ГЛУБИНА ПРОМЕРЗАНИЯ ГРУНТОВ – ВАЖНЕЙШИЙ ФАКТОР ВОДНО-ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА
В статье рассмотрены процессы увлажнения и перемещения влаги в земляном полотне, глубина промерзания и методы определения ее расчетных значений в зависимости от наличия статистических данных наблюдений и по картам изолиний исходных параметров. Обосновано районирование территории Беларуси по глубине промерзания грунтов и прогнозирование вероятности образования пучин. Информация, содержащаяся в статье, предназначается для использования при проектировании автомобильных дорог и разработке противопучинных мероприятий.
ВВЕДЕНИЕ
Водно-тепловой режим – это закономерное изменение влажности и температуры в различных точках земляного полотна в течение года [1]. Изменения влажности и температуры в земляном полотне тесно связаны между собой, а поэтому рассматриваются комплексно в виде водно-теплового режима.
Водно-тепловой режим земляного полотна и окружающей местности имеют тесную связь, но и определенное отличие, которое заключается в том, что теплопроводность и теплоемкость покрытий и поверхности грунта за пределами дороги неодинаковы; структуры грунта земляного полотна и грунта окружающей местности разные. В процессе эксплуатации дороги вода и снег систематически удаляются с покрытия, а на окружающей местности задерживаются продолжительное время. Отличие водно-теплового режима дорожной конструкции и окружающей местности также во многом зависит от технологии возведения земляного полотна, источников получения грунта и типа машин, выполняющих строительство.
При строительстве земляного полотна из боковых резервов, привозного грунта происходит нарушение структуры грунта, в то время, как местный грунт разрушению не подвергается. В земляном полотне под действием уплотняющих средств, под воздействием движущегося транспорта создается специфический водно-тепловой режим, под влиянием которого формируется новое равновесное состояние грунта, а влажность, температура и плотность грунта колеблются в определенных пределах и подчиняются цикличному закону в течение года.
УВЛАЖНЕНИЕ И ПЕРЕДВИЖЕНИЕ ВЛАГИ В ГРУНТАХ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА
Основным условием обеспечения устойчивости и прочности системы «дорожная одежда – земляное полотно» является недопущение переувлажнения или чрезмерного колебания влажности грунта земляного полотна.
Важнейшим источником увлажнения и климатическими факторами, влияющими на водно-тепловой режим, являются атмосферные участки, испарение, амплитуда и быстрота колебаний температуры воздуха и почвы, продолжительность морозного периода, направление и скорость ветра, мощность снежного покрова, глубина промерзания грунта, миграция воды застаивающаяся в боковых канавах, затрудненный поверхностный сток и вода, поступающая от грунтовых вод (рис. 1) [2]. Атмосферные осадки 1, выпадающие на поверхность дороги, могут просачиваться через водопроницаемую дорожную одежду (гравийная, белое шоссе, мостовая) и обочины к грунту основания.
Рис. 1. Источники увлажнения земляного полотна. 1 – атмосферные осадки; 2 – поверхностная вода (вода в боковых канавах); 3 – капиллярная вода от уровня грунтовых вод; 4 – парообразная вода
При высоком расположении уровня грунтовых вод 3 (см. рис. 1) увлажнение земляного полотна происходит по капиллярам снизу вверх. В зимнее время капиллярная вода является основным источником льдонакопления в грунтовых основаниях, подверженных пучинообразованию. Вода, застаивающаяся на поверхности дороги или в боковых канавах, вследствие затрудненного поверхностного стока 2 может достигнуть грунта земляного полотна в результате действия пленочного или капиллярного механизма передвижения влаги. Следует отметить, что капиллярная вода в зимнее время является основным источником льдонакопления в грунтах земляного полотна [3].
При проектировании и строительстве дорог, проходящих через лесной массив, необходимо учитывать особенность водно-теплового режима, складывающегося в нем, при этом есть факторы, которые необходимо учитывать в обязательном порядке. Это связано с тем, что в лесу, как правило, должны быть определенный гидрологический режим и водообеспеченность лесных и болотных экосистем.
Научными сотрудниками Института леса НАН Беларуси, Белорусского государственного технологического университета (БГТУ) изучены особенности водного режима хвойных лесов, насаждений на избыточно увлажненных лесных землях на площади свыше 230 тыс. га. Осушение данных земель вначале способствовало повышению продуктивности и устойчивости лесов, улучшению доступности лесного фонда, развитию транспортной сети и строительству дорог. В то же время на определенной площади лесных переувлажненных земель ожидаемый эффект не получен. Это связано с недооценкой экологической роли болот и заболоченных лесов. Установлено, что недостаток влаги или ее избыток ведет к ослаблению древостоев, отражается на их состоянии. Как результат – массовое размножение вредителей и болезней древостоя, гибель деревьев, усыхание ельников. В результате развития корневых гнилей и сосудистых микозов возникла угроза утраты формации ясеневых лесов. Это обусловило необходимость проведения работ по повторному заболачиванию лесных территорий. Тем самым усложняются условия для строительства и эксплуатации дорог. С одной стороны, для строительства дорог, проходящих через лесной массив, необходимо было бы осушать территорию, с другой – осушение наносит вред лесам.
Для дорог, построенных в лесу, существенным источником увлажнения грунтов земляного полотна является миграция влаги из боковых канав, в которых вода может застаиваться 40 и более суток. В связи с этим, авторами был исследован процесс передвижения (миграции) влаги из боковых канав в тело земляного полотна за счет действия градиента влажности. Был рассмотрен случай, когда земляное полотно расположено на водоупоре (наиболее тяжелый случай).
В основу решения данной задачи положено уравнение Дорси, которое описывает общий поток влаги в грунтах [1]. Оно имеет вид:
 (1)
где W –влажность грунта, доли от объема грунта;
t – время увлажнения, сут;
х – расстояние передвижения влаги (координата), м;
k – коэффициент влагопроводности;
Ф – гидравлический потенциал.
Применив уравнение (1) для условий миграции влаги из боковых канав, получили выражение, позволяющее определить максимальное расстояние, на которое может мигрировать влага за период действия источника увлажнения
 (2)
где Wп– полная влагоемкость грунта, %;
х – текущая координата;
k – коэффициент влагопроводности грунта, м/сут;
t – время увлажнения, сут;
W0 – естественная влажность грунта, %;
l – расстояние от источника увлажнения, м.
Анализ полученных расчетов показывает, что интенсивное водонасыщение грунта происходит в первые 5 сут, а по истечении 15–25 сут почти прекращается (рис. 2). Увеличение влажности грунта в первые 5 суток достигает 60 %–70 % (рис. 3) по отношению к первоначальной. Насыщение грунта водой наступает тем раньше, чем меньше его первоначальная влажность [4].
Рис. 2. Изменение влажности грунтов в зависимости от расстояния до источника увлажнения и времени его действия
Рис. 3. Интенсивность нарастания влажности грунтов в зависимости от расстояния до источника увлажнения и времени его действия
Проведенные исследования позволили установить максимальное расстояние от источника увлажнения, на которое способна мигрировать влага за время действия источника увлажнения в зависимости от типа грунта. Это расстояние за 20 сут действия источника увлажнения составляет: для глинистых грунтов – 2,5–3,5 м; суглинистых – 3,0–4,0 м; супесчаных – 7,0–9,0 м, для мелкого песка – 27,0–36,0 м [2].
Важная характеристика водно-теплового режима земляного полотна – коэффициент влагопроводности грунтов, его определение является необходимым.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВЛАГОПРОВОДНОСТИ ГРУНТОВ
Для определения коэффициента влагопроводности грунтов авторы использовали методику, разработанную профессором И. А. Золотарем [5]. Результаты исследований приведены в таблице 1 и на рис. 4.
Исследования показывают, что коэффициент влагопроводности грунта зависит от степени его уплотнения [5]. Следовательно, увеличение степени уплотнения грунта земляного полотна является одним из наиболее эффективных мероприятий по стабилизации водно-теплового режима дорожной конструкции. Другим важным фактором, который необходимо учитывать при проектировании дорог, является глубина промерзания грунта.
ТАБЛИЦА 1. РЕЗУЛЬТАТЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ВЛАГОПРОВОДНОСТИ
Тип грунта
|
Полная влагоемкость грунта, %
|
Плотность грунта с, г/см3
|
Коэффициент
|
уплотненияkу
|
влагопроводности k, см2/ч
|
Супесь: оптимальная влажность Wоп = 10,0 %; с = 2,01 г/см3; Wт = 15,7 %
|
16,2
|
1,70
|
0,85
|
190,0
|
15,5
|
1,80
|
0,90
|
110,0
|
15,0
|
1,5
|
0,92
|
70,0
|
14,6
|
1,87
|
0,93
|
49,1
|
13,0
|
1,95
|
0,97
|
20,0
|
10,0
|
2,01
|
1,00
|
8,5
|
Супесь пылеватая: оптимальная влажность Wоп = 12,0 %; с = 1,91 г/см3; Wт= 23,8 %
|
19,2
|
1,76
|
0,92
|
15,8
|
19,5
|
1,78
|
0,93
|
10,0
|
20,3
|
1,81
|
0,95
|
7,2
|
20,8
|
1,83
|
0,96
|
6,6
|
21,0
|
1,88
|
0,98
|
4,4
|
21,5
|
1,91
|
1,00
|
2,9
|
Рис. 4. Зависимость коэффициента влагопроводности грунта от степени уплотнения. 1 – грунт супесчаный; 2 – глина пылеватая; 3 – супесь пылеватая
ГЛУБИНА ПРОМЕРЗАНИЯ ГРУНТА ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА
Промерзание грунтов – это переход грунта из одного состояния в другое с резким изменением его физико-механических свойств. Это сложный процесс, протекающий по-разному для различных видов грунтов. Все грунты по особенностям их промерзания в природных условиях подразделяются на три основные группы [6, 7]:
I – суглинки и глины;
II – супеси, мелкие и пылеватые пески;
III – средние пески, крупнозернистые и крупнообломочные грунты.
Глубина и характер промерзания грунтов зависят от температуры воздуха, высоты снежного покрова, растительности, типа грунта, степени увлажнения его и ряда других метеорологических факторов.
По данным наблюдений [6], глубина проникновения нулевой изотермы при одинаковой сумме отрицательных среднесуточных температур воздуха (635 градусо-дней) для различных типов грунтов разная: для суглинков – 135 см; мелких и пылеватых песков – 139 см; крупнообломочных грунтов – 177 см. Неодинаковы также глубина проникновения отрицательной температуры в грунт и температура замерзания грунтов. Крупнообломочные грунты замерзают при температуре, близкой к 0 оС, с образованием заметной границы между талым и мерзлым грунтами. При промерзании мелкодисперсных грунтов образуется зона промерзания (слой, в котором происходят фазовые превращения воды), разделяющая полностью промерзший и талый грунты.
Температура замерзания мелкодисперсных грунтов более низкая, чем у крупнообломочных грунтов. Это связано с тем, что мелкозернистые грунты имеют мелкие поры и повышенное количество связной воды, которая замерзает при значительно низшей температуре, чем свободная вода.
Грунтовая вода обычно является связной, плотность ее более единицы, содержит, как правило, растворимые соли, взвешенные частицы, испытывает большое давление со стороны защемленного воздуха, имеет меньшую степень подвижности, чем вода, находящаяся в свободном состоянии. Совокупность указанных свойств как раз и понижает температуру замерзания грунтовой влаги, а вместе с ней и самого грунта. Установлено, что все грунты замерзают при температуре ниже 0 оС. Существенное влияние на это оказывают вид грунта, его влажность и продолжительность действия отрицательной температуры.
Например, глинистый грунт с влажностью 30 % замерзает при температуре от минус 1,0 оС до минус 2,0 оС, а песок с 10 %-ной влажностью – при температуре минус 0,5 оС. Это говорит о том, что глубина промерзания грунтов зависит не только от вида грунта, но и от его влажности. Чем выше температуропроводность грунта, тем больше глубина его промерзания. Влажность грунта в начальный момент способствует промерзанию, так как увеличивает теплопроводность, а в дальнейшем процесс замедляется. Это связано с тем, что при замерзании воды выделяется теплота льдообразования, поэтому скорость и глубина промерзания более влажного грунта будут меньше, чем грунта с меньшей влажностью.
Вопросу промерзания грунта посвящены работы многих исследователей: М. Н. Гольдштейна, В. С. Лукьянова, И. И. Леоновича, И. А. Золотаря, Н. А. Пузакова, В. М. Сиденко, А. Я. Тулаева и др. Анализируя данные исследования, а также проведенные авторами статьи, можно сделать заключение, что на глубину промерзания влияет многообразие факторов, которые целесообразно разделить на две группы.
К |
