Глава 4. Динамика развития водно-теплового режима в грунтах земляного полотна автомобильных дорог

4.1.Влияние климатических условий на развитие воднотеплового режима земляного полотна

Природные и климатические условия оказывают существенное влияние на развитие водно-теплового режима земляного полотна так как он по определению есть – закономерное изменение температуры и влажности земляного полотна в течение года и отражает водно-тепловые процессы, в нём протекающие.

Температурный режим – это закономерное изменение температуры в различных точках земляного полотна во времени. Он есть функция температуры околоземного слоя воздуха и закономерностей её изменения. С температурным режимом земляного полотна и материала дорожной одежды тесно связана их влажность, которая также закономерно изменяется в течение года. Например, с уменьшением температуры воздуха уменьшается испарение, а в результате может переувлажняться грунт земляного полотна. Это приводит к снижению прочности земляного полотна, к снижению эксплуатационных качеств дороги.

Температура грунта более устойчива, чем температура воздуха, ас глубиной – эта устойчивость повышается. С наступлением морозов, т.е. отрицательной температуры в грунте по сравнению с воздухом сильно запаздывает, поэтому глубина промерзания грунта не совпадает с проникновение в него температуры 0. Это связано с тем, что вода в порах грунта содержит раствор солей. Поэтому глубина промерзания грунтов меньше, чем глубина проникновения нулевой температуры.

Основными теплофизическими свойствами грунта, которые играют важную роль при его промерзании, являются: теплоёмкость, теплопроводность и теплоустойчивость.

Теплоёмкость – это способность грунта аккумулировать или отдавать тепловую энергию при теплообмене. Теплота сообщённая грунту, расходуется, согласно первому закону термодинамики, на изменении его внутренней энергии и на работу, связанную с расширением грунта. Сообщение грунту теплоты вызывает приращение его температуры.

Различают объёмную и удельную теплоёмкость.

Объёмная теплоёмкость численно равна количеству тепла, необходимого для изменения температуры единицы объёма грунта на 1и определяется по формуле:

,

теплоёмкость грунта, Дж/кг К.

Удельная теплоёмкость грунта численно равна количеству тепла необходимого для изменения температуры единицы его массы на 1.

,

,

где , – удельная теплоёмкость грунта в талом и мёрзлом состоянии, Дж/кг К; – удельная теплоёмкость частиц грунта,

равная:

щебень, гравий - = 837 Дж/кг К;

, – удельная теплоёмкость воды и льда (зависит от

температуры);

W – весовая влажность, %;

– среднее содержание незамёрзшей воды в процессе

промерзания, %.

Теплопроводность – способность грунта проводить тепло от нагретых его участков к более холодным. Она оценивается коэффициентом теплопроводности, представляющим собой величину, равную количеству тепла, проходящую за единицу времени через нормальное к направлению теплового потока сечение грунта площадью 1.

Теплоустойчивость – способность грунта сохранять свои прочностные и деформационные свойства при повышении температуры окружающей среды.

Морозостойкость – способность сопротивляться воздействию отрицательных температур. Она оценивается изменением прочности грунтов после определённого числа циклов замораживания и оттаивания.

Существенное влияние на глубину промерзания грунта оказывает снежный покров, который в Республике Беларусь может достичь 20-100 см.

Одним из факторов влияющих на прочность и устойчивость земляного полотна является атмосферные осадки, которые выпадают на поверхность земляного полотна. Они могут расходоваться на сток, просачивания в грунт (инфильтрация) и испарение. Возможность и интенсивность поступления влаги в грунт определяется водопроницаемостью.

Тепловой поток происходит: летом сверху вниз, осеньюснизу вверх, зимойснизу вверх, а веснойсверху и снизу. Сезонное направление тепловых потоков показано на рис. 4.1.

Рис 4.1 Направление теплового потока в грунтах земляного полотна

Передвижения влаги в горизонтальном направлении показано на рис. 4.2.

Рис 4.2. Расчётная схема для определения передвижения влаги в горизонтальном направлении

Изменение влажности грунта в зависимости от расстояния до источника увлажнения и продолжительности его действия показана на рис. 4.3.

Рис 4.3. Изменение влажности грунтов в зависимости от расстояния до источника увлажнения и времени его действия