Проектирование автомобильных дорог Часть 1

Рис. 7.3. Изменение климатических факторов и источников увлажнения земляно­ го полотна в пределах европейской территории СССР. Влажность выражена в долях предела текучести:

1 — испарение; 2 — осадки; 3 — уровень грунтовых вод; / — частые пучины; II — возможные пучины; III — увеличенная влажность из-за конденсации паров; А, В, С, G — характерные почвенные горизонты (Л — гумусовый и элювиальный; В — аллювиальный; С — почвообра­ зующие породы; G — оглеенный)

По мере приближения к югу консистенция грунтов в весенний период в основании дорожной одежды становится все более плот­ ной, влажность, выраженная в долях предела текучести,— мень­ шей, а продолжительность переувлажнения сокращается.

7.4.Зимнее перераспределение влаги в земляном полотне

ипроцесс пучинообразования

Для дорог, построенных в северных районах страны с дождли­ вой осенью и морозными зимами, характерны процессы зимнего перераспределения влаги в земляном полотне, приводящие к на­ коплению влаги в верхних слоях грунта.

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 верх­ нем слое грунта. Под влиянием разности температур влага начи­ нает перемещаться от теплого грунта к границе промерзания.

121

Существует несколько путей перемещения воды в промерзающем грунте:

перемещение влаги по пленкам, обволакивающим грунтовые частицы, от более теплых частиц к более холодным, которые обла­ дают большей поверхностной энергией;

путем конденсации на поверхности охлажденных грунтовых ча­ стиц водяных паров, приносимых содержащимся в грунте возду­ хом из нижних теплых 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;

по тонким капиллярам, из которых незамерзающая вода вса­ сывается в мерзлую часть грунта к центрам кристаллизации.

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

Молекулы воды в поверхностных слоях водных пленок на грун­ товых частицах, соприкасающихся с кристаллами льда, при пони­ жении температуры начинают подтягиваться к кристаллам льда, включаясь в их кристаллическую решетку. В мелкозернистых грунГах эти кристаллы постепенно увеличиваются в объеме, при­ тягивая к себе влагу из окружающего грунта и из расположен­ ных ниже незамерзших слоев грунта. Возникающая всасывающая сила, природа которой в полной мере еще не изучена, заставляет воду по системе пленок и тонких капилляров передвигаться из незамерзших слоев к центрам замерзания, вызывая накопление в грунте прослоек льда. Перемещение влаги протекает интенсивно при температурах от 0 до минус 3°С. При более низких темпера­ турах большая часть рыхло связанной пленочной воды замерзает и перемещение влаги в грунте практически прекращается.

Количество воды, подтянутой к растущим ледяным кристал­ лам, бывает тем большим, чем дольше продолжается процесс по­ степенного промерзания грунта, т. е. чем более длительный период времени температура какого-либо слоя грунта находится в пре­ делах от 0 до минус 3°С. При быстром промерзании грунта коли­ чество влаги, которое успевает подойти к каждому центру кри­ сталлизации, невелико, так как по мере опускания границы промёрзания в грунте возникают новые центры кристаллизации, к которым направляется поток влаги. Горизонты накопления ле­ дяных 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 грун­ товые частицы и вызывают поднятие (пучение) грунта (рис. 7.4), приводящее к появлению взбугриваний. При весеннем оттаивании грунта сопротивление оттаявшего сильно увлажненного грунта

122

Рис. 7.4. Увеличение глубины промерзания и вспучивания грунта в течение зим­ него периода:

1 — вспучивание покрытия; 2 — промерзание грунта земляного полотна; 3 — линзы льда; 4 — оттаивание грунта; 5 — дорожная одежда; 6 — грунт земляного полотна

земляного полотна нагрузкам резко снижается. На дорогах, где дорожная одежда имеет недостаточную прочность, возникают ха­ рактерные деформации, связанные с проломами дорожной одежды (весенние пучины).

Сопротивление, оказываемое весом расположенных выше слоев грунта, затрудняет накопление льда и противодействует образо­ ванию ледяных прослоек. Поэтому с увеличением глубины про­ мерзания интенсивность образования в грунте ледяных кристал­ лов уменьшается. Глубину, на которой кристаллы практически перестают образовываться, называют критической глубиной про­ мерзания.

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 обеспе­ чить 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 пе­ ремещается замедленно, поскольку в тончайших порах глинистых грунтов вязкость связанной воды очень велика, а микроструктура грунтов создает значительные сопротивления для перемещения влаги.

Характеристикой интенсивности процесса зимнего влагонакопления в грунте может служить коэффициент пучения КП, который выражает отношение высоты поднятия поверхности грунта к глу­ бине промерзания. По данным проф. Н. А. Пузакова, при благо­ приятных грунтово-гидрологических условиях Кп= 2-нЗ % • В небла­

123

гоприятных случаях, например при близком к поверхности грунта стоянии уровня грунтовых вод, Кп может достигать 15—20%. Для определения общего количества влаги, накопившейся в земляном полотне за зимний период при различных источниках увлажнения земляного полотна, разработан ряд методов (проф. И. А. Золотарь, проф. В. М. Сиденко и др.). Наиболее простой из них, с достаточ­ ной точностью удовлетворяющий требованиям расчетов водногорежима земляного полотна автомобильных дорог, предложен проф. Н. А. Пузаковым.

Рассмотрим процессы зимнего влагонакопления в охлаждаемом сверху столбике грунта с площадью сечения, равной единице.

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

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

Накопление влаги в верхних слоях земляного полотна происхо­ дит в этом случае путем ее парообразного перемещения, конденса­ ции и перераспределения пленочной влаги в зоне отрицательных температур. Многочисленные наблюдения за промерзанием грун­ тов показывают, что, несмотря на колебания температуры воздуха, в течение зимы глубина распространения определенной отрица­ тельной температуры в грунте с достаточной точностью может быть выражена эмпирической зависимостью

где ат — коэффициент, зависящий от рассматриваемой температуры и кли­ матических условий местности, см2/сут; t — продолжительность промерзания, сут.

Средние значения коэффициента ат для изотермы 0 °С, разгра­ ничивающей талый и замерзающий грунты, колеблются для евро­ пейской территории СССР в пределах от 50 до 150 см2/сут (рис. 7.5).

Для изотермы —3СС, при которой адсорбированная вода прак­ тически утрачивает подвижность, значение а_з°с составляет в за­ висимости от типа грунта от 0,1 a_i °с до 0,85 a_i °с.

Мощность -мерзлой зоны, в пределах которой происходит пере­ мещение влаги через t дней после начала промерзания, согласно рис. 7.6, а и формуле (7.1) составляет

Лабораторные опыты показали, что количество незамерзшей

124

Рис. 7.5. Карта изолиний климатического параметра ао«с:

1 — граница сплошного распространения вечномерзлых грунтов; 2 — то же островного про­ мерзания

ем температурных градиентов. Распространяя общие закономер­ ности механики грунтов на случай перемещения пленочной влаги, принимают, что аналогично гравитационной фильтрации воды через грунт скорость пленочного перемещения воды может быть выражена зависимостью, сходной с формулой Дарси:

где км — коэффициент молекулярной влагопроводимости грунта, значение которого может быть определено опытным путем. Поскольку в уравнении (7.3) градиент влажности выражен в относительных объемах, а не в приведенных высотах слоя воды, коэффициент молекулярной влагопроводимости имеет раз­ мерность см2/сут; L — путь перемещения влаги — расстояние между нзотерма-

125

Рис. 7.6. Схемы к определению, количества влаги, поступающей в зону промер­ зания:

а — изменение во времени мощности зоны пучения грунта; б — средний путь перемещения незамерзающей влаги; в — путь перемещения в зоне капиллярного перемещения

В период от начала промерзания до достижения критической глубины hKр, ниже которой давление грунта препятствует возникдовению линз льда, средний путь перемещения незамерзшей пле­ ночной влаги (рис. 7.6,6)

/ 2 ^ 7 ( / °0 -с - / о-з-с)

Допуская распределение температур в мерзлом слое по линей­ ному закону, получаем, что количество влаги (в см3/см2), посту­ пившее за! полный период промерзания грунта /кр,

т —w i)

X

ар °с Л^ а—з °с)

о

dt = \№*(WQ- W l)

(7.6)

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

За осенние месяцы верхний слой грунта насыщается влагой и в нем создается столб подвешенной капиллярной воды со средней влажностью, превышающей 0,6 от предела текучести грунта.

Увлажнение грунта в зоне отрицательных температур происхо­ дит в результате подтягивания капиллярно-подвешенной и пленоч­ ной воды. На уровне нулевой изотермы грунт имеет влажность, равную молекулярной влагоемкости WQ. Количество перемещаю-

126

щейся влаги определяют аналогично предыдущему случаю, с учетом того, что влажность грунта изменяется от начальной: капиллярной влажности Wк до молекулярной влагоемкости W0.

По мере промерзания весь подвешенный столб капиллярной: воды подтягивается кверху. Таким образом, во втором расчетном случае учитывают перемещение воды в зоне положительных темпе­ ратур. Наблюдения показали, что в этом случае путь фильтрации воды изменяется пропорционально корню квадратному из продол­ жительности промерзания tHP:

где kK— коэффициент капиллярной влагопроводимости грунта, см2/сут.

Средний за время £Кр путь фильтрации

Следовательно, условный градиент притока капиллярной вла ги в этом случае

V 12AzK^Kp

Скорость притока капиллярной влаги

127"

3.В местностях с близким от поверхности стоянием уровня

трунтовых вод (постоянно сырые места) осеняя влажность грун­ та может быть принята равной капиллярной влагоемкости грунта. Путь подтягивания воды к замерзшему слою сокращается по мере роста глубины промерзания (рис. 7.6, в)

где Я — глубина уровня грунтовых вод от поверхности грунта.

Аналогично предыдущему

Приток воды в зону промерзания

*кр

Q3= ^ v3dt = 2kKW« ~ Wо х а3

(7.14)

Х (Я ‘" Н - У 2а„.с<кр У 2а» - ^ )'

Уравнение (7.13) отражает процесс перемещения влаги лишь при hKV<.H. При hKp = H знаменатель становится равным нулю и скорость получается бесконечно большой. Поэтому формула (7.13) применима лишь до hKр<;0,75 Н. Для больших глубин проф. М. Б. Корсунский предложил пользоваться эмпирической форму­ лой

_____ 2АК(Wк —Г 0)_____

(7.15)

0,125Я ехр [2,8(1 — Акр)/Я ]

Зная количество воды, поступившей в промерзающую зону за определенное время, можно, допуская, что вся вода замерзает, оп­ ределить для всех случаев увлажнения соответствующую высоту пучения

Средние значения входящих в формулы коэффициентов молеку­ лярной и капиллярной влагопроводимости для разных грунтов по данным Н. А. Пузакова, приведены в табл. 7.3.

7.5. Дорожно-климатическое районирование СССР

Разнообразие климатических, почвенно-грунтовых и гидрологи­ ческих условий на обширной территории СССР не позволяет про-

128

ектировать земляное полотно и дорожную одежду во всех клима­ тических зонах СССР по единым правилам.

Построенная автомобильная дорога, подвергаясь воздействию климатических факторов, участвует во всех естественно-историче­

климатические зоны положено естественно-историческое райониро­ вание, которое делит территорию СССР на ряд зон, отличающихся общностью климата, гидрологических и геоморфологических усло­ вий. Следствием относительного постоянства в пределах каждой зоны тепла и влаги являются примерно однородные типы почв и растительности.

Предусматриваемое при проектировании дорог возвышение ни­ за дорожной одежды над источниками увлажнения и очистка доро­ ги от снега в процессе эксплуатации, увеличивающая глубину промерзания земляного полотна, несколько меняют водно-тепло­ вой режим земляного полотна по сравнению с прилегающей мест­ ностью. Поэтому границы дорожно-климатических зон не совпада­ ют точно с границами естественно-исторического районирования.

Однако сопоставление карты дорожного районирования со схе­ мой распространения почвенных типов (рис. 7.7) и с картой ланд­ шафтных зон на территории СССР (рис. 7.8) показывает, что зоны дорожного районирования примерно соответствуют границам поч­ венных и ландшафтно-географических зон.

По дорожно-климатическим условиям территория СССР разде­

Канск — Туран — Горно-Алтайск — госграница СССР — Благове­ щенск — Биробиджан — Николаевск-на-Амуре. Эта зона включает в себя географические зоны тундры, лесотундры и северо-восточ­ ную часть лесной зоны; характеризуется переувлажнением верх­ них слоев грунта. Просачиванию воды вглубь препятствует распо­ ложенный вблизи от поверхности грунта мерзлый грунт. Испаре­ ние незначительно в связи с кратковременностью теплого периода года.

Так как исключительно сильно проявляется зависимость глуби­ ны залегания вечномерзлого слоя от растительного покрова, рель­ ефа и экспозиции склонов по отношению к странам света, типовых рекомендаций по конструкциям земляного полотна и дорожной одежды для I дорожно-климатической зоны не дается. В I зоне выделяют три подзоны, различающиеся по температуре вечномерз­ лых грунтов и влажности сезонно оттаивающего слоя;