Процессы пучинообразования на автомобильных дорогах

Как уже отмечалось, зимой происходит так называемое пучинообразован ие, сопровождающееся разуплотнением грунта и появлением деформаций — поднятий на поверхности покрытия дорожной одежды, устраиваемой из монолитных материалов: асфальтоили цементобетона.

Процессы пучинообразования распространены в районах, для которых характерна дождливая осень и зима с медленным, но глубоким промерзанием грунтов, т.с. в I и II дорожно-климатичсских 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, т. е. 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 нучинообразования.

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 из-за наличия отрицательного температурного градиента: в верхней части земляного полотна температура ниже 0 °C, а в нижней части — близка к среднегодовой температуре воздуха (4—6°С). 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 чего происходит поднятие вышележащих слоев — пучение грунта.

Максимальное пучение наблюдается во второй половине зимы. Процесс пучинообразоваиия опасен тем, что он неравномерен как в пространстве (по площади покрытия), так и во времени (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 Lj, L₂, L₃ — поднятия грех последовательно расположенных вдоль оси дороги точек покрытия.

На одних и тех же участках пучение грунтов наблюдается каждую зиму. Интенсивность процессов пучииообразования зависит от конкретных погодных условий. При продолжительном периоде осеннего влагонакоплеиия (I 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 влагонакоплсния, 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 ее весной происходят неравномерно, но площади и во времени и приводят к нарушению ровности покрытия, уменьшению прочности и долговечности дорожной конструкции.

ВТР 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 ВТР 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. Из-за уменьшения несущей способности дорожной конструкции весной возможны неравномерные просадки покрытия.