Глава 7 Пучинообразование в дорожной конструкции

7.1 Причины и следствия возникновения пучин на автомобильных дорогах

Пучинами называют деформации дорожной одежды в виде бугров и сетки трещин, через которые под влиянием колес автомобиля на поверхность выдавливается переувлажненный грунт. Они образуются в период морозного влагонакопления в земляном полотне и проявляют себя при оттаивании дорожной конструкции. Необходимыми условиями возникновения пучин являются: интенсивное морозное влагонакопление (Wmax≥0,7...0,75), глубокое (h>0,75) медленное промерзание и тонкодисперсность грунта земляного полотна. При отсутствии любого из трех указанных условий пучины не возникают (рис. 7.1).

Условия

возникновения

Для пучения грунта при росте линз льда необходим непосредственный контакт линзы льда с уплотненной пленкой связанной воды, находящейся под давлением сил связывания с частицами грунта и поэтому выдерживающей значительную нагрузку от веса вышерасположенного грунта.

Следует иметь в виду, что кристалл льда при температуре ниже нуля может соприкасаться, сосуществовать с водой только если эта вода находится под повышенным давлением связывания, препятствующим переходу ее в решетку льда. Никакая капиллярная и свободная вода не может непосредственно мигрировать к растущему при 0... – 5°С кристаллу льда. Вероятность появления пучин на дорогах с низшим типом покрытия больше по сравнению с дорогами, имеющими капитальные дорожные одежды.

Процесс пучинообразования охватывает значительный временной интервал. Пучины появляются в результате накопления в земляном полотне большого количества влаги. При зимнем промерзании грунтов в земляном полотне возникает разность температур от + 4°С у уровня грунтовых вод до отрицательных температур в промерзшей зоне грунта. Под влиянием разности температур происходит миграция влаги из низших слоев к границе промерзания и в мерзлый слой по пленкам воды, покрывающим грунтовые частицы, а также путем конденсации паров, поднимающихся по порам грунта от горизонта грунтовых вод.

Большое влияние на миграцию влаги в зону отрицательных температур оказывают тип грунта и степень его уплотнения. Песчаные грунты обладают малой поверхностной энергией. Они промерзают без образования ледяных линз. Пылеватые грунты обладают значительной поверхностной энергией и небольшим сопротивлением подъему воды в порах. Вследствие этого в пылеватых грунтах происходит интенсивное вертикальное перемещение воды, а при замерзании – образование ледяных линз. Глинистые грунты обладают огромной поверхностной энергией и большим сопротивлением перемещению воды в порах. Однако скорость перемещения воды в глинистых грунтах небольшая. При отрицательных температурах они успевают промерзнуть быстрее, чем вода поднимется в активную зону. Важное значение в процессе пучинообразования играют такие гидрологические условия.

При промерзании грунта вначале замерзает свободная и капиллярная вода. Перемещение пленочной влаги прекращается только при отрицательных температурах − 3... − 5°С. Поэтому вода проникает по пленкам в пределы промерзшего слоя грунта. Достигая отдельных кристаллов льда, образовавшихся в крупных

породах и капиллярных водах, вода замерзает. В течение зимы кристаллы льда постепенно растут (т.е. жидкая фаза превращается в лед, увеличиваясь в объеме примерно на 9 %) и образуют в земляном полотне целые ледяные прослойки, которые раздвигают грунтовые частицы и вызывают неравномерные поднятия («пучение») дорожной одежды (рис. 7.2).

На интенсивность пучинообразования влияет быстрота охлаждения активного слоя и быстрота влаги.

При небольших морозах грунты промерзают медленно, имеется достаточно времени для подтока воды, поэтому образования ледяных линз идет интенсивно. При сильных морозах наоборот происходит быстрое промерзание грунта, вода не успевает перераспределиться, поэтому ледяные линзы не образуются.

Рис.7.2. Образование донника: a − промерзание грунта под проезжей частью;б − оттаивание грунта весной: 1− граница промерзания; 2− ледяные линзы; 3− мерзлый грунт; 4− оттаявший сильно переувлажненный грунт; 5− снег.

Так как образованию кристаллов противодействуют вес вышележащих слоев грунта, основное влагонакопление происходит в пределах верхних 50...60 см.

Впроцессе пучения происходит равномерное и неравномерное поднятие дорожных одежд. Наиболее опасны неравномерные поднятия, вызывающие трещины в растянутой зоне покрытий.

Впростейшем виде уравнение общего пучения имеет вид:

где μ- коэффициент неравномерности морозного пучения, равный 0,20 для нежестких одежд; 0,20 для жестких одежд при глубоком залегании ГГВ и 0,30 при неглубоком залегании; Wmax− максимальное влагонакопление за холодный период.

При допущении о невозможности бокового расширеня грунта при морозном влагонакоплении неравномерное пучение можно рассчитать по формуле:

ln=, (7.2)

где h− глубина промерзания грунта в конце холодного периода, м; Wн, Wл − содержание незамерзшей воды и льда в долях единицы,

вычисляется расчетом; н, л, о − плотность термоактивной воды,

льда и воды, кг/м3; 1, 2− плотность грунта до промерзания и в

конце холодного периода, кг/м3; V1,V2 − объем воздуха в порах до

промерзания и в конце холодного периода, в долях единицы; W1 − влажность грунта до промерзания, в долях единицы, принимаемая по данным наблюдений или устанавливаемая расчетом.

Анализ этого уравнения показывает, что основное влияние на величину пучения оказывает глубина промерзания и величина общего морозного влагонакопления W2=Wн+Wл. Не во всех случаях зимнего влагонакопления может происходить пучинообразование. Пучины возникнут, если объем льдообразования вследствие морозного влагонакопления превзойдет объем воздуха V1, т.е.

(7.3)

Вследствие неоднородности физико-механических свойств грунта земляного полотна и неравномерного промерзания происходит неравномерное заполнение пор влагой и льдом. Морозное пучение произойдет в случае, если

где ρ- плотность грунта, кг/м3; л− плотность льда кг/м3.

По этому уравнению можно рассчитать свойства грунта и их предельные значения, при которых возникают пучины.