ФГБОУ ВО «Тихоокеанский государственный университет»
Регулирование водно-теплового режима автомобильных дорог Камчатского края с учетом региональных особенностей
Лопашук Андрей Викторович, доцент, кандидат технических наук
Лопашук Виктор Владимирович, доцент,
кандидат технических наук, доцент
Ермолин Вячеслав Николаевич, аспирант
Хабаровск
Аннотация
Необходимость проведения исследования водно-теплового режима автомобильных дорог Камчатского края была вызвана образованием на поверхности покрытия деформаций в виде одиночных продольных трещин, что снижало уровень надежности и сокращало срок службы дорог.
Автором представлены результаты исследования причин образования деформаций на автомобильных дорогах Камчатского края. В результате проведенного исследования было установлено, что причиной образования деформаций послужило неравномерное морозное пучение дорожной конструкции, вызванное глубоким сезонным промерзанием грунтов рабочего слоя, их избыточным увлажнением за счет миграции капиллярной и пленочной влаги к фронту промерзания, наличием пепловых пучинистых грунтов, а также значительной разницей в теплопроводности материала асфальтобетонного покрытия и грунтовой части обочин, занесенных снегом, что приводило к неравномерному промерзанию конструкции дороги.
Для создания благоприятного водно-теплового режима дорожной конструкции было предложено применение в ее составе теплоизоляционных материалов, целью которых было исключить неравномерное промерзание, а значит, и неравномерное пучение дороги.
По данным математического моделирования температурного поля дорожной конструкции была установлена оптимальная толщина теплоизоляционного материала и место его расположения в конструкции. Помимо применения теплоизоляционных материалов для регулирования ВТР, также предлагались мероприятия по осушению грунта рабочего слоя земляного полотна путем устройства специальных дренажных систем на эксплуатируемых дорогах. водный тепловой автомобильный дорога
Несмотря на то, что опыт применения теплоизоляционных материалов в борьбе с пучением показал их эффективность, с экономической точки зрения это не всегда оправдано в связи с географическим расположением Камчатского края и объемом материала, необходимо для реализации проектных решений. В связи с этим, исследование ВТР автомобильных дорог Камчатки продолжилось с целью разработки иных, не менее эффективных, но экономически более целесообразных мероприятий.
Ключевые слова: водно-тепловой режим автомобильных дорог; рабочий слой земляного полотна; уровень проектной надежности; теплоизоляционные слои; срок службы дорожных одежд; морозное пучение
Annotation
Lopashuk Andrei Victorovich Pacific national university, Khabarovsk, Russia Lopashuk Victor Vladimirovich Pacific national university, Khabarovsk, Russia Ermolin Vyacheslav Nikolaevich Pacific national university, Khabarovsk, Russia Kamchatka Krai highways water-thermal regime regulation
The pavement surface deformations formation form of single longitudinal cracks, which reduced the level of reliability and reduced the service life of the roads, caused the necessary researching of the highways water-thermal regime of Kamchatka Krai.
The author of the results of the study of the causes of the formation of deformations on the roads of the Kamchatka Territory. As a result of the researching, it was found that the cause of the formation of deformations was the uneven frost heaving of the road structure, caused by deep seasonal freezing of the working layer soils, their excessive moisture due to capillary waters, the presence of ash heaving soils, as well as a significant difference in the thermal conductivity of the asphalt concrete pavement material and the ground parts of the roadsides covered with snow, which led to uneven freezing of the road structure.
To create a favorable road structure water-thermal regime, it was proposed to use heat- insulating materials in its composition, the purpose of which was to exclude uneven freezing, and hence, uneven heaving of the road.
According to the road structure temperature field mathematical modeling, the optimal thickness of the heat-insulating material and its location in the structure were determined. In addition to the use of heat-insulating materials to regulate the WTR, measures were also proposed to subgrade working layer soil drain by installing special drainage systems on an operating road.
Despite the fact that the experience of using heat-insulating materials in the fight against heaving has shown their effectiveness, from an economic point of view, this is not always justified due to the location of the Kamchatka Krai and the material necessary volume for the design solutions implementation. In this regard, the study of the Kamchatka highways WTR continued with the aim of developing other, no less effective, but economically more expedient measures.
Keywords: highways water-thermal regime; subgrade working layer; design reliability level; thermal insulation layers; pavements service life; frosty heaving
Введение
Климатические условия района эксплуатации автомобильных дорог определяют комплекс принимаемых проектных решений, обеспечивающих нормативное значение транспортно-эксплуатационных показателей в течение срока службы дороги. В зависимости от дорожно-климатических зон, в которых расположены автомобильные дороги, назначаются нормы их проектирования по действующим нормативным и техническим документам Российской Федерации.
На водно-тепловой режим местности, представляющий собой закономерные изменения в течение времени влажности и температуры в приземном слое воздуха и верхнем слое грунта, важнейшее влияние оказывает климат, условия которого подчинены зональной закономерности, что отражено в работах И.А. Золотаря [1] и Н.А. Пузакова [2]. Данное обстоятельство дало возможность районировать водно-тепловые условия проектирования, строительства и эксплуатации дорог.
При этом действующими нормативными и техническими документами не всегда в полной мере учитываются особые региональные условия эксплуатации дорог, что приводит к снижению уровня их надежности, и, соответственно, сокращению срока службы [3].
При изучении условий эксплуатации автомобильных дорог, расположенных в Камчатском крае, особое внимание необходимо уделить влиянию региональных природно-климатических условий на сезонное изменение их транспортно-эксплуатационного состояния.
Камчатский край относится к регионам с особыми условиями эксплуатации автомобильных дорог. Особые условия устанавливаются климатическими показателями, характерными для рассматриваемого региона и обеспечиваются одновременным сочетанием ряда факторов. К таким факторам следует отнести:
1. Глубокое сезонное промерзание грунтов.
2. Избыточное увлажнение грунтов в осенне-весенний периоды.
3. Наличие специфических пепловых грунтов.
Совокупность данных факторов определяют возможность образования такого вида деформации автомобильных дорог как неравномерное морозное пучение.
При рекогносцировочном обследовании участков автомобильных дорог было установлено наличие на покрытии деформаций в виде продольных трещин, сопровождающихся образованием как бугров, так и просадок спровоцированных, вероятно, процессами морозного пучения.
Для установления точных причин образования деформаций на автомобильных дорогах необходимо проведение комплексного изучения их параметров и условий эксплуатации, включая климатические условия.
Как известно, деформации морозного пучения дорожной конструкции обусловлены сочетанием следующих факторов:
1. Наличие в границах расположения рабочего слоя земляного полотна пучинистых (сильнопучинистых) грунтов.
2. Наличие глубокого сезонного промерзания грунтов.
3. Наличие избыточное увлажнения грунтов в границах рабочего слоя земляного полотна.
Сочетание этих факторов приводит к тому, что на автомобильных дорогах образуются деформации в виде трещин и бугров пучения, а значит, срок службы дороги сокращается.
Деформации морозного пучения сопровождаются перемещением частиц грунта земляного полотна. До тех пор, пока давления внутри земляного полотна не уравновесятся силами сопротивления, частицы грунта будут перемещаться.
Вертикальные слагающие перемещений можно назвать осадками, боковые перемещения - сдвигами. При набухании грунтов от воды и под действием промерзания могут возникнуть вертикальные перемещения частиц, направленные вверх, т. е. пучение. Осадка земляного полотна может быть ускорена искусственным уплотнением насыпи.
Полная деформация - осадка всей насыпи - представляет сумму осадок всех слоев и основания. Осадка происходит за счет вытеснения воды и главным образом воздуха в порах грунта. Слабо уплотненные насыпи могут давать осадку до 20 % от их первоначальной высоты. При неоднородных грунтах и неравномерном распределении плотности и влажности отдельные элементы насыпи, расположенные близко, оседают неодинаково. Такие осадки можно назвать дифференциальными, или микроосадками. Эти осадки особенно опасны для дорожной одежды, так как они вызывают иногда трещины и неровности, ограничивающие скорость движения автомобилей. Поэтому искусственное послойное уплотнение насыпей совершенно необходимо, тем более если покрытие устраивают в тот же год или немедленно за возведением насыпи.
Равномерное пучение, т. е. подъем земляного полотна вместе с дорожной одеждой, опасности не представляет. Опасными являются неравномерное пучение и последующая быстрая и неравномерная осадка земляного полотна при оттаивании. Эта неравномерность пучения вызывается неоднородностью грунтов и неравномерным распределением влажности в них, неравномерным промерзанием грунта под одеждой и у обочин, в конечном счете неравномерным линзообразованием в разных элементах земляного полотна. Неравномерное пучение вызывает изгиб, а затем и растрескивание монолитного покрытия.
В 2012 году ООО «ПРОГРЕСС» по заданию КГКУ «Камчатуправтодор» в рамках исполнения государственного контракта провело научно-исследовательскую работу по специальному обследованию грунтов при строительстве и реконструкции автомобильных дорог в Камчатском крае.
Целями указанной научно-исследовательской работы являлись:
• Организация и выполнение работ по специальному обследованию специфических особенностей пирокластических и пепловых грунтов в пойме рек Камчатка и Быстрая в районе автомобильной дороги Петропавловск-Камчатский - Мильково.
• Проведение обследования конструкции земляного полотна и дорожной одежды на участке км 110-308 автомобильной дороги Петропавловск-Камчатский - Мильково, для выявления причин образования продольных и поперечных трещин в асфальтобетонном покрытии и дорожной одежде переходного типа, а также деформаций земляного полотна.
• Разработка рекомендации по уточнению и корректировки норм проектирования дорожных конструкций в Камчатском крае на основании анализ существующих норм проектирования конструкции земляного полотна и дорожной одежды применительно к местным условиям.
• Разработка рекомендации по стабилизации и восстановлению транспортноэксплуатационных характеристик автомобильной дороги Петропавловск- Камчатский - Мильково.
По условиям работы в теле земляного полотна можно выделить две зоны (слоя):
1. Активную зону, расположенную на глубину промерзания, в которой локализируется действие переменных нагрузок и погодных факторов.
2. Нижележащее основание, расположенное обычно на глубине ниже 1,5 м, подверженное в основном воздействию постоянной нагрузки от веса вышележащих слоев грунта и дорожной одежды.
При проектировании и устройстве земляного полотна, особенно верхней, активной его зоны, необходимо обеспечить нормальное протекание водного и теплового режима. Если этот режим нарушается, активный верхний слой может оказаться избыточно увлажненным и потерять несущую способность. Имеются два главных источника увлажнения активного слоя:
1. Сверху -- за счет осадков, просачивающихся через швы и трещины покрытия, а также через обочины и вдоль краев покрытия.
2. За счет подтопления и увлажнения сбоку, со стороны канав, и снизу грунтовыми водами.
Принимая дополнительные меры по осушению и уплотнению земляного полотна, можно повысить его прочность и устойчивость, а, следовательно, добиться значительного повышения прочности и долговечности дорожных одежд, снижения общей стоимости строительства и содержания дороги.
Оттаивание земляного полотна может вызвать переувлажнение верхней, несущей части активного слоя. Степень переувлажнения зависит от:
а) быстроты оттаивания;
б) скопления линз льда, т. е. коэффициента пучения;
в) грунта и степени его уплотнения;
г) условий подтока воды в продольном направлении.
Основным в процессе влагонакопления следует считать пленочный механизм влагопередвижения. Перемещение влаги в зоне промерзания грунта происходит под действием ряда молекулярных сил: адсорбции, действующей как на поверхности частиц грунта, так и на поверхности вновь образующихся кристаллов льда; дополнительных сил кристаллизации (притяжения воды кристаллами); осмотических сил всасывания, действующих в пленках воды в зоне промерзания; расклинивающего действия воды; диффузионных сил и вакуума, заставляющего водяные пары двигаться и конденсироваться. Все перечисленные силы зависят от температуры, и потому интенсивность их параллельного действия принимается в дальнейшем пропорциональной величине отрицательной температуры1.