Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Влияние водно-теплового режима на прочность и деформативные свойства грунтов земляного полотна

24.11.2018


Регулирование водно-теплового режима осуществляется в целях снижения деформируемости и повышения прочности земляного полотна в процессе эксплуатации дороги. Использование в основаниях дорожных одежд грунтовых слоев, уплотненных до стандартной плотности при оптимальной влажности, впервые было предложено проф. А.К. Бируля в 1952—1955 гг.

В связных грунтах пленки воды различной толщины обволакивают минеральные частицы и поэтому находятся в зоне действия их межмолекулярных сил. С повышением влажности грунтов увеличивается и толщина этих пленок воды, что приводит к снижению несущей способности грунтов.

В процессе эксплуатации дороги транспортная нагрузка вызывает деформацию грунтов, которые должны быть упругими, т.е. само-восстанавливающимися. Упругие деформации при сжатии грунтов зависят от деформации сжатия минеральных частиц, а также от деформаций водных пленок с вытеснением их из зоны контактов между частицами. Модуль упругости минеральных частиц на несколько порядков выше модуля упругости водяных пленок, поэтому и деформации минеральной части грунта намного меньше деформаций пленок воды. Чем больше влажность грунта, тем меньше его прочность и больше деформируемость пленок.

Процесс выжимания водных пленок из зон контактов при приложении нагрузки развивается во времени вследствие проявления вязких свойств связанной воды. Поэтому и деформации грунтов происходят не мгновенно, а растянуты во времени, т.е. имеют вязкий характер. Основными показателями деформируемости и прочности грунтов являются модуль упругости, сцепление и угол внутреннего трения.

С увеличением плотности скелета грунта модуль упругости увеличивается, поэтому повышение плотности является одним из основных средств увеличения модуля упругости грунта. Современные уплотняющие средства позволяют достичь коэффициента уплотнения 1,08 и более. Однако стабильность переуплотненных грунтов существенно зависит от водно-теплового режима. Если грунты земляного полотна не защищены от доступа влаги, то в холодные периоды года происходит постепенное насыщение их парообразной, пленочной и капиллярной водой, которая замерзает в поровом и межзерновом пространствах грунта и, расширяясь, постепенно его разуплотняет. Этот процесс развивается в том случае, если количество влаги в грунте больше оптимального. При меньшем содержании влаги за счет регулирования водно-теплового режима разуплотнения грунта не происходит.

Методика направленного регулирования водно-теплового режима была изложена проф. В.М. Сиденко в 1962 г. Она сводится преимущественно к установлению расчетных значений влажности Wр и прочности грунта на основе теории вероятностей, теплотехнического расчета слоистой дорожной конструкции и применения прослоек с высокими показателями сопротивления тепло- и влагообмену.

Водно-тепловой режим верхней части полотна в значительной степени зависит от тепловлажностных свойств одежд и, в частности, от свойств самого нижнего слоя. Это позволяет классифицировать дорожные конструкции по группам (моделям).

Модель А с пористым граничным слоем, устраиваемым из песка, щебня, гравия, гранитных высевок, горелых пород шахтных отвалов и других материалов повышенной паро- и воздухопроницаемости, получила наибольшее распространение. В ней покрытие 1 (рис. 4.27) устраивают из одного или двух слоев асфальтобетона с разновидностями в виде толстослойных одиночных (8...15 см) или однослойных (4...6 см) покрытий с поверхностной обработкой. Характерной особенностью таких покрытий является их водонепроницаемость для атмосферных осадков. Исключение составляют отдельные участки с трещинами на проезжей части. Как правило, трещины заделывает дорожно-эксплуатационная служба.

Слой основания 2 является основным несущим слоем, обычно устраиваемым из каменных материалов, укрепленных органическими или минеральными вяжущими. При отсутствии вяжущих этот слой отсыпают из высокопрочных, не укрепленных вяжущими каменных материалов. Для дорог III и IV категорий применяются малопрочные каменные материалы. Слой дополнительного основания устраивают преимущественно из песка или щебня.

Конструкции одежд, построенных по такой модели, имеют ряд существенных недостатков. При глубоком или близком залегании грунтовых вод и соблюдении требований СНиП 2.05.02-85 по возвышению бровки полотна основной формой миграции воды (60...80 %) является легкоподвижная парообразная влага. Перемещение водяного пара происходит за счет перепада его упругости вследствие разности температур. Непрерывная в течение холодного периода термодиффузия пара снизу вверх к дорожному покрытию способствует накоплению конденсируемой жидкой фазы в нижних паропроницаемых слоях одежды. Чем продолжительнее холодный период, ниже отрицательная температура и выше пористость (проницаемость) слоев 2 и 3, тем больше морозное влагонакопление.

Водяные пары конденсируются в жидкую фазу, которая при замерзании переходит в лед. Величина льдообразования при прочих равных условиях прямо пропорциональна пористости материала граничного слоя. После оттаивания льда наблюдается повышенное увлажнение верхней части полотна до W = 0,6...0,8. Такая влажность грунта превышает рекомендуемые значения для первой группы местности по условиям увлажнения, а деформативные и прочностные характеристики грунта при этом ниже на 25...35%.

При близком залегании грунтовых вод песчаные слои уже через три-четыре года снижают коэффициент фильтрации и не выполняют функции дренирования из-за кольматации глинистыми частицами, мигрирующими снизу вверх совместно с влагой. Кроме того, уплотнение щебеночного слоя на песке затруднено. Несмотря на существенные недостатки такой модели пористые слои по-прежнему широко применяются при строительстве дорожных одежд.

Модель Б в основаниях одежд имеет дренажный слой 8 (см. рис. 4.27). Грунтовые воды залегают близко от низа конструкции одежды. Основным источником увлажнения является капиллярновосходящая вода. Покрытия проницаемы или не проницаемы для атмосферных осадков.

Традиционным материалом для устройства дренажей является песок. Как правило, песок с высоким коэффициентом фильтрации — привозной. Применение песка средней крупности неэффективно. Использование для устройства дренажей скальных горных пород приводит к увеличению стоимости дорожных одежд.

Дорожные одежды, построенные по этой модели, хотя и регулируют водно-тепловой режим за счет отвода избыточной воды, являются малоэффективными, поскольку не обеспечивают надежную и долговечную работу песчаных дренажных слоев, способствуют концентрации воды в основаниях одежд и даже при эффективном водоотводе существенно увеличивают влажность грунта (W=0,7...0,9) и продолжительность расчетного периода из-за увеличения сроков просыхания верхней части полотна.

Таким образом, модели А и Б, издавна применяемые в нашей стране, хотя и содержат конструктивные элементы, направленные на улучшение водно-теплового режима, являются устаревшими. Они не обеспечивают направленное регулирование водно-теплового режима. Их применение должно быть ограничено.

Модель I — для участков дорог с близким залеганием грунтовых вод при сооружении полотна из грунтов высокой влагопроводности bi. Эта модель рекомендуется взамен модели Б. В модели Б покрытие и слои основания одежды располагаются на водонасыщенных слоях земляного полотна 4 в течение всего расчетного периода, грунт имеет избыточное увлажнение и низкие значения прочностных и деформативных характеристик.

В модели I одежды устраивается гидроизоляционный слой 9 (см. рис. 4.27) из материалов, препятствующих дальнейшей вертикальной миграции капиллярной воды 7. Гидроизоляционный слой задерживает жидкую фазу, но может пропускать парообразную. В результате такой селекции в грунтовом слое h возможно перемещение пленочной влаги за счет некоторого первоначального содержания воды в грунте при сооружении полотна и термодиффузии водяного пара через гидроизоляционный слой 9. При этом в слое h влажность грунта намного ниже: W = (0,6...0,7)Wиз, что наблюдается в модели Б. Это позволяет повысить расчетные параметры грунта, сократить продолжительность расчетного периода, снизить толщину дорожной одежды, уменьшить возвышение бровки земляного полотна. Проектирование дорожных конструкций по модели I способствует снижению сметной стоимости на 10...15 % по сравнению с моделью Б.

Модель II — для участков дорог с глубоким залеганием грунтовых вод. Характерной особенностью этой модели является применение в граничном слое одежды материалов с пониженной паропроницаемостью. Этот слой 10 (см. рис. 4.27) защищает вышележащие слои одежды от интенсивного пленочного увлажнения. Он в значительной мере (на 75...90 %) уменьшает миграцию пленочной влаги, не допускает частичного проникания парообразной влаги. Поэтому такой слои можно назвать парогидроизоляционным.

Благодаря дифференциации влаги в верхней части полотна обеспечивается благоприятный водно-тепловой режим. В связи с этим в таких конструкциях коэффициент уплотнения грунта следует повышать до Kу = 1,03...1,05. В процессе эксплуатации дорог происходит формирование прочной структуры грунта. Максимальная сезонная влажность грунта в расчетный период снижается на 10... 15%. При этом повышаются деформативные и прочностные характеристики на 20...30%, сокращается продолжительность расчетного периода, уменьшается толщина одежды Hо и ее сметная стоимость снижается на 10... 15%.

Предложение отказаться от пористых граничных слоев и перейти на плотные обосновано теоретически и проверено экспериментально на дорогах Украины в 1977—1979 гг.

Модель III — для участков дорог с глубоким залеганием грунтовых вод. Характерная особенность этой модели — наличие пароизоляционного слоя 12 (см. рис. 4.27), который полностью преграждает движение пленочной 5 и парообразной 6 влаги снизу в вышележащие слои. Если этот слой устраивается не из пленочных рулонных изоляционных материалов, а из укрепленных грунтов, то он допускает частичную термодиффузию водяного пара. Количество диффундируемого пара в этом случае не может создать в вышележащем слое условие для движения пленочной влаги.

Благодаря такому направленному регулированию общее количество влаги материала в слое 11 в процессе эксплуатации практически не изменяется. Поэтому можно направленно регулировать водно-тепловой режим слоя 11 на стадии строительства. Придавая этому слою пониженную влажность (0,45...0,55)W, можно задавать заранее установленное технико-экономическим расчетом значение прочностных и деформативных характеристик.

Характерной особенностью этой модели является высокая морозостойкость слоев одежды. Это объясняется отсутствием в слое 11 свободной воды и невозможностью возникновения избыточного внутрипорового давления кристаллов льда, что характерно при промерзании избыточно увлажненных грунтов. Поэтому конструкции одежд, спроектированные по модели III, являются пучиноустойчивыми.

Высокая морозоустойчивость одежд позволяет использовать в слое 3 малопрочные и слабоморозоустойчивые материалы. Это дает возможность применять местные некондиционные материалы, побочные продукты и отходы промышленности, позволяет существенно снизить сметную стоимость дорожных одежд.

Однако наибольший экономический эффект может быть достигнут, если слои 11 устраивать из связных грунтов, уплотненных тонкими слоями (10...20 см) обычными средствами при начальной относительной влажности 0,45...0,55 до коэффициента уплотнения 1,03... 1,05. Для повышения прочности слоя 11 целесообразно использовать неукрепленный грунтощебень с содержанием щебня малопрочных местных горных пород (50...60% от объемной массы скелета грунта).

Экономическая эффективность одежд, построенных по этой модели, достигается за счет повышения на 30... 50 % деформативных Ei и прочностных фi, С, свойств слоя 11. Снижение сметной стоимости может достигать 25...30 % и более.

Модель IV — для участков дорог с глубоким промерзанием и интенсивным морозным влагонакоплением. Характерной особенностью этой модели является наличие термоизоляционного слоя 13 (см. рис. 4.27) с большим значением теплового сопротивления:

где hт — толщина слоя 13 с коэффициентом теплопроводности Лт.

Толщина слоя hт может быть различной (5...50 см) в зависимости от климатических условий, термического сопротивления вышележащих слоев одежды Rо, типа грунта полотна. Для устройства термоизоляционных слоев могут применяться различные материалы с высокой термостойкостью и малой влаго- и паропроницаемостью. Применение для термоизоляционных слоев пористых материалов с высокой паропроницаемостью приведет, как и в модели Б, к значительному влагонакоплению и избыточному увлажнению грунтов верхней части полотна.

Экономический эффект дорожных конструкций, спроектированный по модели IV, достигается за счет предупреждения пучинообразования, уменьшения глубины промерзания грунтов, а также влагонакопления в верхней части полотна, как и в модели II. При этом прочностные и деформативные характеристики повышаются на 20...25%.

Наиболее эффективны и перспективны конструкции с пароизоляционными слоями (модель III). Эта модель в наибольшей мере удовлетворяет требованиям направленного регулирования воднотеплового режима и обеспечивает проектирование долговечных, надежных и экономичных дорожных конструкций.


Имя:*
E-Mail:
Комментарий: