6816

21

I – однофазная диффузия пара, если влажность материала меньше максимальной гигроскопической влагоемкости Wмг=0,3Wпв

II – двухфазная миграция ( насыщенный пар+жидкая фаза), если Wмг<W<Wпв III – однофазная миграция жидкой фазы, если все поры заполнены водой W<Wпв.

В слоях дорожной одежды наблюдается I случай миграции, в верхней части земляного полотна II случай, в зоне избыточного увлажнения земляного полотна III.

Водяной пар мигрирует в зоне пониженного парциального давления, т. е. от теплых мест к холодным. В теплый период с верхних слоев в нижние, в холодный период – из нижних в верхние.

Жидкая фаза мигрирует под воздействием двух потенциалов: концентрации и температуры. Под воздействием концентрации ( 95-98% ) жидкая фаза мигрирует от мест с большей влаж-

ностью к местам с меньшей влажностью ( концентрационная миграция).

Под воздействием температуры ( термомиграция ) жидкая фаза мигрирует за счет возникающего в пленках давления.

Вариант 1 Соприкасаются в изотермических условиях ( t1=t2 ) зоны с разной влажностью грунта W1>W2.

Вследствии различной влажности W1>W2 толщина пленки воды будет неодинакова hв1>hв2.

Врезультате уменьшается поверхностное натяжение водяной пленки σ1 < σ2 , а радиус кривизны увеличивается. Давление водяного пара Рп сжимаемого водной пленкой в зоне повышенной влажности возрастает. При анализе формулы ( ) получаем, что Р1>Р2, следовательно влага мигрирует из зоны 1 с большей влажностью в зону 2 с меньшей.

Вариант 2. Соприкасаются ( t1=t2 ) зоны грунта имеющие одинаковую влажность W1 = W2, но разную температуру( t1 > t2 )

Взоне с более высокой температурой давление водяного пара выше Рп1 > Рп2. Из условия W1 = W2 получаем, что hв1 = hв2 и r1 > r2. Из анализа формулы ( ) видно, что Р1 > Р2, следовательно жидкая фаза и водяной пар будут мигрировать из более теплой зоны в холодную.

1.3.2.2 Закономерности водно-теплового режима.

Закономерные изменения в течение года влажности и температуры в придорожном слое воздуха, в слоях одежды и грунте земляного полотна, свойственные данной ДКЗ и местным гидрогеологическим условиям, называют водно-тепловым режимом дорожной конструкции. От основных характеристик ВТР зависят прочность и морозоустойчивость дорожной конструкции, а также

ееработоспособность.

Вгодовом цикле изменения ВТР следует выделить четыре характерных периода ( рис.11 ).

I период – первоначального накопления влаги.

Под воздействие влаги от затяжных атмосферных осадков и подъема уровня грунтовых вод, грунт значительно увлажняется и перед началом промерзания достигает 0,7Wт ( влажности на границе текучести грунта). Увеличение влажности в свою очередь сопровождается разуплотнением грунта и снижением его прочности ( плотность δ. E min).

II период ( холодный) – промерзания, перераспределения и накопления влаги в теле земляного полотна.

В результате притока влаги от уровня грунтовых вод к фронту промерзания, происходит дальнейшее увлажнение и разуплотнение грунта. Ввиду того, что грунт ЗП и слой дорожной оде-

22

жды находятся в замершем состоянии, прочностные характеристики дорожной конструкции достаточно велики.

III период (весенний) – оттаивания земляного полотна и переувлажнения грунта.

Увеличение инсоляции и нагрева поверхности дороги солнцем вызывает потоки тепла в дорожной конструкции. Влажность грунта достигает максимального значения ( 0,85-1,0 Wт ), плотность и прочность грунта достигает минимального значения. Данный период принято считать расчетным, а его продолжительность вычисляется следующим образом:

Т р = h кр V от

где: hкр – критическая глубина оттаивания ( для дорог I-III кат. – 0,5 м; III – IV кат. – 0,7 м); Vот – средняя скорость оттаивания грунта земляного полотна.

Рис. 11 Закономерные сезонные изменения водно-теплового режима.

I-IV – периоды водно-теплового режима; hoт – глубина оттаивания; hпр – глубина промерзания; Тх – холодный период; Тр – расчетный период; lот - деформация оттаивания; lост – остаточная деформация.

IV период ( летний ) – просыхания грунта земляного полотна.

Под воздействием солнца происходит интенсивное нагревание дорожной одежды, просыхание грунта земляного полотна и снижение влажности грунта. В данный период влажность достигает минимального сезонного значения, а плотность и прочность максимального.

На водно-тепловой режим земляного полотна существенное влияние оказывают тепловые свойства дорожной одежды Rо. При этом возможны три случая:

-R о = R1 ( R1 – тепловое сопротивление грунта обочины в слое, равном толщине одежды ).

Вэтом случае возникает преимущественно вертикальный перепад температур и горизонтальная миграция влаги в полотне отсутствует.

-Rо < R1. Слои одежды устраивают из материалов с большой теплопроводностью ( каменных материалов). Глубина промерзания по оси дороги больше, чем на обочине. В холодный период ВТР кроме вертикальной миграции присутствует и горизонтальная ( от обочины к оси ). В результате по оси дороги создается зона повышенного влагонакопления.

-R о > R1. Грунт под дорожной одеждой промерзает на меньшую глубину, сем на обочине.

Вхолодный период ВТР наблюдается вертикальной миграции ( снизу вверх ) и горизонтальная ( от оси к обочине ). Количество влаги по оси дорожной одежды минимально.

23

На практике наибольшее распространение получили конструкции дорожных одежд у которых Rо < R1.

1.3.2.3 Влияние водно-теплового режима на службу дорог.

Негативное влияние водно-теплового режима на службу дорог проявляется в следующем:

-избыточное влагонакопление в отдельных зонах полотна;

-образование пучин на участках интенсивного влагонакопления

-разрушения дорожных одежд и конструкций вследствие переувлажнения грунта в период оттаивания.

а) источники увлажнения и процесс влагонакопления.

Количество влаги, накапливающееся в активной зоне земляного полотна ( период начального влагонакопления ), зависит от мощности источников увлажнения. Основные источники увлажнения дорожной конструкции ( рис. 12):

-Атмосферные осадки (1) проникают в тело земляного полотна через трещины в покрытии, обочины, откосы при плохом содержании дорог. При качественном содержании этот источник, хотя и является мощным ( ливни, затяжные дожди), не представляет большой опасности;

-Горизонтальная миграция воды из боковых канав при длительном застое. При наличии в теле земляного полотна связных ( глинистых) грунтов с коэффициентом уплотнения Ку ≥ 0,95 данный источник увлажнения не опасен.

-Капиллярное увлажнение земляного полотна при близком залегании грунтовых вод от низа дорожной одежды ( ≤ 1 м). При высокой пористости грунтов и нижних слоев одежды, длительной и холодной зиме этот источник оказывает негативное воздействие на прочность дорожных одежд и устойчивость земляного полотна.

1

пгв

угв

3

Рис. 12 Источники увлажнения грунта.

1- атмосферные осадки; 2 – горизонтальная миграция влаги; 3 – капиллярное увлажнение от грунтовых вод.

Расчетная влажность грунта прогнозируют по формуле:

Wр = W × (1 + t × υW )

где: W - среднее многолетнее из ежегодных максимальных значений средней в пределах активной зоны влажности, доли от WТ;

νw= 0,08 - 0,1 – коэффициент вариации;

t – коэффициент нормированного отклонения, принимаемый в зависимости от уровня надежности дорожной одежды в эксплуатации.

Дальнейшее накопление влаги ( период морозного влагонакопления ) зависит от глубины и скорости промерзания, возвышения земляного полотна над поверхностью земли и уровнем подземных вод, свойств грунта и степени его уплотнения, толщины стабильных слоев из стабильных материалов, продолжительности холодного периода. Количество влаги накопившееся в земляном полотне к концу холодного периода определяется по зависимости:

W з.н. = W н + m × Т х

где: Wн - влажность грунта в начале холодного периода; Тх – продолжительность холодного периода;

m – коэффициент характеризующий изменение влажности грунта под дорожной одеждой.

При скорости промерзания Vпр ≤ 2,5 см/сут – происходит интенсивное влагонакопление и льдообразование в грунте за счет большего времени миграции воды из нижележащих слое в активную зону.

24

При скорости промерзания Vпр ≥ 4 см/сут – вода из нижележащих слое не успевает поступить в активную зону и влажность грунта несколько ниже.

Активной зоной считают верхнюю часть земляного полотна от низа дорожной одежды до глубины 1,3 – 1,6 м от поверхности покрытия.

б) Пучинообразование, прогноз величины морозного пучения.

Под пучинообразованием понимают неравномерное взбугривание дорожной одежды, вызванное одновременным сочетанием следующих факторов:

-интенсивного морозного влагонакопления Wmax ≥ 0.75 WТ;

-глубоким медленным промерзанием грунта на величину 0,5 м и более от низа дорожной одежды;

-наличием мелких пылеватых ( тонкодисперсных ) грунтов.

Физическая сущность пучинообазования заключается в накоплении, перераспределении, замерзании и оттаивании воды в порах грунта при сезонных изменениях ВТР. В процессе пучинообразования следует выделить два периода: зимний ( период морозного влагонакопления ) и весенний ( период закрытия пучин).

Зимний период

При промерзании грунта возникает температурный градиент, что вызывает термодиффузию воды, воздуха и водяного пара, которые перемещаясь в порах замещают друг друга.

Свободная вода, а также пленочная и рыхлосвязанная перемещается в зоне изотерм от 0° С до –5° С. Прочно связанная и капиллярная вода перемещается при температуре от –10° С до –30° С.

В зоне интенсивного промерзания жидкая фаза замерзает с увеличением объема приблизительно на 9% и ее миграция прекращается. Дальнейшее влагонакопление и льдообразование происходит за счет термодиффузии водяного пара, миграция которого продолжается до тех пор, пока наблюдается перепад температур в грунте земляного полотна.

Внешнее проявление пучин заключается в постоянном поднятии одежды по мере нарастания влаги в зоне интенсивного влагонакопления, и образованием трещин ромбического очертания по площади поднятия. ( рис 13 ).

Рис. 13 Схема промерзания земляного полотна в период влагонакопления. 1 – снежный покров; 2 – поднятие ( вспучивание ) дорожной одежды; 3 – линия промерзания грунта земляного полотна; 4 – зона между фазового перехо-

да грунта; 5 – линза или прослойка льда.

Весенний период.

Весной при прогревании дорожной одежды, грунт оттаивает с образованием жидкой фазы, которая под действием влажности и собственного веса мигрирует в нижние слои и задерживается на мерзлом практически водонепроницаемом грунте.

Спустя несколько дней под дорожной одеждой над мерзлой поверхностью грунт переувлажняется, а наибольшее количество влаги сосредотачивается в местах проявления пучин ( рис.14 ).

Количество свободной воды в теле земляного полотна определяется скоростью оттаивания, тепловыми свойствами материалов слоев дорожной одежды и грунта обочин.

При скорости оттаивания Vот < 4 см/сут – вода успевает испариться или отжаться в дренирующий слой или обочины. Оттаивание происходит постепенно, а влажность остается стабильной

0,85WТ.

При скорости оттаивания Vот ≥ 4 см/сут – происходит быстрое насыщение пор грунта свободной водой и влажность грунта достигает максимального значения ( 1,0-1,6WТ.

Под воздействием транспортной нагрузки вода перемешанная с грунтом через трещины выплескивается ( фонтанирует ) на поверхность, в результате пучина “ вскрывается”. По мере мигра-

26

Нод – толщина дорожной одежды; В – ширина проезжей части;

Величина фактического поднятия дорожной одежды к концу морозного периода прогнозируется в зависимости от величины морозного влагонакопления по формуле:

lф = 1,09 × µ × (W2 − W1 )

где: W1, W2 – соответственно влажность грунта в начале и в конце периода морозного влагонакопления

1.3.2.4Методы регулирования водно-теплового режима эксплуатируемых дорог.

Впроцессе эксплуатации дорог дорожная служба обязана наблюдать за водно-тепловым режимом дорог, выявлять наиболее опасные участки, планировать и осуществлять различные мероприятия по его улучшению.

Воздействовать на водно-тепловой режим возможно в результате проведения следующих мероприятий:

- учета влияния уровня грунтовых вод на дорожную конструкцию; - устройства морозозащитных слоев; - устройства гидроизоляционных слоев; - устройства дренирующих слоев.

а) учет влияния уровня грунтовых вод.

С целью обеспечения прочности грунта земполотна необходимо ограничить возрастание влажности в активной зоне расчетной величиной Wр. Задача сводится к определению величины возвышения низа дорожной одеждой над уровнем грунтовых вод, при этом рассматривается следующая схема ( рис 16 ).

Wпв

Рис .16 Схема к учету воздействия уровня грунтовых вод.

Исключить негативное воздействие уровня грунтовых вод можно двумя способами:

-возвышением бровки земляного полотна, при этом величину h1 определяют следующим образом:

-понижением уровня грунтовых вод, при этом величину h1 рассчитывают по формуле:

где: Wp – расчетная влажность определяется в зависимости от заданных значений расчетной прочности грунта;

Wн – начальная влажность в основании одежд;

Wпв – влажность грунта у зеркала грунтовых вод, соответствующая полному заполнению пор грунта водой;

Тр – продолжительность максимального стояния УГВ, часы;

Z – ордината равная 0,3 – 1,0 м, на которой принимается значение Wp;

m – коэффициент, характеризующий изменение влажности грунта под дорожной одеждой;

Первый способ применяется, как правило, на участках дорог, проходящих в насыпи, второй на участках проходящих в выемке или по застроенной территории.

В случае когда фактическая глубина залегания УГВ меньше величины h1, выполняют искусственное понижение по средствам устройства дренажей глубокого или мелкого заложения ( рис.17 ).

27

Рис. 17 Конструкция дренажей мелкого заложения.

б) Устройство морозозащитных ( теплоизоляционных ) слоев.

Устройством морозозащитных слоев решаются следующие вопросы:

-уменьшение глубины промерзания полотна;

-исключение наличия в полотне мерзлого грунта;

-обеспечение в основании дорожных одежд заранее заданную температуру;

-устранение опасного влияния процесса пучинообразования.

tг

Рис 18 Схема к расчету морозозащитного слоя.

Для участков дорог, относящихся к 1 и 2 – му типам местности по условиям увлажнения толщина морозозащитного слоя определяется по формуле:

Для участков относящихся к 3-му типу местности по условиям увлажнения:

˚С;

hдоп – допустимая глубина промерзания, принимаемая или назначаемая по условиям устойчивости, м.

Температура воздуха tв и грунта tг на участках 1,2-го типов по условиям увлажнения принимаются по самому холодному месяцу зимы, для участков 3-го типа по условиям увлажнения как среднее за период промерзания.

В качестве материалов для устройства морозозащитных слоев применяют: - асбест, топочный шлак, торфоплиты, пенопласты, пенополистерол, пенополивинилхлорид и другие материалы с малой теплопроводностью и паропроницаемостью.

в) устройство гидроизоляционных слоев.

28

Паро- и гидрозащитные слои устраивают с целью ограждения земляного полотна и дорожной одежды от диффузии водяного пара на участках с глубоким залеганием грунтовых вод.

Сущность расчета толщины слоя пароизоляции сводится к следующему:

h1

Рис 19 Схема к расчету пароизоляционного

Таким образом упругость насыщенного водяного пара в плоскости 1 ( граница грунта земляного полотна и нижнего слоя дорожной одежды) определяется по зависимости:

где: Рв – упругость водяного пара воздуха, мм определяемая как Рв = 0,01 Рв´ W в;

Рв´ - максимальная упругость водяного пара воздуха, принимаемая в зависимости от температуры воздуха в конце холодного периода;

Wв – относительная влажность воздуха в этот периода, %;

Рно – максимальная упругость насыщенного пара в плоскости О слоя пароизоляции, принимаемая в зависимости от температуры tо, мм;

rп – сопротивление переходу пара от покрытия к воздуху, мм*ч*м2/кг;

∑rп – суммарное сопротивление паропроницаемости слоев одежды и полотна, расположенных выше слоя пароизоляции;

hп – толщина слоя пароизоляции, м с коэффициентом паропроницаемости æ, кг/(м*ч*мм);

Толщина слоя пароизоляции определяется из условия, что выше плоскости 1 ( верхней границы слоя ) не наблюдается конденсация пара:

Глубина на которой следует закладывать пароизоляционный слой определяется:

где: аt – среднее значение коэффициента температуропроводности дорожной одежды, м2/час.

г) устройство дренирующих слоев.

Дренирующие слои устраивают с целью осушения дорожной одежды и верхней части земляного полотна от избыточной влаги.

Дренажи проектируют руководствуясь принципом осушения или поглощения. В первом случае избыточная влага свободно дренирует из осушительного слоя, во втором избыточная влага полностью поглощается слоем.

Толщина дренирующего слоя назначается по формуле:

h др = h 1 + h 2

где: h1 – максимально допустимая глубина фильтрационного потока по оси дренирующего слоя, м;

h2 – глубина, принимаемая в зависимости от требуемого модуля упругости песка дренирующего слоя, м.

Обычно толщина дренирующего слоя вычисляется из условий прочности, а толщина слоя h1 = hдр – h 2 проверяется на пропуск воды с расходом q.

29

Проверка сводится к удовлетворению условия:

Кф = Ктр

φк – коэффициент заполнения пор водой в слое hк.

30

Лекция № 6

Тема: Деформации и разрушения на автомобильных дорогах.

Вопрос 2.Классификация деформаций и разрушений дорожных конструкций.

В процессе эксплуатации под совместным воздействием автомобильных нагрузок и природных факторов в различных элементах дорог проявляются следующие деформации и разрушения.