4.5. Воздействие природных факторов на дорогу

Транспортные средства воздействуют на дорогу обычно одновременно с факторами, зависящими от природно-климатических условий (водой, температурой, ветром, солнечной радиацией).

Из всего разнообразия природно-климатических факторов наибольшее влияние на состояние дорог и на условия движения автомобилей оказывают грунтово-геологические и гидрологические условия, рельеф и ландшафт местности, а также погодно-климатические условия или факторы.

Из грунтово-геологических и гидрологических факторов выделяют тип и характеристики грунтов земляного полотна и подстилающих слоев, глубину промерзания, глубину и характер залегания грунтовых вод, условия стока поверхностных вод.

К погодно-климатическим факторам относятся: атмосферное давление, солнечная радиация, температура и влажность воздуха, осадки (дождь, снегопад, ветер, метель, гололед, туман), а также сочетание этих факторов. Воздействие погодно-климатических факторов формирует водно-тепловой режим земляного полотна (ВТР), под которым понимают закономерные сезонные изменения в полотне и слоях одежд влажности и температуры.

В дорожной конструкции (дорожная одежда + земляное полотно) происходят сложные процессы: нагревание, охлаждение, промерзание, оттаивание, испарение, конденсация, сублимация, облимация. В результате в дорожной конструкции систематически происходят диффузионные процессы тепла и влаги, называемые тепломассопереносом или тепловлагообменом (ТВО), обусловливающие колебание влажности и температуры.

Изменение характеристик ВТР существенно влияет на прочность, долговечность полотна и дорог, приводит к снижению транспортно-эксплуатационных свойств дорог.

Степень действия среды на дорогу в конечном итоге определяется видом и мощностью источников увлажнения дорожной конструкции и интенсивностью температурных воздействий.

Дорожная одежда и земляное полотно (рис. 4.16) должны быть запроектированы таким образом, чтобы даже весной, т.е. в самый неблагоприятный для службы дорог период расчетного года, обеспечивалась требуемая по условиям движения прочность конструкции (К_пр1,0) и наряду с этим она обладала необходимой морозоустойчивостью (наибольшее зимнее поднятие - пучение поверхности покрытия - примерно равно 40 мм).

Рис. 4.16. Схема круглогодичного цикла водно-теплового режима и состояния конструкции дорожной одежды во IIдорожно-климатической зоне: 1 - уровень подземных вод; 2 - ход промерзания конструкции; 3 - ход оттаивания конструкции; 4 - зимнее пучение; 5 - осадка покрытия при оттаивании конструкции; 6 - изменение влажностиW_OTHгрунта земляного полотна (в доляхW_T); 7 - то же, степени плотностиК_пл; 8 - то же, модуля упругостиЕ_у; 9 - то же, сцепленияС; 10 - изменение коэффициента прочности дорожной одеждыК_np; 11 - асфальтобетон; 12 - щебень; 13 - песок средней крупности; 14 - легкий пылеватый суглинок (цифры в кружках обозначают величины угла внутреннего трения грунта в градусах)

Основные источники увлажнения дорожной конструкции (рис. 4.17): атмосферные осадки, просачивающиеся через трещины в покрытии, обочины (особенно в местах сопряжения с проезжей частью); вода, застаивающаяся на поверхности полотна, в боковых резервах и кюветах вследствие затрудненного поверхностного стока и увлажняющая грунт земляного полотна в процессе молекулярного и капиллярного передвижения; подземная вода, поднимающаяся по капиллярам, особенно при промерзании конструкции и близком к поверхности дороги залегании подземных вод; парообразная вода, перемещающаяся от теплых слоев к более холодным. Зимой при промерзании конструкции вода может передвигаться снизу вверх и концентрироваться у фронта промерзания, повышая влажность грунта.

Рис. 4.17. Схема источников увлажнения дорожной конструкции: 1 - атмосферные осадки; 2 - вода в канавах; 3 - подземная вода; 4 - песчаное основание

Интенсивность температурных воздействий. Степень опасности водно-теплового режима по этому виду воздействий характеризуют продолжительностью морозного периода в дняхТ_х, равного периоду между датами перехода температуры воздуха через 0 осенью и весной; минимальнойt_min bили среднейтемпературой воздуха за холодный период; среднемаксимальной температурой воздухаt_max bв наиболее жаркие месяцы, а также комплексными температурными показателями морозным индексомТ_хt_bв град-днях и размахомR_t=t_max-t_min. Чем выше значения морозного индекса (изменяются от 50 до 2000), размахаТ_х, тем опаснее морозное воздействие среды на дорогу [13].

Физическая теория тепловлагообмена в дорожных конструкциях. Воздействие факторов внешней среды на дорогу вызывает тепловлагообмен в полотне и слоях одежды. Этот процесс является сложным, взаимосвязанным. Изменение температуры вызывает миграцию (медленное движение) влаги. Влагонакопление и переход в иную форму влаги способствует теплообмену. Поэтому процесс тепло- и влагообмена необходимо рассматривать во взаимосвязи.

Установлено, что грунты и слои одежд воздухопроницаемы, поры в них между собой сообщаются. Следовательно, в земляном полотне и слоях одежды имеются условия для массообмена: воздухообмена и парообмена. Обмен возможен в случае, если влажность грунта меньше его полной влагоемкости, то есть W>W_ПB. При полной влагоемкости все поры грунта заполнены жидкой фазой и воздухо- и парообмен прекращается.

В водоненасыщенных грунтах влага содержится в двухфазном состоянии: W_П- водяной пар всегда в насыщенном состоянии (100 %, где- относительная влажность внутрипорового воздуха) иW_x- жидкая фраза. Соотношение фаз постоянно изменяется и зависит от общей влажности грунта.

В мерзлых грунтах дополнительно возникает твердая фаза - лед, количество которой пропорционально величине . При температуре грунтаt_гниже 0 не вся жидкая фаза переходит в лед вследствие частичного засоления и действия молекулярных сил, исходящих от грунтовых частиц. Температура льдообразованияt_лв зависимости от минералогического состава грунта от -0,5°С для песков до -2,5°С для глин. Даже при очень низкой температуре грунта приt_гот -20 до -50°С часть жидкой фазы не промерзает. Поэтому в течение всего морозного периода происходит диффузия водяного пара, миграция жидкой фазы и льдообразование. Жидкая фаза испаряется и замерзает, водяной пар конденсируется на жидкой или твердой фазе.

Теплообмен в дорожных конструкциях происходит за счет трех составляющих. Основная часть тепла передается от частицы к частицам за счет теплопроводности (кондукции). Вторая по удельному весу составляющая теплообмена - это тепло фазовых превращений при промерзании-оттаивании, конденсации-испарении, облимации-сублимации. Третья, конвективная составляющая теплообмена незначительная - 2-3 % и ею можно пренебречь.

Влагообмен протекает за счет наличия потенциалов концентрации жидкой фазы и тепла. Водяной пар диффундирует от мест с большим парциальным давлением Р₁в места с меньшим давлениемР₂. Поскольку водяной пар находится в насыщенном состоянии иP=f(t_г), то он диффундирует от теплых мест к холодным. Это процесс термодиффузии.

Жидкая фаза мигрирует за счет наличия двух потенциалов - концентрации и температуры. За счет первого потенциала жидкая фаза мигрирует от мест с большой влажностью к местам с меньшей влажностью  (концентрационная миграция). Этот потенциал является преобладающим в миграции жидкой фазы (95-98 %). За счет второго потенциала происходит термомиграция жидкой фазы в количестве 2-5 %.

Грунт обволакивает пленки жидкой фазы. Свободные поры заполняют насыщенный пар. Объяснение процесса миграции жидкой фазы в условиях двухфазовой миграции дает гидротермодинамическая гипотеза, в соответствии с которой давление Р в пленке воды, обусловливающее концентрационную миграцию влаги по обволакивающим пленкам, равно:

где                                                                                                                    (4.26)

Р_п- парциальное давление водяного насыщенного пара в порах;

 - поверхностное натяжение водяной пленки, обволакивающей грунтовые частицы или агрегаты;

r- радиус кривизны пленки влаги в контакте с паровоздушной смесью.

Выражение (4.26) объясняет сущность тепломассообмена. Так, если соприкасаются две зоны грунта с одинаковой температурой, но разной влажностью: W₁>W₂, то миграция будет происходить от мест с большей влажностью (W₁) в места с меньшей влажностью (W₂). Это можно объяснить следующим образом. С увеличением влажностиW₁толщина водной пленки увеличивается, при этом₁уменьшается,r₁увеличивается, а давление параР_п1, сжимаемого водной пленкой, возрастает. При этомР₁увеличивается. ПосколькуР₁ >Р₂, влага мигрирует из зоныW₁в зонуW₂.

Если соприкасающиеся зоны грунта имеют разную температуру: t₁ >t₂, то в теплой зоне давление параР_п1 > Р_п2, поверхностное натяжение а, будет меньшим вследствие меньшей вязкости и согласно выражению (4.26)Р₁ >Р₂, т.е. жидкая фаза и водяной пар будут мигрировать из теплой зоныt₁в холоднуюt₂.

В результате ухудшения водно-теплового режима могут проявляться следующие негативные явления: избыточное влагонакопление в отдельных зонах полотна вследствие инфильфации воды через трещины в покрытии, через обочины и откосы после дождей или поверхностного стока; увлажнение грунтового основания от горизонта близкого залегания грунтовых вод или от длительного застоя воды в боковых канавах, коллекторах, что наблюдается в районах болот, орошаемых районах; повышенное увлажнение грунта в верхней части земляного полотна к концу морозного (холодного) периода; образование пучин на участках интенсивного морозного влагонакопления; весеннее (или в период зимних оттепелей) разрушение дорожных одежд вследствие переувлажнения грунта и потери прочности; разрушение откосов, прежде всего высоких насыпей, от переувлажнения; разрушение высоких насыпей от скопившейся в теле воды.

При быстрых понижениях температур с переходом ниже 0 образуются температурные трещины в дорожной одежде. Интенсивный прогрев солнечными лучами в летний период приводит к повышению пластичности асфальтобетона, что способствует образованию сдвигов, волн и наплывав на покрытии.