Накладываясь на силовое поле, существовавшее в грунте и поровой воде, отрицательные температуры создают новое силовое поле, изменяющее водное равновесие и приводящее в действие механизм процесса образования и роста кристаллов и заставляющее действовать пленочный механизм передвижения влаги. В песчаном грунте ввиду малой удельной поверхности частиц пленочный механизм не работает при любом источнике увлажнения. Во влажной глине пленочный механизм при медленном охлаждении всегда способен перераспределить имеющуюся в ней влагу, выделить линзы льда без участия грунтовых вод, хотя бы они и были близко, за счет одного только восполнения пленок, находящихся в расстоянии нескольких миллиметров от линз льда. В пылеватых грунтах пленочный механизм способен создать прослойки наибольшей толщины за счет мобилизации капиллярной влаги, подвешенной и поднявшейся от уровня грунтовых вод.
Разрушения покрытия вследствие просачивания воды в активный слой происходят особенно часто, когда основание (дно корыта) водонепроницаемое и из него не имеется выхода для воды. Поэтому для отвода просачивающейся воды из основания обычно необходимы дренажные устройства (сплошной дренирующий слой под обочинами или выпуски в виде полых труб).
Наличие под дорожным покрытием переувлажненного грунта вызвано миграцией влаги за счет различных значений теплофизических характеристик материалов слое дорожной одежды и обочины, что приводит к образованию деформаций морозного пучения, которые и были установлены при полевом обследовании участков автомобильной дороги. При этом наличие деформаций, как известно, сказывается на показателях уровня транспортноэксплуатационного состояния автомобильных дорог.
Методы
Рекогносцировочное обследование автомобильной дороги Петропавловск-Камчатский - Мильково в Камчатском крае позволило установить участки с деформациями асфальтобетонного покрытия в виде одиночных продольных трещин. По данным опроса эксплуатирующих организации образование трещин происходило ориентировочно в период с конца ноября до середины декабря, то есть, при стабильной отрицательной температуре воздуха [4].
Проектирование земляного полотна на рассматриваемой автомобильной дороге в связи с неблагоприятными природно-климатическими особенностями региона рекомендуется осуществлять с обеспечением возможности его частичного оттаивания в весенний период, то есть проектировать земляного полотно по второму принципу. В дополнение к этому проектом необходимо предусматривать ряд мероприятий по регулированию водно-теплового режима земляного полотна и дорожных одежд.
Снижение агрессивного воздействия составляющих водно-теплового режима в годовом цикле обеспечивает длительную эксплуатационную надежность дорожной конструкции в рассматриваемых природно-климатических условиях Камчатского края.
Все мероприятия по регулированию водно-теплового режима на автомобильных дорогах можно условно разделить на два класса: к первому классу относятся мероприятия, реализация которых целесообразна при новом строительстве, реконструкции или капитальном ремонте автомобильных дорог, а ко второму классу можно отнести мероприятия, реализация которых целесообразна на эксплуатируемых автомобильных дорогах в рамках выполнения работ по ремонту.
Одним из мероприятий, относящихся к первому классу, можно считать применение теплоизоляционных материалов в дорожной конструкции для исключения возможности неравномерного пучения при ее промерзании.
В качестве теплоизолирующего материала рекомендуется использовать пенопласт, расположенный под асфальтобетоном на глубине 0.60 м от поверхности покрытия. При этом необходимо было определить толщину теплоизолирующего материала, обеспечивающего возможность выравнивая глубины промерзания под обочинами и покрытием.
Для этого был проведен теплофизический расчет промерзания дорожной конструкции при отсутствии теплоизоляции, а также при наличии теплоизоляционных материалов различной мощности.
Теплофизическое моделирование с построением расчетной схемы, включающей прилегающую территорию в границах теплового влияния насыпи и саму насыпь с подошвой, осуществлялось в программе Центрального научно-исследовательского института транспортного строительства «TMFLAT».
Рисунок 1 Схема распределения температурного поля в теле дорожной конструкции при отсутствии теплоизолирующего слоя [4]
В расчете участвовала только правая часть насыпи, что обусловлено тепловой симметрией рассматриваемой задачи.
Неравномерность глубины промерзания под асфальтобетонной проезжей частью и обочинами в случае отсутствия теплоизолирующего слоя в теле дорожной конструкции представлено на рис. 1 [4].
Распределение температурного поля в дорожной конструкции при устройстве под проезжей частью пенопласта толщиной 5 см представлено на рисунке 2. Как видно, в этом случае глубина промерзания положение которой определяется положением нулевой изотермы, выравнивается под проезжей частью и под обочинами.
Рисунок 2 Схема распределения температурного поля в теле дорожной конструкции при наличии пенопласта толщиной 5 см [4]
Распределение температурного поля в дорожной конструкции при устройстве под проезжей частью пенопласта толщиной 10 см представлено на рисунке 3. В этом случае наблюдается неравномерное промерзание дорожной конструкции - глубина промерзания под проезжей частью значительно меньше, чем под обочинами.
Рисунок 3 Схема распределения температурного поля в теле дорожной конструкции при наличии пенопласта толщиной 10 см [4]
Полученные результаты позволяют сделать выводы по выбору рационального способа регулирования водно-теплового режима в условиях эксплуатации автомобильных дорог Камчатского края.
Результаты
Результаты научного исследования показали, что деформации асфальтобетонного покрытия на автомобильной дороге Петропавловск-Камчатский - Мильково были спровоцированы сочетанием неблагоприятных природно-климатических факторов, а именно:
1. Глубокое сезонное промерзание грунта рабочего слоя земляного полотна (глубина промерзания до 3-х метров).
2. Переувлажнение рабочего слоя грунта земляного полотна вызвано длительным периодом осеннего влагонакопления в результате выпадения атмосферных осадков.
3. Сохранение под обочинами автомобильной дороги талой зоны водонасыщенного грунта вызвано наличием снежно-ледяных образований на обочинах и откосах, мощностью более 1 метра.
4. Высокая молекулярная влагоемкость грунта рабочего слоя земляного полотна объясняется включением пепловых сильнопучинистых грунтов.
5. Процесс пучения грунта рабочего слоя автомобильной дороги вызван потенциалом миграции влаги из талой зоны к фронту промерзания, расположенному под проезжей частью. Влага, поступившая к фронту промерзания, кристаллизируется, что приводит к ее объемному расширению. Расширение воды приводит к возникновению внутреннего давления на вышележащие слои дорожной конструкции, а значит, к образованию деформаций морозного пучения.
В результате выполнения работы было установлено, что основными мероприятиями, обеспечивающими стабилизацию водно-теплового режима автомобильной дороги Петропавловск - Камчатский - Мильково будут являться:
1. Осушение пучинистого грунта откосной части земляного полотна за счет устройства поперечного дренажа мелкого заложения (на существующих и реконструируемых участках).
2. Уменьшение просачивания атмосферных осадков через обочины за счет их укрепления (на существующих и реконструируемых участках).
3. Устройство плоскостных дренажей из геосинтетических материалов (на реконструируемых участках).
4. Устройство теплоизолирующих слоев (на реконструируемых участках).
5. Устройство под асфальтобетонным покрытием слоев из зернистых материалов для компенсации в них пучинных деформаций земляного полотна.
6. Снижение пучинистости грунта земляного полотна за счет регулирования высоты насыпи или введение в него органических и неорганических вяжущих.
Теплотехнические расчеты показали, что для обеспечения морозоустойчивости дорожных одежд в природно-климатических условиях Камчатского края путем выравнивания глубины промерзания дорожной конструкции под покрытием и обочинами возможно применение теплоизолирующего слоя из пенопласта мощностью 5 см, расположенного на глубине 0.60 м от поверхности покрытия.
Применение данного материала однозначно повысит уровень транспортноэксплуатационного состояния автомобильных дорог, а также позволит продлить срок службы дорожной одежды.
При этом на эксплуатируемых дорогах необходимо применять методы регулирования водно-теплового режима, обеспечивающие осушение рабочего слоя земляного полотна, а также своевременный отвод воды.
Так, в инженерной практике широко применяется устройство прикромочного геотекстильного дренажа, обеспечивающего отвод избытка воды, образующейся в результате оттаивания земляного полотна весной [5].
Таким образом применение рассматриваемого мероприятия позволяет создать благоприятный водно-тепловой режим эксплуатируемых автомобильных дорог с учетом климатических особенностей Камчатского края [6].
Для эксплуатируемых автомобильных дорог в рамках работ по ремонту можно регулировать водно-тепловой режим путем устройства специальных дренажных систем, таких как дренажные прорези и дренажные фитили.
Обсуждения
Опыт применения теплоизоляционных материалов на автомобильных дорогах Камчатского края показал их эффективность в борьбе с неравномерным пучением. При разработке мероприятий учитывался опыт применения морозозащитных и дренирующих слоев на автомобильных дорогах, а также принципы их проектирования [7].
Толщина применяемого морозозащитного слоя из пенопласта была также дополнительно проверена по методике Рувинского [8], и оказалась сопоставимо с толщиной, полученной с использованием методов тепло- и массообмена [9].
Однако с экономической точки зрения, данное мероприятие не всегда является целесообразным в виду значительной стоимости доставки материалов, поскольку в рассматриваемом регионе он не производится, а объем материала, требуемого для устройства даже небольшого участка, протяженностью 10 км, значительный.
В связи с этим возникла необходимость дополнительного исследования причин образования трещин с целью разработки иных, не менее эффективных, но экономически целесообразных мероприятий. При этом так же будет использоваться имеющийся опыт регулирования водно-теплового режима [10].
Дополнительные исследования проводятся в рамках государственного контракта, заключенного между ФГБОУ ВО «Тихоокеанский государственный университет» и КГКУ «Камчатуправтодор».
В ходе проведения исследования более детально изучаются геодезические и грунтовогеологические условия района строительства, распределения температурных полей дорожной конструкции в различные периоды года, получаемые эмпирическим путем. После получения и анализа всего комплекса экспериментальных данных, на основе системного подхода будут предложены мероприятия по регулированию ВТР, которые лягут в основу проектных решений, необходимых для обеспечения требуемого срока службы дорожной конструкции Камчатского края.
Литература
1. Водно-тепловой режим земляного полотна и дорожных одежд / под. ред. И.А. Золоторя, Н.А. Пузакова, В.М. Сиденко. М. Транспорт, 1971. 415 с.
2. Пузаков Н.А. Водно-тепловой режим земляного полотна автомобильных дорог / Н.А. Пузаков. М.: Авторансиздат, 1960. 168 с.
3. Лопашук А.В. Инженерная оценка природно-климатических условий строительства и эксплуатации автомобильных дорог Камчатского края / А.В. Лопашук. Дальний Восток. Автомобильные дороги и безопасность движения,: международный сборник научных трудов. Хабаровск. Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2012. №12. С. 42-48.
4. Ярмолинский В.А., Лопашук В.В., Лопашук А.В., Светенок В.С. Методы обеспечения стабильного водно-теплового режима автомобильных дорог за счет устройства теплоизолирующих слоев на примере Камчатского края. В.А. Ярмолинский. Дальний Восток. Автомобильные дороги и безопасность движения: международный сборник научных трудов. Хабаровск. Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2013. №13. С. 82-86.