Прогнозирование водно-теплового режима дорожных конструкций

Закономерности изменения водно-теплового режима дорожных конструкций

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 ряда ученых в разных регионах страны (проф. А. К. Бируля, Н. Н. Ориагский, Н. А. Пузаков, В. М. Сиденко, И. А. Золотарь, А. Я. Тулаев и другие) показали, что, несмотря на ряд особенностей ВТР в отдельных регионах, общие закономерности изменения влажности и температуры в годовом цикле в районах с сезонным промерзанием грунтов сохраняются неизменными.

Годовой цикл состоит из следующих взаимообусловленных периодов изменения ВТР [3]:

• — 1-я стадия — первоначальное (осеннее) накопление влаги;
• — 2-я стадия — зимнее перераспределение влаги;
• 3-я стадия — весеннее переувлажнение грунтов;
• — 4-я стадия — летнее просыхание грунтов.

Итак, первоначальное накопление влаги в грунтах земляного полотна начинается при среднесуточных температурах воздуха.

3—5°С, поскольку в это время происходит изменение знака суточных потоков тепла в грунтах. Летом среднесуточный поток тепла Р направлен вниз, т. е. происходит нагрев дорожной конструкции, осенью — вверх, т. е. ее остывание. Одновременно уменьшается количество солнечной радиации, поступающей на поверхность покрытия, и увеличивается количество выпадающих осадков, т. е. осадки начинают преобладать над испарением. Все это обусловливает подъем уровня грунтовых вод, а на участках с необеспеченным поверхностным водоотводом появляется верховодка.

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, т. е. 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. 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 эго 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.

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 первая и третья.

Как уже отмечалось, зимой происходит явление, которое называют пучинообразованием, сопровождающееся разуплотнением грунта и появлением деформаций (взбугриваний) на поверхности покрытия дорожной одежды, устраиваемой из монолитных материалов: асфальтобетона или цементобетона.

Процессы пучинообразования характерны для районов с дождливой осенью при наличии пылеватых супесчаных и суглинистых грунтов, которым присуща большая скорость подтока воды к фронту промерзания. Пучение грунтов наиболее интенсивно происходит в те зимы, когда граница промерзания опускается очень медленно, т. е. температура воздуха в первой половине зимы достаточно долго удерживается в интервале от 0 до -5°С, или когда кратковременные морозы сменяются оттепелями. Максимальные величины пучения наблюдаются во второй половине зимы и могут быть измерены путем периодического нивелирования фиксированных точек на поверхности покрытия. Процесс пучинообразования опасен тем, что он неравномерен как в пространстве (по площади покрытия), так и во времени, т. е. когда одни точки покрытия еще продолжают подниматься, другие уже опускаются. Неравномерность пучения может быть оценена по формуле.

где L), L₂, L₃ — поднятия трех последовательно расположенных вдоль оси дороги точек покрытия.

Величина пучения определяется по зависимости, приведенной в параграфе 5.3.

Период оттаивания дорожной конструкции является наиболее сложным по восприятию расчетных колесных нагрузок, так как несущая способность дорожной одежды в это время года наинизшая. По этой причине период оттаивания является расчетным. При прочностных характеристиках грунтов земляного полотна, соответствующих весенней влажности, производится проектирование конструкций дорожных одежд. Весной на поверхности покрытия наблюдаются деформации — просадки, связанные, в свою очередь, с неравномерностью процессов протаивания 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.