Меню

Водно тепловой режим дорожной одежды



Водно-тепловой режим земляного полотна

В связи с ростом интенсивности транспортных потоков, увеличением грузонапряженности и скорости движения повышаются требования к прочности земляного полотна.

Тепловой режим грунтов, нарушаемый дорожной одеждой с большей теплопроводностью и отсутствием снежного покрова на поверхности дороги, способствует увеличению зимнего влагонакопления под проезжей частью.

Водный режим верхних слоев земляного полотна также ухудшается из-за медленного просыхания грунтов под водонепроницаемым покрытием.

В отличие от покрытия земляное полотно и основание должны устраиваться прочными на достаточную перспективу роста интенсивности движения. Мероприятиями, повышающими прочность и устойчивость земляного полотна, помимо поверхностного водоотвода являются:

• предохранение верхней части земляного полотна от поступления воды сверху (приданием поперечных уклонов поверхности полотна, укреплением обочин) и снизу (устройство полотна в насыпях при достаточном его возвышении над уровнем грунтовых вод и надлежащем уплотнении насыпного грунта); устройство прослоек, изолирующих или прерывающих капиллярное поднятие; замена неблагоприятных грунтов в выемках и невысоких насыпях морозоустойчивыми грунтами или материалами;

• обеспечение своевременного оттока воды из верхней части земляного полотна (укладка дренирующих слоев из песка или геотекстильных материалов).

На земляное полотно и дорожную одежду воздействуют атмосферные осадки, выпадающие на поверхность дороги и просачивающиеся через трещины, швы, края покрытия и обочины (рис. 4.1). Причем, поданным СоюздорНИИ, через обочины поступает более 40% выпавших осадков. При затрудненном поверхностном стоке вода может увлажнять земляное полотно за счет подтопления и капиллярного перемещения сбоку или снизу при наличии грунтовых вод.

Круглогодичный цикл водно-теплового режима земляного полотна для районов с сезонным промерзанием состоит из четырех, обусловленных временами года, периодов:

1) первоначального осеннего накопления влаги;

2) интенсивного перемещения и накопления влаги при промерзании земляного полотна;

3) максимального влагонасыщения при оттаивании грунта;

4) просыхания грунта.

Все периоды увлажнения составляют единый закономерный цикл перемещения влаги в грунтах земляного полотна в результате воздействия на него природных факторов окружающей среды. Сроки наступления периодов увлажнения зависят от погодных условий и могут смещаться в ту или другую сторону. Первоначальное накопление влаги в грунтах земляного полотна начинается с переходом средних суточных температур воздуха через +3; +5 °С.

За конец периода первоначального накопления можно принимать установление среднесуточных температур воздуха ниже -5 °С. Зимнее накопление влаги в грунтах происходит путем перемещения ее по направлению теплового потока снизу и с боков, от более теплых мест к более холодным, за счет перераспределения внутренних запасов влаги и миграции ее от уровня грунтовых вод. Одновременно с накоплением влаги происходит морозное пучение грунтов, сопровождающееся их разрушением. Максимальная величина общего пучения в большинстве случаев определяется в основном величиной общего зимнего влагонакопления. Наиболее опасны пылеватые грунты, у которых большая поверхностная энергия сочетается с малым сопротивлением подъему воды в порах. Вследствие этого скорость подтока воды в зону пучения велика и образование ледяных линз в грунте идет интенсивно.

Третий период оттаивания и максимального влагонасыщения начинается с установлением в верхних слоях земполотна стабильных положительных температур и продолжается до полного оттаивания грунтов. Вода, выделяющаяся при оттаивании ледяных образований в мерзлых грунтах, насыщает разуплотненный в процессе пучения грунт, поэтому резко снижается его устойчивость. Характеристиками переувлажнения грунта могут считаться толщина слоя с пониженной несущей способностью и длительность периода ослабленного состояния верхней части земполотна.

По мере прогревания земляного полотна начинается четвертый период — просыхание грунтов, т.е. уменьшение их влажности и восстановление плотности и несущей способности.

Для принятия инженерных решений по регулированию воднотеплового режима земляного полотна необходимо построить эпюры максимально возможных сезонных влажностей Wmax и эпюры допустимых расчетных влажностей Wz.

Сравнение этих эпюр позволяет принимать принципиальные решения по регулированию водно-теплового режима земляного полотна:

• удаление низа конструкции дорожной одежды от уровня грунтовых вод. В этом случае в активной зоне должно быть Wmax

Источник

Водно-тепловой режим земляного полотна

Водно-тепловым режимом земляного полотна называют изменения влажности и температуры в различных точках земляного полотна, происходящие в различные сезоны года. Изучение этих изменении и надлежащий их учет имеют важное значение при проектировании дорог.

Прочность грунта, составляющего земляное полотно, в значительной степени зависит от его влажности. Количество влаги, находящееся в земляном полотне, не остается в течение года постоянным и непрерывно изменяется.

Приток воды в грунт земляного полотна может происходить вследствие:

а) впитывания воды от атмосферных осадков, выпадающих в пределах земляного полотна, а также притекающей с прилегающей местности;

б) просачивания по капиллярным порам поверхностной воды из мест ее застоя у откосов земляного полотна в кюветах и резервах;

в) поднятия грунтовой воды или верховодки по капиллярным порам;

г) перемещения капиллярной влаги из более увлажненных частей земляного полотна к менее увлажненным;

д) перемещения связанной пленочной воды под действием молекулярных сил;

е) конденсации паров воды, находящихся в порах грунта при понижении температуры.

Потери воды в грунте из данной части земляного полотна могут иметь место в результате:

а) просачивания в глубь земляного полотна;

б) перемещения капиллярной и пленочной воды в смежные более сухие части земляного полотна;

в) испарения воды в порах грунта и перемещения паров в другую часть земляного полотна или в окружающую атмосферу (для поверхностного слоя земляного полотна).

Читайте также:  Грузинские дизайнеры одежды инстаграм

Соотношение между числовыми значениями этих величин для конкретных условий непрерывно изменяется, причем происходит циклическое изменение влажности в течение года.

В зависимости от смены сезонов года водный режим земляного полотна характеризуется рядом особенностей. Так, в средней и северной полосах России осенний период сопровождается увлажнением земляного полотна за счет дождей, а также капиллярной влаги при близком от поверхности земли расположении уровня грунтовых вод. Накопление влаги сильно увеличивается при необеспеченном водоотводе.

На изменение количества влаги в различных слоях земляного полотна, кроме факторов, входящих в уравнение водного баланса, большое влияние оказывают также происходящие колебания температуры нагрева грунта. Эти колебания создают в теле земляного полотна температурные перепады (градиенты) под влиянием неодинаковых условий нагрева поверхности дорожной одежды, обочин и откосов, различной теплопроводности материалов дорожной одежды и грунта, различных условий испарения с поверхности.

Температурные градиенты вызывают перемещение тепла и способствуют усилению или ослаблению перемещения воды, особенно в тех частях земляного полотна, где температура близка к 0°С. С наступлением зимы по мере промерзания грунта и под влиянием разности температур в отдельных слоях земляного полотна происходит перемещение влаги из нижележащих слоев, имеющих более высокую температуру, к промерзающему верхнему слою.

При неглубоком залегании грунтовых вод и пылеватых грунтах такой процесс протекает весьма интенсивно. В результате этого весной, после оттаивания земляного полотна, грунт под основанием дорожной одежды может оказаться в переувлажненном состоянии. С приближением летнего периода влажность земляного полотна постепенно уменьшается, и прочность грунта возрастает.

Источник

Водно-тепловой режим земляного полотна в процессе эксплуатации дорог и его влияние на условия работы дорожных одежд

Закономерные изменения в течение года влажности и температуры в придорожном слое воздуха, в слоях дорожной одежды и грунте земляного полотна, обусловленные особенностями данной дорожно-климатической зоны и местных гидрогеологических условий, называют водно-тепловым режимом дорожной конструкции. Он существенно влияет на прочность и морозоустойчивость дорожной конструкции и в конечном итоге на степень ровности проезжей части.

Наиболее значительные сезонные изменения влажности и температуры происходят в земляном полотне.

Годовой цикл водно-теплового режима земляного полотна включает четыре характерных периода:

первоначальное накопление влаги осенью;

промерзание, перераспределение и накопление влаги в земляном полотне зимой;

оттаивание земляного полотна и переувлажнение грунта весной;

просыхание земляного полотна летом.

Осенью (сентябрь-ноябрь) под воздействием потока влаги от атмосферных осадков, проникающих в дорожную конструкцию, и вследствие подъема уровня грунтовых вод грунт увлажняется и перед началом промерзания во II дорожно-климатической зоне осенняя влажность его достигает 0,7WT (WT — влажность на пределе текучести грунта). Увеличение влажности сопровождается разуплотнением грунта. Зимой в процессе промерзания земляного полотна, вызывающего приток влаги от уровня грунтовых вод к фронту промерзания, происходит дальнейшее увлажнение и разуплотнение грунта. Прочностные характеристики дорожной конструкции достаточно велики, так как грунт и слои дорожной одежды находятся в мерзлом состоянии. Весной в начале оттаивания земляного полотна грунт наиболее увлажнен и разуплотнен (W @ (0,85-1,00)WT; Kyпл = 0,85). Этот период принимают за расчетный в работе дорожной одежды.

Инсоляция и нагрев поверхности дороги весной создают поток тепла, проникающий в дорожную конструкцию, который приводит к постепенному просыханию самых верхних слоев земляного полотна. Однако до полного оттаивания влажность талого грунта резко возрастает, плотность его уменьшается, снижаются деформационные (модуль упругости) и прочностные характеристики (угол внутреннего трения и сцепление). Наименьшие значения деформационных и прочностных характеристик наблюдаются в апреле-мае, когда дорожная конструкция обладает наименьшей прочностью.

Летом (июль-август) земляное полотно интенсивно просыхает. Влажность грунта уменьшается примерно до 0,5WT; летом грунт находится в наиболее уплотненном состоянии и обладает наибольшей прочностью.

В неблагоприятный для службы дорог расчетный период наибольшего ослабления дорожной конструкции ее прочность должна соответствовать требованиям автомобильного движения, кроме того, дорожная конструкция должна обладать необходимой морозоустойчивостью.

Фактическую влажность грунта земляного полотна эксплуатируемых дорог можно получить в результате непосредственных наблюдений за водно-тепловым режимом земляного полотна. Однако далеко не всегда эта влажность будет соответствовать расчетной. Ввиду временной (по сезонам и годам) изменчивости влажности грунта земляного полотна и необходимости оценивать прочность дорожной конструкции с заданным уровнем надежности расчетную влажность грунта устанавливают вероятностным методом. Под расчетной влажностью грунта Wp в этом случае подразумевают максимальное значение средней влажности грунта в пределах активной зоны земляного полотна, наблюдающееся в наиболее неблагоприятный период (время, в течение которого грунт активной зоны наиболее увлажнен) хотя бы в одном году за срок между капитальными ремонтами дорожной одежды.

Дорожно-климатические зоны Дорожно-климатические подзоны Схема увлажнения рабочего слоя земляного полотна Среднее значение влажности Wтаб грунта, доли от WT
супесь легкая песок пылеватый суглинок легкий супесь пылеватая и суглинок пылеватый
0,53 0,57 0,62 0,65
I1 0,55 0,59 0,65 0,67
0,57 0,62 0,67 0,70
0,57 0,57 0,62 0,65
I I2 0,59 0,62 0,67 0,70
0,62 0,65 0,70 0,75
0,60 0,62 0,65 0,70
I3 0,62 0,65 0,70 0,75
0,65 0,70 0,75 0,80
0,60 0,62 0,65 0,70
II1 0,63 0,65 0,68 0,73
0,65 0,67 0,70 0,75
0,57 0,59 0,62 0,7
II2 0,60 0,62 0,65 0,70
0,62 0,64 0,67 0,72
0,63 0,65 0,68 0,73
II3 0,66 0,68 0,71 0,76
II 0,68 0,70 0,73 0,78
0,60 0,62 0,65 0,70
II4 0,63 0,65 0,68 0,73
0,65 0,67 0,70 0,75
0,65 0,67 0,70 0,75
II5 0,68 0,70 0,73 0,78
0,70 0,72 0,75 0,80
0,62 0,64 0,67 0,72
II6 0,65 0,67 0,70 0,75
0,67 0,69 0,72 0,77
III1 0,55 0,57 0,60 0,63
2-3 0,59 0,61 0,63 0,67
III III2 0,58 0,60 0,63 0,66
2-3 0,62 0,64 0,66 0,70
III3 0,55 0,57 0,60 0,63
2-3 0,59 0,61 0,63 0,67
IV 0,53 0,55 0,57 0,60
2-3 0,57 0,58 0,60 0,64
V 0,52 0,53 0,54 0,57
2-3 0.55 0,56 0,57 0,60
Читайте также:  Все для пошива кукольной одежды

Примечание. Табличными значениями можно пользоваться только при обеспечении возвышения земляного полотна в соответствии со СНиП. На участках, где возвышение не обеспечивается (например, в нулевых местах и в выемках с близким залеганием грунтовых вод), величина назначается индивидуально по данным прогнозов, но она должна быть не менее чем на 0,03 выше табличных значений.

Активной зоной считают верхнюю часть земляного полотна от низа дорожной одежды до глубины 1,3-1,6 м от поверхности покрытия. В этой зоне распространяются значительные напряжения от временных нагрузок, а водно-тепловой режим и состояние грунта наиболее зависимы от погодно-климатических условий.

В соответствии с МОДН 2-2001 «Проектирование нежестких дорожных одежд» расчетную влажность дисперсного грунта Wp (в долях от влажности на границе текучести Wт) при суммарной толщине слоев дорожной одежды Z1 ³ 0,75 м определяют по формуле:

где (4.27)

— среднее многолетнее значение относительной (в долях от границы текучести) влажности грунта, наблюдавшееся в наиболее неблагоприятный (весенний) период года в рабочем слое земляного полотна, отвечающего нормам СНиП по возвышению над источниками увлажнения, на дорогах с усовершенствованными покрытиями и традиционными основаниями дорожных одежд (щебень, гравий и т.п.), и при суммарной толщине одежды до 0,75 м, определяемое по табл. 4.14 в зависимости от дорожно-климатической зоны и подзоны, схемы увлажнения земляного полотна и типа грунта. Границы дорожно-климатических зон и подзон приведены в табл. 4.15;

Дорожно-климатические зоны и подзоны

Дорожно-климатическая зона и подзона Примерные географические границы
I Севернее линии, соединяющей: Нивский — Сосновку — Новый Бор — Щельябож — Сыню — Суеватпуль — Белоярский — Ларьяк — Усть-Озерное — Ярцево — Канск — Выезжий Лог — Усть — Золотую — Сарыч — Сеп — Новоселове — Иню — Артыбаш — государственную границу — Симонове — Биробиджан — Болонь — Многовершинный. Включает географические зоны тундры, лесотундры и северовосточную часть лесной зоны с распространением вечномерзлых грунтов
I1 Расположена севернее линии: Нарьян-Мар — Салехард -Курейка — Трубка Удачная — Верхоянск — Дружина — Горный Мыс — Марково
I2 Расположена восточнее линии: устье р. Нижней Тунгуски — Ербогачен, Ленек — Бодайбо — Богдарин и севернее линии: Могоча — Сковородино — Зея — Охотск — Палатка — Слаутсткое. Ограничена с севера I1 подзоной
II От границы I зоны до линии, соединяющей: Львов — Житомир — Тулу — Н.Новгород — Ижевск — Томск — Канск. На Дальнем Востоке от границы I зоны до государственной границы. Включает географическую зону лесов с избыточным увлажнением грунтов
II1 С севера и востока ограничена I зоной, с запада — подзоной II3, с юга — линией Рославль — Клин — Рыбинск — Березники — Ивдель
II2 Ограничена с севера подзоной II1, с запада — подзоной II4, с юга — III зоной, с востока и южной границей I зоны
II3 С севера ограничена государственной границей, с запада — границей с подзоной II5, с юга — линией Рославль — Клин — Рыбинск, с востока — линией Псков — Смоленск — Орел
II4 Ограничена с севера подзоной II3, с запада — подзоной II6, с юга — границей с III зоной, с востока — линией Смоленск — Орел — Воронеж
II5 С севера и запада ограничена государственной границей, с востока — линией Минск — Бобруйск — Гомель, с юга — линией Барановичи — Рославль — Клин — Рыбинск
II6 С севера ограничена подзоной II5, с запада — государственной границей, с юга — границей с III зоной, с востока — линией Минск — Бобруйск — Гомель
III От южной границы II зоны до линии, соединяющей: Кишинев — Кировоград — Белгород — Самару — Магнитогорск — Омск — Бийск — Туран. Включает лесостепную географическую зону со значительным увлажнением грунтов в отдельные годы
III1 Ограничена с севера зоной II, с запада — подзоной III2, с юга — IV зоной, с востока — I зоной
III2 Ограничена с севера зоной II, с запада — подзоной III3, с юга — зоной IV, с востока — линией Смоленск — Орел — Воронеж
III3 Ограничена с севера зоной II, с запада — государственной границей, с юга — зоной IV, с востока — линией Бобруйск — Гомель — Харьков
IV Расположена от границы III зоны до линии, соединяющей: Джульфу — Степанакерт — Кизляр — Волгоград и далее проходит южнее на 200 км линии, соединяющей: Уральск — Актюбинск — Караганду. Включает географическую степную зону с недостаточным увлажнением грунтов.
V Расположена к юго-западу и югу от границы IV зоны и включает пустынную и пустынно-степную географические зоны с засушливым климатом и распространением засоленных грунтов
Читайте также:  Соответствие размеров мужской одежды рубашки

— поправка на особенности рельефа территории, устанавливаемая по табл. 4.16;

— поправка на конструктивные особенности проезжей части и обочин, устанавливаемая по табл. 4.17;

№ п/п Тип местности по рельефу Поправка
Равнинные районы 0,00
Предгорные районы (до 1000 м в.у.м.) 0,03
Горные районы (более 1000 м в.у.м.) 0,05
№ п/п Конструктивная особенность Поправка в дорожно-климатических зонах
II III IV V
Наличие основания дорожной одежды, включая слои на границе раздела с земляным полотном, из укрепленных материалов и грунтов:
крупнообломочного грунта и песка 0,04 0,04 0,03 0,03
супеси 0,05 0,05 0,05 0,04
пылеватых песков и супесей, суглинка, зологрунта 0,08 0,08 0,06 0,05
Укрепление обочин (не менее 2/3 их ширины):
асфальтобетоном 0,05 0,04 0,03 0,02
щебнем (гравием) 0,02 0,02 0,02 0,02
Дренаж с продольными трубчатыми дренами 0,05 0,03
Устройство гидроизолирующих прослоек из полимерных материалов 0,05 0,05 0,03 0,03
Устройство теплоизолирующего слоя, предотвращающего промерзание Снижение расчетной влажности до величин полной влагоемкости при требуемом Kупл грунта
Грунт в активной зоне земляного полотна в «обойме» Снижение расчетной влажности до оптимальной
Грунт, уплотненный до Kупл = 1,03-1,05 в слое 0,3-0,5 м от низа дорожной одежды, расположенном ниже границы промерзания 0,03-0,05 0,03-0,05 0,03-0,05

Примечание. Поправки при мероприятиях по п.п. 1 и 2 следует принимать только при 1-й схеме увлажнения рабочего слоя, а по п. 5 — при 2-й и 3-й схемах.

Коэффициент нормированного отклонения

Кн 0,85 0,90 0,95 0,98
t 1,06 1,32 1,71 2,19

Кн — заданный (требуемый) уровень надежности (вероятность)

t — коэффициент нормированного отклонения, принимаемый в зависимости от требуемого уровня надежности по табл. 4.18;

D3 — поправка на влияние суммарной толщины стабильных слоев дорожной одежды, устанавливаемая по графику рис. 4.18.

Рис. 4.18. Графики для определения поправки на влияние суммарной толщины стабильных слоев одежды:
1 — для исходной* относительной влажности 0,75Wm; 2 — то же, для 0,80Wm; 3 — то же, для 0,85Wm; 4 — то же, для 0,90Wm;
* Исходная влажность определяется первым слагаемым в выражении (4.27).

От расчетной влажности земляного полотна существенно зависят деформативные и прочностные характеристики подстилающего дорожную одежду грунта, а также прочность, ровность и долговечность всей конструкцию.

Рекомендуемые нормативные значения механических характеристик грунтов и песчаных конструктивных слоев дорожной одежды приведены в табл. 4.19-4.21.

Нормативные значения сдвиговых характеристик глинистых грунтов в зависимости от расчетной влажности числа приложений расчетной нагрузки

Расчетная относительная влажность Сцепление С, МПа, при суммарном числе приложений нагрузки (SNp ) Угол внутреннего трения j, град., при суммарном числе приложений нагрузки (SNp)
10 3 10 4 10 5 10 6 10 3 10 4 10 5 10 6
Суглинки и глины
0,60 0,030 0,030 0,016 0,014 0,012 14,5
0,65 0,024 0,019 0,013 0,011 0,009
0,70 0,019 0,013 0,009 0,007 0,006 11,5 8,5 6,5 5,5
0,75 0,015 0,009 0,006 0,005 0,004 7,5
0,80 0,011 0,007 0,005 0,003 0,002 2,5
0,90 0,008 0,04 0,004 0,002 0,001 11,5 6,5 3,5 2,2
Супеси
0,6 0,014 0,012 0,008 0,006 0,005
0,65 0,013 0,010 0,008 0,006 0,004 23,5
0,70 0,012 0,009 0,006 0,005 0,004 23,5
0,75 0,011 0,008 0,005 0,004 0,003
0,80 0,010 0,007 0,005 0,004 0,003
0,85 0,009 0,007 0,004 0,003 0,003
0,90 0,008 0,004 0,003 0,003 0,003 12,5

Примечание. Значение сдвиговых характеристик при SNp = 1 используются при расчете на статическое действие нагрузки. При SNp > 10 расчетные значения j и С следует принимать по графе «10 6 ».

Нормативные значения модулей упругости грунтов

Грунт Модуль упругости, при относительной влажности W/WT, МПа
0,5 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95
Пески:
крупные
средней крупности
мелкие
однородные
пылеватые 60 54
Супеси:
легкая
пылеватая, тяжелая пылеватая
легкая крупная
Суглинки:
легкий, тяжелый.
легкий пылеватый.
тяжелый пылеватый
Глины

Примечание. Классификация песков дана по ГОСТ 25100-95. Однородные выделяются по указаниям СНиП «Автомобильные дороги».

Расчетные значения угла внутреннего трения и сцепления песчаных грунтов и песков конструктивных слоев в зависимости от расчетного числа приложения расчетной нагрузки SNp

№ п/п Тип грунта Сцепление, МПа и угол внутреннего трения при суммарном числе приложений нагрузки (SNp)
10 3 10 4 10 5 10 6
Песок крупный с содержанием пылевато-глинистой фракции:
25 0,004 33 0,003 22 0,003 21 0,003 22 0,003
5 % 24 0,005 31 0,004 36 0,004 22 0,003 28 0,003
Песок средней крупности с содержанием пылевато-глинистой фракции:
32 0,004 30 0,004 30 0,603 28 0,003 22 0,002
5 % 33 0,005 30 0,004 22 0,003 28 0,003 26 0,002
Песок мелкий с содержанием пылевато-глинистой фракции:
31 0,003 28 0,003 22 0,002 26 0,002 25 0,002
5 % 21 0,005 22 0,004 26 0,004 25 0,004 24 0,003
8 % 31 0,006 22 0,005 26 0,004 25 0,003 22 0,002

Примечания: 1. Значения характеристик даны для условий полного заполнения пор водой. 2. В числителе — угол внутреннего трения в градусах, в знаменателе — сцепление в МПа. 3. При SNp > А×10 6 расчетные значения j и С следует принимать по графе «10 6 ».

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник