобойных колодцев.

При устройстве перепадов уклон русел (канав) между перепадами назначается подбором. Для этого используют формулу Шези так, чтобы скорость течения не превышала допускаемой по руслу с намеченным методом его укрепления.

Рис. 6. Водоотводные планировки на склонах:
а — бермы у откоса насыпи; б— банкет у откоса выемки

В условиях равнинной местности могут быть случаи, когда отвести воду из резервов не представляется возможным. В этих случаях дорогу проектируют в насыпи из грунта, подвезенного из резерва, заложенного в стороне от дорожной насыпи. Размер резерва определяют расчетом по потребности в грунте, а глубину назначают из расчета, чтобы получить площадь водоема, необходимую и достаточную для того, чтобы спущенная в этот искусственный водоем вода от дороги могла испариться в летний сухой период года. Такие резервы называют испарительными бассейнами.





Похожие статьи:
Исполнительные чертежи

Навигация:
ГлавнаяВсе категории → Проектирование дорог

Статьи по теме:





Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум