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 Ку ≥ 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 Тх, равного периоду между датами перехода температуры воздуха через 0 осенью и весной; минимальной tmin B или средней tв температурой воздуха за морозный период Тх; среднемаксимальной температурой воздуха tmax в в наиболее жаркие месяцы, а также комплексными температурными показателями: морозным индексом в - Σ Тхtв градусо – днях и размахом R = tmax – tт1п. Чем выше морозный индекс (изменяется от 50 до 2000), размах Rt Tх, 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< Wпв. При полной влагоемкости все поры грунта заполнены жидкой фазой и воздухо- и парообмен прекращаются.
В ненасыщенных грунтах влага содержится в двухфазном состоянии: Wж – водяной пар всегда в насыщенном состоянии δ ≈ 100% (где δ – относительная влажность внутрипорового воздуха) и Wж – жидкая фаза. Соотношение фаз непрерывно изменяется и зависит от общей влажности грунта.
В мерзлых грунтах дополнительно возникает твердая фаза – лед, количество которой пропорционально tв. При температуре грунта tг 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 tл) в зависимости от минералогического состава грунта от — 0,5 °С для песков до — 2,5 °С для глин. Даже при очень низкой температуре грунта (tг = - 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( tг), 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 = Pп – σ/r,
где Рп – 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 Рпсжижаемого водной пленкой, возрастает; При этом растет P1 Поскольку Рп1 > Рп2влага мигрирует из зоны W1 в зону W2.
Если соприкасающиеся зоны грунта имеют разную температуру t1 >t2, в теплой зоне давление пара Рп1 > Рп2, 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; Тх - 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 Wт(где Wт – 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 tгр, 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 Тх,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) Wт. 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) Wт,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 Тр (обычно в апреле – мае) могут возникнуть просадки одежды в первую очередь на пучинистых местах. Прочность дорожной конструкции минимальная. Период наиболее неблагоприятного расчетного состояния грунта Трвесной (или в период зимних оттепелей), в течение которого наблюдается минимальная сезонная прочность груцта полотна
Тр = hкр/vотт,
где hкр - критическая глубина оттаивания (ориентировочно для дорог I—II категорий до 50 см, III и IV-до 70 см); vотт – средняя скорость оттаивания грунта полотна, равная 2-5 см/сут.
За начало расчетного периода zн ориентировочно можно принимать дату перехода tв весной через 0°С. Тогда дата окончания периода
zк = zн + Tр.
Летний период – просыхание земляного полотна. После полного оттаивания грунт постепенно просыхает, снижается влажность до наименьшего сезонного значения Wmin ≈ 0,5 Wт,постепенно возрастает плотность и прочность земляного полотна.