Водно-тепловой режим земляного полотна

Закономерности изменения водно-теплового режима дорожных конструкций

Водно-тепловым режимом (далее — 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, выполненные учеными в разных регионах страны (профессоры А. К. Бируля, Н. Н. Орнатский, Н. А. Пузаков, В. М. Сиденко, И. А. Золотарь, А. Я. Тулаев и другие), показали, что в районах с сезонным промерзанием грунтов, хотя ВТР в отдельных регионах имеет ряд особенностей, общие закономерности изменения влажности и температуры в годовом цикле неизменны.

Годовой цикл состоит из следующих взаимообусловленных периодов изменения ВТР:

I — стадия осеннего влагонакопления. Первоначальное накопление влаги осенью происходит в результате просачивания дождевых осадков и вследствие поднятия уровня грунтовых вод;

II — стадия зимнего перераспределения влаги. По мере промерзания грунта земляного полотна происходит перемещение влаги снизу вверх. Под действием температурного градиента влага перемещается от мест с более высокой температурой к местам с более низкой температурой. При медленном промерзании грунта на границе фронта промерзания скапливается большое количество свободной воды;

III — стадия весеннего переувлажнения грунтов. При весеннем оттаивании грунтов влажность резко увеличивается, что сопровождается резким снижением несущей способности грунтов;

IV — стадия летнего просыхания грунтов. В этот период испарение преобладает над осадками, поэтому влажность постепенно уменьшается.

С наступлением осени повторяется I стадия увлажнения земляного полотна.

Итак, первоначальное накопление влаги в грунтах земляного полотна начинается при среднесуточных температурах воздуха 3—5°С, поскольку в это время происходит изменение направления среднесуточных потоков тепла Р в дорожную конструкцию. Летом среднесуточный поток тепла направлен вниз, т. е. происходит нагрев дорожной конструкции, осенью — вверх, т. е. происходит ее остывание. Одновременно уменьшается количество солнечной радиации, поступающей на поверхность покрытия, и увеличивается количество выпадающих осадков. В это время осадки начинают преобладать над испарениями. Все это обусловливает подъем уровня грунтовых вод, а на участках с необеспеченным поверхностным водоотводом появляется верховодка.

Начало периода влагонакопления устанавливается путем построения графика хода месячных сумм осадков и испарения для периода лето — осень (рис. 9.1). Причем 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 метеорологических условий района проектирования.

VIII Д",_л IX X Д"" XI ^Месяцы

Рис. 9.1. Схема к определению периода влагонакопления:

Е — месячные суммы испарения; S — месячные суммы осадков 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, 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.

Продолжительность периода влагонакопления определяется по формуле.

где Z Rj — количество дней в месяцах, с учетом месяцев начала и конца периода влагонакопления; Д_нвл, Д_квл — даты начала и конца периода влагонакопления; R_K — количество дней в месяце, на который приходится конец периода влагонакопления.

II стадия — зимнего перераспределения влаги — начинается с установления дат первых промерзаний Д_н пр = Д_квл и последних заморозков Д_к, которые прогнозируются на основе имеющейся метеорологической информации. Д_к пр соответствует моменту установления весной устойчивых положительных температур воздуха.

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.

Продолжительность периода промерзания т_пр определяется по аналогичной формуле при известных датах Д_н пр = Д_к>вл и Д_к пр.

III стадия начинается с установления в верхних слоях грунта устойчивых положительных температур и продолжается до полного оттаивания грунта. В это время тепловой поток направлен сверху вниз. Влажность грунтов при переходе влаги из твердой фазы в жидкую резко возрастает, в результате 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. Период оттаивания дорожной конструкции является наиболее опасным, но восприятию расчетных колесных нагрузок, так как несущая способность дорожной одежды в это время года наименьшая. По этой причине период оттаивания является расчетным периодом года. Проектирование конструкций дорожных одежд производится при прочностных характеристиках грунтов земляного полотна, соответствующих весенней влажности.

Весной па поверхности покрытия наблюдаются деформации — просадки, связанные с неравномерностью процессов оттаивания 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 замерзшем состоянии, не может отводить воду, скапливающуюся в доннике, расположенном в пределах средней части полотна дороги.

По мере нагревания грунтов земляного полотна начинается IV этап — период просыхания грунтов. В это время испарение преобладает над осадками, влажность грунтов постепенно уменьшается, уровень грунтовых вод понижается, соответственно несущая способность дорожной конструкции увеличивается. Из рассмотренных четырех стадий изменения ВТР в годовом цикле наиболее опасными являются I и II.

Процессы теплообмена, характерные для каждого периода, повторяются в течение многих лет, хотя климатические условия каждого конкретного года вносят изменения в численные значения параметров ВТР дорожной конструкции.