bigpo.ru
добавить свой файл
  1 ... 2 3 4

Закономерности водно-теплового режима земляного полотна в процессе эксплуатации дорог


Закономерные изменения в течение года влажности и температуры в придорожном слое воздуха, в слоях дорожной одежды и грунте земляного полотна, обусловленные особенностью данной дорожно-климатической зоны или подзоны (в I зоне – I1, I2, I3; во II – II1, II2, ..II6; во Ш – III1…Ш3; IV; V) и местных гидрогеологических условий, называют водно-тепловым режимом дорожной конструкции. Режим существенно влияет на прочность и морозоустойчивость дорожной конструкции и в конечном итоге на степень ровности проезжей части. Наиболее значительные сезонные изменения влажности и температуры происходят в земляном полотне.

Годовой цикл водно-теплового режима земляного полотна включает четыре характерных периода:

- первоначальное накопление влаги осенью;

- промерзание, перераспределение и накопление влаги в земляном полотне зимой;

- оттаивание земляного полотна и переувлажнение грунта весной;

- просыхание земляного полотна летом.

Осенью в предзимний период идет первоначальное накопление влаги от атмосферных осадков, проникающих в дорожную конструкцию, и вследствие подъема уровня грунтовых вод грунт увлажняется и перед началом промерзания влажность грунта может достигать значения 0,7Wт – влажность на пределе текучести грунта. Увеличение влажности сопровождается разуплотнением грунта. Наблюдается смена температуры от “+” к “-”, и наоборот такие температурные перепады вызывают линейные сокращения покрытий, скорость которых выше, чем для нижележащих слоев основания. Это приводит к образованию поперечных температурных трещин.

Зимой в морозный период – характерен перераспределением, накоплением и влаги в земляном полотне, понижением температуры грунта, промерзанием его, происходит дальнейшее повышение влажности грунта, что приводит к снижению плотности грунта.

Вода из нижних слоев земляного полотна особенно жидкая и парообразная интенсивно мигрирует снизу и частично со стороны откосов к оси дорог. Вследствие этого замерзающая вода в порах грунта образует линзы и прослойки льда. Такое интенсивное влагонакопление и промерзание земляного полотна приводит к образованию пучин.

Прочность грунта в холодный период очень высокая и достигает значения 0,8Wт – влажность на пределе текучести грунта.

Весенний период – период оттаивания грунта и насыщения его свободной водой. Весной в начале оттаивания земляного полотна грунт наиболее увлажнен и разуплотнен. Этот период принимают за расчетный в работе дорожной одежды и земляного полотна.

В это время скопившийся в линзах и прослойках лед в верхней части земляного полотна оттаивает, и свободные поры грунта заполняются водой, которая в большом количестве скапливается над еще не оттаявшим грунтом (донник).

В этот период грунт имеет максимальное увлажнение, которая может достигать (0,85-1,0) Wт соответственно грунт имеет минимальную плотность и прочность.

При медленном оттаивании, когда скорость фильтрации воды не превышает 4 см в сутки, часть воды успевает отжаться и испариться; при более быстром оттаивании более > 7 см/сут происходит быстрое накопление воды в порах грунта. Могут возникнуть просадки конструкции дорожной одежды, т.е. прочность дороги конструкции дорожной одежды минимальна.

Летний период – идет благоприятное просыхание земляного полотна, снижается влажность до сезонного значения Wmin = 0,5 Wт. Постепенно возрастает плотность грунта и восстанавливается прочность дорожной одежды.

От расчетной влажности земляного полотна существенно зависят деформативные и прочностные характеристики подстилающего дорожную одежду грунта, а также прочность, ровность и долговечность всей конструкции.

Пучины на автомобильных дорогах и причины их образования

При сезонном промерзании и оттаивании на дорожной одежде при определенных условиях могут наблюдаться пучины, которые представляют собой деформации и разрушения в виде бугров и сетки трещин. Они возникают в результате пучения (пучинообразования), неоднородных по площади проезжей части взбугриваний дорожной одежды, обуславливающих при одновременном сочетании следующих трех факторов:

  1. интенсивного морозного влагонакопления, при котором максимальная относительная влажность грунта в верхней части земляного полотна достигает ;

  2. промерзания грунта под дорожной одеждой на глубину ;

  3. наличием мелких пылеватых песков, супесей, пылеватых суглинков и других пучинистых грунтов.

Размер деформации пучения зависит от многих факторов, а главным образом от:

влажности грунта; глубины промерзания; продолжительности холодного периода; скорости промерзания грунта и прочности дорожной одежды.

Неравномерное морозное пучение может достигать 80-100 мм, что существенно влияет на скоростной режим движения транспортных средств.

Физическая сущность пучинообразования состоит в накоплении, перераспределении, замерзании и оттаивании воды в порах грунта вследствие сезонных изменений водно-теплового режима земляного полотна и дорожной одежды.

В грунтах, представляющих собой капиллярно-пористые тела, происходит непрерывный тепломассообмен. С понижением температуры свободносвязная вода замерзает при 00С, пленочная и рыхлосвязанная - , а прочносвязанная (капиллярная) - .

При промерзании грунта возникает температурный градиент, что вызывает термодиффузию воды, воздуха и водяного пара, которые, перемещаясь, замещают друг друга в порах грунта.

Незамерзающая часть жидкой фазы перемещается из теплых слоев грунта к холодным. Процесс миграции воды протекает в зоне изотерм от 0 до .

Пучение дорожной одежды сопровождается растягивающим напряжением, которое особенно опасно в холодный период года, когда покрытие становится особо хрупким и легко возникают трещины. Этот процесс наиболее виден на покрытиях с применением органических вяжущих.

Исследования проф. А.Я. Тулаева показали, что особо опасны для покрытий неоднородные поднятия, т.е. концентрация этого явления максимально происходит на небольшом участке.

Неоднородное поднятие служит причиной образования трещин на покрытии, поэтому при расчете дорожной одежды на морозоустойчивость с целью увеличения надежности, необходимо допустимое морозное пучение определять с учетом неоднородности пучения (мм).

Для II климатической зона - , меньшее значение применяют для нежестких дорожных одежд, при глубоком залегании горизонта грунтовых вод; большее значение коэффициента применяют для жестких дорожных одежд и близком залегании горизонта грунтовых вод.

Общую устойчивость дорожных конструкций характеризует коэффициент пучения:



- расчетное (ожидаемое) поднятие дорожной одежды, мм;

- допустимая глубина промерзания грунта в дорожно-климатической зоне, м

Критерием прочности дорожной одежды – коэффициент неравномерного морозного пучения



где -расчетное (ожидаемое) пучение грунта земляного полотна, мм; - допустимое для данной конструкции пучение грунта, мм.

За практический критерий принято – допустимое поднятие покрытий, при котором в растянутой зоне еще не возникают трещины, т.е.

,

где В – ширина земляного полотна, м;

b – ширина дорожной одежды, м;

Н – толщина дорожной одежды, м;

- продольное допустимое относительное удлинение в растянутой зоне покрытия, при котором еще не возникают трещины: значение зависит от материала покрытий, температуры наружного воздуха (“+” и “-”), для асфальтобетонных покрытий: ;

- коэффициент неоднородности пучения;


Фактическое морозное пучение вычисляют в зависимости от морозного влагонакопления

,

где - максимальная влажность грунта.

Максимальное влагонакопление ()за холодный период складывается из влажности грунта в конце морозного периода и до периода промерзания грунта. Критерием устойчивости дорожной одежды против пучинообразования принято условие:




Тип дорожных одежд

Вид покрытия

Допустимая величина

морозного пучения, lдоп, мм

Капитальные

Асфальтобетонное

40

Облегченные

Асфальтобетонное

60

Переходные

Щебеночное

100


<< предыдущая страница