Навигация:
ГлавнаяВсе категории → Реконструкция автомобильных дорог

Связь пучинообразования с водно-тепловым режимом земляного полотна


Связь пучинообразования с водно-тепловым режимом земляного полотна

В осенне-зимний период влажность верхних слоев земляного полотна увеличивается в результате проникания поверхностных вод через трещины покрытия, обочины и разделительную полосу, а также перемещения влаги из глубинных слоев грунта и боковых канав под дорожную одежду. Промерзание грунта земляного полотна представляет собой тепломассообменный процесс, связанный с непрерывной миграцией влаги в двухфазном состоянии (жидкая фаза и пар) и фазовыми превращениями: льдообразованием, испарением и конденсацией.

Земляное полотно промерзает по ширине неравномерно. Влага из нижней его части и с боков перемещается по направлению к дорожной одежде, где температура грунта наиболее низкая. Коэффициент температуропроводности дорожной одежды в 1.5—2 раза выше, чем грунта на обочинах, и особенно растительного грунта разделительной полосы. Влага под действием разности температур перемещается кверху. В зависимости от продолжительности зимы и температуры ледяные кристаллы в течение нескольких месяцев увеличиваются в объеме и покрытие подвергается морозному пучению.

На поверхности проезжей части появляются деформации, иногда приводящие к разрушению дорожной одежды. Места внешнего проявления деформаций часто называют пучинами.

Процесс пучинообразования является круглогодичным и проходит последовательно пять стадий увлажнения.

Первая стадия — начальная, связанная с осенним периодом увлажнения. В это время пучение еще не наблюдается. Избыток свободной воды q в грунте отсутствует. Модуль упругости грунта при водонепроницаемых покрытиях и хорошем состоянии задернованных обочин всего на 10—15% меньше, чем летом.

Вторая стадия — зимнее накопление влаги. При промерзании грунта накопленная с осени влага перераспределяется. С понижением температуры воздуха граница промерзания опускается, вызывая подтягивание влаги из талого слоя грунта в мерзлый. При сильных морозах (скорость промерзания по оси проезжей части vn не менее 4,5—5 см/сут) граница промерзания опускается быстро и влага из более глубоких теплых слоев грунта не успевает переместиться в верхнюю часть земляного полотна. При скорости 2,5 см/сут в грунте происходит интенсивное льдообразование, сопровождающееся неравномерным морозным пучением покрытия, приводящим к ухудшению его транспортно-эксплуатационных качеств.

Третья стадия — вымерзание воды из песчаного подстилающего слоя дорожной одежды и установление равновесного состояния влаги в грунтах верхней части земляного полотна. В этот период наблюдается наиболее низкая зимняя температура. Глубина промерзания z почти достигает максимума. По мере увеличения глубины увеличивается пучение. К концу третьей стадии пучение достигает максимума. Влажность земляного полотна практически не изменяется, влажность песчаного подстилающего слоя большей частью снижается из-за происходящего вымерзания. В южных районах с мягкими зимами, а также в районах с высокой влажностью воздуха вымерзание может и не наблюдаться.

Четвертая стадия — насыщение земляного полотна влагой. По мере оттаивания влажность грунта резко повышается. Морозное пучение уменьшается. Одновременно снижается модуль упругости грунта Е0. Избыток свободной воды <7, выделяющейся в земляном полотне, отжимается по трещинам и порам грунта в корыто под действием движущихся грузовых автомобилей.

Повышение влажности связано с инфильтрацией свободной воды и конденсацией у верхней границы промерзания водяных паров. Относительный процент и по незамерзающим пленкам на поверхности грунтовых частиц к границе промерзающего грунта конденсационной воды по отношению к общему притоку воды, поступающему в корыто, увеличивается с приближением к югу.

Рис. 1. Неравномерность промерзания и оттаивания земляного полотна на автомобильных дорогах Московского узла:
1 — максимальная граница промерзания; 2 — границы оттаявшего грунта (сверху по датам), 3 — свободная вода, выделившаяся при оттаивании ледяных прослоек; 4 — направление отжатия свободной воды в период оттаивания грунтов; 5 — сплошной песчаный слой; 6 — основание дорожной одежды; 7 — асфальтобетонное покрытие; 8 — снег; 9 — уровень воды в канаве под снегом (25/1II); 10 — ледяной слой на обочинах (20/1V); 11 — направление движения влаг

Рис. 2. Схема закономерности изменения во времени морозного пучения

Процесс изменения влажности земляного полотна зависит от скорости оттаивания. Чем продолжительнее затяжная весна (ночные заморозки сменяются теплыми солнечными днями без осадков), тем быстрее вследствие испарения днем и морозного вымерзания ночью уменьшается влажность грунта и, следовательно, меньше вероятность снижения модуля упругости грунта Е0. В годы с затяжной весной деформации на покрытиях почти не наблюдаются. При дружной весне, характеризуемой скоростью оттаивания 7—8 см/сут, наоборот, увеличивается количество деформаций на покрытиях из-за снижения прочности грунта и материала подстилающего слоя.

Осадки, выпадающие в период дружной весны, особенно если их количество превышает 60 мм, способствуют дополнительному увлажнению грунтов, которое может достигнуть величины, превышающей (0,85-0,9) WT. При столь значительной средней влажности грунтов верхней части земляного полотна в центральных районах европейской части СССР удельный приток свободной воды в корыто нередко достигает 5—7 л/м2 в сутки. Процесс ее отжатая продолжается, пока влажность связных грунтов не снизится до We, меньшей (0,7н-0,75) Wr, и верхняя граница оттаивания не опустится глубже 1 —1,2 м, что соответствует мощности несущего слоя грунта при современной расчетной нагрузке.

Чем эффективнее работают дренирующий слой и дренажные устройства, тем быстрее восстанавливается летний режим земляного полотна, а потому быстрее повышается и модуль упругости грунта.

Пятая стадия — восстановление летнего водно-теплового режима земляного полотна при полном оттаивании. В грунтах остается лишь местами капиллярно-разомкнутая (подвешенная) вода, горизонт которой в центральных и северо-западных районах европейской части СССР обычно расположен глубже 1 м. Уменьшение влажности и увеличение плотности грунта связаны с высокой испаряющей способностью земляного полотна, особенно в насыпях, и опусканием уровня подземных вод почти до летней отметки.

Рассмотренная в общем виде закономерность изменения влажности относится лишь к верхней части земляного полотна глубиной до (2,5-4-3,0) D от поверхности проезжей части, где D — диаметр отпечатка колеса расчетного автомобиля.

На влажность верхней части земляного полотна оказывают существенное влияние тип покрытия и общая толщина дорожной одежды. С ее увеличением уменьшаются пределы колебания влажности, а также модуль упругости грунтов. При толщине современных дорожных одежд 0,65—0,85 м влажность верхней части земляного полотна изменяется в соответствии с синусоидой средне-годичного никла, что упрощает теорию расчета его водно-теплового режима.

Циклическое изменение водно-теплового режима земляного полотна, особенно в зоне хвойно-лиственных лесов с подзолистыми и заболоченными грунтами сопровождается усиленным протеканием процессов оглеения.

Во II дорожно-климатической зоне через 15—20 лет службы дороги прочность покровных глинистых грунтов, уложенных в насыпь или прикрытых водонепроницаемой дорожной одеждой, при нулевом профиле земляного полотна значительно снижается.

В соответствии с рассмотренными выше закономерностями водно-теплового режима и следует изучать состояние земляного полотна перед его реконструкцией.

Морозное пучение нужно определять во время третьей стадии, а значение модуля упругости грунта и удельного избытка свободной воды — при четвертой стадии.





Похожие статьи:
Экономический критерий очередности реконструкции участков автомобильных дорог

Навигация:
ГлавнаяВсе категории → Реконструкция автомобильных дорог

Статьи по теме:





Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум