9.6. Водно-тепловой режим земляного полотна и способы его регулирования

Под водно-тепловым режимом земляного полотна понимают характер изменения во времени влажности и температуры грунта под воздействием погодно-климатических факторов, влияющих на рабочий слой. Изменение влажности и температуры сопряжено (обуславливает интенсификацию) со вторичными процессами:

• набуханием и усадкой;

• морозным пучением;

• просадкой при оттаивании;

• просадкой при замачивании;

• изменением плотности;

• изменением прочностных и деформационных характеристик грунта.

В конечном итоге через вторичные процессы водно-тепловой режим оказывает влияние на изменение прочности дорожной одежды, ее ровности и долговечности.

Насыщение земляного полотна дороги влагой – крайне опасное явление, так как при этом сильно снижается прочность дорожной одежды и устойчивость откосов насыпей и выемок. Вода может попадать в земляное полотно двумя путями: просачиваясь с поверхности и поднимаясь по капиллярам и в виде паров и пленок от уровня грунтовых вод.

Источниками увлажнения земляного полотна являются:

1. выпадающие атмосферные осадки;

2. приток воды от дождей и таяния снега со склонов местности;

3. капиллярное поднятие от уровня грунтовых вод;

4. конденсация водяных паров из воздуха;

5. перемещение пленочной влаги по поверхности грунтовых частиц.

В зависимости от климатического района, местных условий и времени года обычно преобладают те или иные причины увлажнения земляного полотна.

Количество влаги W, находящееся в земляном полотне, не остается в течение года постоянным и изменяется за определенный промежуток времени согласно уравнению водного баланса , где А – осадки, выпадающие на земляное полотно; В – просачивание воды, притекающей с прилегающей к дороге местности; С – приток воды от уровня грунтовых вод по капиллярам, а также в результате пленочного и парообразного перемещения влаги; D – сток воды с земляного полотна; E – испарение влаги с поверхности грунта; F – просачивание воды из земляного полотна в глубинные слои грунта.

В годовом цикле изменения влажности грунтов земляного полотна различают следующие периоды: I – первоначальное накопление влаги осенью в результате просачивания в грунт дождевых осадков; II – промерзание земляного полотна и зимнее перераспределение влаги; III – оттаивание земляного полотна и весеннее переувлажнение грунта; IV – летнее просыхание земляного полотна.

На изменения водного режима земляного полотна, помимо атмосферных осадков, значительное влияние оказывают колебания температуры в течение года, создающие в теле земляного полотна температурные градиенты.

В процессе замерзания в теле земляного полотна создается разность температур в пределах от 4-6°С выше нуля у уровня грунтовых вод до отрицательных температур в промерзшем верхнем слое грунта. Под влиянием разности температур влага начинает перемещаться от теплого грунта к границе промерзания.

Существует несколько путей перемещения воды в промерзающем грунте:

1) перемещение влаги по пленкам, обволакивающим грунтовые частицы, от более теплых частиц к более холодным, которые обладают большей поверхностной энергией;

2) путем конденсации на поверхности охлажденных грунтовых частиц водяных паров, приносимых содержащимся в грунте воздухом из теплых нижних слоев при конвекционной циркуляции в порах грунта. Парообразное перемещение влаги прекращается при влажности грунта, близкой к капиллярной влагоемкости, когда капилляры начинают замыкаться кольцами менисков воды;

3) по тонким капиллярам, из которых незамерзающая вода всасывается в мерзлую часть грунта к центрам кристаллизации.

В пределах промерзшей толщи грунта вода в капиллярах замерзает при температуре минус 0,2°С. При понижении температуры ниже 0°С вода, замерзая, образует в отдельных крупных порах кристаллы льда.

Количество воды, подтянутой к растущим ледяным кристаллам, бывает тем большим, чем дольше продолжается процесс постепенного промерзания грунта, т. е. чем более длительный период времени температура какого-либо слоя грунта находится в пределах от 0 до минус 3°С. При быстром промерзании грунта количество влаги, которое успевает подойти к каждому центру кристаллизации, невелико, так как по мере опускания границы промерзания в грунте возникают новые центры кристаллизации, к которым направляется поток влаги. Горизонты накопления ледяных прослоек обычно соответствуют периодам оттепелей, когда границы промерзания удерживаются на одном уровне.

Растущие ледяные кристаллы, заполняя поры, имеющиеся в грунте, образуют ледяные прослойки, которые раздвигают грунтовые частицы и вызывают поднятие (пучение) грунта (рис. 9.6), приводящее к появлению взбугриваний. При весеннем оттаивании грунта сопротивление оттаявшего сильно увлажненного грунта земляного полотна нагрузкам резко снижается. На дорогах, где дорожная одежда имеет недостаточную прочность, возникают характерные деформации, связанные с проломами дорожной одежды (весенние пучины).

Рис. 9.6. Увеличение глубины промерзания и вспучивания грунта в течение зимнего периода: 1 – вспучивание покрытия; 2 – промерзание грунта земляного полотна; 3 – линзы льда; 4 – оттаивание грунта; 5 – дорожная одежда; 6– грунт земляного полотна

Сопротивление, оказываемое весом расположенных выше слоев грунта, затрудняет накопление льда и противодействует образованию ледяных прослоек. Поэтому с увеличением глубины промерзания интенсивность образования в грунте ледяных кристаллов уменьшается. Глубину, на которой кристаллы практически перестают образовываться, называют критической глубиной промерзания.

Процесс перемещения влаги и ее накопление в мерзлом грунте наиболее интенсивно протекает в пылеватых грунтах с большим содержанием частиц размером от 0,05 до 0,002 мм. В этих грунтах поверхность грунтовых зерен достаточно развита, чтобы обеспечить подтягивание к центрам кристаллизации большого количества пленочной воды. Поры грунта также достаточно крупны, чтобы в них происходило и парообразное перемещение влаги.

В грунтах с большим содержанием глинистых частиц вода перемещается замедленно, поскольку в тончайших порах глинистых грунтов вязкость связанной воды очень велика, а микроструктура грунтов создает значительные сопротивления для перемещения влаги.

В зависимости от источников увлажнение земляного полотна может происходить по одной из трех схем.

1. Сухие местности с обеспеченным стоком поверхностных вод, глубоким залеганием уровня грунтовых вод и относительно малым количеством осадков.

2. Районы с достаточным количеством осадков и затрудненным стоком воды от земляного полотна.

3. В местностях с близким от поверхности стоянием уровня грунтовых вод (постоянно сырые места) осеняя влажность грунта может быть принята равной капиллярной влагоемкости грунта.

Источники увлажнения верхних слоев земляного полотна и продолжительность их действия зависят от гидрологических условий и климата. Методы расчета количества воды, поступающей в верхние слои земляного полотна во время промерзания, дают принципиальную возможность рассчитать наиболее рациональное из экономических соображений возвышение бровки земляного полотна.

Принципиальные основы этой методики заключаются в следующем.

Сопротивление грунта нагрузкам зависит от его влажности. Чем большее количество влаги проникнет в верхние слои земляного полотна в зимний и весенне-осенний периоды, тем сильнее снижается прочность грунта, а, следовательно, требуется более мощная дорожная одежда.

Чем выше насыпь, тем больше путь перемещения воды, проникающей в промерзающую зону, и, следовательно, меньше весенняя влажность. При этом уменьшается стоимость дорожной одежды, но увеличиваются затраты на сооружение земляного полотна. Наиболее рациональна высота насыпи, при которой стоимость строительства дороги является наименьшей. Определенные из таких соображений минимальные возвышения бровки земляного полотна для условий Беларуси приведены в табл. 9.4.

Таблица 9.4. Минимальные возвышение поверхности бровки земполотна над уровнем воды

Грунт насыпи	Песок мелкий, супесь легкая	Песок пылеватый, супесь пылеватая	Супесь легкая, суглинок тяжелый, глины	Супесь тяжелая пылеватая, суглинки легкие и тяжелые пылеватые
hmin, м	1,1/0,9	1,5/1,2	2,2/1,6	2,4/1,8

Примечание. В числителе – наименьшее допустимое возвышение поверхности дорожной одежды над уровнем грунтовых или длительно застаивающихся (более чем 30 сут) поверхностных вод; в знаменателе – то же над поверхностью земли на участках с необеспеченным водоотводом или над уровнем кратковременно стоящих поверхностных вод.

Необходимое возвышение земляного полотна обусловлено также высотой снежного покрова. Чтобы не происходило заносов дороги во время метелей, земляное полотно должно возвышаться над снеговым покровом. Считается, что в открытой местности возвышение бровки земляного полотна над уровнем снегового покрова, определенным по данным метеорологических станций, при вероятности превышения 5%, должно быть не менее:

категория дороги I II III IV V;

возвышение бровки, м 1,2 0,7 0,6 0,5 0,4.

На водно-тепловой режим земполотна влияют следующие природные факторы:

1. рельеф местности, обусловливающий применяемые при выборе трассы продольные уклоны и необходимость развития линии по склонам, обхода заболоченных и затапливаемых мест. От рельефа местности зависит количество воды, притекающей к малым мостам и трубам. Водно-тепловой режим земляного полотна в горной и сильно пересеченной местностях зависит от экспозиции склонов, по которым проложена дорога;

2. геологические условия, характеризующие степень устойчивости горных пород в районе проложения трассы;

3. климатические условия, оказывающие особенно большое влияние на условия эксплуатации дорог. К ним относятся амплитуда и скорость колебания температуры, максимумы и минимумы температуры, количество осадков и испарение, направление и скорости ветров, мощность снегового покрова, глубина промерзания. Климатические условия часто ограничивают продолжительность строительного сезона или требуют применения специальных способов производства работ, удорожающих и осложняющих их выполнение;

4. гидрологические и гидрогеологические условия, характеризующиеся количеством выпадающих осадков, условиями стока и испарения воды, толщиной снегового покрова и интенсивностью весеннего таяния, глубиной залегания грунтовых вод и особенностями их режима, режимом рек и ручьев. Все эти условия подлежат учету при проектировании водоотвода и при выборе конструкции земляного полотна.

При оценке влияния природных факторов на условия строительства и последующей работы автомобильной дороги следует учитывать обратную зависимость – изменение природных условий в результате строительства дороги. Так, например, вырубка древесно-кустарниковой растительности на полосе отвода и расчистка придорожной полосы способствуют ее осушению, более глубокому промерзанию грунта зимой и более быстрому оттаиванию весной. Пересечение болота насыпью, сжимающей торф, может прервать просачивание грунтовых вод и изменить процесс заболачивания

Для сопоставления климатических условий района проложения дороги в отдельные периоды года строят график климатических характеристик (дорожно-климатический график), на котором отмечают годовое изменение температуры, количество выпадающих осадков, глубину промерзания и высоту снегового покрова и другие характеристики, которые могут оказаться полезными при конструировании элементов дороги и организации строительства.

Сущность учета водно-теплового режима при проектировании земляного полотна заключается в том, чтобы при возникающем в конструкции водно-тепловом режиме обеспечить заданную прочность и устойчивость (стабильность) рабочего слоя. При этом могут быть реализованы два принципа проектирования:

1. проектирование, исходя из заданного тем или иным способом уровня прочности и стабильности рабочего слоя (например, уровня, обеспечивающего возможность применения заданной типовой конструкции дорожной одежды);

2. проектирование конструкции рабочего слоя совместно с конструкцией дорожной одежды в целях оптимизации проектного решения.

Для создания в процессе эксплуатации сооружения оптимального водно-теплового режима необходимо его регулирование. Наиболее простой метод регулирования предусматривает выполнение одновременно трех условий:

1) применение в пределах рабочего слоя грунтов, обладающих повышенной устойчивостью к воздействию погодно-климатических факторов;

2) обеспечение требуемой степени уплотнения этих грунтов;

3) обеспечение требуемого возвышения земляного полотна над расчетным уровнем подземных и поверхностных вод или над уровнем земли (на участках местности 3-го типа).

При выполнении указанных трех условий специальных расчетов водно-теплового режима не требуется. При невозможности или нецелесообразности выполнения всех трех условий необходимость и характер специальных мероприятий по учету водно-теплового режима устанавливают в результате расчетов (раздел 6 Пособия П2-01).

К специальным мероприятиям по регулированию водно-теплового режима относят конструктивно-технологические решения, предусматривающие:

1) ограничение увлажнения от различных источников (повышение требований к обочине и разделительной полосе, увеличение поперечных уклонов, устройство боковых канав (кюветов), гидроизолирующих и капилляропрерывающих прослоек, дренажей глубокого заложения);

2) улучшение свойств грунта в верхней части рабочего слоя (улучшение зернового состава грунтов, укрепление их вяжущими);

3) отвод воды (устройство прослоек, дренажей мелкого заложения);

4) регулирование теплового режима (устройство теплоизолирующих слоев).

Снижение увлажнения земляного полотна за счет повышения требований к обочине и разделительной полосе достигается:

1. присыпкой обочин и разделительной полосы дренирующими песчаными грунтами;

2. устройством лотков, водосборных колодцев и поперечных труб, способствующих отводу поверхностных вод за пределы проезжей части и уменьшающих накопление влаги в активном слое земляного полотна;

3. укреплением верхней части обочин и разделительной полосы.

При невозможности поднять бровку земляного полотна до указанной высоты постоянство водного режима верхней части земляного полотна может быть обеспечено устройством внутри земляного полотна изолирующих прослоек, прерывающих перемещение влаги, при обеспечении отвода воды от дождей и таяния снега. Это создает благоприятный водный режим верхней части земляного полотна, хотя грунт, расположенный ниже прослойки, будет при этом оставаться переувлажненным.

Изолирующие прослойки бывают двух видов (рис. 9.7):

1. гидроизолирующие – прерывающие все виды перемещений влаги – капиллярное, пленочное и парообразное (рис. 9.7а). Их устраивают из синтетических нетканых материалов (геотекстиля), обработанных органическими вяжущими материалами для придания водонепроницаемости. Ранее для этой цели использовали также грунт (3-8 см), обработанный битумом или другими гидрофобными материалами, полиэтиленовую пленку, толь;

2. капилляропрерывающие – прерывающие только капиллярное поднятие (рис. 9.7б). Их устраивают из крупнозернистых, хорошо фильтрующих материалов (гравия, щебня или гравелистого песка). Толщина этих прослоек обычно не менее 15-20 см и должна превышать высоту капиллярного поднятия. Чтобы не происходило заиливания материала прослоек вымываемыми водой более мелкими частицами грунта, прослойки необходимо изолировать сверху и снизу слоями обыкновенного (водопроницаемого) геотекстиля или, по крайней мере, слоями грунта с частицами промежуточной крупности (супесь, мелкий гравий), задерживающими мелкие частицы.

Рис. 9.7. Прослойки земляного полотна: 1 – щебень; 2 – крупнозернистая прослойка; 3 – противозаиливающие прослойки; 4 – уровень грунтовых вод; 5 – слой грунта, обработанного органическими вяжущими материалами, или прослойки водонепроницаемых синтетических материалов; 6 – возвышение над горизонтом поверхностных вод не менее 0,2 м

Гидроизолирующие прослойки устраивают под дорожной одеждой на всю ширину земляного полотна, чтобы не допустить увлажнения от атмосферных осадков, проникающих под дорожную одежду или на глубине не менее 1,2 м от верха покрытия, но не ниже 0,2 м от поверхности земли. Если увлажнение рабочего слоя происходит от всех трех источников увлажнения (осадки, грунтовые и поверхностные воды), то устраивают две гидроизолирующие прослойки, заключая грунт в верхней части земляного) полотна в обойму (рис. 9.7б).

Капилляропрерывающие прослойки устраивают для ограничения притока влаги в верхние слои земляного полотна от грунтовых или поверхностных вод на глубину не менее 1,2 м от верха покрытия и не менее 0,2 м над уровнем грунтовых вод.

Гидроизолирующие и капилляропрерывающие прослойки необходимо предусматривать:

1. при целесообразности снижения высоты насыпи на отдельных участках дороги;

2. для снижения объема земляных работ;

3. для уменьшения толщины морозозащитного и дренирующего слоя;

4. для уменьшения мощности основания дорожной одежды за счет увеличения расчетных показателей грунтов земляного полотна, имеющих более низкую влажность.

Окончательное решение о применении гидроизолирующих и капилляропрерывающих прослоек принимают на основании технико-экономического расчета.

Применяемые прослойки должны соответствовать действующим нормативным документам и отвечать следующим требованиям:

– выдерживать без повреждения нагрузки, возникающие при укладке и уплотнении вышележащих слоев, а также при движении автомобилей по дороге;

– противостоять воздействию неравномерного морозного пучения и осадки грунтов без разрывов и проломов;

– не изменять существующих свойств при различной степени влагонакопления и температуре;

– не заиливаться, не подвергаться разрушающему воздействию микроорганизмов и агрессивных вод;

– их устройство должно быть технологичным.

Прослойки предусматриваются:

• в основании насыпей на слабых грунтах;

• в теле насыпей для повышения устойчивости откосов;

• в качестве защитного фильтра в дренажных конструкциях;

• в качестве дрен, обеспечивающих отвод воды из водонасыщенного массива грунта;

• как разделяющая прослойка на контакте слоев грунта или зернистых материалов с различным гранулометрическим составом (препятствующая перемешиванию материалов слоев);

• в основании технологических проездов на грунтах с низкой несущей способностью.

Наряду с заменой глинистого грунта в верхней части рабочего слоя земляного полотна на менее пучинистый, могут применяться мероприятия по улучшению свойств грунта путем введения гранулометрических добавок, обработкой вяжущими и другими материалами. В качестве вяжущих могут применяться наряду с битумом, цементом, известью, отходы и побочные продукты промышленности (зола уноса, цементная пыль, шлаки и др.).

Для отвода воды, поступающей сверху от атмосферных осадков и снизу от грунтовых вод, применяют дренирующие прослойки. Рекомендуется также применение прослоек, совмещающих функции дренирования, разделения вышележащих слоев дорожной одежды и грунтов, а также армирования земляного полотна и снижения неравномерности пучения.

Дренирующие прослойки укладывают непосредственно под дорожную одежду по всей ширине земляного полотна с выпусками полотнищ на откосы или в дренаж на 0,5-1,0 м. Их устраивают из нетканых синтетических материалов (геотекстиля), способных фильтровать воду в поперечном направлении в плоскости холста. Коэффициент фильтрации таких материалов должен быть не ниже 30 м/сут с учетом заиливания.

Для устройства теплоизолирующих слоев применяют материалы с более эффективными теплоизолирующими свойствами, чем у грунтов и обычных дорожно-строительных материалов.

При близком залегании грунтовых вод или при длительно застаивающихся поверхностных водах рекомендуется использовать материалы с низким коэффициентом теплопроводности, например, пенопласт, позволяющий при небольшой толщине слоя (до 10-15 см) полностью предотвратить промерзание грунтов земляного полотна и уменьшить миграцию влаги в верхние слои рабочего слоя в зимний период, исключить морозное пучение грунтов. В других случаях могут быть использованы легкие бетоны, теплоизоляционные композиции из укрепленных вяжущим местных материалов (грунтов) или отходов промышленности, заполнителей (перлит, аглопорит, гранулы полистирола и измельченные отходы пенопласта, керамзит и др.), которые способствуют снижению глубины промерзания земляного полотна и уменьшению неравномерности морозного пучения.

При использовании для строительства насыпей грунтов различного состава и свойств необходимо соблюдать определенные правила размещения их в теле насыпи, обеспечивающие устойчивость земляного полотна (рис. 9.8):

Рис. 9.8. Размещение в земляном полотне водонепроницаемого и водопроницаемого грунтов (точками показан водопроницаемый грунт, штриховкой – водонепроницаемый)

1) верхний слой земляного полотна («рабочий слой»), на который передается давление от проезжающих транспортных средств, до глубины 1,2 м от поверхности цементобетонных и 1,0 м асфальтобетонных покрытий во II дорожно-климатической зоне (Беларусь) должен состоять из грунтов, не подверженных пучению или слабопучинистых грунтов.

2) разнородные грунты следует размещать в теле насыпи горизонтальными слоями. Менее водопроницаемые грунты располагают в нижних слоях, хорошо дренирующие – в верхних. Исключением являются случаи, когда дренирующий грунт предназначен для прерывания капиллярного поднятия воды в насыпь из переувлажненного основания.

3) поверхностям слоев водонепроницаемых грунтов необходимо придавать двухскатный поперечный профиль с уклоном 20-40‰, что способствует стоку из насыпи просачивающейся воды; из слоев водопроницаемых грунтов должен быть обеспечен вывод воды на откосы.

4) грунты и промышленные отходы, подверженные изменениям объема или теряющие устойчивость при увлажнении, следует располагать в средней по высоте части насыпей, перемежая их отдельными тонкими прослойками песка или фильтрующих нетканых синтетических материалов – геотекстиля. Насыпи в виде замкнутого ядра из одного грунта, прикрытого сверху и с боков другим грунтом, допускаются лишь при уширении земляного полотна при реконструкции дорог. Не разрешается уширение водонепроницаемым грунтом насыпей, построенных из дренирующего грунта.

5) воспрещается бессистемная, случайная отсыпка различных по свойствам грунтов. При такой отсыпке в теле насыпи могут образоваться линзы, в которых может скапливаться вода или наклонные поверхности, по которым при увлажнении возможно оползание.