книги / Проектирование автомобильных дорог. Ч. 1
.pdfРис. 7.3. Изменение климатических факторов и источников увлажнения земляно го полотна в пределах европейской территории СССР. Влажность выражена в долях предела текучести:
1 — испарение; 2 — осадки; 3 — уровень грунтовых вод; / — частые пучины; II — возможные пучины; III — увеличенная влажность из-за конденсации паров; А, В, С, G — характерные почвенные горизонты (Л — гумусовый и элювиальный; В — аллювиальный; С — почвообра зующие породы; G — оглеенный)
По мере приближения к югу консистенция грунтов в весенний период в основании дорожной одежды становится все более плот ной, влажность, выраженная в долях предела текучести,— мень шей, а продолжительность переувлажнения сокращается.
7.4.Зимнее перераспределение влаги в земляном полотне
ипроцесс пучинообразования
Для дорог, построенных в северных районах страны с дождли вой осенью и морозными зимами, характерны процессы зимнего перераспределения влаги в земляном полотне, приводящие к на коплению влаги в верхних слоях грунта.
В процессе замерзания в теле земляного полотна создается разность температур в пределах от 4—6°С выше нуля у уровня грунтовых вод до отрицательных температур в промерзшем верх нем слое грунта. Под влиянием разности температур влага начи нает перемещаться от теплого грунта к границе промерзания.
121
Существует несколько путей перемещения воды в промерзающем грунте:
перемещение влаги по пленкам, обволакивающим грунтовые частицы, от более теплых частиц к более холодным, которые обла дают большей поверхностной энергией;
путем конденсации на поверхности охлажденных грунтовых ча стиц водяных паров, приносимых содержащимся в грунте возду хом из нижних теплых слоев при конвекционной циркуляции в порах грунта. Парообразное перемещение влаги прекращается при влажности грунта, близкой к капиллярной влагоемкости, когда капилляры начинают замыкаться кольцами менисков воды;
по тонким капиллярам, из которых незамерзающая вода вса сывается в мерзлую часть грунта к центрам кристаллизации.
В пределах промерзшей толщи грунта вода в капиллярах за мерзает при температуре минус 0,2°С. При понижении температу ры ниже 0°С вода, замерзая, образует в отдельных крупных порах кристаллы льда.
Молекулы воды в поверхностных слоях водных пленок на грун товых частицах, соприкасающихся с кристаллами льда, при пони жении температуры начинают подтягиваться к кристаллам льда, включаясь в их кристаллическую решетку. В мелкозернистых грунГах эти кристаллы постепенно увеличиваются в объеме, при тягивая к себе влагу из окружающего грунта и из расположен ных ниже незамерзших слоев грунта. Возникающая всасывающая сила, природа которой в полной мере еще не изучена, заставляет воду по системе пленок и тонких капилляров передвигаться из незамерзших слоев к центрам замерзания, вызывая накопление в грунте прослоек льда. Перемещение влаги протекает интенсивно при температурах от 0 до минус 3°С. При более низких темпера турах большая часть рыхло связанной пленочной воды замерзает и перемещение влаги в грунте практически прекращается.
Количество воды, подтянутой к растущим ледяным кристал лам, бывает тем большим, чем дольше продолжается процесс по степенного промерзания грунта, т. е. чем более длительный период времени температура какого-либо слоя грунта находится в пре делах от 0 до минус 3°С. При быстром промерзании грунта коли чество влаги, которое успевает подойти к каждому центру кри сталлизации, невелико, так как по мере опускания границы промёрзания в грунте возникают новые центры кристаллизации, к которым направляется поток влаги. Горизонты накопления ле дяных прослоек обычно соответствуют периодам оттепелей, когда границы промерзания удерживаются на одном уровне.
Растущие ледяные кристаллы, заполняя поры, имеющиеся в грунте, образуют ледяные прослойки, которые раздвигают грун товые частицы и вызывают поднятие (пучение) грунта (рис. 7.4), приводящее к появлению взбугриваний. При весеннем оттаивании грунта сопротивление оттаявшего сильно увлажненного грунта
122
Рис. 7.4. Увеличение глубины промерзания и вспучивания грунта в течение зим него периода:
1 — вспучивание покрытия; 2 — промерзание грунта земляного полотна; 3 — линзы льда; 4 — оттаивание грунта; 5 — дорожная одежда; 6 — грунт земляного полотна
земляного полотна нагрузкам резко снижается. На дорогах, где дорожная одежда имеет недостаточную прочность, возникают ха рактерные деформации, связанные с проломами дорожной одежды (весенние пучины).
Сопротивление, оказываемое весом расположенных выше слоев грунта, затрудняет накопление льда и противодействует образо ванию ледяных прослоек. Поэтому с увеличением глубины про мерзания интенсивность образования в грунте ледяных кристал лов уменьшается. Глубину, на которой кристаллы практически перестают образовываться, называют критической глубиной про мерзания.
Процесс перемещения влаги и ее накопление в мерзлом грунте наиболее интенсивно протекает в пылеватых грунтах с большим содержанием частиц размером от 0,05 до 0,002 мм. В этих грунтах поверхность грунтовых зерен достаточно развита, чтобы обеспе чить подтягивание к центрам кристаллизации большого количества пленочной воды. Поры грунта также достаточно крупны, чтобы в них происходило и парообразное перемещение влаги.
В грунтах с большим содержанием глинистых частиц вода пе ремещается замедленно, поскольку в тончайших порах глинистых грунтов вязкость связанной воды очень велика, а микроструктура грунтов создает значительные сопротивления для перемещения влаги.
Характеристикой интенсивности процесса зимнего влагонакопления в грунте может служить коэффициент пучения КП, который выражает отношение высоты поднятия поверхности грунта к глу бине промерзания. По данным проф. Н. А. Пузакова, при благо приятных грунтово-гидрологических условиях Кп= 2-нЗ % • В небла
123
гоприятных случаях, например при близком к поверхности грунта стоянии уровня грунтовых вод, Кп может достигать 15—20%. Для определения общего количества влаги, накопившейся в земляном полотне за зимний период при различных источниках увлажнения земляного полотна, разработан ряд методов (проф. И. А. Золотарь, проф. В. М. Сиденко и др.). Наиболее простой из них, с достаточ ной точностью удовлетворяющий требованиям расчетов водногорежима земляного полотна автомобильных дорог, предложен проф. Н. А. Пузаковым.
Рассмотрим процессы зимнего влагонакопления в охлаждаемом сверху столбике грунта с площадью сечения, равной единице.
В зависимости от источников увлажнение земляного полотна может происходить по одной из трех схем.
1. Сухие местности с обеспеченным стоком поверхностных вод,, глубрким залеганием уровня грунтовых вод и относительно малым количеством осадков.
Накопление влаги в верхних слоях земляного полотна происхо дит в этом случае путем ее парообразного перемещения, конденса ции и перераспределения пленочной влаги в зоне отрицательных температур. Многочисленные наблюдения за промерзанием грун тов показывают, что, несмотря на колебания температуры воздуха, в течение зимы глубина распространения определенной отрица тельной температуры в грунте с достаточной точностью может быть выражена эмпирической зависимостью
H t ~ V 2 a 1t, |
(7.1) |
где ат — коэффициент, зависящий от рассматриваемой температуры и кли матических условий местности, см2/сут; t — продолжительность промерзания, сут.
Средние значения коэффициента ат для изотермы 0 °С, разгра ничивающей талый и замерзающий грунты, колеблются для евро пейской территории СССР в пределах от 50 до 150 см2/сут (рис. 7.5).
Для изотермы —3СС, при которой адсорбированная вода прак тически утрачивает подвижность, значение а_з°с составляет в за висимости от типа грунта от 0,1 a_i °с до 0,85 a_i °с.
Мощность -мерзлой зоны, в пределах которой происходит пере мещение влаги через t дней после начала промерзания, согласно рис. 7.6, а и формуле (7.1) составляет
L = Н й с С — Н _ з оС = { у и0 „с — ] / с»_3 оС) J/~2t. |
(7.2) |
Лабораторные опыты показали, что количество незамерзшей
воды на изотерме 0°С близко к молекулярной влагоемкост-и |
WQ, а |
||
на изотерме —3°С — к утроенной гигроскопичности |
грунта |
U7b |
|
Величины И^о и ^ |
должны быть выражены в долях объема, зани |
||
маемого в грунте водой. |
количества |
||
Таким образом, |
разность W0—Wx характеризует |
||
рыхло связанной воды, которая может перемещаться |
под влияни- |
124
Рис. 7.5. Карта изолиний климатического параметра ао«с:
1 — граница сплошного распространения вечномерзлых грунтов; 2 — то же островного про мерзания
ем температурных градиентов. Распространяя общие закономер ности механики грунтов на случай перемещения пленочной влаги, принимают, что аналогично гравитационной фильтрации воды через грунт скорость пленочного перемещения воды может быть выражена зависимостью, сходной с формулой Дарси:
v = k M |
(7.3) |
где км — коэффициент молекулярной влагопроводимости грунта, значение которого может быть определено опытным путем. Поскольку в уравнении (7.3) градиент влажности выражен в относительных объемах, а не в приведенных высотах слоя воды, коэффициент молекулярной влагопроводимости имеет раз мерность см2/сут; L — путь перемещения влаги — расстояние между нзотерма-
ми, см; |
WQ— Wi |
-------- -------- — J — условный градиент притока влаги. |
125
Рис. 7.6. Схемы к определению, количества влаги, поступающей в зону промер зания:
а — изменение во времени мощности зоны пучения грунта; б — средний путь перемещения незамерзающей влаги; в — путь перемещения в зоне капиллярного перемещения
В период от начала промерзания до достижения критической глубины hKр, ниже которой давление грунта препятствует возникдовению линз льда, средний путь перемещения незамерзшей пле ночной влаги (рис. 7.6,6)
^ср = |
Lt=о + Lt=/кр |
■р/'2tKp(У^о «с —V a—3°с) |
• |
(7-4) |
|
о |
= |
о |
|||
Значения Лкр для центральных районов европейской |
террито |
||||
рии СССР приведены в табл. 7.3. |
|
|
|
||
Учитывая выражение (7.2), скорость перемещения влаги |
|||||
|
_____________ ^ м (Wo — |
^ l ) ____________ |
|
(7.5) |
|
|
|
|
|
|
/ 2 ^ 7 ( / °0 -с - / о-з-с)
Допуская распределение температур в мерзлом слое по линей ному закону, получаем, что количество влаги (в см3/см2), посту пившее за! полный период промерзания грунта /кр,
т —w i)
X
ар °с Л^ а—з °с)
о
dt = \№*(WQ- W l)
(7.6)
1^ 21 |
(l/^aoec j/~ a —3 ec) Kp |
2. Районы с достаточным количеством осадков и затрудненным стоком воды от земляного полотна.
За осенние месяцы верхний слой грунта насыщается влагой и в нем создается столб подвешенной капиллярной воды со средней влажностью, превышающей 0,6 от предела текучести грунта.
Увлажнение грунта в зоне отрицательных температур происхо дит в результате подтягивания капиллярно-подвешенной и пленоч ной воды. На уровне нулевой изотермы грунт имеет влажность, равную молекулярной влагоемкости WQ. Количество перемещаю-
126
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
7.5 |
|
|
|
Коэффициент |
|
|
|
|
|
|
влагопроводимости, |
|
|
|
|
|
Критическая |
см2/сут |
|
аг |
||
|
|
|
0 |
|||
Грунты |
глубина |
|
|
1 |
||
промерзания |
|
|
Ё* |
|||
|
Акр. см |
молекулярной |
капиллярной |
1 |
|
о |
|
& |
|||||
|
|
|
*н |
|
' |
и |
|
|
|
|
|
||
Глины |
120—160 |
1,20 |
17,0 |
0,18 |
0,12 |
|
Суглинки |
120—160 |
1,10 |
10,0 |
0,13 |
0,14 |
|
Пылеватые суглин- |
140 |
1,20 |
— |
— |
0,14 |
|
ки |
|
|
|
|
|
|
Пылеватые супеси |
120—130 |
2,80 |
7,1 |
0,10 |
0,31 |
|
Супеси |
120 |
1,70 |
6,6 |
0,05 |
0,17 |
|
Пылеватые пески |
80 |
1,65 |
— |
— |
0,16 |
|
|
|
|
|
|
|
щейся влаги определяют аналогично предыдущему случаю, с учетом того, что влажность грунта изменяется от начальной: капиллярной влажности Wк до молекулярной влагоемкости W0.
По мере промерзания весь подвешенный столб капиллярной: воды подтягивается кверху. Таким образом, во втором расчетном случае учитывают перемещение воды в зоне положительных темпе ратур. Наблюдения показали, что в этом случае путь фильтрации воды изменяется пропорционально корню квадратному из продол жительности промерзания tHP:
i = / i 2 ^ p , |
(7.7). |
где kK— коэффициент капиллярной влагопроводимости грунта, см2/сут.
Средний за время £Кр путь фильтрации
L = \ ^ 12*KV |
(7.8) |
Следовательно, условный градиент притока капиллярной вла ги в этом случае
2 ( W K - W |
0) |
' = г — |
(7.9) |
V 12AzK^Kp
Скорость притока капиллярной влаги
|
t/K—2АК WK- W a |
|
(7.10). |
||
|
|
Y 12£к£Кр |
|
|
|
Приток капиллярной влаги в мерзлую зону |
|
|
|||
кр |
WK- W Q |
|
|
|
|
Q2 = S”dt = 2kK |
V 2*кр = 1,15 ( Г к - |
W 0) V kKtw |
(7.11) |
||
УЛ12^ |
127"
3.В местностях с близким от поверхности стоянием уровня
трунтовых вод (постоянно сырые места) осеняя влажность грун та может быть принята равной капиллярной влагоемкости грунта. Путь подтягивания воды к замерзшему слою сокращается по мере роста глубины промерзания (рис. 7.6, в)
L = H — Акр = Я — 2а0<>с^кр» |
(712) |
где Я — глубина уровня грунтовых вод от поверхности грунта.
Аналогично предыдущему
— kKJ к — 2kK WK- W Q = 2kK |
WK- W 0 |
(7.13) |
Я — Ак |
(н — Y 2а0гкр ) |
|
Приток воды в зону промерзания
*кр
Q3= ^ v3dt = 2kKW« ~ Wо х а3
(7.14)
Х (Я ‘" Н - У 2а„.с<кр У 2а» - ^ )'
Уравнение (7.13) отражает процесс перемещения влаги лишь при hKV<.H. При hKp = H знаменатель становится равным нулю и скорость получается бесконечно большой. Поэтому формула (7.13) применима лишь до hKр<;0,75 Н. Для больших глубин проф. М. Б. Корсунский предложил пользоваться эмпирической форму лой
_____ 2АК(Wк —Г 0)_____
(7.15)
0,125Я ехр [2,8(1 — Акр)/Я ]
Зная количество воды, поступившей в промерзающую зону за определенное время, можно, допуская, что вся вода замерзает, оп ределить для всех случаев увлажнения соответствующую высоту пучения
/п у ч = 1 .1Q- |
(7.16) |
Средние значения входящих в формулы коэффициентов молеку лярной и капиллярной влагопроводимости для разных грунтов по данным Н. А. Пузакова, приведены в табл. 7.3.
7.5. Дорожно-климатическое районирование СССР
Разнообразие климатических, почвенно-грунтовых и гидрологи ческих условий на обширной территории СССР не позволяет про-
128
ектировать земляное полотно и дорожную одежду во всех клима тических зонах СССР по единым правилам.
Построенная автомобильная дорога, подвергаясь воздействию климатических факторов, участвует во всех естественно-историче
ских процессах, протекающих |
в поверхностных слоях земной |
коры. Поэтому в основу деления |
территории СССР на дорожно |
климатические зоны положено естественно-историческое райониро вание, которое делит территорию СССР на ряд зон, отличающихся общностью климата, гидрологических и геоморфологических усло вий. Следствием относительного постоянства в пределах каждой зоны тепла и влаги являются примерно однородные типы почв и растительности.
Предусматриваемое при проектировании дорог возвышение ни за дорожной одежды над источниками увлажнения и очистка доро ги от снега в процессе эксплуатации, увеличивающая глубину промерзания земляного полотна, несколько меняют водно-тепло вой режим земляного полотна по сравнению с прилегающей мест ностью. Поэтому границы дорожно-климатических зон не совпада ют точно с границами естественно-исторического районирования.
Однако сопоставление карты дорожного районирования со схе мой распространения почвенных типов (рис. 7.7) и с картой ланд шафтных зон на территории СССР (рис. 7.8) показывает, что зоны дорожного районирования примерно соответствуют границам поч венных и ландшафтно-географических зон.
По дорожно-климатическим условиям территория СССР разде
лена на пять зон: |
|
|
|
I — зона |
распространения многолетнемерзлых грунтов (вечной |
||
мерзлоты); |
расположена севернее |
линии Мончегорск — Поной — |
|
Несь — Усинск — Игрим — устье |
Подкаменной |
Тунгуски — |
Канск — Туран — Горно-Алтайск — госграница СССР — Благове щенск — Биробиджан — Николаевск-на-Амуре. Эта зона включает в себя географические зоны тундры, лесотундры и северо-восточ ную часть лесной зоны; характеризуется переувлажнением верх них слоев грунта. Просачиванию воды вглубь препятствует распо ложенный вблизи от поверхности грунта мерзлый грунт. Испаре ние незначительно в связи с кратковременностью теплого периода года.
Так как исключительно сильно проявляется зависимость глуби ны залегания вечномерзлого слоя от растительного покрова, рель ефа и экспозиции склонов по отношению к странам света, типовых рекомендаций по конструкциям земляного полотна и дорожной одежды для I дорожно-климатической зоны не дается. В I зоне выделяют три подзоны, различающиеся по температуре вечномерз лых грунтов и влажности сезонно оттаивающего слоя;
II — зона избыточного |
увлажнения; ограничивается с юга ли |
|
нией |
Львов — Житомир — Тула — Горький — Устинов — Кыш- |
|
тым — Томск — Канск и |
далее на участке Благовещенск.— Биро- |
5—977 |
129 |
30 |
36 |
40 |
46 |
so |
66 |
во |
65 |
Рис. 7.7. Дорожно-климатические зоны и почвы европейской части СССР:
1 —тундровые; 2—подзолистые и заболоченные; 3—горно-лесные подзолистые; 4— дерновые перегнойно-карбонатные вперемешку с подзолистыми; 5 —серые лесные и лесостепные; 6—черноземные; 7—каштановые и солонцы; 8 —бурые солонцы и разве ваемые пески; 9 —буроземы; 10—красноземы, желтоземы и субтропические золистые (/ —V —дорожно-климатические зоны)