Циклы водно теплового режима

Циклы водно теплового режима thumbnail

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:

Циклы водно теплового режима

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.

Читайте также:  Циклы тепловой двигатель и рабочее тело

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.

Циклы водно теплового режима

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.

Читайте также:  Тепловая установка работает по циклу карно

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);

Читайте также:  Работа тепловой машины по обратимому циклу карно

• 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).

Циклы водно теплового режима

Циклы водно теплового режима

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).

Циклы водно теплового режима

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