Воздействие природных факторов на дорогу

Основные понятия и определения. Климат и погода - составные части природных факторов, которые существенно влияют на транспортно-эксплуатационные характеристики дорог, на режим и безопасность движения, т.е. на условия движения по дороге и режим ее функционирования. Автомобильные дороги подвержены постоянному и разнообразному воздействию природных факторов. Эти воздействия можно разделить на два вида:

• воздействие на состояние земляного полотна и дорожные одежды как на несущую конструкцию, в результате которого изменяется ее прочность, долговечность и работоспособность;

• воздействие на состояние поверхности дороги как поверхности качения, в результате которого изменяется состояние этой поверхности, сопротивление качению, и, как следствие, ухудшается взаимодействие автомобиля с дорогой.

Кроме того, природно-климатические факторы воздействуют на состояние автомобиля и водителя, а также на всю окружающую обстановку, т.е. на все условия движения.

При анализе различают следующие понятия и определения.

Погода, погодные условия, условия погоды и метеорологические условия используются как синонимы и означают состояние атмосферы, которое характеризуется совокупностью значений метеорологических явлений, факторов или элементов в данном месте, в данный момент.

Климатические или метеорологические явления, элементы (факторы) - это отдельные характеристики состояния атмосферы, которые наблюдаются на метеостанциях (атмосферное давление, температура, влажность воздуха, ветер, осадки, туман, метель и т. д., а также их сочетания).

Каждый метеорологический фактор характеризуется вероятностью появления (повторяемостью), продолжительностью действия и последействия, интенсивностью. Данные о вероятности появления, продолжительности действия и интенсивности приведены в климатических справочниках или могут быть получены на ближайшей к дороге метеостанции.

Климат (климатические условия) - статистический режим условий погоды за длительный период времени (от одного года до многих десятилетий), т.е. это закономерная последовательность атмосферных процессов в данной местности, обусловливающая характерный для этой местности режим погоды. Микроклимат - климат небольшой территории, возникающий под влиянием различий рельефа, растительности, состояния почвы, наличия водоемов, застройки и т.д. Воздействие метеорологических факторов на условия движения передается через состояние поверхности дороги, взаимодействие автомобиля с дорогой и восприятие условий движения водителем.

Транспортные средства воздействуют на дорогу обычно одновременно с факторами, зависящими от природно-климатических условий (водой, температурой, ветром, солнечной радиацией).

Из всего разнообразия природно-климатических факторов наибольшее влияние на состояние дорог и на условия движения автомобилей оказывают грунтово-геологические и гидрологические условия, рельеф и ландшафт местности, а также погодно-климатические условия или факторы.

Из грунтово-геологических и гидрологических факторов выделяют тип и характеристики грунтов земляного полотна и подстилающих слоев, глубину промерзания, глубину и характер залегания грунтовых вод, условия стока поверхностных вод.

Воздействие погодно-климатических факторов формирует водно-тепловой режим земляного полотна (ВТР), под которым понимают закономерные сезонные изменения в земляном полотне и слоях одежд влажности и температуры.

В дорожной конструкции (дорожная одежда + земляное полотно) происходят сложные процессы:

нагревание, охлаждение, промерзание, оттаивание, испарение, конденсация, сублимация, облимация.

В результате в дорожной конструкции систематически происходят диффузионные процессы тепломассопереноса или тепловлагообмена (ТВО), обусловливающие колебание влажности и температуры.

Изменение характеристик ВТР существенно влияет на прочность, долговечность полотна и дорог, приводит к снижению транспортно-эксплуатационных свойств дорог.

Степень действия среды на дорогу в конечном итоге определяется видом и мощностью источников увлажнения дорожной конструкции и интенсивностью температурных воздействий.

Основные источники увлажнения дорожной конструкции (рис. 4.1):

• атмосферные осадки, просачивающиеся через трещины в покрытии, обочины (особенно в местах сопряжения с проезжей частью);

• вода, застаивающаяся на поверхности полотна, в боковых резервах и кюветах вследствие затрудненного поверхностного стока и увлажняющая грунт земляного полотна в процессе молекулярного и капиллярного передвижения;

• подземная вода, поднимающаяся по капиллярам, особенно при промерзании конструкции и близком к поверхности дороги залегании подземных вод;

• парообразная вода, перемещающаяся от теплых слоев к более холодным.

Зимой при промерзании конструкции вода может передвигаться снизу вверх и концентрироваться у фронта промерзания, повышая влажность грунта.

Рис. 4.1. Схема источников увлажнения дорожной конструкции:

1 – атмосферные осадки; 2 – вода в канавах; 3 – подземная вода и парообразное увлажнение;

4 – песчаное основание; УГВ – уровень грунтовых вод.

Интенсивность температурных воздействий. Степень опасности водно-теплового режима по этому виду воздействий характеризуют:

• продолжительностью морозного периода в днях , равного периоду между датами перехода температуры воздуха через 0 ^оС осенью и весной;

• минимальной или средней температурой воздуха за холодный период;

• среднемаксимальной температурой воздуха в наиболее жаркие месяцы;

• комплексные температурные показатели - морозный индекс и размах . Чем выше значения морозного индекса (изменяются от 50…2000), размаха и чем больше продолжительность морозного периода, тем опаснее морозное воздействие среды на дорогу.

Физическая теория тепловлагообмена в дорожных конструкциях.

Воздействие факторов внешней среды на дорогу вызывает тепловлагообмен в полотне и слоях одежды. Это сложный и взаимосвязанный процесс.

Изменение температуры вызывает миграцию (медленное движение) влаги.

Влагонакопление и переход в иную форму влаги способствует теплообмену. Поэтому процессы тепло- и влагообмена необходимо рассматривать во взаимосвязи.

Установлено, что грунты и слои одежд воздухопроницаемы, поры в них сообщаются между собой. Следовательно, в земляном полотне и слоях одежды имеются условия для массообмена: воздухообмена и парообмена. Обмен возможен в случае, если влажность грунта меньше его полной влагоемкости, т. е. W > W_п.в. При полной влагоeмкости все поры грунта заполнены жидкой фазой и воздухо- и парообмен прекращается.

В водоненасыщенных грунтах влага содержится в двухфазном состоянии: - водяной пар всегда в насыщенном состоянии (относительная влажность внутрипарового воздуха 100%) и W_ж - жидкая фраза. Соотношение фаз постоянно изменяется и зависит от общей влажности грунта.

В мерзлых грунтах дополнительно возникает твердая фаза - лед, количество которой пропорционально величине . При температуре грунта ниже 0^оС не вся жидкая фаза переходит в лед вследствие частичного засоления и действия молекулярных сил, исходящих от грунтовых частиц. Температура льдообразования в зависимости от минералогического состава грунта находится в пределах -0,5⁰С для песков, до -2,5^oС для глин. Даже при очень низкой температуре грунта при = -20…-50^oС часть жидкой фазы не промерзает. Поэтому в течение всего морозного периода происходит диффузия водяного пара, миграция жидкой фазы и льдообразование. Жидкая фаза испаряется и замерзает, водяной пар конденсируется на жидкой или твердой фазе.

Теплообмен в дорожных конструкциях происходит за счет трех составляющих. Основная часть тепла передается от частицы к частицам за счет теплопроводности (кондукции). Вторая составляющая теплообмена - это теплота фазовых превращений при промерзании–оттаивании, конденсации–испарении, облимации–сублимации. Третья, конвективная составляющая теплообмена, - незначительная (2…3%), и ею можно пренебречь.

Влагообмен протекает за счет наличия потенциалов концентрации жидкой фазы и теплоты. Водяной пар диффундирует от мест с большим парциальным давлением р₁ в места с меньшим давлением р₂. Поскольку водяной пар находится в насыщенном состоянии и , то он диффундирует от теплых мест к холодным (термодиффузия).

Жидкая фаза мигрирует за счет наличия двух потенциалов - концентрации и температуры. За счет первого потенциала жидкая фаза мигрирует от мест с большой влажностью к местам с меньшей влажностью (концентрационная миграция). Этот потенциал является преобладающим в миграции жидкой фазы (95…98%). За счет второго потенциала происходит термомиграция жидкой фазы в количестве 2…5%.

Грунт обволакивают пленки жидкой фазы. Свободные поры заполняет насыщенный пар. Объяснение процесса миграции жидкой фазы в условиях двухфазовой миграции дает гидротермодинамическая гипотеза, в соответствии с которой давление р в пленке воды, обусловливающее концентрационную миграцию влаги по обволакивающим пленкам:

где р_п - парциальное давление водяного насыщенного пара в порах;

- поверхностное натяжение водяной пленки, обволакивающей грунтовые частицы или агрегаты; - радиус кривизны пленки влаги в контакте с паровоздушной смесью.

Приведенное выражение объясняет сущность тепломассообмена. Так, если соприкасаются две зоны грунта с одинаковой температурой, но разной влажностью (W₁ > W₂), то миграция будет происходить от мест с большей влажностью ( ) в места с меньшей влажностью ( ). Это можно объяснить следующим образом.

С увеличением влажности толщина водной пленки увеличивается, при этом уменьшается, r увеличивается, а давление пара p_п, сжимаемого водной пленкой, возрастает. При этом р₁ увеличивается. Поскольку р₁ > р₂, влага мигрирует из зоны в зонуW₂.

Если соприкасающиеся зоны грунта имеют разную температуру - t₁ > t₂, то в теплой зоне давление пара р_п1 > р_п2, поверхностное натяжение будет меньшим вследствие меньшей вязкости и р₁ > р₂, т.е. жидкая фаза и водяной пар будут мигрировать из теплой зоны в холодную .

В результате ухудшения водно-теплового режима могут проявляться следующие негативные явления:

• избыточное влагонакопление в отдельных зонах полотна вследствие инфильтрации воды через трещины в покрытии, через обочины и откосы после дождей или поверхностного стока;

• увлажнение грунтового основания от горизонта близкого залегания грунтовых вод или от длительного застоя воды в боковых канавах, коллекторах, что наблюдается в районах болот, орошаемых районах;

• повышенное увлажнение грунта в верхней части земляного полотна к концу морозного (холодного) периода;

• образование пучин на участках интенсивного морозного влагонакопления;

• весеннее (или в период зимних оттепелей) разрушение дорожных одежд вследствие переувлажнения грунта и потери прочности;

• разрушение откосов, прежде всего высоких насыпей, от переувлажнения;

• разрушение высоких насыпей от скопившейся в теле воды.

При быстрых понижениях температур с переходом ниже 0 ^оС образуются температурные трещины в дорожной одежде. Интенсивный прогрев солнечными лучами в летний период приводит к повышению пластичности асфальтобетона, что способствует образованию сдвигов, волн и наплывов на покрытии.