§ IV.2. Связь пучинообразования с водно-тепловым

РЕЖИМОМ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА

В осенне-зимний период влажность верхних слоев земляного полотна увеличивается в результате проникания поверхностных вод через трещины покрытия, обочины и разделительную полосу, а также перемещения влаги из глубинных слоев грунта и боковых канав под дорожную одежду. Промерзание грунта земляного по­лотна представляет собой тепломассообменный процесс, связан­ный с непрерывной миграцией влаги в двухфазном состоянии (жид­кая фаза и пар) и фазовыми превращениями: льдообразованием, испарением и конденсацией.

Земляное полотно промерзает по ширине неравномерно. Влага из нижней его части и с боков перемещается по направлению к дорожной одежде, где температура грунта наиболее низкая (рис. IV.1). Коэффициент температуропроводности дорожной одежды в 1,5—2 раза выше, чем грунта на обочинах, и особенно растительного грунта разделительной полосы. Влага под действи­ем разности температур перемещается кверху. В зависимости от продолжительности зимы и температуры ледяные кристаллы в те­чение нескольких месяцев увеличиваются в объеме и покрытие подвергается морозному пучению.

На поверхности проезжей части появляются деформации, иног­да приводящие к разрушению дорожной одежды. Места внешнего проявления деформаций часто называют пучинами.

Процесс пучинообразования является круглогодичным и про­ходит последовательно пять стадий увлажнения (рис. IV.2).

Первая с т а д и я — начальная, связанная с осенним перио­дом увлажнения. Влажность верхней части земляного полотна вследствие инфильтрации свободной воды повышается до W_e ^ ^ (0,65—0,7) Wt, где W_T — нижняя граница текучести грунта. Стадия продолжается до установления среднесуточной температу­ры воздуха —5° С. В это время пучение еще не наблюдается. Избыток свободной воды q в грунте отсутствует. Модуль упруго­сти грунта при водонепроницаемых покрытиях и хорошем со­стоянии задернованных обочин всего на 10—15% меньше, чем летом.

Вторая стадия — зимнее накопление влаги. При промер­зании грунта накопленная с осени влага перераспределяется. С понижением температуры воздуха граница промерзания опуска­ется, вызывая подтягивание влаги из талого слоя грунта в мерз­лый. При сильных морозах (скорость промерзания по оси проез­жей части v_n не менее 4,5—5 см/сут) граница промерзания опускается быстро и влага из более глубоких теплых слоев грунта не успевает переместиться в верхнюю часть земляного полотна. При скорости Vn ^ 2,5 см/сут в грунте происходит интенсивное льдообразование, сопровождающееся неравномерным морозным пучением покрытия, приводящим к ухудшению его транспортно­эксплуатационных качеств.

51Ш 7/Ш fJ/JT

Рис. IV. 1. Неравномерность промер­зания и оттаивания земляного полот­на на автомобильных дорогах Мос­ковского узла:

Во время этой стадии в пер­вую половину зимы при погодных условиях, близких к средней мно­голетней норме, в центральных, северных и северо-западных рай­онах европейской части СССР влажность верхней части земля­ного полотна повышается до W_e^ ^ (0,75—0,85) W_T. Резко увеличи­вается и морозное пучение.

Третья стадия — вымер­зание воды из песчаного подсти­лающего слоя дорожной одежды и установление равновесного со­стояния влаги в грунтах верхней части земляного полотна. В этот период наблюдается наиболее низкая зимняя температура. Глу­бина промерзания г почти дости­гает максимума. По мере увеличе­ния глубины увеличивается пуче­ние. К концу третьей стадии пуче­ние достигает максимума. Влаж­ность земляного полотна практи­чески не изменяется, влажность песчаного подстилающего слоя большей частью снижается из-за происходящего вымерзания. В южных районах с мягкими зима­ми, а также в районах с высокой влажностью воздуха вымерзание может и не наблюдаться.

Четвертая стадия — на­сыщение земляного полотна вла­гой. По мере оттаивания влаж­ность грунта резко повышается. Морозное пучение уменьшается. Одновременно снижается модуль упругости грунта Eq. Избыток сво­бодной воды <7, выделяющейся в земляном полотне, отжимается по трещинам и порам грунта в коры­то под действием движущихся грузовых автомобилей.

Повышение влажности связа­но с инфильтрацией свободной воды и конденсацией у верхней границы промерзания водяных паров. Относительный процент'

1 — максимальная граница промерзания; 2—границы оттаявшего грунта (сверху по датам), 3— свободная вода, выделившаяся при оттанванин ледяных прослоек; 4— на­правление отжатня свободной воды в пе­риод оттаивания грунтов; 5—сплошной песчаный слой; 6 — основание дорожной одежды; 7 — асфальтобетонное покрытие; 8—снег; 9 — уровень воды в канаве под снегом (25/1II); 10 — ледяной слой на обо­чинах (20/1V); 11 — направление движения влаги по незамерзающим пленкам на по­верхности грунтовых частиц к границе промерзающего грунта

Рис. IV.2. Схема закономерности из­менения во времени морозного пуче­ния /г_Пуч, модуля упругости Е₀ и влажности W грунтов земляного по­лотна во II и III дорожно-климати­ческих зонах:

1 — влажность песчаного подстилающего слоя; 2 — влажность грунта верхней части земляного полотна; 3 — кривая промерза­ния; 4 — кривая оттаивания; 5 — ледяные линзы и прослойки; z — глубина промер­зания; I—V — стадии изменения влажности грунта

конденсационной воды по отношению к общему притоку воды, по­ступающему в корыто, увеличивается с приближением к югу.

Процесс изменения влажности земляного полотна зависит от скорости оттаивания. Чем продолжительнее затяжная весна (ноч­ные заморозки сменяются теплыми солнечными днями без осад­ков), тем быстрее вследствие испарения днем и морозного вымер­зания ночью уменьшается влажность грунта и, следовательно, меньше вероятность снижения модуля упругости грунта Е₀. В годы с затяжной весной деформации на покрытиях почти не наблюда­ются. При дружной весне, характеризуемой скоростью оттаивания 7—8 см/сут, наоборот, увеличивается количество деформаций на покрытиях из-за снижения прочности грунта и материала подсти­лающего слоя.

Осадки, выпадающие в период дружной весны, особенно если их количество превышает 60 мм, способствуют дополнительному увлажнению грунтов, которое может достигнуть величины, пре­вышающей (0,854-0,9) W?. При столь значительной средней влаж­ности грунтов верхней части земляного полотна в центральных районах европейской части СССР удельный приток свободной во­ды в корыто нередко достигает 5—7 л/м² в сутки. Процесс ее от­жатая продолжается, пока влажность связных грунтов не снизится до W_e, меньшей (0,74-0,75) W_T, и верхняя граница оттаивания не опустится глубже 1—1,2 м, что соответствует мощности несущего слоя грунта при современной расчетной нагрузке.

Чем эффективнее работают дренирующий слой и дренажные устройства, тем быстрее восстанавливается летний режим земля­ного полотна, а потому быстрее повышается и модуль упругости грунта.

Пятая стадия — восстановление летнего водно-теплового режима земляного полотна при полном оттаивании. В грунтах остается лишь местами капиллярно-разомкнутая (подвешенная) вода, горизонт которой в центральных и северо-западных районах европейской части СССР обычно расположен глубже 1 м. Умень­шение влажности и увеличение плотности грунта связаны с вы­сокой испаряющей способностью земляного полотна, особенно в на­сыпях, и опусканием уровня подземных вод . почти до летней от­метки.

Рассмотренная в общем виде закономерность изменения влаж­ности относится лишь к верхней части земляного полотна глуби­ной до (2,54-3,0) D от поверхности проезжей части, где D — диа­метр отпечатка колеса расчетного автомобиля.

Влажность грунтов, залегающих ниже 1,5—1,8 м, остается почти постоянной в течение года, даже в лесных районах II до­рожно-климатической зоны, лишь незначительно повышаясь во время четвертой стадии. В лесных районах III зоны, где глубина промерзания м, влажность связных грунтов нижней части

земляного полотна (по данным ХАДИ) практически стабильна. В степных районах IV и V зон, начиная с глубины 0,8—1,0 м, за­легает так называемый «мертвый» горизонт, имеющий постоянную влажность (за исключением районов искусственного орошения и засоленных грунтов).

На влажность верхней части земляного полотна оказывают существенное влияние тип покрытия и общая толщина дорожной одежды. С ее увеличением уменьшаются пределы колебания влаж­ности, а также модуль упругости грунтов. При толщине современ­ных дорожных одежд 0,65—0,85 м влажность верхней части зем­ляного полотна изменяется в соответствии с синусоидой средне­годичного цикла, что упрощает теорию расчета его водно-тепло­вого режима.

Циклическое изменение водно-теплового режима земляного по­лотна, особенно в зоне хвойно-лиственных лесов с подзолистыми и заболоченными грунтами сопровождается усиленным протека­нием процессов оглеения.

Во II дорожно-климатической зоне через 15—20 лет службы дороги прочность покровных глинистых грунтов, уложенных в на­сыпь или прикрытых водонепроницаемой дорожной одеждой, при нулевом профиле земляного полотна значительно снижается.

Оглеенные глинистые грунты почти всегда находятся в земля­ном полотне в увлажненном состоянии, представляя собой при относительной влажности более (0,754-0,8) W_T иловатую упруго­вязкую массу зеленоватой окраски. Структура таких грунтов иная, чем в резервах, из которых возводилась насыпь. Модуль упругости их в 2—3 раза меньше, чем грунтов придорожной полосы при оди­наковой степени плотности. Такое изменение грунтов в земляном полотне (их «старение») происходит тем медленнее, чем выше рабочая отметка насыпи. Поэтому при реконструкции дорог особое внимание следует уделять участкам с заниженным земляным по­лотном, принимая для них больший коэффициент запаса прочно­сти при проектировании дорожных одежд.

В соответствии с рассмотренными выше закономерностями водно-теплового режима и следует изучать состояние земляного полотна перед его реконструкцией.

Морозное пучение нужно определять во время третьей стадии, а значение модуля упругости грунта и удельного избытка свобод­ной воды — при четвертой стадии.