2.2. Процессы пучинообразования на автомобильных дорогах

Как уже отмечалось, зимой происходит явление, которое называют пучинообразованием, 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.

Рассмотрим 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.

Неравномерность пучения может быть оценена по формуле

где L₁, L₂, L₃ – поднятия трех последовательно расположенных вдоль оси дороги точек 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.