книги из ГПНТБ / Поляков А.В. Водоотвод и дренаж на аэродромах

10

2 . Физически связанная вода (гигроскопическая). Это вода, адсорбированная из воздуха частицами грунта. Чем влажнее воз­

дух, тем больше адсорбируется вода. Гигроскопичность грунтов

зависит от суммарной поверхности, образуемой элементарными ча­ стицами грунта. Плотность гигроскопической воды выше плотности

свободной воды. Гигроскопическая вода является неподвижной и

недоступной растениям. Передвигается эта вода только после превращения ее в пар при температуре 105°. Наличие данной воды

обусловливает твердую и твердо-пластичную фазу грунтов.

3. Свободная вода. Свободная вода подразделяется: а) на парообразную, б) пленочную, в) капиллярную и г) гравитационную.

Па р о о б р а з н а я в о д а . Парообразная вода за­

полняет все свободные поры грунта. Парообразная вода непрерыв­

но передвигается из зоны с,большей упругостью ( т .е . зоны с более высокой температурой) в зону с меньшей упругостью. Эта

вода может стать доступной растениям только после конденсации

еев капельножидкую. Водяные пары конденсируются в грунтах, когда упругость этих паров больше упругости паров в соответ­ ствующих горизонтах грунтов. При промерзании грунтов, имеющих

свободные от воды поры, парообразная вода может передвигаться

как к фронту промерзания, так и в мерзлом грунте до заполнения пор льдом. Для инженера-строителя парообразная вода представ­ ляет интерес с двух точек зрения. Во-первых, как источник по­

полнения запасов воды в грунтах, необходимой для дернообразующих трав. По данным проф.А.Ф.Лебедева в грунтах южных степных районов около 30% общих запасов влаги в почвах образуется за счет конденсации парообразной воды. Во-вторых, перемещение па­ рообразной воды является одной из причин образования в верхних

слоях грунта льда в виде кристаллов и линз, что вызывает пу­ чение грунтов.

Пл е н о ч н а я в о д а . Эта вода является переход­ ной формой от связанной (гигроскопической) к свободной воде.

Данная вода в виде пленок, связана с частицами грунта молекул

лярными силами, как и гигроскопическая вода. Пленки, близко прилегающие к частицам грунта, удерживаются крепче '-этими части­ цами, чем пленки более удаленные. По этой причине пленочная

вода может передвигаться из слоя более влажного грунта в слой менее влажный. Максимальное количество воды, находящееся в

пленочном состоянии, как известно, называется максимальной

молекулярной влагоемкостьго. При указанной влажности почвы име­

II

ет место увядание растений (так как сосущая сила корней равно­

значна силе связи воды с грунтом). Пленочная вода представляет интерес для инженера-строителя и в том отношении, что ее пере­ движение (миграция) в почве способствует большему влагонакоп-

лениго в верхних слоях грунтов, что при промерзании ведет к пу­ чению грунтов.

К а п и л л я р н а я в о д а . Капиллярной называют во­

ду, удерживаемую в грунте капиллярными (менисковыми) силами.

Различают три состояния этого вида воды: капиллярно-разобщен­ ное, капиллярно-подвижное и капиллярно-легкоподвижное. По

условиям формирования различают, кроме того, капиллярно-опертую

и капиллярно-подвешенную воду. Капиллярная вода в грунте пред­ ставляет весьма сложную систему. Эта вода вполне доступна ра­

стениям. Часто капиллярная вода наблюдается в грунтах в соче­ тании с грунтовыми водами, поднимаясь по капиллярам в верхние слои. Движение (поднятие) капиллярной воды в грунтах подчиняет­

ся двум законам. Первый - высота капиллярного поднятия обратно

пропорциональна диаметру капилляра, т .е . чем меньше диаметр капилляра, тем на большую высоту поднимается капиллярная вода.

Второй - скорость капиллярного движения воды прямо пропорцио­

нальна диаметру капилляра, т .е . в капилляре большего диаметра поднятие совершается быстро, а в меньшем - медленно. Приближен­

ные данные о высоте капиллярного поднятия характеризуются та­

кими цифрами: глина - 400+500 см, суглинок тяжелый - 30и+400см, суглинок средний 200*300 см, суглинок легкий - 150+200 см, су­ песь - 100+150 см и песчаная почва - 50+100 см. По некоторым данным,капиллярное поднятие в предварительно увлажненном грун­ те больше,чем в сухом.Капиллярная вода может образовываться не только за счет грунтовых вод, но и в результате просачивания

дождевой воды и конденсации паров в грунте. Состояние увлажне­

ния капиллярной водой почти соответствует так называемой пре­ дельной водоудерживающей способности. При этом увлажнении по­ является малая связность грунтов.и теряется их несущая способ­

ность. Для инженера-строителя этот вид воды имеет существенную

может передвигаться в грунте под влиянием силы тяжести. Гра-

12

витационнув воду в грунте можно заметить невооруженным глазом.

Если образец грунта с гравитационной водой взять в руку, то

гравитационная вода начнет вытекать. Эта вода заполняет в

грунтах трещины и крупные пустоты. Гравитационная вода часто

вредна для роста дернообраэующих трав. Грунты, увлажненные этой водой до полной влагоемкости, т .е . до состояния, когда

все поры заполнены водой, обладают весьма малой несущей спо­

собностью. При замерзании такие грунты увеличивают свой объем, йто способствует их пучению. Рассмотрение вопросов, связанных

с гравитационной водой при проектировании инженерно-строитель­ ных мероприятий на летном поле, трудно переоценить.

Кроне рассмотренных здесь категорий веды в грунтах, не­

которые исследователи выделяют в самостоятельную категорию еще

воду в твердой фазе - лед.

На изменение соотношений категорий воды в грунтах, так же

как и на изменение соотношений некоторых элементов уравнения водного баланса и водного режима грунтов в целом, оказывают

влияние природные факторы и инженерные мероприятия, проводи­

мые на летнем поле.

§ 2 . ВЛИЯНИЕ ПРИРОДНЫХ УСЛОВИЙ НА ВОДНЫЙ РЕЖИМ ГРУНТОВ

Все перечисленные факторы тесно связаны друг с другом и

находятся в постоянна! изменении и взаимовлиянии. Так, напри­

мер, рельеф тесно связан с грунтами, растительностью, гидро­ геологическими условиями, стоком поверхностных вод и. т .д . Поэтому при оценке природных условий природные факторы следует

изучать в совокупности, в динамике,.в виде комплекса условий,

характерных для данной местности. При этом следует иметь в виду возможные изменения некоторых природных условий под влия­

но учитывать при проектировании летных полос. По климатическим

условиям обширная территория Советского Союза разделена на климатические зоны.

Большое влияние на водный режим грунтов оказывает рельеф

местности. Рельефом определяются условия стока поверхностных вод, выпавших в виде атмосферных осадков. Наиболее неблаго­ приятными в отношении стока поверхностных вод являются участки

и места в виде замкнутых пониженнастей (блюдец) и места с малы­

ми уклонами. На этих участках происходит скопление и застой воды, а следовательно и длительное переувлажнение грунтов.

Участки с уклонами менее 0,005 на аэродромах принято относить

к участкам с необеспеченным стоком. В зависимости от характера рельефа возможен приток воды на летное поле и со стороны. При

соответствующем сложении грунтов рельеф влияет не только на стоковые (гидрологические) условия, но .и на гидрогеологические условия участков. В пониженных местах с необеспеченным стоком,

где хорошо водопроницаемые грунты подстилаются на небольшой

глубине слабоводопроницаемыми грунтами, возможно появление

грунтовых вод, верховодки и т .д . В ряде случаев на склонах воз­ можно выклинивание грунтовых вод на поверхность земли. Кроме

рельефа, на водный режим грунтов оказывает влияние и микро­

рельеф (мелкие неровности поверхности). К рельефу и микро­

рельефу летных полос по условиям работы авиации и улучшения гидрологических условий предъявляются специальные требования.

На водный режим грунтов, кроме вышерассмотренных природ­ ных факторов, влияют также характеристики самих грунтов и геологическое строение участков. Благоприятными в отношении: водопроницаемости являются песчаные грунты и неблагоприятными -

глинистые. Глинистые грунты способствуют застою поверхностных

деляется общин геологическим строением участков.

С водным режимом грунтов тесно связаны поверхностные и

грунтовые воды. И те и другие вызывают увлажнение и переувлаж­

нение грунтов. Поверхностные воды увлажняют грунты ири инфильт­ рации (просачивании) воды, а грунтовые воды приводят к увлажне­

нию не только грунты, находящиеся ниже уровня грунтовых вод (УГВ), но и выше за счет поднятия воды по капиллярам в грунте

("капиллярная бахрома"). Схемы увлажнения грунтов выше уровня

15

воды приведены на рис.4 . Чен ближе к поверхности зенли располо­

жен уровень грунтовых вод, тем в более увлажненном состоянии будут находиться грунту около поверхности.

Растительность местности, так же как и вышерассмотренные природные факторы, тесно связана с водным режимом грунтов.

Растительность оказывает влияние на испарение влаги, а следо­

вательно, и на просыхаете грунтов, на колебания температуры воздуха и грунта и т .д . Влияние растительности сказывается на водном режиме главным образом верхних слоев грунта - почве.

§ 3. КЛИМАТИЧЕСКОЕ РАЙОНИРОВАНИЕ ТЕРРИТОРИИ СССР

Природные условия на громадной территории СССР весьма раз­ нообразны. Проектирование аэродромов на такой территории по единым правилам не представляется возможным. С целью удобства

проектирования аэродромов по геофизическим зонам предложено

климатическое районирование территории СССР. При этом исходят из климатического районирования, разработанного СоюзДорНИИ*',

х) СоюаДорНИИ - Всесоюзный Дорожный Научно-Исследователь­ ский Институт.

16

применительно к строительству автомобильных дорог. Считается,

что условия увлажнения и воздействие других природных факторов на грунты аэродромов в пределах одной климатической зоны мало отличаются друг от друга;.

В основу принятого климатического районирования положен водно-тепловой режим местности, характеристикой которого явля­

ется современный почвенный покров. Почвенный покров комплексно

отражает условия увлажнения почвенно-грунтовой тблщи и распро­ странение отдельных почвенных типов применительно к определен­

ным климатическим зонам. Почвенный покров, как известно, явля­ ется продуктом многовекового воздействия на грунт изменяющих­

ся во времени природных факторов. Распространение тех или иных

видов почв тесно связано с климатом местности. В связи с этим исходным материалом для деления территории СССР на климатиче-

стсие зовы послужила почвенная карта на территорию СССР.,'Кроме

того, при составлении карты климатического районирования учтен опыт эксплуатации транспортных сооружений в различных районах нашей страны. Из сопоставления разработанной карты климатиче­

ского районирования с почвенной картой и картой ландшафтных

аон (тундра, тайга, лесостепь, степь и т .д .) видно, что указан­ ные на территории СССР границы климатических зон примерно соот­ ветствуют границам почвенных и ландшафтных зон.

По климатическим условиям территорию СССР делят на пять

районы распространения многолетнемерзлых грунтов. Для этой зоны характерно переувлажнение верхних слоев грунта, так как

просачиванию воды вглубь препятствует расположенный близ по­

верхности мерзлый грунт. Испарение в зоне незначительно в связи с кратковременностью теплого периода года. Характеризуя увлажнение грунтов коэффициентом водного баланса (по акад.

А.Н.Костикову), т .е . сопоставлением прихода и расхода воды в

грунт, можно видеть, что для этой зоны значение указанного

коэффициента составляет более 1 ,5 :

где г[ - коэффициент водного баланса;

И - годовое количество осадков;

Рис.5. Климатические зоны СССР

18

jj. - коэффициент, учитывающий долю осадков, впитывающихся

вгрунт;

Е- величина испарения воды за год.

нием [ д ] .

Первая зона расположена севернее линии Мончегорск - По­

Ввиду сложности природных условий и наличия местных особен­

ностей на участках, для этой зоны типовые инженерные решения по строительству летных полей не рекомендуются.

В т о р а я з о н а - зона избыточного увлажнения-ох- ватывает обширную территорию с несколько различающимися усло­

виями климата и увлажнения. Зона характерна наличием таежных

исмешанных лесов, а также подзолистым типом почвообразования. Избыточное увлажнение в зоне имеет место по причине значитель­ ного количества выпадающих осадков, недостаточной испаряемости

ивысокого расположения грунтовых вод. Коэффициент водного ба­

ланса, по акад. А.Н.Костякову, для второй зоны составляет от

1,5 до 2 . Вторая зона ограничивается с юга линией Львов - Жи­ томир - Тула - Горький - Ижевск - Каштым - Томск - Канск, юж­

нее первой зоны до государственной границы.

Т р е т ь я з о н а - зона переменного увлажнения - характеризуется избыточным увлажнением весной и осенью, но

среднегодовой коэффициент водного баланса здесь близок к I ; лето теплое. Зона распространяется на юг на 50 - 100 км от границы смешанных лесов и включает в себя лесостепную зону до линии Кишинев - Кировоград - Белгород - Куйбышев - Магнито­ горск - Омск - Бийск - Туран. К этой же зоне относятся Кубань и западная часть Северного Кавказа. Таким образом, граница зо­ ны проходит отчасти по северной границе серых лесных почв, а

восточнее Ельца переходит на северную границу черноземных почв.

19

побережья озера Балхаш. К этой же зоне относятся Черноморское побережье и Предкавказские степи, за исключением части этих степей, входящих в третью зону. Северная часть зоны занята ле­ состепью. Южная часть левобережья представляет собой степь. Нона характеризуется умеренным увлажнением верхних слоев грун­

та вследствие небольшого количества осадков и значительной иб-

с ландшафтной зоной полупустыни и пустыни и с областями распро­

странения бурых и каштановых почв с включением части солонцов и солончаков. Для пятой зоны характерно незначительное увлажне­ ние грунтов ввиду сильной испаряемости ( /| < 1.)ё .

Карта расположения климатических зон на территории СССР

приведена на рис.5. Сопоставления климатических зон с почвен­ ными и ландшафтно-географическими зонами даны на рис.6, 7 [1б].

Изменение причин увлажнения грунтов при передвижении с северо-

запада на юго-восток показано на рис.8 . Каждая из климатических зон делится на восточный и западный районы, граница между кото­

рыми принимается по рекам Болта и Северная Двина. Климатические

условия для горных районов определяются в каждом отдельном слу­ чае по местным метеорологическим данным. По мере накопления опыта аэродромного и дорожного строительства границы каждой из зон уточняются. В ряде случаев может возникнуть потребность раз­ деления зон на несколько частей (например, второй зоны).

Необходимо отметить, что климатическое районирование позво­

ляет получить лишь общую характеристику района. Для целей про­

ектирования летного поля знание климатической зоны необходимо,

но недостаточно. Необходимо учитывать, кроме климатической зо­

ны, местные особенности участков, намеченных под аэродромы.

Известно, что на увлажнение грунтовых летных полос и оснований

покрытий оказывают большое влияние гидрологические и гидрогео­

логические условия местности (рельеф, грунты, грунтовые воды и т . д . ) . Кроме того, в результате проведения инженерно-строитель­ ных работ при сооружении летных полос (вертикальной планировки,

водоотвода, устройства покрытий, задернения) условия работы грунтов на летном поле могут также существенно измениться, с

чем нельзя не считаться. Правильная оценка прочности и устой-