Прогнозирование расчетных характеристик водно-теплового режима дорожных конструкций

Решение задачи прогнозирования параметров ВТР очень важно на стадии эксплуатации автомобильных дорог, например при разработке мероприятий по защите дороги от разрушения в весеннее время года, когда прочность дорожной конструкции наименьшая.

Как уже отмечалось, расчетные характеристики ВТР в разные периоды года взаимообусловлены, поэтому для определения влажности после оттаивания дорожной конструкции необходимо знать влажность в конце периода осеннего влагонакопления, которая, в свою очередь, зависит от начальной влажности и условий увлажнения в период осеннего влагонакопления грунтов.

Решение задачи прогноза ВТР дорожных конструкций возможно па основе следующей исходной информации:

• — измеренных или спрогнозированных значений следующих метеорологических элементов за период от начала составления прогноза до даты прогноза: среднемесячной температуры воздуха 0₂оо, относительной влажности воздуха /₂₀о, среднемесячной скорости ветра V_B, средней облачности п (в баллах), составляющих радиационного баланса: суммарной и прямой солнечной радиации при безоблачном небе Q,. и <2_1ф, месячных сумм осадков S; дат перехода через 0 °C температуры грунта осенью и весной;
• — установленной в процессе обследования в осеннее время года глубины залегания грунтовых вод (УГВ) Я_угв, отсчитываемой от низа дорожной одежды (рис. 5.2);
• — экспериментально определенных значений характеристик влагопроводящих свойств грунта земляного полотна: коэффициента влагопроводности и начальной влажности W_n.

Рис. 5.2. Расчетная схема для прогнозирования параметров ВТР

Прогнозирование выполняется в соответствии с методикой проф. И. А. Золотаря [2] в последовательности, указанной ниже. Этап 1. Определение климатических параметров ВТР.

На этом этапе находятся:

• — продолжительность периода осеннего влагонакопления т_вл, ч;
• — продолжительность периода зимнего промерзания т_пр, ч.

Дата начала периода влагонакопления устанавливается путем построения графика хода месячных сумм осадков и испарения для периода лето — осень (рис. 5.3). При этом 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 следующих метеорологических элементов: 0_2ОО, /₂₀₀, п, V, Q, Q,_ip.

Для расчета испарения в метеорологии используют уравнение турбулентной диффузии, имеющее вид:

где Д — плотность воздуха; K_w — коэффициент турбулентного обмена; dP/dz — вертикальный градиент удельной влажности в приземном слое атмосферы.

Формула для определения среднемесячной суммы испарения с грунтовой поверхности предложена проф. И. А. Золотарем |2|.

Начало периода осеннего влагонакопления (см. рис. 5.3) соответствует дате наступления равенства величин Е = S. Эта дата может быть рассчитана, но формуле.

где R — количество дней в месяце перехода Е_х < 5_t; Е_ь S_x — для месяца, когда выполняется неравенство Е_х > S{, Е₂, S₂ — для месяца, когда Е₂ < S₂.

Рис. 53. Схема к определению периода влагонакопления.

Даты первых (Д" _пр = Д_к вл) и последних (Д_к пр) заморозков на почве устанавливаются или прогнозируются на основе имеющейся метеорологической информации.

где ZjRj — количество дней в месяцах, с учетом месяцев начала и конца периода влагонакопления; Д_н В1, Д_к вл — даты начала и конца периода влагонакопления; R_K — количество дней в месяце, на который приходится конец периода влагонакопления.

Продолжительность периода влагонакопления определяется по формуле.

Продолжительность периода промерзания т, определяется по аналогичной формуле при известных датах Д" _пр = Д_к вл и Д_к пр, определяемой по метеорологическим справочникам. Д_к пр соответствует моменту установления весной устойчивых положительных температур воздуха.

Этап 2. Определение средней по глубине влажности грунта земляного полотна в конце периода осеннего влагонакопления

К?• Be личина осенней влажности зависит от характера увлажнения, другими словами, источников увлажнения грунта земляного полотна. Возможны следующие расчетные схемы:

• — одностороннее увлажнение сверху дождевыми осадками;
• — одностороннее увлажнение снизу от УГВ;
• — двухстороннее увлажнение сверху дождевыми осадками и снизу от УГВ.

На практике чаще всего используют первую и третью схемы увлажнения, поскольку полностью избежать инфильтрации (проникновения поверхностной (дождевой) воды в тело земляного полотна) избежать не удается даже при монолитных покрытиях, всегда имеющих сквозные трещины. Кроме того, вода инфильтрует через обочины и откосы дороги.

Третий расчетный случай — наиболее сложный, поскольку предполагает наличие на небольшой глубине фунтовой воды.

В свою очередь при двухстороннем увлажнении возможны два случая:

где #_а — глубина активной зоны, отсчитываемая от низа дорожной одежды, равная /*_раб — й_()Д; /г_од — толщина дорожной одежды; й_раб — толщина рабочего слоя, равная по СП 34.13 330.2012 для земляного полотна в насыпи 1,5 м, в выемке 1,2 м, если считать от поверхности проезжей части.

В первом случае осенняя влажность устанавливается для зоны Д, во втором случае принимают Я_а = Я_угв.

Осеннюю влажность для случая двухстороннего увлажнения определяют по формуле.

где А — параметр, определяемый, но рис. 5.4 в зависимости от величины критерия осеннего влагонакопления.

и отношения Н_А/Н_угв; W_m — влажность весовая, равная полной влагоемкости, определяемая по формуле.

где у_ск, Д — плотность скелета сухого грунта и плотность частиц грунта.

Рис. 5.4. Номограмма для расчета средней влажности W™ земляного полотна:

а — при критерии F_oc = 0,25ч-0,5; 6 — при критерии F_oc = 0,5ч-1,9.

Этап 3. Определение глубины промерзания, весенней влажности и величины пучения грунта земляного полотна. Глубина промерзания грунта под дорожной конструкцией (см. рис. 5.2) определяется по методике проф. И. А. Золотаря [2], разработанной для многослойной дорожной конструкции, состоящей из слоев с разными теплофизическими характеристиками: X, Сну.

Глубина промерзания грунта земляного полотна, отсчитываемая от поверхности покрытия (например, на обочинах дороги), определяется по формуле.

где А, В — параметры, зависящие от величин: периода промерзания т_пр, среднемесячной температуры самого холодного месяца года 0_min и количества тепла q, затрачиваемого на фазовый переход воды в лед:

Слои дорожной одежды в данной методике заменяются эквивалентным в тепловом соотношении слоем грунта по формуле.

где Hj — глубина промерзания слоя А, дорожной одежды за период, равный т_пр.

Глубина промерзания грунта под дорожной одеждой в этом случае равна Коэффициент, характеризующий скорость промерзания:

где т'_р — период промерзания грунта иод дорожной одеждой.

Весенняя влажность принимается равной влажности конца периода зимнего перераспределения влаги. При этом не учитывается дополнительное увлажнение атмосферными осадками грунтов земляного полотна после их оттаивания. Как указывалось ранее, зимой влажность грунта в зоне промерзания увеличивается за счет миграции влаги снизу вверх.

По методике проф. И. А. Золотаря [2].

параметр С определяется, но формуле:

где F₀₃ = а / (2^/к^) — критерий зимнего перераспределения; Ф — интервал вероятности от аргумента V2F₀₃; W_% — влажность весовая по жидкой фазе в зоне льдообразования при температуре воздуха от -0,5 до -1,0°С (табл. 5.1).

Значение коэффициента С может быть определено по рис. 5.5.

Приведенная зависимость не учитывает притока воды в зимнее время года от УГВ, что несущественно для случая, когда И^Р > W_nB.

Пучение грунта имеет место, когда влажность в зимнее время больше влажности полной влагоемкости, т. е. когда объем замерзшей влаги, содержащейся в грунте земляного полотна, превышает объем пор грунта:

где W_H3 — влажность, не учитываемая в процессе миграции, зависящая от вида грунта (см. табл. 5.1).

Рис. 5.5. График для определения коэффициента С.

Таблица 5.1

Значения влажностей W_t и W_H3 для связных грунтов

При Z > Z_Kp в формулу определения /_пуч подставляют Z_Kp («критическая глубина»), при которой процесс морозного пучения грунта прекращается.

По данным проф. Н. А. Пузакова [2], Z_Kp, отсчитываемая от низа дорожной одежды, определяется по табл. 5.2 в зависимости от вида грунта.

Таблица 5.2

Значения критической глубины Z_Kp для связных грунтов по данным проф. Н. А. Пузакова.

Этап 4. Определение прочностных характеристик грунта земляного полотна и расчет дорожной одежды. Прочностные характеристики грунта земляного полотна: модуль упругости, удельное сцепление С и угол внутреннего трения ср являются функциями влажности грунта и определяются по формулам вида.

где А_ь А₂, А₃, В, п_и п₂ — эмпирические коэффициенты, зависящие от вида грунта.

Далее выполняется расчет дорожной одежды на прочность и морозоустойчивость, причем если по одному из критериев дорожная одежда не удовлетворяет предъявленным к ней требованиям, необходимо разработать мероприятия по ее усилению. В процессе эксплуатации дороги, особенно с некапитальным типом покрытия, эффективным способом продления срока службы дорожной одежды является ограничение пропуска тяжелой нагрузки в весеннее время года, т. е. уменьшение требуемого модуля ?_ф, что обеспечит повышение коэффициента прочности К_пр = ?'_об1Ц/?'_тр.