Глава 4. Воздействие на дорожные сооружения природных фактов

§ 7. Природные факторы и их особенности.К природным условиям, влияющим на характер службы дорожных сооружений, относят рельеф местности, почвенно-грунтовые, гидрогеологические и климатические условия.

По рельефу местности, который разделяют на равнинный, холмистый, горный и высокогорный, определяют преобладающий тип земляного полотна дороги (высоту насыпей, протяжение участков с выемками и предельную их глубину, косогорность и т.д.), а также вид водоотводных устройств.

Почвенно-грунтовые условия различают в зависимости от характера наслоения грунтовой толщи, вида и свойств грунтов. Гидрогеологические условия влияют на выбор отметок земляного полотна по отношению к уровню грунтовых вод. По ним судят о возможных оползнях полотна, обвалах, размерах возможных пучин и т.д.

Климатические условия характеризуют уровень осадков, влажность воздуха, суточные и годичные изменения температуры, направление и силу ветров, продолжительность и высоту снегового покрова и многое другое.

Природные факторы непрерывно воздействуют на все дорожные сооружения. Вода издавна считается злейшим врагом дорог. Дожди, ливни, потоки воды от таяния снега размывают откосы, канавы, подмывают сооружения (лотки, подпорные стенки, трубы и т.д.), нарушают их работу и преждевременно разрушают.

За время эксплуатации дороги земляное полотно и дорожная одежда под влиянием природных воздействий периодически нагреваются и охлаждаются, увлажняются и высыхают, замерзают и оттаивают. В результате этих процессов изменяется приданный земляному полотну поперечный профиль, снижаются устойчивость его грунтов, прочность дорожной одежды и ровность дорожного покрытия.

Туманы, закрывающие дорогу, не только замедляют движение автомобилей, но и служат причиной дорожно-транспортных происшествий.

Вода, проникающая в поры бетона, камня и других материалов сооружений, при замерзании действует на них разрушающе. Воздух и вода, в особенности содержащие агрессивные вещества, ускоряют процессы выветривания и разрушения бетонных и каменных материалов, коррозию металла мостов, арматура железобетонных покрытий и других дорожных сооружений. Под воздействием этих длительных факторов у всех дорожных сооружений снижаются первоначальные прочностные свойства. Зимой в метели, когда снег заносит дороги, нередко тысячи автомобилей и автобусов с пассажирами оказываются в его плену. Снежные заносы и обледенение покрытий являются причинами многих дорожных происшествий.

Весенние паводки и ледоход разрушают и смывают земляное полотно, мосты и трубы. Особенно разрушительно действуют потоки воды в горных районах, где они несясь по крутым горным склонам разрушают дороги и заливают их огромными переувлажненными массами рыхлых грунтов и обломков горных пород (сели). Зимой в горных районах обвалы и лавины засыпают дороги снегом и камнями. В этих условиях многие очень важные автомобильные магистрали непригодны зимой для движения. В районах вечной мерзлоты разрушительные воздействия на дороги, помимо самой мерзлоты, оказывают наледи. В пустынях же дороги и мосты могут выходить из строя от заносов их сыпучими песками, переносимыми ветром.

Для организации работ, обеспечивающих хорошее эксплуатационное состояние дорог, необходимо знать природные условия каждого участка. Эти условия, как правило, отличаются от тех, которыми характеризовали местность до постройки дороги. Поэтому территориальные дорожные организации должны иметь тесную связь с местными метеорологическими станциями, а на участках, отличающихся сложными особенностями, организовать свои станции.

Необходимо учитывать, что при изысканиях часто используют сведения, которые относятся не к земляному полотну дороги, а только к будущему его месту. Для использования этих сведений без знания условий эксплуатации дороги требуется глубокий прогноз специалиста-эксплуатационника с учетом тех фактических природных воздействий, которые будет испытывать построенная дорога. Иначе появляются грубые просчеты, ставящие дорожную эксплуатационную службу в тяжелые условия.

Представим, что на местности, с указанными на рис. 11, априродными условиями, будет проложена дорога в насыпи (рис. 11,б) и в выемке (рис. 11,в). Сооруженное земляное полотно будет находиться в иных природных условиях, чем те, которые по данным изысканий считались благоприятными. При возведении насыпи из боковых резервов она окажется сложенной из грунтов в обратном порядке, чем они были на местности. В выемке дорожная одежда может быть расположена на грунте, залегающем глубоко, и к нему нельзя применять полученные на месте данные о влажности, глубине промерзания и т.д.

Изменяется и гидрогеологические условия. До строительства дороги был естественный нормальный сток поверхностных и грунтовых вод по уклону местности. Возведенная насыпь его изменит. При ливнях и таянии снега вода в боковых резервах будет двигаться вдоль подошвы насыпи. Движения больших масс воды может привести к размыву земляного полотна, разрушению съездов с дороги, вымыванию инженерных сооружений. Изменится также режим грунтовых вод. До строительства дороги грунтовые воды беспрепятственно перемещались по естественному уклону слоя водонепроницаемого грунта ниже уровня промерзания. После возведения насыпи дороги с устройством боковых резервов зимой промерзнут грунт и водоносный слой. Нормальное движение грунтовых вод прекратится и они будут скапливаться. На части дорог резервы, оставшиеся без требуемого оформления и планировки, заболачиваются. Заболачивание придорожных территорий может привести к созданию условий для разведения болотных насекомых, в частности очагов малярии.

В выемках из-за нарушения природных условий изменится движение грунтовых вод, которые могут выклиниваться на откосах. Чтобы исключить оплывание откосов, потребуется строить перехватывающий дренаж, а также проводить дорогие укрепительные работы.

После строительства дороги изменятся и зимние условия. По данным изысканий и справкам метеорологических станций о зимних осадках, высоте снежного покрова h_с.п. и направлении ветров они не вызывали опасений. После же возведения насыпей и устройства выемок вместо равномерного снежного покрова высотой 0,8 м (рис. 11,а) насыпь будет препятствовать спокойному переносу снега и возникнут большие отложения снега с подветренной стороны дороги вплоть до заноса ее. Выемки будут неизбежно заносить снегом на всю их глубину. Поэтому понадобятся большие и дорогостоящие работы по снегозащите и снегоочистке с обязательным перерывом движения на дороге.

В целом можно считать, что каждый участок дороги в зависимости от местных природных условий, поперечного профиля земляного полотна (насыпь, выемка, косогор и т.п.) и его отметки будет иметь отличающиеся от первоначальных природные, почвенно-грунтовые и гидрологические условия, свой микрорельеф и микроклимат.

Для правильного учета воздействий природных ыакторов при проектировании из числа данных метеорологических и агрометеорологических станций без корректировки можно учитывать главным образом прогноз погоды, сроки паводка и ледохода.

Для правильного же содержания и ремонта дорог необходимо, чтобы дорожные организации, на которые возложены эти работы непрерывно вели наблюдения за изменениями местных природных условий. К этим данным по каждому характерному участку дороги относят сведения дорожных метеостанций о видах и влажности грунтов земляного полотна, глубине его промерзания, сроках оттаивания, уровне ледохода и паводка под мостами и у труб, величине снегопереноса. Следует выделять участки, которые могут быть затоплены паводковыми водами, а также те, где образуются обвалы и оползни, пучины и снегозаносы. На основании этих данных и намечают работы по улучшению дороги и устранению возможных аварийных мест. На каждом участке дороги надо систематически изучать характер водно-теплового режима земляного полотна и дорожной одежды, являющихся основными элементами автомобильной дороги.

§ 8. Водно-тепловой режим земляного полотна и дорожной одежды.Водно-тепловым режимом называют закономерные изменения во времени влажности и температуры в разных местах земляного полотна и дорожной одежды.

В течение года влажность, температура грунтов и материалов изменяются в зависимости от сезонных колебаний температуры воздуха, количества и характера атмосферных осадков. Поскольку уровни годовых осадков и температурные изменения различны для разных климатических зон, характер водно-теплового режима в них тоже различен. При этом в одной климатической зоне влажность грунтов земляного полотна и материалов дорожной одежды зависит от многих факторов: солнечной радиации, цвета покрытий, вида и характера грунтов, слагающих земляное полотно и находящихся под ним, степени их уплотнения, глубины уровня грунтовых вод, поперечных профилей (насыпь, выемка и т.д.), отметок полотна, обеспеченности отвода поверхностных и грунтовых вод и т.д.

На рис. 12 приведен пример круглогодичного цикла изменения во IIклиматической зоне водно-теплового режима земляного полотна, сложенного из пылеватого суглинка, и дорожной одежды с усовершенствованным покрытием облегченного типа.

На рис. 12, бпоказано изменение относительной влажности и величины модуля упругости грунта на глубине 1 м от поверхности покрытия. На рис. 12,анулевая изотерма показывает ход промерзания и оттаивания грунтов земляного полотна. Из рис. 12,бвидно, что в весенний период несущая способность грунта и прочность, оцениваемая модулем упругости, снижаются до наименьшего значения. На рис. 12,априведен график изменения коэффициента пучения в зависимости от уровня относительной влажности.

В последние годы советские ученые профессора А.К. Бируля, Н.А. Пузаков, А.Я. Тулаев, И.А. Золотарь, В.М. Сиденко и другие раскрыли многие закономерности изменения водно-теплового режима. На основании этих законов можно разработать конструкцию дорожных одежд и верхней части земляного полотна, которые могут обеспечить такой водно-тепловой режим в течение года, при котором изменение влажности грунтов земляного полотна не будет влиять на состояние и устойчивость дорожной одежды.

Грунты земляного полотна можно считать капиллярно-пористыми телами, состоящими из частиц грунта с порами между ними, заполненными не только водой и воздухом, но и водяными парами. Воздух и водяной пар, перемещаясь в порах, периодически замещают друг друга. В теплый период года воздух поднимается (диффундирует) из нижних слоев (более холодных) в верхние более теплые. Водяной пар в это время опускается из верхних слоев в нижние холодные. В холодное время года воздуха года из верхних слоев перемещается в нижние теплые, а водяной пар – из нижних в верхние.

Водяной пар в грунтах находится в насыщенном состоянии и в процессе перемещения вследствие конденсации он превращается в жидкое состояние. Вода же в результате внутрипорового испарения может переходить из жидкого в парообразное состояние. В порах грунта наряду с воздухом и водяным паром может находиться вода в жидком состоянии, которая перемещается под действием давления, возникающего в пленках.

С увеличением влажности грунта водная пленка становится толще, поверхностное натяжение уменьшается, радиус кривизны пленки увеличивается. В результате этого давление паровоздушной смеси, сжимаемой жидкой влагой, повышается.

Физические и механические свойства грунтов земляного полотна и материалов дорожной одежды сильно зависят от влажности. Так, с повышением ее сверх определенных пределов механические показатели большинства грунтов и дорожных материалов снижаются, особенно в IиIIклиматических зонах. Сильно изменяются свойства также у песков в дренирующих и морозоустойчивых слоях. С течением времени при поднятии капиллярной воды происходит оглеение песков. При потере дренирующих свойств песками в дополнительных слоях оснований снижается прочность дорожной одежды.

В зимний период промерзание грунта вызывает в нем интенсивное перемещение влаги. К верхним слоям земляного полотна поднимается водяной пар. Поднимающийся от уровня грунтовых вод капиллярная вода перемещает вверх пленочную рыхлосвязанную воду, находящуюся в свободном состоянии. Чем меньше скорость промерзания, тем больше в замерзающем грунте накапливается влаги, переувлажняющей верхнюю часть земляного полотна.

При скорости промерзания менее 2 см/сут в центральных районах СССР обычно происходит значительное морозное пучение. Вследствие неоднородного сложения и плотности грунтов земляного полотна происходит неоднородное пучение.

Скорость промерзания земляного полотна зависит не только от погодно-климатических условий, но и от поперечного профиля его. В выемке из-за слабого проветривания и меньшей поверхности испарения скорость промерзания меньше, чем в насыпях. Наибольшее влияние на скорость промерзания оказывают погодно-климатические условия. В течение года изменение температурного режима земляного полотна практически носит синусоидальный характер.

Чем больше в грунте пылеватых и особенно глинистых частиц, тем больше в нем содержится незамерзающей воды, которая влияет на величину морозного пучения.

С уменьшение глубины залегания грунтовых вод морозное пучение увеличивается и на участках дорог третьего типа увлажнения (сырые места) оно достигает наибольшей величины. На этих участках дорожную одежду нужно рассчитывать из условий допустимого морозного пучения и она должна иметь большую прочность.

Теоретическую зависимость между величиной морозного пучения и толщиной морозоустойчивого слоя дорожной одежды z₁для различных грунтов при третьем типе увлажнения выражают в виде программы (см. рис. 24 в ВСН 46-72). С ее помощью можно рассчитать все необходимые параметры, используя контрольные скважины. Зная толщину дорожной одежды, можно предвидеть ее поведение в весенний период и определить коэффициент морозного пучения.

§ 9. Процессы, происходящие в земляном полотне. Водно-тепловой режим его в значительной степени зависит от вида и мощности источников увлажнения. На поперечном профиле дороги (рис. 13) слева показаны виды увлажнения при положительной температуре года, справа – при отрицательной.

В теплый период грунт увлажняется за счет высыпания дождя, от стока поверхностных вод и проникания их в земляное полотно через откосы полотна и обочины.

При высоком уровне грунтовых вод (менее 1 м от низа дорожной одежды) грунт может увлажняться капиллярной водой, поднимающейся от уровня грунтовых вод. В земляном полотне грунт под водонепроницаемой одеждой заполнен парообразной водой. Между частицами грунта может оказаться свободная вода, и тогда каждая частица грунта будет окружена пленочной водой. В зависимости от местных условий может преобладать и оказывать наибольшее влияние на грунт тот или другой вид увлажнения.

В осенний период влажность грунтов земляного полотна повышается от большего количества атмосферных осадков, поверхностных вод и уменьшения испарения воды (холодная погода, воздух переувлажнен и т.п.). Во время похолодания и первых морозов водяные пары перемещаются от более теплых нижних слоев к более холодным поверхностным слоям земляного полотна. Начало зимнего периода характеризуется выпадением снега и замерзанием материалов дорожной одежды и грунтов. В целях обеспечения движения автомобилей в первую очередь удаляют снег с проезжей части. Вследствие большой теплопроводности материалов дорожной одежды, чем покрыто снегом грунта, он замерзает сначала под дорожной одеждой (рис. 14).

У границы промерзания конденсируется водяной пар, все поры грунта заполняются водой, вытесняющей воздух в нижние слои. Это происходит в зоне междуфазового перехода, в которой грунт имеет отрицательную температуру, а вода в его порах находится еще в жидком состоянии (рис. 15).

Пленочная вода замерзает при –3⁰и ниже, а капиллярная вода – при более низкой температуре, в зависимости от тонкости капилляров. Поэтому в зоне междуфазового перехода при температуре грунта ниже 0⁰вода может находится в жидком состоянии, и к ней поднимаются новые частицы водяного пара; конденсирующаяся вода заполняет все пустоты между частицами грунта, вытесняя воздух. По мере понижения температуры глубина промерзания увеличивается и большая часть воды переходит в лед.

Если процесс промерзания происходит медленно и вода успевает заполнить все пустоты между частицами грунта, то при переходе в твердое состояние (лед) вода увеличивается в объеме примерно на 1,09. Не размещаясь в порах, лед раздвигает частицы грунта и увеличивает (вспучивает) объем замерзшей части земляного полотна примерно до 1,03 первоначального объема. Процесс этот называют пучинообразованием. При этом происходит теплообмен за счет теплопроводности грунтов и фазовых превращений влаги. В зоне конденсации водяного пара тепло освобождается, а в зоне образования льда поглощается.

Возможность пучинообразования и его размеры зависят от пористости и степени влажности грунта. Если объем льдообразования вследствие морозного накопления влаги превзойдет объем воздуха в порах грунта, то объем грунта увеличивается вследствие пучинообразования.

Так как физико-механические свойства грунта земляного полотна неоднородны и поры заполняются водой и льдом неравномерно, то и промерзание будет неравномерным.

Весной грунт оттаивает в первую очередь под дорожной одеждой (рис. 16). В это время может прекратится дальнейшее промерзание грунта, а затем постепенно начнется оттаивание его повсеместно. Оттаивание происходит как сверху, так и с низу промерзшего грунта ( см. рис. 12). В тот период, когда грунт под дорожной одеждой оттаял на некоторую глубину, из-за переувлажнения модуль упругости его наименьший.

При повсеместном оттаивании грунта в центре земляного полотна остается на некоторое время неоттаявший блюдцеобразной формы массив замерзшего грунта, называемый донником (рис. 17). Донник образуется за счет большей глубины промерзания земляного полотна под дорожной одеждой.

Тот период, в который грунт донника еще не оттаял, для автомобильного движения наиболее опасен, так как дорожная одежда оказывается расположенной на разжиженном грунте. После полного оттаивания донника грунт начинает высыхать.