Пучинообразование и пути его предупреждения

Пучины-деформации и разруше­ния дорожной одежды в виде буг­ров и сетки трещин. Пучение (пучинообразование) – неоднородные по площади проезжей части взбугривания дорожной одежды, обусловленные одновременным влагонакоплением, при котором максимальная относительная влажность грунта в верхней части полотна W_max > 0,75 W_т;промерза­нием грунта под дорожной одеждой на глубину h_пр ≥ 0,5 м; наличием мелких пылеватых песков и супесей, пылеватых суглинков.

Пучины на а/д возникают при одновременном сочетании:

- наличие пучинистого грунта;

- интенсивное влагонакопление до относительной влажности >0,75 от влажности на границе текучесть грунта в период морозного влагонакопления;

- Медленное и глубокое промерзание грунта под ДО на глубину >0,5м.

При отсутствии одного из факторов пучины не возникают.

Размер пучения зависит от многих факторов, главным образом от влажности грунта, глубины промер­зания, продолжительности холодно­го периода и прочности дорожной конструкции. Неравномерное мо­розное пучение может достигать 80 – 100 мм, что существенно снижа­ет скорость автомобилей. Физическая сущность пучинообразования состоит в накоплении, перераспреде­лении, замерзании и оттаивании во­ды в порах грунта при сезонных изменениях водно-теплового режи­ма земляного полотна и дорожной одежды. В грунтах, которые пред­ставляют собой капиллярно – порис­тые тела, происходит непрерывный тепломассообмен. С понижением температуры свободно связанная вода замерзает при 0°С, пленочная и рыхлосвязанная – при — 3 °С, проч­но связанная и в капиллярах вода замерзает при более низкой темпе­ратуре ( -10 ... -30°С). При про­мерзании грунта возникает темпера­турный градиент, что вызывает термодиффузию воды, воздуха и во­дяного пара, которые перемещаясь, замещают друг друга в порах. Незамерзшая часть жидкой фазы перемещается из теплых слоев грунта к холодным, т. е. снизу вверх. Процесс миграции воды в зоне изотерм 0… -5°С. При более низкой температуре гидравлическая связь между тонкими водными пленками нарушается и миграция жидкой фазы прекращается. Однако пока есть температурный градиент, происходит термодиффузия пара от теплых слоев грунта к холодным. В то же время воздух поступает от холодных слоев к теплым. Водяной пар, охлаждаясь, конденсируется, увеличивая пленку воды на частицах грунта и кристаллах льда, и замер­зает. Таким образом, дальнейшее влагонакопление и льдообразование происходят за счет термодиффузии водяного пара. В зоне льдообразо­вания вначале возникают кристаллы, а затем линзы льда. Процесс продолжается, пока существует гра­диент температур и приток водяных паров из нижних теплых слоев. Льдообразование сопровождается увеличением объема на 9% и значительным давлением в земляном полотне, что и вызывает поднятие дорожной одежды. На пучинистых участках происходит взбугривание (неравномерное поднятие) в виде — однородных возвышений с трещинами ромбического очертания в плане. Это и есть процесс пучинообразования. Его начало совпадает с понижением температуры воздуха осенью в начале зимы, когда верхние слои грунта имеют более низкую температуру. При дальнейшем понижении температуры граница промерзаний опускается, причем под дорожной одеждой промерзание идет быстрее, чем под обочинами. В земляном полотне образуется зона междуфазового перехода, где грунт уже имеет отрицательную температуру, а вода в его порах находится в жидком состоянии (см рис).

Промерзание земляного полотна зимой:

1 - снежный покров; 2 - поднятие поверхности дорожной одежды; 3-линия промерзания земляного полотна; 4 - зона междуфазового перехода грунта; 5 - линзы и прослойки льда

В результате льдообразования в земляном полотне всегда происхо­дит поднятие верхней его части и дорожной одежды, но его размер и равномерность различны. Если объем льда небольшой и поднятие равномерное, пучины не возникают.

Весной грунт оттаивает в первую очередь под дорожной одеждой. В этот момент лед переходит в жид­кую фазу, которая под действием влажности и собственного веса миг­рирует вниз и задерживается на мерзлом практически водонепрони­цаемом грунте. Спустя несколько дней под дорожной одеждой над мерзлой поверхностью (донником) грунт переувлажняется (см рис).

Земляное полотно в момент оттаивания грунта:

1 - разжиженный грунт; 2 - оставшийся донник; 3 - линия промерзания грунта

Дорожная одежда теряет прочность, под влиянием колес разрушается, ее материал перемешивается с разжи­женным грунтом, возникают пу­чины, которые «вскрываются» вес­ной.

При наезде автомобилей на пучи­ны вода через трещины из донника выплескивается на поверхность. Наступает период так называемого фонтанирования пучины. По мере оттаивания грунта влага мигрирует в нижние слои полотна. Влажность начинает снижаться, прочность грунта увеличивается, а просадки стабилизируются. Пучины «закры­ваются», затухают.

Пучение одежд сопровождается растягивающими напряжениями, ко­торые особенно опасны в холодный период года, когда покрытие стано­вится хрупким и легко возникают трещины. В первую очередь такой опасности подвержены покрытия, построенные с применением органи­ческих вяжущих.

Исследования проф. А. Я. Тулаева, канд. техн. наук А. И. Шеслера и других показали, что особо опасны для покрытий неоднородные поднятия (см рис).

Схема морозного пучения дорож­ных одежд:

l_пуч – общее пучение; l_р - равномерное пучение; l_н – неравномерное пучение; р- давление пучения; H_од-толщина дорожной одежды; В -ширина проезжей части

Они большей частью служат причиной образования тре­щин. Поэтому при расчете дорожных одежд на морозоустойчивость с целью повышения надежности необходимо допускаемое морозное под­нятие l_допопределять с учетом неоднородности пучения μ. Эксперимен­тальные исследования на дорогах во II дорожно – климатической зоне по­казали, что μ = 0,20 ÷ 0,4; меньшие значения – для нежестких одежд при глубоком залегании горизонта грун­товой воды, большие – для жестких одежд и при близком залегании грунтовой воды.

Общую устойчивость дорожной конструкции (дорожная одежда + земляное полотно) можно харак­теризовать коэффициентом пучения

K_пуч = l_пуч/z_пр,

где l_пуч – общее поднятие дорожной одежды, мм; z_пр – глубина промерзания земляного полотна, мм.

Критерием прочности дорожной одежды считают коэффициент не­равномерного пучения

K_{н. пуч} = l_н/l_доп ≤ 1

где l_н – неравномерное поднятие до­рожной одежды, мм.

За практический критерий приня­то допустимое поднятие покрытий, при котором в растянутой зоне еще не возникают трещины,

l_доп = 0,27ε_прВ²/6μН_од

где ε_пр - предельно допустимое отно­сительное удлинение в растянутой зоне покрытия, при котором еще не возни­кают трещины; В- ширина проезжей части, м; Н_од – толщина дорожной одеж­ды, м.

Значение е_пр зависит от материала покрытия, температуры, методики испытания. Для асфальтобетонных покрытий

ε_пр = 0,0073 + 0,0003t

где t – отрицательная температура покрытия.

Фактическое морозное пучение вычисляют в зависимости от мороз­ного влагонакопления

l_ф = 1,09μ ΔW_max.

Максимальное влагонакопление за холодный период

ΔW_max = W₂ – W₁,

где W₂ – влажность грунта в конце пе­риода морозного влагонакопления; W₁ – то же до промерзания.

Критерием устойчивости дорож­ной одежды против пучинообразования считают l_ф ≤ l_доп.