III Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2011

Водно-тепловым режимом называют закономерные изменения во времени влажности и тем­пературы в разных местах земляного полотна и дорожной одежды.

В течение года влажность, температура грунтов и материалов изменяются в зависимости от сезонных ко­лебаний температуры воздуха, количества и характера атмосферных осадков. Поскольку уровни годовых осад­ков и температурные изменения различны для разных климатических зон, характер водно-теплового режима в них тоже различен. При этом в одной климатической зоне влажность грунтов земляного полотна и материалов дорожной одежды зависит от многих факторов: сол­нечной радиации, цвета покрытий, вида и характера грунтов, слагающих земляное полотно и находящихся под ним, степени их уплотнения, глубины уровня грунтовых вод, поперечных профилей (насыпь, выемка и т.д.), отметок полотна, обеспеченности отвода поверхностных и грунтовых вод и т. д.

На рисунке 1 приведен пример круглогодичного цикла изменения во II климатической зоне водно-теплового режима земляного полотна, сложенного из пылеватого суглинка, и дорожной одежды с усовершенствованным покрытием облегченного типа.

На рис. 1, б показано изменение относительной влажности и величины модуля упругости грунта на глубине 1 м от поверхности покрытия. На рис. 1, а нулевая изотерма показывает ход промерзания и оттаивания грунтов земляного полотна. Из рис. 1, б видно, что в весенний период несущая способность грунта и прочность, оцениваемая модулем упругости, снижаются до наименьшего значения. На рис. 1, а приведен график изменения коэффициента пучения в зависимости от уровня относительной влажности.

Водяной пар в грунтах находится в насыщенном со­стоянии и в процессе перемещения вследствие конден­сации он превращается в жидкое состояние. Вода же в результате внутрипорогового испарения может перехо­дить из жидкого в парообразное состояние. В порах грунта наряду с воздухом и водяным паром может на­ходиться вода в жидком состоянии, которая перемеща­ется под действием давления, возникающего в пленках.

С увеличением влажности грунта водная пленка становится толще, поверхностное натяжение уменьша­ется, радиус кривизны пленки увеличивается. В резуль­тате этого давление паровоздушной смеси, сжимаемой жидкой влагой, повышается.

Физические и механические свойства грунтов земляного полотна и материалов дорожной одежды сильно зависят от влажности. Так, с повышением ее сверх оп­ределенных пределов механические показатели боль­шинства грунтов и дорожных материалов снижаются, особенно в I и II климатических зонах. Сильно изменяются свойства также у песков в дренирующих и морозоустойчивых слоях. С течением времени при поднятии капиллярной воды происходит оглеение песков. При потере дренирующих свойств песками в дополнитель­ных слоях оснований снижается прочность - дорожной одежды.

Рис. 1. Схема круглогодичного цикла изменения относительной влажности  и модуля упругости грунта Е земляного полотна, а также график изменения коэффициента пучения ( ) на дороге во II дорожно-климатической зоне

В зимний период промерзание грунта вызывает в нем интенсивное перемещение влаги. К верхним слоям земляного полотна поднимается водяной пар. Поднимающаяся от уровня грунтовых вод капиллярная вода перемещает вверх пленочную рыхлосвязанную воду, находящуюся в свободном состоянии. Чем меньше скорость промерзания, тем больше в замерзающем грунте накапливается влаги, переувлажняющей верхнюю часть земляного полотна.

При скорости промерзания менее 2 см/сут в центральных районах России обычно происходит значительное морозное пучение. Вследствие неоднородного сложения и плотности грунтов земляного полотна про­исходит неоднородное пучение.

Скорость промерзания земляного полотна зависит не только от погодно-климатических условий, но и от поперечного профиля его. В выемке из-за слабого про­ветривания и меньшей поверхности ´Испарения скорость промерзания меньше, чем в насыпях. Наибольшее влияние на скорость промерзания оказывают погодно-климатические условия. В течение года изменение температурного режима земляного полотна практически носит синусоидальный характер.

Чем больше в грунте пылеватых и особенно глинистых частиц, тем больше в нем содержится незамерзающей воды, которая влияет на величину морозного пучения.

С уменьшением глубины залегания грунтовых вод морозное пучение увеличивается и на участках дорог третьего типа увлажнения (сырые места), оно достигает наибольшей величины. На этих участках дорожную одежду нужно рассчитывать из условий допустимого морозного пучения и она должна иметь большую прочность.

Теоретическую зависимость между величиной морозного пучения и толщиной морозоустойчивого слоя дорожной одежды  для различных грунтов при третьем типе увлажнения выражают в виде номограммы. С ее помощью можно рассчитать все необходимые параметры, используя контрольные скважины. Зная толщину дорожной одежды, можно предвидеть ее поведение в весенний период и определить коэффициент морозного пучения.

Водно-тепловой режим его в значительной степени за­висит от вида и мощности источников увлажнения. На поперечном профиле дороги (рис. 2) слева показаны виды увлажнения при положительной температуре года, справа - при отрицательной.

1 - атмосферные осадки (жидкие); 2 - поверхностная вода; 3-вода, проникающая в земляное полотно; 4 - капиллярная вода; 5-парообразная вода; пленочная вода; 7 - грунтовые воды; 8 - снег; 9 - лед; 10 - замерзший грунт

Рис. 2. Виды увлажнения грунтов земляного полотна (слева - при положительной  температуре, справа - при отрицательной)

В теплый период грунт увлажняется за счет выпа­дения дождя, от стока поверхностных вод и проникания их в земляное полотно через откосы полотна и обочины.

При высоком уровне грунтовых вод (менее 1 м от низа дорожной одежды) грунт может увлажняться ка­пиллярной водой, поднимающейся от уровня грунтовых вод. В земляном полотне грунт под водонепроницаемой одеждой заполнен парообразной водой. Между частица­ми грунта может оказаться свободная вода, и тогда каждая частица грунта будет окружена пленочной во­дой. В зависимости от местных условий может преобла­дать и оказывать наибольшее влияние на грунт тот или другой вид увлажнения.

В осенний период влажность грунтов земляного по­лотна повышается от большего количества атмосфер­ных осадков, поверхностных вод и уменьшения испаре­ния воды (холодная погода, воздух переувлажнен и т.п.). Во время похолодания и первых морозов водя­ные пары перемещаются от более теплых нижних сло­ев к более холодным поверхностным слоям земляного полотна. Начало зимнего периода характеризуется вы­падением снега и замерзанием материалов дорожной одежды и грунтов. В целях обеспечения движения ав­томобилей в первую очередь удаляют снег с проезжей части. Вследствие большей теплопроводности материа­лов дорожной одежды, чем покрытого снегом грунта, он замерзает сначала под дорожной одеждой (рис. 2). У границы промерзания конденсируется водяной пар, все поры грунта заполняются водой, вытесняющей воздух в нижние слои. Это происходит в зоне междуфазового перехода, в которой грунт имеет отрицательную температуру, а вода в его порах находится еще в жидком состоянии (рис. 3).

Пленочная вода замерзает при - 3° и ниже, а ка­пиллярная вода - при более низкой температуре, в за­висимости от тонкости капилляров. Поэтому в зоне междуфазового перехода при температуре грунта ниже 0° вода может находиться в жидком состоянии, и к ней поднимаются новые частицы водяного пара; конденси­рующаяся вода заполняет все пустоты между частицами грунта, вытесняя воздух. По мере понижения темпера­туры глубина промерзания увеличивается и большая часть воды переходит в лед.

Рис. 3. Начальный зимний период и промерзание грунтов земляно­го полотна, в первую очередь под дорожной одеждой

Если процесс промерзания происходит медленно и вода успевает заполнить все пустоты между частицами грунта, то при переходе в твердое состояние (лед) вода увеличивается в объеме примерно на 1,09. Не размеща­ясь в порах, лед раздвигает частицы грунта и увеличи­вает (вспучивает) объем замерзшей части земляного полотна примерно до 1,03 первоначального объема. Про­цесс этот называют пучинообразованием. При этом про­исходит теплообмен за счет теплопроводности грунтов и фазовых превращений влаги. В зоне конденсации водяного пара тепло освобождается, а в зоне образования льда поглощается.

1 - высота снежного покрова; 2 - поднятие поверхности дорожной  одежды в результате пучинообразования; 3 - глубина  промерзания  грунтов земляного полотна; 4 - глубина проникания отрицательной температуры; 3-4 - зона междуфазового перехода; 5 - линзы и прослойки льда

Рис. 4. Земляное полотно в разгар зимнего периода

Возможность пучинообразования и его размеры за­висят от пористости и степени влажности грунта. Если объем льдообразования вследствие морозного накопле­ния влаги превзойдет объем воздуха в порах грунта, то объём грунта увеличится вследствие пучинообразования. Так как физико-механические свойства грунта зем­ляного полотна неоднородны и поры заполняются водой и льдом неравномерно, то и промерзание будет нерав­номерным.

Весной грунт оттаивает в первую очередь под до­рожной одеждой (рис. 5). В это время может прекра­титься дальнейшее промерзание грунта, а затем посте­пенно начнется оттаивание его повсеместно. Оттаивание происходит как сверху, так и снизу промерзшего грунта. В тот период, когда грунт под дорож­ной одеждой оттаял на некоторую глубину, из-за пере­увлажнения модуль упругости его наименьший.

1 - уровень оттаивания грунта; 2 - глубина промерзания грунта

Рис. 5. Начало оттаивания грунтов земляного полотна в весенний период

1 - линия оттаивания; 2 - наибольшая глубина промерзания; 3 - границы

Рис. 6. Земляное полотно после повсеместного оттаивания грунтов с неоттаявшим донником:

При повсеместном оттаивании грунта в центре зем­ляного полотна остается на некоторое время неоттаявший блюдцеобразной формы массив замерзшего грунта, называемый донником (рис. 6). Донник образуется за счет большей глубины промерзания земляного полотна под дорожной одеждой.

Тот период, в который грунт донника еще не оттаял, для автомобильного движения наиболее опасен, так как дорожная одежда оказывается расположенной на раз­жиженном грунте. После полного оттаивания донника грунт начинает высыхать.

Вывод. Использование закономерностей и представлений об основных схемах движения воды в верхней части земляного полотна под действием внешнего давления позволяет точнее определить объем воды, поступающей в дренирующий слой и назначить физически обоснованные конструктивные параметры.