1-13

1. Природные условия, учитывающиеся при проектировании а\д

Характеристика природных условий

Дорога, как и любое сооружение на земной поверхности, находится под воздействием следующих природных географических факторов: топографических;

Климатических ;гидрологических;

грунтово-геологических.

Природные условия учитывают при разработке проекта дороги в плане, продольном и поперечном профилях, при проектировании дорожной одежды.Рельеф местности - определяет условия проложения дороги. Наиболее целесообразное проложение дороги – это то, при котором удается избежать удлинения ее и вместе с тем сэкономить на объемах земляных работ и количестве и размерах искусственных сооружений. Равнинный рельеф характеризуется ровными пространствами с колебаниями отметок на 1 км менее 30 м, широкими и пологими долинами рек, наибольшими уклонами местности 1:15.Пересеченный рельеф характеризуется холмистой местностью, прорезанной низинами и водоразделами при общей разности высот отметок не более 200 м, с наибольшими уклонами поверхности 1:5. К трудным участкам пересеченной местности относится рельеф, прорезанный часто чередующимися глубокими долинами с разницей отметок долин и водоразделов более 50 м на расстоянии не более 500 м, с боковыми глубокими балками и оврагами, с неустойчивыми склонами.

Горный рельеф характеризуется наличием горных хребтов и отдельных гор, глубоких долин с крутыми, зачастую отвесными и недостаточно устойчивыми склонами. К трудным участкам горной местности относятся участки перевалов через горные хребты и участки горных ущелий со сложными, сильноизрезанными или неустойчивыми склонами.Дороги на трудных участках пересеченной местности и в горной местности проектируются по условию обеспечения безопасности движения автомобилей с пониженными скоростями. На проектирование дорог оказывают влияние следующие климатические факторы: Количество осадков за год и их распределение по месяцам. Годовой режим температуры воздуха (максимальные, минимальные, среднемесячные температуры воздуха).Режим снегового покрова, продолжительность и толщина его .Сила ветра и направление .Интенсивность солнечной радиации.Глубина промерзания грунта.Условия испарения.Климатические характеристики в районе проектирования принимаются по СНиПу [5].Направление и силу ветра, возможность снежных заносов учитывают при выборе направления трассирования дорог. В районах с суровым климатом и частыми метелями дороги располагают вдоль направления господствующих ветров в зимнее время, с целью обеспечения переноса снега через дорогу.Наиболее существенное влияние климатические факторы оказывают на работоспособность (надежность) земляного полотна и дорожной одежды дорог. В районах с суровым и умеренным климатом на дорогах южной экспозиции земляное полотно и дорожная одежда получают больше тепла, поэтому водно-тепловой режим таких дорог более благоприятен.В районах со значительной глубиной промерзания при неблагоприятных грунтовых и гидрологических условиях в зимнее время происходит явление, называемое пучением грунтов, которое зачастую приводит к разрушению дорожной одежды даже при незначительной интенсивности движения.Для оценки климатических условий района проектирования строят график изменения основных климатических характеристик в годовом цикле. Гидрологические условия–характеризуются количеством и интенсивностью осадков и состоянием поверхностного стока.Существенное влияние на устойчивость дорожной конструкции оказывает уровень грунтовых вод. При высоком уровне грунтовых вод повышается опасность водонасыщения тонкодисперсных пылеватых грунтов за счет капиллярного подъема воды от горизонта грунтовых вод.На участках равнинного рельефа возможны заболоченные участки и участки с необеспеченным поверхностным стоком (с уклонами местности менее 3 ‰). Для возможности прокладки дорог по таким участкам требуется предварительное их осушение и засыпка пониженных мест.Грунтово-геологические условия–характеризуют устойчивость земляного полотна и дорожной одежды в целом. Неблагоприятными со строительной точки зрения грунтами являются связные пылеватые грунты, склонные водонасыщению и пучению.Геологические условия оцениваются по степени устойчивости склонов, наличию оврагов и оползней и др.

Дорожно-климатическое районирование России.

Для возможности учета при проектировании дорог влияния природных факторов вся территория РФ разделена на дорожно-климатические зоны.Основой дорожного районирования послужило районирование по ландшафтному признаку. В пределах одной зоны климатические, гидрологические, геоморфологические условия изменяются в узких пределах.На территории РФ выделяют пять дорожно-климатических зон:I – зона распространения многолетнемерзлых грунтов (вечной мерзлоты). Включает северные районы РФ, где на небольшой глубине имеются вечномерзлые грунты. В ландшафтном отношении это зона тундры, лесотундры и тайги;II – зона избыточного увлажнения. Занимает среднюю часть Европейской части РФ и юг Азиаткой части. Это зона леса. В этой зоне верхние слои грунтов имеют избыточное увлажнение за счет преобладания количества осадков над испарением (коэффициент водного баланса более 1) и высокого уровня стояния грунтовых вод;III – зона переменного увлажнения. Для этой зоны характерно повышенное увлажнение грунтов только весной. Коэффициент водного баланса примерно равен 1. Эта зона совпадает с зоной лесостепи.IV – зона недостаточного увлажнения. Для этой зоны характерна значительная испаряемость при небольшом количестве осадков. Коэффициент водного баланса менее 1. в эту зону входят степные районы;V – зона засушливая. Включает районы полупустыни и пустыни.Наибольшая по территории II климатическая зона, включающая районы с разнообразными природными условиями, которая делится на подзоны. Высокогорные районы нашей страны не охватываются дорожно-климатическим районированием. В этих районах имеет место вертикальная зональность.

Источники увлажнения зем. Полотна и типы местности по характеру увлажнения.Устойчивость зем. полотна и дорожной одежды будут обеспечены при условии создания стабильного неизменного во-времени водно-теплового режима земляного полотна. Прочностные свойства грунтов земляного полотна существенно зависят от их влажности. При влажности грунтов на пределе текучести несущая способность (модуль упругости) грунтов резко уменьшается.I. Поверхностная вода, поступающая в виде осадков: дождя и снега в земляное полотно через трещины в покрытии и обочины.2. Пов-ая вода, поступающая к дороге с прилегающей местности.3. Грунтовая вода, поступающая снизу при высоком уровне стояния грунтовых вод, вследствие капиллярного поднятия воды.

Вода от горизонта грунтовых вод поднимается вверх, поскольку между грунтовыми частицами образуются тонкие каналы, имеющие неправильную форму и размеры, которые называют капиллярами. Вода по капиллярам движется за счет сил молекулярного притяжения.

Уровень поднятия воды по капиллярам зависит от крупности частиц грунта и от степени уплотнения грунта. Чем < частицы грунта, то есть чем тоньше поры, тем > капиллярное поднятие воды.

Наименьшую высоту поднятия воды по капиллярам имеют пески (30–50 см). Грунты, имеющие большой процент частиц в пределах 0,05–0,005 мм, называют пылеватыми. Это наиболее неблагоприятные грунты для устройства земляного полотна. Вода в них перемещается достаточно высоко (до 2,5 м) и быстро. Глинистые грунты, имеющие высокий процент частиц менее 0,005 мм, являются практически водонепроницаемыми грунтами, так как скорость подъема воды в них по капиллярам очень мала.

Кол-во влаги в земляном полотне не остается неизменным в течение года. уравнение водного баланса: W = (A + В + С) – (D + E + F),

где А, В, С – соответственно атмосферные осадки, вода притекающая с прилегающих кварталов, и грунтовая вода; D, E, F – соответственно сток воды с поверхности дороги, испарение влаги, и просачивание воды в глубинные слои грунта.

В каждой климатической зоне могут быть участки с разной степенью увлажнения грунтов.

По степени и характеру (условиям) увлажнения дороги делят на 3 типа местности:

Тип местности	Условия увлажнения	Признаки, характеризующие природу увлажнения
I	Сухие участки	Поверхностный сток обеспечен. Подземные воды залегают глубоко. На разделительных полосах имеется хорошо развитый травяной покров.
II	Сырые участки с избыточным увлажнением в отдельные периоды года	Поверхностный сток не обеспечен. Подземные воды не оказывают влияния на увлажнение грунтов.
III	Мокрые участки с постоянным избыточным увлажнением	Подземные воды оказывают влияния на увлажнение грунтов независимо от условий поверхностного стока.

2. Закономерности изменения водно-теплового режима грунтов зем. Полотна

3. Из методички: Водно-тепловым режимом (ВТР) называют закономерные изменения во времени температуры и влажности грунта земляного полотна. К основным факторам, формирующим ВТР земляного полотна, относятся:метеорологические:количество атмосферных осадков и величина испарения;температура воздуха и интенсивность солнечной радиации;скорость ветра, относительная влажность и облачность;грунтово-гидрологические:вид грунта;глубина промерзания грунтов;глубина залегания грунтовых вод.Исследования показали, что в районах с сезонным промерзанием грунтов, хотя ВТР в отдельных регионах имеет ряд особенностей, общие закономерности изменения влажности и температуры в годовом цикле сохраняются неизменными. Годовой цикл состоит из следующих взаимообусловленных периодов изменения ВТР:I – стадия осеннего влагонакопления. Первоначальное накопление влаги осенью происходит в результате просачивания дождевых осадков и, вследствие, поднятия уровня грунтовых вод.II – стадия зимнее перераспределение влаги. По мере промерзания грунта земляного полотна происходит перемещение влаги снизу вверх. Под действием температурного градиента влага перемещается от мест с более высокой температурой к местам с более низкой температурой. При медленном промерзании грунта на границе фронта промерзания скапливается большое количество свободной воды.III – стадия весеннего переувлажнения грунтов. При весеннем оттаивании грунтов влажность резко увеличивается, что сопровождается резким снижением несущей способности грунтов.IV – стадия летнего просыхания грунтов. Испарение преобладает над осадками, поэтому влажность постепенно уменьшается.

С наступлением осени повторяется 1 стадия увлажнения земляного полотна.

Итак, первоначальное накопление влаги в грунтах земляного полотна начинается при среднесуточных температурах воздуха 3–5 С, поскольку в это время происходит изменение направления среднесуточных потоков тепла в дорожную конструкцию – Р. Летом среднесуточный поток тепла Р направлен вниз, то есть происходит нагрев дорожной конструкции, осенью – вверх, то есть ее остывание. Одновременно уменьшается количество солнечной радиации, поступающей на поверхность покрытия, и увеличивается количество выпадающих осадков. В это время осадки начинают преобладать над испарениями. Все это обуславливает подъем уровня грунтовых вод, а на участках с необеспеченным поверхностным водоотводом появляется верховодка. Начало периода влагонакопления устанавливается путем построения графика хода месячных сумм осадков и испарения для периода лето – осень (рис.). Причем месячные суммы осадков определяются по данным наблюдений или прогнозируются с использованием синоптических методов. Месячные суммы испарения рассчитывают, полагая, что скорость испарения с грунтовой поверхности зависит от значений метеорологических условий района проектирования. За конец периода осеннего влагонакопления принимают даты перехода через ноль среднесуточной температуры на поверхности грунта в данном районе. Перемещение влаги в это время происходит по направлению теплового потока снизу и с боков, от более теплых мест к более холодным, за счет перераспределения внутренних запасов влаги и миграции ее от уровня грунтовых вод. В дорожной конструкции в это время года устанавливается постоянный отрицательный температурный градиент, поскольку нижние слои грунта имеют более высокую температуру, чем слои покрытия. Даты первых и последних заморозков Д_{н пр} = Д_{к вл} и Д_{к пр} на почве устанавливаются или прогнозируются на основе имеющейся метеорологической информации. Продолжительность периода промерзания _пр. определяется по аналогичной формуле при известных датах Д_н.пр = Д_к.вл и Д_к.пр, определяемой по метеорологическим справочникам. Д_к.пр соответствует моменту установления весной устойчивых положительных температур воздуха.По мере промерзания дорожной конструкции и опускания фронта (границы) промерзания все большее количество воды скапливается в верхней части земляного полотна, поскольку мерзлый грунт практически водонепроницаем. Замерзая, вода увеличивается в объеме на 9 %, вследствие чего происходит пучение грунтов. Третий период начинается с установления в верхних слоях грунта устойчивых положительных температур и продолжается до полного оттаивания грунта. В это время тепловой поток направлен сверху вниз. Влажность грунтов, при переходе влаги из твердой фазы в жидкую, резко возрастает, вследствие чего уменьшается несущая способность грунтов и дорожной конструкции в целом. При неглубоком расположении уровня грунтовых вод подземные воды препятствуют просачиванию вниз влаги, что, в свою очередь, способствует переувлажнению только что оттаявших грунтов. Как правило, в районах со значительным зимним перераспределением влаги уровень грунтовых вод весной наивысший. Период оттаивания дорожной конструкции является наиболее опасным по восприятию расчетных колесных нагрузок, так как несущая способность дорожной одежды в это время года наименьшая. По этой причине период оттаивания является расчетным периодом года. Проектирование конструкций дорожных одежд производится при прочностных характеристиках грунтов земляного полотна, соответствующих весенней влажности.

Весной на поверхности покрытия наблюдаются деформации – просадки, связанные, в свою очередь, с неравномерностью процессов оттаивания грунтов в поперечном и продольном направлениях к оси дороги. Установлено, что вследствие большей теплопроводности слоев дорожной одежды земляное полотно под проезжей частью протаивает раньше, чем под обочинами и на откосах, поэтому в средней части образуются донники – вогнутые поверхности, в которых скапливается вода, не имеющая выхода через мерзлые откосы. Такая же картина наблюдается и на городских улицах, где в течение 5 – 6 суток дренаж, расположенный под кромками проезжей части, находясь в замершем состоянии, не может отводить воду, скапливающуюся в доннике, расположенном в пределах средней части полотна дороги.

По мере нагревания грунтов земляного полотна начинается четвертый этап – период просыхания грунтов. В это время испарение преобладает над осадками, влажность грунтов постепенно уменьшается, уровень грунтовых вод постепенно понижается, соответственно несущая способность дорожной конструкции увеличивается. Из рассмотренных четырех стадий изменения ВТР в годовом цикле наиболее опасными являются 1– я и 3– я.

Процессы теплообмена, характерные для каждого периода, повторяются в течение многих лет, хотя климатические условия каждого конкретного года и вносят изменения в численные значения параметров ВТР дорожной конструкции.

Из лекции:

Под водно-тепловым режимом понимают – изменение t и влажности зем. полотна в годовом цикле.

Начало- начало осени.

4 стадии изменения:

1 стадия – «стадия весеннего влагонакопления»когда осадки начинают преобладать над испарением

2 «стадия замнего перераспределения влаги» - в начале зимы t быстро падает и подсос влажности не большой.

3 «стадия весеннего переувлажнения грунта» - t воздуха > 0 и влажность преобладает над осадками. Середина апреля – середина мая.

Влажность – наибольшая, несущая способность – наименьшая (Е =f(W) и тут она расчетная). В это время происходят просадки грунтов.

4 «стадия летнего просыхания грунтов»

4. процессы зимнего влагонакопления (пучения) грунтов.Из методы:

зимой происходит явление, которое называют пучинообразова-нием, сопровождающееся разуплотнением грунта и появлением деформаций – поднятий на поверхности покрытия дорожной одежды, устраиваемой из монолитных материалов: асфальтобетона или цементобетона.

Процессы пучинообразования распространены в районах, для которых характерна дождливая осень и зима с медленным, но глубоким промерзанием грунтов, то есть в I и II дорожно–климатических зонах. Пучины образуются на участках дорог при устройстве дорожной одежды на пылеватых супесчаных и суглинистых грунтах, которым присуща большая скорость подтока воды к фронту промерзания. Пучение грунтов наиболее интенсивно происходит в те зимы, когда граница промерзания опускается очень медленно, то есть температура воздуха в первой половине зимы достаточно долго удерживается в интервале от 0 до – 5 С, или когда кратковременные морозы сменяются оттепелями.

Сущность процессов пучинообразования.

В начале зимы в I и II дорожно–климатических зонах при промерзании грунта происходит перераспределение влаги. Влага в виде паров, пленочная и капиллярная перемещается снизу вверх вследствие наличия отрицательного температурного градиента: в верхней части земляного полотна температура ниже 0⁰ С, а в нижней части – близка к среднегодовой температуре воздуха (4–6 ⁰С). Вода, скапливающаяся у границы промерзания, при опускании фронта промерзания превращается в лед. В грунте образуются ледяные прослойки и линзы. При промерзании вода увеличивается в объеме (в среднем на 9 %). Грунт со стороны увеличившихся в объеме ледяных линз испытывает давление, вследствие которого происходит поднятие вышележащих слоев – пучение грунта.

Максимальное пучение наблюдается во второй половине зимы. Процесс пучинообразования опасен тем, что он неравномерен как в пространстве (по площади покрытия), так и во времени, то есть когда одни точки покрытия еще продолжают подниматься, другие уже опускаются. Величины пучения могут быть измерены путем периодического нивелирования фиксированных точек на поверхности покрытия. На одних и тех же участках пучение грунтов наблюдается каждую зиму. Интенсивность процессов пучинообразования зависит от конкретных погодных условий. При продолжительном периоде осеннего влагонакопления (1–я стадия) и медленном промерзании грунтов в начале зимы ледяных линз образуется больше. И, наоборот, при сильных кратковременных морозах в период ранней зимы грунт земляного полотна быстро промерзает и ледяные линзы не успевают образоваться. Процесс пучения во многом зависит от влажности грунта в конце осеннего влагонакопления, а расчетная влажность весной – от процессов миграции (перераспределения) влаги зимой. В весеннее время года при оттаивании линз происходит переувлажнение грунтов. Несущая способность (модуль упругости) грунта резко падает. Под воздействием колес автомобилей происходят просадки дорожной одежды. Как подъемы поверхности зимой, так и просадки весной поверхности покрытия происходят, как уже указывалось, неравномерно по площади и во времени и приводят к нарушению ровности покрытия, уменьшению прочности и долговечности дорожной конструкции. Вводно-тепловой режим дороги, проходящей в насыпи, всегда более благополучный, чем в выемке, поскольку при проектировании дороги в насыпи увеличивается возвышение низа дорожной одежды над уровнем грунтовых вод и постоянно или временно стоящих поверхностных вод. Через обочины и откосы происходит сток поверхностных вод и осушение грунтов. Наиболее неблагополучный водно–тепловой режим грунта в городских условиях, поскольку проезжая часть улицы, как правило, расположена ниже остальных элементов улицы. Часть поверхностной воды не попадает в закрытую систему поверхностного водоотвода и просачивается в земляное полотно. Газоны и полосы зеленых насаждений в городе используются для временного складирования снега, поэтому весной они являются дополнительными источниками увлажнения. Подземные коммуникации: водопровод, канализация, теплотрасса являются дополнительными локальными источниками изменения влажности и температуры грунтов, вызывая неравномерные деформации дорожной конструкции.

Весной оттаивание элементов улицы происходит неравномерно. Более быстро оттаивает проезжая часть, менее быстро полосы зеленых насаждений. Под проезжей частью образуется донник, в котором собирается оттаявшая вода. Вследствие уменьшения несущей способности дорожной конструкции весной возможны неравномерные просадки покрытия.

Из лекции:

Пучение у грунтов разное. 5 типов:

1. непучинистые грунты: пески К_пуч=(∆l/l )*100%. К_пуч=1%.

2. Слабопучинистые – пески мелкие, супеси крупные К_пуч ≤3%

3. Пучинистые – суглинки и супеси непылеватые К_пуч ≤5%

4. Сильнопучинистые К_пуч≤10%: супеси пылеватые, песок пылеватый, суглинок тяжелый пылеватый.

5. Чрезмерно пучинистые К_пуч≥10: супесь тяж. пылеватая, суглинок легкий пылеваный.

Методы регулирования водно-теплового режима зем полотна.(+ 7.Конструктивные решения по регулированию влажности грунтазем полотна и 8.Назначение теплоизолирующих прослоек в грунте зем полотна)

- направления на уменьшение диапазона изменения влажности.

Целью проектирования зем полотна явл-ся создание стабильного, малоизменяющего свои прочностные свойства зем полотна в процессе всего периода эксплуатации дороги.

Методы:

1. Устройство зем. полотна в насыпи и соблюдение высоты насыпи с рекомендуемой СНиП h_раб˂h_{рекомендуемая}

2. Устройство прослоек в теле зем полотна: а.гидроизолирующие(экран) и б.капилляропрерывающие

1 – гравий, щебень; 2 – крупнозернистый материал прослойки; 3 – противозаиливающая прослойка; 4 – уровень грунтовых вод; 5 – гидроизолирующая прослойка из грунта, обработанного органическими вяжущими материалами, или прослойка из водонепроницаемых материалов – геомембрана; 6 – возвышение над горизонтом поверхностных вод не менее 0,2 м а) - прерывают движение воды как снизу вверх, так и сверху вниз. устраивают из грунта, обработанного органическими вяжущими, битумонизированной бумаги и геомембраны из полиэтилена высокой плотности. Схема расположения гидроизолирующих прослоек та же, что и капилляропрерывающей прослойки. Может использоваться прослойка замкнутого типа – конструкция грунт в обойме. Очень важно в этом случае, чтобы грунт в процессе производства работ не был переувлажнен: влажность его должна отличаться от оптимальной не более чем на 10 %.б)назначение - прерывание поднятия воды, поднимающейся снизу по капиллярам. Прослойки устраивают из крупнопористых материалов: шлака, щебня, гравия и др. Общую толщину прослойки определяют по формуле h = h_к + 2a, где h_к – высота максимального капиллярного поднятия воды в материале прослойки; a – толщина противозаиливающего слоя, укладываемого сверху и снизу. Устраивают на всю ширину земляного полотна с поперечным уклоном не менее 30 ‰, направленным к обочинам. Прослойки размещают с шагом 0,5–1,0 м, так чтобы верхняя прослойка располагалась на границе рабочего слоя (на глубине не менее 1,5 м от верха дороги), а нижняя – на 0,2–0,3 м выше возможного уровня грунтовых вод или уровня подтопления дорожной конструкции.Противозаиливающие слои устраивают из природных материалов: высевок, осушенных торфа или мха толщиной 3–5 см. В настоящее время капилляропрерывающие прослойки устраивают также из геосинтетических материалов: сплошных нетканых толщиной не менее 4–5 мм в уплотненном состоянии или из многослойных геокомпозитов.

3. Понижение уровня грунтовых вод(при III типе местности) с помощью устройства дренажа – продольных траншей, в которые укладываются трубы – дрены. Траншея заполняется фильтрующим материалом по типу обратного фильтра.

4. Замена пучинистого грунта на непучинистые. Применяется при невозможности применения вышеприведенных мероприятий. Связный пылеватый грунт удаляется глубину рабочего слоя с замещением его на дренирующий грунт с коэффициентом фильтрации не менее 0,5 м/сут. Мероприятия по регулированию теплового режима направлены на исключение или уменьшение пучения. Заключается в устройстве в теле зем полотна теплоизолирующих прослоек.Различают прослойки конструктивно-теплоизолирующие, являющиеся конструктивными слоями дорожной одежды. Их устраивают их легких пористых материалов: шлака, пемзы, асфальтобетона или цементобетона на легких заполнителях, грунтов, укрепленных вяжущими с добавлением легких фракций и др.Прослойки, выполняющие роль только теплоизолятора, как правило, имеют малую прочность и модуль упругости. К ним относят местные материалы: осушенные торф, мох и искусственные материалы на основе пенополистирола. Жесткие плиты из пенополистирола, например, материал «Пеноплекс», имеет плотность порядка 25–40 кг/м³, коэффициент теплопроводности порядка 0,03 Вт/м², прочность на изгиб 5 МПа.Чем выше в дорожной конструкции расположена прослойка из пенополистирола, тем эффективней ее действие, но в этом случае теплоизолирующий слой воспринимает значительные сжимающие и изгибающие напряжения от нагрузки, что недопустимо из-за его невысокой прочности. Рациональная глубина его заложения колеблется в пределах 0,5–0,8 м, считая от поверхности покрытия. Толщина слоя теплоизоляции из пенополистирола изменяется от 5 до 10 см.Поскольку глубина промерзания дорожной одежды наибольшая под осью проезжей части, разрешается теплоизолирующие слои устраивать переменной толщины. Толщина теплоизолирующего слоя под обочинами может быть уменьшена на 25 %.