Циклы водно теплового режима
Под водно-тепловым режимом понимают распределение влажности и температуры в основании сооружений в разные времена года. Тепловой режим грунтов в основаниях оказывает влияние на их устойчивость и долговечность. Тепловой режим сооружений характеризуется: 1) теплоёмкостью, 2) теплопроводностью и 3) температуропроводностью грунтов. Все эти тепловые характеристики связаны определенными зависимостями с плотностью и влажностью грунтов и определяются в лаборатории.
Теплоёмкость грунтов – величина переменная и показывает способность грунтов поглощать тепловую энергию при теплообмене.
Эта величина зависит от минерального состава, влажности и газовой фазы грунтов, и является основной характеристикой при теплотехнических расчётах оснований.
Различают теплоёмкость объёмную и удельную (весовую). Объёмная теплоёмкость (Соб) численно равна количеству теплоты, необходимой для изменения температуры 1 см3 грунта на 1оС. Размерность её Джоуль на Кельвин (Дж/К). Чаще всего пользуются удельной теплоемкостью (Су), которая численно равна количеству теплоты, которое необходимо сообщить единице массы грунта для изменения его теплоты на 1оС при отсутствии перемещения воды. Размерность – Дж/(кг К). Удельная теплоемкость большинства минералов составляет 0,71 – 0,92; для скелетных частей гравия и щебня – около 837,4; частиц песков ~711,8; супесей ~753,7, суглинков ~795,5 – 837,9; глин ~879,3 – 921,1. Теплоёмкость влажных грунтов всегда выше теплоёмкости сухих грунтов того же минерального состава.
Теплопроводность- способность грунтов передавать тепло.
Величина теплопроводности возрастает с увеличением влажности и плотности грунтов.
Температуропроводность – скорость распространения температуры в грунтах. Оценивается коэффициентом «а» и размерностью см2/с (или м2/ч). Коэффициент характеризует глубину суточных, сезонных и годовых изменений температур в толщах грунтов и насыпей. Увеличение влажности грунтов снижает величину температуропроводности.
Температурные характеристики всегда изучают одновременно с исследованиями режима влажности грунтовых толщ. В связи с этим введено понятие водно-теплового режима грунтов.
Водные свойствагрунтовых толщ складываются из описания и оценки поступления, расхода и передвижения воды. Для верхних частей грунтовых массивов, сложенных песками и глинистыми грунтами, в зависимости от климата характерны три типа режима: I ) промывной, II ) непромывной и III) выпотной (рис. 32).
Рис. 32. Три типа режима водных свойств:
1 – объект (например, автодорога); 2 – атмосферные осадки; 3 – зона насыщения грунтов; 4 – инфильтрация воды; 5- испарение; 6 – сухая зона.
При промывном режиме количество поступающей воды превышает величину испарения и поступления воды из глубины грунтовых толщ.
Такие условия (избыточное увлажнение) характерны для северных территорий России.
При непромывном режиме количество поступающей в толщу грунтов воды недостаточно для насыщения всей толщи глубоко залегающей грунтовой воды.
Вблизи поверхности земли образуются горизонты верховодок, ниже располагается зона с постоянно низкой влажностью. Такой режим типичен для степных районов с недостаточным увлажнением.
При выпотном режиме испарение превышает количество поступающей в грунт воды, т.е. выпадающих осадков.
Вода для испарения подтягивается из глубины, от горизонтов грунтовых вод в виде капиллярной и парообразной воды. Это характерно для районов полупустынь.
Для строителей и эксплуатационников особый интерес представляет годовой цикл изменения влажности и температур грунтов в верхних слоях в зависимости от сезонов. Эти изменения наиболее чётко проявляются в лесной и лесостепной зонах.
В состав годового цикла входят следующие стадии:
1. Осенняя – увеличение атмосферных осадков и уменьшение испарения, повышение влажности в глинистых грунтах в верхней части толщ грунтов и земляного полотна, а в песках – проникновение воды в глубину.
2. Зимняя – промерзание грунтов, образование льда, подтягивание воды из глубины.
3. Весенняя – оттаивание льда, накопление воды, иногда даже больше величины естественной влажности W и потеря грунтами прочности.
4. Летняя – период просыхания грунтов за счёт испарения воды.
Все четыре стадии тесно взаимосвязаны и представляют собой единый процесс движения воды в верхней части грунтовых. Наиболее устойчиво в переменных условиях влажности ведут себя грунты оптимального гранулометрического состава и при оптимальной влажности (Wопт). В таких грунтах закрытые поры воду не пропускают и грунты сохраняют прочность.
При проектировании всегда предусматриваются мероприятия по искусственному регулированию водно-теплового режима: 1) поднимают поверхность насыпи над уровнем грунтовых вод; 2) снижают уровень грунтовых вод дренажами; 3) отсыпают насыпи из грунтов оптимального гранулометрического состава; 5) уплотняют насыпи до оптимальной плотности и т.д.
В тех случаях, когда не обеспечен должный отвод атмосферных вод и уровень грунтовых вод в зимнее время остается высоким, под твёрдым покрытием скапливается лёд, что приводит к возникновению процессов пучения.
Источник
В связи с ростом интенсивности транспортных потоков, увеличением грузонапряженности и скорости движения повышаются требования к прочности земляного полотна.
Тепловой режим грунтов, нарушаемый дорожной одеждой с большей теплопроводностью и отсутствием снежного покрова на поверхности дороги, способствует увеличению зимнего влагонакопления под проезжей частью.
Водный режим верхних слоев земляного полотна также ухудшается из-за медленного просыхания грунтов под водонепроницаемым покрытием.
В отличие от покрытия земляное полотно и основание должны устраиваться прочными на достаточную перспективу роста интенсивности движения. Мероприятиями, повышающими прочность и устойчивость земляного полотна, помимо поверхностного водоотвода являются:
• предохранение верхней части земляного полотна от поступления воды сверху (приданием поперечных уклонов поверхности полотна, укреплением обочин) и снизу (устройство полотна в насыпях при достаточном его возвышении над уровнем грунтовых вод и надлежащем уплотнении насыпного грунта); устройство прослоек, изолирующих или прерывающих капиллярное поднятие; замена неблагоприятных грунтов в выемках и невысоких насыпях морозоустойчивыми грунтами или материалами;
• обеспечение своевременного оттока воды из верхней части земляного полотна (укладка дренирующих слоев из песка или геотекстильных материалов).
На земляное полотно и дорожную одежду воздействуют атмосферные осадки, выпадающие на поверхность дороги и просачивающиеся через трещины, швы, края покрытия и обочины (рис. 4.1). Причем, поданным СоюздорНИИ, через обочины поступает более 40% выпавших осадков. При затрудненном поверхностном стоке вода может увлажнять земляное полотно за счет подтопления и капиллярного перемещения сбоку или снизу при наличии грунтовых вод.
Круглогодичный цикл водно-теплового режима земляного полотна для районов с сезонным промерзанием состоит из четырех, обусловленных временами года, периодов:
1) первоначального осеннего накопления влаги;
2) интенсивного перемещения и накопления влаги при промерзании земляного полотна;
3) максимального влагонасыщения при оттаивании грунта;
4) просыхания грунта.
Все периоды увлажнения составляют единый закономерный цикл перемещения влаги в грунтах земляного полотна в результате воздействия на него природных факторов окружающей среды. Сроки наступления периодов увлажнения зависят от погодных условий и могут смещаться в ту или другую сторону. Первоначальное накопление влаги в грунтах земляного полотна начинается с переходом средних суточных температур воздуха через +3; +5 °С.
За конец периода первоначального накопления можно принимать установление среднесуточных температур воздуха ниже -5 °С. Зимнее накопление влаги в грунтах происходит путем перемещения ее по направлению теплового потока снизу и с боков, от более теплых мест к более холодным, за счет перераспределения внутренних запасов влаги и миграции ее от уровня грунтовых вод. Одновременно с накоплением влаги происходит морозное пучение грунтов, сопровождающееся их разрушением. Максимальная величина общего пучения в большинстве случаев определяется в основном величиной общего зимнего влагонакопления. Наиболее опасны пылеватые грунты, у которых большая поверхностная энергия сочетается с малым сопротивлением подъему воды в порах. Вследствие этого скорость подтока воды в зону пучения велика и образование ледяных линз в грунте идет интенсивно.
Третий период оттаивания и максимального влагонасыщения начинается с установлением в верхних слоях земполотна стабильных положительных температур и продолжается до полного оттаивания грунтов. Вода, выделяющаяся при оттаивании ледяных образований в мерзлых грунтах, насыщает разуплотненный в процессе пучения грунт, поэтому резко снижается его устойчивость. Характеристиками переувлажнения грунта могут считаться толщина слоя с пониженной несущей способностью и длительность периода ослабленного состояния верхней части земполотна.
По мере прогревания земляного полотна начинается четвертый период – просыхание грунтов, т.е. уменьшение их влажности и восстановление плотности и несущей способности.
Для принятия инженерных решений по регулированию воднотеплового режима земляного полотна необходимо построить эпюры максимально возможных сезонных влажностей Wmax и эпюры допустимых расчетных влажностей Wz.
Сравнение этих эпюр позволяет принимать принципиальные решения по регулированию водно-теплового режима земляного полотна:
• удаление низа конструкции дорожной одежды от уровня грунтовых вод. В этом случае в активной зоне должно быть Wmax < Wz, что достигается понижением уровня грунтовых вод или возвышением бровки земляного полотна;
• устройство морозостойких, а также теплоизолирующих слоев – достаточно эффективное мероприятие при регулировании воднотеплового режима;
• удаление избыточной воды с помощью дренирующего слоя или прослойки;
• устройство гидроизоляционных слоев;
• регулирование водно-теплового режима за счет рационального конструирования одежды с использованием паронепроницаемых слоев;
• гидрофобизация (укрепление) грунтов активной зоны органическими и минеральными вяжущими.
В ряде случаев при возведении земляного полотна используются водо- и морозоустойчивые щебенистые, гравийные материалы, которые сохраняют достаточную прочность и устойчивость независимо от интенсивности воздействия водно-теплового режима.
Прочность и устойчивость земляного полотна обеспечивается отводом поверхностных вод и воды из-под конструкции дорожной одежды, понижением уровня грунтовых вод, возведением насыпей из доброкачественных грунтов, устройством капилляропрерывающих или водонепроницаемых прослоек, укреплением откосов и обочин, возвышением земляного полотна над расчетным уровнем грунтовых или длительно стоящих поверхностных вод на величину, предусмотренную СНиП 2.05.02-85, соблюдением его проектных геометрических параметров.
Термоизолирующие прослойки могут применяться в качестве альтернативы:
1) устройству традиционных морозозашитных слоев для снижения деформаций пучения при промерзании конструкции, в которой в пределах глубины воздействий отрицательных температур имеются пучинистые грунты;
2) устройству повышенных насыпей или устройству термоизоляции из торфа в зоне вечной мерзлоты, обеспечивающих сохранение стабильных характеристик деятельного слоя.
Первое направление использования термоизолирующей прослойки может быть реализовано на дорогах общей сети и ведомственных дорогах в любой дорожно-климатической зоне при наличии сезонного промерзания-оттаивания грунтов с повышенной пучинистостью.
Второе направление может быть реализовано на дорогах общей сети и ведомственных дорогах только в зоне многолетнемерзлых грунтов или в специальных проектных решениях, рассчитанных на особые условия строительства и эксплуатации дороги (временные дороги, спецдороги и т.п.).
Эффект от применения теплоизолирующего слоя, используемого для снижения морозного пучения, может быть получен за счет:
• уменьшения объема качественных материалов, используемых в дорожной одежде для обеспечения ее морозоустойчивости;
• возможности использования в верхней части земляного полотна местных пучинистых грунтов (без их замены);
• повышения долговечности конструкции вследствие исключения периодически возникающих деформаций морозного пучения;
• возможности понижения рабочих отметок насыпей на участках, где при традиционных конструкциях действуют ограничения СНиП по минимальному возвышению насыпи над уровнем подземных или поверхностных вод, а также над уровнем земли;
• понижения расчетной влажности грунта земляного полотна и соответствующего повышения расчетных значений прочностных характеристик грунта за счет снижения влагонакопления при процессе морозного пучения;
• снижения требуемой толщины дренирующего слоя за счет исключения поступления воды снизу при оттаивании грунтов земляного полотна.
Эффект от применения теплоизолирующего слоя для предотвращения оттаивания грунта, используемого в конструкции в мерзлом состоянии в зоне вечной мерзлоты, может быть получен за счет:
• уменьшения объемов привозных грунтов при сооружении земляного полотна с сохранением мерзлоты;
• обеспечения возможности использования в земляном полотне грунтов с любой степенью увлажнения в виде мерзло-комковатого материала;
• обеспечения возможности понижения рабочих отметок насыпей, сооружаемых в зоне многолетнемерзлых грунтов с соответствующим уменьшением объемов земляных работ;
• исключения необходимости замены грунта под конструкцией дорожной одежды в выемке;
• повышения надежности и долговечности конструкции дорожной одежды;
• сокращения затрат на уплотнение грунтов при сооружении насыпей;
• снижения экологического ущерба при строительстве дорог в северных районах.
Морозоустойчивость дорожной конструкции оценивается по величине ее морозного пучения (табл. 4.1). Морозоустойчивость конструкции считается обеспеченной при выполнении условия
где lпуч – расчетная величина морозного пучения конструкции; Iпуч доп – допустимая величина морозного пучения конструкции.
Традиционно применяемыми способами повышения морозоустойчивости дорожных конструкций являются:
• использование в рабочем слое взамен местных пучинистых грунтов привозных непучинистых или слабопучинистых грунтов (замена грунта). При выборе грунта учитывают действующую классификацию грунтов по пучинистости (табл. 4.2);
• увеличение расстояния от низа дорожной одежды до уровня подземных или поверхностных вод за счет увеличения высоты насыпей или устройства дренажной системы в выемке (осушение земляного полотна);
• устройство морозозащитного слоя из непучинистых грунтов и минеральных материалов, в том числе укрепленных малыми дозами минеральных или органических вяжущих;
• устройство основания дорожной одежды из монолитных материалов (типа тощего бетона или зернистых материалов, обработанных минеральными или органическими вяжущими).
К нетрадиционным способам повышения морозоустойчивости относятся способы, предусматривающие использование в конструкции промышленных изделий различного рода:
• прослоек гидроизолирующих (полиэтиленовые пленки, гидроизол др.);
• капилляропрерывающих прослоек;
• теплоизолирующих слоев, снижающих глубину промерзания или полностью исключающих промерзание грунта;
• армирующих прослоек из геотекстиля и геосеток, обеспечивающих повышение равномерности деформаций пучения конструкции.
Теплоизолирующие слои могут устраиваться из различных материалов, как естественных (торф), так и искусственных (материалы с пониженной теплопроводностью, в том числе пенопласты различных типов, отвечающие определенным требованиям).
Теплоизолирующие слои из экструзионных пенопластов применяют для повышения морозоустойчивости дорожной конструкции в особо неблагоприятных грунтово-гидрологических условиях, характерных для 2-го и 3-го типов местности по увлажнению. В зависимости от особенностей конкретного участка можно либо не допустить промерзания насыпи и ее основания и исключить, таким образом, морозное пучение грунтов полностью, либо уменьшить глубину промерзания до допустимой величины.
В общем случае вид теплоизолирующего материала и параметры теплоизолирующего слоя определяются на основе специальных расчетов и технико-экономических обоснований.
Теплоизолирующие слои из пеноплэкса могут быть применены как в насыпях, отсыпанных из пучиноопасных грунтов, так и в выемках, основание которых сложено пучиноопасными грунтами.
До устройства теплоизолирующего слоя должны быть выполнены следующие работы:
• подготовка земляного полотна;
• обеспечение водоотвода с поверхности земляного полотна;
• подготовка путей завоза строительных материалов.
Земляное полотно должно быть спланировано и уплотнено в соответствии с действующими нормативами. Если требуемого уплотнения в рабочем слое достичь невозможно, то должны быть выполнены специальные указания проекта. Водоотвод с поверхности земляного полотна должен быть осуществлен до начала отсыпки выравнивающего слоя под пеноплэкс. При соответствующем технико-экономическом обосновании применяют дренирующую прослойку из геотекстиля. Поперечный уклон дренирующей прослойки принимают не менее 2%. Для обеспечения равномерного опирания плит на поверхность земляного полотна, как правило, устраивают выравнивающий слой из песка толщиной 5…10 см. Распределяют песок бульдозерами. По подготовленному выравнивающему слою проезд механизмов и автотранспорта не допускается.
Плиты пеноплэкса (125х65 см) укладывают вручную (звено из двух человек), располагая их длинной стороной вдоль дороги. Выравнивание термоизолирующего слоя производят подсыпкой песка под плиты с контролем нивелировкой. Стыковка плит осуществляется за счет шпунта, имеющегося на плите.
Плиты следует укладывать таким образом, чтобы поперечные швы в соседних рядах плит располагались вразбежку, т.е. в одной точке не должны соединяться четыре плиты (рис. 4.2).
При двухъярусном теплоизолирующем слое швы нижележащего ряда плит необходимо перекрывать вышележащими плитами. Уложенные плиты закрепляют металлическими стержнями диаметром 6…8 мм и длиной 400 мм. Стержни забивают в плиту заподлицо. При ширине прослойки до 8 м достаточно закрепить крайние ряды плит и один-два ряда посередине слоя. Каждая плита крайнего ряда должна быть закреплена не менее чем двумя стержнями. Плиты крайних рядов допускается закреплять, забивая стержни заподлицо с верхней гранью плиты рядом с ней.
Первый над плитами слой дорожной одежды или земляного полотна должен отсыпаться толщиной не менее 0,3 м в плотном теле по способу «от себя». Распределение песка производят бульдозером. Для уплотнения используют вибрационные уплотняющие средства.
При использовании построечной техники с диаметром следа заднего колеса более 37 см и при среднем давлении от заднего колеса более 0,6 МПа следует выполнить расчет необходимой толщины защитного слоя над пеноплэксом. После уплотнения этого слоя виброкатком массой 14…17 т по нему разрешается движение дорожностроительных машин.
Источник