5.2. Годовой цикл изменения водно-теплового режима грунта земляного полотна автомобильных дорог

Закономерное изменение в течении времени влажности и температуры в приземном слое воздуха и в верхних слоях грунтов называют водно-тепловым режимом.

Вгрунтах земляного полотна с течением времени устанавливается свой водно-тепловой режим, который в какой-то мере отличается от водно-теплового режима окружающей местности, но подчиняющияся общим закономерностям изменения влажности и температуры, свойственной данной климатической зоне.

Вприлегающем слое к поверхности земляного полотна, местности воздух и верхние слои грунта находятся в тесной взаимосвязи между сoбой, т. е. тепловой режим местности после устройства земляного полотна несколько изменяется, поэтому дорожники проектируют так дорожную конструкцию и располагают ее на местности, чтобы водно-тепловой режим земляного полотна и местности в наибольшей степени способствовали устойчивости дорожной конструкции и их надежной работе. В связи с этим перед началом строительства дороги по метеорологическим данным района пролегания трассы составляют дорожно-климатический график (рис 5.1), на котором показывают ход температуры воздуха, атмосферные осадки, направление ветра, глубина промерзания грунтов, начало весны, осень, зима и др.

Водный режим местности можно характеризовать ее водным балансом, в котором сравнивается приход и расход влаги в тесной увязке с изменением температуры. Основные источники влаги показаны на рис 5.2, которые могут быть в жидком и твердом виде.

Впоследующем они образуют поверхностный сток, а часть их просачивается в грунт и пополняет запасы грунтовой воды, а часть осадков испаряется.

Рис. 5.2. Источники увлажнения земляного полотна 1 – атмосферные осадки; 2 – поверхностная вода ( вода в боковых канавах); 3-

капиллярная вода от уровня грунтовых вод; 4 – парообразная вода

При соответствующем сочетании температуры и увлажнения грунта испаряется и грунтовая вода. На место испарившейся воды из верхних слоев грунта, вода в пленочном или капиллярном виде поднимается из нижних, более влажных или грунтовых вод и в свою очередь испаряется в атмосферу.

Вода в жидком виде или парообразном состоянии передвигается из мест более теплых в более холодные, и из мест, где упругость пара большая в месте с меньшей упругостью. В месте с подъемом воды снизу вверх передвигаться и растворенные в ней соли, которые после испарения воды откладываются в верхних слоях. Изменения температуры воздуха существенно влияют на режим влажности грунта земляного полотна. При повышении температуры повышается возможность испарения влаги из грунта, потому что изменяется дефицит влаги (сухость воздуха увеличивается). При относительной влажности воздуха 100% испарения из грунта не происходит, т. е. насыщение водяными парами воздуха прекращается. Испарение тем больше, чем больше сила ветра, в связи с тем, что при передвижении воздуха насыщение водяными парами приземного слоя не происходит.

Растительный покров значительно способствует осушению грунта, так как часть влаги забирают растения (транспирация).

Круглосуточный цикл водно-теплового режима верхнего слоя земляного полотна (грунтового основания) в общем случае показано на рис. 5.3, а для опытных участков на рис. 5.4.

В цикле круглогодового хода водно-теплового режима выделено пять периодов (гл.4). В дополнение к изложенному в гл. 4 можно указать, что в Беларуси в октябре-ноябре месяцах происходит повышение влажности грунта земляного полотна, в связи с уменьшением испарения. В ноябре-январе- происходит накопление влаги в рабочем слое земляного полотна, засчет передвижения влаги снизу вверх и боковых комов. В январе-феврале грунт промерзает и происходит некоторое вымерзание влаги (испарение льда) на участках оголенных от снега и при отсутствии достаточных источников поступления влаги снизу и боков. В феврале-апреле промерзание грунта достигает максимальной величины и резкое повышение влажности (водонасыщение с накоплением ледяных линз и образование пучин. В апреле-мае месяцах происходит оттаивание грунта с большим количеством воды и резким падением прочности грунта.

Изменения влажности в грунтовом основании существенно влияет на его прочность.

Рис.5.3. Закономерности сезонных изменений водно-теплового режима и прочности грунта полотна в активной зоне: I — тепловой режим дорожной конструкции; II — водный режим дорожной конструкции; III—режим прочности дорожной конструкции

Рис. 5.4. Круглогодовой цикл водно-теплового режима верхнего слоя грунта земляного полотна по данным агрометеостанции Витебск

Исследование прочности и его взаимодействие с нагрузкой показывает, что влажность грунта в основании не должна быть выше верхней границы твердопластичного состояния и составлять 0,6Wt (где Wt – влажность грунта предела текучести).

Характеристиками водно-теплового режима земляного полотна является: степень насыщения грунта водой, миграция влаги, обусловленный, разностью температур, уровень грунтовых вод, теплоизолирующий слой дорожной одежды и др.

Абсолютное значение (величина) модуля упругости грунтового основания на различных участках дороги в разные сезоны года.

Расчетные значения модуля упругости принимается с учетом предельных значений влагонасыщения земляного полотна.

Температурный режим – это закономерное изменение температуры в различных точках дорожной одежды во времени. Он является функцией температуры околоземного слоя воздуха. С температурным режимом связано изменение влажности грунта земляного полотна и материала дорожной одежды. Уменьшение температуры воздуха влечет снижение испарения, а в осенний период к переувлажнению грунта.

Годовой ход температуры грунтов разделяется на два периода: нарастания температуры и ее снижения. Летом тепловой поток направлен вниз и к обочинам, и наиболее высокая температура грунтов наблюдается под покрытием. Осенью на непродолжительный период наблюдается осеннее температурное равновесие.

В это время происходит изменение направления температурных градиентов, и тепловой поток направлен снизу вверх. Перед началом промерзания грунта земляного полотна температура грунтов под обочинами немного выше, чем под покрытием, и тепловой поток направлен от обочины к покрытию. Такое состояние грунта сохраняется до конца зимы. К этому времени до начала оттаивания грунтов происходит изменение направления теплового потока. Это обуславливает то, что температура грунта на обрезе в зимний период значительно выше, чем под осью, а температура грунтов обреза и обочин почти одинакова. Таким образом, в земляном полотне, кроме вертикальных температурных градиентов: грунт – воздух, имеются и горизонтальные