6.2 Водно-тепловий режим земляного полотна і сезонні зміни міцності

ґрунтової основи

Проектування ґрунтової основи дорожнього одягу вимагає правильної інженерної оцінки кліматичних, ґрунтових і гідрологічних умов, які визначають розрахунковий стан ґрунту (вологість, щільність) та його міцнісні властивості (модуль пружності, коефіцієнт зчеплення, кут внутрішнього тертя).

Стан дорожнього одягу та термін його служби залежить від особливостей водно-теплового режиму, тобто щільності, вологості, температури ґрунту. Для правильної оцінки водно-теплового режиму земляного полотна необхідно знати джерела і закономірності річної зміни вологості ґрунтів несучого шару.

Основним джерелом зволоження (рис. 6.2) є атмосферні опади 1, поверхневі води 2, які за­стоюються біля земляного полотна або в бокових канавах, ґрунтова (капілярна) 3 і па­ропо-

Рисунок 6.2 – Схема насичення земляного полотна водою:

1 – атмосферні опади; 2 – поверхневі води; 3 – ґрунтова (капілярна) вода;

4 – пароподібна вода

дібна 4 вода. Під дією молекулярних сил по найто­нших ґрунтових капілярах вода розповсюджується від РГВ (рівня ґрунтових вод) до основи і до нижніх шарів дорожнього одягу. Ви­сота підняття капілярної води в значній мірі обумовлена крупністю часток і ступенем ущільненості ґрунту. В зимо­вий час капілярна вода є го­ловним і найбільш небезпеч­ним джерелом льодонакопичення в ґрунтових основах районів спучування ґру­нтів.

Водяний пар переміщується внаслідок температурних градієнтів від більш теплих місць до більш холодних. При охолодженні покриттів в нічний час або осінню пар конденсується на нижній поверхні дорожнього одягу і зволожує ґрунтову основу.

Окремі види ґрунтової води не залишаються на протязі року в стані статичної рівноваги, і водно-тепловий режим верхньої частини земляного полотна змінюється, проходячи послідовно п’ять стадій.

Перша стадія (початкова) – осіннє вологонакопичення, яке пов’язане з проникненням води через узбіччя та тріщини покриття в верхню частину земляного полотна і підстилаючий шар. Вологість ґрунту зростає. При водонепроникних покриттях цей період виражений слабо і продовжується до установлення середньодобової, рівної  – 5^оС.

Друга стадія – зімнє вологонакопичення. Промерзання верхньої частини ґрунту виключає доступ поверхневої води. На даній стадії відбувається перерозподіл накопиченої з осені вологи та додаткове насичення за рахунок її доступу знизу і з боків під дією сил кристалізації та під дією температурних градієнтів. Якщо швидкість промерзання V_п = 2,5 см/добу, спостерігається інтенсивне підсмоктування води з нижніх ґрунтових шарів з наступним льодоутворенням, яке викликає морозне спучування покриття. При більш високих швидкостях (V_п > 4 см/добу) цього не відбувається.

Третя стадія – деяке вимерзання вологи (випаровування льоду) із підстилаючого шару при відсутності достатньо потужних джерел зволоження знизу і з боків. Вологість ґрунту верхньої частини земляного полотна при подальшому промерзанні залишається практично постійною. До кінця періоду висота морозного спучування досягає максимуму.

Слід відмітити, що ця стадія може бути відсутньою в районах з м’якими зимами та високою вологістю повітря, а також в областях з товстим сніговим шаром.

Четверта стадія – насичення. Весною, в період відтавання ґрунту, різко підвищується вологість його верхньої частини дякуючи проникненню поверхневих вод і конденсації водяних парів біля поверхні границі промерзання.

На процес зміни вологості земляного полотна великий вплив здійснює швидкість відтавання. Чим більш затяжна весна, тим швидше випаровується волога і тим менша вірогідність зниження модуля пружності ґрунту і руйнування дорожнього одягу.

П’ята стадія – відновлення літнього водно-теплового режиму. При повному відтаюванні земляного полотна відбувається зниження його вологості, підвищення щільності ґрунту і зниження рівня РГВ.

Зазначені закономірності характерні для верхньої частини земляного полотна товщиною 0,8…1,1 м. Вологість більш глибоких шарів залишається на протязі року майже постійною.

Рисунок 6.3 – Графік зміни вологості земляного полотна на протязі року

Зміна вологості ґрунту (див. рис. 6.3) впливає, в першу чергу, на його міцність, несучу та деформа­тивну здатність. Характеристикою водно-теплового режиму полотна може слугувати ін­тервал зміни його відносної вологості на протязі року.

Міцнісні і дефор­мативні показники (мо­дуль пружності, коефіці­єнт зчеплення, кут внут­рішнього тертя) зв'яза­них ґрунтів суттєво за­лежать від їх типу, сту­пеню щільності та воло­гості, в не­звичних – тільки від грануломет­ричного стану. Дослі­дження показали, що во­логість зв’язаного ґрунту на глибині 0,5…1 м не повинна перевищувати верхню гра­ницю (межу) твердо пластичного стану (≈ 0,7 W_м).