Закономерности водно–теплового режима земляного полотна

Водно-тепловым режимом (ВТР) дорожной конструкции называют закономерные изменения в течение года влажности и температуры в придорожном слое воздуха, в слоях дорожной одежды и грунте земляного полотна, обусловленные особенностями данной дорожно-климатической зоны и местных гидрогеологических условий. Он существенно влияет на прочность и морозоустойчивость дорожной конструкции и в, конечном итоге, на степень ровности покрытия.

Наиболее значительные сезонные изменения влажности и температуры происходят в земляном полотне.

Годовой цикл ВТР земляного полотна включает четыре основных характерных периода (рис. 4.2):

Рис. 4.2. Сезонное изменение водно-теплового режима земляного полотна:

1 – предзимний период; 2 и 3 – периоды морозного влагонакопления и зимнего равновесного состояния соответственно; 4 и 5 – периоды весеннего оттаивания и просыхания грунта соответственно; 6 – летнее равновесное состояние; I-V, XI, XII – месяцы года; Е – модуль упругости дорожной конструкции; l – морозное пучение; W – относительная влажность грунта; z – глубина промерзания

• предзимний период - первоначальное накопление влаги осенью;

• морозный период - промерзание, перераспределение и накопление влаги в земляном полотне зимой;

• весенний период - оттаивание земляного полотна и переувлажнение грунта весной;

• летний период - просыхание земляного полотна летом.

Предзимний период, или период первоначального накопления влаги осенью, характерен охлаждением и интенсивным увлажнением полотна и одежды атмосферными осадками, поднятием уровня грунтовых вод, медленным нарастанием влажности, разуплотнением грунта и снижением прочности дорожной одежды. Влажность может достигать 0,7 ( - влажность на пределе текучести грунта).

В отдельные годы наблюдаются резкие смены температур от положительных к отрицательным. Такие температурные удары вызывают линейные сокращения покрытий, скорость которых выше, чем для нижележащих оснований. Это приводит к образованию поперечных температурных трещин.

Морозный период или период промерзания, перераспределения и накопления влаги в земляном полотне зимой, может быть разделен на две характерные части:

период морозного влагонакопления и период зимнего равновесного состояния.

В первой части морозного периода наблюдается снижение температуры грунта, промерзание грунта, дальнейшее увеличение влажности и снижение плотности грунта.

Это очень важный период. Влага из нижних слоев полотна, особенно парообразная и жидкообразная, интенсивно мигрирует снизу вверх и частично со стороны обочин к оси дороги. В зависимости от продолжительности холодного периода, мощности источников увлажнения и скорости промерзания к концу холодного периода в верхней части полотна может накопиться значительное количество влаги. При скорости промерзания до 2,5 см/сут происходит интенсивное накопление влаги и образование льда в грунте за счет миграции воды из нижележащих слоев. При быстром промерзании, когда его скорость больше 4 см/сут, вода из нижележащих слоев поступить не успевает и влажность грунта может быть несколько меньше. К концу этого периода может происходить вымерзание влаги из песчаного подстилающего слоя и устанавливается зимний период равновесного состояния влаги в грунте земляного полотна или постепенное увеличение влаги до уровня (0,7…0,8) . Вследствие замерзания воды в порах грунта образуются линзы и прослойки льда.

Во многих случаях в холодный период возникают зимние оттепели, которые сопровождаются частичным оттаиванием грунта и резким снижением прочности проезжей части. Интенсивное влагонакопление и промерзание могут привести к образованию пучин. Однако прочность грунта и дорожной одежды в холодный период очень высокая.

Весенний период- период оттаивания грунта и насыщения его свободной водой. Это самый опасный период, принимаемый за расчетный для дорожных одежд и земляного полотна. Скопившийся в ледяных линзах и прослойках лед в верхней части земляного полотна оттаивает, и поры грунта заполняются свободной водой, которая скапливается над мерзлым, еще не оттаявшим грунтом земляного полотна (донник). Возникшее мокрое корыто на некоторый период сохраняет максимальную влажность , минимальную плотность и прочность грунта. Под действием нагревающегося воздуха и проезжающего транспорта часть воды отжимается в дренирующий слой, часть - в грунт обочин и нижележащих слоев по мере их оттаивания. Количество воды в порах грунта зависит от скорости оттаивания. При медленном оттаивании, когда скорость оттаивания не превышает 4 см/сут, часть воды успевает отжаться и испариться. При быстром оттаивании со скоростью больше 7 см/сут происходит интенсивное влагообразование и накопление воды в порах грунта. В этот расчетный по состоянию грунта период (обычно в марте-апреле-мае) могут возникнуть просадки одежды в первую очередь на пучинистых местах. Прочность дорожной конструкции минимальна.

Продолжительность наиболее неблагоприятного расчетного состояния грунта Т_р весной (или в период зимних оттепелей), в течение которого наблюдается минимальная сезонная прочность грунта полотна:

,

где - критическая глубина оттаивания, ориентировочно равная для дорог I…III категории < 50 см и III…IV категории < 70 см;

- средняя скорость оттаивания грунта полотна, = 2…5 см/сут.

За начало расчетного периода ( ) ориентировочно можно принимать дату перехода температуры воздуха весной через 0 ^оС. Тогда дата окончания периода

Дорожная служба должна для каждого района устанавливать эти важные даты.

По эпюрам влажности можно судить для наиболее характерных периодов года об устойчивости земляного полотна и дорожных одежд.

Влажность и плотность определяют прочность грунта. Так, модуль упругости грунта, МПа, можно вычислить по зависимости

где С_о - коэффициент, принимаемый в зависимости от вида грунта, ;

- коэффициент, назначаемый в зависимости от коэффициента уплотнения, .

Во второй половине весеннего периода начинается активное просыхание грунта земляного полотна, которое заканчивается в летний период.

После полного оттаивания полотна происходит постепенное просушивание грунта, снижение влажности до наименьшего сезонного значения и постепенное возрастание плотности и прочности грунта земляного полотна.

В неблагоприятный для службы дорог расчетный период наибольшего ослабления дорожной конструкции ее прочность должна соответствовать требованиям автомобильного движения, кроме того, дорожная конструкция должна обладать необходимой морозоустойчивостью.

Фактическую влажность грунта земляного полотна эксплуатируемых дорог можно получить в результате непосредственных наблюдений за ВТР земляного полотна. Однако далеко не всегда эта влажность будет соответствовать расчетной.

Ввиду временной (по сезонам и годам) изменчивости влажности грунта земляного полотна и необходимости оценивать прочность дорожной конструкции с заданным уровнем надежности расчетную влажность грунта устанавливают вероятностным методом. Под расчетной влажностью грунта в этом случае подразумевают максимальное значение средней влажности грунта в пределах активной зоны земляного полотна, наблюдающееся в наиболее неблагоприятный период (время, в течение которого грунт активной зоны наиболее увлажнен) хотя бы в одном году за срок между капитальными ремонтами дорожной одежды.

Активной зоной считают верхнюю часть земляного полотна от низа дорожной одежды до глубины 1,3…1,6 м от поверхности покрытия. В этой зоне распространяются значительные напряжения от временных нагрузок, а ВТР и состояние грунта наиболее зависимы от погодно-климатических условий.