Деформації викликані промерзанням та відтаюванням земляного полотна.
Рівність дорожніх покриттів, тротуарів у процесі експлуатації погіршуються із-за сезонного промерзання та відтаювання. Швидкість та глибина промерзання різні по ширині земляного полотна. Внаслідок цього проїзна частина та тротуари підлягають морозному вспучуванню, а у період відтаювання – нерівномірному опусканню.
Вспучування та подальше опускання проходять нерівномірно не тільки по ширині проїзної частини але й вдовж її осі. Нерівномірність промерзання по ширині проїзної частини обумовлена перш за все різною глибиною промерзання та тротуарах, газонах, зелених роздільних смугах. На роздільних смугах, які звичайно прикриті снігом, навіть у суворі зими не завжди промерзають.
Взимку проїзна частина з вдосконаленим покриттям у міських умовах, як правило вільна від снігу та льоду. У зв’язку з цим глибина промерзання при пильовато-суглинистих грунтах найбільш схильні до морозного вспучування. Вздовж вулиці виникає різне по висоті вспучування внаслідок неоднакового нашарування грунтів та різного ступеня їх зволоження.
Нерівномірне морозне вспучування по висоті ln (см) можна оцінити за співвідношенням
ln = β lпуч
де β – коефіцієнт нерівномірного вспучування.
В залежності від природних умов місцевості β знаходиться у межах від 0.17 до 0.25. При наявності у межах ширини проїзної частини підземних інженерних споруд значення β збільшується. Інженерні споруди (частіше всього трубопроводи) суттєво відрізняються по своїм теплофізичним властивостям від земляного полотна та мають свій температурний режим. Встановлено, що поблизу водоприймальних колодязів морозне вспучення завжди більше. На вулицях та міських дорогах кількість вспучень та їх протяжність значно більша ніж за містом. Крім нерівномірного морозного вспучування, причиною руйнувань стає і динамічна дія на кришки люків та решітки водоприймальних колодязів коліс транспортних засобів.
У міських умовах верхня товщина грунту (культурний шар) більш неоднорідна по своїх фізико-механічним властивостям, що сприяє до нерівномірності вспучувань. Навесні міцність земляного полотна змешується. (на 25-40%). При наявності газонів та зелених насаджень на проїзній частині утворюється сітка тріщин, що свідчить про високу вологість грунтів верхньої частини земляного полотна. На смугах накатів, при інтенсивному русі важкого транспорту покриття прогинається, та іноді повністю руйнується.
Види деформацій та руйнувань земляного полотна та дорожніх покриттів.
Утворення тріщин та руйнувань пов’язано з дією наступних основних факторів: природних, технологічних – використання неякісних матеріалів, порушення технології облаштування дорожніх одягів та земляного полотна та інш. Експлуатаційних – невідповідність конструкцій дорожніх одягів інтенсивності руху автомобільного транспорту, порушення дорожніх одягів внаслідок ремонту підземних інженерно-технічних комунікацій, використання агресивних солей та розчинів, неякісна заливка тріщин, швів покриття.
На утворення тріщин впливають наступні фактор: матеріал покриттів має відносне видовження, яке перевищує допустиме, рух важкого транспорту, який прогинає дорожній одяг більше допустимого; погодно-кліматичні умови; утворення у жаркі дні пластичних деформацій покриттів, недостатнє ущільнення земляного полотна. Наявність у межах проїзної частини водостоків, каналізації та водогону, які знаходяться довгий час у експлуатації. Спочатку у період відтаювання утворюються мокрі тріщини, які значно понижають здатність верхніх шарів дорожніх одягів розподіляти тиск на нижні конструктивні шари, що приводить до утворення пластичних зміщень у вигляді просадок та сколів. Цей вид деформацій складає 75-85% усіх дефектів.
У більшості випадків земляне полотно знаходиться на рівні нульових відміток тоді деформація та руйнування дорожнього одягу перш за все пов’язана з перезволоженням грунтів верхньої частини земляного полотна та шару підстилки. При топленні снігу на газонах та роздільних смугах з’являється поверхнева вода, хоча грунт під дорожнім одягом ще промерзший. Це явище приводить до появи мокрих тріщин.
Окремі сухі тріщини, так звані температурні, з’являються через рік, рідше - через два після облаштування покриттів, особливо у перші роки експлуатації. У подальшому тріщини поступово розвиваються та розширюються, оскільки внутрішні сили зчеплення менші за сили, які виникають за рахунок температурних коливань. Зародками тріщин у покриттях є мікро тріщини, які утворюються на границі «в’яжучий матеріал – камінний щебінь».
Однією з причин утворення сухих тріщин є так звана втома дорожніх одягів. Величина коефіцієнту міцності, яка дорівнює Кп = 1.0-0.85 відповідає границі міцності дорожніх одягів. У такому випадку об’єм руйнувань не перевищує 3 – 5% а при значеннях Кп = 0.8-0.65 на покриттях у період 4 стадії зволоження спостерігається сітка тріщин, колійність та окремі просадки. Якщо кількість руйнувань проїзної частини з асфальтобетонним покриттям збільшується до 10-15%, служба експлуатації обмежує навантаження на дорожній одяг, зменшуючи пропуск великовантажних автомобілів. Просадки у більшості випадків пов’язані із незадовільним ущільненням земляного полотна. Вимагається, щоб коефіцієнт ущільнення грунтів, визначений стандартним методом, складав К0<0.95 . У відповідності із існуючою класифікацією просадки та руйнування відносяться до І-ої групи дефектів а пластичні деформації, викрошування та шелушення відносять до дефектів ІІ-ої групи.
При гальмуванні та початку руху з місця у покриттях у покриттях виникають значні горизонтальні напруги: стискання у напрямку руху автомобіля (Rст), та розтяг (Rр ) - у протилежному, найбільше значення яких спостерігається на границі сліду колеса. У відповідності з теорією пружності, розглядаючи поверхневий шар дорожнього одягу, як пружній полу простір, горизонтальні напруги, які викликають пластичні деформації визначаються співвідношенням:
Rр=Ψp
Де p – питомий тиск автомобільного колеса, кг/см2; Ψ – безрозмірний коефіцієнт, який залежить від властивостей матеріалу дорожнього одягу, приймається меншим за 1.
Рис.3 а) пластичні напливи до 6 см біля бордюрного каменю;
б) проїзна частини з ділянками морозного вспучування; в) результати дії важкого транспорту внаслідок нерівномірного ущільнення земляного полотна; г) викришування бетонного покриття при інтенсивному русі важкого транспорту.
Горизонтальні напруги досягають свого максимального значення (Rр=0.75p) на поверхні покриття, а на глибині 8см вони практично рівні 0 (рис ).
Рис. 4. Схема дії колеса автомобіля на дорожній одяг.
а) дотичні сили при русі колеса; б) епюри розподілу дотичних напруг; Тк – напрям руху колеса; D – діаметр сліду колеса; 1 – зона розтягу; 2 – зона стиску.
По цій причині при високій температурі повітря утворюються і швидко накопичуються пластичні деформації зсуву у вигляді хвиль на покриттях з використанням органічних в’яжучих матеріалів. Такі деформації найчастіше зустрічаються на зупинках громадського транспорту, біля перехресть та на підйомах.
Деформації у вигляді напливів частіше всього утворюються біля бордюрного каменю (див. рис.3). У більшості випадків утворення деформацій, які викликають руйнування покриття спостерігаються у пору року коли інфільтрує поверхнева вода. У цьому випадку при пильоватих грунтах, схильних до морозного вспучування проїзна частина деформується (рис.5).
Рис.5.Просадки дорожнього одягу, які виникли внаслідок недостатнього ущільнення земляного полотна.