§ 10. Последствия зимнего переувлажнения земляного полотна. Водно-тепловой режим в течение года закономерно изменяется в каждой климатической зоне, и можно проследить, как он влияет на работу дорог.

Водно-тепловой режим земляного полотна зависит от тепловых свойств дорожной одежды. При увеличении толщины ее и материале, который характеризуется большей теплопроводностью, чем грунт, водно-тепловой режим улучшается, так как влаги снизу поступает меньше, уменьшается глубина промерзания и размер пучин. При пучении грунта происходят равномерные и неравномерные поднятия дорожных одежд. При равномерном поднятии их (не превышающем 2 см у цементобетонных, 4 см у асфальтобетонных и 6 см у облегченных усовершенствованных покрытий) вредных последствий может не произойти. При больших подъемах, особенно неравномерных, появляются взбугривания дорожной одежды (рис. 18) и отдельные трещины, затем густая сетка трещин.

При движении автомобилей по таким местам ослабленная дорожная одежда дает просадки, через трещины разжиженный грунт выжимается на покрытие. Затем просадки увеличиваются, возможны проломы дорожной одежды и перемещение ее материала с разжиженным грунтом. Такие разрушения называют пучинами.

Пучины могут возникнуть на дорогах при трех характерных условиях: если земляное полотно сложено из пылеватых, склонных к пучинообразованиям грунтов; полотно зимой переувлажнено и когда оно медленно и глубоко промерзало. При отсутствии одного из этих факторов пучины не возникают. Образование пучин наиболее вероятно при недостаточно прочных дорожных одеждах. В земляном полотне, сложенном из неоднородных грунтов и недостаточно уплотненном, появляются отдельные взбугривания, которые при движении тяжелых автомобилей разрушаются и образуют пучины.

На пучинных участках в отдельных местах дорожная одежда может подняться на 50-60 см. Весной при оттаивании под действием колес возникают просадки полотна.

Сроки службы и эксплуатационное состояние автомобильных дорог, особенно во II-IIIклиматических зонах, в значительной степени зависят от прочности дорожных одежд и способности земляного полотна препятствовать образованию пучин. Поэтому работники эксплуатационной службы принимают все меры по недопущению образования пучин. С этой целью составляют прогноз о начале и продолжительности периода от начала оттаивания грунтов земляного полотна под дорожной одеждой до полного оттаивания донника.

Для уточнения расчетных величин следует ежегодно проводить наблюдения и определять размеры неблагоприятных показателей и сопоставлять их с расчетными значениями, относящимися к земляному полотну и дорожным одеждам на каждом участке. В частности можно сделать прогноз, будет ли одежда пучиноустойчивой, если

k_п=l_нер/ l_доп 1;

где l_нер – неравномерное морозное пучение в данном году, см;l_доп– допускаемое поднятие дорожного полотна, см.

При наличии достаточной толщины морозоустойчивого слоя промерзание грунта не оказывает вредного влияния на дорожную одежду. Во-первых, в какой конструкции грунт замерзает значительно позже, чем на местности, так как охлаждение должно пройти через значительную толщину вышерасположенной конструкции. Во-вторых, толщина замерзания грунта невелика, пучинообразование в результате его замерзания незначительно и не вызывает вредных деформаций, а тем более разрушений дорожной одежды.

§ 11. Особенности автомобильного движения в зимний период. Низкая температура зимнего воздуха снижает производительность транспортна, снеговые отложения и скользкость дорожных покрытий затрудняют движение и делают его опасным. Кроме того, в горных районах в конце зимы происходят снежные обвалы и лавины от падения или оползания больших масс снега со склонов гор и косогоров, где он скапливается в течение зимы.

Во времена гужевого транспорта наиболее тяжелыми периодами для его движения были весенняя и осенняя распутицы – пора бездорожья, вызванная переувлажнением дорожных грунтов. При этом в весенний период на дорожных одеждах появлялись пучины.

На основе законов водно-теплового режима можно строить и реконструировать дороги, которые не будут разрушаться под влиянием пучин. При гужевом транспорте зимний период был, наоборот, временем наиболее благоприятным для движения. Перевозки грузов на санях требовали меньших трудностей, и при гужевом транспорте наибольший объем перевозки проводили зимою. При переходе с гужевого на автомобильный транспорт не было обращено должного внимания на проектирование и строительство автомобильных дорог, отвечающих в зимний период той же степени надежности, как в летний период.

При совместном воздействии мороза и воды, увеличивающейся в объеме в порах материала при замерзании, на земляном полотне не только образуются пучины, но и разрушаются дорожные сооружения.

Для расчета прочности дорожных сооружений необходимо знать наибольшее возможное снижение температуры воздуха, а самое главное – число оттаиваний и замерзаний («переходы через 0⁰») материалов сооружений (число Мрз).

В особенно тяжелом положении работают материалы верхнего слоя покрытия. Например, весной они даже в сравнительно благоприятных районах подвергаются попеременному замораживанию и оттаиванию более 100 раз, в результате чего они преждевременно разрушаются.

Рыхлый слой снега на покрытии сильно затрудняет движение и снижает его скорость. Так, при слое рыхлого снега в 5 см скорость автомобилей снижается до 25 км/ч, а при слое снега высотой более 25 см движение их становится невозможным.

Снежный покров образуется постепенно за счет отдельных снегопадов, интенсивность отложения которых сравнительно невелика – от 0,5 до 1,5 см/ч, реже до 5 см/ч. Снегопадом называют спокойное выпадение снега в безветренную погоду.

В среднем снегопады длятся примерно 6-8 ч, реже менее 2-3 ч. К очистке дороги от снега приступают с момента начала снегопада, так как нельзя допускать образования слоя снега более 3 см, а на местных дорогах – более 5 см. Высота снежного покрова за сутки в европейской части СССР может достигать 10-30 см, иногда до 50 см.

Высота снегового покрова за год колеблется: 5-10 см в Крыму и на Кавказе, 70 см в Московской области, немного более 1 м на Алтае, Камчатке, Сахалине и Урале. По данным «Юнеско», рекорд погоды (США) выражается в выпадении за 24 ч снегопада слоя снега в 1,93 м, а за сезон 23,4 м.

Важно знать число снегопадов, которые вызывают снегоочистительные работы. Число это доходит до 20-30 в равнинных районах, 30-50 в горных районах и особенно оно велико в дальневосточных районах: на Сахалине до 100, на Камчатке до 250 снегопадов за сезон.

Вследствие сравнительно небольшой средней величины годового снегового покрова трудности борьбы со снегом были бы невелики. Однако объем снега на дороге достигает огромной величины из-за переноса его ветром с территорий, прилегающих к дороге.

Перенос снега ветром (метель) – один из видов выдувания (дефляции) снега с любой поверхности. Характеризуют пренос размером твердого расхода ветроснегового потока или интенсивностью переноса снега – массой твердого вещества q, переносимого в единицу времени через единицу площади поперечного сечения потока. Фронтом ветроснегового потока называют плоскость, нормальную под угломβк оси дороги (угол β может быть равен 0). Массу всего снега (в г/м²·с), переносимого в единицу времени через единицу длины фронта потока в слое высотоюh, называют переносом. Масса снегопереноса имеет размерность г/м. Объем снегопереноса определяют в м³/м.

Объем снегоотложений – это объем перенесенного снега, задержанный у любого препятсвия, снижающего скорость метелевого потока.

Метели, проходящие при ветреной погоде, подразделяют на верховые – когда снег выпадает при ветре, низовые – перенос ветром ранее выпадавшего снега с поднятием его на высоту до 2 м, поземки – перенос снега ветром по поверхности снежного покрова и двойные – если идет верховая метель одновременно с поземкой или верховая вместе с низовой метелью.

При очень сильном ветре (более 20 м/с) и низкой температуре бывают два более редких вида метелей: буран, а при большой влажности воздуха пурга. При скорости более 3-5 м/с ветер переносит снежинки по поверхности покрова, а по льду и обледенелому снегу снег переносится при ветре немногим более 2 м/с. Ветер отрывает снежинки, преодолевая их механическое сопротивление, своей подъемной силой.

Снег, переносимый ветром, откладывается у малейшего препятствия. Земляное полотно представляет собой препятствие для снеговетрового потока, и около него откладывается значительная масса снега.

Сильные ветры во время снегопада также представляют значительную опасность для дорог. Большие скорости ветра (например, 45 м/с) отмечены на дорогах в Хибинах, Казахстане и других районах. Ветроснеговой поток при таких скоростях может создавать снежные барханы.

Объем снега, переносимого ветром, зависит от температуры и влажности. Легче переносится рыхлый снег, выпадающий при низкой температуре. С увеличением влажности и температуры снег теряет подвижность и уплотняется. Переносу снега препятствует ледяная кора (наст), образующаяся на слое снега при выпадении дождя или под действием солнечных лучей.

На объем переносимого снега влияет также рельеф местности, по которой проходит дорога. В открытых степных и безлесных районах снегосборная площадь может быть очень велика, и заносы там, естественно, бывают большего объема.

Первые теоретические исследования снегозаносов были проведены Н.Е. Жуковским на основе законов аэродинамики. Математические исследования проводил аэродинамик С.А. Чаплыгин. Первые экспериментальные исследования были выполнены профессором Н.А. Рыниным. При этих работах установили основные законы переноса и отложения снега, которые в последствие были приняты за основу при дальнейших исследованиях.

В большинстве районов европейской части ССР заносы дорог происходят главным образом при метелях, вызванных западными и южными ветрами. Наибольшее число метелей приходится на чнварь и февраль.

Работники служб ремонта и содержания дорог, не имеющие своих метеостанций, должны держать связь с ближайшими станциями, чтобы на основе полученных данных и своих многолетних наблюдений устанавливать характер, условия и время прохождения наиболее сильных снегопадов и метелей.

§ 12. Снегоотложения у автомобильных дорог. Такие отложения вызывают переносы снега при метелях. Объем отложения зависит от района и рельефа местности, видов растительности, скорости и направления ветра.

Степень возможной снегозаносимости дороги, т.е. объема снега, откладываемого на дорожном полотне, определяют по объему перенесенного снега и задержанного у любого препятствия, снижающего скорость ветроснегового потока, определяемого в м³на 1 м или км дороги.

Объемы снегоотложений на западе европе6йской части СССР не превышают 50-100 м³/м дороги и постепенно увеличиваются к северу и востоку. По данным А.А. Кунгурцева, отложения снега для равнинных территорий европейской части СССР достигают 100-150, в редких случаях 400 м³/м; в Казахской СССР и юго-восточной части страны 300-600, а в исключительных случаях 800 м³/м дороги. По данным А.А. Комарова, в Заполярье отложения снега могут превышать 1000 м³/м. В горных районах на перевалах из-за снежных обвалов и лавин отложения на горных дорогах могут достигать 20-30 м высоты.

Когда параллельно дороге имеются лесные полосы шириною 70 м или садовые и кустарниковые шириной более 100-200 м, приносимый снег на дорожное полотно не попадает и на нем может быть только снег, выпадающий из атмосферы.

Советские ученые А.К. Дюнин, Д.М. Мельник, А.А. Комаров и другие установили законы переноса снега и предложили расчетные формулы для определения возможных условий. В основу их положена математическая теория снегоперноса путем определения транспортирующей способности или полного расхода метели.

Исследования показали, что наибольшая масса снега (90-95) переносится в нижнем слое высотой до 20-30 см. На высоте 2 м при отсутствии снегопада количество переносимого снега настолько мало, что точно определить его затруднительно.

На метеорологических станциях скорость ветра определяют флюгером, установленным на высоте 10 м. Объем снега при метели определяют специальными приборами – метелемерами, которые измеряют объем попавшего в них метелевого снега сквозь приемные отверстия.

Общий расход метелевого потока V, г/м·с, при ориентировочных расчетах можно определять по формуле Д.М.Мельника

V=cν³_ф,

где c – коэффициент пропорциональности, равный 0,0215, учитывающий плотность воздуха и другие факторы;ν_ф – скорость ветра на флюгере метеорологической станции, м/с.

Эта формула обеспечивает правильные результаты при скорости ветра от 8 до 20 м/с.

Объем переносимого снега, г/м·с, за время действия всех метелей в зимний период:

V_общ=ΣVt sin α,

где V_общ – общий расход метели, определяемый по формуле (9);t – время действия отдельных метелей, ч;α– угол между направлением действия метелей и осью дороги.

Наибольший объем снега или расход метели определяют для ветроснегового потока с учетом пути разгона метели. Наибольший путь разгона L_р должен превышать

L_р=аV/i,

где а – численный коэффициент (86,4);V– расход снега при метели, определяемый по формуле (9);i– интенсивность снегопада, мм/сут.

При слабом ветре L_р=400 м.

Теоретически объем снегопереноса для района проложения проектируемой или реконструируемой дороги определяют различными методами. Наиболее совершенным можно считать метод суммарных переносов по 16 румбам, предложенный Н.Е. Далговым в 1910 г. и дополненный формулой Д.М. Мельника. По этому методу можно сопоставлять карты областей и районов для прогнозирования возможных снегоотложений.

Задача всех методов в конечном счете – определение объема снегоотложений. При проектировании новой или реконструируемой дороги по данным местных метеостанций устанавливают размер твердых осадков за зиму, продолжительность метелевых периодов, а также скорость ветра. Для отдельных участков определяют длину разгона метели и длины снегосборных бассейнов. С учетом потери твердых осадков за счет испарения снега определяют объем снегоотложений за зимний период с использованием справочных формул и методов расчета.

На существующих дорогах для расчета снегоотложений и проектирования средств снегозащиты проводят натурные обмеры. Способ таких обмеров состоит в установке на намеченных участках дороги, отличающихся повышенной снегозаносимостью, снеговых контрольных постов. В намеченных поперечных профилях с левой и с правой стороны дороги устанавливают через 10-20 м снегомерные рейки, по которым после каждой метели измеряют величину отложения снега. Расчетный объем снегоотложения желательно получать с 5 %-ной обеспеченностью, т.е. при повторяемости 1 раз за 20 лет.

§ 13. Снегозаносимость дорог.Каждый участок автомобильной дороги в зависимости от расположения его по отношению к господствующему ветру и уровню окружающей местности характеризуется различной снегозаносимостью. Для защиты каждого участка дороги от снежных заносов необходимо знать, насколько он им подвержен, каковы возможности снегоотложения и снегозаносимость.

Опытными наблюдениями за снегозаносимостью, а также исследованиями по обтеканию различных типовых профилей дорог в натуре и в аэродинамических трубах было установлено, что в равнинной местности наименее заносимы дороги на высоких насыпях. На высоких насыпях отлагается снег, только выпадающий из атмосферы либо задерживающийся на поверхностях покрытия при ветрах, дующих приблизительно вдоль дороги. В основном же снег откладывается у подошвы насыпи и на откосах, не достигая ее бровки.

В последние годы наметилась тенденция снижать объем земляных работ, поскольку в целях экономии пахотных земель нежелательно закладывать резервы у дороги, а грунт надо привозить на большие расстояния из вне трассовых карьеров. Поэтому нормативные документы требуют проектировать насыпи минимальной высоты. Несмотря на то что разработкой методов снегоборьбы на дорогах занято большое число специалистов как в СССР, так и за рубежом, на сегодня затруднительно назначить точные нормы высоты насыпей, не заносимых снегом.

Согласно СниП II-Д.5 – 72 высоту снегозаносимой насыпиН_нможно установить по формуле

Н_н= h_с.п+

т.е. к высоте снежного покрова в данной местности достаточно добавить какое-тол значение h, однако до сих пор нет убедительных исследований, которые могли бы точно определить эту величину.

Профессор А.К. Бируля считал, что значение Н_н должно составлять 2-2,5-кратную среднюю многолетнюю высоту снежного покрова в данной местности.

Снегозаносимость данной дороги зависит от района местности, рельефа, силы и направления преобладающих зимой ветров, растительности и других факторов.

Высоту насыпи следует назначать с учетом ряда условий и всех особенностей местности. Для удаления снега с дорожного покрытия его сдвигают к бровке земляного полотна, а чтобы снег не оставался на уровне его, насыпь должна быть такой высоты, чтобы он размещался ниже бровки насыпи. Надо учитывать, что у подошвы насыпи находится зимой слой снега высотой не менее высоты снежного покрова, если не считать снегопереноса. Поэтому высота насыпи должна превышать наибольшую высоту снежного покрова плюс слой снега, удаляемого с земляного полотна с некоторым запасом, так как часть снега при снегопереносе попадает на земляное полотно, т.е.

Н_н=h_с.п+h_у.с,

где h_у.с– высота слоя удаляемого снега.

Высота слоя удаляемого снега h_у.с, м, зависит от ширины дорожного полотна (В, м), величины годовых осадков или высоты снежного покрова (h_с.п, м), объема переносимого снега (V_сн, м³/м), часть которого (а=20-30%) подлежит удалению с дорожного полотна. Высота слоя зависит также от способа удаления снега, при котором он распределяется за пределами бровки (при сдвиганииl=3-4 м, при отбрасывании роторными снегоочистителямиl=10-20 м) и степени уменьшенияk_уобъема рыхлого выпавшего снега при его удалении (k_у=0,3-0,5), т.е.

где m – снегопропускаемость защитных устройств.

Например, при В=12 м, h_с.п=0,7 м,V_сн=200 м³/м,l=4 м,k_у=0,5, а=20 иm=0,2 получим Н_н=2,75 м; приl=10 м Н_н=1,5 м, а приm=1 (как при проходе через лес) Н_н=0,9 м.

Из этих расчетов видно, какое большое значение имеет снегозадерживающая способность защиты и дальность отбрасывания снега от дороги. Однако эта формула применима при снегопереносе V_сндо 200-300 м³/м дороги. При больших размерах снегопереноса одного повышения высоты насыпи недостаточно, необходимо иное трассирование дороги и применение эффективных снегозадерживающих устройств.

Согласно аэродинамическим исследованиям, для уменьшения снегозаносимости низкой насыпи она должна иметь обтекаемый профиль с пологими откосами. Однако при этом допускают ошибку, не учитывая, что по насыпи проходят автомобили (габарит их высоты до 5 м), нарушающие свободное обтекание ее снеговетровым потоком и задерживающие снег на насыпи. Кроме того, на снегозаносимость дорог, задерживающие снег и в то же время затрудняющие очистку дорог от него.

При аэродинамических и других исследованиях в большинстве случаев рассматривают дорогу на весь период снежного сезона якобы в неизменяемом состоянии, без учета изменений от движения автомобилей, работ по снегоочистке и выпадаемого снега из атмосферы. Исследователи полагают, что можно разделять насыпи по высоте, а выемки по глубине на незаносимые, слабозаносимые и заносимые. Практически в зависимости от различных факторов все дороги подвержены снежным заносам в той или иной степени.

Правильнее различать участки дорог по степени работ по их снегоочистке: когда очистка экономически нецелесообразна ввиду технических трудностей и незначительной интенсивности движения; участки с большими и средними объемами работ по снегоочистке; участки, подвергаемые только периодической очистке (в отдельные годы и дни).

Такая дифференциация нужна как для участков в насыпях, так и особенно в выемках, которые все необходимо очищать от снега.

Некоторые специалисты считают выемки не заносимыми, если снегоотложения размещаются на их откосах. При этом считают, что снег постепенно откладывается от подветренного откоса и отложения его могут не доходить до дорожного полотна, что снег, выпадающий из атмосферы, не сдвигают с дорожного полотна и он не образует по краям снежных валов. Также ошибочно мнение, что снегозаносимость нулевых участков и мелких выемок можно снизить уположиванием откосов. Опыт показывает, что после первой же очистке валы сдвинутого снега, остающиеся на пологом откосе раскрытых выемок, способствуют сильному их заносу.

По соображениям удобства эксплуатации дороги участки нулевого профиля и в выемках, а также низкие насыпи в снегозаносимых районах являются нежелательными.

§ 14. Зимняя скользкость дороги. Из-за обледенения поверхности покрытий резко снижается коэффициент сцепления колеса, значительно ниже допускаемого – до 0,05-0,08. Такое явление, называемое гололедом, представляет большую опасность для движения и является причиной почти 40 % дорожно-транспортных происшествий на дорогах.

Причины обледенений поверхности проезжей части дороги можно подразделить на четыре группы: 1) осаждение атмосферной влаги на охлажденное покрытие вследствие быстрого изменения температуры воздуха или выпадения дождя на охлажденное покрытие; 2) замерзание воды, оставшейся на покрытии после выпавшего дождя; 3) выпадение мокрого или влажного снега; оттепель при наличии на покрытии слоя снега; выпадение сухого снега на мокрую поверхность покрытия; подтаивание поверхностного слоя снега, лежащего на проезжей части днем и замерзающего ночью; 4) образование в результате движения транспорта тонкой обледеневшей корки на слое сухого снега, лежащего на проезжей части.

Обледенение первой и второй групп относят к гололеду, происходящему при отсутствии на проезжей части слоя снега; обледенения третьей и четвертой групп возникают при наличии на проезжей части слоя снега хотя бы самой малой толщины. Обледенения третьей группы происходят при наличии даже на непродолжительное время положительной температуры, а обледенения четвертой группы – при отрицательной температуре.

Гололедные явления по территории СССР распространены крайне неравномерно: в одних районах они бывают всего 2-3 дня в году, а в других держатся до 50 дней и более.

Считают, что для процесса обледенения покрытий характерна температура воздуха, приближающаяся к 0⁰С, при влажности его более 90-95 %. На этом основано, в частности, устройство автоматических приборов, установленных на дорогах Франции и Скандинавских стан. При наступлении указанных условий автоматы подают звуковые сигналы и зажигают световые надписи «Осторожно, гололед», требующие снижения скорости движения.

Сигнализатор гололеда, применяемый на дорогах Латвийской ССР (авт. свидет. 233256 от 1969 г.), системой датчиков сигнализирует об образовании гололеда или выпадении влаги и работает до устранения льда с покрытия.

В Японии разработаны более сложные приборы, которые кроме фиксации температуры и влажности воздуха имеют индикаторы, регистрирующие выпадение жидких и твердых осадков, для учета влияния применяемых против гололеда хлоридов, их концентрацию на поверхности покрытий. Все эти данные автоматы передают по радио или телефонной сети на центральный пункт, где принимают решения о подаче необходимых сигналов.

Наличие снега на дорожном покрытии не только снижает скорость движения. Даже при одном снегопаде в безветренную погоду, если снег не убирать с покрытий, при интенсивном движении он может постепенно уплотняться (появляется накат). Постепенно снеговая кора под действием колес становится скользкой и неровной, что затрудняет торможение, и движение автомобилей становится опасным. Если гололед появляется исключительно из-за физических явлений и характерен для различных климатических районов, то появление скользкости от закатанного снега можно считать повсеместным явлением. Появляется она при недостаточно тщательной и несвоевременной очистке покрытий от снега, когда автомобили успевают уплотнить выпавший снег. Причинами могут служить число снегочистителей, медленная малоэффективная их работа, недостаток топлива, отсутствие водителей для круглосуточной работы и другие причины.

Понятие «неубранный укатанный снег» и «ледяная корка», образующаяся при гололеде, объединяют общим понятием «зимняя скользкость» дорог. В зависимости от района и качества работ по снегоуборке продолжительность зимней скользкости может быть разной.