8175

22

новных характеристик ВТР зависят прочность и морозоустойчивость дорожной конструкции, а также ее работоспособность.

В годовом цикле изменения ВТР следует выделить четыре характерных периода (рису-

нок 11).

I период – первоначального накопления влаги.

Под воздействие влаги от затяжных атмосферных осадков и подъема уровня грунтовых вод, грунт значительно увлажняется и перед началом промерзания достигает 0,7Wт (влажности на границе текучести грунта). Увеличение влажности в свою очередь сопровождается разуплотнением грунта и снижением его прочности (плотность δ. E min).

II период (холодный) – промерзания, перераспределения и накопления влаги в теле земляного полотна.

В результате притока влаги от уровня грунтовых вод к фронту промерзания, происходит дальнейшее увлажнение и разуплотнение грунта. Ввиду того, что грунт ЗП и слой дорожной одежды находятся в замершем состоянии, прочностные характеристики дорожной конструкции достаточно велики.

III период (весенний) – оттаивания земляного полотна и переувлажнения грунта.

Увеличение инсоляции и нагрева поверхности дороги солнцем вызывает потоки тепла в дорожной конструкции. Влажность грунта достигает максимального значения (0,85-1,0 Wт), плотность и прочность грунта достигает минимального значения. Данный период принято считать расчетным, а его продолжительность вычисляется следующим образом:

Т р h кр Vот

где: hкр – критическая глубина оттаивания (для дорог I-III кат. – 0,5 м; III – IV кат. – 0,7 м); Vот – средняя скорость оттаивания грунта земляного полотна.

Рисунок 11 Закономерные сезонные изменения водно-теплового режима

I-IV – периоды водно-теплового режима; hoт – глубина оттаивания; hпр – глубина промерзания; Тх – холодный период; Тр – расчетный период; lот - деформация оттаивания; lост – остаточная деформация.

24

Wр W 1 t υW

где: W - среднее многолетнее из ежегодных максимальных значений средней в пределах активной зоны влажности, доли от WТ;

νw= 0,08 - 0,1 – коэффициент вариации;

t – коэффициент нормированного отклонения, принимаемый в зависимости от уровня надежности дорожной одежды в эксплуатации.

Дальнейшее накопление влаги (период морозного влагонакопления) зависит от глубины и скорости промерзания, возвышения земляного полотна над поверхностью земли и уровнем подземных вод, свойств грунта и степени его уплотнения, толщины стабильных слоев из стабильных материалов, продолжительности холодного периода. Количество влаги, накопившееся в земляном полотне к концу холодного периода, определяется по зависимости:

Wз.н. Wн m Тх

где: Wн - влажность грунта в начале холодного периода; Тх – продолжительность холодного периода;

m – коэффициент характеризующий изменение влажности грунта под дорожной одеждой. При скорости промерзания Vпр ≤ 2,5 см/сут – происходит интенсивное влагонакопление и

льдообразование в грунте за счет большего времени миграции воды из нижележащих слоев в активную зону.

При скорости промерзания Vпр ≥ 4 см/сут – вода из нижележащих слоев не успевает поступить в активную зону и влажность грунта несколько ниже.

Активной зоной считают верхнюю часть земляного полотна от низа дорожной одежды до глубины 1,3 – 1,6 м от поверхности покрытия.

б) Пучинообразование, прогноз величины морозного пучения

Под пучинообразованием понимают неравномерное взбугривание дорожной одежды, вызванное одновременным сочетанием следующих факторов:

-интенсивного морозного влагонакопления Wmax ≥ 0.75 WТ;

-глубоким медленным промерзанием грунта на величину 0,5 м и более от низа дорожной одежды;

-наличием мелких пылеватых (тонкодисперсных) грунтов.

Физическая сущность пучинообазования заключается в накоплении, перераспределении, замерзании и оттаивании воды в порах грунта при сезонных изменениях ВТР. В процессе пучинообразования следует выделить два периода: зимний (период морозного влагонакопления) и весенний (период закрытия пучин).

Зимний период

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

Свободная вода, а также пленочная и рыхлосвязанная перемещается в зоне изотерм от 0° С до –5° С. Прочно связанная и капиллярная вода перемещается при температуре от –10° С до –30° С.

В зоне интенсивного промерзания жидкая фаза замерзает с увеличением объема приблизительно на 9 % и ее миграция прекращается. Дальнейшее влагонакопление и льдообразование происходит за счет термодиффузии водяного пара, миграция которого продолжается до тех пор, пока наблюдается перепад температур в грунте земляного полотна.

Внешнее проявление пучин заключается в постоянном поднятии одежды по мере нарастания влаги в зоне интенсивного влагонакопления, и образованием трещин ромбического очертания по площади поднятия (рисунок 13).

25

Рисунок 13 Схема промерзания земляного полотна в период влагонакопления 1 – снежный покров; 2 – поднятие ( вспучивание ) дорожной одежды; 3 – линия промерзания грунта земляного полотна; 4 – зона между фазового перехода грунта; 5 – линза или прослойка льда.

Весенний период

Весной при прогревании дорожной одежды, грунт оттаивает с образованием жидкой фазы, которая под действием влажности и собственного веса мигрирует в нижние слои и задерживается на мерзлом практически водонепроницаемом грунте.

Спустя несколько дней под дорожной одеждой над мерзлой поверхностью грунт переувлажняется, а наибольшее количество влаги сосредотачивается в местах проявления пучин (рисунок 14).

Количество свободной воды в теле земляного полотна определяется скоростью оттаивания, тепловыми свойствами материалов слоев дорожной одежды и грунта обочин.

При скорости оттаивания Vот < 4 см/сут – вода успевает испариться или отжаться в дренирующий слой или обочины. Оттаивание происходит постепенно, а влажность остается стабильной

0,85WТ.

При скорости оттаивания Vот ≥ 4 см/сут – происходит быстрое насыщение пор грунта свободной водой и влажность грунта достигает максимального значения (1,0-1,6WТ).

Под воздействием транспортной нагрузки вода, перемешанная с грунтом, через трещины выплескивается (фонтанирует) на поверхность, в результате пучина “вскрывается”. По мере миграции влаги в нижние оттаявшие слои, влажность снижается, прочность возрастает, а пучины стабилизируются, затухают, закрываются и переходят в просадки.

1

2 3

+

Рисунок 14 Схема оттаивания земляного полотна 1 – просадка дорожной одежды; 2 – образовавшийся донник; 3 – разжиженный грунт; 4 – линия промерзания грунта.

Пучины – деформации дорожных одежд и земляного полотна, проявляющиеся зимой в поднятии и нарушении ровности покрытия, а в период оттаивания при воздействии автомобильной нагрузки в проломах одежды, вызванных снижением прочности переувлажненных участков. По относительному превышению пучинистых участков (по сравнению с зоной равномерного пучения) их делят на бугры, впадины, перепады (рисунок 15).

27

а) учет влияния уровня грунтовых вод

С целью обеспечения прочности грунта земполотна необходимо ограничить возрастание влажности в активной зоне расчетной величиной Wр. Задача сводится к определению величины возвышения низа дорожной одеждой над уровнем грунтовых вод, при этом рассматривается следующая схема (рисунок 16).

Wпв

Рисунок 16 Схема к учету воздействия уровня грунтовых вод

Исключить негативное воздействие уровня грунтовых вод можно двумя способами:

-возвышением бровки земляного полотна, при этом величину h1 определяют следующим образом:

где: Wp – расчетная влажность определяется в зависимости от заданных значений расчетной прочности грунта;

Wн – начальная влажность в основании одежд;

Wпв – влажность грунта у зеркала грунтовых вод, соответствующая полному заполнению пор грунта водой;

Тр – продолжительность максимального стояния УГВ, часы;

Z – ордината равная 0,3 – 1,0 м, на которой принимается значение Wp;

m – коэффициент, характеризующий изменение влажности грунта под дорожной одеждой. Первый способ применяется, как правило, на участках дорог, проходящих в насыпи, второй

на участках, проходящих в выемке или по застроенной территории.

В случае, когда фактическая глубина залегания УГВ меньше величины h1, выполняют искусственное понижение по средствам устройства дренажей глубокого или мелкого заложения (рису-

нок 17).

Рисунок 17 Конструкция дренажей мелкого заложения

б) Устройство морозозащитных (теплоизоляционных) слоев

Устройством морозозащитных слоев решаются следующие вопросы:

-уменьшение глубины промерзания полотна;

-исключение наличия в полотне мерзлого грунта;

28

-обеспечение в основании дорожных одежд заранее заданную температуру;

-устранение опасного влияния процесса пучинообразования.

Рисунок 18 Схема к расчету морозозащитного слоя

Для участков дорог, относящихся к 1 и 2 типам местности по условиям увлажнения толщина морозозащитного слоя определяется по формуле:

Для участков, относящихся к 3-му типу местности по условиям увлажнения:

где: λ – коэффициент теплопроводности морозозащитного слоя, Вт/(мК);

λм – коэффициент теплопроводности мерзлого грунта в слое hдоп, Вт/(мК); ρ – скрытая теплота льдообразования, равная 80 Дж/кг; δ – объемная масса грунта земляного полотна, кг/м3; Т – время промерзания, час;

R – суммарное тепловое сопротивление дорожной конструкции в слое Н, м2К/Вт; Rо, Rп – тепловое сопротивление теплопереходу покрытия и одежды, м2К/Вт;

tг, tв, tл – соответственно температура грунта на глубине Н, воздуха и льдообразования, ˚С;

hдоп – допустимая глубина промерзания, принимаемая или назначаемая по условиям устойчивости, м.

Температура воздуха tв и грунта tг на участках 1, 2 типов по условиям увлажнения принимаются по самому холодному месяцу зимы, для участков 3 типа по условиям увлажнения как среднее за период промерзания.

В качестве материалов для устройства морозозащитных слоев применяют: асбест, топочный шлак, торфоплиты, пенопласты, пенополистерол, пенополивинилхлорид и другие материалы с малой теплопроводностью и паропроницаемостью.

в) устройство гидроизоляционных слоев.

Паро- и гидрозащитные слои устраивают с целью ограждения земляного полотна и дорожной одежды от диффузии водяного пара на участках с глубоким залеганием грунтовых вод.

Сущность расчета толщины слоя пароизоляции сводится к следующему:

где: Рв – упругость водяного пара воздуха, мм определяемая как Рв = 0,01 Рв´ Wв;

Рв´ - максимальная упругость водяного пара воздуха, принимаемая в зависимости от температуры воздуха в конце холодного периода;

Wв – относительная влажность воздуха в этот периода, %;

Рно – максимальная упругость насыщенного пара в плоскости О слоя пароизоляции, принимаемая в зависимости от температуры tо, мм;

rп – сопротивление переходу пара от покрытия к воздуху, мм*ч*м2/кг;

∑rп – суммарное сопротивление паропроницаемости слоев одежды и полотна, расположенных выше слоя пароизоляции;

hп – толщина слоя пароизоляции, м с коэффициентом паропроницаемости æ, кг/(м*ч*мм); Толщина слоя пароизоляции определяется из условия, что выше плоскости 1 (верхней гра-

ницы слоя) не наблюдается конденсация пара:

h п rп Рно Рн1

Рн1 Рв

Глубина, на которой следует закладывать пароизоляционный слой определяется:

h 10.4a t

где: аt – среднее значение коэффициента температуропроводности дорожной одежды, м2/час.

г) устройство дренирующих слоев

Дренирующие слои устраивают с целью осушения дорожной одежды и верхней части земляного полотна от избыточной влаги.

Дренажи проектируют, руководствуясь принципом осушения или поглощения. В первом случае избыточная влага свободно дренирует из осушительного слоя, во втором избыточная влага полностью поглощается слоем.

Толщина дренирующего слоя назначается по формуле:

h др h1 h2

где: h1 – максимально допустимая глубина фильтрационного потока по оси дренирующего слоя, м; h2 – глубина, принимаемая в зависимости от требуемого модуля упругости песка дренирую-

щего слоя, м.

Обычно толщина дренирующего слоя вычисляется из условий прочности, а толщина слоя h1=hдр – h2 проверяется на пропуск воды с расходом q.