Природно-климатические факторы и их влияние на изменение вводно-теплого режима земляного полотна

Источники увлажнения.Наиболь­шее влияние на состояние дорог и движение автомобилей оказывают рельеф и ландшафт местности, грунтово-геологические, гидрологичес­кие и погодно-климатические фак­торы.

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

К погодно-климатическим факто­рам относят: атмосферное давление, солнечную радиацию, температуру и влажность воздуха, осадки (дождь, снегопад), ветер, метель, гололед, туман, а также их сочетание.

Погодно-климатические факторы формируют водно-тепловой режим земляного полотна (ВТР) - законо­мерные сезонные изменения влаж­ности и температуры в полотне и слоях одежд. В дорожной конструк­ции (дорожная одежда + земляное полотно) протекают сложные про­цессы: нагревание, охлаждение, про­мерзание, оттаивание, испарение, конденсация, сублимация, облимация, т.е. диффузионные процессы тепла и влаги, называемые тепломассопереносом или тепловлагообменом (ТВО), обусловливающие ко­лебание влажности и температуры. Изменение водно-теплового режима существенно влияет на прочность, долговечность полотна и дорог, приводит к снижению транспортно-эксплуатационных свойств дорог.

Основными источниками увлажне­ния (см рис) являются атмосферные осадки 1, вода со стороны откосов и вода, застаивающаяся на поверхнос­ти земляного полотна 2, капилляр­ное увлажнение от грунтовых вод 3, парообразное увлажнение 4.

Атмосферные осадки проникают в водопроницаемые покрытия (гра­вийные и щебеночные, мостовые), в трещины водонепроницаемых пок­рытий (при недостаточном уходе), частично через обочины и откосы. При отсутствии трещин и наличии укрепленной обочины этот источник неопасен.

Вода со стороны откосов при дли­тельном застое в боковых канавах может передвигаться от откосов к грунтовому основанию. Источник неопасен, если полотно отсыпано из связных (глинистых) грунтов, а коэффициент их уплотнения К_у ≥ 0,95.

Опасность капиллярного увлажне­ния от грунтовых вод зависит от глубины расположения расчетного горизонта грунтовой воды.

Грунт полотна при любой степени уплотнения, как и любой слой одеж­ды, представляет собой капилляр­но-пористое тело, внутри которого диффундирует паровоздушная смесь. В результате пористости покры­тий и одежд между атмосферой и внутрипоровым воздухом полотна круглый год происходит воздухо- и парообмен. Парообразное увлажне­ние зависит от условий водно-тепло­вого режима полотна и может быть различным. Этот источник постоян­но присутствует в полотне и слоях одежд.

Степень опасности водно-тепло­вого режима по интенсивности тем­пературных воздействий можно ха­рактеризовать продолжительностью морозного периода в днях Т_х, рав­ного периоду между датами перехо­да температуры воздуха через 0 осенью и весной; минимальной t_{min B} или средней t_в температурой воздуха за морозный период Т_х; среднемаксимальной температурой воздуха t_{max в} в наиболее жаркие месяцы, а также комплексными температур­ными показателями: морозным ин­дексом в - Σ Т_хt_в градусо – днях и раз­махом R = t_max – t_т1п. Чем выше мо­розный индекс (изменяется от 50 до 2000), размах R_t T_х, тем опаснее морозное воздействие среды на до­рогу.

Физическая теория тепловлагообмена.Процесс тепловлагообмена в полотне и слоях одежды сложный и взаимосвязанный: изменение темпе­ратуры вызывает миграцию (мед­ленное движение) влаги, влагонакопление и переход ее в иную форму способствует теплообмену. Поэтому процесс тепло- и влагообмена необ­ходимо рассматривать во взаимо­связи.

Эксперименты показали, что грунты и слои одежды воздухопро­ницаемы, поры между собой сооб­щаются. Следовательно, в земляном полотне и слоях одежды имеются условия для воздухо- и парообмена. Обмен возможен, если влажность грунта меньше полной влагоемкости, т.е. W< W_пв. При полной влагоемкости все поры грунта заполнены жидкой фазой и воздухо- и парообмен прекращаются.

В ненасыщенных грунтах влага содержится в двухфазном состоя­нии: W_ж – водяной пар всегда в насыщенном состоянии δ ≈ 100% (где δ – относительная влажность внутрипорового воздуха) и W_ж – жидкая фаза. Соотношение фаз не­прерывно изменяется и зависит от общей влажности грунта.

В мерзлых грунтах дополнитель­но возникает твердая фаза – лед, ко­личество которой пропорционально t_в. При температуре грунта t_г ниже 0 °С не вся жидкая фаза переходит в лед. Вследствие частичного засоле­ния, действия молекулярных сил, ис­ходящих от грунтовых частиц, жид­кая фаза переходит в лед (темпера­тура льдообразования t_л) в зависи­мости от минералогического соста­ва грунта от — 0,5 °С для песков до — 2,5 °С для глин. Даже при очень низкой температуре грунта (t_г = - 20 ... – 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. Основное тепло передается от частицы к частице за счет теплопроводности (кондукции). Вто­рая по удельному весу составляю­щая теплообмена – тепло фазовых превращений при промерзании-от­таивании, конденсации-испарении, облимации-сублимации. 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 P₁в места с меньшим давлением Р₂. Посколь­ку водяной пар находится в насы­щенном состоянии и Р = f( t_г), то он диффундирует от теплых мест к хо­лодным – это процесс термодиффу­зии.

Жидкая фаза мигрирует благода­ря наличию двух потенциалов: кон­центрации и температуры. За счет первого потенциала жидкая фаза мигрирует от мест с большей влаж­ностью к местам с меньшей влаж­ностью (концентрационная мигра­ция). Этот потенциал преобладает в миграции жидкой фазы (95 – 98%). За счет второго потенциала происхо­дит термомиграция жидкой фазы в количестве 2 – 5%. Частицы грунта обволакивают пленки жидкой фазы; свободные поры заполняет насы­щенный пар. Объяснение миграции жидкой фазы в условиях двухфазной миграции дает гидротермодинами­ческая гипотеза [6], Давление Р в пленке воды, обусловливающее кон­центрационную миграцию влаги по обволакивающим пленкам,P = P_п – σ/r,

где Р_п – парциальное давление водя­ного насыщенного пара в порах; σ – по­верхностное натяжение водяной пленки, обволакивающей грунтовые частицы или их агрегаты; r – радиус кривизны пленки воды в контакте с паровоздуш­ной смесью.

Выражение (4.1) объясняет сущ­ность тепломассообмена. Так, если соприкасаются две зоны грунта с одинаковой температурой t₁= t₂но разной влажностью W₁> W₂, мигра­ция будет протекать от мест с боль­шой влажностью W₁ в места мень­шей влажности W₂. Это можно пояс­нить следующим образом. С увели­чением влажности W₁ толщина плен­ки воды возрастает, при этом σ уменьшается, r увеличивается, дав­ление пара Р_псжижаемого водной пленкой, возрастает; При этом рас­тет P₁ Поскольку Р_п1 > Р_п2влага мигрирует из зоны W₁ в зону W₂.

Если соприкасающиеся зоны грун­та имеют разную температуру t₁ >t₂, в теплой зоне давление пара Р_п1 > Р_п2, поверхностное натяжение σ будет меньшим вследствие мень­шей вязкости и согласно выражению (4.1) Р₁ > Р₂ т.е. жидкая фаза, сле­довательно, и водяной пар будут мигрировать из теплой зоны t₁ в холодную t₂.

В результате ухудшения водно-теплового режима могут быть нега­тивные явления: избыточное влагонакопление в отдельных зонах по­лотна вследствие инфильтрации во­ды через трещины в покрытии, через обочины и откосы после дождя или поверхностного стока; увлажнение грунтового основания от горизонта близкого залегания грунтовой воды 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; весен­ние (или в период зимних оттепелей) разрушения дорожных одежд вслед­ствие переувлажнения грунта и потери прочности; разрушения откосов, прежде всего высоких насыпей, от переувлажнения; разрушение высо­ких насыпей от скопившейся воды.

При быстрых понижениях темпе­ратур (ниже 0 °С) в дорожной одеж­де образуются температурные тре­щины. Интенсивный прогрев летом повышает пластичность асфальтобе­тона, способствуя образованию волн и наплывов на покрытии.

Закономерности водно-теплового режима.Для районов с сезонным промерзанием полотна можно выде­лить четыре периода (см рис).

РИС. Сезонное изменение показателей во­дно-теплового режима:

I-IV – характерные сезонные периоды водно-теп­лового режима; А₁ , А₂ - атмосферные осадки в виде дождя и снега; Т_х - холодный период

Предзимний период,или период первоначального накопления влаги осенью, характерен охлаждением и интенсивным увлажнением полотну и одежды атмосферными осадками поднятием уровня грунтовой воды, медленным нарастанием влажности, снижением плотности грунта и прочности одежды. Влажность может достигать 0,7 W_т(где W_т – влажность предела текучести грунта).

В отдельные годы наблюдаются резкие смены температур от поло­жительных к отрицательным. Такие температурные удары вызывают ли­нейные сокращения покрытий, ско­рость которых выше, чем для ниже­лежащих оснований. Это приводит к образованию поперечных темпера­турных трещин.

Морозный период, или период промерзания, характерен перераспреде­лением и накоплением влаги в земляном полотне. Наблюдается снижение t_гр, промерзание грунта, дальнейшее увеличение влажности и снижение плотности грунта. Вода из нижних слоев полотна, особенно парообразная и жидкообразная, интенсивно мигрирует снизу и частично со стороны обочин к оси дороги. В зависимости от продолжительноcти периода Т_х,мощности источников увлажнения и скорости промерзания к концу холодного периода в верх­ней части полотна может нако­питься значительное количество воды. При скорости промерзания до 2,5 см/сут происходит интенсивное влагонакопление и льдообразование в грунте за счет миграции воды из нижележащих слоев. При быстром промерзании (скорость больше 4 см/сут) вода из нижележащих сло­ев не успевает поступить, и влаж­ность грунта может быть несколько меньше. Глубина промерзания дос­тигает максимума. В этот период может вымерзать вода из песчаного подстилающего слоя и устанавли­ваться равновесное состояние воды в грунте земляного полотна или пос­тепенно увеличиваться до уровня (0,7 ÷ 0,8) W_т. Вследствие замерза­ния воды в порах грунта образуются линзы и прослойки льда. В отдель­ные зимы возникают оттепели, сопровождающиеся частичным оттаиванием грунта полотна и резким снижением прочности проезжей час­ти. Интенсивное влагонакопление и промерзание могут привести к обра­зованию пучин. Прочность грунта в холодный период очень высокая.

Весенний период – период оттаива­ния грунта и насыщения его свобод­ной водой. Это самый опасный пе­риод, его принимают за расчетный для дорожных одежд и земляного полотна. Скопившийся в линзах и прослойках лед в верхней части зем­ляного полотна оттаивает и поры грунта заполняются свободной водой, которая скапливается над еще не оттаявшим грунтом (дон­ник). Образовавшееся мокрое корыто сохраняет некоторый период максимальную влажность W = (0,85 ÷ 1,0) W_т,минимальную плот­ность и прочность грунта. Под действием нагревающегося воздуха и автомобилей часть воды отжима­ется в дренирующий слой, часть в обочины и нижележащие слои по мере их оттаивания. При медленном оттаивании, когда его скорость не превышает 4 см/сут, часть воды ус­певает отжаться и испариться. При быстром оттаивании (скорость больше 7 см/сут) происходит интен­сивное накопление воды в порах грунта., В этот расчетный по состоя­нию грунта период Т_р (обычно в апреле – мае) могут возникнуть про­садки одежды в первую очередь на пучинистых местах. Прочность до­рожной конструкции минимальная. Период наиболее неблагоприятного расчетного состояния грунта Т_рвес­ной (или в период зимних оттепе­лей), в течение которого наблюда­ется минимальная сезонная проч­ность груцта полотна

Т_р = h_кр/v_отт,

где h_кр - критическая глубина оттаива­ния (ориентировочно для дорог I—II ка­тегорий до 50 см, III и IV-до 70 см); v_отт – средняя скорость оттаивания грун­та полотна, равная 2-5 см/сут.

За начало расчетного периода z_н ориентировочно можно принимать дату перехода t_в весной через 0°С. Тогда дата окончания периода

z_к = z_н + T_р.

Летний период – просыхание зем­ляного полотна. После полного от­таивания грунт постепенно просы­хает, снижается влажность до наи­меньшего сезонного значения W_min ≈ 0,5 W_т,постепенно возрастает плотность и прочность земляного полотна.