Дорожная климатология

Со скоростью движения связаны и другие показатели работы транспорта – производительность, надежность, долговечность, безопасность, эффективность, продолжительность нахождения пассажиров и грузов в пути следования и т.п.

Режим торможения и длина тормозного пути автомобиля зависят не только от его технического состояния, но и от состояния проезжей части, которое формируется под воздействием метеорологических факторов. На влажной и скользкой проезжей части коэффициент сцепления колес с покрытием снижается до 0,08-0,10, тогда как на сухом шероховатом покрытии он равен 0,7-0,8 (т.е. в 8-10 раз).

Длина тормозного пути зависит, главным образом, от коэффициента сцепления и с его уменьшением при других равных условиях растет обратно пропорционально.

Состояние проезжей части также влияет на время разгона автомобиля, аквапланирование, выбор скорости движения на кривых, безопасность обгона и на другие сопутствующие режиму движения характеристики.

Видимость водителем поверхности дороги, встречных автомобилей, дорожных знаков, пешеходов, других участников движения обусловлена не только особенностями дорожного интерьера, но и метеорологическими факторами – наличием и интенсивностью осадков, уровнем освещенности объекта наблюдения, туманами, влажностью и степенью загрязнения воздуха (прозрачностью).

Все эти факторы действуют в природе в совокупности и обусловливают сложный характер дальности видимости. Поэтому при решении дорожно-эксплуатационных задач необходимо учитывать геометрические параметры рассматриваемого объекта, его освещенность, цвет и яркость предмета и фона, разрешающую способность глаз человека (остроту зрения) и другие особенности среды восприятия.

К сожалению, используемые в дорожной практике методы определения дальности видимости не всегда учитывают в полном объеме влияние метеорологических факторов и ограничиваются рассмотрением лишь геометрических структур.

Время реакции водителя связано с температурой и влажностью воздуха, атмосферным давлением, прозрачностью воздушной среды и другими метеорологическими факторами. Каждый человек по-своему адаптируется к быстро меняющимся погодным условиям; у него могут возникнуть определенные отклонения в восприятии дороги, реакции на внезапное изменение дорожной обстановки. Адаптационный период характеризуется непостоянством времени реакции водителя.

Пропускная способность дороги, т.е. количество автомобилей, которое она может пропускать в единицу времени с определенным уровнем удобства, зависит от обеспеченной скорости движения и некоторых других перечисленных выше критериев. В то же время отложения снега, засорение части покрытия наносами и размывы обочин влияют на геометрию дороги и, в свою очередь, сказываются на ее пропускной способности.

Содержание автомобильных дорог как в технологическом, так и в организационном плане всецело зависит от погодно-климатических условий. В дождливую погоду требуется усиливать внимание к пропуску воды по дорожным канавам и через отверстия искусственных сооружений, следить за состоянием открытых поверхностей обочин и откосов, ликвидировать застои воды в полосе отвода. В период снегопада появляется необходимость очистки проезжей части от снега, в период гололедицы – борьбы со скользкостью. При высоком уровне солнечной радиации часто появляются дополнительные работы по конгломерации выступающего на поверхность битума. В период промерзания дорожной конструкции создаются предпосылки для обеспечения его равномерности, при остывании – для своевременного и полного отвода грунтовых вод. В сухую, жаркую погоду летом требуется полив водой усовершенствованных дорожных покрытий, необходимо вести борьбу с пылеобразованием на грунтовых, гравийных и других дорогах, не обладающих связностью поверхностного слоя.

Существенное влияние на выбор системы эксплуатации дорог оказывает температурный режим в течение года. Колебание температуры влияет на условия просыхания дорог, в особенности грунтовых, и на их пылимость.

Погодно-климатические факторы определяют время и интенсивность работ по посадке зеленых насаждений, посеву трав, уходу за деревьями и кустарником, которые имеют снегозадерживающее, рекреационное и декоративное назначение.

Зимнее содержание автомобильных дорог зависит от продолжительности зимнего периода, интенсивности снегопадов, высоты снежного покрова, особенностей метелевого режима, направления преобладающих ветров, объема снегопереноса, температуры воздуха и других метеорологических характеристик.

По условиям снегоборьбы на дорогах территория Республики Беларусь разделяется на 4 района. Нормы расхода хлоридов для борьбы с зимней скользкостью зависят от температуры воздуха. Так, при температуре воздуха -2 ºС на 1 мм гололеда требуется 40 г/м2 хлористого

натрия или 0,13 л/м2 хлористо-натриевого рассола, при температуре -6 ºС – соответственно 100

г/м2 и 0,48 л/м2.

Рассолы допускается применять при температуре до -11…-16 ºС в зависимости от их концентрации и величины расхода.

Организация зимнего содержания дорог зависит от установления и схода устойчивого снежного покрова, числа дней без оттепелей, режима метелей. Эти климатические факторы влияют на промерзание и оттаивание дорожного полотна, образование пучин, снегозаносимость дороги, высоту и длительность паводка на реках.

Водно-тепловой режим земляного полотна протекает под воздействием различных температур воздуха и зависит от свойств грунта, дорожной одежды, уровня грунтовых вод и других факторов. Средняя скорость промерзания грунта – 3-6 см/сут. Средняя скорость оттаивания грунта: сверху – 4 см/сут; снизу – 0,6-0,7 см/сут.

Глубина промерзания зависит от устойчивости и величины температуры в первую половину зимы, толщины снежного покрова, времени его образования и свойств грунта. Под дорогой глубина промерзания больше, чем в поле, где поверхность земли покрыта слоем снега. При соответствующих грунтах и водном режиме полотна дороги образование пучин связано с глубиной промерзания.

При понижении температуры воздуха и переходе ее среднесуточного значения через +3 – +5 ºС происходит смена направления теплового потока. При этом начинается миграция и накопление влаги в грунте. Температурный градиент в мерзлом грунте в самую холодную зиму не превышает 10, а в талых грунтах – 4 ºС/м.

На режим влажности грунта земляного полотна оказывают влияние влажность воздуха и интенсивность испарения, которые в данной местности определяются температурой и количеством осадков, но при этом существенное значение имеют и местные факторы – рельеф, растительность, экспозиция поверхности по отношению к солнцу.

При повышении относительной влажности испарение влаги с поверхности затрудняется, поскольку его интенсивность пропорциональна дефициту влаги. Особенно неблагоприятным периодом для испарения, а следовательно, и для просыхания грунта, является осень, когда при сравнительно низких температурах наблюдается высокая относительная влажность воздуха.

Водно-тепловой режим земляного полотна и, в частности, глубина промерзания грунтов, закономерности их оттаивания и просыхания определяют характер планируемых противопучинных мероприятий, организацию и технологию работ по содержанию дорог.

Текущий ремонт автомобильных дорог начинается сразу после схода снега.

Однако выполнение различного вида работ требует дифференцированного подхода. Так, устранение ям, выбоин и трещин на асфальтобетонных покрытиях успешно может осуществляться при температуре воздуха более 5 ºС и при высохшем покрытии; ликвидация дренажных воронок и ровиков, устранение повреждений земляного полотна, размыв водоотводных каналов, планировка обочин – при соответствующем высыхании грунта.

Периодичность осмотра металлических мостов зависит от температуры воздуха: при положительной температуре – 1 раз в полугодие; при отрицательных температурах до –20 ºС – 1 раз в месяц; при температуре ниже -20 ºС – ежедневно.

Ремонт покрытий с применением горячих и холодных асфальтобетонных смесей производится в сухое и теплое время года при температуре воздуха не ниже 5 ºС.

17.2. Прогнозирование пучинообразования на автомобильных дорогах

Вземляном полотне автомобильных дорог протекают сложные водно-тепловые процессы,

врезультате которых в различных точках грунтового массива меняется количество влаги, состояние воды, а вместе с тем – прочность и несущая способность дороги. Одним из наиболее ощутимых проявлений водно-тепловых процессов можно считать пучины (рис. 17.2), возникающие вследствие промерзания грунта и миграции влаги из нижних слоев в зону активного охлаждения. На интенсивность пучинообразования влияет быстрота охлаждения активного слоя и поступления в почву влаги.

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

а)

б)

Рис. 17.2. Образование донника:

а – 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

Большое влияние на миграцию влаги в зону отрицательных температур оказывают тип грунта и степень его уплотнения. Песчаные грунты обладают малой поверхностной энергией и промерзают без образования ледяных линз. Пылеватые грунты обладают значительной поверхностной энергией и небольшим сопротивлением подъему воды в порах, вследствие чего в этих грунтах происходит интенсивное вертикальное перемещение воды, а при замерзании образуются ледяные линзы. Глинистые грунты обладают огромной поверхностной энергией и большим сопротивлением перемещению воды в порах. Однако скорость перемещения воды в таких грунтах небольшая; при отрицательных температурах они не успевают промерзнуть быстрее, чем вода поднимется в активную зону.

Важную роль в процессе пучинообразования также играют гидротехнические условия. Проф. Н.А. Пузаков выделяет три расчетные схемы пучинообразования по величине и характеру источника увлажнения:

1)для сухой местности с обеспеченным стоком поверхностных вод;

2)для районов с достаточным количеством осадков или мест, где затруднен сток поверхностных вод;

3)для мест, где имеется постоянный источник увлажнения, т.е. близок уровень грунтовых вод, длительно стоит вода в каналах или резервах и т.д.

К каждой расчетной схеме проф. Н.А. Пузаков предлагает формулы для контроля воднотеплового режима земляного полотна:

1-я схема

2-я схема

3-я схема

где w0 – максимальная молекулярная влажность грунта, доли единицы; w1 – влага в грунте, не способная к передвижению, доли единицы;

wкап – капиллярная влагоемкость грунта, доли единицы; wос – начальная осенняя влажность грунта, доли единицы; k2 – средний коэффициент влагопроводимости, см2/сут;

kкап – коэффициент капиллярной влагопроводимости, см2/сут;

a0 – параметр, зависящий от физических свойств грунта и климатических особенностей района, см2/сут,

h – глубина залегания грунтовых вод от поверхности дороги, см; T – продолжительность промерзания грунта, сут;

z – наибольшая глубина промерзания, см.

Как видно из формул (17.1) – (17.3), пучение грунта также зависит от особенностей климата данной местности. Исходя из климатических условий, территорию Беларуси по этому признаку целесообразно разделить на 4 зоны (рис. 17.3) – северо-восточную, центральную, северо-западную и юго-западную.

Рис. 17.3. Схематическая карта районирования Беларуси

Северо-восточная зона. Продолжительность зимы – около 120 дней. Устойчивый снежный покров образуется каждую зиму и залегает в среднем 100-120 дней. Оттепелей бывает сравнительно мало. Промерзание грунта начинается в конце октября – начале ноября, а оттаивание – в конце марта – начале апреля. Средняя многолетняя отрицательная температура воздуха колеблется от –7 до –8 ºС. Осадков выпадает около 600 мм.

Центральная зона. Продолжительность зимы – около 100 дней. Устойчивый снежный покров лежит 80-100 дней. Промерзание грунта начинается в начале ноября, а оттаивание – в начале апреля. Средняя многолетняя отрицательная температура воздуха – от -6 до -8 ºС. Осадков выпадает около 650 мм.

Северо-западная зона. Продолжительность зимы – около 80 дней со значительным числом оттепелей и большим количеством осадков – около 700 мм. Средняя отрицательная температура воздуха находится в пределах от -5 до -6 ºС.

Юго-западная зона характеризуется большим числом оттепелей; раз в десять лет снежный покров почти не устанавливается; продолжительность зимы – около 60 дней. Средняя отрицательная температура воздуха – около –4,5 ºС. Осадков выпадает примерно 500 мм.

Анализируя формулу (17.3), нетрудно заменить, что пучение зависит, главным образом, от уровня грунтовых вод и глубины промерзания грунта. Уровень грунтовых вод для условий определенной местности можно считать постоянным. Глубина же промерзания грунта колеблется в значительных пределах и зависит от климатических условий, т.е. является величиной непостоянной.

В табл. 17.1 показана зависимость процесса пучения грунта от уровня грунтовых вод и глубины его промерзания.

Таблица 17.1

Зависимость процесса пучения от уровня грунтовых вод и глубины промерзания

На основании формул (17.1) – (17.3) и данных табл.17.1 для каждой из климатических зон Беларуси были вычислены пучения. Результаты вычислений приведены в табл. 17.2, из которой видно, что пучинообразование наиболее ярко выражено на дорогах, расположенных в районах, отнесенных к 3-й схеме по увлажнению. Именно эти участки должны быть положены в основу расчета пучиностойкости автомобильных дорог.

Таблица 17.2

Величины пучения, см

Для определения глубины промерзания можно применять статистический метод: определить вероятность появления глубины промерзания заданной обеспеченности и на основании этого решить вопрос о вероятности появления пучин заданной величины.

Для определения глубины промерзания грунтов составлена карта средних многолетних глубин промерзания грунтов на территории Беларуси (рис. 17.4) и карта коэффициента вариации

(рис. 17.5).

Рис. 17.4. Карта изолиний средних максимальных глубин промерзания

По первой карте для заданного района находят среднюю многолетнюю глубину промерзания грунта zср, по второй – коэффициент вариации СV. По СV и заданному проценту обеспеченности (вероятности) определяют модульный коэффициент ks (табл. 17.3).

Глубина промерзания грунта заданной обеспеченности

Глубина промерзания грунта земляного полотна

где kпер – переходный коэффициент от грунтов открытого поля к грунтам земляного полотна, учитывающий теплофизические свойства грунта, снежный покров и т.д.

Рис. 17.5. Карта изолиний коэффициента вариации

Глубину промерзания можно определять по заданной величине морозного пучения (рис.

17.6).

Рис. 17.6. График определения глубины промерзания по заданной величине морозного пучения

Прогнозирование вероятности появления пучин производится в следующем порядке:

1)принимают величину пучения для заданного участка дороги (допускаемую, контрольную или любую другую искомую);

2)по формуле (17.5) или по графику (рис. 17.6) подбором вычисляют глубину промерзания, при которой это пучение может быть;

3)с учетом глубины промерзания z0 и принимая по карте (рис. 17.3) zср , определяют модульный коэффициент

4) имея модульный коэффициент ks и учитывая коэффициент вариации Cv для данного района (см. рис. 17.5), по табл. 17.3 находят вероятность появления пучины заданной величины.

Пример. Следует определить вероятность появления пучин величиной 5 см на дороге М1/Е-30 в районе г. Столбцы. Известно, что грунт земляного полотна – супесчаный; глубина залегания грунтовых вод – 1,0 м; по степени увлажнения участок местности относится к 3-й расчетной схеме.

Для заданного района имеем: продолжительность зимы Т = 80 сут; средняя глубина промерзания zср = 45 см; коэффициент вариации Cv = 0,45; коэффициент перехода kпер = 1. Влажностные свойства грунтов определяются лабораторным способом. В данном примере примем

средние значения (табл. 17.1): w0 = 20%; wкап = 39%; kкап = 7 см2/сут.

По графику, построенному на основании формулы (17.5), определим глубину промерзания грунта, которая вызывает пучение величиной 5 см; z0 = 83 см.

По формуле (17.6) находим модульный коэффициент